CN117543868A - 空心杯绕组结构、绕制方法及其经皮介入式血泵 - Google Patents

Abstract

本发明是一种线圈利用率高且工艺简单的空心杯线圈结构、绕制方法及其经皮介入式血泵，绕组具有np个线圈组以序列相顺序周向排布而成空心杯状，其中n是≥3的整数，p是≥1的整数，每个线圈组围绕所述绕组的横截面跨360/np机械角度，线圈组为非正八边形结构，八边形相对于自身中线对称且该中线与空心杯的轴线平行，包括与空心杯轴线平行的直线段、直线段两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段、以及与空心杯轴线垂直的端部段。采用八边形结构的线圈组，相较于其他结构的线圈而言，八边形结构产生的磁场强度和磁场均匀性都具有一定的优越性，同时线圈组为非正八边形，可以通过调节与空心杯的轴线平行的直线段线圈来提高线圈的利用率，进而提高电机的效率。

Description

空心杯绕组结构、绕制方法及其经皮介入式血泵

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种空心杯绕组结构、绕制方法及其经皮介入式血泵。

背景技术

各种心脏疾病，例如心衰、心梗、心肌损伤等，会导致心室的泵血功能受到损伤。在治疗这些患者的时候，目前主要手段是采用辅助心室辅助泵血装置。血泵泵作为心室辅助装置的一种，可以经皮引入心脏中并且可以被构造为通过血液的循环泵送或连续泵送来辅助或代替自然的心脏泵功能，为心源性休克和急性心力衰竭提供血流动力支持。鉴于血管的直径只有7mm左右，血泵的外径收到限制，作为血泵重要组成部分的马达的几何尺寸较小，但是为了满足人体生理需求，经血流通道泵泵送的血液流速要满足要求，这就意味着马达在满足几何尺寸小的前提下还要具较高的转子速度，这也是本行业亟待解决的难题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种线圈利用率高且工艺简单的空心杯线圈结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空心杯绕组结构，绕组具有np个线圈组以序列相顺序周向排布而成空心杯状，其中n是≥3的整数，p是≥1的整数，每个线圈组围绕所述绕组的横截面跨360/np机械角度，所述的线圈组为非正八边形结构，八边形相对于自身中线对称且该中线与空心杯的轴线平行，包括与空心杯轴线平行的直线段、直线段两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段、以及与空心杯轴线垂直的端部段。

直线段的长度占线圈总长度的60%-80%。

斜线段与直线段之间的夹角为125°-130°。

所述的线圈组经缠绕以形成3层线圈，3层线圈的绕制圈数相同，且3层线圈中至少有一层线圈的铜线自中间向两侧逐渐减小设置。

3层线圈的铜线均自中间向两侧逐渐减小设置，且3层线圈在绕组的圆周方向对齐，均跨同一360/np机械角度。

所述的n=3，p=1，空心杯绕组具有3个线圈组，每个线圈组围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度。

整个绕组共有三个出线端和三个进线端，线圈组通过三角形接法或星形接法配置连接到其他相的线圈组。

本发明的第二个目的是提供一种效率高的线圈利用率高且工艺简单的空心杯线圈的绕制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空心杯绕组的绕制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1）在将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈至终点后再截断抽头，形成一个线圈组并从绕线工装上取下待用；

S2）重复步骤S1），在同一个绕线工装上绕线得到3个相同结构的线圈组；

S3）将3个线圈组均匀分布在压平工装上，通过压平工装对若干个单相绕组进行压制连接形成绕组带；

S4）利用卷圆整圆机将绕组带卷制成圆筒状的空心杯绕组。

在步骤S1）中，绕制线圈时铜线均自绕线工装中间向两侧逐渐减小设置，且绕线工装上设置有限位件，限位件之间的距离等于空心杯绕组单相幅宽。

在步骤S3）中，压平工装上也设置有用于限制绕组带的宽度和长度限位结构。

本发明的第三个目的是提供一种泵血流量大、转速大且尺寸小的经皮介入式血泵。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种经皮介入式血泵，包括电机，电机的近端与导管连接、远端与泵送组件连接，所述的电机具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数，所述电机包括壳体以及壳体内同轴布置的绕组和转子组件，

绕组，其具有np个线圈组以序列相顺序周向排布而成空心杯状定子，每个线圈组围绕所述绕组的横截面跨360/np机械角度，线圈组为八边形结构且八边形相对于自身中线对称，包括与空心杯轴线平行的直线段、直线段两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段、以及与空心杯轴线垂直的端部段；

转子组件，包括转轴和永磁转子，其中永磁转子与所述定子相互作用，转轴与泵送组件连接并驱动血液流经泵。

所述的n=3，p=1，绕组具有3个线圈组，每个线圈组围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度，将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈至终点后再截断抽头，形成一个线圈组。

直线段的长度占线圈总长度的60%-80%，斜线段与直线段之间的夹角为125°-130°。

所述的泵送组件包括与转轴直接连接的叶轮，叶轮的外周罩设有流出笼，套管的近端与流出笼连接、远端与流入笼连接，电机驱动叶轮转动将血液自流入笼吸入并从流出笼泵出。

上述方案中，采用八边形结构的线圈组，相较于其他结构的线圈而言，八边形结构产生的磁场强度和磁场均匀性都具有一定的优越性，同时线圈组为非正八边形，可以通过调节与空心杯的轴线平行的直线段线圈来提高线圈的利用率，进而提高电机的效率。

附图说明

图1为血泵的整体结构示意图；

图2为电机的剖视图；

图3为不同相线圈组之间三角形接法示意图；

图4为不同相线圈组之间星形接法示意图；

图5为线圈组的绕法示意图；

图6为线圈截面结构示意图；

图7为定子截面结构示意图；

图8为线圈组的平面图。

具体实施方式

下面结合图1-图8对本发明做进一步详细论述。

如图5-图8所示，一种空心杯绕组结构，绕组10具有np个线圈组11以序列相顺序周向排布而成空心杯状，其中n是≥3的整数，p是≥1的整数，每个线圈组11围绕所述绕组10的横截面跨360/np机械角度，所述的线圈组11为非正八边形结构，八边形相对于自身中线对称且该中线与空心杯的轴线平行。

这种结构形式绕组制成的电机称为空心杯电机或无槽式电机，这种特殊结构定子形成的电机性能参数是各类同规格电机中功率密度最大、效率最高的类型，且具备转矩波动小、电气时间常数小、体积小、重量轻，转子转动惯量小、无齿槽效应，提高了电机的快速响应性能，使电机的运转特性得到极大改善，拥有齿槽电机所无法达到的控制和拖动特性。

本发明采用八边形结构的线圈组11，相较于其他结构的线圈而言，八边形结构产生的磁场强度和磁场均匀性都具有一定的优越性，同时线圈组为非正八边形，可以通过调节与空心杯的轴线平行的直线段线圈来提高线圈的利用率，进而提高电机的效率。

考虑到血泵的直径和长度，八边形结构的线圈组11不是正八边形结构，包括与空心杯轴线平行的直线段a、直线段a两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段b、以及与空心杯轴线垂直的端部段c。这里的直线段a的长度占线圈总长度的60%-80%，斜线段b与直线段a之间的夹角为125°-130°。线圈组11具有线圈利用率函数，所述线圈利用率函数限定了所述线圈的相对于所述定子绕组的纵向长度的竖直分量，所述竖直分量与所述转子的磁场相互作用以有助于在所述马达中生成的所述扭矩，根据右手螺旋定则，直线段a和斜线段b的竖直分量之和能够产生对转子转动有用的要的洛伦兹力，所以我们想要直线段a和斜线段b的竖直分量之和尽可能的大，以使得线圈利用率函数最大化。基于上述目的，再结合所需要的空心杯绕组所限定的单相幅宽，得到直线段a的长度占线圈总长度的60%-80%且斜线段b与直线段a之间的夹角为125°-130°时，线圈利用率函数最大。

由于本申请的空心杯绕组是应用在血泵电机上的，受限于血管直径的限制，绕组的直径要很小，即在绕组中每一相的幅宽比较小，如果按照常规的每相只包含单层线圈，则幅宽就会太大，无法满足直径要求，所以本发明中所述的线圈组11经缠绕以形成3层线圈，例如，对于每相90匝铜线，采用之字形3层绕法，先从左往右绕制30匝，绕制完毕再往左绕制30匝，然后再往右绕制30匝，这样3层叠加起来就达到了设计的圈数并且满足幅宽要求。对于电机的一个扭矩循环来说，多层绕线的定子绕组的扭矩常数比单层绕线的定子绕组的扭矩常数要大，且多层绕线的定子绕组的平均电流小于单层绕线的定子绕组的平均电流，即多层绕线的定子绕组的先圈内产生的热量要小于单层绕线的定子绕组（因为线圈电阻没有改变），从而在改善了电机效率的同时，又减小热量的产生，从而保证血泵的可操作性，保障患者的安全。

3层线圈的绕制圈数相同，且3层线圈中至少有一层线圈的铜线自中间向两侧逐渐减小设置。由于线圈在空间上均匀分布在120°内，线圈上的反电势矢量向中线投影时，靠近中线的矢量反电势利用率要远大于两侧的矢量，因此基于空心杯电机反电势矢量图，通过减少线圈两边远离绕线模中心位置的线圈密度，增加至线圈中心部分，通过该方法，可以在电机结构不变化，绕组匝数不变化前提下，有效提升空心杯电机的反电势，并进一步提升电机的性能。

作为优选方案，3层线圈的铜线均自中间向两侧逐渐减小设置，进一步提升空心杯电机的反向电动势，提升电机性能；一方面3层线圈排列整齐、紧实，保证整个空心杯绕组的外径和厚度，另一方面也能防止第二层线圈绕制时挤压第一层线圈，第三层线圈绕制时会挤压第一和第二层线圈，导致下层线圈位移绕组幅宽增加，且线圈分布不均，第一相线圈组与第二相线圈组混杂，成品线圈中间宽，两端细，导致成型的绕组带不整齐的情况，从而导致产品成品率不高以及最终电机电气性能产生波动。且3层线圈在绕组10的圆周方向对齐，均跨同一360/np机械角度，使得不同相之间的线圈组11衔接处重合部分较少，或者几乎没有重合，线圈利用率高。

进一步的，所述的n=3，p=1，空心杯绕组具有3个线圈组11，每个线圈组11围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度，即为最常见的三相电机，在其他条件相同的情况下，磁极对数越少，电机的转速越高，本发明中的电机只配置一个磁极对，保证了电机的转速。

整个绕组共有三个出线端和三个进线端，线圈组11通过三角形接法（如图3所示）或星形接法（如图4所示）配置连接到其他相的线圈组11，整个绕组抽头少，因此也相应地简化了后期把每个抽头与对应的换向片焊接时的时间和难度工艺，可靠性高，生产效率也非常高。

一种空心杯绕组的绕制方法，包括以下步骤：

S1）在将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈111至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈112至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈113至终点后再截断抽头，形成一个线圈组11并从绕线工装上取下待用；

S2）重复步骤S1），在同一个绕线工装上绕线得到3个相同结构的线圈组11；

S3）将3个线圈组11均匀分布在压平工装上，通过压平工装对若干个单相绕组进行压制连接形成绕组带；需要说明的是，这里的绕组带在压平时，压力非常小，这是因为我们在绕制铜线的过程中，铜线序列布置使得单相线圈具有更紧凑的结构，与随机缠绕的多层线圈相比，这里的线圈相对较薄，因此在使用前不需要或只需要最小程度的机械挤压，从而保持铜线绝缘的完整性，以提高电机的可靠性。

S4）利用卷圆整圆机将绕组带卷制成圆筒状的空心杯绕组。

在步骤S1）中，绕制线圈时铜线均自绕线工装中间向两侧逐渐减小设置，且绕线工装上设置有限位件，限位件之间的距离等于空心杯绕组单相幅宽。

在步骤S3）中，压平工装上也设置有用于限制绕组带的宽度和长度限位结构。

上面所提到的绕线工装、压平工装、卷圆整圆机的结构，同时绕组，压平，校圆和卷圆的工艺原理均为本领域技术人员所熟知，这里就不加以详细赘述。与现有工装不同的是，我们在绕线工装的绕线区域的两端设置有挡圈作为限位结构，以保证绕线之间有序地、紧密地排列，同体积情况下，具有更大的功率密度、更高的运行效率和更低的机壳漏磁率，后面的平工序不需要很大的压紧力即可，避免损伤绕线表面的绝缘层；另一方面还能够防止每一线圈组11的3层线圈混杂在一起，导致幅宽变大的问题。压平工装上面也设置有用于限制绕组带整体宽度、整体长度的限位结构，可以是凹槽类的结构，防止相邻的相之间线圈堆叠以及绕组带中间变长的风险。

为了便于理解，首先我们对下文中所涉及到的方位进行定义：“近端”、“近侧”指的是临近操作者/医生的一侧，“远端”、“远侧”指的是远离操作者/医生的一侧即临近心脏的一侧。

参阅图1-图2，一种经皮介入式血泵，包括电机，电机的近端与导管连接、远端与泵送组件40连接，所述的电机具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数，所述电机包括壳体20以及壳体20内同轴布置的绕组10和转子组件30；

绕组10，其具有np个线圈组11以序列相顺序周向排布而成空心杯状定子，每个线圈组11围绕所述绕组10的横截面跨360/np机械角度，线圈组11为八边形结构且八边形相对于自身中线对称，包括与空心杯轴线平行的直线段a、直线段a两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段b、以及与空心杯轴线垂直的端部段c；

转子组件30，包括转轴31和永磁转子32，其中永磁转子32与所述定子相互作用，转轴31与泵送组件40连接并驱动血液流经泵。

进一步的，所述的n=3，p=1，绕组10具有3个线圈组11，每个线圈组11围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度，将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈111至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈112至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈113至终点后再截断抽头，形成一个线圈组11，

再进一步的，直线段a的长度占线圈总长度的60%-80%，斜线段b与直线段a之间的夹角为125°-130°。

所述的泵送组件40包括与转轴直接连接的叶轮41，叶轮41的外周罩设有流出笼42，套管43的近端与流出笼42连接、远端与流入笼44连接，电机驱动叶轮41转动将血液自流入笼44吸入并从流出笼42泵出，为心源性休克和急性心力衰竭提供血流动力支持。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (14)

1.一种空心杯绕组结构，绕组（10）具有np个线圈组（11）以序列相顺序周向排布而成空心杯状，其中n是≥3的整数，p是≥1的整数，每个线圈组（11）围绕所述绕组（10）的横截面跨360/np机械角度，其特征在于：所述的线圈组（11）为八边形结构，八边形为非正八边形，八边形相对于自身中线对称且该中线与空心杯的轴线平行。

2.根据权利要求1所述的空心杯绕组结构，其特征在于：八边形的线圈组（11）包括与空心杯轴线平行的直线段（a）、直线段（a）两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段（b）、以及与空心杯轴线垂直的端部段（c），直线段（a）的长度占线圈总长度的60%-80%。

3.根据权利要求2所述的空心杯绕组结构，其特征在于：斜线段（b）与直线段（a）之间的夹角为125°-130°。

4.根据权利要求1所述的空心杯绕组结构，其特征在于：所述的线圈组（11）经缠绕以形成3层线圈，3层线圈的绕制圈数相同，且3层线圈中至少有一层线圈的铜线自中间向两侧逐渐减小设置。

5.根据权利要求4所述的空心杯绕组结构，其特征在于：3层线圈的铜线均自中间向两侧逐渐减小设置，且3层线圈在绕组（10）的圆周方向对齐，均跨同一360/np机械角度。

6.根据权利要求1所述的空心杯绕组结构，其特征在于：所述的n=3，p=1，空心杯绕组具有3个线圈组（11），每个线圈组（11）围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度。

7.根据权利要求1所述的空心杯绕组结构，其特征在于：整个绕组共有三个出线端和三个进线端，线圈组（11）通过三角形接法或星形接法配置连接到其他相的线圈组（11）。

8.一种空心杯绕组的绕制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1）在将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈（111）至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈（112）至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈（113）至终点后再截断抽头，形成一个线圈组（11）并从绕线工装上取下待用；

S2）重复步骤S1），在同一个绕线工装上绕线得到3个相同结构的线圈组（11）；

S3）将3个线圈组（11）均匀分布在压平工装上，通过压平工装对若干个单相绕组进行压制连接形成绕组带；

S4）利用卷圆整圆机将绕组带卷制成圆筒状的空心杯绕组。

9.根据权利要求8所述的空心杯绕组的绕制方法，其特征在于：在步骤S1）中，绕制线圈时铜线均自绕线工装中间向两侧逐渐减小设置，且绕线工装上设置有限位件，限位件之间的距离等于空心杯绕组单相幅宽。

10.根据权利要求8所述的空心杯绕组的绕制方法，其特征在于：在步骤S3）中，压平工装上也设置有用于限制绕组带的宽度和长度限位结构。

11.一种经皮介入式血泵，包括电机，电机的近端与导管连接、远端与泵送组件（40）连接，其特征在于：所述的电机具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数，所述电机包括壳体（20）以及壳体（20）内同轴布置的绕组（10）和转子组件（30），

绕组（10），其具有np个线圈组（11）以序列相顺序周向排布而成空心杯状定子，每个线圈组（11）围绕所述绕组（10）的横截面跨360/np机械角度，线圈组（11）为八边形结构且八边形相对于自身中线对称，包括与空心杯轴线平行的直线段（a）、直线段（a）两端与空心杯轴线夹角式布置的斜线段（b）、以及与空心杯轴线垂直的端部段（c）；

转子组件（30），包括转轴（31）和永磁转子（32），其中永磁转子（32）与所述定子相互作用，转轴（31）与泵送组件（40）连接并驱动血液流经泵。

12.根据权利要求11所述的经皮介入式血泵，其特征在于：所述的n=3，p=1，绕组（10）具有3个线圈组（11），每个线圈组（11）围绕所述空心杯绕组的横截面跨120°机械角度，将铜丝在绕线工装上从起点开始正向绕n匝形成第一层线圈（111）至终点后，铜线不截断继续反向绕n匝形成第二层线圈（112）至起点后，铜线不截断继续正向绕n匝形成第三层线圈（113）至终点后再截断抽头，形成一个线圈组（11）。

13.根据权利要求11所述的经皮介入式血泵，其特征在于：直线段（a）的长度占线圈总长度的60%-80%，斜线段（b）与直线段（a）之间的夹角为125°-130°。

14.根据权利要求11所述的经皮介入式血泵，其特征在于：所述的泵送组件（40）包括与转轴直接连接的叶轮（41），叶轮（41）的外周罩设有流出笼（42），套管（43）的近端与流出笼（42）连接、远端与流入笼（44）连接，电机驱动叶轮（41）转动将血液自流入笼（44）吸入并从流出笼（32）泵出。