Tauchspule
Tauchspulen sind in einem stationären Magnetfeld federnd aufgehängte Spulen, die bei Stromdurchfluss durch die Lorentzkraft ausgelenkt werden.
Funktion
Motorprinzip
Die Tauchspule erzeugt bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld, dessen Pole eine Kraftwirkung in Richtung der entgegengesetzten Pole des stationären Magnetfeldes hervorrufen. Es wird also elektrische in mechanische Energie umgewandelt. Eine Änderung der Stromstärke oder der Stromrichtung bewirkt eine gleichsinnige Bewegung der Spule. Durch Umkehrung der Stromrichtung wird also die Richtung der Kraft umgekehrt. Deshalb eignen sich solche Systeme hervorragend zum Umwandeln elektrischer Schwingungen in mechanische.
Generatorprinzip
Umgekehrt induziert der Tauchspule zugeführte Bewegung in der Spule Strom. Dieser Strom folgt Bewegungsrichtung und -amplitude, so dass mechanische Schwingungen in analoge elektrische Schwingungen umgesetzt werden.
Arten der stationären Magnetfelder
Die stationären Magnetfelder können als Dauermagnete oder als Weicheisenkerne mit Erregerspule ausgeführt werden. Bei Weicheisenkernen wird die Erregerspule mit Gleichstrom gespeist, so dass ein konstantes Magnetfeld aufgebaut wird.
Der Kern kann bei einfacheren Ausführungen Stabform haben. In der Regel werden jedoch Topfmagnete verwendet, die dank des kleinen Luftspalts bei gleichen Eingansbedingungen größere Kräfte bzw. Ströme hervorrufen.
Anwendung
Motorprinzip
Mit Signalströmen gespeiste Tauchspulen finden hauptsächlich in der Akustik als Lautsprecher Verwendung. Aber auch als Schwingungserzeuger für andere Zwecke (z.B. Ultraschall-Reinigungsgeräte) werden sie benutzt.
In letzter Zeit sind auf dem Markt auch lineare Aktuatoren erhältlich, die nach dem Tauchspulenprinzip angetrieben werden. Der Antrieb ist hier mit einer linearen Führung (z. B. linearen Kugelumlaufführung) verbunden. Dadurch ist es möglich, die durch das Tauchspulenprinzip entstehende, Kraft gezielt über einen gewissen Hubbereich (z.B. 100mm) zu verwenden. In der Regel sind noch Wegmeßsysteme im Einsatz um mit einem geeigneten Regler einen geschlossenen Regelkreis aufzubauen.
Da die inneren bewegten Massen relativ klein sind, werden trotz kleiner Leistungen hohe Beschleunigungen und hohe Arbeitsfrequenzen erreicht (z.B. 10Hz bei einem Hub von 15mm).
Weiterhin ist man in der Lage durch Beeinflussung des Stromes eine aufgebrachte Kraft genau zu dosieren. Auch kann man durch die Höhe der Stromstärke, welche benötigt wird um eine Position zu halten, gut beurteilen, ob z. B. bei einer Schalterprüfung die verwendete Rückstellfeder eine ausreichende Rückstellkraft aufweist.
Links zu Herstellern von Tauchspulenantrieben: http://www.smac-mca.com/index.htm http://www.beikimco.com/
Generatorprinzip
Durch Auswertung der induzierten Spannung können Schwingungen verschiedener Art gemessen werden. Am weitesten verbreitet ist die Anwendung dieses Systems ebenfalls in der Akustik bei Tauchspulmikrofonen. Aber auch Schwingungen empfindlicher Maschinen können z.B. damit gemessen und überwacht werden.
Frequenzbereich
Der übertragbare Frequenzbereich reicht je nach Bauart vom Infraschall- bis weit in den Ultraschallbereich hinein. Nach oben wird er durch die Masse der Tauchspule begrenzt. So können z.B. die schweren Spulen von großen Tiefton-Lautsprechern nur bis in den unteren Kilohertzbereich der Frequenz des angelegten Signalstromes folgen. Höhere Frequenzen werden wegen der Massenträgheit nicht übertragen. Deshalb teilt man das Frequenzspektrum von hochwertigen Schallübertragungsanlagen auf mehrere Lautsprecher unterschiedlicher Bauart auf.
Tauchspul-Messwerk
Tauchspul-Messgeräte haben in der Regel eine stationäre Spule und einen beweglichen Weicheisenkern, der nur zum Teil in die Spule ragt. Bei Stromfluss in der Tauchspule wird dieser Kern gegen die Kraft einer Feder vom Magnetfeld in die Spule gezogen. Ein am Kern befestigter Zeiger erlaubt das Ablesen des Strom- bzw. Spannungswertes. Solche Messgeräte sind nicht sehr genau und haben einen relativ hohen Verbrauch. Dafür sind sie sehr robust und erlauben wegen der Stromrichtungsunabhängigkeit das Messen des Effektivwertes von Gleich- und Wechselstrom ohne zusätzliche Maßnahmen.