一種雙通道直線振蕩電機的設(shè)計

嚴淑君 孫桂華

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學，江蘇 南京 210023；2.南瑞集團有限公司，國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 前言

心力衰竭患者由于自然心臟的短缺，很少有人有機會移植自然心臟。因此，代替天然心臟，人工心臟成為心力衰竭患者的主要治療方法[1]。然而，常規(guī)的電動血泵采用旋轉(zhuǎn)電機和傳動齒輪機構(gòu)，易遭受機械磨損和血細胞的損傷[2]。為了避免旋轉(zhuǎn)電機帶來的弊端，本文選用直線振蕩電機來應(yīng)用于人工心臟泵。目前，直線振蕩電機通常是單繞組的，單繞組可以滿足人類胸部有限空間的需求[3]，例如用于人工心臟泵的永磁單繞組直線電機[4]。然而，人造心臟泵保證人的生命，因此，其可靠性非常重要，而單繞組電機可靠性不是很高。

為了提高可靠性，本文提出了一種具有雙通道的直線振蕩電機[5]。它具有高可靠性、高容錯性能、高功率密度的優(yōu)點。在正常情況下，該電機在雙通道下工作。如果一個通道發(fā)生故障，該電機仍然可以很好使用另一個通道帶故障工作。

本文將采用有限元分析法來分析和驗證所提出的雙通道直線振蕩電機的電磁特性。

1 雙通道直線振蕩電機結(jié)構(gòu)特點

圖1(a)、(b)分別為雙通道直線振蕩電機結(jié)構(gòu)的二維剖面圖和三維圖。它從內(nèi)到外由一個內(nèi)定子環(huán)，一個動子環(huán)和一個外定子環(huán)組成。2個定子都由2個E形定子鐵芯組成。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，也是由2套線圈反向串聯(lián)而成。動子由安裝在支撐管上的Halbach陣列磁環(huán)組成。該磁環(huán)由5個環(huán)形磁體組成，其中3個徑向勵磁，2個軸向勵磁，如圖1所示。內(nèi)定子環(huán)和外定子環(huán)在結(jié)構(gòu)上幾乎是對稱的，具有相同的軸向長度和齒寬。主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

該電機具有諸多優(yōu)點：

(1)與旋轉(zhuǎn)電機不同，直線電機驅(qū)動可以避免機械磨損，因為直線電機驅(qū)動中沒有傳動裝置。所以，它可以延長人工心臟的使用壽命，而人工心臟的使用壽命對于人的生命安全來說也是至關(guān)重要的。

(2)通過2個獨立通道設(shè)計，本文提出的電機具有很高的容錯性能，從而提高了可靠性。

(3)充分利用了動子內(nèi)部的空間，從而可以提高推力密度并縮短軸向長度。所以，電機的結(jié)構(gòu)很適合人類胸腔狹小的空間限制。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 電磁特性分析

本文使用有限元分析方法對電機的電磁特性進行分析。由于該電機沿Z軸在空間上對稱，所以在Ansoft Maxwell 中建立二維模型來仿真。

動子結(jié)構(gòu)中，可以將磁體環(huán)安裝在非磁性或鐵磁性支撐管上。圖2(a)展示了將磁體安裝在鐵磁性支撐管上的通量密度，而圖2(b)展示了不安裝在鐵磁性支撐管上的通量密度。2個結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)相同。從圖中可以看出，圖(a)的磁通密度比圖(b)的磁通密度高。換句話說，將永磁體安裝在鐵磁支撐管上的結(jié)構(gòu)磁路更容易飽和。圖2(a)中的鐵心在磁體厚度1.9mm處過飽和，而過飽和對設(shè)計而言是不合理的，所以需要將永磁體用量減小，來減弱磁通密度。將磁鐵的厚度減小到0.6mm左右，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，磁路飽和程度合適，設(shè)計合理。但是，由于磁體的厚度只有0.6mm，太薄，當磁體移動時電機可靠性會降低，因為組件可能發(fā)生磨損，導(dǎo)致不能保證電機運行時的可靠性。另外，鐵磁支撐管的重量也很大，這給人的胸部帶來負擔。基于以上2點，因此，沒有鐵磁支撐管的結(jié)構(gòu)更適合于人工心臟泵。所以，本文設(shè)計的電機，動子磁環(huán)的支撐管選用非鐵磁材料的塑料管。

圖2 磁通密度

圖3(a)和圖3(b)分別示出了僅由永磁體勵磁和僅由電樞電流勵磁的磁場分布。沒有鐵磁支撐的動子是由5個環(huán)形磁鐵組成的Halbach陣列。從圖3(a)和圖3(b)可以看出，內(nèi)定子和外定子在勵磁上是平行的，相互獨立，互不干擾。這樣的設(shè)計給電機帶來了2個優(yōu)勢：(1)2個定子分別設(shè)置在動子的內(nèi)部和外部，因此它們在物理上彼此獨立。如果內(nèi)定子中繞組發(fā)生故障，則外定子中繞組不會受到故障繞組溫度升高的影響，可以正常工作。(2)內(nèi)定子勵磁和外定子磁路平行，互不干擾，形成了磁隔離，從而使內(nèi)部通道與外部通道分別獨立工作，而不會相互干擾。總之，本文提出的雙通道具有很高的容錯能力，因為2套繞組幾乎在磁、熱和物理上隔離。2個通道的設(shè)計大大提高了電機的可靠性。

圖4和圖5分別展示了磁鏈圖和反電勢圖。以內(nèi)定子為例，E型鐵心的定子結(jié)構(gòu)有2個C型槽，一個槽中放置1套繞組，繞組成扁平狀置于槽中。2套繞組分別置于2個C型槽中。這2套繞組反向串聯(lián)構(gòu)成A相。同樣的，外定子2個C型槽中的2套繞組反向串聯(lián)構(gòu)成B相。

圖3 永磁磁場分布圖

圖6展示了該電機的雙通道電磁推力(在0.5A直流電流下)和單通道的電磁推力(在1A直流電流下)。可以看出，這2個波形是一致的，因此，該電機具有很高的容錯性能。一旦一個通道發(fā)生故障，只有一個通道可以正常工作，最大值是70N，滿足對于人工心臟泵用電機對于推力的設(shè)計要求。

圖4 磁鏈圖

圖5 反電勢波形

圖6 雙通道和單通道推力對比圖

3 結(jié)語

本文提出了一種雙通道的直線振蕩電機。該電機具有高功率密度、高推力密度，高可靠性，并且具有容錯性能。雙通道能實現(xiàn)熱隔離、物理隔離和電磁隔離，相對獨立地工作，如果一相繞組發(fā)生故障，另一相繞組可以帶故障運行。使用有限元分析方法計算仿真其電磁特性得到驗證。所以，本文提出的電機是非常適用于要求低速、高推力的人工心臟泵。