Recent advancements in permanent magnet motors technology for medical applications

The paper discusses new constructions of permanent magnet (PM) brushless motors for medical and surgical devices, especially for implantable axial flow and centrifugal blood pumps. These motors usually have slotless stators and rotors integrated with pump impellers. Magnetic or hydrodynamic bearings are used because this type of bearings secures the longest life. Therapy, surgery and health care are, today, increasingly dependent on electrical and electronics engineering.

Obecnie wiele urządzeń medycznych oraz chirurgicznych wymaga wysokiej jakości małych silników elektrycznych o magnesach trwałych. W artykule omówiono nowe silniki bezszczotkowe o magnesach trwałych stosowane w urządzeniach zainstalowanych chirurgicznie wewnątrzustrojowo, w szczególności silniki do pompowania krwi. Silniki pracujące wewnątrz ciała ludzkiego muszą odznaczać się bardzo małym ciężarem, bardzo dużą niezawodnością, temperatura pracy nie przekraczająca temperatury krwi ludzkiej, możliwością pracy w środowiskach agresywnych chemicznie oraz tolerowaniem przypadkowych uszkodzeń. Jako magnesy trwałe stosuje się NdFeB o najwyższej osiągalnej energii, obudowy stojana i wirnika ze stopów tytanowych, łożyska magnetyczne lub hydrodynamiczne oraz nowe tworzywa sztuczne i kompozyty na pozostałe elementy. Urządzenie do wspomagania lewej komory serca (LVAD) jest pompa elektromechaniczna implantowana wewnątrz klatki piersiowej, która umożliwia pracę serca nie będącego w stanie pompować krwi samodzielnie. Pacjent z wszczepionym LVAD oczekuje w tym czasie na znalezienie odpowiedniego dawcy oraz transplantacje serca. Rysunek 1 oraz 2 przedstawia pompę elektromechaniczną rotacyjną DeBakey'a o przepływie osiowym w której silnik bezszczotkowy jest zintegrowany z wirnikiem pompy. Magnesy trwale umieszczone są w sześciu łopatkach impelera. Łożyska osiowe są zanurzone w krwi. Pompa o przepływie osiowym Streamliner (rys. 3 oraz 4) działa podobnie, ale zamiast łożysk mechanicznych posiada łożyska magnetyczne. Pole magnetyczne nie tylko napędza impeler, ale również unosi go magnetycznie. Uzwojenie stojana jest uzwojeniem toroidalnym. Pompa centryfugalna (odśrodkowa) Terumo DuraHeartŽ (rys. 5 oraz 6) o łożyskach magnetycznych posiada trójfazowy, ośmiobiegunowy silnik bezszczotkowy tarczowy (strumień osiowy) o magnesach trwałych neodymowych zintegrowany z impelerem. Przy prędkości 2000 obr/min moc na wale wynosi 4.5 W oraz moment obrotowy 0.,0215 Nm. W pompie centryfugalnej VentrAssistTM silnik bezszczotkowy o magnesach trwałych jest silnikiem o strumieniu magnetycznym osiowym, magnesach trapezowych oraz cewkach stojana umieszczonych po obydwu stronach wirnika. Cztery magnesy neodymowe w obudowie ze stopu tytanowego są jednocześnie czterema łopatkami impelera. Bezżłobkowy stojan posiada trzy cewki górne oraz trzy cewki dolne. Sprawność silnika nie przekracza 48 % przy prędkości 2000 do 2500 obr/min oraz mocy 3 do 7 W. Rozkład pola magnetycznego wirnika oraz stojana przedstawiono na rys. 9 i 10. Przebiegi charakterystyk sprawności oraz prądu fazowego stojana w zależności od obciążenia są wykreślone na rys. 11 oraz 12. Artykuł jest zakończony wnioskami wynikającymi z dotychczasowych doświadczeń w konstrukcji małych silników bezszczotkowych pracujących wewnątrzustrojowo.