采用励磁线圈驱动方法实现外磁场驱动轴流式血泵系统的设计

在人工心脏研究过程中，血泵驱动能源的提供方式是人工心脏研究的关键问题之一。目前的外磁驱动方式采用体外旋转磁场作为驱动能源，并通过体外旋转永磁体的旋转来带动体内永磁体的转动，从而实现非接触式磁场驱动。相比常规的能量传递方式，非接触式磁场驱动技术没有任何经皮导线，因而可避免内外贯通，从而大大降低了感染机会，提高了病人的生活质量。本文对这种驱动方式中的外磁驱动电路进行了设计研究。

1、血泵工作原理及交变磁场的产生

1.1 磁场驱动轴流式血泵工作原理

植入式血泵的驱动一般都采用外磁场驱动，主要原理是：利用体外的旋转磁场来驱动血泵内永磁体（血泵叶轮部分）的转动，从而达到无接触驱动。

外磁场驱动轴流式血泵系统吸取并融合了机械心脏瓣膜和“轴流式”血泵的结构特点，确定了动脉腔 内的“叶轮-永磁转子体”结构设计及植入方法，从而大大简化了植入部分的结构。血泵系统腔内部分的工作原理采用了与轴流泵叶轮相同的机制，而驱动力的产生则通过体外可控交变磁场穿透人体和主动脉壁来驱动动脉腔内的“叶轮-永磁转子体”，以实现非接触式动力传递，从而避免了密封，渗漏以有人体排异性等一系列传统泵结构难以克服的工程和医学上的困难。该方案将产生交变驱动磁场 的“定子”置于体外，故应通过传感器采集相应的人体自身信号和周围环境信号，并在驱动控制装置的控制下，通过适当的交变磁场向体内传递给涡轮的叶轮。在驱动力的持续带动下，血泵可不断将血液由左心室腔提升到主动脉腔，以达到心脏辅助的目的。其工作原理示意图如图1所示。

1.2 交变磁场的产生方法

交变磁场的产生采用励磁线圈驱动法，它利用电机的工作原理将径向充磁的永磁转子作为电机的转子，在永磁体外按90o方向缠绕两组线圈，通过可变频脉冲电路分时驱动不同的线圈组，以达到驱动永磁转子转动的目的。其系统工作原理示意图如图。

2 、驱动电路设计

2.1驱动电路结构原理

血泵驱动电路包括占空比为50%的方波形成电路、双向励磁电流驱动电路以及双向励磁电流功放输出电路等，其电路结构如图3所示。

2.2 方波形成电路

方波形成电路由555振荡器构成。图4是由555构成多谐振荡器来产生方波脉冲的电路图。图中当R1=R2，C=10μF时，其占空比为50%。

2.3 双向励磁电流电路

该血泵驱动电路采用单电源供电方式，从而避免了实际应用中采用多电源所带来的方便，并大大简化了驱动电路的设计。占空比为50%的方波经过4013触发器分频可实现两组线圈作用时间的均匀分配，双向励磁电流驱动电路是血泵驱动系统的关键部分，它将一路方波电压变成具有差分功能的控制电压，这两路控制电压就是产生双向励磁电流的驱动电压。图5给出了双向励磁电流驱动部分的电路原理图以及电路中各点的电压波形。

通过图5中电阻和电容组成的延时积分电路可防止b、c点输出电压波形中出现毛刺。将b、c两点的电压波形同时加到两个具有倒相功能的电流功放中进行V/I变换，就可以在绕阻线圈中得到图2所示的双向励磁电流。

2.4 功率放大电路

功率放大器电路原理图如图6所示。该放大器由LF347和OPA552及一些电阻组成。其中LF347与R1、R2、R3、R4、R5构成差动输入减法运算放大器，放大倍数K1=R2/R1Uo= - 2（U1-U2）。OPA552与R6、R7、R8、RW1构成了功率放大电路，其放大倍数K2可调，K2=（R7+RW1）/R6。该功率放大电路的总放大倍数为K=K1K2，放大器输出电压为：

Uout=K（U1-U2）

其中：K为增益，Uout是加在电动机两端的电枢电压。实际上，当U。为正值时，电机正转，当U。为负值时，电机反转。LF347和OPA552分别由±12V和±24V电源供电。

3 、实验

为检验交变磁场产生方法和驱动电路的可行性，制作了驱动磁场发生装置，并对其进行了实验测试。其实验系统框图如图7所示。其中，转子由高强度磁能极稀土永磁材料制成，它有一对磁极，磁场方向为径向，直径25mm，高度45mm，支架采用非导磁材料做成，电源为直流30V可调。

当系统为电机提供的输出电压为12V，电流为500mA时，电机开始转动。此时用光电测速仪测得的电机转速可达1000转/分。通过调节可调电阻可对电机转速进行调节。经过2小时的运转，驱动电路未发生发热、烧损现象。

4、 结论

本研究实验表明，采用励磁线圈驱动法来产生交变磁场是可能的。相比传统的电机驱动，这种方法有着独特的优越性。实验证明，经过长时间的运转后，外磁驱动系统温升仍然很小，从而避免了传统方法中因为温升过大而引起的电机损坏。

由于本方所设计的驱动电路能够产生双向励磁电流，从而避免了电机换向带来的麻烦，简化了电路，提高了电机的驱动效率效率；同时，通过调节可调电阻可以改变输出脉冲的频率，从而达到调节电机转速的目的，同时也使整个过程实现起来比较容易。

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