Was ist ein Solenoid?

Ein Solenoid ist eine Drahtspule, die bei Erregung ein Magnetfeld in ihrem Kern erzeugt. Wenn ein elektrischer Strom durch das Solenoid fließt, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld bewegt einen eisenhaltigen Anker, der den Durchfluss durch ein Magnetventil ermöglicht oder blockiert. Solenoide werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie z.B. zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms in hydraulischen und pneumatischen Systemen. Dieser Artikel beschreibt die Bauform eines Solenoids und wie es innerhalb der Bauform eines Magnetventils funktioniert.

Inhaltsverzeichnis

• Bauform und Funktion des Solenoids
• Formel für das Magnetfeld eines Solenoids
• Formel für die Solenoidkraft
• Widerstand der Solenoidspule vs. Temperatur
• Kräftegleichgewicht im Magnetventil
• Anwendungen von Solenoidspulen
• FAQs

Bauform und Funktion des Solenoids

Wie in Abbildung 2 zu sehen, sind die Teile eines Solenoids folgende:

• Spule (A): Ein Kupferdraht, der eng um den feststehenden Kern gewickelt ist.
• Feststehender Kern (B): Ein ferromagnetischer Zylinder
• Kurzschlussring (C): Ein Kurzschlussring oder eine Kurzschlusswicklung besteht aus einer oder wenigen Windungen eines elektrischen Leiters (Kupfer oder Aluminium). Der Kurzschlussring erzeugt eine Phasenverschiebung im Magnetfeld, was hilft, Geräusche und Vibrationen zu reduzieren, indem ein reibungsloserer Betrieb des elektromagnetischen Geräts gewährleistet wird.
• Feder (D): Eine Feder, die den Anker in seine Normalposition zurückbringt, wenn die Spule nicht erregt ist.
• Anker (E): Teil des feststehenden Kerns, der sich bewegt, wenn die Spule erregt wird, auch Solenoidkolben genannt.

Warum gibt es eine Feder in einem Solenoid?

Die Feder im Magnetventil erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

• Rückkehrmechanismus: Die Feder bewegt das Ventil in seine Ausgangsposition, wenn das Solenoid ausgeschaltet ist. Mit einer Feder schließt oder öffnet sich das Ventil, je nach Ausgangsposition, wenn der elektrische Strom abgeschaltet wird.
• Stabilität und Kontrolle: Ein erregtes Solenoid erzeugt eine elektromagnetische Kraft. Die Feder sorgt für Stabilität und Kontrolle der Ventilleistung.
• Fail-Safe-Betrieb: Die Feder stellt sicher, dass das Magnetventil die Sicherheit aufrechterhalten kann, indem es sich schließt oder öffnet, wenn keine Stromversorgung vorhanden ist.

Wie funktioniert ein Solenoid?

Ein Magnetfeld wird erzeugt, wenn Strom in einem Solenoid durch die Spule fließt. Die Stärke des Feldes ist direkt proportional zum Strom, der Anzahl der Windungen und der Permeabilität des ferromagnetischen Materials des feststehenden Kerns. Der Kern fungiert als geschlossener Pfad, der das Magnetfeld begrenzt.

Normalerweise zieht das Magnetfeld den Anker nach oben. Wenn jedoch die Seite des Ankers nahe dem feststehenden Kern verlängert ist, drückt das Magnetfeld den Anker nach unten. In beiden Szenarien wird eine Feder komprimiert. Der Anker bleibt in dieser Position, solange das Feld bestehen bleibt. Wenn das Feld sich auflöst, bringt die Feder den Anker in seine Ausgangsposition zurück.

Schließlich bietet der Abschirmring einen niederimpedanten Weg für einen Hochspannungsimpuls, der beim Abbau des Magnetfeldes erzeugt wird. Dies verringert die Größe und Dauer des Spannungsimpulses und schützt so den Stromkreis.

Um das vollständige Funktionsprinzip von Magnetventilen zu verstehen, lesen Sie unseren Überblick über Magnetventile.

DC- vs. AC-Magnetspulen

Der obige Abschnitt erklärt, wie ein DC-Magnetventil funktioniert. DC, der durch eine Magnetspule fließt, erzeugt eine starke magnetische Kraft, 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.

AC-Spulen sind komplexer, da AC die Polarität wechselt. Der Strom ist zweimal pro Periode null, wodurch auch die magnetische Kraft null wird. Da die Federkraft den Anker ständig nach unten drückt, vibriert der Anker und erzeugt ein summendes Geräusch und belastet die Komponenten. Um dieses Problem zu lösen, speichert ein Kupfer-Abschirmring um den Anker einen Teil der magnetischen Energie und reduziert so die Vibration.

Wenn die magnetische Kraft die Federkraft überwindet und der Anker vollständig angehoben ist, kann der durch die Spule fließende Strom reduziert werden, um Energie zu sparen. DC reagiert langsamer als AC, da DC einen gleichmäßigen, unveränderlichen Strom liefert, der länger braucht, um Magnetfelder auf- und abzubauen. Im Gegensatz dazu ändert AC schnell die Richtung, was eine schnellere und effizientere Anpassung der Magnetfelder ermöglicht und AC-Spulen energieeffizienter macht. Lesen Sie unseren Vergleichsartikel, um mehr über die Vor- und Nachteile der Arbeit mit DC- oder AC-Magnetspulen zu erfahren.

Formel für das Magnetfeld einer Spule

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

Wobei:

• B: die magnetische Flussdichte
• μ₀: Die Permeabilitätskonstante, die 12,57 x 10^-7 Hm^-1 beträgt
• I: Der durch die Spule fließende Strom
• N: Die Anzahl der Windungen
• L: Die Länge der Spule

Formel für die Magnetkraft

Die elektromagnetische Kraft einer Magnetspule kann mit folgender Formel berechnet werden:

Wobei:

• F: Magnetkraft
• N: die Anzahl der Spulenwindungen
• I: Strom (Ampere)
• μ₀: Permeabilität des freien Raums (ca. 4𝜋 x 10^-7 Tm/A)
• A: Querschnittsfläche der Spule
• g: Länge des Spalts zwischen Spule und Eisen

Spulenwiderstand vs. Temperatur

Die Beziehung zwischen Spulentemperatur und Spulenwiderstand ist ein entscheidender Faktor für die Leistung und Zuverlässigkeit von Magnetaktoren und Magnetventilen. Mit steigender Temperatur einer Magnetspule erhöht sich auch der Widerstand der Spule. Diese Beziehung ist hauptsächlich auf den Temperaturkoeffizienten des Widerstands des leitfähigen Materials zurückzuführen, typischerweise Kupfer, das in den Spulenwicklungen verwendet wird.

Mit zunehmender Spulenwiderstand nimmt der Strom, der durch die Spule fließt, bei einer gegebenen angelegten Spannung gemäß dem Ohmschen Gesetz (V = IR) ab. Eine Verringerung des Stroms führt zu einer Abnahme der vom Magnetventil erzeugten magnetischen Kraft, die eine Funktion der von der Spule bereitgestellten Amperewindungen (NI) ist. Folglich verringert sich die Betätigungskraft des Magnetventils, was möglicherweise die Leistung des Magnetventilaktors oder -ventils beeinträchtigt.

Formel für Widerstand und Temperatur

Wenn ein Magnetventil erregt wird, wird aufgrund der Leistungsdissipation in der Spule, die proportional zum Quadrat des Stroms (I²R) ist, elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dieser Selbsterwärmungseffekt, kombiniert mit der Umgebungstemperatur und dem thermischen Widerstand zwischen der Spule und ihrer Umgebung, erhöht die Temperatur der Spule.

Der Widerstand einer Magnetventilspule (R(T)) bei einer bestimmten Temperatur (T) kann durch die Formel für den Widerstand eines Magnetventils beschrieben werden:

Wobei:

• R(T): der Widerstand bei Temperatur T
• R₂₅: der Widerstand bei 25 °C
• ⍺: der Temperaturkoeffizient des Widerstands für Kupfer (ungefähr 0,0039 pro Grad Celsius)
• T: die Temperatur in Grad Celsius

Beispiel

Eine Magnetventilspule mit einem Widerstand von 10 Ohm bei 25 °C wird bei 125 °C auf etwa 13,9 Ohm ansteigen. Diese 39%ige Zunahme des Widerstands bei einem Temperaturanstieg von 100 °C veranschaulicht den erheblichen Einfluss, den die Temperatur auf den Spulenwiderstand haben kann.

Praktische Anwendungen

In praktischen Anwendungen müssen die thermische Umgebung des Magnetventils und der Einschaltdauer berücksichtigt werden. Anwendungen mit Dauerbetrieb, bei denen das Magnetventil über längere Zeiträume erregt wird, können zu erheblichen Temperaturanstiegen und erhöhtem Widerstand führen. Magnetventile können für Anwendungen, die über längere Zeiträume betrieben werden, für 100% Einschaltdauer ausgelegt sein, aber auch diese können nicht unbegrenzt betrieben werden. Anwendungen mit intermittierendem Betrieb mit festgelegten Ein- und Ausschaltzeiten ermöglichen es dem Magnetventil, zwischen den Zyklen abzukühlen, wodurch der Temperaturanstieg und dessen Auswirkungen auf den Widerstand gemildert werden.

Hochtemperatur-Magnetventile

Hochtemperatur-Magnetventile sind speziell dafür entwickelt, in Umgebungen zu arbeiten, in denen Standard-Magnetventile aufgrund übermäßiger Hitze versagen würden. Diese Magnetventile verwenden Materialien mit höherem thermischem Widerstand und verfügen oft über fortschrittliche Kühlmechanismen, um erhöhte Temperaturen zu bewältigen.

Beispielsweise können Hochtemperatur-Magnetventile so konstruiert sein, dass sie thermische Klassen wie Klasse H erfüllen, was höhere Betriebstemperaturen ohne Beeinträchtigung der Leistung ermöglicht. Dies macht sie für Anwendungen in rauen thermischen Umgebungen geeignet und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch unter extremen Bedingungen.

Prüfung

Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, messen Sie den Spulenwiderstand nach einer Betriebszeit und vergleichen Sie ihn mit dem Widerstand bei Raumtemperatur. Dieser Vergleich kann helfen, die Betriebstemperatur der Spule abzuschätzen und festzustellen, ob sie innerhalb akzeptabler Grenzen für die Bauform und Anwendung des Magnetventils liegt.

Widerstand der AC-Magnetspule

Bei AC-Magnetspulen ist der gesamte Widerstand gegen den Stromfluss nicht nur auf den Widerstand zurückzuführen, sondern auch auf die induktive Reaktanz. Die Impedanz (Z) einer AC-Spule wird durch folgende Formel beschrieben:

Wobei:

• R: der Widerstand der Spule
• X_L: die induktive Reaktanz, die durch X_L = 2𝜋fL gegeben ist
• f: die Frequenz der AC-Versorgung
• L: die Induktivität der Spule

Temperatureinflüsse auf AC-Spulen

Während der Widerstand (R) der Spule mit der Temperatur zunimmt, ist die induktive Reaktanz (X_L) hauptsächlich eine Funktion der Induktivität der Spule und der Frequenz der AC-Versorgung und ändert sich nicht wesentlich mit der Temperatur. Die Gesamtimpedanz (Z) wird jedoch durch die Zunahme des Widerstands aufgrund der Temperatur beeinflusst.

Praktische Auswirkungen

• Stromreduzierung: Da der Widerstand der AC-Magnetspule mit der Temperatur zunimmt, erhöht sich die Gesamtimpedanz, was zu einer Verringerung des durch die Spule fließenden Stroms führt. Da die induktive Reaktanz jedoch typischerweise viel größer ist als der Widerstand, wird der Einfluss der Temperatur auf die Gesamtimpedanz im Vergleich zu einer DC-Spule etwas abgemildert.
• Magnetische Kraft: Die von einer AC-Magnetspule erzeugte magnetische Kraft ist auch eine Funktion des Stroms und der Anzahl der Windungen in der Spule. Wenn der Strom aufgrund des erhöhten Widerstands abnimmt, nimmt die magnetische Kraft ab, ähnlich wie bei DC-Magnetspulen.
• Erwärmung und Abkühlung: AC-Magnetspulen können auch durch Wirbelströme und Hystereseverluste im magnetischen Kern zusätzlich zu den I²R-Verlusten in der Spule erwärmt werden. Diese zusätzlichen Erwärmungsmechanismen können zum gesamten Temperaturanstieg des Magnetventils beitragen.

Kräftegleichgewicht im Magnetventil

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

Wobei:

• F_s: Magnetkraft (N)
• p: Druck (Pa) (10⁵ Pa = 1 bar)
• A: Öffnungsweite (m²)
• F_spring: Federkraft (N)

Beispiel

Ein gegebener Magnet liefert eine Kraft von 15N. Um diesen Magneten zur Steuerung eines Differenzdrucks von 10 bar zu verwenden, kann die maximale Öffnungsweite berechnet werden.

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

Anwendungen von Magnetspulen

• Verriegelungsanwendungen: Das Magnetfeld zieht den Anker innerhalb des Magneten an, wodurch er sich bewegt und den Mechanismus verriegelt. Eine Feder drückt den Anker zurück, wenn der Strom abgeschaltet wird, und löst die Verriegelung. Magnete können in verschiedenen Verriegelungsanwendungen eingesetzt werden, einschließlich Türen, Verkaufsautomaten, Zugangsbarrieren und vielen anderen Sicherheitsvorrichtungen.
• Automobilanwendungen: Magnete werden in verschiedenen Fahrzeuganwendungen eingesetzt, einschließlich Getriebeschaltung, Motorstart, Betrieb von Kraftstoffeinspritzsystemen, Türverriegelung und Ventilbetätigung.
• Medizinische Anwendungen: Magnete werden in medizinischen Anwendungen zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses, zur Regulierung von Ventilen in medizinischen Gassystemen, zum Betrieb von Pumpen und Spendern sowie zur Steuerung der Bewegung medizinischer Geräte eingesetzt.
• Bahnanwendungen: In der Eisenbahnindustrie werden Magnete zur Betätigung von Weichen und Signalen, zur Steuerung von Bremsen, zur Betätigung von Türen und Fenstern sowie in Dieselmotoren zur Kraftstoffeinspritzung und Abgasrückführung eingesetzt.
• Industrielle Anwendungen: Magnete werden in industriellen Anwendungen zur Steuerung von Ventilen, zum Betrieb pneumatischer und hydraulischer Systeme, zur Betätigung von Kupplungen und Bremsen, zur Steuerung der Bewegung von Geräten sowie in der Automatisierung, Robotik und in Fertigungsprozessen eingesetzt. Ein Aktuator eines Magneten ist typischerweise ein Magnet mit einem ferromagnetischen Kern.

FAQs

Was ist eine Magnetventilspule?

Eine Magnetspule ist ein eng gewickelter Draht, der ein Magnetfeld erzeugt, wenn Strom hindurchfließt, und wird verwendet, um Objekte zu bewegen, Elektrizität zu erzeugen oder einen Magnetaktuator zu aktivieren.

Sind Magnete AC oder DC?

Magnete wandeln AC oder DC in lineare Bewegung um.

Wie viel Widerstand sollte ein Magnet haben?

Der Widerstand eines Magneten variiert je nach Bauform und Anwendung, typischerweise von wenigen Ohm bis zu mehreren hundert Ohm. Überprüfen Sie die Herstellerspezifikationen für den genauen erforderlichen Widerstand.

Was ist der Magnetwiderstand?

Der Magnetwiderstand ist der Widerstand, den eine Magnetspule dem Stromfluss entgegensetzt, gemessen in Ohm.

Wie viel Widerstand sollte ein Magnet haben?

Der Widerstand eines Magneten variiert je nach Bauform, liegt aber typischerweise zwischen wenigen Ohm und mehreren hundert Ohm.

Was beeinflusst den Widerstand einer Magnetspule?

Der Widerstand einer Magnetspule wird durch die Drahtlänge, den Drahtdurchmesser, die Spulentemperatur und das Material des Drahtes beeinflusst.

Wie beeinflusst die Temperatur den Magnetwiderstand?

Der Magnetwiderstand steigt mit der Temperatur aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des Drahtmaterials, typischerweise Kupfer.