1.实施例大体上涉及生物反应器的领域，并且更具体地涉及用于生物反应器的磁性混合器驱动器。
背景技术：2.混合器和泵具有广泛范围的应用，包括生物反应器。旋转混合器100(图1a)中的主要元件为驱动器14(其包含驱动机构)和叶轮端11处的叶轮12(其包含混合叶片)。两个元件对准且由不同拓扑联接在一起。一方面，磁性耦合是叶轮12保持联接到驱动器端13的一组磁体10的位置。这通过由单独的电机旋转的驱动端中的一组磁体来建立。现有技术包含由某些"磁性"间隙16分开的各端上的一组圆柱形磁体14(见图1b)，"磁性"间隙16主要由空气、固定元件和混合袋壁构成，它们都为非磁性元件。现有技术存在许多障碍，包括但不限于：(1)需要使用较昂贵且较大的磁体(例如，钕磁体)的磁体之间的弱耦合，(2)容积利用率低，(3)作为单次使用的元件的叶轮中使用稀土磁体，增加了叶轮的成本且带来了环境挑战，以及(4)驱动器大小大，因为其由单独的电动机驱动的一组大耦合磁体构成。
3.混合系统通常包括机械地连接到驱动轴的搅拌器或叶轮，驱动轴通过容器的顶部中的开口降入流体中。驱动轴连接到布置在容器外的电动机。在封闭容器中，流体密封件设在驱动轴与容器的壁之间，以防止流体从容器泄漏。其它混合系统包括容器外的旋转磁性驱动头和作为容器内的搅拌元件的旋转磁性叶轮。磁性驱动头的移动允许转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许叶轮混合和搅拌容器内的流体。由于封闭容器中不需要使驱动轴穿透容器壁来机械地旋转叶轮，故机械式联接的系统可消除对具有驱动轴与容器之间的流体密封件的需要。容器内的叶轮与容器外的驱动系统或电机的磁性耦合可消除污染问题，允许了完全包封的系统，且防止泄漏。
4.在生物制药行业中，越来越多地使用单次使用或一次性器皿或容器作为封闭型系统，典型地在1到2000升的范围中。容器可为例如具有基本上圆柱形形状的罐型支承件，且由刚性材料诸如不锈钢制成，以向例如单次使用的生物反应器中使用的类型的柔性袋或器皿提供足够支承。灭菌的一次性袋的使用消除耗时的容器清洁步骤，且减少了污染机会。柔性器皿或袋以准确方式置于容器内，使得例如不同的管线或管、混合器和传感器可适当地且准确地连接到袋。
5.将单次使用或一次性袋与磁性搅拌器系统组合建立了生物制药制造中使用的无菌环境。用于混合和操纵液体和/或用于执行生物化学和/或生物过程的多种容器、装置、构件和单元操作是可用的。例如，可使用包括一次性处理袋的生物反应器来处理包括哺乳动物、植物或昆虫细胞和微生物培养物的生物材料。复杂生物产品诸如蛋白质、单克隆抗体等的制造在许多情况中需要多个处理步骤，其范围涉及从发酵或细胞培养(细菌、酵母、昆虫、真菌等)到初级回收和纯化。
6.可期望通过使用更环境友好的较廉价的元件来解决如上文陈述的需要。本发明的方面将运用小得多的叶轮，且具有减小的磁力，这将允许袋与驱动器更容易分开。此外，将
解决驱动器(用户)端上的移动部分来提供更安全的机构。
7.磁性驱动头的移动允许了转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许容器内的叶轮混合和搅拌容器内的流体，而不提供密封轴。在使用完全封闭的容器时，或在按需要使用容器来保持内部容积和待混合的流体的无菌性时，磁性混合原理是特别有利的。
8.在如生物制药生产中使用的单次使用的处理技术中，使用了塑料器皿和袋，它们典型地被预先灭菌(例如，通过伽马辐照)，且用作完全封闭的系统，使用无菌连接件来使所述系统连接到相邻的流体处理设备和线上。在单次使用的容器和生物反应器的这些应用中，磁性混合技术的使用出于过程安全性、简单性和低成本的原因而是优选的，低成本来自于省略了旋转轴周围的复杂密封布置。
9.现今，对使用磁性混合技术的过程提出了某些挑战，其中缺乏叶轮与外部驱动器之间通过轴的直接和永久机械连接。这些缺陷包括不了解叶轮的实际速度；与直接机械联接相比，更难以评估转矩和功率输入。此外，由于与机械轴相比，通过磁性耦合传递的功率典型地为有限的，因此磁性混合器典型地在较低功率输入下操作，这使得难以在这种测量中的摩擦力、干扰和噪声的背景下评估功率输入和转矩。因此，需要改进磁性混合和磁性混合器耦合的评估、测量和控制。
10.更详细而言，当前磁性混合器的挑战包括：(1)间接(非实时)确定输送到流体的功率，如用公式或查找表的用户界面操作执行的；(2)在混合过程发生时的流体密度和/或粘度变化，而没有混合过程的准确控制；以及(3)不能识别混合过程中的异常。迄今为止使用的生物反应器中没有任何特征或直接过程可检测或标记此类问题。
11.此外，现有解决方案未提供在混合的同时输送至流体的功率的直接测量。现有方法取决于查找表来计算输送至流体的功率。此外，没有装置或方法能够连续地监测流体的粘度和密度，或在没有如之前所提到的查找表的情况下检测混合过程中的异常。
12.可期望通过向生物反应器和/或混合器提供附加功能来解决如上陈述的需要。其将允许在混合的同时准确监测输送至流体的功率，且将由使用者提供更准确的控制。其还将有利地允许流体性质的连续更新，且优选在混合异常的情况下发出警报，诸如，例如，当体积气液比超过阈值时，在叶轮"溢流"的情况下。
技术实现要素：13.本发明的系统和方法涉及一种用于生物反应器混合器或泵的磁性驱动器，其加强磁性耦合来提供较高的转矩，且替代驱动端的磁体和驱动电机。本文公开的实施例在两端上使用背铁来加强磁性耦合和饼形磁体(在楔形形状和格式的意义上的"饼"形，即，三角形/梯形具有较宽的外缘和较小的内部尺寸，或定形为圆形或环形扇段)，以提高容积利用率，且因此提供较高的转矩且允许使用较廉价的材料(例如，铁素体)。在另一个实施例中，转子侧构造有halbach阵列，其在不需要增加背铁件的情况下提高转矩。另一实施例实施了轴向磁通定子以替代驱动端磁体和驱动电机。
14.在一个实施例中，一种系统被描述为要用作生物反应器混合器，该系统包括：旋转驱动器、能够围绕中心(旋转)轴线旋转的叶轮以及定位成一个或多个阵列格式的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体定位在邻近旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体定位在叶轮处；其中旋转驱动器为驱动定子。
15.一方面，系统具有驱动定子，其为轴向磁通定子。另一方面，轴向磁通定子定位在多个磁体的下侧上。轴向磁通定子包括控制单独或组合地提供给定子的电压和电流的控制电路。轴向磁通定子包括测量转矩和转速的控制电路。轴向磁通定子包括测量由轴向磁通定子和叶轮磁体产生的磁通量和和磁通量密度的控制电路。轴向磁通定子包括产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮的多个载流元件。
16.在本文所述的实施例中，轴向磁通定子包括固定载流元件或将载流元件附连到其上的芯。公开的实施例的方面因此允许芯为磁性的或非磁性的。
17.另一实施例为混合系统，其包括：产生沿轴向方向的磁通量的多个载流元件、能够围绕轴向磁通定子的轴线旋转的叶轮；其中磁通量驱动叶轮。定子为轴向磁通定子，其具有附连载流元件的芯，芯包括定子齿。一方面，芯为磁性的，且也可为非磁性的。
18.各种实施例包括：包括多个磁体的叶轮、加强磁性耦合的背板、多个载流元件、一个或多个混合叶片和/或单独或组合支承叶轮以免失准的固定装置。
19.系统的一个实施例用作生物反应器混合器，系统包括：旋转驱动器、能够围绕中心(旋转)轴线旋转的叶轮、定位成一个或多个阵列格式的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体定位在旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体定位在叶轮处，以及至少一个板，其包括定位在其上的第一组磁体，使得第一组磁体定位成同心几何构造，且独立地定形为具有较宽的外部尺寸，其朝同心几何构造的中心变窄；其中第二组磁体彼此邻近而布置，以加强第二阵列的一侧上的磁场，同时在第二阵列的相反侧上将磁场消除至零，以实现磁化的空间旋转模式。一方面，系统还包括外部容器，生物反应器混合器的至少一部分置于外部容器中。
20.在另一个实施例中，一种系统用作生物反应器混合器，该系统包括：旋转驱动器、能够围绕中心(旋转)轴线旋转的叶轮，定位成一个或多个阵列格式的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体定位在旋转驱动器附近的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体定位在叶轮处，以及包括定位在其上的第一组磁体的至少第一板；其中第二组磁体与第二板定位在一起，第二板包括具有大于空气磁导率的磁导率的材料，且夹在第一组磁体与叶轮之间，使得在第一阵列格式的第一组磁体与第二阵列格式的第二组磁体之间产生磁场梯度。
21.一方面，第一板包括具有大于空气磁导率的磁导率的材料。第一组磁体可定位成阵列格式，其几何地定形为具有朝同心中心变窄的较宽的外部尺寸。第二组磁体可定位成阵列格式，其几何地定形为具有朝同心中心变窄的较宽的外部尺寸。
22.本公开内容的实施例公开了一种使用转矩传感器和与传感器相关联的测得转矩来检测混合过程中的不同流体和混合性质、状态和异常的系统及方法。混合过程中产生的转矩涉及不同的流体性质，诸如粘度和密度。其还涉及不同的混合状态，诸如存在障碍物和变化或气体喷射问题。此外，与仅使用经验叶轮功率数和速度相比，转矩测量使得能够通过实际测量确定传输到流体的功率，并且允许实际传质确定(即，气体传递计算)。
23.公开的实施例涉及转矩传感器(例如，换能器)和使用测得的转矩来检测不同流体和混合性质、状态和异常的方法。
24.在一个实施例中，一种磁性混合系统表征流体混合装置中的状态，该系统包括：包括流体的容器；产生磁场的驱动器；操作驱动器的控制器；与系统定位在一起来检测磁场或
磁通量的一个或多个传感器；以及从传感器接收信息来计算提供给流体的功率、转矩和叶轮速度中的一个或多个的处理器。磁性混合系统还包括容器内的叶轮，其中驱动器产生磁场来旋转叶轮，且传感器测量提供至叶轮的磁场或磁通量。一个或多个传感器与驱动器、叶轮定位在一起，或在叶轮与驱动器之间。传感器还可检测提供至驱动器的电流和电压。
25.一方面，驱动器作为定子，或驱动器可包括与电机组合的一组永磁体。另一方面，驱动器为定子、电机或磁性耦合，且传感器为分别单独或组合地与其定位在一起的换能器。
26.应用的实施例使用叶轮的转矩和速度，因为其对应于流体混合中的转矩和速度。处理器单独地或组合地将功率、转矩或速度与一种或多种流体性质一起使用来评估实时混合状态和混合性质。此外，处理器单独地或组合地检测流体性质、混合状态或混合性质的变化。在另一实施例中，处理器检测如由习得模式或预定阈值确定的流体性质、混合状态或混合性质的异常。流体性质包括任何数量的特征组合物，包括流体的密度和粘度等。处理器单独地或组合地检测流体的密度或粘度、功率、转矩或速度的异常。此外，处理器可单独地或组合地检测堵塞、气体分散或流体中的一种或多种污染物。
27.本文公开的实施例提供了一种为分析器的处理器，以在反馈回路中向控制器提供指示。分析器单独地或组合地将功率引导至驱动器来增大或减小搅拌，调整流体性质以及校正任何缺陷或异常。
28.如此所述，一个实施例公开了一种控制流体混合装置中的状态的方法，该方法包括以下步骤：提供具有包括流体的容器的流体混合装置、产生磁场的驱动器、操作驱动器的控制器、一个或多个传感器以及处理器；通过一个或多个传感器检测磁场、磁通量、提供给流体的功率、转矩、速度、电流或电压中的至少一者；如果之前未检测到，则计算叶轮的功率、转矩和速度；以及通过处理器，使用功率、转矩和速度分析，以确定流体的一种或多种流体性质、实时混合状态以及混合性质。一方面，混合系统还包括叶轮，且检测步骤包括检测叶轮的位置。分析步骤包括检测流体性质的变化。
29.此外，功率、转矩、速度、电流、电压、流体性质、混合状态和混合性质单独地或组合地显示在用户界面处。在无用户操纵的情况下，直接地确定功率、转矩和速度。
30.公开实施例的方面包括通过传感器提供给处理器的流体性质，包括单独或组合的流体成分、密度和粘度。该方法还包括识别流体混合装置、流体性质、混合状态和混合性质中的异常的步骤。处理器可为分析器，其提供反馈至控制器，以自动地控制输送至驱动器的功率、转矩和速度。一方面，处理器单独地或组合地提供流体的预定成分、粘度和密度。另一方面，处理器提供信息至控制器，控制器如基于流体性质的变化确定最佳的成分、粘度和密度。
31.其它方面允许传感器检测任何数量的属性、特征或其它，包括而不限于检测在流体混合装置的操作期间的驱动器与叶轮之间的角度，以便确定流体性质。
32.因此，实施例向生物反应器或混合器的使用者提供了附加功能。现在在混合的同时对输送至流体的功率进行准确监测是可行的，允许了关于流体性质的连续更新和调整。另一方面，在混合过程异常的情况下，根据期望来实施警报。
33.各种实施例的详细描述被如下描述。
附图说明
34.图1a(现有技术)示出了用于生物反应器混合器的磁性驱动器。
35.图1b(现有技术)示出了磁性耦合，其中叶轮保持联接到驱动端上的一组磁体，该组磁体在驱动端中由单独的电机旋转。
36.图2(现有技术)描绘了现有技术的系统中的磁场耦合的横截面视图。
37.图3示出了当使用如本文的实施例中公开的单独磁体形状和构造时的磁场耦合的横截面视图。
38.图4a示出了本发明的在两端上包括背铁的实施例。
39.图4b示出了包括饼形磁体的实施例，其以围绕中心轴线的磁性布置单独定位、成角度并间隔开。
40.图4c示出了另一实施例中的构造成具有halbach阵列的转子侧，单独的磁体在没有间距的情况下彼此邻近，以形成同心磁性布置。
41.图5描绘了示出在使用饼形磁体和背铁时的本文公开的实施例中的磁性耦合的横截面视图。
42.图6提供了如本发明的实施例中使用的磁体的比较。
43.图7描绘了在一个实施例中使用不同材料的圆柱形磁体的最大转矩的比较。
44.图8描绘了具有背铁的圆柱形磁体的最大转矩的比较。
45.图9描绘了饼形磁体和halbach阵列的最大转矩的比较。
46.图10描绘了在一个实施例中的轴向磁通定子的转矩对电流密度的关系的图示说明。
47.图11从侧部透视图示出了本发明的实施例。
48.图12从侧部透视图示出了本发明的实施例。
49.图13(a), (b), (c)示出了改变定子长度的分析。
50.图14(a), (b), (c)示出了改变电流密度的分析。
51.图15(a), (b), (c)表明了改变槽口节距和所得转矩的分析。
52.图16a示出了齿绕轴向磁通定子的实施例的透视图。
53.图16b描绘了图16a中的轴向磁通定子的透视俯视图。
54.图16c描绘了图16a中的轴向磁通定子的透视侧视图。
55.图16d描绘了图16a中的轴向磁通定子的齿高度的透视侧视图。
56.图16e描绘了本文所述的定子芯的实施例。
57.图17为表明随着雷诺数减小达到其中功率数开始急剧增加的点的图示，这取决于使用的叶轮的类型。
58.图18图示了功率数n
p
对雷诺数n
re
。
59.图19示出了对于流体1,2,3和水的叶轮转矩根据转速的变化。
60.图20示出了如由流体1,2,3和水所示的对于不同粘度的转矩-速度斜率(dt/dn)的变化。
61.图21a示出了对于流体4,5,6和水的叶轮转矩根据转速的的变化，其中粘度保持恒定，且密度分别变为1.1x、1.3x和1.5x。
62.图21b示出了在一个实施例中的不同流体密度的转矩-速度斜率的变化。
63.图22a为结合在磁体布置之间以感应反向电动势(emf)的印刷电路板(pcb)绕组的一个实施例的透视图。
64.图22b为在一个实施例中的转矩对负载角的图示性描绘。
65.图22c为通量传感器的实施例，在此为印刷电路板(pcb)，其用于获得通量信息和估计转矩。
66.图23为具有磁性布置并且组装有叶轮部分的轴向磁通定子的实施例的透视图。
67.图24为生物反应器驱动器和叶轮的实施例，在各自上包括12个磁体，磁通量或磁场密度传感器置于磁体之间。
68.图25a示出了当使用不同的叶轮位置处的磁性传感器在驱动磁体的顶部上测量时的轴向和横向磁场密度的变化。
69.图25b示出了当使用不同的叶轮位置处的磁性传感器在距离驱动磁体的顶部0.125''(3.2 mm)处测量时的轴向和横向磁场密度的变化。
70.图25c示出了使用不同叶轮位置处的pcb绕组或电动势感应线圈在通过置于磁体的顶部圆周上的回路测量时的磁通量的变化。
71.图26以示意图示出了混合过程的实施例，该示意图限定了一个或多个传感器与混合系统的实施方式。
72.图27示出了具有旋转磁性叶轮的柔性生物反应器袋，其安装在具有磁性驱动器的刚性支承容器中。
具体实施方式
73.在结合附图阅读时，将更好理解各种实施例。应当理解的是，各种实施例不限于附图中所示的布置和仪器。
74.公开的实施例的系统和方法涉及一种用于生物反应器混合器或泵的磁性驱动器，其加强磁性耦合来提供较高的转矩，且根据需要替代驱动端磁体和/或驱动电机。实施例还包括磁性形状和布置，包括饼形磁体(在楔形形状和楔形格式的意义上的"饼"形，即，三角形/梯形具有更宽的外缘和更小的内部尺寸，或定形为圆形或环形扇段)，使得楔形物配合在一起以提高容积利用，且因此提供较高的转矩且还允许使用较廉价的材料(例如，铁素体)。在一个实施例中，转子侧构造成具有增大转矩的halbach阵列。公开的实施例可使用一端或两端上的背铁来加强磁性耦合。就halbach阵列而言，在无背铁件的情况下转矩增大。另一实施例实施轴向磁通定子来替代驱动端磁体和驱动电机。如下公开实施例。
75.一次性生物反应器公开的所有实施例可适用于如图27中所示的一次性生物反应器1000。生物反应器可包括作为生物反应器容器的柔性袋1001，其中磁性叶轮1002在袋的内部容积1003中。袋适当地构造成安装在刚性支承容器1004中，包括用于叶轮的磁性驱动器1005，使得叶轮由磁性驱动器驱动，且围绕中心旋转轴线1011旋转，其速度足以搅拌生物反应器的内容物。袋可包括用于接收叶轮且使其与磁性驱动器(适当地沿轴线1011)对准的接收器结构1006，其中接收器结构例如可包括能够接收旋转叶轮轴的端部或旋转叶轮的一部分的固定轴或腔。例如，袋的内部容积可例如为20到5000升，诸如50到2000升。袋可具有一个或多个端口1007，以用于材料的引入和移出，所述材料诸如例如细胞培养基、细胞接种物、细胞培养样
本、营养物、气体和/或排出气体。适当地，包含叶轮的袋例如通过伽马辐照灭菌进行预灭菌而被供应。尽管磁性驱动器在此被示为安装在支承容器的底壁1008中，但其还可安装在支承容器的侧壁1009或顶壁1010中。叶轮和任何接收器结构然后将被置于袋壁的对应位置处。
76.叶轮在论述的所有混合/混合器系统、柔性生物反应器袋和所述方法实施例中，叶轮可为由磁性驱动器驱动的旋转磁性叶轮。叶轮适当地能够围绕中心旋转轴线旋转，中心旋转轴线适于与驱动器的轴线对准。叶轮可围绕包括在系统中的固定轴旋转，但其同样包括固定到叶轮上(或与叶轮结合)的轴，使得轴与叶轮共同旋转。此轴可在包括在系统中的腔或轴承中旋转，典型地形成叶轮接收器结构的一部分。叶轮可包括一个或多个混合叶片，例如，如图17中所示的那样。
77.饼形磁体构造出于比较目的，图2描绘了驱动端磁体204与叶轮端磁体202之间的现有技术系统中的磁场耦合201的横截面视图；磁场密度203是其间表示的区域。这里公开的实施例在图3中被示出，在图3中，饼形磁体用于混合器300中。横截面视图示出了磁场耦合301的大的增加，驱动端磁体304与叶轮端磁体302之间的磁场密度303增大。
78.图4a示出了在一个实施例中的具有halbach阵列402的混合器400的转子侧。单独的磁体403彼此邻近而没有间距，以围绕中心(旋转)轴线407形成halbach阵列402的同心磁性布置。饼形驱动端磁体404间隔开，且定位在磁性板(背板)405上。磁性板可为背铁、任何磁性材料，包括但不限于磁导率大于空气的任何材料。一方面，磁性板可为高磁导率合金，诸如包括钴、铁或其它磁性材料的合金。由余下的空间产生磁场密度401，其中halbach阵列402的单独磁体403悬浮在驱动端磁体404上方。
79.叶轮和驱动端的背铁图4b示出了磁性驱动器410的实施例，包括驱动端413处的楔形(饼形)磁体412和叶轮端411处的楔形(饼形)磁体414，各个磁体412,414以围绕中心(旋转)轴线415的磁性布置单独地定位、成角度和间隔开。磁性板405定位在叶轮端411处，同时第二磁性板406定位在驱动端413处。在一个实施例中，磁性板405,406为背铁，并且可为任何磁性材料，包括但不限于磁导率大于空气的任何材料。磁场密度417在驱动端磁体414与叶轮端磁体412之间产生，因此增大了磁性耦合。另一方面，磁性板为包括高磁导率的材料，包括但不限于钴、铁或其它磁性材料。
80.在一个实施例中，如图4c中所示，磁性驱动器420包括叶轮端背铁406和驱动端背铁405。圆柱形磁体418围绕中心(旋转)轴线419间隔开，且定位在各端处，使得磁场密度421在其间产生。背铁加强磁性驱动器的磁性耦合，从而增大转矩。
81.如图4c中所示，背铁置于叶轮端磁体上方和驱动端磁体下方的驱动器中。背铁减小空气中的总磁路，驱动端与叶轮端磁体之间的磁场密度421。结果，使两端耦合的磁场密度增大。
82.图5描绘了混合系统500的横截面视图，示出了在使用如图4b中所述的饼形磁体和背铁时的本文公开的实施例中的磁性耦合501。
83.图6中示出了磁体的比较。如图4c中所示，圆柱形磁体的基准转矩为大约5.8nm。
84.图6示出了非稀土磁体材料(例如，alnico 9和c8b/ac12(陶瓷))为更廉价的，且具有有益的特征，这与描述的期望的磁性成分、特征和构造一致。在此和在下文各处，非稀土磁体可限定为包括小于5 wt%的稀土元素的磁体，诸如小于1 wt%的稀土元素。稀土元素包括镧系元素(即，原子序数是57到71的元素)，以及钪和钇。
85.图7为圆柱形磁体(
ϕ = 0.75 x 0.75)的最大转矩的比较。通过替代钕(烧结的ndfeb)磁体，且使用其它非稀土磁体，同时保持圆柱形状和布置，极大地减小了转矩产生。
86.一方面，背铁可被加到叶轮端或驱动端中的一者上。如图8中所示，加在叶轮和驱动端处的背铁改进转矩的产生。确切地说，图8表明了如图4c中所表示的具有背铁的圆柱形磁体的最大转矩的比较。图8示出了根据磁体几何形状的由不同类型的磁体(例如，n38/15、smco 28/7等)产生的最大转矩。铁素体磁体等级fb12h产生的转矩量是没有背板的两倍，同时消除了稀土磁体的使用。磁体等级中的三个不能产生稀土磁体的基准转矩。
87.本发明的实施例将磁体的形状从圆柱形变为饼形构造。如图9中所示，改进的叶轮-驱动器设计提供了2.5倍的转矩，而无需昂贵的钕磁体。铁素体磁体等级fb12h产生的转矩量是没有背板和磁体饼形状的2.5倍。如图4b中表明的且图9中指出的，示出了饼形磁体的最大转矩的比较。
88.halbach磁体阵列如图9中所示，图4a中的halbach叶轮-驱动器设计的实施例在不需要昂贵的钕磁体的情况下提供了期望的转矩。halbach阵列和饼形磁体的该布置使产生的转矩增加到3倍，其提供基准转矩。
89.轴向磁通定子本发明的实施例提供轴向磁通定子以减小驱动端尺寸，以及减少构件的数量，且提高其可靠性。图11描绘了没有轴和轴承，且没有如现有技术中使用的杠杆机构的轴向磁通定子110的实施例。驱动定子111定位在叶轮端114的磁体112的下侧上，沿中心旋转轴线172对准，且具有控制电路113。
90.调整轴向磁通定子110的电气和机械构件来解决改造设计中的问题。在轴向磁通定子的实施例中，电气构件包括：高电流密度(冷却)、较高的槽口数量以允许每个孔的高槽口数且因此能够选择各种线圈节距(以抑制谐波)、导致较高漏感和较低功率系数的较长的槽口，以及较高电流导致较高通量，因此适合较大的定子齿来避免饱和。
91.轴向磁通定子120的构造在图12中被描绘为轴向类型的磁性齿轮。磁芯121在这里被示为定位在高速转子125(具有高频率的定子)与低速转子126之间。取决于叶轮磁体和绕
组的布置，磁芯121具有许多槽口122。磁芯可根据期望为层压的、粉末类型的或带形的芯。一组绕组在图12中被示为固定的钢节段123，或定子齿，具有调制槽口122。一组绕组也可为齿绕的、分布式的或部分绕组。绕组还可为单层或多层、波形或叠绕组，全绕组或短节距绕组。固定的钢节段可具有附加的槽口，以容纳具有单级或多级齿轮的磁性齿轮(例如，vernier型机器)。在使用vernier型机器时，定子还可具有附加的磁体。
92.对具有分布式绕组(例如，十八个槽口的实例)的轴向磁通定子的分析表明，通过增大定子长度，每个槽口产生更高电流路径；发生齿饱和且引起增大的谐波(见图13)。增大定子电流密度导致较高的转矩；再次，齿的饱和发生且引起增大的谐波(见图14)。并且，通过增大定子槽口节距，在对最内齿宽度(见图15)施加机械约束的同时，产生较高转矩。
93.图16a出于示范性目的而非作为限制示出了具有九(9)个槽口165(见图16c)的齿绕轴向磁通定子160的实施例。图16b,16c和16d描绘了透视图，以更清楚地示出轴向磁通定子160的细节。定子芯包括饼形磁性定子齿163，其从定子背铁162垂直地延伸。定子芯170可由烧结的粉末铁、铁素体形成或由磁钢线圈加工而成。传导性绕组(载流元件)164卷绕定子齿163。传导性绕组分成多个相。在各个相绕组内，单独线圈的感测场方向交替，使得相电流施加到相绕组上产生磁场，其在一个齿中方向垂直向上，且在另一个齿中垂直向下。穿过传导性绕组的电流形成磁场，磁场流过定子齿，穿过定子160与能够围绕中心轴线172旋转的转子161之间的气隙，与转子上的磁体166相互作用，行进穿过转子161，且返回通过相反的磁极的转子磁体，穿过定子与转子之间的气隙，穿过相反激励的定子齿，通过定子背铁162闭合。
94.如图16b中所示，示例性定子具有宽度为大约0.470英寸(1.2cm)的九个槽口165；定子芯170的内径(具有中心轴线172的中空芯171)为大约1.575英寸(4.0cm)，且定子芯的外径为大约3.250英寸(8.25cm)。槽口的宽度、芯内径和芯外径是确定电机的性能的参数。图16c描绘了包括与基底背铁162组合的定子齿163的磁性定子芯170，且示出了定子芯为大约2.750英寸(7.0cm)高，但对于特定混合器，可根据期望在大小、形状和尺寸方面进行改变。图16d描绘了磁性饼形定子齿163的高度，其高度在此被示为大约2.500英寸(6.35cm)。定子齿的高度和定子背铁的厚度是定子的设计期间确定的附加参数，且因此可在形状和尺寸上进行改变。
95.在一个实施例中，如图16e中所示，定子芯175限定为具有锥形齿176，且包括背铁177。因此，定子芯可改造和设计成提供混合器的操作效率。
96.图10针对定子与转子之间的大约0.32英寸(0.81cm)和大约0.265英寸(0.67cm)的间隙，将转矩与轴向磁通定子160的电流密度相比较。给定电流密度下，间隙越小则产生的转矩越大。由于电流较小，故对于较小的间隙，效率略高。
97.如所表明的，由此描述的实施例解决了本领域中提出的问题。如所述的较廉价的叶轮包括通过增大磁场密度来改进的磁性耦合。通过单独地或组合地通过材料、形状和背铁优化叶轮磁体，产生了较高转矩密度。稀土磁体可例如由较廉价且环境友好的非稀土材料(诸如alnico和铁素体)替代。此外，现在使用的大型和超大型驱动组件可使用小得多的叶轮。此外，使用者附近的驱动侧上的移动部分被重新定位以提供总体上较安全的装置。
98.利用更可靠的系统提供了附加的技术和商业优点，所述系统包括轴向磁通定子；纵向磁通定子具有较小的驱动器、没有移动部分，以及在袋安装期间减小的磁力。尽管磁体
的成本和可用性是改进的磁体形状和材料的优点，但增大转矩的磁性耦合的效率对于生物反应器、各种混合系统和总体效率的进一步强化非常有用。
99.在使用中，例如，微生物发酵利用更多搅拌来在反应器壁处进行充分混合、气体传质和传热。包括轴向磁通定子的本发明的改进的装置由于不太复杂的设计而改进用户体验。该设计不但比具有永磁体的驱动器更紧凑，而且改进了袋的安装和移出，因为没有必须克服的永磁力。避免了移动部分，其关于机械指令要求、密封和进入保护的结果是避免了使用杠杆机构将驱动器与叶轮分离而使得袋可从反应器底部端件中拉出的先前标准设计。
100.在结合附图阅读时，将更好理解各种实施例。应当理解的是，各种实施例不限于附图中所示的布置和仪器。
101.混合过程中产生的转矩涉及不同的流体性质，诸如粘度和密度。转矩还涉及不同的混合状态，诸如存在障碍物和变化或气体喷射问题。例如，通过空气区域破坏连续液体或喷射器液体会产生大的气泡或通道，这种行为典型地被称为混合器的[气体]溢流; 这导致功率输入的急剧减少。在接近或在混合器的溢流点处的条件下的扭矩测量值(即，实时连续的测量值)允许更好的过程控制和更高的混合功率利用，包括在过程步骤中的改进的容量和能力。例如，生物反应器可在较高的传质且因此较高生产率下操作。此外，与仅使用经验叶轮功率数和速度相比，转矩测量值连同速度使得能够通过实际测量值确定传输到流体的功率，并且因此允许实际传质确定(即，气体传递计算)。如本文所述，实施例涉及转矩和速度传感器，诸如换能器，以及使用测得的转矩和速度来检测不同的流体和混合性质、状态和异常的方法。
[0102]
混合功率公开的本发明的实施例允许在过程流体中容易地测量由旋转叶轮消耗的功率。该单元将该功率表示为'马力'(hp)。混合器性能涉及马力；然而，问题与此趋势相关联。大体上，至流体的功率(p)输入可针对典型混合器(湍流)应用按如下计算：粘度效果随着粘度增大，叶轮功率数可开始增大。这在hp计算时变得重要，因为随着功率数开始增加，用于驱动混合器的马力也增加。简单地增加输入[马力]功率可为答案，但此改变减少了混合器驱动器的服务因素，因此可能需要'更大'的混合器。与水相比，粘度增大还影响流体的流动特征。
[0103]
雷诺数雷诺数是无量纲数，其可如下被推导：
只要雷诺数足够高，功率数(n
p
)对于各个叶轮类型都是恒定的。功率数是雷诺数(n
re
)的函数。
[0104]
图17的图示示出了各个叶轮的功率数如何随雷诺数变化而变化。当雷诺数下降时，达到功率数开始急剧增大的点。该点取决于使用中的叶轮的类型。1000到2000之间的雷诺数n
re
大体上认作是"处于过渡期"。
[0105]
雷诺数是混合器将在其中操作的混合流体的类型的指标。如果雷诺数高于2,000，则功率数是恒定的。当计算的雷诺数小于1,000时(即，层流)，则功率数随雷诺数减小而增大。因此，计算的轴马力基于校正的功率数。在此情况下，如图18中所示，功率数(n
p
)对雷诺数(n
re
)曲线从叶轮制造商获得或由实验获得。
[0106]
在本发明的实施例中，用于在给定速度下混合流体的功率可基于多个参数而变化，所述参数包括但不限于：(i)叶轮直径，(ii)叶轮叶片设计，(iii)流体性质(即，粘度和密度)。在一些应用(诸如哺乳动物细胞混合器)中，控制输送至流体的功率是混合过程的元素。由于混合功率由驱动系统驱动，故可从该侧对其进行测量和控制。驱动系统可为使叶轮旋转的定子，或联接到叶轮磁体上且由单独的电机驱动的一组磁体的形式。在这些实施例中，将驱动器联接到叶轮上的磁场取决于输送至叶轮的功率(且也为转矩)。通过测量磁场或磁通量，可计算且因此控制输送至叶轮的转矩、速度和功率。此外，至驱动系统的电流和电压输入涉及输送至系统的功率。这些值还可用于计算输送至叶轮的功率。
[0107]
特征化流体密度ρ和粘度μ的流体性质在指定期望的混合功率和扭矩中起作用，因为这些性质在雷诺数计算以及特定功率方程中被表示。在估算此参数时，出于示范性目的且非限制，图18中示出了来自图17的曲线#4。
[0108]
接下来，针对七种不同的流体绘制转矩-速度曲线：水和具有不同于水的密度、动态粘度或两者组合的六种其它流体。表1示出了各种流体(25℃下)的总体性质，而表2示出了叶轮和罐的性质。
[0109]
使用方程1(eq. 1)和方程2(eq. 2)完成转矩速度特征的计算。图19示出了对于流体1,2,3和水的叶轮转矩根据转速的变化。在此计算中，粘度是可变参数。流体1未显示相对于水的可检测到的变化，而流体2和流体3示出了粘度增大(流体2增大100倍，且流体3增大1000倍)引起的差异。
[0110]
图20示出了针对不同粘度的转矩-速度斜率的变化。在改变粘度时，斜率变化是最小的，而y轴交叉点的变化是不同的。再次，绘出了流体1,2,3和水；流体1并未示出相对于水的可检测到的变化。
[0111]
图21a示出了与水相比，叶轮转矩根据流体4,5和6的转速的变化。粘度保持恒定，且密度分别变到(相对于水的密度)1.1x、1.3x和1.5x。流体的密度变化是可检测到的。
[0112]
图21b示出了与水相比，流体4,5和6的不同流体密度的转矩-速度斜率的变化。尽管由于粘度引起的斜率变化最小，但密度影响斜率，且最小程度上影响y轴截距。
[0113]
因此，遵循上述关系，可通过测量不同速度下的叶轮扭矩来检测流体中粘度的变化。此外，可在各种水平下检测密度变化。通过研究转矩-速度斜率，流体性质的变化可在粘度或密度的变化之间区分。
[0114]
以下实施例描述了测量生物反应器和各种类型的混合器的转矩的方法。
[0115]
为了测量叶轮的转矩和速度，换能器作为附加构件可安装在轴上，在叶轮与驱动器之间的空间中，在叶轮磁体上，或在驱动磁体或芯上。
[0116]
方法1：与磁体-磁体耦合相关的测量转矩和速度本发明的实施例包括定位在袋或容器外、封闭系统外的传感器，其不允许袋内的电线布线。一方面，传感器与驱动头结合。图22a描绘了具有与轴向磁通定子605的磁体603,604的布置结合的印刷电路板(pcb)绕组602的系统600。系统600包括在定位在容器601内的叶轮端607(可围绕中心轴线608旋转)处的第一组磁体603，以及定位在驱动端605处的第二
组磁体604。pcb绕组602是单线圈或如图22c中更详细所示的成组线圈，且在布置磁性梯度的区域606中置于成组的磁体603,604之间。图22b表明了同步转矩取决于负载角度，也就是转子磁通和定子磁通之间的角度(即，转子极(或磁体)或定子极(或磁体)之间的角度)。通过将单个线圈或成组线圈(诸如印刷电路板(pcb)绕组602)置于定子605与转子607之间，驱动器与叶轮(部分地或完全地填充空气)之间的空间或区域606中的磁通量可被检测到，且与产生的转矩相关。一方面，单个线圈或成组线圈被印刷在电路板上，且可布置和放置成单层或多层。
[0117]
在一个实施例中，通量传感器诸如pcb绕组602(图22c中所示)安装在生物反应器或混合器系统的现有磁体-磁体耦合上，以获得通量信息并估计转矩。通量传感器作用为通过使测得的电压与转速相关来获得速度。在各种情况下测量随时间变化的电压。在图22c中，图示描绘了感应反电动势(emf)的pcb绕组602。
[0118]
在一个实施例中，磁场密度传感器808(例如，一个或多个基于3d霍尔效应的传感器、各向异性磁阻(amr)、叠瓦式磁记录(smr)、巨磁阻(gmr)传感器)，且如图24中所示，安装在驱动器与叶轮之间的空间中。该空间中的磁场密度随叶轮产生的转矩变化而变化。图24示出了磁体-磁体耦合生物反应器系统800，使用了结合的传感器808以在系统使用时测量变化的粘度和变化的密度。叶轮端802处的叶轮磁体810形成第一部分，且驱动端806与基底钢板804结合来形成第二部分。如描绘的，包括磁场密度传感器的传感器808与驱动磁体806结合。然而，传感器可结合、结合和/或放置在系统800的任何区域内。确切地说，所示的传感器结合在叶轮端磁体与驱动端磁体之间的区域811内。产生的转矩涉及流体性质(例如，重量、体积、粘度、密度)。在速度n
ꢀ→ꢀ
dt/dn时，t用于指示流体粘度、密度和不同的操作状态。
[0119]
方法2：测量关于轴向磁通(af)定子的转矩和速度就轴向磁通定子而言，如图23中所示，获得定子电压和电流并将其分解成径直和正交轴分量，且在不需要传感器的情况下计算反emf和转矩。图23示出了具有定位在容器701内的第一转子部分707和第二定子部分705的装置700的实施例；第二定子部分是齿绕轴向磁通定子705，其包括从定子背铁762垂直地延伸的饼形磁性定子齿763。定子芯可由烧结的粉末铁、铁素体形成或由磁钢线圈加工成。传导性绕组(载流元件)764卷绕定子齿763。传导性绕组分成多个相。在各个相绕组内，单独线圈的场方向交替，使得相电流施加到相绕组上产生磁场(b)，其在一个齿中方向为垂直向上，且在另一个齿中为垂直向下。穿过传导性绕组的电流形成磁场，其流过定子齿，穿过定子705与转子761之间的气隙或区域706，与转子上的磁体703相互作用，行进穿过转子761，且返回穿过相反磁极的转子磁体703，穿过定子与转子之间的气隙，穿过相反激励的定子齿，通过定子背铁762闭合。
[0120]
尽管在磁体-磁体耦合系统800方面描述方法1且方法1可应用于若干不同布置的驱动器和叶轮，但方法2对于如图23中所示的卷绕定子驱动系统700是特有的。磁体-磁体耦合系统利用磁场密度和/或磁通量的变化来产生叶轮位置且因此产生的转矩和/或速度的信息。定子驱动系统获得到卷绕定子的输入电流和电压，且将此信息与产生的转矩和/或速度关联。
[0121]
图25a示出了针对不同叶轮位置的在一个驱动磁体806(见图24)的顶面898的中心点899上获得的磁场密度的比较。叶轮位置被记录为叶轮磁体810的中心线与驱动磁体806的对应中心线之间的角度。沿轴向和横向方向记录磁场密度，且磁场密度示出了随叶轮-驱
动器角度变化的显著差异。这些值直接与产生的转矩相关，且用于推导产生的转矩。
[0122]
图25b类似于图25a，具有测量点差异。这里，测量点897沿轴向方向朝叶轮转移1/8英寸(3.2mm)，计算点在驱动磁体806的中心899上方0.125''(3.2mm)处。再次，磁场密度的变化与叶轮磁体810位置的变化相关。传感器位置可在驱动器与叶轮之间的任何位置，或甚至在驱动器的底面或叶轮的顶面上。
[0123]
图25c示出了针对不同叶轮位置的磁通量的变化。清楚的是，磁通量还可用于检测叶轮位置且因此产生的转矩。由于通量随叶轮相对位置变化，故其还可用于检测相对于驱动器的突然叶轮位置的变化。这可用法拉第定律解释：这里，是用于拾取磁通量的回路中产生的电压，n是回路的圈数，且是穿过回路896的磁通量。叶轮相对位置的变化引起回路电压的突然变化(由于电压关于磁通量的时间变化)，且因此该电压变化可与叶轮相对位置的变化相关。如果叶轮速度在一定时间(t)内增大，则该周期期间的电压可用于计算新的叶轮相对位置和速度。如果异常状态引起叶轮突然改变相对位置，则电压波形在时间上很短(更像是脉冲)，且因此，可检测到异常行为且触发随后的动作。
[0124]
图26为混合器系统900的示意图。一方面，混合器系统为泵。另一方面，混合器系统为生物反应器系统。混合器900包括控制器902；驱动器904包括定子、电机、磁性耦合，以及其它部件；且叶轮906包括一个或多个叶片，以及其它构件。控制器902控制混合器和/或泵驱动器904。驱动器可包括单独或组合的定子、电机、磁性耦合中的任一者。传感器布置907包括单独或组合的转矩速度传感器908、电压/电流/通量传感器910。传感器907将信息传递至处理器912，处理器分析转矩和速度计算，分析提供至流体的功率、流体性质(例如，密度、粘度等)、混合性质(例如，流体性质的变化、混合中的异常、堵塞、气体分散等)，以及选择的其它分析。处理器然后在反馈回路中向控制器902提供指示。以此方式，处理器为分析器，其提供混合器的精确控制，以增大或减小搅拌，将功率引导至系统，调整流体性质，且校正任何缺陷、异常或其它。
[0125]
本文的方面包括混合操作期间的驱动器与叶轮之间的角度的评估。这允许转矩、粘度和其它流体性质的确定。这提供专用传感器(见图22c，传感器602)和利用轴向磁通定子的间接测量值之间的共同特征。
[0126]
在一个实施例中，驱动器与叶轮之间的角度由任选的方法确定，使得叶轮上的标记由光学检测系统读取。在此实施例中，从纤维反射光将允许容易检测，因为叶轮接近袋底部，且透明窗口可与袋配合。其它位置指示物也是可行的。
[0127]
在一个实施例中，使用离散的霍尔传感器。可在旋转驱动器或磁通定子中处理信号并将其与驱动器的位置进行比较。也可配置没有液体或其它条件的零转矩(偏移)情况的校准。因此，可根据用户的期望修改和改变直接或间接的磁场传感器的使用，并改变其大小、形状和尺寸。
[0128]
本文公开的实施例具有取代当今领域的系统的若干优点。这些益处包括流体粘度和密度，以及输送到混合器内的流体的功率和转矩的检测。在启动期间检测障碍物，包括例如混合器底部的微载体、细胞或未溶解的粉末的沉积物。与根据方程1)仅使用经验叶轮功
率数和速度相比，转矩测量使得能够通过实际测量值确定传输到流体的功率，从而允许实际传质确定(例如，气体传递计算)。此外，可检测多相系统(例如，气体喷射的生物反应器)中的叶轮的溢流。可检测气体喷射中的变化和任何问题。可验证一次性单元和其叶轮的正确定位。不同性质的测量和监测也可用于过程分析工具(pat)。
[0129]
实施例还解决了本领域中出现的挑战和问题。目前，使用公式或查找表来执行输送至流体的功率的确定，而不是直接测量。随着混合过程的发生，流体密度和/或粘度发生变化，因此，更新的值可精确控制混合过程。还可确定混合过程中的异常，例如堵塞、障碍物或气体喷射问题，以确保混合过程的质量。这些特征检测并标记此类问题，甚至可能提供警报，使得可校正混合过程。
[0130]
本文公开的实施例根据需要向生物反应器或混合器的使用者提供附加的功能。各种实施例允许在混合时精确监测输送到流体的功率，并允许连续更新流体性质，包括在混合异常的情况下的警报。此实施例可被修改，以便包含特征和构件，诸如温度、压力和其它可测量的状态。本文公开的实施例和方面可与容器、袋、混合器皿或其它的任何尺寸、形状和大小结合。
[0131]
将理解的是，以上描述旨在为说明性而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可与彼此组合使用。此外，可作出许多修改以使特定情形或材料适于本发明的教导，而不脱离其范围。本文所述的各种构件的尺寸、材料类型、定向和各种构件的数目及位置旨在限定某些实施例的参数，且不通过限制方式，且仅为示例性实施例。本领域的技术人员在查阅以上描述时，权利要求的精神和范围内的许多其它实施例和修改对于它们而言将是显而易见的。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求连同此权利要求所赋予的等同方案的完整范围确定。在所附权利要求中，用语"包括"和"在其中"用作相应的用语"包含"和"其中"的通俗性英文的同义词。此外，在以下权利要求中，用语"第一"、"第二"和"第三"等仅用作标记，且不旨在对其对象施加数字要求。
[0132]
本书面描述使用示例来公开各种实施例，且还使本领域普通技术人员能够实践各种实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。各种实施例的可专利性范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或如果这些示例包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构要素，则旨在这些其它实例在权利要求的范围内。
技术特征：1.一种表征流体混合装置中的状态的磁性混合系统，所述系统包括：包括流体的容器(601;701;1001)；产生磁场的驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705;1005)；操作所述驱动器的控制器(113;902)；与所述系统定位在一起来检测所述磁场或磁通量的一个或多个传感器(808;907,908,910)；以及从所述传感器接收信息来计算提供至所述流体的功率、所述叶轮的转矩和速度中的一个或多个的处理器(912)。2.根据权利要求1所述的磁性混合系统，其特征在于，所述磁性混合系统包括所述容器内的叶轮(1002)，其中所述驱动器产生磁场以旋转所述叶轮，且所述传感器测量所述磁场或提供至所述叶轮的磁通量。3.根据权利要求1或权利要求2所述的磁性混合系统，其特征在于，所述一个或多个传感器与所述驱动器、所述叶轮定位在一起，或定位在所述叶轮与所述驱动器之间。4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述传感器进一步检测提供至所述驱动器的电流和电压。5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器为定子(110;111;120;160;605;705)。6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括与电机组合的一组永磁体。7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器为定子、电机或磁性耦合，并且所述传感器为分别单独或组合地与其定位在一起的换能器。8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述叶轮的转矩和速度对应于所述流体混合中的转矩和速度。9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地将功率、转矩或速度与一种或多种流体性质一起使用来评估实时混合状态和混合性质。10.根据权利要求9所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测流体性质、混合状态或混合性质的变化。11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器检测如由习得模式或预定阈值确定的流体性质、混合状态或混合性质的异常。12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述流体性质包括所述流体的密度和粘度等。13.根据权利要求12所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测流体的密度或粘度、功率、转矩或速度中的异常。14.根据权利要求1至权利要求13中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测堵塞、气体分散或流体中的一种或多种污染物。15.根据权利要求1至权利要求14中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器为在反馈回路中向所述控制器提供指示的分析器。
16.根据权利要求15所述的磁性混合系统，其特征在于，所述分析器单独地或组合地将功率引导至驱动器来增大或减小搅拌，调整流体性质以及校正任何缺陷或异常。17.根据权利要求1至权利要求5或权利要求7至权利要求16中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，其包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。18.一种磁性混合系统，包括：包括流体的容器(601;701;1001)；驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705;1005)，其包括产生磁场的一个或多个驱动磁体，其中所述驱动器驱动所述容器内的叶轮(1002)；操作所述驱动器的控制器(113;902)；一个或多个传感器(808;907,908,910)，其单独地或组合地与所述驱动器的至少一部分、与所述叶轮的至少一部分定位在一起，或定位在所述叶轮与所述驱动器之间的空间中，以检测所述磁场或磁通量；以及从所述传感器接收信息以计算提供至所述流体的功率、所述叶轮的转矩和速度中的一个或多个的处理器(912)；其中，所述处理器单独地或组合地将功率、转矩或速度与一种或多种流体性质一起使用来评估实时混合状态和混合性质。19.根据权利要求18所述的磁性混合系统，其特征在于，所述传感器单独地或组合地检测流体性质和所述磁场的对准。20.根据权利要求18至权利要求19中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，其包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。21.根据权利要求18至权利要求19中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括与电机组合的一组永磁体。22.一种控制流体混合装置中的状态的方法，所述方法包括以下步骤：提供所述流体混合装置，所述装置具有包括流体的容器(601;701;1001)、产生磁场的驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705; 1005)、由所述驱动器驱动的叶轮(1002)、操作所述驱动器的控制器(113;902)、一个或多个传感器(808;907,908,910)以及处理器(912)；通过所述一个或多个传感器检测磁场、磁通量、提供给流体的功率、转矩、速度、电流或电压中的至少一者；如果之前未检测到，则计算所述叶轮的功率、转矩和速度；以及通过所述处理器，使用所述功率、转矩和速度来分析，以确定所述流体的一种或多种流
体性质、实时混合状态以及混合性质。23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括检测所述叶轮的位置。24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其特征在于，所述分析步骤包括检测所述流体性质中的变化。25.根据权利要求22至权利要求24中任一项所述的方法，其特征在于，所述功率、转矩、速度、电流、电压、流体性质、混合状态和混合性质单独地或组合地被显示在用户界面处。26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在无用户操纵的情况下，直接地确定所述功率、转矩和速度。27.根据权利要求24至权利要求26中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体性质包括单独或组合地通过所述传感器提供至所述处理器的流体成分、密度和粘度。28.根据权利要求22至权利要求27中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括识别所述流体混合装置、所述流体性质、所述混合状态和所述混合性质中的异常的步骤。29.根据权利要求22至权利要求28中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理器为分析器，其提供反馈至所述控制器，以自动地控制输送至所述驱动器的所述功率、转矩和速度。30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述处理器单独地或组合地提供所述流体的预定成分、粘度和密度。31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其特征在于，所述处理器提供信息至所述控制器，所示控制器基于所述流体性质的变化确定最佳的成分、粘度和密度。32.根据权利要求22至权利要求31中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器在所述流体混合装置的操作期间检测所述驱动器与所述叶轮之间的角度，以便确定所述流体性质。33.根据权利要求22至权利要求32中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动器包括用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，其包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。34.根据权利要求22至权利要求32中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动器包括与电机组合的一组永磁体。35.一种用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。36.一种混合系统，包括：定子(110;111;120;160;605;705)，其包括产生沿轴向方向的磁通量的多个载流元件(164;764)；以及能够围绕所述轴向磁通定子的轴线旋转的叶轮；
其中，所述磁通量驱动所述叶轮。37.一种用作生物反应器混合器的系统，所述系统包括：旋转驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705)；能够围绕中心轴线(172;407;415;419;608;1011)旋转的叶轮；以及以一种或多种阵列格式定位的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体(402;123;163;176;763)定位在邻近所述旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体(404;414;418;603;810)定位在所述叶轮处；其中，所述旋转驱动器为驱动定子。38.一种要被用作生物反应器混合器的系统，所述系统包括：旋转驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705)；能够围绕中心轴线(172;407;415;419;608;1011)旋转的叶轮；以一种或多种阵列格式定位的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体(402;123;163;176;763)定位在邻近所述旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体(404;414;418;603;810)定位在所述叶轮处；以及至少一个板(162;177;406;762)，其包括定位在其上的所述第一组磁体，使得所述第一组磁体定位成同心几何构造，且单独地定形成具有较宽的外部尺寸，其朝所述同心几何构造的中心变窄；其中，所述第二组磁体(404;414;418;603;810)彼此邻近而布置，以增加所述第二阵列的一侧上的磁场，同时在所述第二阵列的相反侧上将磁场消除至零，以实现磁化的空间旋转模式。39.一种要被用作生物反应器混合器的系统，所述系统包括：旋转驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705)；能够围绕中心轴线(172;407;415;419;608;1011)旋转的叶轮；以一个或多个阵列格式定位的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体(402;123;163;176;763)定位在邻近所述旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体(404;414;418;603;810)定位在所述叶轮处；以及至少第一板(162;177;406;762)，其包括定位在其上的所述第一组磁体；其中，所述第二组磁体与第二板(405)定位在一起，所述第二板(405)包括具有大于空气磁导率的磁导率的材料，且夹在所述第一组磁体与所述叶轮之间，使得在所述第一阵列格式的所述第一组磁体与所述第二阵列格式的所述第二组磁体之间产生磁场梯度。40.一种构造成接收具有磁性叶轮(1002)的柔性生物反应器袋(1001)的刚性支承容器(1004)，其中，所述刚性支承容器包括：构造成驱动所述磁性叶轮的旋转驱动器(1005)、以第一阵列格式定位在邻近所述旋转驱动器的驱动端处的第一组磁体以及第一板，所述第一板包括定位在其上的所述第一组磁体，使得所述第一组磁体定位成同心几何构造，且单独地定形成具有朝所述同心几何构造的中心变窄的较宽的外部尺寸。41.一种适于被接收在包括磁性驱动器(1005)的刚性支承容器(1004)中的柔性生物反应器袋(1001)，其中，所示柔性生物反应器袋包括能够围绕中心轴线(172;407;415;419;608;1011)旋转的叶轮(1002)，以及以第二阵列格式定位在所述叶轮处的第二组磁体，其中所述第二组磁体彼此邻近而布置，以增大所述第二阵列的一侧上的磁场，同时在所述第二
阵列的相反侧上将磁场消除至零，以实现磁化的空间旋转模式。
技术总结本发明的系统和方法涉及轴向磁通定子，其实施成替代驱动端磁体和驱动电机。轴向磁通定子包括控制电路，以单独地或组合地控制提供至定子的电压和电流，以测量转矩和转速，以及以测量由轴向磁通定子和叶轮磁体产生的磁通量和磁通量密度。轴向磁通定子包括多个载流元件，用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。
技术研发人员：J.P.亚历山大 K.格鲍尔 D.A.托雷 A.S.阿塔拉 S.迪达里 R.L.达姆任
受保护的技术使用者：环球生命科技咨询美国有限责任公司
技术研发日：2017.03.08
技术公布日：2022/7/5
