CN112587794A - 一种微型磁液悬浮离心式血泵 - Google Patents

一种微型磁液悬浮离心式血泵 Download PDF

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李国荣
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Abstract

本发明涉及一种微型磁液悬浮离心式血泵，是一种泵与电机一体化的装置，所述血泵包括：泵壳、转子、叶轮、伺服电机、内磁芯组、外磁环组、限位装置和缝合卡环装置；转子和叶轮无缝连接成一体，转子设置在血泵的内管中，由伺服电机驱动转子，带动叶轮做功；内磁芯组置在转子内部的下端，外磁环组与包裹套立于泵腔下壳内，内外磁组合可产生叶轮的径向磁悬浮作用；陶瓷片与陶瓷锥组成限位临时轴承；叶轮叶片顶端有倾斜面，在泵工作时可产生液悬浮。本发明的技术方案，转子叶轮能够平稳悬浮工作，克服了机械轴承的摩擦效应；泵内结构简洁流畅，可大大降低溶血与血栓并发症；血泵体积小重量轻，手术侵犯性小，可提高安全性与实用性。

Description

一种微型磁液悬浮离心式血泵
技术领域
本说明书实施例涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种微型磁液悬浮离心式血泵。
背景技术
人工心脏是以机械动力来代替或辅助人体衰竭的心脏的泵血做功，因此也简称“血泵”，它为晚期心衰病人的治疗提供新的治疗手段。目前国际市场上应用的血泵主要分为离心式血泵和轴流式血泵两大类，这两类血泵按照内部结构又可以分为轴承式结构和悬浮式结构，轴承式结构的血泵通常被称为二代血泵为，主要缺点是：轴承很容易磨损，严重制约了血泵的使寿命；悬浮式结构通常被称为三代血泵，磁悬浮或液悬浮，这种没有轴承的结构虽然使用寿命长，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，但是也有新问题：一是磁悬浮结构复杂，需要增加检测、反馈与控制系统，并且会加大血泵的体积，增大了手术侵犯性大，比如三代磁悬浮血泵HeartMate III的体积和重量是二代血泵Jarvik2000的三倍多；二是内部流体机械结构复杂，难以克服血流死角，容易在死角形成血栓。
由此可见，减小悬浮式血泵的体积与重量，简化泵内结构，减少溶血及血栓等并发症，是血泵需要解决的难题。
发明内容
本说明书实施例所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供体积小、重量轻、结构简洁的一种微型磁液悬浮离心式血泵。
为实现以上目的，本说明书实施例采用如下技术方案：
一种微型磁液悬浮离心式血泵，包括：泵壳、转子、叶轮、伺服电机、内磁芯组、外磁环组、限位装置和缝合卡环装置；所述转子和所述叶轮无缝连接，所述转子设置在所述血泵的内管中，所述转子由所述伺服电机驱动，带动所述叶轮做功；
所述内磁芯组包括多块圆磁片组成，内置在所述转子内部的下端，所述外磁环组包括多块磁环，设置在所述泵壳下端的内部，且环绕所述内磁芯组；
所述限位装置包括陶瓷片与陶瓷锥，所述陶瓷片镶嵌在所述转子叶轮的下端内，所述陶瓷锥设置在所述泵壳下端的内部，并与所述陶瓷片居中正对。
可选的，所述血泵还包括：缝合卡环装置，所述缝合卡环装置在所述泵壳的外部，用于固定所述血泵和心尖。
可选的，所述内磁芯组由三块圆磁片组成，所述外磁环组由三块磁环组成；或者
所述内磁芯组由四块圆磁片组成，所述外磁环组由四块磁环组成；或者
所述内磁芯组由五块圆磁片组成，所述外磁环组由五块磁环组成；或者
所述内磁芯组由六块圆磁片组成，所述外磁环组由六块磁环组成。
可选的，所述内磁芯组和所述外磁环组都是由强磁钕铁硼材料同性相斥强行粘接在一起的。
可选的，所述叶轮的顶部中间部位的倾斜面为液悬浮结构。
可选的，所述叶轮为片状，包括多个叶片，所述叶片根部与所述转子相接。
可选的，所述叶轮包括3-5个叶片。
可选的，所述泵壳包括：入口管道、泵腔盖和泵腔下壳；
所述入口管道包括外套筒、内管；
所述外套筒及所述内管为同轴心结构，二者的入口端直接相接，另一头连接在泵腔盖上；
所述外套筒外表面有一圈喷砂钛粉涂层；
所述泵腔盖为圆环状，与所述内管同心连接，外圆与所述泵腔下壳相接；
所述泵腔下壳的内底有一个圆凸台，侧边有一个泵出口。
可选的，所述伺服电机包括转子磁钢、定子铁芯和定子绕组；
所述转子磁钢置在所述转子内部，所述定子铁芯和所述定子绕组置在所述入口管道的内壁，即内置在所述内管与所述外套筒之间；
所述转子磁钢与所述转子融为一体，所述定子铁芯和定子绕组与所述入口管道融为一体。
可选的，所述伺服电机还包括电信传输线，所述电信传输线一头与所述定子绕组连接，另一头延伸到体外，与控制系统连接。
可选的，所述缝合卡环装置，包括缝合环和卡环机构，所述卡环机构包括勾环和基座环。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本说明书实施例的悬浮是无源永磁悬浮，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；血泵的体积与重量较小，可降低血泵的手术侵犯性，提高实用性；这种全悬浮式血泵的内部结构简洁流畅，避免了死腔或死角，也可以有效地防止血栓形成
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例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说明书实施例的一些实施例，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为本说明书实施例提供的微型磁液悬浮离心式血泵的结构剖面示意图；
图2为本说明书实施例提供的外磁环组与内磁芯组两者组合的剖视图；
图3为本说明书实施例提供的磁环套筒的立体结构示意图；
图4为本说明书实施例提供的转子及叶轮的受力分析三维示意图。
附图标号说明：转子磁钢-1、定子铁芯-2、定子绕组-3、外磁环组-4、隔垫片-4.1、内磁芯组-5、电信传输线-6、内管-7、外套筒-8、钛粉涂层-9、磁环套筒-10、套筒脚-10.1、转子-11、叶轮-12、倾斜面-13、陶瓷片-14、陶瓷锥-15、圆凸台-16、楔形槽-17、泵腔下壳-18、泵腔盖-19、泵出口-20、泵入口-21、缝合环-22、软磁片-23、垫圈-24、卡环机构-25、勾环-25.1、基座环25.2、第一个向后轴向力-F1、第二个向后轴向力-F2、第三个向后轴向力-F3、向前轴向力-F4。
具体实施方式
为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本说明书实施例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说明书实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例中的实施例，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，都属于本说明书实施例所保护的范围。
下面结合本说明书实施例附图进一步说明实施例具体实现。
参见图1至图4，本说明书实施例提供一种微型磁液悬浮离心式血泵，包括：泵装置、伺服电机、悬浮限位系统和缝合卡环装置。
所述泵装置包括泵壳、转子11和叶轮12。
所述泵壳包括入口管道、泵腔盖19和泵腔下壳18。
所述入口管道包括内管7和外套筒8。
内管7与外套筒8为同轴心结构，二者的入口端直接相接，另一头连接在泵腔盖19上，连接处都做了无缝焊接，防泄漏。
外套筒8外圆被粗化处理，有一圈喷砂钛粉涂层-9，可以促使心尖插口处及时形成一层闭环的内膜。
外套筒8与定子铁芯2之间为空腔，可起到阻热降温作用，提高血泵与电机的安全性。
泵腔盖19为圆环状，中心开口与内管7同心连接，外圆与所述泵腔下壳18连接，连接处需要焊接，防泄漏。
泵腔下壳18的内底有一个圆凸台16，侧边有一个泵出口20，内部零件安装完毕后，再将泵腔盖19扣上泵腔下壳18，并作密封焊接处理。
转子11与叶轮12，二者无缝连接为一个整体。
转子11由伺服电机驱动，带动叶轮12做功，促使血液不断地从泵入口21流入，经过离心后，从泵出口20流出。
叶轮12由4个中空的叶片组成，叶片均匀分布的转子11根部，且与之无缝连接为一体。
所述伺服电机主要包括转子磁钢1、定子铁芯2、定子绕组3和电信传输线6。
转子磁钢1置于转子11内；定子铁芯2和定子绕组3套在内管7外壁上，转子磁钢1径向居于定子铁芯2和定子绕组3套的中心位置，而轴向位置，转子磁钢1向前方向偏移。
电信传输线6是用于传输电能与电信号的，其一头与定子绕组3连接，另一头延伸到体外，与控制系统连接。
由于伺服电机与泵装置融为一体，因此而形成“泵—电机一体化”。
所述悬浮限位系统包括磁悬浮组合、液悬浮结构和限位装置。
所述磁悬浮组合包括内磁芯组5和外磁环组4，二者配合就可以使得转子及叶轮实现径向磁悬浮。
内磁芯组5由三块圆磁片同轴心叠在一起，并内置在转子内部的下端；外磁环组4由三块磁环同轴心叠在一起，磁环与磁环不直接接触，之间粘连着同样大小的但很薄的隔垫片4.1，磁环组4包裹在磁环套筒10内，磁环套筒10有若干个套筒脚10.1，套筒脚10.1嵌入泵腔下壳18内。
内磁芯组5与外磁环组4的圆磁片或磁环的磁向为轴向，且是按照同极相对而强行粘叠在一起。
可选的，内磁芯组5可以由四块圆磁片组合而成，外磁环组4由四块磁环组合而成；或者内磁芯组5由五块圆磁片组合而成，外磁环组4由五块磁环组合而成；或者内磁芯组5由六块圆磁片组合而成，外磁环组4由六块磁环组合而成，内磁芯组5与外磁环组4在安装时，位置基本居中对齐。
优选的，内磁芯组5与外磁环组4的磁材为强磁钕铁硼。
在转子磁钢1和内磁芯组5之间，设置了软磁片23和垫圈24，可以起到磁屏蔽和抗干扰的作用，能提高磁悬浮效果与血泵工作效率。其中，软磁片23是硅钢、铁等导磁材料，垫圈24是不导磁材料。
限位装置包括陶瓷片14和陶瓷锥15，陶瓷片14镶嵌在所述转子叶轮12的下端，陶瓷锥15镶嵌在泵腔下壳的圆凸台16内，并与陶瓷片14居中正对，当血泵处于静止或低速状态时，在受到转子叶轮的压力作用下，陶瓷锥15顶住陶瓷片14，可起到一组临时滑动轴承作用，能很好的限位叶轮与支撑血泵的启动。
所述液悬浮结构是所述叶轮12的顶部中间部位为倾斜的，即叶片顶部中间从入口迎流边到背流边呈倾斜，该倾斜面13与所述泵腔盖19的内表面形成楔形空间，并且斜面的两侧有与顶面平齐的边沿，可阻止液流外溢，当血泵工作时，在离心力的作用下，有液流进入在楔形槽17，因受到挤压而产生液动压，轴向力推开叶轮12，使之始终不能与所述泵腔盖19接触。
可选的，所述倾斜面13的倾斜角为1-10°。
所述缝合卡环装置在外套筒8靠近泵腔盖19的根部，包括缝合环22和卡环机构25，是用于连接心尖与血泵，并固定血泵的，手术时先将基座环25.2缝合在心尖上，打孔后将泵入口从孔插入心室，当勾环25.1咔嚓挂住基座环25.2，血泵就被固定了。
本说明书实施例提供的一种微型磁液悬浮离心式血泵，在平稳地起动后，转子叶轮如何实现悬浮运转，就需要进行分析，悬浮可分解为径向悬浮和轴向悬浮。
径向悬浮主要由磁悬浮组合来实现，内磁芯组5与外磁环组4因为磁力径向排斥，斥力能足以克服及平衡各种径向力，使得转子叶轮始终限位在内管7及泵腔的中心，加上转子叶轮旋转时的陀螺定轴效应，因此可获得良好的径向磁悬浮效果。
轴向悬浮是液悬浮，如何实现的，就需要分析轴向力，血泵在高速工作时会受到多个轴向力的影响，其中可分为弱轴向力与强轴向力，弱轴向力主要包括转子叶轮的重力的轴向分量、其它因素的轴向力，这些是弱影响因素；强轴向力主要包括四个轴向力，可从图4所示进行分析，F4为向前轴向力(指向泵入口)，F1、F2、F3为三个向后轴向力(背向泵入口)，F1的产生是由于电机铁芯对电机磁钢始终有一个自动约束力，使之轴向居中，当磁钢相对于铁芯轴向前移，就受到向后的拉力，当磁钢相对于铁芯前轴向后移，就受到向前的拉力，由于在本说明例中，转子磁钢1是前移的，因此F1是轴向向后的力，该力较小，且与泵的转速没有关系；F2是由液流动量对叶轮产生冲力的轴向分量，该力的大小与转速正相关；F3是由液动压对叶轮12的倾斜面13施加压力的轴向分量，该力的大小与转速成几何级数正相关，但与楔形空间的大小呈负相关；F4是由于泵工作时，泵腔盖19内表面和吸入口的低液压与下盖面的高液压之间的压差产生的，该力在泵启动后，随着泵转速增大而迅速增大，当转速达到一定高度，F4大于F1、F2、F3的总和时，F4带动转子叶轮及陶瓷片14脱离陶瓷锥15，轴向向前位移，随着轮向泵腔盖19靠拢，楔形空间变小，产生的液动压轴向分量F3呈几何级数增大，F3会自动对抗F4，当达到轴向力的合力平衡，就迫使转子叶轮停止轴向位移，F3也不再增长，也就是说，在一定的转速范围内，转子叶轮轴向受力可以自动平衡，自动轴向悬浮。
如上所述，转子叶轮的径向磁悬浮合并轴向液悬浮，即可实现平稳的悬浮运转。
本说明书实施例能够达到的技术效果如下：
与现有机械轴承血泵相比，本说明书实施例的血泵在正常工作时的悬浮状态，轴承没有摩擦，可降低溶血，延长血泵的寿命，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，本说明书实施例的悬浮是无源永磁悬浮，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；血泵的体积与重量较小，可降低血泵的手术侵犯性，提高实用性；这种全悬浮式血泵的内部结构简洁流畅，避免了死腔或死角，也可以有效地防止血栓形成。
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 (10)

1.一种微型磁液悬浮离心式血泵，其特征在于，包括：泵壳、转子、叶轮、伺服电机、内磁芯组、外磁环组、限位装置和缝合卡环装置；所述转子和所述叶轮无缝连接，所述转子设置在所述血泵的内管中，所述转子由所述伺服电机驱动，带动所述叶轮做功；
所述内磁芯组包括多块圆磁片组成，内置在所述转子内部的下端，所述外磁环组包括多块磁环，设置在所述泵壳下端的内部，且环绕所述内磁芯组；
所述限位装置包括陶瓷片与陶瓷锥，所述陶瓷片镶嵌在所述转子叶轮的下端内，所述陶瓷锥设置在所述泵壳下端的内部，并与所述陶瓷片居中正对。
2.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述血泵还包括：缝合卡环装置，所述缝合卡环装置在所述泵壳的外部，用于固定所述血泵和心尖。
3.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述内磁芯组由三块圆磁片组成，所述外磁环组由三块磁环组成；或者
所述内磁芯组由四块圆磁片组成，所述外磁环组由四块磁环组成；或者
所述内磁芯组由五块圆磁片组成，所述外磁环组由五块磁环组成；或者
所述内磁芯组由六块圆磁片组成，所述外磁环组由六块磁环组成。
4.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述内磁芯组和所述外磁环组都是由强磁钕铁硼材料同性相斥强行粘接在一起的。
5.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述叶轮的顶部中间部位的倾斜面为液悬浮结构。
6.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述叶轮为片状，包括多个叶片，所述叶片根部与所述转子相接。
7.如权利要求6所述的血泵，其特征在于，所述叶轮包括3-5个叶片。
8.如权利要求1所述的血泵，其特征在于，所述泵壳包括：入口管道、泵腔盖和泵腔下壳；
所述入口管道包括外套筒、内管；
所述外套筒及所述内管为同轴心结构，二者的入口端直接相接，另一头连接在泵腔盖上；
所述外套筒外表面有一圈喷砂钛粉涂层；
所述泵腔盖为圆环状，与所述内管同心连接，外圆与所述泵腔下壳相接；
所述泵腔下壳的内底有一个圆凸台，侧边有一个泵出口。
9.如权利要求8所述的血泵，其特征在于，所述伺服电机包括转子磁钢、定子铁芯和定子绕组；
所述转子磁钢置在所述转子内部，所述定子铁芯和所述定子绕组置在所述入口管道的内壁，即内置在所述内管与所述外套筒之间；
所述转子磁钢与所述转子融为一体，所述定子铁芯和定子绕组与所述入口管道融为一体。
10.如权利要求9所述的血泵，其特征在于，所述伺服电机还包括电信传输线，所述电信传输线一头与所述定子绕组连接，另一头延伸到体外，与控制系统连接。
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