CC BY
18
УДК 616.12-089.8-78
Д. В. Телышев, И. В. Нестеренко, С. В. Селищев, М. В. Шереметьев
Исследование проблем потери мощности в обмотках статора системы вспомогательного кровообращения роторного типа
Ключевые слова: сердечная недостаточность, аппарат вспомогательного кровообращения, коэффициент полезного действия, потери в сердечнике, импеданс, активное сопротивление.
Keywords: heart failure, left ventricular assist device, efficiency; ^re loss, impedance, active resistance.
В статье рассмотрена проблема потери мощности электродвигателя насоса системы вспомогательного кровообращения. Изучено влияние диаметра и свойств материала ротора на активное сопротивление катушки статора. Выявлена закономерность возрастания сопротивления при увеличении диаметра ротора и использовании ферромагнитных материалов для изготовления ротора. Увеличение сопротивления уменьшает энергоэффективность насоса, время его автономной работы и, как следствие, мобильность пациента.
Введение
Ежегодно в мире диагностируется более миллиона новых случаев возникновения сердечной недостаточности. При развитии острой формы сердечной недостаточности современные лекарственные средства не оказывают должного эффекта. Эффективным методом лечения острой формы сердечной недостаточности является трансплантация сердца, однако количество ежегодно проводимых трансплантаций не превышает нескольких тысяч, что существенно ниже существующих потребностей. В хирургической практике последнее десятилетие широкое распространение получили системы вспомогательного кровообращения роторного типа, которые являются альтернативой трансплантации и потенциально могут помочь неограниченному числу пациентов.
Главной частью любой системы вспомогательного кровообращения является насос. Насос системы вспомогательного кровообращения роторного типа состоит из электродвигателя и импеллера, который осуществляет прокачку крови. Также в состав системы вспомогательного кровообращения могут входить аккумуляторы, обеспечивающие достаточ-
ную по длительности работу насоса. Многие аппараты вспомогательного кровообращения включают устройства, контролирующие ток крови путем изменения скорости вращения двигателя насоса [1].
При проектировании конструкции системы вспомогательного кровообращения роторного типа приоритетным является минимизация гемолиза и тромбообразования, проблема энергоэффективности при этом отходит на второй план.
В работе был сделан акцент на исследование энергоэффективности в системах вспомогательного кровообращения, поскольку снижение уровня потребляемой энергии позволит не только увеличить ресурс перезаряжаемых аккумуляторов, но и повысить мобильность пациентов.
Принцип работы роторного насоса вспомогательного кровообращения основан на управлении бесколлекторным двигателем постоянного тока посредством переключения фаз между обмотками катушек индуктивности.
Для намагничивания катушек индуктивности требуется энергия, большая часть которой тратится на полное сопротивление катушки индуктивности, состоящее из активной составляющей (сопротивление электрической цепи или ее участка, обусловливающее превращение электрической энергии в другие виды энергии, например в механическую) и реактивной составляющей (индуктивное сопротивление, обусловленное возникновением ЭДС самоиндукции в элементе электрической цепи) [2—4].
В задаче, связанной с электродвигателями, существенные изменения в КПД вносит индуктивное сопротивление. Это сопротивление можно разделить на несколько составляющих: потери на гистерезис, вихревые токи и избыточные потери. Емкостное сопротивление не оказывает достаточного влияния, так как в электрической цепи отсутствуют конденсаторы большой емкости [3, 4].
Для измерения активного сопротивления необходимо знать следующие параметры: силу тока,
биотехносфера
I № Б(48)/201Б
частоту переменного тока, напряжение, омическое сопротивление. Зная эти параметры, можно измерить индуктивность и индуктивное сопротивление катушки L [5].
Исследуя параметры сопротивления в системе вспомогательного кровообращения роторного типа, можно оценить потери энергоэффективности.
Основная часть
В работе измеряли следующие параметры системы вспомогательного кровообращения: активное и омическое сопротивление, индуктивность, добротность, силу тока и напряжение. Это осуществлялось с помощью RLC-измерителя импеданса Gw Instek LCR-78110G, Китай.
Объектом исследования являлся статор электродвигателя насоса (рис. 1) в составе аппарата вспомогательного кровообращения «Спутник» [6], взаимодействующий с ротором с различными цилиндрическими насадками. Для проведения исследований лопатки ротора были удалены, а цилиндрические насадки крепились к гладкой поверхности модифицированного ротора. Различия заключались в материале насадок, а также в их внешних диаметрах (рис. 2). Эти характеристики
Рис. 1
Роторный насос крови аппарата вспомогательного кровообращения «Спутник»
изменяют магнитные свойства ротора. В качестве материалов были выбраны два металла с различными магнитными свойствами: ферримагнитный материал (сталь) и парамагнитный материал (титан). Диаметры насадок: Dti1 = 11,95; Dti2 = 13,05; Dti3 = 14; Dti4 = 15; Dti5 = 15,75; Dst1 = 11,95; Dst2 = 13,05; Dst3 = 14; Dst4 = 15; Dst5 = 15,75.
Статор электродвигателя исследуемого насоса имеет в своем составе три катушки индуктивности. Они подключены по схеме «звезда». Значения сопротивления снимали для каждой пары катушек. Измерения производились при следующих частотах: 20, 100, 120 и 200 Гц; 1, 2 и 10 КГц. Таким образом, получились три значения сопротивлений для каждой пары катушек. Значения активного сопротивления статора насоса представлены в табл. 1.
Были произведены измерения импеданса электродвигателя насоса с установленным в нем импеллером. Значения сопротивлений представлены в табл. 2.
Для изменения магнитных свойств ротора были использованы титановые цилиндры, которые надеваются на импеллер и имеют различные внешние диаметры (рис. 2).
В ходе измерения сопротивлений была обнаружена неровность поверхности статора из-за спиленных лопастей, так как значения сопротивления изменялись при повороте ротора. Для учета этой особенности насоса на цилиндры были нанесены метки. Измерения производили на всем диапазоне частот при различных углах поворота импеллера.
Таблица 1 Значения активного сопротивления статора без ротора
/, Гц Д1, Ом Яп, Ом йш, Ом
20 4,8189 4,8676 4,8988
100 4,8211 4,869 4,824
120 4,8224 4,8701 4,9035
200 4,83 4,8773 4,9107
1000 5,0721 5,1073 5,1343
2000 5,728 5,7265 5,748
10000 21,007 20,523 20,374
Рис. 2
Ротор аппарата вспомогательного кровообращения «Спутник» и набор титановых цилиндров
Таблица 2 Средние значения импеданса статора с установленным импеллером
/, Гц й1, Ом йп, Ом Дщ, Ом ДД, Ом
20 4,85 4,90 4,89 4,88
100 4,85 4,90 4,89 4,88
120 4,85 4,90 4,89 4,88
200 4,86 4,91 4,90 4,89
1000 5,13 5,16 5,17 5,15
2000 5,74 5,75 5,78 5,75
10000 21,77 21,20 21,69 21,55
Таблица 3 Значения активного сопротивления статора с установленным импеллером и титановыми насадками с различными внешними диаметрами
/, Гц ДЯ (Ш), Ом ДЯ (Б2), Ом ДЯ (Б3), Ом ДЯ (Б4), Ом ДЯ (Б5), Ом
20 4,91 4,89 4,90 4,89 4,91
100 4,91 4,89 4,91 4,90 4,91
120 4,91 4,89 4,91 4,90 4,91
200 4,92 4,90 4,92 4,91 4,93
1000 5,18 5,25 5,26 5,31 5,38
2000 5,90 6,03 6,20 6,44 6,66
10000 23,08 24,24 25,08 25,86 26,26
Окружность ротора была поделена на восемь частей, и таким образом шаг между метками равен п/4.
Измерение сопротивления с титановыми насадками
Были измерены сопротивления после установки различных насадок на импеллер. В табл. 3 представлены средние значения от трех измерений с различными парами катушек.
Данные таблицы показывают увеличение импеданса, особенно при высоких частотах. Существует ряд различных вариантов, где сопротивление с ротором с насадкой выше, чем без нее. Это может объясняться присутствием межвитковых емкостей, что, в свою очередь, возможно, приводит к появлению резонанса и уменьшению сопротивления. Чем выше частота, тем меньше влияние емкостного сопротивления на общий импеданс относительно влияния индуктивного сопротивления.
При повышении диаметра насадки заметна градация сопротивления на высоких частотах. При низких частотах сопротивления либо не растут либо падают.
По данным таблицы были построены графики зависимости активного сопротивления статора от частоты тока (рис. 3). На рисунке представлены значения с различными диаметрами насадок на ротор, с ротором и без ротора. Из графиков видно, что значения сопротивлений высоки при частотах свыше 1 КГц. Наиболее значимое влияние насадки оказывают при частоте 10 КГц (рис. 4).
Максимальное увеличение сопротивления свыше 200 Гц с титановыми насадками было достигнуто при наибольшем диаметре насадки. Разница между самым большим сопротивлением при диаметре насадки Б5 и самым маленьким сопротивлением при диаметре насадки Б1 составила 13 %. Следовательно, КПД насоса зависит от диаметра ротора, который состоит из немагнитного материала. Эта зависимость объясняется наличием токов Фуко, увеличивающих импеданс двигателя.
f, Гц 10 000
5000
2000 1000 100
10
20
30 40
Я, Ом
50
60
Рис. 3
Зависимость активного сопротивления электродвигателя от частоты тока при различных параметрах ротора с титановыми насадками
биотехносфера
| № Б(48)/201Б
Я, Ом 30
25
20
15
10
11 12 13 14 15 15,7 Диаметр насадки, мм
Рис. 4
Зависимость активного сопротивления двигателя от диаметра насадок при 10 КГц с титановыми насадками
Титановые насадки вносят изменения в импеданс за счет активного сопротивления. Данные изменения обусловлены наличием вихревых токов в обмотках статора.
Измерение сопротивления со стальными насадками
Аналогично измерению потерь при титановых насадках на ротор электродвигателя было измерено сопротивление со стальными насадками. Средние значения от трех измерений с различными парами катушек представлены в табл. 4.
По данным таблицы были построены графики зависимости активного сопротивления статора от частоты тока (рис. 5). На рисунке представлены значения с различными диаметрами насадок на ротор, с ротором и без ротора. Из графиков видно, что значения сопротивлений значительны при частотах свыше 1 КГц. Наиболее значимое влияние на КПД насадки оказывают при частоте 10 КГц (рис. 6).
Максимальное увеличение сопротивления свыше 200 Гц со стальными насадками было достигнуто при наибольшем диаметре насадки. Разница между самым большим сопротивлением при диаметре насадки D5 и самым маленьким сопротивлением при диаметре насадки D1 составила 50 %. В отличие от значений сопротивлений статора при
5
0
Таблица 4 Значения активного сопротивления статора с установленным импеллером и стальными насадками с различными внешними диаметрами
1, Гц ДЯ ф1), Ом ДЯ ф2), Ом ДЯ ф3), Ом ДЯ ф4), Ом ДЯ Р5), Ом
20 4,90 4,87 4,89 4,94 4,91
100 4,90 4,88 4,95 5,19 5,34
120 4,91 4,89 4,97 5,22 5,50
200 4,92 4,94 5,11 5,80 6,37
1000 5,52 6,45 8,73 13,28 16,12
2000 7,11 9,92 14,62 22,21 25,13
10000 33,14 41,94 53,60 66,80 68,55
1, Гц 10 000
5000
2000 1000 100
10
20
30 40
Я, Ом
50
60
Рис. 5
Зависимость полного сопротивления электродвигателя от частоты тока при различных параметрах ротора со стальными насадками
Я, Ом 30
25
20
15
10
5
11 12 13 14 15 15,7 Диаметр насадки, мм
Рис. 6
Зависимость активного сопротивления двигателя от диаметра насадок при 10 КГц со стальными насадками
установленных титановых насадках стальные насадки являются ферромагнетиками и вносят дополнительные потери. Эти потери обусловлены наличием гистерезиса. При изменении направления магнитного поля ферромагнетик намагничивается не сразу. Сталь остается намагниченной до тех пор, пока не накопится необходимая магнитная энергия с противоположным знаком, после чего начнется намагничивание в необходимом направлении. Наличие вихревых токов также остается неизменным и суммируется с потерями на гистерезис.
Сравнение стальных и титановых насадок
По рис. 7 можно сделать вывод, что сталь имеет значение активного сопротивления выше, чем
0
1, Гц 10 000
5000
2000 1000 100
10
20
30
40
50
60
Я, Ом
Рис. 7
Зависимость полного сопротивления электродвигателя от частоты тока при различных параметрах ротора со стальными и титановыми насадками
у титана. Разница между средним значением всех потерь стали и титана составляет 39 %.
Заключение
В случае с насадками из титана (парамагнетик) значения сопротивления увеличивались с увеличением внешнего диаметра насадок и частоты (рис. 8). Это обусловлено наличием индукционных токов, ухудшающих проводимость при переменном токе, особенно в области высоких частот.
В случае с насадками из стали (ферромагнетик) значения сопротивления возросли относительно сопротивлений при титановых насадках и также увеличивались с увеличением внешнего диаметра и частоты. Эти потери помимо индукционных токов обусловлены наличием гистерезиса, т. е. потерями
Я, Ом 80
70
60
50
40
30
20
10
12 13 14 15 15,7 Диаметр насадки, мм
Рис. 8
Зависимость активного сопротивления двигателя от диаметра насадок при 10 КГц со стальными (St) и титановыми (Т1) насадками
| № Б(48)/2016
биотехносфера
0
за счет перемагничивания ротора при изменении направления магнитного поля.
Наибольшее увеличение сопротивления показали насадки из стали на верхней границе исследуемого диапазона частот 68,55 Ом. Титановые насадки вносят значительные потери при частотах свыше 1 КГц. При значениях 20 КГц сопротивление увеличивается до 15 Ом при самых больших насадках.
Полученные результаты могут использоваться при разработке новых моделей электродвигателей в составе насоса для аппаратов вспомогательного кровообращения. Это увеличит продолжительность использования насоса без подзарядки, а также мобильность пациента при использовании ограниченного количества аккумуляторов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-39-00044).
Литература
1. Matsuda H. Rotary blood pumps. Springer Verlag: Tokyo, Japan. 2012. Р. 125.
2. Smith W. A., Allaire P., Antaki J. [et al.]. Collected nondimensional performance of rotary dynamic blood pumps // American Society for Artificial Internal Organs Journ. 2016. Vol. 50 (1). P. 25-32.
3. Waseem A. Roshen. A practical, accurate and very general core loss. Model for non-sinusoidal waveforms // Institute of Electrical and Electronics Engineers Transactions on Power Electronics. 2007. Vol. 22. P. 30-40.
4. Mesa K. J., Ferreira A., Castillo S. [et al.]. The miniature ventricular assist device pump: motor stator core loss characterization // American Society for Artificial Internal Organs Journ. 2015. Vol. 61 (2). P. 122-126.
5. Dlala E. Comparison of models for estimating magnetic core losses in electrical machines using the finite-element method // Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2009. Vol. 45. P. 716-725.
6. Selishchev S. V., Telyshev D. V. Optimisation of the Sputnik-ventricular assist device design // The International Journ. of Artificial Organs. 2016. Vol. 39 (8). P. 407-414.
