医用微型特种空心杯电机

1.本发明涉及医学设备设计技术领域，更为具体地，涉及一种医用微型特种空心杯电机。


背景技术：

2.人工心脏作为一种药物无效心脏衰竭的治疗手段，其动力提供一直十分关键，对于为急性心脏疾病治疗过程中提供及时灌注的微型介入式人工心脏，电机输出功率不足以及发热过高一直是难以解决的难题。
3.传统的电机采用有刷结构，利用线圈旋转过程中的惯性完成电流换向，而无刷电机以永磁体为转子，线圈为定子，采用y-形电路或者
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形电路控制电流的大小实现换相，因此相较于有刷电机产生了更少的磨损。由于无刷直流电机(bldc)，特别是无槽的空心杯电机，具有功耗低、高转速、寿命长、尺寸小等特点，其在医疗、微机械加工等场景应用广泛。传统的无刷空心杯电机主要采用三种类型的杯型绕组结构：斜线式、菱形式和多边形式绕组，这样的绕组也通常被称为faulhaber式绕组。然而随着尺寸的减小，传统faulhaber式的绕组也变得极为困难，主要表现为绕线机结构尺寸无法精确绕制以及结构不稳定等问题。
4.此外，考虑到电机的临床需求，必须要注意的就是尺寸，而尺寸的减小势必带来输出功率的不足，而对于某些特定的需求，如人工心脏，稳定的转速和扭矩要求也十分关键。
5.基于此，亟需一种既能够保证电机输出功率又能够有效降低电机尺寸的方案。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种新型的医用微小型无刷空心杯电机，既能够保证电机输出功率又能够有效降低电机尺寸。
7.本发明提供的医用微小型无刷空心杯电机，包括定子和设置在所述定子内部的转子；所述定子包括电机外壳、固定在所述外壳的内壁上的硅钢片以及设置在所述硅钢片上的第一绕组线圈、第二绕组线圈以及第三绕组线圈；其中，所述第一绕组线圈、所述第二绕组线圈以及所述第三绕组线圈采用同心磁极加强绕组的方式设置在所述硅钢片上；并且，
8.在所述电机外壳的内部开设有灌注结构，所述灌注结构通过进水口以及出水口与外部的循环冷却水源相连通。
9.此外，优选的方案是，所述第一绕组线圈、所述第二绕组线圈以及所述第三绕组线圈的漆包线均不存在通过所述转子横截面的部分；并且，
10.所述第一绕组线圈、所述第二绕组线圈以及所述第三绕组线圈的圆心的泛化参数方程均为：
11.r＝r0，ρ＝(dθ)/(2π)ρ0(θ)，φ＝ρcosθ/r，r'＝r0 d-d(φ-60)/120；
12.其中，r0为设计半径，ρ为在展开平面内的极坐标极轴，ρ0为绕组线圈的初始绕线形状在极坐标系下的坐标方程，θ为极坐标极角，φ为弯曲平面时的柱坐标角度，r为计算曲率，r'为弯曲时的实际平面曲率。
13.此外，优选的方案是，所述第一绕组线圈、所述第二绕组线圈以及所述第三绕组线圈采用首尾相搭的方式设置；并且，
14.各绕组线圈均占据所述医用微小型无刷空心杯电机的半周的宽度，且相邻绕组线圈之间有60度的重叠。
15.此外，优选的方案是，所述第一绕组线圈、所述第二绕组线圈以及所述第三绕组线圈均经霍尔传感器与外部的控制器相连。
16.此外，优选的方案是，所述转子包括两端分别通过轴承转动连接在所述定子内部的传动轴以及固定在所述传动轴上的永磁体。
17.此外，优选的方案是，在所述传动轴的两端均设置有凸台，在所述凸台与所述轴承之间限位有减震弹簧。
18.此外，优选的方案是，在两个所述轴承上均设置有挡片，在所述外壳上开设有与所述挡片相适配的限位槽，两个所述轴承均通过所述挡片配合所述限位槽与所述外壳固定。
19.此外，优选的方案是，所述传动轴为陶瓷或其他不易锈蚀的非金属材料或带有防锈蚀涂层的金属材料制件。
20.此外，优选的方案是，还包括封口件，在所述封口件的前端设置有卡扣，在所述外壳的尾端开设有与所述卡扣相适配的凹槽，所述封口件通过所述卡扣配合所述凹槽固定在所述外壳的尾部。
21.此外，优选的方案是，所述外壳为钛合金薄壳。
22.和现有技术相比，上述根据本发明的医用微小型无刷空心杯电机，有如下有益效果：
23.本发明提供的医用微小型无刷空心杯电机提供的绕组形式更为规则，能够减少绕组的制作难度；同时由于绕组范围较大，因此可以产生较大的磁场范围，进而提高转子的受力范围而提高转矩常数。此外，本发明提供的医用微小型无刷空心杯电机的转子与轴平行的部分长度增加，即切割磁感线的总长度增加，能够提高同尺寸下电机的输出功率。另外，线圈采用单层绕组，并且由于采用了交错相叠的方法，最厚的位置仅有两层线圈的厚度，节省了绕组在径向所占的空间；此外，与传统的同心绕组相比，具有相应的水冷措施，能够减少热量的堆积，延长电机工作寿命和运行可靠性。此外，采用生物相容性良好的材料制作，能够更加满足人工心脏等医疗器械的需求。
24.为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
25.通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
26.图1为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第一结构剖视图；
27.图2为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第二结构剖视图；
28.图3为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第三结构剖视图；
29.图4为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的绕组的结构图。
30.图5为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第四结构剖视图；
31.图6为根据本发明实施例的灌注结构的液体走向示意图；
32.图7为根据本发明实施例的绕组线圈的第一立体展开图；
33.图8为根据本发明实施例的绕组线圈的第二立体展开图；
34.图9为根据本发明实施例的绕组线圈的第一二维展开图；
35.图10为根据本发明实施例的绕组线圈的第二二维展开图；
36.图11为根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的控制电路图。
37.附图标记：硅钢片1、第一绕组线圈2、第二绕组线圈3、第三绕组线圈4、轴承5、霍尔传感器6、转子7、弹簧9、外壳10、传动轴11、永磁体12、排线13、封口件14、进水口15、出水口16、挡片17。
38.在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
39.在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面详细介绍本发明提供的医用微小型无刷空心杯电机的结构，图1示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第一结构剖视结构，图2示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第二结构剖视结构，图3示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第三结构剖视结构，图4示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的绕组的结构，图5示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的第四结构剖视结构，图6示出了根据本发明实施例的灌注结构的液体走向，图7示出了根据本发明实施例的绕组线圈的第一立体展开结构，图8示出了根据本发明实施例的绕组线圈的第二立体展开结构，图9示出了根据本发明实施例的绕组线圈的第一二维展开结构，图10示出了根据本发明实施例的绕组线圈的第二二维展开结构，图11示出了根据本发明实施例的医用微小型无刷空心杯电机的控制电路。
42.结合图1至图11共同所示，本发明提供的医用微小型无刷空心杯电机包括定子、转子7、电气控制系统以及灌注结构；定子包括由生物相容性良好的合金材料制成的外壳10(如钛合金薄壳)、与外壳10牢固装配的用于承载绕组线圈的硅钢片1和利用胶水等粘接在
硅钢片1上的励磁绕组线圈(包括第一绕组线圈2、第二绕组线圈3以及第三绕组线圈4)；转子7设置在定子的内部，包括由两端分别通过轴承5转动连接在定子内部的传动轴11以及固定在传动轴11上的永磁体12，永磁体12与传动轴11同轴设置。
43.需要说明的是，定子的尺寸不超过6mm，长度不超过30mm，可以由钛合金薄壳和硅钢片1两部分组成，两者同轴配合并且紧密贴合，绕组与外壳10内部使用固化后较为坚硬的防水粘合剂粘接在一起。
44.具体地，第一绕组线圈2、第二绕组线圈3以及第三绕组线圈4采用同心磁极加强绕组的方式缠绕定位在硅钢片1上；并且，由图7至图10可以看出，励磁绕组线圈在平面展开面上为标准的螺旋线，这种结构的励磁绕组线圈能够提供较为良好的同心特性，在较小的厚度范围内能够产生较大的磁场强度。
45.需要说明的是，为使励磁绕组线圈与外壳10内部贴合，并且保证重叠处的厚度最薄，需要将磁绕组线圈在所在平面进行一定弯曲，曲率半径为线性变化，在重叠处为设计半径加上绕线直径；通过计算电磁学在maxwell中进行计算仿真，并利用遗传算法进行优化，优化计算之后的某一励磁绕组线圈的圆心的泛化参数方程可用如下的方程表示：
46.r＝r0，ρ＝(dθ)/(2π)ρ0(θ)，φ＝ρcosθ/r，r'＝r0 d-d(φ-60)/120；
47.其中，r0为设计半径，ρ为在展开平面内的极坐标极轴，ρ0为绕组线圈的初始绕线形状在极坐标系下的坐标方程，θ为极坐标极角，φ为弯曲平面时的柱坐标角度，r为计算曲率，r'为弯曲时的实际平面曲率，优化过程约束为线径小于等于0.1mm，外径小于等于6mm，电流小于等于1a，优化目标为30000rpm下产生5mn*m的扭矩。并且，励磁绕组线圈的另外两相可以通过上述单相旋转120
°
、240
°
得到。
48.需要说明的是，在某些案例中，也可以设定励磁绕组线圈的基础形状依次为圆形、跑道形、椭圆形以及矩形，当然，在某些案例中也可选用沙漏形。
49.此外，为防止电机由于涡流作用过热而降低使用寿命，可以在电机外壳10的内部开设灌注结构，灌注结构通过进水口15以及出水口16与外部的循环冷却水源相连通；灌注结构为电机内存在的一种微结构，起到降温冷却的效果，需要说明的是，在某些案例中进水口15可以略大一些；而在某些案例中可以不考虑灌注结构，此时该结构所占据的空间可以被转子7的永磁体12部分占据，以减小气隙。
50.需要说明的是，永磁体12需要采用磁场强度足够强的稀土永磁材料制作，轴承5在电机前部固定在钛合金薄壳上，尾部固定在尾端封口件14上，并限制转子7的转动；线圈作为定子，由三个独立的铜线绕制的绕组线圈组成电机的三相，每个线圈绕线形状相同，并且为同心绕组结构，占据电机半周的宽度，相互之间有60度的重叠，线圈的重叠部分保证前者在后者之上，形成首尾相搭的结构，并且保证绕组的厚度小于等于漆包线直径的二倍(即第一绕组线圈2、第二绕组线圈3以及第三绕组线圈4的漆包线均不存在通过转子7横截面的部分)，再利用环氧树脂胶粘在硅钢片1上，并且硅钢片1焊接在壳体上；在电机的尾端，三个绕组线圈所引出的接线点与霍尔传感器6(霍尔位置传感器)相连，放置在硅钢片1之后，从霍尔传感器6引出一条排线13以连接外部的控制器。排线13、与排线13相连的霍尔传感器6以及控制器共同构成了电气控制系统，排线13与电机的控制器相连，因此排线13负责的是分配给各个绕组激励，并且接收位置传感器传递回来的位置信号，具体电路设计如图11所示。需要说明的是，由于电机的具体电路工作原理在相关文件中有诸多说明，本发明此处为对
现有相关文件中的电机的具体电路工作原理的使用，因此，对于具体电路的工作原理在此不再赘述。
51.需要说明的是，在某些设计案例中可采用无霍尔位置传感器的设计，但如果需要采用霍尔位置传感器，则需要对其进行防水胶封；而无传感器的设计也需要对接线处进行防水胶封或者塑封。
52.此外，在传动轴11的两端均设置有凸台，在凸台与轴承5之间限位有减震弹簧9，在两个轴承5上均设置有挡片17，在外壳10上开设有与挡片17相适配的限位槽，两个轴承5均通过挡片17配合限位槽与外壳10固定。这样当转子7受迫发生轴向位移时，向尾端的运动会被挡片17限制住，而向前端的运动会被弹簧9缓冲掉；需要额外说明的是，轴承5的内侧需要和传动轴11紧密约束，而外侧需要和外壳10紧密约。
53.需要说明的是，转子7由陶瓷或其他不易锈蚀的非金属材料或带有防锈蚀涂层的金属材料做成的传动轴11，以及较粗的稀土永磁材料(即永磁体12)同轴装配组成，永磁材料要求在装配过程中保证中心和绕组的中心重合，并且保证其长度能够被绕组部分覆盖住。
54.此外，优选的方案是，还包括封口件14，在封口件14的前端设置有卡扣，在外壳10的尾端开设有与卡扣相适配的凹槽，封口件14通过卡扣配合凹槽固定在外壳10的尾部。
55.如上参照图1至图11以示例的方式描述根据本发明的医用微小型无刷空心杯电机。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的医用微小型无刷空心杯电机，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。