永磁电机及其控制在人工血泵领域中的发展与应用

孙建国 王洪飞 张伟峰

（包头长安永磁电机有限公司，包头 014030）

人工血泵能够在人体内发挥心脏的作用，其动力的直接来源是内置电机。考虑到对人工血泵电机质量的高标准要求，相关技术的应用和发展具有极为重要的价值。人工心脏如果能够稳定运行，最重要的一个条件是要保证电机的性能。不同人工血泵配置电机的工作原理不尽相同，每种研发制造技术各有其独特性，并基于这些特点使得人工血泵在运转中具有不同的表现。采用永磁电机作为人工血泵的动力源的技术已经非常成熟，未来也有广阔的发展空间，因此得到了医疗及其相关领域的高度认可。

1 人工血泵技术概述

从目前的技术发展来看，人工血泵的工作原理主要包括气动、液动、电动以及磁液混动4种模式[1]。电动与磁液混动两种血泵主要采用永磁电机作为动力源进行驱动，其实际的性能和效果优良，是人工血泵技术的主要研发方向。

2 人工血泵选择永磁电机研发的应用情况

2.1 永磁无刷直流电机

2.1.1 电机稳定性

永磁无刷直流电机的结构中，绕组分布对整个电机的运行稳定性有较大影响。这些绕组形式不满足正弦规律，而电机永磁体结构会造成电枢磁链的转矩脉动问题。这些问题可以通过采用分数槽绕组法和Halbach永磁阵列等技术措施予以解决。

2.1.2 电机温升

永磁电机在长时间运转后会出现升温情况，而人体内如果血液温度过高超过43 ℃，则会导致红细胞功能损失。此时，一是选择低阻导体或增加绕线面积，二是降低线圈长度，三是调控电机转速。此外，泵壳材料的导热性也是需要着重考虑的方面。

2.1.3 机械摩擦造成的溶血问题

正常的电机转动会产生机械摩擦。动子与转子之间摩擦严重时，会发生血液血栓和溶血等问题。电机转子关键部分选择钛合金进行覆盖，以获得更好的生物相容性。

2.2 永磁直线电机

2.2.1 双定子结构

永磁直线电机采用双定子结构，目的是提升电机的推力体积比。双定子结构的设计可以将2台单定子电机进行整合，共用1个动子。它的推力从计算角度可以达到单定子电机的2倍[2]。

2.2.2 磁力丝杠

磁力丝杠是一种新的电机结构设计方式。在该设计中，永磁电机的外圈采用原来的表贴式电机，电机的内圈选择磁性丝杠。整个磁性丝杠区域形成所需的磁场分布，其内、外圆筒结合产生镶嵌式螺旋永磁体，使得电机的工作状态更加稳定。

2.2.3 双层绕组

双层绕组结构用于搏动式电磁直驱泵，主要应用了通电螺线管的原理。双层绕组方式可以有效解决这一问题，使得电机的推力达到设计要求。

2.3 无轴承电机

2.3.1 磁悬浮电机

磁悬浮电机是无轴承电机中比较常见的设计方式。其中，电主动悬浮主要利用通电线圈在磁场中形成的悬浮力，充分可控，但对于电机的元件要求较高，设计、制造难度较大[3]。磁悬浮人工心脏泵的结构和三维模型图，分别如图1和图2所示。

图1 磁悬浮人工心脏泵的结构图

图2 磁悬浮人工心脏泵

2.3.2 液悬浮电机

液悬浮电机是充分利用流动血液形成的对电机中渐缩结构的动压，使得血泵可以处于被动悬浮工作状态，促使电机中的转子或侧壁线圈共同作用形成稳定的驱动力。液悬浮血泵得以实现的最关键之处是悬浮机构和电机螺旋叶片。这两个环节的设计要求非常高，而电机的其他环节没有更多特别的要求。

2.3.3 磁液混合悬浮电机

磁液混合悬浮电机将磁悬浮和液悬浮两种设计整合在一起，利用二者的工作原理和优势形成共同促进的设计效果。液力与磁力共同作用在电机叶轮上，使得叶轮能够有效实现稳定悬浮，进而保证电机的工作可靠性。

3 永磁电机在人工血泵中的对控制算法等内容的设计和实现

所谓应用设计，实际上是对控制算法等内容的设计和实现。针对目前永磁电机在人工血泵中的应用设计，主要包括以下几种。

3.1 永磁电机PID控制

对于永磁电机的应用设计而言，比例-积分-导数控制器（Proportion、Integral、Differential，PID）算法是一种最基本的控制算法[4]。它根据技术指标不断调节PID参数以达到最优控制效果，在实际应用中较成熟，稳定性好，已广泛应用于人工心脏泵的控制。PID控制的通用性和有效性毋庸置疑，但是在寻找最优PID参数时往往需要大量的调试，较为烦琐。因此，部分专家学者已着手研究参数自整定算法，以便PID算法获得进一步的应用。

3.2 神经网络PID控制

神经网络是一种具有自学习功能的智能算法，主要用于非线性、时变系统的控制。神经网络PID控制就是将神经网络算法和传统PID控制结合起来，以被控量之目标值与反馈值的差值作为输入。

3.3 模糊PID控制

算法的优化对整个设计具有巨大的优化和促进作用，是推动技术发展的一个最基本途径。模糊PID控制是一种模糊化的非线性智能控制算法，不需要对受控对象进行精确的数学建模，是根据人类经验数据进行系统设计。

3.4 自适应鲁棒控制

非线性自适应控制可克服系统的不确定性，但对外界干扰较为敏感[5]。鲁棒控制在抑制干扰和补偿未建模动态时具有良好的性能。二者结合，可形成优势互补。

3.5 无位置传感器控制

无位置传感器控制通过采集电机绕组的电压和电流并进行一系列推导，估算出转子的位置信息。当电机转速较低时，感应反电势幅值小，难以检测。因此，需要采取必要的措施进行转子定位，导致起动过程精度较低。

4 结语

人工心脏是心脑血管疾病最重要的一个治疗技术选择。经过长期的实践探索，相关技术的研发投入以及产品性能得到了充分完善和发展，为国家建设和人们健康做出了应有贡献。