大氣隙永磁軸流式血泵磁力傳動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、血泵做為心衰患者的輔助裝置，最主要功能是實(shí)現(xiàn)自然心臟的泵血功能;因此對(duì)磁力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，是人工心臟走向臨床的首要問(wèn)題。
　　磁力傳動(dòng)系統(tǒng)主從間隙增大便于對(duì)血泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低溶血，減小泵對(duì)血液的破壞，但是同時(shí)也會(huì)使血泵整體體積增大，已應(yīng)用于臨床的血泵，由于體積大無(wú)法植入兒童體內(nèi)，僅有兩款針對(duì)兒童設(shè)計(jì)，研制出微型化、智能化、運(yùn)行穩(wěn)定、耐久是人工心臟的發(fā)展趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)能力是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微型化的首要滿足條件，能量效率、溫升、速度調(diào)節(jié)的快

2、速性和平穩(wěn)性直接影響血泵的長(zhǎng)久植入和穩(wěn)定運(yùn)行，在這些方面目前缺乏深入研究。
　　本文針對(duì)植入式血泵主從磁極氣隙大(5mm)的情況，以實(shí)現(xiàn)血泵的小型化、高功效、低溫升，快速而平穩(wěn)啟動(dòng)為研究目標(biāo);通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)性能，能量損耗以及溫度場(chǎng)和速度控制方法等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，設(shè)計(jì)了血泵小型化、低溫升的磁力傳動(dòng)系統(tǒng)，為血泵磁力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論:
　　(1)設(shè)計(jì)血泵大氣隙磁力傳動(dòng)系統(tǒng)。以驅(qū)

3、動(dòng)力矩作為系統(tǒng)性能的首要目標(biāo)，建立了血泵軸負(fù)載力矩?cái)?shù)學(xué)模型，得到了血泵軸負(fù)載力矩值與轉(zhuǎn)速關(guān)系;設(shè)計(jì)了血泵磁力傳動(dòng)系統(tǒng)十種不同結(jié)構(gòu)方案，利用ANSYS軟件數(shù)值計(jì)算了不同方案的驅(qū)動(dòng)力矩，根據(jù)仿真分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際加工制造，確定了三齒槽定子結(jié)構(gòu);分析了定子外徑、氣隙長(zhǎng)度和永磁體厚度對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩、電感和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響，確定優(yōu)選后的定子外徑為28mm。
　　(2)建立血泵能量損耗計(jì)算模型。建立血泵磁力傳動(dòng)系統(tǒng)定子鐵芯、永磁體、繞組、水回

4、路和軸承能量損耗的數(shù)學(xué)模型;利用ANSOFT仿真研究了三齒槽定子的鐵芯損耗和永磁體損耗，在9000rpm時(shí)鐵損和永磁體損耗分別為0.291w和2.4wm;建立了系統(tǒng)的能量傳遞效率模型，實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)定子和血泵的平均傳遞效率為46.85％和10.88％。
　　(3)血泵全域溫度場(chǎng)研究。建立了血泵流固耦合溫度場(chǎng)求解理論模型，確定了溫度場(chǎng)仿真求解熱性能參數(shù)，研究表明:轉(zhuǎn)速為8600rpm時(shí)的最高溫升為6.976℃，出現(xiàn)在定子繞組區(qū)域，外

5、殼最高溫升為4.024℃;通過(guò)對(duì)定子相繞組、轉(zhuǎn)速和外殼間氣隙導(dǎo)熱系數(shù)與全域溫升進(jìn)行分析，當(dāng)相繞組值為3Ω時(shí)，外殼最高溫升2.264℃，轉(zhuǎn)速為8000rpm時(shí)，外殼最高溫升為2.707℃，溫升較低。
　　(4)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與速度控制策略研究。設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、控制、逆變和反饋硬件電路;提出了基于血泵機(jī)械-電磁-流體力學(xué)性能的加速啟動(dòng)策略，得到了血泵速度控制曲線，加速到9000rpm為3.9s;針對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提出了恒功率低能