Одноразовые медицинские ручные инструменты находят все большее применение из-за их стоимости и гигиенических преимуществ. Инженеры, разрабатывающие эти инструменты, обычно используют щеточные двигатели постоянного тока или бесщеточные электродвигатели постоянного тока. Здесь мы сравниваем эти два варианта.
Около Клеманс Мюрон • Инженер-прикладник | Выход из порта
Первым шагом в разработке хирургического электроинструмента является определение того, будет ли конструкция одноразовой или многоразовой. Последние достижения в области проектирования компонентов и производства сделали многие конструкции электроинструментов одноразового использования для сложных хирургических вмешательств экономически выгодными. Нигде это не проявляется так явно (или значительно), как в современных щеточных двигателях постоянного тока и бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC), которые имеют более низкую цену и более высокую производительность, чем в прошлом.
Хирургические инструменты многоразового и одноразового использования часто имеют одинаковые требования к двигательной активности. Однако их срок службы и стоимость существенно различаются. Инструменты многоразового использования часто используются для сотен или даже тысяч операций, поэтому в их состав должны входить высококачественные компоненты. Напротив, компоненты одноразовых инструментов необходимы только для проведения одной операции, что требует наличия этих компонентов в больших объемах и по конкурентоспособной цене.
Бесщеточные двигатели постоянного тока для многоразовых инструментов — щеточные двигатели постоянного тока для одноразового использования
Несмотря на то, что они могут быть слишком дорогими для одноразовых электроинструментов, двигатели постоянного тока отличаются высочайшей надежностью и являются наиболее распространенным типом двигателей для многоразовых электроинструментов. Бесщеточные двигатели способны развивать скорость до 100 000 оборотов в минуту в течение длительного срока службы. Бесконтактная коммутация постоянного тока (обычно с помощью магнитных датчиков Холла или бессенсорного привода с контроллером бесщеточного двигателя) ограничивает механический износ опорных подшипников вала двигателя, поэтому благодаря прецизионным подшипникам эти двигатели могут работать на высоких оборотах в течение (в некоторых случаях) сотен или тысяч операций.
В отличие от этого, щетки электродвигателя постоянного тока (графитовые или из благородного металла) физически соприкасаются с коллекторами ротора, поэтому со временем изнашиваются. Это означает, что эти щетки являются основным ограничителем срока службы электродвигателя постоянного тока — более высокие частоты вращения ускоряют износ. Это приемлемо для одноразовых инструментов, даже для тех, которые требуют высоких оборотов, хотя в конечном счете пригодность двигателей в значительной степени зависит от рабочего цикла инструмента и точных требований к скорости вращения.
В зависимости от конкретной конструкции и материалов, характеристики щеточных двигателей постоянного тока также различаются. Например, некоторые щеточные двигатели постоянного тока без сердечника имеют меньшую инерцию, что обеспечивает более высокие показатели ускорения и КПД, чем аналогичные двигатели другой конструкции. Напомним из предыдущая статья Portescap в журнале Design World что большинство недорогих щеточных двигателей имеют железный сердечник, в то время как двигатели без сердечника имеют роторы, состоящие только из катушки и вала. Помимо вышеупомянутых преимуществ, эти двигатели без сердечника также устраняют момент фиксации (момент зацепления), обеспечивая плавное вращение даже на низких скоростях. Неудивительно, что щеточные двигатели постоянного тока такого типа находят все более широкое применение в одноразовых электроинструментах.
Как только требования к производительности выполнены, стоимость часто становится следующим важнейшим фактором при проектировании. Мы уже говорили о том, что двигатели с BLDC-конструкцией являются относительно дорогими, и, по сути, контроллеры, которые им требуются (для коммутации), и встроенная электроника (для отслеживания положения ротора) еще больше увеличивают общую стоимость системы. Дополнительные затраты на эти компоненты (наряду с высококачественными подшипниками, динамическими уплотнениями вала или высококачественными магнитами) могут быть оправданы в тех случаях, когда требуется высокая производительность, но, как правило, не для одноразовых инструментов.
В отличие от этого, двигатели постоянного тока с коммутацией на основе щеток нуждаются только в экономичной ШИМ-схеме для регулирования скорости, а достижения в области конструирования двигателей позволили добиться беспрецедентного повышения производительности при незначительном увеличении стоимости. Это делает современные более совершенные щеточные двигатели постоянного тока особенно подходящими для хирургических инструментов с коротким сроком службы.
Сравнительный анализ средней стоимости различных инструментов приведен в таблицах, прилагаемых к этой статье. Они не учитывают, что высококачественные инструменты многократного использования обычно обеспечивают превосходную производительность и дополнительные возможности. Такие факторы могут сделать инструменты на базе электродвигателей BLDC лучшим выбором для хирургов и пациентов, даже если не удается достичь безубыточности операций. Однако анализы также не учитывают одну непредсказуемую стоимость процесса стерилизации — потенциальный риск инфицирования из-за неправильно простерилизованных многоразовых инструментов. Хорошо отработанные методы стерилизации и конструктивные особенности инструментов, безусловно, могут способствовать надлежащей и надежной стерилизации, а стерилизация доказала свою безопасность и эффективность. Однако недостаточная стерилизация инструментов между операциями — это риск, который также следует учитывать инженерам-разработчикам хирургических инструментов. Одноразовые инструменты могут быть стерилизованы и упакованы производителем инструментов, и такой подход повышает безопасность пациентов в некоторых областях применения и больничных системах.
В качестве примера рассмотрим новую конструкцию, разрабатываемую группой исследователей и разработчиков в компании, производящей медицинское оборудование. Это портативный хирургический электроинструмент, который может вызвать серьезные осложнения, если перестанет работать во время процедуры. Инженеры предпочитают одноразовый инструмент, но может быть приемлемым и инструмент многоразового использования. Для устройства, работающего на батарейках, требуется, чтобы эффективность двигателя составляла 80% (или выше) и он работал от 6 до 9 В при 1,5 А (максимум). Мощность двигателя (диаметр которого не должен превышать 17 мм) должна составлять 5 Нм (непрерывно) при 15 000 оборотах в минуту. Процедура требует значительных затрат, поэтому стоимость каждой операции не должна превышать 20 долларов США.
Инженеры сначала обратились к поставщику электродвигателей, предлагающему как щеточные двигатели постоянного тока, так и бесступенчатые электродвигатели постоянного тока, а также обладающему большим опытом работы на рынке хирургических электроинструментов. Поставщик предлагает электродвигатели диаметром 17 мм или меньше, которые наилучшим образом соответствуют требованиям к производительности и мощности конструкции:
Оба двигателя удовлетворяют требованиям по крутящему моменту в 5 Нм, но максимальный постоянный крутящий момент для щеточного двигателя постоянного тока лишь немного выше и составляет 5,7 Нм. Это сокращает срок службы двигателя, хотя и не настолько, чтобы вызывать беспокойство при проведении одной хирургической процедуры. Более серьезной проблемой является требуемая частота вращения в 15 000 оборотов в минуту, что превышает максимальную скорость вращения двигателя постоянного тока. Хотя это, возможно, и приемлемо для одной процедуры, это увеличивает риск неудачи во время операции. Стоимость двигателя достаточно низкая, чтобы его можно было выбрасывать после каждого использования.
Двигатель постоянного тока легко справляется с требованиями к скорости и крутящему моменту и может продолжать работать во время многих операций. Эффективность не вполне соответствует целевому показателю в 80%, а цена намного превышает 20 долларов, поэтому для того, чтобы двигатель BLDC был работоспособен, его необходимо использовать как минимум в восьми операциях.
Короче говоря, конструктивные ограничения вынуждают инженеров-конструкторов выбирать между одноразовым инструментом на базе щетки с двигателем постоянного тока или многоразовой моделью на базе двигателя постоянного тока. Многоразовый щеточный двигатель постоянного тока нецелесообразен (из-за неприемлемого риска выхода из строя при использовании более чем в одной операции), а стоимость исключает использование одноразовой модели двигателя постоянного тока.
В этом случае возникает главный вопрос при проектировании: допустима ли потенциальная поломка щеточного двигателя постоянного тока при первой эксплуатации (из-за высоких оборотов)? Если нет, то инженеры могут снизить требования к скорости и создать инструмент с более низкой производительностью. Другой вариант — создать инструмент многоразового использования и смириться с его меньшей эффективностью. Им также придется спроектировать остальную часть инструмента так, чтобы ее можно было стерилизовать, и потребуются, чтобы конечные пользователи стерилизовали инструмент между использованиями — два фактора, которые увеличивают общую стоимость операции. ⚙️ Выход из порта | www.portescap.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии