Mit Moving Coil-Technologie die Zukunft beschleunigen

Moving Coils gibt es schon seit vielen Jahren. Der Marktdruck führt jedoch dazu, dass sich die Technologie rasch weiterentwickelt und immer mehr genutzt wird. Diese Technologie steht im direkten Wettbewerb mit pneumatischen Antrieben und Antrieben mit beweglichen Magneten – den moving magnets.

Die Moving Coil-Technologie funktioniert sowohl in Motoren als auch in Linearen Antrieben. Die Technologie gibt es schon lange. Bei Motoren mit Kohlebürsten, die auf der Technologie der beweglichen Spulen basieren, stellt die Bürste den elektrischen Kontakt zu der Spule her. Im Gegensatz dazu stehen einpolige Linearmotoren – häufig als Schwingspulen bezeichnet – im Mittelpunkt vieler Lautsprecher

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Mit Einführung von Neodym-Magneten hat sich die Anwendbarkeit von Moving- coil Antrieben in allen Bereichen stark erweitert, da Aktuatoren mit diesen Magneten eine hohe Kraft (oder ein hohes Drehmoment) ausüben können.

Aufgrund der geringen Masse der sich bewegenden Spule sind diese Aktuatoren in vielen industriellen Anwendungen hervorragend geeignet, da sie hohe Taktraten ermöglichen – das Doppelte gegenüber pneumatischen oder Kugelgewindetrieben. Zusätzliche Vorteile von Moving-Coil-Aktuatoren:

  • Lange Lebensdauer – bis zum 10-fachen derjenigen von pneumatischen oder Kugelgewindetrieben
  • Hohe Wiederholgenauigkeit über jeden Zyklus – bis zu 10% der Varianz pneumatischer Geräte
  • Programmierbare Kraft- und Drehmomentabgabe
  • Die Fähigkeit, die Bewegung für Anwendungen mit sehr langsamer Geschwindigkeit bereitzustellen.

Jedoch schränkten andere Faktoren bisher die breitere Implementierung der Technologie ein:

  1. Kosten: Linearmotoren mit beweglichen Spulen (und die dazugehörigen Controller) haben bis vor kurzem das Fünffache eines Pneumatikzylinders und -ventils vergleichbarer Größe gekostet… und das Dreifache derjenigen von Schrittmotor-Kugelgewindetrieben.
  2. Stromversorgung: Die sich bewegenden Spulen müssen mit Strom versorgt werden. Bei Motoren sind es die Bürsten, welche verschleißen. Bei Linear- Antrieben sind es Flex-Kabel, deren Länge einen Hub bis max. 500mm zulässt.

Doch auch das ändert sich:

  1. Die Kosten für inkremental Encoder sind auf unter 15 US-Dollar gesunken, hauptsächlich aufgrund der Entwicklung von Low-Cost Encoder IC´s einer Reihe von Herstellern- und der Entwicklung von kostengünstigen Kunststoff-skalen.
  2. Die Kosten (und die Größe) von Controllern und Verstärkern sind ebenfalls deutlich gesunken. Das Preisniveau nähert sich auf 100 Dollar pro Achse und wird weiter sinken. Dies ist zum Teil auf den verstärkten Einsatz von Servomotoren in Automobilanwendungen zurückzuführen.
  3. Die Kosten für die Spulenherstellung fallen ebenfalls schnell. Dies ist auf das Aufkommen der neuen Print-Coil-Technologie und all die wesentlichen Vorteile zurückzuführen, die sie bringt:
    • Kein Löten
    • Widerstandsabweichung der Wicklungen von 1%
    • Sehr kostengünstiges Tool-Up für neue Designs – mit typischen Ausgaben von etwa 5.000 USD
    • Möglichkeit, Spulenformen zu drucken, die nicht gewickelt werden können
    • Möglichkeit, Flexkabel, Encoder und Steckverbinder in eine gedruckte Flexschaltung zu integrieren (um die Anzahl der Teile und die Montagekosten zu reduzieren)
  4. Ein weiterer Faktor, der den Preis bestimmter Stellantriebe mit beweglichen Spulen begünstigt, ist die Möglichkeit lange Magnete zuzuschneiden und sie intern zu magnetisieren.
  5. Linearführungen können bei kurzen Hüben (von weniger als 30 mm) durch flache Formfedern ersetzt werden. Reibungsarm und Kostengünstig (eine Formfeder kostet in der Herstellung etwa einen USD.

Tauchspulenantriebe mit built-in Controller sind heute für rund 350 US-Dollar (bei Volumenbestellungen) zu haben. Sie sind daher im Preis vergleichbar zu Antrieben mit Kugelumlaufspindeln…  jedoch immer noch zwei- bis dreimal so teuer wie pneumatische Systeme. Allerdings werden die Preise voraussichtlich um weitere 35% fallen, da die oben genannten Faktoren den Markt beeinflussen.

Ein weiterer Faktor, der die weitere Implementierung der Technologie einschränkt, ist die Notwendigkeit einer Bürste- oder Flexkabels für die Stromzufuhr. Doch auch hier gibt es Lösungsansätze: Forscher der Universität Eindhoven haben die drahtlose Energieübertragung auf Servomotoren mit beweglichen Spulen demonstriert. Es ist technisch möglich, dies nicht nur auf Spulen in Motoren, sondern auch auf MCA Linearantriebe anzuwenden. Die Haupthürden dabei sind die Kosten und die Größe der Kraftübertragungskomponenten. Aber die Fortschritte gehen weiter… erwarten Sie also, dass diese Technologie in naher Zukunft auf dem Markt erscheinen wird.

Über SMAC Corporation

SMAC is a leading manufacturer of precision programmable electric actuators based on moving coil technology. Our actuators are unique in that force, position, and speed are totally programmable. SMAC electric actuators are designed to perform at exceptionally high speeds or very low speeds and with sub-micron accuracy and repeatability. Patented Soft-Land™ function gives extremely accurate sensing of product location or dimensions.

This makes SMAC electric actuators ideal for a wide range of high cycle positioning, measuring, inspection, and pick and place applications, particularly where 100% verification is required. Customers desiring to increase up-time, ease of set up, and adjustment can make dramatic improvements by using mechatronic SMAC Moving Coil technology.

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