25-2-22 - jstage.jst.go.jp

7
198 AEM Vol. 25, No.2 (2017) (130) Miniaturization of Pediatric VAD with 5-DOF Controlled Maglev Motor *1 *1 *1 *2 Takuya SAITO (Stu. Mem.), Toru MASUZAWA (Mem.), Masahiro OSA (Mem.), Eisuke TATSUMI A 5-degrees of freedom (5-DOF) controlled maglev motor and a centrifugal blood pump have been developed for pediatric ventricular assist devices (VADs). The magnetically suspended pediatric VAD consists of a top stator, a bottom stator and a levitated impeller. A double stator mechanism enhances a torque production. The maglev pediatric VAD has an outer diameter of 22 mm, a total length of 34 mm and a total volume of 18 cc. In this study the pump performance of the developed centrifugal pump was investigated, as well as the magnetic suspension ability of the developed 5-DOF controlled self-bearing motor was evaluated. The developed maglev pediatric VAD produced a flow rate up to 2.5 L/min against a pump head pressure of 100 mmHg at an impeller rotating speed of 5000 rpm. The maximum oscillation amplitudes that were 0.08 mm in axial direction and 0.19 mm in radial direction were less than the clearance of the centrifugal blood pump. Keywords: maglev motor, 5-degrees of freedom control, double stator mechanism, centrifugal blood pump (2016 11 24 2017 5 1 2017 5 24 ) � [1] 2015 6 � EXCOR Pediatric 2010 Pediatric Jarvik2000 [2] EXCOR Pediatric Pediatric Jarvik2000 5 4 � 5 1 3 [3, 4] 28 mm 42 mm 30 cc � [5-7] 5 5 13 cc [8, 9] 5 � � � 2.1 � Fig. 1 � 316-8511 4-12-4 e-mail: [email protected] *1 *2

Upload: others

Post on 17-Mar-2022

6 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

198

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

(130)

������������������

Miniaturization of Pediatric VAD with 5-DOF Controlled Maglev Motor

�� ��*1(���), �� �*1(��), � ��*1(��), � ��*2

Takuya SAITO (Stu. Mem.), Toru MASUZAWA (Mem.), Masahiro OSA (Mem.), Eisuke TATSUMI

A 5-degrees of freedom (5-DOF) controlled maglev motor and a centrifugal blood pump have been developed for pediatric ventricular assist devices (VADs). The magnetically suspended pediatric VAD consists of a top stator, a bottom stator and a levitated impeller. A double stator mechanism enhances a torque production. The maglev pediatric VAD has an outer diameter of 22 mm, a total length of 34 mm and a total volume of 18 cc. In this study the pump performance of the developed centrifugal pump was investigated, as well as the magnetic suspension ability of the developed 5-DOF controlled self-bearing motor was evaluated. The developed maglev pediatric VAD produced a flow rate up to 2.5 L/min against a pump head pressure of 100 mmHg at an impeller rotating speed of 5000 rpm. The maximum oscillation amplitudes that were 0.08 mm in axial direction and 0.19 mm in radial direction were less than the clearance of the centrifugal blood pump.

Keywords: maglev motor, 5-degrees of freedom control, double stator mechanism, centrifugal blood pump(2016 � 11 � 24 ����2017 � 5 � 1 �����2017 � 5 � 24 �����)

� ��

����������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

��������[1]�2015 � 6 ����������

��������������EXCOR Pediatric���

�����������2010 �����������

������������������������

��������Pediatric Jarvik2000��������

����[2]�������������������

������������������������

������������������EXCOR Pediatric ��������������������

������������������������

������������������������

����������Pediatric Jarvik2000������

������������������������

����������

�����������������������

�������������������������

������������������������

�������������������� 5 ���

�������������4 ����������

������� 5 ����������������

��1�3 ��������������������

����������������[3, 4]������

�� 28 mm��� 42 mm��� 30 cc �������

���������������[5-7]��� 5 ���

������������������������

������������������������

����� 5 ������������� 13 cc ��

�����[8, 9]����������� 5 �����

������������������������

�������������������������

������������������������

�����������

2 ��

2.1 �����������������

Fig. 1 ��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

���� �� ���316-8511 ����������

4-12-4��������������e-mail: [email protected]*1 ���� *2 ������������

����

Page 2: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

199(131)

������������������

Miniaturization of Pediatric VAD with 5-DOF Controlled Maglev Motor

�� ��*1(���), �� �*1(��), � ��*1(��), � ��*2

Takuya SAITO (Stu. Mem.), Toru MASUZAWA (Mem.), Masahiro OSA (Mem.), Eisuke TATSUMI

A 5-degrees of freedom (5-DOF) controlled maglev motor and a centrifugal blood pump have been developed for pediatric ventricular assist devices (VADs). The magnetically suspended pediatric VAD consists of a top stator, a bottom stator and a levitated impeller. A double stator mechanism enhances a torque production. The maglev pediatric VAD has an outer diameter of 22 mm, a total length of 34 mm and a total volume of 18 cc. In this study the pump performance of the developed centrifugal pump was investigated, as well as the magnetic suspension ability of the developed 5-DOF controlled self-bearing motor was evaluated. The developed maglev pediatric VAD produced a flow rate up to 2.5 L/min against a pump head pressure of 100 mmHg at an impeller rotating speed of 5000 rpm. The maximum oscillation amplitudes that were 0.08 mm in axial direction and 0.19 mm in radial direction were less than the clearance of the centrifugal blood pump.

Keywords: maglev motor, 5-degrees of freedom control, double stator mechanism, centrifugal blood pump(2016 � 11 � 24 ����2017 � 5 � 1 �����2017 � 5 � 24 �����)

� ��

����������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

��������[1]�2015 � 6 ����������

��������������EXCOR Pediatric���

�����������2010 �����������

������������������������

��������Pediatric Jarvik2000��������

����[2]�������������������

������������������������

������������������EXCOR Pediatric ��������������������

������������������������

������������������������

����������Pediatric Jarvik2000������

������������������������

����������

�����������������������

�������������������������

������������������������

�������������������� 5 ���

�������������4 ����������

������� 5 ����������������

��1�3 ��������������������

����������������[3, 4]������

�� 28 mm��� 42 mm��� 30 cc �������

���������������[5-7]��� 5 ���

������������������������

������������������������

����� 5 ������������� 13 cc ��

�����[8, 9]����������� 5 �����

������������������������

�������������������������

������������������������

�����������

2 ��

2.1 �����������������

Fig. 1 ��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

���� �� ���316-8511 ����������

4-12-4��������������e-mail: [email protected]*1 ���� *2 ������������

����

Fig. 1 Schematic of magnetically levitated pediatric VAD.

�������������������������

���������������Z������Z���

�����X�Y������X��Y���������

������������������������

��������� 4 ��������������

2.2 5 ��������������

2.2.1 ���������������������

�����������������������

������������������������

� 3 � 4 ����� d ��������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������� q ����

������������������������

����������

2.2.2 ���������������������

����������������������

������ P±2 ��������������

���� 4 ������������������

������ 3 � 2 �������������

Fig.2 ��������������������

����Fig. 2(a)����������������

�����������������������

�����Y �����������������

���������������Fig. 2(b)�����

(a) Restoring torque (b) Radial force Fig. 2 Restoring torque and radial force production.

(a) Tilt angle control (b) Radial position controlFig. 3 Principle of tilt angle and radial position

control.

�������������������� X ��

�����������������������

�����������������������

�����������������������

���������������� Fig. 3 ����

Fig.3(a)������������������� Y�����������������������

�����������������������

�������������������Fig.3(b)�������������� X ��������

�����������������������

�����������������������

������������X ������� Y ��

�������������

2.2.3 ��������������������

5 ����������������������

������ Fig.4 ���������������

��Z��������X�Y������������

������������������PU-03A�����

Page 3: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

200

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

(132)

Fig. 4 Block diagram of magnetic suspension and rotation system.

Fig. 5 Miniaturized motor for second prototype pediatric VAD.

������������������������

���������� 3 ��X ��Y ��� 1 ���

������������������� 3 ����

����HG-302C����������������

�������������������������������� 30 deg ������������ PID ��

������������������������

������������������������

�� 5 ������������

2.3 5 ��������������

�����������������������

������������������������

� 5 ����������������Fig. 5 ���

Table 1 CFD analysis conditionTurbulence model Shear Stress TransportWorking fluid Water (25 �)

Density ���0.998×103 kg/m3

Viscosity ���0.887×10-3 Pa�sPressure of inlet [mmHg] 0 mmHg (Atmospheric pressure)

Flow rate [L/min] 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0(Continuous flow)

Rotating speed [rpm] 4000, 4500, 5000

����������������[8, 9]������

� 28 mm �� 22 mm���� 15.5 mm �� 11.3 mm �

������������������� 1 ����

������������������������

��������������������� 12 ��

������� 6 ����������������

��������������������� 8 ��

� 4 ����������������������

�����������SUY-1����������

������������������ 1 �����

66 �������� 1 mm ������������

���������������� 960 kA/m����

���� 1.18 T ����

2.4 ����������������������

������

����������������������

������������������������

������ 100 mmHg ���� 0.5 L/min �� 2.5 L/min ����������������[10]����

������������������������

� 5 mm���� 23.6 mm������ 3 mm ����

��������������[11]������ 6 �

����������� 50 deg������ 23 deg �

������������������������

�������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������

����������������������

����������������������

ANSYS CFX�Ver. 17.0��������������

�������� Fig. 6 ��������� Table 1 �

Page 4: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

201(133)

Fig. 4 Block diagram of magnetic suspension and rotation system.

Fig. 5 Miniaturized motor for second prototype pediatric VAD.

������������������������

���������� 3 ��X ��Y ��� 1 ���

������������������� 3 ����

����HG-302C����������������

�������������������������������� 30 deg ������������ PID ��

������������������������

������������������������

�� 5 ������������

2.3 5 ��������������

�����������������������

������������������������

� 5 ����������������Fig. 5 ���

Table 1 CFD analysis conditionTurbulence model Shear Stress TransportWorking fluid Water (25 �)

Density ���0.998×103 kg/m3

Viscosity ���0.887×10-3 Pa�sPressure of inlet [mmHg] 0 mmHg (Atmospheric pressure)

Flow rate [L/min] 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0(Continuous flow)

Rotating speed [rpm] 4000, 4500, 5000

����������������[8, 9]������

� 28 mm �� 22 mm���� 15.5 mm �� 11.3 mm �

������������������� 1 ����

������������������������

��������������������� 12 ��

������� 6 ����������������

��������������������� 8 ��

� 4 ����������������������

�����������SUY-1����������

������������������ 1 �����

66 �������� 1 mm ������������

���������������� 960 kA/m����

���� 1.18 T ����

2.4 ����������������������

������

����������������������

������������������������

������ 100 mmHg ���� 0.5 L/min �� 2.5 L/min ����������������[10]����

������������������������

� 5 mm���� 23.6 mm������ 3 mm ����

��������������[11]������ 6 �

����������� 50 deg������ 23 deg �

������������������������

�������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������

����������������������

����������������������

ANSYS CFX�Ver. 17.0��������������

�������� Fig. 6 ��������� Table 1 �

Fig. 6 Geometry model for CFD analysis

������������������������

�� 0.3 mm����� 0.5 mm ����������

������������������������

���� 430 ��320 ��������������

������������������������

��������SST ��������������

������������������������

������������� 0.5 L/min �� 2.5 L/min������������������������

����������������������

2.5�����������������

����������������������

Fig. 7 ������������� 28 mm����

42 mm���� 30 cc ��������������

�� 22 mm���� 34 mm���� 18 cc ����5�����������������������

�����������������������

�����������������������

��������������������� 0.44 mm � 0.5 mm �����������������

�����������������������

�� 1.5 mm ������������ 3 cc ����

2.6 ����������������������

��������

����������������������

���������������� 5 ������

�����������������Fig. 8 ���

�����������������������

Fig. 7 Developed second prototype pediatric VAD.

Fig. 8 Closed loop circulation circuit for pump performance evaluation.

Table 2 Digital PID control gains for 5-DOF impeller posture control and rotation control.

Axial position

Radial position

Inclinationangle Rotation

P 12[A/mm]

1.5 [A/mm]

2.2 [A/deg]

0.0005[A/rpm]

I 0.07 [A/sec mm]

0[A/sec mm]

0.07[A/sec deg]

0.0018[A/sec rpm]

D 0.008 [A sec/mm]

0.002 [A sec/mm]

0.00275[A sec/deg]

0[A sec/rpm]

���������������NEC Avio ���

���������� 9E02-P13���������

���� 12 mm����� MFV-2100�������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

����������� 0.5 L/min ���������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

���� PID ��������������� PI������������� Table 2 ����

Page 5: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

202

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

(134)

� �����

3.1 ����������������������

���

����������������������

� Fig. 9 ��������������� 100 mmHg��������������� 4000 rpm �� 5000 rpm ������� 0.5 L/min �� 3.0 L/min ���

�����������������������

�����������������������

�����������������������

���� Fig. 10�Fig. 11 ����Fig. 11 �����

��� X-Y ������������������

����������� 4000 rpm �� 5000 rpm �

������ 0.05 N �� 0.5 N ���������

�����������������������

��� 0.5 N ������� 1 A ��������

����������� 1.0 N/A ���[7]����

�����������������������

�����������������������

0.01 N �� 0.14 N ���������������

�����������������������

Fig. 9 Estimated H-Q characteristics of miniaturized blood pump

Fig. 10 Estimated axial thrust force

������������ 0.14 N ��������

������������� 0.6 N/mm������

�� 0.16 N/A �����[7]�����������

������������

3.2 ����������������������

����������

����������������������

����������� Fig. 12 ���������

����� 4000 rpm �� 5000 rpm �������

��� 100 mmHg ������� 0.1 L/min �� 2.5 L/min ��������������������

������������������������

�����������������������

����������������� Fig. 13 ����

�����������������������

������������ 0.08 mm�������

� 0.19 mm ������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

Fig. 11 Estimated radial thrust force

Fig. 12 Measured H-Q characteristics of miniaturized blood pump

Page 6: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

203(135)

� �����

3.1 ����������������������

���

����������������������

� Fig. 9 ��������������� 100 mmHg��������������� 4000 rpm �� 5000 rpm ������� 0.5 L/min �� 3.0 L/min ���

�����������������������

�����������������������

�����������������������

���� Fig. 10�Fig. 11 ����Fig. 11 �����

��� X-Y ������������������

����������� 4000 rpm �� 5000 rpm �

������ 0.05 N �� 0.5 N ���������

�����������������������

��� 0.5 N ������� 1 A ��������

����������� 1.0 N/A ���[7]����

�����������������������

�����������������������

0.01 N �� 0.14 N ���������������

�����������������������

Fig. 9 Estimated H-Q characteristics of miniaturized blood pump

Fig. 10 Estimated axial thrust force

������������ 0.14 N ��������

������������� 0.6 N/mm������

�� 0.16 N/A �����[7]�����������

������������

3.2 ����������������������

����������

����������������������

����������� Fig. 12 ���������

����� 4000 rpm �� 5000 rpm �������

��� 100 mmHg ������� 0.1 L/min �� 2.5 L/min ��������������������

������������������������

�����������������������

����������������� Fig. 13 ����

�����������������������

������������ 0.08 mm�������

� 0.19 mm ������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

Fig. 11 Estimated radial thrust force

Fig. 12 Measured H-Q characteristics of miniaturized blood pump

Fig. 13 Oscillation amplitude and maximum tilt angle

�����������������������

���������� 4000 rpm ���������

�������������� 1.9 deg ������

�����������������������

������������������ 1.5 mm �

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

������������� 0.6 mm ������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

������������������������

����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

������������������������

4 ��

5 ���������������������

�����������������������

�� 18 cc ������������������

�����������������������

�����������1�5 ����������

100 mmHg ����������� 0.5 L/min ��

2.5 L/min �������������������

�� 5 ��������������������

�������������

��

�����JSPS ��������B�����

16K18036��������������������

������������������������

������������������

����

[1] J. Timothy Baldwin, Harvey S. Borovets, Brian W. Duncan, Mark J. Gartner, Robert K. Jarvik, William J. Weiss and Tracey R. Hoke, The National Heart, Lung, and Blood Institute Pediatric Circulatory Support, Journal of the American heart association, pp. 147-155, 2006.

[2] Marc Gibber, Zhongjun J. Wu, Won-Bae Chang, Giacomo Bianchi, Jingping Hu, Jose Garcia, Robert Jarvik, Bartley P. Griffith, In Vivo Experience of the Child-Size Pediatric Jarvik 2000 Heart: Update. ASAIO Journal, Vol. 56, No. 4, pp. 369-374, 2010.

[3] Junichi Asama, Yuki Hamasaki, Takaaki Oiwa, Akira Chiba, Proposal and Analysis of a Novel Single-Drive Bearingless Motor. IEEE, Vol. 60, No. 1, pp. 129-138, 2013.

[4] �� ����� ����������������

��������������������Vol. 80�No. 815�2014.

Page 7: 25-2-22 - jstage.jst.go.jp

204

日本 AEM 学会誌 Vol. 25, No.2 (2017)

(136)

[5] � ����� ���� ���� ��������

�����������������������

Dynamics and Design Conference ��� 2014�No. 726�2014.

[6] �� ����� ��� ���� ��������

������������������������

� AEM ����Vol. 23, No. 1, pp. 41-47, 2015.[7] Masahiro Osa, Toru Masuzawa, Naoki Omori, Eisuke

Tatsumi, Radial position active control of double stator axial gap self-bearing motor for pediatric VAD, Mechanical Engineering Journal, Vol. 2, No. 4, 2015.

[8] �� ����� ��� ���� ��������

��� 5 ���������������� 23 ���

�����������pp. 29-30�2015.[9] Masahiro Osa, Toru Masuzawa, Takuya Saito, Eisuke

Tatsumi, Miniaturization of 5-DOF fully controlled axial gap maglev motor for pediatric ventricular assist devices, International Journal of AEM, Vol. 52, No. 1-2, pp. 191-198, 2016.

[10] �� ��������������������Vol. 42�No. 5�pp. 784-788�2010.

[11] Val S. Lobanoff, Robert R. Ross, Centrifugal Pumps Design and Application Second Edition, Gulf Publishing Company,pp. 28-64, 2013.