（机械电子工程专业论文）大间隙磁力传动系统驱动性能研究.pdf

摘要 磁力传动技术是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技术，在小间隙条件下的研究与应用 已十分广泛，但大间隙条件下磁力传动技术的研究较少。永磁轴流式 血泵外磁驱动属于大间隙磁力传动技术范畴，有助于实现血泵的微型 化，现已成为血泵驱动技术研究的热点，然而由于其实际的磁极间隙 远大于经典磁力传动所设定的范围，存在着系统空间磁场与驱动力矩 随磁极间隙增大而迅速减小的难题，因此限制了大间隙条件下磁力传 动技术的研究与应用。 本文以实现大间隙条件下磁力传动技术的应用、推动微型轴流式 血泵的临床化为目标，提出一种基于行波磁场与永磁齿轮的磁场相耦 合、驱动永磁齿轮旋转的大间隙磁力传动系统方案，研究系统驱动方 案、空间磁场、驱动力矩、矩角特性等关键理论，设计永磁轴流式血 泵大间隙磁力传动系统，进行系统空间磁场和驱动力矩实验研究。研 究结果对设计具有较强驱动能力的、适用于永磁轴流式血泵驱动及类 似应用场合的大间隙磁力传动系统有指导价值。 本论文的主要研究内容与相应的结论： 1 、大间隙磁力传动系统方案设计与仿真 提出了大间隙条件下实现径向充磁的永磁齿轮转动的磁力传动 系统新方案，并对其进行有限元数值仿真，得到了系统驱动力矩随永 磁体转角的变化规律以及大间隙条件下磁力传动系统的设计方法。研 究结果表明：按仿真结果设计磁力传动系统电磁体结构和线圈通电时 序，可实现大间隙条件下具有较强驱动力矩的磁力传动技术应用。 2 、大间隙磁力传动系统空间磁场研究 建立了大间隙磁力传动系统电磁体各个磁极状态下的空间磁场 数学模型，并对其进行解析求解，揭示了系统空间磁场的分布规律。 研究结果表明：通过使电磁体和永磁体垂直方向的耦合距离尽可能 小、将永磁体相对于电磁体沿水平方向置于确定的空间区域等措施， 可使永磁体始终处于有利于转动的较强空间磁场中。 3 、大间隙磁力传动系统驱动力矩研究 建立了大间隙磁力传动系统的驱动力矩计算模型，并对其进行解 析求解，揭示了系统主要参数对驱动力矩的影响规律。研究结果表明： 通过适当增加线圈匝数、增大线圈通电电流、增大永磁体外径、在电 磁体和永磁体间隙许可的范围内尽量减小系统主从磁极耦合距离、增 大永磁体的磁化强度和轴向长度、将主从磁极沿y 方向的左方向偏移 和右方向偏移量控制在确定区间内等方法，可使系统获得较大的驱动 力矩。 4 、大间隙磁力传动系统矩角特性研究 建立了系统电磁体各个磁极状态区间的矩角特性计算模型，并对 其进行解析求解，得到了描述系统驱动力矩随永磁体转角变化规律的 矩角特性。研究结果表明：通过增大系统线圈通电电流、匝数、磁齿 轮的磁化强度、磁齿轮的外径、磁齿轮的轴向长度等参数，可调节系 统矩角特性曲线、提高系统驱动能力。 5 、大间隙磁力传动系统空间磁场和驱动力矩实验研究 将相应理论研究成果应用于永磁轴流式血泵外磁驱动系统设计， 制作了相应的实验装置，进行大间隙磁力传动系统空间磁场和驱动力 矩等两方面的实验研究，研究结果验证了系统空间磁场和驱动力矩方 面的理论成果。 关键词：大间隙，磁力传动，驱动性能，空间磁场，驱动力矩，矩角 特性，轴流式血泵 i i a b s t r a c t m a g n e t i cd r i v et e c h n o l o g y , u s i n gt h em a g n e t i cf o r c ep r o d u c e db y p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l so re l e c t r o m a g n e t i cm e c h a n i s m ，r e a l i z e st h e n o n c o n t a c tt r a n s f e ro ff o r c eo rt o r q u e ，o fw h i c hr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i sv e r yw i d ea tt h ec o n d i t i o no fs m a l lg a p ，b u ti sl e s sa tt h ec o n d i t i o no f l a r g eg a p t h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dd r i v eo fp e r m a n e n tm a g n e t i ca x i a l b l o o dp u m pb e l o n g st ot h ec a t e g o r yo fl a r g e g a pm a g n e t i cd r i v e t e c h n o l o g ya n di ti sh e l p f u lt or e a l i z et h em i c r o m a t i o no fb l o o dp u m p ， w h i c hh a sb e e nt h er e s e a r c hh o t s p o to fb l o o dp u m pd r i v i n gt e c h n o l o g y h o w e v e r , b e c a u s et h ea c t u a lm a g n e t i cp o l eg a pi sm u c hl a r g e rt h a nt h e c l a s s i c a lm a g n e t i cd r i v es c o p e ，t h e r ee x i s t st h ep r o b l e mt h a tt h es y s t e m s p a c em a g n e t i cf i e l da n dd r i v i n gt o r q u ed e c r e a s er a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s e o f m a g n e t i cp o l eg a p t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fl a r g eg a p m a g n e t i cd r i v ei sr e s t r i c t e d a i m i n gt or e a l i z et h ea p p l i c a t i o n so fm a g n e t i cd r i v ea tt h ec o n d i t i o n o fl a r g eg a pa n dp r o m o t et h ec l i n i c a la p p l i c a t i o no fm i c r oa x i a lb l o o d p u m p ，t h i sp a p e rp r e s e n t sal a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e mp r o j e c t ， w h i c hd r i v e sp e r m a n e n tm a g n e t i cg e a rr o t a t eb a s e do nt h ec o u p l i n go f t r a v e l i n gw a v ea n dp e r m a n e n tm a g n e t i cg e a r t h ek e yt h e o r i e so fs y s t e m d r i v ep r o j e c t ，s p a c em a g n e t i cf i e l d ，d r i v i n g t o r q u ea n dt o r q u e a n g l e c h a r a c t e r i s t i ca r es t u d i e d t h el a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e mi s d e s i g n e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fs y s t e ms p a c em a g n e t i cf i e l da n d d r i v i n gt o r q u ei sc o n d u c t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ei n s t r u c t i v ev a l u e f o rd e s i g n i n gt h el a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e mw h i c hh a s s t r o n g d r i v i n ga b i l i t ya n di ss u i t a b l ef o rd r i v i n gt h ep e r m a n e n tm a g n e t i ca x i a l b l o o dp u m pa n dt h es i m i l a ra p p l i c a t i o ns i t u a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g na n ds i m u l a t i o no fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e mp r o j e c t t h en e wm a g n e t i cd r i v e s y s t e mp r o j e c t ，w h i c hc a nd r i v e t h e p e r m a n e n tm a g n e t i cg e a rm a g n e t i z e da t t h er a d i a l d i r e c t i o n ，i sp u t f o r w a r da n dc o n d u c t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na tt h e c o n d i t i o no f l a r g eg a p t h ec h a n g el a wo ft h es y s t e md r i v i n gt o r q u e a l o n g w i t ht h ep e r m a n e n tm a g n e tc o m e ra n dt h ed e s i g nm e t h o do fm a g n e t i c i i ! d r i v es y s t e ma tt h ec o n d i t i o no fl a r g eg a pa r ed e r i v e d t h er e s e a r c h r e s u l t ss h o wt h a tm a g n e t i cd r i v es y s t e ma p p l i c a t i o nw i t hs t r o n gd r i v i n g t o r q u ea tt h ec o n d i t i o no fl a r g eg a pc a nb er e a l i z e db yd e s i g n i n gt h e m a g n e t i cd r i v es y s t e me l e c t r o m a g n e ts t r u c t u r ea n dc o i le l e c t r i f y i n g s e q u e n c ea c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t 2 r e s e a r c ho nt h es p a c em a g n e tf i e l do fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v e s y s t e m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e ms p a c e m a g n e tf i e l dw a se s t a b l i s h e da n ds o l v e du n d e re v e r ys t a t eo fm a g n e t i c p o l e t h ed i s t r i b u t i o nl a w o fs y s t e ms p a c em a g n e tf i e l dw a sr e v e a l e d t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tp e r m a n e n tm a g n e tc a na l w a y sb ei nt h es t r o n g s p a c em a g n e tf i e l dw h i c hi sb e n e f i c i 甜t or o t a t i o nb yd e c r e a s i n gt h e c o u p l i n gd i s t a n c eo f t h ee l e c t r o m a g n e ta n dp e r m a n e n tm a g n e ti nt h e d i r e c t i o no fv e r t i c a ld i r e c t i o na n dm a k i n gp e r m a n e n tm a g n e ti nt h e c e r t a i n s p a c e a r e a r e l a t i v e l y t o e l e c t r o m a g n e t i nt h ed i r e c t i o no f h o r i z o n t a ld i r e c t i o n 3 r e s e a r c ho nt h ed r i v i n gt o r q u eo f l a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e m t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e md r i v i n g t o r q u ew a se s t a b l i s h e da n ds o l v e d t h ei n f l u e n c el a wo fs y s t e mm a i n p a r a m e t e rt od r i v i n gt o r q u ew a sr e v e a l e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t s t r o n g e rs y s t e md r i v i n gt o r q u ec a nb eo b t a i n e db yi n c r e a s i n gt h en u m b e r o fw i n d i n g so fc o i l ，t h ee l e c t r i cc u r r e n to fc o i l ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t o u t e rr a d i u s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z a t i o na n da x i a ll e n g t h ，b y r e d u c i n gt h ec o u p l i n gd i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o m a g n e ta n dp e r m a n e n t m a g n e t ，a n db yp l a c i n gt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e ta n d p e r m a n e n tm a g n e t i nc e r t a i na r e ai nxd i r e c t i o n ( a tt h el e f to rr i g h ts i d e ) 4 r e s e a r c ho nt h et o r q u e - a n g l ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g eg a pm a g n e t i c d r i v es y s t e m t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f t o r q u e - a n g l ec h a r a c t e r i s t i co f t h el a r g eg a p m a g n e t i cd r i v es y s t e mu n d e re v e r ys t a t eo fm a g n e t i cp o l ew a se s t a b l i s h e d a n ds o l v e d t h et o r q u e a n g l ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hi n d i c a t e st h ec h a n g e l a wa b o u ts y s t e md r i v i n gt o r q u ea l o n gw i t hp e r m a n e n t m a g n e tc o m e r w a s o b t a i n e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t s y s t e mt o r q u e - a n g l e c h a r a c t e r i s t i cc u r v ec a nb er e g u l a t e da n ds y s t e md r i v i n ga b i l i t yc a nb e i v i n c r e a s e db yc h a n g i n gt h ee l e c t r i cc u r r e n ta n dn u m b e ro fw i n d i n g so fc o i l ， t h em a g n e t i z a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t i cg e a r , t h eo u t e rd i a m e t e ro f p e r m a n e n tm a g n e t i cg e a r , a n dt h ea x i a ll e n g t ho fp e r m a n e n tm a g n e t i c g e a r 5 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es p a c em a g n e t i c f i e l da n dd r i v i n g t o r q u eo fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e m w i t ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t su s e dt od e s i g nt h ee x t e r n a l m a g n e t i cf i e l dd r i v es y s t e mo fp e r m a n e n tm a g n e t i ca x i a lb l o o dp u m pa n d t h ee x p e r i m e n td e v i c em a d e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es p a c e m a g n e t i cf i e l da n dd r i v i n gt o r q u eo fl a r g eg a pm a g n e t i cd r i v es y s t e m w e r ec o n d u c t e d ，w h i c hr e s u l t sv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t so fs y s t e m s p a c em a g n e t i cf i e l da n dd r i v i n gt o r q u e k e y w o r d s ：l a r g eg a p ，m a g n e t i cd r i v e ，d r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c ， s p a c em a g n e t i cf i e l d ，d r i v i n gt o r q u e ，t o r q u e - a n g l ec h a r a c t e r i s t i c ，a x i a l b l o o dp u m p v 中南大学博士学位论文第一章文献综述 1 1 课题来源及意义 第一章文献综述 1 1 1 课题来源 本课题“大间隙磁力传动系统驱动性能研究”来源于国家高技术研究发展 计划( 8 6 3 ) ：“可植入式微型人工心脏的多层次优化设计及临床应用 ( 2 0 0 6 a a 0 2 2 4 e 8 ) 、国家自然科学基金项目：“基于细胞力学的人工器官血液自润 滑机理研究( 项目编号：5 0 7 7 5 2 2 3 ) 以及“基于血液机械损伤多因素耦合机 理的高速螺旋血泵结构优化研究”( 项目编号：5 0 8 7 5 2 6 6 ) 、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”( 2 0 0 7 0 5 3 3 1 2 5 ) 、 湖南省教育厅资助科研项目：“大间隙磁力传动系统耦合机理研究”( 0 8 c 1 3 8 ) 。 1 1 2 课题意义 磁力传动技术是采用永磁体或电磁体之间产生的磁力相互作用，从而实现力 或力矩非接触式传递的新技术，在工业和医学领域的研究和应用得到了较快发展 n 1 。比如工业中使用较多的磁力泵、磁力联轴器、磁力齿轮、磁力轴承、磁力间 歇机构、磁力蜗轮和磁力弹簧等，以及医学中使用较多的内窥镜和胃肠道机器人 方面驱动机构等，但这些应用都是基于在磁极间距为小间隙( 气隙) 的条件下实 现的，对于大间隙条件下的磁力传动理论及技术较少有研究工作涉及乜3 。 但是，在特定要求的使用情况下，实际的或期望的传动磁极间隙远远大于经 典磁力传动所规定的范围，永磁轴流式血泵外磁驱动方式由于具有非接触、大间 隙传动方式等特点，能实现血泵微型化、提高病人生活质量等优势，从而具有极 大的诱惑力，然而当系统传动磁极间隙增大时，会伴随着系统磁力矩迅速减小、 能量传递效率显著降低现象的出现，限制了该方式的技术实现。 本论文以非接触式永磁轴流式血泵外磁场驱动为背景，提出一种基于行波 磁场与永磁齿轮的磁场相耦合、驱动永磁齿轮旋转的大间隙磁力传动系统方案， 研究系统的驱动方案、空间磁场、驱动力矩、矩角特性等科学问题，完善大间 隙条件下磁力传动系统的设计方法，揭示系统空间磁场分布规律、系统主要参 数对驱动力矩影响规律，得到系统矩角特性，并将研究成果应用于永磁轴流式 血泵驱动系统设计，以期实现大间隙条件下磁力传动技术的应用、推动微型轴 流式血泵的临床化，对突破磁力传动技术应用受到传动系统磁极间隙限制的现 中南大学博士学位论文第一章文献综述 状具有意义。 1 2 血泵及其驱动技术研究现状 1 2 1 血泵的分类及发展 本论文的研究对象永磁轴流式血泵属于人工心脏的一种，是用于连接 于心脏或者植入心脏内部，用于承担部分或者全部心脏功能的各类人工心脏的总 称口1 。人工心脏主要可分为心室辅助装置和全人工心脏两类，前者可以部分或完 全替代左心室或右心室的循环功能，采用机械辅助循环的目的是改善循环功能不 全病人的循环状态h 5 1 ，总的来说有以下功能： 维持患者正常生理循环； 减轻患者心脏负荷； 适当提高患者舒张期血压，加大冠状动脉供血； 促进患者损伤心肌部分的恢复。 1 、血泵的分类 按照血泵实现心脏功能的原理来分类，血泵可以分为容积式血泵和叶片式 血泵，所以，下面按血泵的工作原理分类来介绍： ( 1 ) 容积式血泵 容积式血泵主要由一个贮血袋、实现血流方向控制的单向瓣、驱动动力部 分组成。当驱动动力源挤压贮血袋，贮血袋将减少容积，实现射血液功能，可将 此比作心脏的收缩；当减少作用在贮血袋上的压力时，贮血袋之外的血液流回贮 血袋，可将此比作心脏的舒张。 ( 2 ) 叶片式血泵 相对于容积式血泵而言，叶片泵可以克服因体积太大而不容易实现植入的 现实问题。在叶片式血泵控制技术方面，要实现生理指标反馈控制的难度较大旧， 这方面的问题是必须得到解决的，要不然叶片泵的应用也不会得到真正的临床实 现。 叶片式血泵主要包括离心式泵和轴流式泵，它们的特点主要概括有以下方 面： 1 ) 离心式血泵 离心式血泵的叶片安装在轴上，当离心式血泵高速转动工作时，叶片将血 液沿切线方向抛至叶片的外沿，从而在血泵内形成动脉压，该压力大小与叶轮转 速相关，随着叶片转速的提高，其动脉压也提高。这种离心式血泵主要有 b i o m e d i c u s 离心式血泵、钱坤喜研究的离心式血泵、d e l p h i n 式离心血泵、s a r n s 2 中南人学博七学位论文第一章文献综述 离心泵等盯吲。n o j i r i 等n 研制的采用磁力悬浮技术的微型离心泵，叶片依靠磁力 悬浮起来，不需要任何支撑，解决了伴随血泵发展而存在的密封问题，从而有效 地减少了血栓现象。 由于离心泵的叶片要相对高速地旋转才能保证其足够的动脉压，则叶轮对 红细胞引起的机械损伤也引起了学者们的重视，其中s c h i m a 等1 研究了所设计 的离心泵对人体红细胞所引起的机械损伤情况，相关研究成果用于指导了离心式 血泵的设计。 2 ) 轴流式血泵 这种血泵的叶片也安装在其工作轴上，当轴流式血泵旋转轴工作时，血液 可沿倾斜的方向抛射出，经血泵的导流式叶片后，血液流向沿着该类型血泵的轴 向运动，固得名为轴流式血泵。这种类型的血泵可以为人体提供较大的血液流量， 主流的轴流式血泵有h e m o p u m p 泵、n i m b u sa x i p u m p 泵、j a v i k 2 0 0 0 轴流泵。 轴流式血泵最大的优点是体积较小、流量较大、效率较高、易于植入人体， 比如h e m o p u m p n 2 1 泵直径只有7 m m ，最高转速可以达2 5 0 0 0 r p m ，完全流量可以 达4 5 l m i n 。j a r v i k 2 0 0 0 血泵n 、b a y l o r n a s a 血泵目前还只处于对动物进行实 验的阶段n4 1 、k e n n j i 等n 司研制的轴流式血泵，长度达到1 0 c m ，直径达到1 4 c m ， 压力差为9 0 m m h g 时，高速转动时流量可以达到8 l m i n 。 李国荣等n 6 1 7 1 提出动力性主动脉瓣也属于轴流式血泵，主要考虑是通过其 叶轮的高速旋转，从而实现与传统机械瓣膜类似的效果，同样具有血泵的功能。 ( 3 ) 其它形式的血泵 在容积式和叶片式血泵之外，也同样存在着其它形式的血泵，t a k e s h 等n 阳 研究了由人工心室组成的血泵。它的优点是产生血栓少；但在长期使用这种类型 的血泵的时候，产生血栓仍是一急需突破的技术难题。m o n t i e s 等n 卅研制的这种 血泵，相关工作原理与推板式血泵是一样的，属于一个无瓣膜、转速低、实现半 搏动流的旋转泵。 2 、血泵的发展 ( 1 ) 各类血泵的技术特点 1 1 气动式泵 美国a b i o m e d 公司研制生产的a b i o m e db v s 5 0 0 0 为气动式搏动性v a d ，它是首 个被f d a 批准用于治疗心外科手术后心衰的人工心脏。它的特点主要有：( 1 ) 每搏 一次可实现输出血液量7 0 - - - 8 0 m l ，最大血液流量为6 l m i n ；( 2 ) 对患者体表面积要 求是 1 3m 2 ；( 3 ) 输出血液量与前、后负载的大小有关；( 4 ) 主要依靠重力引流， 无需真空方式的吸引；( 5 ) 仍然需要用肝素来实现抗凝固；( 6 ) 辅助治疗时间在7 1 0 天之间。另外，该公司又研制了新一代的气动式血泵a b i o m e da b 5 0 0 0 。 3 中南人学博十学位论文第一章文献综述 t h o r a t e cv a d 于1 9 9 6 年用于临床，在血液相容性能、血栓生成率、耐用性 和性能稳定等方面表现出一定的优势。t h o r a t e ci v a d 的体积小，外表光滑，由 钛合金制成，既可用于左心室，也可用于右心室或全心辅助的可植入式人工心脏， 迄今已完成了对20 0 0 多患者的左室或右室或双室辅助治疗伽3 。 n o v a c o rl v a s 心h2 2 1 属于脉动植入式血泵，主要有脉动式血泵和旋转式血泵 两种。最初的驱动及控制装置总重量达到1 5 0 k g ，后来便携式控制装置出现了， 可实现与充电电池一起安放在患者腰部1 。 2 ) 电动式泵 n o v a c o rv a d 是一种电动式血泵，既可用于过渡心脏移植期间的协助治疗， 也可以用于长期性治疗。目前在全世界将近约l5 0 0 例应用病人中，有1 0 的存活 时间超过1 年，最长时间可达6 年。 美国a b i o m e d 公司研制的a b i o c o rt a h 是最新的电动式血泵，属于全植入式， 研究使用表明该装置对终末期心衰病人是安全和有效的。到目前为止共作了l o 余例病人，最长支持时间为1 4 个月，有2 例已康复出院，影响病人生存率的主要 原因仍然是血栓和多脏器衰竭盼钉。 3 ) 离心式泵 b i o m e d i c u s 离心泵的特点是体积较小，没有瓣膜，控制较简单，依靠调节血 泵转速就可实现流量控制。它的缺点是功率低，血栓形成率较高。 l e v i t r o n i xc e n t r i m a g 是专门用于心室辅助的离心式血泵。它的特点是不用 轴承、不用瓣膜等，对血液的破坏性较小，安全性能好。 n e d op i v a d 是可以用在左、右心及双心辅助方面的离心式血泵，其中的n e d o p 1 2 7 1 0 离心式血泵具良好的生物相容性、抗血栓性及较低的出血率瞄1 。 4 ) 轴流式泵 j a r v i k 2 0 0 0v a d 是一种直接置入心脏的微型血泵。连接于心脏与降主动脉之 间，采用便携式电池供电。已在全球进行临床应用的有3 0 0 多例，7 0 以上用于心 脏移植的支持冶疗汹1 。 b e r l i nh e a r ti n c o r 的叶轮不与血泵其它部分接触，无磨擦生热，能耗较低， 效率高( 可达到9 0 以上) ，转速可达至1 j 1 20 0 0 r p m ，血液流量可达至u 7 l m i n 1 。 i m p e l l ap u m p 是当前最小的轴流式血泵，叶轮直径为6 4 m m ，血液流量可以 达5 - 、一, 6 l m i n ，可以经皮股动脉穿刺完成左心辅助功能嘲。 t c ih e a r t m a t e 血泵为高速轴流式泵，其重量为1 7 6 9 ，直径约为4 c m ，血液流 量可达l o l m i n ，转速可以达到1 30 0 0 r p m ，可实现自动调节。 m i c r o m e d 公司的产品d e b a k e y v a d 轴流式血泵，美国国家航空和宇宙航行 局于1 9 9 6 年颁发了关于心脏循环装置使用的特许证给他们。d e b a k e yv a d 于 4 中南大学博+ 学t ：) = 论文第一章文献综述 1 9 9 8 年在欧洲进行相应的临床试验1 ，2 0 0 0 年在美国实现了临床的植入跚1 。而 儿童使用的这种类型的血泵质量可小于9 4 9 ，血泵叶轮最高转速可达到7 5 0 0r p m 2 5 0 0 0 r p m ，相应的最大血液流量可达到10 l m i n 。 5 ) 悬浮式v a d v e n t r a s s i s tl v a s 采用水力悬浮的叶轮，它对血液的机械损伤很小，生物相 容性很好。 由t e r u m o 公司研制的t i l v a s 口2 棚1 是采用磁悬浮结构的非脉动流血泵。该血 泵主要由四部分组成，磁悬浮的轴承、叶轮、壳体和无刷直流电机。 h e a r t q u e s t v a d 是最新研制的磁悬浮式血泵泓1 ，通过牛的实验表明使用结果 较为满意，未抗凝前提下进行观察，1 1 6 天仍未见有明显血栓的发生，已进入了 临床试验阶段。 ( 2 ) 各类血泵的研究现状 目前大量临床研究和应用都已经证实，对严重的心衰病人施行人工心脏泵支 持后，病人的心肌功能可以实现部分地恢复，对其进行长期的人工心脏泵支持， 可以明显改善使心肌的功能。可以通过长期人工心脏泵支持，实现心肌功能的恢 复，从而使需要进行心脏移植的病人大量减少。近年来相关学者在人工心脏方面 的研究与临床应用抢救了许多重症病人的生命1 。人工心脏无论作为治疗措施还 是作为心脏移植的过渡支持都已取得了进步，新的产品也不断出现，相关研究取 得了很多成果。 各类血泵在国内的研究情况。王广义啡3 采用p r o e 软件设计了锥形结构的血泵 体、泵的螺旋叶片、导叶等复杂曲面的设计，并用c f d 软件分析了血液在其中的 流动过程。高殿荣n 7 删提出具有较大气隙的磁悬浮锥形螺旋血泵，介绍了它的基 本结构( 见图1 - 1 ) 。殷桂梁h 阳研究了置于体外的血泵电机，设计了它的基本结构， 得到了形成旋转磁场所需的三相定子电流相位关系。郑小林h 妇提出了基于弹性腔 模型的人体血液循环系统参数模型，并直接对血液流路进行了模拟分析，研究结 果更能与实物真实情况相吻合。钱坤喜h 州1 实现了血泵转子磁浮的稳定平衡，相 关研究成果成功应用于轴向驱动叶轮血泵和径向驱动双心辅助泵等两种类型的 叶轮血泵。李国荣n 叼设计了以叶轮泵为核心器件的全人工心脏，并初步测试和分 析了其结构和特性，为后续的动物实验奠定了基础。吴广辉h 刚对不同状态下螺旋 和轴流2 种叶轮血泵泵腔及出入流口的流场状态进行了模拟。f a nh u i m i l l n 7 3 提 出了一种新的可植入式轴流式血泵设计方法，建立了仿真其内流场的数学模型， 血泵的特色在于其内部血液是靠前后的一大一小的安装在无刷直流电机内部的 圆柱磁极上的叶轮驱动。s h e n g - m i n gy a n g h 叫提出了一种具有单轴控制磁轴承的 轴流式血泵样机，该磁悬浮系统是依靠从动磁轴承来实现径向平衡、电磁体实现 5 中南大学博+ 学位论文第一章文献综述 轴向稳定的，并安装了传感器来测量轴向位置，转子上有叶轮实现流体的流动， 该泵依靠无刷直流电机来驱动。f e n g x i a n gw a n g h 刚进行了可用于血泵驱动的永磁 电机与径向轴承结合一体的设计和分析，在此集成设计中，利用转子和定子轴向 相互吸引充当了径向轴承的角色，另外还设计了具有高转矩密度的永磁结构，并 采用2 d 和3 d 有限元方法，特别对可应用于血泵系统的永磁电机进行了优化设计。 卜h 。f 弛 f 0 二 i i t “- 誓啦l l o ”i l o o i 、1 、；l l 一 h 一 。“j ；。：oi m ，“1 f 图卜1 永磁体磁悬浮锥形螺旋血泵结构 各类血泵在国外的研究情况。h y a m a d a 5 们采用直线电机驱动的全人工心脏 进行了一种动物实验，该直线t a h 包括一个直线脉冲电机，两个囊型血泵，四个 人工瓣膜。y o s h i n o r im i t a m u r a 阳提出一种电机驱动的人工心脏泵及其经皮能量 传输系统的设计方法，人工心脏包括一个用于驱动血泵的高速直流无刷电机。m h o r z 隋2 1 对一种可植入式血泵进行了优化设计，采用磁力和液力省去了机械轴承， 避免了现有系统由于存在轴承而增大了压力损伤血细胞的几率。i s a k u m a 陆3 1 设计 了一种电机直接驱动的无密封式离心血泵，无刷直流电机的转子放置于离心式血 泵入口侧，并直接与叶轮相连接，无密封式离心血泵包括转子叶轮结构( 见 图i - 2 ) 。h y a m a d a 蜘研究了一种用于人工心脏驱动的大功率直线脉冲电机结构 及其运动学等特性，人工心脏的模拟循环测试系统的两个血泵是采用论文中所研 究的大功率直线脉冲电机来驱动的。 图卜2b a y l o rg y r o 离心式血泵结构 从血泵的上述研究及发展情况可知，血泵是随着与生物医学相关技术的发 展，而逐步成为与心脏外科等相关领域极为关注的焦点，先后出现了隔膜泵、旋 6 中南人学博十学位论文第一章文献综述 转叶轮式血泵和轴流式血泵，目前轴流式血泵的研究是该领域的主流瞄5 1 。 1 2 2 血泵驱动技术的分类 在进行上述血泵相关研究的同时，国内外学者在血泵的驱动系统方面也进 行了大量的研究工作，血泵的驱动系统是将电能或其他能转化为压力能的能量转 化装置，是血泵研究领域的关键技术之一。按照驱动方式的不同，血泵驱动系统 可以分为机械式驱动、液压式驱动、气动式驱动、电动式和磁力式驱动系统嘞3 ： 1 、在血泵发展的早期阶段，机械式驱动系统曾经得到过使用，但因为机械 式驱动系统的体积较大，能耗较多，目前在血泵驱动系统的研究与应用中已很少 出现了。 2 、膜式或囊式血泵中较多地采用液压式驱动系统，由于这种驱动方式整个 装置极为复杂，目前在血泵驱动系统中也很少使用了。 3 、在多年来血泵的动物长期存活实验研究方面，气动式驱动系统也得到过 广泛的使用。但是气动式驱动装置体积较大，难以完全地满足全植入型的要求， 也慢慢地被后续的电动可电磁式驱动方式取代了。 4 、相对于与上述几种驱动系统相比，电动和磁力式传动系统在结构上具有 结构简单、体积小和便于携带等优点，可以使血泵完全植入成为了可能。 电动和磁力式驱动装置是近年来血泵驱动系统研究的热点。但是术后感染 仍然是人工心脏移植病人的死亡率和致病率增加的主要原因晦l 钏，从而导致感染 的主要原因也是血泵系统的穿皮导线所致。 在血泵的研究及发展过程中，面临及急需解决的最主要问题之一是其能源 提供方式，由于血泵使用的特殊性，在传统的血泵驱动系统中，大多采用体内储 能方式或通过导线( 管) 向体内血泵提供能量，从而维持血泵的能量供给。但传 统式的驱动方式，无论体内储能还是外部导入能量方式，都存在人体排异的可能 性大、极容易产生感染、病人的生活质量低、体内驱动装置密封和润滑问题、术 后并发症多等许多不足之处，无法真正解决血泵的驱动问题。 1 2 3 轴流式血泵驱动技术研究 当轴流式血泵的转子由径向充磁的永磁体构成时，就称为永磁轴流式血泵。 轴流式血泵已成为机械辅助循环研究领域的主流，其驱动问题的解决已显得尤为 重要，血泵驱动技术或能量传递形式是人工心脏研究的关键问题之一。所以国内 外学者在进行上述轴流式血泵相关研究的同时，在其驱动技术方面也进行了大量 的研究工作。在目前永磁轴流式血泵驱动技术研究中，具体驱动形式可分为经皮 导线驱动和外磁场驱动两种形式。 7 中南人学博十学位论文第一章文献综述 针对轴流式血泵经皮导线型等传统型驱动技术方面的研究，j o h n s o n 与 d e b a k e y 博士阳1 研制的主动脉辅助装置( d e b a l ( e yv a d ) ( 人工心脏) 对已有人工 心脏进行了改进，采用线圈驱动，但是该产品有导线穿过皮肤。陈海燕唧1 等提出 了经皮传能系统的构成及相关工作原理，并针对不同形状的铁芯、不同大小尺寸 的线圈的耦合性能进行了仿真分析，得到了相关结论；吕瑰丽哺等对轴流式血泵 所采用的微型无刷直流电动机的设计方法和关键参数组合进行了分析；d o nb o l s e n 2 1 等研制了一种采用磁悬浮，可实现径向移动和轴向稳定的叶轮驱动的轴 流式血泵。曾培3 1 提出了一种泵机合一结构的人工心脏叶轮血泵驱动电机及其控 制系统设计。吕瑰丽嘲1 对泵机一体化的驱动电机以及直流无刷电机无位置传 感器控制系统进行了研究。 血泵的传统驱动方式存在着下述问题： 1 、对于体内储能方式，由于目前大容量高能电池的发展受到限制，不可能 长时间向血泵提供足够的能量，限制了整个系统使用的连续性，同时由于整个 系统植入体内，受到人体排异的可能性很大，病人的生活质量也受到严重的影 响。 2 、至于通过导线( 管) 将外部能量导入血泵的方式，虽然解决了能量提供 不足的问题，但由于有导线( 管) 穿