[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

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；

 

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；