일회용 수술용 전동 공구를 위한 브러시 DC 모터와 브러시리스 DC 모터

일회용 도구는 비용 및 위생상의 이점으로 인해 수술용 핸드 툴스 시장에서 빠르게 성장하는 부문입니다. 도구 설계 엔지니어가 모터 기술에서 특히 브러시 DC 또는 브러시리스 DC 모터 중 하나를 선택하는 것은 중요한 부분입니다.

수술용 전동 공구 설계자는 일회용 또는 재사용 가능한 설계 방식 중 하나를 선택해야 합니다. 부품 설계 및 제조 기술의 발전으로 한 번의 수술 후 도구를 폐기할 수 있는 가격으로 복잡한 수술을 수행하는 데 필요한 기능을 갖춘 장비를 생산하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 발전은 모터로 확장됩니다. 브러시 DC 및 BLDC(브러시리스 DC) 모터 모두에 대한 설계 및 제조 개선으로 인해 가격이 낮아지는 동시에 성능이 향상되어 일회용 디자인으로 수술 도구 당 비용을 충분히 낮출 수 있습니다. 또한 일부 도구의 경우 불충분한 살균으로 인한 감염 위험을 제거하여 안전성을 높일 수 있습니다.

일회용 도구에 대한 모터 성능 요구 사항

재사용 가능 및 일회용 수술 도구에 대한 모터 성능 요구 사항은 비슷하지만, 수명과 비용 요구 사항은 크게 다릅니다. 재사용 가능한 도구로 지정된 모터는 수백 또는 수천 번의 수술에 대한 수명 요구 사항이 필요할 수 있으므로 이 뛰어난 성능을 제공하려면 프리미엄 구성 요소와 재료를 사용해야 합니다. 단 한 번의 수술용일지라도 일회용 도구를 위한 모터도 비슷한 성능을 제공해야 합니다. 그리고 대량으로 경쟁력 있는 가격으로 사용할 수 있어야 합니다.

일회용 도구용 모터를 지정할 때 설계 엔지니어는 고급 BLDC 기술에 비해 기존 브러시 DC 모터의 가능한 이점을 고려해야합니다. 설계의 특성과 내재된 신뢰성 이점으로 인해 BLDC 모터는 재사용 가능한 전동 공구에 일반적으로 사용됩니다. 하지만, BLDC의 이점으로 인해 브러시 DC 모터에 비해 비용이 증가합니다. 따라서 일회용 도구 모두에 BLDC 모터를 사용할 수는 없습니다. 그러므로 설계자는 브러시 DC 및 BLDC 모터 기술 간의 성능 및 비용 절충을 올바르게 식별할 수 있도록 두 기술에 정통한 모터 공급업체와 협력해야 합니다.

브러시 DC 모터와 브러시리스 DC 모터

새로운 프로젝트의 목표가 성능과 신뢰성을 극대화하는 것이라면 설계 엔지니어는 BLDC 기술에 끌릴 가능성이 높습니다. 브러시리스 기술은 긴 작동 수명 동안 고속(최대 100k RPM)으로 작동할 수 있습니다. BLDC에서 정류는 기계식 브러시를 사용하지 않고 달성됩니다(예: 브러시리스 모터 컨트롤러가 있는 센서리스 드라이브 또는 마그네틱 홀 센서를 통함). 따라서 회전 구성품과 모터의 고정 구성품 사이의 접촉은 볼 베어링으로 제한됩니다. 즉, 모터의 수명은 주로 베어링의 수명과 관련이 있으며 모터는 장기간 고속으로 작동할 수 있습니다.

이에 비해 브러시 DC 모터에서는 전기 연결을 완료하기 위해 로터와 물리적으로 접촉하는 기계적 브러시(그라파이트 또는 귀금속)를 통해 정류가 이루어집니다. 이 경우 모터의 수명은 주로 브러시의 수명으로 제한되며 속도가 빨라지면 조기 마모가 발생합니다. 일회용 도구의 경우 짧은 수명 요구 사항을 고려할 때 더 빠른 속도는 문제가 되지 않을 수 있지만, 이는 애플리케이션의 듀티 사이클 및 속도 요구 사항에 크게 좌우됩니다.

브러시 DC 모터의 성능은 사용된 재료 및 설계에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 Portescap 브러시 DC 모터는 '코어리스'(가장 저렴한 브러시 모터에는 철 코어가 있음)로, 로터가 코일과 단일 샤프트로만 구성됩니다. 코어리스 설계는 더 낮은 관성을 제공하여 가속 및 효율성과 관련하여 더 높은 성능을 제공합니다. 또한, 느린 속도에서 회전의 부드러움을 감소시킬 수 있는 디텐트 토크(코깅 토크)를 제거합니다.

재사용 가능한 수술 도구의 경우 수명 및 속도 요구 사항으로 인해 BLDC가 이상적인 솔루션이 되는 경우가 많습니다. 그러나 일회용 설계를 활용하는 일부 애플리케이션의 경우 브러시 DC 모터가 매력적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

비용 영향

성능 요구 사항이 충족되면 비용이 다음으로 매우 중요한 고려 사항이 됩니다. 브러시리스 모터 시스템은 본질적으로 더 비쌉니다. 정류를 위해서 브러시리스 모터 컨트롤러가 있어야 하며 종종 로터 위치 감지를 위한 내장형 전자 장치가 포함됩니다. 일부 분야의 경우 이 비용은 정당하지만 종종 그렇지 않은 경우도 있습니다. 예를 들어, 매우 고성능 애플리케이션에서는 프리미엄 베어링, 동적 샤프트 씰 또는 고급 자석과 같은 상대적으로 비싼 구성 요소가 필요할 수 있습니다. 하지만 이러한 고비용 구성 요소는 비용 문제 때문에 일회용 도구에 사용하기 어려울 수 있습니다. 그에 반해서, 브러시 DC 모터에서는 정류가 브러시에 의해 직접 관리되고 속도 제어를 위해 더 간단한 PWM 회로가 사용됩니다. 이런 브러시 DC 기술의 발전으로 인해 비용에 큰 영향을 주지 않으면서 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다. 그래서 일회용 도구에 대한 짧은 수명 요구 사항을 감안하여, 저비용 브러시 DC 모터에 일반적으로 실현 가능한 것으로 간주되는 수준을 넘어서는 성능 수준을 충족할 수도 있습니다.

일회용 도구의 경우 한 번의 수술에 발생하는 비용은 도구의 전체 구매 가격입니다. 재사용 가능한 도구를 사용하면 도구 구매 가격의 일정 부분만 각 절차에 대해 상각됩니다. 또한 수술용 전동 공구는 수술 전에 멸균해야 합니다. 이 과정은 총 수술 비용을 평가할 때 고려해야 할 추가 비용입니다. 결과적으로, 수술 센터에서 도구당 수행할 수 있는 수술 횟수와 수술 간 멸균 비용은 일회용 도구 또는 재사용 도구 중 어느 것이 가장 좋은지 결정하는 주요 요인입니다. 당연히 재사용 가능한 도구는 일회용 도구보다 구매 가격이 훨씬 더 높습니다. 그러나 센터에서 충분한 수의 시술에 사용할 수 있다면 시술당 평균 비용이 일회용 도구보다 낮아집니다(그림 A).

아마도 저렴한 브러시 DC 대신 고성능 BLDC 모터를 사용하는, 더 높은 가격의 재사용 가능한 도구는 일회용보다 장기적으로 비용이 적게 들기 위해 더 많은 수술에 사용해야 합니다. 또한 멸균 비용은 손익 분기점에 필요한 절차의 수를 증가시켜 어떤 경우에는 수술 횟수에 관계없이 일회용 도구를 선호할 수 있습니다 (그림 B)

위의 분석은 단순히 도구 옵션과 관련된 평균 비용을 비교하였으며, 결정에 고려해야 하는 재사용 및 일회용 도구의 다른 이점은 고려하지 않습니다. 예를 들어, 재사용 가능한 고급 도구는 일회용 도구보다 더 나은 성능과 추가 기능을 제공합니다. 손익 분기점 수에 도달하지 않더라도 외과의와 환자에게 제공되는 가치는 여전히 올바른 선택이 될 수 있습니다. 또한 재사용 가능한 도구에서 자연적으로 발생하는 감염 위험도 살균 프로세스 비용에서 고려되지 않습니다. 도구를 적절하게 살균하지 않으면 환자에게 위험합니다. 이 문서에서는 살균 방법 및 살균을 용이하게 하는 도구 설계에 대해 자세히 설명하지 않습니다. 지금은, 재처리 및 환자 안전을 고려하지 않고는 일회용 전동 공구와 재사용 가능한 전동 공구에 대한 논의가 불완전하다는 것까지만 말해두겠습니다. 멸균이 안전하고 효과적인 것으로 입증되었지만, 수술 사이에 도구를 적절하게 멸균하지 못하면 수술용 전동 공구 설계자도 고려해야 할 위험이 있습니다. 일회용 도구는 도구 OEM에서 멸균 및 포장할 수 있으며, 이러한 접근 방식은 일부 애플리케이션 및 병원 시스템에서 환자 안전을 향상시킬 수 있습니다.

예:

의료 기기 회사의 R&D 팀은 다음 사양의 새로운 도구를 개발하고 있습니다.

• 시술 중 제대로 작동하지 않으면 심각한 합병증을 유발할 수 있는 휴대용 수술용 전동 공구
• 모터 직경은 17mm를 초과하지 않아야 함
• 모터는 15,000RPM에서 5mNm으로 계속 작동해야 함
• 이 장치는 배터리로 구동되므로 모터는 최소 80% 효율로 6-9V 사이의 전압과 최대 1.5 A의 전류로 작동해야 함
• 해당 시술은 비용에 민감하므로 모터가 각 수술 비용에 $20를 넘게 차지해서는 안 됨
• 설계 팀은 일회용 도구를 선호하지만 재사용 가능한 모델도 가능함
• 브러시 DC 또는 BLDC 모터 기술 사용 가능

엔지니어는 브러시 DC 및 BLDC 기술을 모두 제공하고 수술용 전동 공구 시장에서 상당한 경험을 가진 모터 공급업체와 협력하여 시작합니다. 모터 공급업체는 직경이 17mm 미만이고 성능 및 전력 요구 사항에 가장 적합한 각 기술에서 모터를 선택합니다. 이러한 옵션은 아래 표에 요약되어 있습니다.

	브러시 DC	BLDC
패키지	Ø 17mm, 길이 26mm	Ø 13mm, 길이 47mm
최대 연속 토크(mNm)	5.7mNm	9mNm
최대 권장 속도(RPM)	10,000 RPM	100,000 RPM
컨트롤러	PWM	홀 센서가 있는 BLDC 컨트롤러
필요 전압	7 V	9 V
전류 소모	1.4 A	1.2A
출력 전력	9.8W	10.8W
작동점에서의 효율성	80%	72%
예시 가격	$15	$160

두 옵션 모두 5mNm 토크 요구 사항을 충족하지만 브러시 DC 모터의 최대 연속 토크 정격은 5.7mNm로 약간 더 높습니다. 이런 경우 모터의 수명이 단축되지만 일회용 사용에 문제가 되지는 않습니다. 더 큰 문제는 브러시 DC 모터의 최대 속도보다 높은 15,000rpm의 속도입니다. 이 부분은 단일 시술에서 괜찮을 수 있지만 수술 중 실패의 위험이 증가합니다. 모터 비용은 매번 사용한 후 버릴 수 있을 만큼 저렴합니다.

BLDC 모터는 속도 및 토크 요구 사항을 쉽게 충족 할 수 있으며 많은 수술에서 계속 사용할 수 있습니다. 그러나 효율성은 목표인 80%보다 약간 낮고 가격은 $20보다 훨씬 높습니다. BLDC 모터를 적용하려면 해당 도구를 최소 8번의 수술에 사용해야 합니다.

애플리케이션의 성능 및 가격 요구 사항으로 인해 설계 엔지니어는 일회용 모델의 브러시 DC 모터 또는 재사용 가능한 모델의 BLDC 모터 중에서 선택해야 합니다. 이 예에서는 두 번 이상의 수술에서 실패할 위험이 있으므로 재사용 가능한 브러시 DC 모터를 사용할 수 없으며, 비용 때문에 일회용 BLDC 모터를 사용할 수 없습니다.

그런 다음 결정해야 할 것은 고속으로 인해 첫 번째 수술에서 브러시 DC 모터가 고장이 날 위험이 허용되는지 여부입니다. 허용되지 않는 경우 엔지니어는 속도 요구 사항을 줄여 낮은 성능의 도구를 사용할 수 있습니다. 아니면 재사용 가능한 모델을 선택하고 낮은 효율성을 감수할 수도 있습니다 또한 나머지 도구를 멸균할 수 있도록 설계해야 하며, 고객이 사용 중에 도구를 멸균해야 합니다. 수술당 총 비용을 계산할 때 이 두 가지 요소를 모두 고려해야 합니다.

결론

일회용 수술용 전동 공구의 인기가 높아지면서 설계 목표를 달성하기 위해 브러시 DC 모터에 대한 수요가 증가했습니다. 비용 효율성이 모터 수명 연장보다 더 중요한 경우, 더 복잡한 솔루션이 포함된 BLDC 기술은 비용 영향을 고려할 때 최선의 선택이 아닐 수 있습니다. 어떤 기술을 선택할지는 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다. 수술 장치 설계자는 설계 초기에 수술 설계 전문 지식과 BLDC 및 브러시 DC 솔루션을 갖춘 모터 공급업체와의 협력을 통해 장치를 더 잘 설계할 수 있습니다.

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