A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC) estão realizando um projeto conjunto visando o desenvolvimento de um implante Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). Esta dissertação é parte do desenvolvimento de um VAD implantável em que o rotor da bomba é suspenso por uma suspensão magnética com um grau de liberdade (1-DOF). A suspensão magnética aqui utilizada apresenta o controle ativo somente na direção axial do rotor. Este mancal magnético foi apresentado por Silva e Horikawa (2000) no qual o controle ativo é executado apenas na direção axial do rotor. Neste trabalho o mancal magnético será referenciado como MMA-EPUSP. O motor de corrente contínua sem escovas (BLDC) foi selecionado pelo mesmo motivo que o mancal magnético: o motor não pode ter nenhum contato com o rotor, minimizando os problemas de danos aos componentes do sangue. Entretanto, o acionamento do motor através de forças magnéticas pode interferir na suspensão magnética. Como a estabilidade da suspensão magnética é garantida pela rigidez axial, é razoável presumir que a interação magnética entre o mancal magnético e o motor elétrico pode interferir na suspensão magnética. Este estudo analisa experimentalmente o motor BLDC com rotor apoiado pelo MMA-EPUSP, para identificar o comportamento desse conjunto utilizando duas configurações distintas de motor com fluxo magnético: radial e axial. A análise inclui: (i) projeto, construção e teste de um motor BLDC axial e um radial; (ii) projeto, construção e teste do MMA- EPUSP e do rotor para ser acionado pelos motores BLDC; (iii) estimativa do comportamento dos motores BLDC utilizando análise MEF; e (iv) execução dos testes experimentais para identificar como cada opção de montagem do motor interage com o MMA-EPUSP. A análise MEF corrobora com a recomendação do motor BLDC de fluxo magnético radial como a melhor opção de motorização para o DAV com o MMA-EPUSP, já que este motor não induz nenhuma força magnética axial que precise ser compensada pela suspensão magnética. Entretanto, o projeto do DAV pode ser mais complexo devido à interferência mecânica entre a saída do sangue do DAV e o estator do motor. Já a força magnética axial induzida pelo motor BLDC de fluxo axial é suficientemente forte para desestabilizar o MMA-EPUSP, demandando uma alta corrente do controle de posição do rotor. Os dados indicam que o projeto do controlador atual não conseguirá garantir a estabilidade do mancal magnético com este tipo de motor a altas velocidades. Neste caso, estudos adicionais são recomendados para avaliar a estabilidade dinâmica do rotor com MMA-EPUSP com o rotor imerso em sangue, já que um ambiente líquido poderá absorver a energia das oscilações e minimizar as restrições associadas à instabilidade da suspensão magnética a velocidades inferiores a 5000 RPM. / The Escola Politécnica of São Paulo University (EPUSP) and the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC) is conducting a joint project aiming the development of an implantable Ventricular Assist Device (VAD). This study is part of the development of an implantasuporte@poli.usp.brble VAD in which the pump rotor is suspended by single degree of freedom (1-DOF) magnetic suspension. The magnetic suspension here utilized presents active control only in the rotor axial direction. This magnetic bearing had been presented by Silva and Horikawa (2000) in which the active control is executed only in the axial direction of a rotor. In this work this Axial Magnetic Bearing is referred as AMB-EPUSP. The brushless direct current (BLDC) motor has been elected due to the same reason why a magnetic bearing: the motor should not contact the rotor, minimizing problems of damage to the blood components. However, the driving of the rotor by magnetic forces may interfere in the magnetic suspension. As the stability of this magnetic suspension has been established by the axial stiffness, it is reasonable to expect that the magnetic interaction between the magnetic bearing and the used electric motor may interfere in the magnetic suspension. This study analyzes experimentally the BLDC motor, which rotor is supported by the AMB- EPUSP, to identify the behavior of this set using two distinct magnetic flux motor configurations: axial and radial. The analysis includes: (i) design, construction and testing of the axial and the radial BLDC motors; (ii) design, construction and testing of AMB-EPUSP and the rotor to be driven be both BLDC motors; (iii) estimate the BLDC motors behavior using FEM analysis; and (iv) experimental tests execution to identify how each motor assemble option interact with the AMB- EPUSP. The FEM analysis corroborates on the recommendation of the radial magnetic flux BLDC motor option as the best choice to drive the VAD with AMB- EPUSP, since this motor does not generate any axial magnetic force to be compensated by the magnetic suspension. However, a more complex VAD design may be required due to the mechanical interference between the VAD outlet and the motors winding. The axial force generated by the axial magnetic flux BLDC motor option, induces a strong instability on the AMB-EPUSP, demanding high current to control the rotor position. The data indicates the current controller design will not be able to guarantee the magnetic bearing stability with this motor on higher velocities. On any case, additional study is recommend to evaluate the rotordynamic rotor dynamic instability of the AMB- EPUSP with the rotor surrounded by blood, since the liquid environment should absorb the oscillation energy and minimize the restriction due to the magnetic suspension instability on speed below 5000 RPM.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-07112011-111353 |
| Date | 29 August 2011 |
| Creators | Camargo, Fernando Antonio |
| Contributors | Horikawa, Oswaldo |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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