Control de movimiento: Dispositivos de movimiento lineal: ¿Qué es un actuador de bobina de voz?

JAMES MITCHELL

Un actuador de bobina móvil, también conocido como actuador lineal de CC no conmutado, es un tipo de motor lineal de accionamiento directo. El término «bobina de voz» proviene de una de sus primeras aplicaciones históricas: hacer vibrar el cono de papel de un altavoz. En la actualidad, estos dispositivos se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el movimiento de masas mucho más grandes. Por ejemplo, en el campo de la óptica, los actuadores de bobina se utilizan normalmente en aplicaciones de enfoque, sistemas oscilatorios, inclinación de espejos y control de posición en miniatura de hasta tres ejes.

Este tipo de actuador consiste en un conjunto de campo magnético permanente (una combinación de imanes permanentes y acero ferroso) y un conjunto de bobina. La corriente que circula por el conjunto de la bobina interactúa con el campo magnético permanente y genera un vector de fuerza perpendicular a la dirección de la corriente. El vector de fuerza puede invertirse cambiando la polaridad de la corriente que fluye a través de la bobina.

Los actuadores lineales de CC no conmutados son capaces de un desplazamiento de hasta 5 pulgadas y vienen en una gama de tamaños, desde dispositivos que generan unas pocas onzas de fuerza a otros que generan varios cientos de libras de fuerza (véase la Tabla 1). Además, los actuadores de bobina móvil pueden moverse de forma bidireccional, tienen una fuerza relativamente constante a lo largo de toda la carrera y pueden utilizarse para aplicaciones de posición o fuerza de bucle abierto o cerrado.

Un actuador de bobina móvil genera una fuerza basada en la interacción de conductores portadores de corriente en un campo magnético permanente. La fuerza generada por la bobina de voz es proporcional al producto cruzado de la corriente que fluye a través de la bobina y el flujo magnético en el campo magnético permanente, como dicta la ecuación de fuerza de Lorentz. En un ejemplo ilustrativo sencillo, la fuerza F producida en un cable recto de longitud L que transporta una corriente I y está orientado perpendicularmente a un campo magnético B (F, I y B son vectores) es:

F = IL × B

(El cálculo es más complicado para los dispositivos reales debido a su geometría de cable no recto y a la orientación variable de los cables de la bobina móvil con respecto al campo magnético.)

La fuerza generada es relativamente constante a lo largo de la carrera del actuador, con pequeñas disminuciones de fuerza al principio y al final de la carrera. Tanto el conjunto de la bobina como el conjunto del campo magnético permanente pueden utilizarse como el miembro móvil en un actuador de bobina móvil.

Bobina móvil

Los actuadores de bobina móvil vienen en una variedad de paquetes-el tipo que la mayoría de la gente conoce es el actuador de bobina móvil. Estos comprenden típicamente una bobina enrollada alrededor de una bobina, que puede ser hecha de y de numerosos materiales no magnéticos, y que se mueve dentro y fuera de un conjunto de campo magnético permanente que consiste en una carcasa de acero con un conjunto de imán permanente concéntrico en su centro (ver Fig. 1).

Imán móvil

Otro tipo común de actuador es el diseño de imán móvil, donde la bobina es fija y el conjunto de imán se mueve. Este cambio de construcción evita los cables de la bobina que requieren movimiento durante la operación. El paquete funciona de manera similar al diseño de bobina móvil, excepto que en lugar de una bobina expuesta que se mueve dentro y fuera del conjunto de imanes, el dispositivo de imán móvil tiene un pistón de conjunto de campo magnético permanente que se mueve dentro de un tubo de bobina cilíndrica (ver Fig. 2). Este estilo suele venir con el conjunto de campo permanente unido a un eje y a unas tapas finales que contienen cojinetes, por lo que este estilo se suministra más comúnmente con un sistema de cojinetes integrado.FIGURA 2. El actuador de bobina móvil se suministra normalmente con un sistema de rodamiento integrado. El actuador de bobina móvil se suministra más comúnmente con un sistema de rodamiento integrado.

Existen variaciones en estos diseños de actuadores que permiten una geometría única y la integración de los actuadores de bobina móvil en numerosos tipos de aplicaciones. Algunos ejemplos de personalizaciones disponibles son:

• Grandes holguras radiales para que la bobina de voz pueda utilizarse en aplicaciones de rotación limitada
• Diseños en los que el motor de la bobina de voz se acciona intencionadamente en un arco (esto se conoce comúnmente como un actuador de bobina de voz giratorio).bobina móvil)
• El uso de materiales de baja desgasificación para permitir su uso en entornos de vacío
• Integración de dispositivos de retroalimentación para el control de bucle cerrado

Las ventajas de los actuadores de bobina móvil incluyen:

• Simplicidad de construcción
• Muy baja histéresis
• Tamaño reducido
• Altas aceleraciones
• Sin cogging (no hay posiciones «preferidas») ni conmutación

Selección del amplificador

Se requiere un amplificador capaz de proporcionar la corriente y la tensión necesarias para realizar el movimiento deseado. Para dimensionar el amplificador para el actuador de la bobina de voz, se debe conocer la corriente continua y de pico, la contrafase (para determinar la tensión del bus de CC requerida), y la resistencia e inductancia del actuador.

Los amplificadores de tipo cepillado se utilizan para hacer funcionar actuadores monofásicos (de dos conductores). Estos amplificadores pueden tener cierta inteligencia incorporada y pueden requerir software adicional. Un amplificador lineal es ideal para ejecutar actuadores de baja inductancia.

Actuadores de bobina de voz frente a solenoides

Otro tipo de dispositivo de movimiento, el solenoide, se confunde a veces con el actuador de bobina de voz. Sin embargo, mientras que una bobina de voz genera una fuerza basada en la interacción de un conductor portador de corriente en un campo magnético permanente, un solenoide genera una fuerza basada en un campo electromagnético que es creado por un conductor portador de corriente.

Un solenoide consiste en una bobina que está contenida en una carcasa de acero ferroso y una babosa o arandela de acero móvil. La corriente aplicada a la bobina genera un campo electromagnético. La intensidad del campo magnético determina la cantidad de fuerza que puede generar el solenoide. Cuando se desconecta la corriente, la fuerza cae a cero y el muelle lo devuelve a su posición extendida.

Las fuerzas son inicialmente altas, pero a medida que aumenta la carrera, la fuerza disminuye. Los solenoides se utilizan normalmente para abrir pestillos o abrir o cerrar válvulas, y se utilizan para aplicar una fuerza de retención o de enclavamiento.

La cuestión de si utilizar actuadores de bobina de voz o solenoides para aplicaciones de control de movimiento de pequeño desplazamiento se plantea a menudo. Si su aplicación requiere simplemente abrir o cerrar una válvula, un solenoide podría ser una opción. Sin embargo, los solenoides tienen limitaciones en cuanto a la linealidad de la fuerza y la longitud de la carrera.

Debido a que los actuadores de bobina móvil suelen costar más que un solenoide estándar, muchos clientes intentan utilizar un solenoide cuando un actuador de bobina móvil es la solución más adecuada. Algunas aplicaciones requieren una fuerza constante a lo largo de todo el recorrido, y en estas situaciones un solenoide es insuficiente debido a la disminución de la fuerza a lo largo del recorrido, mientras que un actuador de bobina móvil proporciona una fuerza constante (véase la Tabla 2). Esto es especialmente importante en los sistemas oscilantes. Otra ventaja que proporciona la bobina de voz es el control de la fuerza sin un dispositivo de retroalimentación porque la salida de fuerza (en cualquier posición de la carrera) es directamente proporcional a la entrada de corriente.

Voz-Los actuadores de bobina se prestan generalmente a una mayor densidad de fuerza, logrando así mayores carreras y fuerzas en un tamaño de paquete más pequeño que sus contrapartes de solenoide.

James Mitchell es ingeniero superior en H2W Technologies, Santa Clarita, CA; correo electrónico: [email protected]; www.h2wtech.com.