Verständnis von Magnetventil-Bauform und -Funktion

Ein Magnetventil ist eine Drahtspule, die bei Aktivierung ein Magnetfeld in ihrem Kern erzeugt. Dieses elektromechanische Gerät weist eine elektromagnetische Linearbewegung auf, wenn es einem elektrischen Strom ausgesetzt wird. Dieses Magnetfeld bewegt einen eisenhaltigen Anker, der den Durchfluss durch ein Magnetventil ermöglicht oder blockiert. Magnetventile werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses in hydraulischen und pneumatischen Systemen. Dieser Artikel beschreibt die Bauform eines Magnetventils und wie es funktioniert.

Inhaltsverzeichnis

• Bauform des Magnetventils
• Wie funktioniert ein Magnetventil
• Formel für das Magnetfeld eines Magnetventils
• Widerstand der Magnetventilspule vs. Temperatur
• Kräftegleichgewicht im Magnetventil
• Anwendungen von Magnetventilspulen
• FAQs

Bauform des Magnetventils

Wie in Abbildung 2 zu sehen, sind die Teile eines Magnetventils 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 ist eine einzelne Windung oder einige 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 Edelstahlfeder, 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 Magnetventilkolben genannt.

Wie funktioniert ein Magnetventil

Ein Magnetfeld wird erzeugt, wenn Strom in einem Magnetventil 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 magnetischer Kreislauf für das Magnetfeld. Mit anderen Worten, der Kern wirkt als geschlossener Pfad, der das Magnetfeld begrenzt.

Das Magnetfeld induziert eine Kraft auf den Anker, die ihn entweder nach oben zieht oder nach unten drückt. Die Norm ist, den Anker nach oben zu ziehen, aber wenn man die Seite des Ankers, die nahe am feststehenden Kern liegt, mit einer Schubstange verlängert, führt dies dazu, dass das Feld den Anker nach unten drückt. 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 ursprüngliche Position zurück.

Schließlich bietet der Kurzschlussring einen Pfad mit niedriger Impedanz für einen Hochspannungsimpuls, der entsteht, wenn sich das Magnetfeld auflöst. Dies verringert die Größe und Dauer des Spannungsimpulses, was den Stromkreis schützt.

DC vs AC Magnetventilspulen

Es gibt Vor- und Nachteile bei der Arbeit mit DC- oder AC-Magnetventilen. Ein DC-Magnetventil funktioniert wie oben erklärt. DC-Strom, der durch ein Magnetventil fließt, erzeugt eine magnetische Kraft, die stark genug ist, um die Federkraft zu überwinden und den Anker in die Spule zu heben. Wenn die Spule nicht erregt wird, drückt die Feder den Anker wieder nach unten.

AC-Spulen sind komplexer, da AC die Polarität wechselt. Zweimal pro Periode ist der Strom null, was die magnetische Kraft auf null setzt. 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-Kurzschlussring 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 stetigen, unveränderlichen Strom liefert, der länger braucht, um Magnetfelder auf- und abzubauen. Im Gegensatz dazu ändert AC schnell die Richtung, was es ermöglicht, Magnetfelder schneller und effizienter anzupassen, wodurch AC-Spulen energieeffizienter sind.

Formel für das Magnetfeld eines Magnetventils

Das Magnetfeld einer Magnetventilspule hängt von der Anzahl der Windungen pro Längeneinheit, der Stärke des Stroms durch die Spule und der Permeabilität des Magnetventilmaterials 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

Spulenwiderstand vs. Temperatur bei Magnetventilen

Die Beziehung zwischen der Temperatur eines Magnetventils und seinem Widerstand ist ein entscheidender Faktor für die Leistung und Zuverlässigkeit von Magnetventilen und -aktoren. Mit steigender Temperatur der Magnetspule erhöht sich auch der Widerstand des Magnetventils. Diese Beziehung beruht hauptsächlich auf dem Temperaturkoeffizienten des Widerstands des leitfähigen Materials, typischerweise Kupfer, das in den Spulenwicklungen verwendet wird.

Formel für Widerstand und Temperatur

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

Der Widerstand einer Magnetspule ( 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 Magnetspule mit einem Widerstand von 10 Ohm bei 25 °C wird ihren Widerstand auf etwa 13,9 Ohm bei 125 °C erhöhen. Dieser 39%ige Anstieg des Widerstands über einen Temperaturanstieg von 100 °C veranschaulicht den erheblichen Einfluss, den die Temperatur auf den Spulenwiderstand haben kann.

Stromreduzierung

Mit zunehmendem Widerstand der Spule nimmt der durch die Spule fließende Strom bei einer gegebenen angelegten Spannung gemäß dem Ohmschen Gesetz (V = IR) ab. Diese 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 nimmt die Aktorkraft des Magnetventils ab, was möglicherweise die Leistung des Magnetventils oder -aktors beeinträchtigt.

Praktische Anwendungen

In praktischen Anwendungen ist es wichtig, die thermische Umgebung und den Arbeitszyklus des Magnetventils zu berücksichtigen. Anwendungen mit Dauerbetrieb, bei denen das Magnetventil über längere Zeiträume erregt wird, können zu erheblichen Temperaturanstiegen und erhöhtem Widerstand führen. Anwendungen mit Aussetzbetrieb, 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 entwickelt, um 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 konzipiert sein, dass sie thermische Klassen wie Klasse H erfüllen, die höhere Betriebstemperaturen ohne Beeinträchtigung der Leistung ermöglichen. 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 Betriebsperiode 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 von AC-Magnetspulen

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

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

Temperatureffekte 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 immer noch 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 Effekt der Temperatur auf die Gesamtimpedanz im Vergleich zu einer DC-Spule etwas abgemildert.
• Magnetische Kraft: Die von einem AC-Magnetventil erzeugte magnetische Kraft ist ebenfalls 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-Magnetventilen.
• Erwärmung und Abkühlung: AC-Magnetventile können auch eine Erwärmung aufgrund von Wirbelstrom- und Hystereseverlusten im magnetischen Kern erfahren, zusätzlich zu den I²R-Verlusten in der Spule. Diese zusätzlichen Erwärmungsmechanismen können zum gesamten Temperaturanstieg des Magnetventils beitragen.

Kraftgleichgewicht im Magnetventil

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

Wobei:

• F_s: Magnetkraft (N)
• p: Druck (Pa) (10⁵ Pa = 1 bar)
• A: Öffnung (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 gesteuerte Ventile verwendet werden. Indirekt gesteuerte 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 Regelung 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 Drahtquerschnitt, 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.