Im Bereich medizinischer Präzisionsgeräte sind Lärm und Vibrationen kritische Faktoren, die die Funktionalität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Geräte erheblich beeinträchtigen können. Insbesondere medizinische Geräte wie Diagnosegeräte, Operationsroboter, Infusionspumpen und bildgebende Geräte erfordern einen hochstabilen und präzisen Betrieb. Die Reduzierung von Lärm und Vibrationen in diesen Systemen ist entscheidend für den Patientenkomfort, die Verbesserung der Diagnosegenauigkeit und die Vermeidung von mechanischem Verschleiß.

Außenläufer-BLDC-Motoren haben sich aufgrund ihres einzigartigen Designs, das für höhere Effizienz, geringere Geräuschentwicklung und reduzierte Vibrationen sorgt, zur bevorzugten Lösung für diese Probleme entwickelt. In diesem Artikel untersuchen wir, wie Außenläufer-BLDC-Motoren zur Reduzierung von Lärm und Vibrationen in medizinischen Präzisionsgeräten beitragen können. Wir diskutieren außerdem Designüberlegungen, Vorteile und bewährte Verfahren zur Erzielung einer optimalen Motorleistung in solch sensiblen Anwendungen.

Das Problem verstehen: Lärm und Vibrationen in medizinischen Geräten

Medizinische Präzisionsgeräte müssen strenge Lärm- und Vibrationsnormen erfüllen, um sowohl die Funktionstüchtigkeit als auch die Patientensicherheit zu gewährleisten. Die Hauptursachen für Lärm und Vibrationen sind:
Mechanische Komponenten: Motoren, Getriebe und bewegliche Teile können durch mechanische Reibung und unregelmäßige Bewegungen Vibrationen erzeugen.

• Leistungsschwankungen: Variable Spannungs- und Stromschwankungen können zu einem unruhigeren Motorlauf führen und so Geräusche und Vibrationen verursachen.
• Motortyp: Herkömmliche Bürstenmotoren neigen aufgrund der Reibung zwischen Bürsten und Kommutatoren zu mehr Geräuschen und Vibrationen. Dies ist besonders im medizinischen Bereich problematisch, da ein leiser Betrieb unerlässlich ist.

Die Rolle bürstenloser Gleichstrommotoren mit Außenrotor

Bürstenlose Gleichstrommotoren mit Außenläufer (auch als Außenläufermotoren bekannt) zeichnen sich durch ihr einzigartiges Design aus, bei dem der Rotor außerhalb des Stators positioniert ist, im Gegensatz zu Innenläufermotoren, bei denen sich der Rotor im Stator befindet. Dieses Design bietet mehrere Vorteile hinsichtlich der Reduzierung von Lärm und Vibrationen in medizinischen Präzisionsgeräten.

Hauptmerkmale von BLDC-Motoren mit Außenrotor:

• Höheres Drehmoment: Das Außenrotor-Design ermöglicht größere Durchmesser und ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen. Dies reduziert den Bedarf an Hochgeschwindigkeitsbetrieb und senkt somit die Vibrationsbelastung.
• Laufruhiger Betrieb: BLDC-Motoren haben keine Bürsten, die sich abnutzen oder Reibung verursachen wie herkömmliche Bürstenmotoren. Dies führt zu einem ruhigeren Betrieb mit weniger mechanischen Vibrationen und weniger Lärm.
• Effizienz und Stabilität: BLDC-Motoren mit Außenrotor bieten in der Regel einen höheren Wirkungsgrad, d. h. sie erzeugen weniger Wärme und laufen ruhiger mit weniger elektrischem Rauschen.

Durch den Einsatz von BLDC-Motoren mit Außenrotor können Hersteller die Geräusch- und Vibrationsquellen ihrer medizinischen Geräte deutlich reduzieren, die Gesamtleistung verbessern und ein ruhigeres und angenehmeres Erlebnis für Patienten und Bediener gleichermaßen gewährleisten.

Geräuschreduzierung durch Motordesign und -steuerung

Einer der Hauptvorteile des Einsatzes von BLDC-Motoren mit Außenrotor in medizinischen Geräten ist die Minimierung der Geräuschentwicklung. Dies lässt sich durch verschiedene Konstruktions- und Steuerungstechniken erreichen.

a) Elektronische Kommutierung vs. mechanische Kommutierung

Herkömmliche Bürstenmotoren basieren auf mechanischer Kommutierung, bei der Bürsten an einem Kommutator reiben und so elektrische Geräusche und mechanische Reibung erzeugen. BLDC-Motoren hingegen nutzen elektronische Kommutierung, wodurch Bürsten überflüssig werden. Diese geringere Reibung führt zu deutlich weniger mechanischen Geräuschen und Vibrationen, was insbesondere bei medizinischen Geräten von Vorteil ist, bei denen ein geräuscharmer Betrieb entscheidend ist.

b) Feldorientierte Regelung (FOC)

Die feldorientierte Regelung (FOC) ist eine Technik zur Optimierung des Betriebs von BLDC-Motoren. Durch die Steuerung des Motormagnetfelds in Abhängigkeit von der Rotorposition ermöglicht die FOC einen ruhigeren Betrieb und reduziert die Drehmomentwelligkeit. Drehmomentwelligkeit ist eine Hauptursache für Geräusche und Vibrationen. Durch die Minimierung dieser Welligkeit trägt die FOC dazu bei, dass der Motor auch bei niedrigen Drehzahlen ruhig und leise läuft, was häufig bei medizinischen Geräten wie Bildgebungsgeräten oder Roboterarmen erforderlich ist.

Vibrationsreduzierung: Design- und Materialüberlegungen

Vibrationen in Motoren können durch Unwuchten im Rotor oder unregelmäßige magnetische Kräfte während des Betriebs entstehen. BLDC-Motoren mit Außenrotor bieten aufgrund ihres größeren Rotordurchmessers und der niedrigeren Betriebsdrehzahl den Vorteil, diese Vibrationen zu reduzieren.

a) Rotor- und Statorkonstruktion

Die Konstruktion von Rotor und Stator ist entscheidend für die Vibrationsreduzierung. Der große Rotordurchmesser eines BLDC-Motors mit Außenrotor verteilt die Kräfte gleichmäßiger und sorgt so für eine gleichmäßigere Rotation. Darüber hinaus minimiert die Verwendung hochwertiger, präzise ausgewuchteter Rotormaterialien ungleichmäßige Kräfte, die zu Vibrationen führen können.

b) Verwendung von Dämpfungsmaterialien

Eine weitere effektive Strategie zur Reduzierung von Vibrationen ist die Integration von Dämpfungsmaterialien in die Motorkonstruktion. Das Motorgehäuse kann aus weichen Materialien wie Silikon oder Gummi bestehen, um Vibrationen zu absorbieren und zu verhindern, dass sie auf benachbarte Geräte übertragen werden. Dies ist insbesondere bei medizinischen Geräten nützlich, bei denen übermäßige Vibrationen zu ungenauen Messungen oder Fehlausrichtungen in Robotersystemen führen können.

c) Magnetfeldglättung

Unregelmäßigkeiten im Magnetfeld sind eine weitere Ursache für Vibrationen in Motoren. Bei einem BLDC-Motor mit Außenrotor kann die Gleichmäßigkeit des Magnetfelds durch den Einsatz hochwertiger Permanentmagnete, beispielsweise Seltenerdmagnete, und die Optimierung der Polzahl in Rotor und Stator verbessert werden. Ein gleichmäßigeres Magnetfeld reduziert die Drehmomentwelligkeit und minimiert Vibrationen.

Wärmemanagement für verbesserte Leistung

Effektives Wärmemanagement ist entscheidend für die Reduzierung von Geräuschen und Vibrationen in Motoren. Übermäßige Hitze kann zu erhöhter Reibung und verringerter Motoreffizienz führen, was wiederum zu stärkeren Vibrationen führen kann. Durch die Gewährleistung einer optimalen Motortemperatur verringert eine ordnungsgemäße Wärmeableitung die Geräuschentwicklung und die mechanische Belastung.

a) Wärmeableitende Materialien

BLDC-Motoren mit Außenrotor profitieren von modernen Materialien wie Aluminium und Kupfer für Gehäuse und Wicklungen. Diese Materialien verbessern dank ihrer hervorragenden Leitfähigkeit die Wärmeableitung. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer Wärmeausdehnung, die zu mechanischer Fehlausrichtung und zusätzlichen Geräuschen oder Vibrationen führen kann.

b) Aktive Kühlsysteme

Bei medizinischen Hochleistungsgeräten können aktive Kühlsysteme wie Lüfter oder Flüssigkeitskühlung in das Motordesign integriert werden. Diese Systeme sorgen für eine stabile Temperatur und verhindern eine Überhitzung, die andernfalls die Motorleistung beeinträchtigen und die Geräuschentwicklung erhöhen könnte.

Fallstudie: Lärm- und Vibrationsreduzierung in der Roboterchirurgie

Um die Wirksamkeit von BLDC-Motoren mit Außenläufer bei der Reduzierung von Lärm und Vibrationen zu veranschaulichen, betrachten wir deren Anwendung in robotergestützten Chirurgiesystemen. Diese Systeme erfordern äußerst präzise Bewegungen und minimale Geräuschentwicklung, um die Sicherheit und den Komfort des Patienten zu gewährleisten. Durch den Einsatz von BLDC-Motoren mit Außenläufer können Ingenieure Folgendes erreichen:

• Reduzierter Geräuschpegel: Der Wegfall der mechanischen Kommutierung und der reibungslose Betrieb dank FOC führen zu einem leiseren Motor, der für die Aufrechterhaltung einer sterilen und ruhigen Operationsumgebung entscheidend ist.
• Reduzierte Vibration: Die geringe Drehmomentwelligkeit und das optimierte Rotordesign reduzieren die Vibrationen erheblich und sorgen dafür, dass sich Roboterarme mit hoher Präzision bewegen, ohne Beschwerden zu verursachen oder chirurgische Eingriffe zu beeinträchtigen.

Die Integration von BLDC-Motoren mit Außenrotor in die robotergestützte Chirurgie hat sowohl zu Verbesserungen der Behandlungsergebnisse für die Patienten als auch der Systemzuverlässigkeit geführt.

Datenanalyse: Lärm- und Vibrationsvergleich

Nachfolgend sehen Sie eine Vergleichstabelle, die die Unterschiede im Geräusch- und Vibrationspegel zwischen BLDC-Motoren mit Außenrotor und herkömmlichen Bürstenmotoren veranschaulicht. Die Messungen wurden bei 50 % Last an mehreren Geräten durchgeführt, die häufig in der Medizintechnik verwendet werden.

Type de moteur	Niveau sonore (dB)	Niveau de vibration (mm/s²)
Moteur à balais DC traditionnel	68 dB	0,6 mm/s²
Moteur BLDC à rotor externe (basse vitesse)	55 dB	0,2 mm/s²
Moteur BLDC à rotor externe (haute efficacité)	50 dB	0,15 mm/s²

Wie aus der Tabelle hervorgeht, weisen BLDC-Motoren mit Außenrotor im Vergleich zu herkömmlichen Gleichstrommotoren mit Bürsten deutlich geringere Geräusch- und Vibrationspegel auf, insbesondere bei hohem Wirkungsgrad und niedrigem Drehzahlbereich.

Abschluss

BLDC-Motoren mit Außenläufer bieten eine überzeugende Lösung zur Reduzierung von Lärm und Vibrationen in medizinischen Präzisionsgeräten. Ihre Konstruktionsvorteile, wie ruhigerer Betrieb, reduzierte Drehmomentwelligkeit und effektives Wärmemanagement, machen sie ideal für sensible Anwendungen wie Roboterchirurgie, Diagnosegeräte und Bildgebungssysteme. Durch die Optimierung des Motordesigns und den Einsatz fortschrittlicher Steuerungstechniken wie FOC können Hersteller Lärm und Vibrationen deutlich reduzieren, was zu verbesserter Leistung, erhöhtem Patientenkomfort und höherer Gesamtsystemzuverlässigkeit führt.

Durch die Einführung dieser fortschrittlichen Motortechnologien kann die Medizinbranche die Grenzen der Präzision und Sicherheit weiter verschieben und gleichzeitig sicherstellen, dass die Geräte so leise und nicht-invasiv wie möglich bleiben.