Zugmagnet

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Ein Zugmagnet ist eine Form von Elektromagnet welcher unter anderem in Schütz oder Relais zum Auslösen der mechanischen Bewegung eingesetzt wird und je nach Typ und Anwendung mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben wird. Die Reluktanzkraft eines Zugmagneten ist von der Stromrichtung unabhängig und unter sonst gleichen Bedingungen abhängig von der Stromstärke.

Allgemeines

Schema eines Zugmagneten mit magnetischen Kreis in einem Relais. Bei Anlegen der Spannung schliesst sich der magnetische Kreis.

Bei gegebener Betriebsspannung wird in der Regel ein möglichst geringer Energieverbrauch angestrebt und dadurch erreicht, dass der zur Verfügung stehende Wickelraum mit möglichst vielen Windungen eines möglichst dünnen Drahtes gefüllt wird und so ein hoher Füllfaktor erreicht wird.

Bei der Zugkraft sind einige Punkte zu beachten:

• Die mechanische Auslenkung im magnetischen Kreis ist nicht vernachlässigbar klein. Es liegt eine hyperbelförmige Abhängigkeit der Kraft vom Weg vor.
• Die Auslenkung richtet sich gegen die Kraft einer vorgespannten Feder deren Kennlinie in guter Näherung linear ist.

Die Anzugkraft wird durch den Schnittpunkt beider Kennlinien bestimmt. Zum Anziehen muss die magnetische Kraft den durch die Federkraft gegebenen Schwellwert überschreiten. Die Kraft des Zugmagneten im angezogenen Zustand (Haltekraft) ist größer. Bei einigen Anwendungen des Zugmagneten wird daher zur Verminderung des Energieverbrauchs ein Schaltkontakt vorgesehen, dessen Unterbrechung kurz vor dem Anschlag einen Zusatzwiderstand in den Stromkreis einschaltet wie beispielsweise bei dem Andruckmagneten in einem Tonbandgerät.

Das Magnetfeld führt zu einer Remanenz im magnetischen Kreis, die ausreichen kann, um den Anker im angezogenen Zustand zu halten. Dieser Effekt wird durch einen zusätzlich eingebrachten Luftspalt im magnetischen Kreis reduziert, ausgeführt beispielsweise in Form eines Antiklebstiftes oder eines Trennbleches mit geringer magnetischer Leitfähigkeit.

Weiters ist zwischen dem Betrieb an Gleich- und Wechselspannung zu unterscheiden. Bei Gleichspannung liegt im stationären Fall eine konstante Kraft vor. Bei Betrieb an Wechselspannung kommt es durch das periodische Absinken der Spannung auch zu einem periodischen Absinken der magnetischen Flussdichte im Kern und in Folge einen periodischen Absinken der Zugkräfte. Dies kann zu mechanischen Vibrationen („Brummen“) oder zu einem ungewollten Öffnen des magnetischen Kreises führen. Als Abhilfe können Zugmagneten mit einem vorgeschaltenen Gleichrichter an einer annäherend konstanten Gleichspannung betrieben werden. Eine weitere Möglichkeit, zum direkten Betrieb an Wechselspannung, ist ein Absinken der Kraft unter das Niveau der Haltekraft mit Hilfe eines Spaltpols zu verhindern.

Spaltpol

Prinzipielles Zeitdiagramm für Zugmagnet mit Spaltpol (F~H²)

Zugmagnet für direkten Betrieb an Wechselspannung mit Spaltpol in Form einer Kurzschlusswindung im vorderen Bereich

Zufolge der Wechselspannung mit der Frequenz $f$, in nebenstehender Abbildung in hellblau punktiert als Feldverlauf dargestellt, schwankt auch der Wert für die Haltekraft als Funktion der Zeit. Der Verlauf der Kraft vom Hauptfeld, in der Abbildung dunkelblau gezeichnet, weist bei Speisung mit harmonischer Wechselspannung mit der Kreisfrequenz $\omega =2\cdot \pi \cdot f$, aufgrund der Beziehung:

$\cos ^{2}\omega ={\frac {1}{2}}\ {\Big (}1+\cos(2\omega ){\Big )}$

die doppelte Frequenz auf. Dies folgt aus dem Umstand, dass die Reluktanzkraft vom Quadrat des Stromes, bzw. bei Speisung an einer Wechselspannungsquelle direkt proportional vom Quadrat der Spannung, abhängt. Die somit immer positiv wirkende Kraft des Hauptfeldes sinkt periodisch bis auf den Wert 0 ab. Je nach den Größen der Massen im magnetischen Kreis kommt es dabei zu unerwünschten Vibrationen oder, im Extremfall, zum unerwünschten Öffnen des magnetischen Kreises.

Dieser Mangel wird durch eine zusätzlich in den magnetischen Kreis eingebrachte Kurzschlusswindung behoben, die im Bereich der Polfläche um einen Teil des Kernes herumgeführt ist, wie in nebestehender Abbildung in Form eines Kupferringes ausgeführt. Diese technische Lösung in Form eines Spaltpols ist ähnlich dem Verfahren bei dem Spaltpolmotor: In der Kurzschlusswindung wird durch einen Teil des Hauptfeldes ein Strom induziert, dessen magnetisches Feld, das so genannte „Spaltfeld“, gegenüber dem Hauptfeld eine Phasenverschiebung aufweist. Es ist hellgrün punktiert im zeitlichen Verlauf dargestellt. Durch obige Beziehung weist auch die Kraftwirkung zufolge des Spaltpols eine Phasenverschiebung mit doppelter Frequenz auf, der Verlauf ist in grüner Farbe dargestellt.

Die Summe der beiden Kräfte, in Schwarz in der Abbildung dargestellt, ergibt bei einem Spaltpolmagnet den Verlauf der gesamten Kraftwirkung bei Betrieb an Wechselspannung. Die Summenkraft fällt nicht mehr auf Null ab sondern schwankt mit einem cosinusförmigen Verlauf und doppelter Frequenz zwischen zwei positiven Extremwerten. Durch eine entsprechende Dimensionierung, wie auch der Beachtung dass der Widerstand der Wicklung durch deren Impedanz und nicht nur durch den ohmschen Gleichstromwiderstand bestimmt ist, kann so ein Unterschreiten der minimalen Haltekraft konstruktiv vermieden werden.

Literatur

• Rüdiger G. Ballas, Günther Pfeifer, Roland Werthschützky: Elektromechanische Systeme der Mikrotechnik und Mechatronik. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-89317-2, Kapitel 8 - Magnetische Wandler. 
• Walter Baumann et al., Redaktionell bearbeitet von Roland Werner: NS-Schaltgeräte-Praxis: Funktion, Auswahl, Einsatz. VDE-Verlag, Berlin 1984, ISBN 3-8007-1353-5.