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CN113809850A - 一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子及用途 - Google Patents

一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子及用途 Download PDF

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CN113809850A
CN113809850A CN202111060762.7A CN202111060762A CN113809850A CN 113809850 A CN113809850 A CN 113809850A CN 202111060762 A CN202111060762 A CN 202111060762A CN 113809850 A CN113809850 A CN 113809850A
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CN
China
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permanent magnet
rotor
bearingless
small
motor
Prior art date
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CN202111060762.7A
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曲洪一
刘鑫
王聪
刘建华
王秋良
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Jiangxi Rare Earth Research Institute Chinese Academy Of Sciences
Original Assignee
Jiangxi Rare Earth Research Institute Chinese Academy Of Sciences
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Publication date
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Abstract

本发明提供了一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子及用途，所述的无轴承永磁电机转子包括中心转子，所述中心转子周向设置有海尔贝克阵列分布的小永磁体，所述的中心转子与小永磁体独立分布，所述小永磁体的磁化角度为60°。在本发明中，无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制。

Description

一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子及用途
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，涉及转子结构设计，尤其涉及一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子及用途。
背景技术
心力衰竭是当今世界共同面临的一个难题，除了心脏移植，心衰目前还没有通过药物根治的办法，由于心脏病的高发病率和供体心脏的不足，人工心脏成了众多患者延长生存期最后的希望和最有效的途径。第三代人工心脏大多采用无轴承永磁电机驱动，其性能直接影响人工心脏泵的悬浮性能。无轴承永磁电机除了不需要润滑、无摩擦磨损、体积小、能耗低外，还表明其溶血和凝血的概率极低。更重要的是，无轴承永磁电机的系统具有高可靠性和耐用性。因此，受到研究者的广泛喜爱。
CN101707405B公开了一种复合结构永磁电机的海尔贝克阵列(Halbach阵列)外转子，它涉及复合结构永磁同步电机外转子，它解决了复合结构电机磁耦合问题和可灵活选择电机极数问题。它的转子铁心为圆筒形铁心，外层和内层Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，外层和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体分别沿圆周方向均匀排列在转子铁心的外部和内部，外层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的内表面和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的外表面分别与转子铁心的外表面和内表面固定连接。无论极数是否相同，都会使得转子铁心内磁通极少，便可实现独立控制，整个混合动力系统更协调的运行，复合在一起的每个电机也可根据实际需要的功率等级与基速来灵活选择自身磁极数。
CN210041475U公开了一种Halbach阵列电机转子，包括转子铁芯、Halbach阵列磁钢、固定装置，所述固定装置用于将Halbach阵列磁钢固定在转子铁芯上；所述固定装置由非导磁材料组成，其形状与转子铁芯的形状相匹配；所述Halbach阵列磁钢由多个磁钢按照Halbach阵列排列而成，所述多个磁钢与固定装置通过间隙配合的方式连接；该实用新型通过固定装置的设置，将Halbach阵列磁钢通过机械固定的方式固定在转子铁芯上，代替了结构胶固定的方式，避免布朗运动的影响，从而提高了磁钢安装的可靠性。
CN208539676U公开了一种永磁电机转子和永磁电机，包括转子铁芯，所述永磁电机转子包括与所述转子铁芯的铁芯端面同心设置的限位端环以及部分粘附在所述限位端环的径向内环周壁上的动平衡泥，所述限位端环与所述铁芯端面之间形成卡扣连接。该实用新型的永磁电机转子通过设置限位端环，能够径向限位粘附在永磁电机转子上的动平衡泥，保证动平衡泥在永磁电机转子的高速旋转过程中不会飞脱，从而保证电机的稳定性和可靠性。此外，通过在限位端环与铁芯端面之间形成卡扣连接，能够保证限位端环的装配稳定性。
近年来，瑞士、日本、美国等国在无轴承永磁电机的研究领域取得了巨大的成就。其中，瑞士联邦理工学院
Figure BDA0003256428630000021
博士开发的采用无轴承永磁电机的人工心脏泵已广泛应用于临床。目前市场上最流行的第三代人工心脏泵HeartMateIII也是由无轴承永磁电机驱动的。虽然无轴承永磁电机在磁悬浮人工心脏领域发挥着不可或缺的作用，但人工心脏泵的永磁转子在工作时会受到很大的离心力，一般磁性材料都比较脆弱。这导致了简单地增加永磁体的厚度以增加气隙磁密度具有一定局限性。因此，如何利用相同材料、相同厚度的永磁体产生更大的气隙磁密度，从而产生更大的悬浮力和电磁转矩是无轴承永磁电机设计的关键技术之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子，在本发明中，无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制，验证了本发明的优越性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子，所述的无轴承永磁电机转子包括中心转子，所述中心转子周向设置有海尔贝克阵列分布的小永磁体，所述的中心转子与小永磁体独立分布，所述小永磁体的磁化角度为60°。
需要说明的是，在本发明中海尔贝克阵列(Hallbach)具体指工程上理想结构的近似，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。
本发明特别限定了小永磁体的磁化角度为60°，是因为该磁化角度下的无轴承永磁电机其综合性能是最佳的，具体而言：理论上，永磁的磁化角越小，电机性能越好，但实际上，磁化角度越小意味着小永磁体越多，会导致成本高，而且永磁尺寸太小也会导致强度低，因此综合考虑电机性能和成本，磁化角度为60°是最合适的。若小永磁体的磁化角度超过限定值60°，会导致电机的转矩性能和悬浮性能会受到影响，这是由于磁化角度偏大的话，电机气隙磁密会更小，而且永磁体用料增多，材料利用率降低。若小永磁体的磁化角度低于限定值60°，会导致电机成本上升，这是由于磁化角度偏小的话，小永磁体数量会更多，体积也会更小，从而增加成本，降低结构强度，另外，这种方式下的转子制造工艺的难度也会增加。
在本发明中，无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制，验证了本发明的优越性。
作为本发明一种优选的技术方案，所述小永磁体紧贴于中心转子的外周。
需要说明的是，本发明对小永磁体与中心转子的紧贴方式不作具体要求和特殊限定，小永磁体与中心转子的紧贴在本发明中的作用是为构成无轴承的永磁电机转子的必要条件，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的紧贴方式均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对小永磁体与中心转子的紧贴方式进行适应性调整。
作为本发明一种优选的技术方案，所述中心转子的材质为导磁性材料。
优选地，所述中心转子的材质为硅钢片。
作为本发明一种优选的技术方案，所述小永磁体的材质为永磁材料。
优选地，所述小永磁体的材质为钕铁硼。
优选地，所述小永磁体的材质为稀土钕铁硼。
本发明特别限定了小永磁体的材质为稀土钕铁硼，是因为稀土钕铁硼具有极高的磁能积、矫顽力和能量密度，采用相同材料和厚度的稀土钕铁硼永磁体可以产生更大的气隙磁密，从而产生更大的悬浮力和电磁转矩，这是评价人工心脏泵性能好坏的关键指标。若小永磁体的材质为其他导磁材料(例如铁氧体、钐钴、铝镍钴)，达不到本发明小永磁体的增大气隙磁密、提升永磁体利用率、降低成本效果，从而导致电机体积偏大、永磁材料用料较多、成本高、电机性能不好，这是由于相同材料和厚度的材料，稀土钕铁硼的电磁性能最好，意味着采用更少的材料即可达到相同的效果。
作为本发明一种优选的技术方案，所述小永磁体的数量为至少两个。
优选地，所述的小永磁体的数量为10～14个。
本发明特别限定了小永磁体的数量为10～14个，是因为该数量下的小永磁体充磁方向在60度左右，此时电机的综合性能是处于最佳性能范围的。若小永磁体的数量超过限定值14个，会导致电机成本上升，这是由于磁化角度偏小的话，小永磁体数量会更多，体积也会更小，从而增加成本，降低结构强度，另外，这种方式下的转子制造工艺的难度也会增加若小永磁体的数量低于限定值10个，会导致机的转矩性能和悬浮性能会受到影响，这是由于磁化角度偏大的话，电机气隙磁密会更小，而且永磁体用料增多，材料利用率降低。示例性地，本发明中的小永磁体数量为12个，可以兼顾人工心脏泵用无轴承永磁薄片电机电磁性能和成本，达到综合性能最优的效果。
第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，所述的处理方法包括：对所述的小永磁体进行磁化，再固定于中心转子外周。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的处理方法还包括：
对磁化后的小永磁体进行定型，并参数化扫描无轴承永磁电机转子的半径和偏心距，得到小永磁体电磁性能最优时的半径和偏心距，确定偏心参数。
需要说明的是，在本发明中所述转子结构的设计过程、参数化扫描过程以及有限元电磁性能对比分析过程均采用ANSYS/Maxwell软件完成。
作为本发明一种优选的技术方案，所述小永磁体电磁性能的指标包括磁场分布、感应电动势、齿槽转矩和径向悬浮力。
作为本发明一种优选的技术方案，所述小永磁体为中间厚外周薄的结构。
第三方面，本发明提供了一种第一方面所述的无轴承永磁电机转子的用途，所述无轴承永磁电机转子用于人工心脏泵领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在本发明中，无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制，验证了本发明的优越性。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的人工心脏泵用的无轴承电机转子结构示意图；
图2为本发明无轴承电机转子在边缘处理时参数化扫描的结果图；
图3为表贴式永磁转子结构的磁通线分布示意图；
图4为常规Halbach阵列永磁转子结构的磁通线分布示意图；
图5为本发明无轴承电机转子结构的磁通线分布示意图；
图6为包括本发明转子在内的三种永磁转子的感应电动势对比结果图；
图7为包括本发明转子在内的三种永磁转子的齿槽转矩对比结果图；
图8为包括本发明转子在内的三种永磁转子的径向悬浮力对比结果图；
其中，1-中心转子；2-小永磁体。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子，如图1所示，所述的无轴承永磁电机转子包括中心转子1，中心转子1周向设置有海尔贝克阵列分布的小永磁体2，中心转子1与小永磁体2独立分布，进一步地，小永磁体2的磁化角度为60°。
本发明特别限定了小永磁体2的磁化角度为60°，是因为该磁化角度下的无轴承永磁电机其综合性能是最佳的，具体而言：理论上，永磁的磁化角越小，电机性能越好，但实际上，磁化角度越小意味着小永磁体2越多，会导致成本高，而且永磁尺寸太小也会导致强度低，因此综合考虑电机性能和成本，磁化角度为60°是最合适的。若小永磁体2的磁化角度超过限定值60°，会导致电机的转矩性能和悬浮性能会受到影响，这是由于磁化角度偏大的话，电机气隙磁密会更小，而且永磁体用料增多，材料利用率降低。若小永磁体2的磁化角度低于限定值60°，会导致电机成本上升，这是由于磁化角度偏小的话，小永磁体2数量会更多，体积也会更小，从而增加成本，降低结构强度，另外，这种方式下的转子制造工艺的难度也会增加。
需要说明的是，在本发明中海尔贝克阵列(Hallbach)具体指工程上理想结构的近似，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。
在本发明中，无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制，验证了本发明的优越性。
小永磁体2紧贴于中心转子1的外周。需要说明的是，本发明对小永磁体2与中心转子1的紧贴方式不作具体要求和特殊限定，小永磁体2与中心转子1的紧贴在本发明中的作用是为构成无轴承的永磁电机转子的必要条件，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的紧贴方式均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对小永磁体2与中心转子1的紧贴方式进行适应性调整。
中心转子1的材质为导磁性材料，进一步地，中心转子1的材质为硅钢片。
小永磁体2的材质为永磁材料，进一步地，小永磁体2的材质为钕铁硼，更进一步地，小永磁体2的材质为稀土钕铁硼。
本发明特别限定了小永磁体2的材质为稀土钕铁硼，是因为稀土钕铁硼具有极高的磁能积、矫顽力和能量密度，采用相同材料和厚度的稀土钕铁硼永磁体可以产生更大的气隙磁密，从而产生更大的悬浮力和电磁转矩，这是评价人工心脏泵性能好坏的关键指标。若小永磁体2的材质为其他导磁材料(例如铁氧体、钐钴、铝镍钴)，达不到本发明小永磁体2的增大气隙磁密、提升永磁体利用率、降低成本效果，从而导致电机体积偏大、永磁材料用料较多、成本高、电机性能不好，这是由于相同材料和厚度的材料，稀土钕铁硼的电磁性能最好，意味着采用更少的材料即可达到相同的效果。
小永磁体2的数量为至少两个，进一步地，小永磁体2的数量为10～14个。本发明特别限定了小永磁体2的数量为10～14个，是因为该数量下的小永磁体2充磁方向在60度左右，此时电机的综合性能是处于最佳性能范围的。若小永磁体2的数量超过限定值14个，会导致电机成本上升，这是由于磁化角度偏小的话，小永磁体2数量会更多，体积也会更小，从而增加成本，降低结构强度，另外，这种方式下的转子制造工艺的难度也会增加若小永磁体2的数量低于限定值10个，会导致机的转矩性能和悬浮性能会受到影响，这是由于磁化角度偏大的话，电机气隙磁密会更小，而且永磁体用料增多，材料利用率降低。示例性地，本发明中的小永磁体2数量为12个，可以兼顾人工心脏泵用无轴承永磁薄片电机电磁性能和成本，达到综合性能最优的效果。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，所述的处理方法包括：对小永磁体2进行磁化，再固定于中心转子1外周，还包括：对磁化后的小永磁体2进行定型，并参数化扫描无轴承永磁电机转子的半径和偏心距，如图2所示，得到小永磁体2电磁性能最优时的半径和偏心距5.5mm，确定偏心参数，因为当偏心距为5.5mm时，气隙磁通密度曲线最接近正弦曲线，且峰值最小，证明均匀性较好，当电机采用这种结构的转子时，更容易控制和稳定运行。
需要说明的是，在本发明中所述转子结构的设计过程、参数化扫描过程以及有限元电磁性能对比分析过程均采用ANSYS/Maxwell软件完成，进一步地，小永磁体2电磁性能的指标包括磁场分布、感应电动势、齿槽转矩和径向悬浮力，小永磁体2为中间厚外周薄的结构。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种所述的无轴承永磁电机转子的用途，所述无轴承永磁电机转子用于人工心脏泵领域。
从图3、图4和图5中的对比分析可以看出，表贴式永磁转子结构外部的磁通线明显比Halbach阵列永磁转子结构的更稀疏，而Halbach阵列永磁转子结构可以形成单边磁场，转子外侧磁场增强，内侧磁场减弱，这种情况对电机是有利的。对比两种Halbach阵列永磁转子结构的结果可以发现，本发明无轴承永磁电机转子结构内侧的磁通线比传统Halbach阵列永磁转子结构更靠近永磁体，也就是说它的磁路较短，这表明本发明无轴承永磁电机转子结构可以大大减小转子轭的厚度，为减小电机体积和节省铁磁材料提供了条件。
从图6中的对比分析可以看出，表贴式永磁转子结构的感应电动势波形接近于方波。传统Halbach阵列结构的感应电动势波形虽然接近正弦，但曲线明显凸出，不平滑。而本发明无轴承永磁电机转子结构的感应电动势曲线最接近正弦，对电机的控制最有利。
从图7中的对比分析可以看出，表贴式永磁转子结构的齿槽转矩波形非常陡峭，齿槽转矩峰值较大，会引起电机转矩波动，产生振动和噪声，进而引起转速波动。本发明无轴承永磁电机转子结构的齿槽转矩波形最平滑，峰值最小，可以减弱齿槽转矩的形成。
从图8中的对比分析可以看出，当绕组A相电流增加时，三个永磁转子结构的径向悬浮力均线性增加。Halbach阵列永磁转子结构的悬浮力比传统表贴式永磁转子结构的悬浮力显着增加；对比两种Halbach阵列永磁转子结构可以发现，在通过相同悬浮绕组电流的情况下，本发明无轴承永磁电机转子结构具有更大的径向悬浮力，因此，本发明无轴承永磁电机转子可以在较小电流或较少永磁材料的情况下获得同等径向悬浮力，可以简化电机的控制方式，节约能源，降低成本。
综上所述，通过对三种磁体结构进行磁场分布、感应电动势、齿槽转矩和径向悬浮力四个性能指标的对比分析，得出本发明的无轴承永磁电机转子结构显著提高了无轴承永磁电机的径向悬浮力和电磁转矩，在获得相同径向悬浮力的情况下消耗更小的悬浮力绕组电流，从而达到节省永磁材料，降低能耗的目的，并且更易于实现电机控制。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种人工心脏泵用的无轴承永磁电机转子，其特征在于，所述的无轴承永磁电机转子包括中心转子，所述中心转子周向设置有海尔贝克阵列分布的小永磁体，所述的中心转子与小永磁体独立分布，所述小永磁体的磁化角度为60°。
2.根据权利要求1所述的无轴承永磁电机转子，其特征在于，所述小永磁体紧贴于中心转子的外周。
3.根据权利要求1或2所述的无轴承永磁电机转子，其特征在于，所述中心转子的材质为导磁性材料；
优选地，所述中心转子的材质为硅钢片。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无轴承永磁电机转子，其特征在于，所述小永磁体的材质为永磁材料；
优选地，所述小永磁体的材质为钕铁硼；
优选地，所述小永磁体的材质为稀土钕铁硼。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无轴承永磁电机转子，其特征在于，所述小永磁体的数量为至少两个；
优选地，所述的小永磁体的数量为10～14个。
6.一种权利要求1-5任一项所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，其特征在于，所述的处理方法包括：对所述的小永磁体进行磁化，再固定于中心转子外周。
7.根据权利要求6所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，其特征在于，所述的处理方法还包括：
对磁化后的小永磁体进行定型，并参数化扫描无轴承永磁电机转子的半径和偏心距，得到小永磁体电磁性能最优时的半径和偏心距，确定偏心参数。
8.根据权利要求6或7所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，其特征在于，所述小永磁体电磁性能的指标包括磁场分布、感应电动势、齿槽转矩和径向悬浮力。
9.根据权利要求6-8任一项所述的无轴承永磁电机转子的处理方法，其特征在于，所述小永磁体为中间厚外周薄的结构。
10.一种根据权利要求1-5任一项所述的无轴承永磁电机转子的用途，其特征在于，所述无轴承永磁电机转子用于人工心脏泵领域。
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