中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

【独家】这六种缩小手术手持器械尺寸的方法会影响其性能吗?

2021-07-27



手术手持工具不断增加先进的功能,推动了对更大功率和更大电机的需求。然而,增加仪器的重量和体积可能会降低手术精度,增加外科医生的疲劳感。无刷直流电机(BLDC)是一种受欢迎的选择,当为工具添加功能时可以为设计师们带来高功率密度和高可靠性。通过权衡和其他设计因素,设计者可以减少有槽或无槽BLDC电机的尺寸,满足应用的性能要求。

机械功率是扭矩和转速的乘积。在其他条件相同的情况下,电机产生的扭矩大致与它的体积成正比。扭矩是由磁场中存在的载流导线产生的,可通过简单地增加更多的导线或更多的磁铁来增加。然而,这种蛮力战术将不可避免地导致尺寸的增加。幸运的是,更复杂的电机设计方法可以在维持较小体积的同时增加功率输出。

方法1:优化手术工具的绕组供电电压

当为电机提供更多的电压时,在任何给定的扭矩下,它的转速会更快,因此,产生更大的功率(图2)。这样一来便可以使用更小的电机来获取相同的输出功率。然而,更高的电压往往意味着需要更大的电池,从而抵消了工具级的优势。电池驱动工具的设计师通常必须从有限的几种可用电池中选择,并将其串联起来以达到所需的电压。很明显,这需要大量的电池和一组连续的可能电压。因此,即使通过小幅度升压来增加电机功率,也会导致增加额外的电池以及相关的尺寸和重量。一个好的电机设计合作商可以调整电机内导线的直径和导线缠绕定子的次数或匝数,以在方便的电池电压下最大限度地提高功率。(所有图片来源:Portescap)


方法2:材料选择

虽然增加磁性材料的体积可以增加功率,但设计师也可以选择升级磁性材料,使其在相同大小和重量的情况下产生更多的磁通量。高功率密度电机通常使用钕制成的磁铁,这是可用的最高等级的磁性材料之一。用于制造线圈的金属丝的材质也很重要。夹层材料也会影响功率。高等级夹层钢为磁通量的传递提供了更有效的路径,从而增强了磁体材料的影响。最终,选择任何能减少摩擦的材料,比如轴承和齿轮的摩擦,都将在电力至机械功率的转换过程中减少损失,并且更平滑的设计会产生更多功率。

方法3:精密制造

很显然,紧密排列的电机组件会使整体体积变小。但是,将磁铁和线圈尽可能紧密地放在一起也能增加功率。缩小磁铁与线圈之间的间距,即所谓的空气隙,会强烈增加空气隙的磁场强度,因此也会增加电机的电压常数和整体性能(图3)。然而,缩小间距说起来容易做起来难,因为存在非常严格的公差要求,目的是避免转子和定子在运行中一起摩擦。精密电机供应商可以通过加工和工艺来完成这项任务。


针对有槽BLDC电机,精密组装还可以增加定子槽中的铜线数量。通过仔细选择导线的直径和槽的形状,您可以最大限度地提高槽填充系数,并在最小的空间提供最大的功率。

方法4:管理温升

温升是影响电机定型的一项极其重要的因素。一个配置非常紧密的电机自然会比一个发热元件间隔更远的电机温升更高。如果同时增加电压和电流以满足功率需求,这个问题会更严重。为了抵消这一影响,可以为电机外壳选择某些特殊材料,以便将热量从电机线圈中传导出去,否则运行过程中温度会变得非常高,从而导致绝缘熔化并造成电气短路。极高温甚至会降低永磁体的强度。电机外部可能需要额外的散热装置或空气或液体冷却来散热,这也会影响工具的整体尺寸。

下面的公式可以用来计算电机绕组温度,以确定温升是否会导致电机过早失效。有能力的电机供应商可以帮助确定每个独特应用中的常量值。需要注意的是,这种理论计算可以帮助指导原型的选择,但只有在应用中测试才能确定电机是否能在极限条件下运行。

Tcoil = Rth x R0 x (1 + a (Tcoil - Tamb)) x I2 + Tamb
电机热阻:Rth (°C/W)
室温下终端阻抗:R0 (Ω)
铜阻的温度系数:α (/°C)
环境温度(紧靠电机外壳):Tamb (°C)

方法5:使用齿轮降速装置

无刷直流电机在相对高速运行时效率最高,但许多手术工具的操作速度却慢很多。在这种情况下,经常使用齿轮头确保电机能按有效的转速运行,同时增加其扭矩输出。虽然这种情况下可以使用较小的电机来完成操作,但是齿轮传动本身会占用空间,因为它需要与电机轴向对准,会增加长度。究竟是选用较长但平滑的齿轮电机还是较短但更大直径的电机将取决于所需的工具布局。减少齿轮头额外长度的一种方法是保持足够低的齿数比,从而可以在单级齿轮传动的情况下完成操作,而无需多级堆叠在一起。与正齿轮头相比,行星齿轮头往往能够在较小的空间内达到更高的齿数比。



方法6:Motor Integration

减小手术工具尺寸的最佳方法不仅是缩小单个部件的尺寸,还需要优化单个部件的装配方式。传统意义上,电机需装配在金属外壳内,部件封装后便可以按件运输并插装至手持工具中。电机外壳一般都直接被手持工具的外壳所包围。两个组件都执行重要的功能,但这些功能通常可以通过一个组合部件来实现。在手持工具设计方面有经验的电机供应商可以提供能用作手持工具的外壳的电机外壳,或者还可以与工具制造商协调采用无框架设计,从而可以将电机直接内置到工具外壳中。类似地,其他组件如工具驱动器、密封件、接线盒和安装硬件都可以直接设计内置在电机中,以消除冗余并节省空间。最后,选择无传感器电机可以节省空间,因为霍尔传感器会增加几毫米的电机长度。然而,无传感器电机需要更复杂的控制,更大的电路板会抵消任何空间增益。


早期

早期与专业电机供应商合作

制造高功率密度的电机涉及复杂的设计策略、高质量的材料、精密的工艺并了解电机应如何适应更大的工具结构。对上述各方面都了如指掌的电机供应商能够为平滑强大的手持工具选择最佳设计。供应商在早期利用这些设计方法可以获得最大的成功。为了得到最佳结果,应该在工具研发的概念甚至构思阶段便与有经验的电机供应商合作。

文章来源:MDDI Online,作者William Huang