轴流式血泵磁力驱动系统转矩特性研究

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Torque characteristics of magnetic drive system ofaxial flow blood pumpTAN Zhuo，TAN Jian-ping，LIU Yun-long，TAN Wei(Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)Abstract：To achieve the further minimization of blood pump volume，a study was conducted foeu-sing on the driving torque and load torque of the blood pump to provide guide to optimization of itsstructure.Three.alveolar and six.alveolar stators were designed based on the actual structure of axialflow blood pump.A 2-dimensional electromagnetic simulation model of magnetic drive system wasestablished and simulated by using ANSYS.The driving torque of two drive structures was calculatedand compared to study the relationship of current and drive torque and to model the load torque。

Correspondingly，a hydromechanics experiment of blood pump was conducted.The results show thatthe drive torque value which meets the demand of physiological indexes of human body is 0.010 7 N。mand three.alveolar structure has a better drive ability than that of six-alveolar stator in rated power。

Additionally.the drive capability of stator structure and the current illustrates a positive linear eorre-lation.When the current iS 0.32 A.three-alveolar stators can meet the requirement of drive torquewhen the pump rotates at 9 000 r/min.This study provides a theoretical basis for the design and op·timization of magnetic drive structure of blood pump。

Key words：axial blood pump；electromagnetic fields；ANSYS；drive torque；load torque活体心脏移植是目前救治终末期心脏病最有效的方法之-，但是心脏供体严重短缺，以我国为例，约收稿 日期 ：2012-11-06；修订日期：2012-11-29基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51075403)；教育部博士学科点专项资助基金项目(20100162110004)通讯联系人：谭建平(1963-)，男，湖南攸县人，中南大学教授，博士生导师；E-mail：jptan###163.eom。

第 2期 谭 卓等：轴流式血泵磁力驱动系统转矩特性研究 309有 1 000万心脏衰竭患者，每年200万以上患者因心衰而死亡，救治率不到十万分之五。国际上对人工心脏替代活体心脏移植已有数十年的研究，美国、德国和日本等少数发达国家研制的四款植入式人工心脏已通过美国Food and Drug Administration(FDA)认证。轴流式血泵具有体积孝噪声低，流量压力调节范围大而应用于人工心脏中，国际上应用于临床的轴流泵有 DeBakey VAD，Jarvik 2000，HeartMate 1 引。

人工心脏的发展方向为小型化、永久可植入、少并发症、高功效 。轴流式血泵主要由泵体和定子驱动部分组成，当泵体积-定的情况下，缩小定子体积能够提高血泵的可植入式程度；但是在同-功率时，定子体积与额定转矩成正比 ，在输入功率-定时，定子体积缩蝎影响驱动能力，驱动力矩可能小于负载力矩，血泵将不能正常工作。因此，对于微型化轴流泵，研究人体正常生理情况下泵的负载力矩与定子结构的驱动力矩变得很有必要。

本文以实际轴流泵为基础，设计了两种定子磁力驱动结构，利用 ANSYS仿真软件计算了两种结构的驱动力矩 ，研究了驱动电流对驱动力矩影响规律；建立血泵负载力矩模型，得出了血泵负载力矩实验公式，得到了人体正常生理情况下所需要的驱动力矩，研究结果对血泵的微型化设计提供了理论依据。

1 血泵介绍及定子结构设计为了使生理方面的需求得到充分满足，血泵要求满足平均出口压力为 70～120 mmHg，输出流量4～6 L/min。图 l为本课题组与清华大学在 国家863项 目合作 中使用 的微型轴流式血泵 Solidworks三维模型，血泵主要由进口导叶、转子叶轮和后导叶三排叶片组成，永磁体内置于转子叶轮中，通过磁耦合实现永磁体的旋转运动，带动转子叶轮旋转 ，从而实现血泵中血液的流动。

在血泵泵体体积-定的情况下，驱动定子结构的体积决定了整体体积，本文所研究的血泵基于永1.进 口导叶；2.泵外壳 ；3.转子叶轮；4.永磁体；5.后导叶图1 轴流式血泵三维模型Fig，.1 Three-dimensional model ofaxial flow blood pump磁无刷直流电机原理进行驱动，6槽是无刷直流电机中槽数最少的情况，但是鉴于某些特殊情况，可以进-步将齿槽数选取为 3；从电机设计角度而言，功率-定时，适当增大电机电磁负荷，可以降低电机主要尺寸川，三槽的设计可以增加每槽绕组匝数，从而提高电机电负荷，提高电机功率，达到缩小驱动定子结构体积的目的。

本文设计了三齿槽和六齿槽两种血泵驱动定子结构，定子结构主要参数如表 1所示 ，结构示意图如图2所示。定子绕组采券中绕组 Y型连接，集中绕组的优点是绕组端部部分缩短，导线用量减小，绕组线圈电阻降低，铜耗减少，电机的效率提高 ；同时为了减少定子铁耗和降低逆变器功率管的开关损耗，永磁体的极对数取 1。

表 1 定子基本参数值Tab.1 Stator basic parameter values(a)六齿槽 (b)三齿槽1.6齿2级定子；2.3齿2极定子；3.绕组；4.气隙；5.轴；6.血泵外壳 ；7.永磁体；S1.永磁体外边界；s2.定子外边界图2 六齿槽和三齿槽定子结构Fig.2 Structure of three alveolar and six alveolar stator310 广西大学学报 ：自然科学版 第 38卷2 轴流式血泵转矩特性研究2.1 基于ANSYS数值模拟的驱动力矩研究根据血泵磁力驱动定子结构，电机内电磁场数值分析时假设如下 ：① 忽略温度对材料磁导率的影响，磁导率均匀，材料各向同性。② 不计位移电流对磁场影响。③ 定子内部磁场沿轴向变化很小，采用二维瞬态电磁场分析，向量磁位只有 z轴分量。

根据电磁躇本理论及上述假设，电机内部二维电磁场方程为02A OAz，A ：0， (1)1 OA。 1 aA- s ，式中：A：为矢磁位； 为磁导率； 为传导电流密度； 为电导率；t为时间； 为永磁体等效电流密度。

通过 ANSYS仿真结果能够得到电磁场的各项性能参数1 ，定子结构的驱动能力通过电磁转矩进行衡量，麦克斯韦张力法是电磁转矩数值计算的基本方法，利用 ANSYS进行网格划分，将定子结构各气隙单元进行离散，可得血泵定子电磁转矩的计算式为 1 21 . 。

： r ( )B，( )B ( )d ， (2)0式中：r(i)为第 i个气隙单元的旋转半径；B (i)和B，(i)分别为气隙第 i个单元磁通密度的径向和切向分量；d 2耵/n为每个单元所占的机械角度。

2.1.1 材料类型设置与仿真模型建立驱动定子结构采用叠片结构，由硅钢片叠压而成，这样做是为了减少涡流效应以降低运行时的损耗，硅钢片相对磁导率为7 000，永磁体各性能参数如表 2所示。

表2 永磁体基本参数值Tab.2 Basic parameter value of permanent magneticANSYS提供了ANSYS参数化设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)、用户可编程特性语言(UPFS)3种二次开发工具。本文根据定子结构参数，利用 ANSYS中的APDL语言实现驱动定子结构的有限元模型建立。

2.1.2 网格划分在有限元求解中，基础是网格划分，其划分质量直接决定了求解的精度；在血泵定子二维电磁场求解模型中，定子、永磁体、线圈和空气通过二维实体单元模拟，ANSYS中对应单元型号为 PLANE53，智能网格划分等级为2；空气边界采用远场单元模拟，单元型号为INFIN9，网格划分大小为0.001。

2.1.3 载荷施加与求解定子绕组通电导线线圈的加载是通过加载电流密度，电流密度(.，)的计算式为JN·//S， (3)式中：Ⅳ为线圈匝数；，为线圈电流；S为槽面积。

在进行驱动力矩仿真求解时，需要将永磁体定义为组建，在此命名为YCT，并通过ANSYS中的宏FMAGBC对 YCT施加力标志。在血泵-个旋转周期中，定子通电线圈对应 6个状态，线圈电流的加载根据永磁体的旋转磁极位置决定，同时血泵0～360。旋转位置的改变通过控制永磁体的矫顽力分量，加载好电流和设置好矫顽力分量后，求解器选用系统默认的即可。

在不同磁极状态下，分别对两种定子结构，永磁体角位移于0。到 360。之间所受的驱动力矩进行仿第 2期 谭 卓等：轴流式血泵磁力驱动系统转矩特性研究 311真分析，通过曲线拟合得到两种定子结构的驱动力矩的最大包络线，进而得到血泵的平均驱动力矩。

2.1.4 仿真结果及分析本文 ANSYS仿真建模得到的是二维驱动力矩，实际驱动血泵的是三维力矩，他们之间存在关系 3T ·Z， (4)式中： 为三维力矩， 为二维仿真力矩，Z为定子铁芯长度。

图3为额定功率(U20 V，，0.5 A)磁耦合力矩随永磁体角度变化规律曲线；图4为在不同仿真电流下，两种定子结构平均驱动力矩随驱动电流的变化规律。

020Ol8016014O12O1O008006004002O0/(。) /A图3 -个旋转周期下永磁体所受电磁力矩变化曲线 图4 不同电流下平均力矩值Fig.3 Electromagnetic torque curve of permanent Fig.4 Average torque value of diferent currentmagenetic under one rotating cycle① 由图3可以看出，永磁体由0o转过360。为-个旋转周期，两种定子结构的驱动力矩与角位移呈类似正弦变化规律趋势；在额定电流为0.5 A时，利用 MATLAB软件(trapz函数)计算得出，三齿槽定子结构平均驱动力矩为0.0182 N·m，六齿槽定子结构平均驱动力矩为0.0107 N·m；在电流和相线圈匝数-样时，三齿槽结构比六齿槽结构具有更好的驱动性能。

② 由图4可知，电流与驱动力矩呈线性正相关关系，电流增大，三齿槽和六齿槽结构的平均驱动力矩都增大，但三齿槽定子结构平均驱动力矩变化趋势大于六齿槽。

2.2 血泵负载力矩求解对于轴流泵，其负载特性可以表示为 1 ToC1n ， (5)式中： 为负载力矩；ro为摩擦转矩；c 为常数； 为转速。

在血泵恒转速状态下，通过定子与永磁体磁耦合传递的驱动力矩与血泵的负载力矩值相等，如果忽略轴流泵的功率损失，则血泵的输入功率等于输出功率，有： Q·Pg(Ha )， (6)式中： 为净扬程； 为血泵出口能量转化的水头高度， 为泵装置流道内损失扬程；Q为泵流量；和 的计算公式如下：f日 ： 2gS ， (7) ：AQ：式中：s为流道截面积；人为泵装置流道水力摩擦系数。

将式(7)代人式(6)可得 (Za )。 (8)Zg通过血泵流体力学特性试验，得到不同转速下的净扬程及流量，血泵不同转速下流量与扬程值如图7所示，利用公式(8)得到不同转速 下的 值，将得到的不同负载力矩值进行曲线拟合，可得血泵负载力矩估算模型为：312 广西大学学报：自然科学版 第 38卷7.09×10- 1.2×10- ， (9)式中：n表示轴流式血泵的转速(racL/s)；TL为血泵负载力矩值(N·m)。

由式(9)可见，血泵在正常转速范围1 000～9 000 r/rain内的负载力矩为0.000 13-0.010 7 N·m。

对于所设计的两种定子结构，在额定功率下，三齿槽结构能够完全满足工作要求，六齿槽定子结构由于最小驱动力矩要比负载力矩小，可能造成血泵运转过程失步，从而使血泵不能正常运转。

3 实验研究① 实验目的：利用血泵流体力学实验台对定子驱动性能进行测试，研究泵在不同转速下的压力-流量关系，并估算血泵的转速与负载力矩关系。

② 实验设备：流体力学特性测试实验通过在自行设计的流体循环装置中进行。实验台主要由轴流式血泵及三齿槽定子(见图5)、压力计、阻尼阀、流量计、流量调节阀、储水容器和控制系统构成，系统实验框图如图6所示。

图5 血泵及三齿槽定子样机Fig.5 Blood pump and three-alveolar stator prototype图6 体外模拟循环台示意图Fig.6 Vitro analog loop station diagram③ 实验方法1)压力、流量关系测试：为了尽量达到和真实血液-致的实验结果，实验中选用 30%甘油水溶液作为血泵流量、压力特性测试流体。粘滞度和密度是影响流体特性测试结果的主要参数，该混合液的粘滞度和密度接近于血液，能够获得利用血液进行测试时-致的结果。血泵的人口压力和出口压力分别通过调节储水容器的液面高度和阻尼阀的开口实现，利用反电势法检测转子位置，调节输入电流实现血泵在 1 000-9 000 r/rain范围内转速连续可调，记录不同转速下流量计和压力计的数值。

2)定子驱动能力测试：调节控制系统输入电流大小，测试不同电流情况下血泵能达到的最大转速，即为血泵能够达到的最大驱动能力。

④ 实验结果及分析图7为泵在不同转速下的流量-压力特性曲线。由图7可知，在转速-定的情况下，压力增大，流量降低；在泵恒压状态下，流量变化与转速直接相关，转速增大，流量增加。在满足人体正常生理条件下，血泵转速应在 1 000-9 000 r/min可调，达到人体正常血压90 mmHg(13.3 kPa)、流量 3～6 L/rain内可调节。由图7可知，在血泵转速为 9 000 r/rain时，其流量调节范围满足人体生理要求，当压力为100 mmHg时，泵流量达到了5.2 L/min，完全满足临床心衰患者辅助循环要求。

图8为不同驱动电流下仿真能够达到的最大转速值与实验值对比。由图8可知，在同-电流下，仿真驱动力矩要大于实际值，电流增大时，二者差距减小，主要原因是仿真建模时硅钢片磁导率设为常值，实际加工制作的电磁体硅钢片材料磁导率具有非线性 ，其实际磁导率比仿真值要小，所以存在仿真值比实际值大，但是二者走向-致，