医疗器械用稀土永磁无刷直流调速系统
李声 晋张立峰 李钟明(西北工业大学 西安710072)
王景华 屈长江（天津骨科医疗器械厂）
1引 言
骨科医疗器械由于手术的需要，其动力系统应能在较宽的范围连续变速，以适应钻孔、铣缝、往复锯、摆锯及研磨等不同场合的要求。通常，其转速范围为500—15 000r/min。为满足调速的要求，我国现有的几乎所有的骨科医疗器械用驱动电机均是单相交直流串励电机及电压调节器，该电机的缺点是，工作噪声大，高达80dB，既严重影响了手术操作者医疗水平的正常发挥，同时也对患者的心理因素有较大的影响；串励电机机械特性很软，稍一加载，转速急剧下降，而各类骨科手术中又不可避免要迅速加载，因而导致手术时间较长；由于该类电机电刷和换向器的存在，致使手术前无法清毒杀菌，给手术的效果造成一定影响同时需定期更换电刷及电机维护；该电机，体积较大，难以实现小体积、轻重量，不适宜医器械的发展方向。随着国内医疗技术水平的发展和人们生活水平的提高，迫切需要新一代低噪声、宽范围调速、小体积、轻重量的无刷直流驱动系统。为此，开发了医疗器械用稀土永磁无刷直流调速系统。
2电机本体
无刷直流电机由电机本体、位置检测装置及控制器三大部分组成。由于采用电子换向取伐了机械换向，故其运行噪声大大降低，同时因没有电刷及换向器的维护问题，易于制成密封式，从而保证可整体消毒；无刷电机位置传感器采用霍尔元件U3119，该元件耐高温且输出信号稳定；无刷电机定子采用三相星形整距绕组，为有效减小磁阻转矩，改善无刷电机的起动灵活性，定子铁心采用斜槽n1；转子可采用径向瓦片励磁结构和切向平板励磁结构，视具体的技术指标及外形、工作方式而定。比较而言，由于切向励磁的漏磁稍大，故对应电机的机械特性较径向瓦片励磁结构要软，无刷直流电机的结构形式如图1所示。
无刷电机本体的电磁设计采用已开发的面向用户的稀土永磁无刷直流电机CAD系统。进行设计，设计过程中，应尽可能让电机在较宽的运转范围内保持高效率；尽量使电机的机械特性较硬，同时应合理选择齿槽数、磁极数、极弧系数等结构参数及电磁参数。以****限度减少齿槽定位力矩，降低转矩波动所产生的振动及噪声，CAD过程的程序框图见图2。
3控制器
无刷直流电机的速度控制及输出性能在很大程度上取决于控制器设计。就驱动用无刷直流电机的转速控制而言，有开环的和闭环两种控制方式。在开环控制中，电机转速控制信号借助转子位置传感器输出的位置信号，通过电子换向线路去驱动与电枢绕组相连接的大功开关器件，使电枢绕组按相应位置馈电，从而电机可按一定的转速旋转。该类开环控制电机转速受预定速度控制信号的影响，因此在加载时转速会下降，其下降的幅度与电机本体的机械特性及控制器的设计有直接关系。闭环控制系统一般是将反映电机的转速信号与预设转速控制信号相比较、放大后，用其差动量去校正控制对象，直至控制转速在一定范镯内，达到平衡，如果控制器的功率器件是采用开关型，则控制信号一般是脉冲信号，它通常有两种形式可改变控制对象，一种是将脉冲频率固定，而调节脉冲的占空比，即定频调宽型；另一种是将脉冲的占空比固定，而调节脉冲的频率，即定宽调频型。该两种方法最终都是改变了加到电枢绕组上的相电压平均值，从而改变了电机转速，类似于有刷直流的调压调速原理。就速度反馈信号而言，它可以是直流信号，也可是脉冲或正弦信号，所对应的转子位置传感器可以是磁敏霍尔元件、光电脉冲或电磁式线圈，其本质只要反馈信号与电机的速度线性相关，经过处理后能去校正控制信号。基于窟频调宽和定宽调频两种类型控制信号基础上的无刷直
流电机速度闭环控制器的原理框图见图3。
4结 语
本项目是西北工业大学与天津骨科医疗器械厂联合开发的，从开发后的使用效果及医疗器械用动力的发展看，无刷直流调速系
采用电子换向取代机械换向后，不仅直接解决了器械的消毒杀菌及电机电刷的定期维护，还降低了噪声。就已开发的150W、15 000r/min的无刷电机而言，其噪声小于65dB(A)。
合理设计电机各电磁、结构参数，采用合理的控制方案，可基本保证无刷电机在较宽的调速范围内实现高效率运行。
就机械特性而言，单闭环转速控制可有效抑制电机加载时转速的下降，如开环控制时，若空载转速17 000r/min，则加载至0. 1Nm时，转速为15 030r/min。而采用闭环控制，当空载仅15 500r/min，同样加0.INm时，转速为15 200r/min。
大力矩无刷直流电动机
新加坡的Eastern Air Devices公司推出的18型无刷直流电动机，直径为45. 72mm，采用熔接的稀土转子磁铁，实现了小封装大力矩，力矩为早期产品的3倍，****力矩达o．425Nrn。齿槽力矩为o．002 12Nm，能无噪声、平稳、低速工作。
新电动机之所以能无噪声稳定运转，除采用了高效稀土磁铁之外，还由于采用了动态平衡转子和新颖的4极电机设计，在100^-1 500r／min转速范围内均能平稳工作。电机采用集成化霍尔传感器、全密封结构和不锈钢轴。工作电源电压为9～48Vc，标准型为24Vd。。
（译自《EPN Asia 》No．II，1994）
新型转子电动机
英国Portescap公司推出两种转子电动机，其尺寸一样，直径均为35mm，长57mm，但输出功率不一样，一种为另一种的1倍。
35NT32燮用的是铝镍钴合金永磁体，输出功率37W，****力矩0.25Nm; 35NT82型用高能钕磁体：功率75w，****力矩为0. 45iNm，能产生65 000rad/s2，均可用于碳刷变换系统。
若用作伺服电动机，可选配美国惠普公司的500系列编码器。
(译自《Electrical Review 》No. 4,1994)
（以上由陈善海供搞）
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