CN107362451A - 一种电磁脉冲振动治疗仪及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种电磁脉冲振动治疗仪，包括：主机和手具，通过导气管将手具连接到主机；在主机内设有控制器、脉冲电源，警报器、冷气源；手具包括铁芯，脉冲波输出头，音圈，音圈与铁芯构成音圈电机。一种改进的电磁脉冲振动治疗仪的控制方法，包括：1.控制器判断温度值所处的区间，并根据温度值调节冷气源的制冷功率；2.如果温度值在允许工作的范围内，控制器输出经过补偿的脉冲电压，并由音圈电机转化为脉冲式机械振动，如果温度值超出允许工作的范围，控制器切断脉冲电源的输出，并通过警报器发出警报信号。本发明的有益效果为：更稳定的力度输出；能够连续使用而不易损坏，能够更好地满足临床需求。

Description

一种电磁脉冲振动治疗仪及其控制方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种电磁脉冲振动治疗仪及其控制方法。

背景技术

人体脊柱和骨骼的错位或其他失调或半脱位可导致肌肉与骨骼的不适以及各种相关症状，对于此类病变，通过低频的机械波(通常2～100Hz)作用于患处已经被临床实验证实是一种有效的治疗手段。当前的低频机械波发生器主要有如下两种形式：1.正弦波发生器；2.脉冲波发生器。

其中，正弦波发生器主要采用转子电机转动产生正弦式机械波，根据其转化方式又分为偏心轮式发生器和连杆式发生器。例如专利文献CN2341627Y和CN2254745Y分别公开了一种偏心轮式的正弦波发生器，其由电机带动偏心轮旋转而产生振动并输出，由于振动轨迹是圆形，在其平面内各方向上的投影都是正弦波；然而，这种由偏心轮产生的振动会直接作用到电机转轴上，不利于电机轴承的寿命，并且这种结构受限于偏心轮的质量和电机的功率，其功率密度通常不会很大，一般在民用按摩保健器械上应用，难以满足医用治疗用途。专利文献CN205964432U和CN204618806U则分别公开了一种连杆式的正弦波发生器，其均是由电机带动连杆运动，而连杆的一端则被束缚在一条直线轨迹上，此时电机输出的圆形运动在一个方向上投影，产生正弦波式的线性振动。对于正弦波发生器，其优点是由转子电机作为动力源，例如专利文献CN86101310A公开的振动治疗器，在其转子输出轴的尾端可以设置扇叶以对其线圈进行降温，因此这类发生器的散热通常不是问题；然而其缺点也比较明显：当正弦波发生器的质量和操作者手持的力度一定时，其作用于人体的力度仅与其输出频率相关，因此，正弦波发生器的频率和力度无法单独调节，频率越高其输出力度就越大，频率越低则其输出力度越小。这种频率和力度之间无法单独调节使其在应用时缺乏灵活性，难以满足多种多样的治疗需求。

脉冲波发生器也存在多种形式，常见的有机械波传导式和电磁式。机械波传导式脉冲波发生器，例如专利文献CN202982589U和CN104983557A分别公开了一种机械波传导式的脉冲波发生器，其均由一个能够产生脉冲波的主腔体和一个用于输出脉冲波到人体的脉冲波输出头构成，主腔体(例如气缸)产生脉冲形式的机械波，其通过介质(例如水或空气)传导到脉冲波输出头上；然而，这种装置的传输管道要求严格的密封性，并且受限于介质的传导性质，这种装置发生的脉冲波通常不会超过20Hz，否则波的能量会在介质传递过程中产生严重的损耗，并且上述产生机械波的主体通常体积较大，整机无法做到小型化、便携化。而电磁式脉冲波发生器，例如专利文献CN101035496B和CN201055445Y所述，则是采用晶体管输出脉冲电流，通过电导线将脉冲能量传递到脉冲波输出头上的音圈上，再由音圈产生的磁场带动其中的铁芯振动(实质上是一种音圈电机)，将电脉冲转化为机械脉冲波，在此过程中，电能转化为机械能和热能，而热能则主要包括音圈的铜损和铁芯的铁损。将这两种脉冲波发生器相比不难发现，二者均能分别调节输出的频率和力度，而电磁式脉冲发生器的优点在于体积可以做到很小巧，并且目前的电子产品各项工艺都比较成熟，脉冲频率灵活可控；其缺点则是热能不断积累在音圈和铁芯上，过高的温度可能造成构件的损坏，因此电磁式脉冲波发生器通常无法持续工作，每使用过一段时间后均需使设备休息一段时间才能再次使用。

电磁式脉冲波发生器由于其灵活可调的脉冲频率和力度，由其组成的电磁脉冲振动治疗仪产品已经受到市场的广泛认可，并被应用到多家医院临床使用。然而，其固有的缺陷也在使用中暴露出来。例如，专利文献CN101437482A所述的改进的机电调节器械，其类似的产品已经在临床应用，其音圈电机外部采用自然散热的方式冷却，外壳整体为塑料材质。实测在27℃的室内使用时，在中档力度输出模式(脉冲力度约250N)下，每连续输出2000个脉冲波(大约5分钟)后，就需停止工作使其冷却，冷却至初始温度的时间通常不少于10分钟，在此期间操作者和患者只能等待，这就使得其无法单独应用在工作繁忙的治疗场合。在某二级医院的临床使用中发现，通常每个操作者要配备4套这种电磁脉冲振动治疗仪交替使用，才能保证不用患者等待，大大地增加了医院的设备预算。另外，由于其产品外壳是塑料材质的，导热性能差，并且没有温度控制组件，当操作者忘记休息使其连续工作(例如连续工作20分钟以上)时，由于音圈和铁芯过热，曾发生音圈将其音圈骨架烧毁、音圈的漆包线绝缘层熔化导致放电的事故。还有操作者发现，随着工作时间的推移，其输出力度会逐渐由初始设置的力度减小，例如上述电磁脉冲振动治疗仪产品，其初始设定的力度档位是高档位(脉冲力度约400N)时，在连续工作超过2分钟后，力度开始逐渐减小，到连续工作5分钟时，其输出力度不到250N，即下降了至少一个档位，无法保证治疗效果的一致性。专利文献CN1644195A公开了一种应用音圈电机作为动力源的捶打按摩器，市场上不难买到其作为保健器械的产品，然而，在其捶打完一个循环(不超过10分钟)后，需要使其自然散热至少40分钟以使音圈充分冷却。

由此可见，现有技术中应用电磁式脉冲波发生器的振动治疗仪普遍存在以下问题：由于音圈温度过高导致的输出脉冲力度下降、产品损坏，以及为了防止产品损坏而无法连续工作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电磁脉冲振动治疗仪及其控制方法，在传统的电磁脉冲振动治疗仪的基础上，围绕音圈电机构建了温漂补偿系统、高温报警系统以及温控冷却系统，从而达到更稳定的力度输出，并且可连续使用而不易损坏，更好地满足临床需求。

本发明解决问题的技术方案是：一种改进的电磁脉冲振动治疗仪，包括：主机和手具，通过导气管将手具连接到主机；

在主机内包括控制器和通过弱电导线与控制器电连接的脉冲电源、警报器、冷气源；

手具包括在手具的壳体上设有用于控制手具启动和停止的脉冲开关，在手具的壳体内设有铁芯，铁芯的一端连接有脉冲波输出头，在铁芯的外侧设有音圈骨架，在音圈骨架的外表面设有音圈，音圈与铁芯构成音圈电机，在音圈的外表面设有与导气管连通的散热器，导气管的另一端与冷气源连通，在音圈骨架的外表面设有温度传感器；

控制器通过弱电导线与手具的脉冲开关、温度传感器电连接，脉冲电源通过强电导线与音圈电连接。

进一步的，强电导线和弱电导线设置于导气管的管壁内部，与导气管的管壁一体成型。

进一步的，散热器上设有散热鳍片，散热鳍片靠近导气管出风口，且沿气流方向设置。

进一步的，音圈骨架为工字形的空心线轴，音圈由绕在线轴上的漆包线构成。

进一步的，脉冲电源包括晶体管电压放大器和隔离变压器。

进一步的，冷气源包括硅致冷片和风扇。

进一步的，在音圈骨架和散热器之间设有软磁套筒，音圈外侧与软磁套筒内侧以及软磁套筒外侧与散热器内侧通过导热层紧密贴合。

进一步的，软磁套筒为开环结构，开口沿音圈的轴线设置。

进一步的，一种改进的电磁脉冲振动治疗仪的控制方法，包括：

1.控制器读取手具内的温度传感器返回的温度值，与预设的温度阈值相比较，判断温度值所处的区间，并根据温度值调节冷气源的制冷功率；

2.脉冲开关接通后，如果温度值在允许工作的范围内，控制器将温度值换算成电压补偿值，加载到脉冲电源，输出经过补偿的脉冲电压，并由音圈电机转化为脉冲式机械振动，如果温度值超出允许工作的范围，控制器切断脉冲电源的输出，并通过警报器发出警报信号。

进一步的，控制器对脉冲电压的补偿方式包括调节脉冲电源的脉冲电压幅度和/或脉冲电压占空比。

本发明的有益效果为：

1.更稳定的力度输出；

2.能够连续使用而不易损坏，延长了治疗仪的使用寿命；

3.结构简单，成本低，操作方便；

4.能够更好地满足临床需求。

附图说明

图1为所述治疗仪的结构示意图；

图2为脉冲波输出头的结构示意图；

图3为导气管的剖面图；

图4为所述治疗仪的控制方法的流程图；

图5-1为各种形式软磁套筒的温升比较的柱状图；

图5-2为各种形式软磁套筒的输出脉冲力度比较的柱状图；

图6-1为无软磁套筒的音圈电机的磁场分布示意图；

图6-2为闭环软磁套筒的音圈电机的磁场分布示意图；

图6-3为开环软磁套筒的音圈电机的磁场分布示意图；

图7-1为三种散热方式的温升比较的曲线图；

图7-2为三种散热方式的输出脉冲力度比较的曲线图；

图8-1为有无温漂补偿的温升比较的曲线图；

图8-2为有无温漂补偿的风冷散热力度比较的曲线图；

图8-3为有无温漂补偿的温控冷却温度比较的曲线图；

图8-4为有无温漂补偿的温控冷却力度比较的曲线图；

图中：1-手具，11-音圈，12-铁芯，13-脉冲波输出头，14-温度传感器，15-脉冲开关，16-散热器，17-软磁套筒，18-音圈骨架，19-散热器，2-脉冲电源，3-警报器，4-控制器，5-冷气源，6-导气管，61-强电导线，62-弱电导线，7-主机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。

实施例一

所述治疗仪，如图1所示，包括：主机7和手具1，通过导气管6将手具1连接到主机7；

在主机7内包括控制器4和通过弱电导线62与控制器4电连接的脉冲电源2、警报器3、冷气源5；

如图2所示，手具1包括在手具1的壳体上设有用于控制手具1启动和停止的脉冲开关15，在手具的壳体内设有铁芯12，铁芯12的一端连接有脉冲波输出头13，在铁芯12的外侧设有音圈骨架18，在音圈骨架18的外表面设有音圈11，音圈11与铁芯12构成音圈电机，在音圈11的外表面设有与导气管6连通的散热器19，导气管6的另一端与冷气源5连通，在音圈骨架18的外表面设有温度传感器14；

控制器4通过弱电导线62与手具1的脉冲开关15、温度传感器14电连接，脉冲电源2通过强电导线61与音圈11电连接。

控制器4可以由市售的单片机或可编程控制器及其必要的外围电路构成；控制器4可通过调节脉冲电源2的脉冲电压幅度和/或脉冲电压占空比来控制输出的脉冲力度。

音圈11内侧还设有聚四氟乙烯材料的音圈骨架18，聚四氟乙烯具有极好的高温稳定性和自润滑特性，能够耐受更高的温度以及减少铁芯12在与音圈骨架18内壁摩擦时产生的热损耗。音圈11应采用耐高温的漆包线绕制，例如能够耐受220℃的漆包线。警报器3可根据需要采用声和/或光的常规警报装置。

脉冲开关15采用光电开关，因为这种开关的寿命更长。

弱电导线62包括多根，其中一部分负责传递脉冲开关15的开关信号，另一部分则负责传递温度传感器14的信号，温度传感器14可以是数字温度传感器，例如DS18B20，也可以是模拟温度传感器例如热电阻或热电偶。

进一步的，如图3所示，强电导线61和弱电导线62设置于导气管6的管壁内部，与导气管6的管壁一体成型，导气管6的内表面平滑，以减少空气传递的阻力。

进一步的，散热器19上设有散热鳍片(图中未示)，散热鳍片靠近导气管6的出风口，且沿气流方向设置。由冷气源5传递过来的冷却空气与散热鳍片进行充分的热交换后，将其一部分热量带走，达到使体系冷却的目的。

进一步的，音圈骨架18为工字形的空心线轴，音圈11由绕在线轴上的漆包线构成。

进一步的，脉冲电源2包括晶体管电压放大器和隔离变压器，具体可采用绝缘栅双极型晶体管，因为这种晶体管具有较高的耐压值和较低的正向导通压降，并且对音圈电机这种感性负载具有较好的耐受性。隔离变压器用以隔离市电保证内部电路安全。

进一步的，冷气源5包括硅致冷片和风扇，硅致冷片的功率大于所述音圈电机的发热功率，以确保其能够压制音圈11的温升，而上述风扇应当至少包括用于使空气流过硅致冷片冷端以获得冷却空气的风扇，以及用于给硅致冷片热端降温的风扇。为了更好地传热，硅致冷片的热端和冷端均需配置不同大小的铝合金导热片，风扇将气流导入铝合金导热片后完成热交换。

进一步的，在音圈骨架18和散热器19之间设有软磁套筒17，音圈11外侧与软磁套筒17内侧以及软磁套筒17外侧与散热器19内侧通过导热层紧密贴合，能够最大程度减少音圈11外侧磁场的磁阻，并同时减轻因在脉冲磁场中引入导体而产生的铁损。

进一步的，软磁套筒17为开环结构，开口沿音圈的轴线设置。

进一步的，如图4所示，一种改进的电磁脉冲振动治疗仪的控制方法，包括：

1.控制器4读取手具1内的温度传感器14返回的温度值，与预设的温度阈值相比较，判断温度值所处的区间，并根据温度值调节冷气源5的制冷功率；

2.脉冲开关15接通后，如果温度值在允许工作的范围内，控制器4将温度值换算成电压补偿值，加载到脉冲电源2，输出经过补偿的脉冲电压，并由音圈电机转化为脉冲式机械振动，如果温度值超出允许工作的范围，控制器4切断脉冲电源2的输出，并通过警报器3发出警报信号。

控制器4在音圈电机处于非工作状态时读取温度传感器14返回的温度值，以避免音圈11通过的脉冲电流对温度传感器14的干扰。当温度传感器14返回的温度值升高，则控制器4控制冷气源5的制冷功率提高；当温度传感器14返回的温度值降低，则控制器4控制冷气源5的制冷功率降低。例如，当温度传感器14返回的温度值由44℃升高至48℃，则控制器4通过占空比调制的方式控制冷气源5的硅致冷片功率由18W升高至22W，当操作者暂时停止使用而又没有关闭电源，温度传感器14返回的温度值达到室温27℃时，控制器4控制冷气源5关闭其硅致冷片的工作，以节约电能并且延长硅致冷片及其电源的寿命。

进一步的，控制器4对脉冲电压的补偿方式包括调节脉冲电源的脉冲电压幅度和/或脉冲电压占空比。

例如，在原本1ms的脉冲宽度下，脉冲电源2输出的脉冲电压能够使音圈电机产生400N的推力，然而，随着使用时间的增加，音圈11的温度上升、电阻增加，现在脉冲电压源2输出同样的脉冲宽度时音圈电机仅能产生300N的推力，此时控制器4通过温度传感器14返回的温度值预测到了这样的结果，因而在对脉冲电源2输出控制信号时提高了脉冲的占空比，将脉冲宽度提高到1.5ms，由于音圈电机获得的能量增加，其产生的推力恢复到400N左右。当然，这样的温漂补偿方式会引起音圈11温度的加快上升，这就需要强大的温控冷却系统作为支持。而在异常情况下，这两个系统失衡时，控制器4根据温度传感器14返回的数值进行判定，进而切断脉冲电源2的输出，并通过警报器3提醒操作者停止操作寻找故障原因，防止烧毁音圈电机。

具体的，本发明在传统的电磁脉冲振动治疗仪的基础上，优化了音圈电机的结构，更重要地，本发明围绕音圈电机构建了温漂补偿系统、高温报警系统以及温控冷却系统。其中，所述温漂是指音圈温度升高后其电阻随之增加的现象，而电阻的增加则减小了通过的电流，降低了磁场的强度，减小了输出脉冲的力度。温漂补偿系统包括温度传感器、控制器和可调的脉冲电压源，通过检测音圈的温度实时调整脉冲电压源的输出功率，以保证音圈电机输出的脉冲波功率保持在一定范围内。高温报警系统包括温度传感器、控制器、脉冲电压源以及警报器，当控制器通过温度传感器检测到音圈电机的温度超出了允许工作的范围时，其停止脉冲电压源的功率输出并通过警报器发出警报信号，避免操作者继续使用造成仪器的损坏。温控冷却系统包括温度传感器、控制器、冷气源，冷气源主要由硅致冷片和风扇构成，硅致冷片受控制器控制，其最大制冷功率大于音圈电机的发热功率，当控制器检测到音圈温度上升时，其加大硅致冷片的制冷功率，使音圈温度保持在一定范围内。上述三个系统在逻辑上相互独立，实质上则相互协同，共同构成了本发明的技术方案。其协同作用的机制如下：温控冷却系统使音圈电机能够连续工作并且其温度整体维持在一定范围内，但根据操作者使用的实际情况，音圈的温漂是难以避免的，为了使音圈电机输出的脉冲波功率保持稳定，则设置了温漂补偿系统；而当音圈的温度已经上升并造成温漂时，再加大脉冲电压源的输出功率，则音圈的发热功率会大大增加，如果没有良好的冷却系统作为基础，这样的温漂补偿只会进一步加速音圈电机的升温以及损坏，因此温漂补偿系统需要有温控冷却系统的支持；又由于存在上述温漂补偿系统和温控冷却系统，考虑在某些特殊情况下，例如硅致冷片损坏、导气管破损、环境温度过高等导致温控冷却系统无法有效控制音圈电机的温度时，由于补偿系统的作用，音圈电机的温度会急剧升高，此时，高温报警系统开始工作，其切断脉冲电压源的输出，保证音圈电机不再产生热能，并且触发警报器工作，引导操作者查找原因，防止进一步的损坏。即对于音圈电机的温度而言，温漂补偿系统是一个正反馈系统，温控冷却系统是一个负反馈系统，而高温报警系统则是二者失衡时的应急保障。

具体来说，温控冷却系统中的冷气源由硅致冷片和风扇构成，风扇由外部引入空气，并使空气流过硅致冷片的冷端而被降温，降温后的冷空气经导气管传递到手具上的散热片，并顺着散热器上的散热鳍片流动，与散热器充分地完成热交换，然后直接将热空气排到环境中去。与传统的水冷系统不同的是，本发明采用空气作为热交换的介质，尽管空气的比热容远远小于水，但与水冷系统相比，本发明的温控冷却系统至少有如下优势：

1.相同驱动功率下，空气在导管中的流速可以轻易做到远大于水，并且水的比热容大的特点使致冷片需要较长时间才能降低水的温度，因此本发明的温控冷却系统比水冷系统具有更小的温控滞后性；

2.水冷系统需要非常严格的密封性，否则水的泄露可能造成严重的后果，而空气制冷则不需要如此严格的密封性，即使密封性差也仅会造成制冷效果变差，不会有其他安全隐患；

3.水冷系统不能直接把冷却水排放到环境中，需要冷却水回路，因此其导管至少需要两根(一根用于进水，另一根用于回水)，造成手具手持的灵活度大大受限，而空气制冷则仅需一根导气管，并可进一步地将导线包埋到导气管的外皮之内，使手具的灵活度显著提高。与单纯的风冷系统相比，本发明的温控冷却系统则由于包括大功率的硅致冷片，使其输出至手具散热器上的空气比环境温度低至少6℃，大大提高了制冷的效率。不通过导气管，直接将硅致冷片及其风扇也设置在手具上，固然能达到更好的散热效果，但这将大大提高手具的体积，不利于操作者手持。

另一方面，冷气源由控制器读取音圈温度后再决定其制冷功率这样的设置，是因为发明人发现，临床操作者通常在休息时并不会关闭仪器，此时音圈已经不再发热，而冷气源如果还以最大制冷功率制冷的话，非常浪费电能，并且也会减少为硅致冷片及为其供电的开关电源的寿命。当音圈温度已经降至常温，本发明的控制器自动会将硅致冷片关闭。因此，有别于一般的制冷结构，本发明所述温控制冷系统具有自动控温、自动调节制冷功率的特点，具有节约能源、延长使用寿命的效果。

另一方面，音圈电机结构的改进也减少了温控冷却系统的制冷负担。音圈电机实际发热的量等于音圈电机产生的总热能减去耗散的总热量。其中音圈电机产生的总热能主要由音圈漆包线的电阻产生的“铜损”和铁芯内涡流产生的“铁损”，而耗散的总热量则包括自然散热和温控冷却系统带有的热量。本领域已有很多用于减少“铜损”和“铁损”的常用手段，例如采用较粗的单晶铜或镀银漆包线绕制音圈以减小电阻，以及采用电阻率高的软磁材料作为铁芯以减小涡流。然而事实上，音圈电机从脉冲电压源接受到的电能主要转化为机械能和热能的形式，降低音圈电机产生的热量，实质上是希望提高音圈电机输出的机械能与产生的热能之间的比例，因为当要求输出的机械能一定时，上述比例越大，则热能越小。因此，除了从降低热能的手段上考虑，本发明人还从如何提高电能到机械能的转化效率进行探究。考虑音圈的磁场分布可以发现，由于铁芯是位于线圈中心，此时音圈外围如果没有设置顺磁性套筒，则其磁场通过空气进行传播，又由于空气磁阻比较大，磁场的能量一部分以电磁波的形式耗散掉；而如果在音圈外围引入软磁套筒，能够使磁场在其中高效地传递，但同时又会引入新的铁损。铁氧体压铸件虽然具有很高的电阻而能够降低铁损，然而其机械强度难以满足使用需求。因此，为了降低音圈外围的磁阻，充分利用磁场能量降低磁场的耗散，同时尽量降低新引入的铁损，发明人尝试将软磁套筒设置为开环结构，即垂直于软磁套筒轴线的任意截面均是开环状，这是考虑到软磁套筒上的感生涡电流是沿着音圈圆周方向分布，而开环的软磁套筒则一定程度上阻断了这样传递的涡电流，并且由于是沿磁场方向开的缺口，其与磁感线平行而不交叉，因此基本不会影响磁场的传递。下述性能比较一(不同结构及材质的软磁套筒的性能的比较)的测试比较了在同样的脉冲电压条件下，不设软磁套筒，设置闭环软磁套筒以及设置开环软磁套筒的发热情况以及输出脉冲力度的比较。为了更好地实现发明目的，发明人比较了几种常见的材料，发现430系类的不锈钢具有适合的性能，其中430FR具有优异的顺磁性和高的电阻率，并且具有耐腐蚀的性能，适合用作所述软磁套筒的材料。

另一方面，导线与导气管一体成型为带有导线的导气管，其中导线包埋在导气管外皮之内，这是为了使手具与主机之间的连接更灵活，从外部看仅有一根管，管壁可以采用柔韧的材料制造，操作者在手持手具时不会因为多根导线和导气管捆在一起而感到不灵活。导气管的内表面平滑则是为了减少其中空气产生的湍流，增加传质传热效率。

另一方面，控制器在音圈电机处于非工作状态时读取温度传感器返回的温度值，是因为发明人发现，当音圈电机工作时，通过音圈的脉冲电流非常大(实测峰值可达30A)，产生的磁场会严重干扰紧贴于其上的温度传感器，此时返回的温度数值是不准确的。然而，事实上这样的脉冲振动治疗仪通常仅允许操作者单次输出有限次数的脉冲波(例如200次脉冲，为一次工作循环)，当有限次数的脉冲输出完毕就需要操作者抬起脉冲头更换位置，防止误操作而在患者同一位置施加过多的脉冲波。因此，仅在操作者工作循环间隙时读取温度传感器即可准确获知音圈的温度，避免错误读取温度而频繁更换制冷功率。

通过以下比较能够看出本发明的所述治疗仪及其控制方法的有益效果。

一、不同结构及材质的软磁套筒的性能的比较

图5-1和5-2表示了无软磁套筒(如图6-1)、应用闭环的软磁套筒(如图6-2)和开环的软磁套筒(如图6-3)三种结构的音圈电机的性能的比较，其中软磁套筒又分别采用紫铜、铝合金(紫铜和铝合金不是软磁材料，但由于其导热性能远远优于钢铁，可以直接与散热器一体成型利于导热，因此也加入进行比较)、硅钢、430FR不锈钢四种材质，在同样的做功条件(环境温度27℃，脉冲电压176V，脉冲宽度1ms，脉冲频率12Hz，每个循环输出200次脉冲，每一工作循环结束后立即进入下一工作循环)下，持续工作5分钟，其温升情况和输出脉冲的力度的比较。本测试中，温度的测量采用设置于音圈外表面的数字温度传感器DS18B20，直接通过单片机读取返回值并显示在数码管上即可测得音圈温度；输出脉冲力度的测量采用艾德堡指针式推拉力测力计NK-500N，并采用PEAK(峰值)测量模式。另外，为了更好地对软磁套筒本身的性能进行比较，控制器不设置高温报警功能，不设置温漂补偿功能，并且不开启温控冷却系统，所有音圈电机均采用自然散热。

比较的结果如图5-1和5-2所示，在初始时，各组音圈电机温度均在27±1℃，然而，在工作4分钟后，均出现了温度的升高和输出力度的降低。具体来看，硅钢由于优良的导磁性能和较高的电阻率而具有最优的输出脉冲力度和最低的温升速率；430FR不锈钢与硅钢性能近似，但硅钢本身极易生锈，需要表面防锈处理，然而防锈油漆的添加会使其散热特性变差，430FR不锈钢则具有优良的防腐蚀性能，不需要再做防锈处理，其他的430系列不锈钢由于顺磁性优秀也可采用，但电阻率比430FR低，不利于抑制涡电流的产生；铝合金的温升速率稍高于前述二者，输出脉冲力度明显低于二者；而紫铜由于极低的电阻率，表现出抗磁性，将大多数的电磁能量转化为热能，温升极快，输出脉冲力度最小。对于每种材料，应用开环结构的软磁套筒的音圈电机均比应用闭环结构的软磁套筒的音圈电机，在输出脉冲力度和温升情况都有所改善。对于无软磁套筒的音圈电机，其由于发出的热量大多留在音圈中而不是传给软磁套筒，所以其温升速率仅比闭环的紫铜套筒低，而高于其他组，输出脉冲力度与应用开环结构的铝合金套筒的音圈电机相近。

如图6-1、6-2和6-3所示，三种结构的音圈电机的电磁场分布相比较可以发现，无软磁套筒的音圈电机，其外部磁场分布成分散状态，其工作时的一部分能量就以磁场的形式耗散，因此电能转化为机械能的效率较低；采用闭环结构的软磁套筒的音圈电机，其能够将音圈外部的磁场聚集到套筒中去，减少了磁阻，降低了能量的耗散，但是由于软磁套筒本身又是环状导体，其中间产生的磁场变化能够产生涡电流，涡电流不仅会产生热量，还会产生反向的磁场与音圈产生的磁场相抵抗，进一步降低效率；开环结构的软磁套筒则较好地解决了这个问题，由于开口的存在，软磁套筒里不会产生沿音圈圆周的涡电流，另外由于开口方向与磁感线并不交叉而是平行设置，因此其导磁性能也与闭环结构的软磁套筒相当。这一定程度上解释了上述测试的结果。然而，由于材料的性质是多方面的，为实现本发明的目的，要在传热系数、导磁性能、化学稳定性和电阻率之间取得均衡。因此，综合考虑以上事实，本发明采用430FR材质的不锈钢制成的开环结构的软磁套筒，来增加音圈外部的磁导率。

二、不同散热方式的散热效果的比较

如图7-1和7-2所示，在27℃的环境温度下，采用同样的具有开环结构430FR材质的软磁套筒的音圈电机，设定脉冲电压176V，脉冲宽度1ms，脉冲频率12Hz，每个循环输出200次脉冲，每一工作循环结束后立即进入下一工作循环。其中一个音圈电机仅设置散热器自然散热，一个音圈电机在其散热器上加装功率为5W的风扇构成普通风冷散热结构，另一个音圈电机采用如本发明所述的温控冷却系统散热。另外，为了更好地对散热性能进行比较，控制器不设置高温报警功能，不设置温漂补偿功能。上述三个系统连续工作10分钟，在0时刻、第5分钟、第10分钟分别测定其音圈温度和输出脉冲力度，绘制温升曲线和输出脉冲力度曲线。

对于各散热系统来说，在没有补偿的情况下，其输出脉冲力度与音圈的温度呈正相关，即脉冲电压源输出脉冲电压峰值不变、峰宽不变的情况下，音圈温度越高，其电阻越大，则输出力度越小；散热系统在减少温升的同时增加了输出脉冲力度。应当注意的是，将温度传感器缠到音圈之内会造成音圈绕线不均匀进而引起磁场偏心，因此，温度传感器是设置在音圈外表面，并通过高导热硅胶使之与音圈外表面紧密贴合，但这样的设置使得温度传感器测得的温度仅是大致等于音圈外表面的温度，实际工作中音圈中心到音圈外表面会形成一个温度梯度，即音圈实际的温度会高于温度传感器测得的温度。这样就导致无法仅根据传感器测得的音圈温度进行线性拟合去推断输出脉冲的力度，而是需要实际测量二者之间的关系，好为后续的温漂补偿设定参数。

结果证明，温控冷却系统散热性能明显优于另两种散热方式，因而其音圈的温漂较小，使得其输出力度的减小程度比另两种散热方式低。普通风冷散热虽然也有一定的控温效果，但由于其热交换效率取决于环境温度，当环境温度较高时其散热能力会进一步下降。尽管随着音圈温度的升高，对于采用风冷散热和自然散热的音圈电机，由于其与环境的温度差增大，散热效果会有所改善，温升会逐渐减缓，但其无法保证音圈在适合的温度下工作，进而缩短音圈电机和内部结构部件的寿命。因此，温控冷却系统对音圈电机进行制冷功率可控的有效散热。

三、温漂补偿系统的有效性的比较

如图8-1、8-2、8-3和8-4所示，在27℃的环境温度下，采用同样的开环结构软磁套筒的音圈电机，设定脉冲电压176V，初始脉冲宽度1ms(当温漂补偿时，这个值会改变)，脉冲频率12Hz，每个循环输出200次脉冲，每一工作循环结束后立即进入下一工作循环，其中一个音圈电机在其散热器上加装功率为5W的风扇构成普通风冷散热结构，另一个音圈电机采用如本发明所述的温控冷却系统散热。另外，为了更好地验证温漂补偿系统的有效性，本实施例中的控制器不设置高温报警功能。上述两个系统分别在开启温漂补偿系统和关闭温漂补偿系统的状态下工作10分钟，分别读取0时刻、第5分钟、第10分钟的音圈温度和输出脉冲力度，绘制温升曲线和输出脉冲力度曲线。为了对比的平行性，每个系统在工作结束后均自然散热2小时，以彻底恢复到初始温度。

比较的结果由图7所示，在两种散热系统下，温漂补偿系统均能够使其输出脉冲力度维持在相对稳定的范围，然而，在普通风冷散热条件下，由于其散热效果不理想，温漂补偿带来了更多的音圈产热，使音圈温度上升的比没有补偿时更快，本发明的温控冷却系统则能够保证音圈的温度稳定在较低的稳定水平，无论是否开启温漂补偿。因此，尽管普通的风冷散热结构能够起到一定的散热作用，但是为了使温度维持在较低水平以延长整个音圈电机的使用寿命，采用本发明的温控冷却系统仍然是有必要的。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改进的电磁脉冲振动治疗仪，其特征在于，包括：主机和手具，通过导气管将手具连接到主机；

在主机内包括控制器和通过弱电导线与控制器电连接的脉冲电源、警报器、冷气源；

手具包括在手具的壳体上设有用于控制手具启动和停止的脉冲开关，在手具的壳体内设有铁芯，铁芯的一端连接有脉冲波输出头，在铁芯的外侧设有音圈骨架，在音圈骨架的外表面设有音圈，音圈与铁芯构成音圈电机，在音圈的外表面设有与导气管连通的散热器，导气管的另一端与冷气源连通，在音圈骨架的外表面设有温度传感器；

控制器通过弱电导线与手具的脉冲开关、温度传感器电连接，脉冲电源通过强电导线与音圈电连接。

2.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，强电导线和弱电导线设置于导气管的管壁内部，与导气管的管壁一体成型。

3.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，散热器上设有散热鳍片，散热鳍片靠近导气管出风口，且沿气流方向设置。

4.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，音圈骨架为工字形的空心线轴，音圈由绕在线轴上的漆包线构成。

5.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，脉冲电源包括晶体管电压放大器和隔离变压器。

6.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，冷气源包括硅致冷片和风扇。

7.根据权利要求1所述治疗仪，其特征在于，在音圈骨架和散热器之间设有软磁套筒，音圈外侧与软磁套筒内侧以及软磁套筒外侧与散热器内侧通过导热层贴合。

8.根据权利要求7所述治疗仪，其特征在于，软磁套筒为开环结构，开口沿音圈的轴线设置。

9.通过权利要求1所述治疗仪的一种改进的电磁脉冲振动治疗仪的控制方法，其特征在于，包括：

(1)控制器读取手具内的温度传感器返回的温度值，与预设的温度阈值相比较，判断温度值所处的区间，并根据温度值调节冷气源的制冷功率；

(2)脉冲开关接通后，如果温度值在允许工作的范围内，控制器将温度值换算成电压补偿值，加载到脉冲电源，输出经过补偿的脉冲电压，并由音圈电机转化为脉冲式机械振动，如果温度值超出允许工作的范围，控制器切断脉冲电源的输出，并通过警报器发出警报信号。

10.根据权利要求9所述控制方法，其特征在于，控制器对脉冲电压的补偿方式包括调节脉冲电源的脉冲电压幅度和/或脉冲电压占空比。