Keine Leistungseinbussen bei der Grössenreduktion Chirurgischer Handinstrumente

Chirurgische Handinstrumente benötigen ein Mindestmaß an Leistung für eine bestimmte Anwendung, und höhere Leistungsanforderungen erfordern in der Regel größere Motoren.

Die Folge sind schwerere und sperrigere Instrumente, die mit einer verringerten Präzision des Chirurgen einhergehen und ihn schneller ermüden lassen. In diesem Dokument wird dargelegt, wie Sie die für eine Anwendung erforderliche Motorgröße minimieren und gleichzeitig Einbußen bei anderen Konstruktionsparametern kompensieren können. Da aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und Zuverlässigkeit für chirurgische Instrumente bevorzugt bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) zum Einsatz kommen, konzentriert sich dieses Dokument auf die BLDC-Motortechnologie. Die Konzepte gelten sowohl für genutete als auch nutenlose Konstruktionen.

Mechanische Leistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Sind alle anderen Faktoren gleich, verhält sich das von einem Motor erzeugte Drehmoment ungefähr proportional zu seinem Volumen. Das Drehmoment wird durch stromführende Drähte in einem Magnetfeld erzeugt und lässt sich durch mehr Drähte oder Magneten einfach erhöhen. Verlässt man sich jedoch allein auf diese erschöpfende Methode, nimmt dadurch zwangsläufig die Größe zu. Erfreulicherweise lässt sich die Motorleistung in kleineren Gehäusen mit ausgereifteren Methoden der Motorkonstruktion erhöhen.

METHODE 1: OPTIMIERUNG DER WICKLUNG ZUR SPANNUNGSVERSORGUNG

Je mehr Spannung der Motor zur Verfügung hat, desto schneller kann er sich bei einem bestimmten Drehmoment drehen und desto mehr Leistung wird erzeugt. Dadurch kann zur Erzielung der gleichen Motorleistung ein kleinerer Motor zum Einsatz kommen. Der Vorteil für das Gerät wird jedoch u. U. durch größere Batterien, die für höhere Spannungen benötigt werden, wieder zunichte gemacht. Entwickler von batteriebetriebenen Instrumenten müssen häufig aus einer begrenzten Anzahl verfügbarer Batteriezellen auswählen und diese in Reihe schalten, um die gewünschte Spannung zu erhalten. Hierfür bedarf es natürlich einer ganzen Reihe von Zellen und eines diskontinuierlichen Satzes möglicher Spannungen. Daher könnte es bereits bei einem kleinen Spannungsanstieg zur Erhöhung der Motorleistung notwendig sein, eine weitere Zelle und damit einhergehend Größe und Gewicht hinzuzufügen. Ein guter Partner für die Motorkonstruktion kann den Durchmesser des Motordrahts sowie die Häufigkeit, in der der Draht um den Stator gewickelt ist (Windungszahl), optimieren, um die Leistung bei geeigneten Batteriespannungen zu maximieren.

METHODE 2: MATERIALAUSWAHL

Die Leistung lässt sich einfach durch ein höheres Volumen an magnetischem Material erhöhen, man kann aber auch die Qualität des magnetischen Materials verbessern, sodass bei gleicher Größe und gleichem Gewicht ein höherer Magnetfluss erzeugt werden kann. Motoren mit hoher Leistungsdichte verwenden normalerweise Neodym, eines der hochwertigsten im Handel erhältlichen magnetischen Materialien. Ebenso wichtig ist das Material, aus dem der Draht zum Wickeln der Spulen besteht. Auch das Material, aus dem das Blech besteht, wirkt sich auf die Leistung aus. Mit hochwertigem Elektroblech kann der Magnetfluss auf effizientere Weise verbessert und somit die Wirkung des Magnetmaterials verstärkt werden. Schließlich minimiert jedes Material, das die Reibung (beispielsweise in den Lagern und Zahnradzähnen) verringert, Verluste bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Leistung, sodass ein höherer Nutzen aus einem schlankeren Design erzielt werden kann.

METHODE 3: PRÄZISIONSFERTIGUNG

Je näher die verschiedenen Komponenten des Motors zueinander angeordnet sind, desto kleiner wird natürlich das Gesamtpaket. Die möglichst nahe Positionierung von Magneten und Spule zueinander erhöht aber auch die Leistung. Durch die Minimierung des Abstands zwischen dem Magneten und der Spule (auch Luftspalt) werden die Magnetfeldstärke des Luftspalts und somit die Spannungskonstante und die Leistung des Motors stark erhöht. Dieser Abstand lässt sich jedoch in der Praxis nicht so leicht verringern, denn zur Vermeidung von Reibung bei Rotor und Stator während des Betriebs sind sehr knappe Toleranzen erforderlich. Ein Anbieter von Präzisionsmotoren kann die dafür erforderliche Be- und Verarbeitung übernehmen.

Bei genuteten BLDC-Motoren kann mit Methoden der Präzisionsmontage auch erreicht werden, dass die Nuten des Stators mehr Kupferspule aufnehmen können. Durch eine sorgfältige Wahl des Drahtdurchmessers und der Nutform kann der Nutfüllfaktor maximiert und auf kleinstem Raum höchste Motorleistung geliefert werden.

METHODE 4: REGELUNG DES TEMPERATURANSTIEGS

Einen äußerst wichtigen Aspekt der Motorauslegung haben wir bisher außer Acht gelassen – den Temperaturanstieg. Ein sehr kompakt konfigurierter Motor wird natürlich heißer als einer, bei dem die Wärme erzeugende Elemente weiter auseinander liegen. Dieses Problem wird verstärkt, wenn Spannung und Strom zur Erfüllung der Leistungsanforderungen erhöht werden. Um diesen Effekt auszugleichen, können das Motorgehäuse Materialien gewählt werden, mit denen Wärme von den Motorspulen weggeleitet wird. Letztere können während des Betriebs so heiß werden, dass die Isolierung schmilzt und ein elektrischer Kurzschluss entsteht. Extreme Hitze kann sogar die Stärke von Permanentmagneten reduzieren. Ein zusätzlicher Kühlkörper an der Außenseite des Motors oder eine Luft- oder Flüssigkeitskühlung kann zur Wärmeabführung erforderlich sein, was sich auf die Gesamtgröße des Instruments auswirkt.

Mit der folgenden Formel kann die Motorwicklungstemperatur berechnet werden, um zu bestimmen, ob ein Temperaturanstieg einen vorzeitigen Ausfall des Motors verursacht. Ein kompetenter Motorlieferant kann dabei helfen, den Wert der Konstanten für jede spezifische Anwendung zu bestimmen. Diese theoretische Berechnung kann dabei als Richtlinie für die Auswahl der Prototypen verwendet werden. Wann die Betriebsgrenzwerte erreicht werden, lässt sich nur durch Prüfungen in der Anwendung bestätigen.

METHODE 5: VERWENDUNG VON GETRIEBEUNTERSETZUNG

Bei relativ hoher Geschwindigkeit laufen bürstenlose Gleichstrommotoren am effizientesten. Viele chirurgische Instrumente müssen jedoch mit deutlich niedrigerer Geschwindigkeit betrieben werden. In diesen Fällen wird häufig ein Getriebe verwendet, das ein Laufen des Motors mit einer effizienten Drehzahl und die gleichzeitige Erhöhung des Drehmoments ermöglicht. Dadurch kann zwar ein kleinerer Motor zum Einsatz kommen, das Getriebe an sich benötigt jedoch Platz und ist in der Regel, da das Getriebe meistens axial zum Motor ausgerichtet ist, länger. Ob man sich für einen langen aber schlanken Getriebemotor oder einen kürzeren Motor mit größerem Durchmesser entscheidet, hängt davon ab, wie das Instrument aufgebaut sein muss. Eine Möglichkeit, die zusätzliche Länge eines Getriebes zu minimieren, besteht darin, das Übersetzungsverhältnis so niedrig zu halten, dass es mit nur einer Getriebestufe statt mit mehreren übereinanderliegenden Stufen gehandhabt werden kann. Planetengetriebe können in der Regel höhere Übersetzungsverhältnisse auf kleinerem Raum erzeugen als Stirnradgetriebe.

METHODE 6: MOTORINTEGRATION

Letztendlich erreicht man die bestmögliche Minimierung der Größe des chirurgischen Instruments u. U. nicht allein durch eine reduzierte Größe der einzelnen Komponenten, sondern indem man die Art und Weise, wie die einzelnen Komponenten zueinander passen, optimiert. Ein Motor wird klassischerweise in ein Metallgehäuse eingebaut, das dazu dient, die Komponenten einzuschließen und sie in einem Stück zu transportieren und in das Handinstrument einzusetzen. Dieses Motorgehäuse ist häufig unmittelbar von dem Außengehäuse des Handinstruments umgeben. Beide Komponenten erfüllen wichtige Funktionen, diese Funktionen können jedoch häufig durch ein kombiniertes Bauteil abgedeckt werden. Ein Motorlieferant mit Erfahrung in der Konstruktion von Handinstrumenten kann entweder einen Motor mit einem Gehäuse versehen, das als Außenseite des Handinstruments fungieren kann, oder in Abstimmung mit dem Instrumentenhersteller den Motor direkt in das äußere Gehäuse des Instruments einbauen (rahmenlose Konstruktion). Entsprechend können zur Vermeidung von Redundanzen und um Platz zu sparen andere Funktionen wie Instrumententreiber, Dichtungen, elektrische Steckverbinder und Montageteile direkt in den Motor integriert werden. Schließlich lässt sich durch die Auswahl eines sensorlosen Motors Platz sparen, da die Hallsensoren einen sensorisierten Motor um einige Millimeter länger machen. Sensorlose Motoren erfordern jedoch komplexere Steuerungen, sodass etwaige Vorteile durch größere Elektronikplatinen wieder aufgehoben werden könnten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung von Motoren mit hoher Leistungsdichte ausgereifte Strategien bei der Konstruktion, hochwertige Materialien, präzise Verarbeitung und das erforderliche Know-how erfordert, um zu wissen, wie der Motor in die gesamte Konstruktion des Instruments passt. Ein Motorlieferant, der mit all diesen Aspekten vertraut ist, ist am besten gerüstet, um bei der Konstruktion die richtigen Entscheidungen für ein schlankes aber leistungsstarkes Design des Handinstruments zu treffen. Je früher dieser Lieferant die in diesem Dokument diskutierten Konstruktionsmethoden in die Instrumentenkonstruktion integrieren kann, desto besser wird dies gelingen. Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie einen erfahrenen Motorpartner in die Konzeptions- oder sogar Ideenfindungsphase der Entwicklung einbeziehen.