CN106787588B - 一种磁力驱动装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明所涉及的磁力驱动装置，包括外形呈对称阶梯型的螺线导线管、磁性块以及控制电路，螺线导线管包括错位堆叠的复数组线圈组件，螺线导线管的管壁厚度从螺线导线管的两个端部到中部递减，控制电路控制通往不同的线圈组件的电流的先后时间顺序，使得复数个线圈组件在螺线导线管内产生与磁性块对应的相反磁极的叠加磁场，磁性块在叠加磁场中沿着螺线导线管作直线往复运动。本发明提供的磁力驱动装置通过设计线圈结构使得螺线导线管腔内产生的交替变化的磁场，磁性块在该磁场的作用下做具有模拟心脏搏动规律的往复运动。将该螺线导线管应用于医疗设备领域中制成搏动式血泵，能够避免离心泵的连续灌注泵血而对人体组织脏器及大脑的损伤。

Description

一种磁力驱动装置

技术领域

本发明属于电磁领域，具体涉及一种磁力驱动结构。

背景技术

体外膜肺氧合(exteacorporeal membrane oxygenation，ECMO)是一种以体外循环系统为其基本设备，利用体外循环技术进行操作和管理的一种辅助治疗手段。ECMO是将体内静脉血引到体外进行膜氧合，再由ECMO血泵注入到人体内。在临床上，ECMO技术主要针对呼吸功能不全以及心脏功能不全的患者，通过体外循环能够使患者心肺得到充分的休息，有效地改善患者低氧血症。血泵作为ECMO系统的核心组件，其在一定程度上决定了ECMO技术的发展。

目前ECMO中常见的有辊压式血泵和离心式血泵。辊压泵一直是体外循环支路最常用的血泵，辊压泵从1935年开始使用，它的优点是独立的预加载可以提供一个恒定的流量，较适合小儿使用。小儿使用时可作小流量精细调节，作脱离训练也比较方便。但由于其机械结构的影响，使得辊压泵易产生气栓和微栓，易泵脱。有调查显示辊压泵有较高的泵故障率为56％之高。离心泵作为第二代血泵有了很好地改进，离心泵的工作原理是利用旋转体中心产生负压，旋转体周围产生高压，使得输入输出口存在压差，从而推动血液流动。目前的第三代磁悬浮离心泵采用了磁悬浮技术，使得血泵的溶血性又进一步降低，同时磁悬浮技术避免了机械结构与血液的直接接触，从而降低了微栓的发生率，但其缺点在于，离心泵在泵血时提供的是连续灌注，这在一定程度上造成了对人体组织脏器及大脑的损伤。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种磁力驱动装置用于驱动血泵。

本发明提供了一种磁力驱动装置，具有这样的特征，包括外形呈对称阶梯型的导线绕成的螺线导线管；设置在螺线导线管中的磁性块；以及与螺线导线管连接的控制电路，其中，螺线导线管包括错位堆叠的复数组线圈组件，线圈组件绕成的管壁厚度从螺线导线管的两个端部到中部递减，控制电路控制通往不同的线圈组件的直流电电流的先后时间顺序，使得复数个线圈组件在螺线管内产生与磁性块对应的相反磁极的叠加磁场，磁性块在叠加磁场中沿着螺线导线管作直线往复运动。

在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，线圈组件包括复数层叠加的线圈。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，线圈的螺线绕制方向均一致。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，磁性块采用钕铁硼稀土材料制成。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，线圈组件设置有输入端和输出端，复数组线圈组件之间为串联连接，并且都与控制电路连接。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，螺线导线管具有5层线圈。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征，还包括设置在螺线导线管内壁上的内管，磁性块设置在内管中。

另外，在本发明提供的磁力驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，内管的横截面为圆形。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的磁力驱动装置，包括外形呈对称阶梯型的导线绕成的螺线导线管、磁性块以及控制电路，螺线导线管包括错位堆叠的复数组线圈组件，螺线导线管的管壁厚度从螺线导线管的两个端部到中部递减，控制电路控制通往不同的线圈组件的电流的先后时间顺序，使得复数个线圈组件在螺线导线管内产生与磁性块对应的相反磁极的叠加磁场，磁性块在叠加磁场中沿着螺线导线管作直线往复运动。

本发明提供的磁力驱动装置通过设计线圈结构获得目标磁场，以电磁力作为驱动力，有别于其他的驱动控制原理，通过磁场力来驱动目标机构，减小了设备的体积。进一步地，可以控制螺线导线管腔内产生的交替变化的磁场，使磁性块在该磁场的作用下作具有模拟心脏泵血的搏动规律的往复运动，将该螺线导线管应用于医疗设备技术领域中制造成搏动式血泵，能够避免离心泵的连续灌注泵血对人体组织脏器及大脑的损伤。

附图说明

图1是本发明的实施例中磁铁的电流等效模型示意图；

图2是本发明的实施例中磁感应强度的分量示意图；

图3是本发明的实施例中磁力驱动装置结构整体剖视图；

图4是本发明的实施例中第一线圈组件叠加剖面示意图；

图5是本发明的实施例中第二线圈组件叠加剖面示意图；

图6是本发明的实施例中第三线圈组件叠加剖面示意图；

图7是本发明的实施例中控制电路示意图；

图8是本发明的实施例中磁性块在磁场中的受力规律示意图；

图9是本发明的实施例中螺线导线管腔内轴线上的磁感应强度叠加示意图；

图10是本发明的实施例中步骤一中磁性块受到的作用力示意图；以及

图11是本发明的实施例中步骤二中磁性块受到的作用力示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的磁力驱动装置作具体阐述。

实施例

磁力驱动装置100包括螺线导线管10、磁性块20以及控制电路30。

根据永磁铁的电流等效模型可以将永磁铁等效为圆电流，如图1所示，当圆电流在磁感应强度单调递增的磁场中，由于存在径向磁场分量，如图2所示，在磁场磁感应强度分量上根据安培环路定理可知圆电流的受力为0，在磁感应强度分量上根据左手定理可以判断圆电流始终受到安培力的作用，作用力的方向始终朝向磁感应强度增大的方向，即与导数B′成正相关。其中，Jm是体电流密度，Jms是面电流密度，dl表示微分，d是微分符号，l是螺线管长度，B是磁感应强度，BH表示磁感应强度的水平分量，BV表示磁感应强度的竖直分量，I表示电流。

如图3所示，螺线导线管10为呈对称阶梯形螺线管，磁性块20设置在螺线导线管10的内腔中。

螺线导线管10包括第一线圈组件11、第二线圈组件12、第三线圈组件13。

如图4所示，第一线圈组件11包括1a-1b、2a-2b、3a-3b，1a-1b表示由一根导线绕制的第一层螺线管，2a-2b表示第二层螺线管，3a-3b表示第三层螺线管，按此规律类推。其中1a和1b表示该层螺线管的两个引脚。第一线圈组件11结构为金字塔形叠加，从里到外按照标号中数字1-2-3的次序绕制。

如图5所示，第二线圈组件12包括2e-2f、3e-3f、4e-4f、5e-5f。，第二线圈组件12的引脚字母f端平齐，从里到外叠加次序按照阿拉伯数字2-3-4-5的次序绕制，第二线圈组件12与第一线圈组件11相嵌构成阶梯状的结构。

如图6所示，第三线圈组件13包括2c-2d、3c-3d、4c-4d、5c-5d。第三线圈组件13的引脚字母d端平齐，从里到外叠加次序按照阿拉伯数字2-3-4-5的次序绕制，第三线圈组件13与第一组相嵌构成阶梯状的结构。

本实施例中线圈组件的绕制方向均一致，图3中剖面上任一矩形条格均表示线圈截面，每层线圈在管腔内均产生磁场，相互叠加之后就可以得到目标磁场。为了使得管腔内的磁场磁感应强度增率相对稳定，本实施例采用150mm管5段5层式结构(磁感应强度增率与管腔内永磁体的受力呈正相关)。第一线圈组件11的螺线管总长为150mm即1a-1b段螺线管的长度，2a-2b段螺线管长度为90mm，3e-3f、4e-4f、3c-3d、4c-4d段螺线管长度均为60mm，3a-3b、2e-2f、5e-5f、2c-2d、5c-5d段螺线管的长度均为30mm；所用导线直径为0.4mm；通过的直流电大小为1A；所围螺线管腔直径为40mm。

磁性块20在本实施例中为永磁体滑块，滑块呈圆柱形，直径与螺线导线管10的内腔的内径等同，但留有空隙。

控制电路30如图7所示，其中各组线圈均以串联方式连接，在图4中1a-3b矩形方框表示第一组串联线圈1a-1b-2a-2b-3a-3b，该组线圈以串联方式封装为一个整体，只留1a、3b两个引脚；图5中5f-2e矩形框表示第二组串联线圈5f-5e-4f-4e-3f-3e-2f-2e，该组线圈以串联方式封装为一个整体，只留5f、2e两个引脚；图6中2c-5d矩形框表示第二组串联线圈2c-2d-3c-3d-4c-4d-5c-5d，该组线圈以串联方式封装为一个整体，只留2c、5d两个引脚。

图7中(1)(2)分别为5V低电平继电器(型号：srd-05vdc-s l-c)，在未接受控制信号时继电器接常闭端，当接收到控制信号时继电器断开常闭端接通常开端；图中①表示继电器常闭端、②表示继电器的常开端、中间接线端表示公共端。

控制电路30接电方式为：1a端接电源正极vcc，3b端接1继电器公共端，5f接1继电器的常闭端，2c接继电器1的常开端，2e接继电器2的常闭端，5d接继电器2的常开端，继电器2公共端接直流电源负极GND。

控制电路30控制方式为，电路1：(1)(2)继电器均接通①常闭端，线圈1a-3b-5f-2e段有电流流过，其他部分无电流；电路2：(1)(2)继电器接受信号控制断开常闭端接通②常开端，1a-3b-2c-5d段有电流流过，其他部分无电流。

如图8所示，纵坐标为F/C(N)，F为力的符号，C是常数，F/C是力的一个等效值，单位为N牛顿，横坐标L/mm,L表示螺线导线管10的长度，单位是毫米。坐标原点在如图1所示的螺线导线管10左端圆心处，纵坐标表示永磁体的受力等效量F(N)/C。其中，实线曲线表示螺线导线管磁场的作用力，虚线曲线表示与实线曲线的反向电流的螺线导线管磁场的作用力。

磁力驱动装置100的有效工作范围为实线曲线和虚线曲线两曲线的交点之间的范围，实施例中为20mm<L<130mm,(如图8所示，两交点之间的区域曲线与坐标轴所围的区域面积相等，即做功量相等，根据能量守恒原理，选择这一段区域作为工作区能够保证运动的连续性)。

图9中的纵坐标B/T,B是磁感应强度符号，T是单位特斯拉；横坐标L/mm,L表示螺线导线管10的长度，单位是毫米。

磁力驱动装置100的工作原理：

步骤一，当继电器未接收到控制信号时，继电器未被触发，常闭端接通，直流电从vcc流经1a-3b-5f-2e到电源负极，由于各层螺线管绕制方向一致，则在螺线导线管内腔产生相同方向的磁场，利用磁感应强度叠加原理可以得到目标磁场如图9中实线部分所示，在该磁场中永磁体受到螺线管磁场的作用力如图10所示，作用力规律如图8中实线所示，在该作用力下滑块由右交点(L＝130mm)处向左运动，经过匀加速到达F(N)/C＝0位置处开始减速，到达左交点(L＝20mm)处停止。

步骤二，上一个步骤完成后，控制继电器，使其接收电平信号后触发，断开常闭端，接通常开端，直流电从vcc流经1a-3b-2c-5d到电源负极，在螺线导线管内腔产生同方向的磁场，得到如图9中虚线部分所示目标磁场，在该磁场中永磁体受到螺线管磁场的作用力如图11所示，作用力规律如图8中虚线所示，在该作用力下滑块由左交点(L＝20mm)处向右运动，经过匀加速到达F(N)/C＝0位置处开始减速，到达右交点(L＝130mm)处停止。

重复上述步骤一至步骤二，使得永磁体滑块左右往复运动。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的磁力驱动装置，包括外形呈对称阶梯型的导线绕成的螺线导线管、磁性块以及控制电路，螺线导线管包括错位堆叠的复数组线圈组件，螺线导线管的管壁厚度从螺线导线管的两个端部到中部递减，控制电路控制通往不同的线圈组件的电流的先后时间顺序，使得复数个线圈组件在螺线导线管内产生与磁性块对应的相反磁极的叠加磁场，磁性块在叠加磁场中沿着螺线导线管作直线往复运动。

本实施例提供的磁力驱动装置通过设计线圈结构获得目标磁场，以电磁力作为驱动力，有别于其他的驱动控制原理，通过磁场力来驱动目标机构，减小了设备的体积。进一步地，可以控制螺线导线管腔内产生的交替变化的磁场，使磁性块在该磁场的作用下作具有模拟心脏泵血的搏动规律的往复运动，将该螺线导线管应用于医疗设备技术领域中制造成搏动式血泵，能够避免离心泵的连续灌注泵血对人体组织脏器及大脑的损伤。

另外，线圈组件包括复数层叠加的线圈，在螺线导线管内腔产生了叠加的磁场，叠加后的磁场形式上磁感应强度斜率相对恒定，这使得磁铁在运动过程中稳定性大大增强了(磁体在磁场中的受力与该磁场磁感应强度增率呈正相关)。

进一步地，线圈组件设置有输入端和输出端，复数组线圈组件之间为串联连接，这使得所有线圈中的电流均保持恒定，这为磁场的叠加提供了可靠的环境。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁力驱动装置，其特征在于，包括：

外形呈对称阶梯型的导线绕成的螺线导线管；

设置在所述螺线导线管中的磁性块；以及

与所述螺线导线管连接的控制电路，

其中，所述螺线导线管包括错位堆叠的复数组导线绕成的线圈组件，所述螺线导线管的管壁厚度从所述螺线导线管的两个端部到中部递减，

所述线圈组件包括复数层叠加的线圈，

所述线圈组件设置有输入端和输出端，复数组所述线圈组件之间为串联连接，并且都与所述控制电路连接，

所述控制电路控制通往不同的所述线圈组件的直流电电流的先后时间顺序，使得复数个所述线圈组件在所述螺线导线管内产生与所述磁性块对应的相反磁极的叠加磁场，

所述磁性块在叠加磁场中沿着螺线导线管作直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的磁力驱动装置，其特征在于：

其中，所述线圈的螺线绕制方向均一致。

3.根据权利要求1所述的磁力驱动装置，其特征在于：

其中，所述磁性块采用钕铁硼稀土材料制成。

4.根据权利要求1所述的磁力驱动装置，其特征在于：

其中，所述螺线导线管具有5层所述线圈。

5.根据权利要求1所述的磁力驱动装置，其特征在于，还包括：

设置在所述螺线导线管内壁上的内管，所述磁性块设置在所述内管中。

6.根据权利要求5所述的磁力驱动装置，其特征在于：

其中，所述内管的横截面为圆形。