Auswahl einer AC- oder DC-Magnetventilspule

Magnete sind elektromechanische Geräte, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Es gibt zwei Haupttypen von Magnetventilen: AC-Magnete und DC-Magnete. Wechselstrommagnete werden mit Wechselstrom (AC) betrieben, während Gleichstrommagnete mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. In diesem Artikel werden die Unterschiede und Konstruktionsüberlegungen zwischen Wechselstrom- und Gleichstrommagnetspulen für eine Anwendung verglichen.

Funktionsprinzip des Magneten

Magnete sind die wichtigsten Komponenten, die in Magnetventilen zur Steuerung des Durchflusses von Flüssigkeiten und Gasen verwendet werden. Magnete sind elektromechanische Geräte, die elektrische Wechsel- oder Gleichstromenergie in eine lineare Bewegung umwandeln. Sie bestehen in der Regel aus einer spiralförmigen Spule, die konzentrisch um einen beweglichen Zylinder, den so genannten Anker, gewickelt ist, der aus einem ferromagnetischen Material wie Eisen oder Stahl besteht. Die meisten Magnetventile haben eine austauschbare Spule und können mit Spulen verschiedener Spannungen verwendet werden.  

Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld in der Spule, das den Anker zur Mitte des Magneten hin anzieht, wobei die gleichen Grundprinzipien wie bei gewöhnlichen Elektromagneten gelten. Da der Anker unabhängig von der Polarität des Stroms zur Mitte der Magnetspule gezogen wird, ist eine Gegenkraft erforderlich, um den Anker in die Startposition zurückzubringen, wenn die Spule nicht erregt ist. Dies wird durch die Verwendung eines Federmechanismus erreicht. Um den Magneten zu betätigen, muss die vom Magneten erzeugte Kraft unter idealen Bedingungen größer sein als die kombinierten Kräfte der Feder, des Hydraulikdrucks und der Reibung.

Durch Anheben des Ankers wird eine kleine Öffnung im Ventil geöffnet, die den Durchfluss des Mediums ermöglicht. Der Durchfluss durch das Ventil kann durch Einschalten oder Ausschalten der Spule gesteuert werden. Es gibt zwar verschiedene Arten von Magnetventilen, die sich in ihrem mechanischen Aufbau unterscheiden, aber die Grundidee eines Magnetantriebs, der auf eine Steuerfläche wirkt, ist bei allen Magnetventiltypen gleich.

Die Polarität der elektrischen Kontakte ist bei AC- und DC-Magnetventilen nicht von Bedeutung. Bei Wechselstrom-Magnetventilen dürfte dies offensichtlich sein, da der Strom ohnehin zweimal pro Periode die Polarität wechselt. Bei Gleichstrom-Magnetventilen wird durch den Stromfluss durch die Spule ein Elektromagnet erzeugt, der eine Anziehungskraft auf den Anker ausübt. Wenn Strom durch die Spule fließt, wird der Anker immer in Richtung der Spule gezogen, unabhängig von Kontakt und Strompolarität.

Unterschiede zwischen AC- und DC-Magneten

Die Funktionsweise von Gleichstrommagneten ist relativ einfach: Der Magnet kann erregt sein, so dass die vom Magneten erzeugte Magnetkraft den Federwiderstand überwindet und den Anker zur Mitte der Spule hin bewegt, oder er ist nicht erregt, so dass die Federkraft den Anker in die Ausgangsposition zurückdrückt.

Bei Wechselstrommagneten ist die Betriebstheorie etwas komplizierter. Der Wechselstrom kann durch eine sinusförmige Wellenform angenähert werden. Infolgedessen hat der Strom zweimal pro Periode einen Nulldurchgang, was bedeutet, dass der Strom, der zu diesem Zeitpunkt durch die Spule fließt, gleich Null ist.

Da die von der Magnetspule erzeugte Magnetkraft in direktem Verhältnis zu dem durch die Magnetspule fließenden Strom steht, überwindet die Federkraft die von der Magnetspule erzeugte Kraft für eine kurze Zeitspanne, nämlich zweimal pro Periode. Dieses Problem äußert sich in einer Vibration des Ankers, die ein Brummgeräusch erzeugt und zu einer Belastung der Magnetventilkomponenten führen kann. Um dieses Problem zu vermeiden, wird in der Nähe der Spule um den Anker herum ein einfacher leitender Ring, ein so genannter Abschattungsring, angebracht. Der Schattierungsring besteht in der Regel aus Kupfer. Die Funktion eines Abschattungsrings besteht darin, magnetische Feldenergie zu speichern und sie mit einer Phasendifferenz von 90 Grad abzugeben.

Die Wirkung eines Abschattungsrings besteht darin, dass das von der Primärspule erzeugte Magnetfeld gegen Null abnimmt, während das vom Abschattungsring erzeugte Magnetfeld Spitzenwerte erreicht, wodurch die Lücke in der Magnetfeldamplitude während der Nulldurchgänge effektiv gefüllt wird und die Vibrationen eliminiert werden. Die meisten Magnetventile, die mit verschiedenen Spulenspannungen verwendet werden können, haben einen eingebauten Abschattungsring.

Wenn sich um die Armatur herum Schmutz ansammelt, kann die Wirkung des Abschattungsrings eingeschränkt sein und eine andere Lösung ist erforderlich. Ein Beispiel für eine andere Lösung ist die Verwendung einer elektronischen Schaltung, die den Magnetstrom filtert, so dass es keine Nulldurchgänge gibt. Diese Schaltung kann in die Magnetventilspule selbst eingebettet sein oder extern aufgebaut werden. Sie wird in der Regel mit Gleichrichterdioden und einem Filterkondensator in einer Vollwellen-Gleichrichter-Topologie realisiert.

Verwendung von AC-Spulen mit DC-Strom und umgekehrt

In einigen Fällen können Spulen, die für Wechselstrom ausgelegt sind, mit Gleichstromversorgungen verwendet werden und umgekehrt. Allerdings gibt es einige Einschränkungen zu beachten.

Die Verwendung einer Spule, die für Wechselstrom ausgelegt ist, mit einer Gleichstromversorgung ist möglich, aber die Spannung (und der Strom) muss begrenzt werden, da sonst der Magnet durchbrennen könnte. Der Grund dafür ist, dass Spulen im Wechselstrombetrieb einen induktiven Blindwiderstand haben, der sich mit dem elektrischen Widerstand der Spule addiert. Infolgedessen ist die Impedanz einer Spule im Wechselstrombereich um ein Vielfaches höher als im Gleichstrombereich. Die Verwendung eines Magnetventils mit einer Nennspannung von 24 VAC mit einer 24-V-Gleichstromversorgung würde das Magnetventil höchstwahrscheinlich beschädigen, da der effektive Strom, der durch das Magnetventil fließt, bei Gleichspannung viel höher ist.

Leider gibt es keinen festen Faktor für das Derating der Versorgungsspannung. Der Effektivstrom sollte im Wechselstrombereich gemessen werden, und dieser Strom sollte auch als Zielwert für den Gleichstrombereich festgelegt werden. Einige Möglichkeiten, dieses Ziel zu erreichen, wären die Reduzierung der Versorgungsspannung oder die Verwendung eines Strombegrenzungswiderstands.

Die Verwendung einer Spule, die für Gleichstrom ausgelegt ist, mit einer Wechselstromversorgung birgt das Risiko von Vibrationen, da Gleichstrom-Magnetventile möglicherweise keinen Abschattungsring oder eine Gleichrichterschaltung enthalten. Diese Vibrationen können den Magneten beschädigen, indem sie die Komponenten im Laufe der Zeit belasten, und sie können zum Lärmpegel im Raum beitragen. Dies kann durch die Verwendung einer externen Vollwellengleichrichterschaltung mit einem kapazitiven Filter umgangen werden.

Ein weiteres Problem ist, dass der effektive Strom in diesem Fall um ein Vielfaches niedriger ist und die von der Spule erzeugte Magnetkraft möglicherweise nicht ausreicht, um den Anker aus seiner Ruhelage zu bewegen. Eine Lösung wäre, eine höhere Spannung zu verwenden, damit der Effektivstrom dem Nennstrom des Magneten entspricht.

Überlegungen zur Konstruktion von AC- und DC-Magneten

Wenn ein Magnetventil vom AUS- in den EIN-Zustand übergeht, sollte das Magnetventil im Idealfall zunächst mehr Kraft erzeugen, um die Federspannung in Kombination mit dem gegen das Ventil wirkenden Hydraulikdruck zu überwinden. Sobald der Durchfluss hergestellt ist, nehmen die auf den Ventilmechanismus wirkenden hydraulischen Kräfte ab, und der Magnet kann die erzeugte Kraft verringern, um den Stromverbrauch und die Erwärmung zu reduzieren.

Wechselstrommagnete folgen diesem Idealverhalten eher als Gleichstrommagnete. Bei Gleichstrommagneten steigt der Strom beim Einschalten der Spule asymptotisch auf einen bestimmten Wert an, der vom Widerstand der Spule abhängt. Daraus ergibt sich ein geringerer Anfangsstrom (und eine geringere Anfangskraft, die zu einer langsameren Ventilöffnung führt). Sobald das Ventil geöffnet ist, bleibt die Stromaufnahme auf einem konstanten Wert, der größer ist als der, der zum Offenhalten des Ventils erforderlich ist. Dies hat zur Folge, dass Gleichstrommagnete ohne externe Schaltung im offenen Zustand eine beträchtliche Menge an Energie verschwenden.

Bei Wechselstromkreisen wird die Impedanz einer Spule nach der folgenden Formel berechnet:

In der obigen Formel ist Z die Impedanz, R ist der elektrische Widerstand der Spule, j ist eine Konstante gleich der Quadratwurzel aus -1, die in dieser Gleichung eine Phasenverschiebung um 90 Grad bewirkt, f ist die Frequenz und L ist die Induktivität der Spule. Zunächst ist der Luftspalt groß und damit die Spuleninduktivität klein, was zu einer kleineren Impedanz und einem größeren Strom durch die Spule führt. Ein größerer Strom entspricht einer höheren Magnetkraft auf den Anker.

Wenn sich das Ventil öffnet, wird der Luftspalt immer kleiner, und die Impedanz der Spule steigt rapide an, wodurch der Strom durch die Spule sinkt. Ein geringerer Strom durch die Spule führt zu einem geringeren Stromverbrauch und einer geringeren Wärmeabgabe. Aus diesem Grund erzeugen Wechselstrommagnete eine anfängliche Stromspitze, die ein schnelleres und stärkeres Öffnen des Ventils ermöglicht. Sobald das Ventil geöffnet ist, sinkt der Strom, was den Stromverbrauch reduziert.

Obwohl Wechselstrommagnete von Natur aus energieeffizienter sind, weisen sie einige mögliche Nachteile auf. Eine davon ist die Verlustleistung aufgrund von Wirbelströmen, die sich durch die elektromagnetische Induktion im Anker bilden. Ein weiterer Nachteil ist die Gefahr von Vibrationen, die durch die Verwendung von gut durchdachten Magnetventilen mit entsprechenden Abschattungsringen gemildert werden kann. Außerdem bieten moderne Steuersysteme in der Regel eine einfachere Schnittstelle zu Gleichstromausgängen, so dass die Verwendung von Wechselstrommagneten mit diesen Systemen umständlicher sein kann und den Einsatz zusätzlicher Relais erfordert.

Gleichstrommagnete können durch den Einsatz externer Schaltungen effizienter gemacht werden, die den Spulenstrom so formen können, dass eine anfängliche Stromspitze zum Öffnen des Ventils erforderlich ist. Sobald sich das Ventil öffnet, kann der Strom auf einen Wartungsstrom reduziert werden, der gerade ausreicht, um das Ventil durch Ziehen des Ankers gegen die Federspannung zuverlässig offen zu halten.

Diese externen Schaltungen können so einfach sein wie die Reihenschaltung der Spule mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator. In einer solchen Schaltung sorgt die Aufladung des Kondensators durch die Spule für eine anfängliche Stromspitze in der Spule. Nachdem der Kondensator aufgeladen ist, lässt der Strombegrenzungswiderstand den gesamten Strom durch. Der Nachteil eines solchen simplen Ansatzes ist, dass ein Teil der Energie für die Erwärmung des Strombegrenzungswiderstands verschwendet wird.

Es gibt weitaus komplexere Ansätze mit Schaltnetzteilen, die einen programmierbaren Strom an die Spule liefern. Diese Netzteile können sowohl mit AC- als auch mit DC-Magnetventilen und -Stromversorgungen arbeiten. Sie sorgen für einen guten Öffnungsimpuls des Ventils und eine geringere Leistungsaufnahme während des Öffnungsvorgangs, was zu einem besseren Wirkungsgrad, weniger Erwärmung und einer längeren Lebensdauer des Magnetventils führt.