01. Basic Knowledge

Electromagnets are now found in almost all areas of daily life. You likely hold the first one in your hand shortly after getting out of bed in the morning: an electric toothbrush. Instead of using an electric motor, it uses a small magnet which enables the brush head's movements with a simple and inexpensive electronic control. It's smaller, lighter, and more reliable than an electric motor and even more efficient.

A push of your car's remote will precisely unlock an electromechanical actuator and the door in so doing. Electromagnetic injection valves dispense exactly the required amount of fuel into each engine cylinder after starting it.

Safety-related applications also benefit from the indispensable use of electromagnets in today's world. Their high level of reliability, robustness and versatility give them an ever-increasingly wider range of applications in industrial and automotive sector.

Electromagnets move more than you think!

With the exception of special applications such as a medical MRI scanner in which a very heavy and liquid helium-cooled superconducting magnet of an extremely strong static magnetic field excites atomic nuclei in the human body, the technical fields usually require a specific motion, attraction, or holding force in most cases. This may be a linear (translational) working motion, rotary, static or specifically dynamic holding force. For example, these could include motions used in fire protection systems, to fuse work pieces or to lock/unlock mechanisms.

For developers, it is important to know which solutions are possible with electromagnets, which major types and designs are available and what is important for the intended application. This technical introduction which deals specifically with electromagnets for technical applications gives developers and project managers an overview of operating principles, designs, concept definitions and technical characteristics of the various electromagnets at hand.

02. Characteristics/Designs/Models

Lifting magnet
A lifting magnet is energised by field winding (coil) and produces an electromagnetic force between the inner and the outer pole. Ferromagnetic parts are recorded through this open system.

Single direction magnet
A single direction magnet can be activated by energising the coil. The lifting movement is made possible by a stroke lift in a stroke end position by the electromagnetic action of force. The resetting may be made by externally applied forces (i.e. spring force). Pushing and pulling device models are fundamentally different in nature.

Single direction magnet, monostable
A monostable single direction magnet is equipped with a permanent magnet. This keeps the moving armature in the stroke end position using a specific holding force after the field winding coil is energised without additional energy input. It is reset by external reset forces, but only after the permanent magnetic field was temporarily neutralised by a corresponding momentum.

Single direction magnet, bistable
A bistable single direction magnet has a monostable lifting magnet opposite two fixed stroke end positions which include a particular permanent magnet motor, have no energy supply and occupy the respective stroke position. The two positions can be switched with either a current pulse of different polarity or by an additional, second field winding.

Double-acting magnet
A double-acting magnet has three positions. The so called mid-position is defined by external forces acting on the magnet. It is equipped with two separate coils. Depending on the current supply, a field winding (coil) follows the lifting movement of the armature from the central position in one of the two stroke end positions.

Reversing linear magnet
The reversing linear magnet is also equipped with two coils. However, as opposed to a double-acting magnet, it has only two lifting positions. A lifting movement is made by energising one of the two field windings. Depending on which of the coils is energised, a lifting movement occurs from one lifting position or the other. By having a constant current from one of the two windings, the lifting position is maintained.

Rotary magnet
A rotary magnet is actually a lifting magnet which converts a relatively short stroke movement into a relative rotary movement. Resetting is possible by means of an external force. Rotary magnets usually turn to both the left and right.

AC magnet
An AC magnet has an extremely short turn-on time. It is characterised by very high starting power. The magnet consists of assembled sheet metal parts. Essentially, the armature must reach the end position as it is turned on. Otherwise the field winding (coil) burns due to high currents. An AC magnetic deflects as the current feed makes a humming noise.

Operating conditions
Ambient maximum temperature of +40° C wherein the average value cannot exceed 35° C over a period of 24 hours. The lower limit of ambient temperature is -5° C. Altitude max 1000 meters above sea level. Relative humidity of the ambient air is given as 50% at 40° C [at lower temperatures, higher humidities are allowed (0% at 20° C)]. Condensation must be avoided. Low levels of dust, smoke, fumes or corrosive gases.

03. Stroke, Magnetic Force and Work

Stroke
A magnet stroke (path) is taken from a starting position's armature in a stroke start position to a stroke end position and back again. This path is called a stroke or stroke distance. The stroke starting position is the starting position of an armature before the start of a stroke movement or specifically following its completion of its resetting in the starting position. The end position is the position of an armature which results from current, the field winding, and finally an electromagnetic force action.

Magnet force
A given magnet force FM is the mechanical force used to reduced friction generated in the stroke direction. It is reliable at 90% of the rated voltage and maximum heat. Magnets are mounted with good thermal conductivity so that the magnetic force can be increased by adjusting the performance of the operating conditions. Increasing the magnetic force is made possible when the ambient temperature is permanently below 35° C. If necessary, the power must be reduced when the ambient temperature rises constantly above 35° C. This causes a reduction of the magnetic force. Table values of the magnetic force are subject to a scatter of ± 10%. The list values increase by about 10% in nominal operating voltage.

Stroke work
The stroke work W is the integral of the magnet force FM over the magnet stroke s. Nominal stroke work consists of a static and a dynamic stroke work (W = static W + dynamic W).

04. Voltage, Current and Power

Voltage
The nominal voltage Un of a DC lifting magnet is the voltage for which it was calculated and interpreted. The permanent allowable voltage change of the stroke magnet is +10% to -10% of nominal voltage. The guidelines of the currently applicable IEC standard voltage are to be considered. For preferred voltages, please refer to the DC lifting magnet data sheets. The information listed on the product data sheets concerning magnetic force and power consumption is valid for the specified voltages.

Current
The rated current IN is obtained at nominal voltage Un and at a field winding temperature of 20° C.

Power
The power Pn, also called nominal power at 20° C, is the product of the nominal voltage Un and the nominal current In at a coil temperature of t20 (20° C). It can be found in the product data sheets.

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.