Contrôle du mouvement : Dispositifs de mouvement linéaire : Qu’est-ce qu’un actionneur à bobine vocale ?

JAMES MITCHELL

Un actionneur à bobine mobile, également connu sous le nom d’actionneur linéaire à courant continu non commuté, est un type de moteur linéaire à entraînement direct. Le terme « bobine mobile » vient de l’une de ses premières applications historiques : faire vibrer le cône en papier d’un haut-parleur. Ces dispositifs sont actuellement utilisés pour une large gamme d’applications, y compris pour déplacer des masses beaucoup plus importantes. Par exemple, en optique, les actionneurs à bobine vocale sont généralement utilisés dans les applications de focalisation, les systèmes oscillatoires, l’inclinaison des miroirs et le contrôle de position miniature jusqu’à trois axes.

Ce type d’actionneur se compose d’un ensemble à champ magnétique permanent (une combinaison d’aimants permanents et d’acier ferreux) et d’un ensemble de bobines. Le courant circulant dans l’ensemble bobine interagit avec le champ magnétique permanent et génère un vecteur de force perpendiculaire à la direction du courant. Le vecteur de force peut être inversé en changeant la polarité du courant circulant dans la bobine.

Les actionneurs linéaires à courant continu non commutés sont capables d’un déplacement allant jusqu’à 5 po et sont offerts dans une gamme de tailles, allant de dispositifs qui génèrent quelques onces de force à d’autres qui génèrent plusieurs centaines de livres de force (voir le tableau 1). En outre, les actionneurs à bobine vocale peuvent se déplacer de manière bidirectionnelle, ont une force relativement constante sur toute la course et peuvent être utilisés pour des applications de position ou de force en boucle ouverte ou fermée.

Un actionneur à bobine vocale génère une force basée sur une interaction de conducteurs porteurs de courant dans un champ magnétique permanent. La force générée par la bobine vocale est proportionnelle au produit croisé du courant traversant la bobine et du flux magnétique dans le champ magnétique permanent, comme le dicte l’équation de force de Lorentz. Dans un exemple illustratif simple, la force F produite sur un fil droit de longueur L transportant un courant I et orienté perpendiculairement à un champ magnétique B (F, I, et B sont des vecteurs) est :

F = IL × B

(Le calcul est plus compliqué pour les dispositifs réels en raison de leur géométrie de fil non droit et de l’orientation variable des fils de la bobine mobile par rapport au champ magnétique.)

La force générée est relativement constante tout au long de la course de l’actionneur, avec des diminutions mineures de la force au début et à la fin de la course. Soit l’ensemble de la bobine, soit l’ensemble du champ magnétique permanent peut être utilisé comme élément mobile dans un actionneur à bobine vocale.

Bobine mobile

Les actionneurs à bobine vocale se présentent sous divers emballages – le type que la plupart des gens connaissent est l’actionneur à bobine mobile. Ceux-ci comprennent généralement une bobine enroulée autour d’une bobine, qui peut être faite de et de nombreux matériaux non magnétiques, et qui se déplace dans et hors d’un ensemble de champ magnétique permanent constitué d’un boîtier en acier avec un ensemble d’aimants permanents concentriques en son centre (voir la figure 1).

Amant mobile

Un autre type commun d’actionneur est la conception à aimant mobile, où la bobine est fixe et l’ensemble d’aimants se déplace. Ce changement de construction empêche les fils de bobine qui nécessitent un mouvement pendant le fonctionnement. Le fonctionnement de l’ensemble est similaire à celui de la conception à bobine mobile, sauf qu’au lieu d’une bobine exposée qui entre et sort de l’ensemble d’aimants, le dispositif à aimant mobile possède un piston d’ensemble à champ magnétique permanent qui se déplace à l’intérieur d’un tube de bobine cylindrique (voir Fig. 2). Ce style est souvent livré avec l’assemblage à champ permanent fixé à un arbre et des embouts qui contiennent des roulements, de sorte que ce style est le plus souvent fourni avec un système de roulement intégré.FIGURE 2. L’actionneur à bobine vocale de type à aimant mobile est le plus souvent fourni avec un système de roulement intégré.

Il existe des variations sur ces conceptions d’actionneurs qui permettent une géométrie unique et l’intégration des actionneurs à bobine vocale dans de nombreux types d’applications. Quelques exemples de personnalisations disponibles sont :

• Les grands jeux radiaux afin que la bobine vocale puisse être utilisée dans des applications à rotation limitée
• Des conceptions dans lesquelles le moteur de la bobine vocale est intentionnellement actionné dans un arc (ceci est communément appelé un actionneur de bobine vocale rotatif).bobine vocale rotative)
• L’utilisation de matériaux à faible dégazage pour permettre une utilisation dans des environnements sous vide
• Intégration de dispositifs de rétroaction pour une commande en boucle fermée

Les avantages des actionneurs à bobine vocale comprennent :

• Simplicité de construction
• Très faible hystérésis
• Petite taille
• Hautes accélérations
• Pas de cogging (pas de positions « préférées ») ni de commutation

Sélection de l’amplificateur

Un amplificateur capable de fournir le courant et la tension nécessaires pour effectuer le mouvement souhaité est nécessaire. Pour dimensionner l’amplificateur en fonction de l’actionneur à bobine vocale, il faut connaître le courant continu et de crête, la force contre-électromotrice (pour déterminer la tension de bus CC requise), ainsi que la résistance et l’inductance de l’actionneur.

Les amplificateurs de type brasseur sont utilisés pour faire fonctionner des actionneurs monophasés (à deux fils). Ces amplificateurs peuvent avoir une certaine intelligence intégrée et peuvent nécessiter un logiciel supplémentaire. Un amplificateur linéaire est idéal pour faire fonctionner des actionneurs à faible inductance.

Les actionneurs à bobine vocale par rapport aux solénoïdes

Un autre type de dispositif de mouvement, le solénoïde, est parfois confondu avec l’actionneur à bobine vocale. Cependant, alors qu’une bobine vocale génère une force basée sur une interaction d’un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique permanent, un solénoïde génère une force basée sur un champ électromagnétique qui est créé par un conducteur porteur de courant.

Un solénoïde est constitué d’une bobine qui est contenue dans un boîtier en acier ferreux et d’une cosse ou d’une rondelle mobile en acier. Un champ électromagnétique est généré par le courant appliqué à la bobine. L’intensité du champ magnétique détermine la force qui peut être générée par le solénoïde. Lorsque l’alimentation est coupée, la force tombe à zéro et le ressort la ramène à sa position étendue.

Les forces sont initialement élevées-mais au fur et à mesure que la course augmente, la force diminue. Les solénoïdes sont généralement utilisés pour ouvrir des loquets ou ouvrir ou fermer des vannes, et sont soit utilisés pour appliquer une force de maintien ou de verrouillage.

La question de savoir s’il faut utiliser des actionneurs à bobine vocale ou des solénoïdes pour les applications de contrôle de mouvement à faible déplacement revient souvent. Si votre application nécessite simplement d’ouvrir ou de fermer une vanne, un solénoïde peut être une option. Cependant, les solénoïdes ont des limites en matière de linéarité de la force et de longueur de course.

Parce que les actionneurs à bobine vocale coûtent généralement plus cher qu’un solénoïde du commerce, de nombreux clients essaient d’utiliser un solénoïde alors qu’un actionneur à bobine vocale est la solution plus appropriée. Certaines applications nécessitent une force constante sur toute la longueur de la course, et dans ces situations, un solénoïde est insuffisant en raison de la diminution de la force sur la course, alors qu’un actionneur à bobine mobile fournit une force constante (voir tableau 2). Ceci est particulièrement important dans les systèmes oscillants. Un autre avantage que procure la bobine mobile est le contrôle de la force sans dispositif de rétroaction, car la force de sortie (à n’importe quelle position de la course) est directement proportionnelle à l’entrée de courant.

Voir-Les actionneurs à bobine se prêtent généralement à une densité de force plus élevée, permettant ainsi d’obtenir des courses et des forces plus élevées dans un boîtier plus petit que leurs homologues à solénoïde.

James Mitchell est ingénieur principal chez H2W Technologies, Santa Clarita, CA ; courriel : [email protected] ; www.h2wtech.com.

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