Zuinigere mobiele beademingsventilator mogelijk door beter modelleren

Beademingssystemen waren tot voor kort grote apparaten, gebaseerd op grote ventilatoren, die alleen in ziekenhuizen stonden. De afgelopen jaren kwamen de eerste draagbare ‘longsupportsystemen’ op de markt. Deze hebben zeer kleine, maar ultrasnel draaiende ventilators, wat de mobiliteit en onafhankelijkheid van de patiënten vergroot. Een laag batterijverbruik is hiervoor natuurlijk zeer wenselijk. Maar het ontwerpen van de ultrasnelle mini-elektromotoren van deze ventilators was tot nu toe geen sinecure. Promovendus Sultan Jumayev ontwikkelde daarom modellen en een ontwerpprocedure waarmee snel en nauwkeurig het gedrag van dit soort elektromotoren voorspeld kan worden. Het eerste prototype dat hij daarmee ontwikkelde is al meteen tot tien procent zuiniger dan zijn voorganger. Jumayev promoveerde gisteren 1 juni.

Minder wrijving
Elektromotoren hebben een as met een magneet die in beweging wordt gezet door elektrische spoelen die een magnetisch veld opwekken. Traditioneel liggen er meerdere, losse spoelen rond de as, maar voor kleine motoren met hoog toerental is één aaneengesloten spoel rondom beter. De as ondervindt dan minder wrijving doordat er vrijwel geen fluctuatie is in het magnetisch veld, wat bovendien leidt tot minder geluid. Een bijkomend voordeel is dat de productie geautomatiseerd en dus goedkoper kan. Zo’n motor heet een ‘high-speed slotless permanent magnet machine’.

Windingspatronen
Er zijn veel driedimensionale patronen mogelijk voor de windingen van die ene aaneengesloten spoel rondom de as. Elk patroon leidt tot een ander elektromagnetisch gedrag van de motor. Sultan Jumayev ontwikkelde modellen die nauwkeurig voorspellen wat dat gedrag zal zijn, zoals het stroomverbruik, en hoe de verschillende methoden van aansturing door vermogenselektronica dit gedrag beïnvloedt. Bovendien zijn Jumayevs modellen een flink stuk sneller dan de huidige 3D-eindige-elementen-modellen. Een factor waar hij verder rekening mee moest houden, waren de productiekosten. Het windingsproces is een belangrijk deel van de prijs van een elektromotor, en sommige windingspatronen zijn makkelijker en goedkoper te realiseren dan andere.

Uitademen
Wat de opgave extra complex maakt, is dat de kleine elektromotoren vaak niet constant draaien, maar dat hun gebruik heel dynamisch is. Het prototype dat Jumayev ontwikkelde op basis van zijn modellen, is hier een goed voorbeeld van. Het ene moment draait die op 80000 toeren om een patiënt te helpen met inademen, om op het volgende moment naar een laag toerental te gaan om de patiënt te laten uitademen. Bovendien moet de ventilator inzetbaar zijn voor verschillende soorten patiënten, uiteenlopend van oude patiënten tot te vroeg geboren kinderen. Hij slaagde erin een prototype te maken dat over dit hele spectrum minder stroom verbruikt dan de reeds bestaande motor bij de fabrikant waar hij zijn onderzoek deed. Jumayev verwacht dat de fabrikant, het Nederlandse bedrijf Demcon, de resultaten van zijn promotiestudie zal gaan gebruiken om sneller betere ‘high-speed slotless permanent magnet machines’ te ontwerpen, bijvoorbeeld voor beademingssystemen.

Lappeenranta
De promotie van de Turkmeense onderzoeker is een dubbelpromotie. Behalve in Eindhoven krijgt hij ook van de Lappeenranta University of Technology in Finland de doctorstitel. Jumayev deed zijn promotie-onderzoek in de vakgroep Electromechanics and Power Electronics van hoogleraar Elena Lomonova. Zijn proefschrift is getiteld High speed slotless permanent magnet machines: modelling and design frameworks.

Sultan Jumayev is de 5000ste promovendus van de TU/e. De eerste Eindhovense promotie was in 1959.