一种用于轴流血泵全流场显示的测试台的制作方法

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于轴流血泵全流场显示的测试台。

背景技术：

轴流血泵是心室辅助装置的一种，其作用是部分辅助或完全替代心脏的泵血功能，维持人体血液的正常循环，目前传统的轴流血泵采用的都是传动电机作为驱动系统，全环的线圈套在泵壳外面驱动转子叶轮旋转。由于线圈的遮挡，泵内尤其是转子叶轮区域的血液流动情况就无法通过粒子成像测速(piv)等方法观测到。而轴流血泵内的血液流动情况又与血泵的效率、溶血和血栓形成等性能息息相关，是评价血泵结构设计与流场优化的重要观测数据，但由于驱动线圈的遮挡和泵壳材料的非透明性，目前还很难观测到轴流血泵内部的全流场。为了能观测到轴流血泵内更大范围内的流场情况，目前用于血泵内流场piv显示的测试台是将血泵的转子叶轮放入透明材质的腔体内，将电机的轴和转子叶轮的轴连接起来直接带动转子叶轮旋转，这样做存在的问题是，电机轴在流场内的存在和由此带来的对轴流血泵前、后导叶结构的改动或取消，使得所测量的轴流血泵内的流场与轴流血泵实际运转时的情况不符，测试结果的可信度大大降低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决在轴流血泵的泵内流场观测试验中(尤其是piv流场显示试验)，传统的直流无刷电机驱动的轴流血泵由于电机线圈的存在而遮挡住血泵内部结构、无法通过肉眼或试验观测到血泵内尤其是转子叶轮区域的流动情况的缺陷，克服目前轴流血泵的泵内流场观测困难的问题，提供一种泵内流动的全流场可通过肉眼或piv测试用的电荷耦合器件(ccd)相机等被完整观测、记录到的轴流血泵流场测试台。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

提供一种用于轴流血泵全流场显示的测试台，该测试台上设置轴流血泵固定装置和轴流血泵驱动装置，测试的轴流血泵设置在轴流血泵固定装置上，所述轴流血泵驱动装置为非接触的磁耦合驱动装置，包括主动磁体和驱动电机，所述驱动电机连接所述主动磁体，所述主动磁体与该轴流血泵中转子叶轮的被动磁体并行放置构成非接触的磁耦合驱动关系，以使得所述主动磁体旋转，从而带动所述轴流血泵中的转子叶轮的被动磁体转动，与此匹配地，所述轴流血泵的泵壳的至少一部分为透明材料制作。

优选地，所述轴流血泵的泵壳整体皆为透明材料制作。

本实用新型通过上述试验台，用非接触的磁耦合驱动装置取代电机线圈驱动轴流血泵的转子叶轮旋转，加上轴流血泵的泵壳采用亚克力或石英玻璃等透明材料制成，就可以实现泵内流动的全流场的可视。

优选地，所述轴流血泵驱动装置中的主动磁体和所述轴流血泵中的被动磁体均呈圆柱形，为径向充磁的永磁体，永磁体的两极位于圆柱形永磁体两个相对的侧面。

所述主动磁体的结构为：包括一铁芯轴和一永磁体，该永磁体上设有一轴向通孔，该铁芯轴即转轴穿过该轴向通孔与永磁体固为一体。

作为一个实施例，当被动磁体的永磁体体长为20mm、永磁体径长为8mm时，所述主动磁体的永磁体体长为20mm、永磁体径长为10.7mm。

测试台上主动磁体和被动磁体的两个安装孔的轴线距离为低于50-60mm。

所述电机为直流电机。

所述电机的电压是可调节的。

作为一个实施例，电机的电压可在0-24v之间可调，最大输出功率为30v。

具体地，所述测试台的结构可以是：

所述驱动电机输出轴朝上竖立地设置，在所述驱动电机的上端设置一底板，驱动电机的输出轴位于该底板的中间；

在所述底板的上方设置一测试架，在该测试架上可转动地设置主动磁体，该主动磁体与所述驱动电机的输出轴连接；在该测试架上还设置轴承支座，在该轴承支座上设置所述轴流血泵，使得轴流血泵与所述主动磁体轴线平行的设置，该轴流血泵轴承支座与该主动磁体之间设有设定间距，该设定间距使得主动磁体能够磁耦合驱动该轴流血泵轴承支座上的轴流血泵中的被动磁体转动；

所述轴流血泵的进口和出口连接一循环回路。

所述测试架包括上挡板、下挡板以及四根螺杆，所述上挡板、下挡板以及所述底板的四角设置上下相对应的穿孔，通过将四根螺杆穿设在四角的穿孔中，配合螺母，使得上挡板、下挡板和底板上下间隔设定间距地固定，在所述上挡板和下挡板上设置上下对应的安装孔，在该安装孔中设置所述主动磁体和轴流血泵的轴承支座，使得所述主动磁体和轴流血泵平行地设置在下挡板和上挡板之间。

所述主动磁体的转轴从下挡板向下延伸，与所述驱动电机向上延伸的输出轴通过联轴节固定。

通过前述测试台观测轴流血泵内流场的方法是：

向试验流体中撒进荧光粒子，启动驱动电机；

激光可以从任何方位直接照射到透明轴流血泵内流场的荧光粒子，

位于与激光垂直方位的ccd相机可以直接拍摄到透明轴流血泵的泵内流场。所以此测试台可以用于血泵内流场的piv显示等试验。

使用本测试台进行轴流血泵内流场的观测，不光能够观测到轴流血泵进出口附近区域流场，还能够观测到传统上的被线圈遮挡而无法观测到的转子叶片区域的流场。

轴流血泵驱动装置中圆柱形的主动磁体和所述轴流血泵中的被动磁体，在一半圆柱体外侧面中间的一条母线即为极线a，该极线a与磁体的轴线形成一个极面，在测试之初，所述主动磁体和所述被动磁体相同磁极的极面的夹角即初始相对角，该初始相对角为60°至100°。

当需要调节轴流血泵叶轮的转速时，通过调节电机的电压来调节主动磁体的转速，继而调节所述轴流血泵的转速。

本实用新型通过所设计的流场测试台，采用电机的轴带动主动磁体旋转，电机轴和主动磁体之间通过联轴器连接，主动磁体安装于上挡板和下挡板之间，电机上安装有底板，底板通过螺杆与下挡板连接，下挡板通过螺杆与上挡板连接。

试验时，循环回路中的透明轴流血泵以平行于主动磁体的方向安装于上挡板和下挡板的安装孔内，旋转的主动磁体产生的磁场作用于转子叶轮内的被动磁体使其以与主动磁体转速相同的转速旋转，从而带动透明轴流血泵的转子叶轮旋转，这样透明轴流血泵内的流场就可被完全观测到。因为从绝大多数方位都能观测到透明轴流血泵的泵内流体的流动情况，所以如果向试验流体中撒进荧光粒子，激光可以从任何方位直接照射到透明轴流血泵内流场的荧光粒子，位于与激光垂直方位的ccd相机可以直接拍摄到透明轴流血泵的泵内流场，所以此测试台可以用于血泵内流场的piv显示等试验。

在通过所述测试台对轴流血泵内的流场进行观测中，可以通过调节主动和被动磁体之间的初始相对角，提高传动效率，而要改变叶轮的转速，可通过调节直流电机的电压实现。

本实用新型提供的用于轴流血泵全流场显示的测试台，采用磁耦合驱动取代了传统轴流血泵的电机线圈驱动，磁耦合驱动的主动磁体与轴流血泵无任何接触，且相距一定距离，加之轴流血泵的泵壳做成透明的，因此，泵内流场就不存在任何外部遮挡，整个泵内的流场都可通过肉眼或ccd相机观测到。

下面通过附图和实施例对本实用新型做详细说明。

附图说明

图1是本实用新型提供的用于轴流血泵全流场显示的测试台的结构示意图。

图2是图1中上挡板和下挡板的结构示意图。

图3是主动磁体和被动磁体的结构示意图。

图4是主动磁体和被动磁体的初始相对角的一个实例的结构示意图。

图5是被动磁体的力矩与初始相对角的关系图。

图6a是被动磁体的转速(逆时针)随电压变化关系图。

图6b是被动磁体的转速(顺时针)随电压变化关系图。

图7a是主动磁体转速(逆时针)电压变化关系图。

图7b是被动磁体转速(顺时针)电压变化关系图。

图8a是正反转情况下主动磁体和被动磁体转速和电压关系图(逆时针)。

图8b是正反转情况下主动磁体和被动磁体转速和电压关系图(顺时针)。

图9a是被动磁体转速随主动磁体转速变化关系图(逆时针)。

图9b是被动磁体转速随主动磁体转速变化关系图(顺时针)。

具体实施方式

本实用新型提供的用于轴流血泵的泵内流场显示的测试台——采用磁耦合方式驱动轴流血泵的转子叶轮、磁耦合驱动所用的主动磁体与轴流血泵无任何接触、轴流血泵的泵壳由亚克力或石英玻璃等透明材料加工而成、泵内流场不被外部结构遮挡、整个泵内的流场都可直接观测到的测试台。

如图1所示是本实用新型提供的用于轴流血泵全流场显示的测试台，该测试台上设置轴流血泵固定装置和轴流血泵驱动装置，所述轴流血泵驱动装置为非接触的磁耦合驱动装置，其包括主动磁体7和电机1，电机1连接主动磁体7，具体地，电机1在下，主动磁体7在上，通过联轴节4连接，以使得主动磁体7旋转。

轴流血泵中的被动磁体6与主动磁体7轴线平行地并列设置，通过电机1驱动主动磁体7转动，带动设置在轴流血泵固定装置上的测试用的轴流血泵中的转子叶轮的被动磁体6转动，与此匹配地，所述轴流血泵的泵壳为透明材料制作。

主动磁体7带动被动磁体6同向转动，主动磁体可以逆时针转也可以顺时针转，主动磁体正转则被动磁体正转，主动磁体反转则被动磁体反转。

具体地，所述测试台的结构是：

如图1和图2所示，电机1输出轴朝上竖立地设置，在驱动电机1的上端设置一底板2，驱动电机1的输出轴位于底板2的中间；

在底板2的上方设置一测试架，所述测试架包括上挡板8、下挡板5以及四根螺杆3，上挡板8、下挡板5以及底板2的四角设置上下相对应的穿孔，下挡板5和上挡板8的结构一样，具体参见显示下挡板的图2，下挡板5的四角设置穿孔51。通过将四根螺杆3穿设在底板2、下挡板5和上挡板8的四角的穿孔中，配合螺母，使得上挡板8、下挡板5和底板2上下间隔设定间距地固定，在上挡板8和下挡板5上设置上下对应的安装孔，如图2所示，一个安装孔设置在下挡板5的中心形成主动磁体安装孔53，另一个安装孔在主动磁体安装孔53的旁边，形成轴流血泵安装孔52，两个安装孔的轴线距离为低于50mm，在主动磁体安装孔53和轴流血泵安装孔52中设置主动磁体和轴流血泵的轴承支座，主动磁体7和轴流血泵6平行地支撑在下挡板和上挡板上对应的安装孔的轴承支座上。

轴流血泵轴承支座与该主动磁体之间的设定间距的大小应确保主动磁体7能够磁耦合驱动轴流血泵轴承支座上的轴流血泵6中的被动磁体转动；保证被动磁体转动性能的还有两个磁体的大小和电机的性能。

轴流血泵6的进口和出口连接一循环回路(图中未示出)。

轴流血泵6的泵壳为透明材料制作，例如采用亚克力或石英玻璃等透明材料制成。

所述主动磁体为永磁体。

本实用新型通过上述试验台，用非接触的磁耦合驱动装置取代电机线圈驱动轴流血泵的转子叶轮旋转，加上轴流血泵的泵壳，就可以实现泵内流动的全流场的可视。

如图3所示，主动磁体7包括一铁芯轴71和一永磁体，该永磁体上设有一轴向通孔，铁芯轴即转轴71穿过该轴向通孔与永磁体固为一体。被动磁体6结构相同，其上的铁芯轴即转轴61与叶轮连接。

轴流血泵驱动装置中的主动磁体7和所述轴流血泵中的被动磁体6均呈圆柱形，为径向充磁的永磁体，永磁体的两极位于圆柱形永磁体两个相对的侧面，一半圆柱体是s极，另一半圆柱体是n极。而在一半圆柱体外侧面中间的一条母线即为极线a(见图3)，该极线a与磁体的轴线形成一个极面，主动磁体7的s极磁体的极面7b与被动磁体的s极磁体的极面6b的夹角为相对角，测试前未启动时的相对角为初始相对角a(如图4所示)。

研究可知：随着起始相对角a逐渐增大，转子即被动磁体所得到的转矩也越来越大，当起始相对角a的角度为90°时(如图4所示)，转矩达到最大值，随即开始下降逐渐变小，如图5和表1所示。

表1：被动永磁体力矩随起始相对角变化表

作为一个传动系统，为了保证它能够在一定负载下仍然能运行，就必须保证最小力矩减去负载力矩为正值。而功率p正比于转矩t和角速度ω，p＝t*ω,也就是说，该磁力驱动系统的功率会随着起始相对角的增大而增大，到90°达到最大输出功率。

所以，起始相对角为90°半圆周布置磁力驱动系统的永磁铁阵和转子的布置相对位置。

因此，优选的是，在测试之前，调整主动磁体7，使得所述初始相对角为60°至100°。

影响被动磁体转动的除了初始相对角之外，还有电机的电压和功率。

如表2列出了一个实施例中主动磁体和被动磁体的结构尺寸。

表2装置相关参数

表3列出了电机的电压和主动磁体与被动磁体的转速的对应数据。

表3装置转速数据表

图6a、图6b以及图7a、图7b示出了被动磁体和主动磁体的转速与电机的电压关系图。

实验发现，主动磁体与被动磁体的转速随着电压的升高而增大，当需要调节轴流血泵叶轮的转速时，通过调节电机的电压来调节主动磁体的转速，继而调节所述轴流血泵的转速。

在24v电压下两轮转速可以达到10000r/min以上，足以满足轴流血泵叶轮转速的要求。

另外，从图8a、图8b以及图9a、图9b中可知，采用本测试台中的非接触磁耦合方式，主动磁体与被动磁体的转速一致性好，不论是在顺时针还是逆时针的情况下，，不管是两个磁体顺时针转动还是逆时针转动，相随得都很好，在每幅图中，几乎是重合为一条线，说明两轮的转速可以保持基本一致。

主动磁体和血泵内的被动磁体均为永磁体，磁化以后永久具有磁力，不容易退磁，在没有外部磁场的干扰下，永磁体会具有很强的磁性，并且这种磁性产生的磁场也比较稳定，磁场可以穿过泵壳等非磁性物质进行磁力的传动，非常适合作为轴流血泵磁耦合驱动的组成构件。利用永磁体产生的磁场实现异性相吸、同性相斥，通过磁耦合将磁能转化成机械能的过程。永磁体的主动磁体和被动磁体不需要直接接触就可以完成能量的传递，减少了摩擦损耗，同时具备噪声很小的特点。

采用非接触的磁耦合方式驱动轴流血泵的转子叶轮旋转、轴流血泵泵壳采用透明材料制成、泵内的整个流场不被遮挡都可被观测到，是本试验台的突出的特点。