永磁電機及其控制在人工血泵領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用

孫建國 王洪飛 張偉峰

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

人工血泵能夠在人體內(nèi)發(fā)揮心臟的作用，其動力的直接來源是內(nèi)置電機?？紤]到對人工血泵電機質(zhì)量的高標準要求，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有極為重要的價值。人工心臟如果能夠穩(wěn)定運行，最重要的一個條件是要保證電機的性能。不同人工血泵配置電機的工作原理不盡相同，每種研發(fā)制造技術(shù)各有其獨特性，并基于這些特點使得人工血泵在運轉(zhuǎn)中具有不同的表現(xiàn)。采用永磁電機作為人工血泵的動力源的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，未來也有廣闊的發(fā)展空間，因此得到了醫(yī)療及其相關(guān)領(lǐng)域的高度認可。

1 人工血泵技術(shù)概述

從目前的技術(shù)發(fā)展來看，人工血泵的工作原理主要包括氣動、液動、電動以及磁液混動4種模式[1]。電動與磁液混動兩種血泵主要采用永磁電機作為動力源進行驅(qū)動，其實際的性能和效果優(yōu)良，是人工血泵技術(shù)的主要研發(fā)方向。

2 人工血泵選擇永磁電機研發(fā)的應(yīng)用情況

2.1 永磁無刷直流電機

2.1.1 電機穩(wěn)定性

永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)中，繞組分布對整個電機的運行穩(wěn)定性有較大影響。這些繞組形式不滿足正弦規(guī)律，而電機永磁體結(jié)構(gòu)會造成電樞磁鏈的轉(zhuǎn)矩脈動問題。這些問題可以通過采用分數(shù)槽繞組法和Halbach永磁陣列等技術(shù)措施予以解決。

2.1.2 電機溫升

永磁電機在長時間運轉(zhuǎn)后會出現(xiàn)升溫情況，而人體內(nèi)如果血液溫度過高超過43 ℃，則會導(dǎo)致紅細胞功能損失。此時，一是選擇低阻導(dǎo)體或增加繞線面積，二是降低線圈長度，三是調(diào)控電機轉(zhuǎn)速。此外，泵殼材料的導(dǎo)熱性也是需要著重考慮的方面。

2.1.3 機械摩擦造成的溶血問題

正常的電機轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生機械摩擦。動子與轉(zhuǎn)子之間摩擦嚴重時，會發(fā)生血液血栓和溶血等問題。電機轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部分選擇鈦合金進行覆蓋，以獲得更好的生物相容性。

2.2 永磁直線電機

2.2.1 雙定子結(jié)構(gòu)

永磁直線電機采用雙定子結(jié)構(gòu)，目的是提升電機的推力體積比。雙定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以將2臺單定子電機進行整合，共用1個動子。它的推力從計算角度可以達到單定子電機的2倍[2]。

2.2.2 磁力絲杠

磁力絲杠是一種新的電機結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。在該設(shè)計中，永磁電機的外圈采用原來的表貼式電機，電機的內(nèi)圈選擇磁性絲杠。整個磁性絲杠區(qū)域形成所需的磁場分布，其內(nèi)、外圓筒結(jié)合產(chǎn)生鑲嵌式螺旋永磁體，使得電機的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。

2.2.3 雙層繞組

雙層繞組結(jié)構(gòu)用于搏動式電磁直驅(qū)泵，主要應(yīng)用了通電螺線管的原理。雙層繞組方式可以有效解決這一問題，使得電機的推力達到設(shè)計要求。

2.3 無軸承電機

2.3.1 磁懸浮電機

磁懸浮電機是無軸承電機中比較常見的設(shè)計方式。其中，電主動懸浮主要利用通電線圈在磁場中形成的懸浮力，充分可控，但對于電機的元件要求較高，設(shè)計、制造難度較大[3]。磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)和三維模型圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁懸浮人工心臟泵

2.3.2 液懸浮電機

液懸浮電機是充分利用流動血液形成的對電機中漸縮結(jié)構(gòu)的動壓，使得血泵可以處于被動懸浮工作狀態(tài)，促使電機中的轉(zhuǎn)子或側(cè)壁線圈共同作用形成穩(wěn)定的驅(qū)動力。液懸浮血泵得以實現(xiàn)的最關(guān)鍵之處是懸浮機構(gòu)和電機螺旋葉片。這兩個環(huán)節(jié)的設(shè)計要求非常高，而電機的其他環(huán)節(jié)沒有更多特別的要求。

2.3.3 磁液混合懸浮電機

磁液混合懸浮電機將磁懸浮和液懸浮兩種設(shè)計整合在一起，利用二者的工作原理和優(yōu)勢形成共同促進的設(shè)計效果。液力與磁力共同作用在電機葉輪上，使得葉輪能夠有效實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，進而保證電機的工作可靠性。

3 永磁電機在人工血泵中的對控制算法等內(nèi)容的設(shè)計和實現(xiàn)

所謂應(yīng)用設(shè)計，實際上是對控制算法等內(nèi)容的設(shè)計和實現(xiàn)。針對目前永磁電機在人工血泵中的應(yīng)用設(shè)計，主要包括以下幾種。

3.1 永磁電機PID控制

對于永磁電機的應(yīng)用設(shè)計而言，比例-積分-導(dǎo)數(shù)控制器（Proportion、Integral、Differential，PID）算法是一種最基本的控制算法[4]。它根據(jù)技術(shù)指標不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)以達到最優(yōu)控制效果，在實際應(yīng)用中較成熟，穩(wěn)定性好，已廣泛應(yīng)用于人工心臟泵的控制。PID控制的通用性和有效性毋庸置疑，但是在尋找最優(yōu)PID參數(shù)時往往需要大量的調(diào)試，較為煩瑣。因此，部分專家學(xué)者已著手研究參數(shù)自整定算法，以便PID算法獲得進一步的應(yīng)用。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自學(xué)習(xí)功能的智能算法，主要用于非線性、時變系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來，以被控量之目標值與反饋值的差值作為輸入。

3.3 模糊PID控制

算法的優(yōu)化對整個設(shè)計具有巨大的優(yōu)化和促進作用，是推動技術(shù)發(fā)展的一個最基本途徑。模糊PID控制是一種模糊化的非線性智能控制算法，不需要對受控對象進行精確的數(shù)學(xué)建模，是根據(jù)人類經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)設(shè)計。

3.4 自適應(yīng)魯棒控制

非線性自適應(yīng)控制可克服系統(tǒng)的不確定性，但對外界干擾較為敏感[5]。魯棒控制在抑制干擾和補償未建模動態(tài)時具有良好的性能。二者結(jié)合，可形成優(yōu)勢互補。

3.5 無位置傳感器控制

無位置傳感器控制通過采集電機繞組的電壓和電流并進行一系列推導(dǎo)，估算出轉(zhuǎn)子的位置信息。當電機轉(zhuǎn)速較低時，感應(yīng)反電勢幅值小，難以檢測。因此，需要采取必要的措施進行轉(zhuǎn)子定位，導(dǎo)致起動過程精度較低。

4 結(jié)語

人工心臟是心腦血管疾病最重要的一個治療技術(shù)選擇。經(jīng)過長期的實踐探索，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入以及產(chǎn)品性能得到了充分完善和發(fā)展，為國家建設(shè)和人們健康做出了應(yīng)有貢獻。