永磁電機及其控制在人工血泵領域中的發展與應用

孫建國 王洪飛 張偉峰

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

人工血泵能夠在人體內發揮心臟的作用，其動力的直接來源是內置電機。考慮到對人工血泵電機質量的高標準要求，相關技術的應用和發展具有極為重要的價值。人工心臟如果能夠穩定運行，最重要的一個條件是要保證電機的性能。不同人工血泵配置電機的工作原理不盡相同，每種研發制造技術各有其獨特性，并基于這些特點使得人工血泵在運轉中具有不同的表現。采用永磁電機作為人工血泵的動力源的技術已經非常成熟，未來也有廣闊的發展空間，因此得到了醫療及其相關領域的高度認可。

1 人工血泵技術概述

從目前的技術發展來看，人工血泵的工作原理主要包括氣動、液動、電動以及磁液混動4種模式[1]。電動與磁液混動兩種血泵主要采用永磁電機作為動力源進行驅動，其實際的性能和效果優良，是人工血泵技術的主要研發方向。

2 人工血泵選擇永磁電機研發的應用情況

2.1 永磁無刷直流電機

2.1.1 電機穩定性

永磁無刷直流電機的結構中，繞組分布對整個電機的運行穩定性有較大影響。這些繞組形式不滿足正弦規律，而電機永磁體結構會造成電樞磁鏈的轉矩脈動問題。這些問題可以通過采用分數槽繞組法和Halbach永磁陣列等技術措施予以解決。

2.1.2 電機溫升

永磁電機在長時間運轉后會出現升溫情況，而人體內如果血液溫度過高超過43 ℃，則會導致紅細胞功能損失。此時，一是選擇低阻導體或增加繞線面積，二是降低線圈長度，三是調控電機轉速。此外，泵殼材料的導熱性也是需要著重考慮的方面。

2.1.3 機械摩擦造成的溶血問題

正常的電機轉動會產生機械摩擦。動子與轉子之間摩擦嚴重時，會發生血液血栓和溶血等問題。電機轉子關鍵部分選擇鈦合金進行覆蓋，以獲得更好的生物相容性。

2.2 永磁直線電機

2.2.1 雙定子結構

永磁直線電機采用雙定子結構，目的是提升電機的推力體積比。雙定子結構的設計可以將2臺單定子電機進行整合，共用1個動子。它的推力從計算角度可以達到單定子電機的2倍[2]。

2.2.2 磁力絲杠

磁力絲杠是一種新的電機結構設計方式。在該設計中，永磁電機的外圈采用原來的表貼式電機，電機的內圈選擇磁性絲杠。整個磁性絲杠區域形成所需的磁場分布，其內、外圓筒結合產生鑲嵌式螺旋永磁體，使得電機的工作狀態更加穩定。

2.2.3 雙層繞組

雙層繞組結構用于搏動式電磁直驅泵，主要應用了通電螺線管的原理。雙層繞組方式可以有效解決這一問題，使得電機的推力達到設計要求。

2.3 無軸承電機

2.3.1 磁懸浮電機

磁懸浮電機是無軸承電機中比較常見的設計方式。其中，電主動懸浮主要利用通電線圈在磁場中形成的懸浮力，充分可控，但對于電機的元件要求較高，設計、制造難度較大[3]。磁懸浮人工心臟泵的結構和三維模型圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 磁懸浮人工心臟泵的結構圖

圖2 磁懸浮人工心臟泵

2.3.2 液懸浮電機

液懸浮電機是充分利用流動血液形成的對電機中漸縮結構的動壓，使得血泵可以處于被動懸浮工作狀態，促使電機中的轉子或側壁線圈共同作用形成穩定的驅動力。液懸浮血泵得以實現的最關鍵之處是懸浮機構和電機螺旋葉片。這兩個環節的設計要求非常高，而電機的其他環節沒有更多特別的要求。

2.3.3 磁液混合懸浮電機

磁液混合懸浮電機將磁懸浮和液懸浮兩種設計整合在一起，利用二者的工作原理和優勢形成共同促進的設計效果。液力與磁力共同作用在電機葉輪上，使得葉輪能夠有效實現穩定懸浮，進而保證電機的工作可靠性。

3 永磁電機在人工血泵中的對控制算法等內容的設計和實現

所謂應用設計，實際上是對控制算法等內容的設計和實現。針對目前永磁電機在人工血泵中的應用設計，主要包括以下幾種。

3.1 永磁電機PID控制

對于永磁電機的應用設計而言，比例-積分-導數控制器（Proportion、Integral、Differential，PID）算法是一種最基本的控制算法[4]。它根據技術指標不斷調節PID參數以達到最優控制效果，在實際應用中較成熟，穩定性好，已廣泛應用于人工心臟泵的控制。PID控制的通用性和有效性毋庸置疑，但是在尋找最優PID參數時往往需要大量的調試，較為煩瑣。因此，部分專家學者已著手研究參數自整定算法，以便PID算法獲得進一步的應用。

3.2 神經網絡PID控制

神經網絡是一種具有自學習功能的智能算法，主要用于非線性、時變系統的控制。神經網絡PID控制就是將神經網絡算法和傳統PID控制結合起來，以被控量之目標值與反饋值的差值作為輸入。

3.3 模糊PID控制

算法的優化對整個設計具有巨大的優化和促進作用，是推動技術發展的一個最基本途徑。模糊PID控制是一種模糊化的非線性智能控制算法，不需要對受控對象進行精確的數學建模，是根據人類經驗數據進行系統設計。

3.4 自適應魯棒控制

非線性自適應控制可克服系統的不確定性，但對外界干擾較為敏感[5]。魯棒控制在抑制干擾和補償未建模動態時具有良好的性能。二者結合，可形成優勢互補。

3.5 無位置傳感器控制

無位置傳感器控制通過采集電機繞組的電壓和電流并進行一系列推導，估算出轉子的位置信息。當電機轉速較低時，感應反電勢幅值小，難以檢測。因此，需要采取必要的措施進行轉子定位，導致起動過程精度較低。

4 結語

人工心臟是心腦血管疾病最重要的一個治療技術選擇。經過長期的實踐探索，相關技術的研發投入以及產品性能得到了充分完善和發展，為國家建設和人們健康做出了應有貢獻。