Controle de Movimento: Dispositivos de movimento linear: O que é um atuador de bobina de voz?

JAMES MITCHELL

Um atuador de bobina de voz, também conhecido como atuador linear DC não-comutado, é um tipo de motor linear de acionamento direto. O termo “bobina de voz” vem de uma das suas primeiras aplicações históricas: vibrar o cone de papel de um alto-falante. Estes dispositivos são actualmente utilizados para uma vasta gama de aplicações, incluindo a movimentação de massas muito maiores. Por exemplo, na óptica, os atuadores de bobina de voz são tipicamente usados em aplicações de focalização, sistemas oscilatórios, inclinação do espelho e controle de posição em miniatura de até três eixos.

Este tipo de atuador consiste em um conjunto de campo magnético permanente (uma combinação de ímãs permanentes e aço ferroso) e um conjunto de bobina. A corrente que passa através do conjunto bobina interage com o campo magnético permanente e gera um vetor de força perpendicular à direção da corrente. O vetor de força pode ser revertido alterando a polaridade da corrente que flui através da bobina.

Acionadores lineares DC não comutados são capazes de um deslocamento de até 5 pol. e vêm em uma gama de tamanhos, desde dispositivos que geram algumas onças de força até outros que geram várias centenas de libras de força (ver Tabela 1). Além disso, os atuadores de bobina de voz podem se mover bidirecionalmente, ter uma força relativamente constante ao longo de todo o curso e podem ser usados tanto em posição de loop aberto ou fechado quanto em aplicações de força.

Um atuador de bobina de voz gera uma força baseada numa interação de condutores condutores de corrente em um campo magnético permanente. A força gerada pela bobina de voz é proporcional ao produto cruzado da corrente que flui através da bobina e do fluxo magnético no campo magnético permanente, como ditado pela equação de força de Lorentz. Em um exemplo ilustrativo simples, a força F produzida em um fio reto de comprimento L carregando uma corrente I e orientada perpendicularmente a um campo magnético B (F, I, e B são vetores) é:

F = IL × B

(O cálculo é mais complicado para dispositivos reais por causa de sua geometria de fio não estreito e orientação variável dos fios da bobina de voz em relação ao campo magnético.)

A força gerada é relativamente constante ao longo do curso do atuador, com pequenas diminuições de força no início e no fim do curso. Tanto o conjunto bobina ou o conjunto campo magnético permanente pode ser usado como o membro móvel em um atuador de bobina de voz.

Moving coil

Acionadores de bobina de voz vêm em uma variedade de pacotes – o tipo com o qual a maioria das pessoas estão familiarizadas é o atuador de bobina móvel. Estes normalmente compreendem uma bobina enrolada em torno de uma bobina, que pode ser feita de e de numerosos materiais não magnéticos, e que se move para dentro e para fora de um conjunto de campo magnético permanente constituído por uma caixa de aço com um conjunto de íman concêntrico permanente no seu centro (ver Fig. 1).

Imã de movimento

Outro tipo comum de atuador é o desenho de íman de movimento, onde a bobina é fixa e o conjunto de íman de movimento. Esta mudança de construção previne os cabos da bobina que requerem movimento durante o funcionamento. O conjunto funciona de forma semelhante ao desenho da bobina móvel, excepto que em vez de uma bobina exposta que se move para dentro e para fora do conjunto do íman, o íman móvel tem um pistão de campo magnético permanente que se move dentro de um tubo cilíndrico da bobina (ver Fig. 2). Este estilo vem frequentemente com o conjunto campo magnético permanente ligado a um eixo e tampas terminais que contêm rolamentos, de modo que este estilo é mais comumente fornecido com um sistema de rolamentos integrados.FIGURA 2. O atuador de bobina do tipo com ímã móvel é mais comumente fornecido com um sistema de rolamentos integrados.

Variações existentes nestes projetos de atuadores que permitem uma geometria única e a integração de atuadores de bobina de voz em numerosos tipos de aplicações. Alguns exemplos de customizações disponíveis são:

• Largas folgas radiais grandes para que a bobina de voz possa ser usada em aplicações de rotação limitada
• Designs nos quais o motor da bobina de voz é operado intencionalmente em um arco (isto é comumente referido como um atuador de voz rotativo -atuador de bobina)
• O uso de materiais de baixa emissão de gases para permitir o uso em ambientes de vácuo
• Integração de dispositivos de realimentação para controle em loop fechado

Vantagens dos atuadores de bobina de voz incluem:

• Simplicidade de construção
• Muita histerese baixa
• Pequeno tamanho
• Altas acelerações
• Sem cogging (sem posições “preferidas”) ou comutação

Selecção do amplificador

Um amplificador capaz de fornecer a corrente e tensão necessárias para fazer o movimento desejado é necessário. Para dimensionar o amplificador para o atuador da bobina de voz, a corrente contínua e de pico, o emf de retorno (para determinar a tensão necessária do barramento DC), e a resistência e indutância do atuador devem ser conhecidos.

Amplificadores tipo Brushed- são usados para executar atuadores monofásicos (de duas derivações). Estes amplificadores podem ter alguma inteligência incorporada e podem requerer software adicional. Um amplificador linear é ideal para executar atuadores de baixa indutância.

Acionadores de bobina de voz vs. solenóides

Um outro tipo de dispositivo de movimento, o solenóide, é às vezes confundido com o atuador de bobina de voz. Entretanto, enquanto uma bobina de voz gera uma força baseada na interação de um condutor de corrente em um campo magnético permanente, um solenóide gera uma força baseada em um campo eletromagnético que é criado por um condutor de corrente.

Um solenóide consiste em uma bobina que está contida em uma carcaça de aço ferroso e uma bala ou arruela móvel de aço. Um campo eletromagnético é gerado pela corrente que está sendo aplicada à bobina. A intensidade do campo magnético determina a quantidade de força que pode ser gerada pelo solenóide. Quando a energia é desligada, a força cai para zero e a mola volta à sua posição estendida.

As forças são inicialmente altas – mas à medida que o curso aumenta, a força diminui. Solenóides são normalmente usados para abrir trincos ou abrir ou fechar válvulas, e são usados para aplicar uma força de retenção ou travamento.

A questão de se usar atuadores de bobina de voz ou solenóides para aplicações de controle de movimento de pequenos deslocamentos surge frequentemente. Se a sua aplicação requer simplesmente abrir ou fechar uma válvula, um solenóide pode ser uma opção. Entretanto, os solenóides têm limitações quando se trata de forçar a linearidade e comprimento do curso.

Porque os atuadores de bobina de voz normalmente custam mais do que um solenóide de prateleira, muitos clientes tentam usar um solenóide quando um atuador de bobina de voz é a solução mais apropriada. Algumas aplicações requerem uma força constante ao longo do curso, e nestas situações um solenóide é insuficiente devido à diminuição da força através do curso, enquanto um actuador de bobina de voz fornece uma força constante (ver Tabela 2). Isto é particularmente importante em sistemas oscilatórios. Outra vantagem que a bobina de voz proporciona é o controle da força sem um dispositivo de realimentação porque a saída de força (em qualquer posição do curso) é diretamente proporcional à entrada de corrente.

Voice-Os atuadores de bobina geralmente se prestam a uma maior densidade de força, conseguindo assim golpes e forças maiores num pacote menor do que os seus homólogos solenóides.

James Mitchell é engenheiro sênior da H2W Technologies, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.