一种无轴血泵

1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种无轴血泵。


背景技术：

2.随着我国人口老龄化加剧以及人们生活习惯的改变，心血管疾病发病率剧增。而几乎所有的心血管疾病最终都会导致心力衰竭的发生。心力衰竭简称心衰，是指由于心脏的收缩功能和(或)舒张功能发生障碍，不能将静脉回心血量充分排出心脏，导致静脉系统血液淤积，动脉系统血液灌注不足，从而引起心脏循环障碍症候群。心脏移植是终末心衰治疗的最佳方案,但面临着供体极度短缺的问题。
3.人工心脏辅助为一种治疗心衰的手段，是心脏移植术有效的替代方案，在心力衰竭治疗领域未来的应用前景非常广阔。人工心脏是心血管医疗器械中科技含量最高的技术之一,属于典型多学科交叉渗透的高端产品，聚集了包括机械设计、流体力学优化、微电子电路、自动化控制、外科学等多领域技术，人工心脏至少包括血泵、驱动装置、监控系统、能源等部分。其中流体动力装置，即血泵，决定着人工心脏泵血能力的强弱，并与患者短期和长期并发症密切相关，因此最为重要。
4.现有的血泵如图1所示，该血泵包括设置在套体内的泵体和设置在泵体外的驱动装置两部分，所述泵体包括套体、前导叶、转子导体和后导叶，前导叶、转子导体和后导叶的轮毂采用整体流线形一体化设计，利用中心轴带动叶轮的旋转驱动血液的流动。
5.现有的血泵存在以下缺陷：
6.1)、目前的血泵产生的血流为旋转血流，因此需要前后导叶，才能保证血液的直线流动，这导致血泵的无用功增加；
7.2)目前的血泵包含前后导叶，导致体积加大(特别是泵长度增加)，重量增加，安装位置受限。即使安装于狭小的胸腔后，机体负担加大；
8.3)安装时使用较长的人工血管、以及复杂的血泵结构，使血液与异物接触面大，容易出现血栓形成、感染等并发症；
9.4)传动轴在转动输出动力过程中不可避免的机械磨损和耦合振荡会产生相当大的噪音。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种无轴血泵，解决现有血泵易产生溶血、噪音大的问题，且结构简单，无需前后导叶。
11.本发明通过下述技术方案实现：
12.一种无轴血泵，包括支撑壳、定子绕组、轴承外圈、轴承内圈、转子导体、叶轮和叶轮外圈；
13.所述轴承外圈设置在支撑壳内侧，所述轴承内圈设置在轴承外圈内侧，所述轴承内圈能够在轴承外圈内侧转动；
14.所述叶轮设置在叶轮外圈内壁上，所述叶轮外圈的外壁与轴承内圈的内壁连接，所述转子导体嵌入轴承内圈内，所述转子导体设置有多个，多个转子导体呈均匀周向布置在轴承内圈内；
15.所述定子绕组设置在支撑壳外壁与转子导体相对应的位置；
16.所述支撑壳、轴承外圈、轴承内圈和叶轮外圈同轴设置，且所述支撑壳和轴承外圈分别对叶轮外圈的轴向两端进行限位；
17.所述叶轮外圈的内壁设置有多个叶轮，所述叶轮的安装角自外向内呈逐渐增大趋势，即叶轮越接近圆心位置的安装角越大，且所述叶轮的尖端朝向叶轮外圈的轴心。
18.本发明所述血泵与现有血泵最大的改进在于无轴，取消了传统电机的轴部机械传动结构，本发明将叶轮固定在叶轮外圈内壁，所述叶轮外圈对叶轮起到支承作用，叶轮随着叶轮外圈转动，实现了本发明所述血泵的机械结构与轴系结构(现有血泵)相比发生了根本性的改变，动力输出模式从主机-传动轴-叶轮直接简化为电动机-叶轮。
19.本发明所述血泵的推进方式将叶轮与支撑壳内的转子导体相固定(叶轮外圈与轴承内圈之间的连接方式包括以下三种：1.二者可以使用模具一次成型，或使用精密车床制作；2.将叶轮外圈嵌入轴承内圈的方式，叶轮外圈与轴承内圈采取过盈配合，两者进行紧密固定，或焊接，可采用压焊的方式，在加热或不加热状态下，对组合体之间施加压力，使其产生塑性变形或融化，并通过再结晶和扩散等作用，使叶轮外圈外壁表面与轴承内圈内壁表面这两个分离表面间的原子间形成金属键而连接，3.在两者的连接处使用双组份环氧树脂或瞬干胶水进行固定)，当转子导体旋转时即产生动力。支撑壳内的转子导体动力来源是位于轴承外圈的定子绕组，当定子绕组通电产生旋转的磁场带动转子导体及整个内部转子旋转，以达到驱动血液的目的。
20.本发明的支撑壳、定子绕组和轴承外圈构成固定部分，所述轴承内圈、转子导体、叶轮和叶轮外圈的组合体构成转动部分，本发明能够使血液仅接触到叶轮和叶轮外圈内壁，将血液与叶轮外圈以外的部分相隔离。
21.因此，本发明的无轴驱动式结构解决了现有轴系结构的机械传动易造成机械磨损、发热、溶血、凝血、感染、噪音大的问题。
22.并且，本发明的叶轮采用叶轮外圈实现定位支承，且叶轮外圈的两端分别通过支撑壳和轴承外圈进行轴向限位，极大改善了转子转动的稳定性，即使在低速状态下转子也能够保持较好的转动稳定性，叶轮的转动中心也几乎不会发生偏移。
23.本发明所述叶片某一半径处对应的安装角具体是指，以该半径作的圆柱面与叶片所截得剖面的弦长与圆柱底面(旋转面)的夹角。
24.并且，本发明叶轮外圈的内壁设置有多个叶轮，所述叶轮的尖端朝向叶轮外圈的轴心，形成“内圈圆环(包括叶轮、叶轮外圈及轴承内圈)在外圈圆环(轴承外圈不转动的部分) 内部旋转”的独特结构。本发明的叶轮(桨叶)从外到内安装角逐渐增大，最外部(叶轮与叶轮外圈连接处)的安装角最小，最内部(最接近轴心处的叶片尖端)安装角最大。这种浆叶设计后的效果：产生的血流速度以轴向速度为主，切向速度极小，无需前后导叶。
25.桨叶的平面展开形状可以设置为矩形、梯形、混合梯形、翼尖后掠形等形状。
26.另一方面，安装角越大，叶片所受到的阻力越大，所以切向线速度较大的叶轮外圈处的叶片安装角不宜过大，安装角优选为5
°
～45
°
。
27.进一步地，轴承外圈的外壁与支撑壳的内壁紧密接触并固定，所述叶轮外圈的外壁与轴承内圈的内壁紧密接触并固定。
28.进一步地，轴承外圈与轴承内圈之间采用固体自润滑方式连接。
29.本发明采用固体自润滑轴承支撑叶轮旋转，无需润滑油进行保养，具有机械振动小，噪音低、寿命长等优点。
30.进一步地，支撑壳的一端沿着径向向内延伸形成第一环形档板，所述轴承外圈的一端沿着径向向内延伸形成第二环形档板，所述第一环形档板和第二环形档板分别用于对叶轮外圈的轴向两端进行限位。
31.进一步地，第一环形档板沿着轴向向外延伸形成第一连接端，所述第二环形档板沿着轴向向外延伸形成第二连接端，所述第一连接端和第二连接端用于与人工血管连接。
32.进一步地，第一连接端和第一连接端的外壁均设置有环形槽，还包括与环形槽相配合的固定圈。
33.进一步地，固定圈为采用卡扣式金属圈，所述采用卡扣式金属圈的内壁设置有与环形槽相配合的环形凸起；当人工血管接上第一连接端和第二连接端时，采用固定圈对人工血管进行固定并密封。
34.进一步地，定子绕组设置有多组，多组定子绕组在支撑壳的外壁呈周向均匀布置，每组之间采用导线进行连接，同一导线相连的两组定子绕组在圆周上对称分布，且对称分布在支撑壳圆周两侧的定子绕组的导线缠绕方向相反，同一组定子绕组至少包括一个磁芯并呈直线放置，同一组定子绕组中导线在每一磁芯上以相同方向缠绕成线圈。
35.本发明采用线圈缠绕磁芯，并使用多个磁芯并列组成一组定子绕组，线圈通电时可使得定子绕组产生穿过磁芯的磁场。在圆周外布置多组定子绕组，可控制每组定子绕组的电流按余弦规律变化产生随轴线转动的磁场，使得转子导体中产生感应电流，以此带动整个转子转动。
36.本发明可根据实际需求调整定子绕组、转子导体的数目和单组定子绕组内磁芯的数目，以获取合适的扭矩和转速。
37.进一步地，叶轮外圈的内壁设置有3个叶轮。
38.进一步地叶轮的表面和叶轮外圈的内壁，以及轴承外圈和支撑壳的内壁与血液接触的部分均设置有肝素涂层或其他涂层，抑制了凝血及血栓的形成，并大幅度减少细胞在叶轮表面粘附，或钽金属镀层，形成稳定的氧化膜，不与体液发生反应。
39.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
40.1、本发明采用无轴驱动，能量效率较高；传统的有轴泵推在推进过程中需要进行主轴传动和变速，其机械效率一般为50％左右，能量效率甚至更低。无轴泵推由于采用直接电磁驱动且无多余的机械传动模块，其机械效率就可以接近80％。
41.2、本发明采用的无轴泵推动技术相比传统的轴系结构，其本身的固有振荡频率和机械接触噪音非常之小，极大地减小了对人体的干扰。
42.3、本发明不易导致因发热容易产生的溶血；与血液的接触面积较小，且几乎均为运动结构，避免了凝血物质和细胞在叶轮和壁的沉积，因此采用本发明所述血泵血栓形成风险减少。
43.4、本发明所述血泵占用空间小，血泵安装简单，创伤小，满足植入人体的需求。可
灵活根据血管粗细来调整连接位置(第一连接端和第二连接端)的直径，且由于应用电磁效应驱动叶轮转动，其动力来源仅为定子绕组与转子导体之间的感应电磁力，密封效果极好，避免了传统的电动机-传动轴-螺旋桨之间存在的结构密封问题。
44.5、本发明所述血泵结构稳定、可靠，在任何转速状态下均能保持相对稳定旋转；在任意角度放置均可正常运行，如植入人体使用也不受人体姿势影响。
附图说明
45.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
46.图1为现有血泵的结构示意图；
47.图2为本发明血泵的整体结构示意图；
48.图3为本发明血泵固定部分的结构示意图；
49.图4为本发明血泵转动部分的结构示意图；
50.图5为叶轮和叶轮外圈的结构是示意图一；
51.图6为叶轮和叶轮外圈的结构是示意图二；
52.图7为叶轮的结构示意图一；
53.图8为叶轮的结构示意图二；
54.图9为单个叶轮的结构示意图；
55.图10为叶轮的平面展开形状为梯形的示意图；
56.图11为定子绕组在支撑壳外圆周上布置示意图；
57.图12为每组定子绕组的结构示意图；
58.图13为图11中a、b、c三组定子绕组的电流按余弦规律变化示意图。
59.附图中标记及对应的零部件名称：
60.1-支撑壳，2-定子绕组，3-轴承外圈，4-固定圈，5-轴承内圈，6-转子导体，7-叶轮，8
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叶轮外圈，201-第一磁芯，202-第二磁芯，203-第三磁芯，204-第四磁芯。
具体实施方式
61.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
62.实施例1：
63.如图2-图13所示，一种无轴血泵，包括支撑壳1、定子绕组2、轴承外圈3、轴承内圈5、转子导体6、叶轮7和叶轮外圈8；
64.所述轴承外圈3设置在支撑壳1内侧，所述轴承内圈5设置在轴承外圈3内侧，所述轴承内圈5能够在轴承外圈3内侧转动；
65.所述叶轮7设置在叶轮外圈8内壁上，所述叶轮外圈8的外壁与轴承内圈5的内壁连接，所述转子导体6嵌入轴承内圈5内，所述转子导体6设置有多个，多个转子导体6呈周向均匀布置在轴承内圈5内；
66.所述定子绕组2设置在支撑壳1外壁与转子导体6相对应的位置；
67.所述支撑壳1、轴承外圈3、轴承内圈5和叶轮外圈8同轴设置，且所述支撑壳1和轴承外圈3分别对叶轮外圈8的轴向两端进行限位。
68.在本实施例中，所述轴承外圈3的外壁与支撑壳1的内壁紧密接触并固定，所述叶轮外圈8的外壁与轴承内圈5的内壁紧密接触并固定；所述轴承外圈3与轴承内圈5之间采用固体自润滑方式连接。
69.在本实施例中，所述支撑壳1的一端沿着径向向内延伸形成第一环形档板，所述轴承外圈3的一端沿着径向向内延伸形成第二环形档板，所述第一环形档板和第二环形档板分别用于对叶轮外圈8的轴向两端进行限位所述第一环形档板沿着轴向向外延伸形成第一连接端，所述第二环形档板沿着轴向向外延伸形成第二连接端；所述第一连接端和第一连接端的外壁均设置有环形槽，还包括与环形槽相配合的固定圈4；所述固定圈4为采用卡扣式金属圈，所述采用卡扣式金属圈的内壁设置有与环形槽相配合的环形凸起。
70.即在本实施例中，所述支撑壳1和轴承外圈3均为一端大一端小的圆形凸台结构，所述轴承外圈3的大端能够插入支撑壳1的大端内侧，所述支撑壳1和轴承外圈3的小端分别为第一连接端和第二连接端，用于与人工血管连接，当人工血管接上第一连接端和第二连接端时，采用固定圈4对人工血管进行固定并密封。
71.本实施例所述血泵的装配过程如下：
72.转子导体6嵌入轴承内圈5内侧，沿圆心轴均匀平行布置，叶轮7与叶轮外圈8为一体式结构，使叶轮外圈8的外壁与轴承内圈5的内壁紧密接触不泄露；将定子绕组2固定在支撑壳1外壁，将转动部分(轴承内圈5、叶轮7与叶轮外圈8)放入轴承外圈3后，再将支撑壳1套在轴承外圈3外侧，使支撑壳1内壁与轴承外圈3的外壁紧密接触不泄露。轴承内圈 5与轴承外圈3之间采用固体自润滑方式，无需润滑油等进行润滑；如此连接使得转动部分能在轴承外圈3内自由转动，且轴承外圈3与支撑壳1对转动部分的轴向位置进行限制；并将轴承外圈3和轴承内圈5之间的转动部分与血液相隔离。
73.本实施例通过定子绕组2通电产生磁场使得转子导体6转动，进而带动叶轮7转动。
74.实施例2：
75.本实施例基于实施例1，所述定子绕组2设置有多组，多组定子绕组2在支撑壳1的外壁呈周向均匀布置，每组之间采用导线连接，同一导线相连的两组定子绕组2在圆周上对称分布，且对称分布在支撑壳1圆周两侧的定子绕组2的导线缠绕方向相反，同一组定子绕组 2至少包括一个磁芯，并呈直线放置，同一组定子绕组导线在每一磁芯上以相同方向缠绕成线圈。
76.在本实施例中，如图11所示，沿着支撑壳1的外圆周平均布置6组定子绕组2，标记为 a、b、c、a’、b’、c’组。a组与a’组导线相连，b组与b’组导线相连，c组与c’组导线相连。导线相连的两组定子绕组在圆周上对称分布，a,b,c三个连接端可以以
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型或者y型进行连接。
77.每组定子绕组均如图12所示，包括：第一磁芯201、第二磁芯202、第三磁芯203、第四磁芯204。第第一磁芯201、第二磁芯202、第三磁芯203、第四磁芯204成一条直线布置，导线在每一磁芯上以相同方向缠绕成线圈，即每组线圈在通电后产生相同方向的磁场。且对称分布在支撑壳1圆周两侧的定子绕组2的导线缠绕方向相反，如图4所示，a、b、c组定子绕组线圈均顺时针缠绕；a’、b’、c’组定子绕组线圈均逆时针缠绕。当6组定子绕组均通电后，
产生一穿过圆心的磁场。当线圈绕磁芯顺时针缠绕时，则产生一中心向下的磁场；当线圈绕磁芯逆时针缠绕时，则产生一中心向上的磁场。
78.a、b、c三组定子绕组的电流按余弦规律变化，并相位依次相差120
°
。a组电流最大时为计时零点，如图13所示。
79.转子导体6部分以鼠笼式结构以6根导体条平均分布嵌入轴承内圈5，使用短路环将两端分别进行短接。当a、b、c三组定子绕组的电流按余弦规律变化，穿过圆心的磁场绕圆心进行顺时针旋转。在旋转过程中，磁场切割转子导体导体产生感应电动势及感应电流，拥有电流的转子导体导体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动轴承内圈5旋转；轴承内圈5连通叶轮外圈8及叶轮7一起转动。
80.实施例3：
81.本实施例基于实施例1，所述叶轮外圈8的内壁设置有多个叶轮7，且所述叶轮7的尖端朝向叶轮外圈8的轴心，形成“内圈圆环(包括叶轮、叶轮外圈及轴承内圈)在外圈圆环(轴承外圈不转动的部分)内部旋转”。
82.所述叶轮7的安装角自外向内呈逐渐增大趋势，即叶轮7越接近圆心位置(半径越小) 的安装角越大，叶片某一半径处对应的安装角具体是指，以该半径作的圆柱面与叶片所截得剖面的弦长与圆柱底面(旋转面)的夹角；最外部(叶轮7与叶轮外圈8连接出的安装角最小，最内部(最接近轴心处的尖端)安装角最大，另一方面，安装角越大，叶片所受到的阻力越大，所以圆周速度较大的叶片外圈处的安装角不宜过大一般设置为5
°
～45
°
范围内较为合适。
83.在本实施例中，如图5-10所示，叶轮7采用圆弧形叶片，其桨叶的平面展开形状可以设置为矩形、梯形、混合梯形和翼尖后掠形，图10为叶轮的平面展开形状为梯形的示意图，其叶片旋转面为垂直于轴线的平面。叶片越接近圆心处，其圆周速度越小，即需要更大的安装角能对血液产生足够的冲量。叶片的安装角(即叶片叶素弦长与旋转面的夹角)自外向内增大，即叶片越接近圆心位置的安装角越大。
84.转子导体6带动叶轮顺时针旋转，叶片的倾斜面对血液产生轴向的压力，在血液流动方向给血液以冲量来传递动能产生轴向诱导速度，以实现输送血液的功能。而除了对血液产生轴向诱导速度外还产生切向诱导速度，其方向与叶片旋转方向相同，两者合成作用表现为水流经过叶片旋转面后有扭转现象。得血液在经过叶片旋转面后以螺旋状进行有旋流动，之后受流体间粘性力与流体与周壁间附着力影响，其血液周向速度逐渐减小，血液流动趋于稳定。
85.实施例4：
86.本实施例基于实施例1-实施例3任一项，所述叶轮7的表面和叶轮外圈8的内壁，以及轴承外圈3和支撑壳1的内壁与血液接触的部分均设置有肝素涂层，避免产生凝血及血栓，或钽金属镀层，形成稳定的氧化膜，避免与体液发生反应。
87.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。