用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁芯；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁芯的边缘平齐。本实用新型专利技术有益效果：采用直斜复合绕组后，电动机电磁转矩增加，谐波绕组系数降低。定子结构简单，与传统电机结构相比，定子变为无槽结构，加工制作相对简单，消除了齿槽转矩，铜损降低。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于人工心脏泵
，特别涉及一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机。
技术介绍
人工心脏泵又称血泵，是一种部分或全部替代心脏泵血功能的机械泵装置，具有广阔的临床应用前景。驱动电机作为人工心脏泵的重要组成部分，其特性直接决定着人工心脏泵的性能。人工心脏泵驱动电机与传统电机相比，要求在满足高可靠性、高稳定性基础上，减小体积、降低噪声、改善运行性能。永磁无刷直流电动机具有功率密度大、几何尺寸小、动态响应快、运行效率高等一系列优点,在高速运行场合具有广阔的应用前景，目前已经被广泛应用于人工心脏泵的驱动。传统永磁无刷直流电动机的定子为有齿槽结构，转矩脉动较大。存在转矩脉动会导致振动和噪声的产生，影响系统的控制精度，尤其是在高速运转电机中，转矩脉动的影响更为严重。永磁无刷直流电动机的转矩脉动主要源于其谐波转矩，谐波转矩包括齿槽转矩和纹波转矩。前者由定子铁芯与转子永磁体相互作用产生，是定子齿槽存在而导致的铁芯磁阻变化引起的；后者产生于电枢电流波形及感应电动势波形的偏差引起的。虽然有方法能够削弱转矩脉动，但无法根本消除转矩脉动。另外，带齿槽的永磁无刷直流电动机转子的长度和绕组的竖直部分长度相等，线圈的绕组端部置于定子边缘外，厚度较大，占用轴向空间，同时无法有效利用绕组端部部分，增大了电机的漏磁和铜损，降低了电机的转动力矩与效率。传统电机的绕组分布分为直绕组和斜绕组两种类型，直绕组的电机谐波绕组系数较高，斜绕组分布可以降低谐波绕组系数。人工心脏泵电机的发热问题将影响电机的效率和患者的生命安全，因此如何降低发热量，提高电机效率是人工心脏泵电机研制的重点。技术内容本技术的目的是为了解决上述问题，提供一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，该电机采用直斜复合定子绕组，有效利用了端部绕组部分，在消除转矩脉动的同时，在一定程度上减小了谐波电流，提高电机转动力矩与效率。为实现上述目的，本技术采用下述技术方案：一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁芯；所述定子铁芯内表面为无齿槽结构，所述直斜复合绕组设置在转子永磁体和定子铁芯之间；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁芯的边缘平齐。进一步地，所述直斜复合绕组包括沿环形绕制的A、B、C三相绕组；每一相绕组沿轴向分为三个部分：绕组的上下两端分别为沿轴向倾斜绕制的斜绕组部分，绕组的中间部分为直绕组部分。进一步地，所述A、B、C三相绕组中，每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α满足： s i n α = L - l s 2 l q ]]> d s i n α · N ≤ 2 πr i n ]]>其中，α为斜绕组和水平方向的夹角，0°<α<90°；L为绕组轴长；lq为斜绕组长度；ls为直绕组长度；D为绕组单匝线径；A为斜绕组单匝的水平长度；N为一层绕组的总匝数；rin为线圈内半径。进一步地，采用粒子群优化算法对每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α进行优化。进一步地，所述直斜复合绕组的斜绕组部分排列规则，转子永磁体的长度大于直绕组部分的长度。进一步地，所述A、B、C三相绕组对称均匀分布成两层，每匝线圈跨过一个极距，每层每相绕组占据120°的角度，绕组接线方式为星形连接。进一步地，所述转子永磁体为钕铁硼永磁材料，径向充磁，由单个磁体组成，或者由多个磁体拼接而成，为一对极或多对极结构。进一步地，所述转子永磁体外部由非磁性医用钛合金包裹，钛合金外壳外部有叶轮，旋转时能够带动血液轴向流动；所述定子线圈内侧设有医用钛合金内壳；所述钛合金外壳和钛合金内壳能够减小气隙磁场的高次谐波，减小转子永磁体的涡流损耗。进一步地，所述定子铁芯由硅钢片叠加而成。本技术的有益效果是：(1)采用直斜复合绕组后，电动机电磁转矩与效率增加，谐波电流减小。(2)定子铁芯结构简单，与传统电机结构相比，定子变为无槽结构，加工制作相对简单，消除了转矩脉动。(3)可以通过改变绕组的斜绕组部分和直绕组部分所占的比例，调控电机的电磁转矩与谐波绕组系数。(5)直斜复合绕组的使用，使得电动机的转矩脉动得到了有效抑制，削弱了振动和噪声，可以提高人工心脏泵系统的控制精度，有利于人工心脏泵的稳定运行。(6)通过粒子群算法优化电机结构，可以设计出最优的的斜绕组倾斜角，从而使电机效率达到最高，有效提高谐波抑制率，降低了心脏泵发热。附图说明图1是本技术用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机径向截面图；图2是本技术用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机结构示意图；图3是本技术用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机的工作原理；图4是三相绕组的空载反电动势波形；图5是本技术直斜复合定子绕组结构示意图。其中，1.定子铁芯，2.直斜复合绕组，3.气隙，4.转子永磁体，5.转轴，6.电机外壳。具体实施方式：下面结合附图与实例对本技术做进一步说明：如图1和图2所示，一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，包括：定子铁芯1、直斜复合绕组2、转子永磁体4和转轴5；转轴5位于中心位置，从内到外依次为转轴5，转子永磁体4、直斜复合定子绕组和定子铁芯1；转子永磁体4心与直斜复合绕组2之间形成电机气隙3；直斜复合绕组2介于定子和转子之间，直斜复合绕组2的边缘与定子铁芯1的边缘平齐。定子铁芯1由硅钢片叠加而成，转子永磁体4为钕铁硼永磁材料，径向充磁，定子铁芯1为无齿槽结构。图3为本技术电机工作原理示意图，转子位置检测装置通过反电势法检测电机转子位置，把信号输送至控制器，控制器根据反馈的信号控制逆变器开关导通，据此控制电机三相绕组的导通状态，形成脉振旋转磁场，使电机产生电磁转矩，从而带动电机转子旋转。人工心脏泵驱动电机采用两相导通星形三相六状态的运行方式。对于传统电机的绕组，转子的长度和绕组的竖直部分长度相等，绕组的端部布置在转子边缘之外，端部绕组排列不规则，厚度高，绕组端部并没有得到有效的利用。对于直斜复合绕组2，绕组端部边缘与定子边缘平齐，绕组倾斜部分排列规则，转子的长度大于绕组的竖直部分。直斜复合绕组2端部斜绕组的利用增大了导体有效长度，使得电动机电动势增大；端部斜绕组的规则排列使得线圈厚度降低，定子铁芯1和转子永磁体4之间的气隙3减小，气隙3磁感应强度增大；斜绕组部分能够有效抑制高次谐波，从而削弱转矩脉动。电动机电磁转矩增加，谐波绕组系数降低。另外，具有直斜复合绕组2的无齿槽结构定子铁芯1，消本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁芯；所述定子铁芯内表面为无齿槽结构，所述直斜复合绕组设置在转子永磁体和定子铁芯之间；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁芯的边缘平齐。

【技术特征摘要】
1.一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，包括：位于中心的转轴，从内到外依次环绕在转轴外侧的转子永磁体、直斜复合绕组和定子铁芯；所述定子铁芯内表面为无齿槽结构，所述直斜复合绕组设置在转子永磁体和定子铁芯之间；所述转子永磁体与直斜复合绕组之间形成气隙；所述直斜复合绕组的边缘与定子铁芯的边缘平齐。2.如权利要求1所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述直斜复合绕组包括沿环形绕制的A、B、C三相绕组；每一相绕组沿轴向分为三个部分：绕组的上下两端分别为沿轴向倾斜绕制的斜绕组部分，绕组的中间部分为直绕组部分。3.如权利要求2所述的一种用于人工心脏泵的直斜复合定子绕组无槽电机，其特征是，所述A、B、C三相绕组中，每一相绕组上下两端沿轴向倾斜绕制的绕组的倾斜方向角α满足：其中，α为斜绕组和水平方向的夹角，0°<α<90°；L为绕组轴长；lq为斜绕组长度；ls为直绕组长度；D为绕组单匝线径；A为斜绕组单匝的水平长度；N为一层绕组的总匝数；rin为线圈内半径。4.如权利要求3所述的一种用于人工心...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云鹏，高术宁，刘淑琴，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：新型
国别省市：山东;37