CN106512118B - 一种全植入式磁液双悬浮轴流血泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全植入式磁液双悬浮轴流血泵。它是由轴向悬浮系统、径向悬浮系统、泵系统和电机系统构成。等径斥‑异径吸的两对永磁体组合方式，结合叶轮旋转时流体轴向反作用力实现叶轮轴向悬浮，还能辅助径向定位及提供部分径向悬浮力；分离式开槽的叶轮动压外壳产生的动压液悬浮效应力可支持叶轮径向悬浮；固定的中心轴与叶轮存在间隙，对叶轮初步定位，旋转后叶轮悬浮与轴无接触。分离式开槽的动压叶轮壳，易加工，占用流道体积小，对血泵泵血效率影响很小的同时产生动压液悬浮力，流道与动压间隙中血液流通好，减小了动压间隙对血液的损伤。血泵运行时叶轮悬浮，与其他部件无接触和摩擦，减小了血栓和溶血。

Description

一种全植入式磁液双悬浮轴流血泵
技术领域
本发明涉及一种医学工程领域的心脏辅助装置，具体的是植入人体的磁液双悬浮轴流式血泵。
背景技术
由于药物治疗的有限性和心脏供体的极其稀缺，而多例血泵植入者的生理功能检查表明血泵对于维持生命、改善心脏功能具有明显作用。因此，无论是心脏病患者，还是临床医生和生物医学工作者均渴望使用机械性血泵暂时或永久代替自然心脏维持机体血液循环，以挽救病人生命,临床需求十分迫切。
几十年来，随着研究者对血泵的结构、材料、相容性、可植入性及可靠性等方面的不断研究，血泵迅速从第一代发展到了第三代。第一代血泵，体积大、易形成血栓、不易植入体内、瓣膜易损坏和驱动系统庞大，患者使用时非常不便。第二代泵叶片通过机械轴承安装在血泵转子上，轴承磨损易导致泵的耐久性降低；而且轴承对整体流场的阻挡作用导致死区生成，形成血栓；同时作相对高速旋转的机械轴承会对局部的血液造成机械损伤，形成溶血。为克服第二代血泵中机械轴承的缺点，第三代血泵使用流体动压力或磁力使叶轮悬浮，无需机械轴承，性能有了一定的提高。
精简结构，减小血泵体积，对磁力和液力充分利用使叶轮悬浮，同时兼顾血泵的泵血性能、溶血性能等，是血泵结构优化的目标。
发明内容
本发明目的是提供一种植入式、溶血低、综合性能好，用于辅助或代替人体心脏功能的磁液双悬浮轴流式血泵。
本发明为泵系统、驱动电机系统及悬浮系统组成的“泵-机一体”式血泵。驱动电机系统由导线、电机外壳、线圈绕组、定子铁芯和径向充磁的转子永磁体构成。泵系统由前导叶、泵外壳、叶轮、后导叶、轴构成。磁力悬浮系统由四个永磁环、两个隔磁环和一个端盖构成，其特征为：前导叶处一对永磁环大、小径相同，轴向充磁，靠近的两极极性相同，产生斥力；后导叶处一对永磁环大、小径不相同，靠近的两极极性相异，产生吸力，由于大小径不一样，吸力存在径向分力，为径向悬浮提供部分力及辅助径向定位；两对永磁体产生的磁力结合血泵旋转流体对叶轮的反作用力，使血泵叶轮轴向悬浮；隔磁环减弱永磁转子对两对永磁体的影响。液力悬浮系统主要是分离式开槽的叶轮动压外壳，其特征是：动压外壳单独加工后装配在叶轮叶片上，四道通透的槽将动压外壳隔离成四部分，变半径设计使动压外壳与泵外壳之间形成能产生液压悬浮力的动压间隙，动压间隙处血液能通过槽与叶轮叶片间主流道中的血液交换，减小溶血和血栓。
上述的轴与叶轮间有间隙。
上述的五个永磁体均使用钕铁硼材料。
上述的叶轮顶部为与动压外壳更好配合，进行了加宽，与动压外壳为过盈配合。
本发明与现有技术相比有以下优点：
本发明的分离式开槽叶轮动压外壳结构简单、容易加工，占用总体流道面积小，在对血泵泵血性能影响很小的情况下提供液压悬浮力，使叶轮径向悬浮，而且开槽可以让动压间隙与流道间的血液交换，减小动压间隙对血液的损伤；同径斥-异径吸的磁悬浮布置方式在提供轴向悬浮力的同时还能提供径向悬浮力，结合叶轮旋转时流体对叶轮的反作用力使叶轮轴向悬浮；运行时叶轮悬浮，与其他组件无摩擦，可以有效减小因摩擦导致的溶血和血栓；螺旋叶片式后导叶可以增加血泵泵血效率，还能稳定血泵出流口流场，减小血细胞因流场不稳定导致的损伤。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构剖视图。
图2为泵内部结构示意图。
图3为动压外壳剖视图。
图4为动压外壳立体示意图。
图5为叶轮立体示意图。
图6为后导叶立体示意图。
图中：1.前导叶，2.环形永磁体Ⅰ，3.导线，4.环形永磁体Ⅱ,5.定子铁芯，6.线圈绕组，7.电机外壳，8.泵外壳，9.后导叶，10.动压外壳，11.叶轮，12.隔磁环Ⅰ，13.轴，14.转子永磁体，15.隔磁环Ⅱ，16.端盖，17.环形永磁体Ⅲ,18.环形永磁体Ⅳ。
具体实施方式
本发明为 “泵-机一体”植入式双悬浮轴流血泵，主要由驱动电机系统、泵系统和悬浮系统构成。驱动电机系统由导线3、电机外壳7、线圈绕组6、定子铁芯5和转子永磁体14构成。泵系统由前导叶1、泵外壳8、叶轮11、后导叶9、轴13构成。磁力悬浮系统由四个永磁环：环形永磁体Ⅰ2、环形永磁体Ⅱ4、环形永磁体Ⅲ17、环形永磁体Ⅳ18，两个隔磁环：隔磁环Ⅰ12、隔磁环Ⅱ15，端盖16构成。液力悬浮系统主要是分离式开槽的叶轮动压外壳10。导线3为线圈绕组6提供按要求变化的电流，结合定子铁芯5产生随时间变化的电磁场，驱动径向充磁的转子永磁体14旋转；转子永磁体14固定与叶轮11中，带动叶轮11旋转，旋转方向为从入流口19看逆时针旋转；流体因叶轮11高速旋转产生的吸力从入流口19进入，先经过前导叶1整流，通过叶轮11叶片间的流道，再通过后导叶9整流后从出流口20流出；前导叶1与后导叶9起稳定流场作用，使血液经过血泵受损降低，减小溶血和血栓，后导叶9还可以增加血泵泵血效率。
上述的环形永磁体Ⅰ2与环形永磁体Ⅱ4大、小径相同，均为轴向充磁，相互靠近的两极极性相同，产生排斥力；环形永磁体Ⅲ17与环形永磁体Ⅳ18相互靠近的两极极性相同，产生吸引力，由于大、小径不一样，吸引力存在轴向和径向分力，其中轴向分力和环形永磁体Ⅰ2与环形永磁体Ⅱ4产生的斥力，还有叶轮11旋转时流体对叶轮11的反作用力，这三种力平衡实现血泵轴向悬浮。环形永磁体Ⅲ17与环形永磁体Ⅳ18的大、小径不同，相互间吸引力有径向分量，可以提供部分径向悬浮力；开槽的动压外壳10由于可以与叶轮11分离，相比叶顶加宽形成动压间隙的叶轮加工要容易，而且占用主流道的体积小，对血泵泵血效率影响也小；四个开槽将动压外壳10分成四部分，采用变半径设计，使动压外壳10与泵外壳8之间形成楔形的动压间隙，在叶轮11旋转时，产生动压力，结合形永磁体Ⅲ17与环形永磁体Ⅳ18提供的径向力，使叶轮11在径向悬浮；开槽使动压间隙的血液与叶轮11叶片间流道的血液交换，减轻了动压间隙对血液的损伤。叶轮11正常运行时，径向悬浮力和轴向悬浮力使叶轮整体悬浮于泵中，与其他组件无接触。
上述的环形永磁体Ⅰ2、环形永磁体Ⅱ4、环形永磁体Ⅲ17、环形永磁体Ⅳ18和转子永磁体14均采用钕铁硼材料。
上述的动压外壳10采用钛合金材料，开槽螺旋形状为等距螺旋线，槽的螺距为54mm，径向角度为15°，被槽分成的4片尺寸相同动压叶轮的叶顶方程为：R=(0.11/75)x+7.89，R为叶顶半径，单位为mm，x为以中心轴为原点的径向角度，范围为(0,75)。
上述的后导9叶片数为6片，外形为变螺距螺旋线，螺距为10mm、25mm、50mm、80mm、120mm和180mm，对应的圈数为0、0.04、0.08、0.12、0.16和0.2。
上述的定子铁芯5为硅钢片叠合而成。
上述的隔磁环Ⅰ12、隔磁环Ⅱ15材料为顺磁材料，使环形永磁体Ⅰ2、环形永磁体Ⅱ4、环形永磁体Ⅲ17、环形永磁体Ⅳ18对转子永磁体14的磁效应减弱。
上述的轴13与叶轮11间隙为0.18mm，可以对叶轮初步定位，叶轮正常运行后与轴无接触。
上述的叶轮11叶片顶部加宽为叶片厚度的3倍，可以与动压外壳10配合的同时，维持动压外壳10的形状精度。
轴流血泵植入位置为胸腔，入流口19通过弯管与左心室心尖或左心房的切口相连，出流口20则通过人造血管与升主动脉相连，形成“端-侧”吻合相通。导线3供电时，血泵运行，将心脏中血液吸入，然后以一定压力泵出，实现辅助或代替心脏的功能。

Claims (8)

1.一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，由驱动电机系统、泵系统和悬浮系统组成的“泵-机一体”式心脏辅助设备；驱动电机系统由导线、电机外壳、线圈绕组、定子铁芯和径向充磁的转子永磁体构成；泵系统由前导叶、泵外壳、叶轮、后导叶、轴构成；磁力悬浮系统由四个永磁环、两个隔磁环和一个端盖构成，前导叶处一对永磁环相互作用力、后导叶处一对永磁环相互作用力的轴向分量和血泵旋转流体对叶轮的反作用力，三者平衡，使血泵叶轮轴向悬浮；液力悬浮系统主要是分离式开槽的叶轮动压外壳，与泵壳之间形成动压间隙，旋转时产生液压悬浮力，结合后导叶处一对永磁环相互作用力的径向分量，使叶轮径向悬浮。
2.如权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的前导叶处一对永磁环大、小径相同，轴向充磁，靠近的两极极性相同，产生斥力；后导叶处一对永磁环大、小径不相同，靠近的两极极性相异，产生吸力，由于大小径不一样，吸力存在轴向分量和径向分量。
3.如权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的前导叶处一对永磁环、后导叶处一对永磁环及转子永磁体采用钕铁硼材料。
4.如权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的两个隔磁环采用顺磁材料，以屏蔽其他永磁体对转子永磁体受驱动电机给予的驱动磁场的影响。
5.如权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的动压外壳单独加工后装配在叶轮叶片上，四道通透的槽将动压外壳隔离成四部分，槽的螺距为54mm，径向角度为15°，被槽分成的4片尺寸相同动压叶轮的叶顶方程为：R=(0.11/75)x+7.89，R为叶顶半径，单位为mm，x为以中心轴为原点的径向角度，范围为(0,75)。
6.如权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的叶轮顶部加宽为叶片厚度的3倍。
7.权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的轴与叶轮之间间隙为0.18mm。
8.权利要求1所述的一种植入式磁液双悬浮轴流血泵，其特征在于所述的后导叶叶轮螺距为10mm、25mm、50mm、80mm、120mm和180mm，对应的圈数为0、0.04、0.08、0.12、0.16和0.2。
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