轴流式血泵无刷电机设计与研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1课题背景

图1人工心脏装配示意图

随着人们生活节奏的加快，生活压力的增加。心脏功能衰竭患者数量以每年5000万人次的惊人速度增长^[1],且平均死亡率高于癌症。心脏移植供体缺乏导致多数患者在等待中死亡。除了供体不足外，同种异体的自然心脏移植后存在免疫反应、排斥等诸多问题。且不易部分替代病损的心脏，补偿其部分丧失的生理功能。因此,人工心脏和机械式心脏辅助的研究已经成为医务科技人员和工程技术人员极为关注的焦点^[2-3]。泵机一体化的轴流式血泵实现将电机的旋转叶轮和永磁体一体化设计，通过永磁体旋转带动叶轮转动，彻底解决了电机的密封问题。叶轮血泵体积小、结构简单、效率高。近年来取得了较快的发展，成为人工心脏泵发展的趋势。磁悬浮轴承的发展，解决了机械轴承在人工血泵内产生的发热和摩擦问题。因此，轴流式磁悬浮血泵以其无接触的支承结构展现了广阔的应用前景，是解决心脏问题的一种有效手段。

电机是心脏泵的动力源。一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置得到了广泛的应用。传统的直流电动机采用电刷进行机械换向，存在机械摩擦，会带来噪声、摩擦、火花等致命弱点。随着晶体管技术突飞猛进的发展，无刷直流电机的应用技术越来越成熟。无刷直流电机具有效率高，体积小，重量轻等特点，且电机定子和转子无机械接触，可以解决心脏泵的溶血和血栓为题。直流无刷电机的电磁气隙大，使轴流式血泵的泵血效率更高。根据无刷电机的结构特点^[4]，将轴流式磁悬浮血泵的叶轮做成无刷电机的转子，可优化血泵驱动结构。无刷直流电机的转子采用了永磁铁。相对于传统的直流电机和异步电机，转子永磁型电机具有更高的功率密度和效率，受到广泛重视并已获得广泛应用^[5-6]。永磁转子产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行。对于恒功率运行，无刷电动机可通过控制方法的改进获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，可产生很大的气隙磁通，可大大缩小转子半径。无刷电机的这些特点，可以使血泵泵血更加稳定的高效。因此，轴流式磁悬浮血泵用无刷直流电机驱动，可以满足血泵驱动的苛刻条件。

1.2人工血泵发展现状

人工心脏泵，是一种部分或全部替代心脏泵血功能的机械装置，帮助衰竭心脏完成血液循环功能，同时降低病人的心肌耗氧量，改善心肌收缩力，促进病人自身心脏机能的恢复。人工心脏泵目前在临床上有三方面应用：1)心脏移植的过渡桥梁；2)心肌恢复的过渡支持；3)永久植入^[7]。

从二十世纪五十年代开始，美国率先开始了人工心脏的研究。到如今，人工心脏泵的研发经历的三代，第一代是气动搏动泵，泵的设计复杂，而且血栓

发生率很高。第2代是半植入式搏动泵和非搏动泵，病人可在院外使用，但是在泵的密封处、管道连接处仍然是血栓的高发部位。第3代血泵即为磁悬浮心脏泵，有离心式和轴流式两种^[8]。

目前,国外轴流式血泵较为典型的装置是Streamline和柏林 INCOR。美国匹兹堡大学设计研发了Streamliner泵（如图2），其叶轮的轴心处安放了磁力轴承,在八倍的重力加速度下能稳定运行。柏林心脏中心研究小组研制了 INCOR轴流泵（如图3），该血泵采用磁力支承，磁力轴承和位置传感器布置在叶轮两端，分别置于前后导叶轮轮毂内，轴向主动控制，叶轮旋转时产生的轴向干扰力可得到有效抑制。但这种结构在叶轮两端留有间隙，会导致血液回流，容易对血细胞产生破坏。

图2 Streamline叶轮 图3 Incor punp

我国心脏辅助装置研究起步也比较早，但是进展缓慢，大多还处于研究阶段。江苏大学的钱坤喜教授设计的江大III号和江大IV血泵，是一种串联式血泵^[9]。江大III号血泵(如图3)是一种微型轴流泵,与心脏瓣膜的形状类似,可将外壳缝在瓣膜的位置。该泵采用永磁轴承支承,减少控制环节的功耗。北京阜外心血管病医院李国荣博士^[10]等研究出了动力性主动脉瓣，一个类似于轴流泵叶轮的推进轮在主动脉瓣的位置主动旋转，转子由永磁材料制成，驱动磁体在外平行放置，起到泵血目的。山东大学刘淑琴教授设计的轴流泵属于并联式轴流血泵^[11](在心脏外侧连接心尖和动脉的血泵)。其支承方式类似INCOR泵(如图4),入口端采用动磁力轴承提供轴向力,径向力由两对永磁轴承提供,这种结构同样在叶轮的两端留有间隙。

图4江大III号血泵 图5山东大学血泵

1.3轴流式血泵用驱动电机研究现状分析

1955年，美国D.Harison等人申请了用晶体换向线路代替有刷直流电机换向的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。上世纪70 、80年代初，随着电机技术发展，无刷电机进入了实用阶段。我国无刷电机的研制开始于70年代，目前，国内高校，科研单位正在大力开展无刷电机的研究，但是由于自身条件限制，并没达到规模化生产。无刷电机的优越性已使它在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。

轴流式血泵用无刷电机做动力源是当下研究的热点。适合用于血泵驱动的无刷电机的结构和控制受到越来越多人的关注^[12-14]。人工心脏用驱动电机要求体积小、重量轻、效率高和耗能少，以便可以长期随同血泵一起植入试验动物或病人体内，减少电池的体积、重量，增加供电时间。此外，由于血泵驱动电机转子一般都浸泡在血液中，气隙太小容易引起血液成份的破坏，因而在电机设计中也要求有较大的气隙。因此电机转子尺寸必须减小，小转子、大气隙及高效率，是人工脏对驱动电机的特殊技术要求。目前研发的血泵驱动电机有以下几种：

a)北京交通大学的马春生提出了一种微型轴流泵驱动方案^[15]。定子和泵体分别如图6、图7所示，

图6 无刷电机定子 图7 泵体内部结构

定子由三相星型连接的单层整距电枢绕组和六齿槽硅钢片构成，它产生旋转磁场，对电机永磁体转子产生电磁力矩，带动电机转子旋转。由电机的转子和定子组成了驱动系统。控制系统采用了无位置传感器反电动势检测转子位置的控制方法。该设计结构可以减小血泵驱动系统的体积和重量。但是控制系统置于泵体之外，使血泵使用不便，且无位置传感器检测会使无刷电机启动转矩不稳定。

b)山东大学的杨晟，在文献[16]中: 介绍了一种可用于轴流式人工心脏泵的永磁无槽直流无刷电动机的结构及其驱动方法。电动机采用ML4425专用芯片作为主控芯片,通过调压控制电机的转速,从而达到控制血液流量及压力的目的。其研究的无槽电机由一个杯形绕组、两个定转子铁心和一个圆环形永久磁铁组成。如图8，图9所示。

图8 电机截面图 图9 定子绕组

该血泵驱动具有运行平稳噪声低的优点，但是电磁气隙小，无法满足血泵对泵血量的需求。且控制电路采用芯片众多，增加了控制系统的复杂程度，不便于控制系统和泵体结构一体化。

c)文献[17] 介绍了一种可用于人工心脏泵的爪极永磁步进电动机的结构与设计方法。电动机用AT89S51(方 波、正弦波、梯形波) 作为驱动激励信号，改变驱动激励信号的频率可以改变该人工脏泵转子的转速，即 可达到调节和控制血液输出的流量及压力。由两相定子绕组组成的爪极式永磁步进电动机如图10所示， 该爪极式电动机由4个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成。控制器采用AT89S51 DAC0832，072 等芯片组成脉冲波形及产生调频电路。该电机和控制器可以实现血泵的灵活调速，可以根据病人的具体 情况适时改变输出波形，从而改变转速。但是该电机结构复杂，制造不便。以及电磁气隙有限，限制了 它的使用范围。

图10 电机转子和定子安装位置 图11 实际电机定子

现有的轴流式血泵驱动普遍是在常规永磁无刷电机的基础上改造而来。为了探索一种更适合于血泵用的无刷驱动结构，仍需要对无刷电机的结构和控制系统进行优化改进。因此，本课题将着力解决、优化轴流式磁悬浮血泵无刷电机研制的相关问题。提出一种新型的血泵驱动结构。它具有电磁气隙大，调速方便，运行平稳等一系列优点，且控制系统简单，可以和血泵泵体做成一体植入受体。为轴流式血泵的实际应用迈出重要一步。

1.4 新型血泵驱动技术构想

通过上述的分析，本课题拟提出一种新型的轴流式血泵驱动结构。该驱动结构需要结构简单，电磁气隙大，控制系统简便且能满足各种控制功能。同时，电机的运行要平稳可靠，转矩波动小，调速方便。

初步设想电机的定子采用六齿槽硅钢片。定子绕组为三相六状态的星型连接。定子的形状及绕线方式如图12所示。aa bb cc分别接在一起，A-，B-，C-连接在一起，A ，B ，C ，为电机的三相引出线。该三相六状态的定子结构不仅可以保证电机运行平稳可靠，并且可以使电机的控制系统极为简洁。简化了控制器便于将控制系统和血泵泵体作为一体。同时，只有六状态的的定子绕组比普通的无刷电机绕组的制作工艺更为简便。驱动用的转子采用径向平行充磁的环形永磁铁，如图13所示。理论上，只要永磁铁的磁性够强，永磁铁的尺寸可以无限小。因此，该电机结构的电磁气隙只受定子形状的限制，即血泵外形大小的限制。这样可以将电磁气隙最大化，同时又不影响电机的使用功能。本课题拟通过电磁场仿真计算，算出最优的定子形状尺寸和转子大小尺寸。转子的位置依靠间隔120°布置的三片霍尔传感器来检测。该驱动结构使用霍尔传感器有以下优势。a)可以使转子的启动转矩更为稳定，保证血泵的正常工作状态。b)血泵磁悬浮轴承的转子位置检测，也可由该霍尔传感器来实现，简化结构。c)该驱动电机电磁气隙大，安装霍尔传感器对血泵的泵血效率影响不大。

图12 定子形状及绕线方式 图13 转子形状

永磁无刷电机的运行原理是根据转子的位置信息，改变三相绕组的电流相序，从而产生相斥的电磁力，使转子连续旋转。控制器的主要作用是根据转子位置信息提供给逆变电路正确的导通数据。为了使控制系统更为简洁，本课题拟采用电机专控芯片MC33033作为主控芯片，外搭接逆变电路，来实现血泵电机的调速，起停，电角度变换等控制要求。初步设想，控制器可以做成很小，在血泵的结构设计方面，可以吧驱动器置于血泵内，使血泵更为精简。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容、目标：

本课题的主要研究内容与目标：分析永磁无刷直流电机的运行原理及血泵用无刷驱动电机的特性要求，利用solidworks软件对设想的无刷电机设计方案进行建模仿真。然后利用ansoftmaxwell软件对该结构进行电磁场仿真计算，并不断优化设计数据。最终提出一种适合于血泵驱动用的大电磁气隙，运行稳定可靠的无刷直流电机设计。最终完成cad二维工程图的绘制，并制作出实验平台。利用altiumdesinger软件设计控制器的原理图，以及使用该软件进行pcb板的设计。pcb板的形状要和无刷电机的结构匹配，放置于无刷电机中。最终调试pcb板和无刷电机的性能。为轴流式磁悬浮血泵的进一步研究应用，提供驱动模块的技术保障。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅大量先关中外文献，完成开题报告和外文论文翻译。

第4周，进行电机结构的设计，以及完成三维建模仿真。

第5周，确定无刷电机的电磁参数，对电机进行电磁场仿真计算，并对结构做出优化设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]weiss wj.recentimprovement in a completely implanted total artificial heart.asaiojournal.1996;42;342.

[2]y. nose. can wedevelop a total implantable rotary blood pump artificial organs.1995,19(7):561~565.

[3]james k. kirklin, david c. naftel, robert l.kormos, et al. the fourth intermacs annual report: 4000 implants and counting.the journal of heart and lung transplantation, 2012, 31 (2).