“万峰离心泵”悬浮控制策略研究

目的:“万峰离心泵”为一种新型磁悬浮离心泵心脏辅助装置,以有源磁悬浮作为转子的常态控制,流体动力悬浮作为储备应对极端力学不平衡状态。此悬浮控制策略可以避免血泵冗余结构,有利于减小体积,重量及能耗。利用模型研究“万峰离心泵”转子悬浮控制及稳定性。方法:建立“万峰离心泵”转子悬浮实验模型,转子直径35mm,厚度10mm。转子中心空设置径向被动磁悬浮轴承,转子两端面采用4极平面电机驱动,结构和设计参数均类似于轴向磁场电机。驱动定子及悬浮控制系统与原型样机一致。调节模型转子与模型定子间的悬浮距离,观察悬浮状态。结果:转子在旋转状态下可以实现全磁悬浮,悬浮距离的增加会导致转子悬浮稳定性的下降。在静止状态下转子与定子之间的悬浮间隙最大可达0.5mm。结论:“万峰离心泵”转子悬浮控制策略可行,但在大悬浮间隙条件下提高悬浮稳定性的控制方案尚待进一步改进。

“万峰离心泵”径向磁悬浮轴承的改进研究

目的:“万峰离心泵”采用5自由度磁悬浮转子-叶轮体驱动血液流动,磁悬浮轴承的控制和稳定性需要设计在合理的范围,以减小血泵体积和重量,改善解剖相容性。方法:研制“万峰离心泵”专用的悬浮转子力学测试台。在悬浮力学实验台上对“万峰离心泵”悬浮转子的悬浮状态和各方向受力特性进行定量测试。通过测定悬浮转子轴向位置与轴向受力,轴向位置与径向受力及轴向受力与径向受力的定量关系,建立各自由度受力特性的关系曲线。结果:悬浮转子的径向受力与转子的轴向位置相关。悬浮转子在轴向位置上有一个力学平衡点,在力学平衡点位置悬浮转子个方向受力为0,可以实现5自由度悬浮。但是,这种悬浮状态不稳定,在微小的外力下极易失衡。实现稳定的悬浮需要有电磁力对抗失衡力。失衡力的方向与大小转子的轴向位置相关,径向悬浮力与轴向失衡力呈正相关,减小径向悬浮力可以有效地减小各个位置的轴向失衡力。结论:磁悬浮转子在偏离轴向平衡位置后可以产生失衡力使悬浮失效。采用电磁力来对抗失衡力是保证稳定悬浮的必要措施。电磁力系统的体积重量必须设定在一个合理的范围,适当的减小转子的径向悬浮力可以降低电磁控制冗余设计的重要途经。