磁懸浮自動注射器驅(qū)動模型設(shè)計

吳 芮，劉澤旭，張守京

（西安工程大學機電工程學院，西安 710048）

0 引言

注射器是日常醫(yī)療過程中不可或缺的工具，常見的一次性無菌注射器使用是醫(yī)護人員利用活塞推桿擠壓藥劑使其通過針管注射入體內(nèi)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新的醫(yī)療手段也在持續(xù)更新，這對注射器在特定環(huán)境下的安全、高效和精確以及除醫(yī)護人員外的使用人員的專業(yè)性等方面提出了更高的要求，因此對于新型自動注射器驅(qū)動方式的研究也越來越迫切。目前的自動注射器研究主要分為有針和無針2 個方面。

（1）有針注射器。國內(nèi)對有針自動注射器的研究較為成熟，尤其是在禽類、畜類養(yǎng)殖的疫苗接種及醫(yī)學檢驗造影劑注射[1]等方面有多個應(yīng)用。李開元等[2]設(shè)計了一種全自動胰島素注射器，該裝置利用安培力使針頭穿刺皮膚、步進電動機推注藥劑，可以減小注射痛感、精確控制藥液量，但其研究并不深入。英國Goossens 等[3]設(shè)計了一種自動針頭縮回的注射器，當藥劑注射完全后針頭自動脫落更換，提高了安全性。浙江大學的葉陳吉[4]設(shè)計了一種禽用有針自動注射器，出口流道大于1 mm，且注射過程溶液溫度上升為0.04～0.45 ℃，對多數(shù)藥劑并無影響，適用于多場合、無電源的連續(xù)注射。Jafarzadeh 等[5]設(shè)計了三相步進電動機驅(qū)動的有針自動注射器，通過設(shè)計相應(yīng)控制算法，其注射速度最快可達0.17 mL/s。目前我國市場上的有針注射器多是彈簧或電動機驅(qū)動，受彈簧剛度和電動機控制性能影響，存在注射精度低、低速時振動以及沖擊較大的問題，在注射要求較高的場合中使用受限。

（2）無針注射器。無針注射器是將注射液通過噴嘴形成高壓、高速的噴射流直接注入到皮下、皮內(nèi)組織的醫(yī)療器械，其具有痛感小、吸收快、安全性高的優(yōu)點，根據(jù)驅(qū)動方式不同主要分為彈簧動力式、高壓氣動式、音圈電動機驅(qū)動式等[6]。國外對無針注射器的研究起步較早，對驅(qū)動原理與結(jié)構(gòu)、噴射流參數(shù)、藥劑作用效果等方面探究較多[7-9]。英國Weston Medical 以及美國Equidyne 等數(shù)十家公司已研制生產(chǎn)出多種無針注射器[6]。國內(nèi)對無針注射器的研究較少。華中科技大學的彭睿[10]簡化了彈簧式無針注射器結(jié)構(gòu)，根據(jù)對噴射流模型、藥劑擴散的研究得出彈簧剛度應(yīng)在3 871～4 600 N/m，藥劑為球形或半球形擴散。杭州電子科技大學的陳凱等[11]構(gòu)建了音圈電動機驅(qū)動的無針注射器，噴射壓力可達18 MPa，其雙向可控、壓力可調(diào)的特點彌補了彈簧式無針注射器的不足。蘇州大學陳添禹等[12]設(shè)計了一種噴射流速峰值為123.6 m/s 的磁阻式電磁蓄能無針注射器，可以解決機械式無針注射器調(diào)節(jié)難、體積大和機構(gòu)復(fù)雜的問題。無針注射器雖然優(yōu)勢眾多，但要求初始注射時保持高速、高壓，對活性低、溶解度小的注射劑并不適用，并且其結(jié)構(gòu)普遍較為復(fù)雜，制造成本較高。

本文將洛倫茲力磁懸浮技術(shù)引入到注射器中，提出一種洛倫茲力型磁懸浮自動注射器驅(qū)動模型。由于模型懸浮驅(qū)動，可以消除機械傳動有針自動注射器存在的振動、沖擊，并且該驅(qū)動模型力與電流呈線性關(guān)系，控制系統(tǒng)更加簡單、控制精度更高。同時，由于不需要將注射液高速噴出，可以適用于多種類型的注射劑與注射環(huán)境。

1 驅(qū)動原理與結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動原理

磁懸浮技術(shù)可根據(jù)驅(qū)動原理分成磁阻力型和洛倫茲力型[13-14]，其中洛倫茲力型由于力與電流有較好的線性關(guān)系，具有響應(yīng)迅速、模型簡單以及控制精度高的優(yōu)點。洛倫茲力原理如圖1 所示。洛倫茲力表達式為

圖1 洛倫茲力原理示意圖

式中，f 為洛倫茲力；q為電荷帶電量；v 為電荷運動速度；B 為磁感應(yīng)強度。

由于電流是大量電荷運動形成，洛倫茲力在宏觀電流上表現(xiàn)為安培力，安培力表達式為

式中，F(xiàn) 為安培力；I 為電流大??；l 為導(dǎo)線長度。

1.2 結(jié)構(gòu)

本研究基于電荷在磁場中受洛倫茲力作用提出如圖2 所示的磁懸浮自動注射器驅(qū)動結(jié)構(gòu)原理圖，由永磁體、磁軛、線圈、活塞推桿、針筒、外殼、位置傳感器、控制器和功率放大器等構(gòu)成。

圖2 磁懸浮自動注射器驅(qū)動結(jié)構(gòu)原理圖

利用4 個永磁體布置2 個近似均勻而磁感應(yīng)強度相反的磁場，其中上側(cè)磁場磁感應(yīng)強度方向向右、下側(cè)磁場磁感應(yīng)強度方向向左；將一個方形線圈的上下兩端導(dǎo)線置于2 個磁場的有效范圍內(nèi)，給線圈通入電流使線圈上端導(dǎo)線電流流出、下端導(dǎo)線電流流入，則線圈受安培力作用；由于線圈上下兩端的電流方向相反且磁場方向相反，線圈上下兩端導(dǎo)線受安培力大小相等、方向均向上，若通入的電流反向，則線圈受向下的安培力；線圈兩側(cè)導(dǎo)線分布寬度大于永磁體寬度，所以兩側(cè)導(dǎo)線始終處于磁場的外部而不會受到力作用，確保線圈只能上下直線運動。

將4 個正對的永磁體安裝在2 塊磁軛上，使模型驅(qū)動系統(tǒng)的磁路閉合，更高效利用磁場產(chǎn)生電磁力，并連同針筒組成定子；活塞推桿固定在方形線圈上組成動子，并使線圈上下兩端導(dǎo)線在運動過程中始終處于有效磁場范圍內(nèi)；當給線圈通入直流電后活塞推桿會產(chǎn)生位移，通過位置傳感器實時采集活塞推桿位置信號，經(jīng)過控制器分析運算后輸出控制電流；控制電流再經(jīng)過功率放大器放大后輸入到線圈進行驅(qū)動，從而完成注射工作，整個驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于該模型存在永磁體產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場，為避免注射器實際使用及存放中與環(huán)境或其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，需要利用隔磁外殼（如鋁殼）將線圈、永磁體和磁軛包裹，防止磁場相互耦合對模型精度產(chǎn)生影響。

該結(jié)構(gòu)下通過控制電流使線圈直接帶動推桿懸浮運動，整個過程不存在機械傳動，沒有剛性沖擊與振動，與彈簧、電動機驅(qū)動的注射器相比注射過程更加平穩(wěn)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)磨損更小。同時，驅(qū)動力由控制電流決定，針對不同注射環(huán)境的調(diào)節(jié)更加便捷、迅速。

2 數(shù)學模型建立

2.1 受力分析

模型整體受力分析圖如3 所示。動子運動過程中會受到電磁力、摩擦力、重力以及推桿活塞的軸向壓力，動子所受合力F合表達式為

式中，N 為線圈的匝數(shù)；I1、I2為線圈上、下端電流，大小相等、方向相反；L 為磁場中線圈的有效長度；B1、B2為上、下磁場的磁感應(yīng)強度，大小相等、方向相反。

圖3 模型受力分析圖

在該模型中穩(wěn)恒磁場由永磁體提供，若忽略漏磁磁阻，其磁感應(yīng)強度B1、B2大小可以由氣隙磁感應(yīng)強度表達式計算：

公式（6）僅為近似計算使用，工程實際計算磁感應(yīng)強度B 較為復(fù)雜，通常采用電磁有限元軟件進行仿真計算。

活塞推桿在運動過程中處于懸浮狀態(tài)，除針筒的徑向支撐外幾乎無剛性接觸。本文將活塞推桿在運動過程中受到的摩擦力f 與軸向壓力FN的共同作用看作是系統(tǒng)的一個阻力Fd，則系統(tǒng)所受合力表達式可簡化為

2.2 系統(tǒng)運動方程

將活塞推桿與線圈等效為一個質(zhì)量塊，根據(jù)公式（7）和牛頓第二定律系統(tǒng)可得動子運動微分方程為

式中，M 為系統(tǒng)總質(zhì)量；x¨為系統(tǒng)加速度。

將公式（4）、（5）代入公式（9），得到系統(tǒng)整體的運動方程為

式中，V 為注射量；s 為針管截面積；h 為活塞推桿行程；r 為針管半徑；t 為注射時間。

3 電磁有限元分析

3.1 電磁場建模與分析

本文設(shè)計的磁懸浮自動注射器模型由永磁體提供穩(wěn)定磁場使通電線圈在安培力作用下帶動活塞推桿運動，對模型磁場的分析可以為后續(xù)驅(qū)動參數(shù)的選擇和控制過程提供合理依據(jù)。前期查閱資料發(fā)現(xiàn)，對永磁體磁場的建模和理論分析較為復(fù)雜，且忽略了材料非線性特性、漏磁等[15]，因此本文采用有限元軟件對模型電磁場進行分析，其計算精度高，適合模型初期的設(shè)計。

根據(jù)磁懸浮技術(shù)的驅(qū)動原理，采用二維平面靜態(tài)磁場有限元模型進行分析，模型為Plane13，為四邊形13 節(jié)點單元。定義模型材料參數(shù)如下：空氣相對磁導(dǎo)率為1.000；永磁體材料選釹鐵硼，其剩磁為1.17 T，內(nèi)稟矯頑力為844 000 A/m，相對磁導(dǎo)率為1.103；線圈匝數(shù)為200 匝，相對磁導(dǎo)率為1.000；磁軛相對磁導(dǎo)率為4 000。模型有限元網(wǎng)格如圖4 所示。

圖4 模型有限元網(wǎng)格

對磁場有限元模型求解后，驅(qū)動器磁場有限元仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖5（a）可看出，磁力線沿磁軛以及2 個永磁體正對的氣隙處閉合，漏磁較少；由圖5（b）可看出，2 組永磁體正對區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度較大，且分布較為均勻。

圖5 磁場有限元仿真結(jié)果

定義模型最下側(cè)為“零”位，模型氣隙中部區(qū)域的徑向磁感應(yīng)強度變化曲線如圖6 所示?？梢钥闯瞿Ｐ痛鸥袘?yīng)強度在上下永磁體中各有一段平穩(wěn)期，磁感應(yīng)強度大小穩(wěn)定在0.83 T。將注射器行程設(shè)計在該區(qū)域內(nèi)即可驅(qū)動活塞推桿完成注射動作。

圖6 徑向磁感應(yīng)強度變化曲線

給線圈通入1.5 A 電流，根據(jù)ANSYS 軟件的電磁力仿真結(jié)果，軸向有磁場對線圈產(chǎn)生的向上單位長度安培力FY/L=393.30 N/m；徑向有永磁體對線圈產(chǎn)生的向左單位長度磁阻力FX/L=-0.021 43 N/m，較小，可忽略。

3.2 驅(qū)動力分析

根據(jù)GB 15810—2019《一次性使用無菌注射器》[16]，可知普通注射器側(cè)向摩擦力最大為3 N，軸向最大壓強為0.3 MPa，注射要求最大初始力為30 N，假設(shè)噴口出口半徑為2.1×10-4m，則需要的最大驅(qū)動力為

式中，F(xiàn)需為需要的最大驅(qū)動力；F初為最大初始力；P軸為軸向最大壓強；S 為噴口截面積。

根據(jù)上一節(jié)的計算，假設(shè)磁場中導(dǎo)線有效長度為0.1 m，本文設(shè)計的磁懸浮自動注射器驅(qū)動模型可提供的最大驅(qū)動力為

式中，F(xiàn)驅(qū)為最大驅(qū)動力；l 為線圈導(dǎo)線有效長度。

由此計算可知當給線圈通入1.5 A 電流時，本模型產(chǎn)生的驅(qū)動力完全可以驅(qū)動活塞推桿完成注射動作。

4 結(jié)語

本文基于線圈在磁場中受洛倫茲力提出了一種磁懸浮自動注射器驅(qū)動模型，模型結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)程序化控制且系統(tǒng)線性度好。通過ANSYS 軟件對模型磁場、電磁力進行分析，結(jié)果顯示磁場均勻穩(wěn)定，磁感應(yīng)強度保持在0.83 T，電磁驅(qū)動力可達39.33 N，能滿足注射要求。本驅(qū)動模型將為消除機械傳動類注射器摩擦、振動和沖擊的研究提供新的思路和方法，但目前在高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計以及實物實驗方面還有待完善，本文提出的理論與仿真結(jié)果可為下一步的研究提供理論參考。