CN107837430A - 一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工心脏泵领域，特别是涉及一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵。该装置包括悬浮力定子、旋转机构、转矩定子、泵体、血液通道、回流发电装置和废热发电装置；泵体内腔设有转矩定子，转矩定子上下两端设有转矩定子电池腔，内置转矩定子电池，泵体上下两端各设有一个泵盖，上下泵盖分别设有血液输出口和血液输入口，泵盖内设有悬浮力定子电池腔，内置悬浮力定子电池，上下泵盖之间设有悬浮力定子和旋转机构，泵盖端部的轴上设有回流发电装置，转矩定子内侧和悬浮力定子外侧均设有废热发电装置。本发明自带发电装置，续航能力强；实现了转矩磁场和悬浮磁场的解耦，运行稳定性高、功率损耗低；可长期置于人体代替心脏实现泵血功能。

Description

一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵

技术领域

本发明涉及人工心脏泵领域，特别是涉及一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵。

背景技术

心脏疾病一直以来都是导致人类死亡的重要原因，由于可移植自然心脏资源的缺乏，对人工心脏的研发逐渐受到国内外专家学者的广泛关注。

人工心脏的研发始于20世纪初，目前为止主要经历了三次大变革：第一代人工心脏泵按照人体心脏的生理特性研制，借助容积周期性变化的气动泵来模仿心脏脉动式泵血，但这种泵结构复杂、体积大、耗能高、易造成血栓，对接受人工心脏移植的患者有很大副作用；第二代人工心脏泵为轴流式，采用高速转子进行连续泵血，尺寸较小、输出流量大，但由于采用传统机械结构，产生的机械摩擦容易导致温度升高和溶血、血栓等问题；为了解决第二代人工心脏泵存在的问题，第三代人工心脏泵采用磁悬浮技术，通过磁力使转子与其它结构无直接接触，有效克服了机械摩擦等问题，但仍存在续航能力差和因磁场耦合而导致的运行稳定性差、功率损耗高等问题，还有较大的发展空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有人工心脏泵的缺点，综合采用磁悬浮技术、无轴承开关磁阻技术、温差电技术和普通电机技术，提出一种自带发电装置、续航能力强、运行稳定性高、功率损耗低的磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，技术方案是：一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，包括悬浮力定子、旋转机构、转矩定子、泵体、血液通道、回流发电装置和废热发电装置；所述泵体内腔设有转矩定子，转矩定子包括转矩定子铁芯和转矩绕组，且转矩绕组绕在转矩定子铁芯上；所述转矩定子上下两端设有转矩定子电池腔，内置转矩定子电池；所述泵体上下两端各设有一个泵盖，下泵盖的底部中间位置设有血液输入口，上泵盖的顶部中间位置设有血液输出口；所述泵盖设有悬浮力定子电池腔，内置悬浮力定子电池；所述外径向磁化永磁体嵌于泵盖端部；所述泵盖设有四个呈圆周阵列分布的连接架，通过连接架将泵盖内部和外部连接成一个整体；所述泵体和泵盖设有相互配合的螺纹，可对整体结构进行拆分和组装；下泵盖与上泵盖之间设有悬浮力定子和旋转机构；所述悬浮力定子位于旋转机构内腔中，由上下两个泵盖压紧固定，悬浮力定子包括悬浮力定子铁芯和悬浮力绕组，且悬浮力绕组绕在悬浮力定子铁芯上；所述旋转机构自内向外依次设有径向位置调节环、隔磁环和磁悬浮转子，三者高度相同且依次固定连接，旋转机构两端设有隔磁底座和内径向磁化永磁体，内径向磁化永磁体安装在隔磁底座上且与外径向磁化永磁体同性磁极相对；所述泵盖端部的轴上设有回流发电装置；所述转矩定子的内侧和悬浮力定子的外侧设有环状的废热发电装置。

本发明的技术方案还有：所述磁悬浮转子为8齿螺旋结构，螺旋升角为30度，可降低磁悬浮转子齿的旋转运动对血细胞造成的损伤，磁悬浮转子直接作为叶轮，驱动血液自血液输入口流入，并从血液输出口流出；所述悬浮力定子为四齿螺旋结构，螺旋升角为30度；所述转矩定子为12齿螺旋结构，螺旋升角为30度。

本发明的技术方案还有：所述悬浮力绕组为四相，包括P1相、P2相、P3相和P4相，根据旋转机构的不同状态导通相应的绕组相，悬浮力绕组通电后，根据“磁阻最小原理”，产生作用于径向位置调节环的径向电磁吸引力，进而对整个旋转机构的径向位置进行调节，使旋转机构保持稳定悬浮。

本发明的技术方案还有：所述转矩绕组为三相，包括A相、B相和C相，导通顺序为“A相-C相-B相”，转矩绕组通电后，根据“磁阻最小原理”，产生作用于磁悬浮转子的电磁转矩，驱动旋转机构旋转。

本发明的技术方案还有：所述隔磁环用隔磁材料制成，位于径向位置调节环和磁悬浮转子之间，将悬浮力绕组产生的磁力线和转矩绕组产生的磁力线隔开，从而实现转矩磁场和悬浮磁场的解耦，提高运行稳定性、降低控制算法难度、减少功率损耗。

本发明的技术方案还有：所述内径向磁化永磁体和外径向磁化永磁体之间产生的排斥力与血液流动产生的轴向力、血液对旋转机构的浮力、旋转机构的自身重力和径向力共同作用，实现旋转机构的非稳态悬浮；一方面，永磁的使用减少了维持旋转机构悬浮的能量损耗，另一方面，内径向磁化永磁体和外径向磁化永磁体之间具有排斥力，可在悬浮力绕组径向调节失效的情况下使旋转机构仍可保持一定的稳定性，不会与其他部分发生碰撞，提高了安全性能。

本发明的技术方案还有：所述旋转机构和悬浮力定子之间设有血液回流通道，在磁悬浮转子工作时，血液主通道的输出端压力会大于血液主通道的输入端压力，因此会有少部分血液因压力差从血液主通道的输出端流入血液回流通道，血液回流通道中的血液会在压力差的作用下继续流动，重新被送到血液主通道的输入端。

本发明的技术方案还有：所述回流发电装置通过血液回流通道中血液的轴向流动来推动回流发电装置的叶轮转动进行发电，并将通过发电得到的电能回馈到悬浮力定子电池进行储存，进而为悬浮力绕组供电；回流发电装置的叶轮边缘用圆环包围起来，以防止对磁悬浮转子产生反作用力。

本发明的技术方案还有：所述废热发电装置采用两种磁导率不同的半导体制成，悬浮力绕组和转矩绕组通电后会产生热量，导致废热发电装置一侧温度升高，根据“塞贝克效应”，利用高温端与血液之间的温度差进行发电，并将通过发电得到的电能回馈到转矩定子电池进行储存，进而为转矩绕组供电；此外，该废热发电装置还具有隔离血液的作用，为转矩定子电池、悬浮力绕组和转矩绕组提供干燥的工作环境。

本发明的有益技术效果是：所述回流发电装置和废热发电装置利用多余能量进行发电，增强了装置的续航能力、提高了对能量的利用率；所述径向位置调节环与磁悬浮转子之间加入隔磁环，解除了悬浮磁场和转矩磁场之间的耦合，提高了运行稳定性、降低了控制算法的复杂度、消除了因耦合造成的功率损耗；所述内径向磁化永磁体和外径向磁化永磁体，在降低功率损耗的同时，提高了磁悬浮转子运行的稳定性和装置整体的安全性；所述磁悬浮转子直接作为叶轮，不需外接叶轮等液体驱动设备，进一步降低了功率损耗；利用螺旋升角为30度的螺旋面为血液提供前进通道，既可以减小工作过程中对血细胞的损伤又能够提供足够大的流量；定、转子齿均采用螺旋结构，具有更大的单位体积输出功率；所述悬浮力定子置于旋转机构的内腔中，通过减轻旋转机构质量进一步降低了功率损耗，同时使得装置的整体结构更加紧凑。

附图说明

图1是本发明一个实施例的总体结构示意图。

图2是本发明一个实施例的平面结构示意图。

图3是本发明一个实施例的悬浮力绕组和转矩绕组示意图。

图4是本发明一个实施例的悬浮力定子、径向位置调节环、隔磁环、磁悬浮转子和转矩定子的结构示意图。

图中：1为悬浮力定子，11为悬浮力定子铁芯，12为悬浮力绕组，2为旋转机构，21为径向位置调节环，22为隔磁环，23为磁悬浮转子，24为隔磁底座，25为内径向磁化永磁体，3为转矩定子，31为转矩定子铁芯，32为转矩绕组，4为泵体，41为泵盖，411为下泵盖，412为上泵盖，42为悬浮力定子电池腔，43为悬浮力定子电池，44为转矩定子电池腔，45为转矩定子电池，46为外径向磁化永磁体，47为连接架，48为螺纹，5为血液通道，51为血液主通道，52为血液回流通道，53为血液输入口，54为血液输出口，6为回流发电装置，7为废热发电装置。

具体实施方式

本发明由悬浮力定子1、旋转机构2、转矩定子3、泵体4、血液通道5、回流发电装置6和废热发电装置7七部分组成；所述泵体4内腔设有转矩定子3，转矩定子3包括转矩定子铁芯31和转矩绕组32，且转矩绕组32绕在转矩定子铁芯31上；所述转矩定子3上下两端设有转矩定子电池腔44，内置转矩定子电池45，用于为转矩绕组32供电；所述泵体4上下两端各设有一个泵盖41，下泵盖411的底部中间位置设有血液输入口53，上泵盖412的顶部中间位置设有血液输处口54；所述泵盖41设有悬浮力定子电池腔42，内置悬浮力定子电池43，用于为悬浮力绕组12供电；所述外径向磁化永磁体46嵌于泵盖41端部；所述泵盖41设有四个呈圆周阵列分布的连接架47，通过连接架47将泵盖41内部和外部连接成一个整体；所述泵体4和泵盖41设有相互配合的螺纹48，可对整体结构进行拆分和组装；下泵盖411和上泵盖412之间设有悬浮力定子1和旋转机构2；所述悬浮力定子1位于旋转机构2内腔中，由下泵盖411和上泵盖412进行压紧固定，悬浮力定子1包括悬浮力定子铁芯11和悬浮力绕组12，且悬浮力绕组12绕在悬浮力定子铁芯11上；所述旋转机构2自内向外依次设有径向位置调节环21、隔磁环22和磁悬浮转子23，三者高度相同且依次固定连接，旋转机构2两端设有隔磁底座24和内径向磁化永磁体25，内径向磁化永磁体25安装在隔磁底座25上且与外径向磁化永磁体46同性磁极相对；所述泵盖41端部的轴上设有回流发电装置6；所述转矩定子3的内侧和悬浮力定子1的外侧设有环状的废热发电装置7。

转矩磁场和悬浮磁场解耦的实现：所述隔磁环22用隔磁材料制成，位于磁悬浮转子23和径向位置调节环21之间，使转矩绕组12产生的磁力线和悬浮力绕组32产生的磁力线形成相互独立的磁路，从而解除转矩磁场和悬浮磁场之间的耦合，提高运行稳定性、降低控制算法难度、减少功率损耗。

非稳态悬浮的实现：所述隔磁底座24、内径向磁化永磁体25和外径向磁化永磁体46同轴分布，内径向磁化永磁体25安装在隔磁底座24上且与外径向磁化永磁体46同性磁极相对，内径向磁化永磁体25和外径向磁化永磁体46之间产生的排斥力与血液流动产生的轴向力、血液对旋转机构2的浮力、旋转机构2的自身重力和径向力共同作用，实现旋转机构2的非稳态悬浮。

稳态悬浮的实现：所述悬浮力绕组12的任一相绕组通电后，根据“磁阻最小原理”可得，将产生作用于径向位置调节环21的的单方向磁拉力，磁拉力的大小正比于通电相绕组的电流大小，因此任意相邻两相悬浮力绕组12导通后，通过电流控制力的合成，可在两通电相绕组所在的90度范围内对径向位置调节环21产生任意方向和大小的磁拉力，进而对整个旋转机构2的径向位置进行调节，使旋转机构2达到稳态悬浮。

旋转驱动的实现：定义逆时针方向为旋转机构2运动正方向，工作时，转矩定子电池45为转矩绕组32提供电源，转矩绕组32按照“A相-C相-B相”的顺序导通；转矩绕组32通电后，根据“磁阻最小原理”，产生作用于磁悬浮转子23的电磁旋转力，从而带动旋转机构2转动。

自发电的实现：所述旋转机构2和悬浮力定子1之间设有血液回流通道52，在压力差的作用下，部分血液会从血液主通道51的输出端流入血液回流通道52，然后重新回到血液主通道51的输入端，回流发电装置6利用在血液回流通道52中血液的轴向流动来推动回流发电装置6的叶轮旋转进行发电，并将发电得到的电能回馈到悬浮力定子电池43中进行储存；所述废热发电装置7采用两种磁导率不同的半导体制成，悬浮力绕组12和转矩绕组32通电后会产生热量，导致废热发电装置7一侧温度升高，根据“塞贝克效应”，利用高温端与血液之间的温度差进行发电，并将通过发电得到的电能回馈到转矩定子电池45进行储存，此外该废热发电装置7还具有隔离血液的作用，为转矩定子电池45、悬浮力绕组12和转矩绕组32提供干燥的工作环境。

一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵的工作过程：在初始状态下，泵体4的内部抽真空，接通血管后血液自血液输入口53流入并充满整个血液通道5，此时为该磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵通电，在磁悬浮转子23的作用下，血液通道5中的血液自血液输出口54流出。

Claims (5)

1.一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，包括悬浮力定子（1）、旋转机构（2）、转矩定子（3）、泵体（4）、血液通道（5）、回流发电装置（6）和废热发电装置（7）；

所述泵体（4）内腔设有转矩定子（3），转矩定子（3）包括转矩定子铁芯（31）和转矩绕组（32），且转矩绕组（32）绕在转矩定子铁芯（31）上；所述转矩定子（3）上下两端设有转矩定子电池腔（44），内置转矩定子电池（45）；

所述泵体（4）上下两端各设有一个泵盖（41），下泵盖（411）的底部中间位置设有血液输入口（53），上泵盖（412）的顶部中间位置设有血液输出口（54）；所述泵盖（41）设有悬浮力定子电池腔（42），内置悬浮力定子电池（43）；所述外径向磁化永磁体（46）嵌于泵盖（41）端部；所述泵盖（41）设有四个呈圆周阵列分布的连接架（47），通过连接架（47）将泵盖（41）内部和外部连接成一个整体；所述泵体（4）和泵盖（41）设有相互配合的螺纹（48），可对整体结构进行拆分和组装；

下泵盖（411）与上泵盖（412）之间设有悬浮力定子（1）和旋转机构（2）；所述悬浮力定子（1）位于旋转机构（2）内腔中，并由下泵盖（411）和上泵盖（412）进行压紧固定，悬浮力定子（1）包括悬浮力定子铁芯（11）和悬浮力绕组（12），且悬浮力绕组（12）绕在悬浮力定子铁芯（11）上；所述旋转机构（2）自内向外依次设有径向位置调节环（21）、隔磁环（22）和磁悬浮转子（23），三者高度相同且依次固定连接，旋转机构（2）两端设有隔磁底座（24）和内径向磁化永磁体（25），内径向磁化永磁体（25）安装在隔磁底座（24）上且与外径向磁化永磁体（46）同性磁极相对；

所述泵盖（41）端部的轴上设有回流发电装置（6）；所述转矩定子（3）的内侧和悬浮力定子（1）的外侧设有环状的废热发电装置（7）。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，其特征在于：所述磁悬浮转子（23）为8齿螺旋结构，螺旋升角为30度，磁悬浮转子（23）直接作为叶轮，驱动血液自血液输入口（55）流入，并从血液输出口（56）流出；所述悬浮力定子（1）为4齿螺旋结构，螺旋升角为30度，悬浮力绕组（12）通电后，产生作用于径向位置调节环（21）的径向二自由度电磁力，进而调节旋转机构（2）径向位置；所述转矩定子（3）为12齿螺旋结构，螺旋升角为30度，转矩绕组（32）通电后，产生作用于磁悬浮转子（23）的电磁转矩，驱动旋转机构（2）旋转。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，其特征在于：所述隔磁环（22）用隔磁材料制成，位于径向位置调节环（21）和磁悬浮转子（23）之间，使悬浮力绕组（12）产生的磁力线和转矩绕组（32）产生的磁力线形成两个相互独立的磁路，从而实现转矩磁场和悬浮磁场的解耦，提高运行稳定性、降低功率损耗。

4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，其特征在于：所述内径向磁化永磁体（25）和外径向磁化永磁体（46）之间产生的排斥力与血液流动产生的轴向力、血液对旋转机构（2）的浮力、旋转机构（2）的自身重力和径向力共同作用，实现旋转机构（2）的非稳态悬浮。

5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴流式自发电人工心脏泵，其特征在于：所述旋转机构（2）和悬浮力定子（1）之间设有血液回流通道（52），在压力差的作用下，部分血液会从血液主通道（51）的输出端流入血液回流通道（52），然后重新回到血液主通道（51）的输入端，所述回流发电装置（6）利用血液回流通道（52）中血液的轴向流动来推动回流发电装置（6）的叶轮转动进行发电，并将电能存储至悬浮力定子电池（43），进而为悬浮力绕组（12）供电；所述废热发电装置（7）采用两种磁导率不同的半导体制成，悬浮力绕组（12）和转矩绕组（32）通电后会产生热量，使得废热发电装置（7）的两侧产生温度差，根据塞贝克效应，利用所产生的温度差进行发电，并将电能存储至转矩定子电池（45），进而为转矩绕组（32）供电，此外该废热发电装置（7）还具有隔离血液的作用，为转矩定子电池（45）、悬浮力绕组（12）和转矩绕组（32）提供干燥的工作环境。