具有磁悬浮叶轮的紧凑型离心泵的制作方法

本发明涉及用于处理对机械应力敏感的流体(例如血液)的泵。更具体地，本发明涉及离心泵，其中使用磁场使叶轮悬浮并旋转，而叶轮和泵壳体之间没有机械接触。

背景技术：

已经开发有在临床上用作可植入式或体外式装置的各种类型的旋转式血液泵。可植入式血液泵，也称为心室辅助装置，用于挽救心力衰竭患者的生命。一些体外式血液泵用于临时心室辅助，另外一些体外式血液泵则是开心手术期间心肺系统的组成部分，或者是为心肺功能障碍患者提供生命支持的体外膜式氧合器(ecmo)的一部分。在这些泵的设计中，一个特别的挑战涉及这样的事实，即血液中的血细胞和蛋白质易于因泵中的非生理性流动而损坏，导致包括溶血现象(破碎的红细胞)和血栓形成(血液凝固)的血液相容性问题。另外，植入式血液泵可以小型化，以减少手术植入的侵入性。这些泵需要高度可靠，因为它们是救生装置，并且这些泵需要高功率效率，以延长随身携带的电池的更换之间的时间间隔。

泵叶轮如何悬浮可能会对泵在处理血液或其他对应力敏感的流体时的性能产生重大影响。已知三种类型的叶轮悬浮，包括机械悬浮、流体动力悬浮和磁悬浮。机械悬浮依赖于泵壳体中的转子和固定部件之间的物理接触。机械悬浮叶轮的典型设计可以在美国专利(公开号：us8088059)中找到，该专利包括浸入血液中的一对机械轴承。另一种设计可以在美国专利(公开号：us6155969)中找到，其中整个悬浮系统由机械轴承(枢轴轴承)和具有永磁体的磁轴承组成。尽管构造简单，但由于轴承附近的流场中的过度剪切应力和在轴承表面上产生的热量，机械悬浮与血液破坏有关。机械悬浮的叶轮还由于轴承表面的机械磨损而遭受耐久性问题。

除了机械悬浮之外，流体动力悬浮依赖于的流体膜(在血液泵的情况下是血液膜)薄层中的局部压力，使得轴承对保持分离。轴承对表面专门设计成使得当转子移动到速度超过阈值时，在填充于轴承对之间的流体中建立局部高压。在美国专利(公开号：us7976271)中描述了基于流体动力悬浮的典型血液泵，在该专利中，流体动力悬浮伴随有一组永磁悬浮系统，以在所有自由度下实现完全稳定。虽然流体动力悬浮避免了直接的物理接触，但悬浮间隙必须非常小，以保持足够高的局部压力。这在间隙内的流场中感生过大的剪切应力，可能造成对间隙中的血液或其他对应力敏感的流体的破坏达到与机械轴承中的破坏相当的程度。

磁悬浮与机械或流体动力悬浮的不同之处在于采用了磁力，磁力本身是非接触的，消除了对于作为使泵叶轮悬浮的介质的流体的需求。已经证明，通过单独使用主动控制的电磁体或使用主动控制的电磁体与永磁体的结合，转子可以在所有自由度上以所需的刚度完全地悬浮。与流体动力悬浮不同，磁悬浮允许明显更大的悬浮间隙，使得间隙中的血液受到较小的剪切应力，这有助于改善血液相容性。磁悬浮的另一个优点是元件之间没有物理接触，这消除了悬浮系统的部件上的任何机械磨损。

除了泵送血液之外，能够在没有机械磨损的情况下处理对应力敏感的流体的泵还可以在其他应用中实施。例如，在集成电路工业中，使用颗粒精确的浆料的化学机械平坦化(cmp)是常用的晶片表面抛光工艺。已经观察到，在运输过程中浆料混合物中的过度应力导致悬浮颗粒的聚集，并且过大的颗粒在晶片表面上引起缺陷划痕。这个问题可以通过用完全磁悬浮泵替换传统工艺中的隔膜泵来解决，该完全磁悬浮泵可以避免浆料中的过度应力。另一个应用领域涉及超纯流体的运输，例如用于制造微电子元件的超纯水的运输。使用完全磁悬浮，可以减少泵内部的机械磨损，从而避免磨损的碎屑进入纯流体中造成污染。

磁悬浮泵中的转子可分为轴状类型和盘状类型。轴状转子的轴向尺寸比径向尺寸更大，并且通常通过两组径向/轴颈轴承悬浮，两组径向/轴颈轴承沿着转子的旋转轴线明显地分开。盘状转子的径向尺寸比轴向尺寸更大，或者可以具有大致相似的轴向和径向尺寸，并且通常通过单组径向轴承来悬浮。轴状转子的倾斜通常通过由沿着轴的轴线彼此分开的径向轴承力的差异产生的扭矩来稳定。相反，盘状转子的倾斜通常通过导致围绕倾斜轴线的净扭矩的转子上分布的力的总体影响来稳定。分布的力可以由布置在转子周围的倾斜专用轴承单元提供，或者由用于径向和倾斜悬浮的双重功能的单个磁性轴承单元提供。

技术实现要素：

本发明的实施例包括泵，该泵具有完全磁悬浮转子，以在泵送血液或具有类似流体动力学特性的其他流体时改善血液相容性。特别地，希望具有这样的泵，该泵通过分开的电机和磁轴承以主动控制来稳定盘状转子的径向位移，以改善泵的关键性能，包括装置包装尺寸、系统简单性和可靠性、刚度以及悬浮的其他动态性能、功率效率等。

本发明的一个实施例包括泵设备，该泵设备具有壳体，该壳体具有分别用于接收和排出流体的入口和出口以及中心轴线。转子可以定位在壳体的内部，以可以围绕中心轴线旋转。转子可以具有用于在入口和出口之间泵送流体的叶轮，并且转子可以磁悬浮，以保持转子和壳体之间的流道。电机可以适于围绕大致与中心轴线重合的旋转轴线驱动转子。电机可以包括：电机转子组件，其设置在转子内；和电机定子组件，其设置在壳体内。泵设备还可以包括磁悬浮装置，该磁悬浮装置包括环形转子主极片，该环形转子主极片与旋转轴线同轴地安装在转子内。环形转子主极片可以包括用于引导磁通量的铁磁材料，并且具有第一端面、第二端面和圆柱形侧面，圆柱形侧面配置为用作转子极面。多个电磁体单元安装在壳体内，并且围绕中心轴线以规则间隔周向地分布。每个电磁体单元都可以包括极靴，极靴具有第一端面、第二端面和侧圆柱形面，侧圆柱形面配置为用作外壳极面。铁芯可以从极靴延伸，并且背轭可以将不同电磁体单元的两个或更多个铁芯连接在一起。线圈可以缠绕在铁芯上，以传导电流。极靴、铁芯和背轭可包括用于引导磁通量的铁磁材料，转子主极片的第一端面以及所有极靴的第一端面都沿着轴向方向位于相同侧。转子极面和每个外壳极面可以彼此相对，并在它们之间限定主悬浮间隙。主悬浮间隙可以彼此轴向对准，并且在彼此周向分开。

至少一个永磁体可以产生多个偏置磁通量。每个偏置磁通量都可以径向地穿过主悬浮间隙中的一个，并且穿过转子主极片和电磁体单元的极靴的内部。至少一个永磁体可以在这样的方向被磁化，即，所有偏置磁通量在相同极性方向上穿过主悬浮间隙。多个位置传感器可以围绕转子周向地设置并且安装在壳体内，用于检测转子极面的径向位置。

泵设备还可包括反馈控制系统，用于根据位置传感器的实时输出产生电流，并将电流传输到多个电磁体单元的线圈中。反馈控制系统可以包括适于实现转子的径向定位的稳定性的控制策略。多个电磁体单元可以电连接和磁连接，以共同产生调制磁通量，用于沿两个正交的径向轴线中的任一个主动控制转子的位置。第一径向轴线可以具有由第二径向轴线分开的第一侧和第二侧。调制磁通量可以径向地穿过多个主悬浮间隙并叠加偏置磁通量，以增强位于径向轴线的第一侧的主悬浮间隙中的偏置磁通量，并减弱位于径向轴线的第二侧的主悬浮间隙中的偏置磁通量。

附图说明

为了便于理解寻求保护的主题，在附图中示出了其实施例，通过审阅在附图中示出的实施例，并结合以下描述考虑寻求保护的主题，其构造和操作以及许多优点应该很容易被理解和领会。

图1是根据本发明的一个实施例的泵的正面俯视透视图。

图2是根据本发明的一个实施例的图1的泵的分解图，示出了用于流体流过泵的泵内部构造。

图3是根据本发明的一个实施例的图1的泵的主视剖视图。

图4是根据本发明的一个实施例的图1的泵中的磁悬浮和电机的组件的分解轴测图。

图5是根据本发明的一个实施例的图1的泵的俯视剖视图。

图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)示出了根据本发明的一个实施例的基本的被动悬浮单元，该基本的被动悬浮单元由分别在转子和外壳中的磁耦合环形构件组成。

图7描绘了基本的被动悬浮单元，其中磁通量不链接转子和外壳构件。

图8是根据本发明的一个实施例的示例性被动悬浮单元的主视剖视图。

图9(a)和图9(b)是图3至图5的泵中的磁悬浮组件的剖视图。

图10是根据本发明的一个实施例的用于主动悬浮控制的反馈控制环路的示意图。

图11(a)、图11(b)和图11(c)是可用于根据本发明的一个实施例的泵的不同的基本的磁悬浮单元的剖视图。

图12是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的剖视图。

图13(a)和图13(b)是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的实施例的剖视图。

图14是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的实施例的剖视图。

图15是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的剖视图。

图16是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的剖视图。

图17(a)、图17(b)和17(c)是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的剖视图。

图18(a)和18(b)是根据本发明的一个实施例的泵的磁悬浮组件的剖视图。

图19是根据本发明的一个实施例的图18的电磁体单元的磁路。

图20是根据本发明的一个实施例的另一个泵的正面俯视透视图。

图21是图20的泵的分解图，示出了用于流体流过所述泵的泵内部构造。

图22是图20的泵的主视剖视图，示出了转子和壳体的构造，重点在于磁悬浮和电机。

图23是以局部剖视图示出的图20的泵中的磁悬浮和电机的组件的分解轴测图。

图24描绘了图20至图23的泵中的磁悬浮组件。

具体实施方式

虽然本公开可以容许许多不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述某些实施例应作如下理解，即本公开应被认为是本公开的原理的示例和并不旨在将本公开的广泛方面限制于所示的实施例。

参见图1至图3，根据本公开的一个实施例的泵设备10包括壳体12，壳体12具有用于接收工作流体的入口11和用于排出工作流体的出口13。壳体12包含界定内部腔室20的连续内壁，在该内部腔室20内安装有带有集成的叶轮32的转子30。壳体12还包含外壁，该外壁与壳体内壁一起形成相当大容积的空间，用于容纳磁悬浮和电机的结构部件。出口13延伸到壳体腔室20中，并与泵蜗壳22连通，泵蜗壳22有利地构造成用于从流体的动能获得升压。

转子30设置成围绕壳体12的中心轴线z旋转，如图2所示。叶轮32由多个叶片33组成，当叶轮32旋转时，叶片33将能量传递到工作流体。转子30包含磁悬浮和电机的元件，这些元件与壳体12内的相应元件相互作用，以提供使转子30悬浮和旋转所必需的力和扭矩。

根据本公开的一个实施例，转子30可以采用环形形状，并且壳体内部腔室20可以具有容纳环形转子30的相应的环形通道24。环形通道24的内壁形成中心柱15，该中心柱15从环形通道24的底表面突出。环形通道14的外壁附接到外壳16，外壳16是壳体12的内壁和外壁之间的空间的一部分。中心柱15或外壳16中的一个或者两个可以包含磁悬浮和/或电机的元件。

如图2至图5所示，在壳体12上表示xyz坐标系。z轴线与中心柱15的圆柱形表面的中心轴线重叠。xy平面穿过电磁体极靴83a-d的中间高度(图3、图4和图9)。

当泵10与置于环形通道24中的转子30组装在一起，并且磁悬浮适当地发挥作用时，转子通过磁力完全地悬浮，使得在正常运行中，转子30的部件都不与壳体表面物理接触。以这种方式，转子30的表面和环形通道24的相应表面在它们之间限定了u形的悬浮间隙25(图3)。而且，当转子30适当地悬浮时，(带有叶片33的)叶轮32的通路变得与蜗壳22的通路对准。因此，当转子30旋转时，通过入口11进入泵10内的工作流体由叶轮叶片33推动，以径向地向外流过叶轮通路并进入蜗壳22内。流体由蜗壳22收集并通过出口13排出泵10外。

由于压力差，少量的流体流过u形悬浮间隙25，并形成围绕转子30的二次流。由于u形悬浮间隙25的外开口处的压力大于“u”的内开口处的压力，因此流体进入间隙的外开口，在转子30的外侧向下、在转子30的底部向内以及在转子30的内侧向上流动，并且从内开口离开u形悬浮间隙25，由此形成二次流。可以理解的是，根据本发明的一个实施例，这种二次流路径是直的且没有障碍物体或结构(例如之字形结构)的，否则会导致流动停滞或显著地阻碍流动。因此，二次流在整个转子表面上产生无阻碍的清洗，这除了对于处理对应力敏感的流体的其他益处之外还有助于防止血液凝固。

根据本发明的一个实施例，可以在转子表面和壳体内表面上施加与泵处理的流体兼容的任何合适材料(例如钛合金)的薄壁护套，或者在转子表面和壳体内表面施加合适的涂层，以保持转子30和壳体12内的部件不与工作流体直接接触。然而，为了清楚起见，这种护套或涂层未在本文的附图中示出。此外，当处理电机和磁悬浮的运行原理时，本文使用的术语“空气间隙”表示磁性部件之间的间隙，但是在实际的实践中这种间隙可填充有流体和/或任何其他非磁性材料，甚至是真空，而不是空气。

现在转向图3至图5，示出了电机40和磁悬浮60的一个示例性实施例。优选地，电机40是无刷dc或无刷ac类型，但是本领域技术人员基于本文公开的一般原理可以采用各种其他的类型，例如感应电机。如图3和图4所示，无刷电机40包括安装在壳体12内的定子组件41和安装在转子30内的转子组件42。在该实施例中，定子组件41位于中心柱15内，但是可替换地，它也可以设置在壳体12的其他部分，例如外壳16中。

电机定子组件41紧邻空气间隙43设置，以有利于功率效率。如本领域技术人员所公知，电机定子组件41包括多个线圈46，这些线圈46被分组成多相(例如3相)绕组。根据本公开的一个实施例，电机线圈46缠绕在电机定子芯47的齿上，该电机定子芯47由铁磁材料(例如软铁或硅钢)制成，具有层压或非层压结构。然而，电机定子芯47可以部分或全部由任何非磁性材料制成，以减少或消除转子30上的不平衡磁拉力。不平衡磁拉力是当转子和定子沿径向方向在几何学和磁性上不完美地对准时，在转子磁体和定子磁性材料之间感生的磁力。这种力通常是不希望的，特别是在具有磁悬浮的设计中，因为它导致负刚度，该负刚度必须通过磁悬浮来抵消。因此，尽管具有铁磁芯的电机定子可以有助于提高功率效率，但是这种芯结构对于优化设备的整体性能可能不是必需的，也就是说，可以使用无芯电机结构。

电机转子组件42包括多个永磁体区段48，多个永磁体区段48围绕转子30的内周安装，与空气间隙43相邻。如本领域技术人员所公知的，这些永磁体区段48周向地逐块安装，并且配以交替的极化，以形成电机转子的磁极，这在空气间隙43中产生周向交替的磁场。优选地，海尔贝克(halbach)阵列可用于形成朝向空气间隙43的集中磁场。而且，可以在永磁体48的后侧上使用磁轭，以有利地促进组装并增强磁性能。但是，出于其他考虑(例如减小转子尺寸)，磁轭可能不是必要的。根据本公开的一个实施例，环形磁极构件或环形磁极件73(磁悬浮组件60的结构部件)也用于电机永磁体48的背轭。

虽然图3至图5示出了位于泵10内部的电机40，电机40可以通过使它的结构内外反转而设置在泵10的外侧部分。以这种方式，通过反转定子芯47(如果有的话)和绕组线圈46，电机定子组件41将安装在泵壳体12的外壳16内，使得电机线圈46与空气间隙63相邻。因此，电机转子组件42将移至转子30的外周，通过永磁体48和背轭(如果有的话)内外反转，从而在空气间隙63中形成磁极。

在另一可选实施例中，电机40可以设置在壳体12的基部内，在对应于u形间隙25的底部(图3)的空气间隙62的下方。在这样的配置中，根据本公开的原理，本领域技术人员将构造出与本文图22和图23中描述的轴向磁通电机类似的轴向磁通电机。

现在转向泵10中的磁悬浮的原理和结构，如上所述的坐标系xyz用于介绍待稳定的转子30的五个自由度(dof)。这五个dof包括沿着z轴线的一个轴向位移，分别沿着x轴线和y轴线的两个径向位移，以及分别围绕x轴线和y轴线的两个倾斜位移(角位移)。通过在电磁体和永磁体的混合结构中馈送到电磁线圈中的电流的反馈控制来稳定径向位移。其他的dof通过被动悬浮或使用永磁体来稳定。

根据本公开的一个实施例，被动悬浮包括一个或多个基本单元，每个基本单元分别包括安装在转子30和固定外壳(泵壳体12内)中的同轴环形构件。转子30和外壳构件通过径向的空气间隙分开，或者换句话说，它们隔着径向空气间隙彼此相对。在不失一般性的情况下，下面解释外壳上的外部构件的详细概念。

图6中示出了基本的被动悬浮单元的一个实施例。在该示例中，转子和外壳构件二者有利地形成为基本相等的厚度，尽管这对于本发明的成功实践不是必需的。另外，优选地，构件101和构件102二者都是永磁体，但是它们中的任何一个可以用软铁部件代替，而不会背离本文公开的一般原理。然而，通过使用永磁体可以产生更强的磁通量，从而可以在相同的空间量内获得增加的悬浮刚度。使用永磁体还可以减小径向方向上的负刚度，从而有利于径向悬浮设计以获得更好的性能。

本文使用的术语“永磁体”或“磁体”是指由剩磁大且矫顽力大的铁磁材料制成并且被磁化以用作磁场的来源的部件，例如nefeb，如本领域技术人员所公知的。本文使用的“软铁”是指由剩磁小且矫顽力小的层压或非层压铁磁材料制成并且用于引导磁通量的部件，例如纯铁、硅钢或hiperco合金，如本领域技术人员所公知的。

坐标系xyz表示在图6的固定外壳上。如图6(a)至图6(c)所示，由空气间隙104分开的环形构件101和环形构件102二者沿着z轴线但在相反的方向上磁化。字母“n”和“s”分别表示北极和南极。因此，这些磁体产生一系列工作磁通量103的环路，该一系列工作磁通量103的环路位于子午面上，并且穿过环形构件101和环形构件102二者的内部，或链接这些构件。注意，与漏通量形成对照，本文使用的术语“工作磁通量”代表促成主要的悬浮力的磁通量。

被动稳定性可以通过磁通环路倾向于使其总磁阻最小化的原理来理解。因此，环形构件101和环形构件102倾向于围绕厚度中心(沿z轴线)彼此对准，如图6(a)所示。如果环形构件102经历如图6(b)所示的向上的位移，那么来自外壳构件101的环形构件102的左右横截面区域上的净吸引力f1和f2分别变成关于x-y平面倾斜。这些力的总和形成净力f，该净力f将环形构件102向下拉，从而恢复与构件101的对准。该机制使转子在轴向方向上稳定。

如图6(c)所示，如果环形构件102获得围绕x轴线的角位移(倾斜)，则从环形构件101在环形构件102上感生分布的吸引力。右侧(正y)横截面上的净力f2从x-y平面朝向z负方向倾斜，而左侧(负y)横截面上的净力f1从x-y平面朝向z正方向倾斜。如果环形构件101和环形构件102的厚度相对于空气间隙104的直径足够的小，并且倾斜角足够小，则力f2的作用点位于力f1的作用力点上方。因此，在环形构件102上产生净扭矩t，从而倾向于使转子构件与外壳构件重新对准。该机制通过被动悬浮提供转子的倾斜稳定性。

上述悬浮固有地在径向上不稳定。如果环形构件102在图6(a)的径向方向上变成与外壳构件103不对准，则在环形构件102上可感生净吸引力，以将环形构件102进一步推离中心，从而加剧不对准，直到环形构件102接触外壳构件103的内表面。实际上，本发明实施例的被动悬浮的特征在于在转子和外壳构件之间在径向方向具有分布的吸引力，而不是在径向方向上具有排斥力或在轴向方向上具有吸引力。如图7所示，如果两个同心的环形构件111和环形构件112在相同的方向上被磁化，则在环形构件111和环形构件112之间在径向方向上引起分布的排斥力。这样，图7的任何环形构件111和环形构件112的工作磁通量完成了环路(例如，柔性环路114)，该环路仅穿过该磁体构件本身(环形构件112)的内部，但不穿过其他构件(环形构件111)。相似的效果可能发生在其他各环形构件上(例如，磁通环路113)。换句话说，磁通量不会链接彼此隔着径向空气间隙115相对的转子和外壳构件。这种配置起不到本发明的被动悬浮的作用。

因此，根据本发明的一个实施例，通过工作磁通环路实现被动悬浮，该工作磁通环路链接彼此隔着径向空气间隙相对的转子和外壳构件。只要悬浮单元的总厚度与空气间隙的直径相比足够小，就可以获得轴向位移和倾斜位移的被动稳定性。该原理被称为磁通环路链原理，并且是在本公开中实现被动悬浮的充分标准。例如，即使图6(a)至图6(c)中的构件101和构件102中的一个由软铁替换，仍保留有效的悬浮，因为磁通环路仍然通过两个构件的内部。

尽管图6(a)的磁体是轴向地极化的，但是基于本文公开的原理，本领域技术人员可以采用各种其他布置产生被动悬浮的相同效果。例如，如图6(d)所示，环形构件磁体105和环形构件106在径向方向上极化，这产生链接磁体105和磁体106的工作磁通环路107。这种构造可以起到与用于轴向位移和倾斜的被动悬浮大致相同的功能。也可以使用磁体的其他极化组合，例如一个轴向极化和另一个径向极化。这种可操作的示例还包括在关于z轴线的倾斜方向上极化的磁体。

通过在图6(a)至6(c)的任何轴向磁化的永磁体的一端或两端添加环形软铁板，可以增强上述基本悬浮单元。这种板，称作端极片，用于将磁通量集中到软铁中，并在空气间隙中带来增强的磁通量密度。施加在高渗透性磁性材料表面上的磁力不仅取决于表面上的总通量，还取决于表面上的通量密度。对于相同的进入或离开表面的总通量，表面上的通量密度越高，表面经受的磁力越大。因此，通过在图6(a)至图6(c)的基本的悬浮单元中的永磁体的端部上添加端极片，可以基于相同体积的永磁体而获得增加的悬浮刚度。

优选地，在本发明的实施例的磁悬浮组件的转子中的永磁体或软铁的环形构件是完整的环，该完整的环的围绕圆周的几何形状和磁特性大致均匀。在转子旋转时，产生围绕转子圆周的显著变化的磁场的其他不连续结构会带来不希望的效果。例如，当转子旋转时，磁场的变化可能导致不稳定的悬浮力和刚度，这可能引起振动和其他不期望的动态效应。这还会在外壳中的导电材料中感生涡电流，可导致能量损失和发热。

相反，本发明的实施例的磁悬浮组件的外壳中的一些或所有环形构件都可以由几何学上或磁性上不均匀或间断的结构形成。这是因为当转子旋转时，这种交替结构本身不会引起悬浮力或涡电流的变化。例如，沿圆圈均匀分布的一组永磁体或软铁的弧形区段，尤其是如果这些区段一起覆盖圆圈的大部分，则这些弧形区段适当地用于本发明的实施例的磁悬浮。

上面讨论的基本的被动悬浮单元可以用作独立结构，或者通过在相邻单元之间的交替磁极化的布置中形成多个单元的堆叠来使用。图8示出了根据该原理的这种堆叠结构的实施例。如上所述，基本的被动悬浮单元(例如图6(a)至图6(d)中的基本的被动悬浮单元)的倾斜稳定性要求环形磁构件的厚度与空气间隙的直径相比足够小。根据相同的原理，为了实现堆叠结构的倾斜稳定性，使堆叠的总厚度相对于空气间隙的直径足够的小。

如图8所示，被动悬浮组件160由对称的上部和下部组成。上部包括设置在外壳内的环形永磁体184和转子内的环形永磁体174。优选地，这些磁体具有大致相等的厚度并且隔着径向空气间隙163面对彼此。软铁的环形端极片185附接到磁体184的顶端。根据对设计优化的分析，该端极片185可以从磁体184的内圆柱表面朝向空气间隙163突出或可以不从磁体184的内圆柱表面朝向空气间隙163突出。相应地，软铁的环形端极片175附接到磁体174的顶端，并且它可以从磁体174的外圆柱表面朝向空气间隙163突出或可以不从磁体174的外圆柱表面朝向空气间隙163突出。优选地，端极片175和端极片185具有大致相等的厚度，并且隔着空气间隙163彼此相对。另外，环形软铁的磁极构件183附接到磁体184的底端。有利地，磁极构件183可以具有在内圆柱表面上切割出的环形凹槽，以分别在磁极构件183的上端和下端上形成齿188和齿187，齿188和齿187两者都朝向空气间隙163突出。相应地，环形软铁的另一磁极构件或极片173附接到磁体174的底端，并且它可以具有在外圆柱表面上切割出的环形凹槽，以形成朝向空气间隙163突出的齿178和齿177。优选地，磁极构件183和磁极构件173具有大致相等的厚度，以及每对齿188、178和187、177的厚度与连接的端极片185和端极片175的相同特征一致。

环形永磁体184和环形永磁体174二者都沿着厚度(沿轴线z)但在相反的方向被磁化。夹住这些磁体的软铁构件用于引导磁通量穿过磁性材料和空气间隙。因此，环形永磁体184和环形永磁体174产生一组磁通环路153，该一组磁通环路153穿过环形永磁体174、端极片175、空气间隙163、端极片185、环形永磁体184、磁极构件183、空气间隙163和磁极构件173。因此，一组转子构件173、174和175以及一组外壳构件185、184和183通过工作磁通环路153链接。

组件160的下部中的结构可以通过使上部结构关于延伸穿过磁极构件183和磁极构件173的厚度的中间的x-y平面镜像而形成。因此，形成了成对的磁体构件182和磁体构件172，成对的端极片181和端极片171，以及成对的齿187和齿177。磁通环路154链接转子中的磁构件与外壳中的磁构件。将磁极构件183和磁极构件173夹在中间的磁体在相反方向上被磁化，使得工作磁通环路153和工作磁通环路154在相反的方向上成环。

因此，堆叠结构160的转子构件和外壳构件通过一组磁通环路153和磁通环路154来链接。另外，组件160的总厚度相对于空气间隙163的直径足够的小。因此，根据上述磁通环路链原理，为了轴向稳定性和倾斜稳定性，可将以磁通环路153和磁通环路154为特征的组件160用于被动悬浮。

磁极构件183和磁极构件173起到与端极片185和端极片175相同的、将磁通量集中到受限空气间隙区域中的作用。这些磁极构件中的齿188、齿178、齿187和齿177可以有助于将磁通量进一步集中到相对的齿之间的与整个磁极构件之间的空气间隙相比甚至更窄的空气间隙中。然而，取决于设计优化，在一些应用中部分或全部的齿结构不是必需的，这意味着可能不需要磁极构件183和磁极构件173上的任何凹槽或两个凹槽。

应该注意的是，图8的元件可以是或可以不是沿着圆周的连续环形片。例如，任何构件(例如，外壳极片183)都可以用设置在环形件183的原始空间中的多个弧形区段代替。尽管某些悬浮性能可能受到影响，但这种改变不背离本文公开的磁悬浮原理。具体地，如果转子构件制造为具有间断结构，则当转子旋转时，可能会感生不稳定的悬浮力和涡电流，这可能削弱功率效率、动态性能和可能的其他性能。

如果组件160仅用于被动悬浮，则磁极构件183和磁极构件173可以制造成与端极片185和端极片175相同。然而，具有较厚的磁极构件183和磁极构件173的构造可以适于形成图3至图5的混合磁悬浮，该混合磁悬浮提供用于径向稳定性的主动悬浮附加功能。返回图3至图5，悬浮组件60可具有与图8的组件160几乎相同的构造。实际上，图8的每个元件的附图标记虽然具有尾部的0，但都对应于图3至图5中的附图标记(即将160变为60)。图8中的每个附图标记(具有尾部的0)都可以在图3中找到相似的标记，其中，除了磁极构件183之外，相关的结构构件彼此匹配。图8的磁极构件183由围绕空气间隙63周向分布的多个电磁体极靴83a-d(图5)代替，以便用于下面将讨论的电磁功能。这组极靴可以视为通过沿着连续环形磁极构件183的圆周切掉一些区段而制成的。这种用间断的环形区段替换连续的环不会改变被动悬浮的原理，并且不会引起悬浮性能的显著改变，因为大部分圆周空间仍然被软铁占据。因此，根据本发明的实施例，泵10中的被动悬浮组件由上述示例构造成。

现在转向图1的泵10中的主动悬浮的原理和构造。主动悬浮基于偏置通量上的磁通量调制原理。偏磁通量由永磁体建立，调制通量由电磁体产生。

参考图3至图5，磁悬浮组件60包括由空气间隙63分开的的转子组件62和外壳组件61。转子组件62尤其包括由具有相反极化的永磁体72和永磁体74夹在中间的主极片73。外壳组件61尤其包括由具有相反极化的永磁体82和永磁体84夹在中间的一组极片83a-83d。另外，外壳组件61包括围绕外壳组件61的圆周均匀分布的一组电磁体单元90a-d。每个电磁体单元都具有大致相同的构造。因此，为简单起见，以从标记中去掉字母词尾的代表单元来描述它们。例如，单元90是四个单元90a-d中的任何一个的代表。在本文档中通篇使用此约定。

因此，电磁体单元90主要包括线圈91、铁芯92、极靴83和由电磁体单元组共用的背轭95。铁芯92是由软铁制成的立方体件，具有诸如圆形、带圆角的矩形、或者本领域技术人员已知的适合于构造电磁体芯的其他形状的横截面形状。有利地，铁芯92通过在径向方向上对准它的纵向轴线(如车轮的轮辐那样)而安装到组件61中。用于传导电流的线圈91缠绕在铁芯92上。极靴83在朝向空气间隙63的一侧附接到铁芯92的一端。背轭95附接到铁芯92的另一端。

极靴83a-83d围绕空气间隙63沿周向均匀分布。每个极靴都用于与转子主极片73联接，以形成穿过空气间隙的集中的磁通量。因此，如果主极靴73的齿78和齿77存在，则齿88和齿87构造在极靴83的内表面上，以分别与主极靴73的齿78和齿77相对。为了主动悬浮的优化设计，确定相邻极靴之间的周向间隙，以使极靴之间的磁通泄漏最小化，同时使每个极靴的内表面最大化，以最佳地引导工作通量穿过空气间隙。软铁的环形端极片85附接到磁体84的顶端。根据对设计优化的分析，该端极片85可以从磁体84的内圆柱表面朝向空气间隙63突出或可以不从磁体84的内圆柱表面朝向空气间隙63突出。相应地，软铁的环形端极片75附接到磁体74的顶端，并且它可以从磁体74的外圆柱表面朝向空气间隙63突出或可以不从磁体74的外圆柱表面朝向空气间隙63突出。优选地，端极片75和端极片85具有大致相等的厚度，并且隔着空气间隙63彼此相对。

参考图3至图5，根据本公开的实施例，背轭95配置为连接共同用于控制一个dof的电磁体单元。特别地，电磁体单元90a和90b通过背轭95连接，以共同控制转子沿y轴线的径向位置，并且电磁体单元90c和电磁体单元90d连接，以沿着x轴线控制转子。在图3至图5中，一个背轭95连接所有电磁体单元，这有利于简单性和紧凑性，以及其他优点。然而，在一些应用中，严格限制来自不同电磁体单元组的磁通量之间的联接，以抑制x轴线控制和y轴线控制之间的干扰。在这种情况下，可以配置分开的背轭，使得每个背轭仅连接那些仅为控制一个特定径向位移(沿着x或y轴线)而起作用的电磁体单元。本领域技术人员根据本文公开的原理可以容易地想到这种可替换的构造。

通过实时调节来自外壳的对转子的磁力，主要是来自电磁体极靴83a-83d对主极片73的磁力，来实现对转子径向位置的主动控制。在图3至图5的实施例中，x或y方向上的径向位移是独立控制的，其中，两个电磁体90a和90b负责y轴线控制，两个电磁体90c和90d负责x轴线控制。由于每个轴线上的控制的基本原理是相同的，因此下面仅详细讨论y轴线控制。本发明实施例中的主动悬浮是基于称为空气间隙中的偏置通量的推挽调制的机制。如图9所示，在图9(a)的对称结构的上部，永磁体84和永磁体74产生一组磁通环路53a-53d，该组磁通环路53a-53d分别穿过转子主极片73和电磁体极靴83a-83d之间的空气间隙51a-51d。用于悬浮的空气间隙中的这种工作磁通量被称为偏置通量。在图9(b)中可以看到磁通环路53a和53b的长度，图9(b)是图9(a)切割穿过空气间隙51a和51b的平面a-a的剖视图。圆圈内的点表示流出纸面的通量，圆圈内的“x”表示流入纸面的通量。磁极构件73和磁极构件83上的齿具有将偏置通量集中在空气间隙51中的受限区域中的效果。以相同的方式，在图9(a)的对称结构的下部建立另一组偏置磁通环路54a和54b。由于两组偏置通量是大致对称的并且基于相同的机制产生主动控制力，因此下面仅进一步讨论基于磁通环路53a和磁通环路53b的主动控制。需要注意的是，转子上的总主动控制力是来自这两个来源的力的总和。

来自外壳的齿88a对转子的齿78的磁力在y的负方向上拉动转子，并且来自外壳的齿88b对转子的齿78的磁力在y的正方向拉动转子。由于图9的磁悬浮组件60具有关于x-z平面的对称构造，当转子与外壳同心地设置时，空气间隙51a和空气间隙51b中的偏置通量的大小大致相同。因此，由于空气间隙51a和空气间隙51b中的偏置通量引起的磁力大致彼此平衡，这会导致净力实际上为零。

假设电流i在如图9所示的方向上馈送到线圈91a和线圈91b中，其中圆圈内的点表示流出纸面的电流，圆圈内的“x”表示流入纸面的电流。线圈91a和线圈91b串联连接，使得它们以相同的电流共同工作，以分别在铁芯92a和铁芯92b中产生大致相同的磁通量。由电磁体产生的用于悬浮的这种工作磁通量在本文中称为调制通量。如图9所示，由于整个悬浮组件60关于y-z平面和x-y平面对称，由电磁体90a和电磁体90b产生的调制通量使得调制磁通环路55位于组件60的上部，或者调制磁通环路56位于组件60的下部。由于与上述偏置磁通环路53和偏置磁通环路54相同的原因，磁通环路55和磁通环路56大致相同，因此下面仅分析调制磁通环路55。调制磁通环路55穿过电磁体铁芯92a、极靴83a的齿88a、空气间隙51a，进入位于y负方向侧的转子主极片73的齿78。然后，它沿着转子主极片73的外周通过，到达y正方向侧，离开齿78，穿过空气间隙51b、极靴83b的齿88b、铁芯92b，进入背轭95，最终沿着背轭95的外周通过，到达y负方向侧，以完成环路。由于通过铁芯92a和铁芯92b的磁通量的大小大致相同，因此在x方向上穿过空气间隙51c和空气间隙51d进入另一铁芯的通量，即通量泄漏，可忽略不计。

在空气间隙51a和空气间隙51b中调制通量55叠加偏置通量53a和偏置通量53b。通过图9中所示的磁通环路的特定方向，但不失一般性地，调制通量55与空气间隙51a中的偏置通量53a在相同方向上但是与空气间隙51b中的偏置通量53b在相反方向上行进。因此，空气间隙51a中的磁通量增加到偏置通量上，因此极靴齿88a和转子极片齿78之间的磁力增加。同时，空气间隙51b中的磁通量由于偏置通量而减小，因此极靴齿88b和转子极片齿78之间的磁力减小。这些效果以推拉方式结合，从而在转子上产生朝向y负方向的净磁力。如果电流增加，则转子上的合力大小增加。而且，如果电流换向，则合成的磁力变为相反方向。因此，证明了在空气间隙中的偏置通量上施加成对的相反的调制通量以产生可控的净磁力的机制，即所谓的推挽调制。

假设偏置通量和调制通量的空气间隙通量密度分别为b和δb。空气间隙51a和空气间隙51b中的通量密度分别变为b+δb和b-δb。根据磁学理论，高导磁性材料表面上的磁力与表面上通量密度的平方和表面积的乘积大致成比例。因此，上述分析产生以下净磁力

其中s是电磁体极靴的齿88(88a，88b)的内表面的表面积，k是常数。

此外，由电磁体单元产生的空气间隙通量密度δb与电磁体中的电流i成比例，只要相应的磁路不饱和即可。因此，等式(1)可以重写为

f＝c·b·i(2)

其中c是常数。

由永磁体产生的空气间隙通量密度b不随电流i变化。因此，等式(2)表明净磁力与电磁体电流成正比。也就是说，主动控制力和控制电流之间存在线性关系。推挽调制的这种属性是有利的，除了其他优点之外，它允许应用线性控制策略来实现优选的主动控制性能。

可以理解的是，根据本发明的实施例，偏置磁通环路和调制磁通环路在三维配置中采用不同的路径，使得它们仅在空气间隙附近重叠以用于主动悬浮控制。在非限制性示例中，如图9所示，偏置磁通环路53a、偏置磁通环路53b、偏置磁通环路54a和偏置磁通环路54b位于子午面中，并且调制磁通环路55和56位于与赤道面平行的平面中。它们仅在空气间隙51和包括转子主极片73以及电磁体极靴83的相邻极片中重叠。通常，根据本公开的实施例，偏置磁通环路53a、偏置磁通环路53b、偏置磁通环路54a和偏置磁通环路54b不穿过电磁体的铁芯，并且调制磁通环路55和调制磁通环路56不穿过永磁体。有利地，本发明的这个方面不同于传统设计，例如在美国专利8,288,906和8,596,999中所描述的那些。永磁体对外部磁通量具有极低的磁导率(接近真空)，因此在由电磁体激励的磁路中表现出高磁阻。因此，任何使电磁体的工作磁通环路穿过永磁体的配置都会妨碍功率效率或导致线圈尺寸的显著增加。另一方面，如果由永磁体产生的工作磁通量配置为穿过电磁体的铁芯，则必须扩大铁芯的横截面积以避免饱和。与调制通量相比，偏置通量的大小通常需要明显更大，以便在运行期间覆盖调制通量的整个变化范围。因此，由于在永久磁路中涉及电磁体的铁芯，电磁体尺寸的增加可能是显著的，因此应该避免。

用于沿着x轴线和y轴线的径向位移的主动悬浮基于本文公开的偏置通量调制原理通过反馈控制系统来实现。在本发明的一个实施例中，沿着x轴线或y轴线的位移是独立控制的，因此可以采用两个大致相同的控制系统。如图10中示意性的示出的，这种控制系统200包括位置传感器201，以检测转子沿着x轴线或y轴线的实时位移。控制器202通过适当的控制策略处理来自传感器201的位移信号，并产生控制指令。可以采用磁悬浮领域的技术人员公知的各种控制策略，例如比例微分(pd)控制。控制指令被馈送到电流放大器203中，以产生具有足够功率能力的时变电流，用于激励电磁体。该电流流入电磁体204的线圈中，以产生调制磁通量，从而实现主动悬浮控制的目标。转子位置传感器201可以是磁悬浮领域的技术人员公知的用于转子位置的非接触式测量的任何合适类型，例如涡电流位移传感器或霍尔(hall)效应传感器。例如，图5示出了若干涡电流传感器探头98，涡电流传感器探头98构造为具有用于以高频励磁电流工作的线圈，分布在右侧与空气间隙63相邻的电磁体极靴83a-83d之间的间隙中。相应地，由导电体(例如铜)制成的环形件97安装在转子的外表面凹槽中，如图3和图5所示，右侧邻近空气间隙63并且直接面对涡电流探头98，以用作涡电流传感器探头98的目标。改变沿着指向传感器探针98的轴线的转子的径向位移以产生沿着x轴线和y轴线的位移。两个或更多个传感器探针98用于获得必要的位移信号。

可以理解，根据本发明的实施例，偏置通量不仅构成主动悬浮的基础，而且偏置通量本身也可用于被动悬浮。这是因为偏置磁通环路链接转子和外壳中隔着径向空气间隙彼此相对的构件。根据上面针对图6讨论的磁通链原理，这种磁通环路可以起到用于轴向稳定性和倾斜稳定性的被动悬浮作用。因此，通过包括较少的用于被动悬浮的构件，可以有利地简化图9的混合磁悬浮构造。通常，根据本公开的一个方面的基本的混合悬浮单元可以仅包括在空气间隙中产生偏置磁通量和调制磁通量，该空气间隙由电磁体单元的环形转子主极片和多个周向分布的极靴限定。因此可以设想出各种可选实施例。一些这样的例子如图11所示。

图11(a)示出了根据本发明的实施例的由图9简化而来并仍然保持全部磁悬浮的基本功能的示例性混合磁悬浮组件310。转子组件大略地简化为单件环形软铁314，该单件环形软铁314起到与图9的转子主极靴件73相同的作用。外壳组件根据与图9相同的基本构思构造，其中，为了构造的简单化而省略了位于永磁体端部上的端极片。若干个电磁体围绕空气间隙326分布，每个电磁体都包括极靴313a、极靴313b、铁芯315a、铁芯315b、线圈317a、线圈317b以及背轭316。图11(a)的剖视图描绘了两个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。环形永磁体311和环形永磁体312(优选地，它们是连续的环)将磁极化相反的极靴313a和极靴313b夹在中间。因此在极靴313a和极靴313b的两端产生两个大致对称的偏置磁通环路324和325。这些磁通环路链接转子构件314与一组外壳构件311、313a、313b和312。

图11(b)示出了通过在外壳中包括一个永磁体331从图11(a)进一步简化的基本的混合悬浮单元。该磁体产生偏置通量341，该偏置通量341链接转子主极片334与包括永磁体331和电磁体极靴333a以及电磁体极靴333b的外壳构件。若干电磁体围绕空气间隙343分布，每个电磁体都包括极靴337a、极靴337b、铁芯335a、铁芯335b、线圈337a、线圈337b以及背轭336。图11(b)的剖视图描绘了两个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。图11(b)的配置实现了本发明中磁悬浮的基本功能，尽管许多额外的悬浮性能，例如紧凑性、动态性和功率效率，可能不同。由于图11(b)的外壳关于x-y平面不对称，其中在轴向方向上具有被动悬浮，所以转子主极片334将通过从与极靴333对准的位置朝向永磁体331偏移一段距离来找到平衡位置。因此，空气间隙345中的调制通量线343关于x-y平面倾斜，并且沿着通量线343指向的主动控制力倾斜也关于x-y平面倾斜。因此，主动控制力获得轴向分量，该轴向分量将转子主极靴334轴向地拉向极靴333a和极靴333b。如果采用适当的设计，则可以通过被动悬浮来抵消该轴向力。然而，在泵运行期间，会实时调节主动控制力以保持悬浮稳定性。因此，主动控制将在转子上感生时变轴向力，这是被动悬浮上的内部干扰。这种干扰可能促进轴向振动或甚至转子的共振，以及其他不期望的动态问题，因为被动悬浮不具有足以抑制振动的主动机制。因此，在主动控制对被动悬浮的干扰方面，图11(b)的不对称构造可能不如图11(a)的对称构造。

图11(c)示出了另一种基本的混合磁悬浮单元，该基本的混合磁悬浮单元通过将图11(b)的永磁体从外壳移动到转子而构成。若干电磁体围绕空气间隙365分布，每个电磁体都包括极靴353a、极靴353b、铁芯355a、铁芯355b、线圈357a、线圈357b以及背轭356。图11(c)的剖视图描绘了两个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。由磁体358产生的偏置通量361链接外壳构件353a和外壳构件353b与包括磁体358和主极片354的转子构件。类似于图11(b)，转子的轴向平衡位置从与极靴353对准转向转子磁体358的反面。预期会出现与图11(b)相同的主动悬浮控制对被动稳定性的干扰效果，这可以被认为不如像图11(a)的对称结构那样优选。

图11(b)和11(c)的配置具有简单性和成本效益等优点。为了弥补主动控制力对被动稳定性的干扰，可以结合一对基本的悬浮单元以形成对称配置，该对称配置在几乎纯径向方向上产生主动控制力。图12中示出了根据该原理的示例性实施例。磁悬浮组件410包括沿轴向方向设置的一对大致相同的基本的悬浮单元。上部和下部单元分别包括转子中的环形主极片422和环形主极片423，以及外壳中的一组电磁体单元403a、403b、404a和404b。电磁体围绕空气间隙426分布，每个电磁体都包括铁芯414a、铁芯414b、铁芯416a、铁芯416b、线圈415a、线圈415b、线圈417a、线圈417b、以及背轭418和背轭419。图12的剖视图描绘了两个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。主极片422和主极片423中的每一个都可以具有多个齿(未示出)或可以不具有多个齿(未示出)，该多个齿通过在该主极片的外表面上切掉一个或多个环形凹槽而形成在该表面上。每个电磁体单元都包括极靴、铁芯、线圈和背轭，与图9和图11中的相同。优选地，每个极靴具有与转子主极片大致相同的厚度，并且在内表面上具有与相应的转子主极片422和转子主极片423的外表面上的齿结构(如果有)相同的齿结构。

基本的上混合磁悬浮单元和基本的下混合磁悬浮单元通过环形永磁体411和环形永磁体421连接在一起。永磁体411夹在上极靴412a、上极靴412b和下极靴413a、下极靴413b之间。有利地，这些极靴可以具有从磁体411的内表面朝向空气间隙426突出的内表面。另一个永磁体421夹在转子主极片422和转子主极片423之间。有利地，它可以具有从这些主极片的外表面凹进的外圆柱表面。磁体411和磁体421具有大致相同的厚度，使得上极靴412a和412b以及下极靴413a和413b分别与转子主极片422和转子主极片423对准。这种配置用于将磁通量集中到与空气间隙426相邻的突出结构中，从而获得增强的磁力，如上面在图6中所讨论的。

永磁体411和永磁体421是在轴向方向上彼此相反地磁化的。因此，它们共同产生位于组件的子午面中的偏置磁通环路427。磁通环路427用作基本的上混合磁悬浮单元和基本的下混合磁悬浮单元二者的偏置通量。而且，从主极片422的上端面到主极片423的下端面测得的转子组件的总厚度远小于空气间隙426的直径。因此，根据上述磁通环路链原理，实现了轴向位移和倾斜的被动悬浮。

图12中所示的四个电磁体单元403a、403b、404a和404b串联连接，以共同工作，从而提供y方向上的径向位移的主动控制。将相同的电流馈送到线圈415a、线圈415b、线圈417a和线圈417b中，从而产生调制磁通环路428和调制磁通环路429。转子主极片422、转子主极片423、背轭418和背轭419的横截面上的符号(内部有点的圆圈和内部有“x”的圆圈)分别表示从横截面区域出来或进入的调制通量。从一个横截面区域穿过的这些通量沿着主极片或背轭的外周延伸它们的路径，以到达围绕z轴线的相对侧上的另一个横截面区域。从图12中可以看出，位于y正向侧的空气间隙426中的偏置通量427和调制通量428在相反的方向上延伸，而y负向侧的空气间隙426中的这些通量则在相同的方向上延伸。这导致位于转子主极片422上的在y负方向上的净磁力。对偏置通量427和调制通量429的效果的类似分析表明，在转子主极片423上，也在y负方向上产生了净磁力。因此，基于图12的配置，通过空气间隙中的偏置通量的推挽调制机制来获得径向磁力的主动控制。

具有基本的混合磁悬浮单元的堆叠结构的可替换实施例可以通过用图13的软铁441的单个环形构件替换图12的转子构件421、转子构件422和转子构件423来获得。转子构件441允许磁通量以与图12的磁通量穿过转子磁体421类似的方式沿着轴向方向穿过。而且，转子构件441具有分别布置在外表面的上端部和下端部上的两个不同的磁极边缘442和443。这些磁极边缘442和443可以通过简单地在转子构件441的外表面的中央部分上切割出环形凹槽而形成。磁极边缘442和磁极边缘443基本上分别与图12的主极片422和主极片423具有相同的引导磁通量的功能。

图13的外壳组件具有与图12中的外壳组件类似的构造。若干电磁体围绕空气间隙446分布，每个电磁体都包括铁芯434a、铁芯434b、铁芯436a、铁芯436b、线圈435a、线圈435b、线圈437a、线圈437b、以及背轭438和背轭439。图13的剖视图描绘了四个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。图13(a)中所示的四个电磁体单元405a、405b、406a和406b串联连接，以共同工作，从而提供y方向上的径向位移的主动控制。将相同的电流馈送到线圈435a、线圈455b、线圈437a和线圈437b中，从而产生调制磁通环路448和调制磁通环路449。转子441、背轭438和背轭439的横截面上的符号(内部有点的圆圈和内部有“x”的圆圈)分别表示从横截面区域出来或进入的调制通量。因此，永磁体431产生偏置磁通量447，该偏置磁通量447形成与由永磁体411和永磁体421(图12)共同产生的偏置磁通量427(图12)大致相同的环路。另一方面，电磁体405a、电磁体405b、电磁体406a和电磁体406b产生调制磁通量448和调制磁通量449，如果转子构件441的中央部分设计为使得偏置磁通量44在该中央部分中引起足够的饱和，则调制磁通量448和调制磁通量449分别形成与调制磁通量428和调制磁通量429(图12)大致相同的环路。如果转子构件441的中央部分饱和到这种程度，那么它允许调制磁通量448和调制磁通量449穿过转子构件441的中央部分交叉。结果，图13(a)的调制磁通量448和调制磁通量449可以由图13(b)的磁通量445代替。调制通量445在同一子午平面中沿着轴向方向从磁极边缘442和磁极边缘443中的一个传递到转子构件441的另一个磁极边缘，而不是沿着圆周方向延伸到同一磁极边缘的另一侧。然而，无论调制通量是否穿过图13(a)的路径或图13(b)的路径延伸，混合磁悬浮装置430都可以根据如本文所公开的相同的偏置磁通量的推挽调制的机制来在径向方向上提供主动控制。

与图12相比，采用软铁的单个转子构件的图13所示的配置在成本效益方面是有利的。然而，在省略转子磁体的情况下，产生较弱的偏置磁通量，因此由于每单位主动悬浮电流的磁力较小以及其他问题，图13的配置可能与被动悬浮的悬浮刚度较小且功率效率较低相关联。

混合磁悬浮组件包括但不限于图11、图12或图13所示的那些，该混合磁悬浮组件可以通过添加如本文所述的一个或多个基本的被动悬浮单元来增强，以获得增加的悬浮刚度和其他所需性能。作为示例，这种实施例在图14中示出。描绘了图12采用的混合磁悬浮单元。另外，一对环形永磁体463和453分别附接在转子主极片的端面和位于混合磁悬浮单元的上端的电磁体单元的极靴上。另外，软铁464和软铁454的一对环形端极片分别附接到磁体463和磁体453的另一个端面上。有利地，这些磁体和端极片可以以与在图8所示的上部中的相应构件类似的方式配置，这是本发明的典型的基本的被动悬浮单元。另外，包括磁体462和磁体452以及端极片461和端极片451的另一基本的被动悬浮单元安装在图14的混合磁悬浮单元的下端，有利地，这可以以与图8所示的下部相似的方式配置。

与图12相比，图14涉及两个额外的偏置磁通环路457和458，两个额外的偏置磁通环路457和458对称地位于组件450的两端。这些磁通环路可以提供被动悬浮的额外刚度。而且，它们增强了调制通量也穿过的空气间隙中的磁场，因此有利地，可以有助于增加每单位主动悬浮电流的磁力。但是，该构造变得更加复杂。另外，图14的转子组件450相对于空气间隙直径的总厚度必须足够小，以确保倾斜的被动稳定性。

然而，在图14中，额外的被动悬浮单元安装到基本的混合悬浮单元的外端，有利地，被动悬浮单元也可以集成到基本的混合悬浮单元的堆叠结构的中间。根据该原理，可以获得本发明的各种其他实施例，并且在图15中示出了一个这样的示例。在图15所示的构造中采用了图12的基本的上混合悬浮单元和基本的下混合悬浮单元，但是这些单元之间的连接被改变，以允许安装基本的被动悬浮。如图15所示，磁悬浮装置470包括分别设置在装置的上部和下部的一对基本的混合悬浮单元488和489。上单元488包括环形转子主极片482和用于沿着y轴线的主动控制的电磁体单元的多个极靴472a和472b。下单元489包括环形转子主极片483和用于沿着y轴线的主动控制的电磁体单元的多个极靴473a和473b。图15的剖视图描绘了四个电磁体，然而应当理解，在所述实施例中，虽然剖视图没有示出，但是可以设想额外的电磁体。另外，设置在装置470中间的被动悬浮单元包括转子内的第一环形磁极构件481和外壳内的第二环形磁极构件471。构件471和构件481均由软铁制成，并且优选地，具有大致相等的厚度。第一极481的外圆柱表面和第二极471的内圆柱表面彼此相对，并且限定了用于次级被动悬浮的环形空气间隙478。因此构造了用于主混合悬浮和额外的被动悬浮的三层磁极。

环形永磁体484夹在转子主极片482和第一磁极构件481之间。优选地，磁体484的外圆柱表面从磁极构件482和磁极构件481的外表面凹进，以便形成围绕磁极的磁场集中。另一个环形永磁体474夹在极靴472和第二磁极构件471之间。优选地，环形永磁体474的内圆柱表面从磁极构件472和磁极构件471的内表面凹进，用于相同的磁场集中的目的。环形永磁体484和环形永磁体474沿着轴向方向彼此相反地磁化。因此，它们共同产生用于混合悬浮单元488的偏置磁通量的磁通量476。相同的通量476还用作穿过次级悬浮间隙478的额外的被动悬浮的工作磁通量。装置470的下部构造为关于x-y平面(该x-y平面穿过磁极构件471和磁极构件481的中间)与上部对称。因此，通过环形永磁体485和环形永磁体475产生另一个磁通环路477，并且该另一个磁通环路477用作混合悬浮单元489的偏置通量和额外的被动悬浮单元的工作通量。

调制磁通量486和调制磁通量487分别由上混合悬浮单元和下混合悬浮单元中的电磁体单元产生。可以理解，虽然图12中所示配置的调制通量428和调制通量429在子午面中在相反的方向上流动，然而在图15所示的配置中，调制通量486和调制通量487在相同的方向上流动。

优选地，磁极构件471和磁极构件481可以制成厚度足够薄，以在次级被动悬浮间隙478中产生高度集中的磁场。以这种方式，与混合悬浮单元的被动悬浮的功能相比，次级被动悬浮可以在用于轴向和倾斜稳定性的被动悬浮中起到主要作用。另一方面，混合悬浮单元可以针对用于径向稳定性的主动控制的作用以对被动悬浮性能的较小约束进行优化。因此，图15中所示的配置可优选用于实现紧凑的磁悬浮离心泵的设计优化的特定目标。

类似于图12至图13中所述的配置的变体，本发明的可选实施例可以通过利用图16所示的单个转子构件495替代图15所示的所有转子构件来获得。转子构件495可以由软铁制成，并且具有形成在外圆柱表面上的三个磁极边缘491、492和493。磁极边缘492和磁极边缘493起的作用与和用于混合悬浮的电磁体单元的相应极靴耦合的图15所示的配置的转子主极片482和转子主极片483相同。另外，磁极边缘491与磁极构件498耦合以限定额外的被动悬浮间隙。因此，以与图15相同的方式构造了用于初级混合悬浮和额外的被动悬浮的三层磁极。磁通环路496和磁通环路497虽然仅由外壳中的永磁体产生，但实现了混合悬浮的偏置通量和附加的被动悬浮的工作通量的相同功能。

根据图16所示的实施例，来自上混合悬浮单元和下混合悬浮单元的调制磁通量基本上不会交叉，因为它们平行地穿过转子构件495。这与图13中所示的配置形成对比，其中来自装置的不同层的调制通量可以交叉，如图13(b)所示。在这个意义上，图16所示的结构是优选的，特别是当附加的被动悬浮设计为被动悬浮性能的主要作用因素时，因为次级悬浮间隙中的磁通量在很大程度上不受调制磁通量的干扰，这意味着被动悬浮不受主动悬浮的干扰。

图12至图16中示出的本发明的实施例具有两层电磁体单元的堆叠结构，从而在所产生的不同层级上产生主动控制力。这些力总和会导致转子上的净径向力，但是如果两个力的大小不同，那么也会引起扭矩，这趋于导致转子倾斜。由于材料的不完美性、尺寸公差、运行环境以及实际应用中涉及的其他因素，不能完全避免这些力的差异。因此，这种堆叠结构虽然对于某些应用是优选的，但可能与如下的问题相关，即径向位移的主动控制导致对用于倾斜稳定性的被动悬浮的干扰。这个问题可以通过适当的设计考虑来解决，例如将层分开适当的距离，或者如图17中的可替换设计。

在图17中示出了根据本发明的混合磁悬浮组件500的可替换实施例。它包括具有两层的堆叠结构，类似于图12中所示的配置，但与该配置相反，混合磁悬浮的每层仅包括两个电磁体单元，并且不同层的电磁体单元周向地偏移90度，以独立地控制径向位移的不同轴线。

图17(b)和图17(c)分别是图17(a)的堆叠结构的上层和下层的剖视图。两个电磁体单元510a和510b位于堆叠结构的上层中，每个单元包含铁芯511a、铁芯511b、极靴512a、极靴512b、线圈513a、线圈513b和背轭514。这些单元沿着y轴线对称地布置且彼此相对。环形连续软铁的背轭514连接这些电磁体的铁芯511a和铁芯511b。极靴512a和极靴512b面对环形连续软铁的转子主极片515。另一组两个电磁体单元510c和510d位于图17的堆叠结构的下层，并沿着x轴线设置，每个单元包含铁芯511c、铁芯511d、极靴512c、极靴512d、线圈513d、线圈513d和背轭517。环形软铁的背轭517连接铁芯511c和铁芯511d。极靴512c和极靴512d面向环形软铁的转子主极片518。

偏置磁通环路522由环形永磁体借助于环形转子主极片以与图12中所示的配置相同的方式产生。当电流被传输送到线圈513a和线圈513b时，如图17(b)所示，产生调制磁通环路524。该磁通环路524穿过第一电磁体单元510a、空气间隙527a、转子主极片515、空气间隙527b、第二电磁体510b，并通过穿过背轭514闭合环路。两个空气间隙527a和527b中的沿着y轴线的调制通量和偏置通量的组合构成偏置磁通量的推挽调制。因此，上层中的电磁体单元组实现了转子在y轴线上的径向位移的主动控制功能。类似的分析适用于组件500的下层，如图17(c)所示，并且容易促使下层中的电磁体组实现转子在x轴线上的径向位移的主动控制的功能。当电流被传输送到线圈513c和线圈513d时，如图17(b)所示，产生调制磁通环路525。该磁通环路525穿过第一电磁体单元510c、空气间隙528c、转子主极片518、空气间隙528d、第二电磁体510d，并通过穿过背轭517闭合环路。沿着x轴线的两个空气间隙528c和528d中的调制通量和偏置通量的组合构成偏置磁通量的推挽调制。因此，下层中的电磁体单元组实现了转子在x轴线上的径向位移的主动控制的功能。

而在图9所示的实施例中，用于沿着x轴线或y轴线的主动控制的调制通量穿过相同的背轭和相同的转子主极片，图17中所示的实施例以单独的调制通量工作，该单独的调制通量穿过不同背轭和不同的转子主极片，以用于控制不同的轴线。可以理解的是，当图9的转子在任意径向方向上偏离理想平衡中心时，由电磁体产生的用于控制一个(例如，y)轴线的调制磁通量可以或多或少地进入用于控制另一个(例如，x)轴线的电磁体中。这可能导致不同轴线的控制之间的不期望的耦合。另外，由于相邻电磁体单元的极靴位于相同平面内并因此而彼此相对地靠近，所以这些极靴之间的磁通泄漏也可能导致不同轴线的控制之间的不可接受的干扰。另一方面，在图17的配置中，用于控制一个轴线的调制通量和相应的极靴以及用于控制另一个轴线的调制通量和相应的极靴位于隔开相当大距离的不同平面上。因此，图17的配置可以有效地避免不同轴线的控制之间的耦合和干扰，并且更好地实现沿着每个轴线的径向位移的独立控制。

而且，与诸如图12至图16中所示的堆叠结构不同，其中一个径向轴线的主动控制依赖于分别位于堆叠结构的上层和堆叠结构的下层中的两个径向力，这可能引起倾斜扭矩，图17的配置使用单个径向力来控制一个径向轴线。例如，y轴线上的径向位移仅由堆叠结构的上层上的一个力控制。因此，图17的配置还可以有利地解决了主动控制对倾斜稳定性的干扰问题。

根据本公开的实施例，混合磁悬浮组件可以使用三个电磁体单元来实现径向位移的主动悬浮。这种配置的示例可以通过用三个单元替换图9的四个电磁体单元(也是图3到图5的)来完成，如图18所示。本领域技术人员将理解，其他实施例，例如图11至图17以及图22至图24所示的那些实施例可以以相同的方式修改以产生替代配置，出于简洁的目的，这里不再讨论这些替代配置。

如图18所示，三个电磁体单元551a、551b和551c均匀地分布在环形空气间隙周围。每个电磁体单元551包含铁芯561、极靴562和线圈563；并且软铁的环形背轭564连接三个铁芯。三个轴线α、β和γ，如图18(b)所示，从坐标系x-y-z的原点向外延伸穿过电磁体551a、电磁体551b和电磁体551c的铁芯。这些轴线中的每一个穿过极靴表面的外周中心，并且与相应电磁体的铁芯的中心轴线重合。因此，任何电磁体和转子之间的磁力都位于相应轴线α、β或γ的方向上。在图18的特定配置中，这些轴线彼此均匀地分开120度，但是可以根据本公开的原理进行各种替代的配置。由软铁制成的环形主极片565设置在转子中，并且分别隔着空气间隙556a、空气间隙556b和空气间隙556c，与电磁体551a、电磁体551b和电磁体551c的极靴相对。图18的其余构造基本上与图9的构造相同。两个系列的偏置磁通环路552和偏置磁通环路553由永磁体产生，并且对称地位于图18(a)的上部和下部。由于构造的对称性，组件的上部或下部贡献大致相同的磁力，并且力的总和产生转子上的总的力。下文仅讨论上部的力。

电磁体的三个线圈以这样的方式连接，即，流入这些线圈的电流是平衡的。例如，可以采用通常用于三相电机的y连接或delta连接。相应地，限定线圈中的电流的正负号，使得正电流产生从坐标系的原点向外穿过线圈芯的磁通量。现在，假设电流ia、电流ib和电流ic分别提供到线圈563a、线圈563b和线圈563c内，并且这些电流满足

ia+ib+ic＝0(3)

线圈563a中的电流ia产生两个对称的磁通量组554ab和554ac，如图18所示。磁通量554ab从具有参考磁势的转子主极片565流出，沿向外方向(对应于正电流ia)穿过空气间隙556a。磁通量554ab继续穿过电磁体551a的极靴562a和铁芯561a向外流动，进入在圆周上具有大致均匀的磁势的背轭564。然后，磁通量沿着背轭564的外周行进，到达电磁体551b的一端。然后，通量沿向内的方向上穿过电磁体551b的铁芯561b和极靴562b，然后，穿过空气间隙556b。最终，磁通量进入转子极片565，完成环路。由线圈563a和线圈554ac中的电流ia产生的另一磁通量在向外的方向上穿过电磁体551a，但是然后在完成环路之前该另一磁通量穿过电磁体551c。以相同的方式，另外两个电磁体单元中的每个电流ib和ic产生一对磁通环路，每个磁通环路链接一对电磁体。总共产生6组这样的磁通环路。这些磁通环路用数字554并且后接两个词尾字母表示，第一个字母表示激发磁通环路的电磁体，第二个字母表示磁通环路也穿过(即，与之相链接的)的电磁体。例如，磁通环路554ab由电磁体551a激发，它还链接电磁体551b。再例如，磁通环路554ba由电磁体551b激发，它还链接电磁体551a。磁通环路554ab和554ba重叠，但沿相反的方向上流动。它们的和为带正负号的数字，并导致沿着该公共路径的净磁通量。

上述磁通环路和图18的相关磁性元件可以用图19的磁路建模。假设软铁的磁阻可以忽略不计，那么可以将转子主极片565和背轭564建模为单个点。ra、rb和rc分别表示空气间隙556a、空气间隙556b和空气间隙556c的磁阻。nia、nib和nic分别代表电磁体551a、电磁体551b和电磁体551c的磁动势，其中n是线圈的匝数，i是线圈中的电流。φa、φb和φc是在由电磁体产生的磁路中穿过相应空气间隙的磁通量。该磁路导致以下等式

ia+ib+ic＝0(4)

此外，对磁路的每个分支的磁动势的分析得出电磁体中的磁动势上升等于相应空气间隙上的磁动势下降，例如，nia＝φara。还要注意，三个空气间隙具有相同的尺寸，因此ra＝rb＝rc。因此，等式(4)与等式(3)一致。

偏置磁通环路552包括分别穿过空气间隙556a、空气间隙556b和空气间隙556c的三个组552a、552b和552c。由于图18所示配置的构造对称性，它们在这些空气间隙中产生相同的通量密度。因此，任何空气间隙中的偏置通量密度表示为b。

假设由于调制通量φa、φb和φc，在空气间隙556a、空气间隙556b和空气间隙556c中的磁通量密度分别为δba、δbb和δbc。由于磁通量密度与磁通量成比例，因此可以从等式(4)获得以下关系

δba+δbb+δbc＝0(5)

根据磁学理论，高导词性材料表面上的磁力与表面上通量密度的平方和表面积的乘积成比例。因此，来自电磁体单元551a、551b和551c的、在空气间隙556a、556b和556c中的转子上的磁力fa、fb和fc分别为

fa＝k·s·(b+δba)²(6)

fb＝k·s·(b+δbb)²(7)

fc＝k·s·(b+δbc)²(8)

其中s是电磁体极靴内表面的表面积，k是常数。

这些力分别沿着图18(b)所示的α、β和γ轴线定向为从组件中心向外指向的正向力。

在α轴线上带有正负号的净力是

fα＝fa-fbcos(60°)-fccos(60°)(9)

从等式(5)到(9)，力可以表示为：

偏置通量由永磁体产生，调制磁通由电磁体产生。永磁体产生的磁通势远高于电磁体产生的磁通势。因此，偏置通量密度b通常远大于任何调制通量密度δba、δbb或δbc。等式(10)可以近似为

fα＝3k·s·b·δba(11)

由电磁体单元551a产生的空气间隙通量密度δba与该电磁体中的电流ia成比例，只要相应的磁路不饱和即可。因此，(11)可以改写为

fα＝c·b·ia(12)

其中c是常数。

这表明沿着α轴线的磁力和流入位于α轴线的电磁体单元的电流之间成线性关系，这类似于等式(2)的线性关系。此外，线性关系是由朝向正α轴线的力fa以及朝向负α轴线的力fb和力fc的投影的总和产生的。可以观察到与等式(1)中所涉及推挽机制类似的推挽机制。

通过对称性，获得了沿着β轴线和γ轴线的磁力的类似表达式，如下

fβ＝c·b·ib(13)

fγ＝c·b·ic(14)

分别沿着图18的x轴线和y轴线的磁力fx和fy可以通过从等式(12)到(14)的线性变换获得。因此，在图18的配置中，其中偏置通量密度远大于调制通量密度，用于主动控制两个径向位移中的任何一个的磁力与电磁体单元中的电流成线性关系。与采用四个电磁体单元的图9的实施例的情况相同，这种主动控制力属性是非常可取的，因为它有利于线性控制算法的应用，以及许多其他潜在的优点。而且，线性关系是空气间隙中的偏置磁通量的推挽调制的结果，推挽调制基本上是本发明中公开的混合磁悬浮的其他实施例中涉及的相同机制。

上述讨论说明了配备有四个或三个电磁体单元的混合磁悬浮组件的一般原理和构造。根据相同的基本原理，本领域技术人员可以采用绕在空气间隙均匀或不均匀地设置的其他数量的电磁体单元来产生各种替代设计。以上讨论还说明了用于根据电流和偏置磁通量密度导出主动控制力的表达式的方法。该方法和所得到的表达式可用于理解根据本发明的磁通量调制的机制，因此本领域技术人员可以容易地构想各种设计配置，尤其是具有用于主动控制的有利的线性关系的设计配置。

图1至图3的泵10可以示例为磁悬浮组件60，该磁悬浮组件60包含安装在壳体12的外壳16内的外壳组件61，如图3至图5所示。可替换实施例可以将磁悬浮组件60配置在泵的内部，使得外壳组件61安装在中心柱15内，转子组件62翻转到转子30的内侧，使得外壳组件61和转子组件62隔着图3的空气间隙43彼此相对。通过关于空气间隙简单地反转原始配置，可以使这种配置实现与本发明中的磁悬浮相同的基本功能。具体地，在替代配置中，电磁体的极靴83上的齿87和齿88设置成与空气间隙43相邻，并且铁芯92从极靴向内延伸，并且连接构成磁悬浮组件的最内侧构件的背轭95。壳体组件61中的其他元件以及转子组件62以相同的方式从里向外翻转。此外，这种在泵的内部构造磁悬浮单元的方法可以同样地应用于任何其他实施例(例如图11至图18中的实施例)，以产生本公开的另外的可替换实施例。

如本文所公开的，不采用狭义的泵的结构和液压特征，它们仅仅是用于说明本发明所涉及的一般原理和构造，尤其是关于磁悬浮的。例如，如上所述，如果磁悬浮单元设置在泵的内部，则图1至图3所示的配置的外壳16的腔室可以是非必需的。另一方面，只要磁悬浮和电机的元件可以设置在壳体的另一部分内，中心柱15对于成功实施本发明可以是非必需的。另外，转子30的其内表面和/或外表面可以采用其他的形状(例如圆锥形状)，而不是如图2所示的正圆柱形表面。

图20-图22示出了根据本公开的实施例的替代泵610。它包括壳体612，该壳体612具有：入口611，其用于将工作流体接收到泵内；和出口613，其用于将加压流体排出泵外。朝向入口611的一侧在本文中称为泵610的前侧，而相对侧称为后侧。壳体612具有连续的内壁，该内壁界定内部腔室620，该内部腔室620与入口611和出口613连通。腔室620由圆柱形侧面、泵610前侧上的基本平坦的端面、和泵610后侧上的弯曲端面包围，对应于从泵后端朝向泵入口611突出的鼻锥结构615。壳体612还具有外壁，该外壁与内壳体壁一起在其间形成用于安装电机和磁悬浮的固定元件的空间。特别地，外壳616形成在腔室620的圆柱形表面和壳体612的外圆柱形壁之间，并且端外壳617形成在腔室620的端面和壳体612的前端外壁之间。蜗壳622构造在内部腔室620的外周上，用于收集从泵叶轮632排出的流体，并与泵出口613连通。

转子630设置在泵内部腔室620内并且完全磁悬浮，而不与腔室620的表面进行任何物理接触。包含多个叶片的叶轮632安装在转子630上，以将能量传递给工作流体。与图2和图3的配置不同，其中叶轮附接到转子的前端，叶轮632附接到转子630的后端，这通常可称为反向叶轮。鼻锥615与泵内部腔室620的后表面一起构造以形成流线型流动路径，以使工作流体径向向外穿过叶轮叶片632。转子是磁悬浮的，使得“l”形流动间隙625在转子630的前端面和泵内部腔室620之间形成“l”的一个臂，在转子630的外圆柱表面和泵内部腔室620的内圆柱表面之间形成“l”的另一臂。流体的主流从入口管611穿过叶轮632流入蜗壳622。同时，由于穿过“l”形间隙625的压力梯度产生了二次流。二次流中的流体朝向前端进入外圆柱形间隙，然后向内流入环形端部间隙中，最终并入入口管内的主流。二次流占据了少量的主流，但是在清洗悬浮间隙625中的血液接触表面以防止血液凝固方面，以及在处理对应力敏感的流体的其他优点方面起着重要作用。可以理解的是，该二次流路径(如图3的二次流路径)是直的，并且没有流道中的之字形结构或任何其他阻碍性特征，从而可以在整个转子表面上实现无阻碍清洗。

根据本发明的实施例，包括定子组件641和转子组件642的电机640设置在泵的前端部内，如图22和如23所示。与图3的泵10中的通过径向方向上的磁通量工作的电机40不同，电机640是通过大致轴向的磁通量工作的轴向通量电机。转子组件642包含多个永磁体片648，多个永磁体片648均匀分布在转子630的前端的环形空间中。优选地，每个磁体片制成类似风扇的形状，使得这些片可以周向地并排组装，以形成以转子630的旋转轴线为中心的固体环。这些磁体片以规则变化的极性来磁化，以在轴向方向上形成磁极，这产生了在轴向方向上穿过空气间隙的工作磁通量。极性的变化可以遵循本领域技术人员已知的任何模式，例如海尔贝克阵列(halbacharray)配置，该配置可以有利地在空气间隙侧产生增强的磁场。优选地，环形软铁片649可以设置在磁环的后端上以用作背铁，用于将磁片固定在适当的位置，还完成磁极的磁通环路。然而，在不脱离本发明的一般原理的情况下，它可以用非磁性材料代替，或者可以不需要。

电机定子641安装在壳体612的端外壳617内紧邻空气间隙643。电机定子641包括多个电机线圈646，多个电机线圈646与转子磁环相对在环形空间中周向地均匀分布。线圈轴线大致平行于转子的旋转轴线定向，使得转子磁通量穿过由线圈匝所包围的端面区域，或者磁通链接所述线圈。线圈646以本领域技术人员公知的方式连接成多相(例如3相)绕组。线圈646可以缠绕在软铁的芯645上，以提高电机的功率效率。然而，可选地，它们可以缠绕在非磁性材料的芯上，或者他们可以在没有芯的情况下缠绕，以避免或减轻定子铁和转子磁体之间的磁吸引力。这对于磁悬浮转子尤其有利，因为吸引力在轴向方向上产生负刚度，该负刚度必须通过由磁悬浮提供的正刚度来补偿，这除了其他潜在问题之外还要求磁悬浮组件有额外体积和重量。尽管图22和图23中所示的线圈646明显地缠绕芯645，可选地，线圈646可以构造成没有芯的，并且以重叠的方式布置，其中线圈的一侧位于另一个线圈的芯区域。这为紧凑型装置的空间的使用增加了更多的灵活性。软铁的环形板、定子背轭647可以设置在定子线圈646的后侧，以增加链接线圈匝的磁通量。另外，可以在背轭647的端面上形成仅填充线圈芯空间的一部分厚度的部分铁芯的结构，以进一步增加磁通链并带来提高的效率。然而，可能不需要这些结构特征，特别是如果它们在电机定子和转子之间引起不可接受的磁吸引力。

应当注意，本文公开的径向通量电机和轴向通量电机的一般原理和构造特征可以引出本发明的电机的其他优选配置。例如，电机可以具有直圆锥形或弯曲圆锥形的空气间隙，使得穿过空气间隙的工作磁通量关于转子的旋转轴线形成角度。以这种方式，本领域技术人员可以容易地将如上所讨论的电机适配于用于处理对应力敏感的流体的流体路径和磁悬浮的各种配置。

如图22至图24所示，根据本公开的一个方面，磁悬浮组件660包括转子组件662和外壳组件661。外壳组件661安装在泵壳体612的外壳616内。转子组件662安装在泵转子630的外侧。例如，在图9中，磁悬浮组件660是根据本公开中描述的原理的用于被动和主动悬浮的永磁体和电磁体的混合结构。

转子组件662包含主极片673，主极片673是环形软铁板，具有与空气间隙663相对的外圆柱表面。在其厚度上磁化的环形永磁体674安装在主极片673的后端面上。在可替换的配置(未示出)中，另一个环形磁体安装在主极靴件的前端面上，以形成类似于图9的磁悬浮构造的对称结构。这可以增加偏置磁通量，代价是增加泵的体积。端极片675(环形软铁板)附接到永磁体674的另一个端面，用于将磁通量集中到空气间隙中的集中区域。然而，例如可以不需要端极片675，只要可以获得足够的悬浮刚度即可。

外壳组件661包含四个大致相同的电磁体单元690a-d，四个大致相同的电磁体单元690a-d围绕组件的外周均匀地分布。各电磁体690a-d包括极靴683a-d，极靴683a-d主要是环形软铁的圆周区段。四个极靴683a-d围绕环形空间设置，相邻的极靴之间由间隙分开。极靴683a-d具有与转子主极片673相对的内圆柱表面，优选地，具有与转子主极片673大致相等的厚度。在其厚度上磁化的环形永磁体684安装在极靴683a-d的后端面上。环形软铁的端极片685安装在永磁体684的后端上。优选地，磁体684和端极片685的厚度分别与相对的构件674和构件675的厚度大致相等。可以采用与上述可替换的转子配置对应的对称配置(未示出)作为本发明可替换实施例，该对称配置也包括安装在极靴683a-d的前端面上的永磁体和/或端极片。

每个电磁体单元690a-d还包括：铁芯692a-d；线圈691a-d，其缠绕在铁芯692a-d周围；以及背轭695，其由所有电磁体单元共享。铁芯692a-d主要是由软铁制成的立方体片，其中横截面形状为圆形、带圆角的矩形、或本领域技术人员公知的任何其他合适的形状。铁芯692a-d的一端附接到极靴683a-d的端面，铁芯692a-d的另一端附接到背轭695的端面，背轭695是环形软铁板，并且用作基圆，以在结构上将所有电磁体单元连接在一起。与图9的像车轮的辐条一样径向延伸的铁芯92a-d不同，铁芯692a-d像连接基圆和顶构件(极靴)的支腿一样轴向延伸。背轭695将一个电磁体在磁性上连接到位于相同的径向轴线上的相对的电磁体(例如，在y轴上的690a和690b)，使得一对电磁体共同工作，以控制在该轴线上的位移。应当理解，尽管用于泵610(图22)的图24的电磁体690的构造和用于泵10(图3)的图9的电磁体单元90的构造看起来彼此不同，但是一般拓扑学和磁路保持大致相似。两个电磁体都基于相同的基本构件(包括极靴、铁芯和背轭)，以基本相同的连接这接这些构件的方式以形成磁路来构造。一种构造可以看作是弯曲和拉伸的结果，而另一种构造而不改变磁路结构的结果。然而，通过这种不同的配置获得磁悬浮组件的不同纵横比，使得组件60最佳地配合到图3的泵10内，组件660最佳地配合到图22的泵610内。通过这种方式，可以为了最小的整体泵尺寸而优化每个单独的泵。基于该讨论，本领域技术人员可以根据本发明的一般原理设想磁悬浮的各种其他实施例，以最好地利用泵壳体内的可用空间来产生最紧凑的泵。

根据与本发明的其他实施例相同的磁通链原理，磁悬浮组件610实现被动悬浮的功能。参考图24，永磁体674和永磁体684一起产生一组磁通环路653a-b。每个磁通环路653a-b链接转子构件，该转子构件包括永磁体674、端极片675和主极片673，其中外壳构件包括永磁体684、端极片685和电磁体极靴683a-b。这些转子构件和外壳构件隔着径向空气间隙663彼此相对。另外，包括构件673、构件674和构件675的转子组件的总厚度与空气间隙663的直径相比足够的小。因此，磁通环路653具有如本文所定义的磁通环路链的属性，因此可提供轴向和倾斜稳定性。注意，虽然图24示出了应归于剖面视图的磁通环路653a-b和极靴683a-b，但是本领域技术人员将理解在该实施例中存在两个附加的磁通环路和极靴，但是未在剖面中示出。

与本发明的其他实施例一样，利用相同的在空气间隙中的偏置通量的推挽调制机制来实现主动悬浮。如图24所示，一组偏置磁通环路653a-b由永磁体674和永磁体684产生。两个电磁体单元690a和690b一起工作，以在y轴线上进行主动控制；另外两个电磁体单元690c和690d一起工作，以在x轴线上进行主动控制。不失一般性地，下面仅讨论在y轴线上的控制。线圈691a和691b串联连接，使得当提供电流时，它们共同产生磁通环路655，即调制通量。磁通环路655除了穿过电磁体单元690a的铁芯692a和极靴683a、电磁体单元690b的铁芯692b和极靴683b以及y轴线的正负两侧上的空气间隙663，还通过穿过转子主极片673和背轭695的周边来完成。因此，偏置通量和调制通量叠加在转子主极片673和外壳极靴683a与外壳极靴683b之间的空气间隙中。这些通量在y轴线的正侧上，在主轴极片673和极靴683b之间的空气间隙中相加。在y轴线的负侧上，通过调制在主极片673和极靴683a之间的空气间隙中的通量而降低偏置通量。由此产生转子主极片673上的不平衡的磁力，该磁力指向y轴线上的正方向。可以通过调节线圈对691a和691b中的电流来控制磁力。这示出了偏置通量的推挽调制机制，利用该机制可以通过适时调节电磁体中电流来主动控制转子。另外，推挽效应导致控制力相对于控制电流的线性关系，如上文通过本发明的其他优选实施例所解释的。

偏置磁通环路653和调制磁通环路655在三维空间中采用不同的路径，使得它们仅在空气间隙663及空气间隙663周围的磁极构件中重叠。调制通量不穿过任何永磁体，并且偏置通量不穿过电磁体的任何铁芯。

如上所讨论的本发明的各个方面可以独立地或共同地使用，以最好地提出用于处理对应力敏感的流体(例如血液)的完全磁悬浮泵的设计优化。特别地，它们被提出以允许电机和磁悬浮适应这样的流动路径：配置为减轻流体中的机械应力，以避免流动停滞，并促进流体接触表面的清洗。此外，电机和磁悬浮以各种方式配置，以允许优化包括泵紧凑性、功率效率、可靠性、悬浮刚度、悬浮的其他动态性能等的泵性能。在此上下文中，是在系统层面而不是元件层面提出优化。因此，本发明应该被视为一种新型泵，具有以统一的方式配置和集成的流动路径、电机和磁悬浮，从而使整个泵实现更好的性能。

因此，根据本发明的一个方面，电机和磁悬浮单元配置为泵的单独元件，这与其中采用无轴承电机或组合的电机和轴承的一些传统的磁悬浮泵相反。所谓的无轴承电机或组合的电机和轴承可采用各种形式，但是根本上，以用于电机和磁悬浮二者的单个转子组件为特征。这通过转子的一个磁场与定子中的两组线圈的相互作用以分别产生电机的旋转扭矩和磁悬浮的平移力来实现。这种转子磁场可以通过转子中的多个永磁体产生并且可以具有多个磁极。或者，它可以是建立在磁阻转子上的单极磁场，该磁阻转子具有由定子中的电磁体或永磁体激发的磁路的变化的、围绕圆形外周的磁阻。通常，无轴承电机的转子承载在圆周方向上以规则模式进行空间变化的磁场。当转子旋转时，空气间隙中任意点的转子磁场随时间变化。尽管转子磁场的这种变化构成了无轴承电机的独特特性，但这是要避免的。在根据本发明的一个实施例形成的磁悬浮构造中，当转子旋转时，空气间隙中的转子磁场的变化可以引起磁悬浮的磁力和扭矩的变化，作为对悬浮的内部干扰，从而影响动态性能，例如引起振动。而且，由于本发明实施例的主动悬浮基于偏置通量调制机制，偏置通量随转子旋转角度而变化会导致控制力与电流之间的关系不稳定，这可能会显著恶化包括鲁棒稳定性、对外部干扰的响应、悬浮刚度、阻尼等的控制性能。另外，当转子旋转时，这种转子磁场可以在导电材料的定子构件中感生出涡电流，并且妨碍整个泵的功率效率。

因此，与无轴承电机相比，根据本发明的实施例的磁悬浮组件的转子并非旨在在圆周方向上产生规则变化的磁场。相反，优选基本均匀的转子磁场用于磁悬浮。此外，通过分离电机和磁悬浮，本发明可以更好地利用围绕本发明的特定流动路径的泵壳内的可用空间，从而可以使整个泵的尺寸最小化，而不损害其他系统性能，例如功率效率和悬浮动力学。

虽然本文提出的本发明的实施例可以将永磁体描述为环形或圆环形，但是本领域技术人员将认识到，可以实现永磁体的其他形状和配置，以实现期望的效果。例如，永磁体可以是环形分段磁体的形式。

在前文的描述和附图中阐述的内容仅作为说明而不是作为限制。虽然已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离申请人的贡献的更广泛方面的情况下，可以进行改变和修改。当基于现有技术以适当的视角观察时，所寻求的保护的实际范围旨限定于以下权利要求中。