CN104389793A - 一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工心脏辅助装置领域，特别是涉及一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置。该装置包括定子（1）、转子（2）和间隙（3）三部分，定子外壳（10）内腔左侧设有锥形分布的定子左轴向磁化永磁体（13），内腔右侧设有锥形分布的定子右轴向磁化永磁体（12），内腔中间位置绕有绕组线圈（11），定子（1）左侧中心位置设有液体输入口（14），右侧中心位置设有液体输出口（15），转子转轴（20）左侧设有锥形分布的转子左轴向磁化永磁体（23），右侧设有锥形分布的转子右轴向磁化永磁体（22），中间位置设有转子铁芯叶片（21）。本发明结构简单、紧凑、体积小、稳定性高，可移入体内长期使用。

Description

一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置

技术领域

本发明涉及人工心脏辅助装置领域，特别是涉及一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置。

背景技术

心脏辅助装置是心脏病人维持生命的重要手段，即用生物机械手段部分或完全代替心脏的泵血机能，维持全身的血液循环，目前多种心脏辅助装置已经被应用到临床，部分或全部的代替自然心脏的功能。心脏辅助装置从原理上被分为搏动型和非搏动型，均对可置入性、持续能源、组织相溶性提出了很高的要求，搏动型心脏辅助装置受体积大、不可植入的限制，不适合心脏衰竭人群的长期使用，而非搏动型心脏辅助装置体积小，不易形成血栓，更有利于解决全置入人体的问题。非搏动性心脏辅助装置又分为离心式和轴流式，轴流式心脏辅助装置体积小、质量轻，更适于长期置于体内，且可以有效减小手术创口，降低对人体负担。

磁悬浮轴流式心脏辅助装置多采用混合磁悬浮结构，包括轴向磁轴承、径向磁轴承、旋转电机和叶轮装置等部分，设计转子还需单独采用前导叶轮、后导叶轮来实现液体的轴向驱动，结构复杂，不利于减小体积。磁悬浮转子无接触地悬浮于空间中，转子位移只能通过电涡流传感器、超声波传感器、电容式传感器、霍尔传感器或光学传感器等无接触的方式来检测，体积大、系统损耗高，驱动多采用永磁电机，控制系统复杂，可靠性低。随着制造工艺、电子技术和计算机控制技术的快速发展，无轴承开关磁阻电机具有结构简单、控制灵活、性能可靠等优点，引起了社会的广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，采用磁悬浮技术和无轴承开关磁阻技术，提供一种尺寸小，结构简单紧凑的磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，技术方案是：一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，包括定子、转子和间隙，所述定子设有定子外壳，所述定子外壳内腔左侧设有呈锥形的定子左轴向磁化永磁体，内腔右侧设有呈锥形的定子右轴向磁化永磁体，内腔中间位置设有定子铁芯，所述定子铁芯上绕有绕组线圈，所述绕组线圈分为悬浮力绕组及电磁力绕组，所述定子左侧中心位置设有液体输入口，右侧中心位置设有液体输出口，所述转子设有转子转轴，所述转子转轴左侧设有呈锥形的转子左轴向磁化永磁体，右侧设有呈锥形的转子右轴向磁化永磁体，中间位置设有转子铁芯叶片。

本发明的技术方案还有：所述定子铁芯呈倾斜的凸齿状，所述转子铁芯叶片呈倾斜的叶片状，并以所述转子转轴为圆心，转子铁芯叶片与间隙的接触面平行于定子铁芯与同一间隙的接触面，以通过较多的磁通量。

本发明的技术方案还有：定子左轴向磁化永磁体与转子左轴向磁化永磁体同极相对，在转子上产生径向斥力和向右的轴向斥力，定子右轴向磁化永磁体与转子右轴向磁化永磁体，同极相对，在转子上产生径向斥力和向左的轴向斥力，所述径向斥力的合力和轴向斥力的合力实现转子的五自由度非稳态磁悬浮。

本发明的技术方案还有：所述绕组线圈包括悬浮力绕组和电磁力绕组，悬浮力绕组通过电磁吸引力，实现对转子径向位置的调节，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在转子上产生电磁旋转力，实现对转子转速的调节。

本发明的技术方案还有：所述转子铁芯叶片和定子铁芯为4/6齿结构，或6/8齿结构，或8/12齿结构。

本发明的技术方案还有：所述转子转轴为中空密封轴，转子在液体中所受浮力能抵消部分重力，减少人体姿态变化对转子运行状态的影响。

本发明一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置的主要优点是：

    （1）采用倾斜的转子铁芯叶片实现轴向液体驱动和径向无接触磁悬浮控制，电机转子和驱动叶轮合为一体，结构简单、体积小；

    （2）采用永磁和电磁混合悬浮方式，消除接触式机械摩擦，减少电能消耗，提高使用寿命，用于人工心脏泵时，能降低对体内组织细胞的破坏；

    （3）采用悬浮力绕组产生径向电磁吸引力，采用电磁力绕组产生电磁旋转力，悬浮力绕组和电磁力绕组中的电流是单独控制的，无需专用径向电磁轴承，结构简单、紧凑。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明一个8/12齿结构实施例的A-A向视图。

图中：1为定子，10为定子外壳，11为绕组线圈，12为定子右轴向磁化永磁体，13为定子左轴向磁化永磁体，14为液体输入口，15为液体输出口，16为定子铁芯，2为转子，20为转子转轴，21为转子铁芯叶片，22为转子右轴向磁化永磁体，23为转子左轴向磁化永磁体，3为间隙。

具体实施方式

实施例：一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置。

定子左轴向磁化永磁体13与转子左轴向磁化永磁体23，在转子2左侧产生径向斥力和向右的轴向斥力，定子右轴向磁化永磁体12与转子右轴向磁化永磁体22，在转子2右侧产生径向斥力和向左的轴向斥力。转子2左右两侧径向斥力及转子2所受浮力的径向分量克服转子2重力的径向分量，实现转子2在各种姿态下的径向被动悬浮，再借助绕组线圈11的悬浮力绕组对转子铁芯叶片21施加电磁吸引力，动态调节转子2的径向位置。向右的轴向斥力、向左的轴向斥力及转子2所受浮力的轴向分量克服转子2所受重力的轴向分量和液体流时转子2受到的轴向反作用力，实现转子2在各种姿态下的轴向悬浮。

定子铁芯16绕有绕组线圈11，绕组线圈11包括悬浮力绕组和电磁力绕组两部分。悬浮力绕组依靠电磁吸引力动态调节转子2的径向位置，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，对转子2产生电磁旋转力，实现转子2的旋转及转速调节，转子铁芯叶片21具有倾斜面，转动时对液体有轴向的驱动作用，悬浮力绕组和电磁力绕组中的电流是单独控制的，可通过不同大小的电流，控制灵活。

一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置的工作过程：转子2在定子左轴向磁化永磁体13、转子左轴向磁化永磁体23、定子右轴向磁化永磁体12、转子右轴向磁化永磁体22、绕组线圈11、液体浮力和重力的共同作用下，实现五自由度磁悬浮，之后液体由液体输入口14进入磁悬浮装置内，在转子铁芯叶片21的驱动下沿轴向流动，经液体输出口15流出磁悬浮装置。

Claims (6)

1.一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，包括定子（1）、转子（2）和间隙（3），其特征在于：所述定子（1）设有定子外壳（10），所述定子外壳（10）内腔左侧设有呈锥形的定子左轴向磁化永磁体（13），内腔右侧设有呈锥形的定子右轴向磁化永磁体（12），内腔中间位置设有定子铁芯（16），所述定子铁芯上（16）上绕有绕组线圈（11），所述绕组线圈（11）分为悬浮力绕组及电磁力绕组，所述定子（1）左侧中心位置设有液体输入口（14），右侧中心位置设有液体输出口（15），所述转子（2）设有转子转轴（20），所述转子转轴（20）左侧设有呈锥形的转子左轴向磁化永磁体（23），右侧设有呈锥形的转子右轴向磁化永磁体（22），中间位置设有转子铁芯叶片（21）。

2.根据权利要求项1所述的一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，其特征在于：所述定子铁芯（16）呈倾斜的凸齿状，所述转子铁芯叶片（21）呈倾斜的叶片状，并以所述转子转轴（20）为圆心，转子铁芯叶片（21）与间隙（3）的接触面平行于定子铁芯（16）与同一间隙（3）的接触面，以通过较多的磁通量。

3.根据权利要求项1所述的一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，其特征在于：所述定子左轴向磁化永磁体（13）与转子左轴向磁化永磁体（23）同极相对，在转子（2）上产生径向斥力和向右的轴向斥力，定子右轴向磁化永磁体（12）与转子右轴向磁化永磁体（22）同极相对，在转子（2）上产生径向斥力和向左的轴向斥力，所述径向斥力的合力和轴向斥力的合力实现转子（2）的五自由度非稳态磁悬浮。

4.根据权利要求项1所述的一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，其特征在于：所述绕组线圈（11）包括悬浮力绕组和电磁力绕组，悬浮力绕组通过电磁吸引力，实现对转子（2）径向位置的调节，电磁力绕组根据“磁阻最小原理”，在转子（2）上产生电磁旋转力，实现对转子（2）转速的调节。

5.根据权利要求项1所述的一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，其特征在于：所述转子铁芯叶片（21）和定子铁芯（16）为4/6齿结构，或6/8齿结构，或8/12齿结构。

6.根据权利要求项1所述的一种磁悬浮轴流式叶轮驱动装置，其特征在于：所述转子转轴（20）为中空密封轴，转子（2）在液体中所受浮力能抵消部分重力，减少人体姿态变化对转子（2）运行状态的影响。