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Le Dr Norbert Veignat, qui travaille chez Portescap, examine les considérations de conception, ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque option de moteur.

Le développement de petites pompes de 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 ont ouvert de nouvelles possibilités pour la prestation de soins continus au domicile du patient. En outre, les pompes des perfusions ambulatoires alimentées par des batteries offrent aux patients encore plus de liberté, tout en leur fournissant l’insuline, les suppléments nutritifs et les médicaments anticancéreux dont ils ont besoin.

Grâce aux pompes des perfusions, les patients peuvent sortir de l’hôpital en toute sécurité pendant de longues périodes, ce qui leur rend la vie beaucoup moins restrictive et qui en augmente considérablement la qualité. Il va sans dire que ces systèmes doivent être extrêmement fiables, ce qui impose des exigences strictes aux principaux composants concernés.

Pour l’ingénieur concepteur, le moteur électrique qui entraîne la pompe est un élément clé. Les performances (en particulier la capacité à fournir les couples requis sur une plage de vitesse), la taille et la durée de vie sont toutes des considérations primordiales. La miniaturisation est souvent cruciale pour assurer le confort de l’utilisateur, en particulier avec les équipements portables. Il en va de même pour l’efficacité, particulièrement importante dans le cas des équipements alimentés par batteries car elle permet de prolonger les intervalles de charge. En outre, le patient ne doit pas être dérangé par le bruit de la pompe, que ce soit lorsqu’il se repose ou se trouve dans un environnement social, ce qui nécessite un moteur très silencieux.

Si les objectifs premiers du moteur sont clairs, le choix du produit l’est souvent moins. L’ingénieur concepteur doit choisir parmi un certain nombre de technologies différentes, chacune offrant des avantages décisifs dans certains domaines de la spécification de performance mais impliquant des compromis dans d’autres.

Le choix d’un moteur miniature pour les pompes de perfusions se résume à trois grandes technologies : un moteur CC sans fer à balais associé à un réducteur et à un codeur ; un moteur CC sans balais avec réducteur et parfois un codeur ; ou un moteur pas-à-pas, soit à entraînement direct soit avec un réducteur, et parfois un codeur lorsqu’un fonctionnement en boucle fermée est à privilégier.

Technologie des moteurs à courant continu à balais

Un moteur à courant continu à balais sans fer convient bien à une application de pompe portable à batterie car il ne présente pas de pertes de fer et est donc très efficace. En effet, la commutation par métaux précieux permet un rendement du moteur allant jusqu’à 90 %, tandis que l’évolution des technologies d’aimants permet aux moteurs de fournir un couple élevé à une vitesse donnée. Les moteurs sans fer ont également une très faible inductance et une commutation avec une surface de contact et une pression réduites, ce qui se traduit par une faible résistance électrique et un très faible frottement.

Le principal inconvénient d’un moteur à courant continu à balais est bien sûr l’usure de ses balais, et c’est l’un des principaux facteurs d’impact sur la durée de vie du produit. Si la durée de vie est un facteur décisif, l’ingénieur concepteur peut alors envisager un moteur CC sans balais (BLDC) pour la pompe de perfusion.

Technologie de moteur sans balais

Dans un moteur BLDC, les bobines sont fixes et l’aimant fait partie du rotor. 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 de fer.

Il existe deux catégories de moteurs BLDC : les moteurs sans ou avec encoches. La conception sans encoches présente l’avantage de ne pas avoir de couple d’embrayage ou de détente, tout en présentant moins de pertes en fer qu’une conception à fentes, et donc un meilleur rendement. Lorsque la taille est primordiale, les aimants à haute teneur énergétique font des moteurs sans encoches une bonne option.

Par rapport à un moteur CC sans fer, le moteur BLDC aura un rendement inférieur en raison des pertes de fer, et un couple plus faible pour une unité de même taille. 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 d’un réducteur.

Technologie des moteurs pas-à-pas

La dernière option est le moteur pas-à-pas, qui présente le grand avantage d’avoir de nombreuses positions stables (pas) par tour, fournissant ainsi un couple élevé pour une taille donnée par rapport au moteur BLDC ou au moteur CC à balais. L’inconvénient d’un moteur pas-à-pas, cependant, est qu’il ne peut pas fonctionner à grande vitesse, en raison de l’inductance combinée à la fréquence de commutation, et en raison des pertes de fer.

Il existe un certain nombre de technologies de moteurs pas-à-pas différentes, notamment les moteurs à aimant permanent, les moteurs hybrides et les moteurs à disque. Pour les applications à batteries, la technologie des aimants en forme de disque est une bonne solution car elle présente une inertie et des pertes de fer plus faibles que les autres moteurs pas à pas, ce qui se traduit par un rendement supérieur.

Pour les petites pompes portatives, les moteurs pas-à-pas sont un choix judicieux s’ils peuvent être utilisés en mode pas-à-pas 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, l’ingénieur concepteur doit prendre en compte le mode de fonctionnement du moteur : par intermittence ou fréquemment. Si le besoin de vitesse élevée n’est qu’intermittent (par exemple pour un changement de seringue), le moteur peut alors être entraîné comme un moteur pas-à-pas standard. Si le moteur doit fonctionner souvent à grande vitesse, son efficacité 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 un réducteur peut être la plus économique, car aucun codeur n’est nécessaire. En outre, en position de décrochage, aucune énergie ne sera nécessaire si le couple de détente est suffisamment élevé pour maintenir la position.

Nous pouvons donc constater que lorsqu’il s’agit de dispositifs médicaux tels que les pompes de perfusions, il n’y a pas de technologie de moteur unique qui offre une solution idéale pour chaque application. Dans une situation donnée, chaque choix de moteur présente à la fois des avantages et des inconvénients. Portescap propose une gamme complète de moteurs couvrant toutes les principales technologies et encourage les ingénieurs concepteurs à travailler avec un tel spécialiste afin de prendre en considération l’ensemble du système, et pas seulement une partie de celui-ci.

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