膀胱动力泵电磁驱动单元有限元仿真分析

　　神经原性膀胱是人体控制排尿的中枢神经或周围神经受到损害之后引起的膀胱排尿功能障碍,目前尚无有效的治疗方法。针对此情况,前期研究提出了一 种辅助膀胱排尿的体外电磁驱动膀胱动力泵[1],其作用是利用电磁力辅助膀胱排尿。为合理设计出该泵的电磁驱动单元,有必要对电磁力及其影响因素进行分 析。

　　计算电磁力的工程方法通常有经验公式法、磁路分割法和数值分析方法。作者研究的膀胱动力泵存在结构特殊、作用距离大、磁性材料具有非线性等特 点,采用前两种方法难以准确的计算出电磁力。相对而言,数值分析方法更可靠和准确。ANSYS软件是国际流行的基于有限元数值分析的大型通用软件。它能够 对结构、热、流体、电磁场以及多物理场进行数值分析。为此,作者应用ANSYS软件建立电磁驱动单元的有限元模型,并分析其电磁力及其各种影响规律。

　　1　电磁驱动单元结构

　　图1为膀胱动力泵,它由磁动子1、定子2、电磁铁3组成。磁动子为包裹数片永磁体的橡胶膜。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的开闭以及膀胱内压力大小,达到了控制排尿的目的。

　　根据上述原理,作者设计了一种电磁驱动单元结构,如图2所示。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,各永磁体磁极方 向相同,之间由橡胶膜连接。该结构的特点是: (1)永磁体之间的橡胶膜能够提供柔性; (2)当电磁铁通入电流后,能形成沿着电磁铁、永磁体以及间隔空气层的环形磁路。

　　2　电磁驱动单元的有限元模型

　　应用ANSYS有限元软件的实体建模及网格划分工具,建立电磁驱动单元的有限元模型,通过施加合理的边界条件和载荷进行有限元的求解和后处理。

　　2·1　建模

　　为了获得准确的分析结果,应使用三维模型来模拟实际结构。有限元模型包括:电磁铁铁芯、电磁铁线圈、永磁体和空气层。图3为去掉空气层的模型。考虑到距离电磁铁较远的永磁体所受电磁力较小,模型中只包含某一瞬时靠近电磁铁的3个永磁体A、B、C。

　　全部实体均使用SOLID117单元类型。这种单元类型是基于棱边单元法,可应用于低频电磁场的稳态、瞬态和谐波分析。材料特性中,为铁芯设置 非线性的硅钢B-H曲线;永磁铁由于采用钕铁硼材料,而其去磁曲线基本成线性,所以只需设置相对磁导率和矫顽力参数,并通过局部坐标给出其极化方向;对于 空气层只需设置其相对磁导率即可。永磁体、电磁铁铁芯以及空气层均使用网格自由剖分,电磁铁线圈则采用网格映射剖分。另外,为了得到更可靠的计算结果,必 须考虑网格剖分的粗细程度对数值计算的影响。在该模型中,由磁通连续性方程Δ·B=0以及磁场边界条件可知[2],当有电流激励时,铁芯上表面部分与空气 的交界面周围以及永磁体的表面周围的边角处磁通密度较大,而且方向与分布各异。若网格剖分太粗,则容易有较大的磁通量误差,进而磁能误差也大,因此这些地 方都需要网格细化。通过实践表明,经过网格剖分细化处理的计算结果趋于收敛。