用于医疗设备的音圈驱动技术

作者：JIM McNAMARA高级应用工程师BEI Kimco

与需要运动控制的绝大多数系统相比，医疗设备通常更小更轻，这仅仅是因为它们通常是手持或举起的便携式/移动系统。例如，医生使用类似于牙科工具的小型手持设备进行皮肤磨损。因此，在可能的情况下，必须选择医疗设备所需的内部组件，以提供最小的整体设备占用空间。

音圈致动器 (VCA) 技术非常适合医疗设计；然而，尽管 VCA 具有理想的性能特征，但许多人并不熟悉这种运动控制解决方案，因此经常被忽视。VCA 最初用于音频扬声器，作为一种快速移动隔膜以产生气压波或声音的方法，此后，VCA 已被用于许多其他应用中，以提供精确的线性或旋转运动，同时还提供其他理想属性，例如低滞后、无齿槽或止动，加速度和力高，使用寿命长。

在设计需要线性或旋转运动控制的小型、便携/移动医疗设备时，基本上有三种选择：VCA、螺线管和带丝杠的电机。表 1 比较了工程师在为便携式/移动医疗应用选择执行器时需要考虑的关键属性。

音圈致动器是非常可控、可重复和可预测的，具有低滞后。VCA 的迟滞可低至 10 mN，而步进电机执行器等其他设备的迟滞为 200 mN 或更高。与使用步进作为滞后测量的步进电机的执行器相比，VCA 是单相直接驱动设备，因此不存在这个问题。这允许 VCA 与开环或闭环控制算法一起使用。与螺线管相比，VCA 在两个方向上都是可控的，而不仅仅是通电或不通电。在接下来的部分中，我们将主要检查与 VCA 相关的执行器属性。  

尺寸、重量和热量今天，用于便携式/移动医疗设备的大多数执行器的直径只有大约 1.5 英寸或更小，重量仅为 1 磅或更小。在许多情况下，VCA 可以做得比其他运动控制设备更小，以减轻重量并适合紧凑的组件。然而，较小的致动器尺寸通常会减少散热，从而导致可能的过热。这就是为什么在考虑尺寸与热量之间的权衡时，重要的是要了解执行器的热特性和集成它的系统。底线权衡只是较小意味着更热，而更大意味着更冷。

内部热温度是需要考虑的重要因素，尤其是如果 VCA 将直接用于患者。致动器线圈的位置是产生多少热量的关键区别。动磁式（相对于动圈式）VCA 凭借其固定线圈设计（图 1）非常适合散热。

图 1：动磁式音圈致动器（左）保持线圈固定，与动圈式致动器（右）相比，线圈组件产生的热量可以轻松管理。

动磁致动器允许磁体移动并保持线圈固定，从而更容易管理线圈组件产生的热量；由于线圈位于动磁致动器的外部，因此产生的热量也在外部。因此，该致动器提供了良好的热路径和更好的散热。然而，另一个权衡是增加移动质量和降低加速度。  

安全性 在许多医疗应用中，磁性闩锁和弹簧用于使 VCA 在未通电时保持在“原位”位置。换言之，即使没有通电时产生的热量，执行器功能也能保持。此安全功能可以防止潜在的过热导致其烧毁、太热而无法保持或影响执行器附近对温度敏感的其他物体。

另一个重要的安全特性可以通过呼吸机阀门的例子来说明。在这里，如果电源关闭，阀门可以保持打开状态，让患者继续自己呼吸。

不考虑安全问题，磁性闩锁和弹簧还可以通过消除对外部弹簧或其他类型的控制/安全功能的需求来减小医疗设备的整体尺寸。

力/扭矩和冲程然而，要利用这一优势，首先必须确保 VCA 力的能力可以克服所使用的闩锁或弹簧的力（见图2）。必须设计控制方案，使其不会无意中超速驱动 VCA，因为 VCA 只会执行被告知的操作。这意味着必须正确配置 VCA 以保护可能连接到的敏感硬件免受损坏。  

图 2：当考虑在执行器上使用磁性闩锁和弹簧时，重要的是要确保执行器能够克服所使用的闩锁或弹簧的力。上图显示了给定执行器本身的能力与其具有内置磁性闩锁（上图）或磁性弹簧（下图）时的性能相比。

VCA 以相对于其尺寸具有较高的力/扭矩而闻名。音圈产生的力/扭矩可用于位置控制或产生加速度。这是确定所需执行器尺寸的起点。

行程是 VCA 需要为给定应用程序移动多远，是确定 VCA 大小的另一个关键因素。在医疗应用中，行程可能小至 0.25 至 0.5 英寸，而其他工业应用的行程范围为 0.5 至 2 英寸。VCA 没有最小行程限制；但是，它们的行程能力可能会受到内置或外部位置传感器的分辨率的限制。  

速度和位置精度VCA 可以实现非常高的速度，这种能力是它们胜过其他运动控制设备的地方。高速还有助于实现高加速度和振荡频率。VCA 的典型峰值速度为 3.3 m/s。

对于医疗设计师来说，了解执行器在位置精度、速度和加速度方面的需求，以选择正确的执行器或进行定制非常重要。执行器是一种模拟设备，因此它具有无限的精度能力。它的精度仅受命令它的传感器（或控制器）的限制，无论它是单独的还是实际内置在执行器本身中。  

生物相容性一些医疗应用要求致动器中的材料具有生物相容性，以防与患者接触。在这些情况下，制造商必须向客户披露所有执行器材料，以获得 FDA 批准。

可以专门构建 VCA 以满足这些要求。虽然标准 VCA 通常与许多化学品、反应流体或低释气要求不兼容，但定制工程可以使 VCA 适应各种 IP 等级和/或具有低释气材料的结构。

有壳和无壳执行器提供执行器外壳并不是唯一的，但无壳执行器有助于将其集成到组件中。无外壳执行器也更便宜，最终可能更小，但它们确实需要设计工程师构建机械结构以保持所需的磁场和线圈同心度。对于设计工程师来说，封闭式执行器更加方便和交钥匙。

作为未封装的设备，VCA 没有摩擦或磨损。这意味着设计具有 VCA 的产品的工程师可以选择或设计磁场和线圈支撑系统，以满足他自己的摩擦和磨损要求。工程师通常会设计自己的支持系统，因为封装的 VCA 不适用于其独特的应用。 

功率确保有足够的功率来满足性能要求非常重要。VCA 的规格通常显示力/扭矩、电流和功率的峰值和连续额定值，通常适用于 5 至 300 V 的直流电压。在医疗用途中，相当典型的 VCA峰值为 232 W ，连续功率约为 50 W（通常额定在 12 和 48 V 之间）。  

功能和限制VCA 可以设计为满足医疗应用（例如手机、呼吸机和其他精密医疗器械）的尺寸和性能要求。（参见边栏，“医疗 VCA 示例”。）力和行程要求是 VCA 是否适用于给定医疗应用的决定因素。在需要较长生命周期的应用中（如大多数医疗要求），选择 VCA 是因为其他设备的机械齿轮不能持久。价格也可能是一个因素，因为 VCA 通常比其他解决方案更昂贵。然而，它们的长寿命、速度和其他优势往往超过价格因素。

审核编辑 黄昊宇