一次性医疗手工工具由于成本和卫生效益而导致使用增加。设计这些工具的工程师通常指定刷子直流或无刷直流电机。在这里，我们比较这两个选项。
通过外科电动工具工程的早期步骤是确定设计是一次性的还是可重复使用的。最近的部件设计和制造进步使得许多用于复杂手术的一次性电动工具设计成为一种经济高效的选择。这一点在当今的有刷直流和无刷直流（BLDC）电机中最为明显（或重要），这两种电机都比过去具有更低的价位和更高的性能。
可重复使用和一次性手术工具通常具有同等的运动性能要求。然而，它们的设计寿命和成本要求大不相同。可重复使用的工具通常必须持续数百甚至数千次手术，因此必须集成高级组件。相比之下，一次性工具中的组件只需进行一次手术，这就要求这些组件能够大量供应，并且价格具有竞争力。
一次性外科电动工具（如外科订书机）的日益普及，促使人们对更高性能的刷式直流电机提出了更高的要求。这些电机比无刷直流电机更合适，在无刷直流电机中，成本效益是最高的设计目标。
可重复使用的工具用无刷直流电机-一次性使用的有刷直流电机
尽管对于一次性电动工具来说，无刷直流电机的成本可能太高，但它的可靠性极高，因此是可重复使用电动工具中最常见的电机类型。无刷电机能够在较长的设计寿命内达到100000 rpm的转速。无触点无刷直流换向（通常通过磁性霍尔传感器或带有无刷电机控制器的无传感器驱动器）将所有机械磨损限制在电机轴支撑轴承的磨损范围内……因此，使用精密轴承，这些电机可以在数百或数千次手术中以高转速运行。
这里显示的是Portescap Ultra EC 35ECS无槽无刷电机的剖面图。转子上的磁铁(灰色)精密平衡;控制电子换向(绿色)的PCB嵌在电机外壳内。
相反，直流电机电刷（无论是石墨还是贵金属）与转子的换向器发生物理接触，因此会随着时间的推移而磨损。这意味着这些电刷是电刷直流电机寿命的主要限制器，速度越高，磨损越快。这在一次性工具中是可以接受的，即使有些工具需要高转速……尽管最终电机的适用性在很大程度上取决于工具的占空比和精确的速度要求。
根据具体的设计和材料，电刷直流电机的性能也会有所不同。例如，与不同结构的类似电机相比，某些无芯电刷直流电机具有更低的惯性，从而在加速度和效率方面具有更高的性能。召回《设计世界》上的前一篇Portescap文章大多数低成本的刷式电机都有一个铁芯，但是没有铁芯的电机只有一个线圈和轴组成的转子。除了上述的好处，这些无芯电机也消除制动扭矩(齿槽扭矩)平稳旋转，即使在低速。难怪这种类型的电刷直流电机在一次性电动工具中得到越来越多的使用。
此处显示的是Portescap无槽电机的爆炸切口。注意（铜制）无铁转子线圈绕组。还要注意安装在黑色电机端盖（本图中最右侧的子部件）上的碳刷（在扁弹簧上）。Portescap销售此电机，其输出轴支架带有套筒或滚珠轴承。
电动工具成本分析实例
一旦满足性能要求，成本通常是下一个最关键的设计考虑因素。我们已经介绍了无刷直流电机是如何相对昂贵的……事实上，它们所需的控制器（用于换向）和嵌入式电子设备（用于跟踪转子位置）进一步增加了总体系统成本。这些子组件（以及优质轴承、动态轴封或高级磁铁）的额外成本可以在应用要求最高性能的情况下合理，但通常不适用于一次性工具。
相比之下，直流电机及其基于电刷的换向只需要一个成本效益高的PWM电路来进行速度控制……而电机结构的进步使得性能得到了前所未有的提高，而成本的增加却微乎其微。这使得当今更先进的刷式直流电机特别适合使用寿命较短的外科工具。
一次性手术工具，如这种动脉疾病工具，完全消除了由于消毒不足而感染的风险。
请参阅本文附带的图表，了解各种工具选项的平均成本分析。这并没有考虑到高端可重用工具通常如何提供卓越的性能和额外的功能。这些因素可能使基于无刷直流电机的工具成为外科医生和患者的最佳设计选择，即使不能达到收支平衡的手术数量。然而，这些分析也没有考虑到消毒过程中一个不可预测的成本——未充分消毒的可重复使用的工具造成感染的潜在风险。严格的灭菌方法和工具设计特点，一定能促进正确可靠的灭菌，且灭菌已被证明是安全有效的。然而，手术之间的工具消毒不足也是手术工具设计工程师应该考虑的风险。一次性工具可以由工具OEM进行消毒和包装，这种方法提高了某些应用程序和医院系统的患者安全。
对于一次性工具，单次手术产生的成本包括工具的全部购买价格。对于可重复使用的手术工具，购买价格的一小部分将在每次手术中摊销……尽管重新消毒这些电动工具的成本会产生额外的成本，应在每次手术成本评估中予以考虑。
一个例子：考虑一个新的设计正在开发的研发团队在医疗器械公司。这是一种手持式外科电动工具，如果在手术过程中停止工作，可能会导致严重并发症。工程师们更喜欢一次性工具，但可以接受可重复使用的工具。电池供电设备要求电机的效率为80%（或更高），并在1.5 A（最大）下运行6至9 V。电机（不超过Ø17 mm）必须以15000 rpm的转速输出5 mNm（连续）。该手术对成本敏感，因此每次手术的费用不得超过20美元。
工程师们首先与一家电机供应商接洽，该供应商提供刷式直流和无刷直流电机，并在外科电动工具市场拥有丰富的经验。供应商建议采用17 mm或更小的电机，并最好匹配设计的性能和功率要求：
| 刷直流电机 | 无刷直流电动机 | |
| 包裹 | Ø17mm•26 mm长 | Ø13mm•47mm长 |
| 最大连续转矩(mNm) | 5.7锰.. | 9百万 |
| 最大推荐转速(rpm) | 10000转 | 100000转/分 |
| 控制器 | 脉宽调制 | 带霍尔传感器的无刷直流控制器 |
| 电压要求 | 7 V | 9 V |
| 电流消耗 | 1.4 A | 1.2A |
| 输出功率 | 9.8 W | 10.8 W |
| 工作点效率 | 80％ | 72％ |
| 示例价格 | $15 | ＄160 |
两台电机均满足5 mNm扭矩要求，但直流电刷电机的最大连续扭矩额定值仅略高于5.7 mNm。这减少了运动寿命——虽然不足以成为单一外科手术的关注点。更大的问题是15000转/分的速度要求，这高于刷直流电机的最高速度。虽然单次手术可能可以接受，但它增加了手术失败的风险。这种电动机的成本很低，每次使用后都可以扔掉。
无刷直流电机可以很容易地满足速度和扭矩要求，并且可以在许多手术中继续这样做。效率没有达到80%的目标，而且价格远高于20美元……因此，无刷直流电机要可行，至少需要在8个手术中使用。
应用决定了哪种电机技术最合适。设计外科设备的工程师可以在设计过程的早期与提供外科设计专业知识和各种无刷直流电机和刷直流电机的供应商进行合作。
简而言之，设计约束迫使设计工程师在基于刷直流电机的一次性工具和基于无刷直流电机的可重用模型之间进行选择。可重复使用的刷式直流电机是不可行的（因为如果在一次以上的手术中使用，故障风险是不可接受的），并且成本排除了一次性无刷直流电机模型。
一种更昂贵的可重复使用的工具(可能使用性能更高的无刷直流电机而不是低成本的直流刷)将需要在更多的手术中使用，以比一次性工具更便宜。绝育费用也增加了需要进行的手术数量，以至于在某些情况下，无论手术数量如何，一次性工具都是更好的选择。
设计的首要问题是：刷式直流电机在第一次手术中的潜在故障（由于高转速）是否可以接受？如果没有，那么工程师可以降低速度要求，并构建性能较低的工具。另一种选择是构建可重用工具并接受其较低的效率。他们还必须设计可消毒的工具的其余部分，并需要最终用户在使用之间对工具进行消毒——这两个因素增加了每次手术的总成本。⚙️Portescap|www.portescap.com
设计工程师应符合Myriad Motor技术的电机供应商，以彻底和准确地评估刷子直流和BLDC电机性能和成本权衡。
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根据以下文件提交：运动控制提示，汽车•直流，电机•伺服
