CN111001056A - 一种磁悬浮轴流式血泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮轴流式血泵，是一种为泵与电机一体化的轴流式血泵装置，该血泵包括驱动电机系统、泵系统和悬浮系统；其中磁悬浮系统包括四个部分：前后两组径向磁悬浮轴承、一组前轴向磁悬浮轴承、一组轴向磁约束装置，即两组起到径向磁悬浮作用，一组起到轴向悬浮作用，一组磁约束，再加上叶轮旋转时的陀螺效应，可以使得叶轮工作时在四自由度悬浮，达到完全悬浮的效果。本发明提供的技术方案，轴承没有摩擦，可降低溶血，减少血栓并发症；血泵体积小重量轻，手术侵犯性小，安全性与实用性高。

Description

一种磁悬浮轴流式血泵

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴流式血泵。

背景技术

心力衰竭是世界难题，全世界每年有数千万心衰患者，被判定心衰的，五年死亡率高于40％，中国每年因心衰死亡有200多万人。对于晚期心衰患者，治疗终末期心衰，至今仍没有效简单高效的办法，内科治疗只能减轻患者的痛苦，难以延长生命，目前只有“心脏移植”和“人工心脏”两种外科治疗手段最有效，由于“心脏移植”因供体太少而成了象征性的技术，因此“人工心脏”被认为是诸多晚期心衰患者的最后一根救命稻草。

以美国及德国产品为代表的五六种辅助性人工心脏(简称“血泵”)产品已经获得临床应用或试用许可，每年应用总数超过万例。但是目前国际上的二代血泵的主要问题是有机械轴承，即转子叶轮要有滑动轴承来支撑着旋转，由于转速高，达到每分钟数千至一两万转，轴承很容易磨损，有的甚至几十分钟就磨坏了，轴承的寿命决定了血泵的寿命，这与血泵的设计寿命要求达到十几二十年，甚至长期使用的目标，差距实在太大，因此机械轴承的血泵正在被淘汰，没有机械轴承的第三代悬浮式血泵正引领力新发展，以美国血泵HeartIII的磁悬浮为人工心脏发展与追捧的标杆。不过悬浮血泵，也有新问题，主要问题：一是磁悬浮结构复杂，加大了血泵的体积，增大了手术侵犯性大，比如三代磁悬浮血泵HeartIII的体积和重量是二代血泵轴承式血泵Jarvik2000的三倍多；二是主动磁悬浮轴承技术复杂，需要信号检测、反馈、控制系统，技术比传统血泵的电控系统复杂得多，会影响电控系统的安全性与稳定性；三是悬浮血泵虽然没有机械摩擦，但是内部结构可能有血流死角甚至死腔，容易形成血栓。

由此可见，减小悬浮式血泵的体积与重量，提高血泵的安全性与稳定性，减少血栓等并发症，是人工心脏未来发展需要解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮轴流式血泵。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁悬浮轴流式血泵，包括：叶轮、转子内磁钢、定子铁芯、定子线圈绕组和泵管；

所述转子内磁钢设置在所述叶轮内部，所述叶轮设置在所述泵管内，所述定子线圈绕组和所述定子铁芯依次设置在所述泵管的外部，在所述定子线圈绕组和所述定子铁芯前后端分别设置软磁铁环；

在所述叶轮的前端设置前径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的后端设置后径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的前端设置前轴向磁悬浮轴承；所述前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承分别包括磁环与磁芯；所述前轴向磁悬浮轴承，在所述前支架中心设置一个轴向磁柱，与所述前径向磁悬浮轴承的磁芯配对，同性磁极相对而排斥。

所述磁环位于所述磁芯的中心，所述磁环和磁芯的磁向均为所述叶轮的轴向，所述磁芯镶嵌在所述叶轮前端或后端的轮毂内。

可选的，所述磁环由两块及以上的永磁磁环按照同性磁极相对的方式粘结而成，所述磁芯由两块及以上的磁柱按照同性磁极相对的方式粘结而成。

可选的，所述装置还包括：支撑环，所述支撑环位于所述泵管的内部其环绕所述叶轮前端的轮毂，所述支撑环将所述泵管的入口处分隔为内、外两个流道；所述前轴向磁悬浮轴承的磁环镶嵌在所述支撑环内部。

可选的，所述泵管的前端管径大于后端管径。

可选的，在所述转子内磁钢的前端和后端分别设置软磁铁片。

可选的，所述装置还包括：前支架，所述前支架设置于所述泵管的前端内部，用于支撑所述支撑环；在所述前支架的内部中心凸起为前支架毂，在所述前支架毂靠近所述叶轮的方向设置有盲孔，所述盲孔镶嵌所述轴向磁悬浮轴承的磁芯。

可选的，所述盲孔的入口设置前毂陶瓷，所述叶轮的前端设置叶轮前陶瓷。

可选的，所述前毂陶瓷和所述叶轮前陶瓷为球状或柱状，其材质为碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝。

可选的，所述装置还包括：后支架，所述后支架镶嵌于所述泵管的后端内部，所述后支架的中心凸起一个后支架毂，所述后支架毂中设置有盲孔，所述盲孔里面镶嵌后毂陶瓷，所述叶轮的后端设置叶轮后陶瓷。

可选的，所述后毂陶瓷和所述叶轮后陶瓷为球状或柱状，其材质为碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝。

本发明涉及一种磁悬浮轴流式血泵，是一种为泵与电机一体化的轴流式血泵装置，该血泵包括驱动电机系统、泵系统和悬浮系统；其中磁悬浮系统包括四个部分：前后两组径向磁悬浮轴承、一组前轴向磁悬浮轴承、一组轴向磁约束装置，即两组起到径向磁悬浮作用，一组起到轴向悬浮作用，一组磁约束，再加上叶轮旋转时的陀螺效应，可以使得叶轮工作时在四自由度悬浮，达到完全悬浮的效果。本发明提供的技术方案，轴承没有摩擦，可降低溶血，减少血栓并发症；血泵体积小重量轻，手术侵犯性小，安全性与实用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的磁悬浮轴流式血泵的结构剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的磁悬浮轴流式血泵的左视三维示意图；

图3为本发明实施例提供的叶轮的正视三维示意图；

图4为本发明实施例提供的径向磁悬浮轴承的剖面示意图。

图中：1、叶轮 2、转子内磁钢 3、定子铁芯 4、定子线圈绕组 5、后磁环组 6、后磁芯组 7、前磁环组 8、前磁芯组 9、前磁柱 10、前支架 11、前支架毂 12、前毂陶瓷 13、叶轮前陶瓷 14、支撑环 15、前软磁铁片 16、前软磁铁环 17、机壳 18、泵管 19、导流叶片 20、后软磁铁片 21、后软磁铁环 22、供能导线 23、叶轮后陶瓷 24、后毂陶瓷 25、后支架 26、后支架毂 27、电子组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供的磁悬浮轴流式血泵，为泵与电机一体化的轴流式血泵装置，包括：驱动电机系统、泵系统和磁悬浮系统。

所述转子内磁钢设置在所述叶轮内部，所述叶轮设置在所述泵管内，所述定子线圈绕组和所述定子铁芯依次设置在所述泵管的外部，在所述定子线圈绕组和所述定子铁芯前后端分别设置软磁铁环。

在所述叶轮的前端设置前径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的后端设置后径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的前端设置前轴向磁悬浮轴承；所述前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承分别包括磁环与磁芯，所述磁环位于所述磁芯的中心，所述磁环和磁芯的磁向均为所述叶轮的轴向，所述磁芯镶嵌在所述叶轮前端或后端的轮毂内。

前后两组径向磁悬浮轴承、一组前轴向磁悬浮轴承、一组轴向磁约束装置，即两组起到径向磁悬浮作用，一组起到轴向悬浮作用，一组磁约束，再加上叶轮旋转时的陀螺效应，可以使得叶轮工作时在四自由度悬浮，达到完全悬浮的效果。本发明提供的技术方案，轴承没有摩擦，可降低溶血，减少血栓并发症；血泵体积小重量轻，手术侵犯性小，安全性与实用性高。

图1为本发明实施例提供的磁悬浮轴流式血泵的结构剖面示意图；图2为本发明实施例提供的磁悬浮轴流式血泵的左视三维示意图。

如图1和图2所示，发明实施例提供的磁悬浮轴流式血泵包括驱动电机系统、泵系统和悬浮系统。

所述驱动电机系统包括转子内磁钢2和定子铁芯3、定子线圈绕组4，另外，还可以包括电子组件27、供能导线21和机壳17。

所述泵系统包括：叶轮1、泵管18，还可以包括导流叶19、前支架10、支撑环14、后支架25、前毂陶瓷12、叶轮前陶瓷13、叶轮后陶瓷23、后毂陶瓷24、前软磁铁片15和后软磁铁片20。

所述磁悬浮系统包括前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、前轴向磁悬浮轴承、轴向磁约束装置四个部分。

所述前径向磁悬浮轴承包括前磁环组7和前磁芯组8。所述前磁环组7是充磁方向为轴向的永磁磁环粘结而成，排列顺序为同性磁极相对，即N极对N极，S极对S极，被强行粘在一起；所述前磁芯组8是充磁方向为轴向的永磁磁柱粘结而成，排列顺序与前磁环组7相同。如图1所示，安装时，前磁环组7镶嵌在支撑环14内，前磁芯组8镶嵌在叶轮1前端的轮毂内，在空间上，前磁芯组8处于前磁环组7中，由于二者相对位置是磁向相同，因此在径向是同性相斥，如果二者均被限定轴向位移的情况下，前磁芯组8就可以支撑叶轮1的前段，实现径向悬浮在前磁环组7的中心。可选的，前磁芯组8与前磁环组7均可以是由两块或多块磁铁拼接，相靠的两块必须是同性磁极相对，如图4的A、B、C、D所示。

所述后径向磁悬浮轴承，包括后磁环组5与后磁芯组6，两者相配合组成，其特征与前磁环组7和前磁芯组8相同。

所述前轴向磁悬浮轴承包括前磁芯组8与前磁柱9，所述前磁柱9为一块磁柱，与所述前磁芯组8均为轴向充磁方向，二者相对一面为同性磁极，因斥力而使得前磁芯组8带着叶轮1在轴向上远离前磁柱9，起到轴向定位的悬浮效果。

所述轴向磁约束装置具体为：在电机的定子铁芯3与定子线圈绕组4的前端设有一个前软磁铁环16，后端设有一个后软磁铁环21，材质均为硅钢片、铁等顺次材料，因为与磁铁的吸引作用，因此前软磁铁环16对转子磁钢2与前磁芯组8，有一个引力的轴向分量，软磁铁环21对转子磁钢2与后磁芯组6也有一个引力的轴向分量，二者加上定子铁芯3对转子磁钢2自有的引力轴向分量，三者形成合力，成为定子轴向约束力，这个力会自动调节，叶轮1及转子磁钢2如果向前位移，向后的约束力自动增大，如果向后位移，向前的约束力自动增大，因此起到轴向约束的作用。在设计时，后软磁铁环21是前软磁铁环16的厚度约两倍，目的就是为了加大叶轮1向后的约束力，以部分抵消工作时叶轮1向前的轴向力。不过轴流式泵工作转速一般在每分钟一万多转，当启动血泵时，转速从0到一万，液体对叶轮产生的反冲力以几何倍数迅速增大，这个力是向前的轴向力，最高可以达数百克力，仅靠定子轴向约束力，一般难以对抗，如果不解决这个问题，对血泵的破坏力很大，严重影响使用寿命。如上所述的前轴向磁悬浮轴承，其产生的向后磁斥力完全可以自动调节，应对血泵因转速变化而带来的向前冲击的轴向力，并且能够自动平衡，工作原理是：泵停止时，前磁柱9与前磁芯组8位置离得远，轴向向后的磁斥力最小，启动血泵后，随着转速提高，叶轮1受到的向前轴向力迅速增大，而向前位移，此时向后的磁斥力随着距离接近也迅速增大，二力方向相反，完全可以由自动调节距离而自动抵消平衡，各个轴向力的合力为0，以此来实现叶轮1的轴向磁悬浮。

如上所述，叶轮1由于受到前后两组径向磁悬浮轴承的径向磁悬浮作用，以及轴向磁悬浮作用，加上叶轮旋转时的陀螺效应，因此叶轮在工作时，可以在四自由度悬浮，达到完全悬浮的效果。

所述前支架10形状一般为凸起的三爪或四爪，爪卡在泵管18的前端内，其用于支撑环14和前磁环组7的支撑，中心有一个前支架毂11，该毂直径较小，目的为了降低血流阻力，并减少血液冲刷的阴面，中心朝泵里的方向有一个直径约1-2mm的盲孔，里面镶嵌着前磁柱9，入口镶有一个前毂陶瓷12，这个陶瓷与镶嵌在叶轮1前端的叶轮前陶瓷13是配对的，目的是防止叶轮在非常情况下的特高速转时，能起到防摩擦的滑动轴承作用，支架向前凸起，可防止血泵在工作时，因为负压而吸住心室膈肌。

所述后支架25被镶嵌在泵管18的后端内，形状一般为三叶或四叶片，中心有一个较小的后支架毂26，毂中有一个直径约1-2mm的盲孔，里面镶嵌着一个后毂陶瓷24，这个陶瓷与镶嵌在叶轮1后端里的叶轮后陶瓷23是配对的，目的是在泵未工作时，对叶轮限位，防止叶轮往后脱出，并防止径向磁悬浮轴承因错位而失效，泵在低速旋转时，还能起到滑动轴承的作用。

所述泵管18的管径是变化的，入口处的前段管径大，起到引流，增大流量的作用，中、后段管径小，可以起到增压的作用。

所述支撑环14支撑着前磁环组7，还将泵管18的入口处分隔为内、外两个流道，并保持两个流道畅通。

在转子内磁钢2与前后悬浮轴承的磁芯之间，分别设置一个软磁铁(前软磁铁片15、后软磁铁片20)，用于磁屏蔽，以免相互干扰影响，材质为硅钢、铁等顺磁材料。

所述前毂陶瓷12、后毂陶瓷24、叶轮前陶瓷13和后轮前陶瓷23为球状或柱状，其材质为碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝等硬质陶瓷。

本发明在叶轮的前后两端各设置一组磁悬浮轴承，磁悬浮轴承由磁环与磁芯配合组成，磁环与磁芯分别是由两块及以上的永磁磁环、磁柱粘结而成，磁向为轴向，粘接的排列顺序都是同性磁极相对，前磁环镶嵌在支撑环内，前磁芯镶嵌在叶轮前端的轮毂内；后磁环套在泵管的后端外，后磁芯镶嵌在叶轮后端的轮毂内，在空间上，磁芯处于磁环的中心，且径向位置磁向相同，可产生叶轮径向悬浮效果；泵入口设有一个支架，中心毂内设有一块磁柱，与前磁芯同性磁极相对而排斥，可产生叶轮轴向定位悬浮效果；在电机的定子铁芯的前后端各设有一个软磁铁环，产生定子轴向约束力，轴向合力自动平衡，由径向悬浮、轴向约束平衡、陀螺效应组合作用，实现叶轮的全悬浮。

本发明能够达到的技术效果如下：

与机械轴承相比，磁悬浮轴承支承着叶轮旋转，轴承副不接触，运行稳定，轴承耐用，大大延长了血泵的寿命；轴承没有摩擦，可减少了因研磨效应的血细胞的破坏，即降低了溶血；还可减少因摩擦发热触发的血栓并发症。

与现有磁悬浮血泵相比，本发明的悬浮轴承是永磁轴承，属于无源磁悬浮，不需要复杂的检测、反馈、控制系统，结构较简单、性能稳定，可以大大提高血泵的技术可靠性与使用的安全性；还可以让血泵的体积与重量大大减少，实现微型化，降低血泵的手术侵犯性，提高血泵的实用性；这种全悬浮式血泵的内部结构简洁流畅，没有死腔或死角，也可以有效地防止血栓形成；另外血泵功耗小、效率高、成本较低也是较明显的优点。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种磁悬浮轴流式血泵，其特征在于，包括：叶轮、转子内磁钢、定子铁芯、定子线圈绕组和泵管；

所述转子内磁钢设置在所述叶轮内部，所述叶轮设置在所述泵管内，所述定子线圈绕组和所述定子铁芯依次设置在所述泵管的外部，在所述定子线圈绕组和所述定子铁芯前后端分别设置软磁铁环；

在所述叶轮的前端设置前径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的后端设置后径向磁悬浮轴承，在所述叶轮的前端设置前轴向磁悬浮轴承；所述前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承分别包括磁环与磁芯，所述磁环位于所述磁芯的中心，所述磁环和磁芯的磁向均为轴向，所述磁芯镶嵌在所述叶轮前端或后端的轮毂内。

2.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述前轴向磁悬浮轴承，在前支架中心设置一个轴向磁柱，与所述前径向磁悬浮轴承的磁芯配对，同性磁极相对而排斥。

3.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述磁环由两块及以上的永磁磁环按照同性磁极相对的方式粘结而成，所述磁芯由两块及以上的磁柱按照同性磁极相对的方式粘结而成。

4.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述装置还包括：

支撑环，所述支撑环位于所述泵管的内部其环绕所述叶轮前端的轮毂，所述支撑环将所述泵管的入口处分隔为内、外两个流道；所述前轴向磁悬浮轴承的磁环镶嵌在所述支撑环内部。

5.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述泵管的前端管径大于后端管径。

6.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，在所述转子内磁钢的前端和后端分别设置软磁铁片。

7.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述装置还包括：

前支架，所述前支架设置于所述泵管的前端内部，用于支撑所述支撑环；在所述前支架的内部中心凸起为前支架毂，在所述前支架毂靠近所述叶轮的方向设置有盲孔，所述盲孔镶嵌所述轴向磁悬浮轴承的磁柱。

8.如权利要求7所述的血泵，其特征在于，所述盲孔的入口设置前毂陶瓷，所述叶轮的前端设置叶轮前陶瓷。

9.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述装置还包括：

后支架，所述后支架镶嵌于所述泵管的后端内部，所述后支架的中心凸起一个后支架毂，所述后支架毂中设置有盲孔，所述盲孔里面镶嵌后毂陶瓷，所述叶轮的后端设置叶轮后陶瓷。

10.如权利要求8所述的血泵，其特征在于，所述前毂陶瓷和所述叶轮前陶瓷为球状或柱状，其材质为碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝。

11.如权利要求9所述的血泵，其特征在于，所述后毂陶瓷和所述叶轮后陶瓷为球状或柱状，其材质为碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝。

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