Réduire la taille de l'outil chirurgical à main sans sacrifier les performances

Les outils chirurgicaux à main nécessitent un niveau de puissance minimum pour une application donnée, et des exigences de puissance plus élevées nécessitent généralement des moteurs plus gros.

Cela se traduit par un outil plus lourd et plus volumineux qui réduit la précision du chirurgien et augmente la fatigue. Cet article explique comment minimiser la taille du moteur nécessaire pour une application tout en équilibrant les compromis dans d'autres paramètres de conception. Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) étant très populaires pour les outils chirurgicaux en raison de leur haute densité de puissance et de leur grande fiabilité, cet article se concentre sur la technologie des moteurs BLDC. Les concepts s'appliquent aux conceptions avec et sans encoches.

La puissance mécanique est le produit du couple et de la vitesse. Toutes choses étant égales, le couple généré par un moteur est à peu près proportionnel à son volume. Le couple est créé par la présence de fils conducteurs de courant au sein d'un champ magnétique, et il peut être augmenté simplement en ajoutant plus de fils ou plus d'aimants. Cependant, s'appuyer uniquement sur cette tactique de force brute entraînera inévitablement une augmentation de la taille. Heureusement, des méthodes de conception de moteur plus sophistiquées peuvent être utilisées pour augmenter la puissance de sortie dans des ensembles plus petits.

MÉTHODE 1 : OPTIMISER LE BOBINAGE POUR FOURNIR LA TENSION

Plus le moteur dispose de tension, plus il peut tourner rapidement à un couple donné et donc plus il produira de puissance. Cela permet d'utiliser un moteur plus petit pour obtenir la même puissance de sortie. Toutefois, des tensions plus élevées imposent généralement des batteries de plus grande taille, ce qui peut annuler l'avantage au niveau de l'outil. Les concepteurs d'instruments à batterie doivent souvent choisir parmi une gamme limitée d’éléments de batterie disponibles et les connecter en série pour obtenir la tension souhaitée. Évidemment, cela nécessite toute une série de composants et un ensemble discontinu de tensions possibles. Par conséquent, même une petite augmentation de la tension pour accroître la puissance du moteur pourrait nécessiter l'ajout d'un autre élément et de toute la taille et du poids associés. Un bon partenaire de conception de moteur peut modifier le diamètre du fil dans le moteur ainsi que le nombre de fois où le fil s'enroule autour du stator (nombre de tours) pour maximiser la puissance à des tensions de batterie pratiques.

MÉTHODE 2 : CHOIX DES MATÉRIAUX

Si la puissance peut être augmentée simplement en incluant un plus grand volume de matériau magnétique, une autre solution consiste à améliorer la qualité du matériau magnétique afin qu'il puisse générer un flux magnétique plus important pour une taille et un poids identiques. Les moteurs à haute densité de puissance utilisent généralement des aimants en néodyme, l'un des matériaux magnétiques de qualité supérieure disponible dans le commerce. Le matériau du fil utilisé pour fabriquer les bobines est également important. Le matériau de stratification a également un impact sur la puissance. L'acier de stratification de haute qualité offre un trajet plus efficace pour le flux magnétique, ce qui amplifie la contribution du matériau magnétique. Enfin, tout choix de matériau réduisant le frottement (par exemple, dans les roulements et les dents de l'engrenage) minimisera les pertes lors de la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique et permettra de tirer un meilleur parti d'une conception plus épurée.

MÉTHODE 3 : FABRICATION DE PRÉCISION

Il est évident que plus les différents composants du moteur sont disposés de façon compacte, plus l'ensemble sera petit. Toutefois, le positionnement des aimants et de la bobine aussi près que possible les uns des autres augmente également la puissance. La minimisation de la distance entre l'aimant et la bobine (appelée entrefer) augmente fortement l'intensité du champ magnétique de l'entrefer et donc la constante de tension du moteur et les performances du moteur. Cependant, la réduction de cette distance est plus facile à dire qu'à faire, car elle nécessite des tolérances très strictes pour éviter tout frottement du rotor et du stator en cours de fonctionnement. Un fournisseur de moteurs de précision peut prendre en charge l'usinage et la fabrication nécessaires pour y parvenir.

Pour les moteurs BLDC à encoches, les méthodes d'assemblage de précision peuvent également améliorer la quantité de bobine de cuivre qui peut entrer dans les fentes du stator. Une sélection minutieuse du diamètre du fil et de la forme de l'encoche permet d'en maximiser le facteur de remplissage et d'offrir une puissance maximum dans un espace minimum.

MÉTHODE 4 : GESTION DE L'AUGMENTATION DE LA TEMPÉRATURE

Jusqu'à présent, nous n'avons pas pris en compte un aspect extrêmement important du dimensionnement des moteurs : l'augmentation de la température. Un moteur configuré de manière très compacte sera naturellement plus chaud qu'un moteur dont les éléments générateurs de chaleur sont plus espacés. Ce problème s'aggrave encore si la tension et le courant sont augmentés pour répondre aux besoins de puissance. Pour compenser cet effet, les matériaux du boîtier du moteur peuvent être choisis de manière à éloigner la chaleur des bobines du moteur, qui peuvent devenir si chaudes pendant le fonctionnement que l'isolation fond et crée un court-circuit électrique. La chaleur extrême peut même diminuer la force des aimants permanents. Un dissipateur thermique supplémentaire à l'extérieur du moteur, ou un refroidissement par air ou liquide, peuvent être nécessaires pour dissiper la chaleur, ce qui a un impact sur la taille globale de l'outil.

La formule suivante peut être utilisée pour calculer la température du bobinage du moteur afin de déterminer si l'augmentation de la température entraînera une défaillance prématurée du moteur. Un concepteur compétent peut aider à déterminer la valeur des constantes pour chaque application unique. Notez que ce calcul théorique peut servir de guide pour sélectionner les prototypes, mais que seuls des essais au sein de l'application peuvent confirmer le fonctionnement proche des limites.

MÉTHODE 5 : UTILISATION DE RÉDUCTEURS DE VITESSE

Les moteurs à courant continu sans balais fonctionnent plus efficacement à une vitesse relativement élevée, mais de nombreux outils chirurgicaux doivent fonctionner beaucoup plus lentement. Dans ces cas, on utilise souvent un réducteur qui permet au moteur de fonctionner à une vitesse efficace tout en augmentant le couple de sortie. Bien que cela permette d'utiliser un moteur plus petit pour effectuer le travail, le réducteur lui-même prend de la place, normalement sous la forme d'une longueur accrue, car il est le plus souvent aligné axialement par rapport au moteur. La décision d'utiliser un motoréducteur long mais mince ou un moteur plus court mais de plus grand diamètre dépend de la disposition requise de l'outil. L'une des façons de réduire au minimum la longueur supplémentaire d'un réducteur est de maintenir le rapport de vitesse suffisamment bas pour qu'il puisse être géré avec un seul étage d'engrenage plutôt qu'avec plusieurs étages empilés les uns sur les autres. Les réducteurs planétaires sont généralement capables de créer des rapports de vitesse plus élevés dans un espace plus restreint que les réducteurs à engrenages.

MÉTHODE 6 : INTÉGRATION DU MOTEUR

Enfin, la meilleure façon de réduire la taille des outils chirurgicaux ne consiste peut-être pas seulement à réduire la taille des différents composants, mais aussi à optimiser la façon dont chaque composant s'assemble. Un moteur est traditionnellement intégré dans un boîtier métallique qui sert à encapsuler les composants et lui permet d'être formé en une seule pièce et inséré dans l'outil manuel. Ce boîtier est souvent immédiatement entouré par le logement extérieur de l'outil. Les deux composants remplissent des fonctions importantes, mais ces fonctions peuvent souvent être accomplies avec un seul composant combiné. Un fournisseur de moteurs expérimenté dans le domaine de la conception d'outils à main peut soit fournir un moteur avec un boîtier qui peut servir de partie extérieure de l'outil manuel, soit travailler en coordination avec le fabricant pour intégrer le moteur directement dans le logement extérieur (conception sans cadre). De même, l'intégration d'autres caractéristiques telles que les contrôleurs, les joints, les connecteurs électriques et le matériel de montage, peut être conçue directement dans le moteur afin d'éliminer les redondances et de gagner de l'espace. Enfin, le choix d'un moteur sans capteur permet de gagner de l'espace, car les capteurs à effet Hall d'un moteur à capteurs ajoutent quelques millimètres à la longueur. Toutefois, les moteurs sans capteur nécessitent des commandes plus complexes, de sorte que des cartes électroniques plus grandes pourraient annuler tout gain.

En conclusion, la création de moteurs à haute densité de puissance implique des tactiques de conception sophistiquées, des matériaux de haute qualité, un travail de précision et la connaissance de la manière dont le moteur s'intègre dans la structure générale de l'outil. Un fournisseur de moteurs qui maîtrise tous ces aspects sera le plus qualifié pour effectuer les bons choix de conception pour un outil à main compact mais puissant. La capacité de ce fournisseur à intégrer les méthodes de conception abordées dans ce document est considérablement accrue dès les premières étapes de la conception de l'outil. Pour de meilleurs résultats, faites appel à un partenaire expérimenté dès la phase de conception, voire d'idéation, du développement.