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Elektromagnete verstehen:Entwicklung und Support für bessere Lösungen

Unsere Kernkompetenz ist die gemeinsame Entwicklung von Magnetlösungen, die passgenau Ihre anwendungsspezifische Problemstellung fokussieren und gleichzeitig eine wirtschaftliche Serien- Fertigung bei uns und Ihnen ermöglicht. Unsere agilen Entwicklungsteams bestehen aus absoluten Experten, die in Sachen Magnettechnologie immer wieder neue Benchmarks setzen.

Auf dieser Seite fokussieren wir Wissenswertes rundum Elektromagnete. Dies soll einen ersten Einblick in das Thema ermöglichen, um einen Einsatz dieser Technologie in Ihrer Applikation besser bewerten zu können.

Kontaktieren Sie uns, um gemeinsam Ihre spezifischen Anforderungen zu bewerten und die optimale Lösung für Ihre Anwendung zu entwickeln.

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Das haben Sie davonVorteile Elektromagnete

Elektromagnetische Systeme konkurrieren mit unterschiedlichsten Aktorprinzipien wie beispielsweise Elektromotoren, Piezoaktuatoren oder pneumatischen Systemen. Elektromagnete können mit folgenden Vorteilen charakterisiert werden:

  • Kurze Schaltzeiten und hohe Dynamik
  • Einfacher mechanischer Aufbau
  • Direktantrieb
  • Gute Integrationsmöglichkeiten in Bezug auf Design und Schnittstellen
  • Flexibel in Bezug auf Umgebungsbedingungen (Temperaturbereich und Schutzklassen)
  • Einfache elektrische Ansteuerung
  • Wartungsfrei

Überblick Magnettypen

Ein Hubmagnet ist ein Elektromagnet, der mit einer Kraft eine lineare Bewegung erzeugen kann. Hierbei gibt es verschiedene Formen, wie Bewegungsarten ausgeführt werden können.

EINFACHHUBMAGNET DRÜCKEND & ZIEHEND:

Drückend wird die Kraft über einen nichtmagnetischen Stößel übertragen.

Die ziehende Kraftübertragung erfolgt über den sogenannten Magnetanker.

UMKEHRHUB- & SPREIZMAGNET:

Die Abbildung zeigt die Umkehrung von Bewegung und Kraftrichtung per Doppelspulensystem. Diese Übertragung ermöglicht ein wechselseitiges Umschalten.

Hier wird die Kraft über zwei gleichzeitige Bewegungen in die gegengesetzte Richtung übertragen. So kann ebenfalls eine drückende und ziehende Ausführung realisiert werden.

Ein Drehmagnet ist ein Elektromagnet, der eine rotatorische Bewegung aufgrund eines Drehmoments erzeugt. Je nach statischen oder dynamischen Anforderungen kommen unterschiedliche Bau- und Lagerungsformen zum Einsatz.

Unter Monostabilität versteht man eine Ausführung, die stromlos über eine stabile Position, beispielsweise über eine Rückstellfeder, verfügt. Bei einer bistabilen Ausführung hingegen verfügt der Elektromagnet, klassischerweise durch den Einsatz eines Permanentmagneten, über zwei stromlos stabile Positionen. Alle zuvor beschrieben Formen von Hub- und Drehmagneten können je nach Anforderungen, sowohl mono- als auch bistabil, ausgeführt werden.

Ein Klappankermagnet ist ein Elektromagnet, der mittels einer Kraft eine rotatorische Bewegung erzeugt. Dabei ist das bewegliche Teil des Magneten einseitig in Kontakt mit dem stehenden Magnetsystem.

Ein Haftmagnet ist ein Elektromagnet, der eine Haltekraft auf eine sogenannte Ankerplatte erzeugt. Hier wird zwischen Elektrohaftmagnet und Permanent-Elektrohaftmagnet unterschieden.

ELEKTROHAFTMAGNET UND PERMANENT-ELEKTROHAFTMAGNET:

Die Haltekraft wird auf die schwarze Ankerplatte durch Erregung der Spule erzeugt.

Hier wird stromlos eine Haltekraft auf die schwarze Ankerplatte durch einen Permanentmagneten erzeugt und kann durch die Erregung der Spule wieder neutralisiert werden.

Mit einem Schwingmagneten werden gezielt oszillierende oder lineare Bewegungen erzeugt. Dabei werden die Schwingungen gezielt für das Fördern, Bereitstellen, Rütteln oder Sortieren von Werkstücken oder anderen losen Einzelteilen genutzt. In abgewandelter Form kommt dieses Prinzip auch in der Aktivhaptik im Automobil zum Einsatz.

Wichtige Produkteigenschaften verstehen

DEFINITION ANKERHUB

  • Der Ankerhub ist der vom Anker frei bewegliche Arbeitsbereich. Externe oder interne Kräfte stellen den Anker auf seine Hubanfangsposition. (bei X mm, Hub Anfangsposition)
  • Nach Zuschalten der Versorgungsspannung bewegt sich der Anker in Richtung Hubendlage (bei 0 mm, Hub Endposition, welche die Bewegung mechanisch begrenzt).

HUBARBEIT

  • Die Fläche A unter der MAGNETKRAFT-HUB-KENNLINIE wird als Hubarbeit bezeichnet.
  • Unter Verwendung üblicher Materialien ist die erreichbare Hubarbeit abhängig vom Volumen des Magneten und der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung.

MAGNETKRAFT-HUB-KENNLINIE

  • Durch geometrische Auslegung des Eisenkreises lässt sich die Verteilung der Hubarbeit (und damit der Kraftverlauf) aufgabenspezifisch anpassen.
  • Für eine erste Abschätzung kann gesagt werden, dass die Fläche (Hubarbeit) dabei konstant bleibt.

Unter dem dynamischen Verhalten werden elektrische, magnetische und mechanische Ausgleichsvorgänge aufgrund von Energieumwandlungen während den Schaltvorgängen verstanden. Die Anforderungen an das dynamische Verhalten eines Elektromagneten können je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein.

Dabei muss bei der Magnetauslegung immer ein Kompromiss zwischen schnellem Stromanstieg (kleine Induktivität) und hoher Kraft zur Beschleunigung getroffen werden.


(Quelle: VDE 0580)
U: Spannung
I: Strom
s: Hub
t: Zeit

EIN ANZUGS- UND ABFALLVORGANG TEILT SICH IN DIE FOLGENDEN ZEITINTERVALLE AUF:

t1 Anzugszeit
Zeit bis zum vollständigen Anzug

t11 Ansprechverzug
Zeit vom Anlegen der Spannung bis zum Start der Ankerbewegung. Mit steigendem Strom baut sich das magnetische Feld auf, das die Magnetkraft erzeugt (elektromagnetische Energiewandlung). Die Ankerbewegung startet ab dem Kräftegleichgewicht von Magnetkraft und Rückstellkraft.

t12 Hubzeit
Zeit vom Start der Ankerbewegung bis zum Erreichen der Hubendlage (elektro-magneto-mechanische Energiewandlung). Der Spulenstrom bricht aufgrund einer Gegeninduktionsspannung, die durch Feldänderung und Ankerbewegung hervorgerufen wird, kurzzeitig ein.

t2 Abfallzeit
Zeit bis zum vollständigen Abfall. Die Feldänderung aufgrund Stromabfall und Ankerbewegung erzeugt eine negative Induktionsspannung.

t21 Abfallverzug
Zeit vom Abschalten der Spannung bis zum Start der Rücklaufbewegung. Mit fallendem Strom baut sich das magnetische Feld ab, das die Magnet-kraft erzeugt. Die Rücklaufbewegung startet ab dem Kräftegleichgewicht von Rückstellkraft und Magnetkraft.

t22 Rücklaufzeit
Zeit vom Start der Rücklaufbewegung bis zum Erreichen der Hubanfangslage.

t5 Einschaltzeit
Zeit mit angelegter Spannung.

VERGLEICH VON SCHNELLEM UND STARKEM MAGNETEN GLEICHER BAUGRÖSSE:

DIE SCHALTZEIT EINES ELEKTROMAGNETEN WIRD BEEINFLUSST DURCH:

  • Art der Ansteuerung
  • Stromanstiegsgeschwindigkeit, Aufbaugeschwindigkeit des Magnetfelds und Spulendaten
  • Bewegte Massen
  • Höhe der mechanischen Rückstell- und Gegenkräfte
  • Magnetkreis an sich (Kennlinienbeeinflussung, Maßnahmen zur Wirbelstromreduzierung)

 

Mit Hilfe von modernen FEM-Berechnungen kann das dynamische Verhalten passend für den jeweiligen Anwendungsfall zielgenau ausgelegt werden.

ANSTEUERUNG VON ELEKTROMAGNETEN

Die Ansteuerung nimmt Einfluss auf die Kraft, Schaltzeit, Geräuschbildung und Eigenerwärmung. Umgekehrt beeinflusst aber auch der Elektromagnet durch die induktiven Eigenschaften die Ansteuerung und kann zu Störungen oder Beschädigungen an elektrischen Bauteilen führen, die aber durch den Einsatz bestimmter Schaltungen vermieden werden können.

Grundlegend kann Folgendes angenommen werden: je höher der Strom, desto höher die Magnetkraft. Dieser Zusammenhang ist begrenzt durch die Eigenerwärmung des Magneten (siehe thermisches Verhalten von Elektromagneten).

Unterschiedliche Kräfte beeinflussen die Beschleunigung und damit auch die Schaltzeit von Elektromagneten. Diese ist allerdings nicht nur von der Ansteuerung abhängig, sondern wird auch durch die dynamischen Eigenschaften (siehe dynamisches Verhalten von Elektromagneten) beeinflusst.

Dementsprechend kann durch ein gewähltes Ansteuerungssignal, zusätzlich zu konstruktiven Maßnahmen, eine Geräuschbildung reduziert werden.

IM FOLGENDEN SIND DIE ZWEI GRUNDLEGENDEN ANSTEUERUNGSARTEN DARGESTELLT:

Ansteuerung mit Konstantspannung

Wird der Elektromagnet mit einer Konstantspannung (U) angesteuert, steigt der Strom (I) auf einen Maximalwert von Imax an. Durch die elektrische Belastung erwärmt sich die Spule, wodurch der Strom nach Abschluss der thermischen Ausgleichsvorgänge auf einen Wert von Iwarm sinkt. Analog dazu die Magnetkraft (F).

Ansteuerung mit Konstantstrom

Wird der Elektromagnet mit einem Konstantstrom (I) betrieben, entsteht anfangs ein Spannungs-Peak. Danach sinkt die Spannung (U) auf Ukalt. Durch die elektrische Belastung erwärmt sich die Spule, wodurch die Spannung mit der Zeit auf Uwarm steigt.
 

Zwar hat eine Stromsteuerung den Vorteil, dass die Kraft (F) unabhängig von thermischen Einflüssen ist, jedoch sind die Kosten im Vergleich zu einer Spannungssteuerung üblicherweise höher.

Um einen Elektromagneten in Bezug auf die Materialauswahl und Hubarbeit ideal an den anwendungsspezifischen Bedingungen auszurichten, gilt es wesentliche Einflussparameter zu berücksichtigen.

Neben der Eigenerwärmung des Elektromagneten sind die Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung. Welche maximalen und minimalen Umgebungstemperaturen können entstehen? Gibt es weitere Wärmequellen in unmittelbarer Umgebung? Kann Wärme mittels Luftkühlung oder entsprechende Anbauteile abgeführt werden, oder entsteht sogar Stauwärme durch entsprechende Umhausung des Magnetsystems?

In Verbindung mit der Art der elektrischen Ansteuerung (siehe elektrische Ansteuerung) lässt sich das Worst Case Szenario definieren, also die Konstellation, bei welcher der Elektromagnet die geringste Leistungsversorgung erfährt und gleichzeitig den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen muss der Elektromagnet seine Funktion erfüllen, ohne im Extremfall bei Mindesttemperatur und maximaler Leistungsversorgung zu überhitzen (Überschreiten der Isolierstoffklasse) oder die zulässige Stromaufnahme zu überschreiten. 

Nachfolgend sind die für Elektromagnete relevantesten Betriebsarten aufgeführt. Hier kann grundsätzlich in drei Betriebsarten unterschieden werden. Wobei gilt, je kürzer die relative Einschaltdauer, desto höher die maximal mögliche Leistungsaufnahme und somit die erreichbare Hubarbeit eines Elektromagneten.

Dauerbetrieb [DB] S1 = 100% ED
Der Magnet kann dauerhaft mit der spezifizierten Leistung betrieben werden. Die sich einstellende Maximaltemperatur (Beharrungstemperatur) übersteigt dabei die zulässige Isolierstoffklasse der Materialien nicht.

Kurzzeitbetrieb [KB] S2
Die Einschaltdauer ist so kurz, dass die Beharrungstemperatur nicht erreicht wird, die stromlosen Pausen sind dabei so lang, dass der Magnet auf die Bezugstemperatur abkühlen kann.

Aussetzbetrieb [AB] S3
Einschaltdauer und stromlose Pausen wechseln in regelmäßiger oder unregelmäßiger Folge, dabei sind die Pausen so kurz, dass sich das Gerät nicht auf die Bezugstemperatur abkühlen kann.

PV = Verlustleistung
б = Temperatur
t = Zeit

Die Betriebsart wird im Wesentlichen über die relative Einschaltdauer definiert.

Einschaltdauer
Das ist die Zeitspanne, in welcher der Elektromagnet eingeschaltet ist.

Stromlose Pause
Das ist die Zeitspanne zwischen Ausschalten und erneutem Wiedereinschalten des Elektromagneten.

Spieldauer
Das ist die Summe aus Einschaltdauer und stromloser Pause.

Die IP-Schutzart klassifiziert den Schutz eines Produktes gegen Festkörper, Berührung und Wasser.
Bei Elektromagneten unterscheidet man i.d.R. zwischen der Geräteschutzart und der Schutzart des elektrischen Anschlusses.
Das Produktdesign kann durch die IP-Schutzklasse wesentlich beeinflusst werden, da weitere Bauteile wie z.B. Dichtringe oder ein Vergießen des Gesamtsystems notwendig werden.

IP XY
X = Fremdkörper- / Berührungsschutz
Y = Wasserschutz

Weiterführende Literatur/Quellen:

Kallenbach, Eberhard ; Eick, Rüdiger ; Ströhla, Tom ; Feindt, Karsten ; Kallenbach, Matthias ; Radler, Oliver:
Elektromagnete : Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendung.
Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2018. -ISBN 978-3-658-14788-4. S. 1-438
DIN VDE 0580 (VDE 0580):2011-11,
Elektromagnetische Geräte und Komponenten - Allgemeine Bestimmungen
Amrhein, Wolfgang ; Fräger, Carsten:
Kleinantriebe, Systemkomponenten, Auslegung.
Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2021. -ISBN 978-3-110-43324-1. S. 1-626
Hagedorn, Jürgen ; Blanc, Florian Sell-Le ; Fleischer, Jürgen:
Handbuch der Wickeltechnik für hocheffiziente Spulen und Motoren: Ein Beitrag zur Energieeffizienz.
Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2016. -ISBN 978-3-662-49210-9. S. 1-303
Spur, Günter:
Handbuch Fügen, Handhaben und Montieren.
M: Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2013. -ISBN 978-3-446-43656-5. S. 1-928
Prof.Dr.Ing. Dr. H.c. Wilfried J. Bartz; Dipl.-Ing. Elmar Wippler
Dauermagnete: Mess- und Magnetisiertechnik
TAE Kontakt&Studium Band674 Expert Verlag ISBM-13:978-3-8169-2508-8

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