CN110496258A - 第四代人工心脏永磁轴承旋转泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工心脏永磁轴承旋转泵，包括泵壳、永磁直流无刷电机、永磁悬浮轴承和叶轮，叶轮和永磁悬浮轴承的内磁环固定在电机转子上，泵壳和永磁悬浮轴承的外磁环固定在电机定子上，泵壳在与叶轮相对的位置设有液体进口，泵壳与叶轮侧面相对的位置上设有液体出口。本发明使用的永磁轴承设计能够保证电机转子在5个自由度稳定平衡，使用径向驱动旋转的方式，使得电机转子在转速达到一定值旋转时能产生陀螺效应，保持电机转子围绕其中心旋转，旋转体稳定地悬浮。本发明整体结构简单，大幅度降低成本，具有很高的临床普及和推广价值。

Description

第四代人工心脏永磁轴承旋转泵

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种人工心脏永磁轴承旋转泵，属于行左心室辅助用永久性心脏泵。

背景技术

左心室辅助装置(left ventricular assist device,LVAD)是一种输送血液，辅助左心室维持全身血液供应为主要功能的血泵,其主要结构是驱动血液流动的血泵,另外还包括控制系统和动力系统。资料表明，目前全球大约有两千万心力衰竭患者，随着寿命的延长，患者人数也在逐年上升。对于终末期心衰患者(临床上绝大多数是左心室衰竭患者)，当供心缺乏，药物治疗、外科手术治疗等其他手段效果不佳时，应用左心室辅助装置技术可以达到较好的治疗效果。心室辅助血泵根据结构及工作机制不同，大体上分为三代。

第一代为仿照自然心脏研制的搏动式血泵，具有代表性的有美国ABIOMED公司研制生产的Abiomed BVS5000、AB5000和Abiocor TAH、德国Berlin Heart公司生产的BerlinHeartexcor。此类血泵采用弹性材料制成容积可变的腔体，通过气动或电动挤压泵腔运动，通过泵腔容积的改变来模拟自然心脏的收缩舒张等动作，从而实现泵血功能，上个世纪八、九十年代应用最多，主要供短期应用，部分可长期使用。但由于第一代血泵体积大，易形成血栓，不易植入体内并且易损坏瓣膜，随着第二代血泵的临床应用，其临床上已经少用或停用。

第二代血泵为旋转泵(即持续流血泵，包括轴流泵及离心泵)，是目前临床应用最多的血泵。常用的有HeartMateⅡ泵、Jarvik 2000血泵、MircorMed DeBakey泵及Hemopump等。此类血泵通过电机转子驱动叶片旋转，从而推动血液运动。相比较第一代人工心脏来说，第二代人工心脏更加小巧，不需要单向阀，结构简单，只有一个可动部件。然而第二代血泵使用了浸没于血液中的滑动轴承来支撑叶轮，导致轴承部分对血液造成的损失较大，会产生溶血现象，并且机械轴承易于磨损，不适于长期旋转，血泵的耐久性降低。

第三代血泵一般包括驱动和悬浮两个子系统。驱动系统驱动叶轮旋转。在定子或泵壳内置入另一组电磁线圈，通过电磁线圈电流的变化产生磁力推动磁化的叶轮旋转。悬浮系统使叶轮悬浮，有磁悬浮和液压悬浮两种。磁悬浮是指叶轮直接永磁化或在塑形的叶轮内嵌入永磁体，血泵的定子或泵壳内置人永磁或电磁线圈，通过磁化的叶轮与定子或泵壳之间轴向及径向磁场相互作用，使叶轮悬浮于泵壳内，这种磁悬浮属于一种主动悬浮方式，其优点是控制力较强，缺点是所需的转子位置测量及控制系统复杂。液压悬浮则是指通过液体压差使转子悬浮，是一种被动控制，优点是控制系统简单，缺点主要是启动时稳定性较差，悬浮技术的稳定性及温度变化的问题，对第三代人工心脏的控制系统提出了更高的要求，叶片与血液的生理相容问题也使得叶片及蜗壳的水力设计与传统水力设计有所不同。虽然第三代血泵较前两代血泵可植入性好、溶血降低，但是国内、外研制的磁浮泵，无一例外使用电磁悬浮技术，需要复杂的转子测位、电磁拉推、反馈控制等系统，导致人工心脏价格昂贵，很少病人承担得起，阻碍了人工心脏在临床的普遍使用。因此如何降低第三代血泵的生产成本，弥补国内人工心脏领域的空白是本领域技术人员开发第四代人工心脏左心室辅助泵亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种装置体积更小、重量更轻的人工心脏永磁轴承旋转泵。本发明将永磁无刷直流电机、永磁悬浮轴承和血泵合为一体，叶轮固定在电机转子上，电机定子固定在泵壳上，使用两组同心排列的永磁体圆环形成永磁悬浮轴承，利用同极相斥的原理，互相排斥，阻止转子与定子相互接触。当电机定子通电后，定子内线圈产生旋转磁场，推动转子旋转，转速达到一定值，转子就会因陀螺效应稳定旋转，并与定子脱离，处悬浮状态。永磁悬浮的技术在保证同样性能的前提下，比电磁悬浮有独特的优点:不需要转子位置测量，不需要电磁铁推拉转子，不需要反馈控制，可使整个装置的成本降低到电磁悬浮泵的大约十分之一。

本发明具体技术方案如下：

一种人工心脏永磁轴承旋转泵，包括泵壳、永磁直流无刷电机、永磁悬浮轴承和叶轮，所述永磁直流无刷电机包括电机定子和电机转子，电机定子包括铁芯和线圈，泵壳固定在电机定子上，电机转子中部安装有磁钢，磁钢采用径向充磁，电机转子一端固定有叶轮，电机定子两端固定有一对尺寸相同的永磁轴承外磁环，电机转子上对称固定有一对尺寸相同的永磁轴承内磁环，同侧的永磁轴承外磁环和内磁环各形成一对磁环组，两组磁环对称排布，构成具有对称结构的永磁悬浮轴承，同组磁环轴向充磁方向相同，不同组的磁环轴向充磁方向相反，泵壳与叶轮相对的位置上设有液体进口，泵壳与叶轮侧面相对的位置上设有液体出口。所述液体可以为血液。

本发明所述的人工心脏永磁轴承旋转泵所述叶轮选自开式叶轮。

本发明优选的一个技术方案，所述泵壳为圆筒状，电机定子为圆筒形，所述电机转子磁钢为四片扇形磁钢围成的圆柱形。一个优选的技术方案，所述电机转子磁钢为空心的圆柱形，使用时，电机转子和泵壳之间的血液经过转子中心孔流向液体进口处的低压区，防止血液凝固或血栓形成。

优选的，所述电机定子及永磁轴承外磁环还具有防护外壳。

本发明所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，所述电机转子磁钢、永磁轴承外磁环和永磁轴承内磁环使用的永磁材料选自钕铁硼稀土材料。

本发明所述人工心脏永磁轴承旋转泵在使用时，由于磁环之间的互相排斥的作用力，起到径向和轴向轴承的作用，保证电机转子和电机定子相互保持脱离的状态。当电机定子线圈通电后，转子带动叶轮旋转，泵内预先充满的液体譬如血液就会跟着旋转产生离心力，从进口吸入同时从出口流出。转速达到一定值之后，转子就会出现陀螺效应，在5个自由度稳定悬浮在永磁悬浮轴承内，完成泵血的功能。此外，人工心脏永磁轴承旋转泵还具备自洗漱功能，电机转子与泵壳之间间隙内的血液，经由转子内孔流向压力较低的血泵进口，避免电机内形成血液停滞而产生凝血和血栓。

本发明优点：

本发明采用永磁体构成的被动式磁力轴承结构，无需现有电磁悬浮轴承复杂的磁悬浮动力、检测和控制系统，颠覆百年永磁悬浮不能稳定的传统观念，解决被动式磁力轴承的最大难题：悬浮的稳定性问题。根据经典磁力轴承理论，由永磁体构成的被动式磁力轴承不可能获得稳定的平衡，至少需要在一个自由度方向上施加另外的约束才行。本发明采用了两组结构尺寸和磁性能相同的永磁环，利用其对称性巧妙地实现了被动式磁力轴承的径向和轴向的稳定性。本发明的神奇之处在于，永磁轴承座径向和轴向均存在排斥的磁力，当旋转体转速达到一定值时，转子就会产生一种自行稳定的所谓的陀螺效应，保持转子围绕其中心轴稳定地旋转。本发明使用的永磁轴承设计能够保证电机转子在5个自由度稳定平衡，整体结构简单，大幅度降低成本，具有很高的临床普及和推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构剖示图。

具体实施方式

以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。

在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，该实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种人工心脏永磁轴承旋转泵，如图1所示，包括泵壳8、永磁直流无刷电机、永磁悬浮轴承和叶轮2，所述永磁直流无刷电机包括电机定子5和电机转子6，电机定子包括铁芯和线圈，泵壳8固定在电机定子5上，电机转子中部安装有磁钢，磁钢采用径向充磁，电机转子6一端固定有叶轮2(如采用螺纹固定连接)，电机定子两端固定有一对尺寸相同的永磁轴承外磁环，电机转子上对称固定有一对尺寸相同的永磁轴承内磁环，同侧的永磁轴承外磁环和内磁环各形成一对磁环组3和7，两组磁环对称排布，构成具有对称结构的永磁悬浮轴承，同组磁环轴向充磁方向相同，不同组的磁环轴向充磁方向相反，泵壳8与叶轮2相对的位置上设有液体进口1，泵壳与叶轮侧面相对的位置上设有液体出口4。

永磁轴承外磁环和泵壳固定在所述电机定子上。(如采用螺纹固定连接)。

所述叶轮为开式叶轮。

一个优选的技术方案，所述泵壳为圆筒状，所述电机定子为圆筒形，所述电机转子磁钢为四片扇形磁钢围成的圆柱形，所述电机转子磁钢为空心的圆柱形。使用时，电机转子和泵壳之间的血液经过转子中心孔流向液体进口处的低压区，防止血液凝固或血栓形成。

上述人工心脏永磁轴承旋转泵在使用时，由于磁环之间的互相排斥的作用力，起到径向和轴向轴承的作用，保证电机转子和电机定子相互保持脱离的状态。当电机定子线圈通电后，电机转子带动叶轮旋转，泵内预先充满的液体譬如血液就会跟着旋转产生离心力，从进口1吸入同时从出口4流出。转速达到一定值之后，电机转子就会出现陀螺效应，稳定地悬浮在永磁悬浮轴承内，完成泵血的功能。

此外，人工心脏永磁轴承旋转泵还具备自洗漱功能，电机转子与泵壳之间间隙内的血液，经由转子内孔流向压力较低的血泵进口，避免电机内形成血液停滞而产生凝血和血栓。

Claims (6)

1.一种人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于包括泵壳、永磁直流无刷电机、永磁悬浮轴承和叶轮，所述永磁直流无刷电机包括电机定子和电机转子，泵壳固定在所述电机定子上，电机转子中部安装有磁钢，一端固定有叶轮，电机定子两端固定有一对尺寸相同的永磁轴承外磁环，电机转子上对称固定有一对尺寸相同的永磁轴承内磁环，同侧的永磁轴承外磁环和内磁环各形成一对磁环组，两组磁环对称排布，构成具有对称结构的永磁悬浮轴承，同组磁环轴向充磁方向相同，不同组的磁环轴向充磁方向相反，泵壳与叶轮相对的位置上设有液体进口，泵壳与叶轮侧面相对的位置上设有液体出口。

2.如权利要求1所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于所述叶轮选自开式叶轮。

3.如权利要求1所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于所述泵壳为圆筒状，所述电机定子为圆筒形，所述电机转子磁钢为四片扇形磁钢围成的圆柱形。

4.如权利要求1-3任一项所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于所述电机转子为空心的圆柱形，使用时，电机转子和泵壳之间的血液经过电机转子中心孔流向液体进口处的低压区，防止血液凝固或血栓形成。

5.如权利要求1所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于所述电机定子及永磁轴承外磁环还具有防护外壳。

6.如权利要求1所述的人工心脏永磁轴承旋转泵，其特征在于所述电机转子磁钢、永磁轴承外磁环和永磁轴承内磁环使用的永磁材料选自钕铁硼稀土材料。