Řízení pohybu: Zařízení pro lineární pohyb: Co je to pohon s hlasovou cívkou?

JAMES MITCHELL

Hlasový cívkový aktuátor, známý také jako nekomutovaný stejnosměrný lineární aktuátor, je typ lineárního motoru s přímým pohonem. Termín „hlasová cívka“ pochází z jednoho z jeho historicky prvních použití: rozkmitání papírové membrány reproduktoru. V současné době se tato zařízení používají pro širokou škálu aplikací, včetně pohybu mnohem větších hmot. Například v optice se aktuátory s hlasovou cívkou obvykle používají při zaostřování, v oscilačních systémech, při naklápění zrcadel a při miniaturním řízení polohy až tří os.

Tento typ aktuátoru se skládá ze sestavy permanentního magnetického pole (kombinace permanentních magnetů a železné oceli) a sestavy cívky. Proud protékající sestavou cívek interaguje s permanentním magnetickým polem a vytváří vektor síly kolmý na směr proudu. Vektor síly lze obrátit změnou polarity proudu protékajícího cívkou.

Nezávitové stejnosměrné lineární aktuátory jsou schopny posunu až o 5 palců a dodávají se v různých velikostech, od zařízení, která vytvářejí sílu několika uncí, až po jiná, která vytvářejí sílu několika set liber (viz tabulka 1). Aktuátory s hlasovými cívkami se navíc mohou pohybovat obousměrně, mají relativně konstantní sílu po celém zdvihu a lze je použít pro polohové nebo silové aplikace s otevřenou nebo uzavřenou smyčkou.

Hlasový aktuátor vytváří sílu na základě interakce vodičů nesoucích proud v permanentním magnetickém poli. Síla generovaná hlasovou cívkou je úměrná součinu proudu protékajícího cívkou a magnetického toku v permanentním magnetickém poli, jak vyplývá z Lorentzovy silové rovnice. V jednoduchém ilustrativním příkladu je síla F, která vzniká na přímém vodiči délky L, jímž protéká proud I a který je orientován kolmo k magnetickému poli B (F, I a B jsou vektory):

F = IL × B

(Výpočet je složitější pro skutečná zařízení, protože jejich geometrie není přímá a orientace vodičů cívky vzhledem k magnetickému poli se mění.)

Vytvořená síla je relativně konstantní po celou dobu zdvihu aktuátoru, s malými poklesy síly na začátku a na konci zdvihu. Jako pohyblivý člen v aktuátoru s hlasovou cívkou lze použít buď sestavu cívky, nebo sestavu s permanentním magnetickým polem.

Pohyblivá cívka

Aktuátory s hlasovou cívkou se dodávají v různých provedeních – typ, který většina lidí zná, je aktuátor s pohyblivou cívkou. Ty se obvykle skládají z cívky navinuté kolem cívky, která může být vyrobena z mnoha nemagnetických materiálů a která se pohybuje dovnitř a ven ze sestavy s permanentním magnetickým polem sestávající z ocelového pouzdra se soustřednou sestavou permanentních magnetů v jeho středu (viz obr. 1).

Pohyblivý magnet

Dalším běžným typem aktuátoru je provedení s pohyblivým magnetem, kde je cívka pevná a sestava magnetů se pohybuje. Tato konstrukční změna zabraňuje vedení cívek, které vyžadují pohyb během provozu. Obal funguje podobně jako konstrukce s pohyblivou cívkou s tím rozdílem, že místo odkryté cívky, která se pohybuje dovnitř a ven ze sestavy magnetů, má zařízení s pohyblivým magnetem píst sestavy s permanentním magnetickým polem, který se pohybuje uvnitř válcové trubky cívky (viz obr. 2). Tento styl se často dodává se sestavou permanentního pole připojenou k hřídeli a koncovým krytům, které obsahují ložiska, takže tento styl se nejčastěji dodává s integrovaným ložiskovým systémem.OBRÁZEK 2. Aktuátor s pohyblivými magnety se nejčastěji dodává s integrovaným ložiskovým systémem.

U těchto aktuátorů existují varianty, které umožňují unikátní geometrii a integraci aktuátorů s pohyblivými magnety do mnoha typů aplikací. Několik příkladů dostupných úprav na míru:

• Velké radiální vůle, aby bylo možné použít hlasovou cívku v aplikacích s omezenou rotací
• Konstrukce, ve kterých je motor hlasové cívky záměrně provozován v oblouku (to se běžně označuje jako rotační hlasová cívka).
• Použití materiálů s nízkým obsahem plynů, které umožňují použití ve vakuovém prostředí
• Zapojení zpětnovazebních zařízení pro řízení v uzavřené smyčce

Mezi výhody aktuátorů s hlasovou cívkou patří:

• Jednoduchost konstrukce
• Velmi nízká hystereze
• Malé rozměry
• Vysoká zrychlení
• Žádné ozubení (žádné „preferované“ polohy) nebo komutace

Výběr zesilovače

Je zapotřebí zesilovač, který je schopen dodat potřebný proud a napětí k provedení požadovaného pohybu. Pro dimenzování zesilovače na aktuátor s cívkou je třeba znát trvalý a špičkový proud, zpětné napětí (pro určení potřebného stejnosměrného napětí sběrnice) a odpor a indukčnost aktuátoru.

Zesilovače broušeného typu se používají pro provoz jednofázových (dvouvodičových) aktuátorů. Tyto zesilovače mohou mít zabudovanou určitou inteligenci a mohou vyžadovat další software. Lineární zesilovač je ideální pro spouštění aktuátorů s nízkou indukčností.

Aktuátory s cívkou vs. solenoidy

Další typ pohybového zařízení, solenoid, se někdy zaměňuje s aktuátorem s cívkou. Zatímco však cívka vytváří sílu na základě interakce vodiče nesoucího proud v permanentním magnetickém poli, solenoid vytváří sílu na základě elektromagnetického pole, které je vytvářeno vodičem nesoucím proud.

Solenoid se skládá z cívky, která je umístěna v pouzdře ze železné oceli, a pohyblivého ocelového plíšku nebo podložky. Elektromagnetické pole vzniká přivedením proudu na cívku. Intenzita magnetického pole určuje velikost síly, kterou může solenoid generovat. Po vypnutí napájení klesne síla na nulu a pružina ji vrátí do vysunuté polohy.

Síly jsou zpočátku velké – ale s rostoucím zdvihem se síla snižuje. Solenoidy se obvykle používají k otevírání západek nebo k otevírání či zavírání ventilů, a to buď k působení přídržné, nebo uzavírací síly.

Často se objevuje otázka, zda pro aplikace řízení pohybu s malým posunem použít aktuátory s cívkou, nebo solenoidy. Pokud aplikace vyžaduje pouze otevření nebo zavření ventilu, může být solenoid volbou. Solenoidy však mají omezení, pokud jde o linearitu síly a délku zdvihu.

Protože aktuátory s cívkou obvykle stojí více než hotový solenoid, mnoho zákazníků se snaží použít solenoid, i když je vhodnějším řešením aktuátor s cívkou. Některé aplikace vyžadují konstantní sílu po celé délce dráhy a v těchto situacích je solenoid nedostatečný kvůli zmenšené síle v průběhu dráhy, zatímco aktuátor s cívkou poskytuje konstantní sílu (viz tabulka 2). To je důležité zejména u oscilačních systémů. Další výhodou, kterou hlasová cívka poskytuje, je řízení síly bez zpětné vazby, protože výstupní síla (v libovolné poloze zdvihu) je přímo úměrná vstupnímu proudu.

Hlas-Cívkové aktuátory se obecně hodí pro vyšší hustotu síly, dosahují tak větších zdvihů a sil při menší velikosti balení než jejich solenoidové protějšky.

James Mitchell je vedoucím inženýrem ve společnosti H2W Technologies, Santa Clarita, Kalifornie; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.

.