Unter einem "Elektromagnet" stellt- man sich in der Regel eine Spulemit Eisenkern vor. Doch schon die be-wegliche Lagerung des Kerns erzeugtunmittelbar mechanisch nutzbare Bewe-gungen. Die Elektromagnete unterteiltman daher in passive und aktive Elektro-

magnete.

und eckige Topfmagnete (Kasten mag ne-te), Hufeisenmagnete und Elektrostab-magnete. Üblicherweise sind die Haftflä-chen plan, Sonderformen können aberauch an der Haftfläche speziell geformtsein, um nicht plane Materialien wie zumBeispiel Rohre zu halten. .Als Spule wird in fast allen Magneten dieklassische Drahtspule eingesetzt. Vorallem im Leistungsbereich gibt es mitt-lerweile auch Spezialspulen mit sehrhoher Packungsdichte und extremerTemperaturfestigkeit für hohe Ströme.Haftmagnete ziehen in der Regel bei Be-stromung an. Lösende Haftmagnete mitintegriertem Permanentmagneten haltenunbestromt und lösen das Gegenstück

Passive Elektromagneteoder Hattmagnete

Passive Magnete üben keine unmittel-bare Bewegung aus. Sie dienen dazu,Materialien zu halten, daher auch die Be-zeichnung Haftmagnete. Spule, Gehäuseund Kern bilden eine feste Einheit. Sieunterscheiden sich primär hinsichtlichBauform, Funktion und Art der Spule, Zuden wichtigsten Bauformen zählen runde

*Rud6lfTremba ist Geschäftsführer derTremb'a GmbHin Neufahm. ,

Elektromagnete können weitmehr, als nur Metalle anzie-hen. Oft sind sie sogar diebessere Alternative zu Pneu-matiken, Elektromotoren oderServoantrieben. Die Begriffs-vielfalt ist jedoch enorm, zumTeil überlappend und selteneindeutig. Im Artikel werdendie grundsätzliche Funktions-weise und die Unterschiededer wesentlichen Basistypendargelegt.RudolfTremba*

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bei Bestromung. Sehr leistungsstarkeHaftmagnete werden auch als lasthebe-magnete bezeichnet. Anwendungenfinden sich zum Beispiel in der Kran-und Hebetechnik.Ein anderes Anwendungsgebiet ist dieSicherheitstechnik. So werden Sicher-heitstüren mit untersteuert betriebenenElektrohaftmagneten gehalten, bis einSignal (Feuermelder o.ä.) den Magnetenlöst und die Tür federgetrieben automa-tisch schließt.

. Bild 1: Miniaturhubmagnet (HMF-O806)mit ziehender Wirkung

Doppelhubmagneten sowie Umkehrhub-magneten. Ein Betätigungsmagnet. deraktiv in zwei Richtungen arbeitet. wirdauch als bidirektional wirkender Magnetbezeichnet. Nach Bauform geordnet gibtes hauptsächlich offene und geschlos-sene Bügelmagnete sowie Zylinder-magnete. Bei offenen Bügelmagnetensitzt die Spule in einem u-förmigen Me-tallbügel. Diese Variante ist preiswert.verhältnismäßig leicht und wird auf-grund des geringeren Wirkungsgradesgern für kleinere Bauformen verwendet.Bei geschlossenen Bügelmagneten um-fasst der Rahmen mindestens vier Seitender Spule. Hochwertige Bügelmagnetebestehen aus einem nahtlos geschlos-senen Rahmen und verfügen damit übereinen hohen Wirkungsgrad. Sie findensich im Bereich mittlerer und ho her Kräf-te vor allem bei Industrieanwendungenwieder (Aufmacherbild).Drehmagnete besitzen eine Welle, die beiBestromung der Spule um einen be-stimmten Winkel dreht. Auch sie sind inder Basisform unbestromt kraftlos. EineRückbewegung in die Ausgangspositionerfolgt beispielsweise durch ergänzendeRückholfedern. Drehmagnete arbeiten

Aktive Elektromagnete oderBetätigungsmagneteAktive Elektromagnete dagegen übenunmittelbar eine mechanisch nutzbareBewegung aus. Als Überbegriff hat sichdaher auch die Bezeichnung Betäti-gungsmagnete eingebürgert. Bei diesenMagneten sind entweder Spule und Mag-netkern beweglich zueinander gelagertoder ein beweglicher Anker ist hinzuge-fügt. Daraus ergeben sich drei verschie-dene Grundbewegungen: ziehen/drü-cken, drehen und klappen sowie entspre-chende Bezeichnungen: Hubmagnete(Bild 1), Drehmagnete und Klappanker-

magnete.Stark vereinfacht ausgedrückt erzeugenHubmagnete eine lineare Bewegung, in-dem der Kern bei Bestromung in die Spu-le eingezogen wird. Dabei wird der Mag-netkreis über einen Luftspalt geschlos-sen. Damit sind technisch sogar Hub-magnete möglich, deren Spule außer-halb der mechanisch aktiven Komponen-ten liegt.Der einfachste Weg, eine drückende Wir-kung zu erzeugen, ist es, den Tauchkernum einen Druckstift zu verlängern: FährtderTauchkern auf der einen Seite hinein,drückt der Stift auf der anderen Seite derSpule hinaus. Unbe~tromt liegt derTauchkern kraftlos im Lager.

sehr präzise, stellen aber fertigungstech-nisch ebenso hohe Anforderungen.Günstige Alternativen sind Hubdreh-magnete. Sie bieten einen klaren Preis-

vorteil, wenn die geringe axiale Ver-schiebung mechanisch kompensiertwird oder für die Anwendung nicht

störend ist.Klappankermagnetewirken über einenbeweglichen Anker. Er wird wie ein Hebelvon der Spule angezogen und führt eineArt klappende Bewegung aus. Klapp-ankermagnete finden millionenfach An-wendung in Relais, um über die Hebel-wirkung Schaltkontakte zu öffnen und zuschließen. In der Regel sind sie mit einerRückholfeder ausgestattet, die den Ankerin die Ausgangsposition zurückholt.

Auswahlkriterien für Magnete,Verschleiß und Alterung

Zu den wesentlichen Auswahlkriterieneines Magneten zählen in erster Linie dieHaltekraft bei passiven Magneten undder Kraft-Hub-Verlauf bei aktiven Magne-ten. Dazu kommen die Art der Bewe-gung, Baugröße, ergänzende Funktionen(zum Beispiel arretierend oder bidirektio-nal} und lebensdauer. Als Faustregel gilt:Der optimale Magnet ist der, der beikleinster Bauform die erforderlichen Kräf-te mit ausreichender Toleranz nach obenliefert und der mechanischen Belastungstandhält.Wie alle elektromechanischen Bauteileverschleißen auch Elektromagnete. Pas-sive Magnete altern hauptsächlich durchKorrosion, aktive Elektromagnete durchdie mechanische Belastung. Der Ver-schieiß ist ein schleichender Prozess undder Punkt der Funktionsunfähigkeithängt stark von der Applikation ab. Sotestet beispielsweise Tremba mit eigenenVorrichtungen die lebensdauer nach

...

Arten von aktivenElektromagnetenSpezielle Konstruktionen mit mehrerenoder geteilten Spulen, integrierten Per-manentmagneten oder Federn könnenHubmagneten zahlreiche interessanteFunktionen hinzufügen: strom los in eineroder mehr Positionen arretierend, angleicher Seite ziehend und drückend wir-kend etc. (Bild 2). Je nachdem, ob einHubmagnet in einer Richtung oder inzwei Richtungen wirkt und mit oder oh-ne Mittelsteilung arbeitet, unterscheidetman zwischen einfach und doppelt wir-kenden Hubmagneten beziehungsweise

. Bild 2: Aktive Elektromagnete: Zylindermagnet mit Druckstift, Kurzhubmagnet, nahtloserIndustriehubmagnet mit doppelt gelagertem Tauchkern für maximale Zyklen, Low-Cost-Hub-magnet mit ziehender Wirkung und Arretierung, Miniaturhubmagnet mit einer Auflageflächekleiner als ein 1-Cent-Stück (Mitte)

ELEKTRONIKPRAXIS Elektromechanik I - Juni 2009 . 59

.Tabelle 1: Stromwerte bei unterschiedlichen Temperaturen (spannungsgesteuert); warm: betriebswarme Spule bei Raumtemperatur;kalt: Spulentemperatur 20 °C

..sehr strengen Kriterien, sodass die ange-gebenen Zyklen in der Regel weit über-schritten werden können. Ein ungefährerRichtwert nach diesem Test liegt bei Low-(ost-Hubmagneten mit metallischer undeinfacher Hülsenlagerung bei 200.000 bis300.000 Zyklen.Insbesondere hochwertige Betätigungs-magnete mit gelagerten Kernen bezie-hungsweise Wellen sind bei sachge-mäßer Anwendung äußerst robust. Sieüberleben viele Millionen Schaltzyklenohne Wartungsaufwand. Eine solide undfrühzeitige Beratung im Applikations-design zahlt sich hier aus: Die Reklama-tionsquote von Magneten von Marken.herstellern ist äußerst gering. Und beikorrosionsfördernden Einsatzbedingun-gen stehen spezielle Beschichtungenund andere Schutzmaßnahmen zur Ver-fügung.

So wird der Begriff gern direkt als Maß füreine Übersteuerung verwendet. Dabei istzu beachten, dass Stromstärke und Über-steuerung nicht linear zueinander verlau-fen. So weist ein 12 V, 25% Magnet dasgleiche Kraftverhalten auf wie die Aus-führung für 6 V, 100%. Das ist anfänglichirritierend, weshalb viele Lieferanten glei-che Magnete mit unterschiedlicher Aus-legung als verschiedene Modelle an-bieten.Die Grenze der Übersteuerung wird be-stimmt durch das modell spezifische Tem-peraturverhalten und die mechanischeMaterial- und Verarbeitungsgüte. BeiLow-Cost-Magneten (Bild 3) liegt sie beica. 10% rel. ED, hochwertige Magnetenach Industrienorm liegen im Allgemei-nen bei 5% und tiefer. Vorsicht ist jedochhinsichtlich der Erwärmung geboten: Jestärker die Übersteuerung, umso kürzermuss die absolute Einschaltdauer ge-wählt werden.

Wer sich Schaltungsaufwand sparen will,kann für die Ansteuerung auch von dop-pelt wirkenden und arretierenden Hub-magneten auf gängige Motortreiber zu-rückgreifen. Die Auswahl ist jedoch nichtsehr groß und die Leistungswerte preis-günstigerTreiber sind begrenzt. Erfah-rene Magnetlieferanten führen deshalbin ihrem Sortiment auch fertige Steue-rungen.

Übersteuern tür höhereKräfte und Hubwege

Das Übersteuern dient dazu, höhere Kräf-te und (bei aktiven Elektromagneten)weitere Hubwege zu erzielen. Übersteu-ern heißt, dass der Magnet mit höherenStrömen betrieben wird, als für den Dau-erbetrieb ausgelegt und zulässig ist. DasZiel ist, den kleinstmöglichen Magnetenfür eine Applikation zu finden, um Platz,Gewicht und Geld zu sparen.Als Maß für das Übersteuern wird der Be-griff der relativen Einschaltdauer (ED)verwendet. Die relative Einschaltdauer iststreng genommen lediglich das prozen-tuale Verhältnis zwischen eingeschalteterZeit und Dauer des gesamten Schalt-zyklusses. Magnete, die für 100% relativeED ausgelegt sind, können demnachdauerhaft eingeschaltet sein, ohne zuüberhitzen. Je geringer die relative ED ist,umso stärker kann übersteuert werden.

Unterschiede in denAusführungenZu den häufigsten Fragen bei den erstenmagnetischen Gehversuchen gehörtauch, ob die 24 V, 100% Ausführung einesMagneten"stärker" ist als das gleiche Mo-dell mit niederer Nennspannung, zumBeispiel 12 V, 100%. Grundsätzlich ist dasnicht so, denn es zählt die elektrische

.Bild 3:Hubmagnete: Industriehubmagnet mitdoppelter, wartungsfreier Tauchkernla-gerung, Low-Cost-Bügelmagnet mit

verstemmten Rahmenteilen, hochwer-tiger Hubmagnet mit offenem Bügel,Miniaturhubmagnet in der Größe eines

1-Cent-Stückes für ziehende

Wirkung (v.l.n.r.)

Magnete richtig ansteuern -eigentlich ganz einfachIm Prinzip ist das Ansteuern von Elektro-magneten einfach: Strom an = Magnetwirkt, Strom aus = Magnet ist kraftlos.

Außerdem spielt die Polarität zumindestbei den meisten einfach wirkenden Mag-neten keine Rolle. Auch können die Nutz-werte über die Stromstärke massiv be-einflusst werden, unter anderem Kraft,Hubweg und Schalt~eschwindigkeit.Grundsätzlich gilt:"mehr Strom, mehrKraft". Dem sind natürlich Grenzen ge-setzt und der Grundsatz ist abhängig vonModell, Funktionsweise und Qualität. Sokann bei arretierenden Hubmagnetenoder lösenden Haftmagneten ein Über-steuern nachteilig sein. ProfessionelleLieferanten stellen die entsprechendenAnsteuerwerte zur Verfügung.Wichtig ist; Elektromagnete in der Beschal-tung nicht als ohmsche Last zu betrach-ten. Bereits mit dem Zuschalten von Dio-den und Kapazitäten lassen sich Schaltge-schwindigkeiten erhöhen und Kontakt-brand minimieren. Eine zusätzliche Drosselin der Stromversorgung minimiert dieRestwelligkeit, sichert den Betrieb auchempfindlicher Halbleiter und rundet damiteine saubere Beschaltung ab.

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Elektromagnete

8Bild4:ProfessionellesKraft-Weg-Dia-gramm mit Bei-spielmessungen

des GYO50-3.5007(Tremba) und Hys-

tereseverhalten

GY_-I:

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Leistung, unabhängig davon, für welcheSpannung die Spule gewickelt ist.Trotzdem ist diese Frage berechtigt, denndie Wicklung der Spule hat durchaus Ein-fluss auf das Kraftverhalten. Diese Unter-schiede sind für die meisten Anwen-dungen aber vernachlässigbar und in derRegel geringer als die natürliche Toleranzdes Magneten.

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sollte die Temperaturresistenz bei ent-

sprechenden Umgebungsbedingungenbeachtet werden. (kr)TrembaTel. +49(0)8165924348

Erwärmungscharakteristik. Für hochspe-zialisierte Anwendungen stehen deshalbauch Diagramme zur Verfügung, die dasHystereseverhalten aufzeigen (Bild 4). ZuGunsten der Übersichtlichkeit wird die

Hysterese im Allgemeinen gern ausge-blendet.Die Temperatur beeinflusst aber nichtnur die Elektromechanik. Insbesonderebei magnetisch arretierenden Magneten

Temperaturverhalten desElektromagnetenWesentlich wichtiger ist das Temperatur-verhalten. Die Temperatur beeinflusst dieKraftwerte von Elektromagneten in ho-hem Maß: je höher die Temperatur, umsogrößer der Spulenwiderstand und damit. .(bel spannungsgeregelter Ansteuerung)umso geringer die Kraft. Hier sind ent-sprechende Temperaturdiagramme wert-voll, aus denen sich die Auslegung einerAnsteuerung für einen sicheren Betriebableiten lässt (Tabelle 1).Optimal sind Kraftmessungen entspre-chend der DIN/ISOO580 oder der echten