Motion Control: Urządzenia do ruchu liniowego: Co to jest siłownik z cewką głosową?

JAMES MITCHELL

Siłownik z cewką drgającą, znany również jako niekomutowany siłownik liniowy prądu stałego, jest rodzajem silnika liniowego o napędzie bezpośrednim. Termin „cewka drgająca” pochodzi od jednego z jej historycznie pierwszych zastosowań: drgania papierowej membrany głośnika. Obecnie urządzenia te są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym do poruszania znacznie większych mas. Na przykład w optyce, siłowniki z cewką drgającą są zwykle używane w aplikacjach ogniskowania, systemach oscylacyjnych, przechylaniu zwierciadeł i miniaturowej kontroli pozycji do trzech osi.

Ten typ siłownika składa się z zespołu stałego pola magnetycznego (połączenie magnesów trwałych i stali żelaznej) i zespołu cewki. Prąd płynący przez zespół cewki oddziałuje ze stałym polem magnetycznym i generuje wektor siły prostopadły do kierunku prądu. Wektor siły może być odwrócony poprzez zmianę biegunowości prądu płynącego przez cewkę.

Niekomutowane siłowniki liniowe prądu stałego są zdolne do przemieszczania się do 5 cali i są dostępne w różnych rozmiarach, od urządzeń generujących kilka uncji siły do innych, które generują kilkaset funtów siły (patrz tabela 1). Ponadto, siłowniki z cewką drgającą mogą poruszać się dwukierunkowo, mają względnie stałą siłę w całym skoku i mogą być stosowane w aplikacjach pozycjonowania lub siły w pętli otwartej lub zamkniętej.

Siłownik z cewką głosową wytwarza siłę na podstawie oddziaływania przewodników przewodzących prąd w stałym polu magnetycznym. Siła generowana przez cewkę jest proporcjonalna do iloczynu prądu płynącego przez cewkę i strumienia magnetycznego w stałym polu magnetycznym, zgodnie z równaniem siły Lorentza. W prostym przykładzie ilustrującym, siła F wytwarzana na prostym przewodzie o długości L przewodzącym prąd I i zorientowanym prostopadle do pola magnetycznego B (F, I, i B są wektorami) wynosi:

F = IL × B

(Obliczenie jest bardziej skomplikowane w przypadku rzeczywistych urządzeń ze względu na ich nieprostą geometrię przewodu i zmienną orientację przewodów cewki w odniesieniu do pola magnetycznego.)

Generowana siła jest względnie stała w całym skoku siłownika, z niewielkimi spadkami siły na początku i na końcu skoku. Jako element ruchomy w siłowniku z cewką głosową można zastosować zarówno zespół cewki, jak i zespół stałego pola magnetycznego.

Cewka ruchoma

Siłowniki z cewką głosową występują w różnych opakowaniach – typem znanym większości ludzi jest siłownik z cewką ruchomą. Zwykle składają się one z cewki nawiniętej na szpulkę, która może być wykonana z wielu materiałów niemagnetycznych i która porusza się w i z zespołu stałego pola magnetycznego składającego się ze stalowej obudowy z koncentrycznym zespołem magnesu stałego w jej centrum (patrz rys. 1).

Magnes ruchomy

Innym popularnym typem siłownika jest konstrukcja z magnesem ruchomym, w której cewka jest nieruchoma, a zespół magnesu porusza się. Ta zmiana konstrukcyjna zapobiega wyprowadzeniom cewki, które wymagają ruchu podczas pracy. Pakiet działa podobnie do konstrukcji z ruchomą cewką, z wyjątkiem tego, że zamiast odsłoniętej cewki, która porusza się w i z zespołu magnesu, urządzenie z ruchomym magnesem posiada tłok zespołu stałego pola magnetycznego, który porusza się wewnątrz cylindrycznej rury cewki (patrz rys. 2). Ten typ często jest dostarczany z zespołem pola stałego przymocowanym do wału i pokrywami końcowymi zawierającymi łożyska, tak że ten typ jest najczęściej dostarczany ze zintegrowanym systemem łożyskowania.RYSUNEK 2. Siłownik z cewką drgającą jest najczęściej dostarczany ze zintegrowanym układem łożyskowym.

Warianty tych konstrukcji siłowników pozwalają na uzyskanie unikalnej geometrii i integrację siłowników z cewką drgającą w wielu typach zastosowań. Kilka przykładów dostępnych wersji to:

• Duży luz promieniowy, dzięki czemu cewka drgająca może być stosowana w aplikacjach o ograniczonym obrocie
• Projekty, w których silnik cewki drgającej jest celowo eksploatowany po łuku (jest to powszechnie określane jako obrotowy siłownik cewki drgającej)cewki)
• Wykorzystanie materiałów o niskim stopniu odgazowania w celu umożliwienia stosowania w środowiskach próżniowych
• Integracja urządzeń sprzężenia zwrotnego do sterowania w zamkniętej pętli

Wady siłowników z cewką głosową obejmują:

• Prostotę konstrukcji
• Bardzo niską histerezę
• Małe rozmiary
• Wysokie przyspieszenia
• Brak zbieżności (brak „preferowanych” położeń) lub komutacji

Dobór wzmacniacza

Wymagany jest wzmacniacz zdolny do dostarczenia potrzebnego prądu i napięcia do wykonania żądanego ruchu. Aby dobrać rozmiar wzmacniacza do siłownika cewki, należy znać wartość prądu ciągłego i szczytowego, emf (w celu określenia wymaganego napięcia szyny DC) oraz rezystancję i indukcyjność siłownika.

Wzmacniacze typu Brushed są stosowane do zasilania siłowników jednofazowych (dwuprzewodowych). Wzmacniacze te mogą mieć pewną wbudowaną inteligencję i mogą wymagać dodatkowego oprogramowania. Wzmacniacz liniowy jest idealny do pracy z siłownikami o niskiej indukcyjności.

Siłowniki z cewką drgającą a elektromagnesy

Inny typ urządzenia ruchowego, elektromagnes, jest czasami mylony z siłownikiem z cewką drgającą. Jednakże, podczas gdy cewka generuje siłę w oparciu o interakcję przewodnika z prądem w stałym polu magnetycznym, solenoid generuje siłę w oparciu o pole elektromagnetyczne, które jest wytwarzane przez przewodnik z prądem.

Cewka elektromagnetyczna składa się z cewki, która jest umieszczona w obudowie ze stali żelaznej i ruchomego stalowego ślimaka lub podkładki. Pole elektromagnetyczne jest wytwarzane przez prąd przyłożony do cewki. Intensywność pola magnetycznego określa wielkość siły, która może być generowana przez cewkę. Kiedy zasilanie jest wyłączone, siła spada do zera, a sprężyna powraca do pozycji wysuniętej.

Siły są początkowo duże, ale w miarę wzrostu skoku siła maleje. Cewki elektromagnetyczne są zwykle używane do otwierania zapadek lub otwierania i zamykania zaworów, a także do przykładania siły trzymania lub zatrzaskiwania.

Często pojawia się pytanie, czy używać siłowników z cewką drgającą czy cewek elektromagnetycznych w zastosowaniach sterowania ruchem o małym przemieszczeniu. Jeśli aplikacja wymaga jedynie otwarcia lub zamknięcia zaworu, rozwiązaniem może być cewka elektromagnetyczna. Cewki mają jednak ograniczenia, jeśli chodzi o liniowość siły i długość skoku.

Ponieważ siłowniki z cewką drgającą kosztują zazwyczaj więcej niż dostępne na rynku cewki, wielu klientów próbuje stosować cewki, gdy bardziej odpowiednim rozwiązaniem jest siłownik z cewką drgającą. Niektóre aplikacje wymagają stałej siły na całej długości przesuwu i w takich sytuacjach cewka elektromagnetyczna jest niewystarczająca ze względu na zmniejszającą się siłę podczas przesuwu, podczas gdy siłownik z cewką drgającą zapewnia stałą siłę (patrz tabela 2). Jest to szczególnie ważne w systemach oscylacyjnych. Inną zaletą cewki jest sterowanie siłą bez urządzenia sprzężenia zwrotnego, ponieważ siła wyjściowa (w dowolnym położeniu w skoku) jest wprost proporcjonalna do prądu wejściowego.