一種雙通道直線振蕩電機(jī)的設(shè)計(jì)

嚴(yán)淑君 孫桂華

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 210023；2.南瑞集團(tuán)有限公司，國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 前言

心力衰竭患者由于自然心臟的短缺，很少有人有機(jī)會(huì)移植自然心臟。因此，代替天然心臟，人工心臟成為心力衰竭患者的主要治療方法[1]。然而，常規(guī)的電動(dòng)血泵采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，易遭受機(jī)械磨損和血細(xì)胞的損傷[2]。為了避免旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶來的弊端，本文選用直線振蕩電機(jī)來應(yīng)用于人工心臟泵。目前，直線振蕩電機(jī)通常是單繞組的，單繞組可以滿足人類胸部有限空間的需求[3]，例如用于人工心臟泵的永磁單繞組直線電機(jī)[4]。然而，人造心臟泵保證人的生命，因此，其可靠性非常重要，而單繞組電機(jī)可靠性不是很高。

為了提高可靠性，本文提出了一種具有雙通道的直線振蕩電機(jī)[5]。它具有高可靠性、高容錯(cuò)性能、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。在正常情況下，該電機(jī)在雙通道下工作。如果一個(gè)通道發(fā)生故障，該電機(jī)仍然可以很好使用另一個(gè)通道帶故障工作。

本文將采用有限元分析法來分析和驗(yàn)證所提出的雙通道直線振蕩電機(jī)的電磁特性。

1 雙通道直線振蕩電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1(a)、(b)分別為雙通道直線振蕩電機(jī)結(jié)構(gòu)的二維剖面圖和三維圖。它從內(nèi)到外由一個(gè)內(nèi)定子環(huán)，一個(gè)動(dòng)子環(huán)和一個(gè)外定子環(huán)組成。2個(gè)定子都由2個(gè)E形定子鐵芯組成。A相繞組置于內(nèi)定子中，由兩套線圈反向串聯(lián)而成，B相繞組置于外定子中，也是由2套線圈反向串聯(lián)而成。動(dòng)子由安裝在支撐管上的Halbach陣列磁環(huán)組成。該磁環(huán)由5個(gè)環(huán)形磁體組成，其中3個(gè)徑向勵(lì)磁，2個(gè)軸向勵(lì)磁，如圖1所示。內(nèi)定子環(huán)和外定子環(huán)在結(jié)構(gòu)上幾乎是對(duì)稱的，具有相同的軸向長度和齒寬。主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

(1)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以避免機(jī)械磨損，因?yàn)橹本€電機(jī)驅(qū)動(dòng)中沒有傳動(dòng)裝置。所以，它可以延長人工心臟的使用壽命，而人工心臟的使用壽命對(duì)于人的生命安全來說也是至關(guān)重要的。

(2)通過2個(gè)獨(dú)立通道設(shè)計(jì)，本文提出的電機(jī)具有很高的容錯(cuò)性能，從而提高了可靠性。

(3)充分利用了動(dòng)子內(nèi)部的空間，從而可以提高推力密度并縮短軸向長度。所以，電機(jī)的結(jié)構(gòu)很適合人類胸腔狹小的空間限制。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 電磁特性分析

本文使用有限元分析方法對(duì)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行分析。由于該電機(jī)沿Z軸在空間上對(duì)稱，所以在Ansoft Maxwell 中建立二維模型來仿真。

動(dòng)子結(jié)構(gòu)中，可以將磁體環(huán)安裝在非磁性或鐵磁性支撐管上。圖2(a)展示了將磁體安裝在鐵磁性支撐管上的通量密度，而圖2(b)展示了不安裝在鐵磁性支撐管上的通量密度。2個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)相同。從圖中可以看出，圖(a)的磁通密度比圖(b)的磁通密度高。換句話說，將永磁體安裝在鐵磁支撐管上的結(jié)構(gòu)磁路更容易飽和。圖2(a)中的鐵心在磁體厚度1.9mm處過飽和，而過飽和對(duì)設(shè)計(jì)而言是不合理的，所以需要將永磁體用量減小，來減弱磁通密度。將磁鐵的厚度減小到0.6mm左右，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，磁路飽和程度合適，設(shè)計(jì)合理。但是，由于磁體的厚度只有0.6mm，太薄，當(dāng)磁體移動(dòng)時(shí)電機(jī)可靠性會(huì)降低，因?yàn)榻M件可能發(fā)生磨損，導(dǎo)致不能保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性。另外，鐵磁支撐管的重量也很大，這給人的胸部帶來負(fù)擔(dān)。基于以上2點(diǎn)，因此，沒有鐵磁支撐管的結(jié)構(gòu)更適合于人工心臟泵。所以，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)，動(dòng)子磁環(huán)的支撐管選用非鐵磁材料的塑料管。

圖2 磁通密度

圖3(a)和圖3(b)分別示出了僅由永磁體勵(lì)磁和僅由電樞電流勵(lì)磁的磁場分布。沒有鐵磁支撐的動(dòng)子是由5個(gè)環(huán)形磁鐵組成的Halbach陣列。從圖3(a)和圖3(b)可以看出，內(nèi)定子和外定子在勵(lì)磁上是平行的，相互獨(dú)立，互不干擾。這樣的設(shè)計(jì)給電機(jī)帶來了2個(gè)優(yōu)勢：(1)2個(gè)定子分別設(shè)置在動(dòng)子的內(nèi)部和外部，因此它們在物理上彼此獨(dú)立。如果內(nèi)定子中繞組發(fā)生故障，則外定子中繞組不會(huì)受到故障繞組溫度升高的影響，可以正常工作。(2)內(nèi)定子勵(lì)磁和外定子磁路平行，互不干擾，形成了磁隔離，從而使內(nèi)部通道與外部通道分別獨(dú)立工作，而不會(huì)相互干擾。總之，本文提出的雙通道具有很高的容錯(cuò)能力，因?yàn)?套繞組幾乎在磁、熱和物理上隔離。2個(gè)通道的設(shè)計(jì)大大提高了電機(jī)的可靠性。

圖4和圖5分別展示了磁鏈圖和反電勢圖。以內(nèi)定子為例，E型鐵心的定子結(jié)構(gòu)有2個(gè)C型槽，一個(gè)槽中放置1套繞組，繞組成扁平狀置于槽中。2套繞組分別置于2個(gè)C型槽中。這2套繞組反向串聯(lián)構(gòu)成A相。同樣的，外定子2個(gè)C型槽中的2套繞組反向串聯(lián)構(gòu)成B相。

圖3 永磁磁場分布圖

圖6展示了該電機(jī)的雙通道電磁推力(在0.5A直流電流下)和單通道的電磁推力(在1A直流電流下)。可以看出，這2個(gè)波形是一致的，因此，該電機(jī)具有很高的容錯(cuò)性能。一旦一個(gè)通道發(fā)生故障，只有一個(gè)通道可以正常工作，最大值是70N，滿足對(duì)于人工心臟泵用電機(jī)對(duì)于推力的設(shè)計(jì)要求。

圖4 磁鏈圖

圖5 反電勢波形

圖6 雙通道和單通道推力對(duì)比圖

3 結(jié)語

本文提出了一種雙通道的直線振蕩電機(jī)。該電機(jī)具有高功率密度、高推力密度，高可靠性，并且具有容錯(cuò)性能。雙通道能實(shí)現(xiàn)熱隔離、物理隔離和電磁隔離，相對(duì)獨(dú)立地工作，如果一相繞組發(fā)生故障，另一相繞組可以帶故障運(yùn)行。使用有限元分析方法計(jì)算仿真其電磁特性得到驗(yàn)證。所以，本文提出的電機(jī)是非常適用于要求低速、高推力的人工心臟泵。