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Antriebstechnik

Schritt für Schritt durch Magnetfelder

01. Juni 2021, 14:30 Uhr   |  Viktor Varga (PiezoMotor)

Schritt für Schritt durch Magnetfelder
© PiezoMotor

Der piezoelektrische Motor kann auch als unmagnetische Rotationsvariante zum Einsatz kommen.

Medizinische Einsatzgebiete für Piezomotoren

Elektromotoren sind in vielen Anwendungen mit Magnetfeld überfordert. Aufgrund ihrer Funktionsweise verursachen sie beispielsweise in Magnetresonanztomographen (MRT), Teilchenbeschleunigern oder auch in Elektronenmikroskopen unangenehme Wechselwirkungen. Magnetfelder und Vakuum sowie Strahlung können die Funktionen der Motoren beeinträchtigen, weswegen sie nur außerhalb und mit Entfernung betrieben werden. Das ist umständlich und bringt weitere Probleme mit sich. Die Lösung, vor allem wenn es um hochpräzise Anwendungen geht: Motoren auf Basis von Piezoelektrizität. Die sogenannten Piezomotoren benötigen keine magnetischen Komponenten oder drehende Teile und können direkt im Vakuum angebracht werden.

Stabiles Halten der Position und hohe Zuverlässigkeit

PiezoMotor aus Schweden hat sich auf die Entwicklung von Miniaturmotoren spezialisiert. Sie funktionieren mit der patentierten Piezo-Legs-Technologie. Dazu werden Stellglieder aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit Strom beaufschlagt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung dehnen sich die Beine aus oder verbiegen sich seitlich. Eine Antriebsstange kann nun linear in Nanometerschritten bewegt werden. Ähnlich ist die Funktionsweise bei Rotationsbewegungen: Hier wird eine Scheibe in Drehung versetzt. Die Aktoren halten die Position mechanisch stabil; sind also selbsthemmend. Da sie im ausgeschalteten Zustand keine Energie verbrauchen, erwärmen sich die Motoren auch nicht.

Vorteil der Piezoelektrizität ist, dass die Motoren ohne die Wicklungen eines Elektromotors einerseits keine Quelle für einen magnetischen Fluss sind und sich andererseits davon auch nicht stören lassen. PiezoMotor bietet vollständig unmagnetische Motoren mit entsprechenden Gehäusematerialien und unmagnetischen Legierungen an. Auch für andere Bereiche, in denen elektromagnetische Störgrößen unerwünscht sind, ist der Einsatz der Standardmotoren oder Individuallösungen möglich. Anwender schätzen die Nanometer-Positioniergenauigkeit der Motoren, die exakte und reproduzierbare Ergebnisse mit ultrahoher Auflösung bieten. Neben dem unkomplizierten Einsatz in magnetischen Umgebungen und auch im Vakuum, ist als Besonderheit der Motoren, insbesondere das stabile, driftfreie Halten der Position im Ruhezustand hervorzuheben, das ohne weitere Stromzufuhr auskommt. Da Piezomotoren als Direktantriebe ohne mechanische Übersetzungskomponenten arbeiten, sind sie besonders zuverlässig und spielfrei. Der Antrieb ist darüber hinaus wartungsfrei.

Perfekte Positionierung im MRT

Der vom WPI entwickelte MRT-Operationsroboter arbeitet dank der Piezoantriebe auch unter Einfluss des mehrere Tesla starken Magnetfeldes störungsfrei.
© Faulhaber

Der vom WPI entwickelte MRT-Operationsroboter arbeitet dank der Piezoantriebe auch unter Einfluss des mehrere Tesla starken Magnetfeldes störungsfrei.

Operationen mit Bildgebung durch ein MRT benötigen mitunter motorbetriebene Pumpen oder Operationsroboter. Um die Bildgebung des MRT-Gerätes nicht zu stören, dürfen sich weder im Gerät noch in der Nähe Komponenten befinden, die selbstständig Magnetfelder erzeugen. Mit Elektromotoren verursachen die Magnetfelder unangenehme Wechselwirkungen. Entweder wird der Motor in seiner Funktionalität und Präzisionsfähigkeit gestört, oder aber der Motor selbst ruft nicht erwünschte Effekte hervor. Mit auf Piezoelektrizität basierenden Motoren werden diese Probleme vermieden. Gleiches gilt für Teilchenbeschleuniger zur Herstellung von Isotopen für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder für die Positionierung von Proben bei Elektronenmikroskopen.

Das Worcester Polytechnic Institute (WPI) hat mithilfe von PiezoMotor einen MRT-Operationsroboter entwickelt, der auch unter Einfluss des mehrere Tesla starken Magnetfeldes störungsfrei arbeitet. Das Magnetfeld schließt selbst die Verwendung kleinster ferromagnetischer Objekte wie Schrauben aus – Positionierungskomponenten wie Permanentmagnetmotoren, Getriebe und Aktoren ebenso. Der Roboter ermöglicht nun beispielsweise Präzisions-Thermoablation bei Gehirntumoren oder die Positionierung von Elektroden für die tiefe Hirnstimulation zur Behandlung von Parkinson. Er wird durch Echtzeit-Feedbacksignale geführt und kann hochintensiven fokussierten Ultraschall exakt auf den Tumor richten.

Wirtschaftlicher Zyklotron mit Piezomotoren

Mit GENtrace hat GE Healthcare ein Einzelpartikel-Zyklotron für Krankenhäuser geschaffen, das eine schnelle und einfache Positronen-Emissions-Tomographie (PET) im Haus erlaubt. Da die zum Scannen und zur Diagnose von Tumoren und kleinsten Metastasen benötigten radioaktiven Isotope schnell zerfallen, können sie nicht gelagert, sondern nur frisch hergestellt werden. Die vakuum- und magnetismus-kompatiblen Piezomotoren machen die Architektur eines Zyklotrons wesentlich einfacher und kostengünstiger. Verwendet werden ein Linearmotor mit 20 N zur Bewegung des Protonenstrahls und ein nichtmagnetischer Drehmotor mit 50 mNm Drehmoment zur Einstellung der Ionenextraktion.

Anmerkung: Dieser Artikel erschien in ähnlicher Form zuerst in der Printausgabe 6/2020 der medical design (S. 24 - 28). Hier geht's zum kostenfreien ePaper.

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