Elektromagnete und ihre Anwendungen

Ein Elektromagnet erzeugt mithilfe einer von elektrischem Strom durchflossenen Spule ein Magnetfeld. Um dieses Feld zu verstärken und den Magnetfluss in eine bestimmte Richtung zu lenken, verfügen die meisten Elektromagnete über einen Magnetkreis aus weichem Magnetstahl.

Anwendung von Elektromagneten

Elektromagnete sind so weit verbreitet, dass es schwierig ist, einen Technologiebereich zu nennen, in dem sie in der einen oder anderen Form eingesetzt werden. Man findet sie in vielen Haushaltsgeräten – Elektrorasierern, Tonbandgeräten, Fernsehern usw. Geräte der Kommunikationstechnik – Telefonie, Telegrafie und Radio – sind ohne ihren Einsatz undenkbar.

Elektromagnete sind ein integraler Bestandteil elektrischer Maschinen, vieler industrieller Automatisierungsgeräte sowie Steuer- und Schutzausrüstungen für verschiedene elektrische Anlagen. Ein sich entwickelndes Anwendungsgebiet von Elektromagneten sind medizinische Geräte. Schließlich werden riesige Elektromagnete zur Beschleunigung von Elementarteilchen in Synchrophasotronen eingesetzt.

Das Gewicht von Elektromagneten variiert zwischen Bruchteilen eines Gramms und Hunderten von Tonnen, und die während ihres Betriebs verbrauchte elektrische Energie variiert zwischen Milliwatt und Zehntausenden Kilowatt.

Ein besonderes Anwendungsgebiet von Elektromagneten sind elektromagnetische Mechanismen. Dabei werden Elektromagnete als Antrieb eingesetzt, um die notwendige translatorische Bewegung des Arbeitselements auszuführen, entweder um es um einen begrenzten Winkel zu drehen oder um eine Haltekraft zu erzeugen.

Ein Beispiel für solche Elektromagnete sind Traktionselektromagnete, die dazu bestimmt sind, beim Bewegen bestimmter Arbeitskörper eine bestimmte Arbeit zu verrichten; elektromagnetische Schlösser; elektromagnetische Kupplungen und Bremsen sowie Bremsmagnete; Elektromagnete zur Betätigung von Kontaktvorrichtungen in Relais, Schützen, Startern, Leistungsschaltern; Hebe-Elektromagnete, Vibrations-Elektromagnete usw.

In einer Reihe von Geräten werden neben Elektromagneten oder an deren Stelle Permanentmagnete eingesetzt (z. B. Magnetplatten von Zerspanungsmaschinen, Bremsen, Magnetschlösser etc.).

Klassifizierung von Elektromagneten

Elektromagnete sind sehr unterschiedlich aufgebaut und unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und Parametern. Daher erleichtert die Klassifizierung die Untersuchung der bei ihrem Betrieb ablaufenden Prozesse.

Abhängig von der Art der Erzeugung eines magnetischen Flusses und der Art der wirkenden Magnetisierungskraft werden Elektromagnete in drei Gruppen eingeteilt: neutrale Elektromagnete mit Gleichstrom, polarisierte Elektromagnete mit Gleichstrom und Elektromagnete mit Wechselstrom.

Neutrale Elektromagnete

Bei neutralen Gleichstrom-Elektromagneten wird mittels einer Permanentspule ein magnetischer Arbeitsfluss erzeugt.Die Wirkung des Elektromagneten hängt nur von der Größe dieses Flusses ab und ist nicht von seiner Richtung und damit von der Richtung des Stroms in der Spule des Elektromagneten abhängig. Ohne Strom sind der magnetische Fluss und die auf den Anker wirkende Anziehungskraft praktisch Null.

Polarisierte Elektromagnete

Polarisierte Gleichstrom-Elektromagnete zeichnen sich durch das Vorhandensein von zwei unabhängigen Magnetflüssen aus: (polarisierend und arbeitend). Der polarisierende Magnetfluss wird in den meisten Fällen mit Hilfe von Permanentmagneten erzeugt. Manchmal werden zu diesem Zweck Elektromagnete verwendet. Der Arbeitsfluss entsteht unter der Wirkung der Magnetisierungskraft der Arbeits- oder Steuerspule. Wenn in ihnen kein Strom vorhanden ist, wirkt die durch den polarisierenden Magnetfluss erzeugte Anziehungskraft auf den Anker. Die Wirkung eines polarisierten Elektromagneten hängt sowohl von der Größe als auch von der Richtung ab Arbeitsfluss, also die Richtung des Stroms in der Arbeitsspule.

Wechselstrom-Elektromagnete

Bei Wechselstrom-Elektromagneten wird die Spule von einer Wechselstromquelle mit Strom versorgt. Der magnetische Fluss, der von der Spule erzeugt wird, durch die der Wechselstrom fließt, ändert sich periodisch in Größe und Richtung (magnetischer Wechselfluss), wodurch die elektromagnetische Anziehungskraft mit einer Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Versorgung, von Null auf ein Maximum pulsiert aktuell.

Bei Traktionselektromagneten ist jedoch eine Reduzierung der elektromagnetischen Kraft unter ein bestimmtes Niveau nicht akzeptabel, da dies zu Ankervibrationen und in einigen Fällen zu einer direkten Störung des normalen Betriebs führt.Daher ist es bei Traktionselektromagneten, die mit einem magnetischen Wechselfluss arbeiten, notwendig, Maßnahmen zur Reduzierung der Tiefe der Kraftwelligkeit zu ergreifen (z. B. die Verwendung einer Abschirmspule, die einen Teil des Elektromagnetpols abdeckt).

Neben den aufgeführten Varianten sind derzeit Stromkorrektur-Elektromagnete weit verbreitet, die in ihrer Leistung den Wechselstrom-Elektromagneten zuzuordnen sind und in ihren Eigenschaften den Gleichstrom-Elektromagneten nahe kommen. Denn es gibt noch einige Besonderheiten ihrer Arbeit.

Je nach Art der Wicklungsbeschaltung unterscheidet man Elektromagnete mit Reihen- und Parallelwicklungen.

Reihenwicklungen, die bei einem bestimmten Strom betrieben werden, werden mit einer kleinen Anzahl von Windungen auf einem großen Abschnitt hergestellt. Der durch eine solche Spule fließende Strom hängt praktisch nicht von seinen Parametern ab, sondern wird durch die Eigenschaften der in Reihe mit der Spule geschalteten Verbraucher bestimmt.

Parallelwicklungen, die bei einer bestimmten Spannung betrieben werden, haben in der Regel eine sehr große Windungszahl und bestehen aus Drähten mit kleinem Querschnitt.

Aufgrund der Art der Spule werden Elektromagnete in solche unterteilt, die im Langzeit-, Perioden- und Kurzzeitmodus arbeiten.

In Bezug auf die Wirkungsgeschwindigkeit können Elektromagnete eine normale Wirkungsgeschwindigkeit, eine schnelle Wirkungsgeschwindigkeit und eine langsame Wirkungsgeschwindigkeit aufweisen. Diese Einteilung ist eher willkürlich und gibt vor allem Aufschluss darüber, ob besondere Maßnahmen ergriffen wurden, um die erforderliche Handlungsgeschwindigkeit zu erreichen.

Alle oben genannten Eigenschaften prägen die Konstruktionsmerkmale von Elektromagneten.

Hebe-Elektromagnete

Elektromagnetisches Gerät

Gleichzeitig bestehen Elektromagnete bei aller Vielfalt in der Praxis aus Hauptteilen mit demselben Zweck. Sie umfassen eine Spule mit einer darauf befindlichen Magnetisierungsspule (es können mehrere Spulen und mehrere Spulen sein), einen festen Teil eines Magnetkreises aus ferromagnetischem Material (Joch und Kern) und einen beweglichen Teil eines Magnetkreises (Anker). In einigen Fällen besteht der stationäre Teil des Magnetkreises aus mehreren Teilen (Basis, Gehäuse, Flansche usw.). A)

Der Anker ist durch Luftspalte vom Rest des Magnetkreises getrennt und Teil des Elektromagneten, der die elektromagnetische Kraft wahrnimmt und diese auf die entsprechenden Teile des betätigten Mechanismus überträgt.

Die Anzahl und Form der Luftspalte, die den beweglichen Teil des Magnetkreises vom stationären trennen, hängt von der Konstruktion des Elektromagneten ab. Die Luftspalte, in denen eine Nutzkraft auftritt, werden Arbeiter genannt; Luftspalte, bei denen keine Kraft in Richtung der möglichen Bewegung des Ankers wirkt, sind parasitär.

Die Flächen des beweglichen oder stationären Teils des Magnetkreises, die den Arbeitsluftspalt begrenzen, werden Pole genannt.

Abhängig von der Lage des Ankers relativ zum Rest des Elektromagneten unterscheidet man zwischen externen anziehenden Anker-Elektromagneten, einziehbaren Anker-Elektromagneten und externen transversal beweglichen Anker-Elektromagneten.

Ein charakteristisches Merkmal von Elektromagneten mit außen anziehendem Anker ist die äußere Lage des Ankers relativ zur Spule. Dies wird hauptsächlich durch den Arbeitsfluss beeinflusst, der vom Anker zur Endseite des Kerns verläuft.Die Bewegung des Ankers kann rotatorisch (z. B. ein Ventilmagnet) oder translatorisch sein. Leckströme (die sich zusätzlich zum Arbeitsspalt schließen) erzeugen in solchen Elektromagneten praktisch keine Zugkräfte und werden daher tendenziell reduziert. Elektromagnete dieser Gruppe können eine recht große Kraft entwickeln, werden jedoch meist mit relativ kleinen Ankerhüben eingesetzt.

Ein charakteristisches Merkmal von Elektromagneten mit einziehbarem Anker ist die teilweise Platzierung des Ankers in seiner Ausgangsposition innerhalb der Spule und seine weitere Bewegung in der Spule während des Betriebs. Die Streuflüsse solcher Elektromagnete erzeugen insbesondere bei großen Luftspalten eine gewisse Anziehungskraft, wodurch sie insbesondere bei relativ großen Ankerhüben sinnvoll sind. Solche Elektromagnete können mit oder ohne Anschlag hergestellt werden, und die Form der den Arbeitsspalt bildenden Flächen kann unterschiedlich sein, je nachdem, welche Traktionseigenschaften erzielt werden sollen.

Am gebräuchlichsten sind Elektromagnete mit flachen und kegelstumpfförmigen Polen sowie Elektromagnete ohne Begrenzer. Als Führung für den Anker wird meist ein Rohr aus nichtmagnetischem Material verwendet, wodurch ein parasitärer Spalt zwischen dem Anker und dem oberen, stationären Teil des Magnetkreises entsteht.

Magnetspulen mit einziehbarem Anker können Kräfte entwickeln und über einen sehr weiten Bereich variierende Ankerhübe aufweisen, weshalb sie weit verbreitet sind.

V-Elektromagnete mit einem externen, sich quer bewegenden Anker bewegen sich durch die magnetischen Kraftlinien und drehen sich dabei um einen bestimmten begrenzten Winkel.Solche Elektromagnete entwickeln in der Regel relativ geringe Kräfte, ermöglichen jedoch durch entsprechende Abstimmung der Pol- und Ankerformen Änderungen der Zugcharakteristik und einen hohen Rückflusskoeffizienten.

In jeder der drei aufgeführten Gruppen von Elektromagneten wiederum gibt es eine Reihe von Konstruktionsvarianten, die sich sowohl auf die Art des durch die Spule fließenden Stroms als auch auf die Notwendigkeit beziehen, die angegebenen Eigenschaften und Parameter der Elektromagnete sicherzustellen.

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