Welcher Motortyp eignet sich besser für chirurgische Einweg-Elektrowerkzeuge?

4. September 2020 Von Nancy Crotti

Die Motortechnologie ist oft eine entscheidende Entscheidung für Konstrukteure, die an chirurgischen Einweginstrumenten arbeiten – insbesondere die Wahl eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors.

Clémence Muron, Portescap

Kernloser Bürsten-Gleichstrommotor (Bild mit freundlicher Genehmigung von Portescap)

Konstrukteure von chirurgischen Elektrowerkzeugen müssen sich entscheiden, ob sie einen Einweg- oder einen wiederverwendbaren Designansatz wählen. Design- und Fertigungsverbesserungen sowohl bei Bürsten-Gleichstrommotoren als auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) haben zu niedrigeren Preisen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung geführt, sodass mit einem Einwegdesign ausreichend niedrige Werkzeugkosten pro Operation erzielt werden können.

Während die Anforderungen an die Motorleistung für wiederverwendbare und wegwerfbare chirurgische Instrumente ähnlich sind, unterscheiden sich die Anforderungen an Lebensdauer und Kosten erheblich. Ein für ein wiederverwendbares Werkzeug spezifizierter Motor erfordert möglicherweise eine Lebensdauer von Hunderten oder sogar Tausenden von Operationen und muss daher hochwertige Komponenten und Materialien verwenden. Ein Motor für ein Einwegwerkzeug muss eine ähnliche Leistung erbringen und häufig in großen Stückzahlen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis verfügbar sein.

Bei der Spezifikation von Motoren für Einwegwerkzeuge sollten Konstrukteure die möglichen Vorteile herkömmlicher Bürsten-Gleichstrommotoren gegenüber der fortschrittlicheren BLDC-Technologie berücksichtigen. Die Zuverlässigkeitsvorteile von BLDC erhöhen leider die Kosten, sodass sie oft nicht für ein Einwegwerkzeug spezifiziert werden können. Entwickler sollten mit einem Motorlieferanten zusammenarbeiten, der sich mit beiden Technologien auskennt, um die Leistungs- und Kostenkompromisse zu ermitteln.

Wenn das Ziel eines neuen Projekts darin besteht, Leistung und Zuverlässigkeit zu maximieren, wird sich ein Konstrukteur wahrscheinlich für die BLDC-Technologie entscheiden. Die bürstenlose Technologie ermöglicht den Betrieb mit hohen Drehzahlen (bis zu 100.000 U/min) über eine lange Lebensdauer. Bei BLDC erfolgt die Kommutierung ohne den Einsatz mechanischer Bürsten (z. B. über magnetische Hall-Sensoren oder einen sensorlosen Antrieb mit einer bürstenlosen Motorsteuerung), sodass der Kontakt zwischen den rotierenden und stationären Komponenten des Motors auf die Kugellager beschränkt ist. Dies bedeutet, dass die Lebensdauer des Motors in erster Linie von der Langlebigkeit des Lagers abhängt und der Motor über einen längeren Zeitraum mit hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Bei einem Gleichstrommotor mit Bürsten erfolgt die Kommutierung durch mechanische Bürsten aus Graphit oder Edelmetall, die physischen Kontakt mit dem Rotor herstellen und so die elektrische Verbindung herstellen. Die Lebensdauer des Motors beschränkt sich in erster Linie auf die Lebensdauer der Bürsten, wobei höhere Drehzahlen zu vorzeitigem Verschleiß führen. Bei einem Einwegwerkzeug dürfte die höhere Geschwindigkeit angesichts der kurzen Lebensdauer kein Problem darstellen. Dies hängt jedoch stark vom Arbeitszyklus und den Geschwindigkeitsanforderungen der Anwendung ab.

Auch das Design und die verwendeten Materialien eines Bürsten-Gleichstrommotors wirken sich auf die Leistung aus. Die meisten kostengünstigeren Bürstenmotoren haben einen Eisenkern, während der Rotor eines kernlosen Motors nur aus einer Spule und einer einzelnen Welle besteht. Das kernlose Design bietet eine geringere Trägheit, was zu einer besseren Beschleunigung und Effizienz führt. Außerdem wird das Rastmoment (Rastmoment) eliminiert, das die Laufruhe bei langsameren Geschwindigkeiten beeinträchtigen kann.

Bei wiederverwendbaren chirurgischen Werkzeugen sind BLDC aufgrund der Anforderungen an Lebensdauer und Geschwindigkeit häufig die ideale Lösung. Für einige Anwendungen mit Einwegdesign kann jedoch ein Bürsten-Gleichstrommotor eine attraktive Lösung darstellen.

Clémence Muron ist Anwendungsingenieurin bei Portescap, einem Zulieferer von Motortechnologie für OEMs in der Chirurgie.

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von Medical Design and Outsourcing oder seinen Mitarbeitern wider.

Bildunterschrift: Ein kernloser Bürsten-Gleichstrommotor (Bild mit freundlicher Genehmigung von Portescap)