Elektromagnete. Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendung

Transkript

1 Elektromagnete

2 Eberhard Kallenbach RüdigerEick Tom Ströhla Karsten Feindt Matthias Kallenbach Oliver Radler Elektromagnete Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendung 5. Auflage

3 Eberhard Kallenbach Ilmenau, Deutschland Rüdiger Eick ZF TRW Koblenz, Deutschland Tom Ströhla Fakultät für Maschinenbau, FB Mechatronik TU Ilmenau Ilmenau, Deutschland Karsten Feindt INA-Drives & Mechatronics GmbH & Co. KG Suhl, Deutschland Matthias Kallenbach Kern Technik GmbH & Co. KG Schleusingen, Deutschland Oliver Radler Fakultät für Maschinenbau, FB Mechatronik TU Ilmenau Ilmenau, Deutschland ISBN ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1994, 2003, 2008, 2012, 2017 DasWerk einschließlichallerseinerteileist urheberrechtlichgeschützt.jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Thomas Zipsner Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, Wiesbaden, Germany

4 Vorwort zur 5. Auflage V Mit der neuen Auflage möchten wir der konstanten Nachfrage nach unserem Fachbuch gerecht werden, die alte Ausgabe nach den Wünschen des Verlages und den Anfragen und Anregungen unserer Leser überarbeitet jetzt erneut zur Verfügung stellen. Dabei sind wir unserem Grundanliegen nach einem technisch-methodischen Lehrbuch treu geblieben. Ein Spezialgebiet der Elektrotechnik ist die Magnettechnik in ähnlicher Form wie die Antriebstechnik im Rahmen der Mechanik die Gemeinsamkeit ist die Anwendung der technischen Generierung magnetischer Felder in Verbindung mit der erneuten Wandlung in mechanische Zielgrößen der Aktorik, beispielsweise in Ver- oder Entriegelungen, Positioniersystemen oder elektrisch schaltbaren Haftsystemen. Erfolgt die Bewegungsgenerierung elektro magneto mechanisch, sind diese Wandlungsprozesse jeweils näher zu betrachten. Die dabei entstehenden Verluste in Form der Wärmeentwicklung dürfen nicht vernachlässigt werden und sind zunehmend eine Zielgröße in der Produktspezifikation. Fahrzeug-Bremsregelsysteme sind ohne elektromagnetisch betätigte Ventile ebenso undenkbar wie nach dem gleichen technischen Prinzip arbeitende Stellaktoren in modernsten Werkzeugmaschinen. Kombinationen von Elektro- und Permanentmagneten lassen schaltbare Systeme zu, die quasi leistungslos in Positionen verharren können. Die hier angesprochene Gruppe der permanent magnetisierten Werkstoffe basiert im Werkstoffinneren auf dem gleichen physikalischen Prinzip der gezielten Ausrichtung, hier eben dauerhaft, der magnetischen Momente aus der Summation gerichteter Bahn- und Spinmomente. Für dieses spannende Gebiet der Energiewandlung soll in der überarbeiteten Auflage unseres Buches ELEKTROMAGNETE der Bogen von physikalischen Grundlagen und technischer Anwendung unter Berücksichtigung magnetspezifischer, technologischer und konstruktiver Anforderungen gespannt werden: aus der Sicht der Elektrotechnik die Berechnung der Feldgrößen basierend auf den Maxwell schen Gleichungen und aus Sicht der Konstruktion den Berechnungsbezug in der geometrische Struktur. Dies ist im Rahmen der technischen Produktentwicklung die Basis für die Auslegung der Spulensysteme der quasistatischen oder dynamischen Magnetfeldgenerierung oder des Antriebes oder der Hafteinrichtung, also der weiteren Produktentwicklung als konstruktiv-technische Umsetzung. Diesen Zusammenhang aus Werkstoffeigenschaften inklusive der Hysterese als Verluste und der konstruktiven Auslegung des technischen Systems, fertigungsgerecht montagegerecht lebensdauergerecht servicegerecht, haben wir an Beispielen gezeigt und mittels Bildern verdeutlicht. Ergänzungen, die unsere Leser sehen und wünschen, bitten wir uns mitzuteilen, um diese einarbeiten zu können Danke. Prof. Kallenbach, em. Professor für Antriebstechnik an der TU Ilmenau, ist leider nicht mehr unter uns. Für die seit Anfang des letzten Jahrhunderts in technischen Anwendungen befindlichen Elektromagneten hat Herr Prof. Kallenbach mit seiner Habilitation 1978 die berechnungstechnischen Grundlagen entscheidend weiterentwickelt und in den folgenden Jahrzehnten mit seinem Fachgebiet im Wissenschaftsbereich der Aktorik Akzente für die technische Dimensionierung gesetzt. Aber auch die Berechnung

5 VI Vorwort zur 5. Auflage der magnetischen Feldverteilung für eine grobdimensionierte technische Anordnung basiert auf dem Gleichungssystem nach Kallenbach. Dies erlaubt schließlich die Vorausberechnung der exakten Magnetflussführung und somit der detailgenauen notwendigen Querschnitte im Konstrukt, gemäß des Konstruktionsprinzips Funktionswerkstoff an Funktionsstelle. Prof. Kallenbach ist im Oktober 2016 gestorben wir widmen unserem hochverehrten Lehrer die Neuauflage unseres Buches. Ilmenau, im Juni 2017 Eberhard Kallenbach ( ) Rüdiger Eick Tom Ströhla Karsten Feindt Matthias Kallenbach Oliver Radler Der geistige Vater dieses Buches Prof. Kallenbach bei der Verleihung des Steinbeis- Preises für sein Lebenswerk 2008 (Copyright Steinbeis)

6 Vorwort zur 1. Auflage VII Das Buch behandelt Elektromagnete, die als elektro-magneto-mechanische Energiewandler zur Erzeugung von Bewegungen in modernen Industriebereichen in immer größerem Umfang in sehr unterschiedlichen Anwendungsformen eingesetzt werden. Es liegt in den Antriebseigenschaften der Elektromagnete begründet, dass sie als bewegungserzeugende Elemente in Direktantrieben unmittelbar an das Wirkelement angepasst werden müssen. Aus diesem Grund hat mit dem Anwachsen der Einsatzfälle auch die Zahl der Spezialmagnete ständig zugenommen. Die höchste Form der Anpassung ist die Integration des Elektromagneten mit dem zu betätigenden Wirkelement. So entstehen sogenannte funktionenintegrierte Konstruktionen (z. B. Magnetventile, Magnetkupplungen, Relais), mit denen sich vereinfachte Bauformen und verbesserte Funktionseigenschaften wie beispielsweise Lebensdauer und Dynamik erreichen lassen. Der zunehmende Einsatz von Spezialmagneten bzw. von komplexen Funktionsgruppen mit integriertem Magnetantrieb führt auch dazu, dass die Entwicklung und der Einsatz der Magnetantriebe einem breiten Kreis von Entwicklern und Anwendern obliegt. Der so vorhandene Bedarf an einem Buch, das sowohl die wichtigsten theoretischen Grundlagen, Berechnungs- und Entwicklungsmethoden als auch anwendungstechnische Gesichtspunkte enthält, war Anlass dieses Buch zu schreiben. Nach einer angemessenen Darstellung der theoretischen Grundlagen der elektro-magneto-mechanischen Energiewandlung werden die wichtigsten Berechnungsmethoden für die Feldgrößen und Integralparameter des magnetischen Feldes behandelt, die Berechnung der Magnetkräfte hergeleitet und die Erwärmung des Aktors aus anwendungstechnischer Sicht beschrieben. Daran schließt sich eine Betrachtung des dynamischen Verhaltens der Elektromagnete an, wobei sowohl der Einfluss der Belastung als auch der der Leistungselektronik auf das dynamische Verhalten des Stellgliedes untersucht wird. Außerdem werden Grundkonstruktionen, technologische Besonderheiten und Gesichtspunkte zum optimalen Einsatz weich- und hartmagnetischer Werkstoffe behandelt. Wesentlicher Bestandteil des Buches ist die optimale Dimensionierung nach statischen und dynamischen Gesichtspunkten und der konstruktive Entwurf von elektromagnetischen Antrieben. Dabei werden analytische Näherungsmethoden und rechnergestützte Methoden gleichermaßen vorgestellt. Die Betrachtung des Bauelementes»Elektromagnet«wird schließlich durch Hinweise zum Einsatz elektro-magneto-mechanischer Antriebselemente in kompletten Antrieben, z. B. in geschlossenen Regelkreisen, ergänzt. Die Autoren haben sich bemüht, die physikalischen und mathematischen Grundlagen in einer möglichst einfachen Form darzustellen, so dass zum Verständnis des Textes kein Spezialwissen aus der Elektrotechnik oder dem Maschinenbau vorausgesetzt werden muss. Das Buch kann als Lehrbuch an Universitäten und Hochschulen in den Studiengängen Elektrotechnik, Maschinenbau und Feinwerktechnik, Automatisierungstechnik

7 VIII Vorwort zur 1. Auflage und Fahrzeugbau eingesetzt werden. Es ist jedoch auch für den in der Industrie tätigen Ingenieur als Arbeitsbuch gut geeignet. Obwohl der Elektromagnet das älteste elektromagnetische Antriebselement ist er wurde bereits 1825 von STURGEON in seinem Grundaufbau vorgestellt ist seine wissenschaftliche Behandlung im Vergleich zu Gleich- und Wechselstrommotoren lange Zeit wenig beachtet worden. Nach dem Buch»Die Elektromagnete«von JASSE im Jahre 1930 ist erstmals von KALLENBACH mit dem Buch»Der Gleichstrommagnet«1969 eine zusammenfassende Darstellung über dieses Antriebselement im deutschen Sprachraum vorgelegt worden, die im Ausbildungsprozess und in der industriellen Praxis sehr positiv aufgenommen wurde. Das nun vorliegende Buch erweitert den Betrachtungsgegenstand, indem es sich nicht nur auf neutrale Gleichstrommagnete beschränkt, sondern auch Wechselstrommagnete und polarisierte Elektromagnete mit einbezieht, die aufgrund der Fortschritte auf dem Gebiet der Dauermagnetwerkstoffe zunehmend eingesetzt werden. Die Betrachtung elektromagnetischer Antriebsprinzipien führt folgerichtig zu Schrittmotoren, die ausgehend von deren Bewegungsprinzip und konstruktiven Aufbau mit ihren dynamischen Eigenschaften und der notwendigen Ansteuerung beschrieben werden. Das Buch berücksichtigt die umfangreichen neuen Erkenntnisse und Erfahrungen, die von der Arbeitsgruppe»Elektromagnete«an der Technischen Universität Ilmenau sowohl in der Lehre als auch in der Forschung in den letzten 25 Jahren gesammelt wurden. Die Autoren möchten sich an dieser Stelle bei allen bedanken, die zum Gelingen des Buches beigetragen haben, der Unterstützung unserer Familien gebührt insbesondere unser Dank. Unser Dank gilt den Mitarbeitern des Instituts für Mikrosystemtechnik, Mechatronik und Mechanik der TU Ilmenau für die fruchtbaren Diskussionen und wertvollen Anregungen. Frau Volk, Herrn Dipl.-Ing. Eccarius und Herrn M. Kallenbach danken wir für die Hilfe bei der Erstellung der Druckvorlage, die kritische Durchsicht des Manuskriptes übernahmen Herr Dr. Hermann, Herr Dr. Räumschüssel und Herr Dipl.-Ing. Glet - danke. Außerdem bedanken wir uns bei Herrn Dr. Schlembach und dem B. G. Teubner Verlag, Stuttgart, für die Unterstützung und gelegentliche Ermunterung bei der Erarbeitung des Manuskripts. Eberhard Kallenbach Rüdiger Eick Peer Quendt April 1994

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeines Historische Entwicklung der Elektromagnete Definitionen Grundaufbau von Elektromagneten und elektromagnetischen Antriebselementen Entwurfsprozess für elektromagnetische Antriebe Quellen Grundgesetze des magnetischen Feldes Das stationäre Magnetfeld Grundgesetze und Grundgrößen Magnetische Feldstärke und Flussdichte in magnetisch inhomogenen Feldgebieten Grundlagen zur Berechnung einfacher magnetischer Kreise Integralparameter des magnetischen Feldes Grundgesetze des quasistationären elektromagnetischen Feldes Das Induktionsgesetz Wirbelströme und Feldverdrängung Das System der Maxwellschen Gleichungen Eigenschaften magnetischer Werkstoffe Einteilung magnetischer Werkstoffe Die Gefügestruktur Magnetische Anisotropien, Magnetostriktion Die Magnetisierungskurve Beeinflussung der Eigenschaften weichmagnetischer Werkstoffe Magnetisch halbharte Werkstoffe Eigenschaften hartmagnetischer Werkstoffe Kunststoffgebundene Dauermagnete Quellen... 53

9 X Inhaltsverzeichnis 3 Magnetkraft und Energie Allgemeines Der Gleichstrommagnet als stationärer Energiewandler Stationäre Betriebszustände Die elektrische Grundstruktur Die magnetische Grundstruktur des neutralen Magnetkreises Die magnetische Grundstruktur polarisierter Elektromagnete Energetische Kennziffern zur Bewertung der stationären Energiewandlung Der Gesamtwirkungsgrad von Elektromagneten Elektromagnete als dynamische Energiewandler Die dynamische Energiewandlung Der neutrale Elektromagnet Energetische Kennziffern zur Bewertung der dynamischen Energiewandlung Magnetkraftberechnung Kraftwirkung im magnetischen Feld Berechnung der Magnetkraft aus dem Ψ-I-Kennlinienfeld Energie- und Kraftberechnung mit magnetischen Netzwerken Magnetkraft und Maxwellschen Spannungen Magnetkraftkennlinien Magnetkraft-Hub- und Magnetkraft-Strom-Kennlinien Beeinflussung der Magnetkraft-Hub-Kennlinie Charakteristische Anker-Ankergegenstück-Systeme Untersuchungen an Topfmagneten mit Kennlinienbeeinflussung Analyse und Synthese der Kennlinienbeeinflussung Wechselstrommagnete Quellen Berechnung des magnetischen Feldes von Elektromagneten Überblick über die Berechnungsverfahren Magnetkreisberechnung mit Netzwerkmethoden Magnetkreisberechnung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode Grundgleichungen Datenvorbereitung Datenauswertung Adaptive FEM Polarisierte Magnetkreise Quellen...135

10 Inhaltsverzeichnis XI 5 Das dynamische Verhalten von Elektromagneten Allgemeines Das dynamische Verhalten von Gleichstrommagneten Theoretische Grundlagen Näherungsmethoden zur Berechnung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten Numerische Berechnung des dynamischen Verhaltens Einfluss der Wirbelströme auf das dynamische Verhalten Beeinflussung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten in offener Steuerkette mittels elektronischer Schaltungen Einteilung der elektro-magneto-mechanischen Antriebe bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften Gleichstrommagnete als Stellelemente in Positionierantrieben Dynamisches Verhalten von Wechselstrommagneten Grundgleichungen Berechnung der Schaltzeiten Dynamisches Kennlinienfeld von Wechselstrommagneten Quellen Erwärmung von Antrieben Allgemeines Grundlagen der Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeübertragung durch Konvektion Wärmeabgabe durch Strahlung Erwärmung von Gleichstrommagneten Temperaturbegriffe Spulenerwärmung unter idealen Bedingungen Berechnung der Spulentemperatur bei Berücksichtigung der thermisch bedingten Leistungsänderung Temperaturverhalten bei unterschiedlichen Betriebsarten Temperaturverteilung über dem Hauptschnitt eines Topfmagneten Betriebszuverlässigkeit Quellen Elektromagnetische Schrittmotoren Das Wesen elektromagnetischer Schrittmotoren Konstruktiver Aufbau und Wirkungsweise Besonderheiten elektromagnetischer Schrittmotoren Reluktanzschrittmotoren Wechselpolschrittmotoren Hybridschrittmotoren Dynamische Eigenschaften von Schrittmotoren Bewegungsgleichungen Schrittmotorcharakteristik Elektronische Schrittteilung...259

11 XII Inhaltsverzeichnis 7.4 Die Ansteuerung von Schrittmotoren Aufgaben der Ansteuerung Leistungsstellglieder für Schrittmotoren Schrittmotoren in Regelkreisen Quellen Entwurf elektromagnetischer Antriebe Struktur des Entwurfsprozesses Einteilungskriterien für magnetische Aktoren Berechnung der Magnethauptabmessungen Besonderheiten bei der konstruktiven Auslegung Der Eisenkreis Luftspalte im Magnetkreis Allgemeine Gestaltungsrichtlinien Aufbau und Technologie der Erregerspule Allgemeines Füllfaktoren Die Berechnung der Spulendaten von Gleichstrommagneten Spulenkörper und Kontaktierung Quellen Spezielle Magnetkonstruktionen Hubmagnete Polarisierte Magnete Ventilmagnete Schaltventilmagnete Proportionalmagnete Drehmagnete Haftmagnete Elektromagnetisch schaltbare Bremsen und Kupplungen Elektromagnetische Relais Quellen Magnetische Mikroaktoren Einführung Ähnlichkeitsgesetze Herstellungstechnologien magnetischer Mikroaktoren und Magnetwerkstoffe Spulenminiaturisierung Herstellung von miniaturisierten Spulen Mikroplanarspulen auf Halbleitersubstraten Keramik- und Folienspulen Eisenkreis Dauermagnetmaterialien Mikrotechnische Funktionsgruppen Quellen...370

12 Inhaltsverzeichnis XIII 11 Magnetische Messtechnik Messung magnetischer Eigenschaften und Qualitätssicherung elektromagnetischer Systeme Statische Magnetisierung Dynamische Magnetisierung Probenformen Feldsensoren Feldmessspulen Magnetischer Spannungsmesser Hallsensoren Magnetoresistive Schichten Messung magnetischer Eigenschaften mit der Induktionsmethode Erregerspulenmessung Messung von Materialeigenschaften Statische Materialkennlinien Dynamische Materialkennlinien Messung von Aktoren Messung statischer Kennlinien Berücksichtigung der Verluste Messungen mit bewegtem Anker Quellen Formelzeichenverzeichnis 403 Anhang 407 Stichwortverzeichnis 424