醫(yī)療器械用稀土永磁無刷直流調速系統(tǒng)
李聲 晉張立峰 李鐘明(西北工業(yè)大學 西安710072)
王景華 屈長江（天津骨科醫(yī)療器械廠）
1引 言
骨科醫(yī)療器械由于手術的需要，其動力系統(tǒng)應能在較寬的范圍連續(xù)變速，以適應鉆孔、銑縫、往復鋸、擺鋸及研磨等不同場合的要求。通常，其轉速范圍為500—15 000r/min。為滿足調速的要求，我國現(xiàn)有的幾乎所有的骨科醫(yī)療器械用驅動電機均是單相交直流串勵電機及電壓調節(jié)器，該電機的缺點是，工作噪聲大，高達80dB，既嚴重影響了手術操作者醫(yī)療水平的正常發(fā)揮，同時也對患者的心理因素有較大的影響；串勵電機機械特性很軟，稍一加載，轉速急劇下降，而各類骨科手術中又不可避免要迅速加載，因而導致手術時間較長；由于該類電機電刷和換向器的存在，致使手術前無法清毒殺菌，給手術的效果造成一定影響同時需定期更換電刷及電機維護；該電機，體積較大，難以實現(xiàn)小體積、輕重量，不適宜醫(yī)器械的發(fā)展方向。隨著國內(nèi)醫(yī)療技術水平的發(fā)展和人們生活水平的提高，迫切需要新一代低噪聲、寬范圍調速、小體積、輕重量的無刷直流驅動系統(tǒng)。為此，開發(fā)了醫(yī)療器械用稀土永磁無刷直流調速系統(tǒng)。
2電機本體
無刷直流電機由電機本體、位置檢測裝置及控制器三大部分組成。由于采用電子換向取伐了機械換向，故其運行噪聲大大降低，同時因沒有電刷及換向器的維護問題，易于制成密封式，從而保證可整體消毒；無刷電機位置傳感器采用霍爾元件U3119，該元件耐高溫且輸出信號穩(wěn)定；無刷電機定子采用三相星形整距繞組，為有效減小磁阻轉矩，改善無刷電機的起動靈活性，定子鐵心采用斜槽n1；轉子可采用徑向瓦片勵磁結構和切向平板勵磁結構，視具體的技術指標及外形、工作方式而定。比較而言，由于切向勵磁的漏磁稍大，故對應電機的機械特性較徑向瓦片勵磁結構要軟，無刷直流電機的結構形式如圖1所示。
無刷電機本體的電磁設計采用已開發(fā)的面向用戶的稀土永磁無刷直流電機CAD系統(tǒng)。進行設計，設計過程中，應盡可能讓電機在較寬的運轉范圍內(nèi)保持高效率；盡量使電機的機械特性較硬，同時應合理選擇齒槽數(shù)、磁極數(shù)、極弧系數(shù)等結構參數(shù)及電磁參數(shù)。以****限度減少齒槽定位力矩，降低轉矩波動所產(chǎn)生的振動及噪聲，CAD過程的程序框圖見圖2。
3控制器
無刷直流電機的速度控制及輸出性能在很大程度上取決于控制器設計。就驅動用無刷直流電機的轉速控制而言，有開環(huán)的和閉環(huán)兩種控制方式。在開環(huán)控制中，電機轉速控制信號借助轉子位置傳感器輸出的位置信號，通過電子換向線路去驅動與電樞繞組相連接的大功開關器件，使電樞繞組按相應位置饋電，從而電機可按一定的轉速旋轉。該類開環(huán)控制電機轉速受預定速度控制信號的影響，因此在加載時轉速會下降，其下降的幅度與電機本體的機械特性及控制器的設計有直接關系。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般是將反映電機的轉速信號與預設轉速控制信號相比較、放大后，用其差動量去校正控制對象，直至控制轉速在一定范鐲內(nèi)，達到平衡，如果控制器的功率器件是采用開關型，則控制信號一般是脈沖信號，它通常有兩種形式可改變控制對象，一種是將脈沖頻率固定，而調節(jié)脈沖的占空比，即定頻調寬型；另一種是將脈沖的占空比固定，而調節(jié)脈沖的頻率，即定寬調頻型。該兩種方法最終都是改變了加到電樞繞組上的相電壓平均值，從而改變了電機轉速，類似于有刷直流的調壓調速原理。就速度反饋信號而言，它可以是直流信號，也可是脈沖或正弦信號，所對應的轉子位置傳感器可以是磁敏霍爾元件、光電脈沖或電磁式線圈，其本質只要反饋信號與電機的速度線性相關，經(jīng)過處理后能去校正控制信號。基于窟頻調寬和定寬調頻兩種類型控制信號基礎上的無刷直
流電機速度閉環(huán)控制器的原理框圖見圖3。
4結 語
本項目是西北工業(yè)大學與天津骨科醫(yī)療器械廠聯(lián)合開發(fā)的，從開發(fā)后的使用效果及醫(yī)療器械用動力的發(fā)展看，無刷直流調速系
采用電子換向取代機械換向后，不僅直接解決了器械的消毒殺菌及電機電刷的定期維護，還降低了噪聲。就已開發(fā)的150W、15 000r/min的無刷電機而言，其噪聲小于65dB(A)。
合理設計電機各電磁、結構參數(shù)，采用合理的控制方案，可基本保證無刷電機在較寬的調速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運行。
就機械特性而言，單閉環(huán)轉速控制可有效抑制電機加載時轉速的下降，如開環(huán)控制時，若空載轉速17 000r/min，則加載至0. 1Nm時，轉速為15 030r/min。而采用閉環(huán)控制，當空載僅15 500r/min，同樣加0.INm時，轉速為15 200r/min。
大力矩無刷直流電動機
新加坡的Eastern Air Devices公司推出的18型無刷直流電動機，直徑為45. 72mm，采用熔接的稀土轉子磁鐵，實現(xiàn)了小封裝大力矩，力矩為早期產(chǎn)品的3倍，****力矩達o．425Nrn。齒槽力矩為o．002 12Nm，能無噪聲、平穩(wěn)、低速工作。
新電動機之所以能無噪聲穩(wěn)定運轉，除采用了高效稀土磁鐵之外，還由于采用了動態(tài)平衡轉子和新穎的4極電機設計，在100^-1 500r／min轉速范圍內(nèi)均能平穩(wěn)工作。電機采用集成化霍爾傳感器、全密封結構和不銹鋼軸。工作電源電壓為9～48Vc，標準型為24Vd。。
（譯自《EPN Asia 》No．II，1994）
新型轉子電動機
英國Portescap公司推出兩種轉子電動機，其尺寸一樣，直徑均為35mm，長57mm，但輸出功率不一樣，一種為另一種的1倍。
35NT32燮用的是鋁鎳鈷合金永磁體，輸出功率37W，****力矩0.25Nm; 35NT82型用高能釹磁體：功率75w，****力矩為0. 45iNm，能產(chǎn)生65 000rad/s2，均可用于碳刷變換系統(tǒng)。
若用作伺服電動機，可選配美國惠普公司的500系列編碼器。
(譯自《Electrical Review 》No. 4,1994)
（以上由陳善海供搞）
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