Liikkeenohjaus: Lineaariset liikelaitteet: Mikä on äänikela-toimilaite?

JAMES MITCHELL

Puhekelatoimilaite, joka tunnetaan myös nimellä noncommutated DC lineaarinen toimilaite, on eräänlainen suoravetoinen lineaarimoottori. Termi ”äänikela” tulee yhdestä sen historiallisesti ensimmäisestä käyttökohteesta: kaiuttimen paperikartion värähtelystä. Näitä laitteita käytetään nykyisin monenlaisiin sovelluksiin, kuten paljon suurempien massojen liikuttamiseen. Esimerkiksi optiikassa äänikela-aktuaattoreita käytetään tyypillisesti tarkennussovelluksissa, oskilloivissa järjestelmissä, peilien kallistuksessa ja jopa kolmen akselin pienoisasennonohjauksessa.

Tyyppinen toimilaite koostuu kestomagneettikenttäkokoonpanosta (kestomagneettien ja rautateräksen yhdistelmä) ja kela-asennelmasta. Kela-asennelman läpi kulkeva virta on vuorovaikutuksessa pysyvän magneettikentän kanssa ja synnyttää voimavektorin, joka on kohtisuorassa virran suuntaa vastaan. Voimavektori voidaan kääntää päinvastaiseksi muuttamalla kelan läpi kulkevan virran napaisuutta.

Kommutoimattomat tasavirtaiset lineaariset toimilaitteet kykenevät jopa 5 tuuman siirtymään, ja niitä on saatavana eri kokoisina, aina laitteista, jotka tuottavat muutaman unssin voiman, ja laitteisiin, jotka tuottavat useiden satojen kilojen voiman (ks. taulukko 1). Lisäksi äänikela-aktuaattorit voivat liikkua kaksisuuntaisesti, niiden voima on suhteellisen vakio koko iskun ajan ja niitä voidaan käyttää joko avoimen tai suljetun silmukan asento- tai voimasovelluksiin.

Puhelinkelan toimilaite tuottaa voiman, joka perustuu virtaa johtavien johtimien vuorovaikutukseen pysyvässä magneettikentässä. Äänikelan tuottama voima on verrannollinen kelan läpi kulkevan virran ja pysyvän magneettikentän magneettivuon ristituloon Lorentzin voimayhtälön sanelemalla tavalla. Yksinkertaisessa havainnollistavassa esimerkissä voima F, joka syntyy suorassa johtimessa, jonka pituus on L ja jossa kulkee virta I ja joka on suunnattu kohtisuoraan magneettikenttään B nähden (F, I ja B ovat vektoreita), on:

F = IL × B

(Laskelma on monimutkaisempi todellisissa laitteissa, koska niiden johtimien geometria ei ole suora ja koska puhekelan johtimien suuntaus magneettikenttään nähden vaihtelee.)

Tuotettu voima on suhteellisen vakio koko toimilaitteen iskun ajan, ja voima pienenee hieman iskun alussa ja lopussa. Äänikela-toimilaitteen liikkuvana osana voidaan käyttää joko kela- tai kestomagneettikenttäkokoonpanoa.

Liikkuva kela

Äänikela-toimilaitteita on saatavana erilaisina kokonaisuuksina – useimmille tuttu tyyppi on liikkuva kela-toimilaite. Ne koostuvat tyypillisesti kelasta, joka on kierretty puolan ympärille, joka voi olla valmistettu lukuisista ei-magneettisista materiaaleista, ja joka liikkuu sisään ja ulos kestomagneettikenttäkokoonpanosta, joka koostuu teräskotelosta, jonka keskellä on konsentrinen kestomagneettikokoonpano (ks. kuva 1).

Liikkuva magneetti

Toiseksi tavalliseksi aktuaattorityypiksi voidaan mainita myös liikkuvan magneetin muotoilu, jossa käämi on kiinteä ja magneettikokoonpano liikkuu. Tämä rakennemuutos estää kelan johtimet, jotka vaativat liikettä käytön aikana. Paketti toimii samalla tavalla kuin liikkuvan kelan rakenne, paitsi että magneettikokoonpanossa sisään ja ulos liikkuvan alttiina olevan kelan sijasta liikkuvan magneetin laitteessa on kestomagneettikenttäkokoonpanon mäntä, joka liikkuu sylinterimäisen käämiputken sisällä (ks. kuva 2). Tämän tyylin mukana toimitetaan usein kestokenttäkokoonpano kiinnitettynä akseliin ja päätykappaleisiin, joissa on laakerit, joten tämä tyyli toimitetaan yleisimmin integroidun laakerijärjestelmän kanssa.KUVA 2. Liikkuvan magneetin tyyppinen äänikela-toimilaite toimitetaan yleisimmin integroidulla laakerointijärjestelmällä.

Näistä toimilaitemalleista on olemassa muunnelmia, jotka mahdollistavat yksilöllisen geometrian ja äänikela-toimilaitteiden integroinnin lukuisiin erilaisiin sovelluksiin. Muutamia esimerkkejä saatavilla olevista räätälöinneistä ovat:

• Suuret säteittäiset välykset, jotta puhekelaa voidaan käyttää rajoitetusti pyörivissä sovelluksissa
• Mallit, joissa puhekelamoottoria käytetään tarkoituksellisesti kaaressa (tähän viitataan yleisesti pyörivänä puhekelaohjaimena).kelan toimilaite)
• Heikosti kaasuuntuvien materiaalien käyttö, jotta niitä voidaan käyttää tyhjiöympäristöissä
• Takaisinkytkentälaitteiden integrointi suljetun silmukan säätöä varten

Puhekelan toimilaitteiden etuja ovat mm. seuraavat:

• Rakenteen yksinkertaisuus
• Erittäin pieni hystereesi
• Pieni koko
• Korkeat kiihtyvyydet
• Ei coggingia (ei ”mieluisia” asentoja) tai kommutointia

Vahvistimen valinta

Tarvitaan vahvistin, joka kykenee tuottamaan tarvittavan virran ja jännitteen halutun liikkeen toteuttamiseksi. Vahvistimen mitoittamiseksi äänikelan toimilaitteelle on tunnettava jatkuva ja huippuvirta, vastavirta (tarvittavan tasavirtaväyläjännitteen määrittämiseksi) sekä toimilaitteen resistanssi ja induktanssi.

Brushed-tyyppisiä vahvistimia käytetään yksivaiheisten (kaksijohtoisten) toimilaitteiden käyttämiseen. Näissä vahvistimissa voi olla jonkin verran sisäänrakennettua älykkyyttä ja ne saattavat vaatia lisäohjelmistoa. Lineaarinen vahvistin on ihanteellinen pienen induktanssin toimilaitteiden ajamiseen.

Puhallinkäämitoimilaitteet vs. solenoidit

Toinen liikelaitetyyppi, solenoidi, sekoitetaan joskus puhallinkäämitoimilaitteeseen. Kun puhekela kuitenkin tuottaa voiman, joka perustuu virtaa johtavan johtimen vuorovaikutukseen pysyvässä magneettikentässä, solenoidi tuottaa voiman, joka perustuu sähkömagneettiseen kenttään, jonka virtaa johtava johdin synnyttää.

Solenoidi koostuu rautateräksisessä kotelossa olevasta kelasta ja liikuteltavasta teräslohkareesta tai -aluslevystä. Sähkömagneettinen kenttä syntyy, kun kelaan syötetään virtaa. Magneettikentän voimakkuus määrää sen voiman määrän, jonka solenoidi voi tuottaa. Kun virta katkaistaan, voima laskee nollaan ja jousi palauttaa sen ulosvedettyyn asentoon.

Voimat ovat aluksi suuria, mutta iskun kasvaessa voima pienenee. Solenoideja käytetään tyypillisesti salpojen avaamiseen tai venttiilien avaamiseen tai sulkemiseen, ja niitä käytetään joko pito- tai salpavoiman kohdistamiseen.

Kysymys siitä, pitäisikö pienen siirtymän liikkeenohjaussovelluksissa käyttää puhekelatoimilaitteita vai solenoideja, nousee usein esiin. Jos sovelluksesi edellyttää vain venttiilin avaamista tai sulkemista, solenoidi voi olla vaihtoehto. Solenoideilla on kuitenkin rajoituksia voiman lineaarisuuden ja iskunpituuden suhteen.

Koska puhekelatoimilaitteet tyypillisesti maksavat enemmän kuin valmis solenoidi, monet asiakkaat yrittävät käyttää solenoidia, vaikka puhekelatoimilaite olisi sopivampi ratkaisu. Joissakin sovelluksissa tarvitaan vakiovoimaa koko liikkeen pituudelta, ja näissä tilanteissa solenoidi on riittämätön, koska voima pienenee liikkeen aikana, kun taas puhekelatoimilaite tuottaa vakiovoiman (ks. taulukko 2). Tämä on erityisen tärkeää värähtelevissä järjestelmissä. Toinen puhekelan tarjoama etu on voiman säätö ilman takaisinkytkentälaitetta, koska voiman ulostulo (missä tahansa asennossa liikkeessä) on suoraan verrannollinen syötettyyn virtaan.