一种磁悬浮搅拌器及搅拌方法

技术领域

本发明属于搅拌器领域，具体是涉及到一种磁悬浮搅拌器及搅拌方法。

背景技术

搅拌器是生物医药行业常用的一种生产设备，用于对混合药液进行搅拌，使药液搅拌均匀。传统的医用搅拌器采用搅拌轴对搅拌桶内的混合药液进行搅拌，搅拌轴用机械传动方式由电机驱动，无需悬浮控制，搅拌桶内无法密封；在搅拌器工作过程中，机械传动装置存在摩擦和磨损，带来的微小粉尘容易混入药液中，会对药液的成品质量带来不利影响。

现有的磁力搅拌器采用永磁材料做成小型搅拌子，通过底座的旋转磁场驱动搅拌子转动，具备将药液在密封环境下进行搅拌的前提，但是不具备静浮条件，低速下搅拌子会接触搅拌桶，同样存在因磨损带来微小粉尘污染的风险。

基于上述原因，采用主动式磁浮轴承的磁悬浮搅拌器是当前的研究热点之一，在生物医药行业具有广泛的应用前景。以中国专利“CN202223219180.1一种卧式全密封单轴高温超导磁悬浮无菌搅拌器”为例，该类型磁悬浮搅拌器同样采用“轴承+电机”的结构，电机用于控制轴向转动自由度，其它五个自由度通过磁浮轴承控制，其基本结构与五自由度磁浮轴承类似；但是为了满足无接触搅拌的需求，转轴部分的轴向长度受限，且必须在搅拌桶的空间范围内，不存在提供轴向支承力的基座，也就无法使用轴向轴承，而如果将其改为立式搅拌器，则必须要在内磁体和搅拌器壳体左侧内壁之间安装轴向轴承或中轴向悬浮轴承才可以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种搅拌轴组件无接触、方便安装且搅拌效果更好的磁悬浮搅拌器及搅拌方法。

本发明提供一种磁悬浮搅拌器，包括容器、搅拌轴组件、搅拌轴定位组件和动力组件；

所述容器包括相互连通的上部主容腔和下部搅拌轴安装腔；

所述搅拌轴组件包括相互连接的叶轮和转轴，所述叶轮无接触设置在所述主容腔内，所述转轴无接触设置在所述搅拌轴安装腔内；

所述搅拌轴定位组件包括设置在容器位于搅拌轴安装腔外侧的至少两组沿轴线排布的悬浮轴承，至少两组悬浮轴承对转轴的轴向与径向进行悬浮；

所述动力组件用于无接触驱动转轴旋转。

更进一步地，所述转轴外壁设置有叶片，所述叶片用于将搅拌轴安装腔内的药液向主容腔导流，或者所述叶片用于产生升力。

更进一步地，所述主容腔、下部搅拌轴安装腔和搅拌轴组件的外壁涂防污染涂层。

更进一步地，两组所述悬浮轴承分别设置在转轴的上端和下端。

更进一步地，所述动力组件包括设置在容器位于搅拌轴安装腔外侧的定子和设置在转轴上的转子，所述定子和转子设置在两组悬浮轴承之间。

更进一步地，还包括悬浮轴承控制系统，悬浮轴承控制系统包括转轴转速传感器、转轴位置传感器和控制器；

转轴转速传感器用于检测转轴转速；

转轴位置传感器用于检测转轴轴向和径向位置；

控制器用于根据搅拌轴组件自重、转轴转速和转轴位置数据，调整两组悬浮轴承的电流，进而调整两组悬浮轴承对转轴的轴向与径向悬浮位置。

更进一步地，所述控制器用于：

根据所述转轴转的转速和搅拌轴组件自重计算得到转轴的所需轴向磁力，包括：

根据所述转轴转速计算得到液体对转轴的轴向作用力；

根据所述轴向作用力和所述搅拌轴组件自重计算得到搅拌轴组件的所需轴向磁力：

F

其中，F

更进一步地，根据转轴轴向位置偏差和所述所需轴向磁力计算得到悬浮轴承的所需电流值，包括：

利用电磁场仿真软件建立悬浮轴承和转轴的有限元模型，并计算出特定电流安匝数下各个轴向位置偏差对应的轴向磁力值，绘制得到多条轴向位置偏差-轴向磁力值曲线；

设定转轴轴向位置偏差，根据设定好的转轴轴向位置偏差、所需轴向磁力和轴向位置偏差-轴向磁力值曲线通过查表或者拟合的方式计算得到径向轴向的所需电流值。

更进一步地，还包括支座，所述主容腔底部设置在支座顶部，所述搅拌轴安装腔设置在支座内，所述支座位于搅拌轴安装腔的外侧设置有用于安装悬浮轴承和动力组件部分结构的安装腔。

本发明还提供一种磁悬浮搅拌器搅拌方法，使用具有叶片时的磁悬浮搅拌器，包括如下步骤：

S1，将搅拌轴组件装入所述容器中；

S2，将待混合药液倒入所述容器中，药液灌满搅拌轴安装腔与转轴之间的间隙和主容腔的部分；

S3，搅拌轴定位组件开始工作，将搅拌轴组件无接触悬浮于容器中；

S4，动力组件开始工作，搅拌轴组件开始旋转，其中，叶轮对主容腔内药液进行主要搅拌，叶片将搅拌轴安装腔与转轴之间的间隙内的药液导流至主容腔进行辅助搅拌。

本发明的有益效果是，本发明所提供的磁悬浮搅拌器，可以真正意义上做到搅拌轴组件与容器的零接触，通过搅拌轴安装腔设置在主容腔的下部，实现至少以下四个效果：一、搅拌轴组件与容器之间的间隙充满待搅拌的药液，因此搅拌轴安装腔内也容纳药液，可以提高容器内药液的容量；二、搅拌轴安装腔的安装便捷，仅需将转轴放置至搅拌轴安装腔内即可完成安装；三，药液充斥在容器和搅拌轴组件之间，当药液的混合温度低于悬浮轴承和动力组件的发热量时，且药液搅拌对温度不敏感的情况下，药液还可以对悬浮轴承和动力组件进行降温，提高驱动性能；四、搅拌轴安装腔和转轴之间充斥着药液，仅需在转轴上设置用于将搅拌轴安装腔内的药液向主容腔导流的叶片，即可实现辅助搅拌，提高搅拌效果的同时，还可以进一步提高对悬浮轴承和动力组件散热效果(位于搅拌轴安装腔内药液经过换热后加热，设置叶片，可以将加热后的药液导向主容腔内继续搅拌，主容腔内的药液重新流入搅拌轴安装腔再次换热，以此往复循环，保证位于搅拌轴安装腔内药液的温度)。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的俯视图；

附图3为图2中A-A向剖视图；

附图4为本发明中容器的结构示意图；

附图5为本发明中支座的结构示意图；

附图6为本发明中转轴部分的结构示意图；

附图7为本发明中转轴部分设置叶片时的结构示意图；

附图8为本发明的连接关系示意图；

附图9为本发明中上侧悬浮轴承的俯视图；

附图10为本发明中下侧悬浮轴承的俯视图；

附图11为悬浮轴承不同电流安匝数下的轴向磁力与轴向位置偏差的变化曲线仿真结果；

附图12为本发明中上侧悬浮轴承和下侧悬浮轴承解耦控制框图。

在图中，1-容器；11-主容腔；12-搅拌轴安装腔；2-搅拌轴组件；21-叶轮；22-转轴；23-叶片；24-悬浮配合环；3-搅拌轴定位组件；31-悬浮轴承；31a-上侧悬浮轴承；310a-第一定子铁芯；311a～318a-第一线圈；31b-下侧悬浮轴承；310b-第二定子铁芯；311a～318a-第二线圈；4-动力组件；41-定子；42-转子；5-支座；51-外壳；52-上环板；53-下固定板；54-安装腔；6-径向霍尔传感器；61-永磁铁阵列；7-轴向霍尔传感器；8-位移传感器；8a-上侧位移传感器；8b-下侧位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-12所示，本发明提供一种磁悬浮搅拌器，包括容器1、搅拌轴组件2、搅拌轴定位组件3和动力组件4；

所述容器1包括相互连通的上部主容腔11和下部搅拌轴安装腔12，搅拌轴安装腔12设置在主容腔11的下部，一定程度上可以增加容器1的容积，更为重要的是，如此设置一方面可以简化搅拌轴组件2的安装，在安装时仅需将转轴22通过重力放置在搅拌轴安装腔12内即可，另一方面为后续叶片的辅助搅拌提供基础；

所述搅拌轴组件2包括相互连接的叶轮21和转轴22，所述叶轮21无接触设置在所述主容腔11内，所述转轴22无接触设置在所述搅拌轴安装腔12内，具体无接触通过搅拌轴定位组件3实现，如此设置，搅拌轴组件2的转动因为没有机械传动装置而不会存在摩擦和磨损，不会由于摩擦产生微小粉尘混入药液中，进而保证药液的成品质量；

所述搅拌轴定位组件3包括设置在容器1位于搅拌轴安装腔12外侧的至少两组沿轴线排布的悬浮轴承31，至少两组悬浮轴承31对转轴22的轴向与径向进行悬浮，本发明所提供的悬浮轴承31可以对转轴22进行轴向和径向的悬浮限位，区别于已有的悬浮搅拌器(例如中国专利“CN202223219180.1一种卧式全密封单轴高温超导磁悬浮无菌搅拌器”，如果将其改为立式搅拌器，则必须要在内磁体和搅拌器壳体左侧内壁之间安装轴向轴承或中轴向悬浮轴承才可以实现)，可以取消轴向承载轴承，做到真正意义上的零接触旋转；

所述动力组件4用于无接触驱动转轴22旋转。

即本发明所提供的磁悬浮搅拌器，可以真正意义上做到搅拌轴组件2与容器1的零接触，通过搅拌轴安装腔12设置在主容腔11的下部，实现至少以下四个效果：一、搅拌轴组件2与容器1之间的间隙充满待搅拌的药液，因此搅拌轴安装腔12内也容纳药液，可以提高容器内药液的容量；二、搅拌轴安装腔12的安装便捷，仅需将转轴放置至搅拌轴安装腔12内即可完成安装；三，药液充斥在容器1和搅拌轴组件2之间，当药液的混合温度低于悬浮轴承31和动力组件4的发热量时，且药液搅拌对温度不敏感的情况下，药液还可以对悬浮轴承31和动力组件4进行降温，提高驱动性能；四、搅拌轴安装腔12和转轴22之间充斥着药液，仅需在转轴22上设置用于将搅拌轴安装腔12内的药液向主容腔11导流的叶片23，即可实现辅助搅拌，提高搅拌效果的同时，还可以进一步提高对悬浮轴承31和动力组件4散热效果(位于搅拌轴安装腔12内药液经过换热后加热，设置叶片23，可以将加热后的药液导向主容腔11内继续搅拌，主容腔11内的药液重新流入搅拌轴安装腔12再次换热，以此往复循环，保证位于搅拌轴安装腔12内药液的温度)。

参考图7，在其中一个实施例中，所述转轴22外壁设置有叶片23，所述叶片23用于将搅拌轴安装腔12内的药液向主容腔11导流，或者所述叶片23用于产生升力，本实施例中，叶片23的外壁与搅拌轴安装腔12存在一定间隙，保证搅拌轴组件2和容器1的无接触，同时可以保证搅拌轴安装腔12内循环流入药液。

在叶片23用于将搅拌轴安装腔12内的药液向主容腔11导流时，通过在转轴22外壁设置叶片23，可以将搅拌轴安装腔12内的药液向主容腔11导流，进而在主容腔11内实现一个轴向射流(由于转轴22与搅拌轴安装腔12的间隙较小，因此能够形成一定强度的射流，可以保证辅助混合的效果)，与叶轮21实现的药液径向旋转流向相互混合，极大的提高了药液的混合度，在相同的搅拌功率和相同搅拌的时间下，可以提高药液的搅拌效果，另外，在药液能够对悬浮轴承31和动力组件4进行散热时，设置叶轮21，还可以保证散热效果，即位于搅拌轴安装腔12内药液经过换热后加热，设置叶片23，可以将加热后的药液导向主容腔11内继续搅拌，主容腔11内的药液重新流入搅拌轴安装腔12再次换热，以此往复循环，保证位于搅拌轴安装腔12内药液的温度，且一般情况下，在将所有药液进行加热至接近悬浮轴承31和动力组件4的发热量之前，早已完成了药液的搅拌工作。

本实施例中，仅通过一个简单的叶片23结构，即可提高搅拌效果以及对悬浮轴承31和动力组件4的散热效果。

具体地，叶片23可以是间隔布置的螺旋形导流结构，仅需在转轴22转动时，叶片23能够将位于搅拌轴安装腔12内药液导向主容腔11内即可。

在叶片23用于产生升力，叶片23的安装方向与用于导流时的安装方向相反，进行辅助搅拌的效果较小，但是可以降低悬浮轴承有需的电磁力，进而降低能耗。

本实施例中，转轴22在转子42外包覆一层材料，使转轴22外形整体为圆柱体，而叶片23则设置在圆柱体外侧。

在其中一个实施例中，所述主容腔11、下部搅拌轴安装腔12和搅拌轴组件2的外壁涂防污染涂层，或本身为不锈钢、PE等材料可以避免污染药液，进一步提高药液的搅拌质量。

参考图3，在其中一个实施例中，两组所述悬浮轴承31分别设置在转轴22的上端和下端，进而提高悬浮轴承31对转轴的轴向和径向悬浮定位效果。

在其中一个实施例中，所述转轴22上端和下端对应两组悬浮轴承31设置有悬浮配合环24，悬浮配合环24采用Q235材料，在一个优选实施例中，转轴22和悬浮配合环24采用Q235材料整体加工，另外，考虑悬浮轴承31的悬浮能力，对转轴22的重量限制在0.5kg以内，因此将转轴22设计成中空结构。

另外，在一个实施例中，悬浮轴承31包括呈环形排布的定子铁芯和绕设在定子铁芯上的磁极线圈。悬浮轴承31包含8个磁极，分成4组进行控制，每组有2个线圈串联；通过控制磁极线圈中电流，从而产生电磁力，进而使转轴22稳定悬浮于指定位置。

在其中一个实施例中，所述动力组件4包括设置在容器1位于搅拌轴安装腔12外侧的定子41和设置在转轴22上的转子42，所述定子41和转子42设置在两组悬浮轴承31之间，本实施例中，动力组件4采用永磁同步电机的原理，驱动转轴22高速旋转。

具体地，定子41包括呈环形排布的定子铁芯以及绕设在定子铁芯上的线圈；

转子42为沿转轴22周向布置的若干永磁快，永磁块在厚度方向平行充磁，每块永磁快磁钢的表面磁通一致性≤3％，极化角偏差小于3度；且相邻永磁块NS极交替排布；

通过对线圈通电，从而产生电磁力，进而使转轴22旋转。

在其中一个实施例中，本发明还包括悬浮轴承控制系统，悬浮轴承控制系统包括转轴转速传感器、转轴位置传感器和控制器；

转轴转速传感器用于检测转轴22转速，转轴转速传感器可以是设置在支座5上的径向霍尔传感器6，参考图6，优选在转轴22与径向霍尔传感器6对应的地方设置永磁铁阵列61，以便进行转速测量；

转轴位置传感器用于检测转轴22轴向和径向位置，转轴位置传感器包括设置在支座5上用于检测转轴轴向位置的轴向霍尔传感器7和设置在支座5上用于检测转轴径向位置的位移传感器8；

控制器用于根据搅拌轴组件2自重、转轴22转速和转轴22位置数据，调整两组悬浮轴承31的电流，进而调整两组悬浮轴承31对转轴22的轴向与径向悬浮位置，保证转轴22的悬浮稳定性。

参考图8，具体地，整个搅拌器还包括用于控制悬浮轴承控制系统和动力组件4的上位机控制系统，上位机控制系统实现系统应用运行控制，在使用时，通过转轴位置传感器检测转轴位置信号，将该位置信号送入控制器中，控制器根据控制策略处理后经功率放大器控制径悬浮轴承31中电磁铁线圈的电流，从而产生电磁力，进而使转轴稳定悬浮于指定位置；且上位机控制系统还可以控制电机控制器，电机控制器控制电机驱动器调节转子42中线圈的电流，调节转轴22的转动。

在其中一个实施例中，所述控制器用于：

根据所述转轴转22的转速和搅拌轴组件2自重计算得到转轴的所需轴向磁力，包括：

根据所述转轴22转速计算得到液体对转轴22的轴向作用力；

根据所述轴向作用力和所述搅拌轴组件2自重计算得到搅拌轴组件2的所需轴向磁力：

F

其中，F

在其中一个实施例中，根据转轴22轴向位置偏差和所述所需轴向磁力计算得到悬浮轴承31的所需电流值，包括：

利用电磁场仿真软件建立悬浮轴承31和转轴22的有限元模型，并计算出特定电流安匝数下各个轴向位置偏差对应的轴向磁力值，绘制得到多条轴向位置偏差-轴向磁力值曲线；

设定转轴22轴向位置偏差，根据设定好的转轴22轴向位置偏差、所需轴向磁力和轴向位置偏差-轴向磁力值曲线通过查表或者拟合的方式计算得到径向轴向的所需电流值。

在其中一个实施例中，所述控制器用于：

获取搅拌轴组件2的转速和自重数据，根据搅拌轴组件2的转速和自重计算得到转轴22的所需的轴向磁力；

根据转轴22的轴向位置偏差和所述所需轴向磁力计算得到两组悬浮轴承31的所需电流值，并将所述悬浮轴承31的所需电流值作为电流零位；

沿上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b的相同半径方向分别构建XOY坐标系；在所述XOY坐标系中，X正方向和Y正方向均位于相邻线圈的对称轴上；

根据上侧悬浮轴承31a的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值，同时根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值；

根据下侧悬浮轴承31b的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值，同时根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值；

根据上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及所述电流零位对上侧悬浮轴承31a的电流进行控制，同时根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及所述电流零位对下侧悬浮轴承31b的电流进行控制。

具体地，参考图8-图12，在其中一个实施例中，本发明还提供一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制方法，

可以应用于本申请的磁悬浮搅拌器中。其中，在转轴22外侧布置上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b，上侧悬浮轴承31a配备上侧位置传感器8a，下侧悬浮轴承31b配备下侧位置传感器8b；定子41布置于上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b的中间，三者保持同轴关系，同时转轴22上布置转子42，转子42为呈阵列布置的多个磁钢，与定子41保持为同一高度；底部布置转轴转速传感器，在一个具体实施例中，转轴转速传感器采用径向霍尔传感器6。

上侧悬浮轴承31a的结构如图9所示，在其第一定子铁芯310a上依次绕制8个第一线圈，依次为311a～318a，定义XOY坐标系，X正方向位于第一线圈311a和第一线圈312a的对称轴上，Y正方向位于第一线圈313a和第一线圈314a的对称轴上。类似的，下侧悬浮轴承31b的结构如图10所示，在其第二定子铁芯310b上依次绕制8个第二线圈，依次为311b～318b，其与上侧悬浮轴承31a采用相同的坐标系XOY。

本发明的具体做法是，根据转轴转速传感器的测量结果，计算对应的电流零位；根据上侧位置传感器8a的检测结果，计算上侧悬浮轴承31aX向的电流修正值和Y向的电流修正值，对相应的实际电流进行差动控制；根据下侧位置传感器8b的检测结果，计算下侧悬浮轴承31bX向的电流修正值和Y向的电流修正值，对相应的实际电流进行差动控制。

在一个实施例中，提供了一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制方法，包括以下步骤：

步骤402，获取主动式磁悬浮搅拌器的转轴22转速和转轴22自重，根据转轴22转速和转轴22自重计算得到转轴22的所需轴向磁力。

具体为根据搅拌器转轴22旋转速度及自重，推算出对应的轴向载荷，确定所需提供的轴向磁力值，使得该轴向磁力值与对应的轴向载荷大小相等。

主动式磁悬浮搅拌器的转轴22外侧设有悬浮轴承31，悬浮轴承31包括上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b。

由于搅拌器转轴22在药液中转动时，会受到药液的反作用力，体现为轴向的作用力，且该作用力随转速的变化而变化。对特定结构的转轴22，该作用力与转速的对应关系，可通过测试等方式获取。因此，所需的轴向磁力，除了克服转轴22自身重力外，还需抵消轴向作用力。

步骤404，根据转轴22轴向位置偏差和所需轴向磁力计算得到悬浮轴承的所需电流值，并将悬浮轴承的所需电流值作为电流零位。

当轴向载荷保持不变时，电流零位不变；当转轴22旋转速度变化导致轴向载荷变化，或者搅拌液不均匀引起轴向载荷波动时，电流零位会遵循控制算法自动调整到对应值。

对于特定结构的悬浮轴承31和转轴22，所产生轴向磁力的大小受到电流安匝数与轴向位置偏差的影响。其中，轴向位置偏差通常根据具体应用场景设定，记为Δz

步骤406，沿上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b的相同半径方向分别构建XOY坐标系。

在XOY坐标系中，X正方向和Y正方向均位于相邻线圈的对称轴上。

步骤408，根据上侧悬浮轴承31a的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值，同时根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值，根据下侧悬浮轴承31b的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值，同时根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值。

径向位置偏差是指偏离中心轴的距离。

根据上侧悬浮轴承31a所对应的转轴22径向位置偏差，在两个独立的半径方向上，分别计算电流修正值，结合2中所述的电流零位，并对上侧悬浮轴承31a的对应电流进行控制，使得：(1)当转轴22在某个半径方向上的位置偏离中心轴时，所产生的电流能够使得转轴22往中心轴运动，且不会影响另一个方向的运动；(2)转轴22偏离中心轴的距离越大，产生的回复力也越大；(3)当转轴22未偏离中心轴时，电流修正值为0；(4)在半径方向上，电流修正后产生的轴向磁力之和与未修正时的轴向磁力之和基本相等，不会因电流的修正而影响产生的总的轴向磁力。

根据下侧悬浮轴承31b所对应的转轴22径向位置偏差，在与上述的两个相同的独立半径方向上，分别计算电流修正值，结合上述的电流零位，对下侧悬浮轴承31b的对应电流进行控制，其方法与上述方法相同。

步骤410，根据上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及电流零位对上侧悬浮轴承31a的电流进行控制，同时根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及电流零位对下侧悬浮轴承31b的电流进行控制。

上述一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制方法方法中，首先根据转速和转轴22自重，计算悬浮轴承所需的电流零位；其次根据上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b分别在X向和Y向的径向位置偏差，计算所需的电流修正值；最后根据电流零位和电流修正值，生成所需的目标电流值，并对所在方向的实际电流进行快速调节，使之与目标电流值保持一致。本方法具有以下技术效果：1、所需轴向磁力和所需电流值根据转轴22转速和转轴22自重进行推算，控制参数与模型的匹配性好，启动响应快。2、电流零位可以根据轴向载荷的变化及波动实时调节，对工况的适应性好，抗干扰能力强。3、悬浮轴承分为上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b，二者采用相同的半径方向，可共同实现对径向自由度的协同控制。4、在约定的半径方向上，上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b均采用差动控制对电流进行修正，使得在较小的偏离范围内，电流修正后产生的轴向磁力之和与未修正时的轴向磁力之和基本相等，不会因电流的修正而影响产生的总的轴向磁力，实现了径向控制与轴向控制的解耦。

在一个实施例中，根据转轴22转速和转轴22自重计算得到转轴22的所需轴向磁力，包括：

根据转轴22转速计算得到主动式磁悬浮搅拌器中液体对转轴22的轴向作用力；

根据轴向作用力和转轴22自重计算得到转轴22的所需轴向磁力：

F

其中，F

在一个实施例中，根据转轴22轴向位置偏差和所需轴向磁力计算得到悬浮轴承的所需电流值，包括：

利用电磁场仿真软件建立悬浮轴承和转轴22的有限元模型，并计算出及特定电流安匝数下各个轴向位置偏差对应的轴向磁力值，绘制得到多条轴向位置偏差-轴向磁力值曲线；如图11所示，提供悬浮轴承不同电流安匝数下的轴向磁力与轴向位置偏差的变化曲线仿真结果。

设定转轴22轴向位置偏差，根据设定好的转轴22轴向位置偏差、所需轴向磁力和轴向位置偏差-轴向磁力值曲线通过查表或者拟合的方式计算得到径向轴向的所需电流值。

在一个实施例中，根据设定好的转轴22轴向位置偏差和轴向位置偏差-轴向磁力值曲线通过查表或者拟合的方式计算得到径向轴向的所需电流值，包括：

当设定好的转轴22轴向位置偏差和所需轴向磁力的正对位置位于轴向位置偏差-轴向磁力值曲线上，则通过查表得到所需电流安匝数，根据所需电流安匝数和线圈匝数的比值得到悬浮轴承的所需电流值：

I

其中，I

当设定好的转轴22轴向位置偏差和所需轴向磁力的正对位置不在轴向位置偏差-轴向磁力值曲线上，则分别读取正对位置的相邻两条轴向位置偏差-轴向磁力值曲线上的轴向位置偏差值和电流安匝数值，再通过线性插值的方式计算得到悬浮轴承的所需电流值：

其中，NI

在一个实施例中，根据上侧悬浮轴承31a的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值，同时根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值，包括：

根据上侧悬浮轴承31a的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值，考虑到稳定性要求和抗干扰能力的要求，根据控制理论的相关知识，可采用PID控制算法，其表达式为：

其中，ΔI

根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值：

其中，ΔI

在一个实施例中，根据下侧悬浮轴承31b的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值，同时根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值，包括：

根据下侧悬浮轴承31b的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值：

其中，ΔI

根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值：

其中，ΔI

根据上/下侧悬浮轴承31b处转轴22位置的偏差，分X向和Y向，通过位置调节器分别计算电流修正值，控制框图如图12所示。

在一个实施例中，径向位置偏差的微分是通过滤波的方式计算得到，具体步骤包括：

根据滤波器的类型和参数获得滤波器传递函数：

其中，T

根据滤波器传递函数确定控制系统的闭环传递系数：

根据闭环传递函数计算闭环位置响应的拉普拉斯变换：

Y(s)＝H(s)X(s)

其中，X(s)是单位阶跃输入的拉普拉斯变换，Y(s)是闭环位置响应的拉普拉斯变换；

对闭环位置响应Y(s)进行微分，得到径向位置偏差的微分。

在一个实施例中，位置比例系数的表达式为：

其中，k

位置微分系数的表达式为：

其中，k

考虑到电流零位会随转速的改变实时调整，而不同的电流零位又会导致控制系统的线性化模型发生变化，为了保证系统的动态响应的快速性和阻尼特性基本不变，在位置比例系数和位置微分系数中引入自适应律。

在一个实施例中，根据上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及所述电流零位对上侧悬浮轴承31a的电流进行控制，包括：

根据上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值和所述电流零位计算上侧悬浮轴承31a上X方向线圈的目标电流值：

其中，I

根据上侧悬浮轴承31a上X方向线圈的目标电流值和所述电流零位计算各个线圈的X方向控制电压，进而对上侧悬浮轴承31a上X方向线圈的电流进行控制：

u

其中，u

根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值和所述电流零位计算上侧悬浮轴承31a上各个线圈的Y方向目标电流值：

其中，I

根据上侧悬浮轴承31a上Y方向线圈的目标电流值和所述电流零位计算Y方向线圈的控制电压，进而对上侧悬浮轴承31a上Y方向线圈的电流进行控制：

u

其中，u

在一个实施例中，根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及所述电流零位对下侧悬浮轴承31b的电流进行控制，包括：

根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及所述电流零位对下侧悬浮轴承31b的电流进行控制，包括：

根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和所述电流零位计算下侧悬浮轴承31b上X方向线圈的目标电流值：

其中，I

根据下侧悬浮轴承31b上X方向线圈的目标电流值和所述电流零位计算各个线圈的X方向控制电压，进而对下侧悬浮轴承31b上X方向线圈的电流进行控制：

u

其中，u

根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值和所述电流零位计算下侧悬浮轴承31b上各个线圈的Y方向目标电流值：

其中，I

根据下侧悬浮轴承31b上Y方向线圈的目标电流值和所述电流零位计算Y方向线圈的控制电压，进而对下侧悬浮轴承31b上Y方向线圈的电流进行控制：

u

其中，u

以上侧悬浮轴承31a为例，在X方向，线圈31和线圈32位于X正方向，产生的电磁吸力指向X正方向，记为F

电流调节器的作用是让实际电流快速跟踪目标电流值，可采用PI型调节器，以X正方向的线圈31和线圈32为例，其电流调节规律为：

u

其中，R表示线圈31和线圈32的总电阻，k

u

其中，u

当转轴22在上侧悬浮轴承31a处沿X负方向有位置偏差时，Δx

在Y方向，其电流调节规律与X方向类似，同样形成差动回复控制效果。区别在于，输入为Y方向的位置偏差，输出的控制电压施加到Y方向的线圈上。

在一个实施例中，提供了一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制装置，包括：转轴22所需轴向磁力计算模块、电流零位计算模块、坐标系建立模块、电流修正值计算模块和电流控制模块，其中：

转轴22所需轴向磁力计算模块，用于获取主动式磁悬浮搅拌器的转轴22转速和转轴22自重，根据转轴22转速和转轴22自重计算得到转轴22的所需轴向磁力；主动式磁悬浮搅拌器的转轴22外侧设有悬浮轴承；悬浮轴承包括上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b；

电流零位计算模块，用于根据转轴22轴向位置偏差和所需轴向磁力计算得到悬浮轴承的所需电流值，并将悬浮轴承的所需电流值作为电流零位。

坐标系建立模块，用于沿上侧悬浮轴承31a和下侧悬浮轴承31b的相同半径方向分别构建XOY坐标系；在XOY坐标系中，X正方向和Y正方向均位于相邻线圈的对称轴上。

电流修正值计算模块，用于根据上侧悬浮轴承31a的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值，同时根据上侧悬浮轴承31a的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到上侧悬浮轴承31a的Y正方向电流修正值；根据下侧悬浮轴承31b的X正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值，同时根据下侧悬浮轴承31b的Y正方向上转轴22的径向位置偏差计算得到下侧悬浮轴承31b的Y正方向电流修正值；

电流控制模块，用于根据上侧悬浮轴承31a的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及电流零位对上侧悬浮轴承31a的电流进行控制，同时根据下侧悬浮轴承31b的X正方向电流修正值和Y正方向电流修正值以及电流零位对下侧悬浮轴承31b的电流进行控制。

关于一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制装置的具体限定可以参见上文中对于一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制方法的限定，在此不再赘述。上述一种无轴向轴承主动式磁悬浮搅拌器的解耦控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在其中一个实施例中，本发明还包括支座5，简化容器1和悬浮轴承31以及定子41的布置难度，所述主容腔11底部设置在支座5顶部，所述搅拌轴安装腔12设置在支座5内，所述支座5位于搅拌轴安装腔12的外侧设置有用于安装悬浮轴承31和动力组件4部分结构的安装腔54，悬浮轴承31、定子41、径向霍尔传感器6、轴向霍尔传感器7和位移传感器8均设置在安装腔54内，另外，优选地，搅拌轴安装腔12的外壁则作为安装腔54的内壁使用，可以避免影响悬浮轴承31的悬浮效果以及定子41对转子42的驱动效果。

在其中一个具体实施例中，所述容器1可拆卸设置在所述支座5上，所述支座5包括外壳51、可拆卸设置在外壳51上端的上环板52和可拆卸设置在外壳51下端的下固定板53，所述搅拌轴安装腔12通过所述上环板52插入所述外壳51内，简化悬浮轴承31、定子41、径向霍尔传感器6、轴向霍尔传感器7和位移传感器8的拆装和维护难度。

本发明还提供一种磁悬浮搅拌器搅拌方法，其特征是，使用具有叶片23时的磁悬浮搅拌器，包括如下步骤：

S1，将搅拌轴组件2装入所述容器1中；

S2，将待混合药液倒入所述容器1中，药液灌满搅拌轴安装腔12与转轴22之间的间隙和主容腔11的部分；

S3，搅拌轴定位组件3开始工作，将搅拌轴组件2无接触悬浮于容器1中；

S4，动力组件4开始工作，搅拌轴组件2开始旋转，其中，叶轮21对主容腔11内药液进行主要搅拌，叶片23将搅拌轴安装腔12与转轴22之间的间隙内的药液导流至主容腔11进行辅助搅拌。

本方法相对于常规的搅拌器而言，具有更高的搅拌效果和成品质量，同时还可以提高定位和驱动效果。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。