CN115776872A - 外科微型电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于致动外科工具或牙科工具的研磨刀(4)的旋转微型电机(10)，电机包括与定子(12)配合的转子(11)，电机的特征在于，转子(11)具有中空的中心管状部分，并且包括向外极化的哈尔巴赫阵列(61)。

Description

外科微型电机
技术领域
本发明涉及旨在用于牙科应用或外科应用的微型电机领域。更具体地，本发明涉及用于设置有空心轴的微型清理器的微型电机。
背景技术
已知具有常规(转子-定子)构造的外科电机或牙科电机，该常规构造的外科电机或牙科电机通常具有位于转子中的或者位于双极磁化或径向多极磁化的定子中的永磁体。若干磁极的存在使得能够获得更恒定的扭矩，但是需要在转子的层面上存在具有低矫顽力的铁磁性材料的块或层压部(μ金属(mu-metal)类型，或者优选地饱和较慢的硅铁或低碳钢)，以便闭合磁极之间的场线，并且因此不损失磁通强度，而磁通强度与所施加的电机扭矩相关。
然而，对于一些外科应用，优选的是，驱动轴在中心是空的，以便允许沿着集成的笔直通道抽吸在组织移除操作期间产生的碎屑，从而避免必须建造另一专用的排出通道并且防止这种通道被堵塞，该专用的排出通道需要额外的空间并使清洁操作变得复杂；例如，通常被称为“剃刀”的微型清理器就是这种情况。在这种情况下，当驱动轴与转子是一体的并且没有通过齿轮机构连接到转子时，有必要设置一定厚度的磁性材料，以便实现相对于内部的磁性屏蔽，以便不干扰液体抽吸流的流动，从而排出由操作产生的碎屑，然而这导致可用于布置磁体的体积的损失。
因此，适用于这种类型的工具的普通电机的缺点是磁通密度低于实心轴的磁通密度，这导致功率损失，从而降低性能。此外，磁体或多个磁体的构型导致它们处于非最佳磁化状态，这增加了去磁的风险。更具体地，对于多极转子的情况，所需的非常精确的构型使得转子的生产特别困难和昂贵。
对于较大的部件，基于哈尔巴赫阵列的圆筒形布置还已知例如用于将磁通量限制到中心，该基于哈尔巴赫阵列的圆筒形布置用于无刷电机。这些电机与常规的磁性布置相比具有更高的效率并且产生更高的扭矩，同时实现了相对于外部的自屏蔽。然而，这种电机难以小型化，因为为了避免端部效应，并且因为制造具有连续变化的场的圆筒的难度，电机通常被设计成分区段的。圆筒形哈尔巴赫阵列也可以用于制造磁性联接器，诸如例如在专利文献US8,596,999中描述的心脏泵的变体中的一种变体中。然而，这种类型的联接解决方案暗示具有相反磁通量的一对嵌套式同轴圆筒，其大部分很难与微型电机的操作限制相兼容。在美国专利US10,033,250中提供了可以使用哈尔巴赫阵列的机器的另一示例。
用于具有中心套管以接收钻具的外科手持件的微型电机也是已知的，诸如在文献CA3,073,178中描述的那些。
因此，需要没有这些已知缺点的解决方案。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种解决方案，该解决方案使得能够优化具有空心轴的电机(例如微型清理器或剃刀)的扭矩。
本发明的另一目的是能够生产更有效结构的多极转子，从而提供更好的传动效率。
根据本发明，这些目的通过设计成用于致动外科工具或牙科工具的研磨刀的旋转微型电机来实现，该电机包括与定子配合的转子，旋转电机的特征在于，转子具有中空的中心管状部分，并且包括向外极化的哈尔巴赫阵列。
所提出的解决方案的优点是，通过省去磁性材料的内部屏蔽护套，使磁体的可用体积最大化。
所提出的解决方案的另一优点是，同样由于消除了屏蔽护套，从而允许降低转子惯性，该屏蔽护套通常由诸如μ金属的磁性材料制成，并且因此相对较重。
本解决方案赋予的再一优点是在轴的周缘处的磁场线的致密化，这使得能够同时增加施加的扭矩，从而增加驱动功率。
根据优选的变体，转子的中空的中心管状部分是空心轴，该空心轴的内壁适于形成用于微型清理器的抽吸通道。
因此，与使用径向定向的磁体的常规解决方案相比，能够提高这种电机的性能，同时根据期望的流动特性优化空心轴的内管的给定直径。
根据更优选的实施例，空心轴的内壁由奥氏体不锈钢材料制成。
本解决方案的一个优点是有利于在无需另外的或专用的管的情况下进行清洁和消毒过程。
根据更优选的实施例，空心轴的内壁由疏水的和/或抗菌的材料制成和/或空心轴的内壁覆盖有疏水的和/或抗菌的涂层。
本解决方案的优点是，其有利于流体流动，和/或阻止血液和/或蛋白质沉积，和/或具有抗菌作用。因此，空心轴的内壁可以例如涂覆有基于氟化物的聚合物或基于氧化钛(TiO2)或其他钛化合物的薄层。
在优选实施例中，空心轴的所述内壁涂覆有交替的疏水层和亲水层。
疏水的或超疏水的区域与亲水的或超亲水的区域的交替布置进一步提高了清洁程序的效率。
根据又一优选实施例，微型电机还包括联接装置，该联接装置沿着转子的旋转轴线布置到研磨刀。
这种直接驱动布置消除了对电机和刀之间的任何中间齿轮机构的需要，一方面，直接驱动布置使手持件中所需的空间最小，另一方面，由于直接传动，直接驱动布置使功率损耗最小。
根据优选实施例，转子由单个多极环形成。这种一件式结构对于转子是有利的，因为一件式结构不需要组合先前磁化的材料块，从而避免了逐区段组装。
根据变体，转子由多个多极环形成，也就是说，由至少两个多极环形成。
根据这种变体，转子由两个或更多个多极环形成，这些多极环可以在轴向上一个安装在另一个上，或者简单地胶合在一起，或者在同一空心轴上被驱动。这对分区段实施的组装过程几乎没有影响；然而，因为对磁体的尺寸比有制造上的限制，所以这种轴向组装若干磁体的方法使得能够制造更长的电机。本解决方案还能够减少转子中的感应电流，这有助于减少损耗(与铁磁性部件的层压部相同的概念)。
根据另一优选实施例，转子由厚度不均匀的磁化板形成。
用于转子的这种布置的优点是其能够优化磁场的分布。
根据优选的变体，定子是带槽型的。
在这种类型的电机结构中，由于齿的存在，定子的体积更大，因此转子的体积更受限，并且因此由哈尔巴赫阵列的布置所带来的优点甚至更加重要，以便在保持电机效率的同时，使转子的中空管状部分的被可能用作内部抽吸通道的部段最大。
本发明还涉及用于旋转电机的转子，该转子与定子分开，其特征在于，转子包括向外极化的哈尔巴赫阵列，该元件可以与电机的其余部分分开生产和销售。
附图说明
其他有利的特征将从以下通过非限制性示例给出并且由所附附图表示的本发明的特定实施例的描述中更清楚地显现出来，在附图中：
图1是本发明范围内的使用空心杆的工具的示意图；
图2A和图2B是分别示出了本发明范围内的使用哈尔巴赫阵列的解决方案和在没有屏蔽的情况下使用径向布置的磁体的解决方案的示意图；
图3A和图3B分别示出了分别使用径向布置的磁体以及内部屏蔽护套的电机的剖视图，以及相比之下示出了用于转子的哈尔巴赫阵列；
图4A和图4B分别示出了可以用于本发明范围内的有槽和无槽(带槽和不带槽)的变体。
具体实施方式
在下文中，将提及根据本发明的微型电机的优选实施例，其中，该微型电机集成在微型清理器1中。
图1是这种外科工具的示意图，该外科工具通常被称为“剃刀”，旨在经由诸如研磨刀4的旋转碾磨/研磨工具来消除或分别去除诸如软组织的材料M，该研磨刀4在此处经由联接装置14直接联接到旋转电机10，该联接装置14诸如例如是插入刀的孔(凹元件)中的联接鼻(凸元件)。电机10通常包括围绕转子11同心布置的定子12，该转子11的中空的中心管状部分由空心轴111形成，该空心轴111的内壁111A构成对应于微型清理器的抽吸通道2的直线导管。
优选地，该管由旨在促进由位于过滤器单元5后面的泵3吸入的流体流动的材料或涂层制成，其中，废料沿研磨刀4上所示的箭头方向排放，并且该管对应于被吸入刀4内部的流体和废料M的路径，因此该刀4本身也具有中空形状。为此目的，可以使用使内壁111A疏水的层或表面处理；根据优选实施例，亲水性区域和疏水性区域甚至可以交替，以便在清理操作过程中分离血液和/或被去除或被分别撕掉的蛋白质的沉积物，这将有利于清洁操作。
根据优选实施例，抽吸通道2由奥氏体不锈钢制成，例如316L型或1.4301型，以便允许消毒操作，同时避免任何腐蚀。空心轴111的形成抽吸通道2的内壁111A可以优选地涂覆有氟化物基聚合物或氧化钛(TiO2)或钛的其它化合物的薄层，以便具有抗菌作用。
如图1所示的微型清理器1的优点在于：不需要齿轮机构来将电机的旋转传递到旋转碾磨工具，即磨刀4，该磨刀4经由沿着电机的旋转轴线(A-A)布置的联接装置14直接联接到电机。因此，与使用独立于围绕偏离研磨刀4的轴线旋转的旋转电机10的专用抽吸通道2的微型清理器不同，由于在旋转电机10和研磨刀4之间不再有任何中间齿轮机构，所以对空间的需求减小，并且传动质量提高。
此外，如下文所解释的，使用根据本发明的向外定向的哈尔巴赫阵列的旋转电机10允许最大效率，同时增加抽吸通道2的有效直径，该效率和抽吸通道2的有效直径是先前不能同时优化的两个参数。图2A和图2B提供了与常规磁化解决方案相比哈尔巴赫阵列如何工作的对比解释。
根据哈尔巴赫阵列的磁性构型的原理，磁化系统不是由两对或更多对磁极组成，而是由磁化的“块”或“区”的组合组成，该磁化的“块”或“区”的倾斜度适合于在不需要软铁磁性材料(软钢、μ金属)的情况下引起场线的自然闭合。如图2A所示，与如图2B所示的具有径向极化磁体6的常规磁化方案相比，哈尔巴赫阵列61使用一系列极化磁体，该一系列极化磁体旨在消除圆筒内部的场线并使场强增加至两倍(对应于磁场B的箭头加倍)，其中，场线在圆筒内部是闭合的，并且当希望防止圆筒内部的场的任何穿透时，特别是在当流体在圆筒内部流动时的情况下，如在图1所示的微型清理器1的情况下，这就要求通过合适的材料——诸如上述软铁磁性材料——使用磁性屏蔽。在图2A中，所示的每个磁化部分的方向彼此偏移90度；然而，在随后的图4A和图4B中，这些箭头的方向仅偏移45度，构思是表示沿着圆筒可能的场取向的最连续变化。
向外极化的哈尔巴赫阵列61由双极永磁体或多极永磁体组成。因此，根据本发明的转子可以例如根据以下实施例之一制造：
A)完全由一个或多个永磁体构成的转子；
B)由空心轴和位于空心轴的外部的一个或多个永磁体组成的转子，该空心轴由抗磁性、顺磁性或“弱”铁磁性材料(磁导率通常小于100)制成，空心轴位于转子的中心处并沿轴向方向延伸。根据这种实现方式，永磁体被胶合或驱动到内空心轴上；
C)由一个或多个永磁体和位于永磁体的组的外部的管道组成的转子，该管道由抗磁性、顺磁性或“弱”铁磁性材料(磁导率通常小于100)制成。根据这种方式，永磁体被胶合或驱动到外管道中。
根据本发明的转子的铁磁性材料、永久非磁化材料的质量百分比优选地低于10％。根据本发明的转子的永久磁化的铁磁性材料的质量百分比优选地高于70％。
根据最佳的构型，在距根据本发明的转子的外表面2mm的距离处的最大磁感应场——与定子的存在无关(即，例如，对于组装前独立的转子或拆卸-重新组装操作后的备件上的转子)——将优选地大于0.1T，甚至更优选地在0.2T和0.3T之间。
图3A和图3B示出了在本发明的范围内，如何通过将磁场限制在周缘来增加抽吸通道2的直径和增加旋转电机的扭矩。
在图3A中，转子11使用与定子12的线圈121配合的磁体60的径向布置，该定子12的层压层122也可以在一个区段中看到。转子11通过通常称为气隙8的间隙与转子隔开，并且在转子11内形成铁磁性材料的屏蔽层7。将图3A与图3B相比较，可以看出，除了构成厚度为Δ的环的屏蔽部7之外，转子11和定子12的所有构型元件都是相同的。这种厚度差使得能够在不影响电机的性能的情况下增加位于转子111内部的抽吸通道2的直径和形成抽吸通道2的空心轴的内壁111A的直径，因为通过哈尔巴赫阵列61朝向外部重新定向的场线使得能够在周缘处使场线密化，并因此成比例地增加电机扭矩，并因此增加传动效率。
根据优选实施例，根据本发明的转子的中空的中心管状部分的内径优选地大于3mm，并且电机扭矩优选地在10mNm和100mNm之间；根据特别优选的变体，电机扭矩在20mNm和25mNm之间。由于电机的这种构型，现在可以联合优化这两个参数，这两个参数以前是对立的，因此需要优先选择。
根据优选实施例，转子111可以由单个多极环形成，并且因此以完全整体的构型实现。然而，根据更优选的实施例，转子可以通过在空心轴111上驱动的至少两个多极环来实现，并且也可以由多个厚度不均匀的磁化板构成，以便根据与定子121的铁磁性部件的层压部——诸如对应于图3A和图3B中所示的元件122的层压部——相同的概念，在减少损耗的方向上发展。然而，在任一种情况下，基于厚度不均匀的磁化板形成多极环将是可能的；在单个环的情况下，这可以通过有凹部的形状来实现，并且在多个环以逐区段组装的方式端对端放置的情况下，不同区段之间的厚度可以变化，以便形成多阶圆筒，上述情况总是具有相同的目标，即沿着圆筒尽可能连续地改变场，并且因此在由转子驱动产生的扭矩方面优化性能。
图4A和图4B示出了可用于本发明的上下文中的两种定子变体，即，定子可与转子11配合，在该转子11中布置有哈尔巴赫矩阵。如在前面的图3A和图3B中，定子12包括与转子11配合的层压层122和线圈121，该转子11优选地构成空心轴，在该空心轴的中心设置有抽吸通道2。为了便于阅读，在图4A和图4B中没有提到转子11的所有元件，图4A和图4B仅意在描述两种不同类型的定子12，即有槽或无槽(“带槽”或“不带槽”)的定子12。转子11通过朝向定子12的内部的气隙8与定子12间隔开。
在对应于“无槽”模型的图4A中，定子磁轭由环形护套组成，而在对应于“有槽”模型的图4B中，不同系列的线圈布置在位于定子齿123之间的槽124中。对于相同的绕组值，带槽的设计在径向上更大，并且因此转子使用哈尔巴赫阵列来恢复由定子12修整的内部空间更加合适，这就是为什么图4A中的转子11的尺寸被有意地示出为比图4B中的转子11的尺寸大得多。
尽管上面描述的实施例是作为非限制性示例给出的，但是应当理解，这并不意味着是对所有可能实施例的详尽描述。本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以想到用等同的装置来替代所描述的装置。
附图标记或符号列表
1 微型清理器(剃刀)
10 电机
11 转子
111 空心轴
111A 内壁
12 定子
121 定子的线圈
122 定子的层压层
123 定子的齿
124 定子的槽
14 联接装置
2 抽吸通道
3 泵
4 刀
5 过滤单元
6 磁体
60 径向布置的磁体
61 向外极化的哈尔巴赫阵列
7 内屏蔽部
8 间距/气隙
A-A 电机的旋转轴线
M 待消除/清理的材料
B 磁场线
Δ 厚度差

Claims (13)

1.一种设计成用于致动外科工具或牙科工具的研磨刀(4)的旋转微型电机(10)，所述电机包括与定子(12)配合的转子(11)，所述旋转微型电机(10)的特征在于，所述转子(11)具有中空的中心管状部分，并且包括向外极化的哈尔巴赫阵列。
2.根据权利要求1所述的旋转微型电机(10)，所述转子(11)的所述中空的中心管状部分是空心轴(111)，所述空心轴(111)的内壁(111A)适于形成用于微型清理器(1)的抽吸通道(2)。
3.根据权利要求2所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述空心轴(111)的所述内壁(111A)由奥氏体不锈钢材料制成。
4.根据权利要求2或3所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述空心轴(111)的所述内壁(111A)由疏水的材料制成和/或覆盖有疏水的涂层。
5.根据权利要求2至4所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述空心轴(111)的所述内壁(111A)由抗菌的材料制成和/或覆盖有抗菌的涂层。
6.根据权利要求2至5所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述空心轴(111)的所述内壁(111A)覆盖有交替的疏水层和亲水层。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述旋转微型电机还包括联接装置(14)，所述联接装置(14)沿着所述转子(11)的旋转轴线(A-A)布置到所述研磨刀(4)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述转子(11)由单个多极环形成。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述转子(11)由至少两个多极环形成，所述至少两个多极环在所述空心轴(111)上被驱动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述转子(11)由具有凹槽形状的厚度不均匀的至少一个磁化环形成，或者由逐区段端对端放置的多个环形成，并且多个环各自的厚度根据区段而不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的旋转微型电机(10)，其特征在于，所述定子(12)是带槽型的。
12.一种微型清理器(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转微型电机(10)。
13.根据前述权利要求1至11中任一项所述的用于旋转微型电机(10)的转子(11)，其特征在于，所述转子(11)包括向外极化的哈尔巴赫阵列(61)。
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