摘要：提出了一種新型的體外驅(qū)動(dòng)血泵電機(jī)，設(shè)計(jì)了血泵電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，通過理論分析，得出了在電機(jī)內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的三相定子電流相位。用ANSYS分析軟件對(duì)其進(jìn)行了電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分析，得出了較為準(zhǔn)確的分析結(jié)論，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了血泵電機(jī)結(jié)構(gòu)的可行性。
中圖分類號(hào)：TM381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)07-0029-03
近年來，多種多樣的血泵被廣泛應(yīng)用于輔助或代替自然心臟[1]。血泵主要分為脈動(dòng)型和連續(xù)流型兩大類。連續(xù)流型血泵可以進(jìn)一步分為離心式血泵和軸流式血泵[2,3]。脈動(dòng)型血泵主要是在研究早期采用，近幾年的研究方向主要集中在連續(xù)流血泵上，而連續(xù)流血泵中的軸流泵與離心泵相比，由于具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、易于植入等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到更多科研人員的關(guān)注。
在傳統(tǒng)的血泵系統(tǒng)中，大多采用體內(nèi)儲(chǔ)能或通過導(dǎo)線向體內(nèi)血泵提供能量，以維持血泵系統(tǒng)的能量供給[3,4]。由電池供電的體內(nèi)儲(chǔ)能方式由于存在不能長(zhǎng)時(shí)間地向血泵提供足夠的能量問題，因此主要應(yīng)用于過渡性心臟功能輔助。而采用通過導(dǎo)線將體外的能量傳遞到體內(nèi)，由于有一穿越皮膚的供能導(dǎo)線，存在產(chǎn)生感染的風(fēng)險(xiǎn)。
體外驅(qū)動(dòng)血泵利用體外磁場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，它和傳統(tǒng)血泵相比有很多優(yōu)點(diǎn)。它不需要體內(nèi)放置儲(chǔ)能裝置，也去掉了穿越人體傳遞能量的導(dǎo)線，這樣就解決了傳統(tǒng)血泵出現(xiàn)的許多難以克服的問題，可以說它是新一代血泵研究的方向。但是體外驅(qū)動(dòng)血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前還不是十分成熟，處于研究階段，很多設(shè)計(jì)都沒有給出完整設(shè)計(jì)模型。在驅(qū)動(dòng)方法上，現(xiàn)有的體外驅(qū)動(dòng)血泵主要是采用體外旋轉(zhuǎn)永磁體來驅(qū)動(dòng)體內(nèi)永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)[5]，由于體內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需要達(dá)到10 000 r/min，這樣人體外就需要存在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，并且這樣的外磁驅(qū)動(dòng)裝置，距離和位置對(duì)其影響很大，它必須固定在人的胸前正對(duì)體內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置，所以說體外部分的放置是個(gè)很困難的問題。另外人胸前如果每天都帶著這樣一個(gè)電機(jī)，顯然對(duì)于人體自身和電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行都是不利的，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件也必然存在磨損現(xiàn)象，它的維護(hù)也是個(gè)問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種全磁浮錐形螺旋葉輪血泵的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)該文所提出的血泵的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，我們提出了一種體外驅(qū)動(dòng)血泵電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了完整的體外驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用在人體外貼身布置線圈來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過這個(gè)交變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)體內(nèi)血泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。
本文提出的體外驅(qū)動(dòng)血泵電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中方框表示人體截面，AX、BY，和CZ分別為定子線圈的三相。錐型螺旋葉輪血泵[6]。中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)子�？紤]到人體實(shí)際情況將繞組集中布置在4X，BY，CZ幾處，有利于提高電機(jī)的效率。由于人體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，不可能采用一般三相電機(jī)的繞線方式，使三個(gè)繞組在空間上相差120°，為了在電機(jī)內(nèi)部得到所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可考慮將三相電流的相位設(shè)置為所需的相位角。
由圖1的血泵電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，電機(jī)三個(gè)繞組在定子空間位置上并不是相差120°，若要得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則需要改變?nèi)嚯娏鞯某跏枷辔弧?/DIV>
設(shè)各相電流幅值相同，B、C相繞組以A相繞組為軸面在空間上對(duì)稱分布，即：
初始相位分別為0°、90°和270°，即可在血泵電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生所需的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
上面分析的是定子繞組在空間相差30°的情況。若α為任意角度，并要得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則通過上述相同方法可知，需要滿足方程組：
由以上理論分析可知，只要電流初始相位取的合理，無論α為多少，都可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，只是不同α對(duì)應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)幅值大小不同。
3 有限元仿真計(jì)算
下面我們采用ANSYS 9.0對(duì)血泵電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果的正確性。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用鼠籠式結(jié)構(gòu)。
(1)建立有限元模型
圖2為ANSYS分析幾何模型，單元類型選用PLANE53。線圈采用集中繞組，為了減小線圈尺寸，導(dǎo)線采用直徑為0.5 mm的銅線。模型基本尺寸：
(2)建立電路模型及與有限元模型連接
為獲得高精度的計(jì)算結(jié)果，模型采用場(chǎng)路耦合分析方法。首先建立電路模型，然后將其耦合到有限元模型中。
首先定義定子線圈和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，并建立耦合電流自由度(CURR)和電動(dòng)勢(shì)自由度(EMF)，創(chuàng)建端部阻抗單元，分別把線圈和導(dǎo)條連接好。然后建立三相電流源，分析中設(shè)α=45°，則由上述分析可算出需要的三相電流的初相位。仿真時(shí)所加的電流為：
(3)定義邊界條件和求解
在電機(jī)定子外殼上加磁力線平行邊界條件，采用波前求解器對(duì)其進(jìn)行諧波求解。
(4)仿真結(jié)果分析
ANSYS提供了強(qiáng)大的后處理功能，如磁力線、等值線、矢量顯示、磁力和磁力矩等都可以由后處理或通過計(jì)算得到。當(dāng)三相電流iA、iB和iC的wt依次取0°、15°、30°和90°時(shí)，氣隙中磁力線的變化如圖4所示。
由圖4可知，通過轉(zhuǎn)子的兩極磁場(chǎng)是從水平方向逐漸旋轉(zhuǎn)到垂直方向，說明采用該方法能夠得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
采用二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，可計(jì)算出不考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)時(shí)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子外圍氣隙的變化規(guī)律。普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)氣隙中一個(gè)圓周路徑上，磁場(chǎng)是幅值位置隨時(shí)問不斷變化的正弦波。血泵電機(jī)由于氣隙不均勻，磁場(chǎng)雖然是旋轉(zhuǎn)的，但是每個(gè)時(shí)刻幅值大小不同。當(dāng)磁場(chǎng)在空間上依次轉(zhuǎn)過O°、30°、60°、90°時(shí)，轉(zhuǎn)子附近氣隙圓周路徑上的磁密值如圖5所示，從中可以看出磁場(chǎng)水平時(shí)幅值最小，垂直時(shí)幅值****。通過分析可知，隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，磁密幅值變化近似為正弦函數(shù)，如圖6所示。因此轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩也將近似為按正弦規(guī)律變化，****轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩相差較大。
為使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值和電機(jī)轉(zhuǎn)矩得到較均勻的數(shù)值，可將定子電流的幅值設(shè)定為隨電流相位變化。經(jīng)曲線擬合可得電流幅值的變化規(guī)律為：
將上述定子電流應(yīng)用到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分析中，可得磁密幅值隨磁場(chǎng)角度的變化，如圖7所示。這時(shí)磁密波形的幅值波動(dòng)減小，都接近于O.01T，這樣氣隙磁場(chǎng)接近于均勻。
當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響時(shí)，通過ANSYS分析可得氣隙磁密隨圓周的分布，如圖8所示。很顯然，由于氣隙的不均勻，氣隙磁密將出現(xiàn)較多的諧波成分。采用Matlab對(duì)該波形進(jìn)行分析，可
得各次諧波分量的數(shù)值，如表1所示。****次諧波對(duì)應(yīng)的基波幅值為7.575％，可滿足工程實(shí)際要求。
4結(jié)語
本文提出了一種體外驅(qū)動(dòng)血泵電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，分析了當(dāng)電機(jī)的三相定子線圈的分布不是三相對(duì)稱分布時(shí)，若要在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子電流的初始相位應(yīng)滿足的條件。采用ANSYS對(duì)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明，體外驅(qū)動(dòng)裝置能夠得到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且提供的電磁轉(zhuǎn)矩可以滿足血泵穩(wěn)定運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)矩，分析結(jié)果表明這種血泵電機(jī)的體外磁場(chǎng) 產(chǎn)生方法是可行的。
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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助(50575195)
