心脏泵中轴向单自由度混合磁轴承实现转子五自由度悬浮关键技术研究

磁悬浮心脏泵是非药物治疗心衰的主要途径，具有广泛的应用前景。目前限制磁悬浮心脏泵应用的瓶颈是必须同时解决体积小、重量轻、功耗低的难题，关键技术问题是磁悬浮结构设计要解决在狭小空间内多磁场耦合下设计出高承载力可控磁轴承，并且最大限度降低系统功耗。本项目提出轴向单自由度混合磁轴承实现转子五自由度悬浮结构，将主动控制自由度减为最低，简化了磁悬浮结构，降低心脏泵功耗；利用轴向混合磁轴承的径向分力实现转子径向被动悬浮，省去径向轴承，充分利用了心脏泵空间；利用永磁偏置力代替电磁轴承中的静态偏置力，缩小磁轴承的体积；采用差动控制、零功率控制和模糊PID控制相结合的控制策略，在保证悬浮精度基础上最大限度降低了系统功耗。本项目的研究将解决磁悬浮心脏泵中体积与承载力之间的矛盾，为植入式心脏泵微型化、轻型化、低功耗开辟道路，为心脏泵中混合磁轴承的应用研究奠定理论和实验基础。

磁悬浮人工心脏泵采用磁悬浮轴承代替传统机械轴承，降低了对血液的破坏作用，是当前国际上心脏泵研究领域的热点和趋势。如何简化五自由度磁悬浮系统结构，降低系统功耗，提高可靠性，是磁悬浮心脏泵研究的关键与难点。减少主动控制的自由度数目可以省去相应的硬件，降低系统功耗，实现磁悬浮轴承的低功耗和微型化。单自由度主动控制磁悬浮系统将主动控制自由度降到最低，最大限度降低了功耗和简化系统结构。.本项目针对单自由度混合磁轴承实现五自由度悬浮系统，通过建立磁路模型，求解轴向磁轴承的轴向和径向承载力的解析表达，利用磁场有限元分析，对轴向磁轴承气隙磁场的空间分布和磁感应强度各个分量进行分析，并搭建实验平台对磁悬浮系统进行试验，从理论、仿真与实验多方面，对轴向混合磁轴承的五自由度承载力与悬浮特性进行研究。.主要成果包括：.（1）建立了轴向磁轴承的磁路模型，通过磁路磁导计算及虚位移法，得到轴向和径向承载力的解析表达式，径向力和轴向力均为电流、轴向气隙和径向位移的三元函数。借助有限元仿真软件，轴向磁轴承气隙磁感应强度与磁场空间分布，验证了磁路模型的正确性，得到了气隙磁场分布与承载力变化之间的规律。.(2)研究了轴向磁轴承的轴向和径向支撑特性，总结了轴向与径向承载力随电流、轴向气隙、径向位移、永磁体尺寸与性能等参数的变化规律。当存在径向位移时，轴向力与轴向气隙偏离平方反比关系；轴向力随径向位移增大而减小，近似成线性关系；径向力随轴向气隙增大而减小，随径向位移的增大而先增大，达到最大值，然后下降，最大值的位置与磁极厚度相近；径向刚度随径向位移的增大而减小。.（3）提出一种具有环状磁极的轴向磁轴承结构，分析了环状磁极对磁路磁导及总磁通的影响；气隙磁感应强度轴向分量与径向分量的分布情况表明，对比传统磁轴承结构，环状磁极结构增强了气隙磁通的边缘效应，边缘磁通所占比例增加，轴向磁通比例减小。实验结果表明，环状磁极使轴向磁轴承在保证轴向悬浮的前提下，有效增强了径向力与刚度，解决了轴向磁轴承径向力较小的问题。.本项目从磁路理论、有限元仿真与实验多角度，对轴向单自由度混合磁轴承多自由度支撑特性进行研究，弥补了以往对轴向磁轴承径向悬浮特性研究的不足，为心脏泵磁悬浮系统的研究奠定了理论基础，为心脏泵的设计与优化提供了理论与实验的支持，切合了磁悬浮心脏泵的发展趋势，为磁悬浮心脏泵微型化、轻型化、低功耗开辟了道路。