经济型医用级电源:直流电机驱动的优选解决方案

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在各种医疗应用中,功能强大的直流电机扮演着不可或缺的角色。它们广泛用于医疗床和手术台的升降、旋转和倾斜等重型操作,精密手术机器人的操纵以及呼吸机的气压控制。直流电机凭借其出色的功率重量比、高可靠性和低速高扭矩等特性,成为机械臂和病床机械装置的理想之选。通过与合适的传动装置配合,还可用于透析和输血设备中精确泵送液体。

直流电机的缺点之一在于较大的启动电流,即浪涌电流。在直流电机运行过程中,其内部产生的反电动势(电磁力)会降低总体驱动电流。这种反电动势基于法拉第电磁感应定律产生,是电机结构本身所固有的特性,类似于发电机。 它与驱动电动势相反,两者之差决定了电机的有用功。
Line graph showing motor inrush current over time
图 1:直流电机启动浪涌电流(蓝色曲线)
然而,在静止状态下,静止转子并不提供发电机的功能,此时电机驱动电流仅受绕组直流电阻的限制。因此,浪涌电流很容易达到运行电流的三倍,即使只在电机启动阶段出现且持续时间很短(如图 1 所示)。

为降低电机启动电流峰值,其中一种方法是在电机上串联一个 PTC(正温度系数)电阻器。PTC 电阻器在低温时电阻值较高,因此在初始时会限制浪涌电流。随着电阻器温度上升,其电阻值逐渐降低,并允许标称电流通过。

以下示例中,采用 24 VDC、125W 电机,其浪涌电流为标称电流的三倍,持续时间为 200 ms。目标是将峰值电流降低 50%(图 1 中的绿色曲线)。
为确定所需的 PTC 电阻器规格,可按以下步骤进行计算:

步骤一:计算标称电流和浪涌电流。

步骤二:计算 PTC 的能量额定值:

步骤三:计算将浪涌电流峰值降低 50% 所需的 PTC 电阻:


阻值为 3 欧姆的 NTC 热敏电阻是合适的浪涌电流限制装置,其能量额定值至少为 100 J,稳定电流额定值至少为 6 A。即使将浪涌电流峰值限制为其原始值的 50%,电源仍需具备提供短时高启动电流的能力。


因此,我们需要的是提供高浪涌电流的 200 W 电源,而非提供稳定功耗的 125 W 电源。增加 PTC 的电阻值以进一步降低浪涌电流并非明智之举,因为这会导致串联电阻增加,进而影响电机性能,并可能在高负载条件下导致电机失速。与单纯为了应对浪涌电流而增加电源尺寸相比,更合理的方案是选择既能提供短时高浪涌电流,又能在负载故障时提供短路保护功能的电源。

RECOM 新推出的 RACM140E 系列电源正是这样的理想之选。它能持续提供 140 W 功率,并在长达 10 秒的时间内提供高达 210 W 的增强功率,从而轻松应对启动电流峰值和其他短暂的电机失速电流。此外,该电源还具备全面的保护机制,以应对连续输出短路和过流等情况。直流电动机在特定条件下,如负载突然断开或急剧减速时,会产生反电动势。此时,电动机和传动机构的动能会使电机变为发电机,导致反电动势超过驱动电动势,进而使电机两端的电压升高。
Diagram of a DC motor circuit with over-voltage detector
图 2:配备浪涌电流限制 PTC 电阻器和制动电阻电路(可选)的直流电机
虽然可以通过在电机上跨接电容器 (C1) 来吸收多余的能量,但这也会增加电机启动时的浪涌电流,因此电容器的电容必须控制在合理范围内。更优化的解决方案是,在电机两端安装一个制动电阻,用于消耗反电动势电压。只有当电机电压超过驱动电压时,该电阻才会通过 Q1 接入电路(如图 2 所示)。

AC/DC 电源 必须能应对反电动势产生的电机电压,无论是采用简单的电机电容器,还是更复杂的开关制动电阻方案。

RACM40E 系列具有输出过电压保护功能,其设置值远高于标称输出电压,因此能够安全应对电机产生的反电动势电压(详见表 1)

参数 型号 输出电压 过电压保护电平
过电压保护
(暂停模式)
RACM140E-12SK 12V 30V
RACM140E-15SK 15V 30V
RACM140E-24SK 24V 40V
RACM140E-36SK 36V 48V
RACM140E-48SK 48V 65V
表 1:RACM140E 系列输出过电压保护 (OVP) 电平

RACM140K 名称中的“M”代表“医疗 (Medical)”。该系列已通过医疗应用认证,具备 2MOPP 增强医疗隔离等级,为患者提供双重保障。同时,该系列还通过了 EN IEC 60601-1 和 ANSI/AAMI ES 60601-1 医疗安全认证,并符合 EMC 医疗标准 EN 60601-1-2。其对地输出泄漏电流低于 300 µA,适合与患者相连的身体绝缘 (BF) 应用,正常运行时触电流小于 100 µA。
RECOM's RACM140E-K with USPs listed
图 3:RACM140E-K(封闭式和开放式型号)
RACM140E 电源配有 Molex 型连接器、推入式配件或扁形接头,支持面板或机柜安装。其高度不超过 40 mm,完美适配 1HE 机架安装外壳。除医疗认证外,RACM140E 还通过了家庭 和工业安全认证以及 EMC 标准认证。在海拔 2000 米以下的运行条件下,其过压类别为 OVC III,在海拔 5000 米以下的运行条件下,其过压类别为 OVC II。

外形尺寸:
  • 封闭式: 147 x 81.5 x 40 mm
  • 开放式: 147 x 81.5 x 38 mm

为了简化系统集成,RACM140E 系列提供了充足的余量,轻松满足 EN55032“B 级”EMC 性能标准,并提高了浪涌和突发抗扰度保护等级。该系列支持通用输入电压范围,从 80 至 264 VAC 或 120 至 370 VDC,并可通过板载微调电位计将 12、15、24、36 或 48 VDC 的标称输出电压调高 20%。

RACM140E 电源结构紧凑,具有强大的峰值负载能力,通过医疗、家庭和工业安全认证及 EMC 标准认证,为用户提供卓越的成本效益。除了为直流电机供电外,该系列产品还在楼宇和家庭自动化医疗机器人、数据和电信、工业自动化、内部物流以及测试和测量等众多领域拥有广泛用途。
应用
  系列
1 AC/DC, Single Output, Connector RACM140E-K Series
重点
  • 高性价比和可靠性的设计
  • 升压功率可达 210 瓦(最长持续 10 秒)
  • 过压类别 OVC III;2000 米
  • 工作海拔高度为 5000 米