專利名稱：緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工心臟領(lǐng)域，特別是涉及一種將錐形永磁軸承或軸向永磁軸承、磁力軸承和無軸承電機應用于人工心臟領(lǐng)域的血泵。
背景技術(shù)：
心室輔助裝置是心臟病人維持生命的重要手段。隨著材料、制造工藝、控制以及電子技術(shù)的不斷改進和發(fā)展，人工心臟泵先后出現(xiàn)了氣動，電動，電液壓等驅(qū)動方式，所產(chǎn)生的血液也更接近生理心臟。目前，人工心臟泵從原理上分為搏動型和非搏動型。搏動型泵適于人體生理特點，由于有活瓣、彈性隔膜以及較大的心室容量，其體積大，不可植入，適于心臟移植病人過渡的短期治療；非搏動型泵體積小，有利于減少血栓，便于長期攜帶，因此是當今人工心臟泵的主要研發(fā)方向。非搏動型又分為離心式和軸流式，盡管離心泵流量大， 不需瓣膜，通過葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生非搏動性血流，但其體積和質(zhì)量較大；而軸流泵通過電機驅(qū)動推動葉片高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生血流推動力，軸流泵一般體積小，質(zhì)量輕，可長期植入體內(nèi)， 且手術(shù)創(chuàng)傷小、并發(fā)癥相對較少。申請?zhí)枮?00710039971. 7的專利文獻“磁懸浮人工心臟泵”中，血泵轉(zhuǎn)子采用兩個徑向電磁軸承支承，軸向采用永磁支承以及一個獨立電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其軸向尺寸較長，功耗相對大。申請?zhí)枮?01110128669. 5的專利文獻“一種磁懸浮人工心臟泵”中，血泵轉(zhuǎn)子采用兩個徑向永磁軸承支承，軸向至少設(shè)有一個軸向電磁軸承，同時采用獨立電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，尺寸較大，轉(zhuǎn)子組件不為整體結(jié)構(gòu)，存在流場死角，易形成血栓。此外，傳統(tǒng)人工心臟泵支承系統(tǒng)一般采用滾動(如陶瓷軸承)或滑動軸承，這些軸承共同點是存在摩擦， 均需潤滑和密封，破壞血細胞，易產(chǎn)生血栓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是由定子組件、轉(zhuǎn)子組件和設(shè)有血液進出口的殼體組成。其中定子組件裝在殼體的內(nèi)腔中，該定子組件包括密封套筒，裝在密封套筒外壁上的第一永磁鐵、第二永磁鐵及位于這兩個永磁鐵之間的電機定子，電機定子上纏繞有轉(zhuǎn)矩線圈和懸浮線圈；在密封套筒的兩端內(nèi)壁上裝有前導葉輪和后導葉輪。轉(zhuǎn)子組件位于密封套筒內(nèi)，其包括支承軸和裝在該支承軸兩端的前導頭和后導頭，裝在前導頭和后導頭上的葉輪，以及裝在葉輪內(nèi)壁上的右永磁環(huán)、左永磁環(huán)和位于這兩個永磁環(huán)之間的電機轉(zhuǎn)子永磁鐵，兩個永磁環(huán)的軸向位置與所述的兩個永磁體保持一致。所述的轉(zhuǎn)子組件可以采用兩個錐形永磁軸承和一個徑向磁力軸承懸浮支承，且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈；或者采用兩個軸向永磁軸承和一個徑向磁力軸承懸浮支承，且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈。
所述的兩個錐形永磁軸承，每個錐形永磁軸承可由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成。所述的兩個軸向永磁軸承，每個軸向永磁軸承可由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成。所述的永磁鐵為長方形、扇形或環(huán)形，且一個永磁軸承的永磁鐵數(shù)量并不一定與對應的轉(zhuǎn)子組件中的永磁環(huán)數(shù)量相等。所述的徑向磁力軸承可由電機轉(zhuǎn)子永磁鐵、支承軸、電機定子和懸浮線圈共同組成。當所述的第一永磁鐵、第二永磁鐵分別采用安裝于前導葉輪和后導葉輪的葉片上時，要求對應的右永磁環(huán)、左永磁環(huán)分別裝在前導頭和后導頭的內(nèi)壁上。本發(fā)明將永磁軸承、磁力軸承和無軸承電機應用于人工心臟領(lǐng)域，它通過以磁力代替滾珠，避免金屬面直接摩擦，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點
(1)由于采用永磁和電磁混合懸浮軸承，所以軸承無需潤滑、無機械磨損、發(fā)熱少，且軸承的運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)、可靠，使用壽命長。(2)由于采用無軸承電機來驅(qū)動并懸浮支承轉(zhuǎn)子組件，所以結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸短，易于植入體內(nèi)。同時由于不存在機械摩擦，故無需潤滑和不需要密封，可降低噪聲。(3)由于血液直接從磁懸浮軸承的間隙中流過，從而避免血液受到滾珠的擠壓和剪切；因血液受到的剪切力較小，對血紅細胞破壞小，使溶血機會減少。(4)由于轉(zhuǎn)子組件采用整體結(jié)構(gòu)，無流場死角，不易形成血栓。


圖1為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵(錐形永磁軸承)的裝配圖。圖2為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵(軸向永磁軸承)的裝配圖。圖3為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的整體式轉(zhuǎn)子組件實體示意圖。圖4為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的受力示意圖。圖5為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的軸向永磁軸承永磁體布置和充磁方向示意圖。圖6 —種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的錐形永磁軸承永磁體布置和充磁方向示意圖。圖7為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的徑向磁力軸承和電機結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為圖7的左視圖。圖9為一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵的無軸承電機懸浮磁場和旋轉(zhuǎn)磁場示意圖。圖中1.血液入口 ； 2.殼體；3.密封圈；4.密封套筒；5.轉(zhuǎn)矩線圈；6.電機定子；7.懸浮線圈；8.端蓋；9.第一永磁鐵；10.后導頭；11.血液出口 ； 12.接線出口； 13.后導葉輪；14.右永磁環(huán)；15.支承軸；16.葉輪；17.電機轉(zhuǎn)子永磁鐵； 18.左永磁環(huán)；19.第二永磁鐵；20.前導葉輪；21.前導頭。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但并不局限于下面所述內(nèi)容。本發(fā)明提供了一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該軸流式磁懸浮人工心臟泵由定子組件、轉(zhuǎn)子組件和設(shè)有血液進出口的殼體組成，其中定子組件包括殼體2、密封圈3、密封套筒4、電機定子6以及端蓋8，且電機定子6上分別纏繞轉(zhuǎn)矩線圈5和懸浮線圈7。轉(zhuǎn)子組件自左向右依次由前導頭21、左永磁環(huán)18、支承軸15、電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17、葉輪16、右永磁環(huán)14和后導頭10組成。本實施例采用定子組件裝于殼體2的內(nèi)腔中，與端蓋8相連接，并由密封圈3以及密封套筒4對電機定子6、轉(zhuǎn)矩線圈5和懸浮線圈7進行密封，從而形成封閉腔。在密封套筒4的兩端內(nèi)壁上裝有前導葉輪20和后導葉輪13，前導葉輪并與殼體2相連；密封套筒4 的內(nèi)壁與殼體2的內(nèi)腔組成血液入口 1，后導葉輪連接于端蓋8的內(nèi)壁上，端蓋8的內(nèi)壁與端蓋8的內(nèi)腔組成血液出口 11。轉(zhuǎn)子組件采用兩個錐形永磁軸承和一個軸向尺寸較長的徑向磁力軸承懸浮支承， 且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈，如圖1所示；或者也可采用兩個軸向永磁軸承和一個軸向尺寸較長的徑向磁力軸承懸浮支承，且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈，如圖2所示。每個錐形永磁軸承是由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成，永磁鐵不限于長方形、扇形或環(huán)形。每個軸向永磁軸承是由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成，永磁鐵不限于長方形、扇形或環(huán)形。所述的徑向磁力軸承是由電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17、支承軸15、 電機定子6和懸浮線圈7共同組成。轉(zhuǎn)子組件組裝后為整體式結(jié)構(gòu)，其實體如圖3所示，并將轉(zhuǎn)子組件放置于密封套筒4、前導葉輪20和后導葉輪13內(nèi)，無機械接觸。轉(zhuǎn)子組件的懸浮受力情況如圖4所示 Fem為徑向磁力軸承的電磁力，Apm為永磁軸承產(chǎn)生的永磁力，^和F1分別為^pm在ζ軸和ζ 軸的分力，在此只給出^^平面的受力分析，平面受力情況與^^平面相同。當轉(zhuǎn)子組件受到一個干擾力向左移動，左^增加，右弋減小，其合力迫使轉(zhuǎn)子組件回到平衡位置。同理當向右移動，左/^；減小，右弋增加，其合力迫使轉(zhuǎn)子組件向左移動，回到平衡位置。當采用軸向永磁軸承時，/^x較小。所述前導葉輪20和后導葉輪13起增壓、抑制回流和導流等作用。本實施例中轉(zhuǎn)子組件由支承軸15連接前導頭21和后導頭10，并在前導頭21和后導頭10上安裝葉輪16，并要求葉輪上至少包含1片以上的葉片。葉輪16內(nèi)壁上分別安裝兩個永磁環(huán)(右永磁環(huán)14、左永磁環(huán)18)，兩個永磁環(huán)的軸向位置與兩個永磁體(第一永磁鐵9、第二永磁鐵19)保持一致，如圖2所示，所述永磁環(huán)和永磁體的數(shù)量不局限于1個。 利用第一永磁鐵9和右永磁環(huán)14、第二永磁鐵19和左永磁環(huán)18分別組成兩個軸向永磁軸承(圖2、圖5)，從而限制轉(zhuǎn)子軸向移動。軸向永磁軸承永磁鐵的布置和充磁方向如圖5所示，永磁體磁化方向可采用徑向或軸向磁化，箭頭指向為N極，但要求轉(zhuǎn)子和定子磁化方向相同，如轉(zhuǎn)子外圓面為S極，則定子外圓面也為S極。當?shù)谝挥来盆F9、第二永磁鐵19采用安裝于前導葉輪20和后導葉輪13的葉片上時，要求對應的右永磁環(huán)14、左永磁環(huán)18分別裝在前導頭21和后導頭10的內(nèi)壁上，如圖1 所示，所述永磁環(huán)和永磁體的數(shù)量不局限于1個。此時，利用第一永磁鐵9和右永磁環(huán)14、 第二永磁鐵19和左永磁環(huán)18分別組成兩個錐形永磁軸承(圖1、圖6)，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子組件進行軸向懸浮支承和限制轉(zhuǎn)子軸向移動，同時對徑向輔助支承。錐形永磁軸承永磁鐵的布置和充磁方向如圖6所示，永磁體磁化方向采用徑向磁化，箭頭指向N極。如轉(zhuǎn)子外圓面為N極，則轉(zhuǎn)子內(nèi)圓面要求為S極，此時定子正好與轉(zhuǎn)子磁化方向相反。也可采用轉(zhuǎn)子外圓為S極，轉(zhuǎn)子內(nèi)圓為N極。本實施例轉(zhuǎn)子組件由無軸承電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，葉輪16的轉(zhuǎn)速根據(jù)血液所需流量和壓力進行調(diào)節(jié)。電機具體實施如下由恒定的電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17產(chǎn)生電機氣隙磁場，同時在轉(zhuǎn)矩線圈5上加載一定頻率(例如50Hz，該頻率由轉(zhuǎn)速決定)的電流，并采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制對電機的轉(zhuǎn)矩力和徑向懸浮力進行解耦控制，從而實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)和徑向磁力軸承的
穩(wěn)定懸浮。將電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17裝在葉輪內(nèi)壁上(靠近中間位置)，電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17由4個一定長度(如18mm)、90度的扇形永磁體組成，且要求這4個永磁體外圓面的磁極按NSNS布置，如圖7、圖8及圖9所示。電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17、支承軸15、電機定子6和懸浮線圈7共同組成徑向磁力軸承，如圖7和圖8所示，從而限制轉(zhuǎn)子徑向運動。由于整個轉(zhuǎn)子組件較短， 徑向磁力軸承軸向尺寸較大，因此一個徑向磁力軸承完全可以滿足徑向懸浮支承。當電機定子6上的懸浮線圈7和轉(zhuǎn)矩線圈5產(chǎn)生的磁場極對數(shù)相減等于士 1，可利用一定的解耦控制算法，使電機定子既能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩力，又能產(chǎn)生徑向支承懸浮力。所述解耦控制算法是指通過相應的坐標旋轉(zhuǎn)變換，再通過2/3變換，最終得到轉(zhuǎn)矩線圈5的控制電流和懸浮線圈7的控制電流。其懸浮磁場和旋轉(zhuǎn)磁場如圖9所示假設(shè)轉(zhuǎn)子組件受到一個干擾力(徑向力)向左運動，給左右懸浮線圈7通電流，其產(chǎn)生的電磁場與永磁偏置磁場在左磁極相減，在右磁極相加，因此右磁極產(chǎn)生的電磁力大于左邊，其合力向右，因此轉(zhuǎn)子將向右移動，回到平衡位置。同理向右運動時，所加電流正好相反。所述密封套筒4和葉輪16之間有間隙，該間隙不能太大，否則懸浮支承力會太小， 如取單邊氣隙為0. 3mm，但不局限于該值。在圖1和圖2中，在靠近該殼體的右端處設(shè)有接線出口 12，其用于相關(guān)電源及控制線的引出，并要求做一定的密封處理。上述緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其與血液和人體接觸的零件均采用醫(yī)用材料(如不銹鋼或鈦合金)制成，且表面覆蓋生物涂層(如肝素化)。本發(fā)明提供的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其工作過程是利用由轉(zhuǎn)矩線圈 5、電機定子6以及電機轉(zhuǎn)子永磁鐵17組成的電機驅(qū)動葉輪16旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生血流推動力， 使血液產(chǎn)生推力；此時血液由血液入口 1流入磁懸浮人工心臟泵，泵中血液在葉輪的推力下沿軸向經(jīng)血液出口 2流出，從而實現(xiàn)泵血功能。轉(zhuǎn)子組件由兩個錐形或軸向永磁軸承和一個軸向尺寸較長的徑向磁力軸承懸浮支承，永磁軸承限制轉(zhuǎn)子軸向移動，徑向磁力軸承限制轉(zhuǎn)子徑向移動(由于轉(zhuǎn)子組件較短，而徑向磁力軸承具有一定的長度，因此一個徑向磁力軸承完全可以實現(xiàn)全徑向懸浮支承)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子組件的5自由度全懸浮。本發(fā)明提供的上述緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其利用永磁力和電磁力支承轉(zhuǎn)子，有血液破壞小、發(fā)熱少、結(jié)構(gòu)緊湊、易移植等優(yōu)點，適于心臟功能衰竭、心臟病患者等， 可用于短期或長期心室輔助。
權(quán)利要求
1.一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是由定子組件、轉(zhuǎn)子組件和設(shè)有血液進出口的殼體組成，其中定子組件裝在殼體(2)的內(nèi)腔中，該定子組件包括密封套筒(4)， 裝在密封套筒(4)外壁上的第一永磁鐵(9)、第二永磁鐵(19)及位于這兩個永磁鐵之間的電機定子(6)，電機定子(6)上纏繞有轉(zhuǎn)矩線圈(5)和懸浮線圈(7)；在密封套筒(4)的兩端內(nèi)壁上裝有前導葉輪(20)和后導葉輪(13)；轉(zhuǎn)子組件位于密封套筒(4)內(nèi)，其包括支承軸 (15)和裝在該支承軸兩端的前導頭(21)和后導頭(10)，裝在前導頭(21)和后導頭(10)上的葉輪(16)，以及裝在葉輪內(nèi)壁上的右永磁環(huán)(14)、左永磁環(huán)(18)和位于這兩個永磁環(huán)之間的電機轉(zhuǎn)子永磁鐵(17)，兩個永磁環(huán)的軸向位置與所述的兩個永磁體保持一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是轉(zhuǎn)子組件采用兩個錐形永磁軸承和一個徑向磁力軸承懸浮支承，且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈；或者采用兩個軸向永磁軸承和一個徑向磁力軸承懸浮支承，且電機定子與徑向磁力軸承定子共用定子，但為不同激勵線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是所述的兩個錐形永磁軸承，每個錐形永磁軸承是由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是所述的兩個軸向永磁軸承，每個軸向永磁軸承是由定子組件中的一個永磁鐵和對應的轉(zhuǎn)子組件中的一個永磁環(huán)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是所述的永磁鐵為長方形、扇形或環(huán)形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是所述的徑向磁力軸承是由電機轉(zhuǎn)子永磁鐵(17)、支承軸(15 )、電機定子(6 )和懸浮線圈(7 )共同組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，其特征是當?shù)谝挥来盆F (9)、第二永磁鐵(19)分別采用安裝于前導葉輪(20)和后導葉輪(13)的葉片上時，要求對應的右永磁環(huán)(14)、左永磁環(huán)(18)分別裝在前導頭(21)和后導頭(10)的內(nèi)壁上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種緊湊型軸流式磁懸浮人工心臟泵，尤指依靠兩個永磁軸承和一個徑向磁力軸承混合懸浮，徑向磁力軸承與永磁電機共用定、轉(zhuǎn)子的人工心臟泵，其結(jié)構(gòu)是由定子組件，轉(zhuǎn)子組件、前導葉輪和后導葉輪組成，其中由第一永磁體(9)和右永磁環(huán)(14)、第二永磁鐵(19)和左永磁環(huán)(18)分別組成錐形或軸向永磁軸承，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向懸浮支承；電機定子(6)上分別纏繞轉(zhuǎn)矩線圈(5)和懸浮線圈(7)，并采用一定的解耦控制算法，使電機定子既產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩力，又產(chǎn)生徑向懸浮支承力。本發(fā)明利用永磁力和電磁力支承轉(zhuǎn)子，有血液破壞小、發(fā)熱少、結(jié)構(gòu)緊湊、易移植等優(yōu)點，適于心臟功能衰竭、心臟病患者等，可用于短期或長期心室輔助。
文檔編號A61M1/12GK102397598SQ201110366578
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者吳華春, 王曉光, 胡業(yè)發(fā) 申請人:武漢理工大學