孫建國 王洪飛 張偉峰

（包頭長安永磁電機(jī)有限公司，包頭 014030）

人工血泵能夠在人體內(nèi)發(fā)揮心臟的作用，其動(dòng)力的直接來源是內(nèi)置電機(jī)。考慮到對(duì)人工血泵電機(jī)質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有極為重要的價(jià)值。人工心臟如果能夠穩(wěn)定運(yùn)行，最重要的一個(gè)條件是要保證電機(jī)的性能。不同人工血泵配置電機(jī)的工作原理不盡相同，每種研發(fā)制造技術(shù)各有其獨(dú)特性，并基于這些特點(diǎn)使得人工血泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中具有不同的表現(xiàn)。采用永磁電機(jī)作為人工血泵的動(dòng)力源的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，未來也有廣闊的發(fā)展空間，因此得到了醫(yī)療及其相關(guān)領(lǐng)域的高度認(rèn)可。

1 人工血泵技術(shù)概述

從目前的技術(shù)發(fā)展來看，人工血泵的工作原理主要包括氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)以及磁液混動(dòng)4種模式[1]。電動(dòng)與磁液混動(dòng)兩種血泵主要采用永磁電機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其實(shí)際的性能和效果優(yōu)良，是人工血泵技術(shù)的主要研發(fā)方向。

2 人工血泵選擇永磁電機(jī)研發(fā)的應(yīng)用情況

2.1 永磁無刷直流電機(jī)

2.1.1 電機(jī)穩(wěn)定性

永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)中，繞組分布對(duì)整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性有較大影響。這些繞組形式不滿足正弦規(guī)律，而電機(jī)永磁體結(jié)構(gòu)會(huì)造成電樞磁鏈的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。這些問題可以通過采用分?jǐn)?shù)槽繞組法和Halbach永磁陣列等技術(shù)措施予以解決。

2.1.2 電機(jī)溫升

永磁電機(jī)在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)出現(xiàn)升溫情況，而人體內(nèi)如果血液溫度過高超過43 ℃，則會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞功能損失。此時(shí)，一是選擇低阻導(dǎo)體或增加繞線面積，二是降低線圈長度，三是調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，泵殼材料的導(dǎo)熱性也是需要著重考慮的方面。

2.1.3 機(jī)械摩擦造成的溶血問題

正常的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械摩擦。動(dòng)子與轉(zhuǎn)子之間摩擦嚴(yán)重時(shí)，會(huì)發(fā)生血液血栓和溶血等問題。電機(jī)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部分選擇鈦合金進(jìn)行覆蓋，以獲得更好的生物相容性。

2.2 永磁直線電機(jī)

2.2.1 雙定子結(jié)構(gòu)

永磁直線電機(jī)采用雙定子結(jié)構(gòu)，目的是提升電機(jī)的推力體積比。雙定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以將2臺(tái)單定子電機(jī)進(jìn)行整合，共用1個(gè)動(dòng)子。它的推力從計(jì)算角度可以達(dá)到單定子電機(jī)的2倍[2]。

2.2.2 磁力絲杠

磁力絲杠是一種新的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。在該設(shè)計(jì)中，永磁電機(jī)的外圈采用原來的表貼式電機(jī)，電機(jī)的內(nèi)圈選擇磁性絲杠。整個(gè)磁性絲杠區(qū)域形成所需的磁場(chǎng)分布，其內(nèi)、外圓筒結(jié)合產(chǎn)生鑲嵌式螺旋永磁體，使得電機(jī)的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。

2.2.3 雙層繞組

雙層繞組結(jié)構(gòu)用于搏動(dòng)式電磁直驅(qū)泵，主要應(yīng)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(jī)的推力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 無軸承電機(jī)

2.3.1 磁懸浮電機(jī)

磁懸浮電機(jī)是無軸承電機(jī)中比較常見的設(shè)計(jì)方式。其中，電主動(dòng)懸浮主要利用通電線圈在磁場(chǎng)中形成的懸浮力，充分可控，但對(duì)于電機(jī)的元件要求較高，設(shè)計(jì)、制造難度較大[3]。磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

圖2 磁懸浮人工心臟泵

2.3.2 液懸浮電機(jī)

液懸浮電機(jī)是充分利用流動(dòng)血液形成的對(duì)電機(jī)中漸縮結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓，使得血泵可以處于被動(dòng)懸浮工作狀態(tài)，促使電機(jī)中的轉(zhuǎn)子或側(cè)壁線圈共同作用形成穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力。液懸浮血泵得以實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵之處是懸浮機(jī)構(gòu)和電機(jī)螺旋葉片。這兩個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求非常高，而電機(jī)的其他環(huán)節(jié)沒有更多特別的要求。

2.3.3 磁液混合懸浮電機(jī)

磁液混合懸浮電機(jī)將磁懸浮和液懸浮兩種設(shè)計(jì)整合在一起，利用二者的工作原理和優(yōu)勢(shì)形成共同促進(jìn)的設(shè)計(jì)效果。液力與磁力共同作用在電機(jī)葉輪上，使得葉輪能夠有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，進(jìn)而保證電機(jī)的工作可靠性。

3 永磁電機(jī)在人工血泵中的對(duì)控制算法等內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

所謂應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)際上是對(duì)控制算法等內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。針對(duì)目前永磁電機(jī)在人工血泵中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，主要包括以下幾種。

3.1 永磁電機(jī)PID控制

對(duì)于永磁電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)而言，比例-積分-導(dǎo)數(shù)控制器（Proportion、Integral、Differential，PID）算法是一種最基本的控制算法[4]。它根據(jù)技術(shù)指標(biāo)不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)控制效果，在實(shí)際應(yīng)用中較成熟，穩(wěn)定性好，已廣泛應(yīng)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(yōu)PID參數(shù)時(shí)往往需要大量的調(diào)試，較為煩瑣。因此，部分專家學(xué)者已著手研究參數(shù)自整定算法，以便PID算法獲得進(jìn)一步的應(yīng)用。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自學(xué)習(xí)功能的智能算法，主要用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來，以被控量之目標(biāo)值與反饋值的差值作為輸入。

3.3 模糊PID控制

算法的優(yōu)化對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)具有巨大的優(yōu)化和促進(jìn)作用，是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(duì)受控對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模，是根據(jù)人類經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.4 自適應(yīng)魯棒控制

非線性自適應(yīng)控制可克服系統(tǒng)的不確定性，但對(duì)外界干擾較為敏感[5]。魯棒控制在抑制干擾和補(bǔ)償未建模動(dòng)態(tài)時(shí)具有良好的性能。二者結(jié)合，可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3.5 無位置傳感器控制

無位置傳感器控制通過采集電機(jī)繞組的電壓和電流并進(jìn)行一系列推導(dǎo)，估算出轉(zhuǎn)子的位置信息。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，感應(yīng)反電勢(shì)幅值小，難以檢測(cè)。因此，需要采取必要的措施進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，導(dǎo)致起動(dòng)過程精度較低。

4 結(jié)語

人工心臟是心腦血管疾病最重要的一個(gè)治療技術(shù)選擇。經(jīng)過長期的實(shí)踐探索，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入以及產(chǎn)品性能得到了充分完善和發(fā)展，為國家建設(shè)和人們健康做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。