Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump

Manyetik rulmanların moment tekerlekleri, moleküler pompalar, yüksek hızlı motorları, volan enerji depolama sistemleri ve ventriküler yardımcı cihazlar gibi alanlarda uygulamaları bulunmaktadır. Geleneksel mekanik rulmanlara kıyasla temassız çalışma prensibi daha düşük sürtünme, daha az ısı üretimi ve daha az güç tüketimi avantajlarını beraberinde getirir. Manyetik rulmanların iki tipi vardır: aktif manyetik rulmanlar ve pasif manyetik rulmanlar. Pasif manyetik rulmanlar rulman kuvvetlerini üretmek için kalıcı mıknatıslardan yararlanmaktadır. Avantajları arasında çalışma için herhangi bir elektrik enerjisine ihtiyaç duyulmaması ve rulman rijitlik ve sönümlemesinin daha kolay kontrolü bulunur. Pasif manyetik rulmanlar, bir rotoru beş serbestlik derecesinin sadece dördünde dengeleyip sabit hale getirebilir. Bu nedenle, rotorun tamamen stabilize edilmesi için beşinci serbestlik derecesinde aktif kontrol gereklidir. Aktif manyetik rulmanların çalışmasında ise elektromıknatıslar kullanılır. Bu iki tip rulmanın kombinasyonu hibrit manyetik rulman olarak adlandırılır. Hibrit manyetik rulmanlar kan pompalarında, vakum pompalarında ve üretim tezgâhı takımlarında kullanılmaktadır. Hibrit manyetik rulmanların tasarımı için manyetik alanların elektromıknatıslar ve sürekli mıknatısların arasında dağılımı önemli bir faktördür, çünkü hibrit manyetik rulmanların sönümlenmesi ve sertliği manyetik alanın toplam gücüne bağlıdır. Bununla birlikte, manyetik akı yoğunluğunun ölçümü, rotor ve stator arasında daha küçük hava boşlukları bulunması nedeniyle kolay değildir. Ayrıca, sönümleme ve rijitlik; kontrol akımları, manyetik akı ve hava boşlukları ile doğrusal olmayan bir şekilde ilişkilidir. Manyetik rulmanların tasarımı için manyetik devre yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemde kaçak akı, girdap akımları, saçaklanma etkisi, histerezis etkileri, isteksizlik ve doğrusalsızlık faktörleri dikkate alınmaz. Manyetik devre yönteminde birçok varsayım ve basitleştirme olduğu için, bu yöntemle elde edilen modeller manyetik alanların kesin dağılım bilgisini sağlamazlar. Ayrıca, bu yöntemle elde edilen sönümlenme ve sertlik düşük hassaslığa sahiptir. Bu nedenle, manyetik devre yönteminden daha hassas bir manyetik alan yöntemi, hibrit manyetik rulmanların tasarımı için kullanılmalıdır. Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) analizi sayısal araçlara dayanmaktadır. Manyetik devre yöntemi ile karşılaştırıldığında, FEM analizi kullanılarak elde edilen modeller, ilgili fiziksel prototip sisteme özdeşlik bakımından daha yakındır. Bu araştırmada, bir hibrit manyetik rulman prototipi kurulumu FEM analizi kullanılarak tasarlanmıştır. Sönümleme, sertlik, manyetik akı dağılımı, radyal ve aksiyal (axial) yöndeki kuvvetler, dönüş sayısı ve elektromıknatıslar için akım FEM analizi kullanılarak optimize edilmiştir. Yapılan optimizasyona dayanarak, bir prototip kurulumu üretilmiştir ve hibrit manyetik rulman prototipinin farklı özellikleri deneysel olarak doğrulanmıştır. Manyetik rulman sisteminin kontrolü; sistem bozuklukları, modellenmemiş dinamikler ve doğrusal olmayan etkiler varlığında kritik bir sorundur. PID kontrolü gibi klasik kontrol teknikleri, bu bozulmalara ve parametre değişimlerine karşı sağlam bir çözüm sağlayamamaktadır. Bu nedenle, gelişmiş bir adaptif kayma modu denetleyicisi, hibrit manyetik rulman sistemi için tasarlanmış ve denetleyicinin etkinliğini görmek için deneysel olarak prototip kurulumuna uygulanmıştır. Manyetik rulmanları kullanan üçüncü nesil aksiyal akışlı kan pompalarının, aksiyal yönde normalden uzun rotor boyutları barındırmaları bir problem teşkil etmektedir. Eksenel akış pompasının rotoru bir sütun şeklindedir ve bu nedenle yalnızca tek bir manyetik rulman, rotoru eğilme yönünde ve radyal yönde dengeleyemez. Pervanenin kendisini döndürmek ve ilave motor ünitesi ile pompanın pervanesini tam olarak dengelemek için, aksiyal akış pompasının en azından iki adet radyal manyetik rulmana sahip olması gereklidir. Ayrıca, üçüncü nesil aksiyal akışlı pompaların tamamen çalışabilmesi için en az iki adet rulmansız motor birimi gereklidir. Bu araştırmanın amacı, çarkın dönme ve havaya kaldırılma işlemi için sadece bir adet rulmansız motor birimi içeren, üçüncü nesil aksiyal akışlı bir kan pompası tasarlamaktır. Pervanenin ve toplam pompa sisteminin tasarımını optimize etmek için hesaplamalı akış dinamikleri (CFD) analizi yapılmıştır. Yapılan optimizasyona dayanarak, rotor aksiyal uzunluğunun rotor çapından çok daha küçük olduğu kapalı bir pervane bazlı rotor sistemi önerilmektedir. Bu nedenle, pompanın komple çalışması için sadece bir adet rulmansız motor sistemi gereklidir. Genel olarak, girdap akım sensörleri, rulmansız ve fırçasız DC motorlarda ve rulmansız sabit mıknatıslı senkron motor sistemlerinde, rotorun radyal konumunu ölçmek için kullanılırken, Hall Efekt sensörleri rotorun açısal konumunu ölçmek için kullanılır. Üçüncü nesil kan pompasının önerilen optimize edilmiş tasarımında girdap akım sensörünün kullanılması, pompanın çok daha küçük çapı olması nedeniyle mümkün değildir. Bu nedenle, önerilen tasarımdaki rotorun radyal konumunu ölçmek için bir algılayıcı sistemi geliştirilmelidir. Bu araştırmada, rotorun radyal ve açısal konumunun doğrusal Hall Efekti sensörleri ile ölçülmekte olduğu, yeni bir kan pompasının rotor düzeneği için yeni bir tasarım önerilmiştir. Sensör grubunun çalışma prensibi ayrıntılı olarak açıklanmış ve rotor kontrol sistemi, Hall Efekt radyal konum sensörlerine dayanılarak açıklanmıştır. Minyatür aksiyal akışlı kan pompası için rulmansız motorun yeni tasarımının sonlu elemanlar analizi (FEM) de yapılmıştır. Pasif ve aktif rijitlik, sönümlenme, manyetik akı dağılımı, kuvvetler ve akımlar; sonlu elemanlar analizi ile elde edilmiş ve bu simülasyon verileri, deneysel elde edilmiş veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonlu elemanlar analizi ile elde edilen sonuçların deneysel veriler ile iyi bir uyum gösterdiği gözlemlenmiştir. Tasarlanan motor sisteminin deneysel bir düzeneği üretilmiştir ve önerilen rulmansız sabit mıknatıslı motorun performansı, çeşitli test koşulları altında değerlendirilmiştir. Tasarlanan adaptif kontrol cihazı, rotorun radyal yöndeki yer değişiminin Hall Efekti sensörleri ile ölçüldüğü rulmansız motorun yeni tasarımına uygulanmıştır. Rotor düzeneğinde iki sabit mıknatıs halkası bulunmaktadır. Bu halkalardan biri rotorun radyal yönünün yer değiştirmesini ölçmek için kullanılırkenö diğer halka da rulmansız motor ve radyal rulman kuvvetleri için tork üretimini sağlamaktadır. Bu nedenle, rotor sisteminde kuvvetli manyetik kuplaj mevcuttur ve gelişmiş kontrolör uygulaması için doğru radyal pozisyon bilgisi gerekmektedir. Bu nedenle, rotorun radyal konumu ilk önce adaptif olarak tahmin edilmektedir ve buna bağlı olarak önerilen rulmansız motor sisteminin pozisyon kontrolü için bir sürmeli mod kontrolörü tasarlanmıştır. Simülasyon ve deney sonuçları, klasik kontrol tekniklerine kıyasla, tasarlanmış uyarlanabilir kontrol cihazı kullanılan rulmansız motorun, daha iyi konum takibini başardığını göstermiştir.