CN116191730A - 高速无刷电机及骨科手术用磨骨装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种高速无刷电机及骨科手术用磨骨装置，高速无刷电机包括：电机外壳、定子组件和转子组件；定子组件安装在电机外壳内，定子组件包括定子铁芯和设置在定子铁芯的内壁上的铜线包；转子组件包括转动轴、第一磁钢、固定座和第二磁钢；第一磁钢固定在转动轴上的外壁上，固定座上开设有通孔，固定座通过通孔套设在转动轴上，第二磁钢设置在固定座内，转动轴轴向贯穿定子铁芯且两端通过轴承转动连接在电机外壳上。本申请通过将设置有第一磁钢的转动轴轴向贯穿定子铁芯且在转动轴上套设内部设置有第二磁钢的固定座，使得无刷电机在一个方向上空间受限的情况下依然具有较高的输出力矩，从而在同等转速下能够达到更高的输出功率。

Description

高速无刷电机及骨科手术用磨骨装置
技术领域
本申请涉及医疗器械技术，尤其涉及一种高速无刷电机及骨科手术用磨骨装置。
背景技术
近年来，各种骨组织疾病日益增多，例如：骨质增生、骨关节炎、骨头萎缩或坏死、骨癌和骨折等，由此整形外科以及微创外科手术应运而生并蓬勃发展。在骨外科手术过程中，常采用钻削、磨削、铣削等方式，而采用钻削、磨削、铣削等方式进行骨科手术时不可避免的要用到动力装置，动力装置主要有有刷电机和无刷电机。其中，有刷电机是内含电刷装置的将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)的旋转电机；无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。相比有刷电机，无刷电机因具有1)无电刷、低干扰；2)噪音低，运转顺畅；3)寿命长，低维护成本等优点而受到广泛应用。
为了提高骨科手术中无刷电机的转速，现有的骨科手术用磨骨装置通常采取的措施是减小无刷电机的功率，以实现无刷电机在骨科手术过程中高速运行的目的，而无刷电机的功率小了，电机的惯量就小，使得在实际骨科手术过程中，医生往往感觉无刷电机的动力欠缺，造成手术加力减小，进而会延长手术时间，降低了高速骨科手术过程中钻削、磨削、铣削等的效率。
发明内容
本申请提供一种高速无刷电机及骨科手术用磨骨装置，用以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
第一方面，本申请提供一种高速无刷电机，包括：电机外壳、定子组件和转子组件；
所述定子组件安装在所述电机外壳内，所述定子组件包括圆筒形的定子铁芯和设置在所述定子铁芯的内壁上的铜线包；
所述转子组件包括转动轴、第一磁钢、固定座和第二磁钢；所述第一磁钢固定在所述转动轴上的外壁上，所述固定座上开设有通孔，所述固定座通过所述通孔套设在所述转动轴上，所述第二磁钢设置在所述固定座内，所述转动轴轴向贯穿所述定子铁芯且两端通过轴承转动连接在所述电机外壳上。
可选的，还包括散热组件；
所述散热组件包括内固定环、外固定环、多个风叶和多个散热孔；
所述内固定环套设在所述转动轴上，多个所述风叶的一端等间距设置在所述内固定环的外周壁上，多个所述风叶的另一端等间距设置在所述外固定环的内周壁上，多个所述散热孔均匀开设在所述电机外壳上，每个所述散热孔用于将所述无刷电机运行过程产生的热量排放至所述电机外壳外，每个所述散热孔上设置有滤网。
可选的，所述铜线包有多个，多个所述铜线包分别设置在所述定子铁芯的内壁上；
所述定子铁芯为铍镆合金材质制成。
可选的，还包括控制件；
所述控制件位于所述电机外壳外，所述控制件与多个所述铜线包电连接，用于控制多个所述铜线包的电流方向。
可选的，所述第一磁钢为新型强磁稀土材质制成的磁钢套，所述第一磁钢套设在所述转动轴上。
可选的，所述第一磁钢的两端分别与所述轴承之间设置有平衡套，所述平衡套套设在所述转动轴上。
可选的，所述定子铁芯的长度等于所述第一磁钢的长度。
可选的，所述第二磁钢有一个或多个，所述第二磁钢为传感器磁钢。
第二方面，本申请提供一种骨科手术用磨骨装置，包括连接件、磨骨刀头和上述任一项所述的高速无刷电机；
所述连接件的一端可拆卸连接在所述转动轴远离所述固定座的一端，所述连接件远离所述转动轴的一端连接所述磨骨刀头。
可选的，所述连接件包括拔叉和手柄；
所述拔叉的一端设置在所述转动轴上，所述拔叉的另一端与刀柄的一端卡接，所述刀柄的另一端设置有所述磨骨刀头。
1)本申请提供的高速无刷电机，通过将定子组件安装在电机外壳上的定子容纳空间内，定子组件中的定子铁芯和设置在定子铁芯内的铜线包用于待电流通过时产生感应电动势，实现电能量转换；转子组件贯穿定子铁芯，第一磁钢位于定子铁芯的内部，第二磁钢位于转子铁芯外部的转动轴上的固定座上，第一磁钢和固定座上的第二磁钢均随转动轴的转动而转动，第一磁钢和第二磁钢用于感应电动势且当通过电流时产生电磁转矩，而转动轴通过转动轴承与电机外壳转动连接且用于支撑转子的重量、传递转矩并输出机械功率，第一磁钢和第二磁钢的设置使得无刷电机在一个方向上空间受限的情况下依然具有较高的输出力矩，进而在同等转速下达到更高的输出功率。
2)本申请提供的骨科手术用磨骨装置，通过无刷电机的转动带动通过连接件与转动轴连接的磨骨刀头的转动，进而通过磨骨刀头的转动实现磨骨手术中的磨骨操作，由于无刷电机能够在一个方向上空间受限的情况下依然具有较高的输出力矩，使得无刷电机在同等转速下能够达到更高的输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的无刷电机的结构示意图；
图2为本申请另一实施例提供的无刷电机的内部结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的定子组件的结构示意图；
图4为本申请另一实施例提供的定子组件的截面展开示意图；
图5为本申请另一实施例提供的定子组件的俯视图；
图6为本申请另一实施例提供的转子组件的内部结构示意图；
图7为本申请另一实施例提供的骨科手术用磨骨装置的结构示意图。
图中：100、电机外壳；101、散热孔；200、定子组件；201、定子铁芯；202、铜线包；300、转子组件；301、转动轴；302、第一磁钢；303、固定座；304、第二磁钢；305、轴承；306、平衡套；400、散热组件；401、内固定环；402、外固定环；403、风叶；500、拔叉；501、销孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，也属于本申请保护的范围。
磁钢：一般是指铝镍钴合金(磁钢在英文中AlNiCo即铝镍钴的缩写)，磁钢是由几种硬的强金属，如铁与铝、镍、钴等合成，有时是铜、铌、钽合成，用来制作超硬度永磁合金。
定子铁芯：是构成电机磁通回路和固定定子线圈的重要部件，它由冲片及各种紧固件压紧构成一个整体。
参考图1至图6，第一方面，本申请提供一种高速无刷电机，包括：电机外壳100、定子组件200和转子组件300。
定子组件200固定安装在电机外壳100内，电机外壳100内安装定子组件200的空间形成了定子容纳空间，定子组件200包括圆筒形的定子铁芯201和设置在定子铁芯201的内壁上的铜线包202；其中，定子组件200中的定子铁芯201和设置在定子铁芯201内的铜线包202用于待电流通过时产生感应电动势，实现电能量转换。
转子组件300包括转动轴301、第一磁钢302、固定座303和第二磁钢304；第一磁钢302固定在转动轴301的外壁上，固定座303上开设有通孔，固定座303通过通孔套设在转动轴301上，第二磁钢304设置在固定座303内，转动轴301轴向贯穿定子铁芯201且两端通过轴承305转动连接在电机外壳100上，电机外壳100内安装轴承305的空间形成了轴承安装空间；其中，转子组件300贯穿定子铁芯201，第一磁钢302位于定子铁芯201的内部，第二磁钢304位于定子铁芯201外部的转动轴301上的固定座303内，第一磁钢302和固定座303上的第二磁钢304均随转动轴301的转动而转动，第一磁钢302和第二磁钢304用于感应电动势且当通过电流时产生电磁转矩，而转动轴301通过轴承305与电机外壳100转动连接且用于支撑转子组件300的重量、传递转矩并输出机械功率，第一磁钢302和第二磁钢304的设置使得无刷电机在一个方向上空间受限的情况下依然具有较高的输出力矩，进而在同等转速下达到更高的输出功率。
具体的，本申请中的第二磁钢304为传感器磁钢，第一磁钢302设置在转动轴301上，第二磁钢304设置固定座303上内，当转动轴301在磁场作用下转动的过程中，第一磁钢302随着转动轴301的转动而转动，当第一磁钢302转动时，第二磁钢304可以感应到第一磁钢302的存在，第二磁钢304会检测并输出第一磁钢302的转速信号，因此，无刷电机中的转动轴301每转一圈，第二磁钢304就能得到一个转速信号，即通过第二磁钢304可以实时检测出无刷电机的转速。
现有的骨科手术用磨骨装置中采用的无刷电机在工作时尤其是在长时间的工作时，其周围会散发较多的热量，热量会集中在无刷电机的内部以及周侧，长此以往易影响无刷电机的正常工作，严重时还易导致无刷电机因过热而损坏，造成不必要的经济损失。基于此，本申请采用如下技术方予以实现：
在一些实施例中，本申请中的无刷电机还包括散热组件400；具体的，散热组件包括内固定环401、外固定环402、多个风叶403和多个散热孔101；具体的，内固定环401套设在转动轴301上，多个风叶403的一端等间距设置在内固定环401的外周壁上，多个风叶403的另一端等间距设置在外固定环402的内周壁上，多个散热孔101均匀开设在电机外壳100上，每个散热孔101用于将无刷电机运行过程产生的热量排放至电机外壳100外，以此降低无刷电机运行过程中的温升，大大减少热量对无刷电机的影响，进而能够延长无刷电机的使用寿命。每个散热孔101上设置有滤网，其中，滤网可以避免电机外壳外的杂质(比如：灰尘等)进入到电机外壳100内并附着在电机外壳100内的各部件上，长期附着会对各部件造成堵塞等，进而会影响外机外壳100内各部件的正常运行。滤网的孔径大小可供电机外壳100内的热量散发出去，而电机外壳100外的杂质不能通过滤网进入到电机外壳100内，滤网的孔径可根据实际需要进行限定，只要能够达到上述目的即可。
可选的，散热孔101还可用于通过抽风管道连接抽风机，利用抽风机将电机外壳100内的热量抽出，以此将电机外壳100内无刷电机运行过程中产生的热量快速从电机外壳100内抽出，降低无刷电机运行过程中的温升，大大减少热量对无刷电机的影响，进而能够延长无刷电机的使用寿命。
上述实施例中，多个风叶403等间距固定在内固定环401和外固定环402之间，而内固定环401套设在转动轴301上，转动轴301的转动带动内固定环401、外固定环402以及内固定环401和外固定环402之间的风叶403进行旋转，风叶403在旋转过程中将无刷电机在运行过程中产生的热量通过电机外壳100上的散热孔101排出电机外壳100外，风叶403由耐高温材质制成，风叶403的个数可根据实际需要进行限定，本申请在此不作具体限定。
在一些实施例中，本申请中的铜线包202有多个，多个铜线包202分别设置在定子铁芯201的内壁上；其中，多个铜线包202均匀分布在定子铁芯201的内壁上，进而使得产生的磁场强度更稳定。
定子铁芯201的内壁上均匀开设有多个嵌设槽，多个嵌设槽与多个铜线包202一一对应，每个嵌设槽内嵌设有一个铜线包202；其中，铜线包202通电后在电流作用下可以产生磁场。
定子铁芯201为铍镆合金材质制成，而铍镆合金具有高磁通率和极小的漏磁性能，进而确保了无刷电机具有足够的磁场强度。
在一些实施例中，本申请中的高速无刷电机还包括控制件；具体的，控制件位于电机外壳100外，控制件与多个铜线包202电连接，用于控制多个铜线包202的电流方向。其中，控制件可以为编码器或驱动电路和电缆引线等中的任意一种，当控制件为编码器时，编码器与铜线包电连接，用于控制铜线包202的电流方向，在电流作用下产生磁场进而驱动转动轴301的转动；当控制件为驱动电路和电缆引线时，驱动电路通过电缆引线与铜线包202电连接，用于控制铜线包202的电流方向，在电流作用下产生磁场进而驱动转动轴301的转动。
在一些实施例中，本申请中的第一磁钢302为新型强磁稀土材质制成的磁钢套，第一磁钢302套设在转动轴301上，其中，新型强磁稀土具有体积小、重量轻和磁性强的优点，因此，由新型强磁稀土材质制成的第一磁钢302使得无刷电机能够产生足够的磁场，且使得无刷电机的质量较轻便于使用。
在一些实施例中，本申请中的第一磁钢302的两端分别与轴承305之间设置有平衡套306，平衡套306套设在转动轴301上，也就是说，本申请中设置有两个平衡套306，其中，两个平衡套306均为金属铜制成，两个平衡套306与转动轴301上设置的轴承305的轴向压力具备一致性，能够有效保护轴承305，不仅能够降低转动轴301转动过程产生的噪音还保证了转动轴301的动平衡度。
在一些实施例中，本申请中的定子铁芯201的长度等于第一磁钢302的长度，这样可以保证整个第一磁钢302是位于定子铁芯201的内部的，可以使得第一磁钢302在定子铁芯201的作用下产生足够强度的磁场，确保转动轴301的转动扭矩，进而确保无刷电机的转速和功率。
在一些实施例中，本申请中的第二磁钢304有一个或多个，当第二磁钢304有多个时，多个第二磁钢304围绕通孔等间距设置在固定座303内；
第二磁钢304为传感器磁钢，具体的第二磁钢304可以为霍尔传感器磁钢，目的是在转动轴301转动过程中感应设置在转动轴301上的第一磁钢302的转速，本申请在此不对第二磁钢304的种类作具体限定。
本申请提供的无刷电机的具体工作原理如下：
将多个铜线包202依次嵌设在定子铁芯201内壁上的嵌设槽内，每个嵌设槽内嵌设一个铜线包202，再将定子铁芯201安装在电机外壳100内；将第一磁钢302套设在转动轴301上并将两个平衡套306分别套设在转动轴301上第一磁钢302的两端，将套设有第一磁钢302和平衡套306的转动轴301贯穿定子铁芯201；将多个第二磁钢304围绕固定座上开设的通孔等间距设置在固定座303内，将设置有第二磁钢304的固定座303通过通孔套设在转动轴301上；将多个风叶403等间距设置在内固定环401的外周壁和外固定环402的内周壁之间，再将内固定环401套设在转动轴301上，将转动轴301的两端通过轴承305与电机外壳100内的轴承安装空间转动连接；将多个铜线包202分别与控制件电连接，通过控制件控制多个铜线包202的电流方向，定子铁芯201和转动轴301上的第一磁钢302和第二磁钢304在电力作用下产生磁场，进而驱动转动轴301的转动，以此实现无刷电机的旋转。
参考图7，第二方面，本申请提供一种骨科手术用磨骨装置，包括连接件、磨骨刀头600和上述任一项所述的高速无刷电机；具体的，连接件的一端可拆卸连接在转动轴301远离固定座303的一端，连接件远离转动轴301的一端连接磨骨刀头。其中，本申请提供的骨科手术用磨骨装置，通过无刷电机的转动带动通过连接件与转动轴301连接的磨骨刀头的转动，进而通过磨骨刀头的转动实现磨骨手术中的磨骨操作，由于无刷电机能够在一个方向上空间受限的情况下依然具有较高的输出力矩，使得无刷电机在同等转速下能够达到更高的输出功率且散热组件400能够将无刷电机运行过程中产生的热量及时散发至电机外壳100外，降低了无刷电机运行过程中的温升，大大减少热量对无刷电机的影响，进而能够延长无刷电机的使用寿命。即本申请提供的骨科手术用磨骨装置在实际使用过程中不仅可以在同等转速下能够达到更高的输出功率，使得在磨骨手术中可以产生足够的磨骨动力，还能使得骨科手术用磨骨装置的热量及时散失。
在一些实施例中，本申请中的连接件包括拔叉500和刀柄；具体的，拔叉500的一端设置在转动轴上，拔叉500的另一端与刀柄的一端卡接，刀柄的另一端设置有磨骨刀头。其中，拔叉上开设有销孔501，销轴贯穿销孔501将刀柄的一端固定在拔叉500上，磨骨刀头可拆卸连接在刀柄上，这样可以便于更换磨骨刀头，电机带动固定在刀柄上的磨骨刀头旋转，刀柄与电机可拆卸，便于使用不同的刀柄，磨骨刀头可拆卸连接在刀柄上，可以便于更换磨骨刀头，且在骨科手术结束后，可以快速将磨骨刀头从刀柄上拆卸下来，便于对磨骨刀头进行清洗并对清洗后的磨骨刀头进行收纳，提高了骨科手术用磨骨装置的使用的便捷性和灵活性。
本申请提供的骨科手术用磨骨装置的具体工作原理如下：
骨科手术开始前，将手柄插到电机上，使手柄通过拔叉与电机的转动轴连接，并将磨骨刀头固定在刀柄的一端，打开无刷电机，通过无刷电机的转动轴301带动固定在转动轴301上的拔叉500的转动，再通过拔叉500的转动带动刀柄以及固定在刀柄上的磨骨刀头的转动，通过磨骨刀头的转动实现骨科手术中的磨骨操作。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高速无刷电机，其特征在于，包括：电机外壳(100)、定子组件(200)和转子组件(300)；
所述定子组件(200)安装在所述电机外壳(100)内，所述定子组件(200)包括圆筒形的定子铁芯(201)和设置在所述定子铁芯(201)的内壁上的铜线包(202)；
所述转子组件(300)包括转动轴(301)、第一磁钢(302)、固定座(303)和第二磁钢(304)；所述第一磁钢(302)固定在所述转动轴(301)上的外壁上，所述固定座(303)上开设有通孔，所述固定座(303)通过所述通孔套设在所述转动轴(301)上，所述第二磁钢(304)设置在所述固定座(303)内，所述转动轴(301)轴向贯穿所述定子铁芯(201)且两端通过轴承(305)转动连接在所述电机外壳(100)上。
2.根据权利要求1所述的高速无刷电机，其特征在于，还包括散热组件(400)；
所述散热组件(400)包括内固定环(401)、外固定环(402)、多个风叶(403)和多个散热孔(101)；
所述内固定环(401)套设在所述转动轴(301)上，多个所述风叶(403)的一端等间距设置在所述内固定环(401)的外周壁上，多个所述风叶(403)的另一端等间距设置在所述外固定环(402)的内周壁上，多个所述散热孔(101)均匀开设在所述电机外壳(100)上，每个所述散热孔(101)用于将所述无刷电机运行过程产生的热量排放至所述电机外壳(100)外，每个所述散热孔(101)上设置有滤网。
3.根据权利要求1所述的高速无刷电机，其特征在于，所述铜线包(202)有多个，多个所述铜线包(202)分别设置在所述定子铁芯(201)的内壁上；
所述定子铁芯(201)为铍镆合金材质制成。
4.根据权利要求3所述的高速无刷电机，其特征在于，还包括控制件；
所述控制件位于所述电机外壳(100)外，所述控制件与多个所述铜线包(202)电连接，用于控制多个所述铜线包(202)的电流方向。
5.根据权利要求1所述的高速无刷电机，其特征在于，所述第一磁钢(302)为新型强磁稀土材质制成的磁钢套，所述第一磁钢(302)套设在所述转动轴(301)上。
6.根据权利要求5所述的高速无刷电机，其特征在于，所述第一磁钢(302)的两端分别与所述轴承(305)之间设置有平衡套(306)，所述平衡套(306)套设在所述转动轴(301)上。
7.根据权利要求5所述的高速无刷电机，其特征在于，所述定子铁芯(201)的长度等于所述第一磁钢(302)的长度。
8.根据权利要求1至7任一项所述的高速无刷电机，其特征在于，所述第二磁钢(304)有一个或多个，所述第二磁钢(304)为传感器磁钢。
9.一种骨科手术用磨骨装置，其特征在于，包括连接件、磨骨刀头(600)和权利要求1至8任一项所述的高速无刷电机；
所述连接件的一端可拆卸连接在所述转动轴(301)远离所述固定座(303)的一端，所述连接件远离所述转动轴(301)的一端连接所述磨骨刀头(600)。
10.根据权利要求9所述的骨科手术用磨骨装置，其特征在于，所述连接件包括拔叉(500)和刀柄；
所述拔叉(500)的一端设置在所述转动轴上，所述拔叉(500)的另一端与刀柄的一端卡接，所述刀柄的另一端设置有所述磨骨刀头。
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