体外驱动锥形螺旋叶轮血泵电机有限元仿真分析
殷桂梁，夏春雷，高殿荣
(燕山大学，河北秦皇岛066004)
摘要：提出了一种新型的体外驱动血泵电机，设计了血泵电机的基本结构，通过理论分析，得出了在电机内部形成圆形旋转磁场所需的三相定子电流相位。用ANSYS分析软件对其进行了电机内部的磁场分析，得出了较为准确的分析结论，计算结果验证了血泵电机结构的可行性。
关键词：血泵；体外驱动；微电机
中图分类号：TM381 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)07-0029-03
0引 言
近年来，多种多样的血泵被广泛应用于辅助或代替自然心脏[1]。血泵主要分为脉动型和连续流型两大类。连续流型血泵可以进一步分为离心式血泵和轴流式血泵[2,3]。脉动型血泵主要是在研究早期采用，近几年的研究方向主要集中在连续流血泵上，而连续流血泵中的轴流泵与离心泵相比，由于具有体积小、质量轻、效率高、易于植入等优点，逐渐受到更多科研人员的关注。
在传统的血泵系统中，大多采用体内储能或通过导线向体内血泵提供能量，以维持血泵系统的能量供给[3,4]。由电池供电的体内储能方式由于存在不能长时间地向血泵提供足够的能量问题，因此主要应用于过渡性心脏功能辅助。而采用通过导线将体外的能量传递到体内，由于有一穿越皮肤的供能导线，存在产生感染的风险。
体外驱动血泵利用体外磁场进行驱动和控制，它和传统血泵相比有很多优点。它不需要体内放置储能装置，也去掉了穿越人体传递能量的导线，这样就解决了传统血泵出现的许多难以克服的问题，可以说它是新一代血泵研究的方向。但是体外驱动血泵驱动系统的设计目前还不是十分成熟，处于研究阶段，很多设计都没有给出完整设计模型。在驱动方法上，现有的体外驱动血泵主要是采用体外旋转永磁体来驱动体内永磁体转动[5]，由于体内转子转速需要达到10 000 r/min，这样人体外就需要存在一个高速旋转的电机，并且这样的外磁驱动装置，距离和位置对其影响很大，它必须固定在人的胸前正对体内转子的位置，所以说体外部分的放置是个很困难的问题。另外人胸前如果每天都带着这样一个电机，显然对于人体自身和电机的稳定运行都是不利的，高速电机的转动部件也必然存在磨损现象，它的维护也是个问题。文献[6]提出了一种全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的设计方案，根据该文所提出的血泵的设计特点，我们提出了一种体外驱动血泵电机的设计方法，设计出了完整的体外驱动电机，采用在人体外贴身布置线圈来产生旋转磁场，通过这个交变的旋转磁场对体内血泵进行驱动和控制。
1 电机结构
本文提出的体外驱动血泵电机的结构示意图如图1所示，图中方框表示人体截面，AX、BY，和CZ分别为定子线圈的三相。锥型螺旋叶轮血泵[6]。中设置电机转子。考虑到人体实际情况将绕组集中布置在4X，BY，CZ几处，有利于提高电机的效率。由于人体结构的特点，不可能采用一般三相电机的绕线方式，使三个绕组在空间上相差120°，为了在电机内部得到所需的旋转磁场，可考虑将三相电流的相位设置为所需的相位角。
2 圆形旋转磁场产生原理分析
由图1的血泵电机结构可知，电机三个绕组在定子空间位置上并不是相差120°，若要得到圆形旋转磁场，则需要改变三相电流的初始相位。
设各相电流幅值相同，B、C相绕组以A相绕组为轴面在空间上对称分布，即：
初始相位分别为0°、90°和270°，即可在血泵电机内部产生所需的圆形旋转磁场。
上面分析的是定子绕组在空间相差30°的情况。若α为任意角度，并要得到圆形的旋转磁场，则通过上述相同方法可知，需要满足方程组：
由以上理论分析可知，只要电流初始相位取的合理，无论α为多少，都可以产生圆形旋转磁动势，只是不同α对应磁动势幅值大小不同。
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