基于磁导调制的磁力驱动血泵磁路结构优化及多场耦合动力学研究

Implantable ventricular assistance has been rapidly developed in recent years and become a therapeutic option for end-stage heart failure patients in many developed countries. However, infection caused by the percutaneous cable remains a severe clinical complication. Wireless power transfer could be an ideal solution for power supply to implanted mechanical ventricular assistance. Nevertheless, problems with current wireless power transfer technology，such as transfer distance, energy transfer efficiency, and long term reliability in situ, must be solved before it can be used for long-term implantable devices. A new structure model of blood pump with magnetic permeance modulated magnetic coupling is presented to improve the torque density and increase the transfer efficiency. Focusing on the high torque density and high reliability, the mechanism of magnetic permeance modulated, magnetic circuit optimization, and dynamic characteristics of transfer system are researched. The analytical model of magnetic torque is constructed and multi-field coupling dynamics of electromagnetic, temperature and structural fields are analyzed and the dynamic parameters are optimized. This project forms a new method of magnetic circuit design and dynamics analysis of magnetic driven blood pump, which provides scientific guidance to the independent innovation of blood pump technology, and has important application value in the medical field, as well as facilitating interdisciplinary research.

随着人工心脏性能不断提升，其经皮电缆感染问题已成为临床长期植入的瓶颈。无线能量传输是人工心脏理想的能量供给方式，但现有的磁力耦合无接触驱动血泵在传输距离、能量传递效率和长期可靠性等方面还存在诸多问题。本项目提出一种基于磁导调制的磁力驱动血泵结构模型，依靠调磁极片对大气隙磁场调制，以提高转矩密度增加传递效率。围绕血泵高转矩密度、高稳定输出的目标，展开磁导调制机理与磁路结构优化、血泵驱动系统动力学特性等研究。重点研究磁路结构的模型表达，基于调制机理和库伦定律建立磁力耦合传递转矩数学模型；分析多场耦合系统建模方法，建立磁力驱动血泵系统电磁-温度-结构多场耦合动力学模型；研究分步辨识方法，提取系统动态特征参数，分析复杂非线性模型的传递特性。最终形成磁力驱动血泵磁路设计及多场耦合动力学分析方法，为磁力驱动血泵的自主创新提供理论依据和技术支持，促进磁力技术在医疗等领域的应用以及相关学科的交叉发展。

当前人工心脏的能源供给方式主要通过经皮电缆传递能量，因有导线穿过皮肤，容易造成术后感染、人体排异、导线断裂问题。无线能量传输方式没有导线或导管连接，能很好避免上述问题，但体外动力源如何无接触驱动体内泵体旋转，是实现人工心脏无线能量传输的关键。本项目基于磁场无线传能思路，提出一种磁场调制型磁力驱动血泵技术，主要研究内容包括：1）磁力驱动血泵的调磁机理与结构设计；2）磁力驱动血泵传动性能分析；3）血泵磁力驱动系统动力学与动态特性研究；4）磁力驱动血泵实验系统研制与实验研究。本项目从结构机理、性能分析和样机试验三方面对该项技术展开研究，形成了一套较完善的磁路设计及性能分析方法，提高磁转矩密度，增加传递效率，实现血泵无线能量传输。取得的重要研究结果和关键数据有：. 1）提出一种新型磁调式血泵结构，将植入泵体做为调磁装置，仅为简单凸极铁结构无永磁体，永磁体安装在体外驱动转子和固定永磁环上，保证一定速比输出且能稳定传递转矩，以最大传递转矩为优化目标，确定了血泵磁路结构的最优尺寸参数；. 2）针对磁力驱动血泵传动转矩、磁通密度、涡流损耗等传动性能指标，分析血泵的传动性能，得到输入转子平均转矩为4.14N.m，输出转子为0.666N.m，转矩比值接近传动比，血泵内外间隙最大可达到7mm，最佳转速为1200rpm；. 3）研究血泵磁力驱动系统的动力学特性，基于血泵运行机理建立其动力学模型，根据静态转矩和磁通密度分析结果计算得到输入端、固定端及输出调磁端之间的耦合刚度，对驱动系统进行模态分析，得到输入输出端的临界转速远高于磁力驱动血泵能达到的最大转速；. 4）针对磁力驱动血泵的结构特点，设计血泵模拟实验系统，选取水溶液作为测试流体，测量血泵气隙为3mm、7mm的磁感强度，与仿真结果非常接近，验证了所设计结构的可行性，测量血泵在不同间距下的流量和压力，计算得到7mm时输出转矩为61.07N.m与稳态转矩仿真结果66.27N.m基本吻合，满足60N.m设计转矩要求，验证了血泵的驱动性能。