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外场驱动血泵磁力耦合传动受力分析

发布时间：2024-09-01 来源：未知

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2

第25卷2006年第6期6月机械科学与技术

MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.25JuneNo.62006

文章编号:100328728(2006)0620725203

外场驱动血泵磁力耦合传动受力分析

龚中良,谭建平

(中南大学机电工程学院,长沙　410083)

龚中良

摘　要:根据外场驱动血泵耦合传动时磁场动态分布,引入磁心概念。采用解析方法对径向充磁磁齿轮在传动过程

中径向受力及传递扭矩变化规律进行分析,建立了计算磁齿轮啮合传动时径向耦合力及传递扭矩的数学模型。结果表明,外场驱动血泵在啮合传动过程中,径向力和传递扭矩均是周期变化的。关　键　词:磁齿轮;磁力耦合;血泵中图分类号:TM351　　　文献标识码:A

AnalysisoftheMagneticCouplingForceTransmnFieldDrivenBloodPumps

J(CollegeofMechanical&SouthUniversity,Changsha410083)Abstract:tfieldsduringthemagneticcouplingtransmis2sionofblbyfields,thepaperanalyzedtherulesofchangeintheradialforcetransmissionofradicalmagneticgearsbymeansofanalyticcalculation,andmaticalmodelforcalculatingtheradialmagneticcouplingforceandtorque.Theconclusionsshowthattheradialforceandtorquechangeincyclicperiodsduringthetransmission.Keywords:magneticgear;magneticcoupling;bloodpump

　　齿轮传动在机械工程中得到了广泛的应用,齿轮传动的优点是传递力矩大,而且不会产生法脱偶现象。但齿轮传动时,齿面直接接触,不可避免造成齿面的摩擦和磨损,必须进行有效的润滑,以提高齿轮的传递效率,延长使用寿命。

目前磁力耦合传动的研究主要集中在磁联轴器,如端面充磁力耦合联轴器,圆筒型磁力耦合联轴器等形式[1,2]。如图1所示

。

耦合部件之间没有相对运动,除非出现脱偶现象。因此,在计算磁联轴器的相互作用力及传递扭矩时完全可以将其视为静止的状态来研究[3,4]。

磁齿轮耦合传动是通过径向充磁永磁体的转动来驱动另一径向充磁永磁体,从而达到能量传递的目的[5～7]。图2为3对极磁齿轮磁粉啮合示意图。这种径向充磁的永磁体通过磁力耦合的传动,类似于机械齿轮传动过程。

根据齿轮的工作原理,磁齿轮在传动时,主动轮与从动轮相向转动,对于径向充磁的磁齿轮,其耦合磁场将随两轮的角位移而发生变化,径向耦合力与耦合力矩也将随耦合磁场的变化而发生改变

。

图1　两种典型的磁偶合联轴器示意图

磁联轴器在动力传递时,其耦合磁场是相对稳定的,即

图2　径向充磁磁齿　　　　　　图3　血泵叶轮转子

收稿日期:20050706

基金项目:国家自然科学基金项目(50275151)资助

作者简介:龚中良(1965-),男(汉),湖北,副教授,博士研究生

E2mail:gzlaa@163.

com

轮磁粉啮合

旋转时受力图

2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机械科学与技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第25卷726

1　血泵叶轮转子的受力分析

不考虑血泵叶轮转子的制造误差而产生的转动惯性力及轴承处的摩擦力,血泵叶轮转子在旋转过程的受力如图3所示。

P=P0+G

(1)

计算公式得c1=6.36mm,c2=2.12mm。各磁极之间耦合距离的变化如图5所示。

式中:P为转子下端轴承的支撑力;P0为血液泵出时对叶轮的反作用力;G为叶轮转子的重力。

(2)F=T1+T2

式中:F为叶轮转子与外磁体之间的吸引力;T1,T2分别为叶轮转子上下端轴承座的径向支撑力。

设主动轮与从动轮两轴平行,且轴向对称,则T1=T2,且轴向力与磁耦合无关。

则F=2T　　(T=T1=T2)。

2　磁齿轮啮合传动过程中的受力分析

图5　3.2　因为血泵转子结构较小,

为了简化受力分析与计算,忽略因磁源相对位置变化而使磁心发生的变化。设S1,N1,S2,N2的磁心分别为A、B、C、D,且

AO1=BO1=c1;CO2=DO22

,,

)αL-Fbcos

xL1

L1

,F1y=

L1,M1y=-

又设:N1与S2之间的吸引力为F1;NF2;S1与N23;S2F4。

显然,。图4。

M1x=-

α(L-asinα)FccosαcosαFbcsin

L1

同理可对N12N2的排斥力F2计算如下

α)αF(L-bsinFacos

F2x=-L2L2

,F2y=-L2

M

2x=

α(L-bsinα)Fccos

,M2y=

αcosαFcasin

L2

S12N2吸引力F3为

F3x=M3x=

α)F(L+asin

L3

,F3y=-

αFbcos

L3

α(L+asinα)F3c1cos

,M3y=-

αcosαF3bc1sin

L3

S12S2排斥力F4为

图4　磁齿轮传动过程中受力分析

F4x=-M4x=-

α)F(L+bsin

L4

,F4y=

αFacos

L4

α(L+bsinα)Fccos

3　磁齿轮耦合传动时径向力与传递扭矩计算

,M4y=

2

αcosαFcasin

L4

为了使计算简便,以主动轮为对象,根据力的叠加原

理,分别对F1、F2、F3、F4进行计算。3.1　各磁极磁心距变化

根据无相位差啮合时主动轮与被动轮之间的几何关系,可以计算出

L1=L2=L3=L4=

(bcosα)2+(L-asinα)2(acosα)2+(L-bsinα)2(bcosα)2+(L+asinα)2(acosα)2+(L+asinα)2

(3)

　　根据场力计算公式

F=ηB1B2/Li

式中:η为磁介质系数;B1、B2分别为主从动轮单极磁能积。

αL+2csinαL-2csin

T=ηB1B2c1-++33

L1

3

L2

αL+2csin

3

L3

-

L-2csin

L4

式中:a=c1+c2;b=c1-c2;L1,L2,L3,L4分别为磁心距。

根据血泵外场驱动所需的结构参数,当L=60mm主动轮直径d1=30mm,从动轮直径d2=10mm时,按重心

　　根据人体心脏的工作参数(压力差为13.3kPa,流量为5L/min),可以计算出人体心脏的输出功率为1.1W,考虑到人工血泵传递效率等因素,取外磁驱动转子的输出功率为5W,叶轮转速为12000r/min,则可计算出

42

ηB1B2=2.25×10(N mm)

Fx=

∑F

i=1

4

ix

=ηB1B-+33

L1L2

2

第6期　　　　　　　　　　　　　龚中良等:外场驱动血泵磁力耦合传动受力分析

-33L3L4

Fy=F=

aidedmachiningdevices[J].ics,2000,36(4):1837～40

727

IEEETransactionsonMagnet2

∑

i=1

4

Fiy=ηB1B2

cos

2

3-3-3+3

L1L2L3L[5]　YaoYD,etal.Radialmagneticcouplingstudiesofperpendicu2

larmagneticgears[J].1996,32(5):5061～5063

[6]　陈匡非,杜玉梅.平行轴永磁齿轮的特性研究[J].微特电机,

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[7]　李佳民.双轴式磁齿轮之最佳化耦合机制研究[D].台湾中

IEEETransactionsonMagnetics,

Fx+Fy;<=atan(Fy/Fx)。

2

式中:<为径向力与X轴角度。

正大学,1985

(上接第701页)6　结论

图6　径向力及传递扭矩的变化曲线

,,Y(0～0.008N),。不利于润滑血膜的形成,但正因为这种波动,使得轴在轴承中的位置是周期变化的,可以减少血液溶血和血栓形成。

系统的最新发展,继、质量轻、价格。经过仿,AMT相比,即能在加速性,。油过程中,其缓冲起始压力、终止压力、缓冲时间可根据车辆实际要求设定的高速开关阀占空比变化曲线控制主油压变化,因此缓冲起始压力、终止压力、缓冲时间都可以在不进行结构调整的情况下,通过调整高速开关阀脉宽信号占空比完成。曲线形状可以满足换档过程中压力缓冲曲线的要求。

[参考文献]

4　结论

采用解析几何方法计算磁齿轮传动过程中齿轮所受径向力是一种较为简便的方法。实验证明,对于两磁齿轮轴间距较大(L/d2>5)的情况下,解析方法计算的结果与实验结果基本吻合。因此,在研究人工心脏磁齿轮啮合传动时,可以采取这种简便的方法。

外场驱动血泵叶轮转子过程中,轴承所受的径向力是周期性变化的,这种周期性的变化将导致转子处于一种强迫振动状态。因此在研究血液润滑血泵轴承时,必须考虑该振动对润滑血膜形成的影响。

磁齿轮传递的额定扭矩大小随啮合角不同而产生周期变化,因而血液作为弹性流体必将在血泵轴向产生窜动现象。

[参考文献]

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