Wat maakt het mogelijk dat ventilatoren perfect synchroniseren met het ademhalingsritme van een patiënt? Wat geeft chirurgische instrumenten hun precisie op microscopische schaal? Het antwoord ligt vaak in compacte maar krachtige borstelloze DC-motoren met hoge snelheid. Omdat medische en industriële toepassingen steeds geavanceerdere prestaties vereisen, staan ingenieurs voor de cruciale uitdaging om deze motoren te optimaliseren om efficiëntie en stabiliteit te behouden bij hoge rotatiesnelheden.

Mechanische kracht vertegenwoordigt het product van koppel en rotatiesnelheid. Binnen gevestigde motortechnologiekaders volgt de verbetering van de kracht voornamelijk twee paden: het verhogen van het koppel of het verhogen van de snelheid. Continu koppel correleert typisch met de afmetingen van de motor en wordt beperkt door de thermische dissipatiecapaciteit. Tijdens het vastlopen van de motor of bij lage snelheid wordt bijna alle energieverlies omgezet in Joule-verwarming.

Belangrijkste prestatieparameters zijn:

• T = Motorkoppel
• RTh1 = Thermische weerstand van spoel naar stator
• RTh2 = Thermische weerstand van stator naar lucht
• K = Motorkoppelconstante
• R = Weerstand van de motorspoel
• Pj = Joule-effect vermogensverlies
• ΔT = Toegestane maximale temperatuurstijging van de spoel

De relatie komt naar voren als: ΔT = (RTh1 + RTh2) · Pj = (RTh1 + RTh2) · R · I² = (RTh1 + RTh2) · R · T²/K²

De term (RTh1 + RTh2)·R/K² dient als een cruciale figuur voor de beoordeling van de motor. Lagere waarden duiden op superieure prestaties. Ideale hoogwaardige motoren combineren minimale weerstand met hoge koppelconstanten.

Koppelconstanten zijn afhankelijk van het ontwerp van het magnetische circuit, waardoor de optimalisatie van de magnetische flux door de wikkelingen het centrale ontwerpdoel is. Geavanceerde magneetmaterialen zoals neodymium-ijzer-boor (NeoFe) met energieproducten die 50 MGoe benaderen, vertegenwoordigen effectieve oplossingen. Het verminderen van Joule-verliezen vereist het maximaliseren van de dwarsdoorsneden van de geleider om de koperweerstand te minimaliseren.

Zelfs met geoptimaliseerde R/K²-verhoudingen blijft het maximale koppel thermisch beperkt door de afmetingen van de motor. Snelheidsverbetering biedt een alternatieve strategie voor optimalisatie van de kracht.

Hoewel theoretisch eenvoudig door spanningsaanpassing, introduceren snelheidsverhogingen extra thermische uitdagingen door:

• IJzerverliezen
• Wrijvingsverliezen van lagers
• Door rimpelstroom veroorzaakte verliezen

IJzerverliezen omvatten wervelstroom- en hysteresecomponenten. Wervelstromen ontstaan door variaties in de magnetische flux die stromen induceren binnen gelamineerde ijzerkernen.

Belangrijkste relaties:

• Wervelstroomverliezen ≈ χ·B²·ω² (proportioneel met magnetische inductie en frequentie in het kwadraat)
• Hystereseverliezen = μ·λ·B²·ω² (afhankelijk van de permeabiliteit en coerciviteit van het materiaal)

Dunnere lamineringen en materialen met een hogere weerstand verminderen wervelstromen, terwijl legeringen met een lage coerciviteit zoals ijzer-nikkel (Fe-Ni) hysterese-verliezen minimaliseren. Motoren met meerdere polen worden vaak geconfronteerd met snelheidsbeperkingen als gevolg van deze kwadratische frequentieafhankelijkheden.

Borstelloze DC-motoren worden verdeeld in twee primaire categorieën op basis van de statorconfiguratie:

Motoren met sleufstator: Bevatten spoelen die in de statorsleuven zijn gewikkeld. De minimale luchtspleet tussen lamineringen en magneten maakt een hoge magnetische inductie mogelijk met magneten met een kleinere diameter. De beperkingen van de sleufruimte beperken echter het kopervolume en compliceren de wikkelprocessen. Sleufontwerpen bieden een superieure thermische weerstand en mechanische robuustheid, hoewel ze tandkoppel vertonen dat kan worden verminderd door schuine lamineringen.

Sleufloze statormotoren: Gebruiken voorgewikkelde, zelfdragende spoelen die direct in de luchtspleet worden geplaatst. De vergrote luchtspleet vermindert de magnetische inductie, die doorgaans wordt gecompenseerd door grotere magneten. Deze ontwerpen elimineren tandkoppel volledig en vertonen minder ijzerverliezen bij hoge snelheden, hoewel de rotortraagheid toeneemt met het kwadraat van de diameter. Sleufloze configuraties bereiken vaak superieure R/K²-verhoudingen door een geoptimaliseerde balans tussen magnetische inductie en kopervolume.

Motorselectie vereist een zorgvuldige analyse van toepassingsspecifieke werkpunten die worden gedefinieerd door koppel- en snelheidsvereisten. Twee illustratieve medische toepassingen demonstreren dit optimalisatieproces:

Hoge-snelheid ventilatormotoren: Moeten binnen milliseconden versnellen van stationair naar 50.000 RPM, terwijl ze synchroniseren met de ademhalingspatronen van de patiënt. De primaire koppelvraag komt van de versnelling van de waaier, waarbij thermisch beheer cruciaal is voor zowel het comfort van de patiënt als de levensduur van de lagers. Recente ontwikkelingen in de motorserie optimaliseren specifiek de verhouding tussen Joule- en ijzerverliezen voor deze veeleisende omstandigheden.

Motoren voor chirurgische handstukken: Werken met extreme snelheden in compacte vormfactoren en behouden tegelijkertijd lage externe temperaturen voor het comfort van de chirurg. Geavanceerde ontwerpen met een diameter van 16 mm leveren enkele ounce-inches koppel bij 80.000 RPM met oppervlaktetemperaturen onder de 43°C, terwijl ze bestand zijn tegen meer dan 3.000 autoclaafsterilisatiecycli.

Door continue materiaalverbeteringen en toepassingsspecifieke optimalisatie voldoen moderne borstelloze DC-motoren aan steeds strengere prestatie-eisen in medische en industriële toepassingen. Een juiste specificatieanalyse blijft essentieel voor het leveren van optimale ontwerpen die de koppelproductie, het thermisch beheer en de operationele betrouwbaarheid in evenwicht brengen.