CN211096485U - 一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其中泵头包括叶轮和泵壳，泵壳下部的柱形腔室的下底板内凹成一中心柱壳，对应泵壳外的下底板成一中心管腔；叶轮中的叶片固设于底座上，底座为一个圆筒形壳体，其内设一管段，永磁体固在管段和壳体间的环形腔室中；叶轮套设在中心柱壳上；叶轮底座和泵壳的柱形腔室间及管段和中心柱壳间有一段W形的二次流道；磁悬浮装置在泵壳的下面，其中的磁悬浮元件中的定子软铁包括一中心柱状软铁，泵壳的中心管腔插在中心柱状软铁上成中心磁极。本离心血泵可减少血栓和溶血，提高泵的稳定性和运行效率。

Description

一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种供患者体外短中期使用的磁悬浮离心血泵，尤其是涉及一种用于心脏术后，不能脱离体外循环（术后心源性休克、先心病矫治术后肺高压危象、心脏移植后支持）、难以纠正的低心排、心脏移植前的过渡、心肺复苏后不能实现自主循环等需要短中期心室辅助泵进行干预治疗的情况，以维持有效循环、减少心脏做功的非植入式，具有中心磁极结构的体外用磁悬浮离心血泵。

背景技术

一般而言，短中期心脏辅助泵主要用于体外辅助循环，急性心功能衰竭、重症爆发性心肌炎、心脏外科手术后、急性心肌梗塞等疾病和情况不但会减少组织器官血供，且随时会有心跳骤停的可能，在此类疾病的治疗中辅助循环的作用得到越来越多的重视，目前主要采用的辅助循环手段是进口的人工心肺支持(ECMO)，ECMO不仅可改善其他器官及心脏本身的氧合血供，且控制了心跳骤停的风险, 同时也应用于发生心跳骤停后的心肺复苏治疗中，是一种标准的短期心脏生命支持复苏工具，是心源性休克的一种短期治疗方法，其辅助时间一般为两周左右，其缺陷是增加左心后负荷，不利于组织灌注，影响冠脉灌注，对血液破坏大，ECMO组件中的心室辅助泵的泵内血栓形成和溶血也是制约ECMO临床应用的重要因素，血栓导致患者出现并发症、增加患者的死亡风险，不能满足危重心衰救治需求。所以解决体外短中期心室辅助设备的溶血和血栓高发等血液相容性问题，设计实用新型一种可供体外短中期使用的且可降低患者并发症和死亡率的心室辅助泵具有重要意义。

目前患者在手术过程中常用的体外辅助血泵主要有离心血泵和滚压血泵两种，离心血泵近年来使用越来越多。但与可植入长期使用的血泵相比，目前体外使用血泵的溶血和血栓高发等血液相容性问题更严重，而将可植入长期使用的血泵用于体外短中期使用的问题是制造难度大、成本高。故针对体外使用的特点设计一种性能稳定、结构简单、溶血和血栓发生率低、短中期使用的、能降低患者并发症和死亡率的低成本血泵就显得很有必要。

现有技术中的体外短中期使用心室辅助泵，还存在磁悬浮的控制问题和由于转子叶轮的振动造成的血液破坏问题：泵头内的磁悬浮转子叶轮在血液冲击形成的动态载荷下是不稳定的且有振动，振动会扰乱泵内的流场，继而加剧泵内溶血等血液破坏的产生，磁悬浮转子叶轮的不稳定和不可靠悬浮也容易出现叶轮碰到泵壳导致出现泵停转的故障发生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于改进现有技术的不足，提供一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，可供体外短中期使用且可降低患者并发症和死亡率。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，包括泵头和磁悬浮装置，

所述泵头包括磁悬浮转子叶轮和泵壳，所述磁悬浮转子叶轮位于泵壳内，且磁悬浮转子叶轮和泵壳二者之间具有间隙以起到二次流道的冲刷作用，

所述泵头的结构为如下结构：

所述泵壳包括一个蜗壳，在蜗壳的上顶面上沿中心轴线设有中心孔，在中心孔上固连一中心入口管，在蜗壳的外缘设有一切向出口管，蜗壳的下部设有一与蜗壳连通的柱形腔室，该柱形腔室的下底板在中心轴线上向内凹进，在柱形腔室内凸起形成一中心柱壳，相应地，泵壳外的下底板形成一中心管腔；

所述磁悬浮转子叶轮包括叶片、永磁体和底座，所述叶片固设于所述底座上表面，所述底座为一个圆筒形壳体，上底面封闭，在上表面上设有一中心穿孔，中心穿孔上向着圆筒形壳体内部延设一管段，该管段将底座的圆筒形壳体构成一环形腔室，永磁体固设在该环形腔室中；

在底座上表面上围绕该中心穿孔均匀地固设若干叶片；

所述叶轮套设在所述泵壳内的中心柱壳上，使得在磁悬浮力作用下，磁悬浮转子叶轮悬浮起来，与所述磁悬浮装置配合，形成一个磁力轴承；磁悬浮转子叶轮的底座和泵壳的柱形腔室之间以及管段和中心柱壳之间设有间隙，使得在泵壳内形成有一段W形的二次流道；

所述磁悬浮装置设置在所述泵壳的下面，包括一本体，其为一下底封闭的圆筒，其中设置磁悬浮元件，所述磁悬浮元件包括定子软铁和电磁线圈，在该圆筒中设置定子软铁，该定子软铁设置在本体的内壁上，在所述圆筒的下底板上设置一中心柱状软铁，与设置在本体内壁的定子软铁连为一体，所述泵壳的柱形腔室插设在所述本体上的圆筒中定子软铁中间，该中心柱状软铁插入泵壳下底板上的中心管腔中，在所述本体中的设置在内壁上的定子上设置电磁线圈，中心柱状软铁构成中心磁极，所述磁悬浮元件与磁悬浮转子叶轮中的所述永磁体对应构成电机，还构成调整磁悬浮转子叶轮在泵壳中位置的磁元件；所述中心磁极结构使每个定子磁极的磁路实现闭合；

所述磁悬浮装置还包括控制装置，该控制装置包括叶轮定位控制装置和叶轮旋转控制装置，在所述叶轮定位控制装置中，相应的电磁线圈连接叶轮定位控制装置以调节电磁线圈的电流而调节磁悬浮转子叶轮在泵壳中的位置；叶轮旋转控制装置通过控制作为定子的电磁铁或电磁线圈的电流变化与叶轮中的永磁体相作用使得叶轮转动和转速得到调节。

所述磁悬浮转子叶轮设置在所述泵壳中，通过所述叶轮套设在所述中心磁极上，磁悬浮转子叶轮和泵壳之间构成一稳定的轴承连接结构，即磁悬浮轴承，所述叶轮定位控制装置即控制磁悬浮转子叶轮通过磁悬浮轴承在泵壳中旋转的位置。

优选地，在所述磁悬浮转子叶轮内部的所述永磁体，有与定子软铁对偶的磁极排布。

磁悬浮转子叶轮在由定子软铁和电磁线圈构成的磁悬浮元件的磁场作用下，悬浮在泵头的蜗壳形泵壳中的血液里，电机即叶轮旋转控制装置通过磁悬浮转子叶轮中的永磁体驱动磁悬浮转子叶轮旋转，对从泵壳中心的入口流入的血液加压，血液最后从泵壳的切向出口驱动流出。

优选地，所述磁悬浮转子叶轮包括四对共八个流线型叶片，叶片结构可以有如下两种设计：

其一是：八个叶片相同，圆周方向上均匀地固定在所述底座上表面。

其二是：八个叶片中，两对叶片长度较大，另两对叶片长度较短，四个较长的叶片与四个较短的叶片相间隔地均匀固定在所述底座上表面上，且八个叶片的外端边缘在一个圆周轨迹上。

所述叶片的曲线具有如下特点：采用光滑过渡的样条曲线拟合而成的，以获得泵的压升流量性能和溶血性能，即合适的流量和压力：当叶轮转速1500_6000转/分时，流量范围为1L/min-10L/min，压升60mmHg-600mmHg。

优选地，较长的所述叶片的内端边缘距离磁悬浮转子叶轮回转中心的距离R1与较短的所述叶片的内端边缘距离磁悬浮转子叶轮回转中心的距离R2的差值在如下一个数值范围内：2.0mm-5.0mm。

当磁悬浮转子叶轮正常工作时，所述磁悬浮转子叶轮位于设定位置，此时所述磁悬浮转子叶轮的底座和所述泵壳柱形腔室之间的间隙，以及磁悬浮转子叶轮的管段和中心柱壳之间的间隙为1.0mm-1.5mm。

该间隙如果太小，则流道内冲刷不充分，同时，对控制精度的要求也会更高，转子叶轮旋转过程中易蹭到泵壳内壁；但如果间隙过大，则流量泄露过多，泵的流量和压升达不到要求。

磁悬浮转子叶轮和泵壳之间的间隙采用上述的数值范围，可以获得作为二次流道的很好的冲刷作用，而使得本血泵在使用中不容易产生血栓。

所述磁悬浮转子叶轮上的叶片置于泵壳中，底座插设在泵壳的柱形腔室中的中心柱壳上，底座和柱形腔室和中心柱壳之间设有间隙，使得在磁悬浮力作用下，磁悬浮转子叶轮悬浮起来，与所述的磁悬浮装置配合，由此形成一个磁力轴承。

优选地，所述叶轮定位控制装置包括位置传感器、控制器和功率放大器，所述位置传感器布置在叶轮外侧周向，对磁悬浮转子叶轮径向位移、径向转动和轴向位移进行监测。所述位置传感器可以使用霍尔式，电涡流式、电感式等位移传感器。

该位置传感器与所述控制器连接而实时反馈磁悬浮转子叶轮的位置，所述叶轮定位控制装置使得：当磁悬浮转子即所述磁悬浮转子叶轮偏离了设定位置或泵壳内的中心位置时，控制装置根据磁悬浮转子叶轮位置和特定算法进行运算，运算结果驱动功率放大器，在叶轮定位控制装置的磁悬浮控制的电磁线圈中产生电流，提供磁悬浮转子叶轮回到中心位置的力，最终使得磁悬浮转子叶轮在外力的扰动下稳定悬浮。

所述特定算法例如可以是PID等。

优选地，所述叶轮定位控制装置对所述磁悬浮轴承的控制包括主动磁悬浮控制系统和被动磁悬浮控制系统，实现血液中的磁悬浮转子叶轮的五自由度悬浮控制：

第一自由度：沿着轴向的平动自由度，是被动磁悬浮控制；

第二和第三自由度：沿着径向的两个平动自由度是主动磁悬浮控制系统主动控制；

第四和第五自由度：沿着径向的两个转动自由度即磁悬浮转子叶轮发生倾斜时，由主动磁悬浮控制系统主动控制；

另外，沿着轴向的转动由叶轮旋转控制装置或电机即磁悬浮转子叶轮中的永磁体和与之对应的电磁装置主动控制。

所述控制装置即磁悬浮控制装置中的控制器和功率放大器与磁悬浮装置中的电磁线圈连接，使得：在磁悬浮转子叶轮运转过程中，采用所述位置传感器实时检测磁悬浮转子叶轮的位置，当磁悬浮转子叶轮偏离了设定位置即泵壳内的中心位置时，传感器将该信号送入控制器，控制器处理后通过功率放大器控制电磁铁中的电流，磁悬浮控制装置根据磁悬浮转子叶轮的位置和算法进行运算，运算结果驱动功率放大器，在磁悬浮控制线圈也就是所述电磁线圈中产生电流，从而产生电磁力的变化，提供磁悬浮转子叶轮回到中心位置的力，最终使得磁悬浮转子叶轮在外力的扰动下稳定悬浮于规定的位置

该叶轮定位控制装置或磁悬浮系统的功能就是控制磁悬浮转子叶轮，实现血液中的五自由度悬浮，轴向旋转自由度由叶轮旋转控制装置或电机控制。该系统的优点是省去了轴向磁轴承，利用叶轮定位控制装置实现了轴向被动悬浮，节省了空间和功耗。

优选地，所述控制器通过ARM处理器处理完成磁悬浮控制和电机旋转所需要的高速数字信号处理。

泵头中的叶片和流道设计可有效冲刷泵内血液低速流动区，泵头中的磁悬浮转子叶轮是通过磁悬浮轴承原理悬浮在泵壳中运转，没有任何机械接触导致的血液损伤，可有效解决血栓形成问题，既可作为体外循环膜肺(ECMO) 治疗中的辅助循环，也可独立进行短中期循环辅助。

本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外用短中期磁悬浮离心血泵采用具有中心磁极的磁悬浮技术，用中心磁极的磁悬浮轴承结构取代了传统离心血泵的机械轴承支撑，磁悬浮转子叶轮悬浮在血液中与泵壳无任何机械接触，通过数字信号处理器系统精确调节转子叶轮的位置和速度，该中心磁极结构能增加磁悬浮转子叶轮的支撑刚度，有效抑制转子叶轮的振动，降低磁悬浮转子叶轮在运转过程中碰到泵壳的风险和降低磁悬浮转子叶轮振动引起的溶血；中心磁极结构可以使每个定子磁极的磁路实现闭合，通过电磁线圈中电流变化，可以独立控制每个磁极磁通变化，从而为每个磁极提供主动的控制力，能够实现对转子永磁体轴向和倾斜方向的稳定控制，保证动态载荷情况下的稳定性。在磁悬浮转子叶轮内部有与定子结构对偶的磁极排布的结构的特点，使得结构简洁、效率高，加工难度低，可靠性高。在泵壳内的二次流道为W形流道，可避免二次流道内的血流成为主血流，即使得流经叶片的血流更多，这样叶片做功的血流量更多，提高泵运转效率，二次流道的1-1.5mm的大间隙设计又使得二次流道内得以保有足够的血液对流道进行有效冲刷，减少流道内血液流动缓慢或者流动滞止导致的泵内血栓形成，降低或消除磁悬浮转子叶轮与泵壳体之间由低速流动造成的潜在血栓形成区域。既可提高泵的效率也可有效冲刷二次流道以降低血栓形成概率，降低了泵内因低流速和流动滞止对血液的破坏。

下面通过附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵的结构示意图。

图2为本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵中泵头的结构示意图。

图2a为图2所示泵头的详细结构示意图，其中显示出W形二次流道A。

图3为图2所示泵头中泵壳的剖切开的立体结构示意图。

图4为泵头的外观立体结构示意图。

图5为本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵中一种磁悬浮转子叶轮的立体结构示意图。

图6为图5所示磁悬浮转子叶轮的剖视结构示意图。

图7为另一种磁悬浮转子叶轮的立体结构示意图。

图8为本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵中磁悬浮装置的剖视结构示意图。

图9为本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵的泵头和磁悬浮装置的分解的立体结构示意图。

其中：1.泵头；11.泵壳；111.中心入口管；112.出口；113. 切向出口管113；114.柱形腔室；115.中心柱壳；116.中心管腔；12. 磁悬浮转子叶轮；121.叶片；122.底座；123.永磁体；124.管段；125.环形腔室；2.磁悬浮装置；21.定子软铁；22. 电磁线圈；23.中心柱状软铁；24.圆筒。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，包括泵头1和磁悬浮装置2，泵头1包括磁悬浮转子叶轮12和泵壳11，磁悬浮转子叶轮12位于泵壳11内，磁悬浮转子叶轮12包括叶片121、底座122和永磁体123，且磁悬浮转子叶轮12和泵壳11二者之间具有间隙以起到二次流道的冲刷作用。

如图2、图3和图4所示，泵壳11包括一个蜗壳111，在蜗壳111的上顶面上沿中心轴线设有中心孔，在中心孔上固连一中心入口管112，在蜗壳111的外缘设有一切向出口管113，蜗壳111的下底面封闭形成一个与蜗壳111连通的柱形腔室114。柱形腔室114的下底板在中心轴线上向内凹进，在柱形腔室内凸起形成一中心柱壳115，相应地，泵壳外的下底板形成一中心管腔116；

如图5和图6所示，磁悬浮转子叶轮12包括叶片121、底座122和永磁体123。底座122为一个圆筒形壳体，上底面封闭，在上底面上设有一中心穿孔，在底座122上底面上围绕该中心穿孔均匀地固设八个形状相同、弧形面朝向也相同的流线型叶片121，中心穿孔上向着圆筒形壳体内部延设一管段124，该管段124将底座122的圆筒形壳体构成一环形腔室125，永磁体123固设在该环形腔室125中。

如图7所示为另一种叶轮的实施例，在该叶轮12’中，还是有八个叶片，但是，在八个叶片中，两对叶片121a长度较大，另两对叶片121b长度较短，四个较长的叶片与四个较短的叶片相间隔地均匀固定在底座122上表面上，八个叶片的外端边缘对齐在一个圆周轨迹上，而内端边缘距离中心穿孔的径向距离不同，较长的叶片121a的该距离R1与较短的叶片121b的该距离R2之差为2.0-5.0mm；例如，为3.5mm。

叶片的曲线具有如下特点：采用在渐开线基础上光滑过渡的样条曲线拟合而成的，以获得泵的当叶轮转速1500_6000转/分时，流量范围为1L/min-10L/min，压升60mmHg-600mmHg。

现有技术中血泵的溶血问题在本实用新型中是通过叶片和流道设计解决，通过数值计算优化泵内的流场而获得较好的泵的溶血性能。泵内流场和溶血关系密切，湍流、流动分离等高剪切力会增加泵内的溶血，而改善这些不好的流动就会降低溶血。改善泵内流场就是通过计算模拟泵内流场，尽量消除流场内的湍流、流动分离等高剪切力区域，优化泵内的流场而获得较好的泵的溶血性能，而上述对于叶片的设计以及叶片曲线的设计而达到所述的流量范围和压升范围，可以很好地改善溶血问题。

如图2和图2a所示，磁悬浮转子叶轮12这样地设置在泵壳11中：磁悬浮转子叶轮12上的叶片置于蜗壳111中，底座122插设在泵壳11的柱形腔室114中，底座122内的由中心穿孔上向着圆筒形壳体的柱形腔室114内部延设的管段124，插设泵壳11内的中心柱壳115，底座（122）和柱形腔室（114）之间设有间隙，管段124和中心柱壳115之间也设有间隙，由此构成一个W形的二次流道A。使得在磁悬浮力作用下，磁悬浮转子叶轮12脱离中心管而悬浮起来，与所述的磁悬浮装置配合，由此形成一个磁力轴承。同时，血流通过W形二次流道A。

如图1、图8和图9所示，在泵壳11的下面设置磁悬浮装置2，磁悬浮装置2包括一本体，其为一下底封闭的圆筒24，其中设置磁悬浮元件，所述磁悬浮元件包括定子软铁和电磁线圈，在该圆筒23中设置定子软铁21，定子软铁21设置在本体23的内壁上，在圆筒24的下底板上设置一中心柱状软铁23，与设置在本体24内壁的定子软铁21连为一体，泵壳11的柱形腔室114插设在定子软铁21中，该中心柱状软铁23插入泵壳11下底板上的中心管腔116中，在本体24中的设置在内壁上的定子23上设置电磁线圈22，中心柱状软铁23构成中心磁极，所述磁悬浮元件与磁悬浮转子叶轮对应构成电机，还构成调整磁悬浮转子叶轮在泵壳中位置的磁元件；所述中心磁极结构使每个定子磁极的磁路实现闭合（如图1所示）。

磁悬浮装置还包括一控制装置，电磁线圈22连接该控制装置，该控制装置包括叶轮定位控制装置和叶轮旋转控制装置，叶轮定位控制装置使得磁悬浮转子叶轮12在泵壳中悬浮，叶轮旋转控制装置使得叶轮12工作即旋转，也称为电机。

电磁线圈22连接叶轮定位控制装置以调节电磁线圈的电流而调节磁悬浮转子叶轮在泵壳中的位置；叶轮旋转控制装置通过电磁线圈的电流变化与叶轮12中的永磁体相互作用使得叶轮转动和转速调节。

在所述磁悬浮转子叶轮内部的所述永磁体，有与定子软铁对偶的磁极排布。

所述叶轮定位控制装置即磁悬浮控制装置包括执行机构即电磁铁或电磁线圈、位置传感器、控制器和功率放大器。所述位置传感器布置在磁悬浮转子叶轮12外侧周向，对转子径向位移和轴向位移进行检测。所述位置传感器可以使用霍尔式，电涡流式、电感式等位移传感器，该位置传感器与所述控制器连接而实时反馈叶轮的位置。

所述磁悬浮控制装置中的控制器和功率放大器与本体23中的电磁线圈22连接，使得：在磁悬浮转子叶轮运转过程中，采用所述位置传感器实时检测磁悬浮转子叶轮的位置，当磁悬浮转子叶轮12偏离了设定位置即泵壳内的中心位置时，传感器将该信号送入控制器，控制器处理后通过功率放大器控制电磁铁中的电流，磁悬浮控制装置根据磁悬浮转子叶轮12的位置和PID算法进行运算，响应速度由设计者根据需要设定，运算结果驱动功率放大器，在磁悬浮控制线圈也就是所述的电磁线圈中产生电流，从而产生电磁力的变化，提供磁悬浮转子叶轮12回到中心位置的力，最终使得磁悬浮转子叶轮在外力的扰动下稳定悬浮于规定的位置。

具体原理如下：

设电磁线圈中的两个电磁铁绕组上的电流分别为i1和i2时，它们对磁悬浮转子叶轮12产生的吸力合力F和磁悬浮转子叶轮12（可简称为转子）的重力mg相平衡，转子处于悬浮的平衡位置。假设在平衡位置上，转子受到一个向下的扰动，转子就会偏离其平衡位置向下运动，此时传感器检测出转子偏离其平衡位置的位移，控制器将这一位移信号变换为控制信号，功率放大器又将该控制信号变换为控制电流，相对于最初平衡位置，此时的上面电磁铁控制电流增加，下面的电磁铁控制电流减小，因此，上面的电磁铁的吸力变大了，下面的电磁铁吸力变小了，因此向上的磁力合力变大，从而使转子运动返回到原来的平衡位置。如果转子受到一个向上的扰动并向上运动，此时控制器使得上面的功放的输出电流减小，下面的电流增大，电磁铁向下的合力变大，转子也能返回到原来的平衡位置。因此，无论转子受到向上或向下的扰动，转子在控制器的控制下始终能处于稳定的平衡状态。

磁悬浮转子叶轮12的底座设置在定子软铁21的磁力轴承座上形成磁悬浮轴承，所述电磁线圈连接磁悬浮控制装置以调节电磁线圈的电流而调节磁悬浮转子叶轮12在泵壳11中的位置，在磁悬浮装置2中还设置电磁铁，与磁悬浮转子叶轮12上的永磁体123对应而驱动磁悬浮转子叶轮12转动。

常用磁悬浮轴承按照磁力的控制方式，可以分为主动悬浮控制和被动悬浮控制。

被动悬浮一般利用永磁体之间的永磁力实现，具有体积小、无功耗的优点，不需要额外的控制系统和机构，但根据Earnshaw定律，永磁悬浮轴承不能实现所有自由度的稳定悬浮，因此至少在一个自由度上需要采用其他悬浮方式，才能构成五自由度全悬浮系统。

主动磁悬浮系统，是通过电磁力实时控制转子位移，实现转子的主动悬浮，具有刚度、阻尼等系数可调，控制精度高的特点，但需要配合各个自由度上的位移检测系统、控制器和功率放大器。

所述磁悬浮轴承的控制包括主动磁悬浮系统和被动磁悬浮系统，实现血液中的叶轮的五自由度悬浮：

第一自由度：沿着轴向的平动自由度，是被动悬浮控制；

第二和第三自由度：沿着径向的两个平动自由度是主动磁悬浮控制；

第四和第五自由度：沿着径向的两个转动自由度即叶轮发生倾斜时，由磁悬浮系统被动控制；

另外，沿着轴向的转动由电机即叶轮中的永磁体和与之对应的电磁装置主动控制。该磁悬浮控制装置的功能就是控制磁悬浮转子叶轮，实现血液中的五自由度悬浮，轴向旋转自由度由所述电机控制。该装置的优点是省去了轴向磁轴承，利用叶轮定位控制装置实现了轴向被动悬浮，节省了空间和功耗。

本控制装置还有一个特点是：改善了磁悬浮转子叶轮12刚度不够的缺陷，即通过刚度和承载力的主动调节，即主动磁悬浮系统，可通过改变电磁铁或电磁线圈即磁轴承线圈中的电流，从而实现对磁悬浮转子叶轮12支撑刚度的实时调节，这是该系统的优点。机械支撑的转子刚度由设计决定，加工完成后，刚度就不能够再调节。五个自由度不一定要五组电磁线圈，某一组可以控制多个自由度。

该实用新型提供的体外磁悬浮离心血泵采用主动悬浮和被动悬浮结合的方式，更紧凑、高效，该血泵磁悬浮转子叶轮3个平动自由度中，1个轴向平动自由度是被动的，2个径向自由度是主动的，该血泵的3个旋转自由度中，1个轴向旋转自由度由电机控制，另外2个径向旋转自由度是被动控制的。

当磁悬浮转子叶轮正常工作时，磁悬浮转子叶轮12悬浮在泵壳11中的设定位置，即置于泵壳的中心，也就是磁悬浮转子叶轮12的回转轴线与泵壳11的轴线重合，磁悬浮转子叶轮12中的叶片111的上边缘与泵壳11内壁间隙与叶片111下边缘与泵壳12内壁间隙相等，各个叶片111外缘距离泵壳的间隙也是相等的；或者说，磁悬浮转子叶轮位于泵壳的中心位置。此时磁悬浮转子叶轮12的底座122和泵壳11柱形腔室114之间的间隙，以及磁悬浮转子叶轮12的管段124和中心柱壳115之间的间隙均为大间隙，即间隙为1.0mm-1.5mm。其中，叶片111的外缘与泵壳的间隙最好为1.0-2.0mm，叶片111的上边缘和下边缘与泵壳的间隙为1.0-1.5mm。当然，叶轮和泵壳之间的间隙也可以是相等的。

现有技术中血泵的血栓问题在本实用新型中是通过无机械接触和大间隙两个方法解决。无机械接触那就不存在接触位置长血栓的问题，大间隙的话代表流道间隙内的血流量充足能形成有效冲刷，消除流道间隙内的血栓形成。大间隙也是改善泵内流场的一个措施，大间隙是使流道间隙内具有足够的血流量，能形成有效冲刷，消除流道间隙内的血栓形成，间隙小则血液流速慢，起不到冲刷作用，易长血栓。

本实用新型采用具有中心磁极的磁悬浮轴承结构取代了传统离心血泵的机械轴承支撑，磁悬浮转子叶轮悬浮在血液中与泵壳无任何机械接触，通过数字信号处理器系统精确调节转子叶轮的位置和速度，该中心磁极结构能增加磁悬浮转子叶轮的支撑刚度，有效抑制转子叶轮的振动，降低磁悬浮转子叶轮在运转过程中碰到泵壳的风险和降低磁悬浮转子叶轮振动引起的溶血。泵头1内二次流道A设计为大间隙的W形流道，泵壳11的凹槽结构即中心柱壳115伸入到磁悬浮转子叶轮12的通孔即管段124中，通过降低二次流道内过大的血流量来增加主流道内经过叶片的血流量，继而使得叶片做功的血流量更多，提高泵运转效率，同时二次流道的大间隙设计又能使二次流道内保持相应的血流量用以冲刷泵头的二次流道，降低血栓形成风险。本实用新型的体外磁悬浮离心血泵是由泵头和磁悬浮装置两个分离体组成，泵头包括泵壳、磁悬浮转子叶轮，叶轮中包括永磁体，磁悬浮装置是由定子铁芯、电机线圈和中心磁极三个结构组成。磁悬浮转子叶轮中间有一通孔结构，相应地泵壳具有一个凹槽结构伸进该磁悬浮转子叶轮中间的通孔中，相应地磁悬浮装置的中心磁极又伸入该泵壳的凹槽结构中，泵壳与磁悬浮转子叶轮之间存在较大间隙可以通过较大流量形成有效冲刷。永磁体过盈配合并密封于磁悬浮转子叶轮中，电流通过定子线圈产生磁力，驱动叶轮旋转，同时实现转子在泵壳内的血液里悬浮。磁悬浮装置的中心磁极结构可以使每个定子磁极的磁路实现闭合，独立控制每个磁极磁通变化，通过电磁线圈提供主动的控制力，能够实现对转子永磁体轴向和倾斜方向的稳定控制，保证动态载荷情况下的稳定性。

Claims (10)

1.一种具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：包括泵头和磁悬浮装置，

所述泵头包括磁悬浮转子叶轮和泵壳，所述磁悬浮转子叶轮位于所述泵壳内，且磁悬浮转子叶轮和泵壳二者之间具有间隙，

所述泵壳包括一个蜗壳，在蜗壳的上顶面上沿中心轴线设有中心孔，在中心孔上固连一中心入口管，在蜗壳的外缘设有一切向出口管，蜗壳的下部设有一与蜗壳连通的柱形腔室，该柱形腔室的下底板在中心轴线上向内凹进，在柱形腔室内凸起形成一中心柱壳，相应地，泵壳外的下底板形成一中心管腔；

所述磁悬浮转子叶轮包括叶片、永磁体和底座，所述叶片固设于所述底座上表面，所述底座为一个圆筒形壳体，上底面封闭，在所示上表面上设有一中心穿孔，该中心穿孔上向着所述圆筒形壳体内部延设一管段，该管段将所述底座的圆筒形壳体构成一环形腔室，所述永磁体固设在该环形腔室中；在所述底座上表面上围绕该中心穿孔均匀地固设若干所述叶片，

所述叶轮套设在所述泵壳内的所述中心柱壳上，使得在磁悬浮力作用下，磁悬浮转子叶轮悬浮起来，与所述磁悬浮装置配合，形成一个磁力轴承；所述磁悬浮转子叶轮的底座和泵壳的柱形腔室之间以及管段和中心柱壳之间设有间隙，使得在泵壳内形成有一段W形的二次流道；

所述磁悬浮装置设置在所述泵壳的下面，包括一本体，其为一下底封闭的圆筒，其中设置磁悬浮元件，所述磁悬浮元件包括定子软铁和电磁线圈，在该圆筒中设置定子软铁，该定子软铁设置在所述本体的内壁上，在所述圆筒的下底板上设置一中心柱状软铁，与设置在所述本体内壁的定子软铁连为一体，所述泵壳的所述柱形腔室插设在所述本体上的圆筒中定子软铁中间，该中心柱状软铁插入所述泵壳下底板上的所述中心管腔中，在所述本体中的设置在内壁上的定子上设置电磁线圈，中心柱状软铁构成中心磁极，所述磁悬浮元件与磁悬浮转子叶轮中的所述永磁体对应构成电机，还构成调整磁悬浮转子叶轮在泵壳中位置的磁元件；所述中心磁极结构使每个定子磁极的磁路实现闭合；

所述磁悬浮装置还包括控制装置，该控制装置包括叶轮定位控制装置和叶轮旋转控制装置，

在所述叶轮定位控制装置中，相应的电磁线圈连接所述叶轮定位控制装置以调节电磁线圈的电流而调节磁悬浮转子叶轮在泵壳中的位置；

所述叶轮旋转控制装置通过相应的电磁线圈的电流变化与叶轮中的永磁体相作用使得叶轮转动和转速得到调节。

2.根据权利要求1所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述磁悬浮转子叶轮包括四对共八个流线型叶片，叶片结构择一地有如下两种设计：

其一是：八个叶片相同，圆周方向上均匀地固定在所述底座上表面；

其二是：八个叶片中，两对叶片长度较大，另两对叶片长度较短，四个较长的叶片与四个较短的叶片相间隔地均匀固定在所述底座上表面上，且八个叶片的外端边缘在一个圆周轨迹上；和/或，

当磁悬浮转子叶轮正常工作时，所述磁悬浮转子叶轮位于设定位置，此时所述磁悬浮转子叶轮的底座和所述泵壳柱形腔室之间的间隙，以及磁悬浮转子叶轮的管段和中心柱壳之间的间隙为1.0mm-1.5mm。

3.根据权利要求2所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述叶片的曲线具有如下特点：采用光滑过渡的样条曲线拟合而成的，以获得泵的当叶轮转速1500-6000转/分时，流量范围为1L/min-10L/min，压升60mmHg-600mmHg ；和/或，

较长的所述叶片的内端边缘距离磁悬浮转子叶轮回转中心的距离R1与较短的所述叶片的内端边缘距离磁悬浮转子叶轮回转中心的距离R2的差值在如下一个数值范围内：2.0mm-5.0mm。

4.根据权利要求1所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述叶轮定位控制装置包括位置传感器、控制器和功率放大器，所述位置传感器布置在磁悬浮转子叶轮外侧周向，对磁悬浮转子叶轮径向位移、径向转动和轴向位移进行监测。

5.根据权利要求4所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：该位置传感器与所述控制器连接而实时反馈所述磁悬浮转子叶轮的位置，所述叶轮定位控制装置使得：当所述磁悬浮转子叶轮偏离了设定位置或泵壳内的中心位置时，控制装置根据磁悬浮转子叶轮位置和设定算法进行运算，运算结果驱动功率放大器，在所述叶轮定位控制装置的磁悬浮控制的电磁线圈中产生电流，提供磁悬浮转子叶轮回到中心位置的力，最终使得磁悬浮转子叶轮在外力的扰动下稳定悬浮。

6.根据权利要求5所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述算法是PID。

7.根据权利要求1或4所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述叶轮定位控制装置对所述磁悬浮轴承的控制包括主动磁悬浮控制系统和被动磁悬浮控制系统，实现血液中的磁悬浮转子叶轮的五自由度悬浮控制：

第一自由度：沿着轴向的平动自由度，是被动磁悬浮控制；

第二和第三自由度：沿着径向的两个平动自由度是主动磁悬浮控制系统主动控制；

第四和第五自由度：沿着径向的两个转动自由度即磁悬浮转子叶轮发生倾斜时，由主动磁悬浮控制系统主动控制；和/或，

沿着轴向的转动由叶轮旋转控制装置或电机即磁悬浮转子叶轮中的永磁体和与之对应的电磁装置主动控制。

8.根据权利要求4所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述控制器通过ARM处理器处理完成叶轮定位控制控制和叶轮旋转控制所需要的高速数字信号处理。

9.根据权利要求1或4所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：在所述磁悬浮转子叶轮内部的所述永磁体，有与所述定子软铁对偶的磁极排布。

10.根据权利要求4所述的具有中心磁极结构的体外磁悬浮离心血泵，其特征在于：所述控制装置即磁悬浮控制装置中的控制器和功率放大器与磁悬浮装置中的电磁线圈连接，使得：在磁悬浮转子叶轮运转过程中，采用所述位置传感器实时检测磁悬浮转子叶轮的位置，当磁悬浮转子叶轮偏离了设定位置或泵壳内的中心位置时，传感器将该信号送入控制器，控制器处理后通过功率放大器控制电磁铁中的电流，磁悬浮控制装置根据磁悬浮转子叶轮的位置和算法进行运算，运算结果驱动功率放大器，在磁悬浮控制线圈也就是所述电磁线圈中产生电流，从而产生电磁力的变化，提供磁悬浮转子叶轮回到中心位置的力，最终使得磁悬浮转子叶轮在外力的扰动下稳定悬浮于规定的位置。

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