Mozgásvezérlés: Lineáris mozgást végző eszközök: Mi az a hangtekercses működtető?

JAMES MITCHELL

A hangtekercses működtető, más néven nem kommutált egyenáramú lineáris működtető, a közvetlen meghajtású lineáris motorok egy típusa. A “hangtekercs” kifejezés az egyik történelmileg első alkalmazásából származik: a hangszóró papírkúpjának rezgésbe hozásából. Ezeket az eszközöket jelenleg számos alkalmazásban használják, többek között sokkal nagyobb tömegek mozgatására. Például az optikában a hangtekercses aktuátorokat jellemzően fókuszálási alkalmazásokban, oszcillációs rendszerekben, tükörbillentésben és akár három tengely miniatűr pozíciószabályozásában használják.

Ez a típusú aktuátor egy állandó mágneses mezővel rendelkező egységből (állandó mágnesek és vasacél kombinációja) és egy tekercsegységből áll. A tekercsegységen átfolyó áram kölcsönhatásba lép az állandó mágneses mezővel, és az áram irányára merőleges erővektort hoz létre. Az erővektor megfordítható a tekercsen átfolyó áram polaritásának megváltoztatásával.

A nem kommutált egyenáramú lineáris aktuátorok akár 5 in. elmozdulásra is képesek, és többféle méretben kaphatók, a néhány uncia erőt előállító eszközöktől a több száz fontnyi erőt előállító eszközökig (lásd az 1. táblázatot). Ezenkívül a hangtekercses működtetők kétirányú mozgásra képesek, viszonylag állandó erővel rendelkeznek a teljes löket alatt, és nyílt vagy zárt hurkú pozíció- vagy erőalkalmazásokhoz egyaránt használhatók.

A hangtekercs-aktuátor az áramvezető vezetők állandó mágneses térben való kölcsönhatásán alapuló erőt hoz létre. A hangtekercs által keltett erő arányos a tekercsen átfolyó áram és az állandó mágneses mezőben lévő mágneses fluxus kereszteződésével, ahogyan azt a Lorentz-féle erőegyenlet diktálja. Egy egyszerű szemléltető példában a B mágneses mezőre merőlegesen irányított, I áramot vezető, L hosszúságú egyenes huzalra ható F erő (F, I és B vektorok) a következő:

F = IL × B

(A számítás a valós eszközök esetében bonyolultabb, mivel a nem egyenes huzalgeometria és a hangtekercs huzalok mágneses mezőhöz viszonyított iránya változó.)

A keletkező erő viszonylag állandó a működtető egész lökete alatt, a löket elején és végén kisebb erőcsökkenéssel. A hangtekercses aktuátorban mozgó tagként vagy a tekercsegység vagy az állandó mágneses mezővel rendelkező egység használható.

Mozgótekercs

A hangtekercses aktuátorok többféle kiszerelésben kaphatók – a legtöbb ember által ismert típus a mozgótekercses aktuátor. Ezek jellemzően egy orsó köré tekert tekercsből állnak, amely számos nem mágneses anyagból készülhet, és amely mozog egy állandó mágneses mezővel rendelkező egységben, amely egy acélházból és a közepén lévő koncentrikus állandó mágneses egységből áll (lásd az 1. ábrát).

Mozgó mágnes

A másik gyakori működtetőtípus a mozgó mágneses kivitel, ahol a tekercs rögzített, a mágneses egység pedig mozog. Ez a konstrukcióváltás megakadályozza a működés közben mozgást igénylő tekercsvezetékeket. A csomag a mozgó tekercses kialakításhoz hasonlóan működik, azzal a különbséggel, hogy a mozgó mágneses eszközben a mágneses egységbe be- és kimozduló, szabadon álló tekercs helyett egy állandó mágneses mezővel rendelkező egység dugattyúja mozog egy hengeres tekercscsőben (lásd a 2. ábrát). Ezt a típust gyakran úgy szállítják, hogy az állandó mezővel rendelkező szerelvényt egy tengelyhez és csapágyakat tartalmazó zárókupakokhoz rögzítik, így ezt a típust leggyakrabban integrált csapágyrendszerrel szállítják.2. ÁBRA. A mozgó mágneses típusú hangtekercses aktuátorokat leggyakrabban integrált csapágyrendszerrel szállítják.

Variációk léteznek ezeken az aktuátor-konstrukciókon, amelyek lehetővé teszik az egyedi geometriát és a hangtekercses aktuátorok integrálását számos alkalmazási típusba. Néhány példa a rendelkezésre álló testreszabásokra:

• Nagy radiális hézagok, hogy a hangtekercs korlátozott forgású alkalmazásokban is használható legyen
• Kialakítások, amelyekben a hangtekercsmotor szándékosan ívben működik (ezt általában forgó hangtekercsnek nevezik).
• A vákuumkörnyezetben való használatot lehetővé tevő, alacsony gázkibocsátású anyagok használata
• A visszacsatoló eszközök integrálása a zárt hurkú vezérléshez

A hangtekercs-aktuátorok előnyei a következők:

• A konstrukció egyszerűsége
• Nagyon alacsony hiszterézis
• Kis méret
• Nagy gyorsulások
• Nincs cogging (nincs “preferált” pozíció) vagy kommutáció

Egy erősítő kiválasztása

A kívánt mozgás megvalósításához szükséges áram és feszültség biztosítására alkalmas erősítőre van szükség. Az erősítőnek a hangtekercses működtetőhöz való méretezéséhez ismerni kell a folyamatos és csúcsáramot, az ellenáramot (a szükséges egyenáramú buszfeszültség meghatározásához), valamint a működtető ellenállását és induktivitását.

Egyfázisú (kétvezetékes) működtetők működtetésére brusztolt típusú erősítőket használnak. Ezek az erősítők rendelkezhetnek némi beépített intelligenciával, és további szoftvereket igényelhetnek. A lineáris erősítő ideális az alacsony induktivitású aktuátorok futtatására.

Hangtekercses aktuátorok vs. szolenoidok

Egy másik típusú mozgatási eszközt, a szolenoidot néha összekeverik a hangtekercses aktuátorral. Míg azonban a hangtekercs egy áramvezető állandó mágneses mezőben való kölcsönhatásán alapuló erőt hoz létre, addig a szolenoid egy áramvezető által létrehozott elektromágneses mezőn alapuló erőt hoz létre.

A szolenoid egy vasacél házban lévő tekercsből és egy mozgatható acélcsigából vagy alátétből áll. A tekercsre kapcsolt áram elektromágneses mezőt hoz létre. A mágneses mező erőssége határozza meg a szolenoid által létrehozható erő nagyságát. Az áram kikapcsolásakor az erő nullára csökken, és a rugó visszahúzza a kinyújtott helyzetbe.

Az erők kezdetben nagyok – de ahogy a löket növekszik, az erő csökken. A szolenoidokat általában reteszek nyitására vagy szelepek nyitására vagy zárására használják, és vagy tartó- vagy reteszelőerőt alkalmaznak.

A kérdés, hogy hangtekercses működtetőket vagy szolenoidokat használjunk-e kis elmozdulású mozgásvezérlési alkalmazásokhoz, gyakran felmerül. Ha az alkalmazás egyszerűen csak egy szelep nyitását vagy zárását igényli, a mágnesszelep lehet egy lehetőség. A szolenoidoknak azonban vannak korlátai az erő linearitása és a lökethossz tekintetében.

Miatt a hangtekercses működtetők általában többe kerülnek, mint egy kapható szolenoid, sok ügyfél megpróbál szolenoidot használni, amikor a hangtekercses működtető a megfelelőbb megoldás. Bizonyos alkalmazásokhoz az út teljes hosszában állandó erőre van szükség, és ezekben a helyzetekben a szolenoid nem elegendő, mert az út során csökken az erő, míg a hangtekercses működtető állandó erőt biztosít (lásd a 2. táblázatot). Ez különösen fontos a rezgő rendszereknél. Egy másik előny, amit a hangtekercs biztosít, a visszacsatoló eszköz nélküli erőszabályozás, mivel a kimenő erő (a löket bármely pozíciójában) egyenesen arányos a bemenő árammal.

Szavazás-A tekercses aktuátorok általában nagyobb erőkifejtési sűrűségre adnak lehetőséget, így nagyobb löketek és erők érhetők el kisebb csomagméret mellett, mint szolenoidos társaiknál.

James Mitchell a H2W Technologies vezető mérnöke, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.

.