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轴流式磁悬浮人工心脏泵磁悬浮系统研究

关勇  
【摘要】:心脏衰竭是心脏病发展的严重阶段,直接威胁病人生命,由于很难及时找到心脏供体进行心脏移植手术,因此,大部分病人需要人工心脏来辅助人体心脏完成泵血功能,维持生命,直至找到合适的心脏供体;人工心脏在辅助心脏完成泵血功能的同时,可帮助病变的心脏恢复机能,是非药物治疗心衰的重要手段。而目前临床采用的第二代人工心脏泵,其机械轴承处的发热比较严重、易磨损、对血液损伤大、容易形成溶血和血栓等问题,限制了其发展和应用。磁悬浮轴承能够实现转子的无接触悬浮支承,消除了轴承处的机械摩擦和磨损,降低了对血液的破坏作用,也降低了溶血和血栓的发生几率,延长了整机寿命。因此,研究可用于人体移植的磁悬浮人工心脏泵具有十分重要的科学意义和社会意义。 目前,国际上针对磁悬浮人工心脏泵的研究取得了长足发展,但是可用于临床的还很少,还有很多方面需要改进和完善。磁悬浮人工心脏泵是高度集成机械结构学、转子动力学、流体力学、电磁学、自动控制技术、传感器技术、电子技术等诸多学科的先进知识于一体的机电一体化装置,其核心部件包括磁悬浮轴承、叶轮转子以及驱动电机。叶轮转子和驱动电机的设计可以借鉴第二代人工心脏泵的技术,但用于人工心脏泵的磁悬浮轴承技术还未形成成熟的设计、分析和调试理论体系,需要进行深入细致的研究。因此,磁悬浮轴承系统的研究成为磁悬浮人工心脏泵研究的热点和难点。 磁悬浮轴承可以分为电磁轴承、永磁轴承和混合磁力轴承等多种类型。电磁轴承的结构和控制系统比较复杂,消耗功耗,但是可以实现转子的五自由度主动悬浮控制;永磁轴承结构简单,无需控制系统,无功耗,但是不能实现转子的五自由度全悬浮;混合磁力轴承兼有电磁轴承和永磁轴承的特点,可实现转子主动悬浮控制,功耗和发热都较小,但结构设计更复杂。通过综合分析,磁悬浮人工心脏泵采用永磁轴承和电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统是比较合适的,但是如何将这两种轴承完美地融合于人工心脏泵的狭小空间中是研究的重点和难点。 本文针对用于轴流式人工心脏泵的采用径向永磁轴承和轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统进行了系统深入的研究,设计了磁悬浮人工心脏泵原型机,实现了原型机转子的五自由度稳定全悬浮,对磁悬浮人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计、分析和调试方法进行了探索研究,包括机械结构设计、系统建模、控制器设计、转子位移检测和实验调试等。本文深入研究了径向永磁轴承和轴向电磁轴承的特性以及相互间的耦合关系,基于这种耦合关系,提出了径向永磁轴承与轴向电磁轴承相结合的心脏泵转子磁悬浮支承方案,融合了永磁轴承和电磁轴承的优势,针对具体的系统进行了优化设计;基于径向永磁轴承转子磁环的磁场耦合,提出了基于霍尔传感器的心脏泵转子轴向位移径向检测方法,实现了转子轴向位移检测,省去了单独的被测器件,简化了系统结构;基于径向永磁轴承的磁场分析,采用多个霍尔传感器径向对称布置方案,消除了转子径向位移对轴向位移检测的影响,提高了检测精度;完成了轴向电磁轴承系统的模拟PID控制器和线性功率放大器的设计;磁悬浮人工心脏泵原型机转子的悬浮实验和旋转实验表明所提出的磁悬浮轴承系统方案及转子轴向位移检测方法是切实可行的,满足了系统要求。论文的主要研究内容如下: (1)研究了径向永磁轴承的悬浮原理、结构及力学特性。建立径向永磁轴承的有限元模型,利用有限元法分析计算径向永磁轴承的承载力及刚度特性,找出了径向永磁轴承的刚度随定转子磁环间的相对轴向位移的变化规律,以及径向永磁轴承的刚度随着永磁环径向厚度和轴向长度的变化规律。根据人工心脏泵的转子转速及人体生理需求等参数,设计并优化了径向永磁轴承。 (2)基于轴向电磁轴承与径向永磁轴承之间的力耦合和刚度耦合,提出了轴流式人工心脏泵的磁悬浮轴承系统的设计方案。建立了轴向电磁轴承的承载力模型,并对其力学特性进行了研究。基于心脏泵转子的受力平衡分析,研究了径向永磁轴承和轴向电磁轴承之间的力耦合和刚度耦合关系,基于这种耦合关系,提出了心脏泵磁悬浮轴承系统的两种设计方案:降低功耗设计方案和减小体积设计方案,给出了两种方案的设计准则,并对轴向电磁轴承进行了设计和优化。所提方案解决了轴流式人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计和控制难题。 (3)由于轴向电磁轴承必须在闭环情况下才能稳定工作,所以必须对转子的轴向位移进行检测。基于径向永磁轴承的磁场分析,提出了利用径向布置的霍尔传感器检测转子轴向位移的间接检测方法,并设计了转子轴向位移检测系统。由于人工心脏泵要求功耗低、体积小,传统的轴向位移检测需要额外的被测元件,增加了心脏泵的质量与体积,同时也导致系统结构比较复杂,因此,本文首先从理论上研究了霍尔传感器的输出信号与径向永磁轴承转子磁环磁场的变化关系。在此基础上,采用径向放置的霍尔传感器检测径向永磁轴承转子磁环磁场在传感器处的变化,来反映转子的轴向位移,省去了额外的被测器件,有效减小了心脏泵的长度、体积和质量。基于径向永磁轴承的磁场分析,提出了多个霍尔传感器径向对称布置的方案,解决了霍尔传感器输出中转子径向位移和轴向位移的耦合带来的问题,提高了轴向位移检测精度。设计了具有良好的检测精度和线性度的心脏泵转子轴向位移径向检测系统,为轴向电磁轴承的主动控制提供转子轴向位移信号。 (4)设计了磁悬浮人工心脏泵轴向电磁轴承控制系统。在分析转子重力及血液对转子运动的影响的基础上,把转子的重力视作干扰力,建立了磁悬浮人工心脏泵转子的动力学模型,并对转子进行了动力学分析,为轴向电磁轴承的控制器研究和设计提供了基础。设计了磁悬浮人工心脏泵轴向电磁轴承系统的模拟PID控制器和线性功率放大器,并进行了仿真。对设计的控制系统进行了带宽、相位延迟等各项性能指标的测试及调试。 (5)研制出了国内首台轴流式磁悬浮人工心脏泵原型机。该原型机采用了径向永磁轴承和单端轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统,基于霍尔传感器的转子轴向位移径向检测系统,以及模拟PID控制器和线性功率放大器。对原型机进行了起浮实验、静态悬浮实验、抗干扰实验以及旋转实验。在转子起浮时,启动过程短,转子快速到达中间悬浮位置;转子静态稳定悬浮时,轴向悬浮精度为1.6μm;在受到冲击干扰后,转子经过数个振荡后快速回复到原悬浮位置;在无槽永磁直流无刷电动机驱动下,转子在空气中的最高转速达到5100r/min,转子的轴向最大振幅不超过7μm。实验结果表明系统具有良好的起浮性能、抗冲击干扰性能和悬浮精度。 本文的研究工作初步建立起了一套轴流式磁悬浮人工心脏泵磁悬浮轴承系统的设计、分析和调试实验方法。论文研究工作表明,所提出并完成的针对轴流式人工心脏泵磁悬浮轴承系统的理论分析和实验研究方法,以及在理论分析和设计阶段所开展的动力学分析及控制系统分析是重要的和有价值的研究成果,所采用的径向永磁轴承和单端轴向电磁轴承相结合的磁悬浮轴承系统是切实可行的,所采用的心脏泵转子轴向位移径向检测方法满足了转子轴向控制的要求。本文的研究工作为磁悬浮人工心脏泵的深入研究和临床应用奠定了基础,具有非常重要的理论价值和实际意义。


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