微型医疗自动注射装置用静音空芯杯马达的研制项目案例

开发依据与背景

在微型医疗注射装置领域，经历了有针机械式注射器到无针机械式注射器的变化，近几年来又有许多医疗器械公司相继开始研发采用电动式的注射装置，但这种电动装置一般体积较大，一方面不利于携带，另一方面需要专业的医疗人员进行辅助作业，对于某些领域的使用存在局限，比如在糖尿病领域的胰岛素自动注射器。而作为此类装置的心脏驱动电机，大力矩，高转速和大体积已经不是考虑的重点，相反，结构体积小、能够快速驱动反应、噪音低、寿命长、高功率密度、综合稳定性优异等才是需要重点考量的因素。

目前某大型医疗器械公司正与我公司积极接洽，准备由我公司全面配合开发一种用于自动胰岛素注射的微型静音空芯杯马达，这种电机采用电池直流驱动，预期装在一个超小型的可携带装置上，内置胰岛素自动检测装置及预留注射器等配件，装置置于人体某部位，可以根据人体的胰岛素水平自动进行注射，大大降低了此类慢性病病人的不可预见风险和医治难度。

主要研发内容和结果

研发内容：

1.电机接触弹片开发设计

1）独创性地开发研究一种磷青铜材质L型结构接触弹片以替换电子线，弹片的厚度0.15mm，底层镀锡、表层镀金以增加接触弹片的导电性；

2）正负极弹片巧秒地设计出与后盖紧配的凸点结构，同时开发设计出一种新型的后盖，使弹片竖臂与后盖凹槽仿形配合，最大限度地保证结合的强度；

3）L型接触弹片竖臂与横臂呈95度角，从而保证装配时保有一定的预压量；同时，考虑到弹片本身易于变形，在结构上将正负极横臂进行假接，避免因后续生产和测试过程中因变形造成角度和一致性的偏离。

2. 静音匹配性优化设计

通过电机装配和结构工艺性的优化设计，包括轴承、转子组件、换向器及电刷等零部件公差和精度分析、装配生产工艺的优化分析、新材料和电机降噪材料的运用，从而设计开发出一种在8500±10% RPM转速下噪音水平可达42dBA以下的静音空芯杯马达。

3.基于一体化转子结构和高功率密度要求的转子绕线优化技术实现

低转速下的超微型空芯杯电机往往功率和功率密度达不到要求，传统的手工线圈排线方式不整齐且不合理，经常导致相间电阻变化大，转速变化大，电机运转不平衡加大，电机性能稳定性下降，线间短路等不良；通过开展空心杯绕线结构多目标函数最优化设计技术研究，我们计算出总匝数，节距，组数，每组最优的有效切割圈数和抽头数搭配；同时，利用电机的结构特点、外在性能要求和空间位置，优化设计出高精度的空芯杯转子制造模具和工装夹具，引进空芯杯转子线圈自动化生产设备，使平面线圈在成型心棒上绕制后压平，再卷曲成型为叠绕组电枢杯型，头尾相叠，粘接成转子杯，通过优化设计，使转子在有效减小磁路气隙的同时，大大增加了线圈切割磁场的有效长度，提高了永磁体的利用率，而且在同等有效切割磁力线状态下，电阻内阻小，能够大大减小铜损，提高功率密度。

研发结果：

项目在电机的结构、工艺和自动化实现等各方面进行了较为全面的分析研究，并且各个阶段都取得了良好的研究效果。目前至少研发出了3个系列型号超过20种规格的微型医疗自动注射装置用静音空芯杯马达。项目产品结构和工艺方面具有独创性，设备和工装的开发研发走在国内研究前列，产品总体尺寸小、效率和能量密度高、工艺与装配技术含量较高，性价比较高，重点研究电机的微型化、一体化和永磁化等内容。可以说国内目前进行此类电机的研究还处在开始阶段，对小型空芯杯微电机的研究，即使有所涉及，也只是其中的一小部分，像项目一样系统、全面、科学地进行研究尚属首例，涉及本项目主要特点的空心杯微电机的开发研究，未见文献报道。产品技术水平处于国内领先水平，完全可以替代进口产品。项目研发之产品非常适用于微型医疗驱动泵体，取得了市级成果鉴定和一项发明专利。