CN204910253U - 一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及人工心脏泵领域，要解决的问题是提出体积小、控制稳定、转矩大、功耗低的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置。该装置中，定子外壳的轴向顶部中心位置设有液体输入口，径向左侧设有液体输出口，径向内壁嵌有定子永磁块和径向电磁铁芯，底部内壁上嵌有电机定子齿和电机定子轭环，顶部内壁上嵌有轴向电磁铁芯，轴向电磁铁芯绕有轴向电磁绕组，电机定子齿绕有电机定子绕组，径向电磁铁芯绕有径向电磁绕组，电机转子轭环的径向外侧嵌有转子永磁环，轴向上下两侧分别设有薄片叶轮和电机转子齿，薄片叶轮上方嵌有轴向电磁磁钢环，转子永磁环径向外侧嵌有径向电磁磁钢环。该装置可置于人体中，用作人工心脏泵。

Description

一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置

技术领域

本实用新型涉及人工心脏辅助装置，特别是涉及一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置。

背景技术

人工心脏辅助装置，由第一代的机械或电磁驱动技术，发展到第三代的非接触磁悬浮技术，人工心脏辅助装置的研究已取得显著进步。磁悬浮技术，通过非接触电磁力的作用实现叶轮旋转，从而驱动血液流动，实现转子的无接触运行，消除了机械摩擦和磨损，解决了机械式心脏辅助装置轴承处的发热严重、易磨损、对血细胞损伤大、容易形成溶血和血栓等问题，使人工心脏辅助装置应用于人体成为可能。

轴向磁场盘式开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场盘式电机的综合优势，具有功率密度高、转矩大、结构紧凑等优点。本专利采用轴向磁场盘式开关磁阻电机代替一般的磁悬浮电机，能在提供人工心脏辅助装置有效转矩的同时，减小装置体积。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有人工心脏泵体积大、结构复杂、能耗高等缺点，采取磁悬浮控制技术、离心驱动技术和轴向磁场盘式开关磁阻电机技术，提供一种尺寸小、流量足、转矩大、能耗低的离心式磁悬浮叶轮驱动装置。技术方案是：一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，所述装置可置于人体中，包括磁悬浮定子、磁悬浮转子和间隙；所述磁悬浮定子设有定子外壳，所述定子外壳轴向底部嵌有轴向磁场盘式开关磁阻电机定子，轴向顶部嵌有轴向电磁铁芯，轴向顶部中心位置设有液体输入口，径向左侧设有液体输出口，径向内壁嵌有定子永磁块和径向电磁铁芯，所述径向电磁铁芯绕有径向电磁绕组，所述轴向电磁铁芯绕有轴向电磁绕组，所述轴向磁场盘式开关磁阻电机定子包括电机定子轭环、电机定子齿和电机定子绕组；所述磁悬浮转子设有轴向磁场盘式开关磁阻电机转子，所述轴向磁场盘式开关磁阻电机转子包括电机转子轭环和电机转子齿，所述电机转子轭环轴向上方固定有薄片叶轮，径向外壁嵌有转子永磁环，所述薄片叶轮轴向上方嵌有轴向电磁磁钢环，所述转子永磁环径向外侧嵌有径向电磁磁钢环。

本实用新型的技术方案还有：所述定子永磁块呈圆弧状，所述径向电磁铁芯呈凸齿状，4个定子永磁块与4个径向电磁铁芯在定子外壳的内壁圆周上均匀交错分布；所述定子永磁块位于转子永磁环轴向偏下位置，同极相对，在磁悬浮转子上产生径向永磁斥力和轴向向上的永磁斥力；安装时，调整定子永磁块与转子永磁环的轴向相对位置，使得磁悬浮转子处于轴向平衡位置时，所述轴向向上的永磁斥力抵消磁悬浮转子所受重力，实现磁悬浮转子轴向非稳态磁悬浮；所述径向电磁铁芯与径向电磁磁钢环相对，4个径向电磁铁芯上均绕有1个径向电磁绕组，且正对的两个径向电磁绕组间采用电流差分控制方式；所述4个径向电磁绕组通电后，与径向电磁磁钢环相互作用，在磁悬浮转子上产生径向二自由度的电磁吸引力，所述径向二自由度的电磁吸引力与径向永磁斥力共同作用，克服液体流动反作用力的径向分力，动态调节磁悬浮转子的径向位置，实现磁悬浮转子的径向稳态磁悬浮。

本实用新型的技术方案还有：所述轴向电磁铁芯呈凸齿状，4个轴向电磁铁芯在定子外壳顶部呈均匀圆周阵列分布，并与轴向电磁磁钢环相对；所述4个轴向电磁绕组分别绕在4个轴向电磁铁芯上并串行联接，通电后与轴向电磁磁钢环相互作用，在磁悬浮转子上产生轴向向上的电磁吸引力。

本实用新型的技术方案还有：所述电机定子轭环、电机转子轭环与液体输入口同轴分布，所述电机定子齿在电机定子轭环上呈均匀圆周阵列分布，所述电机转子齿在电机转子轭环底部呈均匀圆周阵列分布，并与电机定子齿相对；所述电机定子绕组绕在电机定子齿上，根据“磁阻最小原理”，与电机转子齿相互作用，在磁悬浮转子上产生电磁旋转力和轴向向下的电磁吸引力；控制电机定子绕组电流，实现磁悬浮转子的旋转驱动及转矩、转速调节，与此同时轴向向下的电磁吸引力也会随之改变；通过调节轴向电磁绕组电流，改变轴向向上的电磁吸引力大小，克服轴向向上的永磁斥力与磁悬浮转子所受重力的合力、电机定子绕组产生的轴向向下的电磁吸引力、液体流动反作用力的轴向分力，动态调节磁悬浮转子的轴向位置，实现磁悬浮转子的轴向稳态磁悬浮。

本实用新型的技术方案还有：所述薄片叶轮呈“米”字型，厚度薄，重量轻，并用医用钛合金包裹，安全可靠，转动时产生离心力，驱动液体由液体输入口流入，液体输出口流出。

本实用新型的技术方案还有：所述电机转子齿与电机定子齿均呈凸齿状，为4/6齿结构，或为6/8齿结构，或为8/12齿结构。

本实用新型的有益技术效果是：采用轴向磁场开关磁阻电机结构，可以在获得有效转矩，提供足够流量的同时，减小装置体积，具有转矩大、结构紧凑、体积小的优点；叶轮采用“米”字型薄片叶轮，质量轻，离心式驱动液体流动，较轴流式驱动方式流量大；利用永磁斥力抵消磁悬浮转子重力，降低电磁线圈能量损耗；该装置提供体积小、流量足、转矩大、能耗低、结构简单的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是本实用新型一个实施例的A-A向视图。

图3是本实用新型一个实施例的B-B向视图。

图4是本实用新型一个实施例的C-C向视图。

图5是本实用新型一个8/12齿结构实施例的D-D向视图。

图6是本实用新型一个8/12齿结构实施例的E-E向视图。

图7是本实用新型一个8/12齿结构实施例的轴向磁场盘式开关磁阻电机结构图。

图中：1为磁悬浮定子，10为定子外壳，11为定子永磁块，12为轴向磁场盘式开关磁阻电机定子，120为电机定子轭环，121为电机定子齿，122为电机定子绕组，13为轴向电磁绕组，14为轴向电磁铁芯，15为液体输入口，16为液体输出口，17为径向电磁绕组，18为径向电磁铁芯，2为磁悬浮转子，20为轴向磁场盘式开关磁阻电机转子，200为电机转子轭环，201为电机转子齿，21为薄片叶轮，22为转子永磁环，23为径向电磁磁钢环，24为轴向电磁磁钢环，3为间隙。

具体实施方式

本实用新型由磁悬浮定子1、磁悬浮转子2和间隙3组成；所述磁悬浮定子1由定子外壳10、定子永磁块11、轴向磁场盘式开关磁阻电机定子12、轴向电磁绕组13、轴向电磁铁芯14、液体输入口15、液体输出口16、径向电磁绕组17和径向电磁铁芯18组成，所述磁悬浮定子1设有定子外壳10，所述定子外壳10轴向底部嵌有轴向磁场盘式开关磁阻电机定子12，轴向顶部嵌有轴向电磁铁芯14，轴向顶部中心位置设有液体输入口15，径向左侧设有液体输出口16，径向内壁嵌有定子永磁块11和径向电磁铁芯18，所述径向电磁铁芯18绕有径向电磁绕组17，所述轴向电磁铁芯14绕有轴向电磁绕组13，所述轴向磁场盘式开关磁阻电机定子12包括电机定子轭环120、电机定子齿121和电机定子绕组122；所述磁悬浮转子2由轴向磁场盘式开关磁阻电机转子20、薄片叶轮21、转子永磁环22、径向电磁磁钢环23和轴向电磁磁钢环24组成，所述轴向磁场盘式开关磁阻电机转子20包括电机转子轭环200和电机转子齿201，所述电机转子轭环200轴向上方固定有薄片叶轮21，径向外壁嵌有转子永磁环22，所述薄片叶轮21轴向上方嵌有轴向电磁磁钢环24，所述转子永磁环22径向外侧嵌有径向电磁磁钢环23。

旋转驱动实现：参见图1、图7，电机定子轭环120、电机转子轭环200与液体输入口15同轴分布；参见图6、图7，电机定子齿121在电机定子轭环120上呈均匀圆周阵列分布；参见图5、图7，电机转子齿201在电机转子轭环200底部呈均匀圆周阵列分布，并与电机定子齿121相对；其中电机定子齿121绕有电机定子绕组122，根据“磁阻最小原理”，电机定子绕组122通电后，与电机转子齿201相互作用，在磁悬浮转子2上产生电磁旋转力和轴向向下的电磁吸引力。控制电机定子绕组122电流，实现磁悬浮转子2的旋转驱动及转矩、转速调节，与此同时轴向向下的电磁吸引力也会随之改变。

径向磁悬浮实现：参见图4，定子永磁块11呈圆弧状，径向电磁铁芯18呈凸齿状，4个定子永磁块11与4个径向电磁铁芯18在定子外壳10的内壁圆周上均匀交错分布；参见图1，定子永磁块11位于转子永磁环22轴向偏下位置，同极相对，由于永磁体间同极相斥，在磁悬浮转子2上产生径向永磁斥力和轴向向上的永磁斥力；参见图4，径向电磁铁芯18与径向电磁磁钢环23相对，且4个径向电磁铁芯18上均绕有1个径向电磁绕组17；对于径向电磁绕组17采用电流差分控制方式，正对的两个径向电磁绕组17为一组，4个径向电磁绕组17共分为两组，通电后，经间隙3与径向电磁磁钢环23发生电磁作用，在磁悬浮转子2上产生径向二自由度的电磁吸引力。可知磁悬浮转子2在径向上所受的力包括径向永磁斥力、径向二自由度的电磁吸引力和液体流动反作用力的径向分力，其中径向永磁斥力可实现磁悬浮转子2的径向非稳态磁悬浮，通过调节径向电磁绕组17电流，改变径向二自由度的电磁吸引力，动态调整磁悬浮转子2的径向位置，实现磁悬浮转子2的径向稳态磁悬浮。

轴向磁悬浮实现：参见图1、图2，轴向电磁铁芯14呈凸齿状，4个轴向电磁14在定子外壳10顶部呈均匀圆周阵列分布，与轴向电磁磁钢环24相对，且每个轴向电磁铁芯14都绕有1个轴向电磁绕组13；轴向电磁绕组13串行联接，通电后，经气隙3与轴向电磁磁钢环24发生电磁作用，在磁悬浮转子2上产生轴向向上的电磁吸引力。可知磁悬浮转子2在轴向上所受的力包括电机定子绕组122产生的轴向向下的电磁吸引力、轴向电磁绕组13产生的轴向向上的电磁吸引力、液体流动反作用力的轴向分力、轴向向上的永磁斥力和磁悬浮转子2所受的重力；安装时，调整定子永磁块11与转子永磁环22的轴向相对位置，使得磁悬浮转子2处于轴向平衡位置时，轴向向上的永磁斥力抵消磁悬浮转子2所受重力，实现磁悬浮转子2轴向非稳态磁悬浮；通过调节轴向电磁绕组13电流，改变轴向向上的电磁吸引力大小，动态调整磁悬浮转子2的轴向位置，实现磁悬浮转子2的轴向稳态磁悬浮。

一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置的工作过程：参见图1、图3，薄片叶轮21呈“米”，厚度薄，重量轻，并用医用钛合金包裹，安全可靠，并随磁悬浮转子2旋转，产生离心力，驱动液体流动；通过调节电机定子绕组122、轴向电磁绕组13和径向电磁绕组17电流大小，实现磁悬浮转子2的稳态磁悬浮及转矩、转速可调的旋转驱动；工作时，液体由液体输入口15流入，在薄片叶轮21驱动下离心式流动，经液体输出口16流出，实现驱动液体流动的功能。

Claims (6)

1.一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，所述装置可置于人体中，包括磁悬浮定子（1）、磁悬浮转子（2）和间隙（3）；所述磁悬浮定子（1）设有定子外壳（10），所述定子外壳（10）轴向底部嵌有轴向磁场盘式开关磁阻电机定子（12），轴向顶部嵌有轴向电磁铁芯（14），轴向顶部中心位置设有液体输入口（15），径向左侧设有液体输出口（16），径向内壁嵌有定子永磁块（11）和径向电磁铁芯（18），所述径向电磁铁芯（18）绕有径向电磁绕组（17），所述轴向电磁铁芯（14）绕有轴向电磁绕组（13），所述轴向磁场盘式开关磁阻电机定子（12）包括电机定子轭环（120）、电机定子齿（121）和电机定子绕组（122）；所述磁悬浮转子（2）设有轴向磁场盘式开关磁阻电机转子（20），所述轴向磁场盘式开关磁阻电机转子（20）包括电机转子轭环（200）和电机转子齿（201），所述电机转子轭环（200）轴向上方固定有薄片叶轮（21），径向外壁嵌有转子永磁环（22），所述薄片叶轮（21）轴向上方嵌有轴向电磁磁钢环（24），所述转子永磁环（22）径向外侧嵌有径向电磁磁钢环（23）。

2.根据权利要求1所述的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，其特征在于：所述定子永磁块（11）呈圆弧状，所述径向电磁铁芯（18）呈凸齿状，4个定子永磁块（11）与4个径向电磁铁芯（18）在定子外壳（10）的径向内壁圆周上均匀交错分布；所述定子永磁块（11）位于转子永磁环（22）轴向偏下位置，同极相对，在磁悬浮转子（2）上产生径向永磁斥力和轴向向上的永磁斥力；安装时，调整定子永磁块（11）与转子永磁环（22）的轴向相对位置，使得磁悬浮转子（2）处于轴向平衡位置时，所述轴向向上的永磁斥力抵消磁悬浮转子（2）所受重力，实现磁悬浮转子（2）轴向非稳态磁悬浮；所述径向电磁铁芯（18）与径向电磁磁钢环（23）相对，4个径向电磁铁芯（18）上均绕有1个径向电磁绕组（17），且正对的两个径向电磁绕组（17）间采用电流差分控制方式；所述4个径向电磁绕组（17）通电后，与径向电磁磁钢环（23）相互作用，在磁悬浮转子（2）上产生径向二自由度的电磁吸引力，所述径向二自由度的电磁吸引力与径向永磁斥力共同作用，克服液体流动反作用力的径向分力，动态调节磁悬浮转子（2）的径向位置，实现磁悬浮转子（2）的径向稳态磁悬浮。

3.根据权利要求1所述的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，其特征在于：所述轴向电磁铁芯（14）呈凸齿状，4个轴向电磁铁芯（14）在定子外壳（10）顶部呈均匀圆周阵列分布，并与轴向电磁磁钢环（24）相对；所述4个轴向电磁绕组（13）分别绕在4个轴向电磁铁芯（14）上并串行联接，通电后与轴向电磁磁钢环（24）相互作用，在磁悬浮转子（2）上产生轴向向上的电磁吸引力。

4.根据权利要求1或3所述的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，其特征在于：所述电机定子轭环（120）、电机转子轭环（200）与液体输入口（15）同轴分布，所述电机定子齿（121）在电机定子轭环（120）上呈均匀圆周阵列分布，所述电机转子齿（201）在电机转子轭环（200）底部呈均匀圆周阵列分布，并与电机定子齿（121）相对；所述电机定子绕组（122）绕在电机定子齿（121）上，根据“磁阻最小原理”，与电机转子齿（201）相互作用，在磁悬浮转子（2）上产生电磁旋转力和轴向向下的电磁吸引力；控制电机定子绕组（122）电流，实现磁悬浮转子（2）的旋转驱动及转矩、转速调节，同时轴向向下的电磁吸引力也会随之改变；通过调节轴向电磁绕组（13）电流，改变轴向向上的电磁吸引力大小，克服轴向向上的永磁斥力与磁悬浮转子（2）所受重力的合力、电机定子绕组（122）产生的轴向向下的电磁吸引力、液体流动反作用力的轴向分力，动态调节磁悬浮转子（2）的轴向位置，实现磁悬浮转子（2）的轴向稳态磁悬浮。

5.根据权利要求1所述的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，其特征在于：所述薄片叶轮（21）呈“米”字型，厚度薄，重量轻，并用医用钛合金包裹，安全可靠，转动时产生离心力，驱动液体由液体输入口（15）流入，液体输出口（16）流出。

6.根据权利要求1所述的一种离心式磁悬浮叶轮驱动装置，其特征在于：所述电机转子齿（201）与电机定子齿（121）均呈凸齿状，为4/6齿结构，或为6/8齿结构，或为8/12齿结构。