大气隙永磁轴流式血泵磁力传动系统研究

发布时间：2017-09-17 18:29

  本文关键词：大气隙永磁轴流式血泵磁力传动系统研究

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【摘要】：摘要：血泵做为心衰患者的辅助装置,最主要功能是实现自然心脏的泵血功能；因此对磁力传动系统进行研究,是人工心脏走向临床的首要问题。 磁力传动系统主从间隙增大便于对血泵叶轮优化设计,降低溶血,减小泵对血液的破坏,但是同时也会使血泵整体体积增大,已应用于临床的血泵,由于体积大无法植入儿童体内,仅有两款针对儿童设计,研制出微型化、智能化、运行稳定、耐久是人工心脏的发展趋势。驱动能力是驱动结构微型化的首要满足条件,能量效率、温升、速度调节的快速性和平稳性直接影响血泵的长久植入和稳定运行,在这些方面目前缺乏深入研究。 本文针对植入式血泵主从磁极气隙大(5mm)的情况,以实现血泵的小型化、高功效、低温升,快速而平稳启动为研究目标；通过对系统电磁驱动性能,能量损耗以及温度场和速度控制方法等基础科学问题的研究,设计了血泵小型化、低温升的磁力传动系统,为血泵磁力传动系统的设计提供了参考。 论文的主要研究内容及结论：(1)设计血泵大气隙磁力传动系统。以驱动力矩作为系统性能的首要目标,建立了血泵轴负载力矩数学模型,得到了血泵轴负载力矩值与转速关系；设计了血泵磁力传动系统十种不同结构方案,利用ANSYS软件数值计算了不同方案的驱动力矩,根据仿真分析结果并结合实际加工制造,确定了三齿槽定子结构；分析了定子外径、气隙长度和永磁体厚度对驱动力矩、电感和磁感应强度大小的影响,确定优选后的定子外径为28mm。 (2)建立血泵能量损耗计算模型。建立血泵磁力传动系统定子铁芯、永磁体、绕组、水回路和轴承能量损耗的数学模型；利用ANSOFT仿真研究了三齿槽定子的铁芯损耗和永磁体损耗,在9000rpm时铁损和永磁体损耗分别为0.291w和2.4wm；建立了系统的能量传递效率模型,实验表明,驱动定子和血泵的平均传递效率为46.85%和10.88%。 (3)血泵全域温度场研究。建立了血泵流固耦合温度场求解理论模型,确定了温度场仿真求解热性能参数,研究表明：转速为8600rpm时的最高温升为6.976℃,出现在定子绕组区域,外壳最高温升为4.024℃；通过对定子相绕组、转速和外壳间气隙导热系数与全域温升进行分析,当相绕组值为3Ω时,外壳最高温升2.264℃,转速为8000rpm时,外壳最高温升为2.707℃,温升较低。 (4)控制系统硬件设计与速度控制策略研究。设计了控制系统驱动、控制、逆变和反馈硬件电路；提出了基于血泵机械-电磁-流体力学性能的加速启动策略,得到了血泵速度控制曲线,加速到9000rpm为3.9s；针对稳定运动状态,提出了恒功率低能耗电流控制策略。
【关键词】：大气隙 轴流式血泵 磁力传动 能量损耗 流固耦合 速度控制
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 课题来源及意义12-13
• 1.1.1 课题来源12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 血泵的发展13-15
• 1.2.1 血泵的发展历程13-14
• 1.2.2 血泵的研究现状14-15
• 1.3 轴流式血泵永磁磁力驱动技术研究现状15-17
• 1.4 永磁磁力驱动系统关键技术研究现状17-21
• 1.4.1 永磁电机设计及理论研究17-18
• 1.4.2 能量损耗研究18-19
• 1.4.3 温升研究19-20
• 1.4.4 血泵驱动系统电磁特性研究20-21
• 1.5 血泵测控技术研究现状21-22
• 1.6 本文的研究内容22-25
• 1.6.1 主要研究工作22-23
• 1.6.2 研究技术路线23-25
• 2 血泵磁力传动系统设计25-37
• 2.1 基于永磁无刷直流电机微型轴流式血泵驱动原理25-26
• 2.2 血泵轴负载力矩26-28
• 2.3 轴流式血泵定转子结构设计28-32
• 2.3.1 转子结构28-29
• 2.3.2 定子结构29-32
• 2.3.2.1 磁路计算29-30
• 2.3.2.2 结构设计30-31
• 2.3.2.3 结构方案31-32
• 2.4 电磁驱动力矩数值计算及分析32-36
• 2.4.1 电机电磁场分析基本原理32
• 2.4.2 磁力矩二维仿真分析32-34
• 2.4.3 数值计算结果及分析34-36
• 2.4.3.1 二维电磁场仿真结果转化及处理34
• 2.4.3.2 结果对比及分析34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 系统电磁性能研究37-53
• 3.1 结构与电磁参数关系37-42
• 3.1.1 主要电磁参数的选择37-38
• 3.1.2 定子外径对电磁性能影响38-39
• 3.1.3 气隙长度对电磁性能影响39-40
• 3.1.4 永磁体高度对电磁性能影响40-41
• 3.1.5 电流对驱动性能影响41-42
• 3.2 系统能量损耗42-50
• 3.2.1 血泵磁力传动系统能量分析42
• 3.2.2 能量损耗数值计算42-47
• 3.2.2.1 定子铁芯损耗42-44
• 3.2.2.2 永磁体涡流损耗44
• 3.2.2.3 铜损耗44-45
• 3.2.2.4 血泵泵水回路损失45-46
• 3.2.2.5 轴承损耗46-47
• 3.2.3 三齿槽定子能量损耗仿真研究47-50
• 3.2.3.1 环境参数设置47-48
• 3.2.3.2 仿真结果及分析48-50
• 3.3 血泵能量效率传递模型50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 4 基于耦合场的血泵全域温升的数值计算53-69
• 4.1 流固耦合理论计算模型53-56
• 4.1.1 血泵流场求解数学模型53-54
• 4.1.2 温度场求解数学模型54-55
• 4.1.3 血泵流固耦合模型的求解方法55-56
• 4.2 血泵温升热性能参数的确定56-61
• 4.2.1 内热源的计算56-57
• 4.2.2 定子槽等效热模型的建立57-59
• 4.2.3 气隙处理及散热系数59-60
• 4.2.4 材料导热系数、密度、比热容计算60-61
• 4.3 血泵流固耦合温度场数值计算61-64
• 4.3.1 三维仿真模型的建立61
• 4.3.2 仿真参数设置61-62
• 4.3.3 流固耦合温度场仿真结果分析62-64
• 4.4 相关因素敏感性分析64-67
• 4.4.1 相绕组对血泵温度场的影响64-66
• 4.4.2 不同转速下血泵温度场分布66-67
• 4.4.3 气隙导热系数对外壳温度分布影响67
• 4.5 本章小结67-69
• 5 轴流式血泵控制系统研究69-83
• 5.1 血泵控制系统组成69
• 5.2 血泵控制系统硬件设计69-72
• 5.2.1 电源模块69-70
• 5.2.2 供电电路70
• 5.2.3 控制电路70
• 5.2.4 驱动电路70-71
• 5.2.5 逆变电路71-72
• 5.2.6 反馈电路72
• 5.3 轴流式控制系统软件设计72-81
• 5.3.1 血泵启动过程控制策略73-79
• 5.3.1.1 血泵启动过程机械-流体动力学模型73-75
• 5.3.1.2 流体动力学模型求解75-76
• 5.3.1.3 调速控制参数76-79
• 5.3.2 稳速运行控制策略79-81
• 5.3.2.1 机械特性调速79-80
• 5.3.2.2 恒功率电流控制80-81
• 5.4 本章小结81-83
• 6 实验研究83-95
• 6.1 血泵闭环控制实验系统83-84
• 6.1.1 实验系统功能83
• 6.1.2 实验系统硬件组态83-84
• 6.2 实验过程及实验结果分析84-94
• 6.2.1 不同定子结构驱动性能实验84-88
• 6.2.2 系统能量传递效率实验88-91
• 6.2.3 驱动定子温升测定实验91-92
• 6.2.4 速度控制实验92-94
• 6.3 本章小结94-95
• 7 结论与展望95-99
• 7.1 主要内容和创新点95-97
• 7.2 研究工作展望97-99
• 参考文献99-106
• 攻读硕士学位期间主要研究和成果106-107
• 致谢107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李伟力;袁世鹏;霍菲阳;张奕黄;;基于流体传热理论永磁风力发电机温度场计算[J];电机与控制学报;2011年09期

2 许焰;谭建平;刘云龙;刘恒拓;祝忠彦;;大间隙磁力传动系统驱动力矩的计算方法[J];湖南大学学报(自然科学版);2009年07期

3 韩元杰;杨明;;搏动型血泵驱动系统的探讨[J];中国医疗器械杂志;2009年01期

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本文编号：871020