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无刷直流电机在医疗行业的应用

无刷直流电机在医疗行业的应用

【摘要】:
在过去,无刷直流电机对于医疗领域而言,并不是一个选项。但是随着无刷直流电机的成本不断下降,这个场景也正在改变。此外,对于更加高效,紧凑,以及可靠的医疗设备的需求已经使得无刷直流电机变成了各种应用的处方清单。

  在过去,无刷直流电机对于医疗领域而言,并不是一个选项。但是随着无刷直流电机的成本不断下降,这个场景也正在改变。此外,对于更加高效,紧凑,以及可靠的医疗设备的需求已经使得无刷直流电机变成了各种应用的处方清单。

 

  根据定义,无刷直流电机是被直流电源供电的同步电机。尽管其起源于有刷直流电机,一个电子换相电路已经取代了标准换相器和电刷组件。就设计上而言,然而,无刷直流电机与有刷直流电机是直接的相反物。有刷直流电机的绕组缠绕着电机的旋转轴或者电枢,而无刷直流电机的绕组是固定在电机的外壳之上。同样地,有刷直流电机的磁铁覆盖在电机的外壳之上。但是,无刷直流电机的磁铁都在旋转轴之上,这被称为电机的转子。

 

  当然,无刷直流与有刷直流电机的主要区别在于换相方法的不同。换相是在合适的时间在电机的绕组上改变相电流极性的方法从而产生连续的旋转扭矩。没有换相,绕组的磁场与永磁铁将会对准与锁定旋转轴。绕组的极性必须在恰当的时间进行翻转从而改变从磁吸引到磁排斥,并且在回来,以保持电机轴旋转。

 

  有刷直流电机使用碳刷与一个换向器来作为一个机电开关,从而以适当的极性连接绕组。在无刷直流电机中,机械开关被电子开关所替代。

 

  通常,无刷直流减速电机采用霍尔效应的设备来检测转子位置并且控制电机的电子驱动。然而,通过监控反电动势,有可能消除霍尔效应的设备并且创造一个无传感器无刷直流减速电机。电机没有霍尔效应的装置的事实是刺激无刷直流电机使用在医疗设计领域的驱动力之一。

 

  用于无传感器操作的无刷直流电机通常包含三个绕组或者三相,类似于3交流电机。但是,没有传感器来检测转子中永磁体的旋转角度,用一个给定的极性来激活哪一相这是不可能的。

 

无刷电机

 

  最常用的技术开始于用一个给定的极性给两相充电。电流使用一个斜坡行动来被渐渐使用的,以轻轻调整转子到一个已知的预启动位置。

 

  一旦两个定位阶段达到全功率,电子控制减少一个相的功率并且提升第三个相的功率。相功率开始循环,总是使得三相中的两相保持有电。例如,一个贴有A, B, C的三相电机,相功率可能遵循AB-AC-B’C-B’A’-C’A’-C’B-AB。标签A, B, C暗示着正常电流的极性使用在这些相上,而 A’, B’, 以及C’ 意味着这些相上的电流极性已经反转。在绕组上,这些影响产生了旋转的磁场。

 

  转子开始旋转,而它的磁铁尝试与由这些相绕组所创建的旋转磁场保持平衡。随着转子速度加快,转子的磁场在第三个,非充电的绕组产生发电动势。一旦反电动势的数量变得足够大,驱动器就能够感应到它。驱动器开关从加速技术到一个反电动势,“过零”技术。随着电机速度的在呢个价,反电动势的数量随着速度的增加而增加,并且为速度控制与调节提供反馈。

 

  无传感无刷直流电机有两个缺陷:第一,电机必须在最小的速度下进行旋转,从而产生充足的反电动势为驱动器而感知。第二,负载上的突然改变会产生反电动势环而失去同步,从而导致速度与扭矩的损失。

 

  治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合症

 

  阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的治疗需要正压呼吸器(PAP)的使用。病人带上特殊的与正压呼吸器相连接的口罩。呼吸器内的鼓风机挤压面罩内的空气来创造正起道气压,帮转患者在睡觉时呼吸。当病人吸气的时候,鼓风机必须加速以提供更大量的空气给肺部。当病人呼气的时候,鼓风机必须要放缓速度来减少气体的容量,并且让病人呼出。无感直流电机与驱动器对于鼓风机而言是一个理想的电源。电机从来不要再驱动器的最小阈值速度下工作,并且,也没有负载突然变化的风险。

 

  无刷直流电机的另一个优势是在于这是非常安静的。医院设备中的电机或者病人护理设施必须非常安静以满足低噪音标准。睡眠呼吸暂停设备中的电机必须在高速度的情况下进行旋转,并且满足更低噪音等级。因为这是在病人家中的卧室里。因此,在无刷直流电机中,换相器与碳刷的缺少移除了额外的电机噪音来源。

 

  功率密度以及可靠性

 

  毫无疑问,近期的事件给世界医疗分析与测试服务带来了压力。原因包括疾病检测,预防与治疗领域医疗技术的持续发展与改进。此外,在过去的数十年中,所需要的医疗护理人员以两位数的速度在增长。全球对于医疗分析与测试服务的需求在不断地增加,而更好与更高可靠性的设置的需求也在不断地增加。

 

  为了完成这个目标,驱动组件必须提供更多的扭矩。相比于有刷直流电机,无刷直流电机恰好能够做到这一点。

 

  随着医疗设置变得更小与更轻,围绕在电机周围的空气含量就会减少。在这样狭窄的区域中,在电机与周围的空气梯度将会以一个正比率的下降。电机热传递效率影响这些区域例如额定功率与工作周期的性能。

 

  无刷直流电机擅长的一个领域是消除余热,并且影响着设备的设计。大部分的热量从电机外壳表面通过对流而传递。电机的主要热量来源是由通过电机绕组产生的I2R损失。消除过热的能力对于保证电机凉爽与可靠性有很大的帮助。

 

  随着无刷直流电机的绕组附着在电机外壳上,无刷直流减速电机在去除热量方面是非常有效的。相比于有刷直流电机,一个无刷直流电机转移热量的效率越高,那么在紧凑的空间中,这也就越凉爽。这不仅提高了医疗设备的总体吞吐量,并且也减少了现存设计的成本。

 

  相比于有刷直流电机,无刷直流电机从设计的本质上而言,就有一个优势。因为无刷直流电机没有碳刷去磨损与替换,它们的预期寿命是有刷电机的两倍。有刷直流电机的预期寿命是2000-5000小时,而无刷直流电机的预期寿命是10000小时。

  医疗分析仪

 

  医疗分析仪是一种能够检测例如血液与鸟液等人体体液的多功能设备。分析仪中的流体样本因为不同的测试从一个站点移动到另一个站点。一般而言,医疗分析仪是完全封闭的。由于运转,内部的温度将会极大地增加。医疗分析仪每年检测数千个样本,并且每天运转至少八小时。

 

  步进电机,一个类似于无刷直流电机的电机,在分析仪中是普遍被使用的电机类型。步进电机也被认为是一种无刷直流电机。然而,他们在结构与转子的极数上有很大的区别。通常,步进电机有很高的极数,典型地是50极或更过。另一方面,无刷电机通常有六极。例如,步进电机很少超过1000转速因为高极数。然而无刷直流电机的速度能够轻易达到5000或者更高。

 

  具有较高吞吐量的电机需要超过步进电机转速的电机。无刷直流电机能够满足医疗分析仪的需要因为他们有更高速的运转,更高的热转移效率,以及长寿命。

 

  总之,对于高可靠性与吞吐量的医疗设备的需求,将会挑战有刷直流电机的地位。此外,将更多的设备功能压缩到更小的容量的趋势促进了能搞在小区域中散热的小型电机的使用。无刷直流电机现在能够满足这些要求并且应该在未来之中,依旧这样做。

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