小体积大力距空心轴电机在医疗器械中的应用

童正亮

摘 要：随着社会的发展、科技的进步，电机在医疗器械上的应用越来越多，特别是小体积大力矩空心轴电机，以其体积小、力矩大、耐高温、使用方便、干净卫生等特点，在医疗器械行业里起到越来越大的应用。本文具体论述小体积大力矩空心轴电机相比于其他传统电机在医疗器械行业的优点，并且对空心轴电机在医疗器械行业的产业化做出分析。

关键词：医疗器械，空心轴电机，小体积大力矩

引言

随着科学技术的发展，电机在人们的生活中起到越来越大的作用。从十九世纪电机产生以来，经过两百多年的不断发展，已经从过去单一的结构发展成了包含直流电机、交流电机、步进电机等一系列复杂结构。电机也越来越多的进入医疗器械行业，中国作为世界上第一人口大国，医疗服务与民生紧密相关，提升医疗器械功能和效率是关系民生工作的重点解决方法。本论文从电机的角度论述小体积大力矩空心轴电机如何应用于提升医疗器械的功能和效率。

一、医疗器械行业的发展

医疗器械是指医疗上直接或者间接作用于人体的仪器、设备、器具、体外诊断试剂及校准物、材料以及其他类似或者相关的物品，包括所需要的计算机软件。

目的是通过对来自人体的样本进行检查，为医疗或者诊断目的提供信息。医疗器械作为医药行业的一个重要组成部分，对于消费者来说，医疗机构中医疗机械的配置情况是仅次于医师配备的用来评判医疗机构的标准。

医疗器械行业涉及到医药、机械、电子、塑料等多个行业，是一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业。而高新技术医疗设备的基本特征是数字化和计算机化，是多学科、跨领域的现代高技术的结晶，其产品技术含量高，利润高，因而是各科技大国，国际大型公司相互竞争的制高点，进入门槛较高。即使是在行业整体毛利率较低、投入也不高的子行业也会不断有技术含量较高的产品出现，并从中孕育出一些具有较强盈利能力的企业。因此行业总体趋势是高投入、高收益。

随着改革开放的深入，国家支持力度的不断加大以及全球一体化进程的加快，中国医疗器械行业更是得到了突飞猛进的发展。《中国医疗器械行业市场前瞻与投资预测分析报告 前瞻 [1]  》显示，2005年，中国已成为仅次于美国和日本的世界第三大医疗器械市场。

二、空心轴电机的发展历程和前景

电机是基于电磁原理发明的电生磁后相对于固定磁场做功的装置，随着在各个领域的运用，电机产生了直流电机、交流电机、步进电机等一系列种类，其中直流电机、交流电机还分有有刷和无刷之分。空心轴电机作为一个比较新型的电机结构在生活中有了越来越大的运用。

空心轴电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为是最初的空心轴电机，20世纪60年代后期，在空心轴电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，空心轴电机迅速地发燕并成熟起来。从发展趋向来讲，空心轴电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

我国空心轴电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品，这些产品以多段结构三相反应式空心轴电机为主，70年代初期，空心轴电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平，70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发，自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式空心轴电机及驱动器作为产品广泛利用。

空心轴电机的主要技术特征：电机轴为空心金属管，并在其空心金属管内臂上装有叶轮，叶轮采用焊接的方法以及其他方法将其固定在管轴内壁轴承处。空心轴电机主要分为无精度要求空心轴电机和有精度要求空心轴电机两种。

无精度要求是指对于电机的空心出轴或者内孔的尺寸精度要求不高，其内孔主要被用于走线、透光或者通过空气等其他媒介。空心轴电机这样的设计极大的优化了机械设计、方便布线及节约了设计空间和生产成本。

有精度要求的空心轴步进电机，对于空心出轴或者说是内孔孔径及螺纹的精度有着很高的要求，主要是因為这样的空心轴电机大多是定制，用来满足使用第三方梯形丝杠或者滚珠丝杠的需求的。这样的空心轴对于内孔孔径及螺纹的精度要求比普通的贯通式丝杆电机要求还要高。

空心轴电机在用途上有广阔的领域，优点是：减少体积、减轻重量、降低噪音，一体多用，降低成本，制造简单，使用方便。

三、医疗器械中电机的使用选择

中国自改革开放以后，人民生活水平不断提高，老百姓健康意识的不断提高，人们自我保健意识增强，医药行业对于器械的要求日益增加，落后的医疗器械成为了制约中国医药行业发展的一个难题，新医改政策对医疗器械给予了足够的重视。整个医疗器械产业市场发展迅速，利润总额增长远高于医药行业的平均水平。中国作为世界上一个人口大国，医疗服务与民生紧密相关，是民生工作的重点解决对策。医疗器械作为医疗行业的主导，对其电机的标准越来越高。

在医疗器械生产工作的人应该知道，医疗器材的加工精度都是很精准，且至关重要的，所以为了提高效率和产品的精准度，医疗用电机的电机就很重要。也正是因为这样，医疗用的电机现在是非常的普遍的，也在不断的改进和应用。在医疗器械使用电机选择时考虑空心轴电机和实心轴电机，下边是对两种电机的对比：

1.体积小、力矩大

在材料相同、截面积相等的情况下，空心轴比实心轴的抗扭能力强，能够承受较大的外力矩;而在相同的外力矩情况下，选用空心轴要比实心轴省材料。这从圆截面的应力分布也可以看出，实心轴圆周上的最大剪应力接近于许用剪应力时，中间部分剪应力还与许用剪应力相差很远，中间的材料大部分没有充分发挥的作用。所以空心轴电机因其体积小、力矩大、噪音小、反应灵敏、运行迅速的特点在医疗器械方面的应用比传统电机大的多。

2.安全、卫生

实心轴有刷直流电机不能高温高压消毒，不符合卫生部关于接触人体的医疗器械都必须高温高压消毒，以防止交叉感染的要求。实用新型提供一种为动力系统的空心轴无刷电机，以克服现有技术使用不便且卫生可靠性差的特点。如一种涉及微动力系统用的空心轴无刷电机。在进行鼻手术时需使用鼻钻，用于切除息肉或其他病变体，这种鼻钻有一特制刀具，用于切削用，还有一根带喷咀的水管，和一根吸收回水的管。空心轴电机就可以直接将几根管子通过电机轴插入鼻腔，使用方便。

空心轴电机是沿电机轴的中心轴线延展方向开设有贯穿腔室，在电机轴的外表面的水平左右两侧分别设有电机边盖、碟刹端盖。在电机边盖的外端边缘与碟刹端盖的外端边缘之间设有轮毂安装支架，且电机边盖、碟刹端盖、轮毂安装支架以及电机轴的外表面合围成环形安装腔室，环形安装腔室内设有外转子、定子，在电机轴上开设有与环形安装腔室相连通的出线端口。空心轴电机结构简单，在常规无刷电机的结构基础上进行改进，采用类似于空心轴的设计，将引出线由空心轴的内部穿出，避免传统电机影响实心轴结构强度的缺陷，同时也具有优异的散热性能，能够直接通过空心轴的内腔进行风冷，也巧妙的也预留出了油冷、水冷等安装位置。

四、空心轴电机在医疗器械中遇到的技术难题

研发医疗器械用小体积大力距空心轴电机，基础是根据机械强度的要求及电机制造的要求，选用一定厚度、规格、品种的厚钢板滚圆成一定的 直径并焊接拼缝即可，这种结构的中空轴，与同直径的实心轴相比，体积小，结构牢度和强度好，承受重负荷能力强。

还需解决的重大技术问题有以下两方面：

问题一：空心轴电机对焊接的技术要求很高，由于转子的驱动及受力均须由焊缝来承担，因此要求焊接时空心轴圆简与实心轴间的焊接性能要匹配，且在焊接过程中还要防止焊接变形和虛焊或夹杂。因此焊接时要求采用误差极小的工艺步骤，以避免焊接变形。焊好后要仔细去渣、清理及检查有否气孔裂缝等缺陷。手工焊底结束后，工件必须加热到300℃左右，然后再将工件卧放于卧式转台上进行自动埋弧焊，焊接时须不断的旋转、去渣、检查，待全部焊接结束后，还须采用超声波探伤检查，确认合格方能进行回火，以消除焊接应力及变形。

问题二：空心轴电机中锥形超级把合螺栓连接的方式则是将螺栓及销子的优点柔合在一起。首先，它设计有带锥度的双头螺杆并在其锥度面上加工有便于液压装拆的螺旋沟槽，然后再设计在双头螺杆上套带有内锥度的弹性钢质套筒，这种结构特点本身就保证了它与中空轴和连接法兰螺栓孔有良好的配合。把合时只须先用油压拉伸器拉动双头螺杆，使套筒与法兰孔胀紧，起到了销子作用，待螺母旋紧后再次拉动双头螺栓，使其产生了弹性变形再旋紧螺母，这样螺杆的弹性恢复力即是螺栓的预紧力。预紧力除了能克服由转子自重产生弯矩引起的螺栓拉力之外，由预紧力产生的静摩擦力与螺杆、套简所能承受的许用剪应力之和还能克服最大转矩（或最大机械冲击力矩）。

本课题研究完成后，可以竞争医疗器械的高端市场，打破国外巨头垄断，引领行业向更自动化、高端化发展。实现设备国产化，同时为环境保护、资源利用提供支持。在设计上出现的新变化将会为医疗器械生产企业带来商机，同时也将刺激很多医疗机械生产企业开始调整自己的经营战略，转向精良定制化生产的模式更加自主，对行业发展和科技进步将起到长远的促进作用。

五、简述空心轴电机在医疗器械中的使用

本文列举几种空心轴电机在医疗器械中的具体使用：

1.骨锯

无刷直流电机用于医疗器械制成手术时用的骨锯，力大、切锯速度快、噪音小、电磁干扰小。且可以配套充电电池，制作成为便携产品，方便使用。

2.牙科电磨、电钻

用于牙科医疗的电磨，电钻的无刷直流电机，体积小、转速快、噪音低、干扰小、经久耐用、使用方便。

3.鼻钻

可以进行高温高压消毒，以防止交叉感染。空心轴电机还可以将手术需要使用的一些需要插入人体的管道通过电机空心轴插入人体。使用方便切卫生可靠。

医疗用电机的应用比较的宽泛，这个称呼也是一个泛指，因为医疗用电机，也可以是用在医疗上需要的各种电机，什么医疗机器人电机，医疗专用电机，医疗设备电机，医疗电动推杆电机等等，这些都是属于医疗用电机。

六、小体积大力矩空心轴电机在医疗器械中的产业化

在当今医疗科技发达，医疗器械是十分重要的，因为对医疗器械的要求是十分高的，其精度以及选材在到加工工艺、技术等等都是十分严厉的，在精度要求上需要能够大大进步工作效率，一般来说医疗器械都会去首选选用精度比较高的伺服步进电机，伺服步进电机精度十分高关于那些医疗制造商来说是十分喜爱的。

很多年以来步进电机都是在医疗行业倍受大家喜爱的首选步进电机主要是能够很好的操控成本，运用方便，工作效率也十分高，可是因为步进电机有必定的缺点，完全能够调配一个带有细分的步进驱动器这样就能够很好的处理了步进电机的缺点，时代在前进 步进驱动器生产厂家在不断的更新自己的产品，能够使自己的产品能够在各行各业都能够很好被运用，这让步进驱动器与步进电机合作运用在医疗行业上能够更准确，节能的同时还能够进步工作效率。

步进驱动器+步进电机在医疗行业展示其稳定的功用以及强大的功用，不管是其功用还是创新力度全体价值等等都十分明显的进步了因为稀土磁铁的运用以及遍及使其扭矩也随之添加，使其扭矩大于160%相同的外形相同的尺寸比较起10级年前大大进步，因为加工工艺的規划步进驱动器与步进电机能够做的越来越小了，可是功用越来越好了，小的步进电机比较老款步进电机完完全全消除了原有的噪音，振荡等等。

空心轴电机和产品在我国迅速发展的主要驱动力有三个：环境压力、政策驱动、及市场需求。

环境压力：电机不仅使用在医疗、工业中，日常生活中也是无处不在，洗衣机、电风扇、吸尘器、电瓶车等，一部车上就有包括车窗玻璃升降电机、雨刷电机、发电机、空调换气风扇电机等等。这些不仅推动社会加速发展，给人们的生活带来很大的便利。但对环境的不良影响有噪音、振动等，还有电机生产制造过程中免不了要使用各种化学品，有很多对环境、人体有很大的危害。环境问题日益严峻，预示着我国未来对改善环境方面的研发刻不容缓。

政策驱动：国内医疗机械市场的快速增长离不开政策的支持。对医疗器械用的电机也更为关注。自2015年以来，中国就相继发布了一系列重要政策文件来推动中国制造的转型升级，而医疗领域作为重要的民生领域，对医疗机械研发生产的支持也一直是各大政策文件关注的重点。《中国2025重点技术路线图》中提到要重点开发养老助残、家政服务、社会公共服务等领域机械;重点开发医疗康复机械。十三五规划纲要要求重点发展医用机械等高性能诊疗设备，积极鼓励国内医疗器械中电机的创新。

市场需求：2019年中国医疗机械市场规模达到86.8亿美元，2014-2019年的平均增长率达到20.9%。其中，服务机械22亿美元。2019我国医疗机械市场规模超6亿美元，2020年预计达7.4亿美元，到2021年将突破10亿美元。医疗机械主要用于医疗卫生人员，集中在医院、诊所等地。截至2019年11月底，全国医疗卫生机构数达101.4万个。与2018年11月底比较，全国医疗卫生机构增加9489个，其中：医院增加1496个。截至2019年11月底，医院3.4万个，其中：公立医院1.2万个，民营医院2.2万个。医疗器械的使用离不开电机，空心轴电机的需求量也随之增加。

可见，医疗器械用小体积大力距空心轴电机的发展市场潜力巨大。

结论

中国医疗器械行业伴随着时代的发展，进入了一个快速进步的阶段，随着人民生活水平的不断提高，医疗器械的 选用会越来越先进，其产品结构会不断调整，功能更加多样化，市场容量会不断扩大。多种类大批量需求正不断进入行业中，小体积大力矩空心轴电机在医疗器械行业中的发展迎来了广阔的市场，为应对这场机遇小体积大力矩空心轴电机要不断提高效率和功能，提高技术、降低成本，提高自己的核心竞争力。

参考文献：

[1]宁祎，高枫，马万军.医疗机器人力感觉装置控制系统研究及仿真分析[J].机电工程技术，2011，（3）.35-38.

[2]宋银灏，安刚，张建勋，等.脊柱微创手术机器人运动控制系统的设计[J].计算机工程与应用，2010，（14）.58-61.

[3]喻道远，罗飞，范良志.串并联机器人控制HIFU的插补算法的研究[J].中国医疗器械杂志，2006，（4）.241-244.

[4]张思明.微特电机在机器人中的应用与发展[J].世界电子元器件，2002，（3）.27-28.

[5]庄宁，《中国医疗器械信息》2010年，第6期.

[6]岳彩功，《中国医疗设备》2010年，第7期.

[7]秦德昌王建國钟瑞芬，《中国医疗设备》2010年，第8期.

[8]徐鸣飞 沈蛟骁 余海涛 胡敏强第十九届中国小电机技术研讨会论文集，2015年，61-64.

（宁波弘翔电机有限公司 浙江省余姚市   315400）