基于有限元分析的瓣膜泵用永磁无刷直流电机的设计优化

• 作 者: 吴雯珏
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 瓣膜泵 无刷直流电机 优化设计 有限元方法 人工心脏

瓣膜泵是一种新型左心室辅助装置，具有人工心脏瓣膜与人工心脏泵的双重功能，既能保持血液单向流动，又能完成泵血功能，不需要额外的解剖空间，可作为重症心衰竭患者的治疗手段或者心脏移植手术前的过渡桥梁。瓣膜泵的研究正向着体积小、重量轻、可植入性强、高血液相容性的方向发展。永磁无刷直流电机由于具有高效率、体积小、结构简单、启动转矩大、过载转矩大、功率密度高、控制性能稳定等特点，常常作为瓣膜泵的驱动。　　
本课题基于瓣膜泵电机的要求，提出了永磁无刷电机的设计方案，并应用有限元方法进行电机的性能分析优化设计，最后制作样机进行了性能实验。具体内容包括:(1)在分析永磁无刷直流电机的工作原理和无轴承原理、无位置传感器控制技术的基础上，应用经典理论设计方法，根据电机性能要求设计了一种小型无轴承永磁无刷直流电机;(2)采用现代场路结合分析的设计方法，结合ANSOFT有限元分析软件，通过对经典设计理论设计出的电机进行电机磁场、电气特性等进行优化仿真设计，重点分析了齿槽结构对电机齿槽转矩等电机性能的影响。通过不断地优化仿真电机的电磁性能，最终确定最优的电机参数，实现了电机的优化;(3)根据优化参数，加工制造出所需求的瓣膜泵血泵样机，并应用自制的血液循环模拟实验台，进行瓣膜泵的水力性能实验，验证电机的可行性。　　
数值结果表明，采用有限元优化设计方法确定的电机参数和经典理论方法确定的电机参数相近。本文设计的6/4分数槽绕组电机与课题组先前设计的12/4整数槽电机相比，电机性能明显改善，齿槽转矩脉动降为原先电机的10％。应用人工血液循环模拟实验台的水力实验和电机性能测试实验表明，采用6/4分数槽绕组电机用铜量相应降低20％，效率提高13％，在相同转速下平均压差（扬程）增大了12.87％。实验验证了本文提出的设计方案的可行性。