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[音圈电机驱动器原理]解密疯抢的呼吸机音圈电机原理与设计

发布时间:2020-06-04 11:02:40 阅读次数:199 文章来源:深圳博智达机器人
导读: 在现代临床医学中,医用呼吸机作为人工替代自主通气功能的有效手段,广泛应用于各种原因的呼吸衰竭、大手术中的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和紧急复苏等,占有十分重要的地位
在现代临床医学中,医用呼吸机作为人工替代自主通气功能的有效手段,广泛应用于各种原因的呼吸衰竭、大手术中的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和紧急复苏等,占有十分重要的地位在现代医学领域。
医用呼吸机是预防和治疗呼吸衰竭、减少并发症、挽救和延长患者生命的重要医疗设备。呼吸机通常执行四项基本功能,即充气、由吸入转为呼出、排出肺泡空气和由呼出转为吸入等。因此,有:
(1)可以提供气体输送的动力,而不是人类呼吸肌肉的工作;
(2)它产生固定的呼吸节律,包括呼吸频率和摄入/摄入比,它取代了呼吸中枢神经系统调节呼吸节律的功能;
(3)可以提供适当的潮气容积(VT)或分钟通气(MV)以满足呼吸代谢的需要;
(4)气体的供应趋于加温和加湿,而不是人的鼻功能,可供应高于大气中所含氧气量的氧气,以提高吸入氧气的浓度,优化氧合;
 
医用呼吸机属于知识密集型高新技术产业。通风机中使用的大多数部件都是工业上常用的标准部件。通风控制精度和人机同步取决于厂家自身的软硬件技术实力。这也是中国制造业相对薄弱的一环。虽然国外厂商已经掌握了大量的核心技术专利,但经过多年的探索和发展,国内企业在智能化设计、通风、降噪等核心技术的研发水平有了很大的提高,高端医用呼吸机的自主创新能力得到了提高也取得了重大进展。
呼吸机技术由硬件和软件组成,核心硬件包括电路、滤波器和阀压驱动系统、病人等,其中的关键部件包括流量传感器、芯片、音圈电机、涡轮风扇:因为线性音圈电机具有结构简单、响应快、运行稳定、噪音低、高可靠性特点,是利用主动驱动呼吸机气缸阀实现高频往复运动,从而实现呼吸机的基本功能;

音圈电机驱动器原理
 
目前国内呼吸机生产企业,其关键部件音圈电机一直依赖进口,主要如美国,英国等,受疫情影响,音圈电机供货无法满足市场需求,这方面也导致呼吸机无法快速大量生产供应,无法尽快挽救重病病人生命;
 
国产替代进口势在必行,定制生产呼吸机直线音圈电机已经不是单纯生产硬件简单的事情,这需要从整个系统要求出发去生产定制;
 
开发一款合适的医用精密直线音圈电机,从系统要求来看,需要重点考虑如下需求:音圈电机结构,动力性能,音圈电机响应时间,摩擦力,迟滞力,噪音,可靠性,音圈电机原材料,音圈电机生产工艺;
 
根据系统要求,我们定制生产精密轴式滚珠轴承动圈圆柱音圈电机;
 
因为:
 
1, 结构简单,体积小;
 
2, 动子质量轻,高速,高加速,高响应 ;
 
3, 高频率,高频响应性快;
 
4, 零磁滞,零磁槽效应,低阻尼。
 
根据呼吸机系统要求,通过仿真模拟,音圈电机最大推力5N~6N左右,有效工作行程7mm;采用独特的音圈电机结构设计,电机推力曲线呈现线性结构。
 
考虑运动导向摩擦力及迟滞力的影响,以及可靠性,采取定制独特的设计直线滚珠轴承系统并经过不断优化测试评估,使呼吸机输出气压均衡,平稳。
 
呼吸机音圈电机基于磁学原理,电子学原理,机械系统原理进行定制生产的;音圈电机的工作原理是依据安培力原理, 即通电导体放在磁场中, 就会产生力F , 力的大小取决于磁场强弱B , 电流I , 以及磁场和电流的方向(见图1). 如果共有长度为L 的N 根导线放在磁场中, 则作用在导线上的力可表示为F = kB L IN , (1)式中 k 为常数;
 
音圈电机是单相两极装置. 给线圈施加电压则在线圈里产生电流, 进而在线圈上产生与电流成比例的力, 使线圈在气隙内沿轴向运动. 通过线圈的电流方向决定其运动方向. 当线圈在磁场内运动时, 会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势). 驱动音圈电机的电源得提供足够的电流满足输出力的需要, 且要克服线圈在峰值运动速度下产生的感应电动势, 以及通过线圈的漏感压降;
 
音圈电机由磁体和线圈组成的零部件,线圈与磁体之间的小气隙通常是(0. 5~ 5) mm , 根据需要此气隙可以增大, 只是需要确定引导系统允许的运动范围, 同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞,基于上述原理生产定制音圈电机;
 
音圈电机直线滚珠轴承是直线传动轴配合使用。作无限直线运动的系统,负荷滚珠和传动轴因为是点接触,容许载荷较小,但直线运动时,摩擦阻力最小,精度高,运动快捷。其工作原理:由于直线轴承构造中实现了点与轴的接触,钢珠与直线光轴的接触运行,形成其低摩擦,低阻力高精度的运行效果,亦可以旋转运行,因此直线轴承广泛用于电子设备,拉力试验机等精密设备,以及多轴机床、冲床、工具磨床、自动气割机、打印机、卡片分选机、食品包装机等工业机械的滑动部件。
 
滚珠轴承的发展以减少摩擦以及所需动力为基础。由于点接触技术的接触面相交以前得以减少,因此导向轴或轮轴的低摩擦导向得以实现。摩擦力减少后,发热量也得以减少。所有滚珠轴承的一个基本组件就是所谓的滚动体。滚动体通常是由若干的钢制钢球组成。就直线滚珠轴承来说,滚动体在轴承圈内沿轴向轨道运动。在直线方向上,负载总是通过内部滚珠轴承圈传递,不过外部滚珠轴承圈上的负载会因抵消运动力而减少。按照常规来说,使用滚珠越多,承载力则越大;钢球越小,接触面越小,摩擦阻力就越小;
 
轴和轴承套经过严格挑选的材料, 经过特殊热处理和研磨抛光,并且, 还对滚动面进行了超精加工。在球保持器中钢球排列紧密, 并且使钢球轨道相互之间不重叠。这使能够长时间使用而不会磨损, 实现优越的耐久性。由于小钢球与滚动面为点接触,因此滚动损耗微乎其微,可实现极低摩擦的滚动运动,当速度20mm/s时,轴承摩擦阻力大慨在35mn以内;

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