CN104895922B - 应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承 - Google Patents

应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，包括固定座、悬浮体、磁铁、永磁体和电磁线圈，其中，固定座凸起的上端设有上径向永磁轴承内磁铁，凸起的下端设有下径向永磁轴承内磁铁，固定座内部边缘设有电磁线圈，固定座凸起部位的底端设有台阶，台阶内设有轴向永磁轴承下磁铁；悬浮体的内侧与固定座形状相配合，且上端设有与上径向永磁轴承内磁铁相对应的上径向永磁轴承外磁铁，中部设有与下径向永磁轴承内磁铁相对应的下径向永磁轴承外磁铁，底端中间位置设有与轴向永磁轴承下磁铁相对应的轴向永磁轴承上磁铁，底端边缘位置设有永磁体，通过控制电磁线圈的电流大小，实现悬浮体与固定座之间有间隙悬浮和间隙大小。

Description

应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承。
背景技术
人工心脏泵已经发展到第三代，主要标志是转子轴悬浮技术的应用，其优点是没有摩擦、没有磨损，减小了对血液的损害。用磁悬浮轴承替代机械轴承的第三代人工心脏泵被世界多个国家研究并在美国、德国等发达国家应用。
现有的人工心脏泵多存在体积大、重量大的问题，在植入式非常麻烦，增大了手术的难度、增加了患者的痛苦。
减小人工心脏泵的体积、重量以及减小功耗一直是人们努力的目标。为了减小人工心脏泵的体积和重量，利于植入人体特提出本发明。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，本装置采用分离式结构，依靠单端磁轴承本身产生吸力和斥力达到转子轴向的稳定悬浮，解决不需要轴向其他力、节省空间而又能实现轴向稳定悬浮的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，包括固定座、悬浮体、磁铁、永磁体和电磁线圈，其中，固定座呈凸型结构，固定座凸起的上端设有上径向永磁轴承内磁铁，凸起的下端设有下径向永磁轴承内磁铁，固定座内部边缘设有电磁线圈，固定座凸起部位的底端设有台阶，台阶内设有轴向永磁轴承下磁铁；
悬浮体的内侧与固定座形状相配合，且上端设有与上径向永磁轴承内磁铁相对应的上径向永磁轴承外磁铁，中部设有与下径向永磁轴承内磁铁相对应的下径向永磁轴承外磁铁，底端中间位置设有与轴向永磁轴承下磁铁相对应的轴向永磁轴承上磁铁，底端边缘位置设有永磁体，通过控制电磁线圈的电流大小，实现悬浮体与固定座之间悬浮的间隙大小的调节。
所述轴向永磁轴承上磁铁和轴向永磁轴承下磁铁为一对环形永磁体。
所述轴向永磁轴承上磁铁和轴向永磁轴承下磁铁的充磁方向一致，放置时两磁极之间磁力相等、磁性相反，产生斥力。
所述永磁体固定在悬浮体底部，电磁线圈通电后与永磁体之间产生吸力，调节电磁线圈中电流大小，即调节吸力大小，控制悬浮体离开固定座的距离。
所述固定座上设有传感器，检测悬浮体与固定座之间的悬浮间隙。
本发明的工作原理：
为了实现悬浮体轴向悬浮，需让悬浮体悬浮在设定的平衡点上，悬浮体在平衡点位置轴向两边受到的力无论是变化的重力、流体力或者其它干扰冲击力等，在轴向都可以分解为两个方向相反的力。所以只要轴向斥力设计的足够合适，当悬浮体在外力作用下位置发生改变，即离开平衡点时，电磁力相应改变，始终保证两个力大小相等方向相反，使叶轮悬浮在平衡点。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的单端轴向分离式结构的磁悬浮轴承，当悬浮体在不同方位重力不同或者是受到流体力或者其它力都能够保持稳定悬浮；
(2)轴向磁轴承分为两部分，永磁轴承和电磁轴承，两个轴承都位于整个悬浮结构底部，没有额外占用空间；
(3)解决了现有磁悬浮人工心脏泵存在的体积大、重量大、功耗大、温升大的问题。
附图说明
图1为本发明的单端轴向分离式磁轴承示意图；
图2为本发明的轴向永磁轴承上磁铁与轴向永磁轴承上磁铁的充磁方向示意图；
图3为本发明的轴向永磁轴承外形示意图。
其中，1、悬浮体；2、上径向永磁轴承外磁铁；3、上径向永磁轴承内磁铁；4、下径向永磁轴承内磁；5、下径向永磁轴承外磁铁；6、轴向永磁轴承上磁铁；7、轴向永磁轴承下磁铁；8、固定座；9、传感器；10、电磁线圈；11、环形永磁体。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
对于单端轴向磁轴承，一般需要借用重力、流体力或者其他力与单端控制力联合以实现单端稳定控制。本发明创新设计了单端轴向磁轴承，采用分离式结构，依靠单端磁轴承本身产生吸力和斥力达到转子轴向的稳定悬浮，解决不需要轴向其他力、节省空间而又能实现轴向稳定悬浮的问题。本发明提出的单端控制的磁悬浮方式，为了实现双向的磁力，设计了分离式吸力和斥力并存的结构，见图1中的轴向轴承，充分利用了离心式人工心脏泵叶轮的空间。
如图1所示为全悬浮系统，径向的稳定悬浮由径向磁悬浮轴承实现，本发明的实施过程只介绍在径向稳定悬浮的前提下实现轴向的稳定悬浮。悬浮体1与固定座8之间实现有间隙悬浮，本发明巧妙利用离心式人工心脏泵的底部直径大的结构，将单端的磁悬浮轴承设计为分离式结构，实现斥力的磁轴承，见图1中轴向永磁轴承上磁铁6和轴向永磁轴承下磁铁7，在靠近轴的里边；实现吸力的磁轴承，见图1中电磁线圈10和环形永磁体11，在离轴比较远的外边。这种单端轴向磁轴承分离式结构，把轴向轴承的斥力和吸力两个力轴承全部安排在了血泵转子的下端，单端产生吸力和斥力，并且依靠图1中电磁线圈10和环形永磁体11的吸力磁轴承的可控性实现双向力平衡，以达到转子轴向的稳定悬浮。采用本结构后，可以明显减少悬浮结构体积，节省空间。实现斥力的磁轴承充磁方向如图2所示，轴向永磁轴承上磁铁6和轴向永磁轴承下磁铁7是一对圆环形永磁体，轴向充磁，两个圆环充磁方向一致，放置时两磁极之间磁力相等、磁性相反，产生斥力。外形见图3。
线圈10固定在固定座8上，为圆环形线圈。环形永磁体11为圆环形永磁体或者其他导磁材料，固定在悬浮体1底部。当通电后，环形线圈10与环形永磁体11之间产生吸力，根据传感器检测的距离随时调节线圈中电流大小，即调节吸力大小，控制悬浮体1离开固定座8的距离。
本发明的单端轴向分离式结构的磁悬浮轴承，当转子在不同方位重力不同或者是受到流体力或者其它力都能够保持稳定悬浮。
为了实现悬浮体轴向悬浮，需让悬浮体1悬浮在设定的平衡点上，悬浮体在平衡点位置轴向两边受到的力无论是变化的重力、流体力或者其它干扰冲击力等，在轴向都可以分解为两个方向相反的力。所以只要轴向斥力设计的足够合适，当叶轮在外力作用下位置发生改变，即离开平衡点时，电磁力相应改变，始终保证两个力大小相等方向相反，使叶轮悬浮在平衡点。悬浮的间隙由距离传感器9检测，转子达到轴向的稳定悬浮。
轴向磁轴承分为两部分，永磁轴承(轴向永磁轴承上磁铁6和轴向永磁轴承下磁铁7两部分)和电磁轴承(电磁线圈10和环形永磁体11两部分)。两个轴承都位于整个悬浮结构底部，没有额外占用空间。解决了现有磁悬浮人工心脏泵存在的体积大、重量大、功耗大、温升大的问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，其特征是：包括固定座、悬浮体、磁铁、永磁体和电磁线圈，其中，固定座呈凸型结构，固定座凸起的上端设有上径向永磁轴承内磁铁，凸起的下端设有下径向永磁轴承内磁铁，固定座内部边缘设有电磁线圈，固定座凸起部位的底端设有台阶，台阶内设有轴向永磁轴承下磁铁；
悬浮体的内侧与固定座形状相配合，且上端设有与上径向永磁轴承内磁铁相对应的上径向永磁轴承外磁铁，中部设有与下径向永磁轴承内磁铁相对应的下径向永磁轴承外磁铁，底端中间位置设有与轴向永磁轴承下磁铁相对应的轴向永磁轴承上磁铁，底端边缘位置设有永磁体，通过控制电磁线圈的电流大小，实现悬浮体与固定座之间悬浮的间隙大小的调节；
轴向永磁轴承上磁铁和轴向永磁轴承下磁铁为实现斥力的磁轴承，且设置在靠近轴的里边；电磁线圈和永磁体为实现吸力的磁轴承，且设置在离轴远的外边。
2.如权利要求1所述的一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，其特征是：所述轴向永磁轴承上磁铁和轴向永磁轴承下磁铁为一对环形永磁体。
3.如权利要求1所述的一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，其特征是：所述轴向永磁轴承上磁铁和轴向永磁轴承下磁铁的充磁方向一致，放置时两磁极之间磁力相等、磁性相反，产生斥力。
4.如权利要求1所述的一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，其特征是：所述永磁体固定在悬浮体底部，电磁线圈通电后与永磁体之间产生吸力，调节电磁线圈中电流大小，即调节吸力大小，控制悬浮体离开固定座的距离。
5.如权利要求1所述的一种应用于离心式人工心脏泵的单端轴向分离式磁悬浮轴承，其特征是：所述固定座上设有传感器，检测悬浮体与固定座之间的悬浮间隙。
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