體外驅動錐形螺旋葉輪血泵電機有限元仿真分析
殷桂梁，夏春雷，高殿榮
(燕山大學，河北秦皇島066004)
摘要：提出了一種新型的體外驅動血泵電機，設計了血泵電機的基本結構，通過理論分析，得出了在電機內部形成圓形旋轉磁場所需的三相定子電流相位。用ANSYS分析軟件對其進行了電機內部的磁場分析，得出了較為準確的分析結論，計算結果驗證了血泵電機結構的可行性。
關鍵詞：血泵；體外驅動；微電機
中圖分類號：TM381 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0029-03
0引 言
近年來，多種多樣的血泵被廣泛應用于輔助或代替自然心臟[1]。血泵主要分為脈動型和連續流型兩大類。連續流型血泵可以進一步分為離心式血泵和軸流式血泵[2,3]。脈動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流血泵上，而連續流血泵中的軸流泵與離心泵相比，由于具有體積小、質量輕、效率高、易于植入等優點，逐漸受到更多科研人員的關注。
在傳統的血泵系統中，大多采用體內儲能或通過導線向體內血泵提供能量，以維持血泵系統的能量供給[3,4]。由電池供電的體內儲能方式由于存在不能長時間地向血泵提供足夠的能量問題，因此主要應用于過渡性心臟功能輔助。而采用通過導線將體外的能量傳遞到體內，由于有一穿越皮膚的供能導線，存在產生感染的風險。
體外驅動血泵利用體外磁場進行驅動和控制，它和傳統血泵相比有很多優點。它不需要體內放置儲能裝置，也去掉了穿越人體傳遞能量的導線，這樣就解決了傳統血泵出現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。但是體外驅動血泵驅動系統的設計目前還不是十分成熟，處于研究階段，很多設計都沒有給出完整設計模型。在驅動方法上，現有的體外驅動血泵主要是采用體外旋轉永磁體來驅動體內永磁體轉動[5]，由于體內轉子轉速需要達到10 000 r/min，這樣人體外就需要存在一個高速旋轉的電機，并且這樣的外磁驅動裝置，距離和位置對其影響很大，它必須固定在人的胸前正對體內轉子的位置，所以說體外部分的放置是個很困難的問題。另外人胸前如果每天都帶著這樣一個電機，顯然對于人體自身和電機的穩定運行都是不利的，高速電機的轉動部件也必然存在磨損現象，它的維護也是個問題。文獻[6]提出了一種全磁浮錐形螺旋葉輪血泵的設計方案，根據該文所提出的血泵的設計特點，我們提出了一種體外驅動血泵電機的設計方法，設計出了完整的體外驅動電機，采用在人體外貼身布置線圈來產生旋轉磁場，通過這個交變的旋轉磁場對體內血泵進行驅動和控制。
1 電機結構
本文提出的體外驅動血泵電機的結構示意圖如圖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]。中設置電機轉子。考慮到人體實際情況將繞組集中布置在4X，BY，CZ幾處，有利于提高電機的效率。由于人體結構的特點，不可能采用一般三相電機的繞線方式，使三個繞組在空間上相差120°，為了在電機內部得到所需的旋轉磁場，可考慮將三相電流的相位設置為所需的相位角。
2 圓形旋轉磁場產生原理分析
由圖1的血泵電機結構可知，電機三個繞組在定子空間位置上并不是相差120°，若要得到圓形旋轉磁場，則需要改變三相電流的初始相位。
設各相電流幅值相同，B、C相繞組以A相繞組為軸面在空間上對稱分布，即：
初始相位分別為0°、90°和270°，即可在血泵電機內部產生所需的圓形旋轉磁場。
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磁場，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，都可以產生圓形旋轉磁動勢，只是不同α對應磁動勢幅值大小不同。
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