醫(yī)療器械用稀土永磁無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)
李聲 晉張立峰 李鐘明(西北工業(yè)大學(xué) 西安710072)
王景華 屈長(zhǎng)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(shù)的需要，其動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)能在較寬的范圍連續(xù)變速，以適應(yīng)鉆孔、銑縫、往復(fù)鋸、擺鋸及研磨等不同場(chǎng)合的要求。通常，其轉(zhuǎn)速范圍為500—15 000r/min。為滿足調(diào)速的要求，我國(guó)現(xiàn)有的幾乎所有的骨科醫(yī)療器械用驅(qū)動(dòng)電機(jī)均是單相交直流串勵(lì)電機(jī)及電壓調(diào)節(jié)器，該電機(jī)的缺點(diǎn)是，工作噪聲大，高達(dá)80db，既嚴(yán)重影響了手術(shù)操作者醫(yī)療水平的正常發(fā)揮，同時(shí)也對(duì)患者的心理因素有較大的影響；串勵(lì)電機(jī)機(jī)械特性很軟，稍一加載，轉(zhuǎn)速急劇下降，而各類骨科手術(shù)中又不可避免要迅速加載，因而導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)；由于該類電機(jī)電刷和換向器的存在，致使手術(shù)前無(wú)法清毒殺菌，給手術(shù)的效果造成一定影響同時(shí)需定期更換電刷及電機(jī)維護(hù)；該電機(jī)，體積較大，難以實(shí)現(xiàn)小體積、輕重量，不適宜醫(yī)器械的發(fā)展方向。隨著國(guó)內(nèi)醫(yī)療技術(shù)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(diào)速、小體積、輕重量的無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為此，開發(fā)了醫(yī)療器械用稀土永磁無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)。
2電機(jī)本體
無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、位置檢測(cè)裝置及控制器三大部分組成。由于采用電子換向取伐了機(jī)械換向，故其運(yùn)行噪聲大大降低，同時(shí)因沒(méi)有電刷及換向器的維護(hù)問(wèn)題，易于制成密封式，從而保證可整體消毒；無(wú)刷電機(jī)位置傳感器采用霍爾元件u3119，該元件耐高溫且輸出信號(hào)穩(wěn)定；無(wú)刷電機(jī)定子采用三相星形整距繞組，為有效減小磁阻轉(zhuǎn)矩，改善無(wú)刷電機(jī)的起動(dòng)靈活性，定子鐵心采用斜槽n1；轉(zhuǎn)子可采用徑向瓦片勵(lì)磁結(jié)構(gòu)和切向平板勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，視具體的技術(shù)指標(biāo)及外形、工作方式而定。比較而言，由于切向勵(lì)磁的漏磁稍大，故對(duì)應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性較徑向瓦片勵(lì)磁結(jié)構(gòu)要軟，無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
無(wú)刷電機(jī)本體的電磁設(shè)計(jì)采用已開發(fā)的面向用戶的稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)cad系統(tǒng)。進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡可能讓電機(jī)在較寬的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持高效率；盡量使電機(jī)的機(jī)械特性較硬，同時(shí)應(yīng)合理選擇齒槽數(shù)、磁極數(shù)、極弧系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁參數(shù)。以****限度減少齒槽定位力矩，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲，cad過(guò)程的程序框圖見圖2。
3控制器
無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制及輸出性能在很大程度上取決于控制器設(shè)計(jì)。就驅(qū)動(dòng)用無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)借助轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的位置信號(hào)，通過(guò)電子換向線路去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的大功開關(guān)器件，使電樞繞組按相應(yīng)位置饋電，從而電機(jī)可按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。該類開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速受預(yù)定速度控制信號(hào)的影響，因此在加載時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，其下降的幅度與電機(jī)本體的機(jī)械特性及控制器的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般是將反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)相比較、放大后，用其差動(dòng)量去校正控制對(duì)象，直至控制轉(zhuǎn)速在一定范鐲內(nèi)，達(dá)到平衡，如果控制器的功率器件是采用開關(guān)型，則控制信號(hào)一般是脈沖信號(hào)，它通常有兩種形式可改變控制對(duì)象，一種是將脈沖頻率固定，而調(diào)節(jié)脈沖的占空比，即定頻調(diào)寬型；另一種是將脈沖的占空比固定，而調(diào)節(jié)脈沖的頻率，即定寬調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速，類似于有刷直流的調(diào)壓調(diào)速原理。就速度反饋信號(hào)而言，它可以是直流信號(hào)，也可是脈沖或正弦信號(hào)，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhì)只要反饋信號(hào)與電機(jī)的速度線性相關(guān)，經(jīng)過(guò)處理后能去校正控制信號(hào)。基于窟頻調(diào)寬和定寬調(diào)頻兩種類型控制信號(hào)基礎(chǔ)上的無(wú)刷直
流電機(jī)速度閉環(huán)控制器的原理框圖見圖3。
4結(jié) 語(yǔ)
本項(xiàng)目是西北工業(yè)大學(xué)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(dòng)力的發(fā)展看，無(wú)刷直流調(diào)速系
采用電子換向取代機(jī)械換向后，不僅直接解決了器械的消毒殺菌及電機(jī)電刷的定期維護(hù)，還降低了噪聲。就已開發(fā)的150w、15 000r/min的無(wú)刷電機(jī)而言，其噪聲小于65db(a)。
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