小體積大力距空心軸電機在醫療器械中的應用

童正亮

摘 要：隨著社會的發展、科技的進步，電機在醫療器械上的應用越來越多，特別是小體積大力矩空心軸電機，以其體積小、力矩大、耐高溫、使用方便、干凈衛生等特點，在醫療器械行業里起到越來越大的應用。本文具體論述小體積大力矩空心軸電機相比于其他傳統電機在醫療器械行業的優點，并且對空心軸電機在醫療器械行業的產業化做出分析。

關鍵詞：醫療器械，空心軸電機，小體積大力矩

引言

隨著科學技術的發展，電機在人們的生活中起到越來越大的作用。從十九世紀電機產生以來，經過兩百多年的不斷發展，已經從過去單一的結構發展成了包含直流電機、交流電機、步進電機等一系列復雜結構。電機也越來越多的進入醫療器械行業，中國作為世界上第一人口大國，醫療服務與民生緊密相關，提升醫療器械功能和效率是關系民生工作的重點解決方法。本論文從電機的角度論述小體積大力矩空心軸電機如何應用于提升醫療器械的功能和效率。

一、醫療器械行業的發展

醫療器械是指醫療上直接或者間接作用于人體的儀器、設備、器具、體外診斷試劑及校準物、材料以及其他類似或者相關的物品，包括所需要的計算機軟件。

目的是通過對來自人體的樣本進行檢查，為醫療或者診斷目的提供信息。醫療器械作為醫藥行業的一個重要組成部分，對于消費者來說，醫療機構中醫療機械的配置情況是僅次于醫師配備的用來評判醫療機構的標準。

醫療器械行業涉及到醫藥、機械、電子、塑料等多個行業，是一個多學科交叉、知識密集、資金密集的高技術產業。而高新技術醫療設備的基本特征是數字化和計算機化，是多學科、跨領域的現代高技術的結晶，其產品技術含量高，利潤高，因而是各科技大國，國際大型公司相互競爭的制高點，進入門檻較高。即使是在行業整體毛利率較低、投入也不高的子行業也會不斷有技術含量較高的產品出現，并從中孕育出一些具有較強盈利能力的企業。因此行業總體趨勢是高投入、高收益。

隨著改革開放的深入，國家支持力度的不斷加大以及全球一體化進程的加快，中國醫療器械行業更是得到了突飛猛進的發展。《中國醫療器械行業市場前瞻與投資預測分析報告 前瞻 [1]? 》顯示，2005年，中國已成為僅次于美國和日本的世界第三大醫療器械市場。

二、空心軸電機的發展歷程和前景

電機是基于電磁原理發明的電生磁后相對于固定磁場做功的裝置，隨著在各個領域的運用，電機產生了直流電機、交流電機、步進電機等一系列種類，其中直流電機、交流電機還分有有刷和無刷之分。空心軸電機作為一個比較新型的電機結構在生活中有了越來越大的運用。

空心軸電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，其原如模型起源于1830年至1860年間，1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應用于氬弧燈的電極輸送機構中，這被認為是最初的空心軸電機，20世紀60年代后期，在空心軸電機本體方面隨著永磁材料的發展，各種實用性步進電機應運而生，而半導體技術的發展則推進了步進電機在眾多領域的應用。在近30年間，空心軸電機迅速地發燕并成熟起來。從發展趨向來講，空心軸電機已經能與直流電機、異步電機、以及同步電機并列，從而成為電機的一種基本類型。

我國空心軸電機的研究及制造起始于本世紀50年代后期，從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構為研究一些裝置而使用或開發少量產品，這些產品以多段結構三相反應式空心軸電機為主，70年代初期，空心軸電機的生產和研究有所突破。除反映在驅動器設計方面的長足進步外，對反應式步進電機本體的設計研究發展到一個較高水平，70年代中期至80年年代中期為成品發展階段，新品種高性能電機不斷被開發，自80年代中期以來，由于對步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式空心軸電機及驅動器作為產品廣泛利用。

空心軸電機的主要技術特征：電機軸為空心金屬管，并在其空心金屬管內臂上裝有葉輪，葉輪采用焊接的方法以及其他方法將其固定在管軸內壁軸承處。空心軸電機主要分為無精度要求空心軸電機和有精度要求空心軸電機兩種。

無精度要求是指對于電機的空心出軸或者內孔的尺寸精度要求不高，其內孔主要被用于走線、透光或者通過空氣等其他媒介。空心軸電機這樣的設計極大的優化了機械設計、方便布線及節約了設計空間和生產成本。

有精度要求的空心軸步進電機，對于空心出軸或者說是內孔孔徑及螺紋的精度有著很高的要求，主要是因為這樣的空心軸電機大多是定制，用來滿足使用第三方梯形絲杠或者滾珠絲杠的需求的。這樣的空心軸對于內孔孔徑及螺紋的精度要求比普通的貫通式絲桿電機要求還要高。

空心軸電機在用途上有廣闊的領域，優點是：減少體積、減輕重量、降低噪音，一體多用，降低成本，制造簡單，使用方便。

三、醫療器械中電機的使用選擇

中國自改革開放以后，人民生活水平不斷提高，老百姓健康意識的不斷提高，人們自我保健意識增強，醫藥行業對于器械的要求日益增加，落后的醫療器械成為了制約中國醫藥行業發展的一個難題，新醫改政策對醫療器械給予了足夠的重視。整個醫療器械產業市場發展迅速，利潤總額增長遠高于醫藥行業的平均水平。中國作為世界上一個人口大國，醫療服務與民生緊密相關，是民生工作的重點解決對策。醫療器械作為醫療行業的主導，對其電機的標準越來越高。

在醫療器械生產工作的人應該知道，醫療器材的加工精度都是很精準，且至關重要的，所以為了提高效率和產品的精準度，醫療用電機的電機就很重要。也正是因為這樣，醫療用的電機現在是非常的普遍的，也在不斷的改進和應用。在醫療器械使用電機選擇時考慮空心軸電機和實心軸電機，下邊是對兩種電機的對比：

1.體積小、力矩大

在材料相同、截面積相等的情況下，空心軸比實心軸的抗扭能力強，能夠承受較大的外力矩;而在相同的外力矩情況下，選用空心軸要比實心軸省材料。這從圓截面的應力分布也可以看出，實心軸圓周上的最大剪應力接近于許用剪應力時，中間部分剪應力還與許用剪應力相差很遠，中間的材料大部分沒有充分發揮的作用。所以空心軸電機因其體積小、力矩大、噪音小、反應靈敏、運行迅速的特點在醫療器械方面的應用比傳統電機大的多。

2.安全、衛生

實心軸有刷直流電機不能高溫高壓消毒，不符合衛生部關于接觸人體的醫療器械都必須高溫高壓消毒，以防止交叉感染的要求。實用新型提供一種為動力系統的空心軸無刷電機，以克服現有技術使用不便且衛生可靠性差的特點。如一種涉及微動力系統用的空心軸無刷電機。在進行鼻手術時需使用鼻鉆，用于切除息肉或其他病變體，這種鼻鉆有一特制刀具，用于切削用，還有一根帶噴咀的水管，和一根吸收回水的管。空心軸電機就可以直接將幾根管子通過電機軸插入鼻腔，使用方便。

空心軸電機是沿電機軸的中心軸線延展方向開設有貫穿腔室，在電機軸的外表面的水平左右兩側分別設有電機邊蓋、碟剎端蓋。在電機邊蓋的外端邊緣與碟剎端蓋的外端邊緣之間設有輪轂安裝支架，且電機邊蓋、碟剎端蓋、輪轂安裝支架以及電機軸的外表面合圍成環形安裝腔室，環形安裝腔室內設有外轉子、定子，在電機軸上開設有與環形安裝腔室相連通的出線端口。空心軸電機結構簡單，在常規無刷電機的結構基礎上進行改進，采用類似于空心軸的設計，將引出線由空心軸的內部穿出，避免傳統電機影響實心軸結構強度的缺陷，同時也具有優異的散熱性能，能夠直接通過空心軸的內腔進行風冷，也巧妙的也預留出了油冷、水冷等安裝位置。

四、空心軸電機在醫療器械中遇到的技術難題

研發醫療器械用小體積大力距空心軸電機，基礎是根據機械強度的要求及電機制造的要求，選用一定厚度、規格、品種的厚鋼板滾圓成一定的 直徑并焊接拼縫即可，這種結構的中空軸，與同直徑的實心軸相比，體積小，結構牢度和強度好，承受重負荷能力強。

還需解決的重大技術問題有以下兩方面：

問題一：空心軸電機對焊接的技術要求很高，由于轉子的驅動及受力均須由焊縫來承擔，因此要求焊接時空心軸圓簡與實心軸間的焊接性能要匹配，且在焊接過程中還要防止焊接變形和虛焊或夾雜。因此焊接時要求采用誤差極小的工藝步驟，以避免焊接變形。焊好后要仔細去渣、清理及檢查有否氣孔裂縫等缺陷。手工焊底結束后，工件必須加熱到300℃左右，然后再將工件臥放于臥式轉臺上進行自動埋弧焊，焊接時須不斷的旋轉、去渣、檢查，待全部焊接結束后，還須采用超聲波探傷檢查，確認合格方能進行回火，以消除焊接應力及變形。

問題二：空心軸電機中錐形超級把合螺栓連接的方式則是將螺栓及銷子的優點柔合在一起。首先，它設計有帶錐度的雙頭螺桿并在其錐度面上加工有便于液壓裝拆的螺旋溝槽，然后再設計在雙頭螺桿上套帶有內錐度的彈性鋼質套筒，這種結構特點本身就保證了它與中空軸和連接法蘭螺栓孔有良好的配合。把合時只須先用油壓拉伸器拉動雙頭螺桿，使套筒與法蘭孔脹緊，起到了銷子作用，待螺母旋緊后再次拉動雙頭螺栓，使其產生了彈性變形再旋緊螺母，這樣螺桿的彈性恢復力即是螺栓的預緊力。預緊力除了能克服由轉子自重產生彎矩引起的螺栓拉力之外，由預緊力產生的靜摩擦力與螺桿、套簡所能承受的許用剪應力之和還能克服最大轉矩（或最大機械沖擊力矩）。

本課題研究完成后，可以競爭醫療器械的高端市場，打破國外巨頭壟斷，引領行業向更自動化、高端化發展。實現設備國產化，同時為環境保護、資源利用提供支持。在設計上出現的新變化將會為醫療器械生產企業帶來商機，同時也將刺激很多醫療機械生產企業開始調整自己的經營戰略，轉向精良定制化生產的模式更加自主，對行業發展和科技進步將起到長遠的促進作用。

五、簡述空心軸電機在醫療器械中的使用

本文列舉幾種空心軸電機在醫療器械中的具體使用：

1.骨鋸

無刷直流電機用于醫療器械制成手術時用的骨鋸，力大、切鋸速度快、噪音小、電磁干擾小。且可以配套充電電池，制作成為便攜產品，方便使用。

2.牙科電磨、電鉆

用于牙科醫療的電磨，電鉆的無刷直流電機，體積小、轉速快、噪音低、干擾小、經久耐用、使用方便。

3.鼻鉆

可以進行高溫高壓消毒，以防止交叉感染。空心軸電機還可以將手術需要使用的一些需要插入人體的管道通過電機空心軸插入人體。使用方便切衛生可靠。

醫療用電機的應用比較的寬泛，這個稱呼也是一個泛指，因為醫療用電機，也可以是用在醫療上需要的各種電機，什么醫療機器人電機，醫療專用電機，醫療設備電機，醫療電動推桿電機等等，這些都是屬于醫療用電機。

六、小體積大力矩空心軸電機在醫療器械中的產業化

在當今醫療科技發達，醫療器械是十分重要的，因為對醫療器械的要求是十分高的，其精度以及選材在到加工工藝、技術等等都是十分嚴厲的，在精度要求上需要能夠大大進步工作效率，一般來說醫療器械都會去首選選用精度比較高的伺服步進電機，伺服步進電機精度十分高關于那些醫療制造商來說是十分喜愛的。

很多年以來步進電機都是在醫療行業倍受大家喜愛的首選步進電機主要是能夠很好的操控成本，運用方便，工作效率也十分高，可是因為步進電機有必定的缺點，完全能夠調配一個帶有細分的步進驅動器這樣就能夠很好的處理了步進電機的缺點，時代在前進 步進驅動器生產廠家在不斷的更新自己的產品，能夠使自己的產品能夠在各行各業都能夠很好被運用，這讓步進驅動器與步進電機合作運用在醫療行業上能夠更準確，節能的同時還能夠進步工作效率。

步進驅動器+步進電機在醫療行業展示其穩定的功用以及強大的功用，不管是其功用還是創新力度全體價值等等都十分明顯的進步了因為稀土磁鐵的運用以及遍及使其扭矩也隨之添加，使其扭矩大于160%相同的外形相同的尺寸比較起10級年前大大進步，因為加工工藝的規劃步進驅動器與步進電機能夠做的越來越小了，可是功用越來越好了，小的步進電機比較老款步進電機完完全全消除了原有的噪音，振蕩等等。

空心軸電機和產品在我國迅速發展的主要驅動力有三個：環境壓力、政策驅動、及市場需求。

環境壓力：電機不僅使用在醫療、工業中，日常生活中也是無處不在，洗衣機、電風扇、吸塵器、電瓶車等，一部車上就有包括車窗玻璃升降電機、雨刷電機、發電機、空調換氣風扇電機等等。這些不僅推動社會加速發展，給人們的生活帶來很大的便利。但對環境的不良影響有噪音、振動等，還有電機生產制造過程中免不了要使用各種化學品，有很多對環境、人體有很大的危害。環境問題日益嚴峻，預示著我國未來對改善環境方面的研發刻不容緩。

政策驅動：國內醫療機械市場的快速增長離不開政策的支持。對醫療器械用的電機也更為關注。自2015年以來，中國就相繼發布了一系列重要政策文件來推動中國制造的轉型升級，而醫療領域作為重要的民生領域，對醫療機械研發生產的支持也一直是各大政策文件關注的重點。《中國2025重點技術路線圖》中提到要重點開發養老助殘、家政服務、社會公共服務等領域機械;重點開發醫療康復機械。十三五規劃綱要要求重點發展醫用機械等高性能診療設備，積極鼓勵國內醫療器械中電機的創新。

市場需求：2019年中國醫療機械市場規模達到86.8億美元，2014-2019年的平均增長率達到20.9%。其中，服務機械22億美元。2019我國醫療機械市場規模超6億美元，2020年預計達7.4億美元，到2021年將突破10億美元。醫療機械主要用于醫療衛生人員，集中在醫院、診所等地。截至2019年11月底，全國醫療衛生機構數達101.4萬個。與2018年11月底比較，全國醫療衛生機構增加9489個，其中：醫院增加1496個。截至2019年11月底，醫院3.4萬個，其中：公立醫院1.2萬個，民營醫院2.2萬個。醫療器械的使用離不開電機，空心軸電機的需求量也隨之增加。

可見，醫療器械用小體積大力距空心軸電機的發展市場潛力巨大。

結論

中國醫療器械行業伴隨著時代的發展，進入了一個快速進步的階段，隨著人民生活水平的不斷提高，醫療器械的 選用會越來越先進，其產品結構會不斷調整，功能更加多樣化，市場容量會不斷擴大。多種類大批量需求正不斷進入行業中，小體積大力矩空心軸電機在醫療器械行業中的發展迎來了廣闊的市場，為應對這場機遇小體積大力矩空心軸電機要不斷提高效率和功能，提高技術、降低成本，提高自己的核心競爭力。

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