摘要：提出的新型可植入式人工心脏是由轴向磁场结构的永磁同步电动机直接驱动。电机转子安装在人工心脏泵的叶轮上，并因电磁轴承的作用而悬浮。文中将重点分析该电机及轴承的结构与设计，并给出了一些相关的仿真结果。

关键词：人工心脏；永磁同步电动机}电磁轴承

中图分类号：tm341    文献标识码：a    文章编号：1001-6848(2000)01-0003-04

    近年，人工心脏的应用日趋广泛。人工心脏的主体是微特电机驱动的离心泵。传统的人工心脏利用机械轴连按电机转子和泵的叶轮，连接轴和叶轮都由机械式轴承支撑。这种传统结构的主要缺点是血液会凝结在轴承处，密封不佳，体积过大。

       因此，近年人工心脏的研究重点在于使用电磁轴承取代连接轴[1-3]。一般性的结构如图1所示。在这些设计中，电磁轴承的永磁转子安装在泵的叶轮上，置于泵壳内，而轴承的定子由电磁系统组成，安装在泵壳外，通过适当的控制方法可以使叶轮悬浮。然而，有些电磁轴承的设计还不能使叶轮真正悬浮，为此需要使用支点来辅助悬浮。这种带辅助支点的结构可以简化电磁轴承的设计和控制方法，却增加了人工心脏的结构复杂性并且降低了其使用寿命。另外，在图1的设计中还需要一个传统电机及磁耦合器来驱动泵的叶轮。磁耦合器由外盘和内盘构成。图示的外盘中嵌有磁钢，固定在电机轴上；内盘中嵌有相同数量的磁钢，固定在泵的叶轮上。这两个圆盘隔着泵壳而面对面安装。这样，电机的输出转矩可以通过内、外盘的磁耦合传递到泵的叶轮上，而不需机械的连接轴。这种磁耦合器的缺点在于：

①两圆盘间的有效距离是三部分的总和：内盘和泵壳内壁的间隙，泵壳壁的厚度，以及外盘和泵壳外壁的间隙。显然，在起动盛重载时，这样大的气隙极易造成磁耦合器的失步。

②传统电机和磁耦合器结构的人工心脏体积笨重。

      为了克服以上的缺点，作者提出了一种新型的人工心脏，它的叶轮直接由轴向磁场型的永磁同步电动机驱动而不用磁耦合器，并且由于电磁轴承的作用而悬浮良好。图2是新型人工心脏的截面图，其各个元件的名称列于表1中。文中将重点介绍这种轴向磁场的永磁同步电动机及电磁轴承。

      永磁同步电动机中存在两个磁场：一个是定子电枢电流产生的同步速旋转磁场，另一个是相对转子静止的转子永磁磁场。而这两个磁场的相互作用使它们的稳态相对速度为零，故转子本身也以同步速运行。引言中描述过的磁耦合器可以发现，内盘与轴向磁场结构的永磁同步电动机的转子类似；外盘的轴向磁场和外盘自身相对静止，但是当外盘由传统电机驱动时，它的磁场也同步旋转，这和1台轴向磁场结构的永磁同步电动机的定子相似。因此，设计成以轴向磁场的永磁同步电动机直接驱动人工心脏。它的转子安装在泵的叶轮上代替磁耦合器的内盘，其定子安装在泵壳外取代外盘和传统电机。

     如图2所示，轴向磁场的永磁同步电动机的转子轭部和4个扇形平板磁钢安装在1个铝壳内，并由铝盖密封以防止液体渗漏。电机转子铝盖的厚度、转子铝盖和泵壳内壁的间隙、泵壳壁酌厚度分别用g、ga和gh表示。另一方面，轴向磁场的永磁同步电动机通常使用无槽的集中绕组[（如图3所示）或环形绕组。令绕组的厚度为g。因此，电机总的气隙将达到：g=ge+ga+gh+gw。gc=0.5mm，ga =0. 7mm，gh=lmm，如果使用无槽式绕组，gw的值往往大于3项的总和。电机有效气隙太大，导致磁钢工作点太低，磁钢的使用效率下降，所产生的磁通少且多为漏磁。无槽式集中绕组的线圈节距远远小于120度（电角度），其绕组系数很低，绕组效率不高。因此，有必要重新设计绕组以减小gw和增加节距。