磁路法與有限元法相結(jié)合的磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動電機設(shè)計*

張文山，　劉淑琴

(1. 國網(wǎng)德州供電公司，山東 德州　253000；2. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟南　250061)

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磁路法與有限元法相結(jié)合的磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動電機設(shè)計*

張文山1，劉淑琴2

(1. 國網(wǎng)德州供電公司，山東 德州253000；2. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟南250061)

摘要：介紹了一種可用于軸流式磁懸浮人工心臟泵的無槽式永磁無刷直流電動機。電機具有大氣隙、高轉(zhuǎn)速特點。電機本體采用經(jīng)典磁路法和有限元輔助分析相結(jié)合的方法研制而成。試驗結(jié)果表明，電機運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高、噪聲低、發(fā)熱小，有限低電壓下調(diào)速范圍寬，調(diào)速曲線在不超過空載轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)近似一條直線，證明了設(shè)計方法合理有效。

關(guān)鍵詞：磁懸??； 人工心臟泵； 無槽式永磁無刷直流電機； 有限元

0引言

心力衰竭是影響人類健康的重大疾病之一，而人工心臟泵作為一種部分或完全替代心臟泵血功能的機械裝置，能夠幫助衰竭心臟完成血液循環(huán)功能，給患者帶來了新的希望。軸流式磁懸浮心臟泵以其體積小、質(zhì)量輕、能有效地解決血栓和溶血問題等優(yōu)點，已經(jīng)成為全球人工心臟泵研究的重點和熱點[1]，而電機是人工心臟泵的研制過程中的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)人工心臟泵的驅(qū)動電機多為有槽電機。這些電機結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)速高，但是存在齒槽效應(yīng)，使人工心臟泵在運行平穩(wěn)性、噪聲等方面略顯不足[2]。為降低心臟泵噪聲，改善其運行性能，使其能更好為病人的生活服務(wù)，筆者設(shè)計了一種無槽式永磁直流無刷電動機。無槽式永磁直流無刷電動機不僅具有普通無刷直流電機調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高、免維護、無換向火花等優(yōu)點，而且具有無齒槽效應(yīng)、電樞電感小、繞組散熱條件好等特點，特別適用于軸流式磁懸浮人工心臟泵系統(tǒng)。心臟泵整體結(jié)構(gòu)要求本文設(shè)計的電機具有工作氣隙大、體積小的特點；電機工作環(huán)境要求電機具有轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)方便的特點。這都給電機的設(shè)計增加了難度。為此，采用經(jīng)典磁路法與有限元軟件Maxwell 2D輔助分析相結(jié)合的方法對心臟泵電機進行設(shè)計，并進行了試驗驗證分析。限于篇幅，本文不討論控制系統(tǒng)以及磁懸浮支撐的相關(guān)內(nèi)容。

1磁懸浮人工心臟泵及電機結(jié)構(gòu)

1.1磁懸浮心臟泵總體結(jié)構(gòu)[2]

本文設(shè)計的一種磁懸浮人工心臟泵采用徑向永磁軸承和軸向電磁軸承相結(jié)合的懸浮系統(tǒng)，實現(xiàn)五自由度全懸浮。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由前導(dǎo)葉、葉輪轉(zhuǎn)子、后導(dǎo)葉、電動機、軸向電磁軸承、徑向永磁軸承和外殼等組成。心臟泵轉(zhuǎn)子位置由霍爾位移傳感器進行實時監(jiān)測，并由外部的主動磁懸浮支撐控制系統(tǒng)實現(xiàn)位置的實時控制。轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸。

圖1　磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)圖

泵的驅(qū)動電機位于整個結(jié)構(gòu)的中部，電機的定轉(zhuǎn)子與血液接觸部分用醫(yī)用鈦合金包裹，轉(zhuǎn)子與磁軸承的轉(zhuǎn)動部分組裝為一體，電機轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)。

1.2驅(qū)動電機特點與結(jié)構(gòu)

本課題最終設(shè)計的電機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。電動機由杯形繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心和圓環(huán)形永久磁鐵組成。杯形繞組采用疊型雙層繞線形式，A、B、C三相繞組各占120°均勻?qū)ΨQ分布，每匝線圈的跨距為一個極距。圖2中間部分為圓環(huán)形永久磁鐵(電機轉(zhuǎn)子)，采用NdFePn_N45H材料，沿徑向上某個方向平行充磁。電機定轉(zhuǎn)子鐵心均采用導(dǎo)磁性能好的電工純鐵。

圖2　電機截面圖

為與磁軸承轉(zhuǎn)子相配合，電機采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由于心臟泵葉輪和鈦合金的存在，使得該電機比普通無槽無刷直流電機的氣隙更大。本課題需為葉輪和鈦合金留有2.6mm的空間，如圖2所示。

2電機設(shè)計

為設(shè)計出滿足要求的電機，本課題采用經(jīng)典磁路法設(shè)計與有限元軟件Maxwell 2D輔助分析相結(jié)合的方法對心臟泵電機進行設(shè)計。具體設(shè)計過程如圖3所示。

圖3　人工心臟泵驅(qū)動電機設(shè)計流程

2.1電機的初步計算[3-4]

2.1.1電機配用功率的計算

電機配用功率是電機設(shè)計的重要參數(shù)，與設(shè)計的葉輪結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由北京航空航天大學(xué)為該課題設(shè)計的葉輪結(jié)構(gòu)在額定轉(zhuǎn)速5500r/min下，血泵進出口壓力差能達到120mmHg，血流量能達到5L/min，泵的效率為23%。由此可以計算出泵的揚程、泵的軸功率，進而計算出電機的配用功率，如式(1)～式(3)所示。

(1)

式中：H——泵的揚程；

p1、p2——泵進出口處液體的壓力；

Z1、Z2——考慮泵體直立時的進出口高度；

ρ——血液密度；

g——重力加速度。

(2)

式中：pa——軸功率，即泵的輸入功率；

Q——血液的體積流量；

ηp——泵的效率，由葉輪機構(gòu)決定。

(3)

式中：PN——電機配用功率；

ηt——泵傳動裝置效率；

K——原動機功率富裕系數(shù)。

2.1.2定子設(shè)計

永磁無刷直流電機與一般電磁式直流電動機一樣，也必須滿足定子尺寸、電機容量、轉(zhuǎn)速和電磁負荷之間的一定關(guān)系，即

(4)

式中：Da——電樞直徑；

la——電樞鐵心計算長度；

P′——計算容量；

ai——計算極弧系數(shù)；

Kφ——磁場波形系數(shù)；

Kw——繞組系數(shù)；

A——線負荷；

Bδ——氣隙磁密。

對于連續(xù)工作狀態(tài)的小功率電動機，其計算容量為

(5)

2.1.3轉(zhuǎn)子的設(shè)計

當永磁材料沿充磁方向的厚度不斷增加時，磁性能會不斷加強；但厚度增加到一定值時，磁性能增加量會趨于平緩。因此，對于所采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，總能找到一個最佳的內(nèi)徑，使轉(zhuǎn)子質(zhì)量盡量輕的情況下能夠提供最大的磁性能。

本課題設(shè)計轉(zhuǎn)子永磁材料采用NdFePn_N45H，磁性能如表1所示。轉(zhuǎn)子磁鋼外徑一定的情況下，內(nèi)孔半徑為Rr，轉(zhuǎn)子長度為L。利用電機磁場數(shù)值計算，當Rr從0到Rm變化時，求得電樞處徑向磁感應(yīng)強度與內(nèi)孔半徑的關(guān)系曲線圖如圖4所示。選用徑向磁感應(yīng)強度最大的Rr為最佳孔半徑。

表1　轉(zhuǎn)子材料磁性能

圖4　磁鋼外徑為20mm時Brm-Rr關(guān)系曲線圖

2.1.4電樞繞組計算

電樞繞組每相匝數(shù)wφ：

(6)

式中：UN——電機額定電壓；

ΔU——晶體管的飽和管壓降；

n0——空載轉(zhuǎn)速；

kw——電樞繞組的繞組系數(shù)；

φδ0——空載時每極氣隙磁通量。

2.1.5電機主要參數(shù)

經(jīng)過計算得出電機的主要參數(shù)如表2所示。

表2　電機主要參數(shù)

某些參數(shù)是按照圖3所示的過程反復(fù)優(yōu)化的結(jié)果。

2.2電機的有限元分析[5]

為了驗證上述參數(shù)的合理性，本文利用Maxwell 2D建立了模型，進行了有限元分析。

2.2.1靜態(tài)場分析

有限元網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖5所示。

圖5　網(wǎng)格剖分結(jié)果

經(jīng)過求解得到氣隙磁場分布如圖6所示，可見氣隙磁場具有良好的正弦性。

圖6　氣隙磁場

電機鐵心材料是否出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象是評價電機磁路設(shè)計的一項重要指標。通過仿真電機的磁密分布，可以看出電機的鐵心是否飽和。圖7為磁密云圖，可以看出電機最高磁密不超過1.45T，電機定子鐵心未出現(xiàn)磁密飽和現(xiàn)象。

圖7　磁密云圖

2.2.2瞬態(tài)場分析

本文為繞組所加的激勵源外電路如圖8所示。外電路中S1-S6為受Vg1～Vg6控制的開關(guān)(高電平為打開，低電平為關(guān)斷)。Vg1～Vg6為在不同時刻開起高電平的6個位置控制型脈沖電源，以實現(xiàn)三相繞組兩兩導(dǎo)通六狀態(tài)工作制。

圖8　繞組激勵源的外電路圖

經(jīng)過計算可以得到電機啟動過程中的一些特性曲線，見圖9～11。

圖9　起動過程中的速度波形

圖10　起動過程中的轉(zhuǎn)矩波形

從仿真波形可知，電機起動電流約為3.3A，啟動轉(zhuǎn)矩約為0.05N·m。電機可以在大約0.4s 時間內(nèi)平滑起動，具有良好的起動特性。在額定負載下，電機最終穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速約為 5500r·m，滿足設(shè)計要求。

圖11　起動過程中的三相電流波形

3試驗分析

磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動電機采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的運行模式?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路部分采用ML4425、IR2103、HCF4069等芯片組成方波產(chǎn)生與調(diào)頻及開關(guān)管驅(qū)動電路[7]。人機接口界面主要有電源開關(guān)、工作指示燈、轉(zhuǎn)速顯示窗口及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕。圖12(a)所示為加工制作完成的控制器電路板；圖12(b)所示為控制器外部界面。

圖12　電機控制器

圖13所示為研制的心臟泵封閉式試驗系統(tǒng)裝置，電機位于內(nèi)部中間處。在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)下，開起電機控制器，實現(xiàn)電機的閉環(huán)鎖相穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。此時下橋控制信號出現(xiàn)PWM斬波，調(diào)節(jié)ML4425管腳8外接的滑動變速器，可實現(xiàn)電機的調(diào)速功能。

圖13　心臟泵封閉式試驗系統(tǒng)

圖14所示為調(diào)速試驗時的界面，信號1為轉(zhuǎn)子位置懸浮信號，2為A相上橋控制信號，信號3為ML4425管腳8的電位信號。試驗時，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變信號3的電位，讀取信號2的頻率，可計算出電機的轉(zhuǎn)速。表3列出了試驗得到的腳8的電位與A相上橋控制信號周期時間、A相上橋控制信號頻率、電機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系表，并繪制了圖15的調(diào)速曲線圖。

圖14　調(diào)速試驗時示波器界面

調(diào)節(jié)電壓Ut/V上橋開斷頻率/Hz電機轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)2.2817.041022.42.6221.211272.62.8625.381522.83.1029.551773.03.3433.722023.23.6037.592255.43.8041.682500.84.0645.752745.04.3049.522971.24.5553.683220.84.7957.653459.05.0361.623697.25.2765.663939.65.5069.724183.25.7573.714422.66.0277.654659.06.2481.734903.86.4885.595135.46.7289.755385.06.9092.635557.87.0092.635557.87.1092.635557.87.2092.635557.8

圖15　電機調(diào)速曲線

試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)以較高的精度實現(xiàn)了閉環(huán)穩(wěn)定運行，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，發(fā)熱小，抗干擾能力強，可在1022～5557r/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，滿足了心臟泵的各項性能指標要求。

4結(jié)語

本文介紹了一種應(yīng)用于軸流式磁懸浮人工心臟泵的無槽式永磁無刷直流電動機。該電機本體采用經(jīng)典磁路法與Maxwell 2D有限元分析相結(jié)合的方法設(shè)計完成，具有計算快捷和精度高的特點。經(jīng)實驗驗證，研制的電機可以在短時間內(nèi)平滑起動，達到額定轉(zhuǎn)速5500r/min，同時可以在1200～5500r/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，效率高，電機噪聲小，運行平穩(wěn)，可連續(xù)工作。由此可見，設(shè)計電機的各項性能均滿足指標要求，所采用的方案和設(shè)計方法合理有效，對心臟泵電機的設(shè)計具有一定的借鑒作用。

【參 考 文 獻】

[1]劉淑琴，邊忠國，李紅偉，等.磁懸浮軸承人工心臟泵的研究[J].中國科技成果，2009(4)： 14-16.

[2]楊晟，劉淑琴，關(guān)勇.軸流式磁懸浮人工心臟泵驅(qū)動電機的研究[J].中國機械工程，2010(4)： 893-896.

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[4]葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動機的原理與設(shè)計[M].北京： 科學(xué)出版社，2004.

[5]許志偉，謝衛(wèi)才，林友杰，等.基于Ansoft的開關(guān)磁阻電機設(shè)計和有限元分析[J].防爆電機，2009(4)： 14-17.

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[7]劉剛，王志強，房建成.永磁無刷直流電機控制技與應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2008.

Design of Drive Motor for Magnetic-levitation Artificial Heart Pump Combining Magnetic Circuit Design and FEA*

ZHANGWenshan1，LIUShuqin2

(1. Dezhou Power Supply Company of The State Grid， Dezhou 253000， China；2. College of electrical engineering， Shandong University， Jinan 250061， China)

Abstract：A kind of brushless DC motor which can be used for axial-flow maglev artificial heart pump was introduced. The motor has characteristics of large air gap and high-speed. The motor body was developed by the method of combining the traditional magnetic circuit design and finite assistant analysis(FEA). The experimental results shows that the motor can run stably， has high speed and low noise， dissipate less hate， has wide speed regulation at limited-low voltage. The speed curve is approximately a straight line below the no-load speed point. This design approach is proved to be reasonable and effective.

Key words：magnetic-levitation； artificial heart pump； slotless brushless DC motor； finite element analysis(FEA)

收稿日期：2015-10-08

中圖分類號：TM 302

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)04- 0071- 06

作者簡介：張文山(1987—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為配電運維管理和電機設(shè)計。劉淑琴(1958—)，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為磁懸浮軸承理論及應(yīng)用、垂直軸風力發(fā)電技術(shù)。

*基金項目:國家自然科學(xué)基金(51075236)