离心式血泵径向混合磁轴承支承性能与控制研究.docx

离心式血泵径向混合磁轴承支承性能与控制研究

1.引言

1.1研究背景及意义

离心式血泵作为一种人工心脏辅助装置，对于心脏功能衰竭患者的治疗具有至关重要的作用。随着心脏疾病发病率的上升，对离心式血泵的需求也日益增加。而血泵的性能直接关系到患者的生命安全，因此，提高离心式血泵的性能成为当前研究的重要课题。

在离心式血泵中，支承结构对其性能有着显著影响。传统的滚动轴承和滑动轴承存在磨损、噪音大、使用寿命短等问题。相比之下，径向混合磁轴承具有无接触、无需润滑、噪音低等优点，能显著提高血泵的性能和寿命。因此，研究离心式血泵径向混合磁轴承的支承性能与控制具有重要的理论意义和实际价值。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外学者在离心式血泵和磁轴承领域取得了许多研究成果。国外研究主要集中在磁悬浮血泵的设计、控制策略及性能优化等方面。国内研究则主要关注磁轴承的静态和动态性能分析，以及血泵的流场分析和优化设计。

然而，针对离心式血泵径向混合磁轴承支承性能与控制的研究尚不充分，尤其在控制策略和性能分析方面。因此，本研究将对此进行深入探讨，以期为我国离心式血泵的研究和发展提供理论支持。

1.3研究内容及方法

本研究主要内容包括：分析径向混合磁轴承的结构与原理，建立数学模型；对离心式血泵径向混合磁轴承的支承性能进行仿真分析；设计控制系统，实现血泵的稳定运行；通过实验验证所提出控制策略的有效性。

研究方法主要包括：理论分析、数学建模、仿真分析和实验验证。通过这些方法，旨在揭示离心式血泵径向混合磁轴承的支承性能与控制规律，为提高血泵性能提供依据。

2.离心式血泵概述

2.1离心式血泵的结构与工作原理

离心式血泵是心脏辅助装置的一种，其主要作用是在心脏功能不全时，帮助心脏将血液泵送到全身。其结构主要由叶轮、电机、进出口血管接口及控制系统组成。

叶轮是血泵的核心部分，通常采用生物相容性材料制造，以减少对血液成分的影响。工作原理基于电机驱动叶轮旋转，产生离心力，从而将血液从进口抽入并通过出口泵出。离心式血泵的设计要求能够提供足够流量和压力，同时尽量减少对血液的破坏。

血泵的进出口血管接口用于连接患者的血管，保证血液流动的顺畅。控制系统则负责调节血泵的工作状态，确保其安全有效地运行。

2.2离心式血泵的性能特点

离心式血泵具有以下性能特点：

流量稳定：由于其工作原理，离心式血泵能够提供相对稳定的流量，有利于维持循环系统的稳定。

压力适中：与容积式血泵相比，离心式血泵产生的压力较低，降低了对血液的破坏。

低剪切力：设计良好的离心式血泵可以减少对血液的剪切力，减少血细胞损伤。

生物相容性：血泵材料的选择注重生物相容性，减少血栓形成的风险。

可控性：现代离心式血泵通常配备有精确的控制系统，可以实时调节血泵的工作状态，以适应患者的生理需求变化。

这些特点使得离心式血泵在心脏辅助治疗中具有重要应用价值。然而，其性能的优化与控制仍需进一步研究，特别是在磁轴承支承性能和控制系统设计方面。

3.径向混合磁轴承支承性能分析

3.1径向混合磁轴承的结构与原理

径向混合磁轴承是一种新型的磁悬浮轴承，它结合了电磁轴承和永磁轴承的优点，具有结构简单、控制灵活、支承稳定等特点。其主要由内环、外环、永磁体、电磁铁和控制器组成。内环与转子相连，外环与定子相连。永磁体提供磁悬浮力，电磁铁用于调整磁悬浮力的大小和方向。

工作原理基于磁力线在磁性材料中的闭合回路。当转子偏离平衡位置时，控制器根据位移传感器信号，调节电磁铁中的电流，产生相应的磁悬浮力，使转子恢复到平衡位置。这种动态平衡保证了转子的稳定悬浮和低摩擦旋转。

3.2径向混合磁轴承的数学模型

建立径向混合磁轴承的数学模型是分析其支承性能的基础。模型主要包括磁路模型和动力学模型。

磁路模型描述了磁通量在轴承中的分布，计算磁悬浮力的大小。它基于麦克斯韦方程组和磁路理论，考虑了电磁铁和永磁体的磁势、磁阻以及气隙长度等因素。

动力学模型则描述了转子在磁悬浮力作用下的运动状态。通过牛顿第二定律和拉格朗日方程，可以建立转子的运动方程，包括质量、阻尼和刚度等参数。

3.3径向混合磁轴承的支承性能分析

通过对数学模型的分析，可以评估径向混合磁轴承的支承性能。主要分析以下几方面：

静态性能：包括承载力、磁悬浮力与电流的关系、偏置力矩等。这些性能指标直接影响轴承的稳定性和负载能力。

动态性能：主要分析轴承的响应速度、阻尼比、自然频率等参数。这些参数决定了轴承对转子动态偏移的抑制能力。

稳定性分析：通过对系统线性化状态方程的的特征值分析，判断系统的稳定性。

控制性能：分析在不同控制策略下，轴承对转子位置和速度的跟踪能力。

综合这些分析，可以评价径向混合磁轴承在离心式血泵应用中的适用性和优越性，为进一步控制系统设计提供理论基础。

4.离心式血泵