Lineare Voice Coil Aktuatoren VM

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.