Konstruktion : Die richtigen Miniaturmotoren für medizinische Pumpen

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Wenn es um den Einsatz von Miniaturmotoren für Infusionspumpen geht, stehen im Wesentlichen drei Technologien zur Wahl.
Miniaturmotoren für medizinische Pumpen

Quelle: Portescap

  • Miniaturmotoren, die in medizinischen Pumpen eingesetzt werden, müssen sehr spezielle Anforderungen erfüllen.
  • Den passenden Miniaturmotor für eine bestimmte Aufgabe auszuwählen, ist alles andere als trivial.
  • Dr. Norbert Veignat, Portescap, erläutert die Auswahlkriterien sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen Motoroptionen.

Wenn es um Miniaturmotoren für Infusionspumpen geht, stehen im Wesentlichen drei Technologien zur Wahl: eisenlose, bürstenbehaftete DC-Motoren in Kombination mit einem Getriebe und einem Encoder, bürstenlose DC-Motoren mit Getriebe und eventuell einem Encoder sowie Schrittmotoren, entweder als Direktantrieb oder mit Getriebe und eventuell einem Encoder für automatisch geregelte Geräte.

Die Entwicklung von kleinen, tragbaren Infusionspumpen läutete ein neues Kapitel in der medizinischen Versorgung ein. Da sie in der Lage waren, über die Zeit genau dosierte Medikamentenmengen zu verabreichen, eröffneten sie neue Möglichkeiten für die kontinuierliche Versorgung von Patienten zu Hause. Mobile, batteriebetriebene Infusionspumpen, die beispielsweise Insulin, Nährstoffe oder Krebsmedikamente verabreichen, haben den Patienten noch mehr die Bewegungsfreiheit gegeben.

Bei der Komponentenauswahl für medizinische Pumpen spielen Miniaturmotoren für den Antrieb eine entscheidende Rolle. Bild: Portescap

Miniaturmotoren für Infusionspumpen

Durch solche Infusionspumpen können Patienten über längere Zeiträume sicher aus dem Krankenhaus entlassen werden, wodurch viele Einschränkungen wegfallen und die Lebensqualität deutlich steigt. Es versteht sich von selbst, dass derartige Systeme ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit verlangen und entsprechend hohe Anforderungen an die Komponenten stellen.

Für den Produktentwickler steht der Elektromotor, der die Pumpe antreibt, im Fokus. Leistung (besonders die Fähigkeit, innerhalb eines Drehzahlbereichs die korrekten Drehmomente abzugeben), Baugröße und Lebensdauer sind dabei die zentralen Aspekte. Miniaturisierung ist oftmals wichtig für den Patientenkomfort, insbesondere bei tragbaren Geräten. Dasselbe gilt für die Leistungsaufnahme, vor allem bei akkubetriebenen Geräten, um eine angemessene Zeitspanne zwischen den Ladevorgängen zu erreichen. Außerdem darf das Pumpengeräusch den Patienten und sein soziales Umfeld nicht stören. Es kommen daher nur sehr leise Antriebe infrage.

Auch wenn die primären Ziele des Motors klar sind, ist die Wahl des Produkts nicht einfach. Es gibt verschiedene Technologien, die hinsichtlich bestimmter Aspekte des Lastenheftes große Vorteile bieten, dafür aber in anderen Bereichen Kompromisse verlangen.

Aufbau und Eigenschaften eisenloser, bürstenbehafteter DC-Motoren. Bild: Portecap

Bürstenbehaftete DC-Motoren

Eisenlose, bürstenbehaftete DC-Motoren eignen sich gut für akkubetriebene, tragbare Pumpenanwendungen, weil sie ohne Eisenverluste sehr effizient laufen. Tatsächlich erreicht die Edelmetallkommutierung Motorwirkungsgrade von bis zu 90 Prozent. Gleichzeitig sind die Motoren mit fortschrittlichen Magnettechnologien in der Lage, bei festgelegter Drehzahl hohe Drehmomente abzugeben. Eisenlose Motoren zeichnen sich darüber hinaus durch eine sehr niedrige Induktivität und eine Kommutierung mit kleiner Kontaktfläche und geringem Druck aus. Hieraus ergeben sich ein niedriger elektrischer Widerstand und eine sehr geringe Reibung.

Bürstenbehaftete DC-Motoren haben natürlich den Nachteil, dass die Bürsten verschleißen und letztlich die Produktnutzungsdauer begrenzen. Wenn maximale Nutzungsdauer ein primäres Kriterium ist, kommt für Infusionspumpen und dergleichen ein bürstenloser DC-Motor (brushless DC, BLDC) infrage.

Aufbau und Eigenschaften bürstenloser DC-Motoren. Bild: Portescap

Bürstenlose Motoren

Bei BLDC-Motoren sind die Spulen Teil des Stators und der Magnet Teil des Rotors. Die Stromwendung in den Spulen erfolgt elektronisch. Normalerweise ist die äußere Röhre, die das Magnetfeld schließt, statisch, was bei rotierendem Magneten zu Eisenverlusten führt. Bei Anwendungen, in denen das Trägheitsmoment nicht relevant ist, können sich Röhre und Magnet gemeinsam drehen, was Eisenverluste unterbindet.

Es gibt zwei Arten von BLDC-Motoren: nutenlose (slotless) und genutete (slotted). Die nutenlose Bauweise hat den Vorteil, dass sie kein Rastmoment aufweist und zudem noch geringere Eisenverluste hat als die genutete Form. Hieraus ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad. Wenn es vor allem um Miniaturisierung geht, machen moderne Hochenergie-Magnete nutenlose Motoren zu einer guten Option.

Im Vergleich zu eisenlosen DC-Motoren haben BLDC-Motoren aufgrund der Eisenverluste bei gleicher Baugröße einen geringeren Wirkungsgrad und ein geringeres Drehmoment. Um dies auszugleichen, kann der BLDC-Motor bei höheren Drehzahlen eingesetzt werden, was bei der Getriebeauswahl zu berücksichtigen ist.

Beispiel für den Zusammenhang von Drehzahl bzw. Wirkungsgrad und Drehmoment bei einem DC-Motor, 8 mm, U = 3 V. Bild: Portescap

Schrittmotoren

Die letzte Option ist der Schrittmotor. Er hat den großen Vorteil, dass er viele stabile Positionen (Schritte) pro Umdrehung hat und somit im Vergleich zum BLDC-Motor oder bürstenbehafteten DC-Motor ein höheres Drehmoment bei gleicher Baugröße liefert. Die Kehrseite ist, dass Schrittmotoren aufgrund der Induktivität in Verbindung mit der Kommutierungsfrequenz und aufgrund von Eisenverlusten nicht mit hohen Drehzahlen laufen können.

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Schrittmotortechnologien wie Permanentmagnet-, Hybrid- und Scheibenmagnetmotoren. Für Batterieanwendungen ist die Scheibenmagnettechnologie eine gute Wahl, da sie ein geringeres Trägheitsmoment und geringere Eisenverluste als die anderen Schrittmotorvarianten aufweist. Hieraus ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad.

Für kleine, tragbare Pumpen sind Schrittmotoren eine gute Wahl, sofern sie bei niedriger Drehzahl im Vollschrittbetrieb eingesetzt werden können und das Rastmoment ausreicht, um eine Bewegung durch von außen einwirkende Kräfte auszuschließen. Für höhere Drehzahlen spielt es eine Rolle, ob der Motor nur gelegentlich oder ständig laufen muss. Wenn hohe Drehzahlen die Ausnahme sind (z. B. für einen Spritzenwechsel), kann der Motor wie ein Standardschrittmotor angetrieben werden. Wenn der Motor häufig mit hoher Drehzahl betrieben werden muss, lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen, indem der Kommutierungskreis wie bei einem Standard-Servomotor mit Rückmeldung der Position geschlossen wird.

In bestimmten Anwendungen kann eine Schrittmotorlösung mit Getriebe die wirtschaftlichste Konstruktionslosung sein, wenn auf einen Encoder verzichtet werden kann. Außerdem ist die Leistungsaufnahme an den Rastpositionen gleich Null, wenn das Rastmoment ausreicht, um die Position zu halten.

Miniaturmotoren: Jede Option hat bestimmte Vor- und Nachteile

Wir sehen also, dass es für medizinische Geräte wie Infusionspumpen keine eindeutig überlegene Motortechnologie gibt, die für jede Anwendung optimal ist. Im konkreten Fall hat jede Motoroption bestimmte Vor- und Nachteile. Portescap bietet ein Vollsortiment aller wesentlichen Technologievarianten an und unterstützt den Kunden mit seiner Expertise. Sie trägt dazu bei, dass die Entscheidung für einen Motor auf der Grundlage der Gesamtsystemanforderungen fällt und nicht anhand von Einzelaspekten.

Weitere Informationen: https://www.portescap.com/

Erfahren Sie hier mehr über die Auswahl bürstenloser DC-Motoren.

Lesen Sie auch: „Gebündelte Expertise: So könnte der genaueste Industrieroboter entstehen“

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