不同類型的微型電機(jī)，結(jié)合不同類型的分析儀可以提供的性能
不同類型的分析儀通過(guò)不同的電動(dòng)廠家（電機(jī)、編碼器）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（滑輪、皮帶、齒輪）執(zhí)行樣品移動(dòng)以進(jìn)行分析。為了設(shè)計(jì)醫(yī)療分析儀以提供更好、更安全、更個(gè)性化和更具成本效益的醫(yī)療保健，分析儀自動(dòng)化的最常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)是高質(zhì)量、低噪音和長(zhǎng)壽命，且成本極具吸引力。
許多電機(jī)/齒輪/編碼器用于在醫(yī)療分析儀內(nèi)傳輸流體、小瓶或化驗(yàn)。最先進(jìn)的有刷和無(wú)刷無(wú)芯電機(jī)技術(shù)在高通量應(yīng)用（每小時(shí)超過(guò)1000次檢測(cè)）中運(yùn)行良好，例如免疫化學(xué)或DNA篩選，而步進(jìn)電機(jī)非常適合低速率采樣分析儀，例如血液每小時(shí)運(yùn)行1-10個(gè)樣品的糖測(cè)試儀。一些醫(yī)學(xué)分析儀使用基于轉(zhuǎn)臺(tái)的方法（見(jiàn)圖1）來(lái)堆疊已識(shí)別、標(biāo)記和序列化的化驗(yàn)，以跟蹤人體體液，使實(shí)驗(yàn)室能夠向醫(yī)療保健專業(yè)人員提供及時(shí)和準(zhǔn)確的反饋。（見(jiàn)圖2）
步進(jìn)電機(jī)
在速度不是主要問(wèn)題的此類轉(zhuǎn)臺(tái)分析儀的最簡(jiǎn)單版本中，步進(jìn)電機(jī)是滿足分析儀功能要求的可靠且具有成本效益的方法。由于步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是BLDC電機(jī)，因此在步進(jìn)電機(jī)中每轉(zhuǎn)每圈都必須將每個(gè)相中的電流換向多次有很多桿子。例如，一個(gè)100步/轉(zhuǎn)的2相步進(jìn)電機(jī)每相需要25次電流反轉(zhuǎn)才能完成一整圈。使用步進(jìn)電機(jī)的分析儀的主要優(yōu)勢(shì)在于，它們每轉(zhuǎn)具有許多穩(wěn)定位置（步長(zhǎng)），同時(shí)為給定尺寸提供高扭矩（例如，16 mm圓盤磁鐵電機(jī)可提供高達(dá)5-6 mNm的扭矩）扭矩）。使用步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是它不能高速運(yùn)行（2000 rpm），這是由于電感與換向頻率以及鐵損（電流反轉(zhuǎn)了很多次）相結(jié)合。
也就是說(shuō)，一系列步進(jìn)器-從永磁體到混合到線性-可用于滿足分析儀應(yīng)用需求。當(dāng)空間和電源需求至關(guān)重要時(shí)，永磁罐式步進(jìn)器適用于分析儀?；旌喜竭M(jìn)器體積小、功能強(qiáng)大且具有成本效益，足以在分析儀中使用。與標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、線性步進(jìn)器相比，具有維護(hù)或磨損少、集成簡(jiǎn)單和零件減少等優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)也非常適合許多分析儀應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通常需要平移機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，從而增加零件數(shù)量和集成復(fù)雜性。線性步進(jìn)器非常適合需要輕負(fù)載和開(kāi)環(huán)性能的分析儀，并且由于與較少的組件相關(guān)的慣性較低，因此它們通?？梢员刃D(zhuǎn)系統(tǒng)更快地加速。
無(wú)刷直流無(wú)芯電機(jī)
對(duì)于高通量應(yīng)用——那些在一小時(shí)內(nèi)分析超過(guò)一千個(gè)化驗(yàn)的應(yīng)用——高效率和更高速度的電機(jī)，如有刷直流無(wú)芯電機(jī)是合適的選擇。它們的轉(zhuǎn)子慣量低（直徑為22毫米的電機(jī)的電機(jī)慣量范圍為(10–30)x 10-6 kgm2）以及較短的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，使它們非常適合此類應(yīng)用。例如，電機(jī)有刷無(wú)芯直流電機(jī)提供8,000 rpm的空載速度和6.8毫秒的機(jī)械時(shí)間常數(shù)。電機(jī)達(dá)到這種速度所需的時(shí)間由下式?jīng)Q定：
w=w o(1-exp(-t/t m))
其中w o是空載速度，t m是電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，w是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t后達(dá)到的速度。根據(jù)電機(jī)特性，在轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用中可以在大約15毫秒內(nèi)達(dá)到90%的空載速度，如圖3所示。應(yīng)當(dāng)注意，電機(jī)上的負(fù)載特性取決于以特定速度轉(zhuǎn)動(dòng)化驗(yàn)樣品臺(tái)所需的扭矩，將決定電機(jī)斜升到特定速度所需的實(shí)際時(shí)間。
基于速度、加速度、性能和成本要求，盤式磁鐵步進(jìn)電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)也可以在此應(yīng)用的變體中工作。
另一個(gè)在其輸出中發(fā)揮重要作用的分析儀功能是從小瓶或化驗(yàn)中收集樣品，并將它們提供給基于光度法、色譜法或其他適當(dāng)方案的測(cè)量系統(tǒng)。
開(kāi)管或閉管形式的樣品分析通常通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)提供給穿刺或插入機(jī)構(gòu)，用于從小瓶中抽吸樣品，并配置到測(cè)量系統(tǒng)。（見(jiàn)圖2）
在一些可用于分析的樣本量有限的關(guān)鍵應(yīng)用中，速度、扭矩、效率和定位精度等電機(jī)特性發(fā)揮著重要作用。再次，有刷直流無(wú)芯電機(jī)由于其在小框架尺寸中的功率密度而具有高度適用性。如前所述，有刷直流無(wú)芯電機(jī)的低慣性有助于高效的流體傳輸，尤其是在樣品可用性要求在微升范圍內(nèi)的情況下。通常，增量編碼器可用于反饋有刷直流無(wú)芯減速電機(jī)（見(jiàn)圖4），以測(cè)量電機(jī)位置和速度。
這種增量式編碼器可以是光學(xué)的或磁性的，并產(chǎn)生與速度和距離成正比的脈沖（見(jiàn)圖5）。在1,000 rpm的較低速度下，通常需要128線的高編碼器分辨率，例如在從小瓶中吸取液體的最后階段。
混合式步進(jìn)電機(jī)
該應(yīng)用的擴(kuò)展使用帶有步進(jìn)電機(jī)的泵將某些試劑分配到分析中，以幫助分析過(guò)程。這種步進(jìn)電機(jī)可以使用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)反饋進(jìn)行控制?；旌想姍C(jī)（如圖6所示）可用于不同的軸以將測(cè)試樣品定位在適當(dāng)?shù)脑噭┓峙淦飨拢]環(huán)系統(tǒng)雖然更昂貴，但在這種情況下可能是合理的。
典型的罐頭堆垛電機(jī)具有離散角位置，其中軸使用保持扭矩保持在離散位置。例如，一個(gè)18度步距角的15毫米可堆疊電機(jī)可以在沒(méi)有反饋傳感器的情況下開(kāi)環(huán)運(yùn)行，但定位會(huì)很粗糙。另一方面，帶有閉環(huán)系統(tǒng)的混合電機(jī)可以有一個(gè)編碼器，用于向驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備提供位置反饋，編碼器成本增加10-25美元，以及驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備增強(qiáng)成本。
總結(jié)：
合適的運(yùn)動(dòng)廠家的性價(jià)比考慮最終取決于分析儀的復(fù)雜性，以及操作所需的精度、效率和環(huán)境條件。一系列不同的電機(jī)技術(shù)適用于醫(yī)療分析儀中的不同運(yùn)動(dòng)要求和操作軸，如下表所示。
如果功率密度、效率、速度和價(jià)值是主要的重要標(biāo)準(zhǔn)，那么有刷直流無(wú)芯可能是首選技術(shù)。如果不添加電子設(shè)備和低成本的定位是主要要求，如在低速率采樣分析儀中，那么步進(jìn)器可能是首選選項(xiàng)。用戶必須根據(jù)性能與價(jià)格的需求進(jìn)行選擇，同時(shí)考慮與控制電子設(shè)備和驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的成本，以及此類分析儀可以運(yùn)行15至20年的使用壽命，并且應(yīng)用需要分析儀服務(wù)于醫(yī)療保健領(lǐng)域。
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