專利名稱：人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種醫(yī)療器械，具體涉及一種人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)。
背景技術(shù)：
人工心臟是將左心室的血液引流到泵內(nèi)再注入主動脈系統(tǒng)，從而減輕左心室負(fù)擔(dān)，維持人體有效循環(huán)。根據(jù)其工作原理，人工心臟可以分為第一代氣動式、第二代葉輪式，如MicroMed DeBakey, Hear tMat e 11, Jarv i k 2000，INTEC 及 Impella 等，以及第三代懸浮(轉(zhuǎn)子和定子不接觸)式人工心臟。第一、二代人工心臟所用的電機(jī)由于采用機(jī)械軸承等原因，不可避免的對血液造成破壞，產(chǎn)生血栓和溶血現(xiàn)象。懸浮式人工心臟所用的電機(jī)取消了機(jī)械軸承，血栓和溶血現(xiàn)象可以有效減輕。目前，國內(nèi)第三代懸浮式人工心臟處于初步研制階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積重量小，無機(jī)械軸承，避免對血液的破壞，且運(yùn)行安全可靠的人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)，它包括雙定子、轉(zhuǎn)子和永磁軸承，轉(zhuǎn)子位于雙定子之間，所述的雙定子包括電機(jī)上端蓋，嵌入到其中的上定子鐵芯和上定子繞組，電機(jī)下端蓋和嵌入到其中的下定子鐵芯和下定子繞組，電機(jī)上端蓋設(shè)在上泵殼和入口上，電機(jī)下端蓋設(shè)在下泵殼上，電機(jī)的兩個(gè)定子對稱放置在泵殼的外側(cè)；所述的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子殼體、動磁環(huán)、電機(jī)磁鋼以及轉(zhuǎn)子密封片，動磁環(huán)和電機(jī)磁鋼分別設(shè)在轉(zhuǎn)子殼體內(nèi)的環(huán)形和扇形空腔內(nèi)，電機(jī)磁鋼極性交替放置，轉(zhuǎn)子殼體上還設(shè)有轉(zhuǎn)子密封片；所述的永磁軸承主要包括動磁環(huán)、靜磁環(huán)、磁鋼墊片以及調(diào)整墊片，其中，螺釘穿過靜磁環(huán)并將其固定于底座上，調(diào)整墊片位于螺釘與靜磁環(huán)之間以及靜磁環(huán)與底座之間，底座固定于中心軸上。置入轉(zhuǎn)子內(nèi)的動磁環(huán)是永磁軸承的一部分，與靜磁環(huán)共同支撐轉(zhuǎn)子。所述的定子繞組采用雙層疊繞組的連接方式，定子繞組采用熱粘合或溶劑粘合聚酯漆包圓導(dǎo)線繞制，繞制完成后通過加熱或涂有機(jī)溶劑粘合定型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、軸向結(jié)構(gòu)緊湊，效率高和無級調(diào)速等特點(diǎn)，尤其體積小和重量輕，特別適用于對體積、重量和溫升有苛刻要求的人工心臟裝置。本發(fā)明中所涉及電機(jī)采用了永磁軸承，利用永久磁鋼間的磁力提供轉(zhuǎn)子懸浮所需的徑向力和軸向力，不需要電磁懸浮復(fù)雜的轉(zhuǎn)子位置測量和反饋控制，以及電磁鐵等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也不需要超導(dǎo)懸浮復(fù)雜的超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以實(shí)現(xiàn)高速、長期和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。


圖1為本發(fā)明所提供的人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A向的轉(zhuǎn)子剖視圖；圖3為永磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1電機(jī)上端蓋；2上定子鐵芯；3上定子繞組；4轉(zhuǎn)子殼體；5動磁環(huán)；6電機(jī)磁鋼；7轉(zhuǎn)子密封片；8靜磁環(huán)；9螺釘；10入口；11上泵殼；12下泵殼；13磁鋼墊片；14調(diào)整墊片；15螺釘；16中心軸；17底座；21電機(jī)下端蓋；22下定子鐵芯；23下定子繞組。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)包括雙定子、轉(zhuǎn)子和永磁軸承。 這種結(jié)構(gòu)可以使電機(jī)獲得最小的轉(zhuǎn)動慣量和最優(yōu)的散熱條件，適合人工心臟小體積和低溫升的要求。并且，由于采用了永磁軸承，避免了采用機(jī)械軸承對血液的碾壓破壞，解決了溶血和血栓問題。本發(fā)明中的永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)采用的永磁軸承由六塊圓環(huán)形永磁磁鋼組成，磁極N、S極性相對放置。工作時(shí)，利用永久磁鋼間的磁力支撐轉(zhuǎn)子。根據(jù) Earnshaw定理，只有永磁體構(gòu)成的磁懸浮系統(tǒng)是不可能在全部自由度上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡的。 因此，在軸向上引入動壓軸承。動壓軸承利用摩擦表面的相對運(yùn)動，將液體帶入位于轉(zhuǎn)子頂端的收斂楔內(nèi)，形成壓力液體膜，產(chǎn)生軸向承載力，與永磁軸承共同作用，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在泵腔中的穩(wěn)定懸浮運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁軸承的應(yīng)用避免了對血液的破壞，而且避免了傳統(tǒng)的磁懸浮軸承 (需要位置傳感器的磁懸浮軸承)由于傳感器的存在而帶來的磁懸浮系統(tǒng)尺寸變大、成本高、可靠性低的缺點(diǎn)。本發(fā)明所述的永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)采用電子換向方式，避免了有刷電機(jī)由于機(jī)械換向方式帶來的摩擦、噪音、火花、電磁干擾、壽命短，且經(jīng)常需要維護(hù)等諸多缺點(diǎn)。且電機(jī)省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積較小。這種電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍、平滑的調(diào)速性能和起動迅速等優(yōu)點(diǎn)，又具備永磁電機(jī)運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗等特點(diǎn)。本發(fā)明盤式無刷直流電動機(jī)外形呈扁平狀，轉(zhuǎn)子(即離心泵葉輪)上裝有按N、S 極性交替排列的永磁磁極，永磁體軸向磁化，從而在氣隙中產(chǎn)生多極的軸向磁場。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生軸向旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動血液旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，血液由入口軸向吸入，徑向排出，完成輔助循環(huán)作用。以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及工作原理。如圖1所示，電機(jī)上端蓋 1、上定子鐵芯2和上定子繞組3組成雙定子盤式電機(jī)的其中一個(gè)定子，電機(jī)下端蓋21、下定子鐵芯22和下定子繞組23組成雙定子盤式電機(jī)的另外一個(gè)定子。其中，電機(jī)上、下端蓋均為圓盤狀結(jié)構(gòu)，定子鐵芯和定子繞組分別嵌入到電機(jī)端蓋中。電機(jī)上端蓋1采用激光焊接固定于上泵殼11和入口 10上，電機(jī)下端蓋21焊接到下泵殼上。電機(jī)的兩個(gè)定子對稱放置在泵殼的外側(cè)。兩定子通過上泵殼11和下泵殼12之間的螺釘9固定。定子的作用是當(dāng)通入三相電流時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁場。同時(shí)，定子作為磁路的一部分，起導(dǎo)磁作用。電機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子殼體4、動磁環(huán)5、電機(jī)磁鋼6以及轉(zhuǎn)子密封片7等。動磁環(huán)5和電機(jī)磁鋼6分別放置于轉(zhuǎn)子殼體4內(nèi)的環(huán)形和扇形空腔內(nèi)，電機(jī)磁鋼極性交替放置，具體放置方式如圖2所示。轉(zhuǎn)子密封片7采用激光焊接于轉(zhuǎn)子殼體4上。轉(zhuǎn)子殼體4和轉(zhuǎn)子密封片7均采用醫(yī)用鈦合金，將磁鋼與血液隔離，避免對血液造成破壞。轉(zhuǎn)子是電機(jī)唯一轉(zhuǎn)動的部件，其作用是產(chǎn)生多極軸向磁場，與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，置入轉(zhuǎn)子內(nèi)的動磁環(huán)5是永磁軸承的一部分，與靜磁環(huán)8共同支撐轉(zhuǎn)子。電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間留有一定的軸向間隙，為電機(jī)的工作氣隙。一般雙定子盤式電機(jī)采用機(jī)械軸承將轉(zhuǎn)子固定于氣隙間，使其可繞軸線旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明采用永磁軸承使轉(zhuǎn)子懸浮于氣隙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁軸承主要包括動磁環(huán)5、靜磁環(huán)8、磁鋼墊片13以及調(diào)整墊片14。其中，磁鋼墊片13用于減小由于磁鋼堆疊引起的退磁。螺釘15穿過靜磁環(huán)8并將其固定于底座17上，底座17采用螺紋連接和支口定位的方式固定于中心軸16上。采用此方式不僅能使靜磁環(huán)8的軸線垂直于定位面，從而保證永磁軸承安裝位置的精確度，避免轉(zhuǎn)子發(fā)生軸線偏轉(zhuǎn)，而且螺紋連接的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便的拆卸靜磁環(huán)8，便于通過增減調(diào)整墊片14來改變轉(zhuǎn)子的軸向受力。如圖3所示，動磁環(huán)5和靜磁環(huán)8排列方式為N-S，S-N, N-S或S_N，N-S, S-N交替放置。其工作原理為，當(dāng)徑向載荷作用于轉(zhuǎn)子時(shí)，動磁環(huán)5和靜磁環(huán)5間的徑向工作氣隙將發(fā)生變化，較小的工作氣隙側(cè)的斥力要比較大氣隙側(cè)的斥力大，從而產(chǎn)生回復(fù)力，使轉(zhuǎn)子徑向位置發(fā)生變化，趨于平衡狀態(tài)；當(dāng)動磁環(huán)5與靜磁環(huán)8軸向錯(cuò)位，如通過增減調(diào)整墊片14 使靜磁環(huán)8低于動磁環(huán)5時(shí)，永磁軸承將對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上的推力。當(dāng)永磁推力力與相反方向的轉(zhuǎn)子重力和動壓軸承推力大小相等時(shí)，轉(zhuǎn)子將懸浮與泵腔中，這樣就實(shí)現(xiàn)了雙定子盤式無刷直流電動機(jī)的無機(jī)械軸承、無摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的特點(diǎn)在于一，將電機(jī)定、轉(zhuǎn)子與永磁軸承巧妙的結(jié)合在一起，空間得到有效利用，電機(jī)體積重量小。由于無機(jī)械軸承，對血液破壞程度小，且電機(jī)無需動密封結(jié)構(gòu)，能夠長期可靠運(yùn)行。二，電機(jī)采用雙定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，不僅減小了單邊磁拉力，有利于永磁軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，而且當(dāng)其中一個(gè)定子繞組出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)定子也能可靠運(yùn)行，進(jìn)一步提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。并且，轉(zhuǎn)子無鐵芯，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量得以有效降低，因而電機(jī)可獲得較小的機(jī)電常數(shù)，較高的峰值轉(zhuǎn)矩和優(yōu)越的動態(tài)性能。定子鐵芯采用無槽結(jié)構(gòu)消除齒槽轉(zhuǎn)矩，從而有效降低電機(jī)振動；定子繞組采用雙層疊繞組的連接方式，有效導(dǎo)體在空間沿徑向呈輻射狀分布， 線圈在外徑處無冗余，在內(nèi)徑處重疊相對較少，并可實(shí)現(xiàn)雙層無交叉均勻疊放，導(dǎo)線利用率高。定子繞組采用熱粘合或溶劑粘合聚酯漆包圓導(dǎo)線繞制，繞制完成后通過加熱或涂有機(jī)溶劑(如酒精等)粘合定型，工藝性好，且避免了一般電機(jī)繞組采用環(huán)氧樹脂灌封對人體造成的傷害。三，本發(fā)明所涉及的盤式無刷直流電動機(jī)為無位置傳感器設(shè)計(jì)，只需通過檢測電機(jī)的電壓、電流、磁鏈等物理量來得到轉(zhuǎn)子的位置信息，避免了機(jī)械位置傳感器帶來的電機(jī)尺寸增大、引出線增加等弊端，大大提高了人工心臟的可靠性。
權(quán)利要求
1.人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)，它包括雙定子、轉(zhuǎn)子和永磁軸承， 轉(zhuǎn)子位于雙定子之間，其特征在于所述的雙定子包括電機(jī)上端蓋(1)，嵌入到其中的上定子鐵芯( 和上定子繞組(3)，電機(jī)下端蓋和嵌入到其中的下定子鐵芯0 和下定子繞組(23)，電機(jī)上端蓋(1)設(shè)在上泵殼(11)和入口(10)上，電機(jī)下端蓋設(shè)在下泵殼(12)上，電機(jī)的兩個(gè)定子對稱放置在泵殼的外側(cè)；所述的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子殼體⑷、動磁環(huán) (5)、電機(jī)磁鋼(6)以及轉(zhuǎn)子密封片(7)，動磁環(huán)(5)和電機(jī)磁鋼(6)分別設(shè)在轉(zhuǎn)子殼體(4) 內(nèi)的環(huán)形和扇形空腔內(nèi)，電機(jī)磁鋼極性交替放置，轉(zhuǎn)子殼體(4)上還設(shè)有轉(zhuǎn)子密封片(7)； 所述的永磁軸承主要包括動磁環(huán)(5)、靜磁環(huán)(8)、磁鋼墊片(1 以及調(diào)整墊片(14)，其中， 螺釘(15)穿過靜磁環(huán)⑶并將其固定于底座(17)上，調(diào)整墊片(14)位于螺釘(15)與靜磁環(huán)⑶之間以及靜磁環(huán)⑶與底座(17)之間，底座(17)固定于中心軸(16)上。
2.如權(quán)利要求1所述的人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)，其特征在于置入轉(zhuǎn)子內(nèi)的動磁環(huán)( 是永磁軸承的一部分，與靜磁環(huán)(8)共同支撐轉(zhuǎn)子。
3.如權(quán)利要求1或2所述的人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)，其特征在于所述的定子繞組采用雙層疊繞組的連接方式，定子繞組采用熱粘合或溶劑粘合聚酯漆包圓導(dǎo)線繞制，繞制完成后通過加熱或涂有機(jī)溶劑粘合定型。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種醫(yī)療器械，具體涉及一種人工心臟用永磁軸承雙定子盤式無刷直流電動機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、軸向結(jié)構(gòu)緊湊，效率高和無級調(diào)速等特點(diǎn)，尤其體積小和重量輕，特別適用于對體積、重量和溫升有苛刻要求的人工心臟裝置。本發(fā)明中所涉及電機(jī)采用了永磁軸承，利用永久磁鋼間的磁力提供轉(zhuǎn)子懸浮所需的徑向力和軸向力，不需要電磁懸浮復(fù)雜的轉(zhuǎn)子位置測量和反饋控制，以及電磁鐵等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也不需要超導(dǎo)懸浮復(fù)雜的超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以實(shí)現(xiàn)高速、長期和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號H02K1/27GK102255463SQ20101017430
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者劉會祥, 劉康, 張文海, 李冀鵬, 王偉, 王毅, 蘇靜靜 申請人:北京天高智機(jī)技術(shù)開發(fā)公司