Aus Strom wird Kraft – Hubmagnete

Elektromagnetische Aktuatoren ermöglichen eine schier endlose Zahl von Implementierungen. Die Fähigkeit, kostengünstige und leicht einzusetzende elektrische Signale in mechanische Bewegung umzusetzen, eröffnet viele Anwendungsfelder, die alternativen Antriebssystemen wie Pneumatik oder Hydraulik verwehrt bleiben. So zum Beispiel in der Sicherheitstechnik, wo Hubmagnete elektrisch gesteuerte Türriegel bewegen. Auch Geräte wie Automotoren werden nahezu immer mithilfe von Linearmagneten realisiert, die den Zündstromkreis schalten. Insbesondere Relais oder Ventile profitieren stark von der Möglichkeit elektrischer Steuerung, die sich zum Beispiel unter Wasser einsetzen lässt. Nicht zuletzt werden Linearmagneten als Lastheber, Stempel oder Stanzer in der automatisierten Industrie verwendet.

Einfach-Hubmagneten besitzen einen Anker innerhalb einer Spule, der bei Anlegen einer Spannung von seiner Anfangs- in eine Endlage bewegt wird. Die Rückstellung in die Anfangslage erfolgt meist über mechanischen Federn. Hubmagneten können auch mono- oder bistabil sein, je nachdem, ob der Anker in seiner Anfangs- und/oder Endlage ohne Kraftaufwand arretiert werden kann. Diese Arretierung wird über einen Permanentmagneten erreicht, den man deaktivieren kann. Hubmagneten sind einfach linear oder zylindrisch und in einem metallischen Gehäuse, um magnetische Eigenschaften zu verbessern.

Doppel-Hubmagneten haben zwei Endstellungen, die durch zwei separate Spulen angesteuert werden können. Sie eignen sich für Schaltungen mit mehreren anzusteuernden Zuständen.

Umkehr-Hubmagneten verfügen ebenfalls über zwei End-, jedoch keine herkömmliche Ausgangsstellung. Ein Wechsel zwischen beiden Endstellungen ist durch Umpolung möglich. Durch Dauerbestromung behält man die jeweilige Endstellung bei. Diese Magnete werden häufig für Relais eingesetzt.

Haftmagneten ziehen ferromagnetische Stoffe an und halten sie fest. Mit ihnen fixiert man zum Beispiel Werkstücke.

Klappankermagneten besitzen einen klappenden Anker statt eines linear bewegten. Sie werden beispielsweise bei Magnetventilen eingesetzt.

Wechselstrommagnete funktionieren nicht über Gleich-, sondern Wechselstrom. Besonders daran sind sehr kurze Einschaltzeiten sowie weit stärkere Anziehungskräfte. Wechselstrommagnete kommen zum Beispiel bei der Konstruktion von Elektromotoren zum Einsatz.

Drehmagnete verfügen über Kugellager. Diese drehen die Scheibe zum positiven Magnetfeld, dadurch entsteht die Drehkraft. Mit Strom wird der Metallkern hinten in die Spule gezogen. Schaltet man den Strom ab, kehren sie in die Ausgangsposition mithilfe einer Feder auf der Scheibe zurück.

Ein weiterer Vorteil von elektromechanischen Magneten liegt in ihrer einfachen Konstruktion: Sollte einmal eine Komponente schadhaft sein, lässt sie sich kostengünstig ersetzen. Dadurch vereinfacht sich deutlich die Instandhaltung und es müssen selten komplette Geräte neu gekauft werden.

Einzeln erhältlich sind zum Beispiel Rückstellfedern, die viel Verschleiß ausgesetzt sind. Hierbei sollte jedoch genau auf die korrekten Federkonstanten der Federn geachtet werden. Auch verbaute Permanentmagnete oder Gehäuse können separat gekauft und so im Schadensfall schnell ausgetauscht werden.

Praktisch sind spezielle Haltemagneten, die das Fixieren auf metallischen Oberflächen einfach gestalten.

Eine der wichtigsten Eigenschaften beim Einsatz von Elektromagneten ist der Hub. Von ihm hängt ab, welche Bewegungen und folglich auch welche Aufgaben ausgeführt werden können. Der Hubweg ist die Strecke, die der Anker eines Linearmagneten von seiner Anfangs- bis zu seiner Endstellung zurücklegt. Letztere wird auch als Hubendlage bezeichnet und hängt vom Verhältnis der Rückstellkraft zu der auslenkenden Kraft ab.

Die Hubarbeit ergibt sich aus dem integral der Magnetkraft über dem Magnethub. Sie gibt Aufschluss über die Energie, die für eine Bewegung aufgewandt wird.

Je nach Einsatzgebiet kann der notwendige Hub variieren. Zu schließende Ventile oder andere Formschlüsse lassen sich mit größerem Hub besser realisieren. Im Gegensatz dazu sollte beim Bewegen schwere Lasten eher auf eine große Magnetkraft geachtet werden.

Die Magnetkraft ist die Kraft, die von der Spule in Hubrichtung erzeugt wird. Neben den Eigenschaften der Spule hängt sie stark von dynamischen Faktoren ab. So ist die Magnetkraft höher, wenn die Betriebstemperatur unterhalb eines magnetspezifischen Wertes liegt.

Elektromagnete wie Linearmagnete sind mit verschiedenen Nennspannungen von 12 V oder 24 V bis hin zu 230 V oder mehr erhältlich. Eine dauerhafte Auslastung bei hohen Spannungen wird jedoch nur bei geringen Temperaturen umgesetzt, da die Magnetkraft bei höheren Temperaturen exponentiell abnimmt. Deswegen sollten bei jedem Linearmagneten präventiv Berechnungen durchgeführt werden, um die Kraft des Elektromagneten in Abhängigkeit seiner Umweltbedingungen zu berechnen.

Eine vorausschauend geplante Implementierung ist wichtig. Sie sollte insbesondere eine angemessene Wärmeleitung beinhaltet. Bei deutlich leistungsstärkeren oder einer hohen Anzahl von Magneten, die nahe beieinander liegen, lohnt sich die Einrichtung von Kühlanlagen.

Die Nennspannung beschreibt die Betriebsspannung, auf die der jeweilige Magnet ausgelegt ist – wobei in der Regel eine Toleranz von ± 10 % des gegebenen Wertes eingesetzt werden kann. Der Nennstrom ist der Strom, der sich bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C und bei Anlegen der Nennspannung einstellt. Aus dem Produkt von Nennspannung und Nennstrom erhält man die Nennleistung. Sie ist wichtig für eine vorausschauende Planung von Wärmeentwicklung und Energieverbrauch.

Eine Spannungstoleranz von 10 % ermöglicht zwar ein gewisses Maß an Flexibilität, trotzdem sollte auf den adäquaten Einsatz eines Elektromagneten geachtet werden. Ist der Magnet zu schwach, kann er seine Aufgabe nicht verlässlich erfüllen. Ein zu starker Magnet hingegen verschwendet schnell viel Energie.

Wichtig ist, dass ein Elektromagnet entsprechend seiner Konstruktion an Gleich- oder Wechselstrom angeschlossen wird. Durch den Einsatz von Gleichrichtern ist sogar ein Anschluss von Gleichstrommagneten an Wechselstrom möglich.

Die Einschaltdauer ist die Zeit, die zwischen Ein- und Ausschalten des Erregerstromes liegt. Demgegenüber steht der Begriff der stromlosen Pause, also der Phase zwischen Aus- und Anschalten des Erregerstromes.

Die Spieldauer ist die Summe dieser beiden Werte und limitiert den Auslastungsgrad eines Linearmagneten, da sie die maximale Belastungsfrequenz beschreibt. Das Verhältnis der Einschaltdauer zur Spieldauer ist die relative Einschaltdauer und wird in % (der Einschaltdauer) angegeben. Eine genauere Aufschlüsselung kann in präzisere Prozessabschnitte erfolgen:

Der Ansprechverzug steht für die Zeit zwischen dem Einschalten des Erregerstromes bis zum Beginn der Ankerbewegung. Die Zeit, die der Anker von seiner Anfangs- bis in die Endlage benötigt, wird als Hubzeit bezeichnet. Die Summe dieser beiden Werte ist die Anzugszeit. Beim Abschalten benennt man im Umkehrschluss den Abfallverzug, die Rücklaufzeit und die summierte Abfallzeit.

Generell sind Linearmagneten deutlich langsamer als pneumatische oder hydraulische Systeme. Das sollte bei jeder Implementierung gegenüber anderen Faktoren berücksichtigt werden.

Ein sehr wichtiger Faktor beim Einsatz von Linearmagneten ist die Temperatur. Ungünstig ist dabei, dass elektrische Komponenten zu Wärmeentwicklung neigen, hohe Hitze aber die magnetischen Eigenschaften vieler Materialien komplett zerstören kann. Die wichtigsten Größen sind:

• Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur der Umgebung.
• Die Bezugstemperatur ist die Temperatur eines Magneten im stromlosen Zustand.
• Die Grenztemperatur bezeichnet die höchste Temperatur, bei der ein Magnet noch verlässlich funktioniert.

Die Temperaturentwicklung hängt maßgeblich von der elektrischen Leistung eines Magneten ab und ist generell bei Wechselspannungsmagneten höher.

Eine sinnvolle Lösung besteht in einer thermisch günstigen Planung: Dabei befinden sich die einzelnen Magneten in ausreichend zirkulierender Luft und werden nicht mit zu hoher Dichte eingesetzt. Auch ein Einsatz von metallischen Kühlaggregaten oder Wärmeleitpasten zur Wärmeableitung ist hilfreich.

Müssen viele oder sehr leistungsstarke Magneten eingesetzt werden, ist die Integration eines Kühlsystems zwingend erforderlich. Kühlaggregate, die die Temperatur aus der Luft mit zirkulierenden Kühlmitteln in Verbindung bringen, haben sich aufgrund guter Kühlleistung weitläufig etabliert.

Sind Elektromagnete wasserdicht?

Ob ein Elektromagnet wasserdicht ist, hängt von seinem Gehäuse ab. Magneten nach Bügelbauweise sind nicht wasserdicht, während solche mit einem vollwertigen Gehäuse es durchaus sein können.

Warum sollte man Hubmagneten statt pneumatischen Aktuatoren verwenden?

Hubmagnete lassen sich durch kostengünstige und leicht zu leitende Elektrizität steuern. Im Gegensatz dazu erfordern pneumatische und hydraulische Anlagen ein hohes Maß an Aufwand zur Implementierung und Instandhaltung.

Wie reduziert man den Lärm von Hubmagneten?

Grundsätzlich sind Gleichstrommagneten bedeutend leiser als Wechselstrommagneten. Bei beiden Formen kann zum Beispiel der Einsatz von dämpfenden Gummiringen den Lärm vom Aufschlag des Hubmagneten signifikant verringern.

Gibt es auch Hubmagneten für Wechselspannung?

Ja, allerdings sollte bei diesen beachtet werden, dass die Magnetkraft in Abhängigkeit der Ankerposition weniger linear verläuft, was zu größerem Verschleiß führt.