Hubmagnete von KENDRION sind als universelle und kostengünstige Betätigungsmagnete optimal in feinmechanischen sowie industriellen Anwendungen einsetzbar. Ihren Einsatz finden die Hubmagnete in der Transportindustrie, der Energietechnik sowie im Maschinenbau.
Hubmagnete für jede Anforderung
Kendrion verfügt über eine Vielzahl an Standardhubmagneten, um alle Ihre potenziellen Anforderungen zu erfüllen. Prinzipiell arbeiten alle Hubmagnete nach den gleichen Grundprinzipien der Elektromechanik, wobei elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Dies erfolgt durch die Erregung der Magnetspule, wodurch sich der Anker linear bewegt und den Luftspalt zu einem Polstück schließt. Der Anker bewegt sich von der Hubanfangsposition zur Hubendposition. Eine äußere Kraft, beispielsweise eine Feder, ist meist für das Zurücksetzen des Ankers verantwortlich. In einigen Fällen, wie bei den bistabilen Hubmagneten, wird jedoch keine Feder benötigt, und beide Endpositionen können mit Hilfe eines integriertem Permanentmagneten gehalten werden. Abhängig von der Hublänge, der Gesamtgröße des Elektromagneten, den Schaltzeiten und der für den Betrieb erforderlichen Versorgungsspannung sind verschiedene Ausführungen erhältlich, die zu Ihren Anforderungen passen. Beispielsweise arbeiten die meisten Standardhubmagnete mit einem Gleichstromsignal, während unsere Wechselstrommagnete mit Wechselstromsignalen oder pulsierenden Gleichstromsignalen betrieben werden. Dies ist nur ein Beispiel für die große Auswahl an Standardhubmagneten, die Kendrion zu bieten hat.
- Hubmagnete der runden Bauform sind durch lange Hübe und große Kräfte gekennzeichnet. Nach Erreichen des maximalen Hub weisen sie einen geringen Stromverbauch auf.
- Umkehrhubmagnete bestehen aus zwei Spulen und können damit beide Richtungen ansteuern.
- Rahmenmagnete sind kostengünstig Hubmagnete und weisen einen vergleichsweise geringen Materialeinsatz auf.
- Hochleistungsmagnete sind kompakte Hubmagnete, die sich perfekt für begrenztem Bauraum eignen.
- Mono- / bistabile Hubmagnete zeichnet aus, dass sie die Endpositionen stromlos halten können.
- Wechselstromhubmagnete haben eine extrem hohe Schaltleistung und einen langen Hub, wodurch die für den Magneten erforderliche Gesamtgröße kleiner ist als sein Gleichstrom-Gegenstück.
Bei unseren Standardprodukten bieten wir kurze Lieferzeiten, garantierte Qualität und viele zuverlässiger Lösungen für Ihre Anforderungen.
Sprechen Sie mit unserem Verkaufsteam. Viele unserer Standardprodukte können schnell an Ihre Bedürfnisse angepasst werden. Falls eine komplette Neuentwicklung benötigt wird, sind wir aufgrund unserer langjähriger Erfahrung bei der Entwicklung elektromagnetischer Lösungen genau der richtige Partner für Sie. Kontaktieren Sie uns!
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 erreicht wird wie z.B.
- Stromloses Halten und / oder
- Umkehr der Bewegungsrichtung oder
- Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme
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.
Wie funktionieren Betätigungsmagnete?
Betätigungsmagnete bewegen ein mechanisch verschiebbares Teil mit vorgegebener Kraft über einen vorgegebenen Weg (Hub s).
Federkräfte Werden Federn in Betätigungsmagneten eingesetzt, so reduzieren oder verstärken sie die nach außen verfügbare mechanische Kraft.
Haltekräfte In der Hubanfangs- bzw. Hubendposition kann der Anker des Elektromagneten mit einer Haltekraft FH verharren (siehe Bild rechts). Meist wird eine der Positionen durch magnetische Kräfte gehalten, die jeweils andere durch eine Feder oder andere externe Kräfte. Je nach Magnetkonfiguration wird die magnetisch gehaltene Position mittels Stromfluss der Spule oder durch Dauermagnete gehalten.
Rückstellung des Ankers
Vor Ausführung eines neuen Arbeitshubs muss der Anker in die Hubanfangsposition zurückgestellt werden. Das erfolgt mittels eingebauter oder externer Feder oder von außen durch den mechanischen Antrieb, in dem der Elektromagnet eingesetzt ist.
Bei Umkehrhubmagneten wechselt mit der aktiven Arbeitsrichtung auch die Hubanfangs- und Hubendposition.
Welche Reibungsverluste entstehen?
Reibung
Der Magnetanker ist auf Grund von geometrischen Asymmetrien niemals entlang seines Umfangs den gleichen Kräften ausgesetzt. Ungleich verteilter magnetischer Fluss, mechanische Asymmetrie und äußere Kräfte (z.B. Gravitation) führen während der Ankerbewegung zu Lagerreibung, die die nutzbare Magnetkraft verringert (rechts untere Kurve). Deshalb wird die Magnetkraft FM für den Magnethub abzüglich der Reibungskraft angegeben.
Für die Rückstellung des Ankers gegen die Anzugsrichtung unter Strom wird dagegen die Kraft benötigt (Bild rechts, obere Kurve).
Gleichzeitig verstärkt der Lagerabrieb die Asymmetrie und die Reibung und führt zu Alterung, wodurch die Anzahl erreichbarer Bewegungszyklen begrenzt wird.
Was passiert bei der Magneterwärmung?
Erwärmung der Betätigungsmagnete
Die Funktionen des Betätigungsmagneten ist bei normgerechter Umgebungstemperatur in Verbindung mit der Eigenerwärmung durch das Design sichergestellt.
Bei höheren Umgebungstemperaturen müssen Einbußen an der erreichbaren Hubarbeit hingenommen werden, da die Leistungsaufnahme reduziert werden muss. Dies geschieht um die Isolierstoffe vor Beschädigung zu schützen.
Weitere Wärmequellen
Zusätzlich wird die Temperatur der Spule wesentlich durch Wärmeableitung oder –zufuhr von anderen Maschinenbauteilen bestimmt. Durch guten mechanischen Kontakt (oft metallisch, gut wärmeleitend) kann die Temperatur sehr stark von anderen Quellen beeinflusst werden. Besonders bei Betrieb an heißen Anbauteilen muss deshalb die Spulenerwärmung im Betrieb überprüft werden.
Wie kann das optimale Magnetdesign erreicht werden?
Um bei einem gegebenen Magnetvolumen das beste Verhältnis von elektrischer Leistung zu mechanischer Arbeit zu erreichen, muss das optimale Design für die zugrunde liegende Leistungsaufnahme (im Warmzustand!) gefunden werden. Das Optimum besteht hauptsächlich aus dem richtigen Verhältnis des Spulenquerschnitts zum Magnetkreisquerschnitt.
Außerdem spielen bei der optimalen Auslegung weitere Kriterien eine Rolle, weshalb ein Elektromagnet umfassend berechnet und auf den Einsatzfall zugeschnitten wird.
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.
