Bei Elektromotoren gibt es dank neuer Materialien eine kontinuierliche Weiterentwicklung. Dadurch können Medizin-geräte kompakter und leistungsfähiger gebaut werden. Portescap bietet dafür verschiedene Motortechnologien an.
Die Nachfrage nach bürstenlosen Gleichstrommotoren für Hochgeschwindigkeitsanwendungen steigt. Moderne Beatmungsgeräte können beispielsweise kompakter und leiser konstruiert werden, wenn dafür die neue Flügelradtechnologie genutzt wird. Dafür sind allerdings Motoren erforderlich, die Drehzahlen von 50 000 bis 60 000 min-1 erreichen und darüber hinaus in der Lage sind, synchron zum Atmungsmuster der Patienten sehr schnell zu beschleunigen und wieder abzubremsen. High-Tech-Motoren sind auch in Handwerkzeugen für Chirurgen und Zahnärzte gefragt. Dort sollen sie zugleich leistungsstark und möglichst noch kleiner sein als bisher.
Bürstenlose Hochgeschwindigkeitsmotoren können diesen Anforderungen gerecht werden. Sie lassen sich klein genug gestalten und können dennoch die nötige Kraft und Leistung erbringen.
Um zu erläutern, wie das möglich ist, muss man einige technische und physikalische Grundlagen dieser Motoren betrachten. Die mechanische Kraft, die sie aufbringen können, ergibt sich aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl. Um die Kraft zu steigern, kann also entweder das Drehmoment oder die Drehzahl erhöht werden.
Mehr Drehmoment ist aber in der Regel nur zu erreichen, wenn man eine größere Bauweise des Motors akzeptiert. Die stärkere Erwärmung, die damit einhergeht, setzt ebenfalls Grenzen. Wie gut ein Motor in dieser Hinsicht ist, lässt sich am Verhältnis seines elektrischen Widerstandes R zum Dauerdrehmoment k erkennen. Der Wert R/k² sollte möglichst klein sein – dann hat der Motor einen kleinen Widerstand, aber eine hohe Drehmomentkonstante.
Die Drehmomentkonstante lässt sich durch den Einsatz starker Magnete wie NeoFe noch steigern. Aber selbst wenn der Motor in dieser Hinsicht optimiert wurde, setzt bei einer festgelegten Baugröße irgendwann die abgegebene Wärme eine Grenze. Dann muss man, um zu mehr Kraft zu kommen, die Motordrehzahl steigern.
Theoretisch scheint das einfach erreichbar zu sein, indem man die Versorgungsspannung erhöht. Allerdings erzeugt eine höhere Drehzahl wiederum mehr Wärme durch Eisenverluste, Reibung in den Lagern und eine höhere Stromwelligkeit.
Portescap verfolgt den Ansatz, bürstenlose Gleichstrommotoren für den Hochgeschwindigkeitseinsatz zu optimieren. Das gilt sowohl für genutete als auch nutenlose Motoren, die je nach Anwendung von Vorteil sein können.
Unterschieden werden sie nach dem Aufbau ihres Motorstators. Bei Motoren mit genutetem Stator sind die Spulen im Inneren der Nuten gewickelt. Diese Motoren sind konstruktionsbedingt sehr robust, da die Spule in die Blechung eingeführt wird. Lange, schmale Bauformen sind hier möglich.
Bei einem nutenlosen Motor wird die Spule extern gewickelt und während der Motormontage in den Luftspalt eingeführt. Da dies den Luftspalt vergrößert, verringert sich die magnetische Induktion in der Spule. Das wird meist durch den Einsatz eines größeren Magneten kompensiert – was diesem Motortyp aber mehr Trägheit verleiht als einer genuteten Version.
Betrachtet man nun das Verhältnis R/k² als Maß für das erreichbare Drehmoment, wird klar, welche Motortypen für eine bestimmte Anwendung zu optimieren sind. Ein Motor mit hohem R/k²-Wert (in der Regel ein genuteter Motor) wird zwar bei geringer Drehzahl geringe Verluste aufweisen, bei hoher Drehzahl aber auch hohe Verluste haben. Ein Motor mit einem geringeren R/k²-Wert – wie er für nutenlose Motoren typisch ist – hat wiederum kein Rast- oder Selbsthaltemoment.
Die Ingenieure von Portescap optimieren die Motoren entsprechend dem Arbeitspunkt einer Anwendung, der durch das erforderliche Drehmoment und die Drehzahl definiert ist. Beim Gebläse für ein Beatmungsgerät muss der Motor in wenigen Millisekunden von wenigen Tausend Umdrehungen pro Minute auf 50 000 min-1 beschleunigen. Als Drehmoment reichen wenige Hundertstel Newtonmeter aus, um das Flügelrad in Drehbewegung zu versetzen. Der Hauptteil des Drehmoments wird zum Beschleunigen und Abbremsen des Flügelrads verwendet. Damit die Umgebung nicht zu warm wird und die Kugellager im Motor nicht geschädigt werden, hat Portescap eine neue Motorfamilie mit optimierten Wärmeverlusten entwickelt.
Auch Motoren für chirurgische Handwerkzeuge müssen bei hoher Drehzahl laufen, um in einem leichten Gehäuse Kraft zu erzeugen. Sie laufen bei niedriger Temperatur und sollten 1000 Autoklavenzyklen überstehen. Zu diesem Design haben die 20 Jahre Erfahrung im Motorenbau beigetragen, die Portescap inzwischen hat. Dank Optimierung des Magnetkreises wurde ein Motor mit 16 mm Durchmesser entwickelt, der bei Drehzahlen von bis zu 80 000 min-1 ein Drehmoment von wenigen Hundertstel Newtonmeter liefert, ohne dass die Gehäusetemperatur 43 °C übersteigt.
Dr. Norbert Veignat Portescap, La Chaux-de-Fonds,Schweiz
Teilen:
