微型軸流式血泵外磁驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

1、微型軸流式血泵外磁驅(qū)動電路設(shè)計(jì)    摘要：微型軸流式血泵是目前人工心臟結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，外磁驅(qū)動是一種新型的血泵驅(qū)動方式。文中介紹了血泵外磁驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案。通過該方案能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，可直接驅(qū)動電機(jī)以實(shí)現(xiàn)血泵的外磁驅(qū)動。關(guān)鍵詞：軸流式血泵磁場雙向電流功率放大器在人工心臟研究過程中，血泵驅(qū)動能源的提供方式是人工心臟研究的關(guān)鍵問題之一12。目前的外磁驅(qū)動方式采用體外旋轉(zhuǎn)磁場作為驅(qū)動能源，并通過體外旋轉(zhuǎn)永磁體的旋轉(zhuǎn)來帶動體內(nèi)永磁體    摘要：微型軸流式血泵是目前人工心臟結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，外磁驅(qū)動是一種新型的血泵驅(qū)動方式。文

2、中介紹了血泵外磁驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案。通過該方案能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，可直接驅(qū)動電機(jī)以實(shí)現(xiàn)血泵的外磁驅(qū)動。    關(guān)鍵詞：軸流式血泵  磁場  雙向電流 功率放大器在人工心臟研究過程中，血泵驅(qū)動能源的提供方式是人工心臟研究的關(guān)鍵問題之一12。目前的外磁驅(qū)動方式采用體外旋轉(zhuǎn)磁場作為驅(qū)動能源，并通過體外旋轉(zhuǎn)永磁體的旋轉(zhuǎn)來帶動體內(nèi)永磁體的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式磁場驅(qū)動。相比常規(guī)的能量傳遞方式，非接觸式磁場驅(qū)動技術(shù)沒有任何經(jīng)皮導(dǎo)線，因而可避免內(nèi)外貫通，從而大大降低了感染機(jī)會，提高了病人的生活質(zhì)量。本文對這種驅(qū)動方式中的外磁驅(qū)動電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究

3、。1 血泵工作原理及交變磁場的產(chǎn)生1.1 磁場驅(qū)動軸流式血泵工作原理植入式血泵的驅(qū)動一般都采用外磁場驅(qū)動，主要原理是：利用體外的旋轉(zhuǎn)磁場來驅(qū)動血泵內(nèi)永磁體（血泵葉輪部分）的轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到無接觸驅(qū)動。外磁場驅(qū)動軸流式血泵系統(tǒng)吸取并融合了機(jī)械心臟瓣膜和“軸流式”血泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了動脈腔 內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及植入方法，從而大大簡化了植入部分的結(jié)構(gòu)。血泵系統(tǒng)腔內(nèi)部分的工作原理采用了與軸流泵葉輪相同的機(jī)制，而驅(qū)動力的產(chǎn)生則通過體外可控交變磁場穿透人體和主動脈壁來驅(qū)動動脈腔內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”，以實(shí)現(xiàn)非接觸式動力傳遞，從而避免了密封，滲漏以有人體排異性等一系列傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)難以克服的工程

4、和醫(yī)學(xué)上的困難。該方案將產(chǎn)生交變驅(qū)動磁場 的“定子”置于體外，故應(yīng)通過傳感器采集相應(yīng)的人體自身信號和周圍環(huán)境信號，并在驅(qū)動控制裝置的控制下，通過適當(dāng)?shù)慕蛔兇艌鱿蝮w內(nèi)傳遞給渦輪的葉輪。在驅(qū)動力的持續(xù)帶動下，血泵可不斷將血液由左心室腔提升到主動脈腔，以達(dá)到心臟輔助的目的。其工作原理示意圖如圖1所示。1.2 交變磁場的產(chǎn)生方法交變磁場的產(chǎn)生采用勵磁線圈驅(qū)動法，它利用電機(jī)的工作原理將徑向充磁的永磁轉(zhuǎn)子作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，在永磁體外按90o方向纏繞兩組線圈，通過可變頻脈沖電路分時(shí)驅(qū)動不同的線圈組，以達(dá)到驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的目的。其系統(tǒng)工作原理示意圖如圖.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)2.1驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)原理血泵驅(qū)動電路包括占

5、空比為50%的方波形成電路、雙向勵磁電流驅(qū)動電路以及雙向勵磁電流功放輸出電路等，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。   2.2 方波形成電路3方波形成電路由555振蕩器構(gòu)成。圖4是由555構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生方波脈沖的電路圖。圖中當(dāng)R1=R2，C=10F時(shí)，其占空比為50%。2.3 雙向勵磁電流電路該血泵驅(qū)動電路采用單電源供電方式，從而避免了實(shí)際應(yīng)用中采用多電源所帶來的方便，并大大簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。占空比為50%的方波經(jīng)過4013觸發(fā)器分頻可實(shí)現(xiàn)兩組線圈作用時(shí)間的均勻分配，雙向勵磁電流驅(qū)動電路是血泵驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它將一路方波電壓變成具有差分功能的控制電壓，這兩路控制

6、電壓就是產(chǎn)生雙向勵磁電流的驅(qū)動電壓。圖5給出了雙向勵磁電流驅(qū)動部分的電路原理圖以及電路中各點(diǎn)的電壓波形。通過圖5中電阻和電容組成的延時(shí)積分電路可防止b、c點(diǎn)輸出電壓波形中出現(xiàn)毛刺。將b、c兩點(diǎn)的電壓波形同時(shí)加到兩個(gè)具有倒相功能的電流功放中進(jìn)行V/I變換，就可以在繞阻線圈中得到圖2所示的雙向勵磁電流。2.4 功率放大電路4功率放大器電路原理圖如圖6所示。該放大器由LF347和OPA552及一些電阻組成。其中LF347與R1、R2、R3、R4、R5構(gòu)成差動輸入減法運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)K1=R2/R1Uo= - 2（U1-U2）。OPA552與R6、R7、R8、RW1構(gòu)成了功率放大電路，其放大倍數(shù)K

7、2可調(diào)，K2=（R7+RW1）/R6。該功率放大電路的總放大倍數(shù)為K=K1K2，放大器輸出電壓為：Uout=K(U1-U2)其中：K為增益，Uout是加在電動機(jī)兩端的電樞電壓。實(shí)際上，當(dāng)U。為正值時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)U。為負(fù)值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。LF347和OPA552分別由±12V和±24V電源供電。3 實(shí)驗(yàn)為檢驗(yàn)交變磁場產(chǎn)生方法和驅(qū)動電路的可行性，筆者制作了驅(qū)動磁場發(fā)生裝置，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖7所示。其中，轉(zhuǎn)子由高強(qiáng)度磁能極稀土永磁材料制成，它有一對磁極，磁場方向?yàn)閺较?，直?5mm,高度45mm，支架采用非導(dǎo)磁材料做成，電源為直流30V可調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)為電機(jī)提供的輸出電壓為12V，電流為500mA時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。此時(shí)用光電測速儀測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1000轉(zhuǎn)/分。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過2小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路未發(fā)生發(fā)熱、燒損現(xiàn)象。4 結(jié)論本研究實(shí)驗(yàn)表明，采用勵磁線圈驅(qū)動法來產(chǎn)生交變磁場是可能的。相比傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動，這種方法有著獨(dú)特的優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，外磁驅(qū)動系統(tǒng)溫升仍然很小，從而避免了傳統(tǒng)方法中因?yàn)闇厣^大而引起的電機(jī)損壞。 &#