先进的医疗应用对高速电机提出了非常具体的要求

电机在现代医疗行业中发挥着重要作用，全世界对医疗分析和测试服务的需求不断增长，为具有更大吞吐量和高可靠性的设备创造了一个利基。为了实现这一目标，传动系统部件必须在更大的速度范围和更高的工作周期内提供更大的扭矩。随着医疗设备越来越小、越来越轻，出现了高速电机驱动的趋势，以提高功率密度，减少体积和重量，提高工作效率。由于各种优点，高速无刷永磁电机技术是这类先进医疗应用的最合适选择。它们能大幅缩小尺寸，并具有优良的高功率密度，从而降低了运行成本，并具有良好的性能和可靠性。

在选择用于医疗设备的高速电机时，必须解决几个考虑因素，在医疗应用对振动和噪音非常敏感的地方，如医院的设备和器材或病人护理设施，转矩脉动具有重要的作用。所使用的电机需要符合低噪音标准，以支持病人的舒适性和减少焦虑。扭矩脉动可以激发一个机械上没有良好阻尼的系统，这可能导致破坏性的后果。在先进的医疗设备中，有两个主要的扭矩脉动来源：定子绕组的电流脉动和齿槽扭矩。在评估所选电机拓扑结构的设计时，必须仔细考虑电机设计的各个方面，尽量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。

由于医疗设备产品的可靠性是至关重要的，所以电机需要被设计成耐用和多功能的。许多部件具有集成功能，以帮助减少部件的数量，确保产品的紧凑和坚固。它们的设计应能经受住恶劣环境、腐蚀性液体、蒸汽、高温、真空、振动和机械冲击。为了实现高功率密度和可靠性，仅仅优化冷却能力和电气设计是不够的。电机设计的所有方面都必须得到优化。

在设计阶段，必须考虑到完整的系统，即鼓风机或泵、电机、驱动器和反馈。最后，电机制造商希望医疗设备是一个紧凑的设计和节能的，电池和空间在便携式设备中是有限的。大多数设备还需要轻巧和易于操作，适应这些趋势的方法之一是使用高速电机，在规定的尺寸内提供必要的功率和性能。

高速电机所面临的挑战

由于电机变得更小、更快，出现了一些设计上的挑战，设计者必须考虑电驱动频率、快速旋转的轴上的机械应力（转子动力学）、磁涡流、叠层钢芯损耗和变频器的潜在影响。首先，转子的机械完整性成为一个问题，保持足够小的转子半径应保证在临界速度以下运行。在气隙中引入一个环将确保磁铁的保留，这导致了有效气隙长度的增加。在高速下出现的另一个设计问题是转子损耗的增加，只有通过仔细选择永磁材料和适当的热管理，转子的损失才可以被最小化，最终才可以获得一个成功的设计。

此外，铁损和风损也很重要，并成为决定高速电机总体额定值和效率的主导因素，减少定子中的铁损需要采用低损耗的层压钢等级，并使用更薄的层压钢来建立定子。随着转速的提高，铁损已成为最主要的损耗源，增强了对精确铁损建模的需求。

应根据旋转速度、其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点，会影响转子的动态。速度在20至60千米/分钟的范围内，完全在传统轴承的能力范围内。然而，为了提高可靠性，铝箔轴承是非常理想的，尽管铝箔轴承的尺寸与速度成反比。

最终，转子和定子的设计应尽可能的简单，一个简单的设计在制造方面有很多好处，但这些必须与总体性能目标相权衡。基本上，有两种主要的定子拓扑结构：有槽和无槽定子。

在开槽式无刷直流电机的设计中，定子由开槽的钢片制成，这些钢片用一系列的齿堆叠在一起，铜绕组被插入这些齿槽中，槽形电机设计简单，制造成本低，但会出现齿槽转矩。齿槽是指具有少量磁极的电机在低速时特别明显的生涩、不均匀的角速度。它发生在转子的磁极通过定子槽口（气隙）并接近定子的金属齿时，磁力拉动旋转部分向前移动。

在无槽无刷直流电机设计中，没有铁齿来支撑绕组，相反，定子层是由堆积在一起的钢环构成的，绕组被封装在环氧树脂中，这使绕组结构具有形状和硬度。这种 "自我支撑 "的绕组被放置在定子层板和转子之间的空气间隙中，这种配置消除了定子齿，并将齿槽降至最低。槽式无刷直流电机仍然拥有一些其他优势，例如，有槽电机的气隙比无槽设计的气隙小（无槽设计必须容纳自支撑的绕组组件），这意味着有槽电机的磁通密度更高，产生的扭矩也更有效和高效。