Co sprawia, że aparaty oddychające doskonale zsynchronizują się z rytmem oddechowym pacjenta?Odpowiedź często leży w kompaktowych, ale silnych, szybkich, bezpędzłowych silnikach prądu stałegoPonieważ zastosowania medyczne i przemysłowe wymagają coraz bardziej wyrafinowanej wydajności,Inżynierowie stoją przed krytycznym wyzwaniem optymalizacji tych silników w celu utrzymania wydajności i stabilności przy dużych prędkościach obrotowych.

W ramach ustalonych ram technologii silnikowych wzrost mocy następuje głównie na dwóch ścieżkach:zwiększenie momentu obrotowego lub zwiększenie prędkości. Nieprzerwany moment obrotowy jest zazwyczaj związany z wymiarami silnika i musi być ograniczony przez zdolność rozpraszania ciepła.Niemal cała strata energii przekształca się w ogrzewanie Joule.

Kluczowe parametry wydajności obejmują:

• T = moment obrotowy silnika
• RTh1 = odporność termiczna cewki na stator
• RTh2 = odporność termiczna statora na powietrze
• K = stała momentu obrotowego silnika
• R = opór cewki silnika
• Pj = utrata mocy w efekcie joula
• ΔT = maksymalnie dopuszczalny wzrost temperatury cewki

Związek ten pojawia się jako: ΔT = (RTh1 + RTh2) · Pj = (RTh1 + RTh2) · R · I2 = (RTh1 + RTh2) · R · T2/K2

Termin (RTh1 + RTh2) · R / K2 służy jako kluczowa wartość zasługi w ocenie ruchu.Idealne silniki o wysokiej wydajności łączą minimalny opór z wysokimi stałymi momentami obrotowymi.

Stałe momentu obrotowego zależą od konstrukcji obwodu magnetycznego, dzięki czemu optymalizacja strumienia magnetycznego poprzez uzwojenia jest centralnym celem projektowania.Zaawansowane materiały magnetyczne, takie jak neodymium-żelazo-bor (NeoFe) z produktami energetycznymi zbliżającymi się do 50 MGoe, stanowią skuteczne rozwiązaniaZmniejszenie strat Joule wymaga maksymalizacji przekroju przewodnika w celu zminimalizowania oporu miedzi.

Nawet przy zoptymalizowanych współczynnikach R/K2 maksymalny moment obrotowy pozostaje ograniczony termicznie przez wymiary silnika.

Chociaż teoretycznie proste poprzez regulację napięcia, zwiększenie prędkości wprowadza dodatkowe wyzwania termiczne z:

• Straty żelaza
• Straty związane z tarciem łożysk
• Straty z tytułu korekty ryzyka

Straty żelaza obejmują wirowe prądy i składniki histerezy.

Kluczowe relacje:

• Straty prądu wirusowego ≈ χ·B2·ω2 (w proporcji do indukcji magnetycznej i kwadratu częstotliwości)
• Straty w wyniku histerezy = μ·λ·B2·ω2 (zależne od przepuszczalności i przymusu materiału)

Cienkie laminacje i materiały o wyższej rezystywności zmniejszają prądy wirusowe, podczas gdy stopy o niskiej siłowości, takie jak żelazo-nikel (Fe-Ni), minimalizują straty histerezy.Silniki wielobiegunowe często borykają się z ograniczeniami prędkości ze względu na te zależności częstotliwości kwadratowych.

Silniki prądu stałego bez szczotki dzielą się na dwie podstawowe kategorie w oparciu o konfigurację statora:

Silniki statorowe z gniazdkami:Minimalna przepaść powietrza między laminacjami a magnesami umożliwia wysokie indukcje magnetyczne z magnesami o mniejszej średnicy.ograniczenia przestrzeni w szczelinie ograniczają objętość miedzi i komplikują procesy uzwojeniaWzornictwo z szczelinami zapewnia wyższą odporność termiczną i wytrzymałość mechaniczną, chociaż wykazują moment obrotowy, który można zmniejszyć poprzez zniekształcenia laminacji.

Silniki statorowe bez gniazdek:Wykorzystuje się wstępnie zwinięte, samodzielne cewki wstawiane bezpośrednio w szczelinę powietrzną.Projekty te całkowicie eliminują moment kołowy i wykazują zmniejszone straty żelaza przy dużych prędkościachW konfiguracjach bez szczeliny często osiąga się lepszy stosunek R/K2 dzięki zoptymalizowanej indukcji magnetycznej i równoważeniu objętości miedzi.

Wybór silnika wymaga dokładnej analizy poszczególnych punktów pracy określonych przez wymagania dotyczące momentu obrotowego i prędkości obrotowej.Dwa przykładowe zastosowania medyczne pokazują ten proces optymalizacji:

Silniki wentylatorowe dużych prędkości:Muszą przyspieszyć z nieruchomości do 50 000 obrotów na sekundę w ciągu milisekund, synchronizując się z oddechem pacjenta.Z zarządzaniem cieplnym jest kluczowe zarówno dla komfortu pacjenta i długowieczności łożyskaOstatnie rozwój serii silników specjalnie optymalizuje stosunek strat Joule do żelaza dla tych wymagających warunków.

Silniki chirurgiczne:Wykorzystuje się je przy bardzo dużych prędkościach, przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej temperatury zewnętrznej dla komfortu chirurga.000 obrotów na minutę przy temperaturach powierzchni poniżej 43°C, wytrzymując ponad 3000 cykli sterylizacji w autoklawie.

Poprzez ciągłe ulepszania materiałów i specyficzną optymalizację,Nowoczesne bezszczotkowe silniki prądu stałego spełniają coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności w zastosowaniach medycznych i przemysłowychOdpowiednia analiza specyfikacji pozostaje niezbędna do opracowania optymalnych konstrukcji, które równoważą produkcję momentu obrotowego, zarządzanie cieplne i niezawodność operacyjną.