Verständnis von Aufbau und Funktion von Magneten

Eine Magnetspule ist ein elektromechanisches Gerät, das bei Anlegen eines elektrischen Stroms elektromagnetisch linear betätigt wird. Das Gerät besteht aus einer Drahtspule, die bei Erregung ein Magnetfeld in ihrem Kern erzeugt. Das Magnetfeld bewegt einen Anker für verschiedene Anwendungen, z. B. in der Verriegelung, in der Industrie, im Automobilbau und in der Medizin. Dieser Artikel beschreibt den Aufbau eines Magneten und seine Funktionsweise.

Inhaltsübersicht

• Ausführung des Magneten
• Wie funktioniert eine Magnetspule?
• Formel für das Magnetfeld einer Magnetspule
• Anwendungen für Magnetspulen
• FAQs

Ausführung des Magneten

Wie in Abbildung 2 zu sehen, bestehen die Teile des Magneten aus folgenden Teilen:

• Spule (A): Ein Kupferdraht, der fest um den stationären Kern gewickelt ist.
• Stationärer Kern (B): Ein ferromagnetischer Zylinder
• Schattierungsring (C): Ein Abschattungsring oder eine Abschattungsspule ist eine einzelne Windung oder einige Windungen eines elektrischen Leiters (Kupfer oder Aluminium)
• Frühling (D): Eine Feder aus rostfreiem Stahl, die den Anker in seine normale Position zurückbringt, wenn die Spule stromlos ist.
• Armatur (E): Teil des stationären Kerns, der sich bewegt, wenn die Spule erregt wird, auch Magnetkolben genannt.

Wie funktioniert eine Magnetspule?

Ein Magnetfeld entsteht, wenn der Strom in einer Magnetspule durch die Spule fließt. Die Stärke des Feldes ist direkt proportional zum Strom, zur Anzahl der Windungen und zur Permeabilität des ferromagnetischen Materials des stationären Kerns. Der Kern fungiert als magnetischer Kreis für das Magnetfeld. Mit anderen Worten: Der Kern wirkt wie ein geschlossener Pfad, der das Magnetfeld einschränkt.

Das Magnetfeld induziert eine Kraft auf den Anker, die ihn entweder nach oben zieht oder nach unten drückt. Normalerweise wird der Anker nach oben gezogen, aber wenn man die Seite des Ankers, die sich in der Nähe des feststehenden Kerns befindet, mit einer Schubstange verlängert, drückt das Feld den Anker nach unten. In beiden Fällen wird eine Feder zusammengedrückt. Der Anker bleibt so lange in der Position, wie das Feld bestehen bleibt. Wenn sich das Feld auflöst, bringt die Feder den Anker in seine ursprüngliche Position zurück.

Schließlich bietet der Abschattungsring einen niederohmigen Pfad für eine Hochspannungsspitze, die beim Abklingen des Magnetfelds entsteht. Dadurch wird die Stärke und Dauer der Spannungsspitzen verringert, was den Stromkreis schützt.

DC- vs. AC-Magnetspulen

Die Arbeit mit Gleichstrom- oder Wechselstrommagneten hat Vor- und Nachteile. Ein Gleichstrommagnet funktioniert wie oben beschrieben. Gleichstrom, der durch eine Magnetspule fließt, erzeugt eine Magnetkraft, die stark genug ist, um die Federkraft zu überwinden und den Anker in die Spule zu heben. Wenn die Spule stromlos wird, drückt die Feder den Anker wieder nach unten.

Wechselstromspulen sind komplexer, weil Wechselstrom die Polarität wechselt. Zweimal pro Periode ist der Strom gleich Null, so dass die Magnetkraft gleich Null ist. Da die Federkraft den Anker ständig nach unten drückt, vibriert der Anker und erzeugt ein Brummgeräusch und belastet die Bauteile. Um dieses Problem zu lösen, speichert ein Kupferring um den Anker einen Teil der magnetischen Energie und reduziert so die Vibrationen.

Wenn die Magnetkraft die Federkraft überwindet und der Anker vollständig angehoben ist, kann der durch die Spule fließende Strom reduziert werden, um Energie zu sparen. Gleichstrom reagiert langsamer als Wechselstrom, und deshalb sind Wechselstromspulen energieeffizienter.

Formel für das Magnetfeld einer Magnetspule

Das Magnetfeld einer Magnetspule hängt von der Anzahl der Windungen pro Längeneinheit, der Stärke des Stroms durch die Spule und der Permeabilität des Magnetmaterials ab. Die Formel zur Messung der Feldstärke lautet:

Wo:

• B: die magnetische Flußdichte
• μ₀: Die Permeabilitätskonstante, die 12,57 x ^{10-7 Hm-1} beträgt
• I: Der Strom, der durch die Spule fließt
• N: Die Anzahl der Umdrehungen
• L: Die Länge der Spule

Kraftgleichgewicht Magnetventil

Das Grundprinzip eines Magnetventils ist ein Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft des Magneten auf der einen Seite und dem Druck des Mediums und der Kraft der Feder auf der anderen Seite. Berechnen Sie die erforderliche Magnetkraft für ein direktgesteuertes Magnetventil mit der folgenden Formel:

Wo:

• _Fs = Kraft der Magnetspule (N)
• p = Druck (Pa) (¹⁰⁵ Pa = 1 bar)
• A = Blende (^m2)
• _Fspring = Federkraft (N)

Beispiel

Ein bestimmter Magnet erzeugt eine Kraft von 15N. Um diesen Magneten zur Steuerung einer Druckdifferenz von 10 bar zu verwenden, kann der maximale Öffnungsdurchmesser berechnet werden.

Diese Formel kann nicht für indirekt betätigte Ventile verwendet werden. Indirekt betätigte Magnetventile haben eine kleinere Düse und nutzen den Druck des Mediums zum Schalten.

Anwendungen für Magnetspulen

• Anwendungen sperren: Das Magnetfeld zieht den Stößel in der Magnetspule an, so dass er sich bewegt und den Mechanismus arretiert. Eine Feder drückt den Stößel zurück, wenn der Strom abgeschaltet wird, und gibt die Sperre frei. Magnete können in verschiedenen Verriegelungsanwendungen eingesetzt werden, z. B. in Türen, Verkaufsautomaten, Zugangssperren und vielen anderen Sicherheitseinrichtungen.
• Automobilanwendungen: Magnete werden in verschiedenen Fahrzeuganwendungen eingesetzt, z. B. zum Schalten des Getriebes, Starten des Motors, Betätigen von Kraftstoffeinspritzsystemen, Verriegeln von Türen und Betätigen von Ventilen.
• Medizinische Anwendungen: Magnete werden in der Medizintechnik eingesetzt, um den Durchfluss von Flüssigkeiten zu steuern, Ventile in medizinischen Gassystemen zu regulieren, Pumpen und Spender zu betreiben und die Bewegung von medizinischen Geräten zu kontrollieren.
• Eisenbahnanwendungen: In der Eisenbahnindustrie werden Magnetspulen zur Betätigung von Schaltern und Signalen, zur Steuerung von Bremsen, zur Betätigung von Türen und Fenstern und in Dieselmotoren zur Kraftstoffeinspritzung und Abgasrückführung eingesetzt.
• Industrielle Anwendungen: Magnete werden in industriellen Anwendungen zur Steuerung von Ventilen, zur Betätigung von pneumatischen und hydraulischen Systemen, zur Betätigung von Kupplungen und Bremsen, zur Steuerung der Bewegung von Geräten sowie in der Automatisierung, Robotik und in Fertigungsprozessen eingesetzt. Ein Magnetantrieb ist in der Regel ein Magnet mit einem ferromagnetischen Kern.

FAQs

Was ist eine Magnetventilspule?

Eine Magnetspule ist ein eng gewickelter Draht, der ein Magnetfeld erzeugt, wenn Strom durch ihn fließt, und der verwendet wird, um Objekte zu bewegen, Strom zu erzeugen oder einen Magnetantrieb zu aktivieren.

Sind Magnetspulen AC oder DC?

Magnete wandeln Wechsel- oder Gleichstrom in eine lineare Bewegung um.