Controlul mișcării: Dispozitive de mișcare liniară: Ce este un dispozitiv de acționare cu bobină de voce?

JAMES MITCHELL

Un actuator cu bobină de voce, cunoscut și sub numele de actuator liniar de curent continuu necomutat, este un tip de motor liniar cu acționare directă. Termenul de „bobină vocală” provine de la una dintre primele sale aplicații istorice: vibrarea conului de hârtie al unui difuzor. Aceste dispozitive sunt utilizate în prezent pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv pentru deplasarea unor mase mult mai mari. De exemplu, în domeniul opticii, actuatoarele cu bobină vocală sunt utilizate de obicei în aplicații de focalizare, sisteme oscilante, înclinarea oglinzilor și controlul poziției în miniatură a până la trei axe.

Acest tip de actuator constă dintr-un ansamblu de câmp magnetic permanent (o combinație de magneți permanenți și oțel feros) și un ansamblu de bobine. Curentul care circulă prin ansamblul bobinei interacționează cu câmpul magnetic permanent și generează un vector de forță perpendicular pe direcția curentului. Vectorul de forță poate fi inversat prin schimbarea polarității curentului care circulă prin bobină.

Actuatoarele liniare de curent continuu necomutat sunt capabile de o deplasare de până la 5 inci și sunt disponibile într-o gamă largă de dimensiuni, de la dispozitive care generează câteva uncii de forță la altele care generează câteva sute de kilograme de forță (a se vedea tabelul 1). În plus, actuatoarele cu bobină vocală se pot deplasa bidirecțional, au o forță relativ constantă pe întreaga cursă și pot fi utilizate pentru aplicații de poziție sau forță în buclă deschisă sau închisă.

Un dispozitiv de acționare cu bobină vocală generează o forță bazată pe interacțiunea unor conductori purtători de curent într-un câmp magnetic permanent. Forța generată de bobina vocală este proporțională cu produsul încrucișat dintre curentul care circulă prin bobină și fluxul magnetic din câmpul magnetic permanent, așa cum dictează ecuația forței lui Lorentz. Într-un exemplu ilustrativ simplu, forța F produsă pe un fir drept de lungime L care transportă un curent I și este orientat perpendicular pe un câmp magnetic B (F, I și B sunt vectori) este:

F = IL × B

(Calculul este mai complicat în cazul dispozitivelor reale din cauza geometriei lor cu fire care nu sunt drepte și a orientării variabile a firelor bobinei vocale în raport cu câmpul magnetic.)

Forța generată este relativ constantă pe întreaga cursă a dispozitivului de acționare, cu scăderi minore ale forței la începutul și la sfârșitul cursei. Fie ansamblul bobinei, fie ansamblul cu câmp magnetic permanent poate fi utilizat ca element mobil într-un actuator cu bobină vocală.

Bobină mobilă

Actuatoarele cu bobină vocală vin într-o varietate de pachete – tipul cu care majoritatea oamenilor sunt familiarizați este actuatorul cu bobină mobilă. Acestea cuprind, de obicei, o bobină înfășurată în jurul unei bobine, care poate fi fabricată din și din numeroase materiale nemagnetice, și care se mișcă în interiorul și în afara unui ansamblu de câmp magnetic permanent format dintr-o carcasă de oțel cu un ansamblu de magneți permanenți concentrici în centrul său (a se vedea figura 1).

Imagnet mobil

Un alt tip comun de actuator este cel cu magnet mobil, în care bobina este fixă, iar ansamblul de magneți se mișcă. Această schimbare de construcție previne conductele bobinei care necesită mișcare în timpul funcționării. Pachetul funcționează în mod similar cu designul cu bobină mobilă, cu excepția faptului că, în loc de o bobină expusă care se mișcă în interiorul și în afara ansamblului magnetic, dispozitivul cu magnet mobil are un piston al ansamblului cu câmp magnetic permanent care se mișcă în interiorul unui tub cilindric al bobinei (a se vedea figura 2). Acest stil vine adesea cu ansamblul de câmp permanent atașat la un arbore și la capacele de capăt care conțin rulmenți, astfel încât acest stil este cel mai frecvent furnizat cu un sistem de rulmenți integrat.FIGURA 2. Actuatorul cu bobină mobilă de tip magnet mobil este cel mai frecvent furnizat cu un sistem de rulmenți integrat.

Există variații ale acestor modele de actuatoare care permit o geometrie unică și integrarea actuatoarelor cu bobină mobilă în numeroase tipuri de aplicații. Câteva exemple de personalizări disponibile sunt:

• Distanțe radiale mari, astfel încât bobina vocală să poată fi utilizată în aplicații cu rotație limitată
• Desene în care motorul bobinei vocale este acționat în mod intenționat într-un arc de cerc (acest lucru este denumit în mod obișnuit un motor rotativ cu bobină vocală).
• Utilizarea de materiale cu degazare redusă pentru a permite utilizarea în medii de vid
• Integrarea dispozitivelor de reacție pentru controlul în buclă închisă

Vantajele actuatoarelor cu bobină vocală includ:

• Simplicitatea construcției
• Histerezis foarte scăzută
• Dimensiuni reduse
• Accelerații ridicate
• Nu există cogging (nu există poziții „preferate”) sau comutație

Selecția amplificatorului

Este necesar un amplificator capabil să furnizeze curentul și tensiunea necesare pentru a efectua mișcarea dorită. Pentru a dimensiona amplificatorul în funcție de actuatorul cu bobină vocală, trebuie să se cunoască curentul continuu și de vârf, forța de contracarare (pentru a determina tensiunea necesară a magistralei de curent continuu), precum și rezistența și inductanța actuatorului.

Amplificatoarele de tip cu bobină sunt utilizate pentru a acționa actuatoarele monofazate (cu două conductoare). Aceste amplificatoare pot avea o anumită inteligență încorporată și pot necesita un software suplimentar. Un amplificator liniar este ideal pentru a rula actuatori cu inductanță mică.

Actuatori cu bobină vocală vs. solenoizi

Un alt tip de dispozitiv de mișcare, solenoidul, este uneori confundat cu actuatorul cu bobină vocală. Cu toate acestea, în timp ce o bobină de voce generează o forță bazată pe interacțiunea unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic permanent, un solenoid generează o forță bazată pe un câmp electromagnetic care este creat de un conductor purtător de curent.

Un solenoid constă dintr-o bobină care este conținută într-o carcasă din oțel feros și un melc sau o șaibă mobilă din oțel. Un câmp electromagnetic este generat de curentul care este aplicat la bobină. Intensitatea câmpului magnetic determină valoarea forței care poate fi generată de solenoid. Când curentul este oprit, forța scade la zero, iar resortul îl readuce în poziția întinsă.

Forțele sunt inițial mari – dar pe măsură ce cursa crește, forța scade. Solenoizii sunt de obicei folosiți pentru a deschide zăvoare sau pentru a deschide sau închide supape și sunt folosiți fie pentru a aplica o forță de menținere, fie de blocare.

Întrebarea dacă să se folosească actuatoare cu bobină vocală sau solenoizi pentru aplicații de control al mișcării cu deplasare mică apare adesea. Dacă aplicația dumneavoastră necesită pur și simplu deschiderea sau închiderea unei supape, un solenoid ar putea fi o opțiune. Cu toate acestea, solenoizii au limitări atunci când vine vorba de liniaritatea forței și lungimea cursei.

Pentru că actuatoarele cu bobină vocală costă de obicei mai mult decât un solenoid din comerț, mulți clienți încearcă să folosească un solenoid atunci când un actuator cu bobină vocală este soluția mai potrivită. Unele aplicații necesită o forță constantă pe toată lungimea cursei, iar în aceste situații un solenoid este insuficient din cauza forței diminuate de-a lungul cursei, în timp ce un actuator cu bobină vocală asigură o forță constantă (a se vedea tabelul 2). Acest lucru este deosebit de important în cazul sistemelor oscilante. Un alt avantaj pe care îl oferă bobina mobilă este controlul forței fără un dispozitiv de reacție, deoarece forța de ieșire (în orice poziție a cursei) este direct proporțională cu curentul de intrare.

Voice-actuatoarele cu bobină se pretează, în general, la o densitate de forță mai mare, obținând astfel curse și forțe mai mari într-un ambalaj de dimensiuni mai mici decât omologii lor cu solenoid.

James Mitchell este inginer senior la H2W Technologies, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.