0 前言

心脏疾病已经成为了导致死亡的主要原因，由于自然心脏数量有限，所以很少有人可以得到自然心脏的移植来挽救生命。近年来，人们发明了人工心脏，主要模拟完成自然心脏的泵血功能，可以延续千千万万人的生命。所以，移植人工心脏成为治疗心脏衰竭患者的主要方法。[1]传统的血泵例如日本的Terumo DuraHeart，美国Levitronix Cenri-Mag等，采用旋转电机和转换机构，然而旋转电机驱动时有很多弊端，不符合人体生理特征，例如叶轮旋转速度很高，容易造成血细胞的损伤，从而造成溶血现象。[2-4]

近年来，有人提出将直线永磁电机应用于人工心脏泵，[5]并且这种电机必须满足人工心脏泵使用寿命的要求和符合人体生理特征。由于直线电机驱动可以直接产生直线运动，而不像旋转电机一样需要传动装置将旋转运动转化为直线运动，所以采用直线电机可以减少机械机构部件的数量，这样既可以有效减少人工心脏泵的重量，又可以提高系统的使用寿命，提高运行的可靠性；与此同时，直线电机能避免溶血问题。[6]目前已有的应用于人工心脏泵的直线电机主要是单相的，[7]但是单相电机可靠性不高，容错性能较差，万一出现问题，会直接威胁患者的生命。为了解决以上这些问题，笔者提出了一种新型的永磁直线电机来应用于人工心脏泵，设计的出发点在于提高可靠性，选用了两相电机，并且引入了容错的概念。然而，由于直线电机边端开断了，与旋转电机不同的是，它的定位力较大，这将降低电机的功率密度。

最近，双定子永磁电机和定子永磁型电机被提出。[8-9]在此基础上，本文提出1种新型圆筒型双定子永磁直线电机，应用到人工心脏泵。它具有高可靠性、高功率密度，并且符合人体生理特征，满足人体胸腔空间体积限制的要求。1种减小定位力的方法也将被提出来，以最大限度地减少该电机的定位力，从而提高电机的功率密度。本文将使用有限元分析方法来进行计算分析并仿真验证。

1 新型圆筒型双定子永磁直线电机结构特点

  

图1 电机结构图

图1 (a)、(b)分别为圆筒型双定子永磁直线电机结构的二维剖面图和三维图。由内到外依次为内定子环、动子环和外定子环。2个定子均是由U型的铁芯构成。定子环上的2个U型铁芯中间均夹有永磁体，构成内外2个永磁体环，且2个永磁体环励磁方向相同。绕组采用集中绕组，呈圆饼状至于U型槽中。1个定子槽中的2套绕组反向串联构成一相，构成A、B两相电机。由于内外2个永磁体环励磁方向均为轴向，所以，内外2个磁路相互独立，实现了磁路解耦。A、B两相绕组，物理上热隔离，磁路上解耦，相互独立，可采用独立的H桥控制，构成两相电机。内、外2个定子环中的动子环结构简单，仅由铁芯构成，无绕组无永磁体。内外定子环均采用凸极结构，并且动子内侧和外侧凸极齿之间的齿距都相同，因为1个齿距的距离对应1个电周期。但是动子内侧面和外侧面成不对称结构，整体上错开1/4齿距的距离与磁通切换电机原理相同，动子移动1个动子齿距的距离，即电机变换了360°电角度，那么相应的，动子内、外侧面错开1/4动子齿距的距离，即电机内部和外部相差90°电角度，从而保证了A、B两相相差90°电角度，构成两相电机。这样设计的目的在于使得较大的内部定位力和外部定位力形成互补，从而叠加抵消，最小化电机整体定位力。以为定位力变化频率为反电势的2倍，由于反电势内、外两相相差90°电角度，所以，内、外部定位力将相差180°电角度，从而互补并可以相互抵消。

图2描述了电机的运行原理，当动子齿正对着定子齿的时候，永磁磁链达到最大值；而当动子齿不对着定子齿的时候，永磁磁链达到最小值。一相绕组中匝链的磁链变化规律为：0—正向最大位置—0—负向最大位置—0；另外一相绕组中匝链的磁链变化规律为：负向最大位置—0—正向最大位置—0—负向最大位置。

在下文中对参数ksp标注1：ksp1表示内定子的情况；标注2：ksp2表示外定子的情况。其他参数亦如此，标注1表示内定子中对应的参数，标注2表示外定子中对应的参数，下文中将不再做特殊声明。

（1）无旋转电机需要的中间转换机构，从而可提高电机运行的可靠性；

（2）直线电机的低速运动符合人体生理特征要求；

（3）动子中空部分被充分利用，放置1个内定子，可有效缩短电机轴向长度，从而缩小电机体积提高功率密度，同时符合胸腔空间体积狭小的特征；

根据学生的操作过程，评价如下：要素1，能执行探究方案中规定的大部分步骤，动作不够规范，如不会稀释溶液，量取根的长度误差较大等，故给1分；要素2，能准确地描述实验现象，记录实验数据，故给2分；要素3，未重复收集数据，故给1分；要素4，处理数据时删除了个别出入较大的数据，故给1分。得分5分（总分10分）。

“在党和政府的关怀下，近年来尼姑寺开始有了变化。“现在，我们已经衣食无忧了。只管好好修习，并全力为信众和社会做些事情了。”陈莲曲珠说，“这二十几年来，不管是农村或者是寺院，变化都太大了。现在，大家都不用为衣食住行发愁了，这在以前，简直让人难以置信。”

  

图2 电机运行原理

2 电磁特性分析

本文使用有限元分析方法对电机的电磁特性进行分析。由于该电机沿Z轴在空间上对称，所以在AnsoftMaxwell中建立二维模型来仿真。

（4）由于内、外定位力的互补关系，可实现最小化定位力，从而提高运行的平稳性，并提高推力密度。

新能源电站集控中心统一综合防误系统//滕井玉,金岩磊,王言国,张军华,葛立青,吴俊//(11):157

(3)通过三种不同形式综合异常指数的计算，认为当异常元素较多，组合特征不明显时，综合异常Z2既不会遗漏异常元素，圈定异常面积适中，又有利于查证工作等突出优点，建议采用此种形式异常圈定；当异常元素较少且组合特征明显，综合异常Z3更有针对性，此时采用Z3形式圈定异常较为合适。

  

图3 永磁磁场分布图

由于定位力会带来电机推力的波动，影响推力的性能，同时会引起噪声，所以抑制定位力具有很重要的现实意义。定位力的大小与电机的结构参数有很直接的关系，在这里通过优化电机结构参数，从而使得动子内侧和外侧形成的定位力互补，从而相互抵消，可最小化定位力。主要的影响参数有定子槽宽w_sl、定子齿宽w_st、定子轭部高度hy、永磁体宽度w_pm、动子齿宽w_m、动子极距w_tp，图6展示了各个参数在电机结构中的标注示意图。

  

图4电感图

后来我给刘建打个电话，感谢他，并约好见个面，给他提成。后来又有十来个熟手来了景花厂，都是刘建鼓动来的。

图3为只有永磁体励磁时候的磁场分布图。从图中可以看出，电机动子环内侧和外侧的2个磁路解耦，呈并联的形式，互不干扰，相互独立。内定子中永磁体轴向励磁，产生的磁力线经过永磁体—定子—气隙—动子—气隙—内定子—内定子中永磁体，形成一个完整的回路。外定子中回路亦然，所以2个回路分别位于动子内侧和外侧，相互独立，互不干扰。

  

图5 空载反电势波形图

3 定位力最小化设计

此外，图4展示了自感和互感，从图中可以看出，互感几乎为0，也证实了内定子磁路回路和外定子磁路回路解耦，相互独立，互不干扰。

本次设计混凝土搅拌机，目的是为了发展国内机械施工领域，用机械化代替人力工作，提高工作效率和生产效率。通过对混凝土搅拌机的总体结构、搅拌装置、传动装置设计。使设计的立轴式混凝土搅拌机具有搅拌均匀，质量好，其独特的结构设计，使出料上料时间大幅度缩短，生产效率大幅度提高由于该搅拌机搅拌周期比较大，其相对功耗仍然还是比较低，叶片与搅拌轴成四十五度安装角安装。

图5 展示了两相反电势波形图。从图中可以看出两相相差电角度90°，并且两相反电势波形都是不对称的，幅值是相同的。

同时，这些结构参数之间又存在一些相互制约，现定义如下：定子动子极槽匹配参数ksp=定子槽距w_sp/动子齿距w_st；定子槽宽参数kck=定子槽宽定子齿宽w_sl/w_st；永磁体宽度参数kpm=永磁体宽度w_pm/定子齿宽w_st；动子齿宽参数km=动子齿宽度w_m/定子齿宽w_st。

2月5日，南宁市与苏州同捷汽车科技发展有限公司签署项目投资协议，双方将合力打造南宁市新能源汽车生产基地，总投资60亿元的新能源汽车整车及电池包动力系统项目落户南宁。根据协议，同捷科技与南宁市共同投资建设新能源汽车整车及电池包动力系统项目，年产15万辆新能源汽车和5 GW·h电池包动力系统，配套建设汽车科研中心、试验检测中心，建成后企业具备产品正向开发能力，项目全部投产后预计年产值超200亿元。

  

图6 电机尺寸标注图

  

图7 内、外部定位力分别随各自参数ksp1、ksp2变化的波形图

首先，对参数ksp(定子槽距w_sp/定子齿宽w_st)进行参数化分析。从仿真经验来看，该参数对电机定位力波形走势的影响最大，它将决定电机内部定位力或者外部定位力的变化频率。实际上，该参数反映的是定子槽距和动子极距的匹配关系，该参数的改变将会对磁路的影响最大，该参数有一定的变化范围，以能满足磁通切换原理为目标，在能提供正确的磁通路径的前提下，进行合适的调整，即合理调整极槽匹配关系。当然，极槽匹配有所改变，不仅影响了定位力的幅值大小和曲线走势，还将影响反电势的幅值大小和曲线正弦度，如果一味地只为减小定位力，而将反电势做出了严重的牺牲，那这个优化工作也是不合理的，是不可采取的，因此对参数的优化将在考虑定位力变化情况的同时兼顾考虑反电势的变化情况。

该电机具有诸多优点：

将参数ksp参数化分析的范围选择为0.8～1.0，图7展示了ksp1和ksp2分别在0.8～1.0变化范围内，内部定位力和外部定位力分别随各自参数ksp1、ksp2变化的波形图。

图8展示了ksp1和ksp2分别在0.8～1.0变化范围内,内部A相绕组产生的反电势和外部B相绕组产生的反电势分别随各自参数ksp1、ksp2变化的波图。从图中可以看出，当参数ksp1=0.9,ksp2=0.9时反电势波形最正弦化，最优。

  

图8 内、外部反电势分别随各自参数ksp1、ksp2变化的波形图

在确定了参数ksp以后，将分析参数kck对定位力的影响。该参数体现的是定子槽宽和定子齿宽的比例关系。定子槽宽的大小，会影响磁路的变化快慢，从而影响反电势的大小，同时也会对定位力的幅值和波动形式产生一定的影响。将参数kck的变化范围选择为1.1～1.7，图9展示了内部定位力和外部定位力分别随各自参数kck1、kck2变化的波形图。由图中可以看出，在参数ksp值确定了以后，随着参数kck变化，定位力的波形基本上没有大的变动。

  

图9 内、外部定位力分别随各自参数kck1、kck2变化的波形图

图10 对比了参数 kck在1.1～1.7范围内变化的电机特性。内部A相反电势和外部B相反电势曲线变化不大，只是曲线正弦度有点变化，同时，当参数kck2也在1.2～1.4变化范围内、kck1在1.5～1.7变化范围内时，反电势正弦度也较好，所以，参数kck2在1.2～1.4变化范围内、kck1在1.5～1.7变化范围内在满足定位力抵消效果的同时，并没有牺牲反电势，是符合设计要求的。

  

图10 内、外部反电势分别随各自参数kck1、kck2变化的波形图

  

图11 内、外部定位力分别随各自参数kpm1、kpm2变化的波形图

参数kpm体现了永磁体宽度与定子齿宽的比例关系。本文将参数kpm在0.8～1.0范围内做参数化分析。永磁体宽度大小现在影响磁路饱和程度上，永磁体宽度越大，用量越多，磁路越饱和，气隙磁密也将增大，导致定位力的幅值会有增加，而定位力曲线的走势将不会发生大的变动，主要就是影响定位力的幅值，同时，磁通切换电机通常设计在磁路过饱和状态，永磁体的用量将影响反电势的正弦度。

图11和图12分别展示了当参数kpm在0.8～1.0变化范围内，内部定位力和外部定位力、内部A相反电势和外部B相反电势随参数变化情况。

  

图12 内、外部反电势分别随各自参数kpm1、kpm2变化的波形图

  

图13 内、外部定位力分别随各自参数km1、km2变化的波形图

  

图14 内、外部反电势分别随各自参数km1、km2变化的波形图

参数 km体现了动子齿宽与定子齿宽的大小关系。图13和图14分别展示了当参数km在1．0～1．4变化范围内，内部定位力和外部定位力、内部A相反电势和外部B相反电势随参数变化情况。

从图中可以看出，内部定位力和外部定位力变化不大，参数的变化主要影响了反电势曲线的正弦度。

在上述分析了电机几个主要参数对定位力的影响之后，选取了合适的参数，图15展示了内部定位力、外部定位力，以及内外部定位力抵消之后电机总的定位力的波形图。由图中可以看出，单个内部定位力或者外部定位力的幅值达到60 N，由于内外部定位力在相位上相差180°电角度，能实现良好的抵消，导致合成的电机总的定位力在幅值上只有12 N，大大降低了电机的定位力，实现了电机定位力的最小化。

  

图15 定位力

直线电机的推力由3部分组成：永磁推力、磁阻力以及定位力。

  

图16内、外部以及总的合成推力对比图

图16 展示了该电机内部绕组通入电流后产生的推力和外部绕组通入电流后产生的推力以及电机总的内外部合成的推力的对比图，由图中可以看出，无论是内部推力还是外部推力波动都很大，而电机产生的总的合成的推力波动较小，推力均值52 N，其推力幅值和波动程度满足人工心脏的设计要求。

4 结束语

本文提出了一种新型的圆筒型永磁直线电机。该电机具有高功率密度、高推力密度、推力脉动小、强大的动子结构和高可靠性等优点，并使用有限元分析方法计算仿真其电磁特性得到验证。提出的最小化定位力的方法对于减小推力脉动具有重要价值，因此，本文提出的电机非常适合应用于要求低速、高推力的人工心脏泵领域。

本文对参加“2018年江苏省定向锦标赛暨江苏定向邀请赛”中南京普通高校的部分学生进行随机问卷调查，共发放150份调查问卷，回收150份调查问卷，删除无效问卷25份后，有效问卷为125份。

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