用于人工心臟泵的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于人工心臟泵的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，包括：位于中心的轉(zhuǎn)軸，從內(nèi)到外依次環(huán)繞在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的轉(zhuǎn)子永磁體、直斜復(fù)合繞組和定子鐵芯；所述轉(zhuǎn)子永磁體與直斜復(fù)合繞組之間形成氣隙；所述直斜復(fù)合繞組的邊緣與定子鐵芯的邊緣平齊。本實用新型有益效果：采用直斜復(fù)合繞組后，電動機電磁轉(zhuǎn)矩增加，諧波繞組系數(shù)降低。定子結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)相比，定子變?yōu)闊o槽結(jié)構(gòu)，加工制作相對簡單，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩，銅損降低。
【專利說明】
用于人工心贓累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于人工屯、臟累技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合 定子繞組無槽電機。
【背景技術(shù)】
[0002] 人工屯、臟累又稱血累，是一種部分或全部替代屯、臟累血功能的機械累裝置，具有 廣闊的臨床應(yīng)用前景。驅(qū)動電機作為人工屯、臟累的重要組成部分，其特性直接決定著人工 屯、臟累的性能。人工屯、臟累驅(qū)動電機與傳統(tǒng)電機相比，要求在滿足高可靠性、高穩(wěn)定性基礎(chǔ) 上，減小體積、降低噪聲、改善運行性能。永磁無刷直流電動機具有功率密度大、幾何尺寸 小、動態(tài)響應(yīng)快、運行效率高等一系列優(yōu)點，在高速運行場合具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已 經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人工屯、臟累的驅(qū)動。
[0003] 傳統(tǒng)永磁無刷直流電動機的定子為有齒槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩脈動較大。存在轉(zhuǎn)矩脈動會 導(dǎo)致振動和噪聲的產(chǎn)生，影響系統(tǒng)的控制精度，尤其是在高速運轉(zhuǎn)電機中，轉(zhuǎn)矩脈動的影響 更為嚴(yán)重。永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動主要源于其諧波轉(zhuǎn)矩，諧波轉(zhuǎn)矩包括齒槽轉(zhuǎn)矩 和紋波轉(zhuǎn)矩。前者由定子鐵忍與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用產(chǎn)生，是定子齒槽存在而導(dǎo)致的鐵忍 磁阻變化引起的；后者產(chǎn)生于電樞電流波形及感應(yīng)電動勢波形的偏差引起的。雖然有方法 能夠削弱轉(zhuǎn)矩脈動，但無法根本消除轉(zhuǎn)矩脈動。
[0004] 另外，帶齒槽的永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的長度和繞組的豎直部分長度相等，線 圈的繞組端部置于定子邊緣外，厚度較大，占用軸向空間，同時無法有效利用繞組端部部 分，增大了電機的漏磁和銅損，降低了電機的轉(zhuǎn)動力矩與效率。
[0005] 傳統(tǒng)電機的繞組分布分為直繞組和斜繞組兩種類型，直繞組的電機諧波繞組系數(shù) 較高，斜繞組分布可W降低諧波繞組系數(shù)。
[0006] 人工屯、臟累電機的發(fā)熱問題將影響電機的效率和患者的生命安全，因此如何降低 發(fā)熱量，提高電機效率是人工屯、臟累電機研制的重點。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的是為了解決上述問題，提供一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定 子繞組無槽電機，該電機采用直斜復(fù)合定子繞組，有效利用了端部繞組部分，在消除轉(zhuǎn)矩脈 動的同時，在一定程度上減小了諧波電流，提高電機轉(zhuǎn)動力矩與效率。
[000引為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案：
[0009] -種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，包括:位于中屯、的轉(zhuǎn)軸，從內(nèi) 到外依次環(huán)繞在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的轉(zhuǎn)子永磁體、直斜復(fù)合繞組和定子鐵忍;所述定子鐵忍內(nèi)表面 為無齒槽結(jié)構(gòu)，所述直斜復(fù)合繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子永磁體和定子鐵忍之間；所述轉(zhuǎn)子永磁體與 直斜復(fù)合繞組之間形成氣隙;所述直斜復(fù)合繞組的邊緣與定子鐵忍的邊緣平齊。
[0010] 進一步地，所述直斜復(fù)合繞組包括沿環(huán)形繞制的A、B、C=相繞組;每一相繞組沿軸 向分為=個部分:繞組的上下兩端分別為沿軸向傾斜繞制的斜繞組部分，繞組的中間部分 為直繞組部分。
[0011] 進一步地，所述A、B、C=相繞組中，每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的 傾斜方向角a滿足：
[0012]
[0013]
[0014] 其中，a為斜繞組和水平方向的夾角，〇°<a<90° ; L為繞組軸長；Iq為斜繞組長度；Is 為直繞組長度;D為繞組單應(yīng)線徑;A為斜繞組單應(yīng)的水平長度;N為一層繞組的總應(yīng)數(shù);rin為 線圈內(nèi)半徑。
[0015] 進一步地，采用粒子群優(yōu)化算法對每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的 傾斜方向角a進行優(yōu)化。
[0016] 進一步地，所述直斜復(fù)合繞組的斜繞組部分排列規(guī)則，轉(zhuǎn)子永磁體的長度大于直 繞組部分的長度。
[0017] 進一步地，所述A、B、C =相繞組對稱均勻分布成兩層，每應(yīng)線圈跨過一個極距，每 層每相繞組占據(jù)120°的角度，繞組接線方式為星形連接。
[0018] 進一步地，所述轉(zhuǎn)子永磁體為欽鐵棚永磁材料，徑向充磁，由單個磁體組成，或者 由多個磁體拼接而成，為一對極或多對極結(jié)構(gòu)。
[0019] 進一步地，所述轉(zhuǎn)子永磁體外部由非磁性醫(yī)用鐵合金包裹，鐵合金外殼外部有葉 輪，旋轉(zhuǎn)時能夠帶動血液軸向流動;所述定子線圈內(nèi)側(cè)設(shè)有醫(yī)用鐵合金內(nèi)殼;所述鐵合金外 殼和鐵合金內(nèi)殼能夠減小氣隙磁場的高次諧波，減小轉(zhuǎn)子永磁體的滿流損耗。
[0020] 進一步地，所述定子鐵忍由娃鋼片疊加而成。
[0021 ]本實用新型的有益效果是：
[0022] (1)采用直斜復(fù)合繞組后，電動機電磁轉(zhuǎn)矩與效率增加，諧波電流減小。
[0023] (2)定子鐵忍結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)相比，定子變?yōu)闊o槽結(jié)構(gòu)，加工制作相對 簡單，消除了轉(zhuǎn)矩脈動。
[0024] (3)可W通過改變繞組的斜繞組部分和直繞組部分所占的比例，調(diào)控電機的電磁 轉(zhuǎn)矩與諧波繞組系數(shù)。
[0025] (5)直斜復(fù)合繞組的使用，使得電動機的轉(zhuǎn)矩脈動得到了有效抑制，削弱了振動和 噪聲，可W提高人工屯、臟累系統(tǒng)的控制精度，有利于人工屯、臟累的穩(wěn)定運行。
[0026] (6)通過粒子群算法優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，可W設(shè)計出最優(yōu)的的斜繞組傾斜角，從而使電 機效率達到最高，有效提高諧波抑制率，降低了屯、臟累發(fā)熱。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本實用新型用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機徑向截面圖；
[0028] 圖2是本實用新型用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3是本實用新型用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機的工作原理；
[0030] 圖4是S相繞組的空載反電動勢波形；
[0031 ]圖5是本實用新型直斜復(fù)合定子繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 其中，I.定子鐵忍，2.直斜復(fù)合繞組，3.氣隙，4.轉(zhuǎn)子永磁體，5.轉(zhuǎn)軸，6.電機外殼。
【具體實施方式】：
[0033] 下面結(jié)合附圖與實例對本實用新型做進一步說明：
[0034] 如圖1和圖2所示，一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，包括:定子 鐵忍1、直斜復(fù)合繞組2、轉(zhuǎn)子永磁體4和轉(zhuǎn)軸5;轉(zhuǎn)軸5位于中屯、位置，從內(nèi)到外依次為轉(zhuǎn)軸5， 轉(zhuǎn)子永磁體4、直斜復(fù)合定子繞組和定子鐵忍1;轉(zhuǎn)子永磁體4屯、與直斜復(fù)合繞組2之間形成 電機氣隙3;直斜復(fù)合繞組2介于定子和轉(zhuǎn)子之間，直斜復(fù)合繞組2的邊緣與定子鐵忍1的邊 緣平齊。定子鐵忍1由娃鋼片疊加而成，轉(zhuǎn)子永磁體4為欽鐵棚永磁材料，徑向充磁，定子鐵 忍1為無齒槽結(jié)構(gòu)。
[0035] 圖3為本實用新型電機工作原理示意圖，轉(zhuǎn)子位置檢測裝置通過反電勢法檢測電 機轉(zhuǎn)子位置，把信號輸送至控制器，控制器根據(jù)反饋的信號控制逆變器開關(guān)導(dǎo)通，據(jù)此控制 電機=相繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，形成脈振旋轉(zhuǎn)磁場，使電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而帶動電機轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)。人工屯、臟累驅(qū)動電機采用兩相導(dǎo)通星形=相六狀態(tài)的運行方式。
[0036] 對于傳統(tǒng)電機的繞組，轉(zhuǎn)子的長度和繞組的豎直部分長度相等，繞組的端部布置 在轉(zhuǎn)子邊緣之外，端部繞組排列不規(guī)則，厚度高，繞組端部并沒有得到有效的利用。
[0037] 對于直斜復(fù)合繞組2,繞組端部邊緣與定子邊緣平齊，繞組傾斜部分排列規(guī)則，轉(zhuǎn) 子的長度大于繞組的豎直部分。直斜復(fù)合繞組2端部斜繞組的利用增大了導(dǎo)體有效長度，使 得電動機電動勢增大;端部斜繞組的規(guī)則排列使得線圈厚度降低，定子鐵忍1和轉(zhuǎn)子永磁體 4之間的氣隙3減小，氣隙3磁感應(yīng)強度增大;斜繞組部分能夠有效抑制高次諧波，從而削弱 轉(zhuǎn)矩脈動。電動機電磁轉(zhuǎn)矩增加，諧波繞組系數(shù)降低。另外，具有直斜復(fù)合繞組2的無齒槽結(jié) 構(gòu)定子鐵忍1，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩，降低了銅損。
[0038] 對于使用直斜復(fù)合繞組2的電動機，繞組端部的利用增大了導(dǎo)體有效長度，使得電 動機電動勢增大;端部繞組的規(guī)則排列使得線圈厚度降低;定子鐵忍1具有無槽結(jié)構(gòu)，從根 本上消除了齒槽轉(zhuǎn)矩;斜繞組部分能夠有效抑制高次諧波，使電機能平穩(wěn)運行。電動勢和氣 隙3磁感應(yīng)強度增大，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩增大，同時，無齒槽電機磁阻轉(zhuǎn)矩很小，具有較高的 定位轉(zhuǎn)矩，能有效抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動，使運行更加平穩(wěn)。
[0039] 圖4所示分別為=相繞組空載反電動勢波形，波形正弦性較好，傅里葉分析表明， 諧波幅值較低，驗證了本實用新型電機設(shè)計的有效性。
[0040] 高次諧波的抑制有利于降低電機的雜散損耗，提高效率，降低溫升，體現(xiàn)了直斜復(fù) 合繞組2的優(yōu)勢。
[0041] 根據(jù)直斜復(fù)合繞組2內(nèi)層、外層位置的氣隙3磁通密度分布可W得出，繞組內(nèi)層位 置的氣隙3磁通密度明顯大于外層，可見在電機參數(shù)確定的條件下不同半徑處氣隙3磁密的 大小不同；波形為較好的正弦波，無齒槽結(jié)構(gòu)有效的削弱了由電樞反應(yīng)引起的氣隙3磁場高 頻諧波，同時也消除了由定子開槽引起的氣隙3磁場中的齒諧波。
[0042] 直斜復(fù)合繞組2具有斜槽電機性質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子大于線圈豎直部分時，繞組的傾斜部分 得到利用，可使某些諧波繞組系數(shù)顯著降低，與斜槽電機相比，由于直繞組部分的存在，使 電機效率更高，轉(zhuǎn)矩更大。
[0043] 定子具有無齒槽結(jié)構(gòu)，使放置繞組的空間增加，在繞組應(yīng)數(shù)相同的情況下，無齒槽 結(jié)構(gòu)可選用直徑較大的導(dǎo)線W減小繞組電阻，因此無齒槽結(jié)構(gòu)電機的銅耗要比有齒槽結(jié)構(gòu) 電機小。
[0044] 圖5為人工屯、臟累驅(qū)動電機的直斜復(fù)合繞組2結(jié)構(gòu)示意圖，繞組的邊緣與定子鐵忍 1邊緣平齊。直斜復(fù)合繞組2由A、B、C=相繞組組成，=相繞組對稱均勻分布成兩層，每應(yīng)線 圈跨過一個極距，每層每相繞組占據(jù)120°的空間角。=相繞組沿軸向可W分為=個部分:上 下兩段繞組為斜繞組部分，中段繞組為直繞組部分。A、B、C=相繞組的斜繞組部分與軸向夾 角曰相同，上層繞組與下層繞組的傾斜方向相反。通過調(diào)節(jié)傾斜角〇,可W調(diào)節(jié)斜繞組與直繞 組在每相繞組中的比例。
[0045] A、B、C =相繞組中，每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的傾斜方向角a滿 足：
[0046； <1)
[0047； C2)
[004引其中，a為斜繞組和水平方向的夾角，0°<a<90°;L為繞組軸長；Iq為斜繞組長度；Is 為直繞組長度;D為繞組單應(yīng)線徑;A為斜繞組單應(yīng)的水平長度;N為一層繞組的總應(yīng)數(shù);rin為 線圈內(nèi)半徑。
[0049] 采用粒子群優(yōu)化算法對每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的傾斜方向 角曰進行優(yōu)化，從而可W得到最優(yōu)的繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0050] 在夾角a滿足式(1)和式(2)的條件下，對夾角a進行優(yōu)化，優(yōu)化步驟如下：
[0051] (1)利用粒子群優(yōu)化算法，在給定溫度初值的條件下計算出最優(yōu)夾角a的直斜復(fù)合 繞組2定子無槽電機。
[0052] (2)在有限元仿真軟件中建立電機磁場有限元計算模型，設(shè)置電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中 包含夾角〇,運行有限元仿真程序，對電機空載特性負載特性進行分析，具體包括對氣隙3磁 場、反電勢波形、額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩波形；
[0053] (3)結(jié)合有限元仿真結(jié)果，計算電機損耗，包括轉(zhuǎn)子滿流損耗、定子銅損、定子滿流 損耗等；
[0054] (4)基于電機電磁場模型建立溫度場模型，進行發(fā)熱分析，輸入電機材料熱學(xué)參 數(shù)、邊界條件、環(huán)境溫度、血液流場溫度、流速等參數(shù)，按照一下程序得到電機溫度場分析結(jié) 果。
[0055] (5) W轉(zhuǎn)子表面溫度、定子內(nèi)側(cè)溫度、電機外殼6溫度參數(shù)作為反饋，更新粒子群優(yōu) 化算法參數(shù)，重復(fù)進行算法，迭代幾次后當(dāng)兩次迭代之間差值達到期望值時結(jié)束，從而得到 佳夾角a。
[0056] 上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新 型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng) 域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范 圍W內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是，包括:位于中屯、的轉(zhuǎn) 軸，從內(nèi)到外依次環(huán)繞在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的轉(zhuǎn)子永磁體、直斜復(fù)合繞組和定子鐵忍;所述定子鐵忍 內(nèi)表面為無齒槽結(jié)構(gòu)，所述直斜復(fù)合繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子永磁體和定子鐵忍之間；所述轉(zhuǎn)子永 磁體與直斜復(fù)合繞組之間形成氣隙;所述直斜復(fù)合繞組的邊緣與定子鐵忍的邊緣平齊。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述直斜復(fù)合繞組包括沿環(huán)形繞制的Α、ΒΧΞ相繞組;每一相繞組沿軸向分為Ξ個部分:繞 組的上下兩端分別為沿軸向傾斜繞制的斜繞組部分，繞組的中間部分為直繞組部分。3. 如權(quán)利要求2所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述Α、ΒΧΞ相繞組中，每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的傾斜方向角α滿足：其中，α為斜繞組和水平方向的夾角，0°<α<90° ;L為繞組軸長；Iq為斜繞組長度；Is為直 繞組長度;D為繞組單應(yīng)線徑;A為斜繞組單應(yīng)的水平長度;N為一層繞組的總應(yīng)數(shù);rin為線圈 內(nèi)半徑。4. 如權(quán)利要求3所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 采用粒子群優(yōu)化算法對每一相繞組上下兩端沿軸向傾斜繞制的繞組的傾斜方向角α進行優(yōu) 化。5. 如權(quán)利要求2所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述直斜復(fù)合繞組的斜繞組部分排列規(guī)則，轉(zhuǎn)子永磁體的長度大于直繞組部分的長度。6. 如權(quán)利要求2所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述Α、ΒΧΞ相繞組對稱均勻分布成兩層，每應(yīng)線圈跨過一個極距，每層每相繞組占據(jù)120° 的角度，繞組接線方式為星形連接。7. 如權(quán)利要求1所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述轉(zhuǎn)子永磁體為欽鐵棚永磁材料，徑向充磁，由單個磁體組成，或者由多個磁體拼接而 成，為一對極或多對極結(jié)構(gòu)。8. 如權(quán)利要求1所述的一種用于人工屯、臟累的直斜復(fù)合定子繞組無槽電機，其特征是， 所述轉(zhuǎn)子永磁體外部由非磁性醫(yī)用鐵合金包裹，鐵合金外殼外部有葉輪，旋轉(zhuǎn)時能夠帶動 血液軸向流動;所述定子線圈內(nèi)側(cè)設(shè)有醫(yī)用鐵合金內(nèi)殼;所述鐵合金外殼和鐵合金內(nèi)殼能 夠減小氣隙磁場的高次諧波，減小轉(zhuǎn)子永磁體的滿流損耗。
【文檔編號】H02K21/14GK205681272SQ201620630374
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月23日 公開號201620630374.6, CN 201620630374, CN 205681272 U, CN 205681272U, CN-U-205681272, CN201620630374, CN201620630374.6, CN205681272 U, CN205681272U
【發(fā)明人】張云鵬, 高術(shù)寧, 劉淑琴
【申請人】山東大學(xué)