一种大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵及其控制方法

摘要

本发明公开了一种大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵及其控制方法，定子和永磁体之间形成大气隙；定子包括定子铁芯、定子绕组和绝缘层；定子铁芯由三个齿槽对称分布在定子圆周方向；定子绕组为三组线圈，整距叠装在定子齿上；每个定子齿表面上开有相对位置和形状相同的斜槽，绝缘层由树脂制成；固定套由TI4材料制成。本发明通过对定子结构的优化设计，使得整体质量轻、体积小、转矩大、温升低，控制电路实现三组线圈电流的交替改变，实现定子齿上的N、S状态和永磁体的N、S极相耦合；系统启动不需要启动绕组，结构简单，启动过程基于电机电磁学以及植入泵的机械-流体动力学特性设计，具有加速平稳、快速、适用性强的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种血泵，特别是涉及一种大气隙磁力驱动的全植入 式轴流式血泵，本还涉及该大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵的 控制方法。

背景技术

根据世界卫生组织的报告，心血管疾病每年会夺去数千万人的生 命，占全球死亡病因的三分之一，是人类健康的第一杀手，预计到2015 年，全球每年将有2000万人死于心血管疾病，心脏移植是治疗终末 期心脏病的唯一有效方法。面向人体心脏功能恢复的辅助血泵发展主 要分为心室辅助循环装置（VAD）和全人工心脏（FDA），目前国际上 共有5款VAD和2款THA通过了美国FDA认证。

美国Thoratec公司生产的HeartMate II轴流泵带有枢轴承，该 泵主要构件包括转子、进口和出口处的一对枢轴承和电机。泵长度 81mm，直径为43mm，重量375g，目前已有1000人实用；美国MicroMed 公司开发的DeBakey VAD轴流泵长度为76.2mm，直径为30.5mm，重 量为93g。该泵目前已经通过欧盟认证使用，适用于儿童的目前正在 FDA的认证试验过程中，到目前为止，超过440人使用。

刘中民提出一种泵机合一植入式微型轴流血泵（专利号： 200820054809.2），它由无刷电机和轴流血泵二大部分组成，整体尺 寸为29.6x72mm，血泵永磁转子启动为自启动。

R·J·本科维斯基提出了一种用于一可植入的血泵的生理控制方 法和系统（专利号：03805303.9），改方法为以预订速度操作泵，通 过检测病人在舒张期泵流动速率来改变预订速度。

白静等提出了微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法（专利号： 03121948.9），其建立了心输出量、平均转速、心肌供氧量/耗氧量、 最大收缩压和最小舒张压的隶属函数，实现血泵不同状态的速度调 节。该方法新颖，速度调节缺乏对泵本身力学特性的了解，并且实际 实施复杂。

从上述研究可知，目前人工心脏在血泵设计和控制方法研究方 面，针对血泵的研究，已应用于临床的人工心脏，大多数都存在体积 大无法植入儿童患者体内的问题，仅有两款针对儿童研究的VAD产品， 因此小型化是人工心脏的一个重要发展方向；针对控制方法方面，主 要集中在稳态速度的基于人体生理参数的控制研究，没有考虑泵启动 方面控制方法的问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对植入式血泵体积大，主 从磁极气隙大造成的驱动能力不强和启动不够快速和平稳的特点，提 供一种结构简单、体积小、驱动能力强、温升小、传递效率高的大气 隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种该大气隙磁力驱 动的全植入式轴流式血泵的控制方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的磁力驱动的全植入 式轴流式血泵，输送管内同轴转动安装有转子系统，所述的转子系统 由血泵旋转叶轮、血泵前叶轮、血泵后叶轮和永磁体组成，还包括设 在所述的输送管上的驱动定子铁芯、固定套及控制系统，所述的驱动 定子铁芯由硅钢叠片、绕组及绝缘层组成，定子齿数为3个，沿圆周 对称分布，绕组为三个即第一线圈、第二线圈和第三线圈，分别周向 等距叠装在三个定子齿上，绝缘层为树脂材料；所述的固定套实现所 述的定子铁芯在轴向及圆周方向的固定在所述的输送管上；三组线圈 绕组即第一线圈、第二线圈和第三线圈与所述的控制系统功率放大电 路连接。

所述的永磁转子的轴向长度为15mm～18mm，其与所述的驱动定子 的内径之间的径向气隙为4.5mm～6mm。

所述的定子铁芯由取向硅钢片叠压而成，定子外径为25mm，齿 宽厚度为2mm，齿轭宽度为2mm，齿尖角度为100°～112°，齿尖宽度 为0.25mm。

所述的固定套由TI4材料制成，所述的固定套由两个半环即第二 半固定套和第一半固定套连接，所述的第二半固定套和第一半固定套 上均有定子径向和轴向位置的固定柱，所述的第二半固定套和第一半 固定套由销钉和半固定套连接件连接，第二半固定套和第一半固定套 之间夹持有树脂垫圈。

所述的永磁体为两极平行充磁的钕铁硼材料组成，每极所述的永 磁体的充磁角度为180°。

所述的控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、电流- 电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路和电源 电路组成。

为了解决第二个技术问题，本发明提供的实现磁力驱动的全植入 式轴流式血泵的控制方法，输送管内同轴转动安装有转子系统，所述 的转子系统由血泵旋转叶轮、血泵前叶轮、血泵后叶轮和永磁体组成， 还包括设在所述的输送管上的驱动定子铁芯、固定套及控制系统，所 述的驱动定子铁芯由硅钢叠片、绕组及绝缘层组成，定子齿数为3个， 沿圆周对称分布，绕组为三个即第一线圈、第二线圈和第三线圈，分 别等距叠装在三个定子齿上，绝缘层为树脂材料；所述的固定套实现 所述的定子铁芯在轴向及圆周方向的固定在所述的输送管上；三组线 圈绕组即第一线圈、第二线圈和第三线圈与所述的控制系统的功率放 大电路连接，改变所述的控制系统的控制器的输出脉冲实现三组线圈 绕组即所述的第一线圈、第二线圈和第三线圈的N、S状态的改变， 与所述的永磁体的N、S极的耦合实现所述的永磁转子的连续运转。

所述的控制系统的驱动电路和功率放大电路实现线圈绕组电流 的交替改变和永磁体的旋转驱动；电流-电压检测电路实现线圈绕组 的电流和压力的实时反馈，通过控制电路完成功率计算；显示电路可 实时显示转速、电流、电压；流量-压力检测电路实现对轴流泵的压 力-流量的实时检测。

采用上述技术方案的大气隙磁力驱动的全植入式轴流式血泵及 其控制方法，驱动定子和输送管内的永磁转子之间形成大气隙，能够 使血泵叶轮获得较大的优化设计空间；驱动定子包括定子铁芯、定子绕组 和定子斜槽；定子铁芯由三个齿槽对称分布在定子圆周方向；定子绕 组为三组线圈，周向等距叠装在定子齿上；每个定子齿表面上开有相 对位置和形状相同的斜槽；固定套由TI4材料制成，在圆周径向和轴 向有定位轴，实现定子径向和轴向的位置固定；永磁体由平行充磁的 二极钕铁硼构成；控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、 电流-电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路和 电源电路组成；控制电路控制三组线圈的电流交替改变，实现定子齿 上的N、S状态和永磁体的N、S极耦合传动；同时启动不需要启动绕 组，结构简单，系统启动过程基于电机电磁转矩以及泵的机械-流体 动力学特性设计，根据系统时间-速度曲线，决定系统速度控制步。 本发明通过对驱动定子槽数与永磁体极数的合理配置，将驱动定子槽 数设计为三槽，槽数的减少增加了线圈绕线的面积，提高了系统的驱 动力矩；永磁体转子设计为实心结构，可以达到在启动过程中不需要 启动绕组，降低了系统重量，精简了控制电路；永磁体为两极平行充 磁的钕铁硼材料组成，每极永磁体的充磁角度为180°，简化了充磁 的难度，同时极对数的减少降低了控制电路换向的频率，因而系统的 在控制电路上的损耗将降低，提高了系统的效率；定子绕组采取集中 绕组方式，简化了系统下线的难度。

作为优选，所述定子由取向硅钢片叠压而成，为了缩小系统的整 体体积，对驱动定子结构进行优化，在保证满足血泵额定运转条件下 需要的驱动力矩为11.02Nmm，优化后的定子外径为25mm，内径为 15mm，齿宽厚度为2mm，齿轭宽度为2mm，齿尖厚度为0.25mm，齿尖 角度为100-112°，具有体积小、重量轻以及结构紧凑的特点；系统 体积小，定子与永磁体径向气隙长度为4.5mm-6mm，轴向气隙长度为 15-18mm，能够满足临床条件下对体积及驱动能力的要求。

为了使驱动定子及线圈与人体隔绝，在驱动定子外有与人体内部 器官隔绝的固定套，固定套由材料TI4制成，其强度高，密度小，隔 热性好，能够降低血泵整体重量，温升的优点；同时定子与外套之间 气隙为真空，能够进一步降低外套外壳的温升。

为了实现驱动定子位置在轴向和径向方向的固定，固定套由两个 半环组成，在半环的内部有圆柱状突起，可以实现定子在径向和轴向 位置的固定，两个半环通过销钉及连接块连接，组装方法简单可靠； 为了解决两个泵固定套之间连接部分的密封问题，本发明中连接部分 采用树脂进行密封，树脂密封的导热性能和机械性能好，提高了植入 泵的可靠性。

为了实现血泵的连续运转及系统状态的监测，控制系统由控制电 路、驱动电路、功率放大电路、电流-电压检测电路、显示电路、PC 通信电路、流量-压力检测电路、电源电路组成；驱动电路和功率放 大电路可实现线圈绕组电流的交替改变和永磁体的旋转驱动；电流- 电压检测电路实现线圈绕组的电流和压力的实时反馈，通过控制电路 完成功率计算；显示电路可实时显示转速、电流、电压；流量-压力 检测电路实现对轴流泵的压力-流量的实时检测，PC通信电路可以实 现对系统流量-压力，电流-电压的实时。为了实现系统加速过程的快 速平稳过渡，本发明中，血泵启动过程中的控制步根据驱动定子电磁 机械动力学、血泵流体力学进行设计，启动过程分为三段过程进行加 速，加速过程很好的解决了系统快速与平稳的问题，降低了系统的震 动，其加速过程速度与时间隶属函数为：

$f\left(n\right)=\left(\begin{array}{c}9183t-92.44(0\le t\le 0.82)\\ -{60.32t}^4+{698.4t}^3-{3050t}^2+6242t+3588(0.82\le t\le 4)\\ -0.050{75t}^4+{2.521t}^3-{46.09t}^2+399t+8033(4\le t\le 20.5)\end{array}\right)$

有益效果：

本发明具有体积小、驱动能力强、效率高和启动快速平稳的优点， 能够适用于植入式人工心脏辅助泵。

针对磁力驱动系统在主从磁极间隙增大，驱动能力不足的情况， 本发明通过对驱动定子的合理设计，定子线圈绕组的合理布置，达到 增大系统驱动能力的目的。

本发明通过对驱动定子的优化设计，保证在满足系统要求的驱 动，实现了定子结构的微型化，提高了人工心脏泵的可植入式程度。

本发明通过对泵机械流体动力学分析，提出了血泵三段曲线加速 方法，具有加速快速平稳的优点。

实验表明本发明在主从磁极气隙为5mm，最大尺寸为26.5*68mm， 驱动电流为1A的情况下，血泵能够达到的最大转速为9480rpm，与 理论计算的9600rpm相差120rpm，按照加速速度曲线加速到最大速 度的时间为22.3s，与速度曲线的加速时间相差1.8s，其流量为4.35 L/min，压力为17.96Kpa。

附图说明

图1为本发明驱动轴流式血泵泵体整体示意图。

图2为定子硅钢叠片及定子绕组示意图。

图3为定子外部壳体组装示意图。

图4为在电流为1.0A的情况下，永磁体旋转180°过程中不同定 子槽数在相同的绕组情况下驱动力矩。

图5为驱动定子在驱动电流为1.0A时的温升值。

图6为控制系统硬件框图。

图7为血泵启动过程加速速度变化示意图。

图8为血泵速度变化曲线图。

标号说明：1.固定套2.驱动铁芯3.血泵前叶轮4.血泵旋转叶 轮5.永磁体6.轴承7.血泵后叶轮8.铁芯树脂绝缘层9、10、12. 线圈11.三槽定子13.连接销钉14.防渗树脂15、17.固定套16.半 固定套连接件

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图1、图2和图3，输送管18内通过轴承6同轴转动安装有 转子系统19，转子系统19由血泵旋转叶轮4、血泵前叶轮3、血泵后 叶轮7和永磁体5组成，还包括设在输送管18上的驱动定子铁芯、 固定套1及控制系统，驱动定子铁芯由硅钢叠片、绕组及绝缘层组成， 定子齿数为3个，沿圆周对称分布，绕组为三个即第一线圈9、第二 线圈10和第三线圈12，分别周向等距叠装在三个定子齿上，绝缘层 为树脂材料；固定套1实现定子铁芯在轴向及圆周方向的固定在输送 管18上；三组线圈绕组即第一线圈9、第二线圈10和第三线圈12 与所述的控制系统功率放大电路连接。

永磁转子5的轴向长度为15mm～18mm，其与驱动定子11的内径 之间的径向气隙为4.5mm～6mm。

定子铁芯由径向硅钢片叠压而成，定子外径为25mm，齿宽厚度 为2mm，齿轭宽度为2mm，齿尖角度为100°～112°，齿尖宽度为0.25mm。

固定套1由TI4材料制成，固定套1由两个半环即第二半固定套 17和第一半固定套15连接，第二半固定套17和第一半固定套15上 均有定子径向和轴向位置的固定柱，第二半固定套17和第一半固定 套15由销钉13和半固定套连接件16连接，第二半固定套17和第一 半固定套15之间夹持有树脂垫圈14。

永磁体5为两极平行充磁的钕铁硼材料组成，每极所述的永磁体 5的充磁角度为180°。

控制系统由控制电路、驱动电路、功率放大电路、电流-电压检 测电路、显示电路、PC通信电路、流量-压力检测电路和电源电路组 成。

转子系统19通过轴承6安装在所述的输送管18内。

参见图1、图2和图3，本发明装置中，血泵驱动装置沿圆周对 称分布的三槽定子铁芯，三组集中绕组线圈，分别安装在定子三个齿 上，三组线圈端部连接在一起；首先通过单片机控制系统，使三槽定 子的两个齿槽分别产生N、S极，实现转子系统19的预定位；通过控 制单片机控制电路的脉冲频率，实现三槽定子上产生的N和S极交替 旋转，在空间产生旋转磁场，通过与永磁体5的耦合，实现系统速度 调节，系统加速阶段根据系统机械流体动力学的不同状态过程调节单 片机的控制步，以达到快速平稳的效果，当达到满足人体生理状态时 对流量和压力的要求时，实行稳定控制步的输出。

对主要部件的参数做如下说明：定子铁芯由44片硅钢片叠压而 成，每片硅钢片的厚度为0.35mm；线圈线径为0.27mm，每相线圈 的绕组匝数为65匝；定子内径为永磁体外径气隙长度为5.0mm。

定子铁芯外径为25mm，内径为15mm，齿宽为2mm，轭宽为2mm， 齿尖厚度为0.25mm，齿尖角度为100-112°之间；永磁体外径为5mm。

实施例1：

如图1所示，永磁体5内置血泵旋转叶轮4中，永磁体5与驱动 铁芯定子以及输送管18之间气隙大，便于血泵流道的优化设计，驱 动铁芯定子在轴向位置与永磁体5一致，通过固定套1实现其在径向 和轴向位置的固定。

如图2所示，驱动铁芯由三槽定子、三组驱动线圈和三组绝缘层 树脂构成，绕组为等距叠绕组，绝缘树脂层可以防止线圈与硅钢片的 直接接触，避免线圈的破漆导通。

如图3所示，固定套1由两个半环即第二半固定套17和第一半 固定套15组成，中间层为树脂垫圈14用于防渗，通过半固定套连接 件16连接第二半固定套17和第一半固定套15，并通过销钉13进行 固定。

如图4所示，驱动铁芯在电流为1.0A时的温升分布，整体温升 最大为0.8℃，整体温升小，不会对人体血液造成破坏。

通过图5可以看出，在电流为1A时，气隙为5.0mm时，三槽 驱动结构驱动力矩比6槽和9槽定子的驱动力矩大。

图6为控制系统硬件组成框图，控制系统由控制电路、驱动电路、 功率放大电路、电流-电压检测电路、显示电路、PC通信电路、流量- 压力检测电路、电源电路组成；该系统能够实现对血泵的控制以及各 项状态的监测及显示。

如图7所示，血泵启动过程中，首先是转子预订位，根据速度- 时间曲线，实现血泵从转速为0加速到最大速度的三级加速，稳定运 转状态通过恒功率进行控制。

如图8所示，基于驱动定子电磁力学，血泵机械流体动力学的加 速曲线具有加速快速、平稳的优点。