混合步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)步如何提高醫(yī)用泵的性能？
今天的設(shè)計(jì)工程師被賦予了一種新的武器來實(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，同時保持甚至提高泵的性能。機(jī)械設(shè)計(jì)將影響泵的整體封裝尺寸，因此電機(jī)的選擇至關(guān)重要?；旌喜竭M(jìn)器設(shè)計(jì)的進(jìn)步使設(shè)計(jì)工程師能夠減小封裝尺寸，同時甚至增加泵的性能。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。
1、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)動混合式步進(jìn)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），它會影響電機(jī)的溫升，無論是在產(chǎn)生的熱量方面，還是在溫升引起的轉(zhuǎn)矩下降方面。添加鋁制外殼來封裝定子疊片可以改善這兩個問題。典型混合步進(jìn)電機(jī)的散熱僅通過鋁制端罩完成，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導(dǎo)管，可以沿著步進(jìn)器的整個長度散發(fā)熱量，從而使其效率更高。因溫度上升而導(dǎo)致的扭矩?fù)p失減少，在與典型混合步進(jìn)電機(jī)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)生的熱量更少，當(dāng)患者或護(hù)士需要調(diào)整藥物時，泵的觸感保持涼爽。
2、更大的捕獲軸承
放置在患者床邊的醫(yī)用泵在操作過程中需要保持安靜，以免在休息時打擾患者。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。步進(jìn)電機(jī)的噪音可能由軸承產(chǎn)生；軸承在運(yùn)行速度下的任何輕微移動都會產(chǎn)生可聽見的噪音。捕獲前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形圈就是這樣做的，防止軸承在運(yùn)行過程中移動。泵設(shè)計(jì)工程師的另一項(xiàng)改進(jìn)是實(shí)際上消除了軸端游隙。對于泵設(shè)計(jì)，這可以防止從聯(lián)軸器裝置移動，
3、扭矩線性
泵的劑量要求可能會有所不同，具體取決于分配的流體或藥物。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)之間產(chǎn)生電氣步進(jìn)。典型的混合器具有分度和堆疊的定子疊片，通過四個螺釘固定在兩個端鐘之間。鋁制外殼的使用可以在制造過程中更好地對齊疊片，從而在定子和轉(zhuǎn)子齒之間形成更均勻的氣隙。在微步期間，這會改善扭矩線性度-每個微步的扭矩輸出一致性。使用定子增強(qiáng)型磁鐵可以進(jìn)一步提高扭矩線性度，從而提供電機(jī)的最大性能。在醫(yī)院的藥物輸送泵中，輸液和注射器，這使醫(yī)務(wù)人員能夠?yàn)樗麄兊牟∪耸褂酶?xì)的藥物劑量。此外，它確保每次都向患者分配精確數(shù)量的藥物。
4、增強(qiáng)磁性
任何泵應(yīng)用的另一個關(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)在某些驅(qū)動條件下可以產(chǎn)生一定量的扭矩，這將決定應(yīng)用中所需的電機(jī)尺寸。因此，電機(jī)扭矩的增加將對應(yīng)于整個泵尺寸的減小。混合式步進(jìn)電機(jī)的磁性設(shè)計(jì)對電機(jī)產(chǎn)生的扭矩起著重要作用，兩項(xiàng)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，在每個定子齒之間插入額外的定子磁鐵，以阻止磁場在定子齒周圍流動。這會迫使更多的磁場流過每個齒，從而將扭矩輸出提高多達(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)，從而減小整體封裝尺寸和重量。
5、保持扭矩
通常，設(shè)計(jì)工程師會在開發(fā)的初始階段指定標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，執(zhí)行各種測試以確保其滿足應(yīng)用要求。電機(jī)的多次迭代很常見，因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)將在項(xiàng)目過程中發(fā)生變化，從而改變電機(jī)的要求。但是混合動力設(shè)計(jì)的進(jìn)步縮短了這個設(shè)計(jì)周期，因?yàn)殡姍C(jī)已經(jīng)針對運(yùn)行性能進(jìn)行了優(yōu)化。電機(jī)要求的變化對電機(jī)選擇的影響較小，特別是因?yàn)橄嗤叽绲碾姍C(jī)使用定子增強(qiáng)型磁鐵可以將其扭矩提高多達(dá)30%。上市速度始終是任何項(xiàng)目的關(guān)鍵績效指標(biāo)；超過最初的預(yù)測可能會增加公司的收入。
概括
混合步進(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的能力。醫(yī)療專業(yè)人員以及患者都需要在設(shè)計(jì)中不斷創(chuàng)新，這挑戰(zhàn)了工程師在繪圖板上的創(chuàng)造力。通過從繪圖板到生產(chǎn)的混合改進(jìn)，電機(jī)工程師在選擇步進(jìn)器時加強(qiáng)了武器庫。
