CN107890590B - 一种动态磁平衡悬浮离心血泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其包括泵筒壳,其前端为泵入口;叶轮壳内中部为叶轮腔,泵筒壳后端与叶轮腔连通,叶轮腔中设置有圆台形离心叶轮,圆台形离心叶轮与叶轮腔的前、后壁之间形成前、后悬浮间隙;叶轮壳周缘处为涡旋状的泵出口,前后壁外侧分别设置有驱动电机前定子、驱动电机后定子;圆台形离心叶轮的中心部位设置有中心孔,中心孔内缘处包埋有径向悬浮磁环;位于后壁中心位置处设置有向叶轮腔内凸起的中心导流锥,中心导流锥内包埋有径向悬浮磁柱;径向悬浮磁柱与径向悬浮磁环共同构成径向磁悬浮轴承;圆台形离心叶轮的外周部位包埋有转子永磁体,转子永磁体在驱动电机前定子和驱动电机后定子的共同作用下带动圆台形离心叶轮旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心血泵,特别是关于一种生物医学工程领域的动态磁平衡悬浮离心血泵。
背景技术
人工心脏的本质是采用人造的机械血泵替代人体自然心脏的血泵功能,为晚期心衰病人的治疗提供新的途径。然而目前人工心脏技术所依赖的人造血泵性能有很多缺点,长期植入人体可导致严重的并发症。良好的血泵性能成为降低并发症的重要条件。由此,不断改进机械血泵的综合性能,使之更适合于植入人体的要求就成为该领域中长期持续的研究内容。
目前,长时间体内植入机械血泵导致的并发症主要有:血栓栓塞、出血、感染、血泵磨损和血液成分破坏等。血泵性能的改善主要体现在降低上述并发症的发病率和严重程度。此外,血泵的体积、重量、几何外形等与解剖相容性有关的特性及流量、压力、能量转换效率等物理特性也是改进和提高的目标。目前的应用结果表明:旋转叶轮式血泵(包括轴流式血泵、混流式血泵和离心式血泵),在临床应用中效果较为理想。但对于此类血泵来说轴承技术是关键之一,目前较多地采用滑动轴承作为此类血泵的叶轮支撑系统。滑动轴承可以在径向和轴向同时限制旋转叶轮的运动,且刚度大,结构紧凑,但其最大的缺点是互相滑动的接触面在工作时会产生摩擦、磨损和局部温度升高,容易在轴承周围形成血液滞留区和血栓附着点,因此改进旋转叶轮式血泵的轴承性能具有重要的意义。采用磁悬浮轴承可去除机械磨损,血泵工作寿命不受限制;没有摩擦产热及局部血流滞留区域,可更好的防止血栓形成。但采用磁力控制实现旋转叶轮的五自由度全悬浮,不仅需要设置被动磁力轴承,还必须设置消耗能源的电磁轴承,需要加装包括信号传感器、电磁铁、电磁铁励磁绕组和馈电动态磁平衡控制电路等一整套电磁伺服系统。国内外很多研究者长期研究磁悬浮离心泵和磁悬浮轴流泵,提出不少设计方案,但都有体积大、解剖相容性差、能耗高等缺点。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其能减少并发症,改善植入式离心血泵心脏辅助装置的整体性能。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:它包括由泵筒壳和叶轮壳构成的泵外壳;所述泵筒壳中心为空心管道,其前端为泵入口;所述叶轮壳内中部设置为圆盘形的叶轮腔,所述空心管道后端与所述叶轮腔连通,所述叶轮腔中设置有圆台形离心叶轮,所述圆台形离心叶轮与所述叶轮腔的前壁之间具有前悬浮间隙,所述圆台形离心叶轮与所述叶轮腔的后壁之间具有后悬浮间隙;所述叶轮壳周缘处设置有涡旋状的泵出口,所述叶轮壳的前壁外侧设置有驱动电机前定子,所述后壁外侧设置有驱动电机后定子;所述圆台形离心叶轮的中心部位设置有中心孔,所述中心孔内缘处包埋有径向悬浮磁环;位于所述后壁中心位置处设置有向所述叶轮腔内凸起的中心导流锥,所述中心导流锥穿过所述中心孔,所述中心导流锥内包埋有径向悬浮磁柱;所述径向悬浮磁柱与所述径向悬浮磁环共同构成径向磁悬浮轴承,通过磁排斥力限制所述圆台形离心叶轮的径向位移;所述圆台形离心叶轮的外周部位包埋有两对磁极的转子永磁体,均为轴向充磁,磁极间隔反向排列;所述转子永磁体在所述驱动电机前定子和驱动电机后定子的共同作用下带动所述圆台形离心叶轮旋转。
进一步,所述径向悬浮磁柱和径向悬浮磁环轴向长度相等,均为轴向充磁且磁极排列相同。
进一步,所述叶轮壳的前壁外侧设置有电机前定子铁芯,所述叶轮壳的后壁外侧设置有电机后定子铁芯,所述电机前定子铁芯上缠绕有前驱动绕组构成驱动电机前定子,所述电机后定子铁芯上缠绕有后驱动绕组构成驱动电机后定子;前控制绕组与所述前驱动绕组同心绕制在所述电机前定子铁芯上,后控制绕组与所述后驱动绕组同心绕制在所述电机后定子铁芯上。
进一步,所述前驱动绕组和后驱动绕组与所述前控制绕组和后控制绕组互相独立馈电,受不同的已有控制电路控制。
进一步,所述前控制绕组、后控制绕组在动态磁平衡控制电路的反馈控制下馈电。
进一步,在所述电机前定子铁芯与所述转子永磁体相对的所述前壁内嵌设有前霍尔传感器,用于感知所述前悬浮间隙中的磁场强度;在所述电机后定子铁芯与所述转子永磁体相对的所述后壁内嵌设有后霍尔传感器,用于感知所述后悬浮间隙中的磁场强度。
进一步,所述径向悬浮磁环和径向悬浮磁柱均为高性能永磁材料制成,轴向长度相等,位置对应,均为轴向充磁且以同极性排列。
进一步,所述圆台形离心叶轮具有前端面和后端面,所述后端面的直径大于所述前端面的直径。
进一步,所述圆台形离心叶轮的后端面外周部设置有楔形的流体动力槽;所述前端面上设置有四条液流槽,每条所述液流槽都由所述圆台形离心叶轮的中心向外周部逐渐加深,在外周部完全穿透所述前端面和后端面,形成互相分割的叶片间隙。
进一步,所述泵筒壳外侧,靠近所述叶轮壳处设置有缝合环。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明由泵壳、驱动电机前定子、驱动电机后定子、前控制绕组、后控制绕组、圆台形离心叶轮、前霍尔传感器、后霍尔传感器、动态磁平衡控制电路、径向磁悬浮轴承等部分组成;驱动电机前定子、驱动电机后定子实现对圆台形离心叶轮的旋转驱动;前控制绕组、后控制绕组在前、后霍尔传感器及动态磁平衡控制电路的控制下通过电磁力实现对圆台形离心叶轮的轴向位置适时控制,在轴线方向上实现圆台形离心叶轮的动态磁平衡,使圆台形离心叶轮处于悬浮状态;圆台形离心叶轮后端面的外周部设置有楔形的流体动力槽,当圆台形离心叶轮轴向悬浮间隙过于减小时流体动力槽与后壁间的血流可产生流体动压维持离心叶轮的轴向悬浮状态。径向磁悬浮轴承则通过永磁力维持圆台形离心叶轮的径向悬浮状态,进而可以实现减少并发症,改善植入式离心血泵心脏辅助装置的整体性能。2、本发明采用的圆台形离心叶轮在全悬浮条件下旋转,无机械轴承支持,可延长离心泵的工作寿命,泵内结构简单,冲刷性能良好,减小泵体积,提高泵效率,减轻对血液成份的破坏,防止血栓形成。3、本发明采用永磁和电磁伺服系统,联合流体动压定位共同控制叶轮位置的支撑技术可在不增加耗能和泵体积的基础上最大限度地改善血泵内的血流冲刷效应,减小机械轴承的摩擦,还可增大悬浮间隙,减小对血液成份的破环。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的圆台形离心叶轮示意图;
图3是图2的仰视图;
图4是图2的主视图;
图5是图4的A-A剖视图;
图6是本发明的电机前定子铁芯和电机后定子铁芯状态一结构示意图;
图7是本发明的电机前定子铁芯和电机后定子铁芯状态二结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1~图7所示,本发明提供一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其包括由泵筒壳1和叶轮壳2构成的泵外壳;泵筒壳1中心为空心管道,其前端为泵入口3。叶轮壳2内中部设置为圆盘形的叶轮腔4,泵筒壳1内的空心管道后端与叶轮腔4连通,该叶轮腔4中设置有圆台形离心叶轮5,圆台形离心叶轮5与叶轮腔4的前壁6之间具有前悬浮间隙7,圆台形离心叶轮5与叶轮腔4的后壁8之间具有后悬浮间隙9。叶轮壳2周缘处设置有涡旋状的泵出口10;叶轮壳2的前壁6外侧设置有驱动电机前定子,叶轮壳2的后壁8外侧设置有驱动电机后定子,由驱动电机前定子和驱动电机后定子实现对圆台形离心叶轮5的旋转驱动。圆台形离心叶轮5的中心部位设置有中心孔11,在中心孔11内缘处包埋有径向悬浮磁环12,该径向悬浮磁环12与中心孔11同心设置;位于叶轮壳2的后壁8中心位置处设置有向叶轮腔4内凸起的中心导流锥13,中心导流锥13穿过中心孔11。中心导流锥13内包埋有径向悬浮磁柱14,径向悬浮磁柱14和径向悬浮磁环12轴向长度相等,均为轴向充磁且磁极排列相同;径向悬浮磁柱14与径向悬浮磁环12共同构成径向磁悬浮轴承,通过磁排斥力限制圆台形离心叶轮5的径向位移。圆台形离心叶轮5的外周部位包埋有两对磁极的转子永磁体15,均为轴向充磁,磁极间隔反向排列;转子永磁体15可在驱动电机前定子和驱动电机后定子的共同作用下带动圆台形离心叶轮5旋转,其工作原理与直流无刷电机相同。
上述实施例中,叶轮壳2的前壁6外侧设置有电机前定子铁芯16,叶轮壳2的后壁8外侧设置有电机后定子铁芯17,电机前定子铁芯16上缠绕有前驱动绕组18构成驱动电机前定子,电机后定子铁芯17上缠绕有后驱动绕组19构成驱动电机后定子。其中,前控制绕组20与前驱动绕组18同心绕制在电机前定子铁芯16上,后控制绕组21与后驱动绕组19同心绕制在电机后定子铁芯17上。馈电时通过电磁力对转子永磁体15产生引力或排斥力,前控制绕组20和后控制绕组21通过电磁力实现对圆台形离心叶轮5的轴向位置适时控制,使圆台形离心叶轮5处于悬浮状态;其馈电方向及强度根据圆台形离心叶轮5的轴向位置决定。
上述实施例中,前驱动绕组18和后驱动绕组19与前控制绕组20和后控制绕组21互相独立馈电,受不同的已有控制电路控制。其中,前控制绕组20、后控制绕组21在动态磁平衡控制电路的反馈控制下馈电。
上述各实施例中,在电机前定子铁芯16与转子永磁体15相对的前壁6内嵌设有前霍尔传感器22,用于感知前悬浮间隙7中的磁场强度;在电机后定子铁芯17与转子永磁体15相对的后壁8内嵌设有后霍尔传感器23,用于感知后悬浮间隙9中的磁场强度。前霍尔传感器22和后霍尔传感器23通过磁场强度比较将圆台形离心叶轮5的轴向位置转变为电信号反馈給动态磁平衡控制电路,在动态磁平衡控制电路的控制下对前控制绕组20和后控制绕组21馈电,通过实时变化的电磁力控制圆台形离心叶轮5的轴向位置,在轴线方向上保持动态磁平衡,始终处于悬浮状态。
上述各实施例中,径向悬浮磁环和径向悬浮磁柱均为高性能永磁材料制成,轴向长度相等,位置对应,均为轴向充磁且以同极性排列;径向悬浮磁环和径向悬浮磁柱通过磁排斥力限制圆台形离心叶轮5的径向位移。
上述各实施例中,圆台形离心叶轮5具有前端面24和后端面25,后端面25的直径大于前端面24的直径。圆台形离心叶轮5的后端面外周部设置有楔形的流体动力槽26,当圆台形离心叶轮5轴向位置波动导致后悬浮间隙9过于减小时,流体动力槽26与后壁8之间的楔形血流可产生流体动压维持圆台形离心叶轮5的轴向悬浮状态。圆台形离心叶轮5的前端面24上设置有四条与叶片构成直角形的液流槽27,每条液流槽27都由圆台形离心叶轮5的中心向外周部逐渐加深,在外周部完全穿透前、后端面,形成互相分割的叶片间隙28,进而可将进入叶轮腔4的流体带动旋转,通过离心力将流体由泵出口10驱动出叶轮腔4,实现泵血功能。
上述各实施例中,在泵筒壳1外侧,靠近叶轮壳2处设置有缝合环29。
上述各实施例仅用于说明本发明,各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的,在本发明技术方案的基础上,凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换,均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:它包括由泵筒壳和叶轮壳构成的泵外壳;所述泵筒壳中心为空心管道,其前端为泵入口;所述叶轮壳内中部设置为圆盘形的叶轮腔,所述空心管道后端与所述叶轮腔连通,所述叶轮腔中设置有圆台形离心叶轮,所述圆台形离心叶轮与所述叶轮腔的前壁之间具有前悬浮间隙,所述圆台形离心叶轮与所述叶轮腔的后壁之间具有后悬浮间隙;所述叶轮壳周缘处设置有涡旋状的泵出口,所述叶轮壳的前壁外侧设置有驱动电机前定子,所述后壁外侧设置有驱动电机后定子;所述圆台形离心叶轮的中心部位设置有中心孔,所述中心孔内缘处包埋有径向悬浮磁环;位于所述后壁中心位置处设置有向所述叶轮腔内凸起的中心导流锥,所述中心导流锥穿过所述中心孔,所述中心导流锥内包埋有径向悬浮磁柱;所述径向悬浮磁柱与所述径向悬浮磁环共同构成径向磁悬浮轴承,通过磁排斥力限制所述圆台形离心叶轮的径向位移;所述圆台形离心叶轮的外周部位包埋有两对磁极的转子永磁体,均为轴向充磁,磁极间隔反向排列;所述转子永磁体在所述驱动电机前定子和驱动电机后定子的共同作用下带动所述圆台形离心叶轮旋转;
所述叶轮壳的前壁外侧设置有电机前定子铁芯,所述叶轮壳的后壁外侧设置有电机后定子铁芯;在所述电机前定子铁芯与所述转子永磁体相对的所述前壁内嵌设有前霍尔传感器,用于感知所述前悬浮间隙中的磁场强度;在所述电机后定子铁芯与所述转子永磁体相对的所述后壁内嵌设有后霍尔传感器,用于感知所述后悬浮间隙中的磁场强度。
2.如权利要求1所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述径向悬浮磁柱和径向悬浮磁环轴向长度相等,均为轴向充磁且磁极排列相同。
3.如权利要求1所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述电机前定子铁芯上缠绕有前驱动绕组构成驱动电机前定子,所述电机后定子铁芯上缠绕有后驱动绕组构成驱动电机后定子;前控制绕组与所述前驱动绕组同心绕制在所述电机前定子铁芯上,后控制绕组与所述后驱动绕组同心绕制在所述电机后定子铁芯上。
4.如权利要求3所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述前驱动绕组和后驱动绕组与所述前控制绕组和后控制绕组互相独立馈电,受不同的已有控制电路控制。
5.如权利要求4所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述前控制绕组、后控制绕组在动态磁平衡控制电路的反馈控制下馈电。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述径向悬浮磁环和径向悬浮磁柱均为高性能永磁材料制成,轴向长度相等,位置对应,均为轴向充磁且以同极性排列。
7.如权利要求1至5任一项所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述圆台形离心叶轮具有前端面和后端面,所述后端面的直径大于所述前端面的直径。
8.如权利要求7所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述圆台形离心叶轮的后端面外周部设置有楔形的流体动力槽;所述前端面上设置有四条液流槽,每条所述液流槽都由所述圆台形离心叶轮的中心向外周部逐渐加深,在外周部完全穿透所述前端面和后端面,形成互相分割的叶片间隙。
9.如权利要求1所述的一种动态磁平衡悬浮离心血泵,其特征在于:所述泵筒壳外侧,靠近所述叶轮壳处设置有缝合环。
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Application publication date: 20180410 Assignee: Shanghai Dongxin Biomedical Technology Co.,Ltd. Assignor: BEIJING WANFENG MEDICAL INVESTMENT MANAGEMENT CO.,LTD. Contract record no.: X2023980038166 Denomination of invention: A Dynamic Magnetic Balance Suspended Extracardiac Blood Pump Granted publication date: 20200925 License type: Common License Record date: 20230717 |
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