（机械电子工程专业论文）大间隙磁力传动装置的控制系统研究.pdf

摘要 磁力传动是以永磁材料或电磁机构产生的磁力作用实现力或力 矩非接触式传递的一种新技术，克服了机械传动中机件磨损的严重 缺陷，具有机械式传动无可比拟的优势。目前，磁力传动的研究主 要是基于主、从磁极间距为小间隙的磁力传动系统的磁场分布、传 递电磁转矩等方面，在人工心脏的驱动研究过程中，外磁场驱动方 式的提出有效地解决了以往血泵供能系统的不足，通过非接触式磁 场驱动，解决了一系列传统血泵驱动方式难以克服的工程和医学上 的困难。 本文以当前国内外磁力传动技术研究成果为平台，大间隙磁场 驱动轴流式血泵为研究对象，心室功作为血泵输出的控制目标，提 出了一种基于行波磁场的主动磁极静止式大间隙磁力传动系统，用 电磁体代替“电机一永磁转子”结构，避免了高频率、高转速下由于电 机易损坏的缺陷，使得结构简单、可传动间隙大、可靠性和实用性 好，具有重要的创新意义。 通过对这种全新的驱动方式的探索研究，提出了用以实现交变 磁场的静止式电磁体机械结构，并基于单片机设计了驱动控制电 路，通过理论和实验相结合，计算能量传递效率。主要研究内容如 下： 1 基于主动磁极静止式的驱动思想，设计电磁体机械结构，根 据电磁场相关理论，建立电磁体在空间某处产生的磁感应强度的数 学模型，据此确定最佳的电磁体设计参数； 2 分析电磁体同血泵永磁转子的空间磁场耦合过程，得出电磁 体线圈的脉冲控制方式，基于单片机，设计驱动控制电路，编写控 制程序，并通过仿真软件预先修正电路中各元件参数，指导电路板 的制作； 3 以计算电磁学、电磁场机电能量转换为基础，通过对大间隙 磁力驱动系统能量传递过程的分析，得出能量传递各部分功率损 耗，建立磁场能量传递效率的数学模型； 4 搭建血泵综合实验台，进行血泵驱动实验，得到输出电流与 血泵转速、泵水高度的对应关系曲线，根据实验结果以及建立的磁 场能量传递效率模型，计算大间隙磁力传动系统的能量传递效率， 为磁能量传递规律的进一步深入研究奠定了基础。 关键词：磁力传动静止式主动磁极轴流式血泵驱动控制 a b s t r a c t m a g n e t i cd r i v ei san e wt e c h n i q u ew h i c hu s e sp e r m a n e n tm a g n e t i c m a t e r i a lo re l e c t r o m a g n e t i cm e c h a n i s mp r o d u c em a g n e t i cf o r c et or e a l i z e t h ef o r c eo rm o m e n tn o n c o n t a c tt r a n s f e r i th a sc o n q u e r e dt h ec r i t i c a l d e f e c to fw o r k - p i e c e s a t t r i t i o ni nm e c h a n i c a ld r i v e ，a n dh a s t h e u n e x a m p l e da d v a n t a g eo fm e c h a n i c a ld r i v e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho f m a g n e t i cd r i v e ，s u c ha st h em a g n e t i cf i e l do fm a g n e t i cd r i v es y s t e ma n d t r a n s f e r e l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u e ， i s p r i m a r i l y b a s e do ns m a l l g a p b e t w e e nt h ei n i t i a t i v em a g n e t i cp o l ea n dt h ep a s s i v em a g n e t i cp o l e a t t h e p r o c e s s o fm e c h a n i c a lh e a r td r i v er e s e a r c h ，i ti st h ev e r y e x t r a c o r p o r e a lm a g n e t i cd r i v i n gm e t h o dt h a te f f e c t i v e l y r e s o l v e sb l o o d p u m p ss h o r t a g ef o rl a c k i n go fe n e r g y t h r o u g ht h en o n c o n t a c tm a g n e t i c d r i v i n gm e t h o d ，as e r i e so fd i f f i c u l t i e so ne n g i n e e r i n ga n di a t r o l o g yh a v e b e e ns o l v e d w h i c hu s e dt ob ea ni n s u r m o u n t a b l ed r a w b a c kf o rt r a d i t i o n b l o o dp u m pd r i v i n gm o d e i nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hf i n d i n g so nm a g n e t i cd r i v et e c h n i q u eo f h o m ea n da b r o a di su s e da sr e a e a r c hp l a t f o r m ，a n dl a r g eg a pm a g n e t i c d r i v ea x i a lf l o wb l o o dp u m pa st h er e s e a r c ht a r g e ta n dv e n t r i c u l a rw o r k a sc o n t r o lo b j e c t i v eo fb l o o dp u m p so u t p u t ，al a r g eg a pm a g n e t i cd r i v e s y s t e m ，w h o s ei n i t i a t i v em a g n e t i cp o l ek e e p ss t a t i c ，w a sp r e s e n t e db a s e d o nt r a v e l i n gw a v em a g n e t i cf i e l d t h i ss t r u c t u r eu s e se l e c t r o m a g n e t i n s t e a do fm o t o ra n dp e r m a n e n tm a g n e t ，a v o i d i n gt h e d e f e c tf o re a s y d a m a g eo fm o t o ru n d e rt h e c o n d i t i o no fl a r g eg a pa n dh i g hs p e e d b e s i d e s ，i t sc o n s t r u t u r ei ss i m p l e ，a n di tw i l lh a v et h el a r g e rd r i v eg a p ， b e t t e rr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y , a n ds i g n i f i c a n ti n n o v a t i o n t h r o u g hr e s e a r c ho nt h i s b r a n - n e wd r i v i n gm e a n s ，as t a t i c a l l y e l e c t r o m a g n e tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e i s p r o p o s e d t or e a l i z ea l t e r n a t i n g m a g n e t i cf i e l d b a s e d o n s i n g l ec h i pm i c y o c o ( s c m ) ，t h ed r i v i n g c o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d c o m b i n i n gt h e o r e t i c sa n de x p e r i m e n t i o n ， e n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h es y s t e mi sc a l c u l a t e d t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ei n t r o d u c e da sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h ed r i v i n gt h o u g h t ，i nw h i c hi n i t i a t i v em a g n e t i cp o l e k e e p ss t a t i c ，d e s i g n i n gt h ee l e c t r o m a g n e tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e a c c o r d i n g t ot h er e l a t e d t h e o r y o n e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，e s t a b l i s h i n g t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a g n e t i ci n d u c t i o nw h i c hi sp r o d u c e di n s p a c e s o m e w h e r eb yt h ee l e c t r o m a g n e t ，a n dc o n f i r m i n gi t sf i r s tc l a s sd e s i g n p a r a m e t e r 2 t h r o u g ha n a l y s i n gc o u p l i n gp r o c e s so fm a g n e t i cf i e l di ns p a c e b e t w e e nb l o o dp u m pa n dp e r m a n e n tr o t o r g a i n n i n gt h ep u l s ec o n t r o l m o d eo f e l e c t r o m a g n e tc o i l b a s e do ns c m ，t h ed r i v i n gc o n t r o lc i r c u i ti s d e s i g n e d ，a n dt h ec o n t r o lp r o g r a mi sw r i t e d u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r et o m o d i f y t h ee l e m e n t s p a r a m e t e r i n c i r c u i t ，b yw h i c hg u i d i n g t h e m a n u f a c t u r eo fc i r c u i tb o a r d 3 o nt h e b a s i so f c o m p u t a t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c s a n d e l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r s i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h ep o w e r d i s s i p a t i o no fe a c he n e r g yt r a n s f e rp o r t i o n sa r eg e t t e do u t ，a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a g n e t i cf i e l d e n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c y i s e s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fe n e r g yt r a n s f e rp r o c e s si nl a r g e g a pm a g n e t i cd r i v es y s t e m 4 t h ec o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a lb e n c ho fb l o o dp u m pi sb u i l t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t so fd r i v i n gb l o o dp u m p ，a c q u i r i n gt h e r e l a t i o nc u r v e sb e t w e e nr o t a t i n gs p e e do fb l o o dp u m pa n dw a t e rc o l u m n h e i g h t ，a n d t h er e l a t i o nc u r v e sb e t w e e nd e f e r e n tc u r r e n ta n dw a t e r c o l u m nh e i g h t b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fm a g n e t i cf i e l de n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c y , t h ee n e r g yt r a n s f e r e f f i c i e n c yo fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e mi sc a l c u l a t e d ，s oa st ol a ya f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h el a wo ft h em a g n e t i cf i e l d e n e r g yt r a n s f e r k e y w o r d s ：m a g n e t i cd r i v e ；s t a t i c a l l yi n i t i a t i v em a g n e t i cp o l e ； a x i a lf l o wb l o o dp u m p ；d r i v ec o n t r 0 1 1 v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了 明确的说明。 作者签名：牲日期：年一与一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 课题来源及研究背景 本课题“大间隙磁力传动装置的控制系统研究”来源于教育部博士学科点 专项基金资助项目“大间隙磁力传动能量传递规律研究及应用 ( 项目编号： 2 0 0 7 0 5 3 3 1 2 5 ) 和国家8 6 3 项目“可植入式微型人工心脏的多层次优化设计及临 床应用 ( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 2 2 4 e 8 ) 子课题“微型血泵外磁驱动装置研 发 。 目前磁力传动技术的具体应用主要是基于主、从磁极间距为小间隙的( 小 于3 m m 1 - 3 】) ，其应用成果已证明其所具备的优点，但在一些类似于血泵驱动的 磁极间隙较大的应用场合，实现不了所要求的动力传递，使其应用存在很大的 局限性。本文关于控制系统的研究工作是以微型轴流式血泵的外磁场驱动为背 景的，要求其满足较大间隙的磁力矩传输，由此提出本课题“大间隙磁力传动装 置的控制系统研究”，根据项目和正常人体生理需求，系统控制目标如下：磁极 的耦合距离为6 0 m m ，血泵内转子在血液模拟溶液中达到8 0 0 0 r p m 以上转速； 液体流量为5 l m i n ：工作压力为1 3 3 k p a 。 1 2 磁力传动技术发展概况 磁力传动是以现代磁学的基本理论磁性物质同性相斥异性相吸的原理替代 机械式传动实现传动为目的，应用永磁材料或电磁机构所产生的磁力作用，实 现力或力矩非接触式传递的一种新技术。磁力传动克服了机械传动中机件磨损 的致命缺陷，消除了噪声和振动，大大延长了产品的使用寿命，从根本上摆脱 了机械传动长期依赖润滑油的时代，彻底消除了噪声与润滑油对环境的污染。 所以，非接触式磁力传动已成为机械传动研究领域的热点。 2 0 世纪中叶以来，伴随着计算机存储器使用的铁氧体磁心和磁记录材料的 出现和需求量增加，以及以磁放大器为代表的非线性磁性应用的相继问世，磁 性应用技术得到迅猛发展1 4 】。磁的应用从传统的强电应用领域扩展到计算机与 信息技术、测试与自动控制、传动与动力系统等很多领域。各类磁性功率器件 不断增多；利用磁性材料的各种磁效应( 磁致伸缩效应、热磁效应、磁光效应和 电磁效应等) ，人们开发了多种磁性传感器和其他测量器件：磁性材料作为信息 产品的基础材料应用于各类存储设备；磁性设备和装置作为动力和控制元件( 各 类电动机、变压器、电感、传感器、继电器、电磁铁、开关电源和磁无源器件 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 等) 广泛应用于工业动力系统和自动控制系统中。在工程磁学应用研究中，与磁 的一些前沿应用领域同样值得关注的是磁学与相关学科的学科交叉的理论与应 用发展。 1 2 1国内外磁力传动技术的理论研究现状 在磁力传动技术的理论研究方面，国内外学者针对其磁场分布、磁力及磁 力矩计算方法、系统涡流损耗等方面进行了相关的研究工作。 在磁力传动磁场分布研究方面，田杰等【5 】提出了稀土永磁齿轮机构中的非 线性问题，建立了永磁齿轮传动的物理和数学模型，并采用有限元分析软件对 永磁材料的磁导率为非线性时的一对永磁齿轮传动磁场进行了仿真分析；建立 永磁齿轮传动磁场计算和有限元分析的数学模型，并通过实际磁场分布图和计 算出的磁场分布图比较，对相关理论工作进行了验证；h s i e n t s u n gc h a n g l 6 】等 在微阻抗无阀泵的研究中，对其电磁场的分布和激励方式进行了理论分析和优 化设计，并用a n s o f t 和a n s y s 等仿真软件，验证了所建立理论模型的f 确性； 杨新清【7 】等将磁力驱动技术引入管内壁清淤装置的设计，提出了一种管内壁自 动清淤器，对其内部磁转子的特性进行了研究，对内外磁转子结构参数进行了 优化，对磁转子的磁路、转矩和耦合机理等特性进行了分析；y g e l f g a t l 8 j 等针 对旋转磁场的m h d 流体提出了一种数字式研究方法，结果确定了磁流体动力学 方面的旋转磁场m h d 流体参数变化时对速度分布的影响规律。 在磁力传动磁力及磁力矩计算模型研究方面，f f l 杰等【9 l 对稀土永磁齿轮传 动系统的动念特性进行了仿真研究，建立了系统动念性能数学模型，并对给定 初始条件的模型进行了数值求解，得出了相应的计算结果；赵韩等【l m 稀土永 磁传动机构的转矩计算及特性分析中，将永磁齿轮传动的磁场作用分为等效电 流间作用、等效电流与介质磁化场间作用和两个介质磁化场间的作用三个部 分，导出了永磁齿轮传动中转矩的计算公式，并根据计算和实验结果对转矩特 性进行了分析。另外，从工程设计的角度对磁力轴承两种电磁结构的电磁力计 算方法进行了研究，提出了磁力轴承电磁力计算的两种建模方法；s m o l k i n m r 等【1 2 j 绍在不均匀磁场领域中，计算作用在顺磁性球状物上的磁力方程式的来 源，提出了非线性磁媒介情况下的外推法，还提出了一种用于测量磁力的实验 方法；k a r e lf r a 。n a 1 3 】用旋转磁场方式来实现方形容器内部流体驱动，运用电位 势方程和o h m 定理，计算出磁场所传递的磁场力，并通过测试证明了分析求解 磁场力的方法是正确的，实际的和计算出的磁场力之间的误差可以忽略不计： 陈匡非【1 4 】在平行轴永磁齿轮的特性研究中，采用有限元法求得了永磁齿轮的磁 场，并用虚功原理求得了磁力矩以及永磁齿轮的矩角特性，通过仿真分析了从 动轮随主动轮转动的机理，并进行了实验验证；m a s a t s u g ut a k e m o t o ! 1 5 】 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 在对无轴承磁阻电动机特性的研究中，提出实现转子稳定悬浮的所需磁力矩和 磁悬浮力计算方程，并通过实验和2 阱e m 分析结果对所提出的公式进行了验 证：赵国涛1 1 6 】在进行直线往复运动磁力传动的研究中，根据等效磁荷理论建立 了计算磁场传动轴向作用力的数学模型，通过数值计算，探索了相关参数的变 化对磁场传递轴向作用力的影响规律。 在磁力传动涡流损耗研究方面，王洪利1 1 7 】在保持转矩下降不大的情况下， 从理论和试验两方面论述了通过磁路优化设计来减少涡流损耗的可能，得出了 涡流损耗减少程度的影响因素。赵克中l l8 j 对磁力驱动器涡流损失进行了研究和 理论计算，并与实测结果进行了对比，指出了合理选择金属隔离套的相关参数 可以有效控制涡流损失的大小，并对磁力驱动器的设计与计算方法进行了研 究；赵韩【1 9 1 等以向心电磁轴承为例，分别讨论了磁场随时间、空间变化对涡流 场的影响，给出了相应的数学模型，并用有限元求解，着重分析两者同时变化时， 涡流损耗与转子转速、励磁电流频率的关系，得出了频率和转速综合作用下的 涡流损耗值与两者单独作用的值有平方关系的结论。刘建瑞等【2 0 1 对磁力泵的冷 却系统进行了数值模拟；郑福胜、张清等 2 1 - 2 2 应用解析法和有限元法对圆盘式 磁力驱动器的涡流损耗进行了分析，对工程中圆盘式磁力驱动器设计和控制涡 流损耗、提高传动效率都具有指导意义。 目前磁力传动技术的理论研究成果主要集中在小间隙磁力传动系统的磁场 分布、传递电磁转矩和电磁力的计算等方面，要真正解决在特定的大间隙磁力 传动场合系统磁力矩随着磁极间距的增大而迅速减小、能量传递效率明显降低 的技术难题，必须在目前小间隙磁力传动系统相关理论研究成果的基础上，对 大间隙磁力传动系统的关键技术进行深入研究，突破磁力传动技术应用受到传 动磁极间隙限制的现状，才能真正做到拓展磁力传动技术的应用领域。 1 2 2 国内外磁力传动技术的应用现状 磁力传动技术被广泛应用于磁力机械、磁悬浮以及人工辅助心脏等领域， 磁力作为机械设备传动部件或执行器的动力源时，设备一般具有易于控制、节 能环保、结构简单等优点，因此近年来这方面的开发和应用越来越受重视。目 前利用永磁、电磁或永磁与电磁混合的磁力传动技术，在机械、化工、汽车、 土木、电力、国防和核工业等很多工程领域得到了广泛应用。 1 2 2 1 磁力传动技术在磁力机械方面的应用 利用磁能产生的力或力矩，驱动或控制置于磁场中的执行构件，使其按确 定的运动或动力要求动作的机器或机构，称为磁力机械。赵韩等【2 3 1 所提出的建 立“磁力机械学”这一全新的交叉学科和体系结构的思想得到国内同行认可，并 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 在国家自然科学基金和一些企业合作项目的支持下，通过总结已有理论和应用 研究基础、借鉴本领域内新的研究成果、引入新的理论分析方法，对磁力机械 设计理论和方法进行了较深入和系统的研究和探讨，初步形成了“磁力机械学” 的理论体系。国内有关研究单位在一些新型磁力机械的研究和开发中也做了卓 有成效的工作，积累了许多可行的设计方法。相信随着电磁学和机械学等相关 领域内科技人员的共同努力，磁力机械学的设计方法将会不断得以完善，磁力 机械设计的效率和质量将会得到提高，应用范围也将不断拓展。 1 ) 磁力齿轮 磁力齿轮【2 4 】一般由稀土永磁材料制 造，依靠磁场力作用传递运动和转矩，也有 外啮合、内啮合和齿轮齿条等类型。图1 1 所示为外啮合磁力齿轮传动，由一对圆柱磁 体或圆环柱体构成，其中每个柱体均被径向 多极充磁。内啮合磁力齿轮传动的大齿轮是 圆环体，齿轮齿条磁力传动中的齿条则是一 。融爷何。 。 扩 夕 巡 图i - i 外啮合稀土永磁齿轮原理图 磁极沿长度方向均布的带状磁体。磁力齿轮与常规齿轮传动相比有许多优点： 首先是加工容易，它可以仅是简单的圆柱体，不需要加工轮齿，从而也就没有 齿轮的一些固有缺陷，在制作小型及微型齿轮时，磁力齿轮更显其优越性。其 次，磁力齿轮是非接触传动，故具有不需润滑、传动平稳、清洁、无摩擦损耗 等优点。此外它的启动力矩较低，在传动系统中还具过载保护作用，能适应不 对称性，使用维护也很方便。 2 1 磁力联轴器 磁力联轴器由内磁转子、外磁转子和隔离套组成，如图1 2 所示。在内、外 磁转子上布置偶数片永磁体，靠二者间相互 藕合构成磁力系统。在处于静止状态时，由 于内外磁转子磁体异性相吸作用，使二转子 处于f 对位置，此时内外磁体间无切向分 力，也无力矩产生。当电动机带动主动件转 动时，外磁转子相对于内磁转子产生超f i 角，内外磁体上的磁体间作用力发生倾斜， 偏离径向，内外磁体永磁磁块间的吸力与斥 力分别产生切向分力并对轴心形成传动力矩， 动件同步转动。 4 图i - 2 同轴磁力联轴器结构示意 由此驱动内磁转子及从动件与主 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 3 1 磁力弹簧 采用永磁材料制作的磁力弹簧原理与永磁磁 力轴承类似，由直径大小相等或不等的两磁环 同轴排列，固定一环，另一环可承受外力沿磁 环轴向移动并由磁场产生弹性恢复力( 如图1 3 所 示) 。磁力弹簧结构简单，工作中无振动和噪 声，采用稀土永磁材料制作的磁力弹簧具有良 好的力学特性【2 5 1 。 毳1 荔 snns卫 图1 - 3 磁力弹簧原理图 磁力机械所具有的易于控制、节能环保、结构简单等优点，使其在很多工 程领域得到广泛应用，越来越受重视。目前采用永磁、电磁或永磁与电磁混合 结构的各类磁力机械已有很多，比较常见的磁力机械还有磁力减振器、磁力凸 轮、磁力变矩器、电磁离合器、磁力间隙运动机构、磁力搅拌器等【2 6 1 。 1 2 2 2 磁力传动技术在磁悬浮方面的应用 磁悬浮技术是磁力传动技术的另一个主要应用领域，其研究始于二十世纪 二十年代。1 9 2 2 年德国工程i ) o h e r m a n nk e m p e r 2 7 】首次提出了电磁悬浮原理，并 于1 9 3 4 年申请了第一个磁悬浮技术专利，这构成了之后开展的磁悬浮列车和磁 悬浮轴承研究的主导思想。 磁悬浮由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备 的使用寿命，被广泛应用在交通、冶金、机械、电器等各个方面： 1 ) 磁悬浮列车 目前国外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面，高速磁悬 浮列车因其在技术、经济、环保方面的独特优势被认为是2 1 世纪最理想的交通 工具。磁悬浮列车是利用励磁磁铁和长定子铁芯的电磁作用产生的电磁力使列 车悬浮于轨道之上，实现列车与行驶轨道的无接触运行【2 引，图1 - 4 所示为常导型 磁悬浮方式原理图，此外还有永磁悬浮、超导悬浮及混合电磁悬浮等方式【2 9 1 。 低速常导磁悬浮 图1 - 4 常导磁悬浮原理图 高速常导磁悬浮 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 1 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承是用电磁力使电机转子悬浮于空间之中，从而实现转子于定子 之间无机械接触的新型轴承。与传统机械轴承相比，磁悬浮轴承有着无可比拟 的优点：无机械摩擦和磨损，旋转损耗低，无需润滑，可在真空或极端温度条 件下工作。不仅如此，其从应用功能上也拓宽了许多，它不仅起着一般的支承 作用，而且在机器中可以作为一种柔性诊断和检测设备，轴承力及转子振幅的 变化都能从磁悬浮轴承控制设备中监测到 3 0 - 3 2 。 3 ) 高速磁悬浮电机 高速磁悬浮电机( b e a r i n gl e s sm o t o r s ) 是近年提出的一个新研究方向【3 3 l ，它 集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自悬浮和驱动能力，不需要任何独立的轴 承支撑，且具有体积小、临界转速高等特点，更适合于超高速运行的场合，也 适合小型乃至超小型结构。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相 斥，异性相吸”的原理使转子悬浮起来，同时产生推进力驱使转子在悬浮状态 下运动。 近几年来，随着磁悬浮技术研究的同益加深和成果的同渐成熟，磁悬浮技 术已经在众多高科技领域与相应的加工领域得到广泛的应用，提升了相关领域 的技术水准1 3 4 1 。如磁悬浮电机应用在生命科学领域，现在国外已研制成功的离 心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率 高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的 研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生 命具有深远意义1 3 5 j 。 1 2 2 3 磁力传动技术的其它应用方面 安徽卧龙泵阀有限责任公司成功研制出国内首台氟塑料自吸式磁力泵【3 6 l ； 马威【3 7 】将磁力泵应用于热油输送，提高了系统的安全和设备的稳定性；c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 2 6 】用磁力驱动泵解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题； 赵韩和f f i 杰等1 3 8 】提出了稀土永磁齿轮齿条传动和交错轴永磁齿轮传动，实现交 错轴传动的齿轮采用双曲线体多极径向充磁：a x o u m k 3 9 】应用三维有限元分析 方法模拟磁力控制装置，这种装置基于一种磁致伸缩棒以控制磁力作用于可动 连接；m i k i l a n i 和c j c h e n 4 0 j 提出通过利用永磁体产生的磁场作为外磁场来驱 动微机械沿直线运动；h o s h i h i d e o 4 1 】等设计了一种新的低功耗、高刚度的磁轴 承，相对于临床上的离心式血泵，这种优化了叶轮叶片以及具有两个自由度的 磁轴承的离心式旋转血泵在溶血性能上获得了较好的结果。 综上所述，磁力传动技术的应用成果已证明其具有机械传动无可比拟的优 点。磁力机械的易于控制、节约能源、结构简单、加工容易，磁悬浮列车的无 6 中南人学硕士学位论立 第一章文献综述 润滑、无磨损、运行费用和维修费用低、工作寿命长，以及磁悬浮轴承的无摩 擦、不需润滑和密封、高速度，高精度等一系列优良品质从根本上改变了传 统的机械传动模式，在能源交通、航空航天、机械工业及机器人等高科技领域 具有广泛的应用前景。同时，也使得微型轴流式血泵驱动成为磁力传动技术应 用的一个潜在领域。 但目前磁力传动的理论研究主要集中在小间隙磁力传动系统的磁场分布、 传递电磁转矩和电磁力的计算等方面，具体应用也主要是基于主、从磁极间距 为小间隙的。在一些类似于血泵驱动的磁极间隙较大的应用场合，上述的磁力 怙动应用形式实现不了所要求的动力传递，因此，本文在传统的非接触磁力驱 动基础上，基于轴流式血泵的驱动研究，提出了主动磁极静止式的磁力驱动方 式，这是磁力传动技术应用的拓展，为磁力传动技术的应用提出了一个新的发 展方向。 3 磁力传动技术在血泵上的应用 掘美国国家心肺及血液研究所统计，全球心衰竭患者以每年5 0 0 0 万人次的 惊人速度增长，自然心脏移植远远不能满足病人的需要，为了挽救病人生命， 人造机械性血泵应运而生。随着生物医学技术的不断发展，人工心脏的研究已 成为心脏外科和生物医学工程领域极为关注的焦点1 4 2 l 。 13 1 血泵发展历史及现状 人工心脏的研究始于上世纪5 0 年代，最初 旨在替代生理心脏的泵血功能【4 ”。血泵作为人 体心脏的代替品，在自然心脏极度缺乏的情况 下应运而生，并逐渐由辅助过渡装置向永久性 植入式方面发展。血泵研究涉及机械、材料、 医学及流体动力学等多门学科，其研究已在全 世界范围展开，各种原理不同的血泵已应用于 临床，并逐步趋于产品化4 月。 图1 - 51 8 。1 。微型轴流式血禾 早期开发的人工心脏辅助装羁中的血泵，采用仿生学的基本原理i 帕j ，属于 窖积式血泵，结构类似于人的自然心脏，都是搏动的，但体积大，不易植入。其 后出现的叶轮泵，是一类非仿生性的血泵，它结构相对简单、体积小，尤其适 合于永久性植入体内时采用。 目前，英国的j a r v i k 2 0 0 0 e 4 7 1 ( 如闰卜5 所示) 、荚囤的h e m p u m p i “i 、德国 的h e a r tm a t e l 4 9 】以及i q 本的v a l v o p u m p i 删等是目前几种具有代表性的植入式微 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 型血泵，此外，还有美国的d e b a k e y 、n i m b u s a x i p u m p 等轴流式血泵， d e l p h i n 、s a r n s 、b i o m e d i c u s ( m i n - n e a p o l i s ，m m 等离一t ：, , 式血t j g t 5 1 - 5 2 1 ，血泵的技术 正日趋成熟，展现了该领域未来的发展方向。 1 3 2 血泵驱动方式研究历史及现状 为了使微型血泵尽快应用于临床，达到微型化和永久可植入，除了要对微 型血泵的结构和材料进行合理的设计与选择外，其驱动方式已成为微型泵实用 化的关键技术之一，成为备受研究人员关注的重剧5 3 j 。 血泵的驱动系统是将电能或其它能转化为压力能的能量转化( 或传递) 系 统，常用的驱动形式有五种：机械、液动、气动、电动和磁力驱动系统【5 4 1 。初 期的研究认为：与自然心脏工作原理相似的血泵应最容易被机体接受，故开始 阶段的植入式血泵均为仿生式，与自然心脏的工作极为相似，称为“隔膜”式血 泵，其结构示意图如图1 - 6 所示，其驱动方式主要采用气体驱动。 随着材料和能源技术的发展，电动式血泵丌始出现，与气动式血泵相比， 更加小型化，便于植入和携带。该装置的基本原理是由电磁铁或微型电动机周 期性压迫血囊以实现能量转换。可较长期地植入体内发挥辅助心脏的作用，极 大地改善了心脏移植后的效果。、 为了有效的解决血泵的驱动方式问题，国 内外的研究人员都进行了很多的研究和探索， 并丌展了大量的研究和实验。美国u t a h 大学 研究小组和a b i o m e d 研究小组【5 5 j 研制了一种 由电动液压传动系统组成的人工心脏驱动系 统。美国休斯顿b a y l o r 医学院d e b a k e y 博士 【5 6 】研制的轴流式辅助装置d e b a k e yv a d ，当 电机定子通电，在电磁场的作用下，内置有永 磁体的叶轮( 包括整流器和扩散器) 发生旋 转，利用磁悬浮原理实现转子的支撑。 l 2 3 1 单向瓣2 弹性囊腔3 刚性气室 图1 - 6 气动驱动式血泵结构示意图 目前，血泵有经皮导线型驱动方式都是通过电池向血泵内驱动系统提供能 源，由常规电机直接驱动叶轮，这种驱动方式的系统结构复杂、对材料性能要 求苛刻、生理相容性差，并且由于有导线或导管穿过皮肤从体内引出，容易造 成体内感染等问题，不适合长期使用，影响着血泵向微型化方向的进一步发 展。为此，研究人员开始探寻更加合理有效的血泵驱动方式，“外磁场驱动”作 为一种崭新的理论开始出现，并越来越受到研究人员的关注。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 3 血泵外磁场驱动技术的研究现状 近年来，磁技术广泛应用于血泵系统中。在能量传递方面，利用磁耦合传 动可以将体外能量以非接触方式传递到体内血泵中，保证了全植入式血泵能量 传递的连续性。在血泵轴承改进研究方面，为了减少或避免血泵轴承的摩擦磨 损，提高血泵的使用寿命，运用磁浮技术，研究了无接触磁浮血泵轴承。血泵 的驱动方式经历了传统的气动式、电动式等驱动方式的发展之后，磁力驱动方 式以其对血液破坏程度小、驱动效率高、使用方便等诸多显著优点，成为了目 前血泵驱动方式的重点研究方向之一。 “外磁场驱动”这一概念最初提出是源于李国荣博士1 9 9 6 年在国际上首次提 出“动力性主动脉瓣”的技术思想【57 。5 9 】。针对“外磁场驱动”这一崭新理论，国内 外有不少学者开展了相关研究工作，如上世纪8 0 年代美国的p o r t n e r 等唧】研制 的双推板l v a d 系统，是通过电磁场的作用力来推动血泵推板工作的，属于电 磁血泵驱动系统；上海第二医科大学的俞晓青等【6 i 】研制的磁耦合驱动轴流式血 泵，是一种将进出口和叶轮成一轴线的辅助定位磁悬浮轴流式血泵，相关实验 表明该血泵的性能良好，能够满足临床体外循环及辅助循环的需要。 随着永磁材料技术的发展，出现了一大批具有强磁性的稀土永磁材料，如 稀土钻、钕铁硼等，这些新一代永磁体和碳化硅轴承技术的开发使磁力驱动泵 的技术水平有了极大的提高，大大提高了外磁驱动的工作效率，极大地促进了 外磁驱动技术的发展。利用永磁材料的良好的综合磁性能，研究人员丌始将永 磁传动技术引入到血泵驱动方式的研究领域之中，并丌发出了一系列的利用永 磁体( 永磁材料) 和永磁磁力传动特性的磁力驱动式血泵。如江苏理工大学的万 福凯等【6 2 】设计的一种永磁悬浮叶轮式血泵，利用永磁悬浮技术，采用了一种新 颖的、具有径向轴承和轴向弹簧的双重功能的永磁磁轴承结构，依靠永磁力和 非磁力实现旋转体悬浮，从而大大减小了血泵的机械磨损；沈阳工业大学的王 风祥等【6 3 1 人开发的一种心脏血液循环助推系统i v a s ( i n n o v a t i v ev e n t r i c u l a r a s s i s ts y s t e m ) ，采用血泵与驱动电机为一体的无轴承结构，永磁电机的定转子 兼作轴向磁力止推轴承，并为血泵运转的动态稳定提供径向磁平衡力，由于充 分利用了永磁体的强磁性能，整个血泵的驱动系统的能量传递效率大大提高。 以上情况表明，外磁场驱动以其突出的优点在人工心脏和心室辅助装置中 得到了十分广泛的应用，国内外的研究人员也对这一驱动方式进行了系统的深 入研究，并研制出了一系列采用磁力驱动方式作为自身能量来源的血泵。 但是，目前外磁场驱动系统中的外部交变磁场一般是依靠体外旋转的永磁 体来产生，而永磁体的旋转一般是通过电机直接驱动，当根据人体实际结构而 将主、从磁极耦合距离增大时，系统磁力矩随着耦合问隙的增大而迅速减小、 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 能量传递效率明显降低，系统外部磁场必须增强到一定程度才能保持大间隙条 件下的系统驱动能力；而当体外永磁体的磁场特别强时，将与驱动其旋转的电 机内部磁场产生耦合，对电机的影响十分明显，电机极易损坏，所以在高速、 大间隙条件下，目前的外磁驱动方式无法保证驱动系统长时间的正常运行。 在此基础上，为了寻找实际可行的旋转磁场产生方法，研究人员进行了进 一步的研究，提出了几种方法，如励磁线圈驱动法、电磁棒产生交变磁场等方 法。这些方法在原有的电机直接驱动法的基础上作了近一步的改进和提高，降 低了对电机自身高转速的要求，因而扩大了实际应用的范围。但是为了满足临 床实践过程中对血泵长期稳定使用的要求，血泵的磁力驱动方式还需要进一步 改进，以提高整个驱动装置的能量传递效率和稳定性，推动血泵大规模的临床 应用。 1 4 研究内容及意义 1 4 1 研究目的 目前，国内外学者在磁力传动磁路设计、磁场分布、磁力及磁力矩计算方 法、产生涡流损耗和具体应用等方面进行了大量的基础工作，但其系统磁极的 磁力耦合间隙大多属于经典的小间隙磁力耦合作用范围，并且主动磁极是依靠 旋转的永磁体产生，主动圆柱型永磁体直接装在电机的输出轴上，并直接由电 机驱动其转动，从而实现与从动永磁体的啮合传动。但在某些特定的条件下， 实际的或期望的磁极间隙远大于经典磁力传动所设定的范围，存在着系统磁力 矩随着磁极间距的增大而迅速减小、能量传递效率明显降低的技术难题，难以 达到传动的要求。并且，当主动永磁体的磁场特别强时，将与驱动其旋转的电 机内部磁场产生耦合，对电机的影响十分明显，电机极易损坏。目前国内外在 大间隙磁力传动方面的研究较少，磁力传动技术的研究与应用受到传动间隙的 限制，极大地局限了磁力传动技术的进一步应用。 针对目前磁力传动技术理论研究及实际应用方面存在的问题，本课题以当 前国内外磁力传动技术研究成果为平台，微型轴流式血泵外磁场驱动系统研究 为背景，提出了一种基于行波磁场的主动磁极静止式大间隙磁力传动系统。根 据磁路设计原理、磁场动力学、