Ein kleiner, leiser EC-Motor treibt in einem Schlafapnoe-Gerät den Kompressor an – ohne dass der Patient davon etwas hört. Keine einfache Aufgabe, muss der Kleinantrieb doch gleichzeitig hochdynamisch arbeiten.
Tagesmüdigkeit bis hin zu Bluthochdruck, Herzinsuffizienz oder schlimmstenfalls Herzinfarkt können ihre Ursache in der Schlafapnoe haben, Atemaussetzern im Schlaf, von denen rund 10 % der Männer und 2 % der Frauen über 40 Jahren in Deutschland betroffen sind. Abhilfe verspricht ein nachts einzusetzendes Beatmungsgerät, das die körpereigenen Atemreflexe durch geregeltes Einblasen von Luft in die Lungen unterstützt. Da ein solcher „Kompressor“ natürlich ortsnah im Schlafzimmer am Bett stehen muss, darf er nicht durch Betriebsgeräusche stören. Moderne, speziell auf höchste Laufruhe abgestimmte elektrisch kommutierte Kleinmotoren (EC-Motoren) bieten sich für den flüsterleisen Betrieb an. Gleichzeitig kommt ihre hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer den Anforderungen in der Medizintechnik entgegen.
Für die Breas Medical AB aus dem schwedischen Mölnlycke waren absolute Zuverlässigkeit und ein wartungsarmer Betrieb notwendige Voraussetzungen, als es um die Auswahl des Antriebs für ihre Schlafapnoe-Geräte ging. Deshalb wandten sich die Entwickler an die Antriebsspezialisten der Ebm-Papst St. Georgen GmbH & Co. KG im Schwarzwald. Heraus kam ein auf die besonderen Anforderungen abgestimmter Motor für den integrierten Kompressor:
- Vordergründig ganz klar und leicht einsehbar, müssen Antrieb und Verdichter möglichst unhörbar arbeiten. Betriebsgeräusche direkt neben dem Bett würden den gewünschten Effekt – einen möglichst ungestörten Schlaf – zunichte machen.
- Gefordert ist darüber hinaus eine gute Dynamik des Antriebs, da sich die Drehzahl des Verdichters sehr schnell verändern lassen muss.
Um zu verstehen, warum eine hohe Dynamik gefordert ist, lohnt sich ein Blick auf die Regelung von Volumenstrom und Druck der Atemluft. So ist es notwendig, kurzzeitig bei Beginn der Beatmung einen „Aufblasedruck“ zu erzeugen, der das schlaffe Gaumensegel anhebt und so Luft einströmen lässt. Der etwas höhere Druck darf aber nur kurzzeitig anliegen, danach muss er konstant auf Einatemniveau bleiben. Abhängig von der eigenen Atmung des Patienten sind dazu Fördermenge und -druck ständig anzupassen. Des Weiteren muss beim Ausatmen der Druck schnell abfallen, um ein ungehindertes Ausströmen der Atemluft zu erlauben. Als Näherungswerte für die nötige Dynamik lässt sich eine Regelzeit von 200 ms bei einem Förderstrom von 150 l/min und Druckschwankungen von 4 auf 20 mbar Überdruck angeben. Als Verdichterstufe dient übrigens ein einteiliges, kostengünstig im Spritzguss hergestelltes Radiallüfterrad. Das Verfahren erlaubt es, die Unwucht von Beginn an gering zu halten. Gerundete Kanten, rückwärts gekrümmte Schaufeln und andere strömungstechnische Feinabstimmungen sorgen für einen verwirbelungsarmen und daher leisen Betrieb.
Die Ebm-Spezialisten optimierten dann alle in Frage kommenden Motorkomponenten, um einen besonders laufruhigen Antrieb sicherzustellen. Eine reibungsfreie Luftlagerung erlaubt zudem die Feinwuchtung des Ankers. Eine definierte Lagervorspannung durch eine Feder mit unkritischer Eigenresonanz reduziert die axialen Schwingungen. Zusätzliche Dämpfung bringen sorgfältig abgestimmte Gummielemente an den Kugellagersitzen. Und für die Rotormagnete setzen die Schwarzwälder eine in mehreren EC-Innenläufermotoren eingeführte Plattformtechnologie ein. Quaderförmige Permanentmagnete aus hochwertigem Neodym-Eisen-Bor-Material werden in ein Rotorpaket aus stanzpaketiertem Elektroblech eingebettet. Das ergibt eine leistungsfähige, stabile und gleichzeitig günstige Lösung.
Um den Wirkungsgrad möglichst hoch und das Laufgeräusch so gering wie möglich zu halten, wurde der Motor als nutenloser Innenläufer ausgeführt. Die Ummagnetisierungsverluste sind hierbei wesentlich reduziert. Dadurch erreicht der Motor im gesamten Arbeitsbereich und insbesondere bei hohen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad von teilweise über 80 % – einschließlich der Kommutierungselektronik. Eine neue Luftspaltwicklung speziell für sehr hohe Drehzahlen verbessert darüber hinaus die Leistung und erleichtert die Montage.
Der Motor mit der Bezeichnung ECI 30.20 ist 39 mm lang und besitzt einen Durchmesser von 35 mm. Mit 24 V Betriebsspannung bei 1,9 A Nennstromaufnahme erreicht er eine Nenndrehzahl von 30 000 min-1 bei 10 mNm Drehmoment und 32 W Abgabeleistung. Höhere Drehzahlen oder andere Drehmomentwerte sind möglich. Die Rotorlageerfassung übernehmen übrigens drei Hallsensoren, optional ist auch eine sensorlose Motorausführung möglich. Mit Schutzart IP 20 ist der Motor für alle in Frage kommenden „Indoor-Anwendungen“ geeignet.
Andreas Zeiff und Dietrich Homburg Fachjournalisten in Stutensee
Nutenloser Innenläufer hält Laufgeräusch gering
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