Elektromagnete

Elektromagnete werden als Antriebselemente nach wie vor in vielen Bereichen der Technik in wachsendem Umfang eingesetzt. Zu ihnen gehören Gleichstrommagnete, Wechselstrommagnete und polarisierte Elektromagnete, aber auch elektromagnetische Baugruppen nach dem Reluktanzprinzip, die integrale Bestandteile komplexerer Funktionsgruppen sind. Als Ventilmagnete für Pneumatik und Hydraulik, Betätigungsmagnete in Relais, Kupplungen, Bremsen, werden sie in groÿen Stückzahlen angewendet. Von Magnetherstellern werden teilweise mehrere Millionen Stück von einer Type produziert. Bemerkenswert sind sowohl der schon seit Jahrzehnten anhaltende durchschnittliche Zuwachs des Produktionsumfanges von mehr als 10% jährlich, als auch die ständig anwachsenden technischen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich statischer und dynamischer Eigenschaften, Miniaturisierung, Schnellwirkung und Zuverlässigkeit, aber auch der sich verstärkende Preisdruck, so dass technologische Bedingungen einer effektiveren Produktion im Entwurfsprozess stärker berücksichtigt werden müssen.

In der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters können experimentell Kraftwirkungen auf eine Magnetnadel oder Eisenspäne festgestellt werden, die dazu führen, dass sich die Magnetnadel oder die Eisenspäne in einer bestimmten Weise ausrichten. Diese Kraftwirkungen werden von dem magnetischen Feld des stromdurchflossenen Leiters verursacht. Wenn bei einer Bewegung der Magnetnadel um den Leiter die Orientierung der Nadel aufgezeichnet wird, erhält man eine bildliche Darstellung des magnetischen Feldes. Im Fall eines unendlich langen geraden stromdurchflossenen Leiters ergeben sich als Feldbild konzentrische Kreise (Bild 2.1).

Elektromagnete werden abgesehen von wenigen Anwendungsfällen, z. B. Haftmagnete oder Proportionalmagnete, vorwiegend als direkt wirkende Antriebselemente in offenen Steuerketten eingesetzt. Die für die Antriebsbewegung erforderliche mechanische Arbeit entsteht während des Bewegungsvorganges durch Energiewandlung aus elektrischer Energie über die magnetische Energie als Zwischenform, wobei Verlustenergie in Form von Wärmeenergie hervorgerufen wird (Bild 3.1).

Die Grundlage für die Berechnung des magnetischen Feldes bilden die Maxwellschen Gleichungen. Die analytische Lösung dieser Gleichungen ist für die Mehrheit der für die Technik bedeutsamen Magnetfeldprobleme mit komplizierten Geometrien und nichtlinearen Materialeigenschaften nicht möglich. Aus diesem Grund wurden zahlreiche Verfahren entwickelt, die dem Ingenieur die Berechnung von magnetischen Feldern gestatten. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Verfahren und die bei ihrer Anwendung zur Berechnung von Elektromagneten auftretenden Probleme erläutert.

Die Erzeugung von Bewegungen umfasst sowohl die Realisierung bestimmter Bewegungsformen (räumliche Aufeinanderfolge von Lagen) als auch mehr oder weniger definierter Bewegungsverläufe (zeitliche Aufeinanderfolge von Lagen) [5.14]. Für Elektromagnete sind die begrenzte translatorische Bewegungsform (z. B. Hubmagnete) und die begrenzte rotatorische Bewegungsform (z. B. Drehmagnete, Klappankermagnete) typisch. Häuffg angewandte Bewegungsverläufe von Elektromagneten sind wechselsinnige Bewegungen mit steuerbaren Rasten in beiden Endlagen (Bild 1.9), mit Rast in der Hubanfangslage (z. B. Druckmagnete), mit Rast in der Hubendlage und ohne Rast (Schwingmagnete, Proportionalmagnete).

Ein Teil der vom Magneten während des Einschaltvorganges aufgenommenen elektrischen Energie wird, soweit man sich nicht im Gebiet der Supraleitfähigkeit befindet, wegen des ohmschen Widerstandes der Erregerwicklung in Wärmeenergie und damit in Verlustenergie umgewandelt. Sind der elektromagnetische und der mechanische Ausgleichsvorgang abgeschlossen, wird die gesamte von einer Gleichspannungsquelle abgegebene elektrische Leistung in Wärmeverlustleistung umgewandelt. Die Aufrechterhaltung des Erregerstromes und damit des magnetischen Feldes ist untrennbar mit der Wärmeverlustleistung verbunden. Da zwischen der magnetischen Feldenergie, der magnetischen Co-Energie und der mechanischen Arbeit sowie der Wärmeverlustleistung ein Zusammenhang besteht, wird über die zulässige Erwärmung die mechanische Arbeit begrenzt, die aus einem Magneten mit einem vorgegebenen Volumen bei einer bestimmten Einschaltdauer gewonnen werden kann.

Elektromagnetische Schrittmotoren sind elektro-magneto-mechanische Energiewandler, die infolge diskontinuierlich bewegter magnetischer Felder schrittförmige mechanische Bewegungen erzeugen. Je nach dem Motorprinzip, dem konstruktiven Aufbau und der Art der elektrischen Ansteuerung der Spulenstränge entsteht eine abzählbare Menge elektrischer Zustände, in denen Haltkräfte oder -momente erzeugt werden, die stabile Ankerstellungen zur Folge haben.

Der konstruktive Entwicklungsprozess ist der Teil der Produktionsvorbereitung, der alle zur Vorausbestimmung eines technischen Gebildes notwendigen gedanklichen, manuellen und maschinellen Operationen enthält, um von einer konstruktiven Aufgabenstellung zu einer für Herstellung und Einsatz hinreichenden Beschreibung des technischen Gebildes zu gelangen [8.8]. Hierbei werden ca. 75% der Teilekosten festgelegt, so dass ein methodisches Vorgehen zwingend ist. In Bild 8.1 wird die Grundstruktur des konstruktiven Entwicklungsprozesses am Beispiel einer Relaisentwicklung wiedergegeben.

Der wachsende Automatisierungsgrad, die ständige Verbesserung elektrischer und mechanischer Geräte sowie der breite Einsatz fluidtechnischer Anlagen stehen im ursächlichen Zusammenhang mit einer auÿerordentlich umfangreichen Anwendungspalette elektromagnetischer Aktoren. Dabei kommen Typen aus Standardbaureihen und kundenspezifische Lösungen und Aktoren, die für eine ganz spezielle Stell- oder Bewegungsaufgabe dimensioniert und optimiert sind zum Einsatz.

Die zunehmende Integration von technischen Funktionen verbunden mit der Verkleinerung der Abmessungen ist ein wichtiger Trend, der bei der Entwicklung von technischen Systemen beobachtet werden kann. Die Miniaturisierung erfasst alle Technikbereiche, z. B. den Maschinenbau, die Medizintechnik und die Automatisierungstechnik. Während im Bereich der Informationstechnik und Mikroelektronik durch Miniaturisierung bereits groÿe Fortschritte erreicht worden sind, bereitet die Miniaturisierung in der Antriebstechnik und Mechanik erhebliche Schwierigkeiten. Die Ursache liegt in der erforderlichen Wandlung einer zugeführten nicht mechanischen Energie in mechanische Energie zur Erzeugung von Bewegungen. Jedes Antriebsprinzip benötigt für die Energiewandlung ein bestimmtes Volumen, in dem nur eine bestimmte Menge an mechanischer Arbeit erzeugt werden kann.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundlagen zur Messung magnetischer Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe und elektromagnetischer Antriebe vorgestellt. Die Messung magnetischer Eigenschaften beruht auf der Erzeugung und Bestimmung elektrischer Gröÿen. Durch die Anwendung der Gesetzmäÿigkeiten des elektromagnetischen Feldes können die elektrischen in magnetische Gröÿen umgerechnet werden. Ein Aufbau zur Messung magnetischer Eigenschaften besteht aus geregelten Spannungsbzw. Stromquellen und Instrumenten zur Messung von Strömen und Spannungen.