永磁磁浮技术在叶轮式人工心脏的应用

将永磁力跟非磁力相结合实现永磁磁浮 ,研制出永磁磁浮叶轮血泵的样机。当电机转速逐渐增加到4 0 0 0r/min以上时 ,转子在液动力的作用下从接触点与定子相脱离 ,实现完全悬浮。压力和流量之间的关系曲线显示血泵的内部没有机械摩擦和湍流。与采用机械轴承的血泵相比 ,采用永磁磁浮技术的血泵不仅效率高 ,寿命长 ,而且不会产生溶血和血栓。     

新型永磁磁浮轴承的研究

由于电磁轴承体积大、控制系统复杂、能耗大,提出了一种新型永磁磁浮轴承,具有能耗低、体积小、结构紧凑且承载力大应用范围广的特点.以点磁荷理论为基础,建立了轴向磁化方式下轴的径向偏移量(或轴承刚度)与承载力之间关系的理论模型.由于软铁具有很高的磁导率,而不锈钢具有优良的磁阻性能,因而选取了这二种材料作为磁浮轴承材料,成功设计、制造了磁浮轴承组件.所设计轴承性能达到了设计要求,其稳定工作时的最高承载能力为17N,转速为4000r/min.     

永磁体磁浮叶轮血泵的研制和试验研究

旋转血泵磁浮轴承的定子和转子之间没有机械接触,所以其内部不会发生机械磨损或产生血栓。然而,现有的磁浮轴承均采用电磁铁来实现磁浮,不仅控制复杂,而且自身消耗能量。事实上,叶轮血泵要做到用电磁铁来实现磁浮,势必要影响其装置的简易性、可靠性和可植入性。采用永久磁铁研制出磁浮叶轮血泵。泵的转子径向由永久磁铁磁力支撑,转子的一端紧固叶轮,另一端镶嵌磁钢;与转子磁钢相对,驱动磁钢连接在电动机转轴上。这样,电动机通过磁偶合来驱动转子。在实验室用生理盐水试验,当转子静止或低于4 000r/min旋转时,转子磁钢在轴向与位于转子和定子之间的隔板有一点接触,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至4 000r/min以上,转子在轴向与定子脱离,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生,且转子磁钢有陀螺效应,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。作为左心室辅助装置,叶轮血泵工作转速范围在5 000～8 000r/min之间,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。永磁体磁浮叶轮泵保持了旋转血泵的优点,而且克服了用电磁铁来实现磁浮的诸多缺点,能够满足人工心脏叶轮血泵应用的大多数技术要求,从而更具实用价值。     

叶轮机械内流动动态测量及流场诊断系统软件

介绍了一整套用于叶轮机械内流动动态测量及流场诊断的软件系统，它包括将数据采集板的初始化，探针位移机计算机控制及测量结果的实时显示等，集成为一体的界面友好的系统控制软件和各种探地的数据处理和流动分析软件包。给出了典型的应用结果。     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

旋转机械动态测量实验台的研制

研制了一种可同时测量多个动态机械量参数的新型旋转机械动态测量实验台 ,介绍了实验台的构成、实验内容、测量原理及硬件实现方法     

滑动轴承偏心距的动态测量系统设计

依据两点测量法的原理,设计由光电转换模块、采样保持放大电路模块、模数转换模块、数据读取及处理模块、数据显示模块组成两通道信号测量系统,此系统测得的轴颈在X、Y方向跳动值传输给PC机,由PC机处理后得到动态测量曲线。     

各向异性磁电阻AMR在永磁同步电机控制中的应用

新能源汽车的永磁同步电机,基于定向矢量控制技术,电机转子位置传感器普遍采用磁阻式旋转变压器,相比传统技术,磁阻(MR)位置测量具有多种优势。可靠性、精度和整体鲁棒性是推动磁阻检测技术快速发展的主要因素。本文基于各向异性磁电阻AMR传感器低成本、相对较小的尺寸、非接触式操作、宽温度范围、对灰尘和光的不敏感性、宽磁场范围,这些特性在永磁同步电机控制中的应用前景广泛。相比与旋变传感器,体积更小,便于安装且成本更低。     

超高速永磁电机转子机械强度的实验研究

在超高速永磁电机运行时,电机中的永磁体会因难以承受巨大的离心力而破损。为了解决这一问题,基于1台超高速永磁电机,对电机转子的机械强度进行了仿真分析和实验研究。首先,基于1台超高速永磁电机,对其进行了应力有限元仿真,分析了护套厚度、过盈量、温度、旋转速度对转子应力的影响程度及其灵敏性;然后,基于上述分析结果获得了高机械强度转子的设计方案,并对不同运行工况下的超高速电机转子的应力进行了校核;最后,加工出了1台额定功率为7 kW、额定转速为150 000 r/min的超高速永磁电机,并对其进行了机械强度运行实验和空载特性测试。实验测试结果表明：永磁体应力在不同工况下均表现为压应力,其最大值为109 MPa,安全系数大于6,尚有较高的裕量;而护套应力的最大值为967 MPa,安全系数大于2,说明与永磁体相比,护套更易达到极限机械强度;同时,样机测试的空载反电势为362 V,与计算值的吻合度在98%以上,且该转子在超速运行数小时后,未见任何损坏。研究结果表明：所设计的电机转子具有高可靠性,可以满足电机超高速运行的需要。     

永磁同步电机转子位置复合检测及起动运行策略

电梯用永磁曳引机的驱动控制需要实时获取转子的机械角度,如何在曳引机起动及运行阶段准确地检测转子位置是需要解决的关键问题。基于正余弦型复合编码器,提出一种绝对式与增量式相结合的转子位置复合检测方案。首先在分析绝对式和增量式转子位置检测原理的基础上,对两种转子位置检测算法进行优化,提高转子位置检测精度;然后结合转矩最大矢量控制策略,提出在转子位置复合检测方案下的电机起动运行方案;最后,仿真与实验结果表明所提出的转子位置复合检测方案可以保证电机的正常稳定运行。     

DETECTION OF CAVITATION IN CENTRIFUGAL PUMP BY VIBRATION METHODS

For the purpose of detecting the cavitation of centrifugal pump onsite and real time, the vibration signals on varied operation conditions of both cavitation and non-cavitation obtained through acceleration sensors were analyzed. When cavitation occurs, the cavities near the leading edge of the blade will appear periodic oscillating, which will induce quasi-synchronous vibration. The frequency of the quasi-synchronous vibration symmetrically appears on the two sides of the blade passing frequency, by which the cavitation incipiency can be detected. During the developing process of the cavitation, as the severe complexity of the unsteady flow, it is very difficult to detect the development of cavitation by classical analysis methods. Fractal method of Higuchi is successfully used for detecting the incipiency, fully development of cavitation and the development between them.     

DETECTION OF CAVITATION PHENOMENON IN A CENTRIFUGAL PUMP USING AUDIBLE SOUND

One of the sources of instability in a centrifugal pump is cavitation phenomenon. Cavitation within a centrifugal pump can cause more undesirable effects, such as deterioration of the hydraulic performance (drop in head-capacity and efficiency curves), damage of the pump by pitting and erosion and structure vibration and resulting noise. Cavitation can appear within the entire range of operating conditions; therefore it must, by all means, be prevented. To prevent the onset of the cavitation, we have to know the beginning of cavitation phenomenon in the pump. To detect the beginning of the cavitation process, the emitted noise can also be used, among other possibilities. Experiments have shown that there is a discrete frequency tone within the audible noise spectra, at 147 Hz or BPF/2, which is strongly dependent on the cavitation process and its development. Therefore, the discrete frequency tone at 147 Hz was separated from the noise spectra of cavitating pumps and then used to detect the incipient of cavitation and its development. It was also used to determine the net positive suction head required or the critical value, as well as to prevent cavitation in the pump by means of initiating an alarm, shutdown or control signal via an electrical control system.     

离心泵叶轮内部湍流流动的数值计算及试验

对IH65型离心泵叶轮内部流动进行研究,基于Reynolds时均化的N-S方程和标准的k – e 两方程湍流模型,运用流场计算软件Fluent,计算该泵叶轮在不同工况下的内部流场,并将计算结果与粒子图像测速仪(PIV)实测结果进行比较。在对该泵叶轮内部流速分布、压力分布以及试验得到的流动撞击、二次流、回流等现象分析的基础上,提出设计上的一些改进措施,为该型泵叶轮优化设计及其内部两相流动研究提供参考。     

离心泵叶轮内部粘油流动激光测速计测量

利用二维激光测速计系统准确地测量了离心泵输送粘度为４８ｍｍ２／ｓ粘油时最优和小流量工况叶轮内部流动。试验表明,叶片吸力面有很宽的尾流,压力面不存在射流,叶轮内部流动属主流／尾流模型。尾流位于吸力面／前盖板、吸力面／后盖板拐角处,并覆盖整个吸力面。由最优工况变到小流量工况,尾流有扩大趋势。     

带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场的数值模拟

对带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场进行数值模拟。计算采用雷诺时均方程和修正了的 湍流模型,在压强连接的隐式修正法(SIMPLE—C)建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算。计算结果揭示了带分流叶片离心泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布规律,并对增加分流叶片后叶轮内部的流动状况进行了分析和研究,研究结果将对带分流叶片的离心泵进行性能预测和优化设计有指导 意义。