基于永磁同步電機(jī)和電磁軸承的人工心臟研究
沈建新1，羅 佳2(1．新加坡南洋理工大學(xué)，新加坡；2．浙江大學(xué)，浙江杭洲310027)
摘要：提出的新型可植入式人工心臟是由軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在人工心臟泵的葉輪上，并因電磁軸承的作用而懸浮。文中將重點(diǎn)分析該電機(jī)及軸承的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，并給出了一些相關(guān)的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞：人工心臟；永磁同步電動(dòng)機(jī)}電磁軸承
中圖分類號(hào)：tm341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2000)01-0003-04
1 引 言
近年，人工心臟的應(yīng)用日趨廣泛。人工心臟的主體是微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵。傳統(tǒng)的人工心臟利用機(jī)械軸連按電機(jī)轉(zhuǎn)子和泵的葉輪，連接軸和葉輪都由機(jī)械式軸承支撐。這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是血液會(huì)凝結(jié)在軸承處，密封不佳，體積過大。
因此，近年人工心臟的研究重點(diǎn)在于使用電磁軸承取代連接軸[1-3]。一般性的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在這些設(shè)計(jì)中，電磁軸承的永磁轉(zhuǎn)子安裝在泵的葉輪上，置于泵殼內(nèi)，而軸承的定子由電磁系統(tǒng)組成，安裝在泵殼外，通過適當(dāng)?shù)目刂品椒ǹ梢允谷~輪懸浮。然而，有些電磁軸承的設(shè)計(jì)還不能使葉輪真正懸浮，為此需要使用支點(diǎn)來輔助懸浮。這種帶輔助支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化電磁軸承的設(shè)計(jì)和控制方法，卻增加了人工心臟的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并且降低了其使用壽命。另外，在圖1的設(shè)計(jì)中還需要一個(gè)傳統(tǒng)電機(jī)及磁耦合器來驅(qū)動(dòng)泵的葉輪。磁耦合器由外盤和內(nèi)盤構(gòu)成。圖示的外盤中嵌有磁鋼，固定在電機(jī)軸上；內(nèi)盤中嵌有相同數(shù)量的磁鋼，固定在泵的葉輪上。這兩個(gè)圓盤隔著泵殼而面對(duì)面安裝。這樣，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以通過內(nèi)、外盤的磁耦合傳遞到泵的葉輪上，而不需機(jī)械的連接軸。這種磁耦合器的缺點(diǎn)在于：
①兩圓盤間的有效距離是三部分的總和：內(nèi)盤和泵殼內(nèi)壁的間隙，泵殼壁的厚度，以及外盤和泵殼外壁的間隙。顯然，在起動(dòng)盛重載時(shí)，這樣大的氣隙極易造成磁耦合器的失步。
②傳統(tǒng)電機(jī)和磁耦合器結(jié)構(gòu)的人工心臟體積笨重。
為了克服以上的缺點(diǎn)，作者提出了一種新型的人工心臟，它的葉輪直接由軸向磁場(chǎng)型的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而不用磁耦合器，并且由于電磁軸承的作用而懸浮良好。圖2是新型人工心臟的截面圖，其各個(gè)元件的名稱列于表1中。文中將重點(diǎn)介紹這種軸向磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)及電磁軸承。
2軸向磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)
永磁同步電動(dòng)機(jī)中存在兩個(gè)磁場(chǎng)：一個(gè)是定子電樞電流產(chǎn)生的同步速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，另一個(gè)是相對(duì)轉(zhuǎn)子靜止的轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)。而這兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用使它們的穩(wěn)態(tài)相對(duì)速度為零，故轉(zhuǎn)子本身也以同步速運(yùn)行。引言中描述過的磁耦合器可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)盤與軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子類似；外盤的軸向磁場(chǎng)和外盤自身相對(duì)靜止，但是當(dāng)外盤由傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，它的磁場(chǎng)也同步旋轉(zhuǎn)，這和1臺(tái)軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子相似。因此，設(shè)計(jì)成以軸向磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)人工心臟。它的轉(zhuǎn)子安裝在泵的葉輪上代替磁耦合器的內(nèi)盤，其定子安裝在泵殼外取代外盤和傳統(tǒng)電機(jī)。
如圖2所示，軸向磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軛部和4個(gè)扇形平板磁鋼安裝在1個(gè)鋁殼內(nèi)，并由鋁蓋密封以防止液體滲漏。電機(jī)轉(zhuǎn)子鋁蓋的厚度、轉(zhuǎn)子鋁蓋和泵殼內(nèi)壁的間隙、泵殼壁酌厚度分別用g、ga和gh表示。另一方面，軸向磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)通常使用無槽的集中繞組[（如圖3所示）或環(huán)形繞組。令繞組的厚度為g。因此，電機(jī)總的氣隙將達(dá)到：g=ge+ga+gh+gw。gc=0.5mm，ga =0. 7mm，gh=lmm，如果使用無槽式繞組，gw的值往往大于3項(xiàng)的總和。電機(jī)有效氣隙太大，導(dǎo)致磁鋼工作點(diǎn)太低，磁鋼的使用效率下降，所產(chǎn)生的磁通少且多為漏磁。無槽式集中繞組的線圈節(jié)距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于120度（電角度），其繞組系數(shù)很低，繞組效率不高。因此，有必要重新設(shè)計(jì)繞組以減小gw和增加節(jié)距。
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