چه چیزی باعث می شود که ونتیلاتورها کاملاً با ریتم تنفس بیمار همگام شوند؟ چه چیزی به ابزارهای جراحی دقت در مقیاس های میکروسکوپی می دهد؟ پاسخ اغلب در موتورهای DC بدون برس با سرعت بالا و جمع و جور نهفته است. از آنجایی که کاربردهای پزشکی و صنعتی به عملکرد فزاینده ای پیچیده نیاز دارند، مهندسان با چالش حیاتی بهینه سازی این موتورها برای حفظ راندمان و پایداری در سرعت های چرخشی بالا مواجه هستند.

قدرت مکانیکی نشان دهنده حاصل ضرب گشتاور و سرعت چرخش است. در چارچوب های فناوری موتور موجود، افزایش قدرت در درجه اول از دو مسیر پیروی می کند: افزایش گشتاور یا افزایش سرعت. گشتاور پیوسته معمولاً با ابعاد موتور همبستگی دارد و با محدودیت هایی از ظرفیت اتلاف حرارتی مواجه است. در هنگام توقف موتور یا عملکرد با سرعت کم، تقریباً تمام تلفات انرژی به گرمایش ژول تبدیل می شود.

پارامترهای کلیدی عملکرد عبارتند از:

• T = گشتاور موتور
• RTh1 = مقاومت حرارتی سیم پیچ به استاتور
• RTh2 = مقاومت حرارتی استاتور به هوا
• K = ثابت گشتاور موتور
• R = مقاومت سیم پیچ موتور
• Pj = تلفات توان اثر ژول
• ΔT = حداکثر افزایش دمای مجاز سیم پیچ

رابطه به این صورت ظاهر می شود: ΔT = (RTh1 + RTh2) · Pj = (RTh1 + RTh2) · R · I² = (RTh1 + RTh2) · R · T²/K²

اصطلاح (RTh1 + RTh2)·R/K² به عنوان یک شاخص مهم برای ارزیابی موتور عمل می کند. مقادیر کمتر نشان دهنده عملکرد برتر است. موتورهای با عملکرد بالا ایده آل، حداقل مقاومت را با ثابت های گشتاور بالا ترکیب می کنند.

ثابت های گشتاور به طراحی مدار مغناطیسی بستگی دارد و بهینه سازی شار مغناطیسی از طریق سیم پیچ ها را به هدف اصلی طراحی تبدیل می کند. مواد مغناطیسی پیشرفته مانند نئودیمیوم-آهن-بور (NeoFe) با محصولات انرژی نزدیک به 50 MGoe راه حل های موثری را نشان می دهند. کاهش تلفات ژول مستلزم به حداکثر رساندن مقاطع هادی برای به حداقل رساندن مقاومت مس است.

حتی با نسبت های R/K² بهینه شده، حداکثر گشتاور از نظر حرارتی توسط ابعاد موتور محدود می شود. افزایش سرعت یک استراتژی جایگزین بهینه سازی قدرت را ارائه می دهد.

در حالی که از نظر تئوری از طریق تنظیم ولتاژ ساده است، افزایش سرعت چالش های حرارتی اضافی را از این موارد معرفی می کند:

• تلفات آهن
• تلفات اصطکاک بلبرینگ
• تلفات ناشی از موج جریان

تلفات آهن شامل اجزای جریان گردابی و هیسترزیس است. جریان های گردابی ناشی از تغییرات شار مغناطیسی است که جریان هایی را در داخل هسته های آهنی ورقه ای القا می کند.

روابط کلیدی:

• تلفات جریان گردابی ≈ χ·B²·ω² (متناسب با القای مغناطیسی و فرکانس مربع)
• تلفات هیسترزیس = μ·λ·B²·ω² (وابسته به نفوذپذیری و اجبار مواد)

ورقه های نازک تر و مواد با مقاومت بالاتر، جریان های گردابی را کاهش می دهند، در حالی که آلیاژهای با اجبار کم مانند آهن-نیکل (Fe-Ni) تلفات هیسترزیس را به حداقل می رسانند. موتورهای چند قطبی اغلب به دلیل این وابستگی های فرکانس مربع با محدودیت های سرعت مواجه هستند.

موتورهای DC بدون برس بر اساس پیکربندی استاتور به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

موتورهای استاتور شیاردار:دارای سیم پیچ هایی هستند که در داخل شیارهای استاتور پیچیده شده اند. شکاف هوای حداقل بین ورقه ها و آهنرباها، القای مغناطیسی بالا را با آهنرباهای با قطر کوچکتر امکان پذیر می کند. با این حال، محدودیت های فضای شیار، حجم مس را محدود می کند و فرآیندهای سیم پیچی را پیچیده می کند. طرح های شیاردار مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی برتری را ارائه می دهند، اگرچه گشتاور دندانه دار را نشان می دهند که می تواند از طریق ورقه های کج شده کاهش یابد.

موتورهای استاتور بدون شیار:از سیم پیچ های از پیش پیچیده شده و خود پشتیبان استفاده می کنند که مستقیماً در شکاف هوا قرار می گیرند. افزایش شکاف هوا، القای مغناطیسی را کاهش می دهد که معمولاً از طریق آهنرباهای بزرگتر جبران می شود. این طرح ها گشتاور دندانه دار را به طور کامل حذف می کنند و تلفات آهن را در سرعت های بالا کاهش می دهند، اگرچه اینرسی روتور با مربع قطر افزایش می یابد. پیکربندی های بدون شیار اغلب نسبت های R/K² برتری را از طریق بهینه سازی القای مغناطیسی و تعادل حجم مس به دست می آورند.

انتخاب موتور مستلزم تجزیه و تحلیل دقیق نقاط عملکرد خاص برنامه است که توسط الزامات گشتاور و سرعت تعریف می شود. دو کاربرد پزشکی گویا این فرآیند بهینه سازی را نشان می دهند:

موتورهای ونتیلاتور با سرعت بالا:باید از حالت ثابت به 50000 دور در دقیقه در عرض میلی ثانیه شتاب بگیرند و همزمان با الگوهای تنفس بیمار همگام شوند. تقاضای گشتاور اولیه از شتاب پروانه ناشی می شود و مدیریت حرارتی برای راحتی بیمار و طول عمر بلبرینگ بسیار مهم است. پیشرفت های اخیر سری موتورها به طور خاص نسبت تلفات ژول به آهن را برای این شرایط سخت بهینه می کنند.

موتورهای هندپیس جراحی:با سرعت های شدید در فاکتورهای فرم جمع و جور کار می کنند و در عین حال دمای خارجی کم را برای راحتی جراح حفظ می کنند. طرح های پیشرفته با قطر 16 میلی متر چندین اونس اینچ گشتاور را در 80000 دور در دقیقه با دمای سطح زیر 43 درجه سانتیگراد ارائه می دهند، در حالی که بیش از 3000 چرخه استریل سازی اتوکلاو را تحمل می کنند.

از طریق پیشرفت های مداوم مواد و بهینه سازی های خاص برنامه، موتورهای DC بدون برس مدرن الزامات عملکرد فزاینده ای سختگیرانه را در کاربردهای پزشکی و صنعتی برآورده می کنند. تجزیه و تحلیل مشخصات مناسب برای ارائه طرح های بهینه که تولید گشتاور، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان عملیاتی را متعادل می کند، ضروری است.