體外驅動錐形螺旋葉輪血泵電機有限元仿真分析
殷桂梁，夏春雷，高殿榮
(燕山大學，河北秦皇島066004)
摘要：提出了一種新型的體外驅動血泵電機，設計了血泵電機的基本結構，通過理論分析，得出了在電機內部形成圓形旋轉磁場所需的三相定子電流相位。用ANSYS分析軟件對其進行了電機內部的磁場分析，得出了較為準確的分析結論，計算結果驗證了血泵電機結構的可行性。
關鍵詞：血泵；體外驅動；微電機
中圖分類號：TM381 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0029-03
0引 言
近年來，多種多樣的血泵被廣泛應用于輔助或代替自然心臟[1]。血泵主要分為脈動型和連續流型兩大類。連續流型血泵可以進一步分為離心式血泵和軸流式血泵[2,3]。脈動型血泵主要是在研究早期采用，近幾年的研究方向主要集中在連續流血泵上，而連續流血泵中的軸流泵與離心泵相比，由于具有體積小、質量輕、效率高、易于植入等優點，逐漸受到更多科研人員的關注。
在傳統的血泵系統中，大多采用體內儲能或通過導線向體內血泵提供能量，以維持血泵系統的能量供給[3,4]。由電池供電的體內儲能方式由于存在不能長時間地向血泵提供足夠的能量問題，因此主要應用于過渡性心臟功能輔助。而采用通過導線將體外的能量傳遞到體內，由于有一穿越皮膚的供能導線，存在產生感染的風險。
體外驅動血泵利用體外磁場進行驅動和控制，它和傳統血泵相比有很多優點。它不需要體內放置儲能裝置，也去掉了穿越人體傳遞能量的導線，這樣就解決了傳統血泵出現的許多難以克服的問題，可以說它是新一代血泵研究的方向。但是體外驅動血泵驅動系統的設計目前還不是十分成熟，處于研究階段，很多設計都沒有給出完整設計模型。在驅動方法上，現有的體外驅動血泵主要是采用體外旋轉永磁體來驅動體內永磁體轉動[5]，由于體內轉子轉速需要達到10 000 r/min，這樣人體外就需要存在一個高速旋轉的電機，并且這樣的外磁驅動裝置，距離和位置對其影響很大，它必須固定在人的胸前正對體內轉子的位置，所以說體外部分的放置是個很困難的問題。另外人胸前如果每天都帶著這樣一個電機，顯然對于人體自身和電機的穩定運行都是不利的，高速電機的轉動部件也必然存在磨損現象，它的維護也是個問題。文獻[6]提出了一種全磁浮錐形螺旋葉輪血泵的設計方案，根據該文所提出的血泵的設計特點，我們提出了一種體外驅動血泵電機的設計方法，設計出了完整的體外驅動電機，采用在人體外貼身布置線圈來產生旋轉磁場，通過這個交變的旋轉磁場對體內血泵進行驅動和控制。
1 電機結構
本文提出的體外驅動血泵電機的結構示意圖如圖1所示，圖中方框表示人體截面，AX、BY，和CZ分別為定子線圈的三相。錐型螺旋葉輪血泵[6]。中設置電機轉子。考慮到人體實際情況將繞組集中布置在4X，BY，CZ幾處，有利于提高電機的效率。由于人體結構的特點，不可能采用一般三相電機的繞線方式，使三個繞組在空間上相差120°，為了在電機內部得到所需的旋轉磁場，可考慮將三相電流的相位設置為所需的相位角。
2 圓形旋轉磁場產生原理分析
由圖1的血泵電機結構可知，電機三個繞組在定子空間位置上并不是相差120°，若要得到圓形旋轉磁場，則需要改變三相電流的初始相位。
設各相電流幅值相同，B、C相繞組以A相繞組為軸面在空間上對稱分布，即：
初始相位分別為0°、90°和270°，即可在血泵電機內部產生所需的圓形旋轉磁場。
上面分析的是定子繞組在空間相差30°的情況。若α為任意角度，并要得到圓形的旋轉磁場，則通過上述相同方法可知，需要滿足方程組：
由以上理論分析可知，只要電流初始相位取的合理，無論α為多少，都可以產生圓形旋轉磁動勢，只是不同α對應磁動勢幅值大小不同。
3 有限元仿真計算
下面我們采用ANSYS 9.0對血泵電機內部磁場進行仿真分析，驗證上述理論分析結果的正確性。電機轉子采用鼠籠式結構。
(1)建立有限元模型
圖2為ANSYS分析幾何模型，單元類型選用PLANE53。線圈采用集中繞組，為了減小線圈尺寸，導線采用直徑為0.5 mm的銅線。模型基本尺寸：
(2)建立電路模型及與有限元模型連接
為獲得高精度的計算結果，模型采用場路耦合分析方法。首先建立電路模型，然后將其耦合到有限元模型中。
首先定義定子線圈和轉子導條，并建立耦合電流自由度(CURR)和電動勢自由度(EMF)，創建端部阻抗單元，分別把線圈和導條連接好。然后建立三相電流源，分析中設α=45°，則由上述分析可算出需要的三相電流的初相位。仿真時所加的電流為：
(3)定義邊界條件和求解
在電機定子外殼上加磁力線平行邊界條件，采用波前求解器對其進行諧波求解。
(4)仿真結果分析
ANSYS提供了強大的后處理功能，如磁力線、等值線、矢量顯示、磁力和磁力矩等都可以由后處理或通過計算得到。當三相電流iA、iB和iC的wt依次取0°、15°、30°和90°時，氣隙中磁力線的變化如圖4所示。
由圖4可知，通過轉子的兩極磁場是從水平方向逐漸旋轉到垂直方向，說明采用該方法能夠得到一個旋轉磁場。
采用二維瞬態磁場分析，可計算出不考慮轉子磁場時定子產生的磁場在轉子外圍氣隙的變化規律。普通三相感應電動機氣隙中一個圓周路徑上，磁場是幅值位置隨時問不斷變化的正弦波。血泵電機由于氣隙不均勻，磁場雖然是旋轉的，但是每個時刻幅值大小不同。當磁場在空間上依次轉過O°、30°、60°、90°時，轉子附近氣隙圓周路徑上的磁密值如圖5所示，從中可以看出磁場水平時幅值最小，垂直時幅值****。通過分析可知，隨著磁場的旋轉，磁密幅值變化近似為正弦函數，如圖6所示。因此轉子上的轉矩也將近似為按正弦規律變化，****轉矩和最小轉矩相差較大。
為使旋轉磁場的幅值和電機轉矩得到較均勻的數值，可將定子電流的幅值設定為隨電流相位變化。經曲線擬合可得電流幅值的變化規律為：
將上述定子電流應用到感應電動機分析中，可得磁密幅值隨磁場角度的變化，如圖7所示。這時磁密波形的幅值波動減小，都接近于O.01T，這樣氣隙磁場接近于均勻。
當考慮轉子磁場對氣隙磁場的影響時，通過ANSYS分析可得氣隙磁密隨圓周的分布，如圖8所示。很顯然，由于氣隙的不均勻，氣隙磁密將出現較多的諧波成分。采用Matlab對該波形進行分析，可
得各次諧波分量的數值，如表1所示。****次諧波對應的基波幅值為7.575％，可滿足工程實際要求。
4結語
本文提出了一種體外驅動血泵電機的設計方法，分析了當電機的三相定子線圈的分布不是三相對稱分布時，若要在電機內部產生圓形旋轉磁場，定子電流的初始相位應滿足的條件。采用ANSYS對電機內部的磁場進行了有限元分析，計算結果表明，體外驅動裝置能夠得到驅動轉子旋轉所需的旋轉磁場，并且提供的電磁轉矩可以滿足血泵穩定運行所需的轉矩，分析結果表明這種血泵電機的體外磁場 產生方法是可行的。
[5] 黃偉，譚建平微型軸流式血泵永磁體磁場有限元仿真分析[J].機械制造，2006(10)：30-32.
[6] 高殿榮，王廣義錐形螺旋葉輪血泵全流場三維數值模擬與分析[J].液壓與氣動，2006(7)：41-44
[7] 徐先懂，譚建平，基于磁能傳遞的血泵驅動系統研究[J].機械，2006(10)：7-9.
[8] 廖啟新，鄧智泉，王曉琳無軸承薄片電機磁體形狀優化設計及系統實現[J]中國電機工程學報，2007，27(12)：28-32.
[9] 謝德馨，閻秀恪，張奕黃旋轉電機繞組磁鏈的三維有限元分析[J]中國電機工程學報2006，26(21)：143-148.
基金項目：國家自然科學基金資助(50575195)
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