01. Grundwissen

Elektromagnete sind heutzutage in beinahe allen Bereichen des täglichen Lebens anzutreffen. Den Ersten halten Sie vielleicht schon frühmorgens nach dem Aufstehen in der Hand: in der elektrischen Zahnbürste. An Stelle eines Elektromotors werkelt dort stattdessen ein Kleinmagnet, der die Bewegungen des Bürstenkopfes mittels einer einfachen und preiswerten elektronischen Ansteuerung realisiert. Kleiner, leichter, zuverlässiger als ein Elektromotor und dazu noch effizienter.

Beim Druck auf den Funkschlüssel Ihres Autos entriegelt Ihnen ein elektromechanischer Aktor die Tür und präzise, elektromagnetische Einspritzventile dosieren nach dem Start exakt die benötigte Kraftstoffmenge für jeden einzelnen Zylinder des Motors.

Auch bei sicherheitsrelevanten Anwendungen sind Elektromagnete heute nicht mehr wegzudenken. Ihre hohe Zuverlässigkeit, Robustheit und Typenvielfalt eröffnet ihnen zunehmend ein immer breiteres Einsatzspektrum im Industrie- und Automotivesektor.

Elektromagnete bewegen mehr, als Sie denken!

Sieht man einmal von Spezialanwendungen wie beispielsweise medizinischen Kernspin-Tomographen ab, in denen ein tonnenschwerer und mit flüssigem Helium gekühlter, supraleitender Magnet ein extrem starkes statisches Magnetfeld erzeugt um Atomkerne im menschlichen Körper zu magnetisieren, benötigt man im technischen Bereich zumeist eine spezifische Bewegungs-, Anziehungs,- oder Haltekraft. Dies kann eine geradlinige (translatorische) Arbeitsbewegung, eine drehende (rotatorische), oder eine statische beziehungsweise dynamische Haltekraft sein, zum Beispiel beim Einsatz in Brandschutzeinrichtungen, zur Fixierung von Werkstücken oder in Mechanismen zum Verriegeln und Entriegeln.

Für den Entwickler ist es dabei wichtig zu wissen, welche Lösungen er mittels Elektromagneten realisieren kann, welche Hauptbauarten und Bauformen es gibt und worauf er bei der vorgesehenen Applikation achten sollte. Diese technische Einführung, die sich speziell mit Elektromagneten für technische Anwendungen befasst, soll Entwicklern und Projektmanagern einen Überblick über Arbeitsweise, Bauformen, Begriffsdefinitionen und technische Eigenschaften der verschiedenen Elektromagnete an die Hand geben.

02. Eigenschaften / Bauformen / Ausführungen

Haftmagnet
Ein Haftmagnet erzeugt durch Bestromung der Erregerwicklung (Spule) eine elektromagnetische Kraftwirkung zwischen dem Innen- und dem Außenpol. Durch dieses offene System können ferromagnetische Teile festgehalten werden.

Einfachhubmagnet
Ein Einfachhubmagnet kann durch Erregung der Spule aktiviert werden. Die Hubbewegung erfolgt dabei von einer Hubanfangs- in eine Hubendlage durch die entstehende elektromagnetische Kraftwirkung. Die Rückstellung kann durch von außen angelegte Kräfte erfolgen (z. B. Federkraft). Grundsätzlich unterschieden werden drückende oder ziehende Geräteausführungen.

Einfachhubmagnet, monostabil
Ein monostabiler Einfachhubmagnet ist mit einem Permanentmagneten ausgerüstet. Dieser hält den beweglichen Anker in der Hubendstellung, nachdem die Erregerwicklung besrtomt wurde, ohne zusätzliche Energiezufuhr, mit einer bestimmten Halte-kraft. Die Rückstellung erfolgt durch äußere Rückstellkräfte, jedoch erst nach dem das Permanentmagnetfeld durch einen entsprechenden Impuls, kurzzeitig neutralisiert wurde.

Einfachhubmagnet, bistabil
Ein bistabiler Einfachhubmagnet besitzt gegenüber einem monostabilen Hub-magneten zwei feste Hubendstellungen, die ohne Energiezufuhr, mit einer bestimmten Permanentmagnetkraft, die jeweilige Hubstellung einnehmen. Zwischen den beiden Positionen kann entweder mit einem Stromimpuls unterschiedlicher Polarität umgeschaltet werden, oder mittels einer zusätzlichen, zweiten Erregerwicklung.

Doppelhubmagnet
Ein Doppelhubmagnet hat drei Stellungen. Die so genannte Mittelstellung wird durch von Außen auf den Magneten wirkende Kräfte definiert. Er ist mit zwei getrennten Spulen ausgerüstet. Je nach Bestromung einer Erregerwicklung (Spule) erfolgt die Hubbewegung des Ankers aus der Mittelstellung in eine der beiden Hubendlagen.

Umkehrhubmagnet
Der Umkehrhubmagnet ist ebenfalls mit zwei Spulen ausgerüstet. Jedoch hat er im Gegensatz zu einem Doppelhubmagnet nur zwei Hubpositionen. Eine Hubbewegung erfolgt durch Bestromen einer der beiden Erregerwicklungen. Je nach-dem, welche der Spulen erregt wird, erfolgt eine Hubbewegung von der einen Hub-lage in die Andere oder umgekehrt. Durch Dauerbestromung einer der beiden Wicklungen bleibt die angefahrene Hubstellung erhalten.

Drehmagnet
Ein Drehmagnet ist eigentlich ein Hubmagnet, der eine relativ kurze Hubbewegung in eine relative Drehbewegung umwandelt. Eine Rückstellung kann durch eine äußere Krafteinwirkung erfolgen. Drehmagnete sind in der Regel sowohl rechts- und links-drehend.

Wechselstrommagnet
Ein Wechselstrommagnet hat extrem kurze Einschaltzeiten. Er zeichnet sich durch sehr hohe Anzugskräfte aus. Der Magnet besteht aus zusammengesetzte Blechteile. Grundsätzlich muss der Magnetanker, während dem Einschaltvorgang, in die Hubendlage gelangen. Ansonsten kann die Erregerwicklung (Spule) durch zu hohe Ströme verbrennen. Ein Wechselstrom-Magnet neigt grundsätzlich, während der Bestromung zu Brummgeräuschentwicklung.

Betriebsbedingungen
Umgebungstemperatur max. +40°C; wobei der Mittelwert über eine Dauer von 24 Stunden die 35°C nicht übersteigt. Die untere Grenze der Umgebungstemperatur beträgt -5°C. Höhenlage max. 1000 m. ü. M. Relative Feuchtigkeit der Umgebungs-luft wird mit 50% bei 40°C angegeben [bei niedrigeren Temperaturen können höhere Luftfeuchtigkeiten zugelassen werden (0 %bei 20°C)]. Kondensat ist zu vermeiden. Geringe Belastung durch Staub, Rauch, Dämpfe oder aggressive Gase.

03. Hub, Magnetkraft und Arbeit

Hub
Ein Magnethub (Weg) s wird, von einem Anker, aus einer Hubanfangslage in eine Hub-endlage und wieder zurückgeführt. Dieser Weg wird als Hub oder Hubweg bezeichnet. Die Hubanfangslage bezeichnet die Ausgangsstellung eines Ankers vor dem Beginn einer Hubbewegung bzw. nach seiner Beendigung der Rückstellung in die Ausgangslage. Eine Hubendlage bezeichnet die Stellung eines Ankers, die infolge der Bestromung, der Erregerwicklung, anschließend eine elektromagnetische Kraftwirkung anzeigt.

Magnetkraft
Eine angegebene Magnetkraft FM ist die nutzbare, um die Reibung reduzierte, mechanische Kraft, die in Hubrichtung erzeugt wird. Sie ist bei 90% der Nennspannung und max. Erwärmung sicher darstellbar. Werden Magnete gut wärmeleitend montiert, kann die Magnetkraft durch Anpassung der Leistung an die Betriebsverhältnisse erhöht werden. Die Erhöhung der Magnetkraft kann ermöglicht werden, wenn die Umgebungstemperatur dauerhaft unter 35°C liegt. Gegebenenfalls muss die Leistung reduziert werden, wenn die Umgebungstemperatur ständig über 35°C ansteigt. Dadurch zeichnet sich eine Reduzierung der Magnetkraft ab. Tabellenwerte der Magnetkraftabgaben unterliegen einer Streuungen von ±10%. Im Nennspannungsbetrieb erhöhen sich die Listenwerte um ca. 10%.

Hubarbeit
Die Hubarbeit W ist das Integral der Magnetkraft FM über dem Magnethub s. Die Nennhubarbeit setzt sich zusammen aus einem statischen Hubarbeitsanteil und einem dynamischen Hubarbeitsanteil (W = W-statisch + W-dynamisch).

04. Spannung, Strom und Leistung

Spannung
Die Nennspannung Un eines Gleichstrom-Hubmagneten ist die Spannung, für die er berechnet und ausgelegt wurde. Die dauernd zulässige Spannungsänderung am Hubmagneten beträgt +10% bis –10% der Nennspannung. Es gelten die jeweiligen Richtlinien der aktuelI gültigen IEC-Normspannungen. Vorzugsspannungen ent-nehmen Sie bitte den Datenblättern der Geichstrom-Hubmagnete. Die in den Geräteblättern aufgelisteten Angaben bzgl. Magnetkraft und Leistungsaufnahme gelten für die angegebenen Spannungen.

Strom
Der Nennstrom In stellt sich bei Nennspannung Un und einer Erregerwicklungs-temperatur von 20°C ein.

Leistung
Die Leistung Pn, auch Nennleistung bei 20°C P20 genannt, ist die elektrische Leistung, die sich aus dem Produkt der Nennspannung Un und des Nennstroms In bei einer Spulentemperatur von t20 (20°C) ergibt. Sie wird in den Geräteblättern angegeben.

05. Zeitbegriffe und Nennbetriebsarten

Einschaltdauer, Spieldauer, Spielfolge, relative Einschaltdauer

Einschaltdauer
Einschaltdauer ist die Zeit, die zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Erregerstromes liegt.

Relative Einschaltdauer
Relative Einschaltdauer, in % ED, ist das prozentuale Verhältnis der Einschaltdauer zur Spieldauer. Für die Berechnung der relativen Einschaltdauer wird im allgemeinen der Vorzugswert der Spieldauer nach DIN VDE 0580 Punkt 3.2.2, von 5 Minuten zugrunde gelegt. Bei unregelmäßiger Größe der Spieldauer wird die relative Einschaltdauer aus dem Verhältnis der Summe der Einschaltzeiten zur Summe der Spieldauer über eine längere Betriebsperiode bestimmt. Für die nach DIN VDE 0580 Punkt 3.2.3 geltenden Vorzugswerte der relativen Einschaltdauer ergeben sich bei einer Spieldauer von 5 Minuten die folgenden Maximalwerte der Einschaltdauer: 100% ED beliebig / 60% ED max. 180 s / 40% ED max. 120 s / 25% ED max. 75 s / 15% ED max. 45 s / 5% ED max. 15 s. Die Maximalwerte der Einschaltdauer dürfen nicht überschritten werden. Wurde die relative Einschaltdauer ermittelt und ist ein Wert der Einschaltdauer vorhanden, der den zulässigen Höchstwert nach DIN VDE überschreitet, ist diejenige höhere %-ED zu wählen, in deren Bereich sich die Einschaltdauer einfügt. Bei Betätigungsmagneten für Gleichstrom ist je nach Einschaltdauer, entsprechend der höheren zulässigen Eingangsleistung eine Erhöhung der Hubarbeit zulässig.

Stromlose Pause
Als "Stromlose Pause" wird die Zeit bezeichnet, die zwischen dem Ausschalten und Wiedereinschalten des Erregerstromes liegt.

Spieldauer
Die Spieldauer ist die Summe aus Einschaltdauer und stromloser Pause. Für Gleichstrom-Hubmagnete beträgt die Spieldauer max. 5 Minuten = 300s. Das ent-spricht 12 Schaltungen pro Stunde. Die Mindestspieldauer ist durch die Anzugs- und Abfallzeiten in Verbindung mit der relativen Einschaltdauer begrenzt.

Spielfolge
Die Spielfolge ist eine einmalig oder periodisch wiederkehrende Aneinanderreihung von Spieldauerwerten.

Schalthäufigkeit
Die Schalthäufigkeit, d. h. die maximal zulässige Schaltzahl ist bei Gleichstrom-Magneten praktisch unbegrenzt. Die erreichbare Schaltzahl wird bestimmt durch die Anzugs- und Abfallzeiten und hängt von der Art der Belastung ab.

06. Anzugs- und Abfallzeiten, Nennbetriebsarten, Temperaturbegriffe, Isolierstoffklasse

Anzugs- und Abfallzeiten

Ansprechverzug t11 ist die Zeit vom Einschalten des Erregerstromes bis zum Beginn der Ankerbewegung.

Hubzeit t12 ist die Zeit vom Beginn der Ankerbewegung aus der Hubanfangslage bis zum Erreichen der Hubendlage.

Anzugszeit t1 ist die Summe aus Ansprechverzögerung und Hubzeit.

Abfallverzug t21 (Klebezeit) ist die Zeit vom Ausschalten des Erregerstromes bis zum Beginn der Rücklaufbewegung des Ankers.

Rücklaufzeit t22 ist die Zeit vom Beginn der Rücklaufbewegung des Ankers bis zum Erreichen der Hubanfangslage.

Abfallzeit t2 ist die Summe aus Abfallverzug und Rücklaufzeit.

Nennbetriebsarten

Dauerbetrieb [DB]
Durch Dauerbetrieb der Einschaltdauer wird die Beharrungstemperatur erreicht.

Aussetzbetrieb [AB]
Einschaltdauer und stromlose Pausen wechseln, regelmäßige oder unregelmäßiger Folge, dabei sind die Pausen so kurz, dass sich das Gerät nicht auf die Bezugstemperatur abkühlen kann.

Kurzzeitbetrieb [KB]
Die Einschaltdauer ist so kurz, dass die Beharrungstemperatur nicht erreicht wird, die stromlosen Pausen sind dabei so lang, dass der Magnet auf die Bezugstemperatur abkühlen kann.

Temperaturbegriffe

Umgebungstemperatur [°C]
Die Umgebungstemperatur ist die Durchschnittstemperatur der Umgebung des Gerätes.

Bezugstemperatur [°C]
Die Bezugstemperatur eines Magneten ist die Beharrungstemperatur im stromlosen Zustand bei der bestimmungsgemäßen Anwendung. In Sonderfällen kann sie von der Umgebungstemperatur abweichen, z.B. ist ein Magnet an Maschinen angebaut, die während des Betriebes eine höhere oder niedrigere Temperatur annehmen. Im Normalfall gilt die Bezugstemperatur 35 °C.

Übergangstemperatur [°C]
Bezeichnet den Unterschied zwischen der Temperatur des Gerätes oder eines Teiles und der Temperatur des zum gleichen Zeitpunkt wirkenden als zugehörig festge-legten Kühlmittels, z. B. Umgebungsluft.

Grenztemperatur [°C]
Bezeichnet die höchste für einen Magneten oder für einen Teil davon zulässige Temperatur. Sie wird meistens durch thermische Beständigkeit der verwendeten Isolierstoffe bestimmt.

Luftkühlung
Sie wirkt, wenn die Wärmeabgabe eines Magneten in die Umgebung erfolgt, z.B. bei der Montage auf kleinen oder schlecht wärmeleitenden Flächen Kunststoffe oder Holz.

Flächenkühlung
Eine solche Kühlung liegt vor, wenn ein Magnet einen gut wärmeleitendem Kontakt mit einer Metallfläche hält und die Wärmeabgabe zu einem großen Teil über diese Fläche erfolgt. Durch diese Betriebsart kann ein Magnet möglicherweise mit einer höheren Einschaltdauer bzw. bei gleicher Einschaltdauer mit einer höheren Spannung betrieben werden. Die Luftfeuchtigkeit sollte bei 35°C ca. 50% betragen. Sind die Temperaturen niedriger, können höhere Luftfeuchtigkeiten zugelassen werden.

Isolierstoffklassen
Sie sind nach DIN VDE 0580 jeweils gültige Version entsprechend ihrer Dauer-wärmebeständigkeit in Isolierstoffklassen eingeteilt. Die Magnete werden je nach Baumuster in den Wärmeklassen E, B oder F produziert. Die meisten Geräte können, wenn es der Einsatzfall erfordert, auch in Wärmeklasse H oder für noch höhere Temperaturen ausgelegt werden.

07. Elektrische Daten

Spannungs- und Stromangaben
Je nach ihrer Auslegung, als Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Drehstrommagnet, sind diese entsprechend anzuschließen. Es sind die einzelnen Vorschriften bezüglich elektrischer Anschlüsse bzw. der Zeichnungen zu beachten. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Anschlussmöglichkeiten, etwa freie Litzen, Stecker- oder Klemmanschluss. Zulässige Spannungsschwankungen am Anschluss eines Magneten betragen plus 10% bis minus 10% der jeweiligen Nennspannung.

Gleichrichter
Betätigungsmagnete für Gleichstrom können über Gleichrichter bzw. Trafogleichrichter direkt an Wechselstrom angeschlossen werden. Hierbei sind die relevanten Leistungsdaten zu beachten.

Elektrische Schaltung
Entstehen unzulässig hoher Überspannungen bzw. tritt Ausschaltverzug auf, sind geeignete Schutzmaßnahmen oder Beschaltungselemente vorzusehen. Hierzu gibt es wechselstromseitige- bzw. gleichstromseitige Schaltungen.

Eingangsleistung und Umgebungstemperatur
Die technischen Angaben für die Eingangsleistung wurden bei 20°C ermittelt. Sie sind so ausgelegt, dass die Erregerwicklungen bis 40°C Umgebungstemperatur betrieben werden können. Hierbei wird die höchstzulässige Dauertemperatur er-reicht, jedoch nicht überschritten. Die Magnetkraft- und Hubarbeitsangaben werden im betriebswarmen Zustand und bei 90% der Nennspannung erreicht.

Prüfung

Prüfspannung
Die Geräte sind auf Spannungsfestigkeit geprüft. Prüfspannungen nach DIN VDE 0580, jeweils gültige Ausgabe.

Wiederholte Spannungsprüfung
Eine wiederholte Spannungsprüfung sollte nach Möglichkeit nicht durchgeführt werden. Ist eine 2. Prüfung vorgeschrieben, so darf diese nur mit 80% der vorherigen Prüfspannungen erfolgen.

Lebensdauer
Die Lebensdauer der Elektro-Magnete und deren Verschleißteile sind von den äußeren Gegebenheiten, wie z. B. Einbaulage, Belastung, Querkräfte, etc., abhängig.

08. Hinweise für Elektro-Magnete

Einbaulage
Ein Magnetanker ist mit dem formschlüssigen Gegenstück beweglich und mit ausreichender Toleranz auszulegen.

Arbeitslage
Elektro-Magnete werden in beliebiger Einbaulage eingesetzt, die Kraftabnahme erfolgt, vorzugsweise, in axialer Richtung.

Inbetriebnahme
Eine Anschlussspannung muss mit der Nennspannung eines Elektro-Magneten übereinstimmen. Der Anwender hat die in der DIN VDE 0580, jeweils aktueller Stand, aufgeführten Hinweise und Anforderungen zu beachten.

Äußere Kräfte
Eine kundenseitige Auslegung muss sicherstellen, dass die Magnetkräfte grundsätzlich größer als die von außen wirkenden Kräfte sind, ggf. Kennlinienanpassung.

Schutzbeschaltung durch Sicherung
Zur Absicherung der Zuleitung ist nach Höhe der Stromstärke auszulegen. Hier findet das ohmsche Gesetzt Anwendung.

Kundenseitige Veränderungen an Elektro-Magneten
Kundenseitige Veränderungen an Elektro-Magneten oder unsachgemäße Handhabung, egal welcher Art auch immer, können einen Geräteausfall nach sich ziehen und einen dauerhaften Funktionsschaden anrichten. Ein Garantieanspruch erlischt dadurch.

09. Schutzarten

Den in der Schutzartbezeichnung immer vorhandenen Buchstaben IP werden zwei Kennziffern, im allgemeinen ohne Zwischenraum, angehängt. Diese zeigen an, welchen Schutzumfang ein Gehäuse bezüglich Berührung bzw. Fremdkörper, erste Kennziffer, und Feuchtigkeit bzw. Wasser, zweite Kennziffer, bietet.

Wenn eine der beiden Kennziffern nicht angegeben werden muss oder soll, wird diese durch den Buchstaben X ersetzt, z. B. IPX1. Bei Bedarf können an die Ziffernkombination noch definierte Buchstaben zur genaueren Beschreibung der Schutzart angehängt werden.

Treten bzgl. der Schutzart Abweichungen auf, so werden die Schutzarten gesondert angegeben, z. B. Gehäuse IP 54, Anschluss IP 00.

1. Kennziffer-Code

Berührungs- und Fremdkörperschutz

• 0 kein Schutz
• 1 Schutz gegen große Fremdkörper
• 2 Schutz gegen mittelgroße Fremdkörper
• 3 Schutz gegen kleine Fremdkörper
• 4 Schutz gegen kornförmige Fremdkörper
• 5 Schutz gegen Staubablagerung
• 6 Schutz gegen Staubeintritt

2. Kennziffer-Code

Wasserschutz

• 0 kein Schutz
• 1 Schutz gegen senkrecht fallendes Tropfwasser
• 2 Schutz gegen schräg fallendes Tropfwasser
• 3 Schutz gegen Sprühwasser
• 4 Schutz gegen Spritzwasser
• 5 Schutz gegen Strahlwasser
• 6 Schutz gegen Überfluten
• 7 Schutz beim Eintauchen
• 8 Schutz beim Untertauchen

10. Solenoid

Solenoid ist der englische Begriff für Elektromagnet oder besser Aktor, umfasst jedoch eine ganze Anzahl an verschiedenen Magnetarten, die wir im Deutschen etwas genauer spezifizieren und differenzieren. Der Begriff "Solenoid" ist also kein eigener Hersteller, wie es vielfach von Kunden vermutet wird.

Damit Sie sich in der Zuordnung und Bedeutung des Wortes Solenoid etwas besser zu Recht finden haben wir Ihnen die häufigsten Übersetzungen hier einmal aufgelistet.