發(fā)布時間：2017-09-17 18:29

  本文關(guān)鍵詞：大氣隙永磁軸流式血泵磁力傳動系統(tǒng)研究

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【摘要】：摘要：血泵做為心衰患者的輔助裝置,最主要功能是實現(xiàn)自然心臟的泵血功能；因此對磁力傳動系統(tǒng)進(jìn)行研究,是人工心臟走向臨床的首要問題。 磁力傳動系統(tǒng)主從間隙增大便于對血泵葉輪優(yōu)化設(shè)計,降低溶血,減小泵對血液的破壞,但是同時也會使血泵整體體積增大,已應(yīng)用于臨床的血泵,由于體積大無法植入兒童體內(nèi),僅有兩款針對兒童設(shè)計,研制出微型化、智能化、運(yùn)行穩(wěn)定、耐久是人工心臟的發(fā)展趨勢。驅(qū)動能力是驅(qū)動結(jié)構(gòu)微型化的首要滿足條件,能量效率、溫升、速度調(diào)節(jié)的快速性和平穩(wěn)性直接影響血泵的長久植入和穩(wěn)定運(yùn)行,在這些方面目前缺乏深入研究。 本文針對植入式血泵主從磁極氣隙大(5mm)的情況,以實現(xiàn)血泵的小型化、高功效、低溫升,快速而平穩(wěn)啟動為研究目標(biāo)；通過對系統(tǒng)電磁驅(qū)動性能,能量損耗以及溫度場和速度控制方法等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究,設(shè)計了血泵小型化、低溫升的磁力傳動系統(tǒng),為血泵磁力傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。 論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論：(1)設(shè)計血泵大氣隙磁力傳動系統(tǒng)。以驅(qū)動力矩作為系統(tǒng)性能的首要目標(biāo),建立了血泵軸負(fù)載力矩數(shù)學(xué)模型,得到了血泵軸負(fù)載力矩值與轉(zhuǎn)速關(guān)系；設(shè)計了血泵磁力傳動系統(tǒng)十種不同結(jié)構(gòu)方案,利用ANSYS軟件數(shù)值計算了不同方案的驅(qū)動力矩,根據(jù)仿真分析結(jié)果并結(jié)合實際加工制造,確定了三齒槽定子結(jié)構(gòu)；分析了定子外徑、氣隙長度和永磁體厚度對驅(qū)動力矩、電感和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響,確定優(yōu)選后的定子外徑為28mm。 (2)建立血泵能量損耗計算模型。建立血泵磁力傳動系統(tǒng)定子鐵芯、永磁體、繞組、水回路和軸承能量損耗的數(shù)學(xué)模型；利用ANSOFT仿真研究了三齒槽定子的鐵芯損耗和永磁體損耗,在9000rpm時鐵損和永磁體損耗分別為0.291w和2.4wm；建立了系統(tǒng)的能量傳遞效率模型,實驗表明,驅(qū)動定子和血泵的平均傳遞效率為46.85%和10.88%。 (3)血泵全域溫度場研究。建立了血泵流固耦合溫度場求解理論模型,確定了溫度場仿真求解熱性能參數(shù),研究表明：轉(zhuǎn)速為8600rpm時的最高溫升為6.976℃,出現(xiàn)在定子繞組區(qū)域,外殼最高溫升為4.024℃；通過對定子相繞組、轉(zhuǎn)速和外殼間氣隙導(dǎo)熱系數(shù)與全域溫升進(jìn)行分析,當(dāng)相繞組值為3Ω時,外殼最高溫升2.264℃,轉(zhuǎn)速為8000rpm時,外殼最高溫升為2.707℃,溫升較低。 (4)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與速度控制策略研究。設(shè)計了控制系統(tǒng)驅(qū)動、控制、逆變和反饋硬件電路；提出了基于血泵機(jī)械-電磁-流體力學(xué)性能的加速啟動策略,得到了血泵速度控制曲線,加速到9000rpm為3.9s；針對穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài),提出了恒功率低能耗電流控制策略。
【關(guān)鍵詞】：大氣隙 軸流式血泵 磁力傳動 能量損耗 流固耦合 速度控制
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-25
• 1.1 課題來源及意義12-13
• 1.1.1 課題來源12
• 1.1.2 研究意義12-13
• 1.2 血泵的發(fā)展13-15
• 1.2.1 血泵的發(fā)展歷程13-14
• 1.2.2 血泵的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 軸流式血泵永磁磁力驅(qū)動技術(shù)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4 永磁磁力驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀17-21
• 1.4.1 永磁電機(jī)設(shè)計及理論研究17-18
• 1.4.2 能量損耗研究18-19
• 1.4.3 溫升研究19-20
• 1.4.4 血泵驅(qū)動系統(tǒng)電磁特性研究20-21
• 1.5 血泵測控技術(shù)研究現(xiàn)狀21-22
• 1.6 本文的研究內(nèi)容22-25
• 1.6.1 主要研究工作22-23
• 1.6.2 研究技術(shù)路線23-25
• 2 血泵磁力傳動系統(tǒng)設(shè)計25-37
• 2.1 基于永磁無刷直流電機(jī)微型軸流式血泵驅(qū)動原理25-26
• 2.2 血泵軸負(fù)載力矩26-28
• 2.3 軸流式血泵定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計28-32
• 2.3.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)28-29
• 2.3.2 定子結(jié)構(gòu)29-32
• 2.3.2.1 磁路計算29-30
• 2.3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計30-31
• 2.3.2.3 結(jié)構(gòu)方案31-32
• 2.4 電磁驅(qū)動力矩數(shù)值計算及分析32-36
• 2.4.1 電機(jī)電磁場分析基本原理32
• 2.4.2 磁力矩二維仿真分析32-34
• 2.4.3 數(shù)值計算結(jié)果及分析34-36
• 2.4.3.1 二維電磁場仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化及處理34
• 2.4.3.2 結(jié)果對比及分析34-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 3 系統(tǒng)電磁性能研究37-53
• 3.1 結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)關(guān)系37-42
• 3.1.1 主要電磁參數(shù)的選擇37-38
• 3.1.2 定子外徑對電磁性能影響38-39
• 3.1.3 氣隙長度對電磁性能影響39-40
• 3.1.4 永磁體高度對電磁性能影響40-41
• 3.1.5 電流對驅(qū)動性能影響41-42
• 3.2 系統(tǒng)能量損耗42-50
• 3.2.1 血泵磁力傳動系統(tǒng)能量分析42
• 3.2.2 能量損耗數(shù)值計算42-47
• 3.2.2.1 定子鐵芯損耗42-44
• 3.2.2.2 永磁體渦流損耗44
• 3.2.2.3 銅損耗44-45
• 3.2.2.4 血泵泵水回路損失45-46
• 3.2.2.5 軸承損耗46-47
• 3.2.3 三齒槽定子能量損耗仿真研究47-50
• 3.2.3.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)置47-48
• 3.2.3.2 仿真結(jié)果及分析48-50
• 3.3 血泵能量效率傳遞模型50-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 4 基于耦合場的血泵全域溫升的數(shù)值計算53-69
• 4.1 流固耦合理論計算模型53-56
• 4.1.1 血泵流場求解數(shù)學(xué)模型53-54
• 4.1.2 溫度場求解數(shù)學(xué)模型54-55
• 4.1.3 血泵流固耦合模型的求解方法55-56
• 4.2 血泵溫升熱性能參數(shù)的確定56-61
• 4.2.1 內(nèi)熱源的計算56-57
• 4.2.2 定子槽等效熱模型的建立57-59
• 4.2.3 氣隙處理及散熱系數(shù)59-60
• 4.2.4 材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容計算60-61
• 4.3 血泵流固耦合溫度場數(shù)值計算61-64
• 4.3.1 三維仿真模型的建立61
• 4.3.2 仿真參數(shù)設(shè)置61-62
• 4.3.3 流固耦合溫度場仿真結(jié)果分析62-64
• 4.4 相關(guān)因素敏感性分析64-67
• 4.4.1 相繞組對血泵溫度場的影響64-66
• 4.4.2 不同轉(zhuǎn)速下血泵溫度場分布66-67
• 4.4.3 氣隙導(dǎo)熱系數(shù)對外殼溫度分布影響67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 5 軸流式血泵控制系統(tǒng)研究69-83
• 5.1 血泵控制系統(tǒng)組成69
• 5.2 血泵控制系統(tǒng)硬件設(shè)計69-72
• 5.2.1 電源模塊69-70
• 5.2.2 供電電路70
• 5.2.3 控制電路70
• 5.2.4 驅(qū)動電路70-71
• 5.2.5 逆變電路71-72
• 5.2.6 反饋電路72
• 5.3 軸流式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計72-81
• 5.3.1 血泵啟動過程控制策略73-79
• 5.3.1.1 血泵啟動過程機(jī)械-流體動力學(xué)模型73-75
• 5.3.1.2 流體動力學(xué)模型求解75-76
• 5.3.1.3 調(diào)速控制參數(shù)76-79
• 5.3.2 穩(wěn)速運(yùn)行控制策略79-81
• 5.3.2.1 機(jī)械特性調(diào)速79-80
• 5.3.2.2 恒功率電流控制80-81
• 5.4 本章小結(jié)81-83
• 6 實驗研究83-95
• 6.1 血泵閉環(huán)控制實驗系統(tǒng)83-84
• 6.1.1 實驗系統(tǒng)功能83
• 6.1.2 實驗系統(tǒng)硬件組態(tài)83-84
• 6.2 實驗過程及實驗結(jié)果分析84-94
• 6.2.1 不同定子結(jié)構(gòu)驅(qū)動性能實驗84-88
• 6.2.2 系統(tǒng)能量傳遞效率實驗88-91
• 6.2.3 驅(qū)動定子溫升測定實驗91-92
• 6.2.4 速度控制實驗92-94
• 6.3 本章小結(jié)94-95
• 7 結(jié)論與展望95-99
• 7.1 主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)95-97
• 7.2 研究工作展望97-99
• 參考文獻(xiàn)99-106
• 攻讀碩士學(xué)位期間主要研究和成果106-107
• 致謝107

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 李偉力;袁世鵬;霍菲陽;張奕黃;;基于流體傳熱理論永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場計算[J];電機(jī)與控制學(xué)報;2011年09期

2 許焰;譚建平;劉云龍;劉恒拓;祝忠彥;;大間隙磁力傳動系統(tǒng)驅(qū)動力矩的計算方法[J];湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年07期

3 韓元杰;楊明;;搏動型血泵驅(qū)動系統(tǒng)的探討[J];中國醫(yī)療器械雜志;2009年01期

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本文編號：871020