專利名稱：一種磁懸浮人工心臟泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工心臟泵，尤其是涉及一種轉(zhuǎn)子軸向位移徑向測(cè)量的軸流式磁懸浮人工心臟泵。
背景技術(shù)：
磁懸浮人工心臟泵的磁懸浮系統(tǒng)可分為電磁懸浮系統(tǒng)、永磁懸浮系統(tǒng)以及混合懸浮系統(tǒng)。永磁軸承是被動(dòng)穩(wěn)定的，不需要傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移；電磁軸承和混合軸承(電磁、 永磁混合軸承)是主動(dòng)穩(wěn)定的，需要通過無接觸的方式利用傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移，然后將位移信號(hào)送入控制器，控制電磁線圈中的電流，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)子懸浮位置的目的。因此， 位移傳感器是磁懸浮人工心臟泵的重要組成部分之一，其性能也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。在磁懸浮系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子無接觸的懸浮于空間中，轉(zhuǎn)子位移只能通過無接觸的方式來檢測(cè)，能夠完成這種檢測(cè)方式的傳感器有電渦流式傳感器、超聲波傳感器、電容式傳感器、霍爾傳感器以及光學(xué)傳感器等。由于磁懸浮人工心臟泵的特殊工作環(huán)境和要求，目前采用的位移傳感器有電渦流傳感器、超聲波傳感器及霍爾傳感器等，而在在心臟泵中應(yīng)用相對(duì)較多的是電渦流傳感器，這種傳感器具有動(dòng)態(tài)性能好、輸出線性度好、體積較小等特點(diǎn)。 但是，電渦流傳感器對(duì)被測(cè)表面的材料具有一定的選擇性，材料不同，其性能也不同；測(cè)量轉(zhuǎn)子的軸向位移時(shí)，必須安裝在軸端，由于其長(zhǎng)度較長(zhǎng)，加長(zhǎng)了心臟泵長(zhǎng)度；并且傳感器探頭不能與血液直接接觸，必須在傳感器探頭表面覆蓋一層鈦合金薄片，這也會(huì)影響傳感器性能；電渦流傳感器需要獨(dú)立安裝，不利于磁力軸承軸向系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置，通過發(fā)射和接收超聲波，把超聲波的能量轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)的電信號(hào)，應(yīng)用起來原理簡(jiǎn)單，方便，成本也很低。但是超聲波傳感器目前還存在一些反射、噪聲問題；并且超聲波傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的軸向位移時(shí)，也需要安裝在轉(zhuǎn)子軸端，加長(zhǎng)了心臟泵軸向長(zhǎng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種軸向尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)可靠的磁懸浮人工心臟泵，采用的技術(shù)方案是一種磁懸浮人工心臟泵，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于在轉(zhuǎn)子軸向上設(shè)有至少一個(gè)軸向單電磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上設(shè)有至少兩個(gè)徑向永磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上還設(shè)有至少一個(gè)徑向位移檢測(cè)裝置，所述徑向位移檢測(cè)裝置連接在軸向位移控制系統(tǒng)中。本發(fā)明的技術(shù)方案還有所述徑向位移監(jiān)測(cè)裝置為霍爾傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案還有所述霍爾傳感器為4個(gè)，沿轉(zhuǎn)子的圓周方向均布。本發(fā)明的技術(shù)方案還有所述徑向永磁軸承的個(gè)數(shù)是2個(gè)，位于轉(zhuǎn)子兩端。本發(fā)明的技術(shù)方案還有所述軸向位移控制系統(tǒng)包括位移信號(hào)處理器、電磁軸承控制器和功率放大器，所述位移信號(hào)處理器將軸向位移檢測(cè)裝置輸出的軸向位移信號(hào)進(jìn)行放大并運(yùn)算、消除徑向位移對(duì)軸向位移檢測(cè)的影響后輸送給電磁軸承控制器，所述電磁軸承控制器通過控制策略運(yùn)算將軸向位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸向位移電壓控制信號(hào)，所述功率放大器將轉(zhuǎn)子軸向位移電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向單電磁軸承電磁線圈中電流。本發(fā)明的技術(shù)方案還有所述電磁軸承控制器為PID控制器。本發(fā)明的有益效果在于本磁懸浮人工心臟泵采用在徑向安裝的霍爾傳感器測(cè)量徑向永磁軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化情況，來反映轉(zhuǎn)子的軸向位移，并用于轉(zhuǎn)子的軸向控制過程，實(shí)現(xiàn)了軸向主動(dòng)懸浮、徑向被動(dòng)懸浮，完成空間五自由度懸浮過程，具有以下優(yōu)點(diǎn)。
(1)沒有增加被檢測(cè)零件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，縮短了心臟泵的軸向長(zhǎng)度；
(2)利用徑向永磁軸承本身的磁場(chǎng)變化，采用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子位移，靈敏度高，體積小，易于安裝；
(3)霍爾傳感器價(jià)格便宜，降低了系統(tǒng)成本；
(4 )霍爾傳感器安裝在徑向，不會(huì)與血液直接接觸，并且避免了位移傳感器安裝在軸向時(shí)在出口導(dǎo)葉上鉆導(dǎo)線孔的麻煩，便于零件加工及裝配，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的密封性能；
(5)霍爾傳感器的布置方式及輸出電壓的解耦算法消除了轉(zhuǎn)子徑向位移對(duì)霍爾傳感器輸出電壓的影響，因此，霍爾傳感器的輸出電壓變化完全反映了轉(zhuǎn)子的軸向位移變化情況。


圖1為磁懸浮人工心臟結(jié)構(gòu)示意圖2為磁懸浮人工心臟泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為霍爾傳感器徑向布置位置示意圖； 圖4為霍爾傳感器原理簡(jiǎn)圖5為永磁軸承轉(zhuǎn)子磁感應(yīng)強(qiáng)度B與轉(zhuǎn)子軸向位移的關(guān)系； 圖6為霍爾傳感器的VH-B曲線； 圖7為轉(zhuǎn)子位移示意圖。其中，1.前導(dǎo)葉，2.后導(dǎo)葉，3.轉(zhuǎn)子，4.霍爾傳感器，5.徑向永磁軸承，6.軸向單電磁軸承，7.定子，8.泵體，9.位移信號(hào)處理器，10.電磁軸承控制器，11.功率放大器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明。本磁懸浮人工心臟在泵體8中裝有定子 7，在定子7中有轉(zhuǎn)子3，轉(zhuǎn)子3軸向相應(yīng)位置設(shè)有至少一個(gè)軸向單電磁軸承6，轉(zhuǎn)子3的徑向相應(yīng)位置設(shè)有至少一個(gè)徑向永磁軸承5，同時(shí)在與轉(zhuǎn)子3的后端徑向相應(yīng)位置設(shè)有徑向位移檢測(cè)裝置，徑向位移檢測(cè)裝置與軸向位移控制系統(tǒng)相連接。徑向位移檢測(cè)裝置采用霍爾傳感器4，霍爾傳感器4共有四個(gè)，它們沿圓周方向均勻安裝。徑向永磁軸承5有兩個(gè)。霍爾傳感器4是利用霍爾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栐糜诖鸥袘?yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流Ic流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)VH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。流入的激勵(lì)電流Ic越大，作用在薄片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B越大，霍爾電勢(shì)也越高。磁場(chǎng)方向相反，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變，因此霍爾傳感器4能用于測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)。因此，當(dāng)通過霍爾傳感器4的磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化時(shí)，霍爾電勢(shì)VH也隨之改變。
在圖1所示的磁懸浮人工心臟泵中，在霍爾傳感器4所在的軸線上，徑向永磁軸承 5的磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿軸向的分布如圖5的a所示。由圖5的b可見，徑向永磁軸承5磁感應(yīng)強(qiáng)度B在徑向上的分量與軸向位移是非線性關(guān)系，并且在軸向位移為0-2mm之間的變化最大。霍爾傳感器4的輸出電壓V與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系如圖6所示，可見霍爾傳感器4 的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。由于轉(zhuǎn)子3的軸向位移范圍很小，一般在-0. 2mm 0. 2mm之間，在此范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與軸向位移成正比。因此，可以認(rèn)為霍爾傳感器4的輸出電壓也與轉(zhuǎn)子3的軸向位移成線性關(guān)系。 徑向永磁軸承5的轉(zhuǎn)子3除了沿軸向運(yùn)動(dòng)外，還沿徑向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子3沿徑向移動(dòng)微小距離時(shí)，霍爾傳感器4測(cè)試面的磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致霍爾傳感器4有一定的輸出電壓，從而使電磁軸承控制器10發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào)。所以，為了消除徑向位移對(duì)霍爾傳感器4輸出的影響，在一個(gè)徑向平面內(nèi)對(duì)稱布置4個(gè)霍爾傳感器4。利用這種布置方式消除徑向位移對(duì)霍爾傳感器4輸出影響的基本原理是假設(shè)霍爾傳感器4的輸出電壓分別為Vl V4，轉(zhuǎn)子3懸浮在中間位置時(shí)，霍爾傳感器4的輸出均為V0?？紤]四個(gè)霍爾傳感器4的輸出與轉(zhuǎn)子3位移的關(guān)系。假設(shè)轉(zhuǎn)子3徑向偏離平衡位置 Δχ、Ay，軸向偏離平衡位置Δζ，那么各傳感器的輸出為
Vl= VO + AVy + AVz V2= VO + AVx + AVz V3= VO - AVy + AVz V4= VO - AVx + AVz
V=Vl+V2+V3+V4=4V0+4ΔVz=4 (V0+Δ Vz)(1)
其中，Δ Vx表示徑向位移Δ χ對(duì)傳感器輸出電壓的影響，AVy表示徑向位移Δ y對(duì)傳感器輸出電壓的影響，Δ Vz表示軸向位移Δ ζ對(duì)傳感器輸出電壓的影響。由于Δχ、Ay、 Δ ζ相對(duì)于轉(zhuǎn)子尺寸來說，均為小量，故徑向位移Δ χ只影響沿χ方向布置的傳感器2、4的輸出電壓，徑向位移Ay只影響沿y方向布置的傳感器1、3的輸出電壓。由式(1)可知，將4個(gè)霍爾傳感器的輸出電壓相加后，總輸出電壓V只與軸向位移 Δ ζ有關(guān)，與徑向位移Δχ和Ay無關(guān)?？梢娎眠@種布置方式，通過簡(jiǎn)單的解耦運(yùn)算就可以消除徑向位移對(duì)霍爾傳感器4輸出結(jié)果的影響，最終送到電磁軸承控制器10的位移信號(hào)只包含了軸向位移信號(hào)，并且放大了霍爾傳感器4的輸出電壓，解決了單個(gè)霍爾傳感器輸出電壓小的弊端。軸向位移控制系統(tǒng)包括位移信號(hào)處理器9、電磁軸承控制器10和功率放大器11， 位移信號(hào)處理器9將徑向位移檢測(cè)裝置輸出的徑向位移信號(hào)進(jìn)行放大并運(yùn)算、消除徑向位移對(duì)軸向位移檢測(cè)的影響后輸送給電磁軸承控制器10，電磁軸承控制器10通過控制策略運(yùn)算將徑向位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子3軸向位移電壓控制信號(hào)，功率放大器11將轉(zhuǎn)子3軸向位移電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向單電磁軸承6電磁線圈中電流，用以產(chǎn)生所需要的電磁力。所用的電磁軸承控制器10為PID控制器。當(dāng)然，上述說明并非對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮人工心臟泵，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于在轉(zhuǎn)子軸向上設(shè)有至少一個(gè)軸向單電磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上設(shè)有至少兩個(gè)徑向永磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上還設(shè)有至少一個(gè)軸向位移檢測(cè)裝置，所述軸向位移檢測(cè)裝置連接在軸向位移控制系統(tǒng)中。
2.按照權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟泵，其特征在于所述徑向放置的軸向位移檢測(cè)裝置為霍爾傳感器。
3.按照權(quán)利要求2所述的磁懸浮人工心臟泵，其特征在于所述霍爾傳感器為4個(gè)，沿轉(zhuǎn)子的圓周方向均布。
4.按照權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟泵，其特征在于所述徑向永磁軸承的個(gè)數(shù)是2個(gè)，位于轉(zhuǎn)子兩端。
5.按照權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟泵，其特征在于所述軸向位移控制系統(tǒng)包括位移信號(hào)處理器、電磁軸承控制器和功率放大器，所述位移信號(hào)處理器將徑向放置的位移檢測(cè)裝置輸出的軸向位移信號(hào)進(jìn)行放大并運(yùn)算、消除徑向位移對(duì)軸向位移檢測(cè)的影響后輸送給電磁軸承控制器，所述電磁軸承控制器通過控制策略運(yùn)算將徑向位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸向位移電壓控制信號(hào)，所述功率放大器將轉(zhuǎn)子軸向位移電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸向單電磁軸承電磁線圈中電流。
6.按照權(quán)利要求5所述的磁懸浮人工心臟泵，其特征在于所述電磁軸承控制器為PID 控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁懸浮人工心臟泵，采用的技術(shù)方案是一種磁懸浮人工心臟泵，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于在轉(zhuǎn)子軸向上設(shè)有至少一個(gè)軸向單電磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上設(shè)有至少兩個(gè)徑向永磁軸承，在轉(zhuǎn)子的徑向上還設(shè)有至少一個(gè)軸向位移檢測(cè)裝置，所述軸向位移檢測(cè)裝置連接在軸向位移控制系統(tǒng)中。有益效果是本磁懸浮人工心臟泵采用在徑向安裝的霍爾傳感器測(cè)量軸向永磁軸承轉(zhuǎn)子磁環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化情況，來反映轉(zhuǎn)子的軸向位移，并用于轉(zhuǎn)子的軸向控制過程，實(shí)現(xiàn)了軸向主動(dòng)懸浮、徑向被動(dòng)懸浮，完成空間五自由度懸浮過程。
文檔編號(hào)A61M1/12GK102151341SQ201110128669
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉淑琴, 張?jiān)迄i, 李紅偉 申請(qǐng)人:濟(jì)南磁能科技有限公司