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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Energieumwandlungsvorrichtung,
die eine Magnetkopplung zum Umwandeln von Drehmoment in Axialkraft
oder Axialkraft in Drehmoment benutzt. Eine bedeutende Anwendung
des Energieumwandlungsmechanismus ist auf dem Gebiet von künstlichen
Herzen, wobei der Mechanismus in einem Aktuator für eine Ventrikel-Unterstützungsvorrichtung
(VAD) oder zum Pumpen von Blut von einem oder zwei Ventrikeln eines
total künstlichen
Herzens (TAH) benutzt werden kann.
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Hintergrund
der Technik
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Implantierbare
Blutpumpen oder künstliche Herzen
waren das Thema bedeutender Arbeiten für mehrere Jahrzehnte. Obwohl
viel Fortschritt erzielt wurde, hat keine Vorgehensweise die hohe
Zuverlässigkeit
demonstriert, die für
einen Aktuator benötigt wird.
Im Allgemeinen benutzen die meisten existierenden Vorgehensweisen
die Umwandlung der Bewegung eines rotierenden elektrischen Motors
in die Linearbewegung einer Pusher-Plate, um Blut aus Ventrikeln
von Gummityp zu drücken.
Einige benutzen einen hydraulischen Kolben, um das Fluid aus den
Ventrikeln zu drücken,
während
einige direkt auf die Ventrikel ohne Hydraulik drücken. Derartige Dreh-Linear-Umwandlungsmechanismen
einschließlich
Führungsschrauben,
Zahnradpumpen und eine Vielzahl von anderen Ausgestaltungen sind
alle gegen Verschleiß und
Ausfall des primären
Bauteils anfällig.
Somit weisen die meisten, wenn nicht alle, existierenden Aktuator-Vorgehensweisen damit
zugeordnete unerwünschte
Zuverlässigkeitsanliegen
auf. Tatsächlich
beinhalten die meisten Aktuator-Vorgehensweisen ein Haupthindernis
beim Erreichen einer hochzuverlässigen
leichten Prothese.
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Eine
Art eines künstlichen
Herzens ist in 1, 2a und 2b dargestellt.
Dieses total künstliche
Herz (TAH) 10, das von der Cleveland-Klinik bereitgestellt
wird, umfasst Bluteinfluss-Ports und Ventile 12 und Blutausfluss-Ports
und Ventile 14. Wie am besten in 2a und 2b gezeigt
ist, umfasst das TAH 10 zwei Blutpumpen, eine rechte Blutpumpe oder
Ventrikel 20 und eine linke Blutpumpe oder Ventrikel 22 in
einem Gehäuse 18.
Jede Blutpumpe 20 und 23 umfasst eine umkehrbare
Membran 21 bzw. 23, die mechanisch mit einer entsprechenden
Pusher-Plate 21' und 23' gekoppelt ist,
die von einem interventrikulären
Energiewandler oder Aktuator 26 angetrieben wird. Der Aktuator 26,
der einen an der Pusher-Plate 21' befestigten Führungsstift 25 und
einen an der Pusher-Plate 23' befestigten
Führungsstift 27 führt, erzeugt
eine axiale Hin- und Herbewegung, die während des Ausstoßmodus eine
Pusher-Plate 21' oder 23' zu dem Gehäuse 18 des
TAH 10 hin treibt.
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Das
Herz wird durch Reaktion auf venösen Druck
gesteuert, da mehr Strömung
erforderlich ist, wenn der Druck ansteigt. Der Folgeantrieb ist
nicht direkt mit einer der beiden Pusher-Plates gekoppelt. Somit
ist, während
Blut von einer Blutpumpe ausgestoßen wird, die andere frei,
sich mit der Füllrate
abhängig
von dem venösen
Rückdruck
zu füllen.
Während
des Füllens
kann jeder Führungsstift
innerhalb des Aktuators frei gleiten, sodass die Membranenfüll-Zyklusbewegung durch
venösen
Druck und nicht durch die Aktuatorrate bestimmt wird. Eine Steuerlogik
fühlt die
Geschwindigkeit oder die Position der Membran ab und hält eine
Aktuatorgeschwindigkeit aufrecht, die ausreicht, um einen Füllzykluskontakt zwischen
der Pusher-Plate und dem Aktuator zu vermeiden, ohne so schnell
zu laufen, dass der Wirkungsgrad oder der Betrieb der gegenüberliegenden Pumpe
beeinflusst wird. Eine ventrikuläre
Hilfsvorrichtung arbeitet auf ähnliche
Art und Weise, mit der Ausnahme, dass nur eine Pumpe beteiligt ist.
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Das
TAH 10 kann äquivalent
durch eine Anzahl unterschiedlicher, existierender interventrikulärer Aktuatoren
betrieben werden. Beispielsweise könnten die meisten existierenden
elektromechanischen Aktuatoren benutzt werden. Das TAH vom Cleveland-Klinik-Typ
benutzt herkömmlicherweise
eine elektrohydraulische Energieumwandlungsvorrichtung. Diese Vorrichtung
umfasst einen bürstenlosen Gleichstrommotor,
der eine Zahnradpumpe dreht, die hydraulische Strömung bei
etwa 100 psi liefert. Eine interne Ventilbaugruppe steuert die Strömung zu
einem hydraulischen Aktuator mit zwei Enden. Um sicherzustellen,
dass das System hermetisch dicht ist, ist der Aktuatorkolben tatsächlich ein
Stapel von Magneten, die in dem Zylinder laufen, wobei ein Folgemagneten
außerhalb
des Zylinders ist, um mit der Kolbenbewegung übereinzustimmen. Die Folgemagne ten
sind an einem Translationselement befestigt, das gegen eine Pusher-Plate
drückt,
die die Gummimembran ablenkt. Für
weitere Information über
diesen Aktuator siehe: Massiello u.a., „The Cleveland Clinic – Nimbus
Total Artificial Heart",
Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, Band 108, Nr. 3, Seiten
412 – 419
(1994); und Harasaki u.a., „Progress
in Cleveland Clinic – Nimbus
Total Artificial Heart Development", ASAIO Journal, M494–M498 (1994).
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Die
US 3 777 587 offenbart eine
Schraubenantriebsvorrichtung. Eine aus einem paramagnetischen Material
hergestellte, sich kontinuierlich windende Antriebsschraube ist
magnetisch in einer Mutter umgeben, die radial beabstandet ist,
um eine bestimmte, umkehrbare, nicht in Eingriff nehmende Bewegung
von einem Monat mit Bezug auf die andere durch die Rotation der
Antriebsschraube zu betreiben. Diese Mutter ist genauso wie die
Antriebsschraube gewindet und umfasst mindestens zwei magnetische
Polstücke,
die durch ein entsprechendes Mittel erregt werden können. Die
bekannte Vorrichtung ist bestimmt, in einer Positionierungsvorrichtung
einer Herstellungsmaschine, d.h. in einem Arbeitstisch oder einem
Frästisch,
verwendet zu werden.
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Die
US 5 456 134 offenbart eine ähnliche Vorrichtung,
d.h. einen magnetischen Übertragungsmechanismus
zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung.
Diese Vorrichtung umfasst ein internes und externes Kopplungselement,
die zusammenarbeitende Systeme mit doppeltem Gewinde aufweisen,
die aus einem magnetisierbaren Material hergestellt sind. Die bekannte Vorrichtung
ist bestimmt, in einer Positionierungsvorrichtung für die Herstellung
von Halbleitersubstraten verwendet zu werden.
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Die
JP 08051755 A offenbart
einen Antirutschmechanismus für
eine Schraubenwelle eines Umwandlungsmotors mit Direktantrieb. Bei
der bekannten Vorrichtung wird die Rotationsbewegung durch einen
Stator von der Vorrichtung zu ihrer Welle übertragen.
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In
der
US 5 300 111 wird
ein total künstliches Herz
mit einem Gehäuse
beschrieben, das ein erstes und zweites Ventrikel aufweist. Ferner
werden eine erste Membran und eine zweite Membran zum Pumpen von
Blut von den jeweiligen Ventrikeln bereitgestellt. Um die Membranen
zu betätigen,
umfasst das total künstliche
Herz ferner einen linearen elektrischen Motor, einen so genannten
Schwingspulenmotor mit sich doppelt bewegenden Magneten.
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Die
JP 58217857 offenbart einen
kontaktlosen Antriebsmechanismus, bei dem ein Paar von Magneten
auf der antreibenden und angetriebenen Seite ein angetriebenes Element
veranlassen, eine Nachführbewegung
als Reaktion auf die Hin- und Herbewegung eines antreibenden Elements
durchzuführen,
die durch die Vorwärts-
und Rückwärtsrotation
eines Motors verursacht wird. Das angetriebene Element wird kontaktlos
mit einer Führung
durch Magnetkräfte
gehalten, sodass sich keine Reibung herausbildet.
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Die
EP 0 601 185 A1 beschreibt
einen Aktuator, indem die Rotationsbewegung in eine Drehbewegung
durch eine einfache Schraubenwelle umgewandelt wird.
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Obwohl
existierende Energieumwandlungs-Vorgehensweisen in unterschiedlichen
Ausmaßen
erfolgreich waren, würde
der Stand der Technik durch einen Aktuator der nächsten Generation für implantierbare
pulsierende ventrikuläre
Hilfsvorrichtungen und/oder total künstliche Herzen vorangebracht werden,
was die magnetische Verknüpfung
zwischen den hauptsächlichen
Dreh-Linear-Bewegungsumwandlungselementen
verbessert. Die Erfindung liefert diese Weiterentwicklung.
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Offenbarung
der Erfindung
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Kurz
zusammengefasst umfasst die Erfindung eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungsvorrichtung,
die ein drehbares Element und ein verschiebbares Element umfasst.
Eine Magnetkopplung wird zwischen dem drehbaren Element und dem verschiebbaren
Element zum Umwandeln eines Drehmoments des drehbaren Elements in
eine Axialkraft an dem verschiebbaren Element bereitgestellt. Die
Magnetkopplung umfasst Permanentmagneten, einschließlich eines
ersten Permanentmagneten, der einen Teil des drehbaren Elements
umfasst, und eines zweiten Permanentmagneten, der einen Teil des verschiebbaren
Elements umfasst. Der erste Permanentmagnet umfasst verschachtelte,
wendelförmige Magnetabschnitte
von abwechselnden Polaritäten, wie
es der zweite Permanentmagnet tut. Diese wendelförmigen Strukturen weisen die
gleiche Steigung auf.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt das verschiebbare Element
mindestens teilweise in dem drehbaren Element, und die Vorrichtung umfasst einen
Mechanismus, um die Rotation des verschiebbaren Elements zu verhindern,
sodass das Drehmoment des ersten Permanentmagneten in Axialbewegung
des zweiten Permanentmagneten und somit des verschiebbaren Elements
umgewandelt wird. Die Vorrichtung, um dem drehbaren Element Drehmoment
zu verleihen, umfasst einen Permanentmagneten-Drehmotor, der dem
drehbaren Element eine oszillierende Bewegung verleiht, wodurch ein
oszillierendes Drehmoment an dem ersten Permanentmagneten erzeugt
wird, das seinerseits eine axiale Hin- und Herbewegung in dem zweiten
Permanentmagneten und somit dem verschiebbaren Element erzeugt.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein total künstliches Herz gemäß Anspruch
6. Bevorzugte Ausführungsformen
sind der Gegenstand von abhängigen
Ansprüchen.
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Kurzbeschreibung
von Zeichnungen
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Der
Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird besonders
hervorgehoben und deutlich in dem abschließenden Abschnitt der Beschreibung
beansprucht. Die Erfindung kann jedoch sowohl hinsichtlich der Organisation
als auch der Verfahren der Praxis zusammen mit weiteren Aufgaben
und Vorteilen derselben am besten mit Bezug auf die folgende detaillierte
Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden
werden, in denen zeigen:
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1 ein
Aufriss eines total künstlichen
Herzens (TAH) vom Cleveland-Klinik-Typ,
um einen Aktuator in Übereinstimmung
mit der Erfindung zu benutzen;
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2a und 2b Querschnittdarstellungen
des TAH von 1, die entlang der Linie 2AB-2AB
genommen sind, wobei in 2a der
Aktuator Kraft an die linke Blutpumpe und in 2b Kraft an
eine rechte Blutpumpe angelegt hat;
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3 ein
Aufriss einer Ausführungsform
einer Magnetkopplung zwischen einem drehbaren Element und einem
verschiebbaren Element in Übereinstimmung
mit der Erfindung;
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3a eine
Teilquerschnittsansicht der Magnetelemente von 3,
die entlang der Linie 3a-3a genommen ist;
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4 einen Aufriss der Magnetelemente von 3,
wobei das drehbare Element verschoben wurde, wodurch eine Kraft
an das verschiebbare Element angelegt wird;
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4a eine
Teilquerschnittsansicht der Magnetelemente von 4,
die entlang der Linie 4a-4a genommen ist;
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5 eine
teilweise weggeschnittene, teilweise explodierte perspektivische
Ansicht eines Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungs-Aktuators
in Übereinstimmung
mit der Erfindung für
ein TAH oder eine VAD;
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6 ein
Aufriss des Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungs-Aktuators von 5;
und
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6a eine
Teilquerschnittsansicht des Aktuators von 6, die entlang
der Linie 6a-6a genommen ist.
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Beste Betriebsart
zum Ausführen
der Erfindung
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Konzeptionell
ist eine bevorzugte Ausführungsform
einer Drehmoment-Axialkraft(oder
Axialkraft-Drehmoment)-Energieumwandlungskopplung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung einer mechanischen Schraubenkopplung
analog, wobei das mechanische Gewinde durch ein „magnetisches Gewinde" ersetzt wird, das
weder Kontakt, Verschleiß noch
Reibung zwischen den sich bewegenden Elementen der Magnetkopplung
aufweist. Ein Beispiel dieser magnetischen Gewindekopplung wird
beispielhaft in 3 und 3a dargestellt.
Bei dem Aufriss von 3 sei angenommen, dass ein erstes
Magnetelement 30 der Magnetkopplung eine zylindrische Struktur
umfasst, in der ein zweites Magnetelement 32, ebenfalls
eine zylindrische Struktur, liegt. Das erste Magnetelement 30 umfasst
verschachtelte Magnetabschnitte oder genauer gesagt ein magnetisches
Gewinde, das aus einem spiralförmig
gewickelten Paar 31 von radial polarisierten Magneten entgegengesetzter
Polarität
besteht. Auf ähnliche
Weise umfasst ein zweites Magnetelement 32 ein spiralförmig gewickeltes
Paar 33 von radial polarisierten Magneten von entgegengesetzter
Polarität.
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Die äußeren Oberflächen des
Magnetpaars 33 (d.h. die dem Magnetelement 30 gegenüberliegenden
Oberflächen)
definieren einen glatten Zylinder ohne ineinander greifende Kämme, während die inneren
Oberflächen
des Magnetpaars 33 (d.h. die von dem paarenden Magnetelement 30 wegliegenden
Oberflächen) durch
eine glatte zylindrische Struktur 36 unterstützt werden
(3a), die aus Stahl oder einem anderen Fluss-tragenden
Material hergestellt ist, das einen Flussrückkehrpfad definiert. Das Magnetelement 30 weist
eine ähnliche
Magnetstruktur auf und ist dimensioniert, sodass die ersten und
zweiten Magnetelemente konzentrisch ineinander passen, ohne physikalischen
Kontakt herzustellen. Die innere Oberfläche des Magnetelements 30 umfasst
das spiralförmig
gewickelte Paar 31 von radial polarisierten Magneten entgegengesetzter
Polarität,
während
eine äußere Oberfläche desselben
von einem rückwärtigen Eisen 34 umgeben
wird (3a), um Magnetfluss zurückzugeben,
wie in der in 3a gezeigten teilweisen Vergrößerung dargestellt
ist.
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Die
Magnetpaare 31 und 33 der Magnetelemente 30 bzw. 32 neigen
dazu, sich selbst auszurichten, sodass sich Magnetflüsse miteinander
ausrichten. Eine ausgerichtete Magnetkopplung ist in 3 und 3a dargestellt.
Wie am besten in der Vergrößerung von 3a gezeigt
ist, alternieren die Polaritäten,
wenn man sich an der Magnetkopplung nach unten bewegt. Wenn die
beiden Elemente so ausgerichtet sind, existiert weder ein Drehmoment
noch eine Axialkraft zwischen ihnen. Dies ist die Nullkraftposition
oder die relative Position, zu der die Magnetkopplung zurückkehrt,
wenn an keinem der beiden Elemente externe Kräfte wirken.
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4 stellt den Fall dar, in dem Magnetelemente 30 und 32 mit
Bezug aufeinander in der Tangentialrichtung, z.B. durch das Drehelement 30,
verschoben sind und eine relative Kraft zwischen den beiden Elementen
erzeugt wird, die dazu neigt, sie zu der Nullposition zurückzuführen. Bei
diesem Beispiel umfasst diese Kraft eine Axialkraft an dem Element 32 in
der durch den Pfeil gezeigten Richtung. Diese Axialkraftkomponente
der Magnetkopplung wird die Kraft umfassen, die ein Aktuator an
eine der Blutpumpen anlegt. Die Tangentialkomponente der Axialkraft erzeugt
das Drehmoment, das der Drehantriebsmotor überwinden muss, um die Magnetkopplung
zu aktivieren.
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Wie
in 4 und 4a gezeigt
ist, kann die Magnetkopplung entweder als eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungskopplung
oder eine Axialkraft-Drehmoment-Energieumwandlungskopplung dienen.
Wann immer ein Drehmoment oder eine Kraft an ein Magnetelement der
Kopplung angelegt wird, wird das andere Magnetelement reagieren, indem
es versucht der Bewegung des Magnetelements zu folgen, an das das
Drehmoment oder die Kraft angelegt ist.
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Dies
kann mit Bezug auf den vergrößerten Abschnitt
von 4a verstanden werden, wobei beispielsweise die
Anlegung eines Drehmoments an ein erstes Magnetelement 30 zu
dem gezeigten Versatz zwischen den beiden Magnetelementen führt, sodass
sich das zweite Magnetelement 32 drehen oder verschieben
möchte,
um sich mit dem ersten Magnetelement auszurichten. Somit wird durch
Einschränken
der Linearbewegung des ersten Magnetelements 30 und der
Rotationsbewegung des zweiten Magnetelements 32 eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungskopplung
erreicht. Umgekehrt wird durch Einschränkung der Rotationsbewegung des
Elements 30 und der Linearbewegung des Elements 32 dann
eine Axialkraft-Drehmoment-Energieumwandlungskopplung erreicht,
wobei angenommen wird, dass die Energie an das Magnetelement 30 angelegt
wird.
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Drei
Parameter, die sich auf die Ausgestaltung der Magnetkopplung auswirken,
sind ihr Durchmesser, ihre Beabstandung und ihr Spielraum zwischen
den gegenüberliegenden
Oberflächen
der beiden Magnetelemente. Die Auswahl des zweiten Magnetelementdurchmessers
basiert auf einem Kompromiss zwischen der Oberfläche des zweiten Magnetelements
(und somit der maximalen Kraftbelastbarkeit) und, bei einer Aktuator-Ausgestaltung,
dem Volumen, das für
den Antriebsmotor und das lineare Lager verfügbar ist (nachstehend weiter
erläutert). Ein
Verringern der Magnetelementdurchmesser erhöht das für den Drehmotor und die Drehlager
verfügbare
Volumen. Die Auswahl der Magnetelement-Beabstandung basiert auf einem Kompromiss zwischen
der Betätigungsdrehmoment
des Drehmotors und der Motordrehgeschwindigkeit (und somit der Torsionsträgheits-
und Kreisel-Effekte). Ein Erhöhen
der Beabstandung erhöht
das Motorbetätigungsdrehmoment
und somit den Motorspulenverlust, verringert jedoch die maximale
Motorgeschwindigkeit und somit die Torsionsträgheits- und Kreisel-Effekte. Die
Auswahl des Spielraums zwischen dem ersten Magnetelement und dem
zweiten Magnetelement basiert auf einem Kompromiss zwischen mechanischer
Ausgestaltungsbetrachtungen (Herstellungs- und Zusammenbautoleranzen)
und der Magnetkopplungskraftbelastbarkeit. Ein Verringern des Spielraums
zwischen den sich paarenden Teilen erhöht die Kraftbelastbarkeit der
Magnetkopplung, insbesondere bei niedrigen Werten der Beabstandung.
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Ein
bedeutender Vorteil der hier präsentierten
Magnetkopplung ist wiederum eine vollständige Eliminierung von Verschleiß und Verlust
von primären
Ak tuator-Elementen. Verschleiß und
Verlust existieren noch in sekundären Mechanismen, wie beispielsweise
Dreh- und Axiallagern, die nachstehend erläutert sind. Diese Lager sind
im Allgemeinen jedoch viel weniger belastet als die primären Mechanismen
und können
folglich für
eine viel längere
Lebensdauer ausgestaltet werden. Ausgestaltungsbetrachtungen beim
Benutzen einer Magnetkopplung, wie hier präsentiert, umfassen die Krafterzeugungsfähigkeit
und die relativ niedrige mechanische Steifigkeit zwischen den sich
paarenden Magnetelementen. Diese beiden Überlegungen implizieren, dass
die Magnetkopplung besonders gut für eine Ventrikel-Hilfsvorrichtung
(VAD) oder einen Aktuator für
ein total künstliches
Herz (TAH) geeignet ist, da eine primäre Anforderung derselben eine
lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit ist, und dass die
Kraftanforderung innerhalb der Belastbarkeit der Magnetkopplung
liegt, während
eine Präzisionspositionierung
nicht erforderlich ist. Tatsächlich
ist die Befolgung in dem Aktuator tatsächlich wünschenswert.
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5, 6 und 6a stellen
die Verwendung des Magnetkopplungskonzepts in einem allgemein mit 50 bezeichneten
Aktuator dar, der für
ein total künstliches
Herz (TAH) vom Cleveland-Klinik-Typ ausgestaltet ist, wie in 1, 2 und 2a gezeigt ist.
Wie am besten in 6 gezeigt ist, ist der Aktuator 50 geformt
(und dimensioniert), um in das TAH vom Cleveland-Klinik-Typ zu passen,
wie hier zusammengefasst und ausführlicher in dem anfangs referenzierten
Artikel erläutert
ist. Der Aktuator 50 hat in dem interventrikulären Raum
in dem TAH zu liegen, wobei Kanäle 52 benachbart
geflanschter Enden 53 definiert sind, die ausgestaltet
sind, um durch O-Ringe hervorzustehen, die Öffnungen 19 in dem
TAH umgeben, um den Aktuator an Ort und Stelle mit Bezug auf das
TAH-Gehäuse
zu halten. Ein Kolben 55 ist an dem sich linear bewegenden
zweiten Magnetelement 32 der Magnetkopplung befestigt.
Der Kolben 55 umfasst eine erste Öffnung 54 und eine
zweite Öffnung 56,
von denen jede dimensioniert ist, um einen jeweiligen Führungsstift 27 und 25 unterzubringen,
die mit den Pusher-Plates gekoppelt sind. Mit der Orientierung des
Aktuators 50, wie in 6 gezeigt
ist, kann die Magnetkopplung benutzt werden, eine hin- und hergehende
lineare Auf/Ab-Bewegung mit
dem Kolben 55 zu erreichen, der abwechselnd gegen die erste
Pusher-Plate 21' und
die zweite Pusher-Plate 23' drückt (2a und 2b).
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Hauptbestandteile
des Aktuators 50 umfassen: die sich drehenden und verschiebenden
Magnetelemente 30 bzw. 32 der Magnetkopplung;
ein rotierendes Radial- und Drucklager 80 für das Drehelement 30;
eine Axial- und Antirotations-Lagervorrichtung 90 zum
Verschieben des Magnetelements 32; einen bürstenloser
Permanentmagnetenantriebsmotor 100 zum Anlegen eines Drehmoments
an das sich drehende Magnetelement 30; ein Aktuator-Gehäuse 51;
und eine dünne
Druckbehälterwand 70 zwischen dem
sich drehenden Element 30 und dem sich verschiebenden Element 32,
das eine hermetische Abdichtung des Drehantriebssystems erlaubt.
Die sich drehenden und verschiebenden Magnetelemente der Magnetkopplung
werden oben zusammengefasst, während
die verbleibenden Komponenten des Aktuators nachstehend ausführlicher
erläutert
werden.
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Eine
Axial- und Antirotations-Lagervorrichtung 90 ist ein bedeutendes
Bauteil der Aktuator-Ausgestaltung. Eine Hauptanforderung für das Lager 90 ist
eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit in einer nicht geschmierten
Umgebung mit niedriger Temperatur und hoher Feuchtigkeit. Ein Schlüssel, um
diese Ausgestaltungsanforderung zu erreichen, besteht in einer niedrigen
Lagerlast und Geschwindigkeit und geeigneter Auswahl von Lagermaterialien,
die von einem Fachmann durchgeführt werden
kann. Die Lasten an den Axiallagern 62 und Antirotations-Lagern 63 können in
primäre
Lasten und sekundäre
Lasten aufgeteilt werden. Primäre Lasten
sind diejenigen Lasten, die durch die fundamentalen Krafterzeugungsprozesse
bestimmt werden. Diese Lasten können
durch Variieren der Ausgestaltungsparameter des Aktuators 50 gesteuert werden.
Ein Beispiel einer primären
Last ist die Drehmomentlast an den Antirotations-Lagern 63 zwischen dem
sich verschiebenden Element 32 und einem unbeweglichen
Arm 64, der mechanisch mit dem Gehäuse 51 gekoppelt ist.
Der Arm 64 ist mit einem Dorn 60 verbunden, um
eine Translation des Elements 32 zu ermöglichen, während eine Rotation desselben
verhindert wird. Dies ist möglich,
da, wie gezeigt, das Element 32 länglich mit einem C-förmigen transversalen
Querschnitt ist, und der Arm 64 von der Öffnung in
dem C-förmigen
Querschnitt abhängt,
um mit dem Dorn 64 verbunden zu werden. Das Verhältnis des
Drehmoments zu der Axialkraft wird lediglich durch den Abstand des
Magnetelements bestimmt. Zusätzlich
zu der primären
Last ist das lineare Lager 90 ebenfalls sekundären Lasten unterworfen.
Eine sekundäre
Last ist eine Last, die nicht aus dem fundamentalen Krafterzeugungsprozess
sondern vielmehr aus Ungenauigkeiten bei der Herstellung oder beim
Zusammenbau oder als ein Ergebnis absichtlicher Fehlausrichtung
oder Systemkomponenten entsteht. Eine zweite sekundäre Last, die
bei dem linea ren Lager aufgetreten ist, ist der magnetische Seitenzug
zwischen den sich paarenden Magnetelementen der Magnetkopplung.
Bei dieser Ausführungsform
sind die linearen und Antirotations-Lager wiederum ausgestaltet,
um dem zweiten Magnetelement 32 nur eine Translationsbewegung zu
ermöglichen,
um sich in der interventrikulären Kammer
des TAH 10 hin und her zu bewegen, um abwechselnd Druck
auf die Pusher-Plates 21' und 23' auszuüben (2a und 2b).
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Wenn
mit der Beschreibung von der Mitte nach außen fortgefahren wird, ist
ersichtlich, dass eine dünne
Druckbehälterwand 70,
die am besten in der Vergrößerung von 6 gezeigt
ist, die inneren und äußeren Baugruppen
des Aktuators 50 isoliert. Die beiden Magnetelemente 30 und 32 sind
ausgestaltet, um von der Wand 70 beabstandet zu sein, um ihre
Strukturintegrität
nicht zu beeinträchtigen.
Wie bemerkt, ermöglicht
die Wand 70, dass die äußeren Baugruppen
von den inneren Baugruppen isoliert sind, sodass nur die innere
Baugruppe der interventrikulären
Umgebung des TAH ausgesetzt sein muss. Dies ermöglicht, dass Schmierung zu
den äußeren Baugruppen,
einschließlich
dem ersten Magnetelement 30, dem drehbaren Radial- und Drucklager 80 und
dem Drehantriebsmotor ungeachtet dessen hinzugefügt wird, dass die Wand 70 nur
5–10 mil
dick sein kann.
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Das
sich drehende Magnetelement 30 und das rückwärtige Eisen 34 werden
zusammen mit dem Drehmotor 100 durch Radiallager 80 getragen.
Die Radiallager 80 dienen ebenfalls dazu, die Axialdrucklast
an dem sich drehenden Element 30 zu absorbieren. Die primäre Last
an dem Lager ist der Axialdruck, und eine Schlüsselanforderung für das Radiallager
besteht darin, diese Last für
die erforderliche Aktuator-Lebensdauer und mit dem erforderlichen Niveau
von Aktuator-Zuverlässigkeit
zu tragen. Die Auswahl des Radiallagers basiert auf einem Kompromiss
zwischen Lagerlebensdauer und Zuverlässigkeit und dem für den Motor
verfügbaren
Volumenraum. Ein Reduzieren der Lagergröße verringert die Lagerzuverlässigkeit
für eine
vorgegebene Lebensdauer, wobei jedoch das Motorvolumen vergrößert und
die Motorauswahlaufgabe vereinfacht wird.
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Um
es erneut zu formulieren, umfasst die Erfindung im Allgemeinen eine
Drehmoment-Axialkraft (oder Axialkraft-Drehmoment)-Energieumwandlungsvorrichtung,
wobei eine bedeutende Anwendung derselben einen Aktuator für ein total
künstliches
Herz (TAH) oder für
eine Ventrikel-Hilfsvorrichtung
(VAD) umfasst. Ein Aktuator in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung benutzt eine Magnetkopplung, die Kontakt, Verschleiß und Reibung
zwischen den Hauptbewegungselementen des Aktuators vollständig eliminiert.
Die Magnetkopplung, die aus einem wendelförmig gewickelten Paar von radial
polarisierten Magneten entgegengesetzter Polarität besteht, findet durch eine
dünne Isolationswand
statt, die ermöglicht,
dass bedeutende Lagerbauteile und ihre Schmiermittel abgedichtet
werden können.
Diese Bauteile werden somit zusammen mit dem Antriebsmotor ebenfalls
von dem feuchten Zwischenpumpenraum isoliert. Vom neuen Aktuator
wird erwartet, dass er eine viel längere Lebensdauer, eine niedrigere
Wärmeerzeugung
und erhöhte
Zuverlässigkeit
verglichen mit existierenden Systemen bereitstellt. Kombiniert mit
einem neuen elektrischen Motor, der Nutzen aus dem neuesten Magnetmaterialien und
Ausgestaltungs-Technologie zieht, wird der Aktuator kompakter als
gegenwärtige
elektromechanische Aktuatoren sein, wobei eine verbesserte anatomische
Passung bereitgestellt wird.