一种双定子永磁直线电动机的优化设计

严淑君 孙桂华 沙国荣

摘要：为了提高人造心脏泵的工作可靠性，提出了一种用于人工心脏泵的双定子永磁直线电动机优化方法。采用有限元分析法对双定子永磁直线电动机电磁特性进行了分析，对电动机结构参数进行了优化，使其具备更优的电磁性能，对于今后提高永磁直线电动机电磁特性具有重要意义。

关键词：双定子;永磁直线电动机;有限元分析;电磁特性

0 引言

近年来，心力衰竭患者的主要治疗方法是使用人工心脏，人工心脏依靠人工心脏泵[1]实现泵血功能。过去人工心脏泵使用较多的是旋转电动机，但是旋转电动机产生的运动形式为旋转运动，需要通过传动齿轮机构将旋转运动改变为直线运动来完成泵血任务，这些机械传动部件易遭受机械磨损，造成血细胞损伤[2]。因此，为了消除旋转电动机带来的弊端，本文选择将直线电动机应用于人工心脏泵。目前，应用于人工心脏泵的直线电动机通常是单绕组结构，例如文献[3]中用于人工心脏泵的永磁单绕组直线电动机，可以满足人类胸部有限的空间需求。为了提高人造心脏泵的工作可靠性，本文提出了一种用于人工心脏泵的双定子永磁直线电动机优化方法[4]，采用有限元分析法来分析和验证双定子永磁直线电动机的电磁特性，对电动机结构参數进行优化设计。

1 电动机结构特点

图1为双定子永磁直线电动机结构三维图，它由内到外由一个内定子环、一个动子环和一个外定子环组成，其中A相绕组置于内定子中，由两套线圈反向串联而成，B相绕组置于外定子中。动子环由安装在支撑管上的Halbach阵列磁环组成，该磁环由5个环形磁体组成，其中3个为径向励磁，2个轴向励磁。

双定子永磁直线电动机的主要结构参数如表1所示。

2 电磁特性分析和结构参数优化

本文使用有限元分析方法对双定子永磁直线电动机的电磁特性进行了分析，其反电动势波形图如图2所示。

定子齿的开槽结构形状、磁体的长度和齿的宽度等对反电动势波形有重要影响，因此需要优化结构参数来获得相对平坦的反电动势波形。

径向励磁的环形磁铁的轴向长度与轴向励磁的环形磁铁的轴向长度比值用参数k表示，反电动势随参数k变化的波形图如图3所示，参数k的最优值是2，此时反电动势波形顶端更平坦。

极靴宽度与槽宽的比例为参数s，反电动势随着参数s变化的波形图如图4所示，最优的s取值为0.3，此时反电动势波形顶端更平坦。

直线电动机的定位力是推力波动的主要因素，由两部分组成：一个是由边端效应引起的边端力Fend，另一个是由槽效应引起的齿槽力Fslot。定位力大小会直接影响电动机的使用性能，其计算分析如下：

式中：Fz为沿运动方向的力，Fx为沿垂直于运动方向的力。

内外定子结构是对称的，但是Fx的大小相同，方向相反，所以x方向的两个力相互叠加抵消。

式中：w为定子的圆周长度;Bz为沿运动方向的磁感应强度;Bx为垂直于运动方向的磁感应强度。

从公式（2）可以看出，Fz与B和l有关。边端力是定位力的主要因素，改变边端齿的形状可以减小定位力的波动幅度。边端齿改变之后的电动机结构如图5所示。边端齿改变后的定位力和原始定位力对比如图6所示，边端齿改变形状之后的定位力减小到原始定位力的50%。

3 结语

本文提出了一种双定子永磁直线电动机的优化设计方法，优化后的电动机工作可靠性更高，还具有容错性能。双定子分别位于动子环的内外两侧，能实现热隔离、物理隔离和电磁隔离。如果一相绕组发生故障，另一相绕组可以带故障运行。本文使用有限元分析方法计算仿真了其电磁特性，并通过理论分析和电磁仿真优化了电动机结构参数，使电动机具备更优的电磁性能，非常适用于要求低速、高推力的人工心脏电动血泵领域。

[参考文献]

[1] GAITAN B D，THUNRERG C A，STANSBURY L G，et al.Development，current status，and anesthetic management of the implanted artificial heart[J].Journal of cardiothoracic and vascular anesthesia，2011，25（6）：1179-1192.

[2] KIM N J，DIAO C G，AHN K H，et al.Parametric study of blade tip clearance，flow rate，and impeller speed on blood damage in rotary blood pump[J].Artifical organs，2009，33（6）：468-474.

[3] 钱坤喜，王颢，茹伟民，等.轴向驱动永磁磁浮离心血泵的试制型装置[J].江苏大学学报（自然科学版），2005，26（6）：510-513.

[4] 叶云岳.直线电动机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

收稿日期：2020-08-04

作者简介：严淑君（1986—），女，江苏南通人，硕士，研究方向：电力电子与电力传动。