Ratgeber
Die von Magnetspulen erzeugten elektromagnetischen Felder lassen sich in zahlreichen industriellen Bereichen einsetzen. Zum Beispiel in pneumatischen oder hydraulischen Magnetventilen, in Magnetschaltern, in Aktoren für kurze lineare Bewegungen oder in einfachen Elektromagneten. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die grundlegenden Eigenschaften von Magnetspulen, über Aufbau, Funktion und Anwendungsbereiche.
Eine Magnetspule ist ein gängiges elektrisches Bauteil. Sie besteht im Allgemeinen aus einem Kupferdraht, der in vielen Windungen zu einer Spule gewickelt wurde. Neben Magnetspulen mit festem Metallkern sind auch Magnetspulen mit beweglichem oder ohne Kern erhältlich.
Fließt ein elektrischer Strom durch den Spulenkörper, liefert das entstehende elektromagnetische Feld Energie. Diese lässt sich für eine lineare Bewegung des Kerns verwenden. Magnetspulen gehören zu den einfachsten Formen von linearen Betätigungsvorrichtungen.
Die Konstruktion einer Magnetspule besteht im Wesentlichen aus einem Kupfer- oder Aluminiumdraht. Kupfer ist meist favorisiert, da er eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und sich leicht verarbeiten lässt.
Grundsätzlich lassen sich alle Magnetspulen mit Gleich- oder Wechselstrom betreiben und vertragen theoretisch auch sehr kleine und sehr große Spannungen. Gängige Magnetspulen sind zumeist für 6, 12, 24, 110 oder 240 Volt ausgelegt. Niederspannungsspulen mit weniger als 24 Volt eignen sich für kleine Lasten, während Spulen mit höherer Spannung als 24 Volt in der Regel für industrielle Anwendungen und schwere Maschinen gedacht sind.
Die beiden gängigsten Typen von Magnetspulen sind bandumwickelte und gekapselte beziehungsweise gegossene Spulen. Mit Klebeband umwickelte Magnetspulen werden in weniger aggressiven Umgebungen eingesetzt, in denen die Gefahr des Kontakts mit Lösungsmitteln und Chemikalien gering ist. Dazu gehören beispielsweise Zeitschaltuhren, pneumatische Systeme und elektronischen Schaltungen.
Gekapselte Spulenkörper sind in ein dichtes Material wie Polyester, Gummi oder Epoxid eingeschlossen. Die Versiegelung einer Magnetspule verleiht ihr Isolierung und dielektrische Festigkeit sowie eine verbesserte strukturelle Integrität und Stoßfestigkeit. Der Schutz der Spule durch die Verkapselung ermöglicht den Einsatz unter rauen und aggressiven Bedingungen.
Spulenkörper
Der Spulenkörper hält den Draht an seinem Platz und bietet eine Stelle, an der die Anschlusskontakte befestigt sind. Die Spule dient nicht nur als Drahthalter, sondern auch zur Positionierung und Führung der Komponenten und zur Steuerung des Hubs der Magnetspule. Der Spulenkörper ist besonders haltbar und besitzt eine reibungsarme Oberfläche.
Wicklung
Die Wicklung einer Magnetspule wird durch die Anforderungen der Schaltung, den Induktionswert und den Innendurchmesser des Spulenkörpers bestimmt. Die Anzahl der Wicklungen bestimmt die Stärke des Magnetfelds der Magnetspule. Die Induktivität variiert mit dem Quadrat der Anzahl der Spulenwicklungen.
Je größer die Anzahl der Magnetspulen innerhalb eines Gehäuses ist, desto mehr Feldlinien lassen sich erzeugen, was zu einem stärkeren elektromagnetischen Feld führt. Mit zunehmender Anzahl der Drahtwindungen nimmt die Stärke des elektromagnetischen Feldes zu. Die Stärke des Feldes wird also von der Anzahl der Spulen, dem verwendeten Draht, der Dicke des Drahts und dem Innendurchmesser der Magnetspulen beeinflusst. Wenn der Widerstand sinkt, kann mehr Strom fließen. Ergebnis ist ein größeres Magnetfeld.
Spulenkern
Der Kern einer Magnetspule kann aus jeder Art von ferromagnetischem Material bestehen. Magnetspulen können auch ohne einen Kern funktionieren, das ist bei Spulen mit einem Luftkern der Fall. Der Kern bestimmt, wie stark das Magnetfeld sein wird. Manche Kerne erhöhen die Magnetstärke um das 100-fache.
Luftkerne sind leer, bestehen aus Glas oder Kunststoff und sind nicht in der Lage, die Stärke des Magnetfeldes zu erhöhen. Der Vorteil von Luftkernen besteht darin, dass sie bei hohen Frequenzen sehr effizient sind und eine Frequenz von bis zu einem Gigahertz erreichen können. Eine Magnetspule mit Metallkern schwingt dagegen nur bis etwa 100 Megahertz.
Schutz der Magnetspule
Es gibt zwei Methoden zum Schutz der Drähte einer Magnetspule: Umwickeln und Verkapseln. Die Unterschiede zwischen den beiden Arten sind leicht zu erkennen, da gewickelte Magnetspulen mit Papier oder Klebeband umschlossen sind, während gekapselte Spulen in ein Gehäuse aus Kunststoff oder Metall eingebettet sind.
Massive Gehäuse bieten in der Regel einen sehr guten Schutz gegen äußere Einflüsse wie Staub und Wasser, typisch ist die IP Schutzklasse IP65. Wichtig ist außerdem die Isolationsklasse des Spulendrahts gegenüber hohen Temperaturen. Sie reicht von 90 bis zu 250 Grad Celsius. Für Magnetspulen in heißen Umgebungen wird häufig die Isolationsklasse H empfohlen. Die Isolierfähigkeit des Schutzlacks ist bis zu 180 Grad Celsius ausgelegt. Neben der Isolationsklasse H gibt es noch weitere Klassen, die von 90 bis 250 Grad Celsius reichen.
Stecker
Bei Magnetspulen werden oft Stecker anstelle von Kabeln verwendet. Sie besitzen einen männlichen Anschluss für den Kontakt zu einer Buchse. Die Stecker stellen eine solide Verbindung zum Beispiel zu einem Gleichrichter für die DC-Stromversorgung her. Magnetspulen für den Einsatz an spezifischen Magnetventilen besitzen dagegen genormte Gerätestecker.
Grundlegender Zweck einer Magnetspule ist die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie zur Erzeugung einer linearen Bewegung. Ihr Vorteil im Vergleich zu einem Permanentmagneten: Sie lässt sich ausschalten. Das prädestiniert eine Magnetspule als Steuerelement für Schalter, Ventile und automatische Geräte.
Wie alle Magneten besitzt auch eine Magnetspule positive und negative Pole, die jede Art von Material anziehen oder abstoßen können, das auf die Kräfte eines Magneten anspricht. Bei einer Magnetspule bewirkt das Magnetfeld, dass sich der Kern oder der Kolben vorwärts oder rückwärts bewegt. So lässt sich eine Anwendung aktivieren oder abschalten.
Obwohl die Leistung mit der Größe des Schalters zunimmt, wird nur eine geringe Energiemenge für die Funktion des Schalters benötigt. Ein 24-Volt-Magnetventil kann daher eine 230-Volt-Pumpe problemlos steuern. Proportionale Magnetspulen wiederum wandeln ein elektrisches Signal in eine proportionale mechanische Kraft um. Mit ihnen ist die Regulierung von Durchflussmengen zum Beispiel in der Hydraulik möglich, indem die Position des Ventilstößels verändert wird.
Magnetspulen finden sich in der Regel als Magnetventilspulen zur Steuerung von Flüssigkeiten und Gasen. Man findet sie auch in automatisierten Anlagen und als Teil von Robotern. Neben der Kategorisierung nach gewickelt und gekapselt werden Magnetspulen auch in Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) unterteilt. Welcher der beiden Stromformen infrage kommt, hängt von der Anwendung ab.
Wechselstrom-Magnetspule
Eine Wechselstrom-Magnetspule kann bereits beim ersten Hub eine große Kraft entwickeln. Dies liegt an der hohen Stromzufuhr beim Einschalten der Spule. Wechselstrom-Lamellenmagnetspulen sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich. Sie sind ideal für Anwendungen, die eine sofortige Aktion erfordern. Dazu gehören medizinische Geräte ebenso wie Fahrzeuge, Drucker und Haushaltsgeräte.
DC-Rahmenmagnetspulen
DC-Rahmenmagnetspulen besitzen einen offenen Rahmen, um eine lineare Bewegung zu ermöglichen. Sie ist die einfachste Form der Magnetspule und in einer Push- oder Pull-Konfiguration erhältlich. Typische Einsatzbereiche sind Stromunterbrecher, Scanner, Münzzähler und Kassengeräte.
Direktwirkende Magnetspulen
Direktwirkende Magnetventilspulen verfügen über einen Stößel, der eine kleine Öffnung ohne Kraftaufwand schließt. Es handelt sich um eine schnell wirkende Spule, die unter Druck arbeiten und als offene oder geschlossene Ventilspule konfiguriert sein kann.
Vorgesteuerte Magnetventilspule
Eine vorgesteuerte Magnetventilspule wird als indirekt wirkende Spule bezeichnet. Sie verwendet Druck über den Ventilanschluss, um die Ventilöffnung zu öffnen oder zu schließen. Das Ventil öffnet sich, wenn es mit Strom versorgt wird, der Druck im System hält sie geschlossen.
Zwei-Wege-Magnetventilspulen
Zwei-Wege-Magnetventilspulen verfügen über zwei Anschlüsse, die sich öffnen oder schließen können, um so den Durchfluss zu steuern. Hauptaufgabe ist die Freigabe und Drosselung von Medien Hydraulik und Pneumatik.
Drei-Wege-Magnetspule
Mit drei Anschlüssen ist die Drei-Wege-Magnetspule ausgestattet. Zwei der Öffnungen sind Einlassöffnungen, die dritte ist die Auslassöffnung. Diese Spule ist in der Lage, zwei verschiedene Fluide zu steuern.
Vier-Wege-Magnetventilspule
Bei der Vier-Wege-Magnetventilspule gibt es noch einen zusätzlichen Anschluss. Zwei der Anschlüsse sind Einlässe, während die anderen beiden Auslässe sind. Sie werden verwendet, um doppelt wirkende Magnetventil-Aktoren zu betreiben.