一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，包括：计算驱动电机的额定功率等参数，预先确定电机各部分结构尺寸和绕组类型；在永磁体经验温度下开展磁路计算确定空载气隙磁密；在绕组经验温度下开展电路计算确定相电阻和绕组截面积；计算电机额定工况损耗；开展二维电磁场和三维温度场磁热耦合，获取永磁体和绕组平均温度；在永磁体平均温度下调整永磁体厚度使空载气隙磁密不变；在绕组平均温度下调整绕组截面积使相电阻不变，完成设计；本发明专利技术提供的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，仅通过一次单向磁热耦合即可得到较高精度温度分布，设计电机在该温度下仍能保持目标机械特性，比传统设计方法性能更优。能更优。能更优。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法


[0001]本专利技术涉及血泵驱动电机设计领域，尤其涉及一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法。

技术介绍

[0002]人工心脏泵由于能够取代心脏完成射血功能，已成为晚期重症心衰患者主要治疗手段，具有重要的研究价值。自20世纪70年代以来，人工心脏泵的研制已历经三代。第一代人工心脏泵以搏动泵为代表，存在体积庞大、结构复杂等缺点；第二代人工心脏泵则利用叶轮旋转产生连续性血流的旋转泵，克服了以上缺点，但其机械轴承导致摩擦生热，损耗偏高并且容易产生溶血和血栓问题。第三代人工心脏泵则采用液悬浮或磁悬浮轴承，多采用离心泵，通过悬浮系统避免了轴与血液的机械接触，是当前的研究热点，随着体外膜肺氧合(ECMO)技术的深入发展，越来越多的学者开展了体外循环系统的磁悬浮离心血泵的设计研究。驱动电机作为影响磁悬浮离心血泵性能的重要部分，对其进行高精度的设计具有重要意义。
[0003]目前常用磁悬浮离心泵的驱动方式包括外部电机驱动式、直接电机驱动式、无轴承式等，其中外部电机驱动式离心式血泵的叶轮一般由外置的无刷直流电机通过磁力耦合的方式驱动旋转。驱动电机主要为有槽或无槽永磁无刷直流电机，目前对磁悬浮离心血泵电机设计大部分通过磁路法和有限元法结合的方式，首先通过计算确定电机各个参数，再利用电磁场软件进行修正，得到符合目标性能的电机，电机工作温度往往采用经验值。
[0004]然而，对于不同的电机结构，在不同散热条件下具有不同的温升分布，按照经验选取工作温度往往不准。实际上，温度对电机的工作性能有较大影响，主要体现在不同温度下永磁体磁性能和绕组相电阻的变化，当经验工作温度与电机实际工作温度产生较大偏差时，电机机械特性会与设计目标值偏离较大。因此，为使电机在额定工况长期运行下电机机械特性符合设计要求，获取电机额定工况的温升分布并将其用于电机设计具有重要意义。目前，磁热耦合是分析电机温升的有效工具，能够得到较为精准的温度分布。尽管许多文献报道了电机的磁热耦合研究，但其目的主要在于对设计完成的电机进行热分析，评估其是否能够正常运行，或研究散热结构等方面，很少将温度计算结果用于电机设计的温度修正。即便进行温度修正，在对电机原有机械特性性能的保持方面也不够全面细致，例如仅仅保持额定转矩不变，转速常数发生改变。还有一部分电机热分析是基于专门开发的电机设计软件开展的，但软件中的既有温度分析模型有较高局限性，未考虑多样的散热结构对温度的影响，精度不高。总之，目前尚缺乏系统地考虑温度修正且精度较高的电机设计方法。
[0005]另外，在温度修正前后，模型必然发生改变，由此导致电机温度分析结果也会变化，反复对修改模型进行温度场分析会降低设计效率，但仅进行一次分析又会导致设计精度不高。因此，如何保持修正前后温度分布基本不变，兼顾设计的效率与精度，是温度修正的难点。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，以克服上述技术的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，包括如下步骤：
[0009]S1，获取所述磁悬浮血泵的流量Q、扬程H、转速n和效率η
p
，计算驱动永磁无刷电机的额定功率等参数，选择所述电机额定电压，预取电负荷与磁负荷，预先确定所述电机定转子拓扑结构及尺寸、永磁体参数、绕组类型；
[0010]S2，选择永磁体的经验工作温度T1作为其实际工作温度，计算温度T1下的剩磁和矫顽力，通过电磁场分析得到所述电机的空载气隙磁密B
δ0
，计算空载气隙磁通Φ
δ0
；
[0011]S3，获取所述电机目标空载转速n0，根据所述电机的空载气隙磁通Φ
δ0
，计算每相串联匝数w
Φ
和每相电阻R
Φ
，选择绕组经验工作温度T2作为其实际工作温度，在温度T2下计算所用铜线的截面积q
cu
，确定所述电机初始模型；
[0012]S4，在永磁体经验工作温度T1和绕组经验工作温度T2下对所述电机开展二维电磁场分析，计算所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗；
[0013]S5，建立电机温度场三维模型，获取各部件热导率、比热容、密度等材料属性和温度场散热条件，将所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗作为温度场分析热源，其中铜耗分为有效边铜耗P1和端部铜耗P2进行精确计算，开展额定工况下的稳态温度场分析，得到永磁体平均温度T1′
和绕组平均温度T2′
；
[0014]S6，以永磁体平均温度T1′
作为其实际工作温度,计算温度T1′
下所述永磁体的剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体总厚度不变，通过参数化模型绘制温度T1′
下空载气隙磁密B
δ0
与永磁体厚度的关系曲线，修正所述电机初始模型的永磁体厚度使电机空载气隙磁密保持为B
δ0
；
[0015]S7，以绕组平均温度T2′
作为其实际工作温度，在温度T2′
下重新计算所用铜线的截面积，修正所述电机初始模型的截面积使每相电阻保持为R
Φ
，确定所述电机最终模型，完成设计；
[0016]进一步的，所述S1中电机额定功率计算如下：
[0017][0018]式中，
[0019]P
N
为所述电机的额定功率，单位为W；
[0020]ρ为血液密度，取1050kg
·
m
‑3；
[0021]g为重力加速度，取9.8m
·
s
‑2；
[0022]Q为所述血泵的流量，单位为m3·
s
‑1；
[0023]H为所述血泵的扬程,单位为m；
[0024]η
p
为血泵本身的效率，即输出功率与轴功率之比；
[0025]η
t
为传动效率，磁悬浮血泵传动效率取1；
[0026]K为富余系数，取1.5；
[0027]所述电机的额定转速n
N
即为血泵转速n，控制方式为三相六状态；
[0028]进一步的，所述S2中永磁体选用表贴式钕铁硼，近似认为永磁体退磁曲线为第二象限的直线，且工作温度下不发生退磁，获取所述永磁体的剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2后计算温度T1下永磁体的剩磁和矫顽力；
[0029]所述电磁场分析通过电磁场软件Maxwell中的RMxprt模块完成，在该模块中选用永磁无刷直流电机，设置预先确定得定转子拓扑结构及尺寸、永磁体相关参数，通过RMxprt求解即可得到空载气隙磁密B
δ0
，进一步计算空载气隙磁通Φ
δ0
如下：
[0030]Φ
δ0
＝α
i
τl
a
B...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取所述磁悬浮血泵的流量Q、扬程H、转速n和效率n
p
，计算驱动永磁无刷电机的额定功率等参数，选择所述电机额定电压，预取电负荷与磁负荷，预先确定所述电机定转子拓扑结构及尺寸、永磁体参数、绕组类型；S2，选择永磁体的经验工作温度T1作为其实际工作温度，计算温度T1下的剩磁和矫顽力，通过电磁场分析得到所述电机的空载气隙磁密B
δ0
，计算空载气隙磁通Φ
δ0
；S3，获取所述电机目标空载转速n0，根据所述电机的空载气隙磁通Φ
δ0
，计算每相串联匝数w
Φ
和每相电阻R
Φ
，选择绕组经验工作温度T2作为其实际工作温度，在温度T2下计算所用铜线的截面积q
cu
，确定所述电机初始模型；S4，在永磁体经验工作温度T1和绕组经验工作温度T2下对所述电机开展二维电磁场分析，计算所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗；S5，建立电机温度场三维模型，获取各部件热导率、比热容、密度等材料属性和温度场散热条件，将所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗作为温度场分析热源，其中铜耗分为有效边铜耗P1和端部铜耗P2进行精确计算，开展额定工况下的稳态温度场分析，得到永磁体平均温度T1′
和绕组平均温度T2′
；S6，以永磁体平均温度T1′
作为其实际工作温度,计算温度T1′
下所述永磁体的剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体总厚度不变，通过参数化模型绘制温度T1′
下空载气隙磁密B
δ0
与永磁体厚度的关系曲线，修正所述电机初始模型的永磁体厚度使电机空载气隙磁密保持为B
δ0
；S7，以绕组平均温度T2′
作为其实际工作温度，在温度T2′
下重新计算所用铜线的截面积，修正所述电机初始模型的截面积使每相电阻保持为R
Φ
，确定所述电机最终模型，完成设计。2.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述S1中电机额定功率计算如下：式中，P
N
为所述电机的额定功率，单位为W；ρ为血液密度，取1050kg
·
m
‑3；g为重力加速度，取9.8m
·
s
‑2；Q为所述血泵的流量，单位为m3·
s
‑1；H为所述血泵的扬程,单位为m；η
p
为血泵本身的效率，即输出功率与轴功率之比；η
t
为传动效率，磁悬浮血泵传动效率取1；K为富余系数，取1.5；所述电机的额定转速n
N
即为血泵转速n，控制方式为三相六状态。3.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述S2中，永磁体选用表贴式钕铁硼，近似认为永磁体退磁曲线为第二象限的直线，且工作温度下不发生退磁，获取所述永磁体的剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2后计算温度T1下永磁体的剩磁和矫顽力；
所述电磁场分析通过电磁场软件Maxwell中的RMxprt模块完成，在该模块中选用永磁无刷直流电机，设置预先确定得定转子拓扑结构及尺寸、永磁体相关参数，通过RMxprt求解即可得到空载气隙磁密B
δ0
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑书坤，王芳群，蒋鹏程，王嘉毅，张政撼，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：