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Composants > Moteurs et entrainements

Sélectionner un moteur miniature destiné à une pompe à perfusion

Publié le 28 septembre 2021 par Patrick RENARD
Source : Portescap
Le moteur est un élément clé de la pompe à perfusion.

Les moteurs utilisés pour les pompes à perfusion répondent à des exigences très spécifiques et la sélection du bon produit pour une tâche donnée est loin d'être anodine. Dans cet article, Portescap examine les considérations de conception, ainsi que les avantages et inconvénients de chaque type de moteur.

Le développement de petites pompes à perfusion portatives a ouvert un nouveau chapitre dans les soins médicaux. Capables d'administrer des doses de médicaments avec un timing et un dosage précis, elles offrent de nouvelles possibilités de soins continus au domicile du patient.

Alimentées par batteries, ces pompes ambulatoires sont synonymes de liberté pour les patients, qu’il s’agisse d’administrer de l'insuline, des suppléments nutritifs ou des médicaments anticancéreux. Les malades peuvent en effet sortir de l'hôpital en toute sécurité pendant de longues périodes, ce qui améliore considérablement leur qualité de vie.

Il va sans dire que ces systèmes doivent être extrêmement fiables, ce qui impose des exigences strictes aux composants clés qui les constituent, notamment au moteur électrique qui entraîne la pompe. Les performances (en particulier la capacité à fournir les couples requis sur une plage de vitesse donnée), la taille et la durée de vie sont autant de considérations primordiales. La miniaturisation est souvent cruciale pour assurer le confort de l'utilisateur, surtout dans le cas d’équipements portatifs. Il en va de même pour l’efficience, particulièrement importante pour des équipements alimentés par batteries car elle permet d’espacer les recharges au maximum.

Enfin, le patient ne doit pas être dérangé par le bruit de la pompe lorsqu’il se repose ou qu'il est en présence d'autres personnes ; ce qui nécessite un moteur très silencieux.

S'il est clair que le moteur doive répondre à ces différents objectifs, le choix du modèle approprié est souvent plus complexe. Le concepteur doit choisir parmi un certain nombre de technologies différentes, chacune offrant des avantages décisifs dans certains domaines de performance mais impliquant des compromis dans d'autres.

Le choix d'un moteur miniature pour les pompes à perfusion se limite à trois grandes technologies :

  • le moteur BDC (à courant continu à balais) sans fer, associé à un réducteur et à un codeur ;
  • le moteur BLDC (à courant continu sans balai) avec réducteur et doté, le cas échéant, d'un codeur ;
  • ou le moteur pas-à-pas, soit à entraînement direct soit avec réducteur, et parfois équipé d'un codeur lorsqu'un fonctionnement en boucle fermée est à privilégier.

Le moteur à courant continu à balais

Le moteur BDC sans fer convient bien aux applications de pompe alimentée par batterie car il ne présente pas de "pertes fer", ce qui le rend très efficient. La commutation par métaux précieux se traduit en effet par un rendement du moteur allant jusqu'à 90 %. L'évolution des technologies d'aimants permet à ce type de moteur de fournir un couple élevé à une vitesse donnée. Les moteurs sans fer présentent également une très faible inductance et une commutation avec une surface de contact et une pression réduites ; ce qui se traduit par une résistance électrique et un frottement particulièrement faibles.

Le principal inconvénient du moteur BDC réside dans l'usure des balais, qui impacte sensiblement la durée de vie du produit. Si celle-ci est décisive, le concepteur peut alors envisager un moteur BLDC.

Le moteur à courant continu sans balai

Dans un moteur BLDC, les bobines sont fixes et le rotor est composé d’un aimant permanent. La commutation dans les bobines est électronique. Habituellement, le tube externe qui ferme le champ magnétique de l'aimant est fixe, ce qui génère des pertes de fer pendant la rotation de l'aimant. Dans les applications où l'inertie n'est pas critique, le tube et l'aimant peuvent tourner ensemble, ce qui élimine les pertes fer.

Il existe deux catégories de moteurs BLDC : les moteurs sans ou avec encoches. La première présente l'avantage de ne pas avoir de couple d'embrayage ou de détente, et les pertes fer sont moins importantes qu’avec des encoches. Lorsque la taille est primordiale, les aimants à haute teneur énergétique font des moteurs sans encoches une bonne option.

Exemple de vitesse et de rendement en fonction du couple pour un moteur à courant continu de 8 mm, U = 3 V (source Portescap).

Hormis un rendement inférieur à celui du moteur BDC à cause des pertes fer, le moteur BLDC pèche par un couple plus faible à taille égale.

Une façon de compenser les pertes consiste à utiliser le moteur BLDC à des vitesses plus élevées, en tenant compte de ce paramètre lors du choix du réducteur.

Le moteur pas-à-pas

Le moteur pas-à-pas présente le grand avantage d'avoir de nombreuses positions (les pas) stables par tour. Il en résulte un couple plus élevé qu’avec un moteur BDC ou BLDC, pour une taille donnée. En revanche, le moteur pas-à-pas ne peut pas fonctionner à grande vitesse, en raison, d'une part, de l'inductance combinée à la fréquence de commutation, et, d'autre part, des pertes fer.

Il existe diverses technologies de moteurs pas-à-pas (à aimant permanent, hybrides, à disque, etc.). Pour les applications avec batteries, la technologie des aimants en forme de disque est une bonne solution car elle présente une inertie et des pertes fer plus faibles que les autres technologies de moteurs pas à pas.

Pour les petites pompes portatives, les moteurs pas-à-pas constituent un choix judicieux s'ils peuvent être utilisés en mode "pas entier" à faible vitesse et si le couple de détente suffit à garantir l'absence de tout mouvement dû à des forces extérieures. Pour les vitesses élevées, le concepteur doit prendre en compte la fréquence à laquelle le moteur est sollicité. Si le besoin de vitesse élevée n'est qu'intermittent (par ex. pour un changement de seringue), le moteur peut être commandé comme un moteur pas-à-pas standard. S’il doit fonctionner souvent à grande vitesse, son efficience peut être augmentée en fermant la boucle de commutation avec retour de position, à l'instar d'un servomoteur standard.

Dans certaines applications, une solution pas-à-pas avec réducteur peut être la plus économique, car aucun codeur n'est nécessaire. En outre, en position de décrochage, aucune énergie ne sera requise si le couple de détente est suffisamment élevé pour maintenir la position.

Nous pouvons donc constater qu’il n'y a pas de technologie de moteur offrant une solution idéale pour toutes les applications de pompe à perfusion. Dans une situation donnée, chaque choix de moteur peut présenter à la fois des avantages et des inconvénients.


www.portescap.com

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