Magnetspulen – Gerät, Betrieb, Anwendung

Dieser Artikel konzentriert sich auf Magnetspulen. Zuerst betrachten wir die theoretische Seite dieses Themas, dann die praktische Seite, wo wir die Anwendungsbereiche von Magnetspulen in verschiedenen Betriebsarten erwähnen.

Ein Elektromagnet ist eine zylindrische Spule, deren Länge viel größer ist als ihr Durchmesser. Das Wort „Solenoid“ selbst setzt sich aus einer Kombination zweier Wörter zusammen – solen und eidos, wobei das erste als „Röhre“ und das zweite als „ähnlich“ übersetzt wird. Das heißt, ein Magnet ist eine Spule in Form einer Röhre.

Magnetspulen im weitesten Sinne sind Induktoren, die mit einem Draht auf einen zylindrischen Rahmen gewickelt sind, der einschichtig oder mehrschichtig sein kann... Da die Länge der Spule einer Magnetspule ihren Durchmesser bei weitem übersteigt, wird beim Anlegen eines Gleichstroms Durch eine solche Spule wird im Inneren im inneren Hohlraum ein nahezu gleichmäßiges Magnetfeld gebildet.

Als Magnetventile werden häufig einige Aktuatoren bezeichnet, die auf einem elektromechanischen Funktionsprinzip basieren, beispielsweise ein Automatikgetriebe-Magnetventil in einem Auto oder ein Anlasser-Rückzugsrelais.In der Regel fungiert der ferromagnetische Kern als eingezogenes Teil und die Magnetspule selbst außen mit einem Magnetkern ausgestattet, das sogenannte ferromagnetische Joch.

Wenn bei der Konstruktion des Magneten kein magnetisches Material vorhanden ist, entsteht beim Fließen eines Gleichstroms durch den Draht ein Magnetfeld entlang der Achse der Spule, dessen Induktion numerisch gleich ist:

Dabei ist N die Anzahl der Windungen im Magnetventil, l die Länge der Magnetspule, I der Strom im Magnetventil und μ0 die magnetische Permeabilität des Vakuums.

An den Enden der Magnetspule ist die magnetische Induktion halb so groß wie im Inneren, da beide Hälften der Magnetspule an ihrer Verbindungsstelle einen gleichen Beitrag zum Magnetfeld leisten, das durch den Magnetstrom erzeugt wird. Dies gilt für einen halbunendlichen Magneten oder für eine Spule, die lang genug für den Durchmesser des Rahmens ist. Die magnetische Induktion an den Kanten ist gleich:

Da die Magnetspule in erster Linie eine induktive Spule ist, wie jede Spule mit einer Induktivität, ist die Magnetspule in der Lage, Energie in einem Magnetfeld zu speichern, die numerisch der Arbeit entspricht, die die Quelle verrichtet, um in der Spule einen Strom zu erzeugen, der das Magnetfeld der Magnetspule erzeugt:

Eine Änderung des Stroms in der Spule führt zum Auftreten einer EMF der Selbstinduktion, und die Spannung an den Enden des Drahtes der Magnetspule ist gleich:

Die Induktivität des Magneten beträgt:

Dabei ist V das Volumen der Magnetspule, z die Länge des Drahtes in der Magnetspule, n die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit der Magnetspule, l die Länge der Magnetspule und μ0 die magnetische Vakuumpermeabilität.

Wenn ein Wechselstrom durch den Magnetdraht fließt, wechselt auch das Magnetfeld des Magneten. Der Wechselstromwiderstand eines Elektromagneten ist komplexer Natur und umfasst sowohl aktive als auch reaktive Komponenten, die durch die Induktivität und den aktiven Widerstand der Spule bestimmt werden.

Praktischer Einsatz von Magnetspulen

Magnetspulen werden in vielen industriellen und zivilen Anwendungen eingesetzt. Linearantriebe sind oft nur ein Beispiel für den Betrieb von Gleichstrommagneten. Überprüfen Sie die Scheren in den Registrierkassen, Motorventilen, Anlasserzugrelais, Hydraulikventilen usw. Bei Wechselstrom wirken Magnetspulen als Induktoren Tiegelöfen.

Magnetspulen bestehen in der Regel aus Kupfer, seltener aus Aluminiumdraht. In Hightech-Industrien werden supraleitende Spulen verwendet. Die Kerne können aus Eisen, Gusseisen, Ferrit oder anderen Legierungen bestehen, häufig in Form eines Blechbündels, oder sie sind möglicherweise überhaupt nicht vorhanden.

Je nach Einsatzzweck der elektrischen Maschine besteht der Kern aus dem einen oder anderen Material. Geräte wie Elektromagnete zum Heben, Sortieren von Saatgut, Reinigen von Kohle usw. Als nächstes schauen wir uns einige Beispiele für die Verwendung von Magnetspulen an.

Leitungsmagnetventil

Durch Anlegen einer Spannung an die Magnetspule wird der Ventilteller durch eine Feder fest gegen den Pilotanschluss gedrückt und die Leitung verschlossen. Wenn Strom an die Ventilspule angelegt wird, heben sich der Anker und die zugehörige Ventilscheibe, gezogen von der Spule, der Feder entgegen und öffnen die Pilotbohrung.

Der Druckunterschied auf verschiedenen Seiten des Ventils führt dazu, dass sich die Flüssigkeit in der Rohrleitung bewegt, und solange Spannung an der Ventilspule anliegt, ist die Rohrleitung nicht blockiert.

Wenn der Magnet ausgeschaltet ist, hält die Feder nichts mehr zurück und das Ventil rast nach unten und blockiert die Pilotbohrung. Die Pipeline ist wieder geschlossen.

Elektromagnetisches Starterrelais für Autos

Ein Anlasser ist im Wesentlichen ein leistungsstarker Gleichstrommotor, der von der Autobatterie gespeist wird. Zum Zeitpunkt des Anlassens des Motors muss das Anlasserzahnrad (Bendix) kurzzeitig schnell mit dem Schwungrad der Kurbelwelle in Eingriff gebracht und gleichzeitig der Anlassermotor eingeschaltet werden. Der Magnet ist hier die Magnetspule des Anlassers.

Das Aufrollrelais ist am Anlassergehäuse montiert und wenn Strom an die Relaisspule angelegt wird, wird ein Eisenkern gezogen, der mit einem Mechanismus verbunden ist, der das Zahnrad vorwärts bewegt. Nach dem Starten des Motors wird die Stromversorgung durch die Relaisspule unterbrochen und der Gang wird dank der Feder zurückgeführt.

Magnetschloss

Bei elektromagnetischen Schlössern wird der Riegel durch die Kraft eines Elektromagneten angetrieben. Solche Schlösser werden in Zugangskontrollsystemen und Schleusentorsystemen eingesetzt. Eine mit einem solchen Schloss ausgestattete Tür kann nur während der Gültigkeitsdauer des Steuersignals geöffnet werden. Nach Wegnahme dieses Signals bleibt die geschlossene Tür verriegelt, unabhängig davon, ob sie geöffnet wurde.

Zu den Vorteilen von Magnetschlössern gehört ihr Aufbau – er ist viel einfacher als der von Motorschlössern und verschleißfester. Wie Sie sehen können, ist der Magnet auch hier mit einer Rückholfeder gepaart.

Induktor mit Magnetspule durch Erhitzen

Zum Heizen werden üblicherweise Magnetspulen mit mehreren Windungen eingesetzt. Die Induktorspule besteht aus wassergekühltem Kupferrohr oder Kupfersammelschiene.

In Mittelfrequenzanlagen werden einlagige Wicklungen verwendet, und bei industriellen Frequenzwicklungen kann die Wicklung einlagig oder mehrlagig sein. Dies liegt an einer möglichen Reduzierung der elektrischen Verluste im Induktor und an den Bedingungen der Einhaltung der Lastparameter sowie der Spannungsparameter und des Leistungsfaktors der Stromversorgung. Um die Steifigkeit der Induktionsspule zu gewährleisten, wird zwischen den abschließenden Asbestzementplatten meist Kitt verwendet.

In modernen Anlagen Induktionshärten und Erhitzen Magnetspulen arbeiten im Hochfrequenz-Wechselstrommodus und benötigen daher normalerweise keinen ferromagnetischen Kern.

Magnetmotor

Bei Einspulen-Magnetmotoren führt das Ein- und Ausschalten der Betriebsspule zu einer mechanischen Bewegung des Kurbelmechanismus, und die Rückstellung erfolgt durch eine Feder, ähnlich wie bei einem Magnetventil und einer Magnetverriegelung.

Bei Magnetmotoren mit mehreren Wicklungen erfolgt die abwechselnde Ansteuerung der Spulen mit Hilfe von Ventilen. Jeder Spule wird der Strom von der Stromquelle in einer der Halbwellen der Sinusspannung zugeführt. Der Kern wird nacheinander von der einen oder anderen Spule angezogen, führt eine Hin- und Herbewegung aus und treibt die Kurbelwelle oder das Rad in Drehung.

Magnetspulen in Versuchsanlagen

Experimentelle Installationen wie der ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider am CERN nutzen leistungsstarke Elektromagnete, zu denen auch Magnetspulen gehören. Experimente zur Teilchenphysik werden durchgeführt, um die Bausteine ​​der Materie zu entdecken und die grundlegenden Kräfte der Natur zu erforschen, die unser Universum tragen.

Tesla-Spulen

Schließlich verwenden Kenner des Erbes von Nikola Tesla immer Magnetspulen, um Spulen zu bauen. Die Sekundärwicklung eines Tesla-Transformators ist nichts anderes als eine Magnetspule. Und die Länge des Drahtes in der Spule erweist sich als sehr wichtig, denn die Erbauer der Spulen verwenden hier Magnetspulen nicht als Elektromagnete, sondern als Wellenleiter, als Resonatoren, in denen, wie in jedem Schwingkreis, nicht nur die Induktivität des Drahtes, aber auch die Kapazität bildet sich in diesem Fall aus eng beieinander liegenden Windungen. Der Ringkern oben in der Sekundärwicklung ist übrigens so konzipiert, dass er diese verteilte Kapazität kompensiert.

Wir hoffen, dass unser Artikel für Sie hilfreich war und Sie nun wissen, was ein Magnet ist und wie viele Einsatzgebiete es in der modernen Welt gibt, denn wir haben nicht alle aufgelistet.