使用混合式步進(jìn)電機(jī)，可以提高醫(yī)用泵性能嗎？
醫(yī)用泵的設(shè)計(jì)人員通常必須應(yīng)對(duì)實(shí)施精確而低成本的運(yùn)動(dòng)控制的挑戰(zhàn)。對(duì)于大多數(shù)醫(yī)用泵來說，實(shí)現(xiàn)這種電子運(yùn)動(dòng)控制的基本技術(shù)有三種：永磁有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)（有時(shí)稱為步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或簡稱為步進(jìn)電機(jī)）是位置或速度控制的可靠選擇。步進(jìn)器本質(zhì)上是數(shù)字化的——施加到驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的脈沖會(huì)導(dǎo)致軸運(yùn)動(dòng)一步。它們通常用于“開環(huán)”，意味著沒有反饋，因?yàn)樗鼈兠看味寄苓_(dá)到所需的步數(shù)（如果大小合適）。輸入脈沖的數(shù)量和輸入脈沖的速率可用于實(shí)現(xiàn)非常精確但非常簡單的運(yùn)動(dòng)（位置、速度和加速度）控制。只要所需的速度不太高（通常低于3000 RPM），步進(jìn)電機(jī)通常會(huì)提供更簡單、成本更低且免維護(hù)的替代方案。
旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)分為三種類型：封裝疊式、VR（可變磁阻）和混合式步進(jìn)電機(jī)。罐裝堆?；騊M（永磁）步進(jìn)電機(jī)由“爪齒”（沖壓）部件和轉(zhuǎn)子中的永磁體（徑向磁化）制成。與罐裝堆疊步進(jìn)器不同，VR步進(jìn)器在轉(zhuǎn)子中沒有任何永磁體，它們依靠鋸齒（帶缺口）轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)磁場(chǎng)來運(yùn)行。這兩種技術(shù)（永磁體以及轉(zhuǎn)子和定子中的“磁阻”鋸齒）的混合產(chǎn)生了混合步進(jìn)電機(jī)。
與通常具有較粗分辨率（3.6o至18o步距角）的封裝堆疊步進(jìn)器相比，混合式步進(jìn)器通常由精密加工零件制成，并提供更精細(xì)的分辨率（通常為1.8o或0.9o步距角）。然而，基于其沖壓金屬部件與混合設(shè)計(jì)的機(jī)器部件相比，罐裝堆棧設(shè)計(jì)更便宜?；旌喜竭M(jìn)電機(jī)是需要低成本且具有高分辨率的精確軸位置控制的絕佳選擇，例如醫(yī)院輸液、注射器和蠕動(dòng)泵。在這些類型中的每一種中，遞送率將根據(jù)患者的藥物和狀態(tài)而變化。
混合電機(jī)結(jié)構(gòu)
任何電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行都可以看作是定子和轉(zhuǎn)子之間的相互作用。在混合式步進(jìn)電機(jī)中，每個(gè)定子槽周圍線圈中的電流會(huì)在定子中產(chǎn)生電磁極。轉(zhuǎn)子中的鋸齒與定子中的鋸齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子中還有一個(gè)永磁環(huán)用于加強(qiáng)。發(fā)生這種對(duì)齊的力會(huì)在轉(zhuǎn)子軸中產(chǎn)生扭矩（或旋轉(zhuǎn)力矩）。使用開關(guān)電子設(shè)備，下一個(gè)線圈通電，轉(zhuǎn)子再次移動(dòng)（步進(jìn)）以將自身與定子中磁極的新位置對(duì)齊。由于線圈依次通電，實(shí)現(xiàn)了平滑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果需要更大的扭矩，可以直觀的看出要么是定子的磁極要加強(qiáng)（更多的線圈，
線圈的數(shù)量、每個(gè)線圈的線匝數(shù)、定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)齒數(shù)、磁鐵的直徑和磁通密度，都是電機(jī)設(shè)計(jì)考慮中使用的參數(shù)。從應(yīng)用的角度來看；可以說，在選擇電機(jī)時(shí)，電機(jī)的幾何形狀以及每步的步距角都是固定的。然而，繞組通常具有很大的靈活性，可以在速度與為給定功率輸出產(chǎn)生的扭矩之間進(jìn)行權(quán)衡，這是速度和扭矩的乘積。
驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)器的方法可以是整步，如上所述，從一個(gè)機(jī)械步驟移動(dòng)到下一機(jī)械步驟。微步是半步概念的延伸，在電機(jī)的機(jī)械步之間創(chuàng)建一個(gè)電氣步。繞組中的電流水平以較小的增量依次增加，進(jìn)一步提高了位置分辨率。常見的驅(qū)動(dòng)程序可以提供每步1/4步、每步1/8步、每步1/16步、每步1/64步等。超過1/256步，這種更精細(xì)的分辨率超出了電機(jī)的機(jī)械精度。隨著微步成本的下降以及操作平穩(wěn)性方面的好處，即使在成本敏感的應(yīng)用中，將微步作為一種選擇也始終是一個(gè)好主意。
混合式步進(jìn)電機(jī)的改進(jìn)
今天的設(shè)計(jì)工程師被賦予了一種新武器來實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。工程師面臨的挑戰(zhàn)是減小泵的整體尺寸，同時(shí)保持甚至提高泵的性能。機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)影響泵的整體封裝尺寸，因此電機(jī)選擇至關(guān)重要?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)步使設(shè)計(jì)工程師能夠減小封裝尺寸，同時(shí)甚至提高泵的性能。我將回顧這些進(jìn)步以及它們?nèi)绾螏椭こ處熢O(shè)計(jì)他們的醫(yī)用泵。
保持扭矩
為了減小泵的整體封裝尺寸，工程師可以超速驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)電機(jī)，以增加電機(jī)的輸出扭矩。雖然這是一種可接受的做法（只要考慮占空比），它會(huì)影響電機(jī)的溫升，無論是產(chǎn)生的熱量還是溫升引起的扭矩下降。添加鋁制外殼來封閉定子疊片可以改善這兩個(gè)問題。典型混合式步進(jìn)電機(jī)的散熱僅通過鋁制端罩實(shí)現(xiàn)，這需要在機(jī)器設(shè)計(jì)中額外考慮，例如氣流或散熱器。然而，鋁制外殼提供了一個(gè)導(dǎo)管，可以沿著步進(jìn)器的整個(gè)長度散發(fā)熱量，從而提高效率。因溫度上升造成的扭矩?fù)p失減少，在與典型混合步進(jìn)器相同的條件下提供更高的輸出性能。這種組合允許工程師增加泵的占空比，從而為患者提供更有效的劑量。通過在操作過程中產(chǎn)生更少的熱量，當(dāng)患者或護(hù)士需要調(diào)整藥物時(shí)，泵的觸感保持涼爽。
更大的捕獲軸承
位于患者床邊的醫(yī)院泵在操作期間需要保持安靜，以免在休息時(shí)打擾患者。因此，來自電機(jī)的可聽噪聲是工程師的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。軸承會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的噪音；軸承在運(yùn)行速度下的任何輕微移動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生可聽見的噪音。捕獲前軸承和后軸承將顯著降低電機(jī)產(chǎn)生的噪音。用于前軸承的卡環(huán)和用于后軸承的O形環(huán)就是這樣做的，可防止軸承在運(yùn)行期間移動(dòng)。泵設(shè)計(jì)工程師的另一項(xiàng)改進(jìn)是實(shí)際上消除了軸端隙。對(duì)于泵設(shè)計(jì)，這可以防止軸聯(lián)軸器裝置的移動(dòng)，
扭矩線性
泵的劑量要求可能會(huì)有所不同，具體取決于正在分配的流體或藥物。在許多應(yīng)用中，流體的量可能非常小，這需要混合步進(jìn)器進(jìn)行微步進(jìn)-在電機(jī)的機(jī)械步進(jìn)之間創(chuàng)建電氣步進(jìn)。典型的混合動(dòng)力車具有分度和堆疊的定子疊片，通過四個(gè)螺釘固定在兩個(gè)端罩之間。鋁制外殼的使用在制造過程中更好地對(duì)齊疊片，在定子和轉(zhuǎn)子齒之間形成更均勻的氣隙。在微步期間，這會(huì)產(chǎn)生改進(jìn)的扭矩線性-每個(gè)微步的扭矩輸出一致性。使用定子增強(qiáng)磁體可以進(jìn)一步改善轉(zhuǎn)矩線性度，從而提供電機(jī)的最大性能能力。在醫(yī)院的給藥泵中，輸液和注射器，這使醫(yī)務(wù)人員能夠?yàn)榛颊呤褂酶?xì)的藥物劑量。此外，它確保每次向患者分配精確數(shù)量的藥物。
增強(qiáng)磁力
任何泵應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵要求是拉出扭矩，即電機(jī)在給定速度下產(chǎn)生的扭矩。由于電機(jī)具有可在特定驅(qū)動(dòng)條件下產(chǎn)生的定義扭矩量，這將決定應(yīng)用中所需電機(jī)的尺寸。因此，電機(jī)扭矩的增加將對(duì)應(yīng)于整個(gè)泵尺寸的減小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的磁性設(shè)計(jì)在電機(jī)產(chǎn)生的扭矩中起著重要作用，兩個(gè)磁鐵的進(jìn)步為設(shè)計(jì)工程師提供了更大的靈活性。
首先，使用高能釹磁鐵代替以前的材料，產(chǎn)生更高的磁通量，從而轉(zhuǎn)化為更高的扭矩。其次，在每個(gè)定子齒之間插入額外的定子磁鐵，這會(huì)阻止磁場(chǎng)在定子齒周圍流動(dòng)。這會(huì)迫使更多的磁場(chǎng)流過每個(gè)齒，從而將扭矩輸出增加多達(dá)30%。這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)都允許工程師指定更小的電機(jī)，從而減少整體封裝尺寸和重量。
保持扭矩
通常，設(shè)計(jì)工程師會(huì)在開發(fā)的初始階段指定標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，執(zhí)行各種測(cè)試以確保其滿足應(yīng)用要求。電機(jī)的多次迭代是常見的，因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)在項(xiàng)目過程中發(fā)生變化，從而改變電機(jī)的要求。但是混合動(dòng)力設(shè)計(jì)的進(jìn)步縮短了這個(gè)設(shè)計(jì)周期，因?yàn)殡姍C(jī)已經(jīng)針對(duì)運(yùn)行性能進(jìn)行了優(yōu)化。電機(jī)要求的變化對(duì)電機(jī)選擇的影響較小，特別是相同尺寸的電機(jī)使用定子增強(qiáng)磁體可以將其扭矩增加高達(dá)30%。上市速度始終是任何項(xiàng)目的關(guān)鍵績效指標(biāo)；超出最初的預(yù)測(cè)可能會(huì)增加公司的收入。
概括
混合式步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)步確實(shí)增強(qiáng)了設(shè)計(jì)工程師將令人興奮的新泵推向市場(chǎng)的能力。醫(yī)療專業(yè)人員和患者都需要不斷的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，挑戰(zhàn)工程師在繪圖板上的創(chuàng)造力。通過從繪圖板到生產(chǎn)的混合進(jìn)步，電機(jī)工程師在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)加強(qiáng)了武器庫。
