低电流脉动和齿槽转矩的BLDC高速电机助力于医疗行业

电机在现代医疗行业中发挥着重要作用，全球对医学分析和测试服务不断增长的需求，为具有更高吞吐量和高可靠性的设备创造了一个巨大的市场，为了实现这一目标，传动系统组件必须在扩展的速度范围和更高的占空比下提供更大的扭矩。随着医疗设备变得更小、更轻，高速电机驱动器出现功率密度增加、体积和重量减少以及效率更高的趋势。由于多种优点，高速无刷永磁电机技术是此类先进医疗应用的最合适选择，它们提供了显着较小的尺寸和出色的热高功率密度，从而以良好的性能和可靠性降低了运行成本。

在为医疗设备选择高速电机时，必须考虑几个问题，扭矩脉动在医疗应用对振动和噪音非常敏感的情况下发挥着重要作用，例如医院中的设备和设备或患者护理设施。所使用的电机必须符合低噪音标准，以保证患者的舒适度并减少焦虑。扭矩脉动会激发机械阻尼不佳的系统，这可能会导致破坏性后果。

先进医疗设备中转矩脉动的主要来源有两个：定子绕组中的电流脉动和齿槽转矩。在评估所选电机拓扑的设计时，必须仔细考虑电机设计的所有方面，以最大限度地减少或消除这些脉动源，从而降低可听噪声的产生，这是医疗设备的非常重要的标准。由于医疗器械产品的可靠性至关重要，因此设计的电机需要耐用且用途广泛。许多零件具有集成功能，有助于减少组件数量并确保产品紧凑且坚固。它们的设计应能承受恶劣的环境、腐蚀性液体、蒸汽、高温、真空、振动和机械冲击。

高速医疗电机设计的挑战

由于医疗电机的体积变得越来越小和速度越来越快，出现了许多设计挑战，设计人员必须考虑电气驱动频率、快速旋转轴上的机械应力（转子动力学）、磁涡流、叠层钢芯损耗和逆变器。首先，转子的机械完整性成为一个问题，保持转子半径足够小应该保证在临界速度以下运行，在气隙中引入一个保磁环将确保磁保持，这导致有效气隙长度的增加。高速时出现的另一个设计问题是转子损耗增加，通过仔细选择永磁材料并通过适当的热管理，可以最大限度地减少转子损耗并获得成功的设计。

此外，铁损和风阻损失也很重要，并成为决定高速电机整体定值和效率的主要因素。减少定子中的铁损需要低损耗的叠片钢等级并使用更薄的叠片钢来构建定子。随着速度的提高，铁损已成为主要的损耗源，从而提高了对精确铁损建模的需求。

根据转速、轴承上的径向和轴向载荷以及环境要求来选择轴承，更重要的是，不同类型的轴承有其自身的特性，这些特性会影响转子动力学。20至60krpm 范围内的速度完全在传统轴承能力范围内。然而，为了提高可靠性，非常需要空气箔片轴承，尽管箔片轴承的尺寸与速度成反比。

转子和定子的设计应该尽可能简单，一个简单的设计在制造方面有很多好处，但这些都必须与整体性能目标进行权衡。基本上，有两种主要的定子拓扑；有槽和无槽定子。在开槽 BLDC 电机设计中，定子由开槽钢叠片制成，这些叠片与一系列齿槽堆叠在一起，铜绕组插入这些槽中。开槽电机设计简单且制造成本低，但会表现出齿槽转矩。齿槽效应是一种不稳定的、不均匀的角速度，在极数较少的电机中在低速时尤为明显。它发生在转子的磁极通过定子槽开口（气隙）并接近定子的金属齿时，磁力将旋转部分向前拉动。

在无槽BLDC 电机设计中，没有铁齿来支撑绕组，相反，定子叠片由堆叠在一起的钢环构成，绕组封装在环氧树脂中，从而赋予绕组结构形状和刚度。这种“自支撑”绕组放置在定子叠片和转子之间的气隙中，该配置消除了定子并最大限度地减少了齿槽扭矩。开槽 BLDC 电机仍然具有一些优势，例如，有槽电机中的气隙小于无槽设计（必须适应自支撑绕组组件）中的气隙，这意味着有槽电机的磁通密度更高，扭矩产生更有效和高效。

结论

为了实现高功率密度和可靠性，仅优化冷却能力和电气设计是不够的，必须优化电机设计的所有方面。因此，在设计阶段，重要的是要考虑整个系统，即鼓风机或泵、电机、驱动器和反馈电路。最后，原始设备制造商需要设计紧凑且节能的医疗设备，便携式设备的功率和有限的空间。大多数设备还需要轻便且易于操作，适应这些趋势的一种方法是使用可以在指定占地面积内提供必要功率和性能的高速电机。