混合慈悬挂和转动的离心泵送设备及方法

专利名称：混合慈悬挂和转动的离心泵送设备及方法
技术领域：
本发明涉及磁支承和转动转子，更具体来说，涉及一种离心泵设备，其盘状叶轮是以无接触方式磁悬挂和转动的，叶轮的转速是由流体压力及叶轮定位算法电子控制和变化的。
流体泵曾有种类繁多的类型和结构，所有流体泵基本为同一最终目的而工作，即，提供从一个地点向另一地点的流体运动。所有的泵具有相似的特征，借助泵的工作产生的真空通过容器或管道将流体抽入泵中。除了主要的真空力以外，次要的力如重力、叶轮惯性力或存在的管道/容器流体压力也对流体的流动具有作用。泵机构的工作可产生流体压力和/或流体速度，因而接着产生通过泵的进口将流体抽入泵中的真空。借助泵机构流体从进口送过泵，然后使流体流向泵的出口。
流体泵的结构主要根据其功能而变化。例如，升力泵利用往复运动使流体移动，而真空泵则产生真空，用真空来使流体移动。旋转式轴流泵利用连接于转轴的螺旋桨状叶片实现流体的移动。喷射泵利用蒸汽喷射器，其进入汞内的一个狭窄的腔室，形成一个低压区，低压区相应地形成将流体从进口抽入腔室中的抽吸力。虽然还可限定其它种类的泵，但是，在下文中将更具体地提到敏感液体如血液的流体泵，其更容易地适应于对泵的尺寸和几何形状要求苛刻的环境。
旋转式离心泵就其性质而言结构更为紧凑，适于泵送敏感流体。与许多普通的工业应用场合相比较。血液流动泵具有相对较低的流动速率工作特性，但要求显著的压升。离心泵比轴流式泵或其它结构更适用于这种应用场合。因而本发明的推荐实施例采用离心泵结构。这种泵包括若干安装在叶轮上的肋或叶片，其转动力借助离心作用将流体推向转子之外。离心泵一般具有装在浸入流体中的装在轴上的叶轮，轴穿过一密封和轴承装置伸向驱动机构。叶轮的旋转叶片在转动轴线的中心附近形成局部真空，从而通过泵的吸入口抽入流体。泵的静止件中有光滑的泵涡室以保证被泵送的流体从叶轮的出口顺利地流向泵的出口通道。当泵流排出泵的叶轮时，涡室积蓄泵流并发挥增加流体压力的作用，这是通过将流体的动能(速度)转换成势能(压力)而实现的。虽然离心泵并不需要流动运动的阀门，但是，泵的几何形状必须使得通过输入口抽入的流体继续通过泵送机构流向出口而没有显著的内部流体泄漏即无效。
大家知道这些现有技术的泵具有问题，例如，据不少文件记载，在传统的离心泵中的轴封都容易磨损、失效，甚至受某些流体的侵蚀，因而产生泄漏问题。大家也知道，用于某些流体的泵需要精心地设计，并需要特殊的泵送技术，以便避免流体损害、污染和其它不利的情况。例如，腐蚀性流体(酸或碱)或敏感的流体如血液需要特别的考虑，使密封装置不致泄漏，因而丧失液体的整体性。通过连续流动的泵来泵送敏感的流体如血液，还需要高度可靠和非损伤的轴承来支承旋转叶轮。现有技术的泵，其叶轮转动时支承叶轮的轴承具有很明显的问题。如果靠轴封来隔绝敏感流体(血液)并用无体(non-body)流体来润滑，那么，只能使用滚珠和其它滚动件的轴承。在这种情形中，上述所有密封问题都会发生。如果普通的滚珠或其它滚动件轴承采用敏感流体作为润滑剂，那么，敏感流体的活性，如血液中的红细胞由于在轴承中滚动件间研磨而在短时内毁灭。由敏感流体润滑的推力和径向流体膜轴承已经在一些现有技术的泵中被采用，它们由于转动件在静止件中的咬死、血栓(凝块)的产生、因溶血而对敏感流体的损害(高剪切)及其它问题，因而性能不佳和/或多发生故障。流体膜轴承也不能提供关于泵的瞬时压力和流量的信息，而这些信息却可用来控制电机，以便使生理需要与未来泵的性能相匹配。传统的滚珠轴承和流体膜推力和径向轴承没有长期的可靠性，而这正是必须避免流体停滞和高的流体剪切应力的泵如血液泵所需要的。另外，滚珠轴承当用于泵送敏感流体时寿命有限。往往必须由外部润滑液润滑，这就需要保留润滑液的密封装置。轴承润滑液的输送和容纳增加了泵的总体尺寸，另外，由于需要额外的容器和用来输送和冷却润滑油的机构，因而也增加了操作的复杂性，因而如果用于替代自然心脏功能，使泵不能被植入。因此，带有轴和传统轴承的流体泵的较短寿命使其不适于植入体腔以长期替代自然心脏功能。
另外，血液的泵送还涉及叶轮式血液泵的轴封由于对滞流和过热敏感而产生的公知的特殊危险。另外，泵送敏感流体如血液需要精心考虑叶轮叶片和泵壳的几何形状。过度的机械工作和血液受热会使血液成份由于溶血和蛋白质变质而受到破坏，这会引起凝块和血栓。
泵工作的损害血液作用的避免最好由自然心脏功能完成。自然心脏具有两项基本功能，每侧进行不同的泵送功能。自然心脏的右侧从身体接受血液并将其泵送至肺，而自然心脏的左侧从肺收集血液并将其泵送至身体。自然心脏的跳动，与心脏阀门结合，形成一种跳动的、显著平稳及流动方式的血液泵送。自然心脏的血液流动(心脏输出)主要是由静脉返回调节的，也可称为泵的预负载。但是，由于疾病或事故，自然心脏功能可能部分或全部丧失。用来替代自然心脏功能的机械设备，从早期的尺寸极大的心肺氧合设备已发展到现在的设备，其尺寸和功能更接近于自然心脏。
除了完全的心脏更换外，其它机械设备的发展集中在替代自然心脏的一部分功能，例如心室辅助装置，它用来辅助因疾病或其它损伤由削弱了的有障碍的左心室。自然心脏功能(无论是部分或全部的)替代的主要考虑因素是，血液必须以平稳、低热及非破坏性的方式泵送过整个设备。例如，如果由机械轴承支承的泵的叶轮与血液接触，那么，轴承零件之间的相对运动导致血液过度的机械运作，这可引起血细胞破裂，从而导致溶血。另一种可能损害血液的机械作用是，在泵中形成半滞流的区域，或在这种区域中形成涡流，不能形成充分的血液交换，这相当于形成了血液滞流。血液滞流往往导致血液凝块(血栓)，因而使血液完全停止流动。另一种可能损伤血液的作用是由于血液流过泵时与泵侧壁或其它泵送机构的摩擦引起的过热。具体来说，泵内几何形状的突然角度变化所引起的侧壁摩擦要求血液跟随方向的急剧变化，从而产生对血液的过度机械作用，引起血细胞破裂或血小板活化及相应的溶血和血栓。另一种由泵的低效工作引起的可损伤血液的作用是供给泵的大量能量以排放到血液中的热的形式出现，从而因过热和凝结而损坏血液。值得注意的是，因为血蛋白在42℃时开始变性，所以可引起血液过热的泵的低效工作会引起很严重的危及生命的情况。
前述的滞流、泵的几何形状突然变化、紊流和/或受热状态会使血小板活化和/或破坏载送氧的红血球。对血液的损伤会开始一种链式反应，形成血栓，可能阻塞血液容器，使组织缺乏营养，并导致严重的危及生命的状态。为了避免与泵送血液有关的前述问题，曾作过大量的努力，在滚子泵中采用挠性膜片和可收缩的管路。但是大家知道，膜片和/或管路材料的连续挠曲可改变材料与血液接触的性质，导致材料疲劳、挠性材料内壁的移动的碎屑，以及碎屑进入血流形成的栓。
除了上述对泵送血液的条件要求以外，叶轮转动速率对敏感的容器的稳定性和结构也有很大影响。不是由泵的预负载压力调节的叶轮转动操作将恰好在泵进口之前引起敏感容器中的心房抽吸，其中，当叶轮转动超过血液容器壁的刚度时，血液容器就会崩溃。现有技术的泵送设备未设置充分的控制装置以保证对叶轮转速的快速调节不会具有负面效应。
美国专利第5,055,005号公开了一种由相反流体漂浮的流体泵、只由相反流体来稳定叶轮不足以在泵壳中维持叶轮的精确位置，而且高压的流体喷射使血液发生前述的因血液机械作用引起的血液凝结。
美国专利第5,195,877号公开了一种流体泵，带有磁飘浮的叶轮，利用一根由磁飘浮转子包围的刚性安装的轴，所述转子用作流体的叶轮。该发明的轴引起了在轴和转动叶轮的结合部对液压轴承和密封装置的需要，因而在轴承区域使血液或敏感流体产生热的和滞流的状态。
本专业技术人员25年来研究了用作人造心脏并在试验中植入动物的泵。这些研究提供了血液泵送设备相对效率的有用反馈。这些泵可以归类为产生脉动或非脉动流的泵。产生脉动流体运动的泵(正排量泵)更接近于自然心脏所产生的流体运动。迄今以来的信息并没有确定脉动的流体运动是否为提供生理上的好处所需要的，或者，是否脉动流体运动主要是由于心脏肌肉的非转动性质。大多数脉动泵都需要(机械的或组织的)阀门，其具有固有的机械问题或局限。
在现有技术的非脉动泵中虽然并不需要阀门系统，但是，非脉动泵需要穿过各种轴承和密封装置的转动轴。这些轴产生血液滞流、污染及不利的热状态，因而不能长期用作替代自然心脏功能的泵。最早期的现有技术的旋转式非脉动系统安装在体外，短期用于辅助心脏工作，取得了中等程度的成功。
一种血液泵送设备是完整的人造心脏。这种完整的人造心脏曾用在5个病人身上作为病理学的，不可恢复的心室，并曾用在300个病人身上作为心脏移植的暂时过渡。在完整的人造心脏上最长的支承为795天。其它的血液泵送设备，例如心室辅助装置曾经在心脏手术过程中用在不可从心肺旁路切断的病人身上，或者用在只有一个心室故障的病人身上。自然心脏功能的最常见的机械替代是借助心室辅助装置作为心脏移植的暂时桥梁，1250个以上的病人使用过这种暂时的心室辅助装置。
在历史上，血液泵送设备曾发生过许多问题。例如，往复式(膜)完整人造心脏的泵送机构曾使用气体(气动系统)、电(电机、螺线管等)及骨髂肌肉作为能源。这些能源及有关的转换系统具有附加的零件，这增加了整个系统的复杂性，因而使整体可靠性受到影响。另外，完整人造心脏的现有技术系统的尺寸使病人的活动受到限制，无益于接受者的生活质量。另一个现有技术设备不完全满足的限制性因素是，能量转换系统的过大尺寸和复杂性及泵的总体结构超过了可用的解剖空间。另外，大多数上述现有技术的往复式系统表现出过高的(ⅰ)噪音特性，(ⅱ)振动，以及(ⅲ)反冲(推力)水平。
现有技术的旋转式泵的许多问题，本专业技术人员曾通过使泵满足于上述泵送敏感流体(如血液)的要求而试图加以解决。这种泵的改进可以通过下述方式实现，即，通过位于叶轮和壳上的电磁铁来支承叶轮，使叶轮的转动无需轴、密封装置或润滑系统。没有某些形式的附加支承的永久磁铁不能使物体如叶轮悬浮，而是需要附加的在某个轴线上的可调支承或力来实现稳定的悬挂。这是以厄恩肖理论为基础的，该理论指出只由永久磁铁构成的悬挂系统是不稳定的。但是，有效控制的电磁铁可以用来在所有的运动自由度上稳定和支承物体。另外，带有一个反馈位置传感器的电磁铁可以提供物体(即，在离心流体泵情形中的叶轮)的稳定的悬挂。在混合式磁支承叶轮中的唯一能量消耗是用于稳定和转动叶轮的电磁能。用于叶轮悬挂和转动的永久磁铁和一个电磁铁可以使泵稳定有效地工作。
在过去的10年中，现有的专利已经公开了磁悬挂和转动的转子，但其成功是有限的。这些现有技术的结构使用部分的磁悬挂来降低对血液的危害。虽然现有技术的磁悬挂装置成功地降低了一些旋转轴的摩擦危害，但是，现有技术的装置由于尺寸、复杂性和不是最佳的叶轮定位、位置传感和速度控制仍不能在完全心脏替代中用来移植。这些现有的发明尺寸过大、难于保持叶轮精确定位和速度的原因大都是由于叶轮的几何形状，它们是圆柱形、球形或其它三维形状的。
因此，本专业中的重大进步是对于磁悬挂和转动的离心泵设备提供改进，减少尺寸并提高叶轮定位和速度控制精度。本专业另一个进步是提供一种离心泵设备，它没有轴、滚动件或流体膜轴承、机械密封件或有形的接近传感器，因而使泵的结构整体性更好，没有机械接触、磨损、因轴承咬死引起的故障，以及不会发生血栓或剪切损伤。本专业的另一个进步是提供一种离心泵设备，其叶轮和泵壳的几何形状可在整个泵机构包括泵的输出口提供流体的有效及低紊流的输送。另外，本专业的一个进步是提供一种多用途离心泵设备，它可按照脉动或非脉动方式工作。
本发明的一个主要目的是对敏感流体的旋转式离心流体泵提供改进。
本发明的另一个目的是对使用永久磁铁、高效非接触轴承和高效电机组合的流体泵提供改进。
本发明的另一个目的是提供一种尺寸紧凑得能够进行解剖植入的离心泵送设备。
本发明的另一个目的是提供一种产品寿命、要求很少保养的离心泵送设备和方法。
本发明的另一个目的是提供对用来进行部分或全部心脏功能替代的离心流体泵的改进。
本发明的另一个目的是提供一种离心泵送设备和方法，其泵结构的几何形状使敏感流体在整个泵可进行有效的、低紊流的输送和输出，包括正好在出口外的低紊流输出。
本发明的另一个目的是提供一种离心泵送设备和方法，使得流体压力和输出的流体体积可通过流体比压和定位算法电子控制和改变。
本发明的另一个目的是提供一种离心泵送设备和方法，它能以脉动或非脉动方式工作。
本发明的另一个目的是提供一种离心泵送设备和方法，它适于用作心室辅助装置，也适于配对提供完全的心脏替代。
上述的目的和设备特别提到的其它目的是通过用于泵送敏感的生物流体的离心流体泵设备和方法实现的，其包括(ⅰ)完全由永久磁铁和电磁铁轴承组合支承且由整体电机转动的整体叶轮和转子，(ⅱ)用于流体流动和盛放的泵壳和弧形通道，(ⅲ)嵌入式且与泵壳整体的无刷驱动电机，(ⅳ)电源，以及(ⅴ)叶轮位置、速度或加速度的特殊的电子传感，电机速度和泵的性能采用自动传感方法和生理控制算法(physiological controlalgorithm)，其基础是来自电磁轴承电流和电机反电动势的输入。-所有这些一起提供高效、耐久、低保养的泵工作。专门设计的叶轮和泵壳构成用于以减少的流体紊流将流体通过泵送至泵出口的机构。
通过对照以下附图对本发明推荐实施例的描述可以进一步理解本发明的上述的和其它的目的和特征。


图1是本发明的磁悬挂和转动的泵送设备的立体图。
图2是由一个电磁轴承和多个永久磁铁完全支承并由本发明的电机转动的泵送设备的分解侧视图。
图3是沿图1中3-3线的剖视图。
图4A是沿图3中线A的平面图。
图4B是沿图3中线A的剖视图。
图5A是沿图3中线B的平面图。
图5B是沿图3中线B的剖视图。
图6A是沿图3中线C截取的一个推荐实施例的平面图。
图6B是图3的一个表示电机定子的一个实施例的剖视图。
图7A是沿图3中线C的平面图。
图7B是图3中叶轮一部分的侧视图。
图8是图1的叶轮和泵壳的放大的局部剖视图。
图10是沿图9中A-A线的叶轮的剖视图。
图11是沿图9中B-B线的叶轮的前视图，其中已卸下护罩组件。
图13表示本发明的泵的磁致动的六个方向的坐标系和符号。
图16A表示为控制叶轮在定子间隙区域中位置而提供电子反馈的电子电路。
图16B表示图16B中所示的为控制叶轮在定子间隙区域中位置而提供电子反馈的电子电路的进一步细节。
图17表示本发明的一个自动传感部分的电子滤波器，该滤波器提取流体间隙尺寸信息，同时去掉电源电压、开关频率、工作循环变化，以及电子或磁噪声。
图18表示经过图17的滤波器时的信号图表。
图19是积分电路的示意图，其增益是由引至估计间隙的模拟放大器控制的。
图20是以电机电流及速度为基础的生理电子反馈控制电路的示意图。
图21是从轴承电流为基础的生理电子反馈控制电路的示意图。
图22表示用来相对于预负载和后负载信号调节电机速度的生理电子反馈控制电路。
现在参阅附图，图中各零件具有标号，本专业技术人员阅读后可实施本发明。下面的描述显然只是对本发明原理的举例说明，不应看作是对权利要求书范围的缩小。
旋转式离心泵的原理是其带有完全由永久磁铁和电磁轴承的组合所支承并由电机转动的叶轮，从而可防止对血液或其它敏感流体因下列状态造成的损坏(1)过热，(2)滞流，(3)冷结(血栓)或(4)由于泵的粗糙的机构或几何形状引起的紊流或流体的机械作用，从而引起流体的不稳定性，从而造成流体或血液成份的高度剪切(溶血)。另外，如果用于自然心脏的完全替代或心室辅助，本发明的设备尺寸能够装入可用的解剖空间。
为了适于用作血液泵，泵必须能够充分满足完全心脏替代的心室或双心室辅助装置的生理灌注需要。作为完全的心脏替代装置，泵必须尺寸足够小，且质量可植入可用解剖空间，而且对周围组织不致因设备过重而引起负面作用。另外，本发明的盘状叶轮可显著地减小泵送设备的尺寸和复杂性。本发明的泵送设备单个可用作辅助或替代部分心脏功能的心室辅助装置，或者一对设备可组合起来形成完全的心脏机械替代。在完全的心脏机构替代中两个设备的组合尺寸大致相当于自然心脏的尺寸，因而可植入可用的解剖空间。
本发明的叶轮完全悬挂和封闭在泵壳中，从而在叶轮和泵的其它部分之间形成无接触运转。泵的叶轮通过永久磁铁和电磁轴承的组合而被磁悬挂。永久磁铁以相反极性构制，当使用在盘状叶轮中固有的径向间隙中时可提供可靠的径向刚度，这不象现有技术专利中所述的相斥的永久磁铁环那样只能用在轴向间隙结构中。这种相反极性永久磁铁结构是盘状叶轮的几何形状所需要的，它封闭在泵壳中，因而在泵的叶轮和泵的其它部分之间形成无接触运转。泵的叶轮被永久磁力和电磁力的组合悬挂。电机转动泵的叶轮，进行泵送流体的功能。由于不存在轴、滚珠轴承、轴封或其它污染源，因而可以显著延长本发明泵送设备的产品寿命，从而能够长期替代自然心脏。
泵的叶轮绕一轴线转动，本说明书中使用的术语“轴向”是指平行于泵的叶轮转动轴线的方向。本说明书中使用的术语“径向”是指垂直于轴向的方向。本发明由永久和电磁铁轴承构成。包括磁铁和其它材料，由绕着轴承磁铁件的线圈中的电流起动，形成轴向力，提供对叶轮相对于泵壳定位的调节。需要以适当结构围绕叶轮布置的多个磁铁轴承来使叶轮在泵工作中定心并避免旋转和静止件之间的接触。必须控制六个叶轮自由度三个平动和三个转动自由度。这种无接触运转使轴承可以无磨损或无摩擦损失地工作。
在悬挂系统中设有电子反馈控制器，以便自动地调节(推力)轴承线圈起动电流，从而根据所施加的力调节磁铁轴承作用在转动的叶轮上的控制力。这种电子控制器连续地提供电子信号，电子信号与工作中转动的叶轮在泵的框架内的可用间隙空间中的位置或速度或加速度，或者位置、速度和加速度的组合相关。在本发明中设有操纵磁铁轴承中电磁起动器所需的变换或直流电功率放大器和电源。
本发明的叶轮位置和转速是借助专门的算法控制的，它检测流体压力和泵的叶轮在泵壳中的轴向位置，对转速和/或叶轮位置作出相应的调节，以便形成生理控制的完全综合控制系统。叶轮转速受到调节，以便相应于预负载压力(进口压力)和/或出口压力下的流体压力，从而与身体对增减泵的流动速率或压力升高的需要相匹配。
本发明的泵送设备的几何结构以平稳、无紊流和低热的方式提供在整个泵机构中的流体运动。叶轮的转动借助从盘状叶轮的中心伸向叶轮外部的特殊弯曲的叶轮叶片使流体离心式移动，并且在叶轮的转动轴线附近区域形成部分真空，从而将额外的流体抽入进口。血液或其它敏感流体不会由于沿着叶轮侧面的流体回流而在泵送设备中的任何部位滞流，上述叶轮侧面使流体回到叶轮中心，不会受到来自滞流凹槽、轴承或密封件的干扰。重要的是，本发明的泵送设备的泵壳、叶轮叶片、出口和所有其它方面的几何形状使得敏感流体受到保护，免于受到由于滞流、过热、紊流和对流体过度的机械作用引起的损伤。
流体被输送过整个泵送设备而没有急剧的角度变向。泵壳的结构设计得带有螺旋曲线，在整个泵壳上相同的弯曲斜度使得流体在泵壳中输送时没有方向上的突然的净角度变化，也没有由于与泵侧壁摩擦引起的净热增加和能量损失。
本发明的泵送设备的另一个重要特点是能够以脉动或非脉动方式运转。叶轮转速的周期变化使泵能够以脉动方式运转，这更接近于自然心脏的泵送作用，而叶轮均匀的转速使泵以非脉动方式运转。运转方式从脉动向非脉动的改变或相反的转变是通过改变泵的工作置位(operationsettings)而实现的，因而可以避免当决定从脉动或非脉动改变以便成为优选的工作方式时更换整个泵送设备而发生的损伤。
本发明的一个与现有技术的装置不同的方面是，在磁悬挂系统中设有产生电子反馈信号的装置，电子信号与转动的叶轮的位置、速度或加速度相关，可以通物理媒介如涡流、感应、光学、电容或其它途径产生，也可以通过从磁铁轴承中的起动线圈的电流或电压波形，或者电流和电压波形组合获得的自动检测电子信号产生。当将物理传感器装置放置在泵框中的泵框和旋转叶轮之间的间隙附近的情形中，从信号调节电子设备可得到泵框和旋转叶轮之间的间隙、位置、速度或加速度的电子信号。设有用于将信号输入磁铁轴承的电子控制器的线路。在推荐实施例中，使用自动检测信号，为了确定旋转叶轮的位置、速度或加速度进行信号调节，这样在电磁驱动器和电子控制器之间的线路通道中要求最少数目的线路。
电磁轴承及其控制电子设备具有物理传感器或自动检测信号，因而企图使叶轮位移的力(速度或加速度)可立刻被检测出来，输送至线圈的电流被改变，从而避免了由于上述力而产生叶轮位移的后果。
自然心脏的流量(心脏输出量)主要是由静脉返回(预负载)调节的。本发明的另一个重要特征，称为生理控制器，它提供一个信号，该信号用于确定预负载或泵的注入压力的变化。该控制器送出一个来自监测推力轴承中电流变化的信号。这信信号用来控制叶轮的转速、调节泵的抽吸压力及调节需要的泵输出量。磁悬挂泵的这种独特的特征可用来检测入流压力(预负载)，从而检测到与接受者的生理需要一致的，作为心室辅助装置(VAD)的流量(心脏输出量)。当两个泵用作完整的人造心脏(TAH)时，每个泵的转速将独立地调节，每个泵都对预负载敏感，从而提供与接受者的变化的生理需要一致的流量和平衡。这个特征使泵在使用时可以无需脉动泵要求的容积排量室的那种复杂程度。
本发明设有电机，向转子提供需要的转矩和转动。这是一种使用反电动势控制的三相无刷直流电机。该电机呈盘状，位于壳框的底部，在叶轮转动中心附近。用反电动势控制电机，可使电机有效起动并精确控制转速。如上所述，转速的变化是以预负载为基础的。
现在参阅图1，本发明的磁悬挂和转动的泵送设备在图中表示为构造10。构造10设有第一泵壳半部12和第二泵壳半部14，以及密封件28，限定了对其余泵送零件的包封，这将在下文描述。在图中没有画出对于工作是必要的电子控制器、电池或其它电源。构造10设有一个或多个进口容器，作为推荐实施例，图1中有一个进口容器19。泵的出口容器19是无缝成形的，与第一泵壳半部12连为整体，包括一个进口通孔20，它可容纳进入泵构造10的流体。流体经由进口容器19进入构造10，进口通孔20容纳流体并将其送至构造10轴向中心附近的区域。出口容器15与构造10的外缘相切，是通过使第一泵壳半部12与第二泵壳半部14相结合而形成的，容器壁构成泵的出口通孔16，由密封件28密封。
图2是本发明的磁悬挂和转动的泵送设备的分解侧视图。该分解图表示出泵的进口容器19、第一泵壳半部12、具有永久磁铁组56的轴承目标件100、叶轮护罩104、叶轮毂部108、叶轮进口112、永久磁铁52和57、叶轮叶片116、具有永久磁铁组59的电机转子120、永久磁铁54和58、出口容器15和泵的出口通孔16。图2中还表示出一个组合的轴向推力、力矩和径向轴承箱124，以及一个组合的轴向推力、力矩和径向轴承箱126。
现在参阅图3，螺旋出口18是由第一泵壳半部12和第二泵壳半部14组合形成的，是由密封28密封的。重要的是，本发明的对数螺旋出口18利用螺旋曲线形状来消除流体流从叶轮向出口容器15的输送过程中方向的突然的或大的变化，从而避免如上所述的对敏感流体的损伤。第一泵壳半部12和第二泵壳半部14以及密封件28也构成对内部叶轮21和叶轮室27a,27b,27c和27d(见图9)的可容度，这将在下文详述。流体经由第一回流室32和第二回流室34完全围绕叶轮21流动。
图3也表示控制叶轮21转速的电机40的一个实施例。
图4A和4B表示泵10的一部分。图4A表示第二泵壳半部14的部分A(见图3)的平面图，图4B表示图3的部分A的侧视图。绕组(或控制线圈)52和偏压线圈53也在图中画出，使本专业技术人员可以构制泵10。另外，还画出由电子控制器控制的轴向推力轴承45。
图5A和5B表示泵10的另一部分，图5A是第一泵壳半部12的部分B(见图3)的平面图，图5B是图3的部分B的则视图。绕组(或控制线圈)52和偏压线圈53也在图中画出，使本专业技术人员可以构制泵10。另外还画有由电子控制器控制的轴向推力轴承48。
图6A以平面图画出图3的部分C以表示绕组84，图6B表示电机40的定子80的一个推荐实施例。电机40将在下文详述。
图7A以平面图画出图3的部分c以表示电机40的转子即叶轮21的部分，并且表示永久磁铁92在转子上的布置。磁铁92弧形布置，北极91、南极93、北极91、南极93，等等交错直至完成图7A所示的圆形布置。
图7B以横剖图表示叶轮(或转子)21的同一部分。在图7A和7B中也画出永久磁铁环54，永久磁铁环组59及作为轴向推力轴承的目标的磁铁材料55、转子21将在下文中详述。
图8是图1的叶轮和泵壳的放大局部剖视图。图8主要表示图3中所示的剖视图的一部分，为参阅图进行的描述提供更为清晰的图面。
泵的叶轮21设有两个或更多叶片26a,26b,26c和26d，图9画出一个具有四个叶片26a,26b,26c和26d的推荐实施例。每个叶片26安装在叶轮护罩22和叶轮毂部24之间，形成叶轮室27,27b,27c和27d。每个叶轮叶片26a,26b,26c和26d分别相应于叶轮室27a,27b,27c和27d。
现在参阅图9,10和11，叶轮叶片26制有螺旋弯曲，因而叶轮21的转动使叶片26接触被泵送的流体，使流体径向地向着螺旋形出口18移动。叶轮21的转动离心式地将流体从构造10的轴向中心移向螺旋形出口18，从而在叶轮进口30的区域形成部分真空，通过进口容器19(图1)抽入额外的流体。具体来说，如图11所示，叶轮设计得使流动矢量从进口平滑过渡到出口。这是通过采用一个在进口处在叶片底部A叶片角为17°的实施例完成的。叶片角逐渐增大至在进口处叶片顶部B的11°。因此，叶片在进口附近在轴向上并不是直的。叶片逐渐过渡到在叶片中点C附近在轴向上是直的，角度为37°。这个37°的角保持至出口点D。相对于以叶轮21中心为圆心的一个圆的切线，所有叶片角都是内角。现在参阅图2，泵的螺旋位于泵的静止件中以便使被泵送的流体从叶轮的排放端以相对较高的速度平稳地流入泵的出口通道，在该通道中在从泵中流出前速度减慢。螺旋通过将流体功能转换成势能(压力)而使流体压力增加。
在一个具体实施例中，围绕叶轮21的间隙保持在0.030″从而对表面可进行良好的洗涤。在间隙通道中流向的任何变化都是通过加大曲率半径实现的，以便保持流动层。
现在再次参阅图3和8，在一个实施例中，由叶轮21泵送的一部分流体从螺旋18附近的高压区沿叶轮21两侧，经由第一回流室32和第二回流室34，作为反向流返回到叶轮进口30附近的区域。沿第二回流室34返回的流体也流过叶轮返回开口36，从而起到平衡内部压力的作用。回流室32和34的宽度是通过精确平衡主流量和反向流量而计算出来的，使流体不在泵中滞流，但也不致带来不必要的低效率。
叶轮21借助永久磁铁组52,54,56,57,58和59以及电磁铁44,46和48,50悬挂在其泵壳中。永久磁铁组52是位于第一叶轮盘22的实际周缘上的一个磁环，以北极接近，南极远离定向，从而利用从第一泵壳半部12的内壁背离的磁性斥力。相应地，永久磁铁组54是位于第二叶轮盘24的实际周缘上的磁环，以北极接近，南极远离定向，从而利用从第二泵壳半部14的内壁背离的磁性斥力，但是，其力的方向相反于永久磁铁组52，因而在叶轮21的圆周上，叶轮21在轴向上被稳定住。
第一外壳永久磁铁组56和第一叶轮永久磁铁组57以双环结构构制，邻近于叶轮进口30，在第一回流室32的两侧对齐，分别与第一泵壳半部12和第一叶轮盘22连为整体。为两个磁环中的每一个而设的第一外壳永久磁铁组56和第一叶轮永久磁铁组57的相反的极性可实现径向稳定性，由于角度定位，也形成叶轮21的一定程度的平动稳定性。
第二外壳永久磁铁组58和第二叶轮永久磁铁组59同样以双环结构构制，邻近于返回开口36，在第二回流室34的两侧对齐，分别与第二泵壳半部14和第二叶轮盘24连为整体。第二外壳永久磁铁组58和第二叶轮永久磁铁组59的相反极性使叶轮21能够径向稳定，并使叶轮有一定程度的平动稳定性。
磁铁组的双环结构是一种双磁铁反极性设计。每个磁铁组56，57,58和59位于叶轮21半径向点(one-half radial)上。每个组的环设置在相互吸引的方向上，各组以相互相反的极性放置。因此，磁铁布置具有产生可靠的径向刚性的性质。如果流体或其它力倾向于将叶轮21推离中心，那么，NS和SN环之间的吸引力产生一个径向定心力防止上述情况发生。对于本说明书中所述的几何形状和磁强度，径向刚度大约为67,000N/M。两个轴承组具有的综合径向刚度为134,000N/M。图示的这种双环布置可在心室辅助工作中保持叶轮适当的定心和运转。
值得注意的是，如上所述，四组永久磁铁环56,57,58和59承担了叶轮21在泵壳半部21中全部悬挂和稳定任务的一个显著部分，而叶轮21最后的稳定、精细定位和转动是由电磁推力轴承46和50、电激励线圈44和48，以及带有在42和60处的有关线圈的电机40提供的。叶轮21的这种磁悬挂和转动提供了一种无接触运转，这提高了总寿命和可靠性并可避免上面所描述的敏感流体的损伤。如上所述的四个磁环，每个都带有相反的北磁极和南磁极，其结构使得相互作用的磁场可产生可靠的径向和轴向刚度，这是反抗由于流体、电机力、重力负载、加速力和其它偶然力引起的径向和轴向力所必须的。
电磁推力轴承46和50包括静止的磁驱动件、电激励线圈44和48、电子控制器(未画出)、功率放大器(未画出)、盘测叶轮21的位置、速度或加速度的装置(未画出)。
电子控制器(未画出)对电激励线圈44和48中的电流提供自动调节，电流的这种改变可调节电磁推力轴承46和50施加的控制力。电子控制器连续地提供与旋转叶轮21的位置、速度和/或加速度有关的电信号输入。构造10的工作所需的另外的零件是开关的或直流功率放大器和功率sapless(未画出)。
如上所述，图6A和6B是电机40的电机定子80的平面图和剖视图。电机40是三相无刷电机，为起动和转动泵的叶轮21即转子而提供电磁力。如图7A和7B的实施例所示，电机40包括一个永久磁铁转子21，永久磁铁92嵌在离心或混流泵的毂部中。磁铁92呈楔形，其设置形成一个圆形转子。磁铁92的设置使永久磁铁在径向上及在角位上围绕转子21时北极和南极相互交错。现参阅图6A和6B，电机定子80具有由来自电子控制器的电流激励的绕组84。这种定子装置可产生与永久磁铁92相互作用的磁场，从而产生作用在转子21上的转矩。
虽然电机定子80取决于转矩、速度和轴承的需要可以在至少三种结构中被悬挂，但是，图6A和6B的结构表示一种无铁的结构；定子80不具有饱和磁材料。如图6B所示，线84绕在分开的支架上，并使用环氧树脂或类似材料在转子80上固定在位。
上述结构满足离心或混流医疗器械泵的独特标准，在背景技术部分中已描述过这种需要在转子中使用永久磁铁可以导致在电机的转子和定子之间无机械接触。电磁轴承组52,54,56,57,58和59使转子/叶轮21在转动中完全不与定子80接触。电机的几何形状满足下述要求，即，电机可以高效的方式驱动泵，同时在磁通间隙中形成层流，几乎没有血液滞流。这是通过保持大的弯曲半径来实现的。
图13表示用于限定叶轮21在需要的六个方向上的磁激励的坐标系三个平动(X,Y,Z)和三个转动(φ,ψ,θ)。所有三个平动偏移(X,Y,Z)和两个转动(绕两条轴线的俯仰运动)(φ,ψ)被磁力在空间中相对于定子几乎保持固定。最后一个转动(θ)，绕I轴的转动，是由电机完成的。
在一个推荐实施例中，磁轴承分两部分构成(1)一个推力/力矩结构，和(2)一个径向/推力结构。与全电磁实施例不同，虽然在本实施例中可以使多种布置形成四个象限的致动器，但是，永久磁铁随激励线圈一起使用并被成对设置，因而具有四个象限的控制。这提供了轴向致动(Z)和俯仰运动(φ,ψ)的组合。推力(Z)被产生，使在布置中的每个磁极在目标上作用相同的力。俯抑角致动力(力矩)也是由在叶轮中心线上、下方(φ角偏移)和叶轮左、右方(ψ角偏移)的永久磁铁产生的。电子控制器的作用是决定必须采用什么电流组合来精细调节上述轴线，即，提供最后的稳定、精细的定位和转动。在本发明的这个实施例中，轴向推力轴承是唯一的电子控制轴承。
第二，这种磁轴承结构可以在轴向(Z)、径向(X,Y)和角偏移(φ,ψ)上施加控制力。这两种磁轴承结构，推力/力矩和径向/推力结构，可产生使叶轮定心和受控所需要的磁力和力矩。
图16A和16B表示用于在定子间隙区域中电子反馈控制叶轮位置的电子电路的一个实施例。在这个推荐实施例中，这些电子电路只是因为轴向推力轴承是唯一的电子控制的线圈组因而才适用于轴向推力轴承。由电阻器、电容器、放大器等构成的电子电路使用比例-积分-微分控制方法或其它线性控制算法如状态空间(state space)、mu合成法、线性参数变化控制和非线性控制算法如滑动模式控制。具体的控制算法是考虑到叶轮刚性体回转力、流体刚度、阻尼和惯性等，其大小取决于叶轮位置、转动速率、压力升高和流动速率等。在一个实施例中，使用表面安装技术、大规模积成(VLSI)电路设计和其它手段使具体的电路微型化。
在图示实施例中，控制算法产生8个线圈电流，它们控制三个偏移(X,Y,Z)和两个角偏移(φ,ψ)。控制器算法设计完全考虑到作用在叶轮上的力的不确定性，例如流体刚度、阻尼和惯性、回转效应、磁力等。控制算法是由专用微处理器执行的，其带有可调参数变化执行，以考虑到对从儿童到成人不同尺寸的人体的不同应用场合的不同生理需要。
在本发明中采用功率放大器来产生电磁轴承需要的线圈电流，这是根据电子控制器输出电压确定的。由于功率放大器效率很高，具有85至99％范围的效率，因而在装置中采用开关放大器的一个实施例，它使用在比泵的叶轮转动频率高得多的频率下或开或关的电压工作。电子电源电路由磁线圈(带有电阻和电感)、电阻器、电容器、半导体元件构成。线圈采用低电阻电线。
这种电源电路设计为再生的，即，使磁轴承工作的电力在磁线圈感应器之间往复移动至电容器，只有低线圈电阻引起的损失(欧姆损失)。在磁线圈电路中存在高功率是额定功率的一小部分；额定功率是由电源电压乘线圈中的平均开关电流限定的。由于采用这种低功率开关放大器和再生式线圈，因而将对血液的不利加热减少到最小限度。
本发明设计得可产生与旋转叶轮的位置、速度或加速度相关的电子信号，这是通过下述之一产生的(ⅰ)如涡流、感应、光学、电容或其它方法的物理手段；或(ⅱ)提供给磁轴承中的激励线圈的电流和电压波形组合。在将物理传感器装置设置在靠近泵框和旋转叶轮间的间隙的泵框中的情形中，位置、速度或加速度的电子信号是为将信号输入磁轴承的电子控制器的信号调节电子装置和线路得到的。
在自动检测信号的情形中，提供信号调节是为了确定旋转叶轮的位置、速度或加速度，这无需具体的装置，从而可最大限度减少电磁致动器和电子控制器之间的线路通道中所需要的电线的数目。
本发明的检测功能的一个推荐实施例是自动检测结构。自动检测结构不必在定子中使用具体的传感器，最大限度减小了泵的尺寸和工作所需电线的数目。在图16A和16B所示的一个实施例中，位置检测是通过检查几个电磁线圈的电压和电流开关波形(采用上述的开关功率放大器)来完成的。每个线圈是由具有高载波频率(KHZ范围)的开关功率放大器来驱动的。所得电流波形，如图18中所示的一种，是频率相对较低的指令波形(为定位叶轮产生必须的控制力)和因高频载波器产生的高频三角形波形的组合。这种指令波形的幅度(大小)是电络电感(由于磁轴承中的磁性材料和由于流体间隙产生的综合电感)、开关频率、电源电压和开关放大器的工作周期(为产生需要的控制力，在放大器中采用的接通与断开电压的比率)的函数。
图17表示为抽取流体间隙尺寸信息，同时除去电源电压、开关频率、工作周期变化及电子或磁噪声的作用而在本发明的自动检测部分中设置的电子滤波器的一个实施例。采用参数估计法来解调信号并确定流体间隙尺寸。采用的滤波器方框图的一个实施例包括用来除去偏流的高通滤波器、用来使波形严格为正的精密整流器和用来除去剩余信号中的变化的低通滤波器。图17中所示实施例给出了一种高带宽的低噪传感器，适于流体间隙尺寸的自动检测信号确定。
图18表示当信号通过滤波器时其波形的序列图形180表示线圈电源电压，图形182表示典型的实际线圈电流波形，图形184表示从积分器(结合图19详述)输出的电流信号，积分器除去由于对外部施加的力和力矩的控制而引起的线圈电流的变化，图形186表示图形184的整流后波形，图形185表示使用低通滤波器抽取的图形186的时间平均。
图19表示抽取由于对外部施加的力和力矩的控制而引起的线圈电流的变化的电路。图中所示为负反馈电路推荐实施例，它包括一个积分器，其增益是由指向估计间隙的模拟放大器控制的。该反馈电路包括一个比例-积分器，用其将估计偏移和估计偏移的积分综合成负反馈信号，然后与原始电压波形比较，以便提供与叶轮偏成正比的需要的电流波形。
在这种应用场合中，由于永久磁铁布置，不会产生形成高热量的偏流。偏流对于在人类敏感流体如血液中的应用是不需要的。轴向推力轴承是一组线圈，其使用自动检测电子控制器，因此，随着来自偏流的热量减小，将硬件、电路复杂性和布线的要求都有所下降。
泵用于敏感场合，例如在生理状态显著变化的人造心脏中，往往要求流动速率和压力升高的调节。转速一定不要过高以致引起过度的抽吸，这可能引起入流容器的故障。例如，人体可能正在休息或睡眠，这就需要相当低的流动速率和压升，然而如果人体正在锻练，例如步行，这就需要高得多的流动速率和压升。在一个实施例中，调节流动速率和压升的主要方法是通过改变电机转速。除了电机以外，轴向推力轴承是电子控制的唯一线圈组(或磁力)。因此，虽然象限是不必要的，而且推荐实施例并不具有象限，但是，当需要或要求附加的力矩控制时，本发明可以使用象限。
生理控制器的第二个实施例采用从泵的进口至泵的出口的压升(即，Pout-Pin)的非直接测量。在一定的流动速率下，泵两端压力的变化是病人循环系统中的系统阻力变化的指示。大家知道，系统阻力的变化是人类劳顿增加的指示。因此，从出口至进口的压差的测量被用作生理控制器的基础。
从进口至出口的压差的测量可以通过两种方法非直接地测量，它们是(1)测量电机电流和泵的速度，或(2)测量轴承电流，或其组合。在生理应用场合中，泵的进口压力称为预负载，而泵的出口压力称为后负载。
非直接测量的第一种方法使用对电机电流和泵速的测量。这些测量在电子控制器中使用，以电子式存储在控制器中的公式或表格为基础推导出压力。电流、速度和压升之间的关系是在工作之前找出特征并校准的。图20表示控制器的执行框图。
非直接测量压升的第二种方法使用磁轴承电流。大家知道，激活的磁轴承中的电流与转子上的力成正力。从泵的出口至进口的压差可以直接从由于压差在叶轮上产生的净力直接导出。因此，在电子控制器中可使用轴承电流来导出从泵的出口至进口的压差。图21表示控制器的执行框图。
图22表示生理电子反馈控制电路的另一个实施例，它在本发明中用来调节与预负载和后负载相关的电机速度，从而适当地控制电机速度。为了满足生物应用场合的生理需要，设置生理控制电路来调节泵的流动速率和压升。标号220指示生理控制器和电机整流子之间的交界面，使需要的速度信号送至电机整流子，使实际速度信号送至生理控制器。因此，图22的实施例表示以生理参数为基础的电机控制。
除了与泵的预负载和后负载力有关的电子信号以外，使来自电磁轴承中激励线圈电流的电子信号与其它力如重力负载和与电机启动和电机停止相关的加速度效应产生关系。另外，与加速度有关的电子信号是通过在泵壳中或其它与泵有关的已知位置的部位中检测在一个、二个或三个垂直方向上的加速度而获得的。然后，在本发明中使用电子加速度信号减去上述来自预负载和后负载的信号。然后，为上述生理控制器使用得到的差值信号。
电机的速度与泵的生理性能有关。使用电机反馈反电动势来检测电机绕泵的叶轮轴线转动的转速，并形成与叶轮转速成正比的电子信号。将叶轮转速信号送至上述电子生理反馈控制器。目前的电机转速与预负载和后负载信号相结合用于调节未来的电机速度，以便匹配以人身需要为基础的泵的生理流动速率和压升并避免不适当的抽吸。
构造10的元件可以作为心室辅助装置以单个的方式工作，或者成对地作为完全的人造心脏工作。在利用两个构造10的完全人造心脏的情形中，每个构造10完全独立于另一个构造工作，因而无需复杂的控制设备和电路，而它们在两个构造相结合时是需要的。
生理控制器(未画出)检测进口容器19内的流体压力，并产生一个电信号以便按照由电子控制器(未画出)确定的专门算法来修正电机40的转速。生理控制器可将电机40转速的变化变为信号以补偿进口容器19内流体压力的变化，并避免会使容器破坏的电机过高转速。除了控制电机40的转速以外，生理控制器(未画出)通过涡流、感应、光学、电容或其它自动检测电子信号检测叶轮21的位置、速度和/或加速度信息，并且产生送至电子控制器电信号，其相应地提供了对电激励线圈44和48中的电流的调节，从而提供了对由电磁推力轴承46和50施加的控制力的调节。对电磁推力轴承46和50的调节补偿了由于流体、电机力、重力负荷、加速度力和其它偶然力引起的作用力。
叶轮21的转动使叶轮叶片26与被泵送的流体接触，从而人使流体径向流向螺旋出口18。流体从构造10的轴向中心区域向螺旋出口18的离心式输送在叶轮吸入开口30的区域形成部分真空，通过进口容器19抽入额外的流体。螺旋出口18的独特的对数螺线结构则以平稳、无紊流和低热的方式沿靠近构造10圆周的区域将敏感流体送至出口容器15。出口容器15连接于解剖学的容器或其它机构。
由叶轮21泵送的一部分流体从螺旋出口18附近的高压区域沿叶轮21两侧，通过第一回流室32和第二回流室34以反向流体流的形式返回叶轮吸入开口30附近的低压区域。沿第二叶轮回流室34返回的流体也穿过叶轮返回开口36，从而用来平衡内部流体压力并防止在间隙通道中敏感流体的滞流。
如果构造10准备以脉动方式工作，则叶轮21的转速由电子控制器(未画出)改变和控制，电子控制器调节电机40中的电流，从而使叶轮21的转动加速和减速，从而以脉动方式泵送流体。
本发明也可以其它形式实施而并不违背本发明的精神和本质特征。上面描述的实施例从各方面考虑都是描述性而并非限定性的。因此，本发明的范围是由权利要求书而并不是由上面的描述来限定的。落入权利要求书的含义及范围的所有变化都应包括在本发明的范围内。
权利要求
1．敏感的生物流体的泵送设备，包括一个构造，该构造具有一个外部、一个其内具有壁的中空内部、设置在其内的至少一个外壳永久磁铁和一个轴向中心；一个由构造的外部构成的进口，使流体通过进口流入构造的中空内部；一个由构造的外部构成的出口，使流体通过出口从构造的中空内部流出，出口在离开构造的轴向中心的径向位置上设置；一个叶轮装置，它设置在构造的中空内部中且不与其接触，用于控制流入进口、通过构造的中空内部、从出口流出的流体流量，该叶轮装置具有弧形叶片和弧形通道，从而使通过构造的流体流从进口至出口逐渐地改变方向；一个磁铁装置，包括至少一个与所述外壳永久磁铁并置的叶轮永久磁铁，以便悬挂叶轮装置，使其不与构造的中空内部接触；一个电机装置，其用于选择性地转动叶轮装置，从而控制流过设备的流体。
2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述构造包括第一泵壳半部和与第一泵壳半部密封的第二泵壳半部，以便形成构造的中空内部。
3．根据权利要求2所述的设备，其特征在于第一泵壳半部包括一个具有进口通孔的泵进口容器，所述泵进口容器构成构造外部中的所述进口，其用于使流体从其中流过，进入构造的中空内部。
4．根据权利要求2所述的设备，其特征在于第一和第二泵壳半部，每个包括一个凸起，其中，一个具有出口通孔的泵出口容器是通过密封两凸起而形成的，所述泵出口容器构成在构造外部内的所述出口，其用于流体从构造的中空内部通过其流出。
5．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述叶轮装置包括一个由叶轮和转子构成的整体组合，叶轮使流体流过所述构造，转子由所述电机装置控制，因而电机装置可控制叶轮装置的转动，所述叶轮和转子的整体组合分别形成第一回流室和第二回流室的内侧面，使流体流围绕被悬挂的叶轮装置。
6．根据权利要求5所述的设备，其特征在于构成第一回流室的叶轮内侧面包括第一构件，其曲率相应于所述构造中空内部的壁的曲率。
7．根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一构件包括用于与第一外壳永久磁铁相互作用的第一叶轮永久磁铁和用于与第一外壳永久磁铁组相互作用的第一叶轮永久磁铁组，其中，(ⅰ)第一叶轮永久磁铁与第一外壳永久磁铁并置，使第一叶轮永久磁铁的磁极排斥第一外壳永久磁铁的磁极，(ⅱ)第一叶轮永久磁铁组与第一外壳永久磁铁组并置，使第一叶轮永久磁铁的各磁极排斥第一外壳永久磁铁组的各磁极，从而防止第一构件和外壳之间的接触。
8．根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述第一叶轮磁铁组和所述第一外壳磁铁组每个包括一个分别围绕叶轮和外壳的双环结构，每个磁铁组的双环结构包括第一磁铁环和第二磁铁环，第二磁铁环以吸引第一磁铁环的方向设置，第一叶轮磁铁组按照与第一外壳磁铁组相反的极性放置。
9．根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一构件包括第一磁性材料，其用于与(ⅰ)第一电磁推力轴承和(ⅱ)第一电激励线圈相互作用，其中，第一电磁推力轴承和第一电激励线圈稳定所述叶轮装置，并使一个装置可控制一个轴向位置、两个自由度的角位移、外部推力和作用在叶轮装置上的外部力矩的组合。
10．根据权利要求5所述的设备，其特征在于构成第二回流室的转子内侧面包括一个第二构件，其曲率相应于所述构造中空内部的壁的曲率，所述第二构件借助叶轮装置的弧形叶片连接于第一构件，其中叶轮室是由(ⅰ)所述弧形叶片、(ⅱ)第一构件和(ⅲ)第二构件构成的，因而形成使流体从进口至出口逐渐改变方向的弧形通道。
11．根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述第二构件包括用于与第二外壳永久磁铁相互作用的第二叶轮永久磁铁和用于与第二外壳永久磁铁组相互作用的第二叶轮永久磁铁组，其中，(ⅰ)所述第二叶轮永久磁铁与第二外壳永久磁铁并置，使第二叶轮永久磁铁的磁极推斥第二外壳永久磁铁的磁极，(ⅱ)所述第二叶轮永久磁铁组与第二外壳永久磁铁组并置，使第二叶轮永久磁铁组各磁极推斥第二外壳永久磁铁组各磁极，从而防止所述第二构件和外壳之间的接触。
12．根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述第二叶轮永久磁铁组和第二外壳永久磁铁组各包括分别围绕叶轮和外壳的双环结构，每个磁铁组的双环结构包括第一磁铁环和第二磁铁环，第二磁铁环按照与第一磁铁环相吸引的方向设置，所述第二叶轮磁铁组按照与第二外壳磁铁组相反的极性放置。
13．根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述第二构件包括与第二电磁推力轴承和第二电激励线圈相互作用的磁性材料，其中，第二电磁推力轴承和第二电激励线圈稳定叶轮装置并控制径向位置的两个自由度、轴向位置、外部径向力和作用在叶轮装置上的外部推力的组合。
14．根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述第二构件包括一个与其整体形成的转子，所述转子具有多个设置在其上用于与电机装置相互作用的永久磁铁，其中，所述转子可由电机装置转动，从而转动叶轮装置。
15．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述磁铁装置具有一种下述的布置设置在所述构造中空内部的第一壁上的第一构造永久磁铁，设置在所述构造中空内部的与第一壁相对的第二壁上的第二构造永久磁铁，设置在所述叶轮装置上，远离所述构造的轴向中心且与所述第一构造永久磁铁并置的第一叶轮永久磁铁，设置在所述叶轮装置上，远离所述构造的轴向中心且与所述第二构造永久磁铁并置的第二叶轮永久磁铁，设置在所述构造中空内部的第一壁上的第一构遣永久磁铁组，设置在所述构造中空内部的第二壁上的第二构造永久磁铁组，设置在叶轮装置上，邻近所述构造的轴向中心且与所述第一构造永久磁铁组并置的第一叶轮永久磁铁组，以及设置在叶轮装置上，邻近所述构造的轴向中心且与所述第二构造永久磁铁组并置的第二叶轮永久磁铁组，其中，上述布置提供了径向稳定性，而且由于角度定位，提供了叶轮装置的一定程度的平动稳定性，所述叶轮装置借助磁场防止与所述构造中空内部接触。
16．根据权利要求15所述的设备，其特征在于所述磁铁装置包括设置在所述构造外壳第一壁中的至少一个线圈和设置在所述构造外壳第二壁中的至少另一个线圈，所述至少一个线圈在(ⅰ)第一构造永久磁铁和(ⅱ)第一构造永久磁铁组之间并置，所述至少另一个线圈在(ⅰ)第二构造永久磁铁和(ⅱ)第二构造永久磁铁组之间并置，至少一个电磁推力轴承，其围绕所述至少一个线圈和至少另一个线圈设置在所述构造外壳中，以及一个电子控制器，其用于控制所述至少一个线圈和至少另一个线圈中的电流，从而引起所述至少一个电磁推力轴承所施加的力的变化。
17．根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述电子控制器包括一个生理控制器，其用于控制叶轮的转动速率，使该转动速率相应于使用本发明设备的人的状态。
18．根据权利要求15所述的设备，其特征在于所述布置还包括自动修正定位装置，其用于在工作中动态地使叶轮装置定位，使叶轮装置恒定地不与所述构造相接触。
19．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述电机装置包括在所述构造中空内部的壁中整体形成的定子，所述定子具有固定在其内的绕组，其用于接受来自电机控制器的电流。
20．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述电机装置包括一个转子，其具有整体形成为所述叶轮装置一部分的圆周，所述转子具有多个设置在其内的永久磁铁，因而(ⅰ)所述多个永久磁铁的磁极在北极和南极间交错，(ⅱ)所述多个永久磁铁布置成一个与所述转子的圆周同心的圆形。
21．根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一构件包括一个第一叶轮永久磁铁轴承和电磁轴承组的混合式组合，其用于与第一外壳永久磁铁轴承和电磁轴承组相互作用，使每个磁性相互作用产生一组与外部作用于叶轮的力相反的力和力矩(转矩)，从而防止所述第一构件和外壳之间的接触，并有助于叶轮装置的悬挂和稳定。
22．根据权利要求21所述的设备，其特征在于叶轮运动的五条轴线是按照下述方式使用一种混合式磁轴承系统控制的第一叶轮径向磁轴承组和第一外壳径向磁轴承组各包括围绕叶轮和外壳的一个双永久磁铁环，其极性布置得可产生可靠的径向刚度，使叶轮在相对于两径向偏移的中心位置上运转；第一叶轮磁铁目标组和第一外壳电磁轴承组包括电磁轴承，其控制余下的轴向偏移和两个角偏移，使叶轮在相对于这三条轴线的中心位置上运转。
23．根据权利要求21所述的设备，其特征在于叶轮运动的五条轴线是按照下述方式使用混合式磁轴承控制的第一叶轮径向磁轴承组和第一外壳径向磁轴承组各包括围绕叶轮和外壳的一个双永久磁铁环，其极性布置得可产生可靠的径向刚度，在环的一个或多个表面上采用软磁铁以便将磁通量集中在永久磁铁环之间，从而使叶轮在相对于两个径向偏移的中心位置上运转；第一叶轮磁铁目标组和第一外壳电磁轴承组包括电磁轴承，其控制余下的轴向偏移和两个角偏移，使叶轮在相对于这三条轴线的中心位置上运转。
24．根据权利要求21所述的设备，其特征在于叶轮运动的五条轴线是按照下述方式使用混合式磁轴承组控制的第一叶轮径向磁铁轴承组和第一外壳径向磁轴承组各包括一组多个围绕叶轮和外壳的永久磁铁环，其极性布置得产生可靠的径向角度，在一个或多个环面上采用软磁铁以便将磁通量集中在永久磁铁环之间，使叶轮在相对于两个径向偏移的中心位置上运转；第一叶轮磁铁目标组和第一外壳电磁轴承组包括电磁轴承，其控制余下的轴向偏移和两个角偏移，使叶轮在相对于这三条轴线的中心位置上运转。
25．根据权利要求21所述的设备，其特征在于叶轮运动的五条轴线是按照下述方式使用混合式磁轴承系统控制的第一叶轮径向磁轴承组和第一外壳径向磁轴承组各包括一组围绕叶轮和外壳的多个永久磁铁环，其磁极布置得产生可靠的径向刚度和可靠的力矩刚度，在一个或多个环面上采用软磁铁以便将磁通量集中在永久磁铁环之间，使叶轮在相对于两个径向偏移和两个角偏移的中心位置上运转；第一叶轮磁铁目标组和第一外壳电磁轴承组包括电磁轴承，其控制余下的轴向偏移，使叶轮在相对于该轴线的中心位置上运转。
26．根据权利要求21所述的设备，其特征在于叶轮运动的五条轴线是按照下述方式使用混合式磁轴承系统控制的第一叶轮径向磁轴承组和第一外壳径向磁铁组各包括一组围绕叶轮和外壳的多个永久磁铁环，其极性布置得产生可靠的轴向刚度和可靠的力矩刚度，在一个或多个环面上采用软磁铁，以便将磁通量集中在永久磁铁环之间，使叶轮在相对于轴向偏移和两个角偏移的中心位置上运转；第一叶轮磁铁目标组和第一外壳电磁轴承组包括电磁轴承，其控制余下的两个径向偏移，使叶轮在相关于这两个轴线的中心位置上运转。
27．一种用于泵送敏感生物流体的连续流动泵，它包括一个构造，它具有第一泵壳半部和密封于第一泵壳半部以形成所述构造的第二泵壳半部，所述构造具有一个中空内部和一个轴向中心；一个泵的入口容器，它是由第一泵壳半部形成的，具有一个使流体通过以进入所述构造中空内部的进口通孔；一个泵的出口容器，它在径向上离开所述构造的轴向中心设置，是由第一和第二泵壳半部形成的，具有一个供流体通过以进入所述构造中空内部的出口通孔；一个叶轮装置，它设置在所述构造的中空内部内且不与其接触，具有一个叶轮进入开口，叶轮室和具有用于形成叶轮室的螺旋曲率，所述叶轮装置用于控制流入泵的入口容器，通过中空内部并流出泵的出口容器的流体流量；一个磁铁装置，其用于不与所述构造中空内部不接触地悬推叶轮装置及有选择地转动叶轮装置，从而控制流过连续流动泵的流体；以及一个电机装置，其用于控制叶轮装置的转速。
28．一种使用泵来泵送敏感的生物流体的方法，它包括以下步骤选择一个泵装置，它具有在泵的外壳中磁悬挂的叶轮，在所述泵的外壳中设有至少一个永久磁铁，所述叶轮具有弧形叶片，其用于减小对流过泵的敏感流体的冲击；按照从用于磁悬挂叶轮的磁铁装置接收的信号使叶轮在外壳中定位；以及按照从泵的输入和输出收到的信号调节叶轮转速，从而调节流体的流动速率。
全文摘要
离心泵(10)泵送敏感生物流体的设备及方法,其包括(i)整体的叶轮和转于,它完全由永久磁铁和电磁铁轴承(52,54)的整体组合支承并由整体电机(40)转动,(ii)一个泵壳和弧形通道(32,34,36)其用于容纳和流通流体,(iii)一个与泵壳整体的嵌入的无刷驱动电机(40),(iv)一个动力源,(v)根据来自电磁铁轴承电流的输入和电机反电动势,使用自动检测方法和生理控制算法,对叶轮位置、速度或加速度的专门电于监测—所有这些适合地结合起来,提供有效、耐久、低保养的泵工作。专门设计的叶轮和泵壳形成一种低紊流地将流体通过泵输送至泵出口的机构。
文档编号F04B49/06GK1226307SQ97194358
公开日1999年8月18日 申请日期1997年5月5日 优先权日1996年5月3日
发明者普拉塔普·S·哈韦尔克, 保罗·E·阿莱尔, 吉尔·B·贝恩森, 唐·B·奥尔森, 埃里克·H·马斯林, 詹姆斯·W·朗 申请人:犹他大学