医用泵的设计人员通常必须应对实施精确而低成本的运动控制的挑战。对于大多数医用泵来说，实现这种电子运动控制的基本技术有三种：永磁有刷直流电机、无刷直流电机或步进电机。步进电机（有时称为步进电机、步进电机或简称为步进电机）是位置或速度控制的可靠选择。步进器本质上是数字化的——施加到驱动电子设备的脉冲会导致轴运动一步。它们通常用于“开环”，意味着没有反馈，因为它们每次都能达到所需的步数（如果大小合适）。输入脉冲的数量和输入脉冲的速率可用于实现非常精确但非常简单的运动（位置、速度和加速度）控制。只要所需的速度不太高（通常低于3000 RPM），步进电机通常会提供更简单、成本更低且免维护的替代方案。

　　旋转式步进电机分为三种类型：封装叠式、VR（可变磁阻）和混合式步进电机。罐装堆栈或PM（永磁）步进电机由“爪齿”（冲压）部件和转子中的永磁体（径向磁化）制成。与罐装堆叠步进器不同，VR步进器在转子中没有任何永磁体，它们依靠锯齿（带缺口）转子中的感应磁场来运行。这两种技术（永磁体以及转子和定子中的“磁阻”锯齿）的混合产生了混合步进电机。

　　与通常具有较粗分辨率（3.6o至18o步距角）的封装堆叠步进器相比，混合式步进器通常由精密加工零件制成，并提供更精细的分辨率（通常为1.8o或0.9o步距角）。然而，基于其冲压金属部件与混合设计的机器部件相比，罐装堆栈设计更便宜。混合步进电机是需要低成本且具有高分辨率的精确轴位置控制的绝佳选择，例如医院输液、注射器和蠕动泵。在这些类型中的每一种中，递送率将根据患者的药物和状态而变化。

　　混合电机结构

　　任何电动机的运行都可以看作是定子和转子之间的相互作用。在混合式步进电机中，每个定子槽周围线圈中的电流会在定子中产生电磁极。转子中的锯齿与定子中的锯齿对齐，转子中还有一个永磁环用于加强。发生这种对齐的力会在转子轴中产生扭矩（或旋转力矩）。使用开关电子设备，下一个线圈通电，转子再次移动（步进）以将自身与定子中磁极的新位置对齐。由于线圈依次通电，实现了平滑的旋转运动。如果需要更大的扭矩，可以直观的看出要么是定子的磁极要加强（更多的线圈，

　　线圈的数量、每个线圈的线匝数、定子和转子的相对齿数、磁铁的直径和磁通密度，都是电机设计考虑中使用的参数。从应用的角度来看；可以说，在选择电机时，电机的几何形状以及每步的步距角都是固定的。然而，绕组通常具有很大的灵活性，可以在速度与为给定功率输出产生的扭矩之间进行权衡，这是速度和扭矩的乘积。

　　驱动混合式步进器的方法可以是整步，如上所述，从一个机械步骤移动到下一机械步骤。微步是半步概念的延伸，在电机的机械步之间创建一个电气步。绕组中的电流水平以较小的增量依次增加，进一步提高了位置分辨率。常见的驱动程序可以提供每步1/4步、每步1/8步、每步1/16步、每步1/64步等。超过1/256步，这种更精细的分辨率超出了电机的机械精度。随着微步成本的下降以及操作平稳性方面的好处，即使在成本敏感的应用中，将微步作为一种选择也始终是一个好主意。

　　混合式步进电机的改进

　　今天的设计工程师被赋予了一种新武器来实现他们的设计目标。工程师面临的挑战是减小泵的整体尺寸，同时保持甚至提高泵的性能。机械设计会影响泵的整体封装尺寸，因此电机选择至关重要。混合式步进电机设计的进步使设计工程师能够减小封装尺寸，同时甚至提高泵的性能。我将回顾这些进步以及它们如何帮助工程师设计他们的医用泵。

　　保持扭矩

　　为了减小泵的整体封装尺寸，工程师可以超速驱动混合式步进电机，以增加电机的输出扭矩。虽然这是一种可接受的做法（只要考虑占空比），它会影响电机的温升，无论是产生的热量还是温升引起的扭矩下降。添加铝制外壳来封闭定子叠片可以改善这两个问题。典型混合式步进电机的散热仅通过铝制端罩实现，这需要在机器设计中额外考虑，例如气流或散热器。然而，铝制外壳提供了一个导管，可以沿着步进器的整个长度散发热量，从而提高效率。因温度上升造成的扭矩损失减少，在与典型混合步进器相同的条件下提供更高的输出性能。这种组合允许工程师增加泵的占空比，从而为患者提供更有效的剂量。通过在操作过程中产生更少的热量，当患者或护士需要调整药物时，泵的触感保持凉爽。

　　更大的捕获轴承

　　位于患者床边的医院泵在操作期间需要保持安静，以免在休息时打扰患者。因此，来自电机的可听噪声是工程师的关键设计考虑因素。轴承会产生步进电机的噪音；轴承在运行速度下的任何轻微移动都会产生可听见的噪音。捕获前轴承和后轴承将显着降低电机产生的噪音。用于前轴承的卡环和用于后轴承的O形环就是这样做的，可防止轴承在运行期间移动。泵设计工程师的另一项改进是实际上消除了轴端隙。对于泵设计，这可以防止轴联轴器装置的移动，

　　扭矩线性

　　泵的剂量要求可能会有所不同，具体取决于正在分配的流体或药物。在许多应用中，流体的量可能非常小，这需要混合步进器进行微步进-在电机的机械步进之间创建电气步进。典型的混合动力车具有分度和堆叠的定子叠片，通过四个螺钉固定在两个端罩之间。铝制外壳的使用在制造过程中更好地对齐叠片，在定子和转子齿之间形成更均匀的气隙。在微步期间，这会产生改进的扭矩线性-每个微步的扭矩输出一致性。使用定子增强磁体可以进一步改善转矩线性度，从而提供电机的最大性能能力。在医院的给药泵中，输液和注射器，这使医务人员能够为患者使用更精细的药物剂量。此外，它确保每次向患者分配精确数量的药物。

　　增强磁力

　　任何泵应用的另一个关键要求是拉出扭矩，即电机在给定速度下产生的扭矩。由于电机具有可在特定驱动条件下产生的定义扭矩量，这将决定应用中所需电机的尺寸。因此，电机扭矩的增加将对应于整个泵尺寸的减小。混合式步进电机的磁性设计在电机产生的扭矩中起着重要作用，两个磁铁的进步为设计工程师提供了更大的灵活性。

　　首先，使用高能钕磁铁代替以前的材料，产生更高的磁通量，从而转化为更高的扭矩。其次，在每个定子齿之间插入额外的定子磁铁，这会阻止磁场在定子齿周围流动。这会迫使更多的磁场流过每个齿，从而将扭矩输出增加多达30%。这两项设计改进都允许工程师指定更小的电机，从而减少整体封装尺寸和重量。

　　保持扭矩

　　通常，设计工程师会在开发的初始阶段指定标准电机，执行各种测试以确保其满足应用要求。电机的多次迭代是常见的，因为机械设计会在项目过程中发生变化，从而改变电机的要求。但是混合动力设计的进步缩短了这个设计周期，因为电机已经针对运行性能进行了优化。电机要求的变化对电机选择的影响较小，特别是相同尺寸的电机使用定子增强磁体可以将其扭矩增加高达30%。上市速度始终是任何项目的关键绩效指标；超出最初的预测可能会增加公司的收入。

　　概括

　　混合式步进电机的进步确实增强了设计工程师将令人兴奋的新泵推向市场的能力。医疗专业人员和患者都需要不断的设计创新，挑战工程师在绘图板上的创造力。通过从绘图板到生产的混合进步，电机工程师在选择步进电机时加强了武器库。