Vor- und Nachteile von Voice-Coil-Motoren gegenüber Hubmagneten

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1 Vor- und Nachteile von Voice-Coil-Motoren gegenüber Hubmagneten Der Voice-Coil-Motor ist ein linearer Aktuator aus zwei mechanischen Hauptteilen, die gegeneinander beweglich sind. Das eine Teil nennt sich Feld-Teil und besteht aus einem Permanentmagnet und einem Eisengehäuse, über dessen Joche ein starkes, gleichförmiges Magnetfeld in einem schmalen Luftspalt erzeugt wird, das andere Teil ist ein Wicklungskörper, der sich in Längsrichtung im Luftspalt frei bewegen kann. Die Proportionalität von Kraft zu Strom kann sehr gut sein. Nutzbare Kraft kann ungefähr in der Länge des Feld- bzw. Spulenteils erzeugt werden. Der Voice-Coil-Motor ist die praktische Implementierung des klassischen physikalischen Problems eines stromdurchflossenen Leiters im senkrecht zu ihm verlaufenden Magnetfeld. Typische physikalische Anordnung S N F = BiL Wicklung Wicklungs- Körper Feld-Teil Magnet N S Die Kraft des Aktuators ist proportional zur Länge des stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld (L) x Stromstärke (i) x Stärke des Magnetfeldes (B), also F = BiL. Ein Hubmagnet besteht dagegen aus einem stationären Wicklungskörper, auf dessen Joche die Wicklung aufgebracht wird. In diesem Wicklungskörper bewegt sich ein Anker, so daß der Luftspalt zwischen den stationären und beweglichen Polen vergrößert bzw. verkleinert wird. Wenn die Wicklung bestromt wird, bewegt sich der Anker, so daß die Reluktanz des magnetischen Kreises minimiert (bzw. der Fluß maximiert) wird, d.h. der Luftspalt wird minimiert. Die erzeugte Kraft steigt nahezu exponentiell an, wenn sich die Pole aufeinander zu bewegen. Zum Vergleich von Kraft-Charakteristik und physikalischer Bauform ist unten ein Kraft-Weg-Diagramm und ein mechanischer Größenvergleich eines kleinen Voice- Coil-Aktuators (VM2618), eines ähnlich großen Push-Pull - Hubmagneten (M301C) und eines Tubular-Hubmagneten (M190L) gegenübergestellt. Beachten Sie dabei, daß die Kraftlinie des Voice-Coil-Aktuators bei wesentlich geringerer Leistung aufgenommen wurde (1,5W verglichen mit 7W bei den Hubmagneten) und daß die Kennlinie wesentlich flacher (konstanter!) als bei den Hubmagneten (scharfer Anstieg in Richtung geschlossener Position) verläuft.

2 Kr aft (N ) VM2618 (1,5W) M301C (7W) M190L (7W) Hub (mm) Voice-coil Push-Pull-Hubmagnet Tubular-Hubmagnet Steuerbarkeit Konventionelle Hubmagnete tendieren zu einem harten Endanschlag und somit zu Geräusch- und Lebensdauerproblemen. Der exponentielle Kraftanstieg in Richtung des Endanschlages macht es schwer, sie in irgendeiner Form zu kontrollieren wenn einmal genügend Kraft erzeugt wird, um sich zu bewegen, führt der steile Kraftanstieg zu einer immer höheren Beschleunigung und somit zum harten Endanschlag. Es gibt auch Proportional-Hubmagnete, die über dem Arbeitshub eine konstante Kraft für einen bestimmten Stromwert erzeugen; aber diese sind komplizierter aufgebaut und der Arbeitshub ist beschränkt auf typisch 2-5mm. Kraft wird bei diesen Bauteilen unabhängig von der Polarität des Stromes nur unidirektional erzeugt. Voice-Coil-Motoren sind sehr gut steuerbar, weil sie über einen Hub von mehr als 20mm (je nach Typ) eine sehr gleichförmige Kraftkennlinie haben; die Höhe der Kraft ist dabei proportional zum Strom. Bei diesen Bauteilen kann die Kraft in Abhängigkeit von der Stromrichtung in beide Bewegungsrichtungen aufgebracht werden. Die konstante Kraft über dem Hub und die Möglichkeit des aktiven Bremsens erlauben einen ruhigen Lauf und eine gute Steuerbarkeit. Wenn man diese Aktuatoren zusammen mit einer Feder mit konstant steigender Kraftkennlinie einsetzt, kann man sie zur Positionierung in der offenen Steuerkette mit dem Strom als Stellgröße einsetzen. Die Position stellt sich einfach in dem Punkt ein, wo die Kraft des Aktuators (bekannt aus dem Stromwert) gleich der Gegenkraft der Feder ist (bekannt aus der Kennlinie). Vergleicht man die mechanische Arbeit, die man mit den verschiedenen Aktuatoren verrichten kann, ist der Voice-Coil-Motor wesentlich kompakter als z.b. der Proportional-Hubmagnet. Wenn man dann noch in Betracht zieht, daß der Voice- Coil-Motor auch noch bidirektional angesteuert werden kann, ist der Vorteil sogar noch größer. Mit einem Lagegeber kann der Voice-Coil-Motor auch als linearer Servo-Aktuator eingesetzt werden.

3 Kompaktheit und Applikationen mit langen Hüben Weil bei Hubmagneten die Kraft sehr schnell mit dem Hub abnimmt, muß die Wicklung typischerweise ca. doppelt so lang sein wie der gewünschte Hub, um in diesem Betriebspunkt noch nennenswerte Kräfte zu haben. Die Kraft in der Halteposition ist dann in der jeweiligen Applikation oft viel höher als nötig. Bei Voice- Coil-Motoren dagegen kann eine brauchbare Kraft, die über einen weiten Stellbereich linear und einstellbar bleibt, fast bis zu einem Hub nahe der Länge des Feld-Teils aufgebracht werden. Für Applikationen mit sehr großen Hüben steht eine Variante der Voice-Coil-Motoren, die sogenannten z-motoren, zur Verfügung, die bis zu Hüben von deutlich mehr als 50mm eine gleichförmige Kraft aufbringen können. Kleine Hysterese Proportional-Hubmagnete haben üblicherweise nur einen begrenzten Arbeitsbereich und haben immens hohe radiale Magnetfelder. Schon geringe Asymmetrien führen deshalb zu hohen Seitenkräften und damit zu Reibung und Hystereseerscheinungen. Folglich müssen die entsprechenden Einzelteile mit hoher Konzentrität und engen Toleranzen gefertigt werden, wodurch hohe Kosten entstehen. Auch ein nicht ideal konstantes Magnetfeld kann zu magnetischer Hysterese führen. In Anwendungen, wo proportionale Kraft erforderlich ist, haben Voice-Coil-Motoren einige Vorteile gegenüber Hubmagneten. In Voice-Coil-Motoren ist das Statorfeld relativ konstant, so daß die magnetische Hysterese bis auf Betriebspunkte mit extrem hohen Feld (Sättigungsbereich) vernachlässigt werden kann. Die erzeugten Kräfte wirken in Bewegungsrichtung, Reibung und mechanische Hysterese durch Seitenkräfte können praktisch vernachlässigt werden. Robustheit Konventionelle Hubmagnete können sowohl mechanisch als auch thermisch sehr robust sein. Die internen Teile sind durch ein massives Metallgehäuse gut geschützt, die Wicklung ist auf einen Wicklungskörper aufgebracht und kann so dicht am Gehäuse plaziert werden; sie hat damit einen guten thermischen Kontakt zum Gehäuse. Bei Voice-Coil-Motoren wird üblicherweise das Feld-Assembly stationär montiert und die Wicklung bewegt sich. Die ständige Biegung der Anschlußdrähte kann zu Totalausfällen führen, d.h. die Lebensdauer kann problematisch sein. In manchen Applikationen kann aber auch die Wicklung zum stationären Teil gemacht werden, um die Biegung der Anschlußdrähte zu verhindern. Der hohe erforderliche magnetische Fluß läßt nur einen kleinen Luftspalt zu, weshalb die Wicklung dünn und ohne besonderen Schutz ausgeführt werden muß und damit mechanisch empfindlich ist. Für langsame Anwendungen ist es besser, die Wicklung stationär zu betreiben und damit das Umbiegen der Anschlußdrähte zu vermeiden. Bei schnellen Bewegungen sollte die Wicklung das bewegte Teil sein, weil sie im Vergleich zum Feld-Teil leichter ist in diesem Fall muß der Führung und der Anschlußtechnik besondere Beachtung

4 geschenkt werden, um einerseits einen freien Lauf zu gewährleisten und andererseits die empfindlichen Drähte zu schützen. Wärmeabfuhr Die Wicklung eines Hubmagneten ist üblicherweise sehr nahe am Gehäuse untergebracht und eventuell noch auf einen Metallkörper gewickelt, so daß die Wärmeabfuhr sehr gut ist. Da die Wicklung auch keinen mechanischen Kräften ausgesetzt ist, ist auch ihre begrenzte mechanische Stabilität kein Problem. Bei Voice-Coil-Motoren verhindert die Notwendigkeit der freien Bewegung den direkten Kontakt der Wicklung zum Gehäuse. Deshalb ist die Möglichkeit der dauernden Wärmeabfuhr limitiert. Das kann zu Einschränkungen bei der maximal zulässigen Eingangsleistung und damit in der zu erzielenden Kraft im Dauerbetrieb führen. Diese Einschränkungen können durch den Einsatz sogenannter Ferro-Fluide im Luftspalt gemildert werden. Ferro-Fluide sind magnetische Flüssigkeiten, die durch das Magnetfeld angezogen werden und so ohne besondere Sicherung im Luftspalt verbleiben. Ferro-Fluide verbessern sowohl die Wärmeabfuhr als auch die Einschwingzeit in die Endposition, weil sie eine zusätzliche viskose Reibung in das System einbringen (durch verschieden zähe Flüssigkeiten ist die viskose Reibung sogar auf die Applikation adaptierbar!). Wenn sehr schnelle Reaktionszeiten des Aktuators gefordert sind, kann diese viskose Dämpfung allerdings hinderlich sein. Konstruktion / Materialien Voice-Coil-Motoren werden generell mit Seltenen-Erden-Magneten gebaut, weil für die hohen Kräfte und den guten Wirkungsgrad ein hohes Magnetfeld erforderlich ist. Bei großen Größen werden diese Materialien sehr teuer und es können Schwierigkeiten bei der Handhabung und Bearbeitung von solchen Magnetmaterialien auftreten. Montageprozesse etwa sollten mit magnetischen Materialien in besonders sauberen Umgebungsbedingungen (Reinraum) stattfinden. Andererseits können die Handhabungskosten beim Einsatz von starken Magnetmaterialien manchmal durch die vergleichsweise kleine Bauweise und weniger Materialverbrauch reduziert werden. Es müssen also auch die Handhabungskosten in die Auswahl des richtigen Aktuators für eine bestimmte Applikation mit einbezogen werden. Große Haltekraft Ein Hubmagnet kann mit einem sogenannten Pick&Hold -Schaltkreis betrieben werden, der am Anfang der Bewegung einen hohen Stromimpuls für eine hohe Startkraft zur Verfügung stellt und dann auf einen geringen Haltestrom zurückschaltet, um den Gesamtenergieverbrauch gering zu halten (oft wird in der Halteposition durch den steilen Kraftanstieg nur sehr wenig Strom gebraucht, um die erforderliche Haltekraft aufzubringen). Auf diese Art und Weise ist es möglich, kleinere Bauteile einzusetzen. Diese Technik bietet sich vor allem bei Applikationen an, bei denen zwischen zwei Endpositionen hin- und hergeschaltet wird und wo Größe und Leistungsverbrauch kritisch sind.

5 Bei normalen Voice-Coil-Motoren kann sich im unbestromten Zustand die Wicklung frei gegenüber dem Feld-Teil bewegen, weil die produzierte Kraft in jeder Position proportional zum Erregerstrom ist. Man kann aber die Voice-Coil-Motoren auch in der Form modifizieren, daß man in der geschlossenen Position eine hohe magnetische Haltekraft ohne Bestromung hat. Bei ungefähr 1 bis 2mm Abstand zur Halteposition würde sich so ein Bauteil ähnlich dem normalen Voice-Coil-Motor verhalten. Es kann aber durch einen hohen Stromimpuls mit der entsprechenden Polarität in die Halteposition hinein- oder aus dieser herausgestoßen werden. Zusammenfassung Ein Voice-Coil-Motor sollte dann gegenüber dem Hubmagneten bevorzugt werden, wenn folgende Bedingungen gelten: Ein hohes Maß an Steuerbarkeit mit proportionalen Ansteuerung ist gefordert, speziell wo nur wenig Hysterese zulässig ist Geringes Geräusch und weiche Endanschläge sind erforderlich bzw. wünschenswert Ein großer Hub von mehr als 20mm bzw. bei kleineren Hüben ist das Verhältnis von erforderlichem Hub zu zulässiger Baulänge groß Hoher Wirkungsgrad sind erforderlich oder wünschenswert Beachtung sollte man den elektrischen Anschlüssen und der mechanischen Stabilität im Vergleich zu Hubmagneten schenken.