人工心肺机磁力驱动系统设计研究

作     者：宗清会 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘淑琴

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：磁力联轴器 转矩性能 人工心肺机 有限元分析 

摘      要：新冠疫情爆发以来,人工心肺机作为挽救呼吸衰竭和重症心脏疾病的一种有效手段受到广泛关注。人工心肺机是由氧合器和人工心脏泵及辅助设备组成的能进行体外循环的机械装置,经过几代的发展,目前主流使用的有二代的轴流式心脏泵和三代的离心式心脏泵。第三代离心式人工心脏采用液力悬浮或磁悬浮的支承结构,以无机械接触支承的特点,消除了机械磨损,降低了对血液损伤的程度,实现密封式无接触传动,成为心脏泵发展的主流趋势。但是其磁力驱动系统仍存在体积大,永磁体利用率低等不足,不能够满足心肺机对高性能磁力联轴器的需求。因此,本文针对心肺机的磁力驱动系统进行研究,设计了人工心肺机的磁力驱动系统和控制与监测平台,主要研究工作如下:(1)介绍磁力驱动系统的组成,根据各部件结构说明系统的工作方式,总结了实际应用中关注的性能参数及其计算方式。应用叠加原理的思想,将磁力联轴器的气隙磁场分为从动环产生的向外的磁场和主动环产生的向内的磁场,参考永磁电机气隙磁场计算方法,分别计算两者产生的磁场,叠加得到磁力联轴器的气隙磁场。(2)利用有限元软件对传统阵列磁力联轴器进行了建模仿真。首先,建立了离散型的圆筒式与圆盘式磁力联轴器的模型,利用静态场分析计算了圆筒式与圆盘式联轴器的磁场分布;然后,利用瞬态场分析计算了两种联轴器在转动过程中的转矩性能表现,总结了二者的性能差异;最后,建立了连续型磁力联轴器的模型,计算了它的磁场分布和转矩性能表现,分析了间隙对联轴器性能的影响,总结了不同结构的适用情况。(3)利用有限元软件对Halbach阵列磁力联轴器进行了建模仿真,利用静态场与瞬态场分析计算了它的磁场分布和转矩性能表现。应用Maxwell 2D分析功能,计算了气隙宽度、磁极厚度、极对数、磁极形状对联轴器转矩性能的影响,在有尺寸限制的情况下选择了适用于人工心肺机的参数以提高永磁体利用率,获得更优的转矩性能。基于此优化设计了心肺机的磁力联轴器,搭建了心肺机联轴器的3D模型并仿真验证了其性能。(4)利用单片机与液晶屏设计了人工心肺机磁力传动系统的控制与监测系统,搭建了人工心肺机系统测试平台。应用单片机与电机驱动器设计了转速的监测与控制模块,并应用单片机与流量、压力传感器设计了流量和压力的实时监测与超限报警模块,利用可编程液晶屏建立了一个友好的人机交互界面,实现转速、压力、流量参数的可视化处理、参数设定和数据存储的功能,完成了对磁力驱动系统的控制和监测的设计目标,通过测试平台验证了设计的控制系统的可行性。