張文山，　劉淑琴

(1. 國(guó)網(wǎng)德州供電公司，山東 德州　253000；2. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南　250061)

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磁路法與有限元法相結(jié)合的磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)*

張文山1，劉淑琴2

(1. 國(guó)網(wǎng)德州供電公司，山東 德州253000；2. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250061)

摘要：介紹了一種可用于軸流式磁懸浮人工心臟泵的無(wú)槽式永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)具有大氣隙、高轉(zhuǎn)速特點(diǎn)。電機(jī)本體采用經(jīng)典磁路法和有限元輔助分析相結(jié)合的方法研制而成。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高、噪聲低、發(fā)熱小，有限低電壓下調(diào)速范圍寬，調(diào)速曲線在不超過(guò)空載轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)近似一條直線，證明了設(shè)計(jì)方法合理有效。

關(guān)鍵詞：磁懸??； 人工心臟泵； 無(wú)槽式永磁無(wú)刷直流電機(jī)； 有限元

0引言

心力衰竭是影響人類健康的重大疾病之一，而人工心臟泵作為一種部分或完全替代心臟泵血功能的機(jī)械裝置，能夠幫助衰竭心臟完成血液循環(huán)功能，給患者帶來(lái)了新的希望。軸流式磁懸浮心臟泵以其體積小、質(zhì)量輕、能有效地解決血栓和溶血問題等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為全球人工心臟泵研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]，而電機(jī)是人工心臟泵的研制過(guò)程中的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)人工心臟泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多為有槽電機(jī)。這些電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)速高，但是存在齒槽效應(yīng)，使人工心臟泵在運(yùn)行平穩(wěn)性、噪聲等方面略顯不足[2]。為降低心臟泵噪聲，改善其運(yùn)行性能，使其能更好為病人的生活服務(wù)，筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)槽式永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。無(wú)槽式永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不僅具有普通無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高、免維護(hù)、無(wú)換向火花等優(yōu)點(diǎn)，而且具有無(wú)齒槽效應(yīng)、電樞電感小、繞組散熱條件好等特點(diǎn)，特別適用于軸流式磁懸浮人工心臟泵系統(tǒng)。心臟泵整體結(jié)構(gòu)要求本文設(shè)計(jì)的電機(jī)具有工作氣隙大、體積小的特點(diǎn)；電機(jī)工作環(huán)境要求電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)。這都給電機(jī)的設(shè)計(jì)增加了難度。為此，采用經(jīng)典磁路法與有限元軟件Maxwell 2D輔助分析相結(jié)合的方法對(duì)心臟泵電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析。限于篇幅，本文不討論控制系統(tǒng)以及磁懸浮支撐的相關(guān)內(nèi)容。

1磁懸浮人工心臟泵及電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1磁懸浮心臟泵總體結(jié)構(gòu)[2]

本文設(shè)計(jì)的一種磁懸浮人工心臟泵采用徑向永磁軸承和軸向電磁軸承相結(jié)合的懸浮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)五自由度全懸浮。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由前導(dǎo)葉、葉輪轉(zhuǎn)子、后導(dǎo)葉、電動(dòng)機(jī)、軸向電磁軸承、徑向永磁軸承和外殼等組成。心臟泵轉(zhuǎn)子位置由霍爾位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并由外部的主動(dòng)磁懸浮支撐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置的實(shí)時(shí)控制。轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。

圖1　磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)圖

泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的中部，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子與血液接觸部分用醫(yī)用鈦合金包裹，轉(zhuǎn)子與磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分組裝為一體，電機(jī)轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。

1.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)

本課題最終設(shè)計(jì)的電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。電動(dòng)機(jī)由杯形繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心和圓環(huán)形永久磁鐵組成。杯形繞組采用疊型雙層繞線形式，A、B、C三相繞組各占120°均勻?qū)ΨQ分布，每匝線圈的跨距為一個(gè)極距。圖2中間部分為圓環(huán)形永久磁鐵(電機(jī)轉(zhuǎn)子)，采用NdFePn_N45H材料，沿徑向上某個(gè)方向平行充磁。電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心均采用導(dǎo)磁性能好的電工純鐵。

圖2　電機(jī)截面圖

為與磁軸承轉(zhuǎn)子相配合，電機(jī)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由于心臟泵葉輪和鈦合金的存在，使得該電機(jī)比普通無(wú)槽無(wú)刷直流電機(jī)的氣隙更大。本課題需為葉輪和鈦合金留有2.6mm的空間，如圖2所示。

2電機(jī)設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)出滿足要求的電機(jī)，本課題采用經(jīng)典磁路法設(shè)計(jì)與有限元軟件Maxwell 2D輔助分析相結(jié)合的方法對(duì)心臟泵電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3所示。

圖3　人工心臟泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)流程

2.1電機(jī)的初步計(jì)算[3-4]

2.1.1電機(jī)配用功率的計(jì)算

電機(jī)配用功率是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，與設(shè)計(jì)的葉輪結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由北京航空航天大學(xué)為該課題設(shè)計(jì)的葉輪結(jié)構(gòu)在額定轉(zhuǎn)速5500r/min下，血泵進(jìn)出口壓力差能達(dá)到120mmHg，血流量能達(dá)到5L/min，泵的效率為23%。由此可以計(jì)算出泵的揚(yáng)程、泵的軸功率，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的配用功率，如式(1)～式(3)所示。

(1)

式中：H——泵的揚(yáng)程；

p1、p2——泵進(jìn)出口處液體的壓力；

Z1、Z2——考慮泵體直立時(shí)的進(jìn)出口高度；

ρ——血液密度；

g——重力加速度。

(2)

式中：pa——軸功率，即泵的輸入功率；

Q——血液的體積流量；

ηp——泵的效率，由葉輪機(jī)構(gòu)決定。

(3)

式中：PN——電機(jī)配用功率；

ηt——泵傳動(dòng)裝置效率；

K——原動(dòng)機(jī)功率富裕系數(shù)。

2.1.2定子設(shè)計(jì)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)與一般電磁式直流電動(dòng)機(jī)一樣，也必須滿足定子尺寸、電機(jī)容量、轉(zhuǎn)速和電磁負(fù)荷之間的一定關(guān)系，即

(4)

式中：Da——電樞直徑；

la——電樞鐵心計(jì)算長(zhǎng)度；

P′——計(jì)算容量；

ai——計(jì)算極弧系數(shù)；

Kφ——磁場(chǎng)波形系數(shù)；

Kw——繞組系數(shù)；

A——線負(fù)荷；

Bδ——?dú)庀洞琶堋?/p>

對(duì)于連續(xù)工作狀態(tài)的小功率電動(dòng)機(jī)，其計(jì)算容量為

(5)

2.1.3轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

當(dāng)永磁材料沿充磁方向的厚度不斷增加時(shí)，磁性能會(huì)不斷加強(qiáng)；但厚度增加到一定值時(shí)，磁性能增加量會(huì)趨于平緩。因此，對(duì)于所采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，總能找到一個(gè)最佳的內(nèi)徑，使轉(zhuǎn)子質(zhì)量盡量輕的情況下能夠提供最大的磁性能。

本課題設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子永磁材料采用NdFePn_N45H，磁性能如表1所示。轉(zhuǎn)子磁鋼外徑一定的情況下，內(nèi)孔半徑為Rr，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度為L(zhǎng)。利用電機(jī)磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，當(dāng)Rr從0到Rm變化時(shí)，求得電樞處徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度與內(nèi)孔半徑的關(guān)系曲線圖如圖4所示。選用徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度最大的Rr為最佳孔半徑。

表1　轉(zhuǎn)子材料磁性能

圖4　磁鋼外徑為20mm時(shí)Brm-Rr關(guān)系曲線圖

2.1.4電樞繞組計(jì)算

電樞繞組每相匝數(shù)wφ：

(6)

式中：UN——電機(jī)額定電壓；

ΔU——晶體管的飽和管壓降；

n0——空載轉(zhuǎn)速；

kw——電樞繞組的繞組系數(shù)；

φδ0——空載時(shí)每極氣隙磁通量。

2.1.5電機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出電機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2　電機(jī)主要參數(shù)

某些參數(shù)是按照?qǐng)D3所示的過(guò)程反復(fù)優(yōu)化的結(jié)果。

2.2電機(jī)的有限元分析[5]

為了驗(yàn)證上述參數(shù)的合理性，本文利用Maxwell 2D建立了模型，進(jìn)行了有限元分析。

2.2.1靜態(tài)場(chǎng)分析

有限元網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖5所示。

圖5　網(wǎng)格剖分結(jié)果

經(jīng)過(guò)求解得到氣隙磁場(chǎng)分布如圖6所示，可見氣隙磁場(chǎng)具有良好的正弦性。

圖6　氣隙磁場(chǎng)

電機(jī)鐵心材料是否出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象是評(píng)價(jià)電機(jī)磁路設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)仿真電機(jī)的磁密分布，可以看出電機(jī)的鐵心是否飽和。圖7為磁密云圖，可以看出電機(jī)最高磁密不超過(guò)1.45T，電機(jī)定子鐵心未出現(xiàn)磁密飽和現(xiàn)象。

圖7　磁密云圖

2.2.2瞬態(tài)場(chǎng)分析

本文為繞組所加的激勵(lì)源外電路如圖8所示。外電路中S1-S6為受Vg1～Vg6控制的開關(guān)(高電平為打開，低電平為關(guān)斷)。Vg1～Vg6為在不同時(shí)刻開起高電平的6個(gè)位置控制型脈沖電源，以實(shí)現(xiàn)三相繞組兩兩導(dǎo)通六狀態(tài)工作制。

圖8　繞組激勵(lì)源的外電路圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的一些特性曲線，見圖9～11。

圖9　起動(dòng)過(guò)程中的速度波形

圖10　起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波形

從仿真波形可知，電機(jī)起動(dòng)電流約為3.3A，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為0.05N·m。電機(jī)可以在大約0.4s 時(shí)間內(nèi)平滑起動(dòng)，具有良好的起動(dòng)特性。在額定負(fù)載下，電機(jī)最終穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速約為 5500r·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11　起動(dòng)過(guò)程中的三相電流波形

3試驗(yàn)分析

磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的運(yùn)行模式。控制系統(tǒng)的硬件電路部分采用ML4425、IR2103、HCF4069等芯片組成方波產(chǎn)生與調(diào)頻及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路[7]。人機(jī)接口界面主要有電源開關(guān)、工作指示燈、轉(zhuǎn)速顯示窗口及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕。圖12(a)所示為加工制作完成的控制器電路板；圖12(b)所示為控制器外部界面。

圖12　電機(jī)控制器

圖13所示為研制的心臟泵封閉式試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，電機(jī)位于內(nèi)部中間處。在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)下，開起電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)鎖相穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。此時(shí)下橋控制信號(hào)出現(xiàn)PWM斬波，調(diào)節(jié)ML4425管腳8外接的滑動(dòng)變速器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速功能。

圖13　心臟泵封閉式試驗(yàn)系統(tǒng)

圖14所示為調(diào)速試驗(yàn)時(shí)的界面，信號(hào)1為轉(zhuǎn)子位置懸浮信號(hào)，2為A相上橋控制信號(hào)，信號(hào)3為ML4425管腳8的電位信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變信號(hào)3的電位，讀取信號(hào)2的頻率，可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。表3列出了試驗(yàn)得到的腳8的電位與A相上橋控制信號(hào)周期時(shí)間、A相上橋控制信號(hào)頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并繪制了圖15的調(diào)速曲線圖。

圖14　調(diào)速試驗(yàn)時(shí)示波器界面

調(diào)節(jié)電壓Ut/V上橋開斷頻率/Hz電機(jī)轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)2.2817.041022.42.6221.211272.62.8625.381522.83.1029.551773.03.3433.722023.23.6037.592255.43.8041.682500.84.0645.752745.04.3049.522971.24.5553.683220.84.7957.653459.05.0361.623697.25.2765.663939.65.5069.724183.25.7573.714422.66.0277.654659.06.2481.734903.86.4885.595135.46.7289.755385.06.9092.635557.87.0092.635557.87.1092.635557.87.2092.635557.8

圖15　電機(jī)調(diào)速曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)以較高的精度實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，發(fā)熱小，抗干擾能力強(qiáng)，可在1022～5557r/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足了心臟泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于軸流式磁懸浮人工心臟泵的無(wú)槽式永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)本體采用經(jīng)典磁路法與Maxwell 2D有限元分析相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)完成，具有計(jì)算快捷和精度高的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研制的電機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)平滑起動(dòng)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速5500r/min，同時(shí)可以在1200～5500r/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，效率高，電機(jī)噪聲小，運(yùn)行平穩(wěn)，可連續(xù)工作。由此可見，設(shè)計(jì)電機(jī)的各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求，所采用的方案和設(shè)計(jì)方法合理有效，對(duì)心臟泵電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]劉淑琴，邊忠國(guó)，李紅偉，等.磁懸浮軸承人工心臟泵的研究[J].中國(guó)科技成果，2009(4)： 14-16.

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Design of Drive Motor for Magnetic-levitation Artificial Heart Pump Combining Magnetic Circuit Design and FEA*

ZHANGWenshan1，LIUShuqin2

(1. Dezhou Power Supply Company of The State Grid， Dezhou 253000， China；2. College of electrical engineering， Shandong University， Jinan 250061， China)

Abstract：A kind of brushless DC motor which can be used for axial-flow maglev artificial heart pump was introduced. The motor has characteristics of large air gap and high-speed. The motor body was developed by the method of combining the traditional magnetic circuit design and finite assistant analysis(FEA). The experimental results shows that the motor can run stably， has high speed and low noise， dissipate less hate， has wide speed regulation at limited-low voltage. The speed curve is approximately a straight line below the no-load speed point. This design approach is proved to be reasonable and effective.

Key words：magnetic-levitation； artificial heart pump； slotless brushless DC motor； finite element analysis(FEA)

收稿日期：2015-10-08

中圖分類號(hào)：TM 302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)04- 0071- 06

作者簡(jiǎn)介：張文山(1987—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榕潆娺\(yùn)維管理和電機(jī)設(shè)計(jì)。劉淑琴(1958—)，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇艖腋≥S承理論及應(yīng)用、垂直軸風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51075236)