医用手术动力装置高速微电机设计

发布时间：2017-09-30 01:16

  本文关键词：医用手术动力装置高速微电机设计

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【摘要】：医用手术动力装置是开展神经外科手术的必备医疗器械,功能主要包括钻、铣、磨等,综合性能良好的手术动力装置可以辅助医生高效、安全、快速、精准地完成神经外科手术。高速微电机作为医用手术动力装置的核心部件,必须具备高转速、低温升、可多次高温高压消毒等特点,对其设计制造提出了很高的技术要求。目前,国产手术动力装置大多采用进口的高速微电机,影响了国产手术动力装置的发展。本文对医用手术动力装置高速微电机进行了研究,采用磁路法和有限元相结合的设计方法,进行了高速微电机的电磁设计和结构设计,创新性地提出了一种基于微流路通道的辅助冷却系统。本文的主要工作包括:(1)采用等效磁路法进行了电机定、转子的电磁设计和结构设计,设计了一种用于手术动力装置高速微电机的辅助冷却系统,该系统由位于定子铁心的微流路冷却通道、外部冷却通道和外部冷却泵组成。利用ansoft rmxprt进行高速微电机的建模分析,得到高速微电机的设计表单和特性曲线。(2)利用有限元法分析了空载和负载条件下电机内部的磁场,得到电机的径向气隙磁密、磁链波形、反电动势、转矩、相电流、铁心损耗等性能曲线,分析了负载条件下电枢反应对电机内部磁场、磁链和反电动势的影响。仿真结果表明电机达到设计要求。(3)运用ansys workbench平台进行了高速微电机的温度场有限元分析,分析电机的温度场分布可知,电机内部温度最高仅为85℃,并且越靠近冷却通道温度越低,证明了辅助冷却系统的冷却效果。(4)绘制电机定子、转子和端盖的图纸并制作了一台电压24V转速50000rpm的样机,通过搭建的电机性能测试平台对性能进行了测试。利用反电动势法测试了样机的最大空载转速为54545rpm,与有限元分析结果之间误差为7%,验证了设计的合理性。本文提供的有槽无位置传感器高速微电机的设计方案,基本达到手术动力装置动力源电机的设计要求,具有一定的工程意义;提出的基于微流路通道冷却系统的设计方法,通过仿真计算表明有助于解决高速微电机长期负载工作时的发热问题。后续还需结合手术动力装置对高速电机的控制系统做进一步的研究。
【关键词】：医用电机 磁路法 电磁场 温度场
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH777
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 国内外现状及趋势10-14
• 1.2.1 国外现状10-11
• 1.2.2 国内现状11-13
• 1.2.3 发展趋势13-14
• 1.3 本课题研究意义14
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排14-17
• 2 高速永磁直流无刷电机设计17-51
• 2.1 手术动力装置高速微电机及运行原理17-21
• 2.1.1 手术动力装置高速微电机17-18
• 2.1.2 高速直流无刷电机结构及运行原理18-21
• 2.2 高速永磁直流无刷电机设计21-32
• 2.2.1 高速永磁直流无刷电机整体设计21-22
• 2.2.2 主要尺寸的确定22-23
• 2.2.3 定子设计23-26
• 2.2.4 转子设计26-30
• 2.2.5 辅助冷却系统设计30-32
• 2.3 等效磁路法进行磁路计算32-40
• 2.3.1 等效磁路法原理32-38
• 2.3.2 永磁无刷电机的磁路计算38-40
• 2.4 rmxprt建模分析40-50
• 2.4.1 rmxprt建模及分析结果40-44
• 2.4.2 参数化分析44-50
• 2.5 本章小结50-51
• 3 有限元电磁场分析51-69
• 3.1 有限元法原理51-53
• 3.2 有限元分析建模53-56
• 3.2.1 直流无刷电机结构模型53-54
• 3.2.2 直流无刷电机控制电路模型54-56
• 3.3 网格剖分及设置56-57
• 3.4 空载和负载有限元分析57-67
• 3.4.1 空载有限元分析58-62
• 3.4.2 负载有限元分析62-65
• 3.4.3 其他参数求解65-67
• 3.5 本章小结67-69
• 4 基于ansys进行电机温度场分析69-75
• 4.1 高速永磁电机损耗计算69-71
• 4.1.1 定子铁耗计算69-70
• 4.1.2 铜耗计算70
• 4.1.3 机械损耗的计算70-71
• 4.2 边界条件71-72
• 4.2.1 常见边界条件71
• 4.2.2 散热系数的确定71-72
• 4.3 高速永磁电机温升计算72-74
• 4.3.1 有限元分析模型及网格划分72-73
• 4.3.2 温升计算73-74
• 4.4 本章小结74-75
• 5 样机加工及性能测试75-83
• 5.1 电机结构型式及加工75-80
• 5.1.1 电机总体结构型式75-76
• 5.1.2 零部件设计加工76-79
• 5.1.3 样机制作79-80
• 5.2 高速永磁电机性能测试80-82
• 5.2.1 电机控制平台搭建80-81
• 5.2.2 性能测试81-82
• 5.3 本章小结82-83
• 6 结论与展望83-85
• 6.1 论文完成的主要研究工作83-84
• 6.2 进一步研究的方向84-85
• 致谢85-87
• 参考文献87-91
• 附录91
• A.攻读硕士学位期间发表的论文成果91
• B.攻读硕士学位期间申请的专利成果91

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