一种双通道直线振荡电机的设计

严淑君 孙桂华

(1.南京工业职业技术大学，江苏 南京 210023；2.南瑞集团有限公司，国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 前言

心力衰竭患者由于自然心脏的短缺，很少有人有机会移植自然心脏。因此，代替天然心脏，人工心脏成为心力衰竭患者的主要治疗方法[1]。然而，常规的电动血泵采用旋转电机和传动齿轮机构，易遭受机械磨损和血细胞的损伤[2]。为了避免旋转电机带来的弊端，本文选用直线振荡电机来应用于人工心脏泵。目前，直线振荡电机通常是单绕组的，单绕组可以满足人类胸部有限空间的需求[3]，例如用于人工心脏泵的永磁单绕组直线电机[4]。然而，人造心脏泵保证人的生命，因此，其可靠性非常重要，而单绕组电机可靠性不是很高。

为了提高可靠性，本文提出了一种具有双通道的直线振荡电机[5]。它具有高可靠性、高容错性能、高功率密度的优点。在正常情况下，该电机在双通道下工作。如果一个通道发生故障，该电机仍然可以很好使用另一个通道带故障工作。

本文将采用有限元分析法来分析和验证所提出的双通道直线振荡电机的电磁特性。

1 双通道直线振荡电机结构特点

图1(a)、(b)分别为双通道直线振荡电机结构的二维剖面图和三维图。它从内到外由一个内定子环，一个动子环和一个外定子环组成。2个定子都由2个E形定子铁芯组成。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，也是由2套线圈反向串联而成。动子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个径向励磁，2个轴向励磁，如图1所示。内定子环和外定子环在结构上几乎是对称的，具有相同的轴向长度和齿宽。主要结构尺寸参数如表1所示。

图1 电机结构图

该电机具有诸多优点：

(1)与旋转电机不同，直线电机驱动可以避免机械磨损，因为直线电机驱动中没有传动装置。所以，它可以延长人工心脏的使用寿命，而人工心脏的使用寿命对于人的生命安全来说也是至关重要的。

(2)通过2个独立通道设计，本文提出的电机具有很高的容错性能，从而提高了可靠性。

(3)充分利用了动子内部的空间，从而可以提高推力密度并缩短轴向长度。所以，电机的结构很适合人类胸腔狭小的空间限制。

表1 结构参数

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Ansoft Maxwell 中建立二维模型来仿真。

动子结构中，可以将磁体环安装在非磁性或铁磁性支撑管上。图2(a)展示了将磁体安装在铁磁性支撑管上的通量密度，而图2(b)展示了不安装在铁磁性支撑管上的通量密度。2个结构的尺寸参数相同。从图中可以看出，图(a)的磁通密度比图(b)的磁通密度高。换句话说，将永磁体安装在铁磁支撑管上的结构磁路更容易饱和。图2(a)中的铁心在磁体厚度1.9mm处过饱和，而过饱和对设计而言是不合理的，所以需要将永磁体用量减小，来减弱磁通密度。将磁铁的厚度减小到0.6mm左右，从图中数据可以看出，磁路饱和程度合适，设计合理。但是，由于磁体的厚度只有0.6mm，太薄，当磁体移动时电机可靠性会降低，因为组件可能发生磨损，导致不能保证电机运行时的可靠性。另外，铁磁支撑管的重量也很大，这给人的胸部带来负担。基于以上2点，因此，没有铁磁支撑管的结构更适合于人工心脏泵。所以，本文设计的电机，动子磁环的支撑管选用非铁磁材料的塑料管。

图2 磁通密度

图3(a)和图3(b)分别示出了仅由永磁体励磁和仅由电枢电流励磁的磁场分布。没有铁磁支撑的动子是由5个环形磁铁组成的Halbach阵列。从图3(a)和图3(b)可以看出，内定子和外定子在励磁上是平行的，相互独立，互不干扰。这样的设计给电机带来了2个优势：(1)2个定子分别设置在动子的内部和外部，因此它们在物理上彼此独立。如果内定子中绕组发生故障，则外定子中绕组不会受到故障绕组温度升高的影响，可以正常工作。(2)内定子励磁和外定子磁路平行，互不干扰，形成了磁隔离，从而使内部通道与外部通道分别独立工作，而不会相互干扰。总之，本文提出的双通道具有很高的容错能力，因为2套绕组几乎在磁、热和物理上隔离。2个通道的设计大大提高了电机的可靠性。

图4和图5分别展示了磁链图和反电势图。以内定子为例，E型铁心的定子结构有2个C型槽，一个槽中放置1套绕组，绕组成扁平状置于槽中。2套绕组分别置于2个C型槽中。这2套绕组反向串联构成A相。同样的，外定子2个C型槽中的2套绕组反向串联构成B相。

图3 永磁磁场分布图

图6展示了该电机的双通道电磁推力(在0.5A直流电流下)和单通道的电磁推力(在1A直流电流下)。可以看出，这2个波形是一致的，因此，该电机具有很高的容错性能。一旦一个通道发生故障，只有一个通道可以正常工作，最大值是70N，满足对于人工心脏泵用电机对于推力的设计要求。

图4 磁链图

图5 反电势波形

图6 双通道和单通道推力对比图

3 结语

本文提出了一种双通道的直线振荡电机。该电机具有高功率密度、高推力密度，高可靠性，并且具有容错性能。双通道能实现热隔离、物理隔离和电磁隔离，相对独立地工作，如果一相绕组发生故障，另一相绕组可以带故障运行。使用有限元分析方法计算仿真其电磁特性得到验证。所以，本文提出的电机是非常适用于要求低速、高推力的人工心脏泵。