膀胱动力泵电磁驱动单元的建模与仿真

　　1 引言

　　由于能解决穿皮能量传递问题，磁力驱动技术近年来在生物医学工程领域得到了广泛的应用。针对目前神经原性膀胱尚无有效治疗方法，本研究前期提出了一种体外电磁驱动膀胱动力泵[1]，其作用是利用电磁驱动力辅助膀胱排尿。电磁驱动单元是该装置的主要组成部分，其性能对膀胱动力泵的排尿动力特性有着重要影响。因此，为了合理设计出电磁驱动单元和膀胱动力泵，有必要对膀胱动力泵电磁驱动单元的驱动特性进行分析研究。

　　目前对膀胱动力泵电磁驱动单元的驱动特性的理论分析主要采用有限元法和等效电流法。Li Xiao[2]利用有限元法建立了膀胱动力泵电磁驱动单元模型，该模型求解精度高，但求解效率低，建模复杂。黄维佳[3]利用等效电流法建立了膀胱动力泵电磁驱动单元模型，虽建模简单，但当气隙较大时该模型的求解精度较低。等效磁荷法是把场源看成等效磁荷的一种等效计算方法，它用标量磁位代替矢量磁位进行计算，在一些典型的磁场计算中，求解精度和效率均较高[4]。本研究具有电磁驱动单元为直流电驱动、永磁体与电磁铁之间气隙比较大等特点，因而能简便的表达出电磁铁和永磁体的等效磁荷模型。因此，本文采用等效磁荷法建立电磁驱动单元数学模型，利用该模型仿真分析了电磁铁电流等主要因素对电磁驱动单元驱动特性的影响，并将分析结果与有限元方法仿真结果进行了比较，从而为膀胱动力泵的设计和分析寻找依据和更实用的手段。

　　2 电磁驱动单元的数学模型

　　图 1 为膀胱动力泵原理框图，由体外驱动器、磁动子、定子和膀胱组成。体外驱动器通直流电产生电磁场，该磁场作用于磁动子使其向定子靠近并压迫膀胱，增大膀胱压，实现排尿。

　　图 2 为膀胱动力泵的一种结构[1]。磁动子为包裹数片永磁体的橡胶膜，体外驱动器为电磁铁。电磁铁与磁动子构成了该泵的电磁驱动单元。其功能是通过电磁铁产生的电磁场对磁动子内的永磁体产生力作用，调节尿道口 b 和输尿管口 a 的开闭以及膀胱压，达到了控制排尿的目的。

　　由图 1 和图 2 可知，当人体膀胱大小和尿道有效横截面积确定时，膀胱排尿动力特性( 膀胱压和尿流率变化特性) 由膀胱动力泵电磁驱动单元电磁驱动特性( 电磁力变化特性)决定，即电磁力越大膀胱压和尿流率也越大，二者成线性关系。因此，为以后更好地研究膀胱动力泵排尿动力特性，有必要建立以电磁力为目标的数学模型对电磁驱动单元特性进行分析。

　　为了便于建立电磁驱动单元数学模型，本文做以下假设: 各永磁体均匀磁化且磁化方向相同; 工作气隙介质相对磁导率均匀; 电磁铁为均匀介质，工作过程中其特性不变; 永磁体之间的橡胶膜能够提供足够柔性且弹性可以忽略; 工作环境中无其他电磁干扰; 忽略永磁体和柔性膜的质量力。依据膀胱动力泵驱动原理和上述假设，膀胱动力泵驱动单元受力分析可以简化为如图 2 所示。其中电磁铁为 U 型结构，两个线圈的绕线方向相反，永磁体形状为长方体，各永磁体尺寸相同。