一種雙定子永磁直線電動機的優化設計

嚴淑君 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機優化方法。采用有限元分析法對雙定子永磁直線電動機電磁特性進行了分析，對電動機結構參數進行了優化，使其具備更優的電磁性能，對于今后提高永磁直線電動機電磁特性具有重要意義。

關鍵詞：雙定子;永磁直線電動機;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]實現泵血功能。過去人工心臟泵使用較多的是旋轉電動機，但是旋轉電動機產生的運動形式為旋轉運動，需要通過傳動齒輪機構將旋轉運動改變為直線運動來完成泵血任務，這些機械傳動部件易遭受機械磨損，造成血細胞損傷[2]。因此，為了消除旋轉電動機帶來的弊端，本文選擇將直線電動機應用于人工心臟泵。目前，應用于人工心臟泵的直線電動機通常是單繞組結構，例如文獻[3]中用于人工心臟泵的永磁單繞組直線電動機，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機優化方法[4]，采用有限元分析法來分析和驗證雙定子永磁直線電動機的電磁特性，對電動機結構參數進行優化設計。

1 電動機結構特點

圖1為雙定子永磁直線電動機結構三維圖，它由內到外由一個內定子環、一個動子環和一個外定子環組成，其中A相繞組置于內定子中，由兩套線圈反向串聯而成，B相繞組置于外定子中。動子環由安裝在支撐管上的Halbach陣列磁環組成，該磁環由5個環形磁體組成，其中3個為徑向勵磁，2個軸向勵磁。

雙定子永磁直線電動機的主要結構參數如表1所示。

2 電磁特性分析和結構參數優化

本文使用有限元分析方法對雙定子永磁直線電動機的電磁特性進行了分析，其反電動勢波形圖如圖2所示。

定子齒的開槽結構形狀、磁體的長度和齒的寬度等對反電動勢波形有重要影響，因此需要優化結構參數來獲得相對平坦的反電動勢波形。

徑向勵磁的環形磁鐵的軸向長度與軸向勵磁的環形磁鐵的軸向長度比值用參數k表示，反電動勢隨參數k變化的波形圖如圖3所示，參數k的最優值是2，此時反電動勢波形頂端更平坦。

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

直線電動機的定位力是推力波動的主要因素，由兩部分組成：一個是由邊端效應引起的邊端力Fend，另一個是由槽效應引起的齒槽力Fslot。定位力大小會直接影響電動機的使用性能，其計算分析如下：

式中：Fz為沿運動方向的力，Fx為沿垂直于運動方向的力。

內外定子結構是對稱的，但是Fx的大小相同，方向相反，所以x方向的兩個力相互疊加抵消。

式中：w為定子的圓周長度;Bz為沿運動方向的磁感應強度;Bx為垂直于運動方向的磁感應強度。

從公式（2）可以看出，Fz與B和l有關。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幅度。邊端齒改變之后的電動機結構如圖5所示。邊端齒改變后的定位力和原始定位力對比如圖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 結語

本文提出了一種雙定子永磁直線電動機的優化設計方法，優化后的電動機工作可靠性更高，還具有容錯性能。雙定子分別位于動子環的內外兩側，能實現熱隔離、物理隔離和電磁隔離。如果一相繞組發生故障，另一相繞組可以帶故障運行。本文使用有限元分析方法計算仿真了其電磁特性，并通過理論分析和電磁仿真優化了電動機結構參數，使電動機具備更優的電磁性能，非常適用于要求低速、高推力的人工心臟電動血泵領域。

[參考文獻]

[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.軸向驅動永磁磁浮離心血泵的試制型裝置[J].江蘇大學學報（自然科學版），2005，26（6）：510-513.

[4] 葉云岳.直線電動機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

收稿日期：2020-08-04

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