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。
3 有限元仿真计算
下面我们采用ANSYS 9.0对血泵电机内部磁场进行仿真分析，验证上述理论分析结果的正确性。电机转子采用鼠笼式结构。
(1)建立有限元模型
图2为ANSYS分析几何模型，单元类型选用PLANE53。线圈采用集中绕组，为了减小线圈尺寸，导线采用直径为0.5 mm的铜线。模型基本尺寸：
(2)建立电路模型及与有限元模型连接
为获得高精度的计算结果，模型采用场路耦合分析方法。首先建立电路模型，然后将其耦合到有限元模型中。
首先定义定子线圈和转子导条，并建立耦合电流自由度(CURR)和电动势自由度(EMF)，创建端部阻抗单元，分别把线圈和导条连接好。然后建立三相电流源，分析中设α=45°，则由上述分析可算出需要的三相电流的初相位。仿真时所加的电流为：
(3)定义边界条件和求解
在电机定子外壳上加磁力线平行边界条件，采用波前求解器对其进行谐波求解。
(4)仿真结果分析
ANSYS提供了强大的后处理功能，如磁力线、等值线、矢量显示、磁力和磁力矩等都可以由后处理或通过计算得到。当三相电流iA、iB和iC的wt依次取0°、15°、30°和90°时，气隙中磁力线的变化如图4所示。
由图4可知，通过转子的两极磁场是从水平方向逐渐旋转到垂直方向，说明采用该方法能够得到一个旋转磁场。
采用二维瞬态磁场分析，可计算出不考虑转子磁场时定子产生的磁场在转子外围气隙的变化规律。普通三相感应电动机气隙中一个圆周路径上，磁场是幅值位置随时问不断变化的正弦波。血泵电机由于气隙不均匀，磁场虽然是旋转的，但是每个时刻幅值大小不同。当磁场在空间上依次转过O°、30°、60°、90°时，转子附近气隙圆周路径上的磁密值如图5所示，从中可以看出磁场水平时幅值最小，垂直时幅值****。通过分析可知，随着磁场的旋转，磁密幅值变化近似为正弦函数，如图6所示。因此转子上的转矩也将近似为按正弦规律变化，****转矩和最小转矩相差较大。
为使旋转磁场的幅值和电机转矩得到较均匀的数值，可将定子电流的幅值设定为随电流相位变化。经曲线拟合可得电流幅值的变化规律为：
将上述定子电流应用到感应电动机分析中，可得磁密幅值随磁场角度的变化，如图7所示。这时磁密波形的幅值波动减小，都接近于O.01T，这样气隙磁场接近于均匀。
当考虑转子磁场对气隙磁场的影响时，通过ANSYS分析可得气隙磁密随圆周的分布，如图8所示。很显然，由于气隙的不均匀，气隙磁密将出现较多的谐波成分。采用Matlab对该波形进行分析，可
得各次谐波分量的数值，如表1所示。****次谐波对应的基波幅值为7.575％，可满足工程实际要求。
4结语
本文提出了一种体外驱动血泵电机的设计方法，分析了当电机的三相定子线圈的分布不是三相对称分布时，若要在电机内部产生圆形旋转磁场，定子电流的初始相位应满足的条件。采用ANSYS对电机内部的磁场进行了有限元分析，计算结果表明，体外驱动装置能够得到驱动转子旋转所需的旋转磁场，并且提供的电磁转矩可以满足血泵稳定运行所需的转矩，分析结果表明这种血泵电机的体外磁场 产生方法是可行的。
[5] 黄伟，谭建平微型轴流式血泵永磁体磁场有限元仿真分析[J].机械制造，2006(10)：30-32.
[6] 高殿荣，王广义锥形螺旋叶轮血泵全流场三维数值模拟与分析[J].液压与气动，2006(7)：41-44
[7] 徐先懂，谭建平，基于磁能传递的血泵驱动系统研究[J].机械，2006(10)：7-9.
[8] 廖启新，邓智泉，王晓琳无轴承薄片电机磁体形状优化设计及系统实现[J]中国电机工程学报，2007，27(12)：28-32.
[9] 谢德馨，阎秀恪，张奕黄旋转电机绕组磁链的三维有限元分析[J]中国电机工程学报2006，26(21)：143-148.
基金项目：国家自然科学基金资助(50575195)
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