解密呼吸机音圈电机音圈马达原理与结构设计

在现代临床医学中，医用呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。

医用呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭，减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。呼吸机通常具备四个基本功能，即向肺充气、吸气向呼气转换，排出肺泡气以及呼气向吸气转换，依次循环往复。因此得有：⑴能提供输送气体的动力，代替人体呼吸肌的工作；⑵能产生固定的呼吸节律，包括呼吸频率和吸呼比，以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能；⑶能提供合适的潮气量（VT）或分钟通气量（MV），以满足呼吸代谢的需要；⑷供给的气体倾向经过加温和湿化，代替人体鼻腔功能，并能供给高于大气中所含的O2量，以提高吸入O2浓度，优化氧合；

医用呼吸机属于知识密集型高技术行业，呼吸机用的组件多为业内通用的标准件，通气控制精度、人机同步好不好，靠得就是厂家自身的软硬件技术实力。这也是我国厂商相对薄弱的环节。虽然国外厂商掌握了大量核心技术专利，但经过这几年不断摸索和发展国内企业在智能设计、通气、降噪等核心技术方面研发水平有了很大提高，高端医用呼吸机自主创新能力也进步明显；

呼吸机技术由硬件和软件组成，核心硬件包括压力驱动系统、患者回路、过滤器和阀门等，其中的关键零部件包括流量传感器、芯片、音圈电机、涡轮风机等:因为直线音圈电机具备结构简单，响应快，运行平稳，噪音低，可靠性高等特性，被用来主动驱动呼吸机气缸阀实现高频往返运动从而实现呼吸机的基本功能；

目前国内呼吸机生产企业，其关键部件音圈电机一直依赖进口，主要如美国，英国等，受疫情影响，音圈电机供货无法满足市场需求，这方面也导致呼吸机无法快速大量生产供应，无法尽快挽救重病病人生命；

国产替代进口势在必行，定制生产呼吸机直线音圈电机已经不是单纯生产硬件简单的事情，这需要从整个系统要求出发去生产定制；

开发一款合适的医用精密直线音圈电机，从系统要求来看，需要重点考虑如下需求：音圈电机结构，动力性能，音圈电机响应时间，摩擦力，迟滞力，噪音，可靠性，音圈电机原材料，音圈电机生产工艺；

根据系统要求，我们定制生产精密轴式滚珠轴承动圈圆柱音圈电机；

因为：

1，结构简单，体积小;

2，动子质量轻，高速，高加速，高响应;

3，高频率，高频响应性快；

4，零磁滞，零磁槽效应，低阻尼。

根据呼吸机系统要求，通过仿真模拟，音圈电机最大推力5N~6N左右，有效工作行程7mm；采用独特的音圈电机结构设计，电机推力曲线呈现线性结构。

考虑运动导向摩擦力及迟滞力的影响，以及可靠性，采取定制独特的设计直线滚珠轴承系统并经过不断优化测试评估，使呼吸机输出气压均衡，平稳。

呼吸机音圈电机基于磁学原理，电子学原理，机械系统原理进行定制生产的；音圈电机的工作原理是依据安培力原理,即通电导体放在磁场中,就会产生力F,力的大小取决于磁场强弱B,电流I,以及磁场和电流的方向(见图1).如果共有长度为L的N根导线放在磁场中,则作用在导线上的力可表示为F=kBLIN,(1)式中k为常数；

音圈电机是单相两极装置.给线圈施加电压则在线圈里产生电流,进而在线圈上产生与电流成比例的力,使线圈在气隙内沿轴向运动.通过线圈的电流方向决定其运动方向.当线圈在磁场内运动时,会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势).驱动音圈电机的电源得提供足够的电流满足输出力的需要,且要克服线圈在峰值运动速度下产生的感应电动势,以及通过线圈的漏感压降；

音圈电机由磁体和线圈组成的零部件,线圈与磁体之间的小气隙通常是(0.5～5)mm,根据需要此气隙可以增大,只是需要确定引导系统允许的运动范围,同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞，基于上述原理生产定制音圈电机；

音圈电机直线滚珠轴承是直线传动轴配合使用。作无限直线运动的系统，负荷滚珠和传动轴因为是点接触，容许载荷较小，但直线运动时，摩擦阻力最小，精度高，运动快捷。其工作原理：由于直线轴承构造中实现了点与轴的接触，钢珠与直线光轴的接触运行，形成其低摩擦，低阻力高精度的运行效果，亦可以旋转运行，因此直线轴承广泛用于电子设备，拉力试验机等精密设备，以及多轴机床、冲床、工具磨床、自动气割机、打印机、卡片分选机、食品包装机等工业机械的滑动部件。

滚珠轴承的发展以减少摩擦以及所需动力为基础。由于点接触技术的接触面相交以前得以减少，因此导向轴或轮轴的低摩擦导向得以实现。摩擦力减少后，发热量也得以减少。所有滚珠轴承的一个基本组件就是所谓的滚动体。滚动体通常是由若干的钢制钢球组成。就直线滚珠轴承来说，滚动体在轴承圈内沿轴向轨道运动。在直线方向上，负载总是通过内部滚珠轴承圈传递，不过外部滚珠轴承圈上的负载会因抵消运动力而减少。按照常规来说，使用滚珠越多，承载力则越大；钢球越小，接触面越小，摩擦阻力就越小；

轴和轴承套经过严格挑选的材料,经过特殊热处理和研磨抛光，并且,还对滚动面进行了超精加工。在球保持器中钢球排列紧密,并且使钢球轨道相互之间不重叠。这使能够长时间使用而不会磨损,实现优越的耐久性。由于小钢球与滚动面为点接触,因此滚动损耗微乎其微,可实现极低摩擦的滚动运动，当速度20mm/s时，轴承摩擦阻力大慨在35mn以内；