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Geräuschoptimierte Kleinmotoren für die Medizintechnik

Antriebstechnik
Geräuschoptimierte Kleinmotoren für die Medizintechnik

Kleinmotoren | Wo die Ansatzpunkte für leisere Kleinmotoren liegen, haben Untersuchungen im schalltoten Raum gezeigt. Veränderungen an Motor, Gehäuse und Steuerung tragen nun dazu bei, dass Medizinprodukte weniger Geräusche machen.

Nicole Hillmayr
Fachjournalistin in Tübingen

Akustische Warnsignale und medizinische Geräte erzeugen einen stetigen Geräuschpegel in Krankenhäusern – und damit Stress. Selbst kleinste Dauergeräusche, wie sie etwa ein Kühlschrank verursacht, führen zu einem Anstieg von Stressindikatoren, was Studien in OPs bestätigen. Patienten und Personal nützt daher ein aktives Management der Geräuschkulisse. Dazu sollten auch medizinische Geräte beitragen, und Untersuchungen empfehlen, dass solche Produkte im Dauerbetrieb deutlich weniger als 50 dB erreichen sollten.

Ein Faktor, der zur Geräuschkulisse der Geräte beiträgt, sind die darin verwendeten Antriebe. Ein Schweizer Hersteller von Kleinantrieben, die Sonceboz AG, hat seine bereits leisen Produkte für die Medizintechnik jetzt so modifiziert, dass sie, je nach Anwendung, auf 35 dB und weniger kommen. Die Ansatzpunkte dafür waren Veränderungen an Motorstruktur, Material und Steuerung.

Schalltoter Raum liefert Basis für Verbesserungen

Um die eigenen Produkte untersuchen zu können, hat die Sonceboz-Gruppe in einen schalltoten Raum investiert. Darin werden Schallwellen komplett gefiltert, und er liefert einen Schallpegel von weniger als 13 dB – was leiser ist als ein Flüstern aus einem Meter Entfernung. Die Ingenieure können dort durch numerische Berechnungen ein Originalgeräusch präzise abbilden. Mit diesem Know-how lassen sich die Geräuschpegel von mechatronischen Lösungen sehr gut testen und entsprechend verbessern.

Durch Tests und Messungen bei unterschiedlichen Drehzahlen errechneten die Experten beispielsweise Frequenzen, die zu Erkenntnissen darüber führen, woher ein Geräusch kommt. Das können Resonanzen sein, die durch das Außendesign des Motors bedingt sind, oder Vibrationen durch das Zahnraddesign. Besonders empfindlich reagieren Patienten und Personal zum Beispiel auf unangenehm hohe oder tiefe Frequenzen. Daher haben die Motorenentwickler nicht nur auf eine Reduktion der Geräusche insgesamt geachtet, sondern auch auf die Art der Geräusche, die ein Antrieb verursacht.

Anpassung von Motorstruktur und Gehäuse

Auf der Grundlage der Messergebnisse aus dem schalltoten Raum konnte Sonceboz die jeweilige Motorstruktur deutlich verbessern. Beispielsweise hat sich in Tests von Antrieben für Beatmungsgeräte gezeigt, dass die Frequenzen von Rotor und Stator keinen optimalen Geräuschpegel ergaben. Es wurde also eine neue Struktur für den Stator entwickelt und so eine Lärmreduzierung auf 24 dB erreicht. Im Vergleich liegen handelsübliche Antriebe hier bei 27 dB.

Auch die Geräuschqualität ließ sich so optimieren. Direktantriebe haben zumeist sehr hohe Drehzahlen. Dadurch entstehen hohe Frequenzen, die für die meisten Ohren eher unangenehm klingen. Hier änderte der Schweizer Hersteller die Rotorstruktur hin zu flacheren Motoren mit größerem Rotor und erzielte so niedrigere Frequenzen. Durch den Einsatz mehrerer unterschiedlicher Profile von Statorzähnen sind zudem verschiedene Frequenzen möglich, deren Mischung für das menschliche Ohr angenehmer ist als nur eine einzige Frequenz. Weitere Möglichkeiten ergeben sich bei den Pumpenzyklen, die von kurzen Impulsen hin zu konstanten Intervallen geändert wurden, was ein gleichmäßiges, angenehmes Geräusch erzeugt.

Anhand der Messergebnisse aus dem schalltoten Raum wurden auch die Gehäuse modifiziert. Manchmal waren nur geringfügige Änderungen in der Materialkombination erforderlich – für diese arbeiteten die Kunststoffexperten im eigenen Hause mit den Motorentwicklern zusammen, und so entstehen je nach Applikation angepasste Gehäuse, zum Beispiel mit Zwischengehäuse oder auch mit Dämpfern aus Kunststoff.

Spiel kompensieren, Geräusch verringern

Ein weiterer Entwicklungsansatz, der sich aus den Tests ergibt, ist die Ansteuerungsart. Eine saubere Sinuskommutierung von Load-Sense-Motoren legt die Grundlage für einen geräuscharmen Motorbetrieb, denn damit lässt sich das Spiel im Getriebe durch Bewegungskontrolle kompensieren. Dies ist bereits seit längerer Zeit im Stundenbetrieb möglich, jetzt erfolgen Tests im 24-Stunden-Betrieb.

Als Load-Sense-Technologie werden bürstenlose, hochpolige Antriebe bezeichnet, die schon seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt werden und auch in schwierigen Umgebungen zuverlässig arbeiten. Ein robuster magnetischer Geber ermittelt den Ist-Wert für den Positionsregelkreis. Durch seine hohe Auflösung lässt sich der Lastwinkel des Motors auswerten und so ein zur Motorlast äquivalenter Ist-Wert generieren. Die Daten über die jeweils aktuelle Last steuern den Motorstrom und sorgen damit für einen energieeffizienten Betrieb.

Die präzise Sinus-Kommutierung bietet bei den Load-Sense-Motoren Vorteile gegenüber der Block-Kommutierung. Da bei Direktantrieben Motoren mit einer hohen Polpaarzahl eingesetzt werden, sind die Anforderungen an die Geberauflösung und die Rechenleistung der Antriebssteuerung höher. Sonceboz verwendet hier einen Geber mit einer Auflösung von 0,06° pro Inkrement und einen Controller mit hoher Rechenleistung.

Die beschriebenen Verbesserungen werden an die jeweilige Applikation angepasst und bringen keine Verluste bei der Leistung. Um das zu erreichen, sind das Know-how und die jahrzehntelange Erfahrung von Sonceboz im Automotive-Bereich von Vorteil. Aber auch die Ergebnisse von Usability-Studien mit Anwendern fließen in die Entwicklungen mit ein.

www.sonceboz.com

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