CN105915005A - 用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机及优化方法，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁心；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁心的边缘平齐。本发明有益效果：采用直斜复合绕组后，电动机电磁转矩增加，谐波绕组系数降低。定子结构简单，与传统电机结构相比，定子变为无槽结构，加工制作相对简单，消除了齿槽转矩，铜损降低。

Description

用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机及优化方法

技术领域

本发明属于人工心脏泵技术领域，特别涉及一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机及其优化方法。

背景技术

人工心脏泵又称血泵，是一种部分或全部替代心脏泵血功能的机械泵装置，具有广阔的临床应用前景。驱动电机作为人工心脏泵的重要组成部分，其特性直接决定着人工心脏泵的性能。人工心脏泵驱动电机与传统电机相比，要求在满足高可靠性、高稳定性基础上，减小体积、降低噪声、改善运行性能。永磁无刷直流电动机具有功率密度大、几何尺寸小、动态响应快、运行效率高等一系列优点,在高速运行场合具有广阔的应用前景，目前已经被广泛应用于人工心脏泵的驱动。

传统永磁无刷直流电动机的定子为有齿槽结构，转矩脉动较大。存在转矩脉动会导致振动和噪声的产生，影响系统的控制精度，尤其是在高速运转电机中，转矩脉动的影响更为严重。永磁无刷直流电动机的转矩脉动主要源于其谐波转矩，谐波转矩包括齿槽转矩和纹波转矩。前者由定子铁心与转子永磁体相互作用产生，是定子齿槽存在而导致的铁心磁阻变化引起的；后者产生于电枢电流波形及感应电动势波形的偏差引起的。虽然有方法能够削弱转矩脉动，但无法根本消除转矩脉动。

另外，带齿槽的永磁无刷直流电动机转子的长度和绕组的竖直部分长度相等，线圈的绕组端部置于定子边缘外，厚度较大，占用轴向空间，同时无法有效利用绕组端部部分，增大了电机的漏磁和铜损，降低了电机的转动力矩与效率。

传统电机的绕组分布分为直绕组和斜绕组两种类型，直绕组的电机谐波绕组系数较高，斜绕组分布可以降低谐波绕组系数。

人工心脏泵电机的发热问题将影响电机的效率和患者的生命安全，因此如何降低发热量，提高电机效率是人工心脏泵电机研制的重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机及优化方法，该电机采用直斜复合定子绕组，有效利用了端部绕组部分，在消除转矩脉动的同时，在一定程度上减小了谐波电流，提高电机转动力矩与效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁心；所述定子铁心内表面为无齿槽结构，所述直斜复合绕组设置在转子永磁体和定子铁心之间；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁心的边缘平齐。

进一步地，所述直斜复合绕组包括沿环形绕制的A、B、C三相绕组；每一相绕组沿轴向分为三个部分：绕组的上下两端分别为沿轴向倾斜绕制的斜绕组部分，绕组的中间部分为直绕组部分。

进一步地，所述A、B、C三相绕组中，每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α满足：

$sin\mathrm{\α}=\frac{L-l_s}{2l_q}$

$\frac{d}{sin\mathrm{\α}}\·N\≤2{\mathrm{\πr}}_{in}$

其中，α为斜绕组和水平方向的夹角，0°<α<90°；L为绕组轴长；l_q为斜绕组长度；l_s为直绕组长度；D为绕组单匝线径；A为斜绕组单匝的水平长度；N为一层绕组的总匝数；r_in为线圈内半径。

进一步地，采用粒子群优化算法对每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α进行优化。

进一步地，所述直斜复合绕组的斜绕组部分排列规则，转子永磁体的长度大于直绕组部分的长度。

进一步地，所述A、B、C三相绕组对称均匀分布成两层，每匝线圈跨过一个极距，每层每相绕组占据120°的角度，绕组接线方式为星形连接。

进一步地，所述转子永磁体为钕铁硼永磁材料，径向充磁，由单个磁体组成，或者由多个磁体拼接而成，为一对极或多对极结构。

进一步地，所述转子永磁体外部由非磁性医用钛合金包裹，钛合金外壳外部有叶轮，旋转时能够带动血液轴向流动；所述定子线圈内侧设有医用钛合金内壳；所述钛合金外壳和钛合金内壳能够减小气隙磁场的高次谐波，减小转子永磁体的涡流损耗。

进一步地，所述定子铁心由硅钢片叠加而成。

进一步地，具有直斜复合定子绕组的无槽电机采用无位置传感器控制方法，利用对电势的检测确定转子位置，用于电机控制。

一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机的优化方法，包括：

(1)利用粒子群优化算法，在给定温度初值的条件下计算出最优夹角α的直斜复合绕组定子无槽电机；

(2)在有限元仿真软件中建立电机磁场有限元计算模型，设置电机结构参数，其中包含夹角α，对电机空载特性负载特性进行分析，具体包括对气隙磁场、反电势波形以及额定转速时的转矩波形；

(3)结合有限元仿真结果，计算电机损耗，包括转子涡流损耗、定子铜损和定子涡流损耗；

(4)基于电机电磁场模型建立温度场模型，输入电机材料热学参数、边界条件、环境温度、血液流场温度和流速参数，进行发热分析，得到电机温度场分析结果；

(5)以转子表面温度、定子内侧温度和电机外壳温度参数作为反馈，更新粒子群优化算法参数，重复进行粒子群优化算法，迭代几次后当两次迭代之间差值达到期望值时结束，从而得到最优夹角α。

本发明的有益效果是：

(1)采用直斜复合绕组后，电动机电磁转矩与效率增加，谐波电流减小。

(2)定子铁心结构简单，与传统电机结构相比，定子变为无槽结构，加工制作相对简单，消除了转矩脉动。

(3)可以通过改变绕组的斜绕组部分和直绕组部分所占的比例，调控电机的电磁转矩与谐波绕组系数。

(5)直斜复合绕组的使用，使得电动机的转矩脉动得到了有效抑制，削弱了振动和噪声，可以提高人工心脏泵系统的控制精度，有利于人工心脏泵的稳定运行。

(6)通过粒子群算法优化电机结构，可以设计出最优的的斜绕组倾斜角，从而使电机效率达到最高，有效提高谐波抑制率，降低了心脏泵发热。

附图说明

图1是本发明用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机径向截面图；

图2是本发明用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机结构示意图；

图3是本发明用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机的工作原理；

图4是三相绕组的空载反电动势波形；

图5是本发明直斜复合定子绕组结构示意图；

图6是磁热耦合分析的概念图；

图7是粒子群参数优化算法流程图；

图8是本发明用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机参数优化方法流程图；

其中，1.定子铁心，2.直斜复合绕组，3.气隙，4.转子永磁体，5.转轴，6.电机外壳。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，包括：定子铁心1、直斜复合绕组2、转子永磁体4和转轴5；转轴5位于中心位置，从内到外依次为转轴5，转子永磁体4、直斜复合定子绕组和定子铁心1；转子永磁体4心与直斜复合绕组2之间形成电机气隙3；直斜复合绕组2介于定子和转子之间，直斜复合绕组2的边缘与定子铁心1的边缘平齐。定子铁心1由硅钢片叠加而成，转子永磁体4为钕铁硼永磁材料，径向充磁，定子铁心1为无齿槽结构。

图3为本发明电机工作原理示意图，转子位置检测装置通过反电势法检测电机转子位置，把信号输送至控制器，控制器根据反馈的信号控制逆变器开关导通，据此控制电机三相绕组的导通状态，形成脉振旋转磁场，使电机产生电磁转矩，从而带动电机转子旋转。人工心脏泵驱动电机采用两相导通星形三相六状态的运行方式。

对于传统电机的绕组，转子的长度和绕组的竖直部分长度相等，绕组的端部布置在转子边缘之外，端部绕组排列不规则，厚度高，绕组端部并没有得到有效的利用。

对于直斜复合绕组2，绕组端部边缘与定子边缘平齐，绕组倾斜部分排列规则，转子的长度大于绕组的竖直部分。直斜复合绕组2端部斜绕组的利用增大了导体有效长度，使得电动机电动势增大；端部斜绕组的规则排列使得线圈厚度降低，定子铁心1和转子永磁体4之间的气隙3减小，气隙3磁感应强度增大；斜绕组部分能够有效抑制高次谐波，从而削弱转矩脉动。电动机电磁转矩增加，谐波绕组系数降低。另外，具有直斜复合绕组2的无齿槽结构定子铁心1，消除了齿槽转矩，降低了铜损。

对于使用直斜复合绕组2的电动机，绕组端部的利用增大了导体有效长度，使得电动机电动势增大；端部绕组的规则排列使得线圈厚度降低；定子铁心1具有无槽结构，从根本上消除了齿槽转矩；斜绕组部分能够有效抑制高次谐波，使电机能平稳运行。电动势和气隙3磁感应强度增大，电动机的电磁转矩增大，同时，无齿槽电机磁阻转矩很小,具有较高的定位转矩,能有效抑制电机转矩脉动,使运行更加平稳。

图4所示分别为三相绕组空载反电动势波形，波形正弦性较好，傅里叶分析表明，谐波幅值较低，验证了本发明电机设计的有效性。

高次谐波的抑制有利于降低电机的杂散损耗，提高效率，降低温升，体现了直斜复合绕组2的优势。

根据直斜复合绕组2内层、外层位置的气隙3磁通密度分布可以得出，绕组内层位置的气隙3磁通密度明显大于外层，可见在电机参数确定的条件下不同半径处气隙3磁密的大小不同；波形为较好的正弦波，无齿槽结构有效的削弱了由电枢反应引起的气隙3磁场高频谐波，同时也消除了由定子开槽引起的气隙3磁场中的齿谐波。

直斜复合绕组2具有斜槽电机性质，当转子大于线圈竖直部分时，绕组的倾斜部分得到利用，可使某些谐波绕组系数显著降低，与斜槽电机相比，由于直绕组部分的存在，使电机效率更高，转矩更大。

定子具有无齿槽结构，使放置绕组的空间增加，在绕组匝数相同的情况下，无齿槽结构可选用直径较大的导线以减小绕组电阻,因此无齿槽结构电机的铜耗要比有齿槽结构电机小。

图5为人工心脏泵驱动电机的直斜复合绕组2结构示意图，绕组的边缘与定子铁心1边缘平齐。直斜复合绕组2由A、B、C三相绕组组成，三相绕组对称均匀分布成两层，每匝线圈跨过一个极距，每层每相绕组占据120°的空间角。三相绕组沿轴向可以分为三个部分：上下两段绕组为斜绕组部分，中段绕组为直绕组部分。A、B、C三相绕组的斜绕组部分与轴向夹角α相同，上层绕组与下层绕组的倾斜方向相反。通过调节倾斜角α，可以调节斜绕组与直绕组在每相绕组中的比例。

A、B、C三相绕组中，每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α满足：

$sin\mathrm{\&alpha;}=\frac{L-l_s}{2l_q}---\left(1\right)$

$\frac{d}{sin\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;N\&le;2{\mathrm{\&pi;r}}_{in}---\left(2\right)$

其中，α为斜绕组和水平方向的夹角，0°<α<90°；L为绕组轴长；l_q为斜绕组长度；l_s为直绕组长度；D为绕组单匝线径；A为斜绕组单匝的水平长度；N为一层绕组的总匝数；r_in为线圈内半径。

采用粒子群优化算法对每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α进行优化。

采用了基于粒子群参数的磁热耦合分析方法，对电机绕组进行优化，从而得到最优的绕组结构参数。磁热耦合分析的概念图如图6所示，粒子群参数优化算法如图7所示。

在夹角α满足式(1)和式(2)的条件下，对夹角α进行优化，优化步骤如图8所示：

(1)利用粒子群优化算法，在给定温度初值的条件下计算出最优夹角α的直斜复合绕组2定子无槽电机。

(2)在有限元仿真软件中建立电机磁场有限元计算模型，设置电机结构参数，其中包含夹角α，运行有限元仿真程序，对电机空载特性负载特性进行分析，具体包括对气隙3磁场、反电势波形、额定转速时的转矩波形；

(3)结合有限元仿真结果，计算电机损耗，包括转子涡流损耗、定子铜损、定子涡流损耗等；

(4)基于电机电磁场模型建立温度场模型，进行发热分析，输入电机材料热学参数、边界条件、环境温度、血液流场温度、流速等参数，按照一下程序得到电机温度场分析结果。

(5)以转子表面温度、定子内侧温度、电机外壳6温度参数作为反馈，更新粒子群优化算法参数，重复进行算法，迭代几次后当两次迭代之间差值达到期望值时结束，从而得到佳夹角α。

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 (10)

1.一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁心；所述定子铁心内表面为无齿槽结构，所述直斜复合绕组设置在转子永磁体和定子铁心之间；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁心的边缘平齐。

2.如权利要求1所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述直斜复合绕组包括沿环形绕制的A、B、C三相绕组；每一相绕组沿轴向分为三个部分：绕组的上下两端分别为沿轴向倾斜绕制的斜绕组部分，绕组的中间部分为直绕组部分。

3.如权利要求2所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述A、B、C三相绕组中，每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α满足：

$sin\mathrm{\&alpha;}=\frac{L-l_s}{2l_q}$

$\frac{d}{sin\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;N\&le;2{\mathrm{\&pi;r}}_{in}$

其中，α为斜绕组和水平方向的夹角，0°<α<90°；L为绕组轴长；l_q为斜绕组长度；l_s为直绕组长度；D为绕组单匝线径；A为斜绕组单匝的水平长度；N为一层绕组的总匝数；r_in为线圈内半径。

4.如权利要求3所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，采用粒子群优化算法对每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α进行优化。

5.如权利要求2所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述直斜复合绕组的斜绕组部分排列规则，转子永磁体的长度大于直绕组部分的长度。

6.如权利要求2所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述A、B、C三相绕组对称均匀分布成两层，每匝线圈跨过一个极距，每层每相绕组占据120°的角度，绕组接线方式为星形连接。

7.如权利要求1所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述转子永磁体为钕铁硼永磁材料，径向充磁，由单个磁体组成，或者由多个磁体拼接而成，为一对极或多对极结构。

8.如权利要求1所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述转子永磁体外部由非磁性医用钛合金包裹，钛合金外壳外部有叶轮，旋转时能够带动血液轴向流动；所述定子线圈内侧设有医用钛合金内壳；所述钛合金外壳和钛合金内壳能够减小气隙磁场的高次谐波，减小转子永磁体的涡流损耗。

9.如权利要求1所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，具有直斜复合定子绕组的无槽电机采用无位置传感器控制方法，利用对电势的检测确定转子位置，用于电机控制。

10.一种如权利要求3所述的用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机的优化方法，其特征是，包括：

(1)利用粒子群优化算法，在给定温度初值的条件下计算出最优夹角α的直斜复合绕组定子无槽电机；

(2)在有限元仿真软件中建立电机磁场有限元计算模型，设置电机结构参数，其中包含夹角α，对电机空载特性负载特性进行分析，具体包括对气隙磁场、反电势波形以及额定转速时的转矩波形；

(3)结合有限元仿真结果，计算电机损耗，包括转子涡流损耗、定子铜损和定子涡流损耗；

(4)基于电机电磁场模型建立温度场模型，输入电机材料热学参数、边界条件、环境温度、血液流场温度和流速参数，进行发热分析，得到电机温度场分析结果；

(5)以转子表面温度、定子内侧温度和电机外壳温度参数作为反馈，更新粒子群优化算法参数，重复进行粒子群优化算法，迭代几次后当两次迭代之间差值达到期望值时结束，从而得到最优夹角α。