摘 要

近年来，心力衰竭症已成为各种心脏病患者最主要的死亡原因，对于心力衰竭症的治疗也成为一个世界性的公众卫生问题。传统药物治疗和外科手术由于具有局限性并不能很好地阻止患者病情的发展，心脏移植也由于严重缺乏供心而无法得到广泛应用，于是心室辅助装置血泵应运而生。轴流式血泵作为实现心脏泵血功能的替代品，能有效解决传统治疗方式和心脏移植中存在的问题。本课题将针对基于磁悬浮技术的轴流式血泵展开设计分析。由于采用磁悬浮技术使转子悬浮于空中，血泵运转时不产生接触和摩擦，因此具有免润滑、耗能小、工作寿命长、调控方便的特点，同时整体结构简单，外形尺寸小，适于植入人体。目前轴流式磁悬浮血泵的研究已经成为生物医学工程领域的焦点。

血泵稳定、可靠工作的前提是叶轮能够很好地悬浮并输送血液，叶轮结构也直接决定着血泵泵血功能能否很好地实现，因此轴流式磁悬浮血泵的叶轮和磁力支承系统是血泵中最为重要的两部分结构，同时也是目前国内外学者们的主要研究内容。

论文在归纳总结国内外研究血泵的理论基础上，通过升力法设计轴流式磁悬浮血泵的叶轮结构，采用等效磁荷法对血泵磁力支承系统进行了分析，同时使用三维建模软件对血泵的整体结构进行模型创建，并得到血泵各部件的具体结构。最后采用仿真分析软件对血泵进行流体动力学分析，讨论流道内压力等参数的分布情况。

关键词：血泵，磁悬浮，叶轮，磁力支承

Abstract

In recent years, heart failure has become one of the most important causes of death in patients with various heart diseases. The treatment of end stage heart failure has become a worldwide public health problem. Traditional drug therapy and surgery cannot well prevent the development of patient's condition because of its limitations, heart transplantation also have not been widely used due to a serious lack of donor heart, so Ventricular assist device for blood pump arises at the Right time. Axial flow blood pump can effectively solve the problems of traditional treatment and heart transplantation as an alternative to realize the heart pumping function. the rotor is suspended in the air Due to using of magnetic bearings, so it has no contact, no friction, no lubrication, low power consumption, long service life, can be controlled and adjusted, and has the advantages of simple structure, small shape, suitable for the human body.

The premise of stable and reliable work of blood pump is that the impeller can suspend and pump blood well, impeller structure also directly determines that the blood pump can achieve function well or not, thus, the impeller and magnetic bearing system is the most important two part of the axial flow magnetic blood pump, at the same time, it is the main research contents of scholars at home and abroad.

The impeller structure is designed through the lift method and the analysis of magnetic bearings through the equivalent magnetic charge after summarizing and concluding the research results of home and abroad, the overall axial flow magnetic blood model is created and analyzed by using of 3D modeling software in order to get the blood pump in various parts of the Specific structure model. The ANSYS software was used to analyze the fluid dynamics of the blood pump, and the distribution of the parameters such as the pressure in the flow channel was discussed.

Key words: blood pump, magnetic levitation, impeller, magnetic support

目录

第1章 绪论 1

1.1提出课题 1

2.2心脏及心脏泵的工作原理 1

1.3轴流式磁悬浮血泵的研究现状 3

1.3.1国外研究现状 3

1.3.2国内研究现状 6

1.4设计内容、目标及拟采用的技术方案 7

1.4.1研究内容 7

1.4.2研究目标 7

1.4.3拟采用的技术方案 8

第2章 轴流式磁悬浮血泵流体部件设计 9

2.1轴流式磁悬浮血泵整体结构提出 9

2.2轴流式磁悬浮血泵流体部件设计 9

2.2.1轴流式血泵叶轮设计的假设与基本方程 10

2.2.2轴流式血泵基本参数介绍 10

2.2.3轴流式血泵叶轮结构设计 11

2.2.3.1叶轮结构设计 11

2.2.3.2后导叶轮结构设计 14

2.2.3.3前导叶轮结构设计 25

第3章 轴流式磁悬浮血泵支承结构设计 16

3.1磁力轴承的种类和特点 16

3.1.1磁力轴承的分类 16

3.1.2磁力轴承的特点 16

3.2磁力轴承的基本工作原理 17

3.3磁力轴承的设计 18

3.3.1磁力轴承的布置 18

3.3.2径向永磁偏置轴承结构设计 18

3.3.2.1径向轴承铁磁材料的选择 19

3.3.2.2径向轴承总体形式的选择 19

3.3.2.3径向轴承定子槽型与磁极数的选择 20

3.3.3径向轴承磁路分析 21

3.3.4径向轴承参数设计 25

3.3.4.1线圈绕组设计 26

3.3.4.2定子参数设计 26

3.3.4.3永磁体设计 27

3.3.5轴向轴承设计 29

第4章 轴流式磁悬浮血泵整体结构设计与分析 32

4.1轴流式磁悬浮血泵的位置检测装置 32

4.2轴流式磁悬浮血泵的驱动部件 33

4.3其余零部件 34

4.3.1血泵外壳 34

4.3.2叶轮管道 35

4.3.3轴向轴承定子紧固件 35

4.3.4旋转轴及套筒 36

4.4轴流式磁悬浮血泵的流场分析 37

4.4.1基本理论 37

4.4.2流场分析 38

第5章 总结与展望 42

5.1分析总结 42

5.2前景展望 42

参考文献 44

致谢 46

第1章 绪论

1.1提出课题

心脏是人体内最为重要的具有精确控制作用的器官之一。但据可靠统计，全球每年大约有1000万人死于心力衰竭症，心衰已成为全人类共同面对的医学问题，即使在欧美等医学比较发达的国家，慢性心力衰竭的病发率以及随之而来致残致死的危险性也在不断增高，心力衰竭症俨然已成为心血管疾病中最主要的死亡原因^[3]。在目前针对心力衰竭症的治疗方面，传统的药物治疗和外科治疗（例如瓣膜置换或修复等）方式明显不能很好地阻止患者病情的发展，心脏移植也由于供体严重缺乏无法得到广泛应用。

人工心脏泵是指利用人工制造的机械装置完全或部分代替心脏泵血功能，完成心脏移植前的过渡性治疗或心功能恢复的永久性治疗^[4]。人工心脏泵可以增加心衰患者的心排血量，使心脏的压力减小，血液流动情况好转，明显减轻患者症状，部分患者甚至可完全恢复心肌功能^[5]。