軸流式磁懸浮人工心臟泵磁懸浮系統(tǒng)研究.pdf

1、心臟衰竭是心臟病發(fā)展的嚴(yán)重階段，直接威脅病人生命，由于很難及時(shí)找到心臟供體進(jìn)行心臟移植手術(shù)，因此，大部分病人需要人工心臟來(lái)輔助人體心臟完成泵血功能，維持生命，直至找到合適的心臟供體；人工心臟在輔助心臟完成泵血功能的同時(shí)，可幫助病變的心臟恢復(fù)機(jī)能，是非藥物治療心衰的重要手段。而目前臨床采用的第二代人工心臟泵，其機(jī)械軸承處的發(fā)熱比較嚴(yán)重、易磨損、對(duì)血液損傷大、容易形成溶血和血栓等問(wèn)題，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸懸浮支

2、承，消除了軸承處的機(jī)械摩擦和磨損，降低了對(duì)血液的破壞作用，也降低了溶血和血栓的發(fā)生幾率，延長(zhǎng)了整機(jī)壽命。因此，研究可用于人體移植的磁懸浮人工心臟泵具有十分重要的科學(xué)意義和社會(huì)意義。
　　 目前，國(guó)際上針對(duì)磁懸浮人工心臟泵的研究取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但是可用于臨床的還很少，還有很多方面需要改進(jìn)和完善。磁懸浮人工心臟泵是高度集成機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等諸多學(xué)科的先進(jìn)知識(shí)于一體的機(jī)電一體

3、化裝置，其核心部件包括磁懸浮軸承、葉輪轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。葉輪轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)可以借鑒第二代人工心臟泵的技術(shù)，但用于人工心臟泵的磁懸浮軸承技術(shù)還未形成成熟的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試?yán)碚擉w系，需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。因此，磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究成為磁懸浮人工心臟泵研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　 磁懸浮軸承可以分為電磁軸承、永磁軸承和混合磁力軸承等多種類型。電磁軸承的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，消耗功耗，但是可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度主動(dòng)懸浮控制；永磁軸

4、承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需控制系統(tǒng)，無(wú)功耗，但是不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度全懸??；混合磁力軸承兼有電磁軸承和永磁軸承的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子主動(dòng)懸浮控制，功耗和發(fā)熱都較小，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更復(fù)雜。通過(guò)綜合分析，磁懸浮人工心臟泵采用永磁軸承和電磁軸承相結(jié)合的磁懸浮軸承系統(tǒng)是比較合適的，但是如何將這兩種軸承完美地融合于人工心臟泵的狹小空間中是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　 本文針對(duì)用于軸流式人工心臟泵的采用徑向永磁軸承和軸向電磁軸承相結(jié)合的磁懸浮軸承系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)

5、深入的研究，設(shè)計(jì)了磁懸浮人工心臟泵原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了原型機(jī)轉(zhuǎn)子的五自由度穩(wěn)定全懸浮，對(duì)磁懸浮人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試方法進(jìn)行了探索研究，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等。本文深入研究了徑向永磁軸承和軸向電磁軸承的特性以及相互間的耦合關(guān)系，基于這種耦合關(guān)系，提出了徑向永磁軸承與軸向電磁軸承相結(jié)合的心臟泵轉(zhuǎn)子磁懸浮支承方案，融合了永磁軸承和電磁軸承的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)具體的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于徑向永

6、磁軸承轉(zhuǎn)子磁環(huán)的磁場(chǎng)耦合，提出了基于霍爾傳感器的心臟泵轉(zhuǎn)子軸向位移徑向檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子軸向位移檢測(cè)，省去了單獨(dú)的被測(cè)器件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；基于徑向永磁軸承的磁場(chǎng)分析，采用多個(gè)霍爾傳感器徑向?qū)ΨQ布置方案，消除了轉(zhuǎn)子徑向位移對(duì)軸向位移檢測(cè)的影響，提高了檢測(cè)精度；完成了軸向電磁軸承系統(tǒng)的模擬PID控制器和線性功率放大器的設(shè)計(jì)；磁懸浮人工心臟泵原型機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮實(shí)驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)表明所提出的磁懸浮軸承系統(tǒng)方案及轉(zhuǎn)子軸向位移檢測(cè)方法是切實(shí)可行的，滿

7、足了系統(tǒng)要求。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)研究了徑向永磁軸承的懸浮原理、結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性。建立徑向永磁軸承的有限元模型，利用有限元法分析計(jì)算徑向永磁軸承的承載力及剛度特性，找出了徑向永磁軸承的剛度隨定轉(zhuǎn)子磁環(huán)間的相對(duì)軸向位移的變化規(guī)律，以及徑向永磁軸承的剛度隨著永磁環(huán)徑向厚度和軸向長(zhǎng)度的變化規(guī)律。根據(jù)人工心臟泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及人體生理需求等參數(shù)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了徑向永磁軸承。
　　 (2)基于軸向電磁軸承與徑向永磁軸承之

8、間的力耦合和剛度耦合，提出了軸流式人工心臟泵的磁懸浮軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。建立了軸向電磁軸承的承載力模型，并對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了研究?；谛呐K泵轉(zhuǎn)子的受力平衡分析，研究了徑向永磁軸承和軸向電磁軸承之間的力耦合和剛度耦合關(guān)系，基于這種耦合關(guān)系，提出了心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的兩種設(shè)計(jì)方案：降低功耗設(shè)計(jì)方案和減小體積設(shè)計(jì)方案，給出了兩種方案的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并對(duì)軸向電磁軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。所提方案解決了軸流式人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制難題。<

9、br>　　 (3)由于軸向電磁軸承必須在閉環(huán)情況下才能穩(wěn)定工作，所以必須對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向位移進(jìn)行檢測(cè)。基于徑向永磁軸承的磁場(chǎng)分析，提出了利用徑向布置的霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸向位移的間接檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子軸向位移檢測(cè)系統(tǒng)。由于人工心臟泵要求功耗低、體積小，傳統(tǒng)的軸向位移檢測(cè)需要額外的被測(cè)元件，增加了心臟泵的質(zhì)量與體積，同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，本文首先從理論上研究了霍爾傳感器的輸出信號(hào)與徑向永磁軸承轉(zhuǎn)子磁環(huán)磁場(chǎng)的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)

10、上，采用徑向放置的霍爾傳感器檢測(cè)徑向永磁軸承轉(zhuǎn)子磁環(huán)磁場(chǎng)在傳感器處的變化，來(lái)反映轉(zhuǎn)子的軸向位移，省去了額外的被測(cè)器件，有效減小了心臟泵的長(zhǎng)度、體積和質(zhì)量?；趶较蛴来泡S承的磁場(chǎng)分析，提出了多個(gè)霍爾傳感器徑向?qū)ΨQ布置的方案，解決了霍爾傳感器輸出中轉(zhuǎn)子徑向位移和軸向位移的耦合帶來(lái)的問(wèn)題，提高了軸向位移檢測(cè)精度。設(shè)計(jì)了具有良好的檢測(cè)精度和線性度的心臟泵轉(zhuǎn)子軸向位移徑向檢測(cè)系統(tǒng)，為軸向電磁軸承的主動(dòng)控制提供轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)。
　　 (4

11、)設(shè)計(jì)了磁懸浮人工心臟泵軸向電磁軸承控制系統(tǒng)。在分析轉(zhuǎn)子重力及血液對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響的基礎(chǔ)上，把轉(zhuǎn)子的重力視作干擾力，建立了磁懸浮人工心臟泵轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，為軸向電磁軸承的控制器研究和設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了磁懸浮人工心臟泵軸向電磁軸承系統(tǒng)的模擬PID控制器和線性功率放大器，并進(jìn)行了仿真。對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了帶寬、相位延遲等各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試及調(diào)試。
　　 (5)研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)軸流式磁懸浮人工心臟泵原

12、型機(jī)。該原型機(jī)采用了徑向永磁軸承和單端軸向電磁軸承相結(jié)合的磁懸浮軸承系統(tǒng)，基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子軸向位移徑向檢測(cè)系統(tǒng)，以及模擬PID控制器和線性功率放大器。對(duì)原型機(jī)進(jìn)行了起浮實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)懸浮實(shí)驗(yàn)、抗干擾實(shí)驗(yàn)以及旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。在轉(zhuǎn)子起浮時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程短，轉(zhuǎn)子快速到達(dá)中間懸浮位置；轉(zhuǎn)子靜態(tài)穩(wěn)定懸浮時(shí)，軸向懸浮精度為1.6μm；在受到?jīng)_擊干擾后，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)振蕩后快速回復(fù)到原懸浮位置；在無(wú)槽永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子在空氣中的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到5100r

13、/min，轉(zhuǎn)子的軸向最大振幅不超過(guò)7μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的起浮性能、抗沖擊干擾性能和懸浮精度。
　　 本文的研究工作初步建立起了一套軸流式磁懸浮人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試實(shí)驗(yàn)方法。論文研究工作表明，所提出并完成的針對(duì)軸流式人工心臟泵磁懸浮軸承系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究方法，以及在理論分析和設(shè)計(jì)階段所開展的動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)分析是重要的和有價(jià)值的研究成果，所采用的徑向永磁軸承和單端軸向電磁軸承相結(jié)合的磁懸