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Oct 12, 2023

Mechanismen: Magnetspulen

Seit Menschen anfangen, mit Elektrizität zu spielen, haben wir uns als ziemlich geschickt darin erwiesen, Wege zu finden, diese Kraft zu nutzen und in Bewegung umzuwandeln. Elektromotoren aller Art bewegen die Welt,

Seit Menschen anfangen, mit Elektrizität zu spielen, haben wir uns als ziemlich geschickt darin erwiesen, Wege zu finden, diese Kraft zu nutzen und in Bewegung umzuwandeln. Elektromotoren aller Art bewegen die Welt, aber sie sind bei weitem nicht die einzige Möglichkeit, Elektrizität in Bewegung zu setzen. Wenn Sie eine kontinuierliche Rotation wünschen, ist ein Motor die richtige Wahl. Aber für einfachere Ein- und Aus-Anwendungen, bei denen eine genaue Positionssteuerung nicht entscheidend ist, ist ein Magnetventil eher das, was Sie brauchen. Diese elektromagnetischen Geräte sind überall zu finden und sie sind die nächsten in unserer Serie über nützliche Mechanismen.

Ein Physiker wird Ihnen sagen, dass ein Magnet einfach eine Drahtspule ist, durch die Strom geleitet werden kann. Das ist es. Anders als im Physiklabor ist ein so einfaches Gerät jedoch nicht von großem mechanischen Nutzen, sodass das, was wir uns normalerweise als Magnet vorstellen, etwas komplizierter ist. Ein praktischer Magnet hat eine Spule, aber er wird auch mehrere mechanische Teile haben, damit er als Aktuator funktioniert.

Ein Tauchmagnetventil ist ein gutes Beispiel für die Grundlagen. Der Luftkern der Magnetspule ist teilweise mit einem Kolben aus Eisen oder Weichstahl besetzt, der von einer Rückholfeder an Ort und Stelle gehalten wird. Wenn Strom an die Spule angelegt wird, bildet sich ein Magnetfeld und der Stößel wird kraftvoll in den Kern des Magneten gezogen. Wenn kein Strom mehr fließt, bricht das Magnetfeld zusammen und die Rückstellfeder zwingt den Kolben zurück in den Ruhezustand. Dies ist charakteristisch für die meisten Magnetspulen – sie werden entweder aktiviert oder nicht. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Arbeiten, bei denen etwas über eine kurze Distanz in der einen oder anderen Position positioniert werden muss, beispielsweise Ventile, die den Flüssigkeitsfluss durch ein Rohr oder einen Schlauch stoppen.

Die Größe der Tauchmagnete reicht von sehr klein bis lächerlich groß. Auf der kleinen Seite werden Tauchmagnete als Aktuatoren für Mikrofluidikventile in wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen sowie als Antriebskopf für die Anschlagart von Nadeldruckern eingesetzt (ja, jeder dieser Punkte ist der Taucher eines Magneten).

Sie interagieren wahrscheinlich täglich mit Magnetspulen mittlerer Größe. Durch das Klicken am Anfang und Ende des Eisbereiters Ihres Kühlschranks wird das Wasser ein- und ausgeschaltet, um die Schale wieder aufzufüllen. Sie werden ein ähnliches Klicken in Getränkeautomaten hören. Und die Flipper-Zauberer unter uns werden bestätigen, dass die Kräfte, die diese silberne Kugel über das Spielfeld schleudern, von Magnetspulen erzeugt werden.

Um es noch schlimmer zu machen: In fast jedem PKW und LKW auf der Straße befindet sich im Anlassermotor ein ziemlich großes Magnetventil, zumindest bei denen mit Verbrennungsmotor. Der Magnet sitzt oben auf dem Anlasser und ist für das Anschließen und Trennen des Anlassers vom System verantwortlich. Der Stößel des Magnetventils ist über einen Hebel an der Antriebswelle des Motors befestigt. Wenn der Zündschlüssel gedreht wird, wird die Magnetspule erregt, wodurch der Kolben eingezogen und der Hebel entlang der sich jetzt drehenden Motorwelle herausbewegt wird. Dadurch wird ein Ritzel angetrieben, das mit dem Schwungrad des Motors in Eingriff kommt und den Motor ankurbelt, bis er startet.

Es sind auch andere Arten von Magnetspulen erhältlich, darunter Drehmagnetspulen. Das ist genau das, wonach es sich anhört: Aktuatoren, die zwischen zwei Positionen rotieren können. Die Ausführungen variieren, aber die gebräuchlichsten Typen verfügen über einen Permanentmagnetrotor auf einer Welle im Kern des Magnetventils. Wenn die Spule mit Strom versorgt wird, erfährt der Rotor aufgrund des Magnetfelds ein Drehmoment, ähnlich wie der Rotor eines Permanentmagnetmotors. Der Rotor bewegt sich jedoch nur bis zu einem physischen Anschlag und wird durch eine Feder in die Ruheposition zurückgebracht, wenn die Spule stromlos ist. Wenn die Polarität der Spule umgekehrt wird, können Rotor und Welle in die andere Richtung schwingen, wodurch diese Art von Drehmagnet bistabil wird. Andere Drehmagnete verwenden eine Metallscheibe mit rampenförmigen Rillen und Kugellagern; Wenn der Kolben in den Kern gesaugt wird, zwingen die Kugellager die Scheibe und die Welle dazu, sich entlang der Rillen zu drehen.

Als elektrisch einfache Geräte können Magnetspulen entweder mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden. Ein Gleichstrommagnet ist tendenziell leiser, da das Magnetfeld konstant ist, während die Spule erregt ist. Ein Wechselstrommagnet neigt zum Rattern, wenn sich das Magnetfeld ändert und die Kraft der Rückstellfeder es überwindet, sobald der Strom in der Spule seine Richtung ändert. Diese Tendenz kann durch die Verwendung eines Abschattungsrings zur Änderung des Magnetkreises von Wechselstrommagneten abgemildert werden. Ein Abschattungsring ist nur ein kleiner Kupferring, der im Kern des Magnetventils sitzt und den Kolben berührt, wenn dieser vollständig eingefahren ist. Das Magnetfeld der erregten Spule induziert einen Strom im Ring, der wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugt, das der Phase des Magnetfeldes um 90° nacheilt. Wenn das Feld des Elektromagneten auf Null fällt, während die Wechselstromwellenform den Nullpunkt passiert, hält der Magnetfluss vom Abschattungsring den Elektromagneten zurückgezogen, wodurch das lästige Rattern eliminiert wird.

Obwohl jede Magnetspule mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden kann, muss darauf geachtet werden, die Spezifikationen der Spule zu beachten. Magnetspulen stellen eine induktive Last dar und daher ist ihre Impedanz bei Wechselstromanwendungen viel höher. Wenn also ein für 24 VAC ausgelegter Magnet mit 24 VDC betrieben würde, würde er wahrscheinlich schnell durchbrennen, da der durch ihn fließende Strom die Auslegungsspezifikationen überschreiten würde. Dies könnte durch einen Strombegrenzungswiderstand oder durch eine Verringerung der DC-Versorgungsspannung vermieden werden.

Wie ihr Verwandter, das Relais, besteht auch bei Magnetspulen die Gefahr, dass sie den Schaltkreis beschädigen, der sie steuert. Wenn der durch ein Magnetventil oder eine Relaisspule fließende Strom unterbrochen wird, kommt es zu Spannungsspitzen, da das Magnetfeld zusammenbricht. Wenn diese Spitze in empfindliche Komponenten gelangt, wie zum Beispiel einen Transistor, der die Spule antreibt, könnte das Gerät zerstört werden. Die klassische Lösung hierfür ist bei Gleichstromspulen die Überspannungsschutzdiode, die parallel zur Spule geschaltet ist und deren Anode auf der negativen Seite liegt. Der Snubber sorgt dafür, dass der induzierte Strom abgeleitet wird, wenn der Strom von der Spule abgeschaltet wird, um zu verhindern, dass er die Hochspannungsspitze induziert. Da Snubber-Dioden bei Wechselstromspulen nicht funktionieren, erfüllt ein RC-Snubber mit einem kleinen Widerstand und einer Kapazität in Reihe zueinander, die parallel über die Spule geschaltet sind, denselben Zweck.

Dies ist nur ein kurzer Überblick darüber, was Magnetspulen sind und welche Funktion sie haben und wie Sie diese Mechanismen in Ihre Designs integrieren können.