Elektromotor Kompakter Patientenlifter-Antrieb für hohe Lasten

Kleine Elektromotoren als nützliche Helfer arbeiten nicht nur in der Automatisierung, Bürogeräten oder in Haustechnikanwendungen, sie eignen sich auch hervorragend für ausgefallene Anwendungen. Besonders in Medizin und in Pflege hilft die moderne Kleinmotorentechnik die Lebensqualität zu steigern.

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Schwere Massen zu heben ist in allen Berufen eine große Belastung und Grund für Rückenleiden. Gerade bei der Krankenpflege kommt zudem oft noch eine gebückte Haltung hinzu. Um solche Arbeitsplätze zu verbessern und die Pflegekräfte zu entlasten, verwendet man mobile Patientenlifter.

In Systempartnerschaft mit dem Kleinantriebsspezialist Zeitlauf wurde eine dem Einsatzzweck angepasste kompakte Antriebsmechanik entwickelt. Der medizinische Einsatzbereich und der Zielmarkt Europa und Nordamerika gaben dabei die Randbedingungen vor, die zwingend einzuhalten waren.

Problemstellung: Vielfältige Anforderungen

An erster Stelle stehen bei Transportsystemen für Menschen die Sicherheitsvorgaben. Danach folgen Leistungsfähigkeit, Laufruhe leichte Bedienung und Mobilität sowie lange Betriebsdauer. Im medizinischen Umfeld beginnt die Sicherheit schon mit dem Design, alle Geräte müssen z.B. leicht zu reinigen sein.

Die „innere Sicherheit“ eines Lifters entspricht dann schon wieder bekannteren Vorgaben aus der industriellen Technik. Auch bei Ausfall des Antriebes darf die Last nicht absacken, Überlastsicherheit und Dauerhaltbarkeit der tragenden Komponenten sind zu gewährleisten.

Hinzu kommt in diesem Fall: Als akkubetriebenes Gerät muss die Mechanik sparsam mit der Antriebsenergie umgehen, nur so ist eine lange Einsatzzeit zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, ist Leichtbau und ein hoher Wirkungsgrad bei Motor und Getriebe Pflicht. Der Leichtbau verbessert dann quasi nebenbei zusätzlich noch das Handling des von Hand zu schiebenden Lifters.

Neben den rein technischen Anforderungen müssen bei solchen Geräten auch die nationalen Zulassungsbedingungen erfüllt sein. In diesem Fall für Nordamerika galt es, die Anforderungen von United Labratories (UL) und der Food and Drug Administration (FDA) einzuhalten. Zur Freigabe war eine umfangreiche Typprüfung nötig und außer dem eine komplexe Endprüfung unter maximaler Belastung mit ausführlicher Dokumentation auf Vorgabe der oben genannten Organisationen. Auch hier konnte der Antriebsspezialist weiterhelfen und die Prüfungen zur Serienfreigabe im Hause selbst übernehmen.

Die Lösung: Technik im Detail

Patienten liegen in Betten oder sitzen in Rollstühlen. Um sie anzuheben, ist daher eine große, variable Hubhöhe nötig. Dabei muss aber der Schwerpunkt immer innerhalb der Aufstandsfläche des Lifters liegen, um ein Umkippen zu vermeiden. Als günstigste Bauform hat sich für solche Aufgaben ein Hubmast mit gebogenem Hebearm (Bild 1) herausgestellt.

Die langen, schmalen Rollausleger passen unter jedes Bett und stützen den Lifter so sicher ab. Dabei liegen die Akkus im Grundgestell neben der Basis des Mastes. Um die Antriebsmechanik sicher im Mast unterzubringen und gleichzeitig die nötige Tragkraft und den Wirkungsgrad zu gewährleisten, kam nur eine Kugelumlaufspindel in Frage.

Ein positiver Nebeneffekt ist die Laufruhe einer solchen Kugelumlaufspindel. Ein Ausknicken der mit 675 mm sehr langen Spindelachse wird durch eine integrierte Führungsbuchse verhindert. So erreicht der Lifter mit Hilfe des integrierten Hubrohres eine Hubhöhe von 1350 mm bei geringstem Bauvolumen.

Die eigentliche Antriebsaufgabe selbst konnte auf eine kleine, kompakte Einheit reduziert werden. Ein bürstenkommutierter Gleichstrommotor mit hohem Wirkungsgrad dient als Kraftquelle. Die Ausgangsdrehzahl reduziert ein kompaktes Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1 : 15,33 in einer Stufe. Mit der Motorleistung von 90 W sind so Hubkräfte von 100 N bis 5200 N möglich. Dabei erreicht der Lifter Hubgeschwindigkeiten bis zu 25 mm/s und bis zu 60 komplette Hübe pro Akkuladung.

Da Kugelumlaufspindeln nicht selbst hemmend sind, ist eine separate Bremslösung erforderlich. Als Sicherheitseinrichtung dient eine direkt ins Getriebe integrierte lastabhängige Friktionsbremse.

Der Lift muß den Patienten bei stehendem Motor sicher halten können, daher spricht die Bremse nur bei der Abwärtsbewegung an. Über einen Freilauf ist die Bremse beim Heben energiesparend entkoppelt, das senkt den Verschleiß und erlaubt eine noch längere Betriebszeit des Liftes pro Akkuladung. Die Friktionsbremse dient so einerseits als Sicherheits- und Halteeinrichtung bei Motorstopp, andererseits mindert sie die Absenkgeschwindigkeit und erlaubt so ein schonendes Absetzen des Patienten.

Die gesamte Hubeinheit inklusive Spindel baut dank des kompakten Antriebsblocks aus Motor und Planetengetriebe mit integrierter Bremse sehr schmal. Trotz der geringen Abmessungen liegt die Lebensdauer der wartungsfreien Einheit mit über 40000 Betätigungszyklen sehr hoch.

Die fertigen Lifter mussten dann für die Typenfreigabe im hauseigenen Labor noch „auf Herz und Nieren“ geprüft werden. Unterschiedliche Testbedingungen simulieren dabei das Einsatzleben des Lifters in kurzer Zeit. Neben Dauerlauftests der Antriebseinheit auf dem Prüfstand ist dabei auch ein „Praxistest“ des kompletten Lifters unter Nennlast wichtig. Nur so können die Vorgaben von UL und FDA dokumentiert erfüllt werden.

Das Ergebnis: Auf die Aufgabe zugeschnitten

Kleinantriebe lassen sich heute für fast jeden Bereich maßschneidern. Besonders effektive Antriebe, was Leistung und Bauform angeht, sind naturgemäß möglich, wenn Anwender und Antriebsspezialist von Anfang an systematisch zusammenarbeiten. Langjährige Erfahrung bei Getriebeabstimmung, Motorenauswahl oder Spezialitäten wie integrierte Bremsen sparen deutlich Entwicklungszeit, die Marktreife des Produktes wird dann schneller erreicht.

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