Ein Voice Coil Aktuator, auch bekannt als nicht kommutierter DC-Linearaktuator, ist eine Art von direkt angetriebenem Linearmotor. Der Name „Schwingspule“ stammt von einer ihrer historisch ersten Anwendungen: dem Vibrieren der Papiermembran eines Lautsprechers. Heute werden sie für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter auch für die Bewegung sehr viel größerer Massen. Sie besteht aus einem permanenten Magnetfeld (Dauermagnete und Eisenstahl) und einer Spulenanordnung. Der durch die Spulenanordnung fließende Strom interagiert mit dem permanenten Magnetfeld und erzeugt einen Kraftvektor senkrecht zur Stromrichtung. Der Kraftvektor kann umgekehrt werden, indem die Polarität des durch die Spule fließenden Stroms geändert wird.
Ein nicht kommutierter Gleichstrom-Linearaktuator, der üblicherweise als Schwingspule bezeichnet wird, kann eine Auslenkung von bis zu 5 Zoll erreichen, während die meisten Aktuatoren Auslenkungen von bis zu 2 Zoll aufweisen. Schwingspulen gibt es in verschiedenen Größen, von Geräten, die eine Kraft von wenigen Unzen erzeugen, bis hin zu solchen, die eine Kraft von mehreren hundert Pfund erzeugen. Außerdem können sich Schwingspulenaktoren in beide Richtungen bewegen, haben eine konstante Kraft über den gesamten Hub und können entweder für Anwendungen mit offenem Regelkreis oder für Anwendungen mit geschlossenem Regelkreis für Position oder Kraft verwendet werden.
Ein Schwingspulenaktor erzeugt eine Kraft auf der Grundlage einer Wechselwirkung von stromführenden Leitern in einem permanenten Magnetfeld. Die von der Schwingspule erzeugte Kraft ist proportional zum Kreuzprodukt des durch die Spule fließenden Stroms und des magnetischen Flusses im Dauermagnetfeld, wie es die Lorentzsche Kraftgleichung vorgibt:
- F = B × I
- F= Kraft (lbs oder N)
- B = Flussdichte (Tesla)
- I = Stromstärke (Ampere)
Die erzeugte Kraft ist über den gesamten Hub des Aktuators relativ konstant, mit geringfügigen Kraftabnahmen am Anfang und Ende des Hubs.
Es kann entweder die Spulenbaugruppe oder die Permanentmagnetfeldbaugruppe als bewegliches Element in einem Schwingspulenaktuator verwendet werden.
Bewegungsspule
Schwingspulenaktuatoren gibt es in verschiedenen Ausführungen. Der Standardtyp, mit dem die meisten Menschen vertraut sind, sind Aktuatoren mit beweglicher Spule. Sie bestehen in der Regel aus einer Spule, die um einen Spulenkörper gewickelt ist – der aus vielen nichtmagnetischen Materialien bestehen kann – und die sich in einem permanenten Magnetfeld bewegt, das aus einem Stahlgehäuse mit einem konzentrischen Permanentmagneten in der Mitte besteht.
Das obige Bild zeigt den Standardtyp von Schwingspulenaktoren mit beweglicher Spule.
Moving Magnet
Eine andere gängige Art von Aktoren ist die Konstruktion mit beweglichem Magneten, bei der die Spule fixiert ist und die Magnetanordnung sich bewegt. Diese Konstruktionsänderung würde verhindern, dass sich die Leitungen während des Betriebs bewegen. Das Gehäuse funktioniert ähnlich, aber anstelle einer freiliegenden Spule, die sich in die Magnetbaugruppe hinein- und herausbewegt, wird bei der Ausführung mit beweglichem Magnet ein „Kolben“ mit Permanentmagnetfeld verwendet, der sich in einem zylindrischen Spulenrohr bewegt. Bei dieser Bauart ist die Permanentfeldbaugruppe oft an einer Welle befestigt und die Endkappen enthalten Lager, so dass diese Bauart meist mit einem integrierten Lagersystem geliefert wird.
Der bewegliche Magnet ist die gängige Bauart von Schwingspulenaktoren.
Es gibt Variationen der beiden gängigen Bauarten beider Aktorbauarten, die eine einzigartige Geometrie und die Integration von Schwingspulenaktoren in verschiedene Anwendungen ermöglichen.
Ein paar Beispiele für verfügbare Anpassungen sind:
- Große radiale Abstände, so dass die Schwingspule in Anwendungen mit begrenzter Rotation eingesetzt werden kann
- Konstruktionen, bei denen der Schwingspulenmotor absichtlich in einem Bogen betrieben wird (gemeinhin als Drehschwingspulenaktuator bezeichnet)
- Verwendung Materialien mit geringer Ausgasung, um den Einsatz in Vakuumumgebungen zu ermöglichen
- Integration von Rückkopplungsvorrichtungen für die Regelung
Vorteile von Schwingspulenaktoren
Schwingspulenaktoren werden typischerweise in Fokussierungsanwendungen eingesetzt, Oszillationssysteme, Spiegelkippen und Miniatur-Positionskontrolle. Zu ihren Vorteilen gehören ein einfaches Design und eine einfache Konstruktion, eine geringe Hysterese, kleine Abmessungen für eine effizientere Konstruktion, hohe Beschleunigungen und das Fehlen von Rast- oder Kommutierungseffekten.
Mark Wilson ist der Eigentümer von H2W Technologies, Inc. Das Unternehmen widmet sich der Entwicklung und Herstellung von Produkten für lineare und rotierende Bewegungen, die in der Bewegungssteuerungsindustrie eingesetzt werden.
