一种轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵的制作方法

本发明涉及一种生物医学工程领域的轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵。

背景技术：

心脏辅助装置是治疗晚期心衰的有效手段，而轴流血泵作为可长期植入人体的心脏辅助装置具有诸多优势，近年来发展迅速。轴流血泵的唯一运动部件是高速旋转的“叶轮”，而支撑“叶轮”的轴承是关键技术之一。理想的轴流血泵轴承是能在血液中长期连续工作，不被沉淀蛋白所阻塞，没有大量摩擦产热而致局部温度升高，无机械磨损并有良好的血液相容性。滚珠轴承不能用于轴流血泵，因为轴承浸泡在血液中，滚动体的滚动可破坏血细胞，且血液中蛋白沉积可最终导致滚珠堵塞。滑动轴承利用两个互相接触的光滑表面之间的相对运动来实现对叶轮的支撑。两个机械接触面的物理性质，包括硬度，耐磨性，耐腐蚀性，光洁度，润滑条件等均会影响到轴承的工作状况，采用高硬度材料制成的“球-窝”结构式滑动轴承在轴流血泵中虽然获得较好的应用效果，但目前还没有完美的用于血液环境的滑动轴承，仍然不能完全防止机械摩擦和磨损。由此可见，轴流血泵的轴承系统的探索改进具有重要的意义。

采用磁悬浮或“磁-液”联合悬浮支撑叶轮的技术，可完全去除叶轮的机械支撑点，近年来迅速发展。“磁-液”悬浮不需要专门的控制系统，无能量耗损，实施时可不增加心脏辅助装置的体积，这些独特的优点使其得到了较成功的应用，如美国的“heartwarehvad”心脏辅助装置。但是，“磁-液”联合悬浮技术的缺点是需要在叶轮和泵壳内壁之间设置“流体悬浮间隙”，此间隙是产生流体动力悬浮所不可缺少的，由于过大的液悬浮间隙往往导致叶轮悬浮不稳定，所以悬浮间隙不宜太大。狭小的悬浮间隙可使局部剪切力增加，加重血细胞的破坏，还可导致血小板的大量激活，这一缺点限制了提高血泵血液相容性的优化改进。另外，由于悬浮间隙的精度要求极高，所以加工制造成本也难以降低。

采用完全的磁悬浮结构可形成较大的悬浮间隙，降低血液成份的破坏。根据物理学原理，实现旋转叶轮的五自由度全磁悬浮需要至少在一个运动自由度方向上采用反馈电磁控制机构，需要传感器、信号处理和反馈控制电路系统；在轴流血泵，转子的磁悬浮比较困难，实现高效率轴向反馈控制需要在转子的两端设置具有反馈调节性能的电磁轮毂，因此叶轮轮毂和前、后导叶的轮毂端面较大，相对面间可形成“裂隙样”悬浮间隙,此间隙往往成为很难被液流冲刷的“死区”，易于血栓形成。德国的“berlinheartincor”轴流泵是目前已经应用于临床的磁悬浮轴流血泵，其采用的轴向反馈控制磁悬浮结构就有可能降低泵内的血流冲刷。图4为另一个类似于“berlinheartincor”轴流泵结构的发明专利(专利申请公布号cn102151341a)示意图。由图可见，前导叶轮毂及后导叶轮毂与叶轮轮毂之间存在裂隙样悬浮间隙，由于前导叶轮毂中包埋有实现轴向反馈控制磁悬浮的电磁轴承绕组及铁芯，其直径不易缩小，端面较大，使悬浮间隙血流冲刷不良。为保证较强的轴向悬浮刚度，前悬浮间隙和后悬浮间隙必须尽可能小，进一步导致裂隙样结构内的血液无法得到充分冲刷，成为血流极其缓慢的“死区”，增加了血栓形成的几率。

为了避免血泵内血流“死区”的形成，本发明提供一种新型轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵，采用泵壳外定子磁环悬浮技术，不同于现有的磁悬浮轴流血泵，用于磁悬浮支撑的前、后定子径向悬浮磁环和前、后轴向控制绕组均以环状结构设置在轴流泵的泵壳外，使前、后导叶的轮毂及叶轮轮毂相对端呈椎体状，悬浮间隙减小、血流冲刷改善；同时在实现稳定的转子径向悬浮的同时，转子轴向悬浮位置在程序控制下不断变化，使悬浮间隙内血液不断更新流动，泵内结构得到更充分的血流冲刷，防止血栓形成。

技术实现要素：

为了改善植入式心脏辅助装置的性能,本发明提供一种轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵，采用永磁悬浮力限制叶轮的径向位移，反馈调控的电磁力限制叶轮的轴向位置；由轴流泵泵筒，驱动电机定子、驱动电机转子、叶轮、前导叶、后导叶、前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、轴向电磁轴承、位置传感器和轴向反馈控制电路组成。

进一步的改进，驱动电机定子铁芯、驱动电机定子绕组包绕在轴流泵泵筒的壁外，叶轮设置在轴流泵泵筒的腔内，叶轮轮毂中包埋驱动电机转子；驱动电机转子径向充磁，可在驱动电机定子铁芯、驱动电机定子绕组产生的旋转磁场作用下获得转矩带动叶轮旋转；驱动电机转子采用两对磁极的结构，可避免对前、后径向磁悬浮轴承的磁力干扰。

进一步的改进，前径向磁悬浮轴承由前定子径向悬浮磁环和前转子径向悬浮磁体组成，前转子径向悬浮磁体为圆柱状，由永磁材料制成，轴向充磁，包埋在叶轮轮毂中，位于驱动电机转子之前，其轴线与泵筒中轴线同心同轴；前定子径向悬浮磁环为圆环状，由永磁材料制成，长度与前转子径向悬浮磁体相等，轴向充磁，包绕在轴流泵泵筒外，位于电机定子前端与泵筒中轴线同心同轴；前定子径向悬浮磁环位置与前转子径向悬浮磁体对应，且磁极与前转子径向悬浮磁体同向排列；前定子径向悬浮磁环与前转子径向悬浮磁体之间的磁排斥力使叶轮的前端处于径向悬浮状态，形成前径向磁悬浮轴承。

进一步的改进，后径向磁悬浮轴承由后定子径向悬浮磁环和后转子径向悬浮磁体组成，后转子径向悬浮磁体为圆柱状，由永磁材料制成，轴向充磁，包埋在叶轮轮毂中，位于驱动电机转子之后，其轴线与泵筒中轴线同心同轴；后定子径向悬浮磁环为圆环状，由永磁材料制成，长度与后转子径向悬浮磁体相等，轴向充磁，包绕在轴流泵泵筒外，位于电机定子后端与泵筒中轴线同心同轴；后定子径向悬浮磁环位置与后转子径向悬浮磁体对应，且磁极与后转子径向悬浮磁体同向排列；后定子径向悬浮磁环与后转子径向悬浮磁体之间的磁排斥力使叶轮的后端处于径向悬浮状态，形成后径向磁悬浮轴承。

进一步的改进，轴向电磁轴承由前轴向控制磁体、后轴向控制磁体、前轴向控制绕组、后轴向控制绕组、霍尔传感器和轴向反馈控制电路组成；前轴向控制磁体、后轴向控制磁体为圆柱状，由永磁材料制成，轴向充磁，包埋在叶轮轮毂中，位于叶轮轮毂两端，其轴线与泵筒中轴线同心同轴；前轴向控制绕组、后轴向控制绕组为与轴流泵泵筒同心的螺线管，包绕在轴流泵泵筒外，其轴向位置与前、后轴向控制磁体相重叠，电流通过时可对前轴向控制磁体、后轴向控制磁体产生轴向磁作用力。

进一步的改进，前轴向控制磁体、后轴向控制磁体和前轴向控制绕组、后轴向控制绕组的轴向长度可根据需要调整，增加前轴向控制磁体、后轴向控制磁体长度可增大轴向磁力调节梯度；前轴向控制磁体、后轴向控制磁体为圆柱状、圆锥状或圆柱和圆锥组合成的锥台状，当前轴向控制磁体、后轴向控制磁体的顶端是圆锥状时，圆锥体部分包埋在叶轮轮毂两顶端的椎体内。

进一步的改进，在后导流椎内的前端包埋有霍尔传感器，通过感知后轴向控制磁体的磁场强度将叶轮轮毂的轴向位置信号转变为电信号，输出到轴向反馈控制电路。

进一步的改进，霍尔传感器也可以包埋在前导叶轮毂内，也可以在前导流椎、后导流椎内同时包埋霍尔传感器以增强对叶轮轴向位置的定位精度。

进一步的改进，轴向反馈控制电路可根据霍尔传感器传递的电信号确定叶轮的轴向位置，并根据叶轮轴向位置调节向前轴向控制绕组、后轴向控制绕组馈电的强度和方向，通过负反馈控制机制维持叶轮轴向位置的恒定。

进一步的改进，叶轮轮毂的前端面、后端面均为椎体状，前导流椎的前端面和后端面以及后导流椎的前端面和后端面也均为椎体状，叶轮轮毂的前椎体、后椎体顶端分别与前导流椎、后导流椎的椎体顶端相对，两顶端间的间隙形成前悬浮间隙、后悬浮间隙，悬浮间隙减小、血流冲刷改善；

优选的，前导流椎、后导流椎内包埋前导流椎磁体、后导流椎磁体，与叶轮轮毂内的前轴向控制磁体、后轴向控制磁体的顶端之间可产生磁引力，进一步约束叶轮，防止其两端的径向位移；

优选的，通过轴向反馈控制电路可以设定不同的叶轮的轴向悬浮位置点，使叶轮在不同的轴向位置实现悬浮；前悬浮间隙、后悬浮间隙的宽度不断变化使间隙中的血液不断更新、流动，可避免液流缓慢区的形成，在实现稳定的转子径向悬浮的同时，转子轴向悬浮位置在程序控制下不断变化，使悬浮间隙内血液不断更新流动；

优选的，前导流椎、后导流椎及叶轮轮毂的顶端表面涂镀高耐磨高机械强度的薄膜，当叶轮所承受的加速度力超过轴向磁悬浮强度时，前导流椎、后导流椎与叶轮轮毂的顶端的机械接触可防止叶轮的轴向位移。

本发明所提供的具有高性能的高级热作轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵，其具有以下优点：

1.本发明由磁悬浮轴承代替机械轴承支撑叶轮，可减小轴承局部摩擦，防止局部产热和温度升高，延长轴流血泵工作寿命；采用永磁悬浮力限制叶轮的径向位移，采用反馈调控的电磁力限制叶轮的轴向位置；由轴流泵泵筒，驱动电机定子、驱动电机转子、叶轮、前导叶、后导叶、前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、轴向电磁轴承、位置传感器和轴向反馈控制电路组成。组成径向永磁轴承的前定子径向悬浮磁环、后定子径向悬浮磁环和组成轴向电磁轴承的前轴向控制绕组、后轴向控制绕组均以环状结构设置在轴流泵的泵壳外，简化了泵内结构，改善了血流冲刷效应，可更好地防止血栓形成，提高工作稳定性。

附图说明

图1为本发明轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵一个实施例的纵剖面构造图；

图2为本发明轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵悬浮叶轮及悬浮间隙立体示意图；

图3为本发明轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵悬浮叶轮不同轴向悬浮位置及悬浮间隙容积变化示意图；

图4为现有技术磁悬浮人工心脏泵的结构示意图。

图1，图2，图3中：1.泵入口，2.前导流椎，3.前导流椎磁体，4.泵筒，5.前导叶叶片，6.前轴向控制绕组，7.前定子径向悬浮磁环，8.驱动电机定子铁芯，9.驱动电机定子绕组，10.后定子径向悬浮磁环，11.后轴向控制绕组，12.后导叶叶片，13.后导流椎，14.后导流椎磁体，15.泵出口,16.霍尔传感器，17.后悬浮间隙，18.后轴向控制磁体，19.后转子径向悬浮磁体，20.驱动电机转子,21.叶轮叶片,22.前转子径向悬浮磁体,23.前轴向控制磁体,24.前悬浮间隙,25.叶轮轮毂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵做进一步说明。

采用永磁悬浮力限制叶轮的径向位移采用反馈调控的电磁力限制叶轮的轴向位置；由轴流泵泵筒，驱动电机定子、驱动电机转子、叶轮、前导叶、后导叶、前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、轴向电磁轴承、位置传感器和轴向反馈控制电路组成。由图1和图2可见轴向反馈控制磁悬浮轴流血泵的轴流泵由管状的泵筒4和位于其中的前导叶，叶轮，后导叶和包绕在泵筒4外的驱动电机定子及前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、轴向电磁轴承组成。叶轮由叶轮叶片21和叶轮轮毂25组成。叶轮在前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承、轴向电磁轴承的共同控制下实现五自由度全悬浮。前导叶由前导叶叶片5及前导流椎2组成，通过前导叶叶片5与泵筒4内壁连接固定。后导叶由后导叶叶片12和后导流椎13组成并通过后导叶叶片12与泵筒4内壁连接固定。前导流椎2、后导流椎13中包埋有轴向充磁的前导流椎磁体3、后导流椎磁体14，前导流椎磁体3、后导流椎磁体14的顶端与叶轮轮毂25中的轴向充磁的前轴向控制磁体23、后轴向控制磁体18的顶端相对，且以异性磁极对应排列，可通过磁引力限制叶轮轮毂25的前端、后端的径向位移。叶轮轮毂25中除包埋有前轴向控制磁体23、后轴向控制磁体18外，还包埋有前转子径向悬浮磁体22、后转子径向悬浮磁体19，以及驱动电机转子20；驱动电机转子20位置与泵筒4壁外的驱动电机定子位置对应。

泵筒4壁外包绕的驱动电机定子由驱动电机定子铁芯8、驱动电机定子绕组9组成；泵筒4壁外在驱动电机定子的前端、后端还包绕有前轴向控制绕组6，前定子径向悬浮磁环7，后定子径向悬浮磁环10和后轴向控制绕组11，分别与叶轮轮毂25中包埋的前轴向控制磁体23、前转子径向悬浮磁体22、后转子径向悬浮磁体19和后轴向控制磁体18位置对应。前定子径向悬浮磁环7和前转子径向悬浮磁体10均为高性能永磁材料组成且轴向充磁，长度相等并以同极相对排列，通过磁排斥力限制叶轮轮毂25前端的径向位移，形成叶轮的前径向磁悬浮轴承。后定子径向悬浮磁环10和后转子径向悬浮磁体19亦为高性能永磁材料组成，轴向充磁，长度相等且以同极相对排列，通过磁排斥力限制叶轮轮毂25后端的径向位移，形成叶轮的后径向磁悬浮轴承。限制叶轮径向位移的前、后径向磁悬浮轴承除了通过前定子径向悬浮磁环7、后定子径向悬浮磁环10与前转子径向悬浮磁体22、后转子径向悬浮磁体19间的径向磁力排斥外还采用了叶轮轮毂两端的前轴向控制磁体23、后轴向控制磁体18顶端与前导流椎磁体3、后导流椎磁体14顶端间的磁引力进一步限制叶轮径向位移，可提高叶轮径向磁悬浮稳定性。前轴向控制磁体23、后轴向控制磁体18均由高性能永磁材料组成且轴向充磁，当轴向磁场存在时可通过磁力作用使叶轮沿泵筒4的轴线方向前、后移动。前轴向控制绕组6与前轴向控制磁体23位置对应，当前轴向控制绕组6中有电流通过时可在泵筒4内产生轴向磁场，通过与前轴向控制磁体23的磁力作用控制叶轮轮毂25的轴向位置，形成前轴向电磁轴承。后轴向控制绕组11与后轴向控制磁体18位置对应，当后轴向控制绕组11中有电流通过时可通过与后轴向控制磁体18的磁力作用进一步控制叶轮轮毂25的轴向位置，形成后轴向电磁轴承，提高轴向电磁控制的强度。

在后导流椎13内的前端包埋有霍尔传感器16，通过感知后轴向控制磁体18的磁场强度将叶轮轮毂25的轴向位置信号转变为电信号，输出到轴向反馈控制电路(图中未画出)。轴向反馈控制电路根据此信号调节前轴向控制绕组6、后轴向控制绕组11中的电流强度和方向，以保证叶轮处于轴向悬浮状态。通过轴向反馈控制电路还可以设定不同的叶轮的轴向悬浮位置点，以便使叶轮在不同的轴向位置实现悬浮。如图3所示：轴向反馈控制电路在输入程序控制下可定时改变叶轮的轴向悬浮位置点，使前悬浮间隙24、后悬浮间隙17的宽度不断变化。a位置时叶轮轮毂25的轴向悬浮位置向前偏移，b位置时叶轮轮毂25的轴向悬浮位置向后偏移，由于前悬浮间隙24、后悬浮间隙17的宽度不断变化导致悬浮间隙中的容积变化，悬浮间隙宽度增大时血液被吸入间隙，间隙宽度变小时血液被挤出间隙，由此间隙中的血液不断地更新、流动，可避免液流缓慢区的形成，防止血栓形成。

该磁悬浮轴流泵的动力驱动系统由驱动电机定子和驱动电机转子20组成，驱动电机定子包括驱动电机定子铁芯8和驱动电机定子绕组9；驱动电机定子绕组9为三相绕组，当顺序馈电时可产生旋转磁场推动驱动电机转子20旋转，为叶轮提供动力，工作原理与直流永磁无刷电机相同。驱动电机转子20由高性能永磁材料组成，且采用两对磁极，以便使驱动电机转子20与前定子径向悬浮磁环7、后定子径向悬浮磁环10之间的磁作用力以轴线对称，消除由于磁力作用导致的叶轮的径向偏斜力，防止驱动电机转子20对径向永磁悬浮系统的磁力干扰，提高叶轮径向悬浮的稳定性。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。