一種磁阻懸浮離心式裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種人工心臟輔助裝置，尤其是一種磁阻懸浮離心式裝置。所述裝置包括磁懸浮定子（1），磁懸浮轉(zhuǎn)子（2），間隙（3）三部分，左徑向磁化永磁陣列（11）和右徑向磁化永磁陣列（14）均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子（1）內(nèi)壁左右兩側(cè)，左線圈繞組（12）和右線圈繞組（13），位于磁懸浮定子（1）內(nèi)側(cè)居中位置，左徑向磁化永磁環(huán)（21）和右徑向磁化永磁環(huán)（23）固定在轉(zhuǎn)軸（20）的左右兩側(cè)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片（22）固定在轉(zhuǎn)軸（20）的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而成。它有效解決了第三代人工心臟輔助裝置體積大、功耗高的問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種磁阻懸浮罔心式裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種人工心臟輔助裝置，尤其是一種磁阻懸浮離心式裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]心臟是人體血液循環(huán)的動(dòng)力源，心血管疾病已成為醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)，心臟移植是治療重危心臟病患者的重要途徑，然而心臟需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了供給量，人工心臟輔助裝置產(chǎn)生了。第一代人工心臟輔助裝置利用機(jī)械或電磁驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生周期性的容積變化，模擬心臟的跳動(dòng)，其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短；第二代人工心臟輔助裝置采用機(jī)械軸承支承高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，因摩擦造成血液磨損、發(fā)熱，誘發(fā)溶血、血栓等問(wèn)題，嚴(yán)重制約人工心臟的發(fā)展；第三代人工心臟輔助裝置采用非接觸磁懸浮技術(shù)，通過(guò)非接觸磁力的作用實(shí)現(xiàn)葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)血液流動(dòng)，然而根據(jù)英國(guó)科學(xué)家的理論，全依靠永磁體是無(wú)法實(shí)現(xiàn)五自由度穩(wěn)定懸浮的，為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行電磁控制，因此這一代人工心臟輔助裝置基本包括:傳感器、控制器、電磁鐵、驅(qū)動(dòng)葉輪，機(jī)械結(jié)構(gòu)等，其體積偏大、發(fā)熱和能耗較聞。
[0003]采用磁懸浮控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸支承，完全取代機(jī)械式軸承，但如果僅僅是為了取代人工心臟輔助裝置中的機(jī)械軸承，加之電機(jī)部分，那么其體積是不可能小的，也就無(wú)法移入人體使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，小功率電機(jī)技術(shù)日益成熟，特別是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，啟動(dòng)電流小，效率高功耗小，可靠性高，調(diào)速性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，弓丨起了人們的日益關(guān)注，已成功應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域，而無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)也成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了解決第三代人工心臟輔助裝置體積偏大、發(fā)熱和能耗較高、可靠性差的問(wèn)題，綜合應(yīng)用磁懸浮控制技術(shù)、無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)，本發(fā)明提出一種磁阻懸浮離心式裝置，采用對(duì)稱分布的永磁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸懸浮，降低了控制系統(tǒng)的功耗，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用使命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種磁阻懸浮離心式裝置，所述裝置可置于人體中，包括磁懸浮定子，磁懸浮轉(zhuǎn)子，間隙，所述磁懸浮定子由定子外殼，左徑向磁化永磁陣列，左線圈繞組，右線圈繞組，右徑向磁化永磁陣列，液體輸入口，液體輸出口，凹形口，電機(jī)定子鐵芯組成，左徑向磁化永磁陣列和右徑向磁化永磁陣列均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子內(nèi)壁左右兩側(cè)，左線圈繞組和右線圈繞組，纏繞在磁懸浮定子內(nèi)側(cè)居中位置的電機(jī)定子鐵芯上，液體輸入口在磁懸浮定子左右兩側(cè)偏下位置，液體輸出口在磁懸浮定子上側(cè)居中位置，所述磁懸浮轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸，左徑向磁化永磁環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片，右徑向磁化永磁環(huán)組成，左徑向磁化永磁環(huán)和右徑向磁化永磁環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸的左右兩側(cè)，且相對(duì)于轉(zhuǎn)軸末端的距離可以調(diào)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片固定在轉(zhuǎn)軸的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而.。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，左徑向磁化永磁陣列，右徑向磁化永磁陣列，左徑向磁化永磁環(huán)，右徑向磁化永磁環(huán)均呈圓環(huán)形，均由一個(gè)徑向充磁的圓環(huán)構(gòu)成或由多個(gè)長(zhǎng)條狀的永磁體拼成圓環(huán)狀，所述左徑向磁化永磁陣列與左徑向磁化永磁環(huán)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述右徑向磁化永磁陣列與右徑向磁化永磁環(huán)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述排斥力的合力能實(shí)現(xiàn)磁懸浮轉(zhuǎn)子的五自由度非穩(wěn)定磁懸浮。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，左線圈繞組和右線圈繞組均包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組借助電磁吸引力，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁懸浮轉(zhuǎn)子的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，在磁懸浮轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁旋轉(zhuǎn)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的速度調(diào)節(jié)。
[0008]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片呈彎齒狀，電機(jī)定子鐵芯呈凸齒形，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片和電機(jī)定子鐵芯對(duì)應(yīng)的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒，以轉(zhuǎn)軸為圓心，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片與間隙接觸的表面平行于電機(jī)定子鐵芯與同一間隙接觸的表面，以通過(guò)較多的磁通量，在左線圈繞組和右線圈繞組控制下，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片具有磁力懸浮、速度調(diào)節(jié)和血液驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，轉(zhuǎn)軸的兩端呈凸尖狀，在軸向調(diào)節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子其中一側(cè)的凹形口里高速旋轉(zhuǎn)，可靠性高。
[0010]本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是低功耗下磁懸浮轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮與速度調(diào)節(jié)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)較低的系統(tǒng)功耗，必然要采用永磁體，永磁體之間的作用力減小控制電流的消耗，本發(fā)明采用了兩組對(duì)稱分布、結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)相當(dāng)?shù)挠来怒h(huán)，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮轉(zhuǎn)子軸向完全永磁懸浮、徑向半永磁懸浮的狀態(tài)，然而完全由永磁體構(gòu)成的被動(dòng)式磁力懸浮裝置是不可能獲得五自由度穩(wěn)定平衡的，當(dāng)磁懸浮轉(zhuǎn)子位置發(fā)生徑向偏移后，線圈繞組中的懸浮力繞組產(chǎn)生電磁吸引力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，同時(shí)線圈繞組中的電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的速度調(diào)節(jié)，并依靠智能控制算法，完成磁懸浮轉(zhuǎn)子的位置估計(jì)、電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)葉輪的統(tǒng)一，通過(guò)彎齒狀硅鋼片疊加而成的電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片可實(shí)現(xiàn)電磁懸浮、速度調(diào)節(jié)和血液驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小了人工心臟輔助裝置的體積，滿足植入人體的需求。采用對(duì)稱分布的永磁體結(jié)構(gòu)克服磁懸浮轉(zhuǎn)子的自身重力，并抑制液體流動(dòng)的軸向力，減小了線圈繞組中的電流消耗，系統(tǒng)功耗較低。本發(fā)明所示的磁阻懸浮離心式裝置，線圈繞組分為懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組產(chǎn)生徑向懸浮力，電磁力繞組產(chǎn)生電磁旋轉(zhuǎn)力，徑向懸浮力和電磁旋轉(zhuǎn)力由2個(gè)電流單獨(dú)控制。轉(zhuǎn)軸兩端呈凸尖狀，軸向調(diào)節(jié)失效時(shí)，頂在凹形口里高速旋轉(zhuǎn)，可靠性高。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明一個(gè)8/12齒實(shí)施例的八-八側(cè)視圖。
[0014]圖中:1磁懸浮定子,2磁懸浮轉(zhuǎn)子,3間隙，10定子外殼,11左徑向磁化永磁陣列，12左線圈繞組，13右線圈繞組，14右徑向磁化永磁陣列，15液體輸入口，16液體輸出口，17凹形口，18電機(jī)定子鐵芯，20轉(zhuǎn)軸，21左徑向磁化永磁環(huán)，22電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片，23右徑向磁化永磁環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明主要由磁懸浮定子1，磁懸浮轉(zhuǎn)子2，間隙3組成，所述磁懸浮定子1包括:定子外殼10，左徑向磁化永磁陣列11，左線圈繞組12，右線圈繞組13，右徑向磁化永磁陣列14，液體輸入口 15，液體輸出口 16，凹形口 17，電機(jī)定子鐵芯18 ；所述磁懸浮轉(zhuǎn)子2包括:轉(zhuǎn)軸20，左徑向磁化永磁環(huán)21，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片22，右徑向磁化永磁環(huán)23。液體輸入口 15在磁懸浮定子1左右兩側(cè)偏下位置，液體輸出口 16在磁懸浮定子1上側(cè)居中位置，液體通過(guò)液體輸入口 15進(jìn)入磁懸浮裝置，經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片22的驅(qū)動(dòng)，從液體輸出口 16流出磁懸浮裝置。
[0016]左徑向磁化永磁陣列11和右徑向磁化永磁陣列14均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子1的內(nèi)壁左右兩側(cè)，由徑向充磁的釹鐵硼永磁材料制成，左線圈繞組12和右線圈繞組13，纏繞在磁懸浮定子1內(nèi)側(cè)居中位置的電機(jī)定子鐵芯18上，分別包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組和電磁力繞組中的電流是獨(dú)立控制的，懸浮力繞組產(chǎn)生徑向電磁吸引力，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁懸浮轉(zhuǎn)子2的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，產(chǎn)生電磁旋轉(zhuǎn)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子2的速度調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)人工心臟輔助裝置的輸出血壓和流量，滿足不同患者的需求。
[0017]左徑向磁化永磁環(huán)21和右徑向磁化永磁環(huán)23由徑向充磁的釹鐵硼永磁材料制成，套在轉(zhuǎn)軸20的左右兩側(cè)，且相對(duì)于轉(zhuǎn)軸20末端的距離可以調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)永磁力作用力的大小。電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片22固定在轉(zhuǎn)軸20的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而成，有驅(qū)動(dòng)液體和導(dǎo)磁的作用，在左線圈繞組12和右線圈繞組13控制下，可實(shí)現(xiàn)磁力懸浮、速度調(diào)節(jié)和血液驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)功能，電機(jī)定子鐵芯18呈凸齒形，由硅鋼片疊加而成，嵌入在定子外殼10里，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片22和電機(jī)定子鐵芯18對(duì)應(yīng)的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒。轉(zhuǎn)軸20的兩端呈凸尖狀，在軸向調(diào)節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子1其中一側(cè)的凹形口 17里高速旋轉(zhuǎn)，其陀螺效應(yīng)仍有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，提高了系統(tǒng)可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:所述裝置可置于人體中，包括磁懸浮定子(I)，磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)，間隙(3)，所述磁懸浮定子(I)由定子外殼(10)，左徑向磁化永磁陣列(II)，左線圈繞組(12)，右線圈繞組(13 )，右徑向磁化永磁陣列(14 )，液體輸入口( 15 )，液體輸出口(16)，凹形口(17)，電機(jī)定子鐵芯(18 )組成，左徑向磁化永磁陣列(11)和右徑向磁化永磁陣列(14)均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子(I)內(nèi)壁左右兩側(cè)，左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)，纏繞在磁懸浮定子(I)內(nèi)側(cè)居中位置的電機(jī)定子鐵芯(18)上，液體輸入口( 15)在磁懸浮定子(I)左右兩側(cè)偏下位置,液體輸出口( 16)在磁懸浮定子(I)上側(cè)居中位置，所述磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)由轉(zhuǎn)軸(20)，左徑向磁化永磁環(huán)(21)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)，右徑向磁化永磁環(huán)(23)組成，左徑向磁化永磁環(huán)(21)和右徑向磁化永磁環(huán)(23)固定在轉(zhuǎn)軸(20)的左右兩側(cè)，且相對(duì)于轉(zhuǎn)軸(20)末端的距離可以調(diào)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)固定在轉(zhuǎn)軸(20 )的中間，呈彎齒狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:左徑向磁化永磁陣列(11 )，右徑向磁化永磁陣列(14 )，左徑向磁化永磁環(huán)(21 )，右徑向磁化永磁環(huán)(23 )均呈圓環(huán)形，均由一個(gè)徑向充磁的圓環(huán)構(gòu)成或由多個(gè)長(zhǎng)條狀的永磁體拼成圓環(huán)狀，所述左徑向磁化永磁陣列(11)與左徑向磁化永磁環(huán)(21)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述右徑向磁化永磁陣列(14)與右徑向磁化永磁環(huán)(23)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述排斥力的合力能實(shí)現(xiàn)磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)的五自由度非穩(wěn)定磁懸浮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)均包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組借助電磁吸引力，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，在磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)產(chǎn)生電磁旋轉(zhuǎn)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子(2)的速度調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)呈彎齒狀，電機(jī)定子鐵芯(18)呈凸齒形，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)和電機(jī)定子鐵芯(18)對(duì)應(yīng)的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒，以轉(zhuǎn)軸(20)為圓心，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)與間隙(3)接觸的表面平行于電機(jī)定子鐵芯(18)與同一間隙(3)接觸的表面，以通過(guò)較多的磁通量，在左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)控制下，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯葉片(22)具有磁力懸浮、速度調(diào)節(jié)和血液驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:轉(zhuǎn)軸(20)的兩端呈凸尖狀，在軸向調(diào)節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子(I)其中一側(cè)的凹形口( 17)里高速旋轉(zhuǎn)，可靠性高。
【文檔編號(hào)】A61M1/12GK104307063SQ201410549526
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】孫傳余, 肖林京, 李波, 文藝成 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)