"Coilgun" als Linearaktor

[Walter L. (wallew)]

Hallo allerseits,

im Anhang ist eine grobe Skizze eines Linearaktors (in Paint gemalt:) )
das kurzgefasst folgende Funktionen erfüllen soll:

-kompakt sein
-leicht sein?
-nicht überhitzen?
-eine Kraft von etwa 4-6N aufrechterhalten können
-einen Hubweg von etwa 1 cm, nicht mehr
-und VORALLEM schnell ansprechen, d.h. mit einer Frequenz von min. 5Hz
bumpen   können (mir ist kein besseres Wort eingefallen als bumpen...)

es handelt sich um einen sehr kompakten Aktor, der mit einer Coil und
Neodymkern angetrieben wird. Die Ringmagnete an den Enden sind wegen
folgendem Problem da:

Da die Gesamtkonstruktion so kompakt ist, gibt es keine große
Kühlfläche. Ich habe selbstgewickelte Spulen mit 100 Windungen und mehr
als 200 Windungen getestet: einerseits reichen die Kräfte noch nicht aus
(23Watt Netzteil bei 12 V), andererseits werden die Dinger zu schnell
heiß, und zu langsam kalt.

Das Ding soll eine Instrumentsaite und eine Rückhaltefeder reindrücken.
Ich schätze mal, dass man bei 400 Windungen, und einem etwas besseren
Netzteil auf jeden Fall die Saite im Griff hat..(nettes Wortspiel?)
Jetzt kommt nur noch die Sache mit der Rückhaltefeder. Die müssen stark
genug sein, damit wir schnell zurückkommen,
allerdings sind die Federn aus Kugelschreibern schon meiner Meinung nach
zu viel für so eine kleine Spule... aber genau solche Beschleunigungen
braucht man.

Also ich schätze mal, dass man etwa 800 Windungen benötigt (ausgehend
vom selben Strom--> d.h. doppelte Wattzahl---> doppelte Wärme).


Lösung: (pseudo-)Potentialwand aufbauen (siehe Bild), und den
beweglichen Neodymkern rüberkicken, mit einem Impuls vom
Kondensator--->Im Prinzip eine Coilgun.


Vorteil ist es, eine ausreichende Kraft zur Verfügung zu stellen
(Neodymring hat 400g+ Haltekraft, was ausreicht, da keine Rückhaltefeder
mehr zu überwinden ist), und das ohne einen Dauerstrom!

Die Spule erwärmt sich zwar, aber durch den kurzen Impuls, bleibt der 
Widerstand halbwegs konstant sodass sich der Wirkungsgrad nicht 
verschlechtert (also immer mehr Wärme statt B-Feld produziert wird).

Wie kriegt man den Kolben über den Potentialwall drüber hinweg (ohne
dass die Spule explodiert)?
also rein rechnerisch wird der maximale Energieunterschied nicht 2 J 
überschreiten,denn solche Ringmagnete haben höchstens eine Haltekraft 
von 1 kg, und die Reichweite des Feldes (in axialer Richtung) ist sehr 
klein.

Die Spule muss einerseits diesen Energieunterschied liefern, und
gleichzeitig im ersten Moment genug Kraft bereitstellen.
Die Maße des beweglichen Magneten, der Spulenlänge und der Schachtlänge
müssen also so stimmen,
dass die Spule in dem Moment wo der bewegliche Magnet oben klebt, genau
maximale Kraft liefert.

Den Kick müsste ein Kondensator machen, der über einen Charger in 100 ms
betriebsbereit gemacht werden kann, sodass der Kolben nach spätestens
100 ms wieder zurückgekickt werden kann, um diese gesagten 5Hz zu
erreichen.

Elektrotechnisch möglich? Könnt ihr mir da im späteren Verlauf zur Seite
stehen?

Da die Spule einen großen Widerstand hat, denke ich nicht dass
Eigenschwingungen zum Problem werden, allerdings hat die Spule dann auch
eine große Induktivität, sodass sich das Feld zu spät aufbaut. Ideal
wäre kritische Dämpfung.

Anderes Problem:
Wirkzeit des B-Felds. Wenn der Mittelpunkt des beweglichen Neodymkerns
mit dem Mittelpunkt der Spule übereinstimmt, sollte das B-Feld nicht
mehr allzusehr wirken, da es sonst verhindert, dass der Neodymkern in
die Reichweite des unteren Neodymrings kommt. Vielleicht kann man das
konstruktionsmäßig lösen, indem man das Potentialplateau möglichst klein
hält, sodass das Plateau nur noch eine Spitze ist, sodass der
Kernmittelpunkt sofort bei Passage des Spulenmittelpunktes in der
Reichweite des unteren Ringes ist. Ansonten fallen mir da nur 2 weitere
Optionen ein:

1.Parameter verändern, d.h. wie lange dauert es bis sich der Kondensator
entladen hat.

2.Lichtschranke.

[Klaus R. (klara)]

Hallo James,
ich weiss zwar nicht was Deine Frage ist, aber eine Coilgun ist 
eigentlich nicht für lineare Zwecke gedacht.

Wenn bei 4N-6N schon Temperaturprobleme auftreten, dann ist der 
magnetische Kreis ineffektiv. Schau Dir mal dies hier an.

http://www.conrad.de/ce/de/product/506213/Linearmagnet-in-Rahmenbauweise-Intertec-ITS-LS-4035-D-24VDC-24-VDC-Befestigung-M4-Ausfuehrung-drueckend-Anfangs-Endkraft?ref=list

mfg klaus.

[Walter L. (wallew)]

Danke für den Reply. Deine gezeigten Magnete sind 1. viel zo groß, und 
2. viel zu schwer.

Ich habe vergessen zu erwähnen, dass der Außendurchmesser auf 8mm 
begrenzt ist. Das Teil darf also nicht breiter sein als ein 
durchschnittlicher Bleistift.

Meine Frage war eigentlich nicht konkret, aber ich wollte wissen ob es 
sich nach eurer Einschätzung lohnt, diese Konstruktion umzusetzen, und 
ob die elektrotechnischen Herausforderungen nachher auch zu bewältigen 
sind.

EDIT: War das zu viel Text für den Anfang? ich versuchs mal zu kürzen...

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

James Clerk Actimel schrieb:
> Das Teil darf also nicht breiter sein als ein durchschnittlicher
> Bleistift.
Und dann ein halbes Kilo heben können? Das wird nichts.

> Elektrotechnisch möglich?
Sieh dir mal an, wie groß Hubmagnete sind, die diese Kraft aufbringen:
https://www.google.de/search?q=hubmagnet+5n
Und das sind dann technisch ausgefuchste Geräte mit zig 
Evolutionsschritten, in die einige Mannjahre Ingenieursarbeit vergraben 
wurden. Du hast also schon was vor...

> -einen Hubweg von etwa 1 cm, nicht mehr
So ein Hubmagnet ist unglaublich schwer als Linearaktor zu gebrauchen, 
weil das magnetische Verhalten extrem unlinear ist. Der hier ist sehr 
optimiert und sehr teuer:
http://www.kuhnke.de/index.php?id=1441&L=0&status=artikel&identnr=68989&gid=
Der hier ist aus der "Wald-und-Wiesen-Klasse":
http://www.tremba.de/hubmagnete/db-hubmagnete-HMF-1614z.002.pdf
Sieh dir mal die Kraftverläufe über den Weg an. Schlimm, nicht wahr?

[Walter L. (wallew)]

Ich weiß, die Kraftverläufe sind nicht linear, geschweige denn konstant. 
Ich denke es ist aber nur der erste Moment entscheidend, also für einen 
kurzen Moment, vielleicht über eine Strecke von 1 mm 4 N überwinden zu 
können, bis die Potentialwand überwunden ist. Das nennt sich auch glaube 
ich bistabile Linearmagnete.
Und die Länge des Zylinders darf auch ruhig länger sein, dann sollte die 
Kraftkurve etwas linearer werden.
Sind 4 N nicht für einen kurzen Zeitraum mit großem Leistungsimpuls 
machbar?
In den Diagrammen gehen die ja nicht davon aus, dass jemand einen 
Leistungspeak auf die Spule loslässt.


> So ein Hubmagnet ist unglaublich schwer als Linearaktor zu gebrauchen,
> weil das magnetische Verhalten extrem unlinear ist.

Hatte auch schon an Pneumatik gedacht, dazu sind aber individuell 
hergestellte Rollmembrane notwendig, und 7 bar Druckluftreservoir, und 
ein 3/2-wege Ventil (bzw. sehr viele davon, um sehr viele Zylinder 
anzusteuern). Das wäre die teuere Alternative.

Aber wiegesagt, es geht nicht darum die Kraft dauerhaft aus der Spule zu 
schöpfen, sondern die Spule nur zu verwenden um den Kolben zwischen den 
stabilen Zuständen zu wechslen.


>Wenn bei 4N-6N schon Temperaturprobleme auftreten, dann ist der
>magnetische Kreis ineffektiv.

Was meinst du genau? Also der magnetische Kreis ging in meinem Fall über 
die Luft, also praktisch kein magnetischer Kreis. Wenn ich ein 
magnetisches Außengehäuse verwenden würde, würde das den 
Außendurchmesser überschreiten.  Außerdem darf eine magnetische 
Umhüllung keine große Remanenz aufweisen oder? denn die Spule wird ja in 
beide Richtungen betrieben.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

James Clerk Actimel schrieb:
> Das Ding soll eine Instrumentsaite und eine Rückhaltefeder reindrücken.
Du willst ein Klavier spielen, oder wie?

> Ich habe selbstgewickelte Spulen mit 100 Windungen und mehr als 200
> Windungen getestet:
Das ist fast gar nichts. Die gehen ja unmittelbar nach dem Einschalten 
in Sättigung. Und der Strom hängt nur noch vom Widerstand ab...

> Also ich schätze mal, dass man etwa 800 Windungen benötigt (ausgehend
> vom selben Strom--> d.h. doppelte Wattzahl---> doppelte Wärme).
Welche Formel hast du für diese kuriose Rechnung verwendet? Für mich 
gilt vorerst noch immer: gleicher Strom bei gleicher Spannung ergibt 
gleiche Leistung. Denn in P=U*I kommt keine Windungszahl vor.

> Federn aus Kugelschreibern...solche Beschleunigungen braucht man...4-6N
Irgendwei solltest du mal genau sagen, was du machen willst. Da passt 
noch einiges nicht zusammen...

[Walter L. (wallew)]

Entschuldigung. auf meine kuriose Rechnung komme ich, in dem ich vom 
gleichen Strom ausgehe, aber von doppelter Windungszahl, was etwa 
doppelte Spulenlänge bedeutet, i.e. doppelter Spulenwiderstand. Um den 
gleichen Strom aufrechtzuhalten, benötigt man also ein Netzteil 
doppelter Leistung, wegen I^2*R, was auch doppelte Wärmeproduktion 
impliziert.

>Das ist fast gar nichts. Die gehen ja unmittelbar nach dem Einschalten
>in Sättigung. Und der Strom hängt nur noch vom Widerstand ab...
 Ich verstehe nicht genau, was meinst du mit Sättigung?

Wenn ich was zum genauen vorhaben sage, dann habe ich die Erfahrung, 
dass mich dann entgültig keiner mehr ernst nimmt, falls das nicht schon 
der Fall ist.
Deshalb hab ich das erstmal unterdrückt solang es ging:

Es geht darum, das Griffbrett einer Geige zu bestücken. Die 
Haltekonstruktion dafür ist möglich. Allerdings sind solche kompakten 
zylinder notwendig, um Halbtöne in höheren Lagen auch zu treffen. Das 
ist nicht so wichtig alles...

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

James Clerk Actimel schrieb:
> Allerdings sind solche kompakten zylinder notwendig, um Halbtöne in
> höheren Lagen auch zu treffen. Das ist nicht so wichtig alles...
Du kannst auch "dickere" Spulen verwenden, wenn du die Mechaniken 
zweistöckig aufbaust. Und ich würde es an deiner Stelle mal mit 
käuflichen Spulen versuchen...

[Harald W. (wilhelms)]

James Clerk Actimel schrieb:

> Es geht darum, das Griffbrett einer Geige zu bestücken. Die
> Haltekonstruktion dafür ist möglich. Allerdings sind solche kompakten
> zylinder notwendig, um Halbtöne in höheren Lagen auch zu treffen. Das
> ist nicht so wichtig alles...

Weisst Du, wie eine Hand funktioniert? Um hohe Kräfte in den Fingern
zu erzeugen, obwohl in der Hand nicht viel Platz ist, wurden die
"Aktoren" in den Unterarm verlegt und es gibt Seilzüge die bis zu
den Fingern gehen. Das gleiche Prinzip solltest Du auch bei Deinen
Antrieben verwenden.
Gruss
Harald

[Crazy Harry (crazy_h)]

Wie wäre denn ein (Schritt-)Motor in Verbindung mit einer Spindel (mit 
hoher Steigung) um die benötigte Kraft zu erzeugen ?

[Harald W. (wilhelms)]

Crazy H. schrieb:

> Wie wäre denn ein (Schritt-)Motor in Verbindung mit einer Spindel (mit
> hoher Steigung) um die benötigte Kraft zu erzeugen ?

Vielleicht auch mit Zahnstange. Sowas gibts fertig als Antrieb für
Zentralverriegelung. Die Bewegung müsste dann z.B. per Bowdenzug bis
zum Griffbrett geführt werden.
Gruss
Harald

[Walter L. (wallew)]

>Du kannst auch "dickere" Spulen verwenden, wenn du die Mechaniken
>zweistöckig aufbaust. Und ich würde es an deiner Stelle mal mit
>käuflichen Spulen versuchen...

Einerseits ja... so kann man enger spielen, dann können wir den 
Durchmesser ungefähr verdoppeln. Wenn es aber zweistöckig ist, dann ist 
der Drehmoment bei Neigung der Geige zu groß.
Andere Idee wäre noch Mehrspurigkeit, 6 Spuren, mit axialen 
Kolbenstangen, und Kolbenstangen, die sozusagen Knicke haben, und 
benachbart wirken. So kann man jeden Halbton erreichen. Zwar nicht alle 
gleichzeitig, aber für die meisten Stücke reicht es.

Dazu sollte ich vielleicht noch erwähnen, dass die Geige spielbar sein 
soll. D.h. die Robotik übernimmt das Griffbrett, und der Spieler kann 
seine Bogenübungen, die er/sie sonst auf leeren Saiten gemacht hatte, 
etwas spriztiger gestalten. Vielleicht muss die Geige durch 
Dachaufhängungen etwas unterstützt werden, damit der Spieler nicht zu 
viel Gewicht trägt, aber das wars auch.

Zitat von Harald:
>Um hohe Kräfte in den Fingern
>zu erzeugen, obwohl in der Hand nicht viel Platz ist, wurden die
>"Aktoren" in den Unterarm verlegt und es gibt Seilzüge die bis zu
>den Fingern gehen. Das gleiche Prinzip solltest Du auch bei Deinen
>Antrieben verwenden.

Zitat von mir:
>Hatte auch schon an Pneumatik gedacht, dazu sind aber individuell
>hergestellte Rollmembrane notwendig, und 7 bar Druckluftreservoir, und
>ein 3/2-wege Ventil (bzw. sehr viele davon, um sehr viele Zylinder
>anzusteuern). Das wäre die teuere Alternative.


Wenn mir einer bestätigen könnte, dass das mit Sicherheit eine gute Idee 
ist,...

Das ganze würde dann am ende aus einem Druckluftreservoir bestehen, das 
von einem Kompressor gefüttert wird. Vom reservoir gehen etwa 40 
Leitungen aus (bis hier hin ist es machbar), über 3/2 Wegeventile, die 
bei OFF den schlauch mit atmosphäre verbinden, und bei On mit dem 
Reservoir. Die einzelnen Zylinderaktoren bestehen aus einem Zylinder, 
einer Rollmembran die in eine passende Flansch gelegt ist (muss 
3d-gedruckt werden, woher soll ich solch spezielle teile herkriegen?man 
kann es ja schwer aus holz schnitzen). In der Rollmembran liegt ein 
Kolben passenden Durchmessers,der gegen die Rückstellfeder drückt.
Wo ist der Haken bei der Sache?


Um zu wissen ob es klappt, muss ich eine kleine Anzahl von diesen 
individuellen Rollmembranen anfertigen lassen, und dann irgendwie 
einzelne passende Zylinder herstellen.

[Walter L. (wallew)]

Es bleibt nichts anderes, als die Varianten zu testen. Hat jemand einen 
Schaltplan zu einem Charger?