磁悬浮心脏泵永磁轴承的研究

摘要

心室辅助装置（简称心脏泵）是一种部分或全部替代心脏泵血功能的装置。传统旋转式心脏泵在轴承的支承处存在摩擦，因此带来了溶血、血栓等一系列问题。为了解决这些问题，本课题设计了轴流式心脏泵磁悬浮轴承-转子系统。该系统径向悬浮采用四自由度永磁轴承，轴向采用电磁轴承，实现五自由度全悬浮，为心脏泵的应用研究提供了理论基础和实验依据。 本文主要工作如下： 1、根据轴流式心脏泵的结构特点，设计了径向永磁轴承的结构。 2、对永磁轴承建模的静态磁路法、通用模型法、等效磁荷法和有限元法进行了分析比较，选择有限元法建立四自由度永磁径向轴承刚度和承载力的数学模型。 3、根据电磁学、转子动力学等原理，确定了永磁轴承的设计对径向刚度的要求。编写了基于有限元FEMM和MATLAB的永磁径向轴承计算程序，对永磁轴承的尺寸参数进行了优化分析，得到满足刚度要求的永磁材料尺寸参数。 4、根据心脏泵轴承.转子系统受力分析，结合轴向电磁轴承的设计，设计了轴流式心脏泵开放式实验模型。对径向轴承产生的轴向力进行了实验分析，并实现了心脏泵转子的径向和轴向全悬浮。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1课题的提出

1.1.1心脏泵的发展背景

1.1.2心脏泵的应用现状

1.1.3永磁轴承发展背景

1.2第三代磁悬浮心脏泵

1.2.1第三代磁悬浮心脏泵发展历史

1.2.2第三代磁悬浮心脏泵分类

1.2.3第三代磁悬浮心脏泵发展趋势

1.3本论文主要工作

第2章永磁轴承材料选择和基本结构设计

2.1永磁轴承材料选择

2.1.1永磁材料的主要性能指标

2.1.2磁材料选择及其性能特点

2.2永磁轴承结构的选择

2.2.1径向永磁轴承基本结构

2.2.2轴向永磁轴承基本结构

2.3本章小结

第3章永磁轴承常用数学模型分析比较

3.1静态磁路法

3.2简化数学模型

3.3等效磁荷法模型

3.3.1磁荷密度

3.3.2等效磁荷法径向磁化数学模型

3.3.3等效磁荷法轴向磁化数学模型

3.4有限元法

3.4.1计算原理

3.4.2 FEMM软件介绍

3.5本章小结

第4章心脏泵永磁轴承建模与结构优化设计

4.1径向永磁轴承建模及分析

4.2径向永磁轴承刚度的确定

4.2.1心脏泵转子刚度与转速关系

4.2.2心脏泵转子转速确定

4.3心脏泵径向永磁轴承优化

4.3.1径向永磁轴承优化设计流程

4.3.2结构设计优化程序与界面介绍

4.3.3径向永磁轴承结构优化

4.3.4永磁轴承厚度及长度优化

4.4永磁环的加工与制备

4.5本章小结

第5章心脏泵轴承-转子系统受力分析

5.1心脏泵轴承系统分析

5.2心脏泵系统设计

5.2.1心脏泵轴承系统设计图

5.2.2心脏泵轴承轴向受力分析

5.3心脏泵转子轴向电磁轴承设计分析

5.4本章小结

第6章心脏泵开放式实验模型总调试与实验

6.1磁悬浮心脏泵开放式实验模型

6.2径向轴承对轴向作用力的测量

6.3全悬浮实验

6.4本章小结

第7章结论

附录

参考文献

致谢