一種雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

嚴(yán)淑君 孫桂華 沙國榮

摘要：為了提高人造心臟泵的工作可靠性，提出了一種用于人工心臟泵的雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)優(yōu)化方法。采用有限元分析法對(duì)雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)電磁特性進(jìn)行了分析，對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使其具備更優(yōu)的電磁性能，對(duì)于今后提高永磁直線電動(dòng)機(jī)電磁特性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雙定子;永磁直線電動(dòng)機(jī);有限元分析;電磁特性

0 引言

近年來，心力衰竭患者的主要治療方法是使用人工心臟，人工心臟依靠人工心臟泵[1]實(shí)現(xiàn)泵血功能。過去人工心臟泵使用較多的是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，但是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要通過傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)來完成泵血任務(wù)，這些機(jī)械傳動(dòng)部件易遭受機(jī)械磨損，造成血細(xì)胞損傷[2]。因此，為了消除旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)帶來的弊端，本文選擇將直線電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于人工心臟泵。目前，應(yīng)用于人工心臟泵的直線電動(dòng)機(jī)通常是單繞組結(jié)構(gòu)，例如文獻(xiàn)[3]中用于人工心臟泵的永磁單繞組直線電動(dòng)機(jī)，可以滿足人類胸部有限的空間需求。為了提高人造心臟泵的工作可靠性，本文提出了一種用于人工心臟泵的雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)優(yōu)化方法[4]，采用有限元分析法來分析和驗(yàn)證雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)的電磁特性，對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)三維圖，它由內(nèi)到外由一個(gè)內(nèi)定子環(huán)、一個(gè)動(dòng)子環(huán)和一個(gè)外定子環(huán)組成，其中A相繞組置于內(nèi)定子中，由兩套線圈反向串聯(lián)而成，B相繞組置于外定子中。動(dòng)子環(huán)由安裝在支撐管上的Halbach陣列磁環(huán)組成，該磁環(huán)由5個(gè)環(huán)形磁體組成，其中3個(gè)為徑向勵(lì)磁，2個(gè)軸向勵(lì)磁。

雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 電磁特性分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文使用有限元分析方法對(duì)雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)的電磁特性進(jìn)行了分析，其反電動(dòng)勢波形圖如圖2所示。

定子齒的開槽結(jié)構(gòu)形狀、磁體的長度和齒的寬度等對(duì)反電動(dòng)勢波形有重要影響，因此需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲得相對(duì)平坦的反電動(dòng)勢波形。

徑向勵(lì)磁的環(huán)形磁鐵的軸向長度與軸向勵(lì)磁的環(huán)形磁鐵的軸向長度比值用參數(shù)k表示，反電動(dòng)勢隨參數(shù)k變化的波形圖如圖3所示，參數(shù)k的最優(yōu)值是2，此時(shí)反電動(dòng)勢波形頂端更平坦。

極靴寬度與槽寬的比例為參數(shù)s，反電動(dòng)勢隨著參數(shù)s變化的波形圖如圖4所示，最優(yōu)的s取值為0.3，此時(shí)反電動(dòng)勢波形頂端更平坦。

直線電動(dòng)機(jī)的定位力是推力波動(dòng)的主要因素，由兩部分組成：一個(gè)是由邊端效應(yīng)引起的邊端力Fend，另一個(gè)是由槽效應(yīng)引起的齒槽力Fslot。定位力大小會(huì)直接影響電動(dòng)機(jī)的使用性能，其計(jì)算分析如下：

式中：Fz為沿運(yùn)動(dòng)方向的力，F(xiàn)x為沿垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力。

內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，但是Fx的大小相同，方向相反，所以x方向的兩個(gè)力相互疊加抵消。

式中：w為定子的圓周長度;Bz為沿運(yùn)動(dòng)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度;Bx為垂直于運(yùn)動(dòng)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

從公式（2）可以看出，F(xiàn)z與B和l有關(guān)。邊端力是定位力的主要因素，改變邊端齒的形狀可以減小定位力的波動(dòng)幅度。邊端齒改變之后的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。邊端齒改變后的定位力和原始定位力對(duì)比如圖6所示，邊端齒改變形狀之后的定位力減小到原始定位力的50%。

3 結(jié)語

本文提出了一種雙定子永磁直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)工作可靠性更高，還具有容錯(cuò)性能。雙定子分別位于動(dòng)子環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)，能實(shí)現(xiàn)熱隔離、物理隔離和電磁隔離。如果一相繞組發(fā)生故障，另一相繞組可以帶故障運(yùn)行。本文使用有限元分析方法計(jì)算仿真了其電磁特性，并通過理論分析和電磁仿真優(yōu)化了電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)具備更優(yōu)的電磁性能，非常適用于要求低速、高推力的人工心臟電動(dòng)血泵領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

[1] GAITAN B D，THUNRERG C A，STANSBURY L G，et al.Development，current status，and anesthetic management of the implanted artificial heart[J].Journal of cardiothoracic and vascular anesthesia，2011，25（6）：1179-1192.

[2] KIM N J，DIAO C G，AHN K H，et al.Parametric study of blade tip clearance，flow rate，and impeller speed on blood damage in rotary blood pump[J].Artifical organs，2009，33（6）：468-474.

[3] 錢坤喜，王顥，茹偉民，等.軸向驅(qū)動(dòng)永磁磁浮離心血泵的試制型裝置[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，26（6）：510-513.

[4] 葉云岳.直線電動(dòng)機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

收稿日期：2020-08-04

作者簡介：嚴(yán)淑君（1986—），女，江蘇南通人，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。