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Technische Erläuterungen

Der Betätigungsmagnet

Auf dieser Seite finden Sie allgemeine Erläuterungen und Begriffsbestimmungen zu Betätigungsmagneten.
Der Gesamtkatalog steht zum Download.

Was sind Betätigungsmagnete?





Neutrale und Polarisierte Magnete



Neutrale Hubmagnete sind dadurch gekennzeichnet, dass ihr magnetisches Feld ausschließlich durch den Stromfluss in der Spule erzeugt wird. Im Gegensatz dazu besitzen polarisierte Hubmagnete einen oder mehrere Dauermagnete (Permanentmagnete), die auch ohne elektrischen Strom ein Magnetfeld ausbilden. Mit Hilfe des Spulenstroms wird das Magnetfeld der Dauermagnete so modifiziert, dass der gewünschte Effekt wie z.B.
  • Stromloses Halten und / oder
  • Umkehr der Bewegungsrichtung oder
  • Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme
erreicht wird.

Hubmagnete und Drehmagnete



Während Hubmagnete zur Erzeugung linearer Stellbewegungen eingesetzt werden, dienen Drehmagnete zum rotatorischen Antrieb einer Welle. Alle Erläuterungen für Hubmagnete gelten für Drehmagnete entsprechend.

Welche Ansteuerverfahren für Betätigungsmagnete gibt es?




Betrieb an Spannungsquelle (Normalbetrieb)


In der Regel werden Elektromagnete mit einer Versorgungsspannung betrieben, so dass Spannungstoleranzen bzw. der Innenwiderstand der Spannungsquelle und Zuleitungen Einfluss auf das Betriebsverhalten nehmen. Diese
werden im Allgemeinen zur toleranzbehafteten Nennspannung zusammengefasst. Für die Funktionalität muss berücksichtigt werden, dass die spezifizierten Temperatur-obergrenzen der Spule bei Maximalspannung (→ maximale Leistungsaufnahme), jedoch die projektierte Kraft-Weg-Kennlinie bei Minimalspannung und maximaler Spulentemperatur erreicht werden muss.
Erwärmung und Spannungstoleranz senken die Magnetkraft eines Elektromagneten deutlich unter die Kraft bei Nennbedingungen. Die Magnetkraft des Elektromagneten liegt dann noch bei ca.
50% der Kraft bei Nennbedingungen.
Die Folgen sind deutliche Unterschiede in Kraft, Schaltzeit und Schaltgeräusch - abhängig von Erwärmungszustand und Betriebsspannung.
Die in den Datenblättern angegebenen Kräfte und Schaltzeiten werden bei betriebswarmem Magneten erreicht.

DC-Spannungsregelung

Die Toleranz der Betriebsspannung wird deutlich eingeschränkt. Für eine Resttoleranz von z.B. ±2% und eine mittlere Spulentemperatur von 155°C fällt die Kraft bei Warmbedingungen auf ca. 60% im Vergleich zu Nennbedingungen.







DC-Stromregelung

Bei der DC-Stromregelung ist die Spannung variabel. Der maximal zulässige Strom ergibt sich aus der thermischen Klasse und der Qualität der Wärmeableitung an die Umgebung.
Der Magnetkreis wird auf den berechneten Strom optimiert. Dieser Strom kann in jedem Betriebszustand eingeprägt werden. Versorgungsseitig ist immer eine Spannungsreserve vorhanden, um den Anstieg des Widerstands infolge der Erwärmung ausgleichen zu können.
Vorteile der Stromregelung:
  • Beschleunigter Einschaltvorgang
  • Es wird ein maximaler Magnetstrom bestimmt, der immererreicht werden kann
  • Die Magnetkraft, die Schaltzeit und das Schaltgeräusch sind im Kalt- und Warmzustand gleich
  • Der Magnet kann für die gewünschte Kraft-Weg-Kennlinie optimiert werden
Mit einer variablen Stromregelung können Elektromagnete in Verbindung mit einem Rückstellelement und/oder einer Wegmessvorrichtung als Stellantrieb eingesetzt werden (Proportionalmagnete).
Allerdings wird der maximale Spulenwiderstand bereits bei der Festlegung des Nennstroms berücksichtigt, so dass die Ausbeute an mechanischer Arbeit vergleichbar mit der bei DC Spannungsregelung ist.


Verkürzte Einschaltdauer

Werden Betätigungsmagnete nicht im Dauerbetrieb eingesetzt, ergibt sich die Möglichkeit des Betriebes mit verkürzter Einschaltdauer. Durch geänderte Spulenauslegung wird die Nennleistung im Vergleich zum Dauerbetrieb erhöht. Der Vorteil ist eine größere Hubarbeit bezogen auf die Baugröße.



Schnellerregung zur Verkürzung der Anzugszeit t1

Bei der Schnellerregung wird durch Vorschalten eines ohmschen Widerstandes zum Magneten der Gesamtwiderstand vergrößert und die Zeitkonstante verringert. Die Betriebsspannung UB ist deutlich höher als die Nennspannung des Magneten UN. Die Magnetspule wird beim Einschalten (I=0) durch eine hohe Spannung (UB ≫UN ) bei gleichzeitig verringerter elektrischer Zeitkonstante
Tel=LM/(RM+RV)
schneller erregt als ohne Vorwiderstand.
Die Ansprechverzugszeit und Anzugszeit verringern sich entsprechend. Im stationären Betrieb mit I=IN = const. entspricht das Betriebsverhalten und die mechanische Arbeit des Magneten dem bei Normalbetrieb.

Es ist zu berücksichtigen, dass der Vorwiderstand während des stationären Betriebs dauernd eine Verlustleistung verbraucht.










Übererregung

Bei Übererregung wird dem Elektromagneten während des Anzugsvorganges eine erhöhte Spannung zugeführt, um
  • die Schaltzeit zu verkürzen und/oder
  • eine höhere mechanische Arbeit zu erzeugen.
Eine weitere Form der Übererregung besteht darin, einer Teilspule (Anzugsspule LM1) zunächst die gesamte Betriebsspannung anzulegen. Diese wird nach Beedingung der Ankerbewegung mit der sog. Haltewicklung (LM2) in Reihe geschaltet, so dass sich der Nennstrom einstellt
Der Unterschied der "Übererregung" zur Betriebsart „Verkürzte Einschaltdauer“ besteht darin, dass die Spannung nach dem Anzugsvorgang auf einen thermisch ungefährlichen Wert reduziert wird. Der Elektromagnet kann also fast wie ein 100%-ED Gerät betrieben werden. Die Spannungsreduktion erfolgt entweder zeitgesteuert oder mit Endlagendetektion.
Da die Haltekraft bei Nennleistung durch die Magnetauslegung gegeben ist, ist es sinnvoll, die Übererregung maximal soweit zu nutzen, dass die Anzugskraft bei Übererregung der Haltekraft bei Nennbetrieb entspricht.
Die erhöhte Anzugsleistung führt pro Anzugsvorgang zu einer zusätzlichen Erwärmung, deshalb ist für diese Betriebsart eine maximale Schaltzahl Z (Schaltzyklen pro h) festzulegen.
Mit Übererregung kann die Hubarbeit ähnlich gut wie mit verkürzter Einschaltdauer vergrößert werden, allerdings ohne den Nachteil der langen Ausschaltphasen.
Die Übererregungsleistung wird i.d.R. so bestimmt, dass ein Dauerbetrieb möglich ist. Die theoretische maximale Schaltfrequenz ergibt sich dann zu

fsmax= 1/(t1+t2)

Bei höherer Übererregungsleistung können, in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz, stromlose Pausen zur Einhaltung der Temperaturgrenzwerte nötig werden. Diese werden dann applikationsspezifisch durch Tests ermittelt.
Die Aussagen zum Einfluss der Spulenerwärmung auf Magnetstrom, -kraft und Schaltzeit gelten bei Übererregung sinngemäß.
Übererregung kann auch mit Strom- oder Spannungsregelung kombiniert werden, mit den o.g. Vorteilen.