Ein typisches Beispiel für die Leistungsfähigkeit moderner Medizintechnik liefert das Anästhesiegerät Zeus Infinity Empowered (IE) von Dräger, das das komplette Spektrum – von der differenzierten Beatmungstherapie bis zur Überwachung, Integration der Infusionstechnik sowie Automatisierung von Teilfunktionen – mit einem System ermöglicht.
Austauschbare und sterilisierbare Turbineneinheit
Mit einem Turbinenventilator kann das Gerät auch als geschlossenes Anästhesiesystem mit vollständiger Rückatmung betrieben werden. Die exakte Dosierung der Narkosegase im geschlossenen System reduziert den Gas- und Anästhesiemittelverbrauch. Die turbinenbasierte Beatmung erlaubt zudem zu jeder Zeit die freie Durchatembarkeit (Spontanatmung) des Patienten. Sowohl Erwachsene als auch Kinder und Neugeborene können damit über die komplette Narkose hinweg adäquat beatmet werden. Die Turbineneinheit, auch als Blower-Unit bezeichnet, lässt sich im Bedarfsfall mit wenigen Handgriffen austauschen und ist autoklavierbar. Sie wird in einer intensiven Behandlung mit 134°C heißem Dampf sterilisiert. An die eingesetzten Komponenten stellt das allerdings hohe Anforderungen, da Turbine, Antrieb und Co. dem heißen Wasserdampf standhalten müssen. Alle in der Turbineneinheit verbauten Komponenten dürfen nur aus biokompatiblen Materialien bestehen, da sie unmittelbar mit der Atemluft des Patienten in Kontakt stehen. Außerdem sind kompakte Abmessungen gefragt, damit die Einheit sich gut im Anästhesiegerät integrieren lässt und bei Austausch und Reinigung einfach á zu handhaben ist. Für den eingesetzten Motor ist deshalb – neben Robustheit, Biokompatibilität und Zuverlässigkeit – auch eine hohe Leistungsdichte obligatorisch.
Anspruchsvolles Anforderungsprofil
Diese Anforderungen lassen sich mit Standardkomponenten nicht realisieren. \“Für die Entwicklung der Turbineneinheit haben wir mit Faulhaber einen Partner gefunden, der uns nicht nur sein antriebstechnisches Knowhow, sondern auch seine Systemkompetenz einbringt\“, sagt Torsten Theede, Global Commodity Manager Electronics bei Dräger. \“Bei der Entwicklung arbeiteten wir von Anfang an eng zusammen und heute liefert uns der Partner die komplette einbaufertige Einheit, die zu 100 Prozent aus speziell auf unsere Anwendung abgestimmten Bauteilen besteht.\“ Als Basis für den Antrieb der Turbine bot sich ein bürstenloser DC-Motor an. Die Motoren aus dem Faulhaber-Programm sind für raue Einsatzbedingungen konstruiert und eignen sich deshalb überall dort, wo hohe Zuverlässigkeit, präzise Funktion und lange Lebensdauer gefragt sind. Hohe Laufruhe, geringe Geräuschentwicklung, große Leistung und Dynamik bei kleinem Bauvolumen gehören ebenfalls zu den Eigenschaften. Der für die Blower-Unit gesuchte Antrieb stellte die Entwickler dennoch vor große Herausforderungen: Schließlich war ein Motor gefragt, der im Millisekundenbereich beschleunigt und ebenso schnell wieder abbremst. \“Das ist wichtig, damit der Patient nicht gezwungen wird, gegen die Maschine zu atmen\“, erläutert Theede. \“Die Blower-Unit und damit der Antrieb muss deshalb extrem schnell und präzise reagieren.\“
Antrieb mit besonderen Eigenschaften
Im Resultat ist der für die Blower-Unit maßgeschneiderte bürstenlose DC-Motor in einem robusten Edelstahlgehäuse untergebracht und bei 24mm Durchmesser lediglich 46mm lang. Um dennoch auf die gewünschten Leistungsdaten zu kommen, wurden die eingesetzten Magnete und Bleche verbessert. Dass nur biokompatible Schmier- und Klebstoffe verwendet werden durften und die komplette Einheit autoklavierbar sein musste, machte die Materialauswahl zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Bei der Kugellagerauswahl arbeiteten die Entwickler beispielsweise mit externen Spezialisten zusammen, um für die extrem hohen Drehzahlen die passende Materialpaarung mit biokompatiblen Schmierstoffen zu finden. Auch mechanisch erfüllt das System die hohen Anforderungen: Die Flügelradpumpe, die den Luftstrom erzeugt, ist direkt auf dem Motor montiert. Die elektrischen Anschlüsse sind in der herausgeführten Vergussmasse eingebettet. In der Vergussmasse wurde zudem ein EPROM integriert, aus dem sich bei Bedarf neben der Seriennummer die Antriebshistorie und sogar die Anzahl der geleisteten Betriebsstunden auslesen lassen. Die Signale der im Motor integrierten Hall-Sensoren werden von der übergeordneten Systemsteuerung verarbeitet, die den Motor entsprechend den Anästhesie- und Beatmungsanforderungen ansteuert. Die gesamte Turbineneinheit hat einen Durchmesser von 120mm und ist 220mm lang. \“Sie hat sich im Praxiseinsatz mittlerweile gut bewährt\“, so Theede. \“Die Zusammenarbeit ging deshalb weiter, und auch die Turbineneinheit für unseren Anästhesiearbeitsplatz Perseus A500 entstand gemeinsam mit Faulhaber.\“ Dieses System bietet ebenfalls differenzierte Beatmungsstrategien, die die Spontanatmung des Patienten jederzeit unterstützen und wird ebenfalls seit einigen Jahren in vielen Kliniken erfolgreich eingesetzt.
Antriebsdrehmoment
Faulhaber hat eine neue Generation metallbürstenkommutierter Motoren eingeführt: die Motoren der Serie 1024…SR mit einem Durchmesser von 10mm. In Kombination mit einem Getriebe kann ein Abtriebsdrehmoment von 300mNm erreicht werden, was dem Doppelten ähnlicher auf dem Markt erhältlicher Produkte entspricht. Mit seinem hohen Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis meistert der Motor unterschiedliche Lasten bei reduzierten Drehzahlschwankungen und sorgt so für einen ruhigen Gleichlauf. Dabei bietet er einen sehr geringen Geräusch- und Vibrationspegel. Leistung und Drehmoment der neuen Serie basieren auf einer Neugestaltung nahezu aller Motorelemente. Sie umfasst z.B. eine neue Spule, ein neues Kommutierungssystem und einen neuen Magneten. Daraus ergibt sich ein deutlich breiterer Drehzahlbereich unter Last, ein Dauerdrehmoment von 1,5mNm bei 7500U/min und eine Abgabeleistung von über 3W. Die Spannung kann zwischen 6 und 12V gewählt werden. Die Motorleistung lässt sich durch eine einzigartige Bandbreite an Kombinationselementen in den High-End-Bereich bringen. Der Motor kann mit einem magnetischen oder einem optischen Encoder verbunden werden, wenn elektromagnetische Beeinflussungen verhindert werden sollen. Bei der optionalen Kombination mit einem 12/4-Planetengetriebe bietet er außerordentliche Leistungswerte. Hervorzuheben ist auch die Länge der Encoder/Motor/Getriebe-Kombination, die bei einer vierstufigen Reduktionskonfiguration unter 51mm betragen kann. Die optionalen spielarmen Stirnradgetriebe beseitigen Drehspiel und sorgen für hohe Präzision zu einem konkurrenzfähigen Preis. Die Serie 1024…SR bietet eine längere Lebensdauer durch die Integration einer Funkenunterdrückungsschaltung, die die Schädigung von Bürsten und Kollektor reduziert. Das daraus resultierende saubere Kommutierungssignal erhöht zudem die Genauigkeit der Motorsteuerung. Der neue Motor eignet sich aufgrund seiner Leistungsfähigkeit bei kleinen Abmessungen und geringem Gewicht auch für tragbare Geräte. Seine niedrigen Vibrationspegel ermöglichen den Einsatz in hochgenauen Anwendungen, beispielsweise in optischen Geräten oder Hochpräzisionswerkzeugen. In der optionalen Kugellagerversion eignet er sich auch für Anwendungen mit Radiallasten. Der Motor ist außerdem erhältlich mit einem zweiten Wellenende, in einer Vakuum-Ausführung und einer Ausführung mit erweitertem Temperaturbereich (-30 bis +125 °C).
