Proportionalmagnete

Funktionsweise Proportionalmagnete

Proportionalmagnete sind elektromagnetische Bauteile zur stufenlosen Steuerung von Kräften und Bewegungen. Ihre Funktionsweise basiert auf der proportionalen Beziehung zwischen dem angelegten Strom und der Magnetkraft. Im Gegensatz zu Schaltmagneten, die nur ein/ausschalten, ermöglichen Proportionalmagnete eine feine und lineare Regelung bzw. Steuerung, bei der Kraft oder Hub je nach Stromzufuhr variiert werden.

• Stromzufuhr: Wird ein elektrischer Strom durch die Magnetspule geleitet, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt eine Anziehungskraft auf einen beweglichen Anker im Inneren des Magneten.
• Proportionalität: Der entscheidende Aspekt bei Proportionalmagneten ist, dass die Stärke des Magnetfelds, und somit die Anziehungskraft auf den Anker, direkt proportional zum angelegten Strom ist. Das bedeutet, je mehr Strom durch die Spule fließt, desto stärker ist die erzeugte Kraft und desto weiter bewegt sich der Anker.
• Bewegung und Kraftregelung: Durch diese Proportionalität kann der Anker des Magneten nicht nur zwischen zwei Positionen (wie bei einem Schaltmagneten) wechseln, sondern sich stufenlos bewegen. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung von Bewegungen oder Kräften, was in Anwendungen wie Ventilsteuerungen oder Dämpfungssystemen nützlich ist.
• Rückstellkraft: Oft wirkt auf den Anker eine Rückstellkraft, etwa durch eine Feder. Diese Kraft wird ebenfalls mit der Magnetkraft ins Gleichgewicht gebracht, sodass der Anker in eine exakte Position gebracht werden kann, die dem angelegten Strom entspricht.
• Kontinuierliche Regelung: Durch Anpassung des Stroms kann der Magnet in Echtzeit reagieren und dynamisch unterschiedliche Kräfte oder Bewegungen erzeugen. Diese kontinuierliche Regelung ist besonders vorteilhaft in Systemen, die hohe Präzision erfordern.

Bauformen und Bauarten Proportionalmagnete

• Vierkant-Proportionalmagnete: Diese Magnete haben einen rechteckigen Querschnitt. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen der verfügbare Platz begrenzt ist. Sie lassen sich leicht in die jeweilige Kundenapplikation integrieren und bieten oft eine hohe Präzision bei der proportionalen Steuerung.
• Rund-Proportionalmagnete: Diese Magnete haben einen zylindrischen Querschnitt und sind meist kosteneffizienter, da sie unter Umständen mit werkzeugfallenden Gehäusekomponenten gefertigt werden können. Die runde Bauform sorgt für eine gleichförmige Verteilung des Magnetfeldes, was sich positiv auf die Funktion des Umkehrhubmagneten auswirken kann.

Leistungsparameter Proportionalmagnete

• Nennstrom:  Der Strom, bei dem der Proportionalmagnet seine spezifizierte Leistung erbringt. Typischer Bereich: Von wenigen Milliampere (bei kleinen Anwendungen) bis zu mehreren Ampere (bei industriellen Anwendungen).
• Nennspannung:  Die Betriebsspannung, bei der der Proportionalmagnet arbeitet. Sie kann je nach Magnetbauart und Anwendung variieren. Typische Bereiche: 12V, 24V oder 48V für industrielle Anwendungen.

• Hub:  Die lineare Verschiebung des Magnetankers, die in direkter Abhängigkeit vom Eingangssignal steht. Der Hub ist ein wichtiges Maß für die Bewegungssteuerung. Typischer Bereich: Von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern, abhängig von der Anwendung.
• Kraft-Weg-Kennlinie:  Die Beziehung zwischen der aufgebrachten elektrischen Leistung (Strom oder Spannung) und der daraus resultierenden mechanischen Kraft über den gesamten Hub. Proportionalmagnete zeichnen sich durch eine gleichmäßige, lineare oder nicht-lineare Kraftentfaltung aus. Diese Kennlinie beschreibt die Genauigkeit und Effizienz der Bewegung.
• Haltezeit/Haltekraft:  Die Kraft, die der Magnet im aktiven Zustand über eine längere Zeit aufrechterhalten kann, ohne dass die Leistung abnimmt. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen eine Position über längere Zeit stabil gehalten werden muss. Diese Haltekraft wird durch die Magnetfeldstärke und den Spulenaufbau beeinflusst.
• Einschaltdauer:  Der maximale Zeitraum, in dem der Proportionalmagnet unter Last betrieben werden kann, ohne dass es zu Überhitzung oder Überlastung kommt. Diese wird als Prozentwert angegeben (ED %). Typischer Bereich: 100% ED für Dauereinsatzmagnete, niedrigere Werte für intermittierende Anwendungen.
• Magnetkraft:  Die maximale Kraft, die der Magnet bei maximaler elektrischer Leistungsaufnahme erzeugen kann. Dies ist ein wichtiger Parameter für Anwendungen, bei denen hohe Kräfte erforderlich sind. Typischer Bereich: Von wenigen Newton bis zu mehreren Kilonewton, abhängig von der Größe und Bauform.
• Induktivität: Die Induktivität der Magnetspule beeinflusst die Dynamik und Geschwindigkeit der Ansteuerung. Höhere Induktivitäten führen zu langsameren Reaktionszeiten. Typischer Bereich: Millihenry bis Henry, je nach Bauart.

Aufbau Proportionalmagnet

• Gehäuse: Das Gehäuse schützt die inneren Komponenten und besteht oft aus ferromagnetischem Material zur optimalen Magnetfeldleitung. Je nach Anwendung können zusätzliche Gehäuse aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff angebracht sein. Für präzise Steuerung wird das Gehäuse oft auch auf thermische Eigenschaften  ausgelegt.
• Spule: Die Spule besteht aus leitfähigem Draht, meist Kupfer, der häufig auf einem Spulenkörper gewickelt ist. Die Spulenanordnung ermöglicht ein proportional zum Strom ansteigendes Magnetfeld für präzise Kraft- oder Bewegungssteuerung. Die Anzahl der Windungen und die Geometrie der Spule beeinflussen die Kraftentfaltung.
• Anker: Der Anker bewegt sich proportional zur Stromzufuhr und strebt dabei an, den Arbeitsluftspalt zu minimieren. Im Gegensatz zu Schaltmagneten ist die Bewegung des Ankers gleichmäßig, was eine präzise Auslegung für eine exakte Kraftentwicklung erfordert.
• Eisenkern: Hergestellt aus Weicheisen, konzentriert der Kern die nutzbare Magnetfeldstärke. Die Auslegung des Eisenkerns sorgt maßgeblich für die gleichmäßige Bewegung des Ankers und die proportionalen Steuerungseigenschaften. Arbeitsluftspalt: Der Arbeitsluftspalt ist entscheidend für den Hub und die Kraft und hat damit auch Einfluss auf die Regelgenauigkeit und gleichmäßige Steuerung des Ankers.

Anwendungen Proportionalmagnet

• Hydraulik und Pneumatik: Proportionalmagnete steuern Ventile zur Regelung des Durchflusses von Flüssigkeiten oder Gasen. Sie ermöglichen eine präzise Druck- und Durchflussregelung in hydraulischen und pneumatischen Systemen.
• Automobilindustrie: In Automatikgetrieben steuern Proportionalmagnete die Getriebeölströme für sanfte Schaltvorgänge. Sie regeln auch in Einspritzsystemen die Kraftstoffmenge und optimieren Verbrauch und Emissionen.
• Medizintechnik: In medizinischen Geräten wie Beatmungsgeräten und Infusionspumpen dosieren Proportionalmagnete Flüssigkeiten und Gase präzise und sorgen für Sicherheit und Effizienz.
• Industrieautomation: Proportionalmagnete steuern Roboter und Aktoren in Fertigungsprozessen für präzise Bewegungen. Sie werden in Greifsystemen und Förderanlagen eingesetzt, wo stufenlose Bewegungen erforderlich sind.
• Schiffbau und Luftfahrt: Proportionalmagnete steuern Hydrauliksysteme, die Ruderklappen, Landeklappen und Fahrwerke bewegen. Präzision ist hier entscheidend für die Sicherheit.
• Land- und Baumaschinen: In Baumaschinen und Kränen regeln Proportionalmagnete Hydrauliksysteme für Anbaugeräte und Ausleger, um schwere Lasten präzise zu bewegen.
• Erneuerbare Energien: Proportionalmagnete steuern in Windkraft- und Solaranlagen mechanische und hydraulische Systeme, etwa zur Verstellung von Rotorblättern oder Solarpaneelen.

Steuerung und Regelung Proportionalmagnet

• Ansteuerung: Proportionalmagnete werden durch spezielle elektronische Steuerungen angesteuert, die eine stufenlose Regelung der Stromstärke ermöglichen. Hierbei kommt häufig eine Pulsweitenmodulation (PWM) oder eine analoge Signalsteuerung zum Einsatz, um das Magnetfeld proportional zur Stromzufuhr zu erzeugen und damit präzise Bewegungen zu generieren.
• Sensorintegration: In vielen Anwendungen sind Proportionalmagnete mit Sensoren ausgestattet, die die exakte Position des Ankers überwachen. Diese Rückmeldung erlaubt eine präzise Regelung der Bewegung und sorgt für eine genaue Steuerung des Systems.

Umweltanforderungen Proportionalmagnet

• Temperaturbereich: Proportionalmagnete sind für den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich ausgelegt, oft von -40°C bis +150°C oder mehr, um auch unter extremen Bedingungen präzise und zuverlässig zu arbeiten.
• Schutzarten: Je nach Anwendungsumgebung werden Proportionalmagnete mit unterschiedlichen Schutzarten (z. B. IP-Schutzklassen) ausgestattet, um sie vor Staub, Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen zu schützen und eine langfristige Funktionalität sicherzustellen.