CN111561519A - 用于磁悬浮轴承的刚度增益机构、磁悬浮轴承和血泵 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于磁悬浮轴承的刚度增益机构、包括该刚度增益机构的磁悬浮轴承及血泵。磁悬浮轴承包括定子和布置在定子内部的转子，定子包括定子齿，刚度增益机构包括：转子永磁体，定子永磁体，和轴向动力体。转子永磁体和磁悬浮轴承的转子形成转子组件，该转子组件相对于转子的主平面具有不对称的结构；并且刚度增益机构构造成使得定子永磁体对转子永磁体产生径向吸力、而轴向动力体对转子永磁体产生轴向斥力，轴向斥力的大小能够随轴向动力体和转子永磁体之间的轴向距离的改变而改变。根据本公开的刚度增益机构能够显著增加磁悬浮轴承的转子的扭摆刚度，并有助于磁悬浮轴承的小型化。

Description

用于磁悬浮轴承的刚度增益机构、磁悬浮轴承和血泵

技术领域

本公开总体上涉及医疗器械领域。更具体地，本公开涉及一种用于磁悬浮轴承的刚度增益机构、包括该刚度增益机构的磁悬浮轴承和血泵。

背景技术

在心脏失去泵血功能(例如停跳心脏手术、急性心源性休克等)的情况下，可以使用血泵来代替心脏，以便辅助维持人体血液循环。血泵可以分为可植入血泵和体外血泵，其中，可植入血泵能够被植入到患者体内，以暂时地或长期地维持人体血液循环；而体外血泵可以在体外使用。

在血泵中使用磁悬浮轴承是有利的。磁悬浮轴承采用磁力进行工作，其通常包括可围绕特定转动轴转动的转子以及提供磁力以便让转子悬浮的磁力提供机构。根据磁力提供机构的不同，磁悬浮轴承可以分为主动磁悬浮轴承和被动磁悬浮轴承，其中，主动磁悬浮轴承的磁力提供机构可以是电磁铁，而被动磁悬浮轴承的磁力提供机构可以是永磁体或铁磁材料。主动磁悬浮轴承通常还包括位移传感器和根据位移传感器信号控制电磁铁的电流大小以调节悬浮电磁力的控制器，在操作中，首先由位移传感器向控制器提供转子在主动磁悬浮自由度上的位置，然后控制器通过相应的控制算法(PID、PI、PD控制等)给电磁铁提供特定电流，从而产生受控的悬浮电磁力。被动磁悬浮轴承根据永磁体和永磁体、或者永磁体和铁磁材料的交互作用而产生吸力或斥力，以便使转子在平衡位置上悬浮。

与机械轴承之类的传统轴承相比，磁悬浮轴承的转子与其它部件(比如磁力提供机构等)没有物理接触、且转子和其它部件之间可以具有较大间隙，这使得磁悬浮轴承具有显著优势。一方面，没有物理接触会消除磁悬浮轴承的各部件的机械磨损；另一方面，较大的间隙会使得流过间隙的流体经受较小的剪切应力，对于血液来说，这有助于减少对血液细胞的伤害，从而有助于改善血液的相容性。

图1示出了一种主动磁悬浮轴承10的示意图。主动磁悬浮轴承10包括：可以围绕转动轴A转动的转子101；提供电磁力以便让转子101悬浮的电磁铁102，转子101和电磁铁102之间存在间隙或气隙G1；检测转子101相对于电磁铁102的位移的位移传感器103；以及控制器104，控制器104根据位移传感器103的信号来控制电磁铁102的电流大小以调节悬浮电磁力。

在图1所示的主动磁悬浮轴承10中，电磁铁102向转子101提供径向的电磁力(即：位于X-Y平面中的电磁力)，从而保证转子101在径向上稳定地悬浮。然而，对于图1所示的主动磁悬浮轴承10来说，其容易产生围绕X轴或Y轴的扭摆运动。换言之，图1所示的主动磁悬浮轴承10具有一定的扭摆自由度(即：以X轴或Y轴为转动轴的转动自由度)，或者说图1所示的主动磁悬浮轴承10具有较小的扭摆刚度，这是不期望的。期望的是，磁悬浮轴承应具有尽可能大的扭摆刚度，以便使磁悬浮轴承不产生或较少地产生扭摆运动。

为解决上述问题，已知的一种做法是结合多层永磁体和铁磁材料，形成类似于三明治的结构，从而在垂直于转动轴A的平面(即：图1中所示的X-Y平面)上形成多个平行的推拉力，从而增加扭摆刚度，以提高扭摆稳定性。然而，这种三明治结构存在着缺陷。一方面，永磁体的强度和体积成正比，体积越大，永磁体的强度越大；而另一方面，永磁体体积越小，永磁体的磁化边际效应越明显，也就是说多块小的永磁体组合而成的永磁体所产生的磁场强度并不等于单块相同体积的永磁体所产生的磁场强度、而是小于单块相同体积的永磁体所产生的磁场强度。因此，使用上述由多块永磁体形成的三明治结构时，为了使磁场强度达到单块永磁体所产生的期望磁场强度，必须要增大每一块小永磁体的体积，这必然增大磁悬浮轴承的总体积，从而限制其应用范围。在目前的很多应用中，通常对转子体积具有严格的要求、并且通常希望转子能够小型化。比如，在血泵的应用中，磁悬浮轴承中的间隙或气隙一般与血泵的二次流道共用，血液在相对于主流道更狭小的二次流道中流动时会经受较长时间的剪切力，因而对血液细胞造成破坏。因此，使转子小型化从而尽可能缩短二次流道的长度对于血泵的血液相容性非常重要。在这类应用中，转子的小型化是重要的优化指标，而三明治结构与此目标相背。

因此，存在着对目前的磁悬浮轴承进行进一步改进的需求。

发明内容

通过本公开的示例性实施例来克服上述问题以及其他问题并实现额外的优点。

根据本公开的示例性实施例的第一方面，提供了一种用于磁悬浮轴承的刚度增益机构，所述磁悬浮轴承可以包括定子和布置在定子内部的转子，所述定子包括定子齿。所述刚度增益机构可以包括：转子永磁体，所述转子永磁体以平行于所述转子的主平面且与所述转子相抵接的方式布置于所述转子的一侧，所述转子的主平面为所述转子在径向方向上的对称平面；定子永磁体，所述定子永磁体以平行于所述转子的主平面且与所述定子的定子齿相抵接的方式布置在所述定子的定子齿的一侧，所述定子永磁体所处的一侧与所述转子永磁体所处的一侧相同并且所述定子永磁体与所述转子永磁体在径向方向上间隔开一定距离；以及轴向动力体，所述轴向动力体以面对着所述转子永磁体且与所述转子永磁体在轴向方向上间隔开一定距离的方式布置。所述转子永磁体和所述转子形成转子组件，所述转子组件相对于所述转子的主平面具有不对称的结构。所述刚度增益机构构造成使得所述定子永磁体对所述转子永磁体产生径向吸力、而所述轴向动力体对所述转子永磁体产生轴向斥力，所述轴向斥力的大小能够随所述轴向动力体和所述转子永磁体之间的轴向距离的改变而改变。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体和所述定子永磁体可以具有单一磁化方向。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体可以具有轴向磁化方向。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体可以具有径向磁化方向。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体和所述定子永磁体可以呈圆环形的一体结构。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体可以由沿着圆周方向间隔开的多个离散的永磁体构成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以构造成固定不动。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以为永磁体。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以为具有呈圆环形的一体结构的永磁体。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以由沿着圆周方向间隔开的多个离散的永磁体构成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以为电磁铁或空气线圈。

根据本公开的一个示例性实施例，所述轴向动力体可以由沿着圆周方向间隔开的多个电磁铁或空气线圈构成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述刚度增益机构还可以包括控制器或控制电路，所述控制器或控制电路能够单独地改变流过每个电磁铁或空气线圈的电流的大小，从而能够单独地改变相应的一个或多个电磁铁或空气线圈向所述转子永磁体产生的轴向斥力的大小。

根据本公开的一个示例性实施例，在所述转子发生围绕径向方向的扭摆运动时，所述刚度增益机构的控制器或控制电路减小与所述转子的远离所述轴向动力体的一端相对应的一个或多个电磁铁或空气线圈的电流、并同时增大与所述转子的靠近所述轴向动力体的另一端相对应的一个或多个电磁铁或空气线圈的电流。

根据本公开的一个示例性实施例，所述刚度增益机构的控制器或控制电路还能够单独地改变流过每个电磁铁或空气线圈的电流的方向，在所述转子发生围绕径向方向的扭摆运动时，所述刚度增益机构的控制器或控制电路改变与所述转子的远离所述轴向动力体的一端相对应的一个或多个电磁铁或空气线圈的方向，将所述一个或多个电磁铁或空气线圈向所述转子永磁体产生的轴向斥力改变为轴向吸力。

根据本公开的示例性实施例的第二方面，提供了一种磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承包括根据本公开的示例性实施例的刚度增益机构。

根据本公开的一个示例性实施例，所述磁悬浮轴承的定子可以包括多个定子齿，所述多个定子齿沿着圆周方向间隔开，每个定子齿上均布置有磁悬浮线圈，所述磁悬浮线圈用于悬浮所述磁悬浮轴承的转子并且用于控制所述转子在径向方向上的运动。

根据本公开的一个示例性实施例，每个定子齿均可以包括水平部分和竖直部分而使其呈倒“L”形，所述定子齿的水平部分与所述转子处于基本相同的高度并且二者之间存在间隙，所述磁悬浮线圈缠绕在所述定子齿的竖直部分上并且所述磁悬浮线圈产生的磁通量能够穿过所述定子齿的水平部分、通过所述定子齿的水平部分和所述转子之间的间隙、并穿过所述转子。

根据本公开的一个示例性实施例，每个定子齿均可以沿着径向方向从定子齿本体朝向中心延伸而使其呈“一”字形，所述定子齿与所述转子处于基本相同的高度并且二者之间存在间隙，所述磁悬浮线圈缠绕在所述定子齿上并且所述磁悬浮线圈产生的磁通量能够穿过所述定子齿、通过所述定子齿和所述转子之间的间隙、并穿过所述转子。

根据本公开的一个示例性实施例，所述磁悬浮轴承还可以包括位移传感器和控制器，所述位移传感器用于测量所述转子在径向方向上的位移并向所述磁悬浮轴承的控制器发送位移信号，所述磁悬浮轴承的控制器根据所述位移信号独立地改变流经相应的一个或多个磁悬浮线圈的电流的大小和/或方向，从而控制所述转子在径向方向上的运动。

根据本公开的一个示例性实施例，所述刚度增益机构的定子永磁体可以被抵接在所述定子的表面上。

根据本公开的一个示例性实施例，所述磁悬浮轴承还可以包括支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述刚度增益机构的轴向动力体。

根据本公开的一个示例性实施例，所述支撑结构可以是所述磁悬浮轴承的定子的一部分。

根据本公开的一个示例性实施例，所述支撑结构可以是所述磁悬浮轴承的转子驱动器的一部分。

根据本公开的一个示例性实施例，所述支撑结构可以是所述磁悬浮轴承的外壳的一部分。

根据本公开的一个示例性实施例，所述支撑结构还可以用于将所述刚度增益机构的定子永磁体抵接在所述定子的表面上。

根据本公开的一个示例性实施例，所述磁悬浮轴承的转子可以呈圆盘状。

根据本公开的一个示例性实施例，所述定子永磁体的内周面可以与所述磁悬浮轴承的定子齿的内周面对齐。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子永磁体的外周面可以与所述磁悬浮轴承的转子的外周面对齐。

根据本公开的一个示例性实施例，所述定子齿可以由导磁性材料制成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述定子齿可以由铁磁材料制成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子可以由导磁性材料制成。

根据本公开的一个示例性实施例，所述转子可以由铁磁材料制成。

根据本公开的示例性实施例的第三方面，提供了一种血泵，所述血泵包括根据本公开的示例性实施例的刚度增益机构。

根据本公开的示例性实施例的第四方面，一种血泵，所述血泵包括根据本公开的示例性实施例的磁悬浮轴承。

本公开的附加和/或其他方面和优点将在下文的描述中阐述，或者从描述中显而易见或者可以通过本发明的实践来学习。本公开的各种技术特征可以任意组合，只要它们不相互矛盾即可。

附图说明

结合附图，参考下面对本公开的具体实施方式的详细描述，本公开的上面提到的特征和优点和其他特征和优点、以及实现它们的方式将会变得更加显而易见。在附图中：

图1是现有技术中的一种磁悬浮轴承的示意图；

图2是根据本公开的一个实施例的带有刚度增益机构的磁悬浮轴承的透视图；

图3是根据图2所示的带有刚度增益机构的磁悬浮轴承的剖视图；

图4具体示出了根据图2所示的磁悬浮轴承的刚度增益机构的局部透视图及其磁化方向的示意图；

图5示出了根据本公开的刚度增益机构的轴向动力体的一个不同实施方式；

图6是根据本公开的另一个实施例的带有刚度增益机构的磁悬浮轴承的透视图；

图7是根据图6所示的带有刚度增益机构的磁悬浮轴承的剖视图。

在附图中，相应的附图标记表示相应的部件。这里描述的示例用于阐述本发明的示例性方面，这些示例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下将参考附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。

出于描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“横向”、“纵向”以及它们的派生词均与本公开的附图中的取向有关。然而应该理解的是，本公开可以采用各种替代性的变型，除非明确相反地说明。

说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。

在说明书中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“联接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接联接”至另一元件或、或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

参考图2和图3，示出了根据本公开的一个实施例的磁悬浮轴承20。磁悬浮轴承20包括定子21和布置在定子内部的转子22。转子22可以呈圆盘状并且能够围绕转动轴A转动。理想情况下，定子21和转子22同轴。定子21包括圆环状的定子本体210和沿着圆周方向布置在定子本体210上的多个定子齿211。定子齿211和转子22均由导磁性材料制成，比如均由铁磁材料制成。在根据图2和图3所示的实施例中，定子齿211包括彼此垂直的竖直部分和水平部分，呈倒“L”形。定子齿211的水平部分与转子22可以具有相同的厚度，并且在理想情况下，定子齿211的水平部分与转子22处于相同的高度，且定子齿211的水平部分与转子22之间存在间隙或气隙G。具体而言，定子齿211的水平部分包括上表面2111、下表面2112、和呈弧形的内周面2113；转子22包括上表面221、下表面222、以及呈圆周形的外周面223。在理想情况下，定子齿211的水平部分的上表面2111与转子22的上表面221齐平、定子齿211的水平部分的下表面2112与转子22的下表面222齐平、且定子齿211的水平部分的内周面2113与转子22的外周面223之间具有相等的间隙或气隙G。另外，磁悬浮线圈212缠绕在定子齿211的竖直部分上，用于向转子22提供径向电磁力(吸力或斥力)，以便使转子22悬浮起来。具体地，磁悬浮线圈212被电流激励后，能够在定子齿211上产生电磁场。通过定子齿211和转子22对磁场的导通，能够在定子齿211和转子22间产生径向电磁力(吸力或斥力)，从而使转子22能够悬浮在径向平面(图2和图3中的X-Y平面)中。

在图2和图3所示的实施例中，定子21包括四个定子齿211，每个定子齿211上均设置有磁悬浮线圈212。四个定子齿211沿圆周方向均匀分布，从而可以被分成两对定子齿，每对定子齿中的两个定子齿沿径向方向彼此相对地布置，比如，一对定子齿211可以沿着X轴相对布置，而另外一对定子齿211可以沿着Y轴相对布置。根据需要，也可以设置更多对定子齿(比如三对或四对定子齿)而不偏离本公开。

根据具体情况，每对定子齿211上的磁悬浮线圈212可以在转子22上产生方向相同或方向相反的电磁力。比如，在转子稳定悬浮的理想情况下，每对定子齿211的磁悬浮线圈212可以在转子22上产生方向相反的电磁力，使得转子22能够稳定地悬浮于径向平面中，而不会沿着X轴或Y轴发生径向位移。而在一些情况下，比如当磁悬浮轴承20由于受外力引发的振动而导致转子22径向偏移离开中心平衡位置时，为了使转子22更快地返回到中心平衡位置，每对定子齿211的磁悬浮线圈212可以在转子22上产生方向相同的电磁力，该电磁力的合力方向与转子径向偏移的方向相反，从而有助于使转子22快速返回到中心平衡位置。此时，可以通过单独地调节流经相应的一个或多个磁悬浮线圈212上的电流大小和/或方向来改变其所产生的电磁力的大小和/或方向，通过产生的所谓“推-拉”效应来使转子22向相反的径向方向移动，从而使其快速返回到能够稳定悬浮的中心平衡位置中。在图2和图3所示的实施例中，一对定子齿211上的磁悬浮线圈212能够控制转子22在X轴上的位移，而另一对定子齿211上的磁悬浮线圈212能够控制转子22在Y轴上的位移，从而能够调节转子22在径向平面中相对于定子21的位置。

上述调节借助于位移传感器和控制器来实现。其中，位移传感器用于检测转子22相对于定子21的位移并向控制器发送信号。控制器通过线路与磁悬浮线圈212相连。在接收到来自于位移传感器的信号之后，控制器根据需要独立地改变流经相应的一个或多个磁悬浮线圈212的电流的大小和/或方向，从而改变在定子21和转子22之间产生的径向力的合力大小和指向，使得转子沿着期望的方向移动而调节转子22在径向平面中相对于定子21的位置。

如上文所述的那样，虽然成对布置的磁悬浮线圈212能够使转子22悬浮在径向平面中，并且能够经由控制器改变磁悬浮线圈212中的电流大小和方向来调节转子22在径向平面中相对于定子21的位置(即：转子22在X轴和Y轴上的运动自由度是受控的)，但是仅凭这些磁悬浮线圈212不能有效地控制转子22的扭摆自由度(即：不能有效控制转子22围绕X轴的转动和围绕Y轴的转动)。

为了解决磁悬浮轴承的扭摆自由度的刚度问题，并且为了尽可能地缩小转子的体积、特别是与二次流道相关的转子高度，本公开提出了在磁悬浮轴承上增加一刚度增益机构23(如图3中的虚线框所示)的技术方案。该刚度增益机构23不仅大大增加了磁悬浮轴承的转子的扭摆刚度(即：使得转子不容易产生扭摆运动)，同时还摈弃了现有的比如三明治结构的缺陷，显著缩小了磁悬浮轴承的转子体积以及与二次流道相关的转子高度。

参考图3-图5来详细描述根据本公开的刚度增益机构23的具体结构及其工作原理，其中，图3以剖视图示出了根据本公开的刚度增益机构23在磁悬浮轴承中的布置，图4以局部透视图的形式更清晰地示出了根据本公开的刚度增益机构23的具体结构并且以示意图的形式示出了刚度增益机构23的各部件的磁化方向，而图5则示出了刚度增益机构23的轴向动力体233的一个不同实施方式。

首先参考图3和图4，根据本公开的刚度增益机构23包括：转子永磁体231，所述转子永磁体以平行于转子22的主平面P且与转子22相抵接的方式布置于转子22的一侧，所述转子的主平面P为转子22在径向方向上的对称平面；定子永磁体232，所述定子永磁体以平行于转子22的主平面P且与定子21的定子齿211相抵接的方式布置在定子21的定子齿211的一侧，定子永磁体232所处的一侧与转子永磁体231所处的一侧相同并且定子永磁体232与转子永磁体231在径向方向上间隔开一定的距离(在图3和图4所示的倒“L”形定子齿中，定子永磁体232以平行于转子的主平面P且与定子齿211的水平部分相抵接的方式布置在定子齿211的水平部分的下侧)；以及轴向动力体233，所述轴向动力体以面对着转子永磁体231且与转子永磁体231在轴向方向上间隔开一定的距离H的方式布置(在图3和图4所示的实施例中，轴向动力体233还平行于转子的主平面P)。在根据本公开的刚度增益机构中，转子永磁体231和转子22形成转子组件，所述转子组件相对于转子22的主平面P具有不对称的结构。另外，根据本公开的刚度增益机构构造成使得定子永磁体232对转子永磁体231产生径向吸力、而轴向动力体233对转子永磁体231产生轴向斥力，所述轴向斥力的大小能够随233轴向动力体和转子永磁体231之间的轴向距离的改变而改变。通过该径向吸力和轴向斥力的综合作用来增大转子22的扭摆刚度，其具体原理将在下文详细描述。

在图3和图4所示的实施例中，转子永磁体231和定子永磁体232均呈圆环形的一体结构，且二者均具有矩形的横截面。转子永磁体231可以抵接转子22的下表面222且转子永磁体231的外周面2311可以与转子22的外周面223对齐。定子永磁体232可以抵接定子齿211的水平部分的下表面2112且定子永磁体232的内周面2321可以与定子齿211的水平部分的内周面2113对齐。这样，转子永磁体231和定子永磁体232彼此间隔开与定子21和转子22间隔开的距离G相同的距离。然而，本公开不局限于此，转子永磁体231和定子永磁体232彼此间隔开的距离也可以与定子21和转子22间隔开的距离G不相同。另外，转子永磁体231与定子永磁体232可以具有相同的厚度。然而，本公开不局限于此，转子永磁体231与定子永磁体232也可以具有不同的厚度。

转子永磁体231可以以各种适当的方式固定于转子22的下表面222。如前文所述，转子永磁体231和转子22形成的转子组件相较于转子22的主平面P具有不对称的结构(即：转子永磁体231仅位于转子22的主平面P的一侧)，这是与现有的比如三明治结构的一个重要不同。三明治结构等现有结构中的永磁体大多相较于转子对称布置，这必然需要在转子两侧布置至少两个永磁体。由于上文提及的永磁体的磁化边际效应的存在，两个单独的永磁体所产生的磁场强度小于等同体积的单块永磁体所产生的磁场强度。因此，为了达到单块永磁体所产生的期望磁场强度，分割成两个永磁体布置时必然要加大这两个永磁体的高度或体积，这与现在主流的磁悬浮轴承小型化是相背的。而根据本公开的转子永磁体231布置在转子22的一侧，这样形成的非对称结构不仅能够实现对称结构所应有的功能，同时还可以以较小的转子永磁体体积和高度来缩小转子的体积以及与二次流道相关的转子高度。在将这样的磁悬浮轴承应用于比如血泵中时，能够显著降低对比如血液细胞的破坏，从而增加了血液相容性。

轴向动力体233沿着轴向方向位于转子动力体231的正下方。优选地，轴向动力体233可以以固定不动地方式布置在转子永磁体231的正下方。与轴向动力体233可以运动的方式相比，固定不动的布置方式能够在一定程度上减小轴向动力体233与转子永磁体231由于运动成彼此不对准而造成的不利影响。然而，本公开不局限于此。轴向动力体233也可以具有一定的自由度，比如其也可以围绕转动轴A旋转。

在根据本公开的一个实施例中，轴向动力体233可以呈环形永磁体的形式(如图3-图4所示)。构造为环形永磁体的轴向动力体233与转子永磁体231可以具有相同的宽度并与转子永磁体231在宽度上完全对准。然而，本公开不局限于此，构造为环形永磁体的轴向动力体233与转子永磁体231也可以具有不同的宽度。构造为环形永磁体的轴向动力体233在空间中形成与转子永磁体231相斥的磁场，从而对转子永磁体231产生被动的轴向斥力(即：向上的推力)。一方面，当转子永磁体231和转子22形成的转子组件水平地悬浮在径向平面中而不围绕X轴或Y轴扭摆时，该被动的轴向斥力倾向于将转子组件向上推，同时转子组件受到来自定子21的磁悬浮线圈212和定子永磁体232所产生的径向吸力作用，该吸力具有向下的拉力分量来抵抗轴向动力体233所产生的被动轴向斥力，从而可以将转子组件维持在空间中的期望位置，并且可以避免转子组件碰撞磁悬浮轴承的底部。另一方面，当转子组件在径向平面中倾斜而围绕X轴或Y轴扭摆时，转子永磁体231的一端将远离轴向动力体233，此时，轴向动力体233在转子永磁体231的该端所产生的被动轴向斥力会降低；而转子永磁体231的另一端将靠近轴向动力体233，此时，轴向动力体233在转子永磁体231的该端所产生的被动轴向斥力会增大。由于轴向动力体233作用在转子永磁体231的两端的被动轴向斥力大小不相等，从而在转子永磁体231上产生一围绕X轴或Y轴的净力矩。该净力矩与转子组件的扭摆方向相反，从而抵抗转子组件的扭摆而使其返回到径向平面中。换言之，在转子组件由于扭摆运动而使其不同部分产生上下移动的过程中，轴向动力体233根据距转子组件的不同部分的距离的不同而产生不同大小的被动轴向斥力，这些不同大小的被动轴向斥力在转子永磁体231以及转子组件上产生抵抗转子组件扭摆的净力矩，该净力矩协同定子所产生的径向吸力一起作用在转子组件上，使转子组件返回至径向平面中而稳定地悬浮。这整体上增大了转子组件的扭摆刚度，即：起到了刚度增益的效果。值得注意的是，刚度增益机构23的该调节过程是一个动态平衡的过程。

在根据本公开的另一个实施例中，轴向动力体可以采用电磁铁或空气线圈233’的形式(如图5所示)。在采用电磁铁或空气线圈233’作为轴向动力体的实施例中，轴向动力体可以包括多个电磁铁或空气线圈(在图5中只示出了一个电磁铁或空气线圈)，优选地可以包括成对的多个电磁铁或空气线圈。这些电磁铁或空气线圈可以沿着圆周方向彼此间隔开地布置在转子永磁体231的正下方、优选地彼此均匀间隔开地布置在转子永磁体231的正下方。采用电磁铁或空气线圈233’的轴向动力体是主动可控的，流经每个电磁铁或空气线圈的电流大小和方向均可以通过控制器或控制电路单独地改变。这样，在需要时，可以通过控制器或控制电路来改变流经相应的任意一个或多个电磁铁或空气线圈的电流大小和方向，从而改变所述相应的任意一个或多个电磁铁或空气线圈所产生的电磁力的大小或性质(即：可以将轴向动力体所产生的轴向斥力的大小，并且可以将轴向动力体最初产生的轴向斥力改变成轴向吸力)，以便增加转子组件的扭摆刚度。

具体而言，当转子永磁体231和转子22形成的转子组件由于扭摆运动(即：围绕X轴或Y轴旋转)而使其一端靠近轴向动力体、而其相反的一端远离轴向动力体时，可以改变流经这两个端部所对应的电磁铁或空气线圈的电流大小和/或方向，使得这几个对应的电磁铁或空气线圈一起产生抵抗转子组件的扭摆的净力矩而使转子组件回到径向平面中。特别地，可以只改变流经这两个端部所对应的电磁铁或空气线圈的电流大小，比如增大靠近转子组件的电磁铁或空气线圈的电流使其向转子组件产生更大的推力、同时减小远离转子组件的电磁铁或空气线圈的电流使其向转子组件产生更小的推力，从而在转子组件上形成更大的净力矩而使转子组件快速返回到径向平面中；也可以只改变这两个端部的其中之一所对应的电磁铁或空气线圈的电流方向，比如保持靠近转子组件的电磁铁或空气线圈的电流方向不变使其继续向转子组件产生轴向斥力(推力)、而改变远离转子组件的电磁铁或空气线圈的电流方向使其向转子组件产生轴向吸力，这样通过在一端推、一端吸的方式在转子组件上形成更大的净力矩而使转子组件快速返回到径向平面中；还可以将前面两种调节方法结合起来，同时改变流经这两个端部所对应的电磁铁或空气线圈的电流大小和方向以获得更大的净力矩，从而使转子组件更快地返回到径向平面中。

与采用永磁体作为轴向动力体相比，采用电磁铁或空气线圈233’作为轴向动力体能够更显著地增大转子组件的扭摆刚度，使其更稳定地悬浮。不过采用电磁铁或空气线圈作为轴向动力体时，电磁铁或空气线圈需要较大的体积以及较复杂的控制电路。因此，如果需要将磁悬浮轴承整体小型化，那么采用永磁体作为轴向动力体会是更优的选择；但是如果只要求将转子本身小型化(例如，作为放在体外的部件)，那么使用主动可控的电磁铁或空气线圈将会是更优的选择。

在图4和图5中，还示出了转子永磁体231和定子永磁体232的磁化方向，其示出为具有单一磁化方向。具体地，在图4和图5中示出的转子永磁体231和定子永磁体232具有轴向磁化的单一磁化方向。但是，本公开不局限于此。在满足本公开所要求的使转子永磁体231和定子永磁体232产生径向吸力的情况下，转子永磁体231和定子永磁体232可以具有任何其它形式的单一磁化方向(比如径向磁化或其它适当形式的单一磁化方向)，并且转子永磁体231和定子永磁体232可以具有不同磁化方向的单一磁化方向(比如转子永磁体231具有轴向磁化方向而定子永磁体232具有径向磁化方向，等)。另外，转子永磁体231和定子永磁体232也可以具有非单一磁化方向，比如锥形磁化方向或其它已知或未知的非单一磁化方向，只要其能够使转子永磁体231和定子永磁体232产生径向吸力即可。

返回到图3，磁悬浮轴承20还包括支撑结构24，支撑结构可以用于支撑刚度增益机构23的轴向动力体233。在图3所示的实施例中，支撑结构24同时用于支撑定子21、定子永磁体232、以及轴向动力体233。在该示例性实施例中，支撑结构24的中央部分包括凸台，该凸台包括圆环形凸缘241和由该圆环形凸缘围绕而成的凹腔242。其中，圆环形凸缘241用于支撑定子永磁体232并将定子永磁体232推抵在定子齿211的水平部分的下表面2112上。轴向动力体233放置于凸台的凹腔242的底部上。优选地，轴向动力体233固定不动地放置于凸台的凹腔242的底部上。

支撑结构24可以是定子21的一部分。但是本公开不局限于此，支撑结构24也可以是磁悬浮轴承20的外壳的一部分，或者是磁悬浮轴承20的其它合适部件的一部分、比如是磁悬浮轴承20的转子驱动器(例如，驱动马达)的一部分。

接下来参照图6和图7，其分别示出了根据本公开的另一个实施例的磁悬浮轴承20’的透视图和剖视图。图6和图7所示的磁悬浮轴承20’与图2和图3所示的磁悬浮轴承20具有类似的结构，只有定子齿和支撑结构有所不同。因此，为了简单起见，将不再描述相同的部件，而只描述不同的部分。

在图6和图7所示的实施例中，定子21’包括圆环形的定子本体210’和四个呈“一”字形的定子齿211’。这四个呈“一”字形的定子齿211’沿着圆周方向均匀布置，且沿着径向方向从定子本体210’朝向定子的中心延伸。呈“一”字形的定子齿211’可以具有相等的宽度(如图6和图7所示的那样)，但是其也可以具有不相等的宽度，比如定子齿211’可以具有渐缩的宽度，等等。

同样地，转子22’可以呈圆盘形状，并且定子齿211’与转子22’之间存在间隙或气隙G’。定子齿211’与转子22’可以具有相同的厚度，并且在理想情况下，定子齿211’与转子22’处于相同的高度。换言之，在理想情况下，定子齿211’的上表面2111’与转子22’的上表面221’齐平、定子齿211’的下表面2112’与转子22’的下表面222’齐平、且定子齿211’的内周面2113’与转子22’的外周面223’之间具有相等的间隙或气隙G’。

图6和图7所示的磁悬浮轴承20’的刚度增益机构与图2和图3所示的磁悬浮轴承20的刚度增益机构在结构和布置上均相同，在此不再赘述。磁悬浮轴承20’还包括的支撑结构24’，其同样用于支撑定子、定子永磁体、以及轴向动力体。与图3所示的结构不同，图7所示的支撑结构24’具有台阶的形状，其高度从外周至中心逐渐降低，从而在中心部位形成凹腔。支撑结构24’的最外侧的台阶支撑定子本体210’、中间的台阶支撑定子永磁体并将定子永磁体推抵在定子齿211’的下表面2112’上、而轴向动力体放置于位于支撑结构24’的中心部位的凹腔的底部上。

同样地，该支撑结构24’可以作为定子21’的一部分。但是本公开不局限于此，支撑结构24’也可以是磁悬浮轴承20’的外壳的一部分，或者是磁悬浮轴承20’的其它合适部件的一部分、比如是磁悬浮轴承20’的转子驱动器(例如，驱动马达)的一部分。

虽然上文已经结合图1至图7描述了本公开的示范实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，本公开不局限于所公开的具体结构。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，能够对本公开的示范实施例进行多种变化和改变。所有这些变化和改变均包含在权利要求所限定的本公开的保护范围内。

比如，图4中所示出的转子永磁体、定子永磁体、以及轴向动力体的磁化方向仅仅是一个示例，任何能够使转子和定子之间存在径向吸力、且转子和轴向动力体之间产生轴向斥力的永磁体磁化方向均符合本发明的原理。

再比如，在图2-3以及图6-7所示的磁悬浮轴承中，转子永磁体、定子永磁体、以及构造为永磁体的轴向动力体均被示出为呈圆环形的一体结构。然而，本发明不局限于此，转子永磁体、定子永磁体、以及轴向动力体中的一者或全部可以由沿着圆周方向间隔开的多个离散的永磁体构成，只要其能够达到预期的刚度增益效果即可。所述多个离散的永磁体可以具有弧形形状。采用间隔开的多个离散的永磁体可以例如在一定程度上降低永磁体的总质量，这在对总体质量具有较高要求的应用中具有一定优势。不过，采用间隔开的多个离散的永磁体作为转子永磁体、定子永磁体、或轴向动力体时，由于其在圆周方向上存在不连续性，在圆周方向上会产生不平均的磁力，这可能会造成转子的振动，使得转子的悬浮稳定性受到一定影响。

又比如，在图2-3以及图6-7所示的磁悬浮轴承中，支撑结构被示出为同时支撑定子、定子永磁体、以及轴向动力体。然而，本公开不局限于此，支撑结构主要用于支撑轴向动力体，而定子、定子永磁体可以由其它适当的部件进行支撑。另外，在图2-3以及图6-7所示的磁悬浮轴承中，支撑结构被示出为一体的结构。然而，本公开不局限于此，支撑结构可以由多个部件组装而成。

本公开由所附权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于磁悬浮轴承的刚度增益机构，所述磁悬浮轴承包括定子和布置在定子内部的转子，所述定子包括定子齿，所述刚度增益机构包括：

转子永磁体，所述转子永磁体以平行于所述转子的主平面且与所述转子相抵接的方式布置于所述转子的一侧，所述转子的主平面为所述转子在径向方向上的对称平面；

定子永磁体，所述定子永磁体以平行于所述转子的主平面且与所述定子的定子齿相抵接的方式布置在所述定子的定子齿的一侧，所述定子永磁体所处的一侧与所述转子永磁体所处的一侧相同并且所述定子永磁体与所述转子永磁体在径向方向上间隔开一定距离；以及

轴向动力体，所述轴向动力体以面对着所述转子永磁体且与所述转子永磁体在轴向方向上间隔开一定距离的方式布置；

其中，所述转子永磁体和所述转子形成转子组件，所述转子组件相对于所述转子的主平面具有不对称的结构；并且

其中，所述刚度增益机构构造成使得所述定子永磁体对所述转子永磁体产生径向吸力、而所述轴向动力体对所述转子永磁体产生轴向斥力，所述轴向斥力的大小能够随所述轴向动力体和所述转子永磁体之间的轴向距离的改变而改变。

2.根据权利要求1所述的刚度增益机构，其中，所述转子永磁体和所述定子永磁体具有单一磁化方向。

3.根据权利要求2所述的刚度增益机构，其中，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体具有轴向磁化方向。

4.根据权利要求2所述的刚度增益机构，其中，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体具有径向磁化方向。

5.根据权利要求1所述的刚度增益机构，其中，所述转子永磁体和所述定子永磁体呈圆环形的一体结构。

6.根据权利要求1所述的刚度增益机构，其中，所述转子永磁体和/或所述定子永磁体由沿着圆周方向间隔开的多个离散的永磁体构成。

7.根据权利要求1所述的刚度增益机构，其中，所述轴向动力体构造成固定不动。

8.一种磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承包括根据权利要求1-7中的任意一项所述的刚度增益机构。

9.一种血泵，所述血泵包括根据权利要求1-7中的任意一项所述的刚度增益机构。

10.一种血泵，所述血泵包括根据权利要求8所述的磁悬浮轴承。

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