Tauchspulenmotoren ohne Eigenlagerung

Lineare Voice Coil Aktuatoren AVM

  • Hohe Dynamik
  • Ohne Eigenlagerung
  • Spitzenkraft bis 4715N
  • Hub 5 bis 30mm
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Lineare Voice Coil Aktuatoren AVM – Ideal als Servoantriebselement

Der Voice Coil Aktuator ist ein zweipoliger nichtkommutierter Antriebsmechanismus mit limitiertem Weg oder Winkel. Er verfügt über eine lineare Kennlinie, eine hohe Wiederhol- und Positioniergenauigkeit und ist frei von Hysterese. Der Voice Coil Aktuator hat eine niedrige elektrische und mechanische Zeitkonstante und eine hohe Ausgangsleistung im Verhältnis zu seiner Masse und Volumen. Er ist somit ein ideales Servoantriebselement. Ein Voice Coil Aktuator besteht aus zwei Komponenten - einer auf ein nichtmagnetisches Stützelement gewickelten Spule und einem Magnetkreis aus Dauermagneten. Im eingebauten Zustand befindet sich die Spule in dem Luftspalt des Magnetkreises. Ein Element ist dabei mechanisch befestigt, um die Bewegung entlang des Kraftvektors (oder Drehmomentvektors) zu ermöglichen. Fliesst ein Spulenstrom, wird eine Kraft oder ein Drehmoment generiert. Richtung und Amplitude werden dabei von der Stromstärke und -richtung bestimmt.
Voice Coil Aktuatoren sind in zwei Grundkonfigurationen erhältlich: linear (zylinderförmig oder rechteckig) und rotierend (zylinderförmig oder bogenförmig).

Beschreibung
Voice Coil Aktuatoren (Tauchspulenmotoren) bieten hervorragende Regelungseigenschaften für Anwendungen, die einen elektrischen Antrieb mit elektronischen Regelungssystemen bei kleinen Hüben erfordern. Der Vergleich von Krafteigenschaften und Verschiebung bzw. Strom bei Voice Coil Aktuatoren und Hubmagneten macht den Unterschied der beiden Ansätze deutlich. Aufgrund seiner linearen Kraftkennlinie eignet sich der Tauchspulenmotor für Anwendungen, die die genaue Kontrolle von Kraft oder Position erfordern, etwa bei Regelventilen oder Objektiv- und Spiegelpositionierungssystemen; bei Hubmagneten, die rein nach dem Reluktanz-Prinzip arbeiten, erschwert hier der steile Kraftanstieg bei Annäherung der Polflächen eine genaue Regelung. Durch Umkehren der Polarität kann der Voice Coil Aktuator Kraft in beide Richtungen entfalten. Im Hubmagneten wird in der Regel eine Feder eingesetzt, um Kraft in die Gegenrichtung zur aktiven Arbeitsrichtung des Hubmagneten zu entwickeln; diese Federkraft muss in der Stellrichtung erst durch die Magnetkraft überwunden werden und verringert in der Stellrichtung so die effektiv verfügbare Kraft und damit auch die Geschwindigkeit. Gepaart mit einem geringen induktiven Widerstand ermöglicht die bipolare Kraftentfaltung dem Tauchspulenmotor in bestimmten Fällen Taktzeiten von 1ms - das ist eine Größenordnung schneller als bei den meisten Hubmagneten.

Aufbau
Die Tauchspulenmotoren der Serie VM sind mit Wellen und Lagern ausgestattet, um die genaue Führung der Spule innerhalb des Magneten zu gewährleisten und den Einbau in Ihre Anlage zu
erleichtern. Die Welle ist aus Gründen der Abnutzungseigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit aus einem gehärteten, rostfreien Stahl gefertigt, der magnetisch ist und einen gewissen Einfluss auf
die Krafteigenschaften ausübt. (Auf Anfrage kann auch nicht magnetischer Stahl geliefert werden, dieser ist jedoch wesentlich anfälliger für mechanische Beschädigung). 
Der Magnet der Reihe VM ist für einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad bei geringem Abfall der Magnetstärke vom Hub ausgelegt. Magnete mit hoher Energiedichte bringen den Magnetteil (das Gehäuse) nahe an den Punkt der magnetischen Sättigung und erzeugen so das stärkst mögliche Magnetfeld. Kundenspezifische Auslegungen können auch grössere Hübe aufweisen, werden dadurch aber grösser bzw. schwerer und teurer. Die Standardspulen der VM-Reihe sind in der Regel so ausgelegt, dass sie die volle Tiefe des Topfes nutzen. Dadurch wird die maximale mechanische Arbeitsleistung erzielt, aber es kann zu Krafteigenschaften führen, die für eine bestimmte Anwendung ungeeignet sind: der außerhalb des Luftspaltfeldes liegende Teil der Spule verbraucht einen Teil der Energie in Form von Wärme entwickelt keine nutzbringende Kraft. Der lineare Anteil einer Tauchspule (der Teil, in dem die entwickelte Kraft bei > 90% der Maximalkraft liegt) entspricht meist ungefähr der Differenz zwischen Spulenlänge und Länge des Poles. Die maximale Kraft wird mit einer Spule erzielt, die etwa genauso lang ist wie der Pol, aber die lineare Reichweite einer solchen Konfiguration ist zwangsläufig kurz. Der grösste Hub wird erzielt, wenn entweder die Spule um den gewünschten Hub länger ist als das der Pol oder umgekehrt. In der Regel ist es kostengünstiger, die Spule länger als den Magneten zu gestalten; eine Spule, die kürzer ist als der Pol, führt zu einer geringeren beweglichen Masse und schnellerer dynamischer Reaktion, aber um die notwendigen Krafteigenschaften zu erzielen, kann dies einen schwereren und teureren Magneten erfordern.

Mechanische Integration
Die Motoren der VM-Reihe sind auf hohe Konzentrizität und gute mechanische Passung ausgelegt. Beim Zusammenbau der Voice Coil Motoren werden genaue Werkzeuge verwendet, um die
mechanischen Abmessungen genau einzuhalten und die Spulen werden einzeln vermessen, um Konzentrizität und korrekten Abstand vom Magneten sicherzustellen. Alle Bauteile sind so ausgelegt, dass über das gesamte Spektrum an Betriebstemperaturen von 0°C bis 130°C (in der Spule) genau festgelegte Abstände eingehalten werden.

Elektrische Anschlüsse
Um den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, muss die elektrische Verbindung zur beweglichen Spule eines Tauchspulenmotors in geeigneter Weise hergestellt werden. Biegsame Kabel mit vielen
dünnen Litzen und Silikongummi-Isolierung können zuverlässige Verbindungen herstellen. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Kabel mechanisch fest am beweglichen Teil der Spule
angebracht sind, am besten nicht zu nahe an den Lötpunkten (Lötzinn verschmilzt die Litzen miteinander und führt zu hoher Beanspruchung der Anschlussstifte oder zu Materialermüdung am
gelöteten Teil des Drahtes). Die Kabel sind sorgfältig so zu verlegen, dass die mechanische Beanspruchung minimiert wird. Eine andere Verbindung mit gleichbleibenden Betriebseigenschaften bei hohen Laufleistungen ist der flexible Stromkreis, der im VM5050 Standard ist.

Verhalten
Das Verhalten eines Tauchspulenmotors kann anhand des klassischen physikalischen Problems eines stromführenden Drahtes in einem Magnetfeld erläutert werden. Bei einer Magnetfeldstärke B,
einem durch den Draht geführten Strom I und einer Länge des vom Feld betroffenen Drahtstückes l ergibt sich die entwickelte Kraft F gemäss der Gleichung F = B x I x l
Die entwickelte Kraft ist senkrecht zum Magnetfeld und dem durch den Draht fliessenden Strom.

Hysterese
Die Hysterese entspricht dem Schlupf in mechanischen Systemen und kann zu Positions- oder Kraftfehlern führen. Die Graphik zeigt, wie sich Hysterese in einem Positionierungssystem auswirkt: wird der Strom verändert, um die Bewegungsrichtung zu ändern, muss er in entgegen gesetzter Richtung verändert werden, um überhaupt Bewegung zu erzielen. In Hubmagneten kann die Hysterese in der Regel bis zu 10% der entwickelten Kraft oder mehr ausmachen, bei Tauchspulenmotoren liegt sie meist bei 1% der entwickelten Kraft. Geringe Hysterese ermöglicht präzise und wiederholbare Positionssteuerung.

Artikel Kraft Spitzenkraft Hub Dimensionen Merkmal/Option Bild 3D Datenblatt Bestellung Merkzettel
AVM12-6.4 0.91N 3.53N 6.4mm 12.7x20.4mm Standard Bestellung
AVM19-5 1.75N 7.88N 5mm 19x24mm Standard Bestellung
AVM20-10 1.56N 7.6N 10mm 20x31mm Standard Bestellung
AVM24-5 2.1N 11.4N 5mm 24x19.7mm Standard Bestellung
AVM24-10 2.65N 14.82N 10mm 24x30mm Standard Bestellung
AVM30-15 4.63mm 29.4mm 15mm 30x39mm Standard Bestellung
AVM40-20 9.93N 58.05N 20mm 40x49.8mm Standard Bestellung
AVM60-25 26.35N 119N 25mm 60x66.1mm Standard Bestellung
AVM90-30 89.1N 315N 30mm 90x83.3mm Standard Bestellung
AVM35-HF-7 14.4N 72N 7mm 35x45.3mm High Force Bestellung
AVM40-HF-6.5 16.56N 93.15N 6.5mm 40x49.3mm High Force Bestellung
AVM50-HF-10 33.6N 140N 10mm 50x74.3mm High Force Bestellung
AVM60-HF-10 51.2N 224N 10mm 60x89mm High Force Bestellung
AVM90-HF-10 152.67N 610.68N 10mm 90x109.4mm High Force Bestellung
AVM100-HF-10 192.5N 770N 10mm 100x109.4mm High Force Bestellung
AVM130-HF-25 360.36N 764.4N 25mm 130x164.8mm High Force Bestellung
AVM250-HF-20 1111.14N 4715.2N 20mm 250x120mm High Force Bestellung