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血泵大间隙磁力传动系统磁力矩相位角及电磁体温升研究

作　者: 祝忠彦
导　师: 谭建平
学　校: 中南大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 血泵大间隙磁力传动磁力矩相位角温升
分类号: R318.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

将大间隙磁力传动系统用于可植入式微型永磁轴流式血泵的驱动,能有效解决血泵传统驱动方式存在的磨损、导线穿体感染及人体排异性等难以克服的工程和医学上的问题。然而,系统主从磁极间隙的增大将使其驱动力矩迅速减小,而采用等磁力矩相位角进行磁极切换并不能保证系统各磁极状态驱动力矩得到充分利用；系统驱动电磁体在其工作过程中不可避免要产生温升,温升过高既不能使人体适应,又会影响系统的长时间运行。必须为系统找到进行磁极切换的最佳磁力矩相位角和保证电磁体温升在允许的范围内,因此,本文对系统的磁力矩相位角及电磁体温升进行了研究：设计单磁极切换和双磁极切换两种产生驱动磁场的磁极切换方案,通过比较系统的耦合机理、驱动力矩、能量传递效率及电磁体损耗情况,选择采用双磁极切换方式来产生系统所需驱动磁场。利用ANSYS软件对系统驱动力矩进行仿真,通过分析永磁转子所受磁力矩与电磁体四种磁极状态下系统磁力矩相位角之间的关系,提出了系统磁极切换最佳相位角的概念及其求解方法；通过研究不同磁极位置对系统磁极切换最佳相位角的影响规律,得到了最佳相位角的近似计算公式。基于对电磁体传热机制的分析及电磁体各组成材料热性能参数的计算,利用ANSYS软件对电磁体温升进行了数值计算,揭示了电磁体工作时温度过高的问题,并从减少电磁体损耗、改善导热条件及散热条件三个方面提出了保证电磁体最高温度不超过50℃的理论措施。研究结果表明：研究所得系统磁极切换最佳相位角可使电磁体具有最大驱动力矩；通过减少电磁体损耗和改善电磁体散热条件能够有效降低电磁体温升,当电磁体单个线圈通电电流小于0.56A、空气流速大于3.5m/s及空气温度小于10℃时,可以保证电磁体最高温度不超过50℃。研究结论对提高系统驱动力矩、降低电磁体温升、完善血泵大间隙磁力驱动系统的设计方法、保证系统长时间可靠运行等具有重要的理论指导意义。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 课题来源背景与研究意义  8-9
    1.1.1 课题来源  8
    1.1.2 课题背景及研究意义  8-9
  1.2 血泵及其驱动方式的发展历史及研究现状  9-11
    1.2.1 血泵的发展历史及研究现状  9-10
    1.2.2 血泵驱动方式的发展历史及研究现状  10-11
  1.3 磁力传动技术的研究现状及其在血泵驱动中的应用  11-16
    1.3.1 磁力传动技术的研究及应用现状  11-13
    1.3.2 磁力传动技术在血泵驱动中的应用  13-14
    1.3.3 血泵外磁场驱动技术的研究现状  14-16
  1.4 有限单元法在磁力机械热分析中的应用  16-17
  1.5 本文的研究内容及方法路线  17-19
第二章系统磁极切换方案的设计  19-31
  2.1 永磁轴流式血泵外磁驱动原理  19-20
  2.2 大间隙磁力传动系统简介  20-21
  2.3 两种磁极切换方案的提出  21-22
  2.4 两种方案系统耦合机理及驱动力矩仿真比较  22-26
    2.4.1 系统的耦合机理仿真分析  22-24
    2.4.2 系统驱动力矩的仿真比较  24-26
  2.5 两种方案系统能量传递效率及损耗情况计算比较  26-29
    2.5.1 系统能量传递效率及损耗的数学模型  26-28
    2.5.2 计算结果分析  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第三章系统磁力矩相位角的研究  31-43
  3.1 系统驱动力矩的仿真计算  31-33
    3.1.1 仿真步骤  31-32
    3.1.2 仿真结果及分析  32-33
  3.2 系统磁极切换最佳相位角的定义及求解  33-35
  3.3 磁极位置对系统磁极切换最佳相位角的影响  35-40
    3.3.1 耦合距离H对系统磁极切换最佳相位角的影响  35-37
    3.3.2 磁极距离L对系统磁极切换最佳相位角的影响  37-38
    3.3.3 两电磁体相对夹角β对系统磁极切换最佳相位角的影响  38-40
  3.4 系统磁极切换最佳相位角的计算公式拟合  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章系统电磁体温升的研究  43-59
  4.1 传热学基本理论  43-45
    4.1.1 传热基本方式及其定律  43-44
    4.1.2 固体导热微分方程及定解条件  44-45
  4.2 电磁体传热机制分析  45-46
  4.3 电磁体热性能参数的确定  46-50
    4.3.1 内热源的计算  46-48
    4.3.2 热传导过程导热系数的计算  48-49
    4.3.3 热对流过程表面散热系数的计算  49-50
    4.3.4 密度、比热容的计算  50
  4.4 电磁体温升的仿真计算  50-58
    4.4.1 仿真条件及建模假设  50-51
    4.4.2 仿真步骤  51-52
    4.4.3 仿真结果及分析  52-54
    4.4.4 降低电磁体温升的措施  54-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章实验研究  59-70
  5.1 实验系统简介  59-61
    5.1.1 实验装置  59-60
    5.1.2 实验数据的采集方法  60-61
  5.2 实验过程及实验结果分析  61-69
    5.2.1 两种磁极切换方式下系统能量传递效率及损耗测定实验  61-63
    5.2.2 系统电磁场最佳切换相位角验证实验  63-66
    5.2.3 电磁体不同位置温度测定实验  66-69
  5.3 本章小结  69-70
第六章全文总结及工作展望  70-73
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 研究工作展望  71-73
参考文献  73-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间的主要研究成果  81

血泵大间隙磁力传动系统磁力矩相位角及电磁体温升研究

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