Schwingspulenaktoren vs
Voice-Coil-Aktoren gibt es schon seit vielen Jahren, dabei handelt es sich um eine Art direkt angetriebene Linearmotoren. Es besteht aus einer Permanentmagnetfeldbaugruppe (Permanentmagnete und Eisenstahl) und einer Spulenbaugruppe. Aktuatoren werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Sie konkurrieren am direktesten mit Drehmagnetmotoren und pneumatischen Antrieben. Schwingspulenaktoren können auf unterschiedliche Weise konstruiert werden. Der Typ, mit dem die meisten Fachleute vertraut sind, sind Aktuatoren vom Typ „Moving Coil“. Aber auch ein anderer Aktuatortyp erfreut sich immer größerer Beliebtheit: das Moving-Magnet-Design. Bei diesem Aktuator ist die Spule fixiert und die Magnetbaugruppe bewegt sich. In diesem Artikel vergleichen wir den Schwingspulenaktuator mit einem beweglichen Magnetaktuator. Aandrijvenenbesturen.nl schrieb über unsere Moving Magnet Actuators (MMAs). Der Artikel (Ausgabe 5-2023) befasste sich mit der Einführung unserer neuen Generation von Schwingspulenaktoren mit beweglichen Magneten.
Schwingspulenaktor (Voice Coil Actuator - VCA)
Schwingspulenaktoren (VCA) sind nicht kommutierte Direktantriebsgeräte mit begrenztem Hub. Sie nutzen ein permanentes Magnetfeld und einen stromdurchflossenen Leiter (Spule), um eine Kraft zu erzeugen (Lorentz). Anwendungsgebiete für Schwingspulenaktoren sind: Lautsprecher, Festplattenlaufwerke, optische Speicher (DVD-, CD-Technologie), Strahllenkung, Linearpumpen, Druck- und Durchflussregelung.
Typische Schwingspulen moderner HiFi-Lautsprecher verwenden Materialien, die Betriebstemperaturen von bis zu 150 °C oder sogar 180 °C standhalten.
Vorteile:
- Geringe bewegte Masse (z. B. Spule und Spulenhalter)
- Hohe Bandbreite möglich
- Keine Hysterese (normalerweise fügen Verbindungskabel jedoch eine Hysterese hinzu!)
Nachteile:
- Wirbelstromdämpfung des Spulenhalters (Wert wird meist nicht angegeben)
- Die in der Spule abgeführte Wärme erwärmt die Nutzlast
- Kleine thermische Zeitkonstante (>10 °C/Sek. Erwärmung der Spule)
- Bewegliche Leitungen (Stromanschlüsse)
- Schwierige Spulenkühlung (insbesondere bei halbstatischem Betrieb)
- Einseitiger Kraftausgang vom Aktuator
- Geringe Steilheit (N2/W)
Moving Magnet Actuator (MMA)
Bewegliche Magnetaktoren (MMA) sind nicht kommutierte Direktantriebsgeräte mit begrenztem Hub, die einen beweglichen Permanentmagneten und einen statischen stromführenden Leiter (Spule) nutzen, um eine Kraft zu erzeugen (Lorentz). Anwendungsbereiche; mechatronische Systeme, Linearpumpen, Druck- und Durchflussregelung, Vakuumanwendungen, Automobilsysteme.
Die MMA-Technologie kann auf den spezifischen Einsatzzweck des Kunden zugeschnitten werden. OEM-Geräte wurden für Spitzenkräfte von 1 bis 10.000 N und Hubhöhen zwischen 1 und 50+ mm entwickelt und gebaut.
Es werden Magnetmaterialien eingesetzt, die Betriebstemperaturen >150°C, bei Bedarf sogar >200°C standhalten.
Vorteile:
- Wärmeableitung am statischen Teil (keine direkte Erwärmung der Nutzlast)
- Hohlwellenausführung ermöglicht flexibleren Einsatz und kompakte Bauweise
- Verbesserte Zuverlässigkeit, kein Risiko einer Beschädigung der mechanischen Spule oder des Verbindungskabels
- Kann in schmutziger Umgebung betrieben werden (vollständige Kapselung möglich)
- Eine erhöhte thermische Zeitkonstante ermöglicht eine hohe Spitzenkraft
- Die Reluktanzkraft könnte so eingestellt werden, dass sie die Blattfederführung/Schwerkraft kompensiert
- Erzwingen Sie den Ausgang von beiden Seiten des Aktuators
- Hohe Steilheit (N2/W), reduzierter Strombedarf
- Hohes Verhältnis von Spitzenkraft zu bewegter Masse (sehr hohe G-Beschleunigungen möglich)
Nachteile:
- Wirbelstromdämpfung des Hintereisens
- Erhöhte (≈ Faktor 2) bewegte Masse
- (Reduzierte) Rastkraft
| Parameter | Unit | Commercial VCA | Moving Magnet MI-MMA 6033 |
Anmerkung |
| AD | [mm] | 60 | 60 | |
| Max. Länge | [mm] | 55 | 33 | Länge bei maximalem Hub. |
| Hub | [mm] | 8.3 | 8 | |
| Bewegte Masse | [g] | 106 | 130 | |
| Wärmewiderstand | [°C/W] | 7.1 | 2.0 | |
| Spitzenkraft | [N] | 111 | 150 | 10 s/Tcoil=155°C/Tamb=25°C |
| Kontinuierliche Kraft | [N] | 26 | 45 | 10 s/Tcoil=155°C/Tamb=25°C |
| Steepness | [N²/W] | 57 | 65 | |
| Max acceleration | G | 107 | 117 | MMA erreicht eine höhere Beschleunigung. |
| Spezifische Spitzenkraft | [N/cm³] | 0.77 | 1.61 | |
| Specific Cont.Force | [N/cm³] | 0.18 | 0.48 | |
| Spezifische Steilheit | [N²/W/cm³] | 0.39 | 0.70 |
Fazit VCA vs. MMA-Vergleich
- Bei gleicher elektrischer Leistung kann beim MMA aufgrund der höheren Steilheit mehr mechanische Leistung erzeugt werden
- Daraus ergibt sich der geringere thermische Widerstand und die höhere Motorsteilheit des MMA
- 2,1x höhere spezifische Spitzenkraft
- 2,7x höhere spezifische Dauerkraft
- 1,1x höhere maximale Beschleunigung (maximale Kraft dividiert durch die bewegte Masse)
- Aufgrund einer größeren thermischen Zeitkonstante des MMA kann die Spitzenkraft länger ausgeübt werden (Schwingspulen überhitzen leicht).
- Die höheren Kräfte, die mit dem MMA möglich sind, überwiegen die (teilweise) größere bewegte Masse des MMA. Dies wird noch deutlicher, wenn die Lastmasse (meist Faktor 10 bis 50 höher als die bewegte Aktuatormasse) berücksichtigt wird.
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