Medizinprodukte Anlauf Adobe, Bild: Adobe Stock/Suteren Studio

In Medizinprodukten wie klinischen Analysegeräten und Sauerstoffkonzentratoren muss die Pumpe viele Betriebsstunden ohne nachlassende Leistung überstehen, und vor diesem Hintergrund ist der Motor auszuwählen. Bild: Adobe Stock/Suteren Studio

Es gibt eine große Vielfalt unterschiedlicher Produkte, in denen Miniaturpumpen Flüssigkeiten bewegen oder einen Druck beziehungsweise Unterdruck erzeugen: von Blutgasanalysatoren bis hin zu Gasentnahmegeräten und von Tischgeräten fürs Labor bis zu leichten, tragbaren medizinischen Geräten. Viele Parameter des Produktdesigns gestalten Maschinenbauer durch die Wahl der richtigen Pumpe oder deren anwendungsspezifische Anpassung. Die optimale Gesamtsystemleistung ist und bleibt dabei Sache des Pumpenmotors. Bei der Auswahl des richtigen Miniaturpumpenmotors sind nicht nur die Schlüsselparameter Druck und Durchfluss maßgeblich, sondern auch teilweise widersprüchliche Anforderungen an Lebensdauer, Laufgeräusche, Temperatur, Stromaufnahme, Feedback und Gewicht. Hinzu kommt bei allen Performancekriterien natürlich die Abwägung der Kosten.

Zum Autor

Dave Beckstoffer ist Business Development Manager bei Portescap.

Der Produktentwickler hat bei den Miniaturmotoren eine Reihe von Technologien zur Auswahl: bürstenbehaftete DC-Motoren, bürstenlose DC-Motoren, Schrittmotoren und entsprechende Unterkategorien. Die verschiedenen Technologien bieten jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile in Bezug auf die grundlegenden Pumpenvariablen. Die Relevanz der einzelnen Kriterien hängt von der konkreten Pumpenanwendung ab. Schauen wir uns daher einmal an, wie ein systematischer Auswahlprozess aussehen kann.

Förderstrom und -druck

Miniaturpumpen, Bild: Portescap
Bei der Komponentenauswahl für Miniaturpumpen können Produktentwickler unter mehreren Motortechnologien wählen. Bild: Portescap

Der Förderstrom beziehungsweise -druck einer Pumpe ist der wichtigste Faktor für die Anwendung. Die Maximierung dieser Parameter im Verhältnis zur Baugröße macht das optimale Endprodukt aus. Die wesentlichen Variablen des Motors, die sich direkt auf den Förderstrom und -druck der Pumpe auswirken, sind Drehmoment und Drehzahl. Schritt- und bürstenbehaftete DC-Motoren erreichen nicht so hohe Drehzahlen wie bürstenlose DC-Motoren, aber mit Subtechnologien kann die Leistung in unterschiedlichen Bereichen gesteigert werden. Scheibenmagnet-Schrittmotoren können beispielsweise mit höheren Drehzahlen laufen, während bürstenlose, genutete DC-Motoren ein höheres Drehmoment bieten.

Förderstrom und -druck geben den Arbeitspunkt vor – das erforderliche Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl. Pumpen für Chemikalien werden je nach Medium mit unterschiedlichen Förderströmen betrieben. Der hierfür notwendige Arbeitspunkt kann mit mehreren Motortechnologien abgedeckt werden, sodass als nächstes die anderen Anforderungen der Anwendung die Auswahl konkretisieren.

Die Dauerbetriebsfähigkeit kann ein wichtiges Kriterium der Anwendung sein. In Medizinprodukten wie Sauerstoffkonzentratoren und Anästhesiegeräten muss die Pumpe viele Betriebsstunden ohne nachlassende Leistung überstehen, und vor diesem Hintergrund ist der Motor auszuwählen. Im Gegensatz zu elektronisch kommutierten Motoren verwenden Motoren mit Eisenkern und kernlose („coreless“) Motoren Kohlebürsten für die Kommutation. Kohlebürsten verschleißen im Laufe der Zeit aufgrund von Reibung und elektrischen Überschlägen (Bürstenfeuer). Die Lebensdauer des Motors hängt vom Material der Bürsten ab. Hier gibt es Optionen zur Verlängerung der Bürstenstandzeit, unter anderem Edelmetallbürsten. Generell halten kernlose Motoren mit ihrem schichtweisen Wicklungsaufbau bis zu viermal länger als Eisenkernmotoren. Wo jedoch eine lange Lebensdauer gewährleistet sein muss, sind bürstenlose DC-Motoren und Schrittmotoren die bessere Wahl.

Abgesehen von der Art der Kommutation sind die Lager ein Verschleißpunkt, der bei allen Motoren eine Rolle spielt. Im Wesentlichen stehen zwei Arten von Lagern zur Auswahl – Gleitlager und Wälzlager. Gleitlager haben eine geringere Tragfähigkeit und Lebenserwartung (circa 3.000 Stunden), sind allerdings kostengünstiger. Wälzlager halten deutlich länger (circa 20.000 Stunden) und können höhere Radial- und Axialbelastungen aufnehmen (etwa das Doppelte der Belastbarkeit von Gleitlagern). Hiermit sind sie ideal für anspruchsvolle Anwendungen wie medizinische Therapiesysteme. Die bessere Lebensdauer ist jedoch mit höheren Kosten verbunden.

Leistungsaufnahme

Bei batteriebetriebenen Anwendungen ist die Leistungsaufnahme ein wichtiger Gesichtspunkt und der Wirkungsgrad des Motors entscheidend. Weil der besondere Wicklungsaufbau die mechanischen Verluste auf ein Minimum reduziert, bieten nutenlose oder kernlose Bauarten die höchsten Wirkungsgrade. Genutete Bauarten wie bei Schritt- und Eisenkernmotoren sind weniger effizient, weil der hohe Gehalt an ferromagnetischen Werkstoffen erhebliche elektrische Verluste bedingt.

Ein weiterer Vorteil sowohl der nutenlosen als auch der kernlosen Motoren ist das geringere Gewicht – bei tragbaren Geräten wie Gasanalysatoren unter Umständen ein wichtiges Kriterium.

Nachdem so viele Parameter zu berücksichtigen sind, ist die Komponentenauswahl nicht einfach. Oftmals müssen Kompromisse eingegangen werden, um die konkreten Anforderungen bestmöglich zu erfüllen. Das Wissen um die Vor- und Nachteile der verschiedenen Technologien ist Voraussetzung für die Wahl eines Motors, der sowohl die Leistungs- als auch die Budgetanforderungen der Anwendung erfüllt.

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