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如何缓解手持式医疗器械的发热问题

2018-05-17 15:46:32 来源:CIMD 点击:500

【大比特导读】“当谈到手持式手术器械中所使用的电机时,通常有两个主要的功率损失来源,而功耗损失过度会导致手术设备产生高温进而影响到临床使用效果大打折扣,如何能尽量降低手术器械运行中产生的高温就成为亟待解决的关键问题。”

如何缓解手持式医疗器械的发热问题

 

“当谈到手持式手术器械中所使用的电机时,通常有两个主要的功率损失来源,而功耗损失过度会导致手术设备产生高温进而影响到临床使用效果大打折扣,如何能尽量降低手术器械运行中产生的高温就成为亟待解决的关键问题。”

我们知道手术器械中的电机在长期额定转矩下运行会产生高温。通常来说,在电机连续运行时,温度可以可达到155°C,从而使外壳温度达到约120°C。这么高的温度会让设备无法直接用手持的方式来使用,即便是温度降低一半,也会严重影响使用。除去机械之间的摩擦力损耗,动力损失有两个主要原因,从而导致设备发热严重。

原因之一:焦耳能量与电机铁损:

焦耳功率的损耗与电流相关,即所需的转矩负载。众所周知,这些损失会随着电流的平方成正比。接近标称值的高电流会导致温度异常; 在大约标称电流一半的电流下运行电机会产生与人体皮肤相匹配的中等温度(通常低于50°C)。

对于电机选择,这就意味着应该选择超大型电机。然而,值得注意的是,我们认为这里的连续操作大约只在10分钟后才能达到最高温度。在手持式工具中,通常使用过程中会采用间歇操作,这么做的好处是可以让设备有足够的时间冷却,根据RMS平均负载,大致可以让设备的使用时间延长到30分钟。

电机铁心损耗与它的转速有关,而且也与速度的平方成正比关系,仅在旋转时,即使在无负载条件下也能使电动机发热。在手持式工具中,电机钻头会在几万转的转速下出现这类问题。这种高速电机需要特殊的设计预防措施来限制涡流加热。通常采用的方法是用少量磁极,无槽绕组和由特殊低滞后材料制成的超薄背铁箔来减少旋转时带来的热能。

原因之二:PWM驱动电路与电感效应:

事实证明,温度升高的原因不仅是扭矩,速度和设计的问题,即使在无负载条件下驱动电机,也一样会产生高温(80°C以上)。其原因在于驱动器和电源电压。

无槽绕组的电感非常低,导致电气时间常数非常低。但是,当使用脉宽调制(PWM)功率级驱动时,电机电流能够跟随这些电压快速变化,产生相当大的电流波,但PWM电压和电流波对电机的机械响应并没有影响,电流波峰值会加热电机,因此怎样最小化电流波是解决电机发热严重的最佳对策:

根据实际转速降低PWM驱动电路的电压。

增加PWM频率以减少电流波的建立时间。

增加一个额外的电感,将电动机扼流圈串联到电动机线路上,以增加电气时间常数并抑制当前的热效应。

通过用较低功率的控制器替换旧的超大尺寸控制器,并采用较大的内置电感,以较高的PWM频率工作,就可以有效解决加热问题。综上,最大化降低温度的办法是将电源电压降低到接近所需的最小值。

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