高殿榮 殷桂梁 吳長(zhǎng)奇 韓雪艷 劉寶華 吳曉明 張 偉

高殿榮 工學(xué)博士 教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 gaodr@ysu.edu.cn

殷桂梁 工學(xué)碩士 教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院 glyin@ysu.edu.cn

吳長(zhǎng)奇 工學(xué)碩士 教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 cqwu@ysu.edu.cn

韓雪艷 工學(xué)碩士 工程師 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 機(jī)械廠 hanxueyan@ysu.edu.cn

劉寶華 工學(xué)博士 教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 liubaohua@ysu.edu.cn

吳曉明 工學(xué)博士 教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 xmwu@ysu.edu.cn

張 偉 工學(xué)博士 副教授 066004 河北省 秦皇島市 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 zhangwei@ysu.edu.cn

1 引言

1.1 血泵

左心室輔助裝置(Left Ventricular Assist Device，LVAD)作為臨床治療終末期心力衰竭的一種重要醫(yī)護(hù)裝置[1]，受到高度重視。血泵(Blood Pump)是LVAD的核心，能夠?qū)⑷梭w心臟左心室的血液引流注入到主動(dòng)脈系統(tǒng)，起到部分或完全代替自然心臟的功能。

美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局(U.S. Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)已經(jīng)批準(zhǔn)了數(shù)種應(yīng)用于臨床的商業(yè)化血泵[2]。中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部(Ministry of Health P.R. China，MoH)2009年下發(fā)了首批允許臨床應(yīng)用的第三類醫(yī)療技術(shù)目錄，其中就有左心室輔助裝置應(yīng)用技術(shù)(LVAD Application Technique，LVAD-AT)[3]，但目前尚無(wú)可以應(yīng)用于臨床的國(guó)產(chǎn)LVAD。

根據(jù)人體的生理需要，對(duì)血泵的功能與性能要求是可植入性好，質(zhì)量輕(一般不超過(guò)500 g)；能在10.6～16 kPa(80～120 mmHg)壓力下提供2～7 L·min-1流量，無(wú)溶血和血栓，免維護(hù)。表1列出了目前國(guó)外商業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用于臨床的其中3種血泵的性能參數(shù)。

表1 3種血泵的性能參數(shù)

LVAD臨床應(yīng)用，需要解決的主要科學(xué)問(wèn)題可以概括為可植入性問(wèn)題、溶血與血栓問(wèn)題、軸承磨損問(wèn)題、穿皮導(dǎo)線引起的受體感染問(wèn)題，以及無(wú)線傳輸與控制問(wèn)題等，其中溶血(hemolysis)和血栓(thrombus)等問(wèn)題是最重要和急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

溶血是指紅細(xì)胞破裂，血紅蛋白逸出。血栓是指流動(dòng)的血液在血管內(nèi)或心腔內(nèi)發(fā)生凝固，形成血凝塊。溶血與血栓的發(fā)生與血泵的流道結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)分布密切相關(guān)。溶血一般是由血泵內(nèi)部的湍流(turbulence)、渦流(vortex)，以及強(qiáng)剪切流(high shear flow)引起的；血栓是由于血泵內(nèi)出現(xiàn)滯止區(qū)(stagnation zone)，使那里的血液得不到血流的沖刷而形成的[7-10]。

1.2 血泵的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

自20世紀(jì)50年代中后期以來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就開始了血泵的研究工作，尤以美國(guó)、德國(guó)、日本的研究最為活躍。中國(guó)在此方面的研究起步于20世紀(jì)80年代，江蘇大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京阜外心血管病醫(yī)院和北京安貞醫(yī)院較早開展了相關(guān)的研究工作。

1.2.1 不同結(jié)構(gòu)形式血泵的研制及其可植入性研究方面

錢坤喜研究團(tuán)隊(duì)(江蘇大學(xué)(Jiangsu University)，中國(guó))對(duì)于人工心臟裝置的研究方面起步較早，先后研制了氣動(dòng)隔膜泵(Pneumatic Diaphragm Pump)[11]、非搏動(dòng)流血泵(Non-Pulsatile Flow Blood Pump)[12]、搏動(dòng)流低溶血葉輪血泵(Low Hemolysis Pulsatile Flow Impeller Blood Pump)[13]、葉輪全人工心臟泵(Impeller Fully Artifical Heart Pump)[14]、泵機(jī)合一的血泵(Blood Pump with Impeller and Motor Unification)[15]、軸向和徑向驅(qū)動(dòng)的永磁體磁懸浮葉輪血泵(Magnetic Suspension Impeller Blood Pump)[16-19]等一系列原理樣機(jī)。但這些原型血泵均存在著軸承的磨損與發(fā)熱，以及溶血及血栓等問(wèn)題。

李國(guó)榮等學(xué)者[20-23](中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院(Chinese Academy of Medical Science)，中國(guó))研制了“動(dòng)力性主動(dòng)脈瓣”左心室輔助裝置。其“轉(zhuǎn)子-葉輪體”由位于動(dòng)脈壁外的交變磁場(chǎng)提供動(dòng)力，產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)的裝置可以置于體外發(fā)揮作用。由于動(dòng)力性主動(dòng)脈瓣轉(zhuǎn)子-葉輪體支承部分采用的是浸入在血液中的滑動(dòng)軸承，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪會(huì)使軸承和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生很大的速度梯度，使其中的液體承受很高的剪切應(yīng)力，對(duì)血液有一定的破壞作用。

北京阜外心血管病醫(yī)院(Fuwai Hospital Cardiovascular Institute，中國(guó))研制了一種離心型旋轉(zhuǎn)血泵(Centrifugal Rotary Blood Pump)[24]，血液從泵上部血腔頂端吸入，從泵的血腔側(cè)孔排出。這種血泵仍然存在著軸承磨損、血流易形成渦旋和滯止區(qū)的問(wèn)題。

藺嫦燕等學(xué)者(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院(Capital University of Medical Sciences，Anzhen Hospital)，中國(guó))先后研制了I型離心血泵(Model I Centrifugal Blood Pump)(I-CP95)[25-26]、II型軸流血泵(Model II Axial Flow Blood Pump)(II-AP97)[27]、磁耦合血泵(Magnetic Coupling Blood Pump)(MC-AP98)[28-29]、I型螺旋混流血泵(Model I Spiral Mixed Flow Blood Pump)(I-SP00)、II型螺旋混流血泵(Model II Spiral Mixed Flow Blood Pump)(II-SP00)[30-31]等5種血泵樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)研究表明：I型血泵血液流動(dòng)穩(wěn)定性較差，有旋渦區(qū)和滯止區(qū)出現(xiàn)，剪切力高，對(duì)血液有破壞作用；II型軸流式血泵采用磁耦合驅(qū)動(dòng)，但仍然存在著繞流和流動(dòng)分離；螺旋血泵采用的是螺旋型葉輪，與軸流血泵相比確實(shí)對(duì)凝血系統(tǒng)破壞小，但由原始密封方式引起的耗能和發(fā)熱較大。

潘仕榮等學(xué)者[32](中山大學(xué)(Sun Yat-sen University of Medical Science)，中國(guó))研制了一種推板式血泵(Pusher-Plate-Type Blood Pump)，該泵以氣壓為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)推板，隔膜將血泵分成血室和氣室兩部分，并與推板固結(jié)在一起隨推板一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成充盈和排血的功能。由于該泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其可移植性差。

Myers等學(xué)者[33](Texas Heart Institute，美國(guó))聯(lián)合開發(fā)研制了Jarvik 2000 LVAD。Jarvik 2000 LVAD的血泵主要由控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)組成，其在使用過(guò)程中可產(chǎn)生血栓，需要應(yīng)用肝素、華法林等藥物進(jìn)行抗凝治療。

DeBakey等學(xué)者[34](Baylor College of Medicine，美國(guó))研制了MicroMed DeBakey血泵。該血泵由鈦合金制成，以液流調(diào)直器前樞軸支撐著導(dǎo)流葉輪，后有一個(gè)固定的擴(kuò)散器作為后樞軸，由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

Burke等學(xué)者[35](Thoratec Corp，美國(guó))設(shè)計(jì)和開發(fā)了HeartMate II血泵。HeartMate II的核心裝置是高速軸流旋轉(zhuǎn)血泵(High-Speed Axial Flow Rotary Blood Pump)，質(zhì)量375 g，直徑40 mm，長(zhǎng)度60 mm，最大流量可達(dá)10 L·min-1。

Wampler等學(xué)者[36](Nimbus Technologies Inc.，美國(guó))設(shè)計(jì)的Hemopump是最早被FDA批準(zhǔn)用于臨床研究的軸流式心室輔助裝置。由于存在血栓等問(wèn)題，Hemopump已停止使用[37]。

Incor[38]是柏林心臟中心(Berlin Heart，德國(guó))與柏林心臟研究所(German Heart Institute Berlin，德國(guó))于2002年研制出的磁懸浮軸流血泵(Magnetic Suspension Axial Blood Pump)。該血泵的運(yùn)動(dòng)部件——葉輪，軸向采用主動(dòng)磁懸浮，徑向采用被動(dòng)磁懸浮。血泵入口有一個(gè)靜止的導(dǎo)流柵，出口有一個(gè)靜止的擴(kuò)散器。葉輪采用阿基米德螺桿，依靠裝在定子上的線圈驅(qū)動(dòng)。Incor存在的問(wèn)題是它有一個(gè)穿越皮膚的供能導(dǎo)線，有產(chǎn)生感染的風(fēng)險(xiǎn)。

Zheng等學(xué)者[39](FAMU-FSU College of Engineering，美國(guó))研制了一種電磁驅(qū)動(dòng)的螺桿血泵。這種血泵由于采用了磁耦合驅(qū)動(dòng)，消除了螺桿與電機(jī)之間的密封。實(shí)驗(yàn)研究表明，血泵出口與螺桿軸線垂直的布置方式產(chǎn)生的溶血大于出口與螺桿軸線平行的布置方式。這種血泵的軸承仍然是機(jī)械式的，軸承的磨損以及溶血和血栓問(wèn)題仍然存在。

1.2.2 血泵流場(chǎng)的CFD計(jì)算方面

王芳群等學(xué)者[8-10](江蘇大學(xué)(Jiangsu University)，中國(guó))認(rèn)為造成葉輪血泵溶血、血栓等血液破壞現(xiàn)象的內(nèi)在原因之一是血液的動(dòng)力學(xué)行為。他們應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)，對(duì)流線型葉輪(Streamline Impeller)和直葉片葉輪(Straight Blade Impeller)等兩種葉輪形式的離心血泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得到了其內(nèi)部的流線分布。根據(jù)溶血、切應(yīng)力和暴露時(shí)間三者之間的冪函數(shù)模型，對(duì)血泵的溶血進(jìn)行了預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在相同的邊界條件下，流線型葉輪泵(Streamline Impeller Pump)的溶血值要小于直葉片葉輪泵(Straight Blade Impeller Pump)。

張寶寧等學(xué)者[40](清華大學(xué)(Tsinghua University)，中國(guó))采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)某型血泵流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)果表明，血液從進(jìn)口進(jìn)入葉片通道時(shí)，經(jīng)過(guò)了一個(gè)90°的拐彎，這種現(xiàn)象不僅對(duì)于血液有較大的破壞作用，而且也會(huì)嚴(yán)重影響血液在葉片通道中的流動(dòng)性能，引起溶血和血栓。

Yu等學(xué)者[41](Nanyang Technological University，新加坡)對(duì)磁懸浮離心血泵(Magnetic Suspension Centrifugal Blood Pump)的葉輪形狀對(duì)血泵性能的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。他們認(rèn)為血栓通常出現(xiàn)在葉輪與渦殼之間的狹窄縫隙中；盡管大一些的葉輪與渦殼之間的間隙可以誘發(fā)間隙中更多的回流從而減小血栓的形成，但卻會(huì)導(dǎo)致較低的泵效率；而葉輪與渦殼之間太小的間隙則會(huì)產(chǎn)生很高的剪切應(yīng)力從而在間隙中導(dǎo)致溶血；使用流動(dòng)可視化和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法可以從實(shí)驗(yàn)上和數(shù)值計(jì)算上分析研究葉輪流道內(nèi)的任何回流區(qū)和死區(qū)，為設(shè)計(jì)和選擇合理的葉片數(shù)和流道形狀提供依據(jù)，以減小溶血和血栓。

Lee等學(xué)者[42](Seoul National University，韓國(guó))研發(fā)了一種磁懸浮無(wú)葉片離心血泵(Magnetic Suspension Vaneless Centrifugal Blood Pump，MSVC-BP)。離心轉(zhuǎn)子被磁懸浮于中心，采用數(shù)值分析方法預(yù)測(cè)血泵的壓頭及剪切應(yīng)力。CFD分析結(jié)果表明，MSVC-BP適合于臨床應(yīng)用，但仍然需要繼續(xù)進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)積累數(shù)據(jù)以進(jìn)一步改進(jìn)血泵。

Apel等學(xué)者[43](Helmholtz Institute for Biomedical Engineering，德國(guó))對(duì)微型軸流血泵的進(jìn)口、葉片以及出口區(qū)域用CFD和三維粒子跟蹤技術(shù)(3D-PTV)進(jìn)行了分析和研究，對(duì)測(cè)試裝置中主要部位的流動(dòng)進(jìn)行建模，并采用CFD方法將血泵的揚(yáng)程/流量(H/Q)特性、軸向壓力分布，以及粒子圖像與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比較。結(jié)果顯示CFD預(yù)測(cè)的血泵的性能參數(shù)，以及進(jìn)出口漩渦與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。

Katharine等學(xué)者[44](University of Maryland，美國(guó))總結(jié)了用CFD技術(shù)研究血泵的情況，包括對(duì)目前研究現(xiàn)狀的綜述，以幫助心室輔助裝置設(shè)計(jì)人員選擇合適的設(shè)計(jì)方法。概述了血液損壞的模型，并指出該模型在CFD中應(yīng)用存在的困難等。

1.2.3 血泵材料相容性及密封問(wèn)題研究方面

孔樺等學(xué)者[45-46](中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院(Chinese Academy of Medical Science)，中國(guó))研究了納米碳改性聚氨酯聚合材料表面的血液相容性。他們將經(jīng)過(guò)表面處理的納米碳分散到聚氨酯體系中，制成聚氨酯/納米碳復(fù)合薄膜，試用于心室輔助循環(huán)系統(tǒng)的血泵表面的涂覆處理。血液相容性研究結(jié)果表明，該新型復(fù)合材料的抗凝血性、抗溶血性能均有所提高。

李冰一等學(xué)者[47](安貞醫(yī)院(An Zhen Hospital)，中國(guó))認(rèn)為葉輪血泵具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是心室輔助裝置(VAD)發(fā)展的一大主流。但在研究過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，血栓形成、血液破壞、密封等嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用與發(fā)展。血栓形成一直是研究者們?cè)O(shè)法解決的問(wèn)題。優(yōu)化血泵的結(jié)構(gòu)、改良與血液接觸的表面材料是減少血栓形成的主要方法。

Chua等學(xué)者[48](Nanyang Technological University,新加坡)認(rèn)為流動(dòng)特性如高剪切應(yīng)力和死區(qū)是血泵溶血和血栓形成的主要原因。他們認(rèn)為減輕溶血和血栓的一種方法就是改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中葉輪和泵體之間的縫隙尺寸是重要的參數(shù)，縫隙過(guò)小對(duì)血細(xì)胞的沖洗不夠?qū)?dǎo)致血栓；縫隙過(guò)大可能產(chǎn)生渦旋從而導(dǎo)致溶血。

Mitamura等學(xué)者[49](Tokai University,日本)針對(duì)血泵電機(jī)與葉輪軸封處的機(jī)械密封壽命短，且容易生成血栓和產(chǎn)生溶血的問(wèn)題，提出了磁流體密封方案。該方案具有與旋轉(zhuǎn)軸無(wú)接觸，因而無(wú)摩擦生熱和材料磨損的優(yōu)點(diǎn)，但磁流體密封的持久性是一個(gè)問(wèn)題。

Yamazaki等學(xué)者[50](Tokyo Women’s College，日本)開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的離心血泵，其葉輪直徑40 mm，血泵尺寸55 mm×64 mm。第一臺(tái)樣機(jī)由鈦合金制成，血泵質(zhì)量400 g(含無(wú)刷直流電機(jī))。第二臺(tái)樣機(jī)質(zhì)量減輕至280 g。血泵內(nèi)與血液相接觸的全部表面都涂有類金剛石涂層以改善血液的相容性。測(cè)得在2 500 r·min-1時(shí)，血泵耗能9 W，提供7 L·min-1的流量和13 kPa(100 mmHg)的壓力。軸密封采用的是新型的具有循環(huán)沖洗系統(tǒng)(冷密封)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，密封溫度保持在40 ℃以下，可防止血液蛋白的熱變性。沖洗系統(tǒng)冷卻電機(jī)線圈和徑向軸承。

Mitamura等學(xué)者[51](Hokkaido Tokai University，日本)認(rèn)為旋轉(zhuǎn)血泵要求的關(guān)鍵技術(shù)是電機(jī)軸的密封。他們開發(fā)了鐵磁流體用于軸流血泵的密封。密封體主要由塑料磁體(plastic magnet)和兩個(gè)極片組成，通過(guò)將鐵磁流體注入到極片與電機(jī)軸之間的縫隙中形成。為控制密封中的鐵磁流體并盡可能減少鐵磁流體與血液接觸的可能性，在極片上提供了帶有小腔室的屏蔽。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為11 000 r·min-1時(shí)測(cè)試得到的密封壓力可達(dá)22.7 kPa(170 mmHg)。

Yamazaki等學(xué)者[52](University of Pittsburgh Medical Center，美國(guó))認(rèn)為開發(fā)可移植旋轉(zhuǎn)血泵面臨的主要問(wèn)題是保證旋轉(zhuǎn)軸處的有效密封。在旋轉(zhuǎn)血泵中機(jī)械密封最長(zhǎng)的壽命也遠(yuǎn)小于血泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)要求的壽命。密封失效主要與高溫血液蛋白變性的附著和沉積進(jìn)而擴(kuò)散到密封表面的潤(rùn)滑膜有關(guān)。一旦曝露于高于50 ℃的溫度中，血液中纖維蛋白原分子就會(huì)聚合，這種準(zhǔn)聚合纖維又會(huì)增加摩擦熱，加劇了密封失效?；凇袄涿芊狻备拍睿_發(fā)了由高熱傳導(dǎo)性材料(SiC)制成的帶有循環(huán)沖洗系統(tǒng)的機(jī)械密封，在密封面后面大量循環(huán)的沖洗流體增加對(duì)流換熱以維持密封溫度在40 ℃以下，同時(shí)也對(duì)血泵其他產(chǎn)熱部件進(jìn)行冷卻。

Jarvik[53](Jarvik Research,Inc，美國(guó))認(rèn)為在血泵完全浸在血液中的軸承可以最大化簡(jiǎn)化血泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和減小血泵的體積，不需要沖洗用的流體，也不需要磁懸浮支承中的電子器件。Jarvik 2000鈦合金心室血泵使用的就是這種軸承，直徑僅為25 mm，質(zhì)量為85 g。

Takami等學(xué)者[54](Baylor College of Medicine，美國(guó))介紹了Gyro C1E3離心血泵采用雙樞軸承(陶瓷和聚乙醚)，完全沒(méi)有密封結(jié)構(gòu)，這樣就防止了轉(zhuǎn)軸處血液滲漏和血栓的形成。

1.2.4 血泵磁軸承及磁懸浮研究方面

錢坤喜等學(xué)者[55-56](江蘇大學(xué)(Jiangsu University)，中國(guó))研制出一臺(tái)采用永磁軸承的LVAD。該裝置包括一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子，采用徑向驅(qū)動(dòng)方式；轉(zhuǎn)子包括驅(qū)動(dòng)磁鋼和葉輪，電機(jī)定子線圈和泵殼組成定子。轉(zhuǎn)子的位置測(cè)量表明，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的前提條件是必須有較高的轉(zhuǎn)速(大于3 250 r·min-1)且流量大于1 L·min-1。

Lim等學(xué)者[57](Nanyang Technological University，新加坡)對(duì)軸流血泵高速混合磁軸承的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了研究。血泵的轉(zhuǎn)子和葉輪由三相永磁無(wú)刷無(wú)傳感器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其兩端由帶有PID控制器的具有5個(gè)自由度的混合磁軸承懸浮，其中4個(gè)徑向方向是主動(dòng)控制的，一個(gè)軸向方向是被動(dòng)控制的。測(cè)試表明轉(zhuǎn)子可在14 000 r·min-1下穩(wěn)定支承。

Morshuis等學(xué)者[58](Heart & Diabetes Center，德國(guó))介紹了由鈦和不銹鋼制成的可移植離心血泵——DuraHeart。該血泵的葉輪在血室內(nèi)由磁懸浮支承，葉輪的旋轉(zhuǎn)由葉輪與電機(jī)的磁耦合驅(qū)動(dòng)，由3塊電磁鐵磁懸浮，每個(gè)電磁鐵上的電流由3個(gè)位置傳感器控制使葉輪自由懸浮于血泵殼體的中央。該血泵沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸和軸封。

Cheng等學(xué)者[59](Rochester Institute of Technology，美國(guó))采用三維有限元分析(3D Finite Element Analysis，3D-FEA)對(duì)軸流血泵的磁懸浮性能進(jìn)行了分析，以優(yōu)化血泵混合磁懸浮軸承的設(shè)計(jì)方案。FEA分析表明，在混合磁軸承(Hybrid Magnetic Bearing，HMB)中，線圈電流產(chǎn)生的電磁通量分布主要是徑向的，永磁鐵產(chǎn)生的磁通量主要是軸向的。分析結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

Pagani[60](University of Michigan Health System，美國(guó))提出，為了減少使用接觸式軸承的第二代血泵造成的溶血風(fēng)險(xiǎn)，第三代旋轉(zhuǎn)血泵的支承應(yīng)采用磁懸浮或液體動(dòng)壓軸承。

1.2.5 外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)研究方面

陳建偉等學(xué)者[61-62](中南大學(xué)(Central South University)，中國(guó))提出了一種微型軸流血泵(Micro Axial Flow Blood Pump)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案，即通過(guò)勵(lì)磁線圈來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并能產(chǎn)生雙向勵(lì)磁電流，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提高了效率。

祝忠彥等學(xué)者[63](中南大學(xué)(Central South University)，中國(guó))針對(duì)永磁軸流式血泵大間隙磁力傳動(dòng)系統(tǒng)，提出采用單磁極切換(Unit Magnetic Pole Switch)和雙磁極切換(Bi-Magnetic Pole Switch)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，并基于ANSYS分析了磁場(chǎng)的耦合機(jī)理，計(jì)算并對(duì)比了這兩種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩。

劉云龍等學(xué)者[64-65](中南大學(xué)(Central South University)，中國(guó))為了解大間隙、高轉(zhuǎn)速條件下磁力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞規(guī)律，通過(guò)微型軸流式血泵外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)大間隙磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部分能量耗散進(jìn)行研究，建立系統(tǒng)能量傳遞效率數(shù)學(xué)模型。基于非接觸磁齒輪驅(qū)動(dòng)研究，提出一種主動(dòng)磁極靜止式大間隙磁力驅(qū)動(dòng)方式。針對(duì)這種新型的磁力驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了基于SCM(單片機(jī))的斬波恒流功率放大磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路，并進(jìn)行了電路輸出模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)磁極靜止式磁力驅(qū)動(dòng)。

徐先懂等學(xué)者[66](中南大學(xué)(Central South University，中國(guó))基于橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的耦合原理，提出軸流式血泵外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)泵機(jī)分離的結(jié)構(gòu)。采用等效電流法建立了永磁體等效物理模型，計(jì)算血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的距離、相對(duì)轉(zhuǎn)角以及磁極對(duì)數(shù)對(duì)血泵傳動(dòng)扭矩的影響。

徐修萍等學(xué)者[67](上海交通大學(xué)(Shanghai Jiaotong University)，中國(guó))認(rèn)為現(xiàn)有的大部分軸流式心室輔助裝置都是通過(guò)經(jīng)皮傳電給直流電機(jī)帶動(dòng)軸流式血泵旋轉(zhuǎn)。供能系統(tǒng)存在供能周期短，經(jīng)皮膚易感染等問(wèn)題。研制穩(wěn)定高效的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)給血泵供能，可以解決這些問(wèn)題。國(guó)外有采用無(wú)線功能系統(tǒng)的，但存在效率低、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，亟待改進(jìn)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外血泵研究取得的進(jìn)展可歸納如下：

(1) 為了滿足人體生理需要和增加可植入性，血泵由搏動(dòng)流血泵(Pulsatile Flow Blood Pump)發(fā)展到連續(xù)流血泵(Continuous Flow Blood Pump)，結(jié)構(gòu)形式也由容積式泵(Positive Displacement Pump)發(fā)展到離心式泵(Centrifugal Pump)、軸流式泵(Axial Pump)，以及混流式泵(Mixed Flow Pump)，體積在逐漸減小，質(zhì)量在逐漸減輕；

(2) 針對(duì)血泵溶血和血栓形成的原因，應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)血泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和分析，并以此為依據(jù)對(duì)血泵內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；

(3) 研究和探索了不同形式的血泵軸承形式和密封方式及所用材料，尋求與血液相容的血泵新型材料，增加血泵的安全性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性；

(4) 提出各種形式的磁懸浮血泵(Magnetic Suspension Blood Pump)，對(duì)磁懸浮性能進(jìn)行了研究；

(5) 對(duì)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的原理和工程實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

1.3 本文的研究?jī)?nèi)容

雖然血泵研究取得了令人可喜的進(jìn)展，但體外實(shí)驗(yàn)、在體實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用表明，現(xiàn)有的血泵仍然存在以下問(wèn)題：

【問(wèn)題1】 軸承磨損引起的血泵失效。

【問(wèn)題2】 因電機(jī)與軸承的發(fā)熱、密封，以及葉輪和流道中不符合血液生理學(xué)流動(dòng)規(guī)律而引起的溶血和血栓。

【問(wèn)題3】 血泵穿越皮膚的動(dòng)力與控制導(dǎo)線所引起的受體感染。

上述3類問(wèn)題嚴(yán)重地制約了血泵的發(fā)展及其臨床應(yīng)用，因而解決血泵存在的上述問(wèn)題具有緊迫性和必要性。

以實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)密封、無(wú)發(fā)熱、無(wú)溶血和血栓、無(wú)感染為目標(biāo)，燕山大學(xué)(Yanshan University，中國(guó))高殿榮研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)前人研究成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)思出一種體外驅(qū)動(dòng)、在軸向和徑向完全實(shí)現(xiàn)磁懸浮的，基于錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子的新式血泵——體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵(Totally Magnetic Suspension Cone Spiral Impeller Blood Pump Driven by Outside Device，TMSCSI-BP-DOD)。

圍繞探索TMSCSI-BP-DOD的錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子在軸向和徑向?qū)崿F(xiàn)完全磁懸浮和體外驅(qū)動(dòng)的原理和方法，建立錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子及其流道內(nèi)的血液學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算和分析血液流場(chǎng)和流動(dòng)規(guī)律，消除產(chǎn)生溶血和血栓的根源，模擬、分析并優(yōu)化血泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及其驅(qū)動(dòng)性能，研制物理樣機(jī)，開展體外實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了以下研究工作。

(1) 運(yùn)用CFD的理論和方法，建立錐形螺旋葉輪流道內(nèi)血液流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分和數(shù)值計(jì)算，以期獲得血泵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并分析血泵結(jié)構(gòu)參數(shù)可能對(duì)血泵溶血和血栓的影響，進(jìn)而優(yōu)化錐形螺旋葉輪葉型、流道結(jié)構(gòu)等部分的設(shè)計(jì)。

(2) 應(yīng)用電磁場(chǎng)理論分析研究無(wú)源永磁磁浮軸承磁場(chǎng)的分布規(guī)律，尋求使錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子在軸向、徑向?qū)崿F(xiàn)磁懸浮的原理、方法和結(jié)構(gòu)，并用有限元方法對(duì)磁懸浮力計(jì)算和分析，找出徑向磁浮的最佳間隙，并分析轉(zhuǎn)子懸浮的軸向和徑向穩(wěn)定性。

(3) 研究體外驅(qū)動(dòng)錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子的方法和可行性；分析驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)對(duì)徑向磁懸浮力的影響規(guī)律；探索葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)功率、血泵流量的關(guān)系。

(4) 加工血泵的物理樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)血泵進(jìn)行體外試驗(yàn)，找出存在的問(wèn)題，為在動(dòng)物身上在體試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

本論文對(duì)以上研究所建立的科學(xué)成果提出研究報(bào)告。

2 基于CFD的血泵流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)血泵性能影響的數(shù)值模擬

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的基本思路是采用數(shù)值離散方法將支配流動(dòng)的偏微分方程離散為代數(shù)方程組，結(jié)合流動(dòng)的初始條件和邊界條件，通過(guò)編程在計(jì)算機(jī)上求解，得到流動(dòng)區(qū)域離散點(diǎn)上的數(shù)值解。近年來(lái)，CFD已越來(lái)越多地應(yīng)用于血泵的設(shè)計(jì)，成為一種重要的設(shè)計(jì)工具。

在血泵設(shè)計(jì)初期，CFD能夠描述復(fù)雜幾何體內(nèi)部的三維流動(dòng)現(xiàn)象，能夠快速評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)并引導(dǎo)修改，不需要花費(fèi)原型生產(chǎn)和反復(fù)測(cè)試的代價(jià)；在血泵設(shè)計(jì)中期，CFD用來(lái)研究設(shè)計(jì)變化對(duì)血流的影響，減少未預(yù)料到的負(fù)面影響；在血泵設(shè)計(jì)完成后，CFD能以多種方式展示所設(shè)產(chǎn)品性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)目的。

2.1 血泵模型及控制方程

2.1.1 血泵模型

高殿榮研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)思的血泵結(jié)構(gòu)見圖1[68]。其中，進(jìn)口導(dǎo)輪主要是引導(dǎo)通過(guò)進(jìn)口流入血泵的流體平順地進(jìn)入錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子；錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子在外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，把流體由進(jìn)口導(dǎo)輪傳送到出口導(dǎo)輪處；出口導(dǎo)輪將通過(guò)錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的流體導(dǎo)引為平順的流動(dòng)，減少渦流和旋流，降低對(duì)流體的剪切作用。圖2給出了血泵內(nèi)流動(dòng)示意。

1進(jìn)口端殼體；2進(jìn)口導(dǎo)輪;3軸向永磁軸承；4徑向永磁軸承；5密封圈；6中間殼體；7驅(qū)動(dòng)磁條；8錐形螺旋轉(zhuǎn)子；9密封圈；10支承軸；11出口導(dǎo)輪；12出口端殼體

圖2 血泵流動(dòng)示意圖

2.1.2 血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬的基本步驟

作為人體左心室輔助裝置(LVAD)的血泵要求在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其輸出的流量和壓力滿足人體的生理要求。血泵轉(zhuǎn)速一般為3 000～12 000 r·min-1，輸出流量為2～7 L·min-1，輸出壓力為10.6～16 kPa(80～120 mmHg)。

血泵數(shù)值模擬的目的是在物理樣機(jī)制造之前，對(duì)血液在泵內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布進(jìn)行研究：

【任務(wù)1】 通過(guò)改變血泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡可能消除回流區(qū)和高剪切應(yīng)力區(qū)，減少血栓和溶血發(fā)生的可能性；

【任務(wù)2】 對(duì)血泵的進(jìn)出口流道尺寸、泵殼的內(nèi)部形狀和尺寸、進(jìn)口導(dǎo)輪形狀和葉片數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)子的錐度、螺距及擴(kuò)張角、出口導(dǎo)輪形狀和葉片數(shù)對(duì)血泵輸出的流量和壓力的影響進(jìn)行研究，確定血泵各零部件合理的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)。

根據(jù)CFD的行為模式[69]，本研究團(tuán)隊(duì)建立起血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬基本步驟(見圖3)。

圖3 血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬框圖

根據(jù)研究任務(wù)和圖3，本研究團(tuán)隊(duì)規(guī)劃了血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬內(nèi)容及參數(shù)(見表2)。

表2 血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬內(nèi)容

續(xù)表

2.1.3 支配流體在血泵內(nèi)流動(dòng)的控制方程

任何流體的流動(dòng)都必然遵守基本的物理定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。考慮到血液在血泵中流動(dòng)溫度變化很小，血液流動(dòng)的控制方程主要是質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，其指標(biāo)表達(dá)式如下[70]。

(1) 質(zhì)量守恒方程(Mass Conservation Equation)

(1)

式中，ρ為流體密度；xj為坐標(biāo)軸；j為指標(biāo)(j=1，2，3)；uj為與坐標(biāo)軸xj平行的流速分量；t為時(shí)間。

(2) 動(dòng)量守恒方程(Momentum Conservation Equations)

(2)

式中，xi為坐標(biāo)軸；ui為與坐標(biāo)軸xi平行的流速分量；p為流體的壓強(qiáng)；μ為流體的動(dòng)力粘度；fi為單位質(zhì)量力在坐標(biāo)軸xi上的分量；i為指標(biāo)(i=1，2，3)。

血泵中血液的流動(dòng)表現(xiàn)為湍流形式，在求解式(1)和式(2)時(shí)，需要確定所使用的湍流模型。在實(shí)際工程計(jì)算中，常采用雷諾平均方法的湍流模型。這類模型有Spalart-Allmaras模型、Standard κ -ε雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型等。實(shí)驗(yàn)研究表明，Standard κ -ε雙方程模型能較精確地描述湍流。

血泵中流體控制方程組除了質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程外，還包括湍流動(dòng)能κ(Turbulence Kinetic)的方程和湍流耗散率ε(Turbulence Dissipation Rate)的方程[71-72]。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)κ -ε湍流模型方程(Standard κ -ε Turbulent Model)

湍流動(dòng)能κ方程(Turbulence Kinetic Equation)

(3)

式中，к為湍動(dòng)能；μt為湍動(dòng)粘度；σκ為湍動(dòng)能к對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，σκ=1.0；Gκ為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能(對(duì)于不可壓縮流體，Gb=0)；ε為湍動(dòng)能耗散率；YM代表可壓縮湍流的波動(dòng)對(duì)整體耗散率的影響(對(duì)于不可壓縮流體，YM=0)；Sκ是用戶自定義的源項(xiàng)。

湍動(dòng)粘度可以表示為κ和ε的函數(shù)，即

(4)

式中，Cμ為模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cμ=0.09。

(4) 湍流耗散率ε方程(Turbulence Dissipation Rate Equation)

(5)

式中，C1ε，C2ε，C3ε為模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sε是用戶自定義的源項(xiàng)。

σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。對(duì)于可壓縮流體的流動(dòng)計(jì)算中與浮力相關(guān)的系數(shù)C3ε，當(dāng)主流動(dòng)方向與重力方向平行時(shí)，有C3ε=1；當(dāng)主流動(dòng)方向與重力方向垂直時(shí)，有C3ε=0。

2.2 錐形螺旋葉輪血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

2.2.1 血泵全流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

利用PRO/E建立血泵三維模型(見圖4)。

圖4 血泵結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流道三維圖

本研究團(tuán)隊(duì)選定的血泵結(jié)構(gòu)參數(shù)選自表2中血泵全流場(chǎng)數(shù)值模擬條件下的一種，錐形螺旋轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，轉(zhuǎn)子螺距為35 mm，轉(zhuǎn)子錐度為9.46°，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片形狀為圓弧形，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為8。

通過(guò)布爾運(yùn)算將圖1中血液流動(dòng)區(qū)域?qū)隒FD軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定。進(jìn)口邊界設(shè)定為壓力入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。血泵流場(chǎng)分為進(jìn)口及進(jìn)口導(dǎo)輪部分、錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子部分，以及出口導(dǎo)輪和出口等3部分。轉(zhuǎn)子部分設(shè)為moving reference frame，轉(zhuǎn)子葉輪表面設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界。轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分的銜接面都設(shè)為interface，這樣就可以在三者間傳遞數(shù)據(jù)。其他壁面定義為無(wú)滑壁面邊界。仿真用液體密度設(shè)為1 055 kg/m3，粘度為0.003 5 kg/(m·s)[73-75]。設(shè)置完成后的網(wǎng)格模型見圖5。

圖5 血泵內(nèi)部流道的網(wǎng)格劃分圖

圖6～圖9給出的是血泵轉(zhuǎn)速為8 000 r·min-1，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)分別為6，7，8和9時(shí)血泵內(nèi)部流體流動(dòng)的跡線圖。其計(jì)算條件見表2中的第一行數(shù)據(jù)。根據(jù)圖6～圖9的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論1】 流體自左端流入，經(jīng)進(jìn)口導(dǎo)輪、錐形螺旋轉(zhuǎn)子、出口導(dǎo)輪后從右端流出(見圖6～圖9)。

【推論2】 流體在左端進(jìn)口流道處流線呈直線，無(wú)旋轉(zhuǎn)無(wú)回流(見圖6～圖9)。

【推論3】 進(jìn)入進(jìn)口導(dǎo)輪部分后，在進(jìn)口導(dǎo)輪及其上導(dǎo)葉的作用下，流線呈軸對(duì)稱擴(kuò)散狀，與軸線有一定的夾角(見圖6～圖9)。

【推論4】 進(jìn)入錐形螺旋轉(zhuǎn)子部分以后，在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪轉(zhuǎn)子作用下，流體沿葉輪槽道作向右螺旋前進(jìn)，既有軸向運(yùn)動(dòng)，又有切向運(yùn)動(dòng)(見圖6～圖9)。

【推論5】 進(jìn)入出口導(dǎo)輪處后，圓弧形的導(dǎo)葉對(duì)旋轉(zhuǎn)的血液具有緩沖導(dǎo)向作用，減緩血液的旋轉(zhuǎn)，流體基本上沿軸線或略有左旋前進(jìn)(見圖6～圖9)。

【推論6】 取決于導(dǎo)葉片的個(gè)數(shù)，流體在進(jìn)入出口導(dǎo)輪處有回流區(qū)。以導(dǎo)輪葉片數(shù)為6，7和9時(shí)最為明顯(見圖6，圖7，圖9)。

【推論7】 進(jìn)入出口流道后，導(dǎo)輪葉片數(shù)為6，7和9時(shí)對(duì)應(yīng)的出口流道流體有旋轉(zhuǎn)(見圖6，圖7，圖9)。

【推論8】 葉片數(shù)為8時(shí)流線呈直線，出口流體無(wú)切向分量，會(huì)減輕流體受到切向剪切力的作用，對(duì)于血液而言可減小導(dǎo)致血細(xì)胞破裂形成溶血的可能性(見圖8)。

【推論9】 在進(jìn)出口導(dǎo)輪與轉(zhuǎn)子交界處，流線有轉(zhuǎn)折(見圖6～圖9)。

圖6 血泵進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為6時(shí)的跡線圖

圖8 血泵進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為8時(shí)的跡線圖

圖9 血泵進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為9時(shí)的跡線圖

2.2.2 血泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)血泵性能影響的數(shù)值模擬與分析

(1) 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的影響

【計(jì)算條件】 見表2中第二行數(shù)據(jù)，即進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)均為5，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片形狀為0°直葉片，錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子螺距為30 mm，轉(zhuǎn)子錐度9.46°，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)分別為2，3，4和5(見圖10)。

圖10 具有不同葉片數(shù)的錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)與血泵輸出流量和壓力的關(guān)系曲線(見圖11和圖12)。

圖11 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)與血泵輸出流量之間的關(guān)系

圖12 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)與血泵輸出壓力之間的關(guān)系

根據(jù)圖11和圖12的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論10】 錐形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為5 000～7 000 r·min-1，隨著轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的增加，血泵輸出流量和壓力總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

【推論11】 錐形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為7 000～10 000 r·min-1，隨著轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的增加，血泵輸出流量和壓力呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后降低的趨勢(shì)。

【推論12】 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，血泵輸出流量和壓力在逐步增加。轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，轉(zhuǎn)速為6 000 r·min-1時(shí)，血泵的輸出流量和壓力分別為12.65 L·min-1和15.8 kPa，能夠滿足人體對(duì)血泵流量和壓力的要求。

(2) 轉(zhuǎn)子螺距的影響

【計(jì)算條件】 見表2中第三行數(shù)據(jù)，即錐形螺旋轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為5，選取轉(zhuǎn)子的螺距分別為30 mm，35 mm，40 mm，45 mm，50 mm等5種情況(見圖13)。

圖13 具有不同螺距的錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得不同轉(zhuǎn)速下的血泵錐形螺旋轉(zhuǎn)子螺距與血泵輸出流量、壓力的關(guān)系曲線(見圖14和圖15)。

圖14 轉(zhuǎn)子螺距與血泵輸出流量之間的關(guān)系

圖15 轉(zhuǎn)子螺距與血泵輸出流量之間的關(guān)系

根據(jù)圖14和圖15的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論13】 隨著錐形螺旋轉(zhuǎn)子螺距的增加，血泵的輸出流量總體趨勢(shì)是逐漸增大；輸出壓力起伏變化，沒(méi)有固定的規(guī)律。

【推論14】 隨著轉(zhuǎn)速的增大，不同錐形螺旋轉(zhuǎn)子螺距的血泵的輸出流量和壓力逐步增大。

【推論15】 在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 000 r·min-1，錐形螺旋轉(zhuǎn)子螺距為30 mm時(shí)，血泵的輸出流量和壓力分別為12.65 L·min和15.8 kPa，已滿足人體對(duì)血泵流量和壓力的要求。

(3) 轉(zhuǎn)子錐度的影響

【計(jì)算條件】 見表2中第四行數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)子錐度分別為5.95°，7.125°，8.3°，9.46°。前后導(dǎo)輪葉片數(shù)為8，均為圓弧形葉片，轉(zhuǎn)子螺距為35 mm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3(見圖16)。

圖16 具有不同錐度的錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得不同轉(zhuǎn)速下的血泵錐形螺旋轉(zhuǎn)子錐度與血泵輸出流量、壓力的關(guān)系曲線(見圖17和圖18)。

圖17 轉(zhuǎn)子錐度與血泵輸出流量之間的關(guān)系曲線

圖18 轉(zhuǎn)子錐度與血泵輸出壓力之間的關(guān)系曲線

根據(jù)圖17和圖18的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論16】 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，具有不同錐形轉(zhuǎn)子錐度的血泵輸出流量和壓力逐步增加。

【推論17】 在同一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，隨著錐形轉(zhuǎn)子錐度的增大，血泵輸出流量總體趨勢(shì)是逐步增大。

(4) 導(dǎo)輪葉片形狀的影響

【計(jì)算條件】 見表2中第五行數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)子螺距為35 mm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為8。導(dǎo)輪葉片的形狀選?。?°直導(dǎo)葉，10°右旋直導(dǎo)葉(導(dǎo)葉與軸線夾角方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反)，10°左旋直導(dǎo)葉(導(dǎo)葉與軸線夾角方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致)及圓弧導(dǎo)葉(見圖19)。

圖19 具有不同葉片形狀的導(dǎo)輪

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得不同轉(zhuǎn)速下的導(dǎo)輪葉片形狀與血泵輸出流量、壓力的關(guān)系曲線(見圖20和圖21)。

圖20 導(dǎo)輪葉片形狀與血泵輸出流量之間關(guān)系曲線

根據(jù)圖20和圖21的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論18】 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，具有不同葉片形狀導(dǎo)輪的血泵輸出流量和壓力逐步增大[76]。

【推論19】 在同一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，具有0°直導(dǎo)葉導(dǎo)輪的血泵輸出流量和壓力最大，具有10°右旋導(dǎo)葉導(dǎo)輪的血泵輸出流量最小。

(5) 導(dǎo)輪葉片數(shù)的影響

【計(jì)算條件】 見表2中第六行數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，轉(zhuǎn)子螺距為35 mm，轉(zhuǎn)子錐度為9.46°，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片形狀為圓弧形，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)分別取6，7，8和9(見圖22)。

圖22 具有不同葉片數(shù)的導(dǎo)輪

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得不同轉(zhuǎn)速下的導(dǎo)輪葉片數(shù)與血泵輸出流量、壓力的關(guān)系曲線(見圖23和圖24)。

圖23 導(dǎo)輪葉片數(shù)與血泵輸出流量之間關(guān)系曲線

圖24 導(dǎo)輪葉片數(shù)與血泵輸出壓力之間關(guān)系曲線

根據(jù)圖23和圖24的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論20】 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，具有不同葉片數(shù)導(dǎo)輪的血泵輸出流量和壓力逐漸增大；

【推論21】 同一轉(zhuǎn)速下，隨著導(dǎo)輪葉片數(shù)的增加，血泵的輸出流量和壓力總體趨勢(shì)有所減少。

2.3 血泵數(shù)值模擬結(jié)論及所提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.3.1 血泵數(shù)值模擬結(jié)論

通過(guò)上述的血泵數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論。

【結(jié)論1】 在螺旋葉輪的流道中，流體受到螺旋葉片的推力，加速前進(jìn)，進(jìn)入出口導(dǎo)輪。在出口導(dǎo)輪處均有明顯的回流，流動(dòng)紊亂，并且出口流體有旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)對(duì)血液流動(dòng)不利：一是流體因?yàn)樾D(zhuǎn)消耗部分能量，降低了出口壓力能；二是旋轉(zhuǎn)會(huì)使血液受到的剪切力增大，容易引起溶血。轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3時(shí)，后導(dǎo)輪處回流較少，出口流體旋轉(zhuǎn)較小。

【結(jié)論2】 隨著轉(zhuǎn)子螺距的增大，流體的切向速度增大，使血液受到的切向應(yīng)力增加，增大了溶血的風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)子螺距為35 mm時(shí)，血泵各項(xiàng)性能比較平均，基本滿足血泵設(shè)計(jì)的要求。

【結(jié)論3】 隨著轉(zhuǎn)子錐度的增大，血泵的流量和進(jìn)出口兩端的壓差也在增大。轉(zhuǎn)子錐度為9.46°的血泵性能指標(biāo)最符合人體的生理要求。

【結(jié)論4】 導(dǎo)輪葉片對(duì)流體的流動(dòng)具有明顯的導(dǎo)向作用。適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)能很好地引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向，使流動(dòng)無(wú)回流，基本無(wú)漩渦，減少血栓的形成的可能性；進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)對(duì)血泵的進(jìn)出口壓強(qiáng)及流量也有影響，隨著導(dǎo)輪葉片數(shù)的增多，血泵進(jìn)出口壓差減小，流量也減??；進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片數(shù)為8片時(shí)，血泵性能最好。

【結(jié)論5】 最佳血泵結(jié)構(gòu)參數(shù)：轉(zhuǎn)子錐度為9.46°，轉(zhuǎn)子螺距為35 mm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為3，進(jìn)出口導(dǎo)輪葉片形狀為圓弧形，導(dǎo)輪葉片數(shù)為8。

2.3.2 血泵流場(chǎng)數(shù)值模擬提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

【準(zhǔn)則1】 血泵進(jìn)口端殼體和出口端殼體內(nèi)表面應(yīng)該設(shè)計(jì)成流線形狀。

【準(zhǔn)則2】 進(jìn)出口導(dǎo)輪應(yīng)該設(shè)計(jì)成錐弧形曲面，并能與血泵進(jìn)口端殼體和出口端殼體內(nèi)表面相匹配。

【準(zhǔn)則3】 轉(zhuǎn)子應(yīng)該設(shè)計(jì)成錐形，轉(zhuǎn)子錐度應(yīng)該選取為9.46°。

【準(zhǔn)則4】 與轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的血泵殼體部分內(nèi)表面也應(yīng)該設(shè)計(jì)成錐形，并與轉(zhuǎn)子的錐度相同。

【準(zhǔn)則5】 錐形轉(zhuǎn)子上的葉片應(yīng)為螺旋狀，且選取螺旋頭數(shù)為3，即螺旋葉片數(shù)為3。

【準(zhǔn)則6】 錐形轉(zhuǎn)子上螺旋葉片的螺距因該選取為35 mm。

【準(zhǔn)則7】 進(jìn)出口導(dǎo)輪上的導(dǎo)葉片形狀應(yīng)設(shè)計(jì)成圓弧狀，并取進(jìn)出口導(dǎo)輪上的葉片數(shù)分別為8。

3 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵用混合永磁懸浮軸承

為了能使高速旋轉(zhuǎn)的錐形螺旋葉輪血泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，必須解決軸承磨損和摩擦生熱問(wèn)題[50-53]。

(1) 機(jī)械軸承摩擦產(chǎn)生的熱量，將使得通過(guò)的血液溫度升高，某些血液細(xì)胞會(huì)被殺死，威脅人的生命安全。

(2) 機(jī)械軸承磨損導(dǎo)致血泵轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙加大，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)，血液流動(dòng)紊亂，引發(fā)血細(xì)胞破壞——溶血。

(3) 血栓有可能導(dǎo)致血泵轉(zhuǎn)子卡死，甚至發(fā)生血栓脫落進(jìn)入血管等更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

(4) 溶血和血栓都會(huì)使血液發(fā)生紊亂，打亂人的正常生理周期，而且破壞血泵的工作環(huán)境。

為了消除或減小機(jī)械軸承摩擦與磨損對(duì)血液產(chǎn)生的危害，將人體血細(xì)胞的損壞程度減到最小，而且為了使得植入人體內(nèi)血泵能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期免維護(hù)，可以采用磁懸浮軸承(Magnetic Suspension Bearing)來(lái)替代機(jī)械軸承[49-50]。

高殿榮研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)思的錐形螺旋葉輪血泵轉(zhuǎn)子(Rotor of Cone Spiral Impeller Pump，RCSIP)的懸浮由兩對(duì)徑向永磁軸承(Radial Permanent Magnetic Bearings，RPMB)及軸向永磁軸承(Axial Permanent Magnetic Bearings，APMB)組成[77-79](見圖25)。RCSIP裝配結(jié)構(gòu)見圖26。

1泵殼;2進(jìn)口導(dǎo)輪;3軸向永磁軸承;4徑向永磁軸承;5錐形螺旋轉(zhuǎn)子;6徑向永磁軸承;7軸向永磁軸承;8出口導(dǎo)輪;A軸向永磁軸承左(右)端環(huán);B徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)，軸向永磁軸承右 (左)端環(huán);C徑向永磁軸承外環(huán)

1進(jìn)口端殼體;2進(jìn)口導(dǎo)輪;3軸向永磁軸承左(右)端環(huán);4徑向永磁軸承外環(huán);5,9密封圈;6中間殼體;7永磁磁條;8錐形螺旋轉(zhuǎn)子;10支承軸;11出口導(dǎo)輪;12出口端殼體;13徑向永磁軸承內(nèi)磁環(huán)，軸向永磁軸承右(左)端環(huán)

(1) 支承軸10上裝有4塊永磁磁條7，永磁磁條7上裝有錐形螺旋轉(zhuǎn)子8，支承軸10、4塊永磁磁條7和錐形螺旋轉(zhuǎn)子8共同構(gòu)成血泵轉(zhuǎn)子總成。

(2) 徑向永磁軸承內(nèi)磁環(huán)13安裝在支承軸10的兩端，兩個(gè)徑向永磁軸承4的外磁環(huán)分別安裝在進(jìn)口導(dǎo)輪2和出口導(dǎo)輪8上，內(nèi)磁環(huán)13和外磁環(huán)4構(gòu)成左右徑向永磁軸承。

(3) 軸向永磁端環(huán)3分別安裝在進(jìn)口導(dǎo)輪2和出口導(dǎo)輪8上，另一個(gè)軸向永磁端環(huán)13(亦是徑向永磁軸承內(nèi)磁環(huán))安裝在支承軸10的左右兩端，永磁端環(huán)3和13構(gòu)成兩個(gè)軸向永磁軸承。

(4) 進(jìn)口導(dǎo)輪2和出口導(dǎo)輪11通過(guò)各自的葉片分別固結(jié)在進(jìn)口端殼體1和出口端殼體12內(nèi)部。

(5) 轉(zhuǎn)子總成與進(jìn)口導(dǎo)輪2和出口導(dǎo)輪11之間有較小的軸向間隙，與泵殼之間有較小的徑向間隙。

(6) 錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子總成可以在兩個(gè)軸向永磁軸承及兩個(gè)徑向永磁軸承的共同作用下，實(shí)現(xiàn)軸向與徑向的磁懸浮，并與導(dǎo)輪和外殼之間無(wú)接觸高速旋轉(zhuǎn)。

圖27是磁懸浮軸承數(shù)值計(jì)算框圖。

圖27 磁懸浮軸承數(shù)值計(jì)算框圖

3.1 徑向永磁軸承的數(shù)值模型

徑向永磁軸承見圖28。通常使用兩個(gè)等寬等高截面的永磁環(huán)構(gòu)成理想永磁軸承。對(duì)于大多數(shù)徑向永磁軸承而言，兩塊永磁環(huán)間的間隙和截面的尺寸相對(duì)于其平均半徑是很小的，那么忽略永磁環(huán)的曲率是可行的，不會(huì)影響計(jì)算的精度[80]。

圖28 3維徑向永磁軸承模型

徑向永磁軸承在工作時(shí)，可能出現(xiàn)軸向偏移和徑向偏移等兩種情形。

(1)軸向偏移徑向永磁軸承軸向偏移時(shí)(見圖29，圖中箭頭↑表示磁化方向)。

圖29 徑向永磁軸承數(shù)學(xué)模型

由于永磁環(huán)之間的徑向間隙均勻，永磁環(huán)可以等同于無(wú)限長(zhǎng)的兩塊條形磁鐵，永磁環(huán)之間的磁場(chǎng)及其變化類似于線性系統(tǒng)[81]。由于永磁軸承中兩個(gè)永磁環(huán)同心，軸向?qū)ΨQ，故永磁軸承的徑向力為零，即徑向永磁軸承的徑向磁力Fr=0，徑向永磁軸承的軸向磁力

(6)

式中，F(xiàn)x為徑向永磁軸承的軸向磁力；J0為永磁環(huán)表面磁極化強(qiáng)度；μ0為磁導(dǎo)率；S為軸承平均周長(zhǎng)；φ為標(biāo)量磁位；d為軸向偏移量；h為永磁環(huán)高度。

(7)

式中，z為徑向坐標(biāo)(見圖28)；l為永磁環(huán)寬度；e為徑向間隙。

(8)

式中，Kr為徑向永磁軸承的徑向剛度；δ為磁荷密度。

(9)

Kx=-2Kr

(10)

式中，Kx為徑向永磁軸承的軸向剛度。

在中心位置時(shí)，d=0，此時(shí)

(11)

Kx=0

(12)

(2)徑向偏移對(duì)于軸向偏移的徑向永磁軸承，若同時(shí)又發(fā)生徑向偏移c(見圖30)，由于永磁環(huán)之間的徑向間隙不再均勻，永磁環(huán)之間的磁場(chǎng)及其變化將不再類似于線性系統(tǒng)。

圖30 具有軸向偏移的徑向永磁軸承示意圖

可以用磁荷法(magnetic charge method)計(jì)算出徑向力和軸向力[82]。

(13)

式中，F(xiàn)r為永磁軸承徑向力；α為內(nèi)磁環(huán)徑向與y軸夾角；β為外磁環(huán)徑向與y軸夾角；R1為外永磁環(huán)的外半徑值；R2為外永磁環(huán)的內(nèi)半徑值；R3為內(nèi)永磁環(huán)的外半徑值；R4為內(nèi)永磁環(huán)的外半徑值；r1為外永磁環(huán)的外半徑；r2為外永磁環(huán)的內(nèi)半徑；r3為內(nèi)永磁環(huán)的外半徑；r4為內(nèi)永磁環(huán)的內(nèi)半徑；i為x方向上的單位向量；j為y方向上的單位向量；c為內(nèi)外永磁環(huán)軸向偏移量。

永磁軸承軸向力

(14)

利用式(13)和式(14)可以計(jì)算永磁軸承的徑向承載能力和軸向承載能力，也能夠用來(lái)計(jì)算永磁環(huán)平行磁化的所有其他布置形式的徑向和軸向永磁軸承的承載能力。

3.2 軸向永磁軸承的數(shù)值模型

軸向永磁軸承是由動(dòng)磁環(huán)和靜磁環(huán)組成，利用磁性材料同性相斥、異性相吸的原理，使動(dòng)磁環(huán)懸浮于靜磁環(huán)上，保證在旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)磁環(huán)和靜磁環(huán)不接觸，從而大大降低運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。根據(jù)永磁軸承兩磁環(huán)的磁化方向及相對(duì)位置的不同，永磁軸承有多種磁路結(jié)構(gòu)形式。由于徑向充磁的工藝比較復(fù)雜，本研究團(tuán)隊(duì)僅對(duì)軸向斥力磁軸承(Axial Repulsion Magnetic Bearing)進(jìn)行研究，圖31為軸向斥力永磁軸承的三維結(jié)構(gòu)。

圖31 3維軸向永磁軸承模型

利用虛功原理法(virtual work principle)進(jìn)行懸浮力的分析，并采用有限元方法對(duì)軸向斥力軸承的磁場(chǎng)分布以及磁場(chǎng)力的大小進(jìn)行計(jì)算。

(1)用虛功原理計(jì)算磁力使用虛功原理計(jì)算磁力實(shí)際上是求磁場(chǎng)的能量對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的位移。

(15)

式中，Wm為磁場(chǎng)能量；B為磁通密度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；V為被求磁力物體的體積。

則磁力物體沿ξ方向位移受到的磁力

(16)

式中，Wm為磁場(chǎng)能量；V為被求磁力物體的體積；ξ為磁力物體位移方向。

在這些虛位移中，標(biāo)量磁位或矢量磁位保持不變，而且可移動(dòng)的物體必須被一層空氣所包圍以便物體可以有虛位移。根據(jù)牛頓第三定律，包圍物體的這層空氣所受的磁力應(yīng)該與物體所受的磁力大小相等而方向相反，因此可以將物體所受到的磁力的求解轉(zhuǎn)換成包圍物體的一層空氣所受的磁力的求解；而在空氣中，磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通密度之間的關(guān)系是線性的，這樣就不必考慮可移動(dòng)物體的材料非線性，從而使求解問(wèn)題變得簡(jiǎn)化。

(2)虛功原理對(duì)應(yīng)的有限元法對(duì)于式(16)，要推導(dǎo)出其解析解幾乎是不可能的，而在大多數(shù)情況下只能采用數(shù)值方法來(lái)求物體所受的磁力。磁場(chǎng)數(shù)值分析，常用方法是有限元方法。

圖32為軸向永磁軸承處于軸對(duì)稱磁場(chǎng)中，其相應(yīng)的計(jì)算場(chǎng)域是一個(gè)軸對(duì)稱場(chǎng)域，即圖32中o -xy坐標(biāo)系中的第一象限部分。

圖32 軸向永磁軸承數(shù)學(xué)模型

選擇標(biāo)量磁位φm作求解函數(shù)，標(biāo)量磁位滿足拉普拉斯方程(Laplace Equation)，其邊值問(wèn)題

(17)

式中，Ω為φm的求解區(qū)域；φm為標(biāo)量磁位；s1為第一類邊界；φm0為第一類邊界上的標(biāo)量磁位值；s2為第二類邊界；Bn為第二類邊界上的磁場(chǎng)強(qiáng)度外法向分量的已知值；n為第二類邊界上的磁場(chǎng)強(qiáng)度外法向單位矢量。

根據(jù)變分原理，式(17)的邊值問(wèn)題可以等價(jià)為條件變分問(wèn)題。即

(18)

式中，W(φm)為能量泛函。

s1∶φm=φm0

經(jīng)離散化處理后，式(18)可以轉(zhuǎn)化為有限元方程組

[K]{φm}={P}

(19)

式中，[K]為總體系數(shù)矩陣；P為右端向量。

求出各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)量磁位為φm后，由H=φm的拉普拉斯變換，即可求出各節(jié)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的值。

永磁軸承的懸浮力取決于兩種媒質(zhì)分界面上磁力的大小。根據(jù)虛功原理，作用于永磁環(huán)上的磁力，當(dāng)求解域離散成許多微小單元時(shí)可以表示如下。

(20)

式中，F(xiàn)ξ為沿ξ方向所受到的磁力；Ve為微小單元體體積；e表示微小單元。

當(dāng)采用體積局部坐標(biāo)時(shí)，有如下關(guān)系式。

H=-J-1·φm

(21)

(22)

(23)

式中，J為局部坐標(biāo)與全局坐標(biāo)之間變換的Jacobian矩陣。

將式(22)和式(23)代入式(20)，得

(24)

如果計(jì)算區(qū)域的單元?jiǎng)澐植捎镁€性四面體單元(linear tetrahedron unit)，采用體積局部坐標(biāo)時(shí)對(duì)應(yīng)的Jacobian矩陣

(25)

式中，xi,yi,zi為節(jié)點(diǎn)i所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，i=1，2，3，4。

至此，就能將所有的單元求和，求出Fξ的值。

3.3 徑向永磁軸承數(shù)值計(jì)算

數(shù)值模擬在P43臺(tái)式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，內(nèi)存8 G，硬盤1 T。以Maxwell方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，采用ANSYS/Emag計(jì)算模塊中的電磁場(chǎng)分析功能，可分析計(jì)算如電力發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、回旋加速器等設(shè)備的磁通密度、能量損耗、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁漏、磁力及磁矩等參數(shù)，磁場(chǎng)通量密度、電流密度、能量、力、損耗、電感和電容可以通過(guò)已知參量導(dǎo)出[83]。徑向永磁軸承數(shù)值模擬的內(nèi)容和相應(yīng)的參數(shù)見表3。

表3 徑向永磁軸承數(shù)值模擬內(nèi)容

續(xù)表

3.3.1 不同氣隙及徑向偏移量下永磁軸承的磁力線分布

根據(jù)上述有關(guān)徑向永磁軸承的分析，對(duì)于徑向永磁軸承而言，當(dāng)內(nèi)外永磁環(huán)之間有偏移時(shí)，內(nèi)外永磁環(huán)之間的徑向間隙不再均勻，永磁環(huán)之間的磁場(chǎng)分布也要發(fā)生變化。為了定性驗(yàn)證上述分析，利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件(ANSYS)對(duì)徑向永磁磁軸承進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算?？紤]到永磁環(huán)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，進(jìn)行二維電磁場(chǎng)分析。

根據(jù)表3規(guī)定的不同氣隙及徑向偏移量下永磁軸承的磁力線分布模擬要求，圖33～圖35分別給出了上述工況下，在內(nèi)外磁環(huán)沒(méi)有軸向偏移時(shí)的磁力線分布圖。

圖33 氣隙為0.2 mm時(shí)磁力線分布

圖34 氣隙為0.25 mm時(shí)磁力線分布

圖35 氣隙為0.3 mm時(shí)磁力線分布

根據(jù)圖33～圖35的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論22】 內(nèi)磁環(huán)和外磁環(huán)的磁力線形成封閉的曲線，在內(nèi)環(huán)偏移的一側(cè)，磁力線分布范圍比另一側(cè)大，即磁環(huán)軸向下方的磁力線比上方范圍大。

【推論23】 當(dāng)內(nèi)、外環(huán)之間氣隙一定時(shí)，徑向偏移量越大，磁力線向外的擴(kuò)散程度也越大。

【推論24】 當(dāng)徑向偏移量相同時(shí)，不同氣隙下磁力線分布變化不明顯。

【推論25】 當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)磁環(huán)向下側(cè)偏移時(shí)，在相同點(diǎn)磁場(chǎng)密度增大，磁力線也越密集，分布范圍也越大。

3.3.2 內(nèi)磁環(huán)所受徑向懸浮力與徑向偏移量之間的關(guān)系

根據(jù)上述有關(guān)徑向永磁軸承的分析，對(duì)于徑向永磁軸承而言，當(dāng)內(nèi)外永磁環(huán)之間有偏移時(shí)，內(nèi)外永磁環(huán)之間的徑向懸浮力與徑向偏移量c有關(guān)(見式(13))。根據(jù)表3規(guī)定的內(nèi)磁環(huán)所受徑向懸浮力與徑向偏移量之間關(guān)系模擬要求，應(yīng)用式(13)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析徑向偏移量c對(duì)徑向懸浮力的影響趨勢(shì)。

圖36給出了按上述模擬條件，在內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間沒(méi)有軸向偏移時(shí)，內(nèi)磁環(huán)所受徑向懸浮力與徑向偏移量之間的關(guān)系曲線。

圖36 徑向懸浮力與徑向偏移量之間的關(guān)系

根據(jù)圖36的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論26】 當(dāng)內(nèi)磁環(huán)向下偏移時(shí)，沿偏移方向的氣隙比相反方向的小，磁力線較相反方向密集一些。

【推論27】 內(nèi)磁環(huán)所受的徑向懸浮力的大小與徑向偏移量成正比關(guān)系，即徑向偏移量越大，內(nèi)磁環(huán)受到的徑向懸浮力也越大。

【推論28】 內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間的平均氣隙g0的大小對(duì)內(nèi)磁環(huán)徑向懸浮力的大小影響比較大，平均氣隙越大，徑向懸浮力就越小。

3.3.3 不同軸向偏移量時(shí)徑向永磁軸承磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布

根據(jù)上述有關(guān)徑向永磁軸承的分析，當(dāng)徑向永磁軸承的內(nèi)外環(huán)同心時(shí)，徑向永磁軸承所產(chǎn)生的軸向懸浮力與徑向永磁軸承內(nèi)外磁環(huán)的軸向偏移量d有關(guān)(見式(6))。為了定性地驗(yàn)證這一影響趨勢(shì)，根據(jù)表3規(guī)定的不同軸向偏移量時(shí)徑向永磁軸承磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布模擬要求，對(duì)不同軸向偏移量時(shí)徑向永磁軸承磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖37分別給出了徑向永磁軸承在軸向偏移1 mm，2 mm，3 mm和4 mm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖。

圖37 不同軸向偏移量下磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖

根據(jù)圖37的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論29】 隨著徑向磁軸承內(nèi)磁環(huán)沿軸向偏移量增大，內(nèi)磁環(huán)伸出部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷地增大；在內(nèi)磁環(huán)伸出部分周圍形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大明顯，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也明顯增大，內(nèi)磁環(huán)受到的力也更大，所受力的方向與內(nèi)磁環(huán)偏移方向相反，使得內(nèi)磁環(huán)回到平衡位置。

3.3.4 徑向永磁軸承軸向懸浮力與軸向偏移量之間的關(guān)系

根據(jù)上述有關(guān)徑向永磁軸承的分析，當(dāng)徑向永磁軸承的內(nèi)外環(huán)同心時(shí)，徑向永磁軸承所產(chǎn)生的軸向懸浮力與徑向永磁軸承內(nèi)外磁環(huán)的軸向偏移量d有關(guān)(見式(6))。為了定量分析這一影響趨勢(shì)，根據(jù)式(6)和表3規(guī)定的徑向永磁軸承軸向懸浮力與軸向偏移量之間的關(guān)系模擬要求進(jìn)行模擬計(jì)算，得徑向永磁軸承軸向懸浮力與軸向位移之間的關(guān)系曲線見圖38。

圖38 軸向懸浮力與軸向偏移量之間的關(guān)系

根據(jù)圖38的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論30】 內(nèi)磁環(huán)所受軸向力的方向與內(nèi)磁環(huán)的偏移方向一致，與充磁方向無(wú)關(guān)，而只與內(nèi)磁環(huán)的軸向偏移量有關(guān)。

【推論31】 在1.5 mm范圍內(nèi)，軸向磁力隨著軸向偏移量的增大變化比較快；在1.5～2.5 mm之間，增加的比較緩慢；在大于2.5 mm時(shí)，軸向力開始下降。

【推論32】 徑向平均氣隙對(duì)軸向力也有一定的影響，平均氣隙越小，軸向力越大，雖然這對(duì)軸向懸浮是不利的，但是平均氣隙越小，徑向懸浮力越大。

3.4 軸向永磁軸承數(shù)值計(jì)算

軸向永磁軸承數(shù)值模擬的工作平臺(tái)和模擬軟件與徑向永磁軸承數(shù)值計(jì)算相同。模擬內(nèi)容和相應(yīng)參數(shù)見表4。

表4 軸向永磁軸承數(shù)值模擬內(nèi)容

3.4.1 不同軸向氣隙時(shí)軸向永磁軸承磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布

根據(jù)上述有關(guān)軸向永磁軸承的分析，采用軸向充磁的軸向永磁軸承容易實(shí)現(xiàn)。為定性分析兩永磁環(huán)之間的軸向偏移量對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的影響趨勢(shì)，根據(jù)表4規(guī)定的不同軸向氣隙時(shí)軸向永磁軸承磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布的模擬要求進(jìn)行仿真計(jì)算，得到軸向永磁軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布情況(見圖39)。

徑向磁軸承產(chǎn)生的軸向不穩(wěn)定性[84]，可以通過(guò)一對(duì)軸向磁軸承來(lái)進(jìn)行平衡。根據(jù)永磁體之間同性相斥，異性相吸原理，兩個(gè)永磁環(huán)構(gòu)成一個(gè)斥力型軸向磁軸承。由圖25和圖26可知，軸向磁軸承的一個(gè)永磁環(huán)與徑向磁軸承的外磁環(huán)都鑲嵌在導(dǎo)輪內(nèi)，因此這兩個(gè)永磁環(huán)之間的磁力為內(nèi)力，不影響轉(zhuǎn)子的懸浮。

圖39 不同軸向氣隙下軸向磁軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

根據(jù)圖39的仿真數(shù)據(jù)，隨著兩磁環(huán)軸向間氣隙的不斷增大，軸向永磁軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布發(fā)生明顯變化。當(dāng)軸向氣隙較小時(shí)，在兩磁環(huán)之間氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大；隨著兩磁環(huán)間氣隙的不斷增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯地減小。因此，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論33】 兩磁環(huán)間的軸向氣隙對(duì)軸向永磁軸承的影響比較大。

3.4.2 軸向永磁軸承軸向懸浮力與兩磁環(huán)間軸向氣隙的關(guān)系曲線

根據(jù)上述有關(guān)軸向永磁軸承的分析，為定量分析軸向充磁兩永磁環(huán)之間的軸向偏移量對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的影響趨勢(shì)，根據(jù)表4規(guī)定的軸向懸浮力與兩磁環(huán)間軸向氣隙關(guān)系曲線的模擬要求，得到軸向懸浮力與軸向偏移量之間的關(guān)系曲線(見圖40)。

圖40 軸向懸浮力與軸向偏移量之間的關(guān)系

根據(jù)分析圖40的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論34】 隨著軸向氣隙的不斷增大，軸向磁力不斷的減小。

【推論35】 平均氣隙g0對(duì)軸向力的大小也有一定的影響，g0越大，即磁環(huán)的內(nèi)徑越小，軸向磁軸承的軸向力也越小。

由于徑向磁軸承軸向的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生軸向力，對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定是不利的，必須使軸向磁軸承產(chǎn)生的軸向力減去徑向磁軸承產(chǎn)生的軸向力后，仍能滿足轉(zhuǎn)子軸向穩(wěn)定的要求[85-86]。這就要求對(duì)徑向磁軸承和軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)尺寸以及徑向平均氣隙做綜合考慮，做出合理的優(yōu)化與配置。

3.5 血泵永磁軸承數(shù)值模擬結(jié)論及提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.5.1 血泵永磁軸承數(shù)值模擬結(jié)論

【結(jié)論6】 采用軸向充磁的內(nèi)外永磁環(huán)可以組成徑向永磁軸承。

【結(jié)論7】 軸向充磁的徑向永磁軸承內(nèi)外磁環(huán)之間的偏移量影響徑向軸承磁力線的分布。軸向充磁的徑向永磁軸承內(nèi)外磁環(huán)之間間隙小的部位，磁力線密集，作用范圍大，磁場(chǎng)也就強(qiáng)。

【結(jié)論8】 軸向充磁的徑向永磁軸承內(nèi)磁環(huán)所受的徑向懸浮力與內(nèi)磁環(huán)的徑向偏移量有關(guān)。徑向偏移量越大，內(nèi)磁環(huán)受到的徑向懸浮力也越大。

【結(jié)論9】 內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間的平均氣隙g0的大小對(duì)內(nèi)磁環(huán)徑向懸浮力影響較大，平均氣隙越大，徑向懸浮力就越小。

【結(jié)論10】 軸向充磁的徑向永磁軸承隨內(nèi)磁環(huán)沿軸向偏移量的增大，內(nèi)磁環(huán)伸出部分周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增大。

【結(jié)論11】 軸向偏移量在1.5 mm范圍內(nèi)，內(nèi)磁環(huán)所受到的軸向磁力隨著軸向偏移量的增大增加比較快；在1.5～2.5 mm之間，增加的比較緩慢；在大于2.5 mm時(shí)，開始下降。

【結(jié)論12】 徑向平均氣隙對(duì)軸向力也有一定的影響，平均氣隙越小，軸向力越大。

【結(jié)論13】 兩個(gè)軸向充磁的永磁環(huán)可以形成軸向永磁軸承。

【結(jié)論14】 軸向永磁軸承兩磁環(huán)間的軸向氣隙大小對(duì)氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較大。氣隙越小，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；氣隙越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。

【結(jié)論15】 軸向永磁軸承軸向懸浮力隨軸向氣隙的增加而減小。

3.5.2 血泵永磁軸承數(shù)值模擬所提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

【準(zhǔn)則8】 徑向永磁軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)該選用軸向充磁的兩個(gè)磁環(huán)組成。

【準(zhǔn)則9】 為保證產(chǎn)生足夠的徑向懸浮力，徑向氣隙g0應(yīng)取值0.2 mm。

【準(zhǔn)則10】 軸向永磁軸承應(yīng)該由軸向充磁的兩個(gè)永磁環(huán)組成。

【準(zhǔn)則11】 為保證產(chǎn)生足夠的軸向懸浮力，軸向間隙應(yīng)控制在0.2 mm附近。

【準(zhǔn)則12】 為保證對(duì)血泵轉(zhuǎn)子磁懸浮的穩(wěn)定性，軸向和徑向永磁軸承應(yīng)該成對(duì)出現(xiàn)。

4 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)研究

現(xiàn)有的血泵大多采用體內(nèi)儲(chǔ)能或通過(guò)導(dǎo)線(管)向體內(nèi)血泵提供能量等方式。無(wú)論體內(nèi)儲(chǔ)能還是外部輸入能量，都存在以下兩個(gè)方面弊端。

(1)體內(nèi)儲(chǔ)能方式由于大容量高能電池的限制，不可能長(zhǎng)時(shí)間向血泵提供能量，限制了左心室輔助裝置(LVAD)的長(zhǎng)期不間斷連續(xù)使用。因此，利用體內(nèi)儲(chǔ)能供能方式的LVAD，只能應(yīng)用于過(guò)渡性心臟功能輔助。

(2)體外能量輸入方式雖然解決了能量供給不足的問(wèn)題，但由于導(dǎo)線(管)穿透人體，極容易產(chǎn)生感染和排異現(xiàn)象，將大大降低患者的生活品質(zhì)。

如果能夠采用體外旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作為L(zhǎng)VAD的供應(yīng)能量，則可能通過(guò)非接觸式驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)血泵葉輪旋轉(zhuǎn)，不僅可以簡(jiǎn)化血泵體結(jié)構(gòu)，減小血泵體積，更適于置入心臟，而且可以避免穿皮導(dǎo)線引起的排異與感染等生理問(wèn)題。

本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想，血泵轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)永磁鐵采用高磁性永磁體(Permanent Magnet)NdFeB制成，運(yùn)用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理[62]，對(duì)線圈組加載交變電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[87-89]，對(duì)永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

血泵體外旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)涉及的主要科學(xué)問(wèn)題是構(gòu)建旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，面臨的主要工程問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)方式。本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于血泵體外旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)研究的總體思路如下。

(1) 構(gòu)思不同的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方案；

(2) 采用ANSYS軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行數(shù)值仿真[90]，獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)信息；

(3) 比較各方案優(yōu)劣，確定最佳方案；

(4) 按最佳方案構(gòu)造實(shí)物驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 永磁轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的有限元計(jì)算與分析

永磁轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)數(shù)值模擬所用平臺(tái)及模擬軟件與徑向永磁軸承數(shù)值計(jì)算相同，數(shù)值模擬方案見表5。

表5 轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)數(shù)值模擬方案

4.1.1 三線圈呈120°均勻周向排列驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有限元分析

三線圈呈120°均勻周向排列是符合永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理的空間布置方式。通過(guò)對(duì)其施加交變電流更有利于對(duì)轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

(1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題描述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子和線圈組成(見圖41)。轉(zhuǎn)子采用NdFeB材料徑向充磁制成，其剩磁Br=1.08 T，內(nèi)稟矯頑力(Intrinsic Coercive Force，ICF)Hc=981 000 Oe，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為9 mm，外徑為15 mm。轉(zhuǎn)子中心與線圈中心距60 mm。

圖41 轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

內(nèi)稟矯頑力(ICF)是永磁材料性能的重要物理參量，表征了永磁材料抵抗外部反向磁場(chǎng)或其他退磁效應(yīng)，以保持其原始磁化狀態(tài)能力的主要指標(biāo)。

永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由兩對(duì)極性相反的NdFeB永磁體組成(見圖42)。工作時(shí)，3組線圈依次由交變電流循環(huán)導(dǎo)通，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而對(duì)轉(zhuǎn)子持續(xù)產(chǎn)生交變力作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。3組線圈脈沖電流信號(hào)見圖43。

圖42 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖43 3組線圈脈沖電流信號(hào)圖

(2)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限元模型根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)工況，在ANSYS中建立轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二維模型(見圖44)，轉(zhuǎn)子和線圈被長(zhǎng)寬均為200 mm的空氣場(chǎng)包圍(見圖44中背景區(qū)域)，線圈匝數(shù)4 000，電流大小及線圈位置可調(diào)整。

圖44 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的二維模型

(3)邊界條件的確定與載荷分析永磁體磁場(chǎng)分析采用基于單元邊的分析方法，ANSYS軟件會(huì)自動(dòng)添加磁力線垂直邊界條件，無(wú)需重新定義；而通量平行邊界條件則需要另行添加，可以在ANSYS軟件中進(jìn)行程序設(shè)定，在所需要的地方添加設(shè)定的通量平行邊界條件來(lái)完成全部邊界條件的施加。

由于永磁轉(zhuǎn)子是血泵葉輪旋轉(zhuǎn)的主要部件，而電磁線圈是提供血泵能量來(lái)源的外部裝置，因此將永磁轉(zhuǎn)子作為研究對(duì)象，對(duì)其所受磁場(chǎng)力和磁場(chǎng)力矩進(jìn)行分析研究。運(yùn)用虛功法(Virtual Work Method)，求解從動(dòng)永磁體所受的磁場(chǎng)力和磁力矩，得出仿真分析數(shù)值。

(4)有限元仿真分析結(jié)果圖45為線圈未加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線分布，圖46為線圈未加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線矢量分布。

圖45 線圈未加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線分布

圖46 線圈未加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線矢量圖

根據(jù)圖45和圖46的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論36】 線圈未加載電流時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子磁力線等值線圖和磁力線矢量圖分布是軸對(duì)稱的。

圖47展示了3組線圈按一定頻率循環(huán)導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的磁力線的分布情況。

根據(jù)圖47的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論37】 3組線圈能實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載電流，并能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

影響線圈對(duì)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)扭矩的因素很多，如線圈與轉(zhuǎn)子間的距離，線圈加載電流的大小，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，等等。為了研究這些因素的影響規(guī)律，改變永磁轉(zhuǎn)子與線圈的間距，由40 mm增加到60 mm，設(shè)定加載電流為2 A。運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行求解，計(jì)算所產(chǎn)生轉(zhuǎn)距。得到的仿真結(jié)果見圖48。

圖47 線圈加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線矢量圖

圖48 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子和線圈距離關(guān)系曲線

根據(jù)圖48的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論38】 加載線圈對(duì)永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩。

【推論39】 隨著驅(qū)動(dòng)線圈與永磁轉(zhuǎn)子之間距離的增大，轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)力矩減小，幾乎成線性規(guī)律變化。

若保持線圈與永磁轉(zhuǎn)子之間的距離為50 mm不變，改變線圈加載電流的大小，得到轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩與線圈電流的關(guān)系曲線(見圖49)。

圖49 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩同線圈電流的關(guān)系曲線

根據(jù)圖49的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論40】 隨著線圈加載電流的增大，永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩增大。

計(jì)算轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)到不同角度時(shí)交變磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力矩，可分析轉(zhuǎn)子能否得到持續(xù)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子關(guān)于中心對(duì)稱，因此計(jì)算時(shí)只要計(jì)算轉(zhuǎn)子從起始角度到轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化情況即可。圖50為線圈循環(huán)導(dǎo)通時(shí)，每個(gè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及合成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化曲線。

圖50 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

根據(jù)圖50的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論41】 在線全加載電流后，每個(gè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)子施加轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈周期性變化，轉(zhuǎn)矩有正有負(fù)。

【推論42】 所有3個(gè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)子施加轉(zhuǎn)矩之和為正值，約為0.7 N·m。亦即轉(zhuǎn)子可在所有角度都獲得持續(xù)的來(lái)自線圈的同一方向的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子向同一方向旋轉(zhuǎn)。

4.1.2 六線圈呈60°均勻周向排列驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有限元分析

六線圈均勻周向排列，以相對(duì)的兩線圈為一對(duì)，使用三線圈周向布置時(shí)同樣的脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行加載。

(1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題描述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)見圖51，轉(zhuǎn)子所用物理參量同上。工作時(shí)，相對(duì)兩個(gè)線圈串聯(lián)為一組，3組線圈依次由交變電流循環(huán)導(dǎo)通，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而對(duì)轉(zhuǎn)子持續(xù)產(chǎn)生交變力作用，促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

圖51 轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)裝置示意

(2)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限元模型根據(jù)實(shí)際工作時(shí)的情況，在ANSYS中建立二維模型(見圖52)，轉(zhuǎn)子和線圈被長(zhǎng)寬均為200 mm的空氣場(chǎng)包圍(見圖52中背景區(qū)域)，線圈匝數(shù)4 000，電流大小及線圈位置可以改變。

圖52 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的二維模型

(3)邊界條件的確定與載荷分析邊界條件及載荷分析設(shè)定情況與前述一致。

(4)有限元仿真分析結(jié)果圖53顯示了在3對(duì)線圈按一定頻率循環(huán)導(dǎo)通時(shí)每對(duì)線圈導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的磁力線的分布情況。

圖53 線圈組加載電流時(shí)轉(zhuǎn)子磁力線矢量圖

根據(jù)圖53的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論43】 每對(duì)線圈加載電流后與永磁轉(zhuǎn)子相互作用，能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

改變永磁轉(zhuǎn)子與線圈之間的距離，設(shè)定加載電流為2 A，運(yùn)用ANSYS軟件求解此時(shí)轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩的變化情況(見圖54)。

圖54 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子和線圈距離關(guān)系曲線

根據(jù)圖54的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論44】 轉(zhuǎn)子所受到的驅(qū)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)子和線圈之間的距離成反比，距離越大，驅(qū)動(dòng)力矩越小。

【推論45】 在永磁轉(zhuǎn)子與線圈之間的距離以及加載電流相同的情況下，六線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩是三線圈時(shí)的2倍。

保持線圈與永磁轉(zhuǎn)子之間的距離為50 mm不變，改變線圈加載電流的大小，計(jì)算得到仿真曲線(見圖55)。

圖55 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩同線圈電流的關(guān)系曲線

根據(jù)圖55的仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論46】 轉(zhuǎn)子所收到的驅(qū)動(dòng)力矩與加載電流成正比，加載電流越大，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大

【推論47】 在永磁轉(zhuǎn)子與線圈之間的距離以及加載電流相同的情況下，六線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩是三線圈時(shí)的2倍。

六線圈驅(qū)動(dòng)時(shí)，不同線圈組導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到各個(gè)角度所受轉(zhuǎn)矩變化曲線以及各角度處所受轉(zhuǎn)矩和的變化曲線見圖56。

圖56 轉(zhuǎn)子所受轉(zhuǎn)矩同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

根據(jù)圖50的仿真數(shù)據(jù)，并對(duì)比三線圈仿真數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論48】 三線圈驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子中心對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)力，因此可以減少驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的偏心力。

【推論49】 相對(duì)于三線圈布置相當(dāng)于加倍了驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)效果較好。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)論及所提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.2.1 數(shù)值模擬結(jié)論

【結(jié)論16】 4塊尺寸和形狀完全相同的徑向充磁的四分之一圓弧形永磁鐵組合在一起形成永磁轉(zhuǎn)子。

【結(jié)論17】 在永磁轉(zhuǎn)子軸向均勻布置3個(gè)線圈或6個(gè)線圈，使線圈中心與轉(zhuǎn)子中心距在40～60 mm之間變化，當(dāng)線圈內(nèi)加載交變電流時(shí)，對(duì)永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩。

【結(jié)論18】 永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩大小與線圈中加載電流的大小成正比；電流越大，驅(qū)動(dòng)力矩越大。

【結(jié)論19】 永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩大小與線圈中心到轉(zhuǎn)子中心之間的距離成反比；距離越大，驅(qū)動(dòng)力矩越小。

【結(jié)論20】 永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩大小與線圈的數(shù)量成正比；在相同的加載電流和中心距時(shí)，六線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩是三線圈時(shí)的2倍。

4.2.2 數(shù)值模擬所提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

【準(zhǔn)則13】 轉(zhuǎn)子上必須有4個(gè)徑向充磁的永磁磁條。

【準(zhǔn)則14】 驅(qū)動(dòng)線圈取為6個(gè)，且沿轉(zhuǎn)子周向均勻布置。

【準(zhǔn)則15】 驅(qū)動(dòng)線圈與轉(zhuǎn)子之間的中心距應(yīng)控制在40～60 mm之間，以保證永磁轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力矩。

4.3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪菫榱蓑?yàn)證六線圈驅(qū)動(dòng)方案正確性，分析驅(qū)動(dòng)距離、驅(qū)動(dòng)電流對(duì)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，為血泵物理樣機(jī)的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由直流電源、單片機(jī)控制板、驅(qū)動(dòng)電路板、電流表、驅(qū)動(dòng)線圈組,以及永磁轉(zhuǎn)子組成。其中的單片機(jī)控制脈沖輸出電路由燕山大學(xué)信息工程學(xué)院開發(fā)，可將脈沖控制程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)進(jìn)行控制，按照所需要脈沖要求對(duì)程序進(jìn)行改變，在一定范圍內(nèi)按要求對(duì)輸出脈沖頻率及電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)控制板實(shí)物照片見圖57。

圖57 單片機(jī)控制板

驅(qū)動(dòng)電路板對(duì)控制板輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈組的驅(qū)動(dòng)功能，驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物照片見圖58。

圖58 驅(qū)動(dòng)電路板

6個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈繞組由直徑0.625 mm的漆包線纏繞而成，每個(gè)線圈4 000匝。驅(qū)動(dòng)線圈組實(shí)物照片見圖59，被驅(qū)動(dòng)的永磁轉(zhuǎn)子實(shí)物照片見圖60。

圖59 轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)裝置工程結(jié)構(gòu)

圖60 永磁轉(zhuǎn)子

改變線圈組與轉(zhuǎn)子中心距離，測(cè)量其在同一輸入電流I=1.5 A下永磁轉(zhuǎn)子所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，得到的最高轉(zhuǎn)速與距離關(guān)系曲線(見圖61)。

圖61 最大轉(zhuǎn)速與線圈組到轉(zhuǎn)子中心距離關(guān)系曲線

根據(jù)圖61的數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論50】 轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子到線圈的距離成反比，距離越大，轉(zhuǎn)速越低。

在保持線圈繞組與永磁轉(zhuǎn)子中心距為4 cm的情況下，通過(guò)測(cè)量輸入驅(qū)動(dòng)線圈電流變化的情況下永磁轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線(見圖62)。

圖62 最大轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系曲線

根據(jù)圖62的數(shù)據(jù)，本研究團(tuán)隊(duì)提出以下推論。

【推論51】 轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)速與線圈中加載電流成正比，電流越大，轉(zhuǎn)速越高。

圖61和圖62的試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)也證明所提出驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子在40～60 mm范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵物理原型樣機(jī)的加工制造

為了驗(yàn)證所構(gòu)思的新型血泵工作結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性，本研究團(tuán)隊(duì)制造了體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵(TMSCSI-BP-DOD)物理原型樣機(jī)。

為方便實(shí)驗(yàn)觀察，TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)外殼選用高透明度有機(jī)玻璃材料(PMMA)；導(dǎo)輪和轉(zhuǎn)子選用具有耐腐蝕性能的聚四氟乙烯(PTFE)材料[91]；軸選用1Cr8Ni9Ti不銹鋼材料[92-94]；永磁軸承和磁條選用具有高磁能積的銣鐵硼材料(NdFeB)[95]。

TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)由燕山大學(xué)機(jī)械廠制造，使用的主要加工設(shè)備為CL30數(shù)控機(jī)床。在此，本研究團(tuán)隊(duì)以錐形螺旋轉(zhuǎn)子(Cone Spiral Rotor)、導(dǎo)輪(Guide Impeller)、外殼(Body Case)等3個(gè)關(guān)鍵零件為對(duì)象，報(bào)告TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)的制造過(guò)程和制造工藝。

5.1 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵錐形螺旋轉(zhuǎn)子的制造

錐形螺旋轉(zhuǎn)子是TMSCSI-BP-DOD泵血的功能部件，其外部形狀為錐形，在錐形表面上要加工出3條相同的均勻分布的螺旋形葉片(見圖63)。

圖63 轉(zhuǎn)子零件圖

5.1.1 錐形螺旋轉(zhuǎn)子的基本參數(shù)(見表6)

錐形螺旋轉(zhuǎn)子方程

(26)

式中，r為轉(zhuǎn)子半徑；t為葉片螺旋圈數(shù)；x為軸向長(zhǎng)度；θ為葉片螺旋角度。

表6 螺旋轉(zhuǎn)子基本參數(shù)

5.1.2 錐形螺旋轉(zhuǎn)子的加工工藝

采用聚四氟乙烯(PTFE)作為試樣，由于PTFE的材質(zhì)相對(duì)鋼材而言質(zhì)地較柔軟，且為回轉(zhuǎn)類零件，故采用數(shù)控車削中心進(jìn)行加工。根據(jù)圖紙要求(見圖63)，其加工工藝流程如下。

【step1】 下料，材料為PTFE棒料，直徑為30 mm，長(zhǎng)度為40 mm。

【step2】 1∶3.93錐面成形，采用90°車刀粗車、半精車、精車。

[轉(zhuǎn)子粗車] 因?yàn)槁菪~片螺距高達(dá)24 mm，故選用主切削刃6 mm，主偏角均為1°，副偏角分別為65°和-65°的矩形螺紋刀。主軸轉(zhuǎn)速50 r·min-1，刀具Z軸向進(jìn)給速度為24 mm·r-1，持刀深度為0.2 mm。

[轉(zhuǎn)子精車] 刀具不變，主軸轉(zhuǎn)速仍然設(shè)為50 r·min-1，刀具Z軸向進(jìn)給速度為24 mm·r-1，持刀深度為0.05 mm。

【step3】 葉片加工至尺寸要求，采用高速鋼(W18Cr4V)磨制成型刀具，主軸轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，進(jìn)給量f為24 mm·r-1，吃刀量αP分別為0.3 mm，0.3 mm，0.3 mm，0.3 mm，0.2 mm，0.2 mm，0.1 mm，0.05 mm，0.05 mm。

由于轉(zhuǎn)子零件總長(zhǎng)為23.6 mm，螺旋葉片最大處直徑為φ24 mm，厚度僅為0.8 mm。根據(jù)實(shí)際使用要求，在轉(zhuǎn)子葉片根部需要保留半徑為1～2 mm的過(guò)渡圓弧，以增加強(qiáng)度，防止葉片變形。

【step4】 采用中心鉆打中心孔，再調(diào)用φ10 mm麻花鉆頭鉆通孔；通孔加工完畢后，調(diào)用φ6 mm鏜刀，通過(guò)粗鏜和精鏜，加工出達(dá)尺寸要求的φ12 mm通孔。

[轉(zhuǎn)子內(nèi)孔粗加工] 選用φ10 mm高精度硬質(zhì)合金刀，主軸轉(zhuǎn)速800 r·min-1，鉆孔Z軸進(jìn)給速度為0.1 mm·r-1。

[轉(zhuǎn)子內(nèi)孔精加工] 選用φ6 mm內(nèi)孔鏜刀，主軸轉(zhuǎn)速不變，鏜孔Z軸進(jìn)給速度為0.15 mm·r-1。

【step5】 采用切斷刀進(jìn)行切斷，達(dá)到長(zhǎng)度要求。

TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)錐形螺旋轉(zhuǎn)子加工工藝流程見圖64。

圖64 轉(zhuǎn)子加工工藝流程

5.1.3 錐形螺旋轉(zhuǎn)子的實(shí)際加工效果

經(jīng)檢測(cè)，通過(guò)上述制造工藝加工得到的錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子(見圖65)，其實(shí)際公差參數(shù)見表7。

圖65 轉(zhuǎn)子實(shí)物照片

表7 錐形螺旋轉(zhuǎn)子實(shí)際加工結(jié)果

由表7可知，加工出的錐形螺旋葉輪血泵轉(zhuǎn)子滿足圖紙要求。

5.2 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵出口端外殼的制造

為了在TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)上的生物實(shí)驗(yàn)中通過(guò)肉眼直接觀察血液的流動(dòng)情況，選用高透光度PMMA作為血泵外殼材料。血泵外殼由進(jìn)口端外殼、出口端外殼和中間外殼組成，作用是保證血液在一個(gè)密閉腔中流動(dòng)，同時(shí)對(duì)血泵內(nèi)各個(gè)零件起到固定支撐作用。由于進(jìn)口端外殼、出口端外殼和中間外殼等3個(gè)外殼加工制造工藝類似，故選擇進(jìn)口端外殼(見圖66)作為報(bào)告對(duì)象。進(jìn)口端外殼的零件圖見圖67。

圖66 血泵外形結(jié)構(gòu)

圖67 進(jìn)口端外殼零件圖

5.2.1 進(jìn)口端外殼的加工

有機(jī)玻璃是由聚甲基丙烯酸酯(PMMA)合成的高分子化合物，其加工需要注意以下問(wèn)題：

(1) 強(qiáng)度低、易碎、彈性變形大；

(2) 在鉆孔鉆透前，以及切斷到工件中心前，工件容易突然發(fā)生崩裂、粘刀或排屑不暢；

(3) 可能劃傷工件平面造成廢品，因而其加工過(guò)程中需要及時(shí)排屑；

(4) 無(wú)論車外圓或車內(nèi)孔，都容易產(chǎn)生不透明現(xiàn)象和裂紋現(xiàn)象。

針對(duì)有機(jī)玻璃材質(zhì)的加工特點(diǎn)，按照先內(nèi)后外的加工順序，其加工步驟為“鉆孔→加工內(nèi)曲面→加工退刀槽→加工螺紋→加工外曲面→切斷加工”。為了有效保證內(nèi)孔的直線度與圓度，工藝流程如下。

【step1】 下料，材料為PMMA棒材，直徑為50 mm，長(zhǎng)度為75mm。

【step2】 打中心孔，用φ7鉆頭鉆孔深至70 mm處。

【step3】 采用UG編制粗鏜程序，粗鏜至為精鏜保留1 mm加工余量。

【step4】 調(diào)用內(nèi)孔車刀加工3×3退刀槽。

【step5】 用螺紋車刀(定制或磨制)車削內(nèi)螺紋。

【step6】 采用半精鏜和精鏜(定制或磨制)達(dá)尺寸要求，同時(shí)打開冷卻液。

【step7】 加工件小端面固定于主軸三爪卡盤，大端面采用自制內(nèi)頂尖頂固，用UG編制粗車、精車加工程序，選用切斷刀(刀體寬度為3 mm)粗車(粗車的加工余量為1 mm)、半精車、精車進(jìn)口端外殼的外輪廓至圖紙尺寸要求，同時(shí)切削液打開。

外輪廓表面加工，采用刀體寬度為3 mm的機(jī)夾式外圓YG3硬質(zhì)合金鋼切斷刀，可有效解除車刀與工件表面之間的加工干涉現(xiàn)象，同時(shí)還可利用切斷刀的主切削刃對(duì)工件表面進(jìn)行修光，保證了外輪廓的尺寸精度及工件的透明度。車削要求如下：

① 削刃鋒利；

② 刃口處的表面粗糙度Ra為0.1 μm；

③ 大前角、大后角、大過(guò)渡刃(刀尖圓弧半徑)、小主偏角的切削刃；

④ 時(shí)常將工具從孔中抽出，根據(jù)需要補(bǔ)充潤(rùn)滑油，同時(shí)進(jìn)給的速度要很低。

外曲面加工，采用一夾一頂方式裝夾，由于工件內(nèi)曲面已經(jīng)加工成型，需另外加工一個(gè)與內(nèi)孔曲面相配合的曲面頂尖，以提高工件剛度并防止劃傷工件。

【step8】 采用刀體寬度為3 mm的切斷刀進(jìn)行切斷，出口端外殼加工完成。

TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)出口端外殼加工工藝流程見圖68。TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)進(jìn)口端外殼加工過(guò)程見圖69。

圖68 出口端外殼加工工藝

圖69 進(jìn)口端外殼加工圖

5.2.2 進(jìn)口端外殼的實(shí)際加工效果

經(jīng)檢測(cè)，通過(guò)以上制造工藝加工得到的出口端外殼(見圖70)，其實(shí)際公差參數(shù)見表8。

圖70 進(jìn)口端外殼實(shí)物照片

表8 進(jìn)口端外殼實(shí)際加工結(jié)果

5.3 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵導(dǎo)輪的制造

導(dǎo)輪在血泵中起到導(dǎo)流和安裝磁軸承的作用，其功能是讓通過(guò)錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)泵出去的血液流動(dòng)平穩(wěn)合理，同時(shí)讓磁軸承固定從而使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮起來(lái)，因此導(dǎo)輪對(duì)血泵正常工作起著重要的影響。由于出口端導(dǎo)輪和進(jìn)口端導(dǎo)輪加工制造工藝類似，故選擇出口端導(dǎo)輪(見圖71)作為分析對(duì)象。出口端導(dǎo)輪零件圖見圖72。

圖71 出口端導(dǎo)輪三維圖

圖72 出口端導(dǎo)輪零件圖

5.3.1 出口端導(dǎo)輪的加工

導(dǎo)輪材料選用PTFE。由于PTFE變形大，線膨脹數(shù)大、尺寸穩(wěn)定性差、導(dǎo)熱差、硬度及強(qiáng)度低、不耐磨耗，故在加工過(guò)程中主軸一定要保持低轉(zhuǎn)速和低吃刀進(jìn)給速度。

出口導(dǎo)輪軸向長(zhǎng)度26 mm，徑向最大直徑φ24 mm，因?yàn)橐庸?個(gè)相同的轉(zhuǎn)子，為有效地避開卡盤三爪的干涉，故需準(zhǔn)備一根φ25 mm×260 mm的PTFE棒料。

因?yàn)榘凑請(qǐng)D紙要求及裝配實(shí)際情況，對(duì)φ5 mm和φ9.5 mm內(nèi)孔要求精度非常高，在綜合考慮實(shí)際情況和現(xiàn)有技術(shù)下，兩個(gè)內(nèi)孔必須在數(shù)控車床上一次裝夾加工成型。

導(dǎo)輪葉片厚度為1 mm,高為2 mm與導(dǎo)輪中心軸線成30°夾角，通過(guò)試車發(fā)現(xiàn)CL-30數(shù)控車床無(wú)法加工出導(dǎo)輪上1 mm葉片，其主要原因是加工材料厚度太薄及材料太脆，故采用先使用數(shù)控加工出導(dǎo)輪外形，再用1 mm厚的PTFE板材按圖紙尺寸要求裁剪成葉片粘貼到導(dǎo)輪上。導(dǎo)輪為五葉片均布，粘葉片之前先采用分度頭在導(dǎo)輪圓臺(tái)面上劃線5等分圓周，并且每條線的角度與中心軸線夾角30°，最后把裁剪成形的葉片按照劃好的粘貼線用502膠水粘到導(dǎo)輪上。

為保證導(dǎo)輪的直線度、垂直度、內(nèi)外圓的同軸度及圓度精度，采用一次裝夾。為方便對(duì)刀，編程坐標(biāo)系O點(diǎn)選擇零件中心軸線與零件右端面交點(diǎn)(見圖73)。

圖73 大端導(dǎo)輪外形加工圖

根據(jù)圖紙要求(見圖72)和工藝要求，出口端導(dǎo)輪加工工藝流程如下。

【step1】 下料，材料為PTFE棒料，直徑為25 mm，長(zhǎng)度為260 mm。

【step2】 裝夾，45°車刀平端面。

【step3】 打中心孔，用φ4 mm鉆頭鉆10 mm深孔。

【step4】 自制或定制內(nèi)孔鏜刀，內(nèi)孔鏜刀采用高速鋼(W18Cr4V)進(jìn)行磨制而成，半精鏜、精鏜內(nèi)孔達(dá)圖紙要求。

【step5】 調(diào)用自制外圓車刀粗車外圓至余量為1 mm，外圓車刀采用高速鋼(W18Cr4V)磨制而成，車刀刀體厚度為2 mm，刃長(zhǎng)15 mm，前角γ0為15°，后角α0為12°。主軸轉(zhuǎn)速基本保持在50 r·min-1，進(jìn)給量f為0.05 mm·r-1。吃刀量αP在0.5～0.02 mm之間，后段工序吃刀量較小。刀具加工路線從Z=-26.0 mm開始，止于Z=0 mm，反向安裝車刀；半精車、精車外圓輪廓達(dá)圖紙要求。

TMSCSI-BP-DOD物理原理樣機(jī)出口端外殼加工工藝流程見圖74。

圖74 出口端導(dǎo)輪加工工藝

5.3.2 出口端導(dǎo)輪的實(shí)際加工效果

經(jīng)檢測(cè)，通過(guò)以上制造工藝加工得到的出口端外殼(見圖75)，其實(shí)際公差參數(shù)見表9。

圖75 出口端導(dǎo)輪實(shí)物

表9 進(jìn)口端外殼實(shí)際加工結(jié)果

5.4 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋輪血泵物理原型樣機(jī)的裝配

TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)裝配(見圖1)是指所屬零部件精加工完成后，用機(jī)械方法組成一個(gè)工作系統(tǒng)的過(guò)程。

TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)除了自制零件外，還需要向?qū)I(yè)制造商訂制磁條和永磁軸承，其裝配流程見圖76。

圖76 血泵總裝配流程圖

TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)的裝配分為4個(gè)子裝配步驟。

【step1轉(zhuǎn)子子裝配】 將4個(gè)永磁驅(qū)動(dòng)磁條裝在不銹鋼支承軸上；將錐形螺旋轉(zhuǎn)子套裝在永磁驅(qū)動(dòng)磁條上；將軸向永磁軸承的兩個(gè)端環(huán)分別裝在支承軸兩端。

【step2進(jìn)口端外殼子裝配】 將軸向永磁軸承左端環(huán)裝進(jìn)進(jìn)口端導(dǎo)輪孔中；將徑向永磁軸承外環(huán)裝進(jìn)進(jìn)口端導(dǎo)輪孔中；將進(jìn)口端導(dǎo)輪裝進(jìn)進(jìn)口端外殼中。

【step3出口端外殼子裝配】 將軸向永磁軸承右端環(huán)裝進(jìn)出口端導(dǎo)輪里孔中；將徑向永磁軸承外環(huán)裝進(jìn)出口端導(dǎo)輪外孔中；將出口端導(dǎo)輪裝進(jìn)出口端外殼中。

【step4中間外殼子裝配】 將O型密封圈裝進(jìn)中間外殼兩端的密封溝槽內(nèi)。

完成上述子裝配程序后，可進(jìn)行總裝配。裝配順序?yàn)椋?/p>

【part1】 將轉(zhuǎn)子子裝配體裝入中間外殼子裝配體中；

【part2】 將進(jìn)口端外殼子裝配體內(nèi)螺紋端與中間外殼子裝配體的小端外螺紋連接并擰緊；

【part3】 將出口端外殼子裝配體內(nèi)螺紋端與中間外殼子裝配體的大端外螺紋連接并擰緊。

TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)總裝配后的實(shí)物照片見圖77。

圖77 TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)

6 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵物理原型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

作為人體左心室輔助裝置(LVAD)的血泵其轉(zhuǎn)速要求控制在一定范圍內(nèi)，其輸出的流量和壓力必須滿足人體的生理要求。故而血泵轉(zhuǎn)速一般為3 000～12 000 r·min-1，輸出流量為2～7 L·min-1，揚(yáng)程為10.6～16 kPa(80～120 mmHg)。

為了考察本研究團(tuán)隊(duì)研制的體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵(TMSCSI-BP-DOD)物理原型樣機(jī)的工作性能，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其相關(guān)參數(shù)，為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用提供依據(jù)。因此，本研究團(tuán)隊(duì)提出TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)框圖(見圖78)。

圖78 血泵性能實(shí)驗(yàn)框圖

6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

為了測(cè)試TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)的性能，本研究團(tuán)隊(duì)建立由“錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子血泵+驅(qū)動(dòng)與控制裝置”組成的LVAD(見圖79)。

圖79 LVAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)與控制裝置接通電源后，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)線圈輸出電流的頻率和大小，線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)與安裝在血泵轉(zhuǎn)子中的永磁磁條相互耦合產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)地將流體由進(jìn)口端吸入，從出口端排出。

血泵流體循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)工作原理見圖80。血泵樣機(jī)固定在支撐架上；在血泵的出口端裝有閥門；在0.03 m3的容器內(nèi)裝有0.015 m3實(shí)驗(yàn)用流體介質(zhì)。采用變頻調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)控制回路；變頻調(diào)節(jié)器接入240 V額定電壓，6 A額定電流；通過(guò)變頻調(diào)節(jié)器控制和調(diào)節(jié)線圈繞組的電壓和電流，調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，控制血泵的輸出流量和揚(yáng)程。

圖80 血泵流體循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)原理

6.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置組成TMSCSI-BP-DOD實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置見圖81。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)所用主要部件見表10。

圖81 TMSCSI-BP-DOD實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片

表10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要部件

(2)實(shí)驗(yàn)原理及方法驅(qū)動(dòng)線圈是由6個(gè)線圈徑向均布排列組成，用夾帶固定于平板上面，中心圓孔直徑約為φ80 mm(見圖59)。從每個(gè)線圈伸出來(lái)的進(jìn)出兩條導(dǎo)線分別與變頻驅(qū)動(dòng)器相連；血泵安裝在固定支架上，血泵的中心軸線和6個(gè)線圈圍成的圓柱孔中心基本重合，與進(jìn)口外殼相連的軟管另一頭連接到儲(chǔ)液器底部，出口軟管通過(guò)三叉管分成兩條，一條和截止閥相連，調(diào)節(jié)截止閥的開口來(lái)調(diào)節(jié)血泵的出口壓力，另一條與大氣相通，用于測(cè)量血泵揚(yáng)程。

6.3 測(cè)試結(jié)果及分析

血泵物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了盡量讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，血泵工作的每個(gè)狀態(tài)下分別取4次數(shù)據(jù)，再取平均值?？刂蒲弥行妮S線與貯液器同一高度，通過(guò)單片機(jī)上或變頻器上電鈕和頻率按鈕控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)線圈中電流大小與頻率，來(lái)觀察并測(cè)血泵轉(zhuǎn)速和流量，通過(guò)調(diào)節(jié)出口軟管上的截止閥開口大小，來(lái)測(cè)量血泵的出口壓力。測(cè)量步驟為最初設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上頻率每改變5 Hz即轉(zhuǎn)速每改變150 r·min-1測(cè)量一次(n=30f)所設(shè)計(jì)的錐形螺旋葉輪血泵流量和壓力并記錄；改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上轉(zhuǎn)速每改變250 r·min-1測(cè)量一次所設(shè)計(jì)的錐形螺旋葉輪血泵流量和壓力水頭并記錄，其中流量通過(guò)秒表和400 mL燒杯來(lái)測(cè)量，揚(yáng)程通過(guò)用量尺測(cè)水頭高度讀出。

(1)血泵轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的關(guān)系血泵轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的關(guān)系曲線見圖82。

圖82 錐形螺旋葉輪血泵揚(yáng)程-轉(zhuǎn)速特性曲線

【推論52】 隨著錐形螺旋葉輪血泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加血泵的揚(yáng)程(即出口壓力)不斷升高，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到5 750 r·min-1，最高揚(yáng)程達(dá)到20.1 kPa(151 mmHg)。

(2)血泵揚(yáng)程與流量的關(guān)系不同轉(zhuǎn)速下?lián)P程-流量特性曲線見圖83。

圖83 錐形螺旋葉輪血泵揚(yáng)程-流量特性曲線

【推論53】 隨著血泵流量的增加血泵的揚(yáng)程降低，同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增大，壓力-流量特性曲線上移。

(3)血泵轉(zhuǎn)速與變頻器輸出電流、電壓和功率之間的關(guān)系血泵轉(zhuǎn)速與變頻器輸出電流、電壓和功率之間的關(guān)系見圖84。

圖84 血泵與變頻器參數(shù)關(guān)系

【推論54】 隨著變頻器的輸出電流減小、輸出電壓升高血泵轉(zhuǎn)速增加，但血泵的轉(zhuǎn)速越快，變頻器的輸出功率越小。

(4)血泵流量、揚(yáng)程與輸出功率之間的關(guān)系圖85是在不同的轉(zhuǎn)速之下血泵的揚(yáng)程與功率之間的關(guān)系曲線。在轉(zhuǎn)速為4 500 r·min-1時(shí)所能達(dá)到的最大揚(yáng)程為9.3 kPa(70 mmHg)，6.4 kPa(48 mmHg)下對(duì)應(yīng)的功率最大，最大功率為10 mW，隨著轉(zhuǎn)速的增大，血泵所能達(dá)到的揚(yáng)程在增大，在5 750 r·min-1時(shí)，最大揚(yáng)程可達(dá)18.5 kPa(139 mmHg)，12.4 kPa(93 mmHg)下對(duì)應(yīng)的功率最大，為21 mW。

圖85 血泵揚(yáng)程與輸出功率關(guān)系

【推論55】 隨著血泵揚(yáng)程增加，血泵功率先增大后減小，說(shuō)明血泵并不是在揚(yáng)程最大的時(shí)候功率最大，而是在最大揚(yáng)程一半時(shí)血泵的功率最大，在不同轉(zhuǎn)速下，血泵轉(zhuǎn)速愈大功率越大，血泵轉(zhuǎn)速與功率基本成線性關(guān)系。

(5)血泵的揚(yáng)程與效率的關(guān)系圖86是不同轉(zhuǎn)速之下?lián)P程與效率之間的關(guān)系曲線，也就是描述的是變頻器的輸出(亦即血泵的輸入)與血泵的輸出之間的關(guān)系?？芍孟到y(tǒng)總效率是很低的，在5 750 r·min-1時(shí)是最高的，也只有0.27%。主要原因是血泵采用的是體外驅(qū)動(dòng)，線圈的交變磁場(chǎng)與血泵內(nèi)的驅(qū)動(dòng)磁條相距太遠(yuǎn)，徑向距離達(dá)80 mm，而一般的電機(jī)中定子與轉(zhuǎn)子之間的距離只有數(shù)十微米。所以要想提高血泵系統(tǒng)的效率，必須進(jìn)一步完善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)要提高加工精度，減少泄漏。

圖86 血泵揚(yáng)程與效率關(guān)系

【推論56】 隨揚(yáng)程的升高血泵的效率先增加后降低，血泵的最大效率在最大揚(yáng)程的一半處；不同轉(zhuǎn)速下，血泵的效率隨著血泵轉(zhuǎn)速的升高而升高。

6.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)論

【結(jié)論21】 所構(gòu)思的體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵的原理是正確的。

【結(jié)論22】 血泵的最高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速可達(dá)5 750 r·min-1，對(duì)應(yīng)的流量可達(dá)2 L·min-1，壓力可達(dá)18.49 kPa。

【結(jié)論23】 血泵輸出的流量和壓力可以滿足人體輔助血液循環(huán)的要求，不能滿足完全代替人體心臟的要求。

7 體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵研究結(jié)論

7.1 研究成果

(1) 采用CFD技術(shù)，對(duì)本研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)思的體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵全流道流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算；分析了錐形螺旋葉輪轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)、葉片螺距、轉(zhuǎn)子錐度，以及導(dǎo)輪葉片形狀和葉片數(shù)對(duì)血泵流場(chǎng)和血泵性能的影響。通過(guò)上述仿真計(jì)算分析得到了21條研究推論。在21條研究推論的基礎(chǔ)上歸納出5條研究結(jié)論。根據(jù)上述推論和結(jié)論，提出了有關(guān)于錐形螺旋葉輪血泵轉(zhuǎn)子、葉片、導(dǎo)輪設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的7條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(2) 采用徑向和軸向混合被動(dòng)式磁懸浮結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了血泵錐形螺旋轉(zhuǎn)子的軸向和徑向磁懸浮軸承；建立了徑向永磁軸承內(nèi)磁環(huán)徑向有偏移、軸向有偏移情況下軸向懸浮力、徑向懸浮力的數(shù)學(xué)模型；建立了軸向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)軸向有偏移情況下軸向懸浮力的數(shù)學(xué)模型。采用ANSYS/Emag中的電磁場(chǎng)模塊，計(jì)算分析了徑向永磁軸承的徑向懸浮力與內(nèi)磁環(huán)徑向偏移量之間的變化關(guān)系，以及軸向懸浮力與內(nèi)磁環(huán)軸向偏移量之間的關(guān)系；計(jì)算分析了軸向永磁軸承的軸向懸浮力與動(dòng)磁環(huán)軸向偏移量之間的關(guān)系。通過(guò)上述數(shù)值計(jì)算分析數(shù)據(jù)，得到了14條研究推論，在14條研究推論的基礎(chǔ)上歸納出10條研究結(jié)論。根據(jù)上述推論和結(jié)論，提出了有關(guān)于全磁浮錐形螺旋葉輪血泵軸向和徑向永磁軸承設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的5條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(3) 構(gòu)思了三線圈和六線圈模式實(shí)現(xiàn)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)想。應(yīng)用ANSYS/Emag中的電磁場(chǎng)模塊計(jì)算分析了上述兩種模式下線圈中加載電流與永磁轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系，以及線圈與永磁轉(zhuǎn)子之間的距離與永磁轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系。通過(guò)上述計(jì)算分析得到了14條研究推論，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在14條研究推論的基礎(chǔ)上歸納出6條研究結(jié)論。根據(jù)上述研究推論和結(jié)論，提出了有關(guān)于血泵轉(zhuǎn)子外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的3條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(4) 以錐形螺旋轉(zhuǎn)子、導(dǎo)輪及外殼等3個(gè)關(guān)鍵零件為對(duì)象，報(bào)告了體外驅(qū)動(dòng)全磁浮錐形螺旋葉輪血泵(TMSCSI-BP-DOD)物理原型樣機(jī)的制造過(guò)程和制造工藝。報(bào)告了以上3個(gè)關(guān)鍵零件的加工步驟、加工工藝流程和加工零件的公差數(shù)據(jù)。列出了血泵總裝配流程圖和裝配步驟，得到了血泵物理原型樣機(jī)的總裝配實(shí)物圖。

(5) 搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，介紹了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理。測(cè)試了血泵揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速、流量之間的關(guān)系；測(cè)試了血泵轉(zhuǎn)速與控制器電流、電壓和輸出功率之間的關(guān)系；給出了血泵揚(yáng)程與功率和效率之間的關(guān)系等。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，得到了5條研究推論，在5條研究推論的基礎(chǔ)上歸納出3條研究結(jié)論。

7.2 存在的問(wèn)題

TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)總效率很低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速5 750 r·min-1時(shí)達(dá)到最高，但效率只有0.27%，與國(guó)外一些技術(shù)比較成熟的血泵20%～30%總體效率[96]相比，還存在著很大的差距。

造成TMSCSI-BP-DOD物理原型樣機(jī)總效率低下的主要原因之一是血泵采用的是體外驅(qū)動(dòng)，線圈的交變磁場(chǎng)與血泵內(nèi)的驅(qū)動(dòng)磁條相距較遠(yuǎn)，徑向距離達(dá)60 mm，而一般的電機(jī)中定子與轉(zhuǎn)子之間的距離是很近的，只有數(shù)十微米。

7.3 下一步研究設(shè)想

(1)進(jìn)一步優(yōu)化血泵轉(zhuǎn)子和流道的結(jié)構(gòu)應(yīng)用CFD等計(jì)算工具，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以減少流道和轉(zhuǎn)子對(duì)血液的破壞程度，避免溶血和血栓。

(2)進(jìn)一步研制和開發(fā)新型生物相容性材料目前LVAD材料大多采用TC4鈦合金、熱解碳等溶血性能相對(duì)較好的材料，但仍能產(chǎn)生致命的溶血、血栓等現(xiàn)象。通過(guò)器官合成等技術(shù)開發(fā)出完全與人體相容的生物材料是重要的發(fā)展方向。

(3)研制穩(wěn)定高效的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為血泵供能現(xiàn)有的大部分血泵都是通過(guò)經(jīng)皮傳電給直流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)血泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。供能系統(tǒng)存在供能周期短，經(jīng)皮易感染等問(wèn)題。國(guó)外有采用無(wú)線供系統(tǒng)的，但存在效率低，不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本文提出的體外驅(qū)動(dòng)無(wú)線能量傳輸?shù)臉?gòu)想原理正確，但也存在驅(qū)動(dòng)效率低的問(wèn)題。特別是當(dāng)加載線圈在體外，被驅(qū)動(dòng)的血泵置于體內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈與血泵轉(zhuǎn)子之間的距離進(jìn)一步增大，而且還要透過(guò)人體，驅(qū)動(dòng)效率還會(huì)進(jìn)一步降低。因而，尋求高效、穩(wěn)定、實(shí)用的血泵無(wú)線傳輸驅(qū)動(dòng)模式，具有重要的實(shí)際意義。

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