霍尔开关在磁悬浮心脏泵转子径向位移检测中的应用

人工心脏泵体积小、质量轻、功耗低、悬浮稳定，成为医学工程和磁悬浮控制领域的重要课题。

心脏泵控制方式一般分为永磁控制、电磁控制和混合控制。永磁控制不需要控制系统，属于被动悬浮，稳定性差;电磁控制通过电磁力实现主动悬浮，控制灵活，能量消耗大;混合控制综合二者优势，在主动控制保证控制精度的前提下，由永磁偏置降低系统功耗。

磁悬浮控制系统中，磁悬浮轴承转子位移检测是实现精确稳定控制的关键环节。由于转子径向2个自由度偏移量之间以及径向偏移量与轴向偏移量之间在位置检测结果中均存在耦合关系，增加了径向2自由度位置检测的难度。

磁悬浮心脏泵结构

离心式磁悬浮心脏泵结构：定子绕组和转子叶轮组成双定子单转子开关磁阻电动机，其中转子叶轮既作开关磁阻电动机转子导通磁路，也作转子叶轮驱动液体流动;定子绕组在轴向两侧各设有一套，且每套绕组均包括主绕组和悬浮力绕组，其中主绕组提供驱动转矩，悬浮力绕组提供转子径向调节力；左右径向永磁轴承位于轴向两侧，与开关磁阻电动机共同实现离心式心脏泵的混合磁悬浮，并通过开关磁阻电动机实个人口位于定子轴向两端，出口位于定子外壳径向外壁。

磁悬浮心脏泵工作原理

离心式磁悬浮心脏泵在径向永磁轴承永磁偏置作用下，完成转子径向和轴向被动悬浮，又在开关磁阻电动机悬浮力绕组的电磁力作用下，实现径向2自由度主动悬浮;由开关磁阻电动机主绕组产生电磁力，驱动转子叶轮旋转，使血液经人口流人，出口流出，实现血液驱动功能。

径向永磁轴承外部磁场分布特性

由心脏泵结构可知，径向永磁轴承内永磁环固定在磁悬浮轴承转子转轴两端，当转子发生偏移时，内永磁环会随之运动，导致径向永磁轴承外部空间磁场分布发生变化，可通过检测径向永磁轴承外部某点处磁感应强度变化反映转子位置变化。由于径向2自由度及轴向位移变化均会引起磁感应强度的变化，为掌握转子位移变化量与磁感应强度间的关系，首先通过有限元软件，仿真径向永磁轴承外部空间磁场变化特性，进而得到转子位移与径向永磁轴承外部某点处磁感应强度间的数学关系。

由图3可知，当内永磁环沿x轴方向发生微小偏移时，A点磁感应强度为x向偏移量Ax的偶函数，且随着偏移量Ox变化，A点磁感应强度值。基本保持恒定，可认为A点磁感应强度与x向偏移量Ax近似无关;由图4可知，当内永磁环沿y轴方向发生微小偏移时，A点磁感应强度随着y向偏移量Ay的增加而增加，近似呈正比例关系，经计算可得，该比例系数为79.40 T/m;由图5可知，当内永磁环沿z轴方向发生微小偏移时，A点磁感应强度随z向偏移量Oz的增加而增加，也近似呈正比例关系，比例系数为33.24T/m，但曲线正比例效果略差于图4曲线。因此，当内永磁环处于平衡位置时，A点磁感应强度为294.84 mT，方向如图2所示。

将4个霍尔开关分别置于图6中A(同图2中A点) ，B，C，D点，具体布置方式如下: A与C，B与D均关于xy平面左右对称分布；A与B，C与D均关于径向永磁轴承轴线旋转对称分布，且旋转角为90°；由于霍尔开关测量时具有方向性，安装时需使霍尔开关平面法线与检测点磁感应强度的夹角为0，以避免霍尔开关的测量误差。