在一次性工具中刷DC与无刷直流电动机

由于其成本和卫生效益，一次性医疗手动工具的使用正在增加。设计这些工具的工程师通常指定有刷直流或无刷直流电机。这里我们比较这两个选项。

手术电动工具工程的早期步骤是确定设计是否是一次性或可重复使用的。最近的组件设计和制造前进已呈现许多用于复杂手术的单用电动工具设计，这是一种经济高效的选择。这更加明显（或重要），而不是当今的刷子直流和无刷直流（BLDC）电机，这些电机都具有较低的价格点和更高的性能而不是过去。

可重复使用和一次性手术工具通常具有相同的电机性能要求。然而，它们的设计寿命和成本要求有很大的不同。可重复使用的工具必须经常能维持数百甚至数千个手术-所以必须集成优质组件。相比之下，一次性工具中的组件只需要用于一次手术，这就需要这些组件以具有竞争力的价格大量供应。

一次性外科手术工具（例如手术订书机）的日益普及促使对更高性能刷直流电机的需求更多。这些更适合于BLDC电机，其中成本效益是顶级设计目标。

可重复使用的工具无刷直流电机 - 用于一次性的刷子直流电机

尽管适用于一次性电动工具可能太昂贵，但BLDC电机提供顶级可靠性 - 因此是可重复使用的电动工具中最常见的电机类型。无刷电机能够在长期设计的生活中速度高达100,000 rpm。免费的BLDC换向（通常通过磁厅传感器或带无刷电机控制器的无传感器驱动）将所有机械磨损限制为电动机轴支撑轴承的机械磨损......因此，具有精密轴承，这些电机可以在高转速上运行（在一些情况）数百或数千个手术。

这里显示的是Portescap Ultra EC 35CS无角色无刷电机的剖视图。转子上的磁铁（灰色）是精确的平衡;控制电子换向（绿色）的PCB嵌入电机外壳内。

相比之下，直流电机刷（无论是石墨还是贵金属）物理地接触转子的换向器，随着时间的推移磨损。这意味着这些刷子是刷直流电机寿命的主要限制器 - 速度较高，加速磨损。在一次性工具中可以接受，甚至有些需要高RPM ......尽管最终，电机的适用性大量取决于工具的占空比和精确的速度要求。

根据准确的设计和材料，电刷直流电机的性能也有所不同。例如，某些无芯电刷直流电动机具有较低的惯性，以获得比不同结构的同类电机更高的加速度和效率性能。回想一下Portescap上的一篇文章最低价格的刷子电机具有铁芯......但无芯电机的转子具有仅由线圈和轴组成的转子。除了上述益处之外，这些无芯电机还消除了延伸的扭矩（齿槽扭矩），即使在慢速速度下也能够平稳地转动。尚未奇迹刷直流电机在一次性电动工具中寻找增加使用。

这里显示的是来自Portescap的无缝电机的分解切割。注意（用铜）无氧转子线圈绕组。还请注意安装在黑色电机端盖上的刷子（在平坦的弹簧上）（此图中最右边的子组件）。Portescap用套筒或球轴承销售该电动机，用于输出轴支撑。

电机供电工具成本分析示例

一旦满足了性能要求，成本通常是第二个最关键的设计考虑因素。我们已经介绍了带无刷直流电机结构的电机是如何相对昂贵的……事实上，它们所需要的控制器(用于换向)和嵌入式电子设备(用于跟踪转子位置)进一步增加了整个系统的成本。这些子组件(连同优质轴承、动态轴密封或高档磁铁)的额外成本可以在应用要求最高性能的地方得到证明，但通常不适用于一次性工具。

相比之下，基于电刷换向的直流电动机只需要一种成本效益高的PWM电路来进行速度控制……电机结构的进步使得性能得到了前所未有的提高，而成本的增加却可以忽略不计。这使得今天更先进的电刷直流电机特别适合于短寿命的手术工具。

一次性手术工具，如这种动脉疾病工具，完全消除了感染的风险，因为不充分的消毒。

有关各种工具选项的平均成本分析，请参阅本文附带的图表。这些不考虑高端可重复使用的工具通常如何提供卓越的性能和额外功能。这些因素可以根据BLDC电机制造工具，即使达到盈亏平衡手术数量也是外科医生和患者的最佳设计选择。然而，分析也不会考虑灭菌过程的一种不可预测的成本 - 从不充分的灭菌可重复使用工具中感染的潜在风险。强制灭菌方法和工具设计功能肯定可以促进适当可靠的灭菌，并且灭菌已被证明是安全有效的。然而，手术之间的工具灭菌不足是外科工具设计工程师也应考虑的风险。可通过工具OEM灭菌和包装一次性工具，这种方法可以为某些应用和医院系统提高患者安全性。

用一次性工具，单个手术产生的成本包括该工具的全部购买价格。通过可重复使用的外科手术工具，一小部分购买价格为每种程序摊销......尽管重新灭菌的成本，这些电动工具的成本会引发额外的成本，应以每次手术成本评估考虑。

案例分明：考虑一台研发团队在医疗器械公司开发的新设计。这是一种手持式外科电动工具，如果在程序期间停止工作，可能会引起严重的并发症。工程师喜欢一次性工具，但是可重复使用的工具可能是可接受的。电池供电的设备要求电机高效（或更好），并在1.5 A（最大值）下耗尽6至9V。电机（不超过Ø17mm）必须以15,000rpm递送5mnm（连续）。该程序是成本敏感的，因此电机不能贡献超过每种手术的成本超过20美元。

工程师首先与电机供应商接触，提供刷直流和无刷直流电机，以及在外科动力工具市场的广泛经验。供应商建议电机为Ø17 mm或更小，并与设计的性能和功率要求最佳匹配:

	刷直流电机	无刷直流电动机
包	Ø 17mm•26mm长	Ø13mm•长47毫米
最大连续扭矩（MNM）	5.7 mNm	9毫林
最大推荐速度（rpm）	10,000 rpm.	100,000 rpm.
控制器	脉宽调制	BLDC控制器，带霍尔传感器
需要电压	7 V.	9 V.
当前的画	1.4	1.2
输出功率	9.8 W.	10.8 W.
工作点效率	80％	72％
价格价格	＄15	160美元

两种电机均满足5 mNm的扭矩要求，但直流有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——尽管不足以成为一个单一的外科手术。更大的问题是15000转的转速要求，这比有刷直流电机的最高转速要高。虽然单一手术可以接受，但它增加了手术失败的风险。电机的成本很低，每次使用后都可以扔掉。

该无刷直流电机可以很容易地满足速度和扭矩的要求，并可以继续做许多手术。效率还没有达到80%的目标，价格也远高于20美元，所以要想让无刷直流电机可行，至少需要在八次手术中使用。

该应用规定了哪种电机技术最适合。设计手术设备的工程师通过提供外科设计专业知识和各种BLDC和刷子直流电机的供应商在设计过程中合作，可以做得好。

简而言之，设计约束迫使设计工程师在基于电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。可重复使用的电刷直流电机是不可行的(因为如果在不止一次手术中使用，失败的风险是不可接受的)，而且成本也排除了一次性无刷直流电机模型。

昂贵的可重用工具（可能使用较高的执行BLDC电机而不是低成本的刷子DC）将需要在更多的手术中使用，以比一次性工具更便宜。灭菌成本也增加了打破所需的程序数量 - 如此之多，因此无论手术的数量都是优选的。

顶部设计问题然后变为：刷子直流电动机在其第一次手术中的潜在失效（由于高rpm）可接受？如果没有，则工程师可以减少速度要求 - 并构建较低性能的工具。其他选项是构建可重用的工具并接受其较低效率。它们还必须设计剩下的工具可被灭菌，需要他们的最终用户对使用之间的工具进行消毒 - 两个因素增加每个手术的总成本。⚙️portescap |www.portescap.com.