CN110709114A - 心脏泵驱动器和轴承 - Google Patents

Abstract

一种心脏泵，包含限定腔体的外壳，腔体包含至少一个与腔体的轴线对准的入口和至少一个被设置在所述腔体的圆周外壁中的出口。叶轮设置在所述腔体内，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口。驱动器用于在所述腔体中旋转所述叶轮，所述驱动器包含：多个周向间隔开的永久驱动器磁体，其被安装在所述转子的第一面内并紧邻转子的第一面，相邻的驱动器磁体具有相反的磁极；和多个周向间隔开的驱动器线圈，其被安装在所述外壳内，紧邻所述腔体的第一端，每个线圈缠绕在驱动器定子的相应的驱动器定子极上，并且与所述驱动器磁体基本径向对准，所述驱动器线圈被配置为产生与所述驱动器磁体协作的驱动器磁场，从而使所述叶轮旋转。还提供了磁性轴承，从而实现以下操作中至少一项：控制叶轮的轴向位置和至少部分地限制叶轮的径向运动。

Description

心脏泵驱动器和轴承

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年4月5日提交的美国临时专利申请No.62/482,048，和2017年7月31日提交的美国临时专利申请No.62/539,083的权益和优先权，上述每个美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种心脏泵，尤其涉及一种包含改善的流动特性的心脏泵。

背景技术

在本说明书中，对任何先前出版物(或从其获得的信息)或任何已知问题的引用均不是，也不应该被视为承认或认可或以任何形式暗示先前出版物(或从其获得的信息)或已知问题构成了本说明书所涉领域的公知常识。

随着普通人群的年龄增长以及用于心脏移植的供体器官数量仍然有限，基于旋转叶轮的机械泵在治疗心力衰竭方面的应用正在增加。设备可被用于将患者桥接至心脏移植以康复或实际上作为替代的目的。

WO2004098677和WO2006053384A1均描述了以相同速度旋转的双侧叶轮，叶轮的每一侧分别被配置为辅助左右心脏。这有效地引入了关于独立控制并因此平衡从设备的左侧和右侧流出的能力的固有问题，即，叶轮转速的增加将使两个腔体的流出量相应地增加。

WO2006053384A1通过引入使旋转的叶轮在腔体内轴向移位从而同时更改设备每一侧的相对效率的能力，解决了这一问题。然而，当激活用于实现该轴向移位的控制方法时，此类泵需要使用来自压力传感器等的反馈信号来主动控制和维持所需的设定轴向位置。这种控制方法将固有地消耗过多量的电功率，并引入与血液接触传感器的长期可靠性有关的问题。

US-8,636,638描述了用于心脏泵的控制器，该控制器确定叶轮在腔体内沿第一轴向方向的运动，所述腔体包含至少一个入口和至少一个出口，并且所述叶轮包含叶片，用于将所述流体从所述入口推动到所述出口，从而促使磁性轴承使所述叶轮沿与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向移动，所述磁性轴承包含至少一个用于控制所述叶轮在腔体内的轴向位置的线圈，确定指示所述磁性轴承所用功率的指示器，并使所述磁性轴承根据所述指示器控制所述叶轮的所述轴向位置从而控制所述入口与所述出口之间的流体流动。

US-7,435,059描述了一种用于泵送血液以辅助或承担患者心脏功能的系统，特征是，血泵呈现出陡峭的泵曲线，使得对于所述泵两端的压差大变化，泵流量只会发生很小的变化。因此，所述泵显示出限流特性，可以保护所述生理系统免受有害流量的影响。也可以通过控制从电源提供给驱动器的电流或通过泵壳内部或外部的适当限制来限制泵流量。

当创建这样的心脏泵时，所述泵的特殊设计可能对所述心脏泵的性能产生重大影响，尤其是，根据所述泵所适应的对象的生理要求，以不同的流速泵送血液的能力。

传统的观点是生产一种泵，该泵在对象的典型流量(通常对应于每分钟约5至6升的流量)下具有最佳的工作效率，从而将泵的能耗降至最低。另外，典型的是设计对预载具有相对较低的流量敏感性的泵，如在US-7,435,059中所述，使得所述泵表现出限流特性，以保护所述生理系统免受有害的流量或压力的伤害。

这种配置会导致对于给定的叶轮转速，心脏泵具有陡峭的泵曲线，该曲线是流速相对于整个泵的扬程压力(入口压力与出口压力之间的差)的曲线图。这表明，为了引起通过所述泵的流量变化，需要大的压力变化，从而提供前述限流特性。

在这种配置中，可能有必要改变所述叶轮的转速和/或轴向位置，从而控制泵的流出，以解决对象循环系统内压力的变化。然而，这种控制系统需要关于所述对象的生理状态的信息，例如血压或流速，以便正确地起作用。这要求使用复杂的传感技术和/或植入的传感器，这是不希望的，并且在许多情况下，至少要对某些参数(例如血液粘度)作出假设，这意味着它们可能不准确。作为结果，许多现有的心脏泵只能承受有限的生理变化，这意味着对象通常在其能够进行的活动方面受到限制。

发明内容

在一个广义形式中，本发明的一个方面试图提供一种心脏泵，其包含：限定腔体的外壳，腔体包含：至少一个与腔体的轴线对准的入口；以及，至少一个被设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；叶轮，设置在腔体内，所述叶轮包含转子和安装在转子上用于将流体从进口径向向外推动到出口的叶片；驱动器，用于在所述腔体中旋转所述叶轮，所述驱动器包含：多个周向间隔开的永久驱动器磁体，其被安装在所述转子的第一面内并紧邻转子的第一面；以及，多个周向间隔开的驱动器线圈，其被安装在所述外壳内，紧邻所述腔体的第一端，每个线圈缠绕在驱动器定子的相应的驱动器定子极上，并且与所述驱动器磁体基本径向对准，所述驱动器线圈被配置为产生与所述驱动器磁体协作的驱动器磁场，从而使所述叶轮旋转；以及，磁性轴承，包含：第一和第二环形磁性轴承构件，安装在所述转子的第二面内并紧邻所述转子的第二面，所述第一磁性轴承构件被设置在所述第二磁性轴承构件的径向外侧；多个沿周向间隔开的基本为U形的轴承定子，其被安装在所述外壳中紧邻所述腔体的第二端的位置，每个U形的轴承定子具有第一和第二轴承定子腿，它们分别与所述第一和第二磁性轴承构件相互作用；以及，在每个轴承定子上的至少一个轴承线圈，产生与所述磁性轴承构件协作的磁场，从而实现以下操作中至少之一：控制所述叶轮的轴向位置；以及，至少部分限制所述叶轮的径向运动。

在一个实施例中：所述第一和第二轴承定子腿分别与所述第一和第二磁性轴承构件基本磁对准；所述第一和第二轴承定子腿分别与所述第一和第二磁性轴承构件基本径向对准；所述第一和第二轴承定子分别与所述第一和第二磁性轴承构件配合，从而当所述轴承定子腿与所述磁性轴承构件基本对准时，来自单个轴承的径向力约为0N-2N；所述第一和第二轴承定子腿中至少一个相对于第一和第二磁性轴承构件中的对应的一个径向偏移一段距离，该距离为下面至少之一：少于1mm；少于0.5mm；以及，少于0.2mm。

在一个实施例中，所述驱动器定子包含软磁复合芯，该软磁复合芯包含从环形驱动器定子轭沿轴向方向延伸的多个驱动器定子极。

在一个实施例中，所述驱动器定子轭的厚度至少为以下之一：在1mm至2.5mm之间；约1.75mm。

在一个实施例中，所述驱动器定子极是以下至少之一：楔形；三角形；以及，梯形。

在一个实施例中，相邻的驱动器定子极由槽隔开，该槽中至少有一个：至少下列之一的宽度：在4mm至7.4mm之间；约6mm；以及，至少下列之一的深度：在4mm至14mm之间；约11.25mm。

在一个实施例中，所述驱动器定子具有以下至少之一：至少为如下之一的内半径：在14mm至18mm之间；以及，约16mm；以及，至少为如下之一的外半径：在22mm至25mm之间；以及，约24.5mm。

在一个实施例中，每个驱动器磁体为如下至少之一：如下至少一个的相交角度：在15°至36°之间；以及，约25°；以及，厚度至少为以下之一：在0.8mm至3mm之间；约2.6mm。

在一个实施例中，每个驱动器磁体都安装在环形转子驱动器轭上。

在一个实施例中，心脏泵包含形成转子驱动器轭和转子轴承轭的公共轭。

在一个实施例中，所述转子驱动器轭厚度至少为以下之一：在1mm至5mm之间；以及，在1.5mm至2.5mm之间；以及，约1.9mm。

在一个实施例中：驱动器磁体的数量至少为以下之一：8；10；14；以及，16；以及，定子极数至少为以下之一：12；15；以及，18。

在一个实施例中，所述驱动器包含12个定子极，被构成为以下至少一项：一个三相马达；以及，两个三相马达。

在一个实施例中，所述驱动器包含使用三角形配置和星形配置中的至少一种连接的多个线圈。

在一个实施例中，所述驱动器和转子配置成使得以下至少一项：所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间的间隔为以下至少之一：在使用中，2mm至5mm之间；在使用中，2mm至3mm之间；以及，在使用中，大约2.3mm；驱动器定子极面和驱动器磁体面之间的间隔至少为以下之一：在使用中，2.5mm至6mm之间；在使用中，2.5mm至4mm之间；以及，在使用中，大约3.2mm；驱动器定子磁轭和驱动器磁轭之间的间隔至少为以下之一：在使用中，7mm至25mm之间；在使用中，8mm至20mm之间；以及，在使用中，大约17mm；以及，驱动器定子极面与驱动器磁轭之间的间隔至少为以下之一：在使用中，4mm至8mm之间；在使用中，4.5mm至7mm之间；以及，在使用中，大约5.8mm。

在一个实施例中，所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间的间隔为以下至少之一：在使用中，至少2.3mm；以及，在使用中，足以容纳所述叶轮的轴向运动。

在一个实施例中，所述叶片安装所述转子的所述第一面上且在所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间，并且其中所述叶片的高度至少为以下之一：在1.5mm至5mm之间；在1.5mm至2.5mm之间；在1.8mm至2.2mm之间；约2mm。

在一个实施例中，每个轴承定子腿至少有一个：至少下列之一的宽度：在2mm至4mm之间；所述第一轴承定子腿约3.6mm；以及，所述第二轴承定子腿约2.9mm；以及，长度至少为如下之一：在5mm至35mm之间；以及，约14.8mm。

在一个实施例中，所述至少一个轴承线圈被缠绕在所述第一轴承定子腿上。

在一个实施例中，至少一个轴承定子腿至少在所述轴承定子腿的一端附近比相应的磁性轴承构件窄。

在一个实施例中，至少一个轴承定子腿靠近所述轴承定子腿的一端向内渐缩。

在一个实施例中，所述渐缩部至少具有以下之一：至少如下之一的高度：在0mm至10mm之间；以及，约5mm；至少如下之一的宽度：在0mm至4mm之间；以及，在0.5mm至2mm之间。

在一个实施例中，所述渐缩部被构造成以下至少之一：朝向磁性轴承构件的中心线；以及，使得当所述转子从中心径向位置径向偏移时，来自单个轴承的径向回复力增加。

在一个实施例中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含环形永久轴承磁体。

在一个实施例中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含环形铁构件。

在一个实施例中，第一和第二磁性轴承构件中的至少一个具有以下至少之一：厚度至少为以下之一：在1mm至3mm之间；以及，约2.4mm；以及，宽度至少为以下之一：在3mm至4.5mm之间；约2.5mm；以及，约3.5mm。

在一个实施例中，所述第一和第二磁性轴承构件被设置在共同的环形叠片或实心铁轴承转子轭上。

在一个实施例中，所述轴承转子轭至少具有以下一项：宽度至少为以下之一：在10mm至13mm之间；以及，约11mm；以及，厚度至少为以下之一：在1mm至5mm之间；以及，在1.5mm至2.5mm之间；以及，约1.9mm。

在一个实施例中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个朝向所述第二转子面向内渐缩。

在一个实施例中，所述渐缩部至少是以下之一：朝向磁性轴承构件的中心线；以及，使得当所述转子从中心径向位置径向偏移时，来自单个轴承的径向回复力增加。

在一个实施例中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含渐缩铁靴。

在一个实施例中，所述第二轴承定子腿是渐缩的，并且所述第二磁性轴承构件包含永磁体。

在一个实施例中，所述第一轴承定子腿基本上没有渐缩，并且所述第一轴承磁性构件是环形铁构件。

在一个实施例中，所述第一轴承定子腿是渐缩的，并且所述第一轴承磁性构件是环形的永磁体。

在一个实施例中，心脏泵提供至少部分左心室功能。

在一个实施例中，心脏泵提供至少部分右心室功能。

在一个实施例中，所述叶轮包含设置在转子主体上的第一和第二组叶片，所述转子被设置在所述腔体内以限定：第一腔体部分，第一腔体部分具有第一入口和第一出口，所述第一组叶片被设置在所述第一腔体部分内，以限定提供至少部分左心室功能的第一泵；以及，第二腔体部分，具有第二入口和第二出口，所述第二组叶片被设置在所述第二腔体部分内，以限定第二泵，所述第二泵提供至少部分右心室功能。

在一个实施例中，心脏泵是完全的人造心脏。

在一个实施例中，所述叶轮的所述轴向位置决定了每组叶片与对应的腔体表面之间的间距，所述间距用于控制所述流体从所述入口到所述出口的流体流动。

在一个实施例中，在所述磁性轴承失效的情况下，所述叶轮和外壳共同定义流体动力轴承。

在一个实施例中，所述流体动力轴承至少部分地由所述叶轮的至少一些所述叶片的上表面限定。

在一个实施例中，所述流体动力轴承由所述叶轮的叶片的面向所述腔体的所述第一端的上表面限定。

在一个实施例中，所述上表面包含前斜坡和后平垫。

在一个实施例中，至少如下之一：所述平垫的内半径至少为以下之一：在16mm至22mm之间；以及，在18mm至20mm之间；所述平垫的长度至少为以下之一：在1mm至5mm之间；在2mm至4mm之间；以及，约3mm；所述斜坡的长度至少为如下之一：在5mm至15mm之间；在8mm至12mm之间；以及，约10mm；以及，所述斜坡的高度至少为如下之一：在0.02mm至0.1mm之间；在0.04mm至0.08mm之间；以及，约0.06mm。

在一个实施例中，所述叶片至少如下之一：内半径至少为如下之一：在10mm至20mm之间；在12mm至18mm之间，在14mm至16mm之间；以及，约15mm；外半径至少为以下之一：在20mm至30mm之间；在22mm至28mm之间；在24mm至26mm之间；以及，约25mm。

在一个实施例中，心脏泵包含控制器，其用于控制使用中的所述驱动器和轴承的操作。

在一个实施例中，所述控制器包含根据存储在存储器中的软件指令进行操作的处理器。

在一个实施例中，所述控制器控制驱动器以选择性地产生轴向吸引力。

在一个实施例中，所述控制器控制所述驱动器以产生轴向吸引力以便实现以下至少之一：在所述腔体内移动所述叶轮；以及，当在所述磁性轴承失效的情况下使用流体动力轴承运行时提高抗冲击性。

在一个实施例中，所述控制器：检测如下至少之一：所述磁性轴承的失效；以及，当所述磁性轴承失效时，所述叶轮向所述腔体的所述第二端的移动；以及，响应所述检测，控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力。

在一个实施例中，所述控制器基于以下至少之一来检测所述磁性轴承的失效：轴承指示器，指示所述磁性轴承所用电流；驱动器指示器，指示所述驱动器使用的电流；以及，传感器信号。

在一个实施例中，心脏泵的轴向系统刚度至少为如下之一：至少10N/mm；至少20N/mm；至少30N/mm；少于60N/mm；少于50N/mm；约10-60N/mm；约25-50N/mm；约15-25N/mm；约30-40N/mm；以及，约35-40N/mm。

在一个实施例中，心脏泵的径向系统刚度至少为如下之一：在0.5N/mm至11N/mm之间；在0.5N/mm至1.5N/mm之间；在1.5N/mm至3.0N/mm之间；在3N/mm至6N/mm之间；以及，在6N/mm至11N/mm之间。

在一个广义形式中，本发明的一个方面试图提供一种心脏泵，其包含：限定腔体的外壳，腔体包含：至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；用于在所述腔体中旋转所述叶轮的驱动器，所述驱动器包含：多个周向隔开的永久驱动器磁体，其安装在所述转子的第一面内并紧邻所述转子的第一面；以及，多个周向间隔开的驱动器线圈，其安装在所述外壳内，紧邻所述腔体的第一端，每个线圈被缠绕在驱动器定子的相应的驱动器定子极上，并且与所述驱动器磁体基本径向对齐，所述驱动器线圈被构成为产生与所述驱动器磁体协作的驱动器磁场，从而使所述叶轮旋转。

在一个实施例中，心脏泵还包含用于将所述叶轮支承在所述腔体内的轴承，所述轴承至少是以下之一：磁性轴承；流体动力轴承；以及，物理轴承。

在一个广义形式中，本发明的一个方面试图提供一种心脏泵，其包含：限定腔体的外壳，腔体包含：至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；以及，磁性轴承，包含：安装在所述转子的第二面内并紧邻所述转子的第二面的第一和第二环形磁性轴承构件，所述第一磁性构件被设置在所述第二磁性轴承构件的径向外侧；多个沿周向间隔开的基本为U形的轴承定子，其被安装在所述外壳中紧邻所述腔体的第二端的位置，每个U形轴承定子具有分别与所述第一和第二磁性轴承构件相互作用的第一和第二轴承定子腿；以及，在每个轴承定子上的至少一个轴承线圈，其产生磁场，该磁场与所述磁性轴承构件协作，从而至少如下之一：控制所述叶轮的轴向位置；以及，至少部分地限制所述叶轮的径向运动。

在一个广义形式中，本发明的一个方面试图提供一种心脏泵，其包含：限定腔体的外壳，腔体包含：至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；驱动器，用于在所述腔体中旋转所述叶轮，所述驱动器包含：多个周向间隔开的永久驱动器磁体，其安装在所述转子的第一面内并紧邻所述转子的第一面；以及，多个在圆周方向上间隔开的驱动器线圈，被安装在所述外壳内，靠近所述腔体的第一端，并且其中，所述叶轮的叶片和所述外壳的所述第一端协作限定流体动力轴承。

在一个实施例中，所述流体动力轴承由面向所述腔体的所述第一端的所述叶轮的所述叶片的上表面限定。

在一个实施例中，所述上表面包含前斜坡和后平垫。

在一个实施例中，如下至少之一：所述平垫的内半径至少为以下之一：在16mm至22mm之间；以及，在18mm至20mm之间；所述平垫的长度至少为以下之一：在1mm至5mm之间；在2mm至4mm之间；以及，约3mm；所述斜坡的长度至少为如下之一：在5mm至15mm之间；在8mm至12mm之间；以及，约10mm；以及，所述斜坡的高度至少为如下之一：在0.02mm至0.1mm之间；在0.04mm至0.08mm之间；以及，约0.06mm。

在一个实施例中，所述叶片为如下至少一个：内半径至少为以下之一：在10mm至20mm之间；在12mm至18mm之间，在14mm至16mm之间；以及，约15mm；外半径至少为以下之一：在20mm至30mm之间；在22mm至28mm之间；在24mm至26mm之间；以及，约25mm。

在一个实施例中，心脏泵包含磁性轴承，以实现以下至少一项：控制所述叶轮的轴向位置；至少部分地限制所述叶轮的径向运动中的，并且其中，所述流体动力轴承被构成为在所述磁体轴承失效时运行。

在一个实施例中，心脏泵包含控制器，其控制使用中的所述驱动器和轴承的操作。

在一个实施例中，所述控制器包含根据存储在所述存储器中的软件指令进行操作的处理器。

在一个实施例中，所述控制器控制所述驱动器以选择性地产生轴向吸引力。

在一个实施例中，所述控制器控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力以便实现以下至少之一：在所述腔体内移动所述叶轮；以及，当在所述磁性轴承失效的情况下使用流体动力轴承运行时，增加抗冲击性。

在一个实施例中，所述控制器：检测以下至少之一：磁性轴承的失效；以及，当所述磁性轴承失效时，所述叶轮向所述腔体的第二端的移动；以及，响应于所述检测，控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力。

在一个实施例中，所述控制器基于以下至少之一来检测所述磁性轴承的失效：指示所述磁性轴承所使用的电流的轴承指示器；指示所述驱动器使用的电流的动器指示器；以及，传感器信号。

应当理解，本发明的广义形式及其各自的特征可以结合和/或独立地使用，并且在不旨在限制本发明的情况下，引用单独的广义形式。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的各种示例和实施例，其中：

图1A是心脏泵的示例的示意性立体图；

图1B是图1A的心脏泵的示意性剖视图；

图1C是图1A的心脏泵的示意性分解立体图；

图1D是图1A的心脏泵的控制系统的示例的示意图；

图2A是驱动器磁体配置的示例的示意性俯视侧视立体图；

图2B是图2A的驱动器磁体配置的平面示意图；

图2C是图2A的驱动器磁体配置的示意性侧视图；

图2D是轴承磁体配置的示意性俯视侧视立体图；

图2E是图2D的轴承磁体配置的示意性仰视图；

图2F是图2D的轴承磁体配置的示意性侧视图；

图2G是图2D的带有涡流传感器的轴承磁体装置的示意性仰视图；

图2H是图2A和2D的轴承和驱动器磁体配置以及涡流传感器的示意性俯视侧视立体图；

图2I是图2H的配置的示意性立体剖视图；

图3A是从左侧泵侧看示例叶轮的示意性立体图；

图3B是图3A的叶轮的剖视示意图；

图3C是图3A的叶轮的示意性立体剖视图；

图3D是图3A的叶轮从泵的右侧看的示意性立体图；

图3E是图3A叶轮替代示例的剖视示意图；

图4A是驱动器示例的示意性立体图，显示了不同的驱动器参数；

图4B是图4A的驱动器的示意性侧视图，说明了其他驱动器参数；

图5A是驱动器示例的示意性俯视图，显示了第一槽宽度；

图5B是驱动器示例的示意性俯视图，显示了第二槽宽度；

图5C是举例说明驱动马达恒定和轴向力随槽宽变化的示例的曲线图；

图6A是驱动器示例的示意性俯视图，显示了第一定子内半径和第一槽宽；

图6B是驱动器示例的示意性俯视图，显示了第二定子内半径和第二槽宽；

图6C是举例说明了随着定子内半径的变化，驱动马达的恒定和轴向力的示例的曲线图；

图6D是说明了具有不同绕组配置的不同速度和转矩极限的示例的曲线图；

图7A是示出了用于第一驱动器磁体角度的磁驱动通量的示例的示意性侧视图；

图7B是示出了用于第二驱动器磁体角度的磁驱动磁通量的示例的示意性俯视图；

图7C是示出了随驱动器磁体角度变化而变化的驱动轴向力的示例的曲线图；

图7D是示出了随驱动器磁体角度和厚度变化而变化的驱动马达恒定和轴向力的示例的曲线图；

图8A是示出了用于第一驱动器定子槽深度的磁驱动通量的示例的示意性侧视图；

图8B是示出了用于第二个驱动器定子槽深度的磁驱动通量的示例的示意俯视图；

图8C是示出了随驱动器定子槽深度变化而变化的驱动轴向力的示例的曲线图；

图8D是表示不同叶轮左叶片高度的左侧泵曲线示例的曲线图；

图8E是表示不同气隙的驱动轴向力和马达常数的示例的曲线图；

图8F是特定首选驱动器参数的示意图；

图9A是表示不同叶轮轴向位置的轴向驱动力和轴承力变化的曲线图；

图9B是表示不同叶轮轴向位置的净轴向力变化的曲线图；

图9C是表示不同叶轮径向位置的净径向力变化的曲线图；

图10A和10B是示出了非渐缩的磁性元件在不同径向位置的磁性轴承通量的示意侧视图；

图10C和10D是示出了渐缩的磁性元件的不同径向位置的磁性轴承通量的示意性侧视图；

图11A和11B是示出包括非渐缩的磁性轴承定子腿的磁性轴承的示例的不同径向位置的磁性轴承通量的示意性侧视图；

图11C和11D是示出了包括渐缩的磁性轴承定子腿的磁性轴承的示例的不同径向位置的磁性轴承通量的示意性侧视图；

图12A和12B是示出示例磁性轴承的不同轴向和径向位置的相对轴向力和径向力的曲线图，该示例性磁性轴承包括具有匹配的径向刚度和气隙的渐缩的和无渐缩的定子腿；

图12C和12D是示出示例磁性轴承的不同轴向和径向位置的相对轴向力和径向力的曲线图，该示例性磁性轴承包括具有匹配的轴向力的渐缩的和无渐缩的定子腿；

图13是示出了不同的轴承定子腿渐缩量下的刚度比的变化的曲线图；

图14是示出了用于包括极靴的磁性轴承的磁性轴承通量的示意性侧视图；

图15A至15F是轴承配置不同示例的示意性侧视图；

图16A是说明了不同的轴承参数的轴承示例的示意性侧视图；

图16B是图16A的轴承的一部分的示意性特写侧视图，示出了进一步的轴承参数；

图17A是单个VAD心脏泵的示例的示意性立体图；

图17B是图17A的心脏泵的示意性剖面侧视图；

图17C是图17A的心脏泵的示意性剖面俯视图；

图17D是图17A的心脏泵的叶轮的示意性立体图；

图17E是图17A的心脏泵的磁性轴承的示意性立体图；

图17F是图17A的叶轮的示意性剖视立体图；

图18A是叶轮处于被动平衡位置时的叶轮腔体的示意图；

图18B是叶轮处于工作位置时的叶轮腔体的示意图；

图18C是叶轮腔体的示意图，其中叶轮处于备用流体动力轴承位置；

图19A是提供流体动力轴承的叶轮构造的示意性俯视图；

图19B是图19A的叶轮的叶轮叶片之一的示意性侧视图；

图19C是示出轴承参数的示意性俯视图；

图19D是示出右侧泵性能示例的曲线图；

图19E示出右侧泵性能示例的图；

图20A是示出由流体动力轴承产生的有效液压轴向叶轮力的示例的曲线图；

图20B是示出液压和磁体轴向叶轮力示例的图；

图21A是示出驱动器产生旋转叶轮转矩的操作的示例的示意图；

图21B是示出驱动器产生负轴向叶轮力的操作的示例的示意图；

图21C是示出驱动器产生正轴向叶轮力的操作的示例的示意图；

图22A是示出悬浮故障序列期间的磁性轴承目标电流的示例的曲线图；

图22B是示出在悬浮故障序列期间的磁性轴承目标位置的示例的曲线图；

图22C是表示悬浮故障序列期间驱动器速度的示例的曲线图；

图22D是表示悬浮故障时的驱动器目标电流的一例的曲线图；

图23是显示正轴向力对净轴向叶轮力的影响的示例的曲线图；

图24A是表示轴向刚度对净轴向叶轮力影响的示例的曲线图；

图24B是表示壳体偏移时的轴向叶轮净力变化的一例的曲线图；

图25A是表示轴承电流对径向刚度影响的示例的曲线图；

图25B是表示轴承电流对谐振频率影响的示例的曲线图；

图25C是示出驱动器电流对谐振频率影响的示例的曲线图；

图26A是三相驱动器线圈配置的第一示例的示意图；

图26B是图26A的驱动器线圈配置的驱动器线圈连接示例的示意图；

图26C是三相驱动器线圈配置的第二示例的示意图；

图26D是图26C的线圈配置的线圈连接示例的示意图；

图27A是单三相三角配置的驱动器线圈连接示例的示意图；

图27B是双三相三角配置的驱动器线圈连接示例的示意图；

图27C是单三相星形配置的驱动器线圈连接示例的示意图；

图27D是双三相星形配置的驱动器线圈连接示例的示意图；

图28A是示出使用三角驱动器线圈绕组可获得的驱动器转矩和速度的示例的曲线图；

图28B是示出使用三角和星形驱动器线圈构造的驱动器转矩和速度的比较示例的曲线图；

图29是示出驱动器线圈绕组匝数对驱动器转矩和速度的影响的示例的曲线图；

图30A是表示不同线圈配置的驱动器速度和转矩示例的图；以及，

图30B是示出健康和故障双三相星形驱动器线圈配置的驱动器速度和转矩示例的图。

具体实施方式

现在将参考图1A至1D，图2A至2I和图3A至3E描述心脏泵的示例。

在该示例中，心脏泵是双心室装置，其既可以用作心室辅助装置来辅助对象的左、右心室的功能，也可以作为全人工心脏。然而，将理解的是，尽管参考了双心室装置，但这不是必需的，并且可替代地，本文描述的原理可以等同地应用于单个心室辅助装置或任何其他形式的血泵。

在该示例中，心脏泵100包括形成腔体的外壳110。外壳可以是任何合适的形式，但是通常包括主体110.1，连接到主体110.1的左右端盖110.2、110.3，以及位于主体110.1和左端盖110.2之间的端板110.4。外壳可以由任何合适的生物相容性材料制成，并且可以由钛、聚合物等制成。

外壳110包括两个入口111、113，其分别连接至左心房/肺静脉和右心房/静脉，或左右心室；以及两个出口112、114，其分别连接至主动脉和肺动脉。虽然示出了两个入口和出口，但是应当理解，这是在双心室装置的背景下，并且单个入口和出口可以用于单个心室装置。

心脏泵100包含设置在腔体内的叶轮120。叶轮120包括转子121，转子121上安装有叶片，用于在叶轮120旋转时将流体从入口推动到出口。在此示例中，由于心脏泵100是双心室装置，叶轮包括两组叶片122，123，每组叶片用于将流体从相应的入口111、113推向相应的出口112、114。在此示例中，转子121定位在腔体内，以将腔体有效地划分为第一腔体部分和第二腔体部分，每个腔体部分具有各自的入口和出口，从而允许它们各自充当各自的泵。

因此，在当前示例中，叶片122被用于将流体从所述入口111推动到所述出口112，以图1B中所示的方向设置在所述泵的左侧，并被操作为提供左心室功能，同时叶片123将流体从入口113推向出口114，并起到提供右心室功能的作用。在本文中，所述第一和第二腔体部分通常被称为左腔体和右腔体，并与叶轮120一起分别提供左侧泵和右侧泵。应当理解，就此而言，术语左和右是指腔体的预期心室功能，与附图中泵的特定方向相反，其仅用于说明性目的。

如图3A至3E中示出，叶片122，123具有不同的轮廓，为左侧泵和右侧泵提供不同的流动特性，如将在下面更详细地描述。尤其是，在该例子中，左叶片122通常向外张开，朝向转子121的外周边缘变厚，并且以与叶轮旋转方向(如箭头R所示)成一定角度的方式扫过。然而，并非总是如此，例如，对于LVAD，左叶片径向笔直且薄，类似于如下介绍的右叶片。相反，右叶片123通常是笔直的并且具有恒定的厚度，径向地朝向转子的边缘但不相交地径向延伸。在下文中将更详细地描述对这些配置的影响以及叶片122、123和转子121的特定尺寸。

心脏泵100还包含驱动器130和磁性轴承140，驱动器130使叶轮120在所述腔体内旋转，磁性轴承140控制叶轮120在所述腔体内的轴向位置。该设备还包含控制器150和驱动器和轴承信号发生器137、147，该控制器150在使用中联接到传感器160，驱动器和轴承信号发生器137、147又联接到驱动器和轴承130、140的驱动器和轴承线圈131、141。传感器160用于感测叶轮120在所述腔体内的轴向位置，并且可以采用任何适当的形式，如将在下面更详细地描述的那样。

在使用中，控制器150使用来自传感器160和可选的其他传感器的信号，使用适当的控制算法，可以控制轴承140和可选的驱动器130的运行。尤其是，控制器150适于监测来自位置传感器160和其他传感器的信号，然后通过信号发生器137控制提供给驱动器线圈131的电流，以控制叶轮的旋转，并且通过信号发生器147控制提供给轴承线圈141的电流，以控制叶轮120的轴向位置。因此，叶轮120受到外壳110中的流体压力的作用，该流体压力在叶轮120上产生净液压。作用在叶轮120上的力由磁性轴承补偿，控制器150进行操作以控制提供给轴承中电磁体的电流量，从而保持叶轮120的位置。这样，磁性轴承系统所使用的电流与作用在叶轮120上的力和压力有直接关系。以这种方式，可以通过磁性轴承信号实时检测入口和出口压力的变化。

控制器150还可以适用于提供速度控制功能，例如根据诸如泵内的流体压力之类的因素来改变叶轮的旋转速度。

控制器150可以是任何合适的形式，但是通常包含电子处理设备151，可选的存储器152，和用于连接到心脏泵的接口154，它们中的每一个都通过总线155或其他类似的装置互连。电子处理设备可以是能够解释信号并控制驱动器和轴承的任何形式的电子处理设备，例如微处理器、微芯片处理器、逻辑门配置，与执行逻辑相关的固件，例如FPGA(现场可编程门阵列)，或任何其他电子设备，系统或装置。

控制器还可以实现单独的控制功能，例如单独的模块，从而控制轴承和驱动器。

可以提供可选的外部接口153，允许与控制器150的交互。在控制器位于主体外部的情况下，其可以包含诸如触摸屏等的I/O设备153，反之，如果位于主体内部，则其通常采用无线通信模块的形式，允许与外部控制设备通信。

如上描述的心脏泵是可以用作双心室辅助设备，向左心室和右心室提供心室辅助或者可以充当整体人工心脏的心脏泵的示例，允许左心室和右心室的功能完全替换。也可以仅对应于左侧或右侧泵提供类似的配置，从而提供左或右心室辅助设备。

现在将描述驱动器和轴承的更多细节。

在一个实施例中，驱动器包含多个周向间隔开的永久驱动器磁体134，该永久驱动器磁体134被安装在转子121的第一面内并邻近该转子的第一面。相邻的驱动器磁体通常具有相反的极性，尽管可以使用其他配置，例如，如果一个驱动器磁体被一分为二并紧挨另一个放置，则可以实现类似的功能。驱动器130还包含多个在腔体的第一端附近安装在外壳110内的周向间隔开的驱动器线圈131，每个线圈131缠绕在驱动器定子芯132的相应的驱动器定子极132.1上，并且基本上与驱动器磁体134径向对齐。

在使用中，驱动器线圈131被构成为通过施加适当的电流来产生驱动器磁场，该驱动器磁场与驱动器磁体134协作从而在腔体内使叶轮120旋转。

在图2A至图2C以及图4A至图4B以及图5A和图5B中更详细地示出了具体的示例驱动器磁体配置。在该实施例中，驱动器线圈131和驱动器定子极132.1是楔形的、三角形的或梯形的，沿周向间隔开并从环形驱动器轭132.2轴向延伸，该环形驱动器轭又联接至安装/PCB(印刷电路板)133，从而允许将驱动器定子芯132固定在外壳110内。驱动器定子芯132通常由软的复合铁芯形成，尽管可以使用其他合适的材料。驱动器磁体134是弓形的稀土磁体，其在转子的外周边缘附近并且在转子的面对驱动器线圈131的面附近周向地间隔开，所述驱动器磁体被安装在软铁转子驱动器轭135上。

在该实施例中，驱动器定子和驱动器线圈限定了12个与转子121中的驱动器磁体134轴向对齐的电磁体，从而最大化了转子121与驱动器130中的磁体之间的磁耦合程度，然而，根据以下描述将显而易见的是，可以使用其他配置。

现在转向磁性轴承140，它通常包含第一环形磁性轴承构件144和第二环形磁性轴承构件145，该第一环形磁性轴承构件144和第二环形磁性轴承构件145安装在转子中面向轴承线圈141的面内并邻近该面，第一磁性轴承构件144设置在第二磁性轴承构件145的径向外侧。磁性轴承构件144、145可被安装到在磁性轴承构件144、145之间延伸的转子轴承轭146和/或与转子轴承轭146整体形成。轴承转子轭可由层压铁板制成，以减少轭内的涡流。

如在图3E的示例中进一步示出的，转子驱动器轭135和转子轴承轭146可以由共同的轭135/146形成。

多个沿周向间隔开的大致U形的轴承定子142被安装在外壳110中靠近所述腔体的第二端，每个U形的轴承定子142具有分别与第一和第二磁性轴承构件144、145相互作用的第一和第二轴承定子腿142.1、142.2。在每个轴承定子142上至少提供一个轴承线圈141，该线圈产生与磁场轴承部件145、144协作的磁场，从而控制叶轮120的轴向位置并至少部分地限制叶轮120的径向运动。

在一个实施例中，第一和第二轴承定子腿分别与第一和第二磁性轴承构件基本磁性对准和/或在几何上径向对准。可以这样执行，使得第一轴承定子和第二轴承定子分别与第一磁性轴承构件和第二磁性轴承构件配合，从而当轴承定子腿与磁性轴承基本对准时，来自单个轴承的径向力约为0N-2N。虽然对准可以减少交叉耦合，但某些失准可能会有利于对称的径向回复，并会导致径向力随轴向位置发生变化。因此，在一些实施例中，第一轴承定子腿和第二轴承定子腿中的一个或两个都可以相对于第一磁性轴承构件和第二磁性轴承构件中对应的一个径向偏移一小段距离，例如以下至少之一：小于1毫米、小于0.5毫米和小于0.2毫米。

在一个特定的实施例中，在图2D至2I中更详细地显示，磁性轴承包含三个轴承线圈141，每个线圈被安装在对应U形轴承定子142的第一轴承定子腿142.1上，第二轴承定子腿142.2位于第一轴承定子腿142.1的径向内侧。轴承定子142被安装到轴承定子支承件143上，并在外壳周围沿圆周方向间隔120°，以便第一轴承定子腿142.1和第二轴承定子腿142.2与相应的磁性材料构件144、145对准，从而控制叶轮120的轴向位置。

通常，磁性轴承140包含永磁体，其可以是磁性轴承构件144、145的一部分，或者连接到轴承定子腿中的一个或两个。例如，这可以包含沿周向间隔开的第一和第二永久轴承磁体144、145。替代地，磁性轴承构件可以包含铁磁材料部件144和永磁体145，或者仅包含铁磁材料，其中永磁体联接到定子142的定子轴承腿142.1、142.2。

驱动器130和磁性轴承140被安装在外壳110的相对端，使得驱动器和轴承130、140靠近转子121的相对表面设置，例如如图1D、图2H和图2I中示出。在当前示例中，驱动器130被安装在左侧泵附近，而轴承140安装在右侧泵附近，虽然可以想到相反的构造。所示的安排具有很多好处。

首先，当转子以正常工作速度设置在平衡点(在正常流动的条件下，其可以例如大约位于腔体的中心，但是可以更靠近腔体的左侧或右侧)时，驱动器和转子以及轴承和转子之间的固有吸引力可以配置为基本平衡。

例如，可以配置这种配置，以使驱动器130与叶轮120之间，以及磁性轴承140和叶轮120之间的固有的磁力在腔体内的叶轮平衡位置匹配，该平衡位置对应于正常流动条件下叶轮的所需位置。这最小化了将叶轮120保持在腔体内的位置所需的轴承电流，因此减少了操作，尤其是驱动器和轴向定位叶轮所需的功率。

另外，除了具有磁力平衡之外，驱动器和轴承产生的力还可以配置为提供所需程度的轴向和径向刚度。在这方面，刚度是叶轮120响应于外力而从平衡位置偏转的量度。在一个实施例中，理想的是使径向刚度最大化，以便将叶轮保持在腔体内径向中心并且停止叶轮接触腔体的内周壁。相反，由于叶轮120的轴向位置可用于流量控制，并且尤其是允许对血液动力学参数的变化进行被动和/或主动响应，因此轴向刚度低的情况是优选的。因此，被动磁力可以构成为有助于满足这些要求，如下面将更详细描述的。

在BiVAD/TAH应用的情况下，上述配置的另一个好处是，允许较小的右侧泵腔体尺寸容纳更大尺寸的磁性轴承。尤其是，这允许轴承定子和轴承磁体之间的间隙最小化，因为在该间隙中没有叶片(与左侧不同，在左侧驱动器和转子之间的磁性气隙中存在叶片)，如在下面更详细地描述。然而，应当理解，这限制了右侧泵的外径，从而限制了在给定转速下可产生的压力，尽管对于右侧泵，鉴于其输出或压力要求比左侧泵低，通常这不是问题。

现在将描述驱动器和轴承中的每一个的许多特征。

驱动器设计

驱动器被设计为可最大程度地减少驱动器定子所需的物理体积和重量，这对确保最终的心脏泵能够完全舒适地植入至关重要。然而，除此之外，与传统版本相比，驱动器的内径增加了，以便在左侧泵入口具有较大的流路横截面积，进而有助于提高泵内的流动特性。

驱动器被配置为最大程度地提高效率，从而减少能量消耗，同时保持轴向力(由叶轮和驱动器之间的被动轴向力与叶轮以典型速度旋转时的附加主动轴向力相结合而形成)以匹配由磁性轴承产生的被动轴向力，从而帮助减少磁性轴承的能耗。

驱动器设计的另一个目标是允许驱动器在驱动器定子132和驱动器线圈131之间以及嵌入转子121内的永久驱动器磁体134之间留有较大气隙的情况下有效运行。尤其是，这允许叶轮120的实现而无需在叶轮叶片上安装护罩，这反而会引起高剪切应力并降低在控制流中轴向运动的效率。就这一点而言，由此产生的磁隙长度与定子和转子轭之间的总轴向驱动器高度之比，如下文相对于图4B所详细描述的那样大

为了达到这个目的，选择驱动器的各种参数，包含驱动器定子芯132和转子121的配置，以便在驱动器的轴向力和效率之间找到更好的平衡。作为结果，该驱动器表现出与现有版本相似的性能特性，同时减少了尺寸、重量和转子惯性。

在考虑驱动器参数时，必须考虑永磁驱动器产生的电磁转矩(T_el)，可以将其公式化为正交电流(i_q)与磁通链(ψ_f)的乘积：

T_el＝ψ_f·i_q

磁通链是永磁通量的一部分，其穿过气隙并通过定子磁极132.1和磁轭132.2闭合。磁通链取决于在该路径上穿过线圈的总磁通φ_f，以及线圈匝数N：

ψ_f＝N·φ_f

因此，转矩取决于驱动器线圈131的匝数和产生的总磁通量。

驱动器的效率(η)是机械输出功率(P_mech)和电输入功率(P_el)的商。由于涡流和磁滞，主要的功率损耗(P_loss)是铜绕组损耗(P_cu)和定子铁芯损耗(P_core)。

P_loss≈P_cu+P_core

驱动器的主要功率损耗是在驱动器线圈的铜绕组中产生的。这是由于机器尺寸和大气隙，由于边缘效应减小了磁通链，因此需要更大的电流才能产生转矩。铜损与定子相电阻和电流的平方成正比。

铜损是主损耗，并受几何形状变化的影响。随着负载变化，铜损随着驱动器的工作点(速度/转矩)而变化。

驱动器马达常数K_Motor以消除对驱动器电流的依赖性的方式表示转矩和铜损的关系。因此，对于槽中恒定的铜截面面积，是测量驱动器马达常数的标准，而与工作点或所选导线的厚度无关。

驱动器几何约束和目标

将驱动器集成到泵中的要求对泵的设计提出了许多几何约束和目标。

例如，定子铁芯和线圈的外半径受到限制(最大约55mm)，以限制泵的总外直径，而驱动器的内半径则必须最小为10.5mm，以允许为左侧泵入口留出足够的空间，并且尤其是允许更大的入口直径，从而可以提高液压效率和流量特性，从而提供更大的流出压力敏感性。定子的轴向高度应该最小化，以减少总泵长度。

总组件的重量应该最小化，转子组件的重量应该最小化，以减少转子惯性，从而改善动态泵的性能和效率，尤其是在以脉冲或调制速度曲线运行时。

转子和驱动器定子之间的轴向磁隙设置为3mm+-叶轮的轴向移动范围的较大值。这允许具有增加的高度的半开式叶轮叶片穿过磁隙中的体积。通常，通过增加最小流动路径面积(尤其是在叶片的入口孔处)来减小流动阻力，从而提高液压效率和流出压力敏感性，并且避免了需要叶轮护罩(携带磁体)的问题，该问题会增加溶血和其他相关血液相容性问题的危险。

可以为驱动器调整的参数示例如图4A和4B所示，并汇总在下表1中。

表1

驱动器定子槽宽度

现在将参照图5A至图5C描述改变驱动器定子槽宽度的效果的示例。

在这方面，驱动器定子槽的宽度对应于相邻的驱动器定子极132.1之间的空间，并以多种相互冲突的方式影响驱动器。

例如，增加驱动器定子槽的宽度会减小极面面积，导致轴向力F_z也减小。当气隙大时，杂散磁通的感性部分增加，并且更少的永磁通量穿过轴向间隙并通过定子闭合，这意味着ψ_f减小，因此马达常数K_Motor并且因此驱动器马达常数减小。

然而，随着驱动器定子槽横截面面积的增加，如在图5B中示出，驱动器线圈131中的绕组数量增加。因此，更多的磁通φ_f穿过更多的绕组匝数，因此ψ_f增加并且马达常数K_Motor增加。

然而，额外的匝数意味着驱动器线圈电阻增加，因为额外的匝数增加了总导线长度，这反过来又增加了铜损，因此部分抵消了马达常数K_Motor的增加。

或者，可以在较大的槽中使用较大直径的导线以保持原始槽中存在的线圈数，但是较大直径的导线将具有较小的电阻，因此可以提高较大槽驱动器的效率。

驱动器的内半径由于端部绕组匝数变大而减小，从而导致入口区域的空间变小，体积和重量增加，从而引起进一步的影响。另外，由于减小了定子芯的体积，从而减小了定子磁性材料的极面表面积，因此随着驱动器定子槽宽度的增加，永磁体的轴向吸引力逐渐减小。

作为结果，如在图5C中示出，从最小的驱动器定子槽缝宽度开始，由于绕组匝数的增加，驱动器马达常数(代表驱动器马达常数)开始增加。在较高的槽宽处，由于增加的定子电阻和减少的渗透定子绕组的磁链的作用，效率降低会抵消这种影响。因此，可以找到特定驱动器定子槽宽度的最大驱动器马达常数。

作为这些考虑的结果，相邻的驱动器定子极被驱动器定子槽分开，该驱动器定子槽的宽度至少在4mm至7.4毫米之间，更通常为约6mm。

驱动器定子芯尺寸

驱动器定子芯尺寸的影响与驱动器定子槽的宽度密切相关，并且具有类似的考虑因素，现在将参考图6A至6C进行描述。

尤其是，增加驱动器定子芯的内芯半径可减少极面面积和有效槽长度(r_o–r_i)。因此，可以产生的轴向力F_z减少，所产生的转矩T_el也减小。

在图6A和图6B的示例中，内半径r_i从14mm增加到16mm，导致力F_z和驱动器马达常数K_motor减少，如图6C中的箭头600所示。

沿下部曲线示出了将驱动器定子槽的宽度从4mm减小到7mm，而箭头601显示了永磁体厚度增加的影响。

作为这些考虑的结果，驱动器定子的内半径通常在12mm至20mm之间，在14mm至18mm之间，更通常为约16mm。

相比之下，驱动器定子的外半径主要受几何因素的影响，其目标是在物理上具有尽可能大的直径，足以安装在外壳内，并能够在驱动器定子芯外缘与外壳之间容纳线圈厚度。因此，驱动器定子芯的外半径在22mm至25mm之间，更通常约为24.5mm。

驱动器绕组配置

优选的绕组配置是集中式双层绕组。这允许减小端部绕组的尺寸，以允许马达的大内直径。驱动器极的配置，尤其是定子槽和转子中磁体的数量的组合受永磁驱动器的一般原理支配。一些可行的组合可以导致更高的绕组系数，从而减少焦耳损耗，这可能伴随着磁动势的更高谐波含量，从而导致转子损耗增加。然而，相对大的气隙对场谐波具有低通滤波效果，因此最好减小焦耳损耗。因此，驱动器磁体的数量通常为8、10、14和16之一，而定子槽的数量通常为12、15和18中的一种，首选配置为10个驱动器磁体和12个定子槽。

尽管驱动器马达常数K_Motor与线尺寸无关，但线尺寸和匝数受电源限制的影响。马达的最大运行速度取决于电源电压克服永久性驱动器磁体在马达线圈中感应的反电动势(EMF)的能力以及系统中的电阻损耗。马达可产生的最大转矩与电马达电流和马达转矩常数成正比，并受可提供的电流量限制，而不会超过传动系统和马达的热阈值。

对于固定的槽尺寸和线圈铜面积，增加线圈匝数会增加给定转子速度下的感应反电动势，从而降低给定电源电压下可获得的最大速度。然而，这将减小转矩常数，从而允许在最大电源电流下产生更高的转矩。反之，转数越小，则最大速度越高，而最大转矩则越小。如本领域中已知的，以星形或三角形配置缠绕马达也可以用于操纵最大速度和最大转矩之间的权衡。

在电池供电的应用中，电池电压会限制电源电压。对于具有经皮动力传动系统的可植入装置，马达导体的最大厚度以及最大电流容量受经皮动力传动系统直径的限制。因此，对于带有便携式控制器的植入式血泵，最大电源电压通常在12V至30V之间，更通常为大约24V，最大电源电流在3A至8A之间，更通常为大约5A。

如表2所示，对三种这样的马达线圈匝数配置进行了评估。对马达进行了测试，以确定在相同的最大电源电压和最大电源电流下，它们的最大速度和最大转矩所定义的性能范围，结果如图6D所示。

表2

结构	A	B	C
				线圈设计	96匝(三角形缠绕)	96匝(Y形缠绕)	165匝(三角形缠绕)

配置A提供了最低的最大转矩，但提供了最高的最高速度。配置B提供最高的最大转矩和最低的最大速度。配置C提供了高转矩和高速度的组合，在其他两种设计之间做出了折衷。对于预期运行速度范围为1500-2500RPM的旋转血泵，与配置A相比，配置B或C的使用可在预期运行范围内提供额外的最大转矩。

驱动器磁体形状

现在将分别参照图7A至7C描述驱动器磁体形状的影响的示例。

出于本示例的目的，假设驱动器磁体沿弧形段延伸。首先要考虑的是磁体节距a_m(或弧长)，其会影响相邻的驱动器磁体之间的杂散磁通。在这方面，图7A和7B，显示了针对不同驱动器磁体节距(弧角)的通过驱动器定子极和驱动器磁体的磁通量的图形表示。这突出表明，对于较大的节距角，对应于相邻驱动器磁体之间的间距减小，这导致杂散磁通路径更短，因此与较小的节距角相比，驱动器定子与驱动器磁体之间的磁链减小了，从而导致减小轴向力F_z。然而，相反，如果节距角太小，则会降低驱动器磁体的整体强度，从而再次减小轴向力F_z。这种变化的一个示例如图7C所示，突出显示了最佳节距角。

此外，可以理解的是，增加驱动器磁体的厚度会增加磁体的强度，从而增加轴向力，如图7C的曲线图中的连续线所示。如图7C所示，这也导致效率提高。然而，这也增加了转子的重量，从而增加了转子的惯性，并受到转子物理尺寸的限制。

如图7D所示，驱动器磁体轴向厚度h_PM和驱动器磁体节距或弧长a_m的变化也会影响马达常数。尽管永磁体(PM)角度和厚度的变化可以返回一定范围的吸引力，但是所产生的吸引力与马达常数之间存在很强的相关性。这样，可以选择满足给定轴向力马达常数要求的多个PM几何形状。因此，应考虑这些不同的PM几何形状对转子和泵设计的物理影响。

因此，可以理解的是，可以选择驱动器磁体的节距角，以使永磁体的材料利用率(效率)最大化。因此，每个驱动器磁体沿着弧段延伸，相交角度至少为15°到36°之间，最好为约25°。

一旦确定了驱动器磁体的节距角，就可以选择磁体的高度，以调节驱动器转矩K_motor和轴向力F_z的性能。在这方面，每个驱动器磁体的厚度通常在0.8mm至3mm之间，并且更典型地为约2.6mm。在一个示例中，驱动器磁体的等级为BH_max＝48。

驱动器轭形状

提供了驱动器定子轭和转子驱动器轭，以确保相邻的驱动器磁体和驱动器定子极之间的磁链。由此，选择通常由软铁制成的转子驱动器轭和通常由软磁复合材料(SMC)(例如Somaloy)制成的驱动器定子轭，以使其具有足够的横截面积以提供足够的磁链，从而最大程度地减小各自的重量。复合磁轭的使用可能是有益的，因为烧结特性消除了创建叠片铁芯的需要，传统上需要叠片铁芯减少涡流损耗并提高效率。但是，将轴向磁通马达的芯叠层需要创建同心的“树”形环，这很难制造。在适当的情况下，轴承和马达的转子轭元件可以组合在一起，只要考虑到马达和轴承的组合饱和特性来选择组合厚度即可。

在一个示例中，驱动器定子和转子驱动器轭132.2、135的厚度分别在1mm至5mm之间，在1.5mm至2.5mm之间，更典型地在约1.75至1.9mm之间。转子驱动器轭可以是单独的元件，也可以与转子轴承轭结合使用。

驱动器定子槽深度

现在将分别参照图8A至图8C描述驱动器定子槽深度的影响的示例。

在这方面，增加驱动器定子槽的深度允许增加驱动器线圈131中的绕组的数量，而不会像增加槽的宽度那样相应地减小极面面积。因此，增加驱动器定子槽的深度可以增加驱动器转矩和效率，如在图8C中示出，而轴向力F_z不变。

应当指出的是，尽管由于通过定子的铁路径较长而导致磁路的磁阻(magneticresistance)增加，从而导致磁场通量链变小，但由于增加的铁长度的磁阻在比大气隙的磁阻小1000倍的范围内，所以这种影响可忽略不计。

如果驱动槽有效地填充了与之前相同直径的线圈，则将驱动器定子槽的深度加倍还会导致线圈电阻加倍，磁链也加倍。

因此，可以理解，增加驱动器定子槽的深度通常可以提高系统的性能。然而，这需要通过几何约束来平衡，尤其是希望最小化驱动器定子和泵的长度和重量。

因此，在一个示例中，上述的其他参数被优化，并选择了驱动器定子槽的深度，以确保获得所需的驱动器转矩和效率。在一个示例中，驱动器定子槽的深度选择在4mm至14mm之间，通常约为11.25mm。

从以上将认识到，几何形状变化的组合可以被结合以获得关于设计目的的初衷。尤其是，永久驱动器磁体几何形状的变化允许调整效率/力之比K_motor/F_z，并执行参数更改以减小驱动器定子和转子组件的体积/重量，同时确保满足效率和力的要求。

下表3中列出了不同参数的首选和可选范围的总结，具体值在图8F中进一步显示：

表3

变量ID	描述	范围	最佳	单位
					w<sub>s</sub>	驱动器定子槽宽度	4–7.4	6	mm
r<sub>o</sub>	驱动器定子芯的外半径	22–25	24.5	mm
					r<sub>i</sub>	驱动器定子铁芯的内半径	14–18	16	mm
h<sub>s</sub>	驱动器定子轴向槽深度	6.7–13.2	11.25	mm
					l<sub>gap</sub>	驱动器定子轴向磁隙长度	2.5–4	3.2+-运动	mm
h<sub>PM</sub>	驱动器磁体轴向厚度	0.8–3	2.6	mm
					h<sub>yoke,s</sub>，h<sub>yoke,r</sub>	驱动器和转子定子轭的轴向厚度	1–5	1.75	mm
a<sub>m</sub>	驱动器磁体节距	15–36	25	度
					K<sub>PM</sub>	磁体强度	N28H-N48H	N48H	-
N<sub>s</sub>	驱动器定子极数	12，15，18	12	--
					p	驱动器转子极数	8，10，14，16	10	--

这些参数变化允许驱动器系统的设计在几何约束范围内，并且驱动器系统可以在很大的磁隙上运行，同时仍然满足特定的轴向力要求并使效率最大化。

在一个示例中，这允许转子的第一面和腔体的第一端之间的间距至少为如下之一：在使用中在2mm至5mm之间，在使用中在2.0mm至3mm之间，并且在使用中大约为2.3mm(±叶轮的轴向移动)。类似的，这可以使定子磁极面和驱动器磁体面之间的间距在使用中至少为如下之一：在使用中在2.5mm至6mm之间，在使用中在2.5mm至4mm之间以及在使用中大约3.2mm(±叶轮的轴向移动)。替代地，这可以允许定子轭和驱动器磁体之间的间隔至少为如下之一：在使用中在7mm至25mm之间，在使用中在8mm至20mm之间以及在使用中约17.mm(±叶轮的轴向移动)，或在使用中定子极面与驱动器磁轭之间的间隔至少为4mm至8mm之间，在使用中在4.5mm至7mm之间，并且在使用中在约5.8mm(±叶轮的轴向运动)。

这是有利的，因为允许转子的第一面和腔体的第一端之间的间隔在使用中至少为2.3mm，这又允许将叶片安装在转子的第一面上，在转子的第一面与腔体的第一端之间，叶片的高度在1.5mm至5mm之间、在1.5mm至2.5mm之间、在1.8mm至2.2mm之间、和约2mm，从而避免了在叶片上安装护罩的需要，如前所述，同时在使用时允许叶轮轴向移动最大±0.3mm。

尽管将驱动器系统的磁隙最小化以提高效率是传统的设计理念，但是由于能够容纳的叶片高度明显更高，因此增加的磁隙在血泵的设计中可能是有利的。图8D示出较高的叶轮叶片可以减小压力-流量泵曲线的梯度的绝对值。该降低的泵梯度可以改善设备与循环系统的生理相互作用。如此，具有很大气隙的马达的设计可能对旋转式血泵设计有利。

尽管马达磁隙的增加会固有地降低设备的效率，但是通过操纵上述参数，可以创建一个马达，其马达常数与较小的气隙马达相似，如图8E所示。特别地，这可以通过在增加磁体体积和/或磁化等级方面增加永磁体强度来实现。

轴承设计

如前所述，转子利用来自驱动器和磁体轴承的磁力在轴向上达到平衡。为了最大程度地减少能耗，磁体轴承和驱动器被构成为使得，当转子在正常运行速度下的平衡点处提供，例如可以大约为在正常流动条件下腔体的中心时，由驱动器和轴承引起的轴向力基本平衡。

然后使用闭环反馈系统在轴向上主动悬浮转子，在该系统中，传感器160检测转子位置，控制器150确定将转子定位在所需设定点所需的磁体轴承电流。因此，驱动器吸引力、磁体轴承的被动吸引力和任何外部轴向力之间的差异通过磁体轴承的电磁力来平衡。驱动器和被动磁体轴承力匹配的点是平衡点b_z，它是根据外壳中的位置和反作用力b_F的大小来定义的。

根据泵的流量要求选择所需的设定点。在这方面，控制叶片和腔体壁之间的物理间隔可调节相应的叶轮的效率，因此可用于控制流量。如其他地方所述，在整个人工心脏(TAH)中，因此，可以通过移动叶轮来实现左右侧泵之间的相对流量控制。

在一个示例中，控制器150可以实现虚拟零功率控制器，该控制器试图移动转子，以将磁性轴承使用的平均电流控制到给定水平(例如0A)。在这种情况下，对于作用在转子上的给定外力，由控制器150引起的转子运动量由转子轴向被动力刚度(k_Fz)决定，具体如下：

其中：F_z是轴向力

对于全人造心脏的应用，应根据预期的液压力和所需的运动来选择由作用在转子上的液压力产生的VZP(虚拟零功率)运动，以平衡这些力并改善流量平衡。如此，有利的是，将系统部件设计成使得轴向被动力刚度与期望的液压力匹配。

两个吸引力相等的轴向位置是转子将以零稳态电流和零外力平衡的点。图9A示出了一个例子。

尤其是，在该示例中，当转子居中时(转子位置0)，驱动器吸引力和轴承吸引力等于24.5N。如果转子向左移动，朝向驱动器方向移动，则驱动器吸引力增大，而轴承吸引力减小，从而导致朝向驱动器的净力增加。如果转子向右移动，则情况相反。应当理解，通过使用主动磁性轴承来抵消驱动力和轴承力的差异，可以控制这种固有的不稳定性。

力差(k_Fz[N/mm])的梯度由驱动器轴向力刚度(k_F,MTR,z)和磁性轴承轴向力刚度(k_F,MB,z)组成，如图9B中示出。其中驱动器轴向力是F_MTR,z，并且磁性轴承轴向力是F_MB,z。

对于给定的外部轴向力(N)的变化，总力刚度k_Fz的大小决定了转子的轴向运动(dz)。

k_Fz的值应当被设计成能够实现所需的轴向运动，以改变由作用在转子上的压力引起的外力变化。

除了考虑轴向刚度外，还必须考虑轴承的径向刚度。在这方面，在现有技术的配置中，转子通常通过使用径向轴承(例如流体动力轴颈轴承)沿径向悬浮。然而，这种配置依赖于在转子和腔体侧壁之间保持最小的间隔，这又导致了高剪切应力的区域，这又可能导致溶血和血液中其他形成元件的破坏。因此，期望提供替代的径向悬浮机构。

固有地，驱动器和磁性轴承的被动磁力对径向运动产生一定程度的限制，从而使转子至少部分地悬浮在径向方向上。径向回复力通常以径向力刚度来衡量，并且径向回复力的分布示例如图9C所示。

泵在径向向下接触之前可以承受的最大静态外部径向力是最大径向运动时的最大径向力。如此，有利的是增加磁性轴承和转子之间的被动径向回复力，从而轴承和驱动器可以提供所需程度的径向悬浮。

此外，系统的径向刚度以及阻尼和转子质量都会影响转子的振动响应，尤其是接近共振频率的情况。由于转子的径向运动是被动控制的，因此在选择径向刚度时应考虑到径向共振频率与设备预期运行速度范围之间的关系。由于摄取异物会增加转子的不平衡度，因此转子可能会在轴向和/或径向在旋转频率受到强制激励。接近径向共振的设备速度运行会在转子径向位置产生振动，如果没有足够的阻尼，则可能导致转子旋转并影响轴向磁性轴承系统的性能。低于此共振频率的转子运行被称为亚临界，而高于此转速的速度被称为超临界。

在运行速度范围捕获与径向共振频率一致的速度的情况下，可以增加径向刚度或减小转子质量，从而随后将径向共振频率提高到高于运行速度范围。相反，可以降低径向刚度或增加质量，以将径向共振频率降低到速度运行范围以下，但是后一种方法通常会导致径向力容量降低，并给轴向磁性轴承系统带来额外的质量。这样，在诸如此类的应用中，增加径向刚度直到径向共振频率高于工作速度范围是有利的。

因此，将认识到，以上导致对磁性轴承和驱动器的特定要求。

尤其是，对于给定的液压系统和泵配置，可能需要具有给定的轴向刚度k_Fz和平衡力b_F的平衡位置b_z。总刚度值是磁性轴承刚度和驱动器刚度的总和，并且磁性轴承和驱动器必须在平衡点b_z上产生相同的力。

除了满足以上要求，最大化轴承轴向效率(N/W^0.5)和驱动器马达常数(Nm/W^0.5)是有利的。

还应当理解，为了对于给定的轴向力大小最大化轴向运动的程度，期望的是具有低轴向刚度的磁性轴承。然而，为了提供高的被动径向悬浮力容量并确保径向共振频率足够高，期望具有高的径向刚度。

尽管可以简单地通过调整(例如增加)轴承和转子的相对间距来满足平衡要求，但这会降低效率，并降低径向刚度。

考虑到上述因素，将理解的是，如前所述，期望配置驱动器以使其具有所需的刚度和力平衡点，同时使效率最大化。然后必须设计磁性轴承，以提供所需的刚度和力平衡点，同时使效率和径向刚度最大化。现在将进一步详细描述该过程。

力刚度

轴向刚度是指定子和靶之间轴向间距变化时力的变化。单位为N/mm。可以用数学式表示为

径向刚度是径向对准变化(同时轴向间距保持恒定)时定子和靶之间力的变化。可以用数学式表示为

磁通量以及因此的磁力的来源可以是永磁体或电磁线圈中的任一个或两者。

磁阻/磁阻刚度

磁阻是电阻的磁性模拟。磁通流动的路径以及该路径中材料的磁导率决定了电路的磁阻。磁阻的SI单位是亨利，H^-1。传统上，它具有脚本R的符号

诸如铁之类的材料具有很高的磁导率，当它们用于磁通路径时(例如在定子中)，很容易使磁通流过它们。磁通回路中的气隙由于其低磁导率而倾向于增加磁阻。例如，当定子和靶之间的气隙增加时(也许当靶移动时)，电路的磁阻增加。

磁路的磁阻较高意味着在相同的磁动势下，较少的磁通量将流动(MMF是电气系统中电压的模拟物)。

对应定子和靶之间相对位置变化的磁阻变化可以根据刚度来定义。可以根据运动轴，即对应沿x轴的位置变化的磁阻变化，将刚度写为

或

力/磁阻

对应位置变化的力(力刚度)取决于对应位置变化的回路中磁通量的变化。由于磁阻刚度是通量流动的难易程度的度量，因此这些量本质上是相关的。

因此，力刚度是磁阻刚度的函数。

要使力刚度最大化，则意味着磁阻刚度也要最大化，反之亦然。

在一个实施例中，心脏泵被构造成具有至少下列之一的轴向系统刚度：至少10N/mm；至少20N/mm；至少30N/mm；至少60N/mm；至少50N/mm；约10-60N/mm；约25-50N/mm；约30-40N/mm；以及，约35-40N/mm.

刚度比

刚度比可以定义为在一个轴上的刚度与另一个轴上(例如在径向与轴向上)的刚度之间的比率。

通过改变轴承的永磁强度可以增加或减小总力。然而，力的相对变化将遵循刚度比。因此，如果新设计具有较高的刚度比，则可以与以前的系统的径向刚度值相匹配，但轴向刚度较低。

可以通过增加给定径向运动的磁阻变化量来实现增加刚度比。这主要是通过设计高渗透性的材料(铁)来实现的，这样，当两个物体相互相对移动时，它们会改变磁通路径。

现在将参照图10A至10D描述其示例。

在图10A和10B的示例中，对应于转子的径向运动，使两个磁性部件，例如具有平坦的宽轮廓的轴承定子腿142.1和轴承磁体144横向移动。在该示例中，由于磁性部件的重叠径向运动不会显著改变磁通路径，因此即使执行了径向运动，磁通也有类似的路径通过，因此磁阻保持不变。

相反，在图10C和10D的配置中，磁性部件终止于尖端。在该示例中，径向运动的确会由于气隙的增加而显著改变磁通路径。因此，当零件相对于彼此横向移动时(对应于叶轮的径向位移)，磁阻增加，因此提供了回复力。

要考虑的另一种类比是静电类比，在这种类比中，磁体表面上存在恒定的“磁荷”，会产生磁场，并且当磁极尖端暴露于这些磁场时，在那些尖端上感应出的磁荷具有与磁体相应表面上的电荷相反的极性。重要的是，磁体表面上的电荷不会改变，而磁极尖端上的感应电荷却能流动并且可以在磁极表面周围移动，从而将磁场的总能量降至最低。

通过限制磁极的径向宽度，可以限制这些感应电荷在磁极表面上移动的自由度，这意味着它们只能随磁极一起移动，因此，迫使整个磁极移动到总磁能较低的位置。换句话说，施加在感应电荷上的力实际上传递到了磁极上，而不是简单地导致磁极内电荷重新分布。另外，使用渐缩的磁极会导致磁极区域中的电荷密度更高，在这些区域中，他们会产生径向力。

因此，应当理解，窄的尖端导致径向刚度的增加。

轴承结构

因此，应当理解，在上述的心脏泵中，磁性轴承140被构造成在轴向方向上提供主动控制而在径向方向上提供被动稳定性。

磁性轴承和转子之间的轴向力刚度由于作用在转子上的外部液压力而影响转子的相对运动。降低轴向力刚度通常通过允许转子针对由循环阻力和压力变化引起的给定液压力变化进一步运动来改善零功率控制器的操作。然而，备用的液压轴承系统的力的要求或零功率控制器的要求可决定轴向刚度的下限，以限制转子在预期的外部轴向力下的运动。

当转子受到外力(例如，由于叶轮圆周周围的蜗壳式收集器内压力恢复不平衡而产生的液压力，质量不平衡的转子旋转产生的同步力，或患者日常运动引起的冲击力)作用时，磁性轴承和转子之间的径向力刚度用于使转子在径向上稳定。由于转子的径向稳定性取决于磁性轴承系统的径向刚度，因此增加径向刚度可以改善设备的稳定性，并可以提高在径向触地之前可以承受的最大静力和/或冲击力。较高的径向刚度还可以确保径向共振足够高，以使转子在其整个速度范围内处于亚临界状态。

为了改善系统性能，磁性轴承应使径向刚度最大化，同时使轴向刚度最小。因此，磁性轴承被设计为最大化径向轴向刚度比。

在一个示例中，这可以确保在相对于转子的径向上，全部或部分轴承定子腿142.1，142.2比磁性轴承构件144，145窄。这可以通过使整个定子腿变窄或将渐缩的相邻气隙引入到转子中的磁性材料144，145和轴承定制142的轴承定子腿142.1，142.2形成的磁路中来实现。

现在将参考图11A至11D描述其示例。

在图11A和11B的示例中，轴承定子腿142.1，142.2和磁性轴承构件144，145(在这种情况下是永磁体)不包含渐缩部。因此，如图11B所示，当转子径向运动时，磁阻变化很小，因此径向刚度最小。

不同地，图11C和11D的配置中，轴承定子142的每个轴承定子腿142.1，142.2在靠近轴承定子腿的一端向内渐缩，从而在气隙附近形成了截顶的尖端。因此，图11D中示出的转子的径向运动会引起磁阻的变化，从而引起回复力，从而使径向刚度增加。

渐缩部可以朝向磁性轴承构件的中心线，并且通常构造成使得随着转子从中心径向位置径向偏移，来自单个轴承的径向回复力增大。

因此，选择轴承定子腿142.1，142.2或磁性轴承材料144，145的几何形状，使得磁通路径随径向运动而显著变化，可以增加磁性轴承的径向刚度。

图12A至12D中示出了图11A至11D的配置的轴向和径向刚度之间的比较的示例。

在图12A和12B的示例中，两种设计的径向刚度和轴向气隙相匹配，使得图11A的直线轴承定子腿配置具有更大的轴向刚度，因此刚度比也更低。示例属性汇总在下表4中。表4的右栏中示出了高刚度和高平衡力轴承设计的示例。

表4

在图12C和12D的示例中，通过分析针对特定轴向气隙的两种设计来匹配轴承产生的轴向平衡力，从而使图11C的渐缩的轴承定子腿配置具有更大的径向刚度，从而具有更高的刚度比。示例属性汇总在下表5中。轴向平衡力的这种等效可以在装置中通过使轴承轴向位置相对于彼此偏移或通过改变永磁材料的强度或体积来实现。表5的右栏中介绍了高刚度和高平衡力轴承设计的示例。

表5

	渐缩的轴承定子腿	直线轴承定子腿	高刚度定子设计
				气隙	1.06mm	1.38mm	1.3mm
在气隙的平衡力	14N	14N	24.5N
				磁性轴承的轴向刚度	14.5N/mm	14.3N/mm	20.3N/mm
磁性轴承的径向刚度	2N/mm	1.41N/mm	4N/mm
				比例	13.8％	10％	19％

如图13所示，可以通过渐缩轴承定子腿142.1，142.2的尖端来实现刚度比(径向刚度和轴向刚度之比)的增加，这表明随着磁极宽度减小刚度比大约呈线性增加。

渐缩也可以通过其他机制来实现。例如，可以实现磁体的渐缩化，这在磁体的制造方面趋于困难，并不是特别有效。然而，可替代地，可以通过用软铁形成材料或者在永磁体144上放置极靴144.1来实现转子内轴承磁性材料的渐缩化，如图14所示。

从上面可以理解，可以使用轴承定子和磁性材料的各种不同结构，并且这些结构将导致不同的刚度比。图15A至15F中示出了许多示例。

在图15A的示例中，转子中的轴承磁性材料144，145包含安装在公共轴承转子轭146上的两个磁体，而轴承定子142包含终止于平坦端部的轴承定子腿142.1，142.2，形成|Kr/Kz|＝5.3％的刚度比。

在图15B的示例中，转子中的轴承磁性材料144，145包含两个磁体，其安装在公共轴承转子轭146上，而轴承定子142包含终止于渐缩的尖端的轴承定子腿142.1，142.2，形成|Kr/Kz|＝12.9％的刚度比。

在图15C的示例中，转子中的轴承磁性材料144，145包含与公共轴承转子轭146整体形成的软铁，而轴承定子142包含端接于永磁体的轴承定子腿142.1，142.2，形成|Kr/Kz|＝5.4％的刚度比。

在图15D的一个例子中，轴承磁性材料144包含永磁体，磁性材料145是软铁，与公用轴承转子轭146整体形成，而轴承定子142包含终止于平端的轴承定子腿142.1和安装在第二轴承定子腿142.2的一端的永磁体，形成|Kr/Kz|＝6.6％的刚度比。

在图15E的示例中，磁性材料145和第二轴承定子腿142.2包含永磁体，而第一磁性材料和定子轴承定子腿142.1终止于平端，形成|Kr/Kz|＝15.5％的刚度比。

在图15F的示例中，轴承磁性材料145包含与在第二轴承定子腿142.2上的渐缩的尖端相对的磁体，而第一磁性材料和轴承定子腿142.1终止于平端，导致|Kr/Kz|＝11.0％的刚度比。

图15E的配置提供了最高的刚度比，这种配置产生的轴向力约为40N，这太高了无法通过驱动器平衡被动力。因此，该配置不能在实践中使用。然而，图15B和15F的替代实施例提供足够高的刚度比和可接受的轴向力。

图15B和15F的配置在可以使用的传感器160方面具有不同的益处。

图15C、15D和15E的配置将永磁体直接放置在磁性定子上，这可能会带来制造挑战以及线圈局部加热的可能性，这可能会损害磁体的性能。

在这方面，图15B的配置与图2G至2I所示的涡流传感器160一起使用，其包含三个传感器，每个传感器具有安装在外壳163中的线圈，在圆周方向上间隔开并与磁性轴承定子142的内部轴承定子腿142.2对准。线圈与转子表面垂直对准并产生磁场，而磁场在又作为转子121一部分的导电靶中感应出涡流。涡流会在磁场中产生变化，该变化是磁场、材料特性和目标位置的函数。作为结果，可以使用场变化的测量来确定传感器160与靶之间的距离，从而确定与转子121之间的距离。在一个示例中，靶是由金属表面形成的，该金属表面包裹了转子，从而提供了生物惰性的气密屏障，尽管这不是必须的，并且或者可以将导电靶嵌入到转子中。

泵壳还通常包含阻隔层材料，该阻隔层材料设计成在泵腔体内的血液与磁性轴承和马达元件之间提供气密性阻隔层，并且在生物学上也适合与血液连续接触。通常通过使用金属、陶瓷或其他合适的材料来实现。在涡流传感器附近使用非导电和非磁性的阻隔层材料(例如陶瓷)允许来自传感器的磁场穿过壳体阻隔层并与转子中的靶相互作用。然而，在涡流位置传感器附近使用导电金属阻隔层材料可以减小穿透阻隔层材料并与靶材料相互作用的场，从而降低传感器对靶以及转子运动的敏感性。在使用导电阻隔层材料的情况下，阻隔层和转子靶的设计会极大地影响材料中涡流的相对产生，因此会影响传感器对靶运动的敏感性。高灵敏度的传感器可减少引入系统的噪声，从而减少主动式磁性轴承系统的功耗，并改善悬浮性能。

此外，如果将靶材料设计为使传感器磁场可以穿透靶，则必须注意靶后面材料的设计和电导率，因为它们可能会错误地影响传感器信号。例如，如果传感器磁场可以穿透转子的靶材料，则它可能与位于其后方的磁性轴承构件相互作用。由于磁性轴承构件形成在径向方向上不均匀的靶，因此可能导致传感器错误地将转子的径向运动检测为轴向位移。这样，应该尽可能地设计靶，以使传感器磁场穿过靶的穿透最小化。

因此，应当理解，通过适当地选择材料以及阻隔层和靶元件的设计以及传感器线圈的设计和激励频率，可以提高传感器系统对轴向目标运动的灵敏度，同时降低对径向运动的灵敏度，如现在将要描述的。

在一个示例中，靶的电导率被最大化以促进在该材料中产生涡流并使靶材料内的磁场趋肤深度最小化。最小化在靶内产生的涡流的趋肤深度，以使趋肤深度小于靶厚度，从而确保传感器场包含在靶内，并且不会明显穿透位于靶上方的材料(这可能是信号错误变化的原因)。这可以通过使用电导率相对较高的靶材料(例如商业纯Ti(1.276x10⁶Siemens/m)来实现，该靶材料的案子电导率要比阻隔层材料还要高，并且要通过使靶材料的厚度最大来实现。商业纯钛在1MHz、0.75MHz和0.5MHz时的趋肤深度分别约为0.45mm、0.52mm和0.63mm。靶材料的厚度通常在0.3毫米至1毫米之间，并且更通常约为0.6毫米。增大阻隔层的厚度也会增加磁性轴承定子的工作轴向气隙，从而降低其性能。

通常将阻隔层材料的电导率最小化，以减少该材料中涡流的产生，并使该材料内产生的涡流的趋肤深度最大。为了使阻隔层材料被传感器场充分穿透，应确保在阻隔层材料中产生的涡流的趋肤深度大于阻隔层材料厚度的至少两倍，但最好为3倍或更多倍。这可以通过使用电导率相对较低的材料(例如钛合金TiAlV(5.800x10⁵ Siemens/m))以及减小靶材料的厚度，同时仍提供足够的阻隔性和结构强度来实现。TiAlV钛在1MHz、0.75MHz和0.5MHz时的趋肤深度分别约为0.66mm、0.76mm和0.94mm。阻隔层材料的厚度通常在0.1mm至0.5mm之间，并且更典型地约为0.3mm。

在一个示例中，可以选择一个激励频率，以确保阻隔层材料中的涡流趋肤深度至少大于阻隔层厚度的两倍以允许穿透，而减小靶材料中涡流的趋肤深度，使其等于或小于靶厚度。可以选择一个最佳频率，以便在靶厚度和材料以及势垒厚度和材料之间进行权衡，从而获得最大的原始信号强度。在一个示例中，线圈激励频率在0.2MHz至2MHz之间，更典型的是大约1MHz。较高的频率可以减小阻隔层材料中的涡流趋肤深度，从而使磁场无法充分穿透到靶中，而较低的频率不能在靶材料中产生足够的涡流，从而降低了信号对转子轴向运动的敏感性。

还应考虑传感器的径向位置，以使转子在其径向范围内的径向运动不会改变靶的形状或材料特性。传感器应放置在距靶材料的边缘或特征足够远的位置，以使转子的径向移动不会将那些元件引入传感器磁场。例如，对于内半径为12.5mm且外半径为25mm的环形靶和将靶作为目标的直径为6.2mm且位于18.75mm的径向位置的传感器探针，靶可以在任一方向上径向移动2mm，而不会使探针的径向边缘到达靶的径向边缘约1.25mm内或探针直径的20％的范围内。与较小的探针相比，直径较大的探针在检测轴向距离较大的靶时(例如在该应用中在叶轮在靠近腔体左端的位置时)可以提高灵敏度。调整探针的尺寸以使其成为用于可用靶宽度的最大直径，可以提供系统的最佳灵敏度，尤其是在较大的轴向间距处。这尤其适用于利用单面检测而非差分传感器拓扑的传感器系统。

传感器头设计通常配置为创建可穿透阻隔层材料的体积磁场，同时也在最大靶轴向位置与靶材料相互作用。为此，传感器头的直径通常在2mm至7mm之间，更通常为大约6.2mm，而传感器头的高度在0.2mm至1.5mm之间，更通常为大约0.6mm。传感器线圈通常具有25至300匝，更通常约为50匝。

下表6中列出了用于涡流感测的示例参数。

表6

变量ID	描述	范围	最佳	单位
					h<sub>target</sub>	靶材料厚度	0.2-0.6	0.6	mm
h<sub>barrier</sub>	阻隔层材料的厚度	0.1-0.3	0.3	mm
					σ<sub>target</sub>	靶材料的电导率	5.800E+05-2.239E+07	1.276E+06	Siemens/m
σ<sub>barrier</sub>	阻隔层材料的电导率	0-1.276E+06	5.800E+05	Siemens/m
					f<sub>exc</sub>	传感器激励频率	0.2-2	1	MHz
d<sub>coil，o</sub>	传感器线圈的外直径	2-7	6.2	mm
					c<sub>oil，o</sub>	传感器线圈的高度	0.2-1.5	0.6	mm
N<sub>coil</sub>	传感器线圈匝数	25-300	50	匝

这些参数的变化使涡流传感器系统的设计能够在满足转子和外壳的制造、组装和生物学要求的同时运行。

相反，在图15F的配置中，第一轴承材料由软铁材料形成，其可以更适合于其他感测配置，例如磁阻传感器等。

磁阻传感器的一个优点是它们能够以明显低于涡流位置传感器的激励频率工作。在较低的激励频率下运行意味着在套管阻隔层材料和转子导电材料中产生的涡流更少，从而减小了它们对传感器性能的影响，从而在系统设计和材料方面具有更大的灵活性。在较高频率下运行的传感器需要专用电缆，例如同轴电缆，以在传感器电子设备和传感器本身之间提供稳定的导体阻抗。在较低的频率下运行可以使用更简单的双绞线连接，该连接可以比同轴电缆更小，并且更耐环境影响。较低频率的操作可以简化激励信号的生成以及包含位置信息的所得信号的信号处理。

如果传感器设计为在高频下运行，则可能需要同轴电缆将传感器头与电子设备连接。已知同轴电缆和连接件具有在不利的身体环境中受到干扰以及患者活动期间的外部影响的缺点，特别是由于呼吸等导致的弯曲挠曲。为了减轻同轴电缆干扰的问题，传感器的电子元件的一部分或全部可以包含在泵中。因此，可以将已调节的模拟或数字信号从设备传输到外部控制器，该控制器具有更高的抗干扰阈值。然而，如果这些植入的电子设备出现故障，则电磁性轴承系统将停止运行，并且该设备将在液压力备用轴承上继续运行。但是，为了在这种情况下恢复磁性轴承功能，则需要更换整个设备，而不仅仅是外部控制箱。

然而，应当理解，图15B的配置导致较高的刚度比，在这种情况下涡流感测是可以优选使用的。

同样如上所述，渐缩是一种在轴承定子腿142.1、142.2与磁性轴承构件144、145之间实现宽度差的机制，这不是必需的，或者，可以选择轴承定子腿142.1、142.2中的一个或两个相对于磁性轴承构件144、145在轴承定子腿142.1、144.2的整个长度上渐缩。然而，通常优选使用渐缩部，因为这会使磁性轴承部件144、145的磁极面渐缩，同时又不影响定子腿中的磁通饱和度，这是由于定子腿之间的磁链/泄漏引起的，从而减少了整体物理尺寸，这在心脏泵应用中很重要。

轴承最大力

可以产生的最大力确定为轴承定子材料被磁通量饱和时获得的最大力。

因为在直线轴承定子腿的脚部中的磁通密度通常低于定子其他部分的磁通密度(由于上部区域中轴承定子腿之间的泄漏)，轴承定子腿的脚部/尖端渐缩不会显著减小可产生的最大力。

轴承效率

磁性轴承的效率取决于填充线圈的面积。为了最大限度地提高磁性轴承的效率，应使用物理限制允许的最高磁性轴承。

下表7概述了图16A和16B中所示参数的轴承参数示例：

表7

因此，从上面将认识到，可以通过轴承中的磁路元件的设计来控制径向刚度与轴向刚度的比率。尤其是在气隙附近渐缩的高渗透性材料可以用来增加刚度比，而永磁体的位置和几何形状可以用来影响刚度比和轴承产生的被动轴向力。如果这些变化增加了径向运动的磁阻的变化和/或减小了轴向运动的磁阻的变化，则可以通过这些变化来改善刚度比。

图9B示出了马达和磁性轴承吸引力之间的净力差。在该示例中的轴向系统刚度在平衡点为37N/mm。在实践中，心脏泵通常具有的轴向系统刚度至少为如下之一：至少10N/mm、至少20N/mm、至少30N/mm、少于60N/mm、少于50N/mm、约10-60N/mm、约25-50N/mm、约15-25N/mm、约30-40N/mm和约35-40N/mm。在该示例中，几乎所有的径向系统刚度都是由轴承的径向刚度产生的，而马达系统的贡献却很小，但是在其他配置中，马达会有更大、更重要的贡献。心脏泵径向系统刚度至少为如下之一：0.5N/mm至11N/mm，0.5N/mm至1.5N/mm，1.5N/mm至3.0N/mm，3N/mm至6N/mm和介于6N/mm和11N/mm之间。

组合轭

在上面的示例中，转子驱动器轭135和转子轴承轭146被标识为单独的元件。然而，实际上，转子驱动器轭135和轴承轭146可组合成单个整体式环形元件。组合的转子驱动器和轴承轭的厚度、设计和材料可以从其独立的独立设计中进行修改，以提高组合系统的性能。

例如，当转子驱动器和轴承轭135、146在物理上充分磁分离时，马达和磁性轴承系统产生的力分别作用在转子轭元件上，需要将转子驱动器和轴承轭135、146机械连接，以传递力并平衡力。转子驱动器和轴承轭135、146的组合将两个磁性系统之间的力连接在一起，从而简化了转子的设计。单个转子驱动器和轴承轭的组合制造和组装可以减少公差叠加，从而改善转子的平衡和悬浮性能。通过组合磁轭的设计，例如厚度和材料的选择，可以使通过组合的转子驱动器装置和轴承轭的马达与磁性轴承磁通之间的交叉耦合最小化。

高纯铁由于其高的磁通饱和度而经常用于转子驱动器和轴承轭135、146的构造中。其他材料，例如钴铁钒合金(Hiperco 50A)可以提供更高的磁通饱和度，因此特别适用于此应用，因为它们可以减少转子磁轭中所需的材料量，因此可以减少转子的厚度和整个设备的厚度。对于恒定直径的这种高度减小还可以改善转子的动力。组合的转子驱动器和轴承轭可由多种不同的材料制成，这些材料具有不同的磁性能，以形成具有不均匀磁导率的轭。具有低磁饱和度的材料可以在组合的转子驱动器和轴承轭中使用，以通过增加磁阻对两侧之间流动的磁通量的路径来最小化两个磁系统之间的交叉耦合。

在线传感器再校准

磁性轴承致动器在各种轴向气隙下的已知力特性可用于验证转子的轴向位置。在给定的低频下，磁性轴承致动器电流的小正弦扰动将在转子中产生运动，该运动是电流刚度和轴向位置刚度的函数。准确了解电流和轴向位置刚度的变化与气隙的关系，可以根据所测得的扰动响应估算气隙。由于扰动很小，因此可以在设备运行时进行此测量。可以将通过在线摄动方法获得的有关气隙的信息与从位置传感器接收到的位置数据进行比较，以确保由于磁悬浮轴承系统的变化(例如传感器校准或永磁体强度)而导致系统性能没有变化。

上述配置可以在多种情况下和在不同的泵构造中使用。例如，下面的情况可以使用此功能：当使用一台或两台泵提供帮助或更换左或右心室时；包含在TAH中，当两个旋转泵可以完全替代天然心脏时；在LVAD/RVAD中，当使用单个旋转泵为左心室或右心室提供帮助时；或者在BiVAD中，当两个旋转泵为左心室和右心室提供帮助时。

现在将参照图17A至图17F描述单个VAD心脏泵的示例。

在该示例中，心脏泵1700包含限定腔体1715的外壳1710。外壳可以是任何合适的形式，但是通常包含主体以及连接到主体的左右端盖。外壳可以由任何合适的生物相容性材料制成，并且可以由钛、聚合物等制成。

外壳1710包含入口1711和出口1712，入口1711用于连接到左心房/肺静脉或右心房/静脉腔，或左心室或右心室，出口1712用于连接到主动脉或肺动脉。

心脏泵1700包含设置在腔体1715内的叶轮1720。叶轮1720包含转子1721，其上安装有叶片，用于在叶轮1720旋转时将流体从入口1711推向出口1712。在该示例中，由于心脏泵1700是单个心室辅助设备，因此叶轮包括用于将流体从入口1711推向出口1712的单组叶片1722。在该示例中，叶片1722具有特定的构造，但是应当理解，可以使用其他合适的叶片构造。叶轮还可包括穿过其延伸的孔1724，以允许血液在叶轮的后表面周围流动，从而防止心脏泵内血液的停滞和凝结。此外，在该区域使用磁性轴承可以使血间隙超过200-300μm，这不仅可以减少剪切应力，从而减少红细胞的溶解，而且可以提高冲刷流的速度，这比所预期的在流体动力轴承产生的间隙中的速度要高。

心脏泵1700还包含驱动器1730，该驱动器使叶轮1720在腔体1715内旋转。驱动器1730可以是任何合适的形式，但是通常包含多个线圈1731，每个线圈缠绕在相应的定子1732上，并由安装件1733支承，从而使驱动器1730可以联接到外壳1710。该驱动器与安装在转子1721中的磁性材料1734协作，其中磁性材料为配置在转子1721的外周边缘附近的多个周向间隔的永久驱动器磁体的形式。在一个示例中，线圈1731和定子1732是楔形的并且围绕安装件1733在圆周上间隔开，以便提供与转子1721中的驱动器磁体1734轴向对准的十二个电磁体，从而最大化转子1721中的磁体和驱动器1730之间的磁耦合程度。

心脏泵1700还可包括磁性轴承1740，该磁性轴承1740包含至少一个轴承线圈1741，该轴承线圈1741控制叶轮在腔体1715内的轴向位置。在一个特定的例子中，在图17E中更详细地示出，磁性轴承包含三个轴承线圈1741，每个轴承线圈安装在相应的U形定子1742的第一臂1742.1上，第二臂1742.2位于第一臂1742.1的径向内侧。定子1742被安装到支架1743或与支架1743一体形成，并且围绕外壳在圆周方向上间隔开170°，以便第一臂1742.1和第二臂1742.2与相应的磁性材料(例如叶轮1720内的轴承磁体1744，1745)对准，从而可以控制叶轮1720的轴向位置。

在一个特定的示例中，轴承转子组件包含：铁磁芯靶1744，其安装在转子中，靠近转子1721的外周边缘，以及永磁性轴承或铁磁材料1745，其沿径向安装在第一铁磁芯靶1744的内侧，从而铁磁芯靶和轴承磁铁1744、1745分别与定子1742的各臂1742.1、1742.2对准。可以用第二永磁体代替铁磁芯靶。然而，可能不需要使用磁性轴承，而可以用静态物理轴承或流体动力轴承等代替。

在该示例中，如图17B所示，驱动器1730和磁性轴承1740安装在外壳1710的相对端，从而驱动器和轴承1730、1740被设置在转子1721的相对表面附近。在当前示例中，驱动器1730邻近叶轮1720的包括叶片的侧面安装，以使转子、叶片和外壳之间的血液间隙最大化。也就是说，只有叶片尖端更靠近外壳，而该血间隙仍可以在200-300μm的数量级。另外，轴承和驱动器被配置成使得驱动器1730和叶轮1720之间以及磁性轴承1740和叶轮1720之间的固有磁力以及叶轮1720上的液压力在正常流动条件下在腔体内限定平衡位置。这最小化了在标称流动条件下将叶轮1720保持在腔体内的位置所需的轴承功率。

应当理解，在先前的示例中，该设备可以进一步包括控制器，并且其他方面的功能如前所述，因此将不进行进一步详细描述。

另外，上述配置可用于具有不同轴承类型的一个或多个组合的泵，例如，接触轴承、被动磁性轴承和流体动力轴承。这些轴承类型中的每一种都对其工作有轴向力的要求，并且可以从上述设计概念中受益。

心脏泵可以与控制器和控制过程配合使用，该控制过程使用主动磁性轴承和零功率控制器，该控制器响应磁性轴承电流的变化来控制转子的位置，或者使用基于叶轮位置的速度控制，例如，响应于流量/轴承操作中的扰动，以提供对流量的附加控制程度。

例如，可以将上述心脏泵配置为在轴向主动磁性轴承出现故障时使用回落式流体动力轴承运行，现在将参考图18A至18C对此示例进行详细说明。

尤其是，图18A至18C示出了由外壳1810限定的叶轮腔体1811，其中叶轮1820定位在其中。在腔体的左端1811.1处，与左端壁1810.1相邻地设置驱动器1830，而在腔体的右端1811.2上，在与右端壁1810.2相邻的位置上，设置有磁性轴承1840，在一个示例中该腔体的长度约为600μm。因此，应当理解，该配置通常类似于以上参考图1A至3D所描述的配置。应当注意，术语腔体的左端和右端是指在附图中定向的左和右，但也指泵的相应功能，腔体的左侧用于提供左心室功能，腔体的右侧起到提供右心室功能的作用。

可以将腔体划分为多个区域，包括正常工作区域1881，左右缓冲区域1882、1883和左右末端区域1884、1885。

图18A中示出了与虚线1887一致的在没有液压力的情况下的最小功率平衡位置。在该位置，在没有液压力的情况下，驱动力和轴承的吸引力平衡，使得仅需要少量的轴承电流即可平衡较小的干扰力并将叶轮1820保持在平衡位置1887。

实际上，在腔体中存在液压力的正常工作条件下，叶轮1820设置在腔体1886的几何中心附近，通常在工作范围区域1881内。在这种情况下，驱动器和轴承的吸引力以及液压力一起达到平衡，因此在理论上不需要轴承电流来将叶轮1820保持在平衡位置1886。

然而，应当理解，叶轮1820将根据特定的液压力在腔体内向左或向右移动，在正常情况下，该运动通常被限制在工作区域1881内。

在发生磁体轴承故障的情况下，叶轮1820通常将分别由于驱动器1830或轴承1840的磁性吸引而被吸引到腔体1811的左端1811.1或右端1811.2，这取决于各种因素，例如叶轮1820的位置和故障时的主要液压条件。

在如图18C所示的情况中，如果叶轮被吸引到腔体左端1811.1，则通过叶轮1820的适当构造，叶轮叶片的上表面可以用作流体动力轴承，从而允许叶轮1820继续旋转而不会物理地接合外壳1810。在这方面，流体动力轴承是由于左叶轮叶片的上表面与左端壁1810.1之间形成薄的流体膜而产生的，这是由于叶轮叶片具有足够大的表面积和倾斜表面而引起流体积聚在叶片表面和左端壁1810.1之间。

图19A至19C显示了叶轮用作流体动力轴承的配置示例。

在该示例中，叶轮包括转子1920，转子1920上安装有多个叶片1921。在该示例中，显示了六个叶片，尽管实际上可以使用三个以上的任何叶片，通常可以使用小于10个的叶片。

每个叶片1921包含斜坡1921.1和垫1922.2。斜坡倾斜，使得当叶轮沿箭头1900的方向旋转时，一些流体沿斜坡被引导，如箭头1901所示，以在叶轮叶片和端壁1810.1之间流动，从而产生了流体动力轴承效应。垫1921.2形成为平行于端壁1810.1的平坦部段，其起到提供流动阻力并减少通过斜坡1921.1的泄漏的作用，从而放大了流体动力轴承效果。斜坡长度L_R与垫长度L_p之比应当在0.1到0.3之间，通常为0.2。

如图19C所示，有七个主要参数决定了最佳的流体动力轴承设计，其中显示了三种不同的设计。这些参数包含叶轮叶片R_I的内半径、垫R_O的外半径、平垫R_P的内半径、平垫L_P的长度、坡道的高度、坡道L_R的长度、垫的数量和介质的表面速度。

在一个示例中，垫的外半径取决于叶轮直径，并固定在25mm。平垫的内半径、叶片的总长度、表面速度和垫的数量是根据流体动轴承力所要求的升力来确定的，而叶片的内半径会影响左叶轮的血流动力学，因为它与右叶轮一起用作TAH泵。

最终设计参数是平垫与斜坡的长度比(10-30％)和平垫前缘相对于径向中心线与叶轮中心的角度(0-10deg)，这会将平垫的内半径更改为18-20mm。

在图19C所示的示例中，设计之间变化的主要参数是平垫前缘的角度，这反过来允许将更多的平垫用作流体动力轴承，从而增加了力的产生，但没有使用叶轮叶片的整个长度，这会产生额外的剪切力，但由于在该内半径处的斜坡/垫区域的长度较短，因此不会在内径处增加力能力。

在一个示例中，所述平垫的内半径为16mm至22mm之间且在18mm至20mm之间的至少其中之一，其长度至少为以下之一：1mm至5mm；2mm至4mm；以及，大约3mm；斜坡的长度至少为以下之一：在5mm至15mm之间；在8mm至12mm之间；以及，大约10mm并且高度至少在以下之一：在0.02mm至0.1mm之间；在0.04mm至0.08mm之间；以及，约0.06mm。叶片通常具有10mm至20mm之间，12mm至18mm之间，14mm至16mm之间，以及大约15mm中的至少一个的内半径，以及至少为以下之一的外半径：介于20mm至30mm之间；22mm至28mm之间；24mm至26mm之间；以及，约25mm。

下表8中显示了典型设计参数的示例：

表8

叶片内半径R<sub>I</sub>	15mm
		叶片外半径R<sub>O</sub>	25mm
平垫内半径R<sub>P</sub>	18-20mm
		平垫长度L<sub>P</sub>	3mm
斜坡长度L<sub>R</sub>	10mm
		斜坡高度	0.06mm
垫数	6
		表面速度	4.83m/s

血流动力学方面，六叶片叶轮通过两个抽气腔体产生合适的左右德尔塔(delta)压力差比，从而在人体应用方面表现出色。

图19D和19E分别显示了左右侧泵在悬浮模式下各种速度下的性能HQ曲线示例。

这些显示了在工作速度范围内所需的流率，并进一步显示了所需的左右压力匹配比为3.5：1。

在任何情况下，轴承的作用是向腔体右端1811.2施加力，有效地推动叶轮1820远离左端壁1810.1并抵消驱动器磁体产生的磁力，从而将叶轮保持悬浮在空腔1811内。

由流体动力轴承产生的悬浮力的示例在图20A中示出。这突显出，随着叶轮转速的增加，轴承产生的净液压力增加，叶轮进一步远离左端壁1810.1，如图所示。

相反，如果叶轮移动到腔体1811的右端1811.2，则由于右叶轮叶片的上表面面积通常要小得多，它们不会提供流体动力轴承作用，叶轮将与外壳1810的右端壁1810.2接触，从而可能导致泵损坏，并降低效率。因此，期望确保如果磁体轴承失效，则在转子移动到腔体的右侧的情况下，叶轮1820可以移动到腔体的左侧，从而允许流体动力轴承能够工作。

液压力和磁力的综合作用如图20B所示。

叶轮的平衡点将与零净力线重合。曲线显示了在恒定转速和SVR和PVR值的条件下的典型作用力，对应于对象在2001感到压力而导致系统性高血压，在2002休息和在2003运动。

当叶轮位于腔体左侧1811.1(位置<-0.3mm)时，当流体动力轴承产生的力占主导地位时，净力最初较高，并且轴向指向轴承。当叶轮移向腔体1811的中心(位置＝±0.2mm)时，净力最初为负，表示朝驱动器1830的磁吸引力，然后当叶轮1820接近磁性轴承1840(位置>0.2mm)时，净力再朝向轴承1840。

在正常的泵操作情况下，控制器150操作磁性轴承1840以最小化磁性轴承1840保持叶轮1820在腔体1811中的位置所需的功率。为此，控制器150使用轴承将叶轮1820放置在腔体1811内位于曲线(如分别在2011、2012、2013所示的压力、休息和运动时的曲线)的右侧部分与零轴的交点表示的点处。相反，如果磁体轴承发生故障，则希望将叶轮移动至零轴的左相交点，如在2014大体所示，此时叶轮仅由流体动力轴承支承。

在磁性轴承失效的情况下，取决于叶轮1820在腔体1811内的位置以及当前的血液动力学状况，叶轮1820可移动到腔体的左端或右端1811.1、1811.2。例如，可以看出，在运动条件下，叶轮1820通常位于腔体右端1811.2，因此，再加上腔体左端1811.1中更大的流体压力，意味着如果轴承1840发生故障，则叶轮更可能被吸引到轴承1840上。在叶轮1820移动到腔体右端1811.2的情况下，需要采取行动将叶轮1820移动到腔体左端1811.1，以使得流体动力轴承正确地起作用。

即使当叶轮1820移动到腔体左端1811.1时，例如由于对外壳1810的物理冲击而产生的轴向力也会导致叶轮1820移动到腔体右端1811.2。所需的力由图20B中的箭头所示，并且对应于所示的压力、休息和运动条件的每一个的轴向力分别约为2、4或8牛顿。

此外，如果叶轮一直移动到腔体的右侧，则需要15牛顿的力才能将叶轮移回到腔体的左侧。

基于此，将期望产生朝向驱动器1830的轴向力，以将叶轮1820移动到腔体左端1811.1和/或减少外力导致叶轮1820移位到腔体右端1811.2的风险。在一个示例中，这可以通过对驱动器1830的适当控制，特别是通过对驱动器产生的磁场的适当配置，以及使用这些磁场来产生轴向吸引力或排斥力来实现。现在将参考图21A至21C描述其示例。

对于这些示例，该驱动器包括多个周向间隔开的永磁驱动器磁体2134，该永磁驱动器磁体2134安装安装在叶轮内的软铁转子驱动器轭2135上。该驱动器还包括多个在腔体的左端附近安装的沿圆周方向隔开的驱动器线圈2131，每个线圈2131缠绕在驱动器定子芯2132的相应驱动器定子极2132.1上，并与驱动器磁体2134基本径向对准。

在图21A的示例中，线圈2131被控制使得相邻的线圈产生相对于驱动器磁体偏移的相反磁场，从而以一定角度吸引和排斥驱动器磁体2134，从而产生旋转转矩。相反，在图21B和21C的示例中，驱动器线圈2131产生与驱动器磁体2134对准的场，但是具有相等或相反的极性以分别产生排斥力或吸引力。

对于其余的描述，朝向驱动器的吸引力称为正轴向力，而排斥力称为负力。此外，术语“旋转电流和轴向电流”用于描述当应用于驱动器时产生旋转力或轴向力的电流。

无论如何，应当理解，控制器通过对驱动信号发生器137的适当控制，可以控制驱动器1830，从而产生朝向驱动器1830的正轴向力。这可用于允许叶轮1820从腔体右端1811.2移动到腔体左端1811.1，而无需磁性轴承1840的干预，或用于增加朝向驱动器1830的轴向力，从而降低叶轮1820在外力的作用下移动到腔体右端1811.2的可能性。

因此，控制器可以控制驱动器以产生轴向吸引力，从而在磁性轴承发生故障的情况下使用流体动力轴承运行时在腔体内移动叶轮和/或增加抗冲击性。为此，当磁性轴承发生故障时，控制器要么检测磁性轴承的故障，要么检测叶轮向腔体右侧的运动，然后响应于该检测，控制驱动器以产生轴向吸引力。控制器基于指示磁性轴承使用的电流的轴承指示器，指示驱动装置使用的电流的驱动器指示器或传感器信号(例如位置传感器信号)中的至少一个来检测磁性轴承的故障或叶轮的运动。

现在将参照图22A至22D描述控制器在轴承故障后致动流体动力轴承的操作示例。

在该示例中，在时间t<0时，泵正常工作，并且轴承1840使用相对恒定的最小电流2211运转，叶轮1820略微朝向腔体左端1811.1定位在工作区域1881中，如2221所示。驱动器使用恒定的驱动器旋转电流2241.1和零轴向电流2241.2以恒定的转速2231运行。

在时间t＝0，出现悬浮故障并且磁性轴承发生故障，这由轴承电流2212的瞬时增加来表示。恒定电流2213被注入到轴承1840中，以试图使轴承再次运行，当轴承无响应时，在2214所示的预定时间之后(在这种情况下为0.3秒)，该恒定电流被停用。

如本示例所示，当轴承发生故障时，叶轮1820在2222处移动到腔体右端1811.2，由于驱动器1830中的负载变化而导致叶轮转速下降2232。尤其是，由叶轮1820和右端壁1810.2之间的接触引起的摩擦增加导致叶轮瞬时减慢，直到旋转电流2242.1增加以抵消叶轮1820与右端壁1810.2之间的摩擦。将理解的是，这允许控制器150确定已经在叶轮腔的右侧发生了触地。

作为结果，马达被控制以产生较大的正轴向电流2242.2，这导致叶轮1820从右端壁1810.2升起并向左端壁1810.1移动。随着摩擦负载的升高，这会导致转速2233相应跳变，从而使驱动旋转电流返回到其原始值2243.1，以保持叶轮转速。从这一点开始，叶轮不再是磁悬浮的，而是基于流体动力轴承的运行而悬浮，如叶轮位置2223所示。

因此，这描述了用于将叶轮1820从腔体右端1811.2移至腔体左端1811.1的装置的操作。

一旦进入腔体左端1811.1，驱动轴向力可用于帮助防止叶轮移回到腔体右端1811.2，图23显示了此示例，该图突出显示了受压对象的净力曲线2301。通过驱动器轴施加正轴向电流会使曲线2302向下移动，从而将叶轮从流体动力轴承移到外壳右侧的所需净力从2牛顿增加到7牛顿，如箭头所示。应当理解，轴向驱动力的进一步增加可用来进一步增加这一点。

图24A示出轴承刚度的影响，突出显示了对于更高的轴承刚度，为了使叶轮从外壳的左侧移动到右侧，所需的力增加了，如箭头所示，因此表明较高的固有轴向刚度是有益的。这也将有助于增加径向刚度，从而减少叶轮由于外部作用力而接触外壳的机会。

可以实施的另一选择是减小左端壁1810.1与驱动器1830的偏移，这可以进一步帮助进一步增加为了移出叶轮1820所需的力，如图24B中的箭头所示。

从上面将认识到，驱动器电流的改变可用于调节轴承刚度。类似的，也可以使用轴承电流，这在控制径向刚度时尤其有用。

转子响应于径向激励力(例如转子不平衡)的径向运动或振动随径向刚度、径向阻尼、激励频率和转子质量而变化。振动响应的振幅在共振频率处达到峰值，这可能导致转子响应于激励力而呈现出较大的振动振幅，并且在某些情况下，如果阻尼和刚度不足，则可能导致转子触地或变得不稳定。

在某些情况下，不希望在共振频率或共振频率附近工作，应该避免。因此，如果需要以共振频率下的转子速度运行，并且不能通过改变刚度、阻尼或转子质量来改变共振频率，通过用偏置电流改变刚度可以暂时改变系统刚度以移动共振频率。

为了减小转子在接近共振频率运行时的振动，可以暂时增加径向刚度，从而增加共振频率。

实现此目的的一种方法是向磁性轴承线圈添加额外的电流，以增加其力和刚度，同时保持转子位置。刚度的增加将增加系统的共振频率使其高于其典型值，并允许在原始共振频率下以减小的振动进行操作，并且图25A示出了当转子保持在恒定位置并且磁性轴承偏置电流的量增加时来自磁性轴承的径向刚度增加的一个示例。恒定位置和磁性轴承偏置电流的量如。图25B示出了当转子保持在恒定位置并磁性轴承偏置电流量增加时这对无阻尼径向共振频率的影响。图25C显示了驱动器轴向电流增加的类似变化。

除了增加刚度外，偏置电流还将提供一种吸引力，该吸引力可以通过经由直流增加马达的吸引力来抵消。暂时增加刚度的另一种方法也可以通过将转子位置移向磁性轴承，同时保持正常的偏置电流量来实现。

这可以通过利用控制器在上述系统中实现。当马达控制器识别出它正在接近一个已知的共振频率运行时，可以通过增加马达直流电流来增加附加的马达轴向吸引力，从而使轴向悬浮控制器将转子移向磁性轴承，从而增加径向刚度。

尽管上述示例集中于将流体动力轴承用作磁悬浮叶轮的故障模式，应当理解，这不是必须的，并且可替代地，流体动力轴承可以用作磁性轴承的替代。

在示例中，心脏泵可以包含限定腔体的外壳，该腔体包含至少一个与腔体的轴线对准的入口和设置在腔体的周向外壁中的至少一个出口。可以在腔体内设置叶轮，该叶轮包含转子和安装在转子上的叶片，用于将流体从入口径向向外推动到出口。然后提供用于使叶轮在腔体中旋转的驱动器，该驱动器包含：安装在转子的第一面内并邻近转子的第一面的多个周向间隔开的永久驱动器磁体以及，多个在圆周方向上间隔开的驱动器线圈，安装在外壳内，靠近腔体的第一端。在该示例中，叶轮的叶片与外壳的第一端配合以定义流体动力轴承，从而使叶轮悬浮在腔体内。

现在将参考图26A至26D描述许多线圈绕组配置的示例。

在图26A的示例中，该驱动器包括十二个独立的线圈，为了提供三相驱动器而运行。尤其是，对线圈U1，U2；U3，U4；V1，V2；V3，V4；以及W1，W2；W3，W4的成对线圈进行顺序控制，以提供单三相驱动器配置。实际上，这是通过将每个相位的驱动信号施加到串联的相应线圈对来实现的，如图26B所示。

相反，在图26C的配置中，使用了相同的物理十二个线圈配置，控制了相对的线圈对，以提供双三相配置。具体地，线圈U1，U2；V1，V2；W1，W2提供第一三相驱动器，而线圈X1，X2；Y1，Y2；Z1，Z2形成第二三相驱动器。使用图26C和26D中所示的双驱动器配置具有许多好处，包括例如在其中一个驱动器发生故障的情况下提供故障冗余。

如图27A至27D所示，也可以利用不同的绕组结构，称为三角形和星形配置。在这方面，图27A显示了以三角形配置的单三相驱动器，图27B显示了三角形配置的双三相驱动器，图27C显示了启动配置的单三相驱动器，而图27D显示了星形配置中的双三相驱动器。如现在将要描述的那样，使用星形和三角形配置可能导致不同的操作参数。

在这方面，图28A显示了曲线2801，该曲线表示与期望的范围曲线2811相比，使用单三相三角形绕组配置可以获得的速度与最大转矩的关系。在这方面，心脏泵的期望工作范围通常仅需要约3500RPM的最大速度，而三角形绕组可实现约6500RPM的速度。相反，为了实现脉动操作，最好使用最大转矩约为120mNm或更高，而三角形绕组在2安培电流下只能达到80mNm。尽管可以通过增加电流来增加可达到的转矩，但这通常是不希望的，因为它会导致传动系统电缆中的能耗增加和发热。

如在图28B中示出，相同线圈的星形连接将可用转矩增加到约140mNm，而最大速度则降低到4000RPM。如图28B中的灰色三角形所示，虽然在高转矩下最大速度有所不足，但这通常没有问题，因为在高速下很少需要高转矩。此外，对于星型配置，使用0.4A的电流可以实现2813所示的典型标准工作条件，而对于三角形配置，则需要使用0.7A的电流，从而使星型配置更加节能。

图29示出即使在三角形配置中也增加匝数可以改善驱动器的转矩速度特性，而图30A突出显示，对于相同的最大电源电压和电流以及类似的匝数(在这种情况下为130)，单相三相三角绕组3001产生的速度低于双相三角形绕组3002。应当指出，这假设线圈的横截面积恒定，这意味着随着匝数的增加，线径会减小以保持整个线圈面积。双星形绕组3003再次展示了进一步的改进，即使其中一个驱动器在这种配置下发生故障，该驱动器也可以有效地作为单三相星形配置运行，其中一半线圈处于非活动状态，同时仍然能够在基本上整个期望范围内充分发挥作用，如3004所示。

基于此，首选的线圈绕组是单相三相三角形绕组或双相三相星形绕组，两者均可实现所需的速度和转矩特性。在内部绕组出现故障的情况下，三相三角形绕组可能会提供更高的容错能力(与星形绕组相比)，从而提供了一种简单的系统绕组方案。然而，双相星型绕组由于具有冗余定子绕组而可以提供更高的容错能力，可以配置为使用较低的驱动器电流运行，在相同的最大电源电压和相电流限制下，允许更高的最大转矩，并且避免了循环电流，尽管复杂性增加。

还将认识到，双三相绕组的增加的转矩容量伴随着每驱动器轴向电流产生的更大的力。例如，在双三相星型配置中，最大相电流约为3.8A时，可以产生15N的吸引力，而在具有可比的最大驱动器速度的单相三相三角形配置中，所需的最大相电流约为6.6A。在这种特定应用中，以这种方式降低电流需求非常重要，在该应用中，电源电压通常限制为小于24V，并且由于传动系导体和穿通引脚尺寸的要求，必须使相电流最小化。在需要高水平的瞬时直流电流以在转子上产生大吸引力的情况下，系统的有限电压供应可能会受到限制。增加马达的高度，同时通过使用更大直径的线来保持相同的匝数，将有效地降低线圈的电阻，从而在需要的短时间内产生更大的电流和更大的力，从而进一步增加了马达的高度也将提高马达的整体效率。

在本说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”以及诸如“包括”或“包含”之类的变体将被理解为暗示包括所述整数或一组整数或步骤，但是不排除任何其他整数或整数组。如本文所用，除非另有说明，否则术语“约”是指±20％。

本领域技术人员将理解，许多变化和修改将变得显而易见。对于本领域技术人员而言显而易见的所有这些变型和修改，应被认为落入本发明在先前描述之前广泛出现的精神和范围内。

Claims (70)

1.一种心脏泵，包含：

a)限定腔体的外壳，所述腔体包含：

i)至少一个与腔体的轴线对准的入口；以及，

ii)至少一个被设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；

b)设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；

c)驱动器，用于在所述腔体中旋转所述叶轮，所述驱动器包含：

i)多个周向间隔开的永久驱动器磁体，其被安装在所述转子的第一面内并紧邻所述转子的第一面；以及，

ii)多个周向间隔开的驱动器线圈，其被安装在所述外壳内，靠近紧邻所述腔体的第一端，每个线圈缠绕在驱动器定子的相应的驱动器定子极上，并且与所述驱动器磁体基本径向对准，所述驱动器线圈被配置为产生与所述驱动器磁体协作的驱动器磁场，

从而使所述叶轮旋转；以及，

d)磁性轴承，包含：

i)第一和第二环形磁性轴承构件，安装在所述转子的第二面内并紧邻所述转子的第二面，第一磁性轴承构件被设置在第二磁性轴承构件的径向外侧；

ii)多个沿周向间隔开的基本为U形的轴承定子，其被安装在所述外壳中且紧邻所述腔体的第二端，每个U形的轴承定子具有第一和第二轴承定子腿，所述第一和第二轴承定子腿分别与所述第一和第二磁性轴承构件相互作用；以及，

iii)在每个轴承定子上的至少一个轴承线圈，所述轴承线圈产生磁场，该磁场与所述磁性轴承构件协作，从而实现以下操作至少之一：

(1)控制所述叶轮的轴向位置；以及，

(2)至少部分限制所述叶轮的径向运动。

2.根据权利要求1所述的心脏泵，其中：

a)所述第一和第二轴承定子腿分别与所述第一和第二磁性轴承构件基本磁体对准；

b)所述第一和第二轴承定子腿分别与所述第一和第二磁性轴承构件基本径向对准；

c)所述第一和第二轴承定子分别与所述第一和第二磁性轴承构件协作，从而当所述轴承定子腿与所述磁性轴承构件基本对准时，来自单个轴承的径向力约为0N-2N；

d)所述第一和第二轴承定子腿中至少一个相对于第一和第二磁性轴承构件中的对应的一个径向偏移一段距离，该距离为下面至少之一：

i)少于1mm；

ii)少于0.5mm；以及，

iii)少于0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的心脏泵，其中：所述驱动器定子包含软磁复合芯，该软磁复合芯包含从环形驱动器定子轭沿轴向方向延伸的多个驱动器定子极。

4.根据权利要求3所述的心脏泵，其中，所述驱动器定子轭的厚度至少为以下之一：

a)在1mm至2.5mm之间；

b)约1.75mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的心脏泵，其中，所述驱动器定子极是以下至少之一：

a)楔形的；

b)三角形的；以及，

c)梯形的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的心脏泵，其中，相邻的驱动器定子极由槽隔开，该槽具有以下至少之一：

a)至少下列之一的宽度：

i)在4mm至7.4mm之间；

ii)约6mm；以及，

b)至少下列之一的深度：

i)在4mm至14mm之间；

ii)约11.25mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的心脏泵，其中，所述驱动器定子具有以下至少之一：

a)至少为如下之一的内半径：

i)在14mm至18mm之间；以及，

ii)约16mm；以及，

b)至少为如下之一的外半径：

i)在22mm至25mm之间；以及，

ii)约24.5mm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的心脏泵，其中，每个驱动器磁体具有如下至少之一：

a)为如下至少之一的相交角度：

i)在15°至36°之间；以及，

ii)约25°；以及，

b)至少为以下之一的厚度：

i)在0.8mm至3mm之间；

ii)约2.6mm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的心脏泵，其中，每个驱动器磁体都安装在环形转子驱动器轭上。

10.根据权利要求9所述的心脏泵，其中，心脏泵包含形成转子驱动器轭和转子轴承轭的公共轭。

11.根据权利要求9或10所述的心脏泵，其中，所述转子驱动器轭厚度至少为以下之一：

a)在1mm至5mm之间；以及，

b)在1.5mm至2.5mm之间；以及，

c)约1.9mm。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的心脏泵，其中：

a)驱动器磁体的数量至少为以下之一：

i)8；

ii)10；

iii)14；以及，

iv)16；以及，

b)定子极数至少为以下之一：

i)12；

ii)15；以及，

iii)18。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的心脏泵，其中，所述驱动器包含12个转子极，所述12个转子极被构成为以下至少一项：

a)一个三相马达；以及，

b)两个三相马达。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的心脏泵，其中，所述驱动器包含使用三角形配置和星形配置中的至少一种连接的多个线圈。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的心脏泵，其中，所述驱动器和转子配置成使得以下至少一项：

a)所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间的间隔为以下至少之一：

i)在使用中，2mm至5mm之间；

ii)在使用中，2mm至3mm之间；以及，

iii)在使用中，大约2.3mm；

b)驱动器定子极面和驱动器磁体面之间的间隔至少为以下之一：

i)在使用中，2.5mm至6mm之间；

ii)在使用中，2.5mm至4mm之间；以及，

iii)在使用中，大约3.2mm；

c)驱动器定子磁轭和驱动器磁轭之间的间隔至少为以下之一：

i)在使用中，7mm至25mm之间；

ii)在使用中，8mm至20mm之间；以及，

iii)在使用中，大约17mm；以及，

d)驱动器定子极面与驱动器磁轭之间的间隔至少为以下之一：

i)在使用中，4mm至8mm之间；

ii)在使用中，4.5mm至7mm之间；以及，

iii)在使用中，大约5.8mm。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的心脏泵，其中，所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间的间隔为以下至少之一：

a)在使用中，至少2.3mm；以及，

b)在使用中，足以容纳所述叶轮的轴向运动。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的心脏泵，其中，所述叶片安装在所述转子的所述第一面上且在所述转子的所述第一面与所述腔体的所述第一端之间，并且其中所述叶片的高度至少为以下之一：

a)在1.5mm至5mm之间；

b)在1.5mm至2.5mm之间；

c)在1.8mm至2.2mm之间；

d)约2mm。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的心脏泵，其中，每个轴承定子腿至少具有以下中的一个：

a)至少为下列之一的宽度：

i)在2mm至4mm之间；

ii)针对所述第一轴承定子腿的约3.6mm；以及，

iii)针对所述第二轴承定子腿的约2.9mm；以及，

b)至少为如下之一的长度：

i)在5mm至35mm之间；以及，

ii)约14.8mm。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的心脏泵，其中，所述至少一个轴承线圈被缠绕在所述第一轴承定子腿上。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的心脏泵，其中，至少一个轴承定子腿至少在所述轴承定子腿的一端附近比相应的磁性轴承构件窄。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的心脏泵，其中，至少一个轴承定子腿靠近所述轴承定子腿的一端向内渐缩。

22.根据权利要求21所述的心脏泵，其中，渐缩部至少具有以下之一：

a)至少为如下之一的高度：

i)在0mm至10mm之间；以及，

ii)约5mm；

b)至少为如下之一的宽度：

i)在0mm至4mm之间；以及，

ii)在0.5mm至2mm之间。

23.根据权利要求21或22所述的心脏泵，其中，所述渐缩部被构造成以下至少之一：

a)朝向磁性轴承构件的中心线；以及，

b)使得当所述转子从中心径向位置径向偏移时，来自单个轴承的径向回复力增加。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的心脏泵，其中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含环形永久轴承磁体。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的心脏泵，其中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含环形铁构件。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的心脏泵，其中，第一和第二磁性轴承构件中的至少一个具有以下至少之一：

a)至少为以下之一的厚度：

i)在1mm至3mm之间；以及，

ii)约2.4mm；以及，

b)至少为以下之一的宽度：

i)在3mm至4.5mm之间；

ii)约2.5mm；以及，

iii)约3.5mm。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的心脏泵，其中，第一和第二磁性轴承构件被设置在共同的环形叠片或实心铁轴承转子轭上。

28.根据权利要求27所述的心脏泵，其中，所述轴承转子轭至少具有以下中的一项：

a)至少为以下之一的宽度：

i)在10mm至13mm之间；以及，

ii)约11mm；以及，

b)至少为以下之一的厚度：

i)在1mm至5mm之间；以及，

ii)在1.5mm至2.5mm之间；以及，

iii)约1.9mm。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的心脏泵，其中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个朝向所述第二转子面向内渐缩。

30.根据权利要求29所述的心脏泵，其中，所述渐缩部被构造成至少以下之一：

a)朝向磁性轴承构件的中心线；以及，

b)使得当所述转子从中心径向位置径向偏移时，来自单个轴承的径向回复力增加。

31.根据权利要求29或30所述的心脏泵，其中，所述第一和第二磁性轴承构件中的至少一个包含渐缩铁靴。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的心脏泵，其中，所述第二轴承定子腿是渐缩的，并且所述第二磁性轴承构件包含永磁体。

33.根据权利要求32所述的心脏泵，其中，所述第一轴承定子腿基本上没有渐缩，并且所述第一轴承磁性构件是环形铁构件。

34.根据权利要求32所述的心脏泵，其中，所述第一轴承定子腿是渐缩的，并且所述第一轴承磁性构件是环形的永磁体。

35.根据权利要求1至34中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵提供至少部分左心室功能。

36.根据权利要求1至35中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵提供至少部分右心室功能。

37.根据权利要求1至36中任一项所述的心脏泵，其中，所述叶轮包含设置在转子主体上的第一和第二组叶片，所述转子被设置在所述腔体内以限定：

a)第一腔体部分，具有第一入口和第一出口，所述第一组叶片被设置在所述第一腔体部分内，以限定提供至少部分左心室功能的第一泵；以及，

b)第二腔体部分，具有第二入口和第二出口，所述第二组叶片被设置在所述第二腔体部分内，以限定第二泵，所述第二泵提供至少部分右心室功能。

38.根据权利要求37所述的心脏泵，其中，心脏泵是完全的人造心脏。

39.根据权利要求37或38所述的心脏泵，其中，所述叶轮的所述轴向位置决定了每组叶片与相对应的腔体表面之间的间距，所述间距用于控制所述流体从所述入口到所述出口的流动。

40.根据权利要求1至39任一项所述的心脏泵，其中，在所述磁性轴承失效的情况下，所述叶轮和外壳协作以限定流体动力轴承。

41.根据权利要求40所述的心脏泵，其中，所述流体动力轴承至少部分地由所述叶轮的至少一些所述叶片的上表面限定。

42.根据权利要求41所述的心脏泵，其中，所述流体动力轴承由所述叶轮的叶片的面向所述腔体的所述第一端的上表面限定。

43.根据权利要求41或42所述的心脏泵，其中，所述上表面包含前斜坡和后平垫。

44.根据权利要求43所述的心脏泵，其中，至少如下之一：

a)平垫的内半径至少为以下之一：

i)在16mm至22mm之间；以及，

ii)在18mm至20mm之间；

b)所述平垫的长度至少为以下之一：

i)在1mm至5mm之间；

ii)在2mm至4mm之间；以及，

iii)约3mm；

c)所述斜坡的长度至少为如下之一：

i)在5mm至15mm之间；

ii)在8mm至12mm之间；以及，

iii)约10mm；以及，

d)所述斜坡的高度至少为如下之一：

i)在0.02mm至0.1mm之间；

ii)在0.04mm至0.08mm之间；以及，

iii)约0.06mm。

45.根据权利要求41至44中任一项所述的心脏泵，其中，所述叶片至少如下之一：

a)内半径至少为如下之一：

i)在10mm至20mm之间；

ii)在12mm至18mm之间，

iii)在14mm至16mm之间；以及，

iv)约15mm；

b)外半径至少为以下之一：

i)在20mm至30mm之间；

ii)在22mm至28mm之间；

iii)在24mm至26mm之间；以及，

iv)约25mm。

46.根据权利要求1至45中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵包含控制器，其用于控制使用中的所述驱动器和轴承。

47.根据权利要求46所述的心脏泵，其中，所述控制器包含根据存储在存储器中的软件指令进行操作的处理器。

48.根据权利要求46或47所述的心脏泵，其中，所述控制器控制驱动器以选择性地产生轴向吸引力。

49.根据权利要求48所述的心脏泵，其中，所述控制器控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力，以便实现以下操作中的至少一项：

a)在所述腔体内移动所述叶轮；以及，

b)当在所述磁性轴承失效的情况下使用流体动力轴承运行时提高抗冲击性。

50.根据权利要求48或49所述的心脏泵，其中，所述控制器：

a)检测如下至少之一：

i)所述磁性轴承的失效；以及，

ii)当所述磁性轴承失效时，所述叶轮向所述腔体的所述第二端的移动；以及，

b)响应所述检测，控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力。

51.根据权利要求50所述的心脏泵，其中，所述控制器基于以下至少之一来检测所述磁性轴承的失效：

a)轴承指示器，指示所述磁性轴承所用电流；

b)驱动器指示器，指示所述驱动器使用的电流；以及，

c)传感器信号。

52.根据权利要求1至51中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵的轴向系统刚度至少为如下之一：

a)至少10N/mm；

b)至少20N/mm；

c)至少30N/mm；

d)少于60N/mm；

e)少于50N/mm；

f)约10-60N/mm；

g)约25-50N/mm；

h)约15-25N/mm；

i)约30-40N/mm；以及，

j)约35-40N/mm。

53.根据权利要求1至52中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵的径向系统刚度至少为如下之一：

a)在0.5N/mm至11N/mm之间；

b)在0.5N/mm至1.5N/mm之间；

c)在1.5N/mm至3.0N/mm之间；

d)在3N/mm至6N/mm之间；以及，

e)在6N/mm至11N/mm之间。

54.一种心脏泵，包含：

a)限定腔体的外壳，所述腔体包含：

i)至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，

ii)至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；

b)设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；

c)用于在所述腔体中旋转所述叶轮的驱动器，所述驱动器包含：

i)多个周向隔开的永久驱动器磁体，其安装在所述转子的第一面内并紧邻所述转子的第一面；以及，

ii)多个周向间隔开的驱动器线圈，其安装在所述外壳内，紧邻所述腔体的第一端，每个线圈被缠绕在驱动器定子的相应的驱动器定子极上，并且与所述驱动器磁体基本径向对准，所述驱动器线圈被构成为产生与所述驱动器磁体协作的驱动器磁场，从而使所述叶轮旋转。

55.根据权利要求54所述的心脏泵，心脏泵还包含用于将所述叶轮支承在所述腔体内的轴承，所述轴承至少是以下之一：

a)磁性轴承；

b)流体动力轴承；以及，

c)物理轴承。

56.根据权利要求54或55所述的心脏泵，其中，心脏泵是根据权利要求1至53中任一项所述的心脏泵。

57.一种心脏泵，包含：

a)限定腔体的外壳，所述腔体包含：

i)至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，

ii)至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；

b)设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；以及，

c)磁性轴承，包含：

i)安装在所述转子的第二面内并紧邻所述转子的第二面的第一和第二环形磁性轴承构件，第一磁性构件被设置在第二磁性轴承构件的径向外侧；

ii)多个沿周向间隔开的基本为U形的轴承定子，其被安装在所述外壳中靠邻所述腔体的第二端的位置，每个U形轴承定子具有分别与所述第一和第二磁性轴承构件相互作用的第一和第二轴承定子腿；以及，

iii)在每个轴承定子上的至少一个轴承线圈，所述轴承线圈产生磁场，该磁场与所述磁性轴承构件协作，从而实现如下操作中的至少之一：

(1)控制所述叶轮的轴向位置；以及，

(2)至少部分地限制所述叶轮的径向运动。

58.根据权利要求57所述的心脏泵，其中，心脏泵是根据权利要求1至57中任一项所述的心脏泵。

59.一种心脏泵，包含：

a)限定腔体的外壳，所述腔体包含：

i)至少一个与所述腔体的轴线对准的入口；以及，

ii)至少一个设置在所述腔体的圆周外壁中的出口；

b)设置在所述腔体内的叶轮，所述叶轮包含转子和安装在所述转子上的叶片，用于将流体从所述入口径向向外推动到所述出口；

c)驱动器，用于在所述腔体中旋转所述叶轮，所述驱动器包含：

i)多个周向间隔开的永久驱动器磁体，其安装在所述转子的第一面内并紧邻所述转子的第一面；以及，

ii)多个在圆周方向上间隔开的驱动器线圈，其被安装在所述外壳内，且紧邻所述腔体的第一端，并且其中，所述叶轮的叶片和所述外壳的所述第一端协作以限定流体动力轴承。

60.根据权利要求59所述的心脏泵，其中，所述流体动力轴承由所述叶轮的面向所述腔体的所述第一端的所述叶片的上表面限定。

61.根据权利要求60所述的心脏泵，其中，所述上表面包含前斜坡和后平垫。

62.根据权利要求61所述的心脏泵，其中，如下至少之一：

a)所述平垫的内半径至少为以下之一：

i)在16mm至22mm之间；以及，

ii)在18mm至20mm之间；

b)所述平垫的长度至少为以下之一：

i)在1mm至5mm之间；

ii)在2mm至4mm之间；以及，

iii)约3mm；

c)所述坡道的长度至少为如下之一：

i)在5mm至15mm之间；

ii)在8mm至12mm之间；以及，

iii)约10mm；以及，

d)所述坡道的高度至少为如下之一：

i)在0.02mm至0.1mm之间；

ii)在0.04mm至0.08mm之间；以及，

iii)约0.06mm。

63.根据权利要求60至62中任一项所述的心脏泵，其中，所述叶片具有下列至少一个：

a)至少为以下之一的内半径：

i)在10mm至20mm之间；

ii)在12mm至18mm之间，

iii)在14mm至16mm之间；以及，

iv)约15mm；

b)至少为以下之一的外半径：

i)在20mm至30mm之间；

ii)在22mm至28mm之间；

iii)在24mm至26mm之间；以及，

iv)约25mm。

64.根据权利要求59至63中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵包含磁性轴承，以实现以下操作中的至少一项：控制所述叶轮的轴向位置；至少部分地限制所述叶轮的径向运动，并且其中，所述流体动力轴承被构成为在所述磁性轴承失效时运行。

65.根据权利要求59至64中任一项所述的心脏泵，其中，心脏泵包含控制器，其控制使用中的所述驱动器和轴承的操作。

66.根据权利要求65所述的心脏泵，其中，所述控制器包含根据存储在存储器中的软件指令进行操作的处理器。

67.根据权利要求65或66所述的心脏泵，其中，所述控制器控制所述驱动器以选择性地产生轴向吸引力。

68.根据权利要求67所述的心脏泵，其中，所述控制器控制所述驱动器所述轴向吸引力以实现以下操作中的至少一项：

a)在所述腔体内移动所述叶轮；以及，

b)当在所述磁性轴承失效的情况下使用流体动力轴承运行时，增加抗冲击性。

69.根据权利要求67或68所述的心脏泵，其中，所述控制器：

a)检测以下至少之一：

i)磁性轴承的失效；以及，

ii)当所述磁性轴承失效时，所述叶轮向所述腔体的第二端的移动；以及，

b)响应于所述检测，控制所述驱动器以产生所述轴向吸引力。

70.根据权利要求69所述的心脏泵，其中，所述控制器基于以下至少之一来检测所述磁性轴承的失效：

a)指示所述磁性轴承所使用的电流的轴承指示器；

b)指示所述驱动器使用的电流的驱动器指示器；以及，

c)传感器信号。

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