Диссертация (Разработка методов обеспечения требуемой динамики ротора аксиального насоса вспомогательного кровообращения на активных магнитных опорах), страница 4

В настоящее время компанией Jarvik Heart былпредложен ввод питающих и управляющих проводов через сосцевидный отростокчерепа (Jarvik 2000) [143]. Данный метод достаточно эффективно решаетпроблемуинфицирования,носледуетотметитьвозможныепроблемыприживаемости вводного узла, а также необходимости прокладки проводов22значительной длины от головы пациента к питающим элементам, расположеннымна поясе.Проблему передачи питания и управления устройств вспомогательногокровообращения необходимо решать глобально, так как, главным образом,именно она ставит вопрос нормальной активности и мобильности больного.Наличие беспроводного питания и управления также является критерием насосовтретьего поколения.1.2.4.

Проблема пульсаций кровотока на выходе из камеры насосавспомогательного кровообращенияПервые насосы вспомогательного кровообращения – мембранные –относятся к устройствам пульсирующего типа. Пульсирующие насосы имеютбольшие габариты и вес и зачастую, из-за своих размеров, располагаются снаружипациента (Рис.

1.6).Рис. 1.6. Мембранный НВК [166]По сравнению с аксиальными, пульсирующие насосы громоздки иненадежны. Насосы второго поколения – роторные, использующие шариковые,23гидродинамические,рубиновыеподшипники,обеспечиваютнепрерывныйкровоток и спроектированы для длительного применения [175]. Однакоисследования последних лет показали, что устоявшееся мнение по поводубезопасности аппаратов вспомогательного кровообращения постоянного типа,следует пересмотреть.

Было установлено, что при длительном ношении подобныхустройств у пациентов обнаруживаются осложнения, связанные с атрофиейклапанов сердца, нарушением коронарного кровотока, охрупчиванием сосудов и,как следствие, внутренними кровотечениями [110, 142, 152, 162, 182, 184, 191,195]. В этой связи задача создания пульсаций на выходе из камеры насосастановится одной из приоритетных при разработке НВК нового поколения [80,136, 168]. Согласно классификации [123, 136] насос роторного типа безмеханического контакта поверхностей с возможностью работы в пульсирующемрежиме относится к НВК третьего поколения.

Иногда насосами третьегопоколения называют устройства роторного типа только на магнитном подвесе, безвозможности работы в режиме пульсаций.1.3.МагнитныйподвесроторанасосавспомогательногокровообращенияМагнитныеэлектромагнитахподвесымогутпостоянногоилибыть:напостоянныхпеременноготока;смагнитахилирегулированиемположения ротора относительно статора или без регулирования; с LCрезонанснойцепью(магниторезонансныйподвес);индукционныеикондукционные. Весьма подробно этот вопрос изложен в [24, 186]. В роторныхсистемах широкое применение нашли пассивный и активный магнитныеподвесы. Но если активные магнитные подшипники уже получили определенноераспространение, то пассивные подшипники только на стадии разработки [124].В подвесах на постоянных магнитах магнитное поле создается постояннымимагнитами или электромагнитами постоянного тока без регулирования.

Подвестела осуществляется за счет магнитных сил отталкивания или притяжения.24Магнитные подвесы отличаются большой простотой и высокой экономичностью.Однако согласно [24] в поле, создаваемом постоянными магнитами, обеспечитьполную устойчивость неконтактной подвески принципиально невозможно, чтоследует из теоремы Ирншоу. Согласно работе, опубликованной в 1939 году,устойчивая подвеска тела в постоянном магнитном поле возможна лишь в случае,если магнитная проницаемость материала, из которого изготовлено тело, меньшемагнитной проницаемости окружающей среды, т. е.

для диамагнетиков исверхпроводников [24].Для быстроходных роторных систем обычно используются активныемагнитные подвесы (АМП), в которых положение ротора относительно статорарегулируется с помощью системы обратной связи, что обеспечивает устойчивостьположения оси вращения [9, 24, 46, 49, 156].Конструктивно АМП включает электромеханическую часть и электроннуюсистему управления положением ротора. Электромеханическая часть состоит изэлектромагнитных подшипников, ограничивающих возможное перемещениеротора и датчиков перемещения (Рис. 1.7) [24, 156].Рис.

1.7. Принципиальная схема АМП25Измерение положения ротора относительно статора (зазора) осуществляетсяспомощьюдатчиковперемещения,установленныхвсоответствующихпоперечных сечениях ротора. Обычно используются индуктивные датчики,состоящие из статора и мерного кольца, закрепленного на валу ротора, а такжеиндукционные (токовихревые), емкостные и оптические датчики перемещений.Устойчивость подвеса ротора в АМП осуществляется регулированием силмагнитного поля электромагнитов. Смещения ротора из заданного (расчетного)положения равновесия измеряют датчиками перемещения, сигнал которых поцепи обратной связи обрабатывается электронной системой управления токами вобмотках статора таким образом, чтобы магнитные силы восстанавливалиисходное положение ротора относительно статора.Первый АМП был предложен и экспериментально исследован в 1960 г.

Р.Сикссмитом (США). В нашей стране и за рубежом широкое практическоеприменение АМП началось в 70-х гг. XX века [24]. На сегодняшний деньразработками роторных машин с магнитным подвесом занимаются российские изарубежные организации. Среди них ведущими являются [27]:• Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательскийинститут электромеханики с заводом имени А. Г. Иосифьяна» (ФГУП«НПП ВНИИЭМ»), г. Москва;• ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.

Б. Шнеппа», г. Казань;• Инженерно-консультационный центр ООО «Альфа-Транзит», г. Москва;• НИИ прикладной математики и кибернетики, г. Нижний Новгород;• ООО «Турбопневматик», г. Пермь;• Псковская инженерная компания, г. Псков;• SKF, Швеция [22];• AVCON, США;• Center for Magnetic Bearings, University of Virginia, США.26Средиисследований,посвященныхАМП,следуетотметитьфундаментальные работы Ю. Н. Журавлева [24], G.

Schweizer [185, 186],E. Maslen [156, 157, 186], A. Chiba [107], а также исследования H. Bleuler,A. Gerami, P. Allaire, J. Hillyard, K. Hynynen, A. D. Gomez, В. П. Верещагина,М. К. Леонтьева, Г. Ю. Мартыненко.ДлярасчетароторныхмашинсАМПсуществуетспециальноразработанный стандарт ISO 14839 (ГОСТ Р ИСО 14839 [11]).Устойчивость магнитного подвеса, так же как и необходимые жесткость идемпфирование АМП, достигают соответствующим выбором закона управления[107, 156, 186, 196].1.4.Исследование подходов к управлению положением ротора насосавспомогательного кровообращения на активных магнитных подшипникахВ отличие от исследований, посвященных изучению поведения крови вкамере насоса: вопросам моделирования [3, 51, 85, 93, 94 – 97, 113, 123, 164, 173,189, 197, 198, 201, 204], с акцентом на повреждение клеток крови [82, 86, 97, 130,176, 188, 204, 207] – значительно меньше работ посвящено исследованиямдинамики ротора НВК в магнитном поле АМП [81, 129, 131, 165].

Применениемагнитных подшипников в устройстве НВК и вопросы управления магнитнымподвесом рассматриваются в [81, 84, 87, 106, 129, 131, 165, 174]. В работе [129]предложено управление положением ротора в магнитном поле подшипников наоснове ПИД регулятора и Sliding Mode Control. Исследования [106, 115, 131]посвященымоделированиюдинамикироторанасосавспомогательногокровообращения на АМП с ПИД законом регулирования. Пропорциональноинтегральный регулятор как управляющее логическое устройство использован ванализе [150, 202]. В работе [27] предложен ПИД регулятор с адаптивнойжесткостью.

Следует отметить, что во всех найденных работах, посвященныхисследованиям динамики ротора НВК и управлению поведением ротора,рассматривается линейная модель магнитного подвеса.27Что касается отечественных разработок НВК, то найденные исследованиякасаютсясозданногонабазеФГБУ«Федеральногонаучногоцентратрансплантологии и искусственных органов им. ак. В. И.

Шумакова» иНациональногоэлектроннойисследовательскоготехники» насосауниверситетавспомогательного«Московскийинституткровообращениявторогопоколения «Спутник» (в качестве опор ротора использованы подшипникискольжения). Одну из последних работ команда исследователей посвятилауправлению режимами работы насоса вспомогательного кровообращения,использующий перепад давления в насосе для вычисления пульсационногоиндекса [57].

На сегодняшний день о разработках НВК третьего поколения, т. е. сбесконтактными магнитными опорами и пульсирующим кровотоком, в России –нет данных.Среди ученых, внесших неоценимый вклад в развитие и разработку НВК,следует отметить M. DeBackey, H. M. Reul, M. Akdis, S.

Leonardt, J. Hoffman,J. Apel, M. Behr, R. John, M. Behrbahani, O. H. Frazier, K. D. Reesink, D. Timms,A. Arndt, T. Merkel, A. D. Gomez, С. В. Селищева, Г. П. Иткина, С. В. Готье,В. В. Морозова.Выдающимися работами по роторной динамике являются исследованияA. Muszynska [161], G. Genta [126], G. Schweizer [186], справочник Вибрации втехнике в 6-ти томах под председательством В. Н. Челомея [73], а также трудыВ. В. Болотина [6], Э. Л. Позняка, H. H. Jeffcott, F.