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La création de petites pompes à perfusion portables a ouvert une nouvelle voie dans le domaine des soins médicaux. Un patient peut recevoir des injections programmées de doses précises de médicaments, sans avoir à se rendre chez le médecin, améliorant grandement son quotidien. Des pompes ambulatoires ont été mises au point pour administrer de l'insuline, des compléments alimentaires ou encore des traitements contre le cancer.
Ce matériel médical exige une fiabilité extrême, tout échec étant évidemment inacceptable. Par conséquent, pendant la phase de conception, il est important de tenir compte de la totalité du système : la pompe, le moteur, le contrôleur, le retour d'information, etc. La miniaturisation est essentielle pour le confort d'utilisation, surtout lorsqu'il s'agit de matériel portable. Le patient ne doit pas être gêné par le bruit de la pompe, aussi bien au repos que dans un environnement social. C'est la raison pour laquelle des pompes sur batterie ont besoin d'un moteur miniature, silencieux et à haut rendement. Qu'il s'agisse de technologies avec ou sans balais ou encore pas-à-pas, le choix d'un type de moteurà courant continu présente de nombreux avantages et inconvénients en fonction de la technologie que vous choisissez.
Dans cette étude, nous utiliserons une petite pompe pousse-seringue en exemple. Un design typique consiste en un piston déplacé par une vis sans fin, la vis ou l'écrou étant entraîné par un micromoteur. (Voir Schéma 1)
Technologies de servomoteurs miniatures
Les servomoteurs miniatures utilisés dans les pompes médicales ont des exigences très spécifiques. Pour sélectionner le moteur électrique, l'ingénieur a le choix entre différentes technologies. Toutefois, la fonction principale du moteur est de transformer l'alimentation électrique en une force mécanique. Les objectifs du moteur sont :
- Offrir un couple précis,
- Déplacer un angle spécifique à un moment donné,
- Etre très silencieux,
- Etre aussi petit que possible,
- Avoir un rendement élevé
À l'heure actuelle, les ingénieurs peuvent choisir entre trois principales technologies de moteurs à courant continu :
- un moteur à courant continu sans fer assemblé avec un réducteur et un codeur,
- un moteur sans balais avec un réducteur et parfois un codeur,
- un moteur pas-à-pas, soit en entraînement direct ou avec un réducteur et parfois un codeur.
Le designer sélectionnera la solution, qui dépendra principalement de son expérience et du contexte, car les trois options peuvent remplir la même fonction dans la pompe. Chacune de ces technologies présente des avantages et des inconvénients, tels que décrits dans le tableau suivant :
Moteur à courant continu à balais | Moteur à courant continu sans balais | Moteur pas-à-pas | |
---|---|---|---|
Avantages | Meilleur rendement | Boucle ouverte à basse vitesse. Boucle fermée à haute vitesse. | L'électronique est simple, car elle est généralement pilotée avec une boucle ouverte. Un pas, un incrément. |
Facilité d'utilisation | Longévité | Longévité | |
Réducteur + codeur nécessaires | Réducteur + capteurs nécessaires | Réducteurs + capteur nécessaires | |
Inconvénients | Codeur nécessaire | Rendement plus faible | Électronique complexe pour gérer les modes boucle ouverte ou fermée |
Ferme la boucle de position | En principe, diamètre supérieur par rapport aux solutions à courant continu |
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Coupure de communication |
Le servomoteur à courant continu à balais
Les moteurs à balais entrent dans une des deux sous-catégories : avec ou sans fer Ce dernier ne génere pas de perte fer, il est donc préconisé pour les applications sur batterie tel que les pompes portables. Avec un moteur à courant continu sans fer, les pertes sont donc des pertes Joules, qui sont proportionnelles à la résistance de la bobine (volume de cuivre), mais également au carré du courant dans le moteur. La consommation de courant dans le moteur est proportionnelle au couple du moteur.
Le rendement du système doit être optimisée pour les application sur batterie. La commutation métaux précieux permet une efficacité du moteur allant jusqu'à 90 %. Généralement, le ratio R/k², qui représente la puissance perdue par effet Joule dans le bobinage, est une excellente représentation du facteur de mérite afin de comparer un moteur par rapport à un autre. Pour une taille de moteur donnée, ce facteur de mérite est plus ou moins constant, la modification du bobinage pour une différente tension nominale ne modifiant pas ce paramètre. Cependant, si le choix se présente, optez pour le moteur ayant le rapport R/k² le plus petit possible. Il aura un meilleur rendement En outre, même si le diamètre du moteur est en principe défini par le client et l'application, plus le moteur est grand, plus les pertes Joule seront faibles pour un couple donné.
La puissance mécanique est égale au couple multiplié par la vitesse. Intuitivement, la meilleure manière d'augmenter le rendement du moteur est d'obtenir la puissance nécessaire tout en faisant tourner le moteur à haute vitesse. Pour la même puissance mécanique, plus la vitesse est élevée, plus le couple nécessaire et les pertes Joule seront faibles. Les nouvelles technologies d'aimants aident les moteurs à courant continu sans fer à obtenir un couple plus élevé qu'auparavant. (Voir Schéma 2)
Les moteurs sans fer ont également une très faible inductance, une commutation avec une petite surface de contact et une basse pression, ce qui entraîne une résistance électrique et friction peu élevées.
N'oubliez pas : Un moteur à courant continu sans fer avec des balais métaux précieux aura une efficacité supérieure à haute vitesse. Pour un diamètre donné, le rapport couple-vitesse et l'efficacité sont grosso modo équivalents à l'impédance de la bobine. Un plus gros moteur présente moins de pertes fer qu'un plus petit moteur pour le même couple de sortie.
Le servomoteur à courant continu sans balais
La durée de vie d'un moteur à courant continu dépend des roulements et des balais. Grâce à l'introduction desmoteurs sans balais, cette dépendance a été réduite uniquement à la durée de vie des roulements, ce qui, dans certaines applications, a permis d'améliorer considérablement la durée de vie Dans un moteur à courant continu sans balais, les bobines sont fixes et font partie du stator alors que l'aimant fait partie du rotor. La commutation dans les bobines se fait de manière électronique. Généralement, le tube extérieur qui ferme le champ magnétique sur l'aimant est fixe, entraînant des pertes de fer lorsque l'aimant tourne. Dans des applications où l'inertie n'est pas essentielle, le tube et l'aimant peuvent tourner ensemble, éliminant les pertes de fer. (Voir Schéma 3)
Le moteur à courant continu sans balais entre dans une des deux catégories comme lemoteur à balais, : avec et sans encoches. Le design sans encoches présente l'avantage de ne pas avoir de couple de détente et d'avoir moins de pertes fer qu'une conception à encoches. Les moteurs à encoches sont généralement utilisés dans des environnements hostiles, lorsque le produit requiert une stérilisation autoclave, par exemple. De nouveaux aimants à haute énergie font du design sans encoches le meilleur choix.
Les inconvénients du moteur à courant continu sans balais traditionnel par rapport au moteur à courant continu sans fer réside dans son efficacité amoindrie due aux pertes de fer et au couple inférieur pour une unité de la même taille. Un moyen de compenser les pertes est d'utiliser le moteur à courant continu sans balais à des vitesses supérieures en tenant compte de ce paramètre lors de la sélection d'un réducteur.
Le contrôleur d'un moteur à courant continu sans balais est essentiel à l'efficacité du système. Il existe de nombreuses façons de piloter un moteur à courant continu sans balais :
- Le piloter en tant que pas-à-pas avec une boucle ouverte, où le courant de la phase n'est pas lié à la vraie position du rotor, mais plutôt à une position théorique du rotor.
- Réduire le pilotage du capteur du moteur à l'aide du champ électromagnétique de chaque phase en tant qu'information, pour commuter le courant dans les phases. Une telle technique offre l'avantage de fonctionner sans retour d'information. Cependant l'inconvénient est de ne manoeuvrer que lorsque le rotor est en mouvement, de telle sorte qu'il ne travaille pas bien à basse vitesse.
- Piloter le moteur en tant que servomoteur en utilisant un capteur de position pour commuter les phases.
Pour une petite pompe médicale, il est possible de l'utiliser comme un moteur pas-à-pas à basse vitesse et comme un moteur à courant continu sans balais à une vitesse supérieure.
Le servomoteur pas-à-pas
Par définition, un moteur pas-à-pas est un moteur à courant continu sans balais avec de nombreux pôles. Par conséquent, le courant de chaque phase devra être commuté de nombreuses fois par tour. Par exemple, un moteur pas-à-pas en deux phases qui a 100 pas/tour aura besoin de 25 inversions de courant à chaque phase pour faire un tour complet. Cette conception a le grand avantage d'avoir de nombreuses positions (pas) stables par tour, permettant un couple élevé pour une taille donnée (par rapport à un moteur à courant continu avec ou sans balais L'inconvénient d'un moteur pas-à-pas est qu'il n'est pas capable de fonctionner à haute vitesse en raison de l'inductance associée à la fréquence de commutation et des pertes de fer (dues aux nombreuses inversions de courant).
Différentes technologies de moteurs pas-à-pas sont disponibles :
- Réluctance variable
- Aimant permanent (Can Stack)
- Hybride
- Technologie d'aimant disque (TurboDisc)
Pour les applications sur batterie, la technologie d'aimant disque (voir schéma 4) est préférable, car elle entraîne une inertie moindre et des pertes de fer inférieures, comparée à d'autres moteurs pas-à-pas, le résultat étant une efficacité supérieure.
Comme c'est le cas pour les moteurs à courant continu sans balais, les moteurs pas-à-pas peuvent être pilotés de différentes manières :
- Boucle ouverte en mode pas entier, demi-pas ou micro-pas. Dans ce cas, aucune information de position n'est nécessaire, le rotor suit le flux magnétique généré par les bobines. Une association linéaire de courant à chaque phase permet les micro-pas. Un inconvénient notable est que sans retour information, la sécurité n'est assurée que par plus de couple ou de courant que nécessaire.
- Boucle de commutation fermée comme un servomoteur. L'avantage dans ce cas est un couple élevé à basse vitesse tandis que l'inconvénient, ce sont des pertes supérieures et un comportement non linéaire à haute vitesse (c'est-à-dire couple vs vitesse).
Pour de petites pompes portables, les moteurs pas-à-pas sont le premier choix si, à faible vitesse, ils peuvent être utilisés en mode pas complet et que le couple de détente suffit à maintenir la charge. Dans ce cas, il sont pilotés comme un moteur de montre, la bonne quantité d'énergie est fournie pour passer d'un pas à l'autre, tandis qu'à l'arrêt aucun courant n'est appliqué à la phase. À de hautes vitesses, il existe deux options : soit le moteur doit tourner très vite de manière intermittente (changement de seringue), puis être entraîné comme un moteur pas-à-pas normal, soit le moteur doit tourner de nombreuses fois rapidement, augmentant l'efficacité en fermant la boucle de commutation, comme un servomoteur normal (en ajoutant donc un retour d'information.)
Dans certaines applications, une solution de moteur pas-à-pas avec un réducteur peut constituer le design le plus économique puisqu'aucun codeur n'est requis. En outre, à l'arrêt, aucune énergie ne sera nécessaire si le couple de détente est suffisamment solide pour maintenir la position.
Réducteurs et codeurs
Comme mentionné précédemment, un moteur à courant continu tournant à haute vitesse requiert souvent un réducteur, placé entre l'application et lui-même. Différents réducteurs sont disponibles, y compris planétaires ou à engrenages parallèles ainsi que des unités avec des entraînements par courroie. Les réducteurs sont définis (par diamètre) par le couple de sortie nécessaire, le rapport de réduction et l'efficacité souhaités. Un réducteur à engrenages parallèles est plus efficace qu'un réducteur planétaire pour une taille et un rapport de réduction donnés. Cependant, le réducteur planétaire sera capable de gérer un couple plus fort.
Au cours de la phase d'optimisation, il est très important de tenir compte de l'efficacité du système. Le moteur en lui-même sera plus efficace à haute vitesse, mais des vitesses plus élevées requerront un réducteur avec un rapport de réduction plus important. Plus le rapport de réduction est élevé, moins le réducteur sera efficace. Le designer devra choisir le meilleur compromis. Un codeur, qui est important pour la fermeture de la boucle de position, est défini par sa résolution et son efficacité. Différentes options existent, tels qu'un codeur optique, magnétique avec capteur à effet Hall ou magnétorésistif. À l'heure actuelle, la tendance est à l'utilisation du dernier, qui présente l'avantage de fournir une résolution extrêmement élevée dans un encombrement réduit Des ASIC spécifiques utilisés dans de tels codeurs sont capables d'interpoler deux signaux sinusoïdaux en quadrature. À nouveau, l'ingénieur devra s'assurer que la résolution et l'efficacité sont correctes.
Solutions et expertise de Portescap lors du choix d'un moteur pour des pompes médicales
Aucune technologie universelle ne s'adapte à toutes les applications, mais pour chaque situation, il existe des solutions avec différents avantages et inconvénients. Optimiser une solution avec des critères précis requiert spécialisation et accès à différentes technologies. Par conséquent, pendant la phase de conception, les ingénieurs projet doivent travailler en étroite collaboration avec des spécialistes en mécanique, en moteur et en électronique afin de tenir compte de la totalité du système et pas uniquement d'une partie de celui-ci.
Solutions Portescap disponibles : Pour les produits à courant continu, nous proposons notre nouvelle famille de moteurs à courant continu qui utilisent la technologie d'aimant néodyme à haute énergie et une extraordinaire commutation des balais. Nos dernières technologies, les produits 16N88 (16 mm de diamètre) et 22N88 (22 mm de diamètre), qui offrent 40 % d'efficacité supplémentaire, 20 % de couple supplémentaire et 100 % de longévité en plus par rapport à la précédente génération de moteurs dans les même conditions de fonctionnement, seraient de bons choix.
Pour des applications telles que des pompes à perfusion portables, qui ont des contraintes d'encombrement, notre recommandation serait la série de moteurs à courant continu à balais 08G (8 mm de diamètre). Ils sont silencieux, hautement efficaces et donnent donc aux applications sur batterie une durée de vie étendue. Portescap poursuit ses innovations pour de telles applications grâce à son effort de développement de produits spécifiques dans des projets plateforme, tels que des puissants moteurs à courant continu à balais sans fer, dans des tailles qui vont de 12 à 22 mm ainsi que des moteurs avec une durée de vie de commutation étendue, ceci en diamètre 8mm.
Pour la technologie à courant continu sans balais, Portescap propose sa famille de moteurs nuvoDisc. Ce moteur à courant continu sans balais plat révolutionnaire est très efficace et est idéal pour des applications de petites tailles.
Portescap propose également une troisième solution : la technologie TurboDisc. Cette famille de moteurs propose un moteur pas-à-pas amélioré qui inclut la technologie d'aimant disque unique lancée par Portescap dans les années 1980. La force principale de cette technologie est l'accélération rapide en boucle ouverte grâce à la constante de couple élevé et à la faible inertie du moteur. Le deuxième avantage de cette famille est la haute résolution de pas par rapport à d'autres technologies pas-à-pas. Le TurboDisc est adapté aux micro-pas, ce qui permet d'augmenter la résolution des pas. Le troisième avantage réside dans sa capacité de haute vitesse, qui peut atteindre jusqu'à 10 000 tr/min. En ce qui concerne les pompes médicales, Portescap recommande la P010 et la P110, de 10 et de 16 mm.
Pour des applications à couple élevé, Portescap a mis au point une famille de réducteurs spéciale, qui s'adapte à la totalité de sa gamme de produits. A ce stade, nous suggérons le nouveau R08, les réducteurs planétaires R16 ainsi que le réducteur à train d'engrenages B16 pour les solutions médicales.
En plus de cela, pour des applications avec positionnement incrémental, ces moteurs peuvent être pilotés en boucle fermée avec le codeur MR de Portescap, disponible dans des tailles de 12 à 22 mm pour des moteurs à courant continu à balais sans fer et pouvant atteindre 512 lignes par tour. Les codeurs MR2 de Portescap offrent plus de précision et un compte de lignes supérieur à celui des codeurs standard disponibles sur le marché. La facilité d'intégration de ces codeurs aide à réduire la taille des ensembles de codeur-moteur, tout en permettant une résolution et une précision élevées. Ils peuvent être intégrés à notre gamme de produits de moteurs à courant continu avec et sans balais et pas-à-pas.
Schéma 1

Conception typique d'une pompe seringue
Schéma 2

Exemple de vitesse et d'efficacité en fonction du couple pour un moteur à courant continu de 8 mm, U = 3 V
Schéma 3

Conception et caractéristiques d'un moteur à courant continu sans balais
Schéma 4

Technologie à aimant disque