使用混合式步進電機，可以提高醫用泵性能嗎？
醫用泵的設計人員通常必須應對實施精確而低成本的運動控制的挑戰。對于大多數醫用泵來說，實現這種電子運動控制的基本技術有三種：永磁有刷直流電機、無刷直流電機或步進電機。步進電機（有時稱為步進電機、步進電機或簡稱為步進電機）是位置或速度控制的可靠選擇。步進器本質上是數字化的——施加到驅動電子設備的脈沖會導致軸運動一步。它們通常用于“開環”，意味著沒有反饋，因為它們每次都能達到所需的步數（如果大小合適）。輸入脈沖的數量和輸入脈沖的速率可用于實現非常精確但非常簡單的運動（位置、速度和加速度）控制。只要所需的速度不太高（通常低于3000 RPM），步進電機通常會提供更簡單、成本更低且免維護的替代方案。
旋轉式步進電機分為三種類型：封裝疊式、VR（可變磁阻）和混合式步進電機。罐裝堆棧或PM（永磁）步進電機由“爪齒”（沖壓）部件和轉子中的永磁體（徑向磁化）制成。與罐裝堆疊步進器不同，VR步進器在轉子中沒有任何永磁體，它們依靠鋸齒（帶缺口）轉子中的感應磁場來運行。這兩種技術（永磁體以及轉子和定子中的“磁阻”鋸齒）的混合產生了混合步進電機。
與通常具有較粗分辨率（3.6o至18o步距角）的封裝堆疊步進器相比，混合式步進器通常由精密加工零件制成，并提供更精細的分辨率（通常為1.8o或0.9o步距角）。然而，基于其沖壓金屬部件與混合設計的機器部件相比，罐裝堆棧設計更便宜。混合步進電機是需要低成本且具有高分辨率的精確軸位置控制的絕佳選擇，例如醫院輸液、注射器和蠕動泵。在這些類型中的每一種中，遞送率將根據患者的藥物和狀態而變化。
混合電機結構
任何電動機的運行都可以看作是定子和轉子之間的相互作用。在混合式步進電機中，每個定子槽周圍線圈中的電流會在定子中產生電磁極。轉子中的鋸齒與定子中的鋸齒對齊，轉子中還有一個永磁環用于加強。發生這種對齊的力會在轉子軸中產生扭矩（或旋轉力矩）。使用開關電子設備，下一個線圈通電，轉子再次移動（步進）以將自身與定子中磁極的新位置對齊。由于線圈依次通電，實現了平滑的旋轉運動。如果需要更大的扭矩，可以直觀的看出要么是定子的磁極要加強（更多的線圈，
線圈的數量、每個線圈的線匝數、定子和轉子的相對齒數、磁鐵的直徑和磁通密度，都是電機設計考慮中使用的參數。從應用的角度來看；可以說，在選擇電機時，電機的幾何形狀以及每步的步距角都是固定的。然而，繞組通常具有很大的靈活性，可以在速度與為給定功率輸出產生的扭矩之間進行權衡，這是速度和扭矩的乘積。
驅動混合式步進器的方法可以是整步，如上所述，從一個機械步驟移動到下一機械步驟。微步是半步概念的延伸，在電機的機械步之間創建一個電氣步。繞組中的電流水平以較小的增量依次增加，進一步提高了位置分辨率。常見的驅動程序可以提供每步1/4步、每步1/8步、每步1/16步、每步1/64步等。超過1/256步，這種更精細的分辨率超出了電機的機械精度。隨著微步成本的下降以及操作平穩性方面的好處，即使在成本敏感的應用中，將微步作為一種選擇也始終是一個好主意。
混合式步進電機的改進
今天的設計工程師被賦予了一種新武器來實現他們的設計目標。工程師面臨的挑戰是減小泵的整體尺寸，同時保持甚至提高泵的性能。機械設計會影響泵的整體封裝尺寸，因此電機選擇至關重要。混合式步進電機設計的進步使設計工程師能夠減小封裝尺寸，同時甚至提高泵的性能。我將回顧這些進步以及它們如何幫助工程師設計他們的醫用泵。
保持扭矩
為了減小泵的整體封裝尺寸，工程師可以超速驅動混合式步進電機，以增加電機的輸出扭矩。雖然這是一種可接受的做法（只要考慮占空比），它會影響電機的溫升，無論是產生的熱量還是溫升引起的扭矩下降。添加鋁制外殼來封閉定子疊片可以改善這兩個問題。典型混合式步進電機的散熱僅通過鋁制端罩實現，這需要在機器設計中額外考慮，例如氣流或散熱器。然而，鋁制外殼提供了一個導管，可以沿著步進器的整個長度散發熱量，從而提高效率。因溫度上升造成的扭矩損失減少，在與典型混合步進器相同的條件下提供更高的輸出性能。這種組合允許工程師增加泵的占空比，從而為患者提供更有效的劑量。通過在操作過程中產生更少的熱量，當患者或護士需要調整藥物時，泵的觸感保持涼爽。
更大的捕獲軸承
位于患者床邊的醫院泵在操作期間需要保持安靜，以免在休息時打擾患者。因此，來自電機的可聽噪聲是工程師的關鍵設計考慮因素。軸承會產生步進電機的噪音；軸承在運行速度下的任何輕微移動都會產生可聽見的噪音。捕獲前軸承和后軸承將顯著降低電機產生的噪音。用于前軸承的卡環和用于后軸承的O形環就是這樣做的，可防止軸承在運行期間移動。泵設計工程師的另一項改進是實際上消除了軸端隙。對于泵設計，這可以防止軸聯軸器裝置的移動，
扭矩線性
泵的劑量要求可能會有所不同，具體取決于正在分配的流體或藥物。在許多應用中，流體的量可能非常小，這需要混合步進器進行微步進-在電機的機械步進之間創建電氣步進。典型的混合動力車具有分度和堆疊的定子疊片，通過四個螺釘固定在兩個端罩之間。鋁制外殼的使用在制造過程中更好地對齊疊片，在定子和轉子齒之間形成更均勻的氣隙。在微步期間，這會產生改進的扭矩線性-每個微步的扭矩輸出一致性。使用定子增強磁體可以進一步改善轉矩線性度，從而提供電機的最大性能能力。在醫院的給藥泵中，輸液和注射器，這使醫務人員能夠為患者使用更精細的藥物劑量。此外，它確保每次向患者分配精確數量的藥物。
增強磁力
任何泵應用的另一個關鍵要求是拉出扭矩，即電機在給定速度下產生的扭矩。由于電機具有可在特定驅動條件下產生的定義扭矩量，這將決定應用中所需電機的尺寸。因此，電機扭矩的增加將對應于整個泵尺寸的減小。混合式步進電機的磁性設計在電機產生的扭矩中起著重要作用，兩個磁鐵的進步為設計工程師提供了更大的靈活性。
首先，使用高能釹磁鐵代替以前的材料，產生更高的磁通量，從而轉化為更高的扭矩。其次，在每個定子齒之間插入額外的定子磁鐵，這會阻止磁場在定子齒周圍流動。這會迫使更多的磁場流過每個齒，從而將扭矩輸出增加多達30%。這兩項設計改進都允許工程師指定更小的電機，從而減少整體封裝尺寸和重量。
保持扭矩
通常，設計工程師會在開發的初始階段指定標準電機，執行各種測試以確保其滿足應用要求。電機的多次迭代是常見的，因為機械設計會在項目過程中發生變化，從而改變電機的要求。但是混合動力設計的進步縮短了這個設計周期，因為電機已經針對運行性能進行了優化。電機要求的變化對電機選擇的影響較小，特別是相同尺寸的電機使用定子增強磁體可以將其扭矩增加高達30%。上市速度始終是任何項目的關鍵績效指標；超出最初的預測可能會增加公司的收入。
概括
混合式步進電機的進步確實增強了設計工程師將令人興奮的新泵推向市場的能力。醫療專業人員和患者都需要不斷的設計創新，挑戰工程師在繪圖板上的創造力。通過從繪圖板到生產的混合進步，電機工程師在選擇步進電機時加強了武器庫。
