醫(yī)療器械用稀土永磁無刷直流調(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，我國現(xiàn)有的幾乎所有的骨科醫(yī)療器械用驅(qū)動電機均是單相交直流串勵電機及電壓調(diào)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(shù)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(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)時間較長；由于該類電機電刷和換向器的存在，致使手術(shù)前無法清毒殺菌，給手術(shù)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(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、輕重量的無刷直流驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)矩，改善無刷電機的起動靈活性，定子鐵心采用斜槽n1；轉(zhuǎn)子可采用徑向瓦片勵磁結(jié)構(gòu)和切向平板勵磁結(jié)構(gòu)，視具體的技術(shù)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(yīng)電機的機械特性較徑向瓦片勵磁結(jié)構(gòu)要軟，無刷直流電機的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
無刷電機本體的電磁設(shè)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(shè)計，設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能讓電機在較寬的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持高效率；盡量使電機的機械特性較硬，同時應(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(shè)計。就驅(qū)動用無刷直流電機的轉(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，電機轉(zhuǎn)速控制信號借助轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的位置信號，通過電子換向線路去驅(qū)動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，從而電機可按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。該類開環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速受預(yù)定速度控制信號的影響，因此在加載時轉(zhuǎn)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(shè)計有直接關(guān)系。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般是將反映電機的轉(zhuǎn)速信號與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(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。就速度反饋信號而言，它可以是直流信號，也可是脈沖或正弦信號，所對應(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)只要反饋信號與電機的速度線性相關(guān)，經(jīng)過處理后能去校正控制信號。基于窟頻調(diào)寬和定寬調(diào)頻兩種類型控制信號基礎(chǔ)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(jié) 語
本項目是西北工業(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)療器械用動力的發(fā)展看，無刷直流調(diào)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(shè)計電機各電磁、結(jié)構(gòu)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(diào)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(zhuǎn)速控制可有效抑制電機加載時轉(zhuǎn)速的下降，如開環(huán)控制時，若空載轉(zhuǎn)速17 000r/min，則加載至0. 1Nm時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，除采用了高效稀土磁鐵之外，還由于采用了動態(tài)平衡轉(zhuǎn)子和新穎的4極電機設(shè)計，在100^-1 500r／min轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子電動機
英國Portescap公司推出兩種轉(zhuǎn)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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