magnetköpfe, magnete und ersatzteilsätze

MAGNETKÖPFE, MAGNETE UND ERSATZTEILSÄTZE
Kennzeichnung der Magnete
und grundlegende Hinweise
A
Max. zul.
Max. zul.
Isolations- BetriebsTemperaturtemperatur
klasse
anstieg
E
(°C )
120
F
155
H
180
Max.
Umgebungstemperatur
(°C * )
80
80
95
100
100
105
130
80
105
120
120
120
130
155
( °C ** )
40
75
60
55 2)
55 2)
50
25
100
75
60
60 2)
60 2)
50
25
Ref. (1)
MAGNETSPULEN
Die mit den Magnetventilen von ASCO
verwendeten Magnetspulen sind für den
Einsatz unter Dauerspannung (100 % ED)
entwickelt und geprüft. Sie entsprechen
der thermischen Beständigkeit gemäß den
Normen IEC 216.
T
T
B
B
F
T
B
T
B
F
P
Abb. 1
Z
usätzlicher Kennbuchstabe für die Magnetspulentypen: XM5, M6, M6-II, MXX, MXX-II, M12 (Ex.
: FT, FB, FF, HT)
1)
Artike-Nr. der Magnete: 238xxx-xxx
2)
*
Magnetspulentemperatur augrund der Erregung
** Zusätzliche Auswirkung der Mediumtemperatur innerhalb der im Katalog angegebenen Werte (Kenndaten,
Umgebungstemperatur für die Magnetspule).
Die Konstruktionsweise der meisten Magnetspulen entspricht den IEC 335-Normen.
Andere weltweit anerkannte Normen (UL
etc.) werden ebenfalls abgedeckt (auf
Anfrage).
Die Standard­
spulen sind in den Isolationsklassen E, F und H erhältlich. Die
Isolationsklasse bestimmt die maximale
Betriebstemperatur der Magnetspule für
eine bestimmte Lebensdauer:
- Klasse H: 30.000 Stunden
- Klasse F: 20.000 Stunden
00022DE-2014/R01
Änderungen vorbehalten.
Der Temperaturanstieg der unter Span­nung
stehenden Magnetspulen hängt von deren
Größe und Leistungsaufnahme ab. Damit
kann der maximale Betriebsdruck eines
Magnet­ventils bestimmt werden.
Ein Beispiel für die Isolationsklasse F wird
in Abb. 1 gezeigt. Dabei ist die Isolation so
ausgelegt, dass die Magnetspule in Übereinstimmung mit den Temperaturen gemäß
Klasse F, d.h. 155°C betrieben werden darf.
Der maximal zulässige Temperaturanstieg
in dauererregtem Zustand ist je nach verwendetem Magnetspulentyp begrenzt (z.B.
80°C (FT), 95°C, 105°C (FB), 130°C (FF).
Je nach verwendeter Magnetspule beträgt
die auf den Katalogseiten jeweils unter
“Kenndaten” angegebene maximal zulässige Umgebungstemperatur für den Magnetkopf einschließlich Mediumtemperatur
75°C, 60°C, 50°C oder 25°C.
Bestimmende Faktoren:
a) Temperatur (der erhitzten Magnetspule)
b)Leistung
c) Umgebungs- und/oder Mediumtem­pe­
ratur
d) Erhöhter Temperaturanstieg aufgrund
einer erhöhten Leistung in Watt (erforderlich für den Betrieb von bestimmten
Magnetventilen).
ASCO bietet Magnetspulen in acht Größen
an, die sich durch ihre Abmessungen und
Leistungsaufnahme unterscheiden:
CM5, CM6, CMXX, CM12, CM22, CM25,
CM30, CM40, JMX, ANX, AMX, BMX und
C22A.
Nähere Angaben zu den Magnetspulen und
deren Bestellnummern: siehe Abschnitt J /
V1100, Seiten 2 bis 5.
Berechnungen
Die Anzugkraft direktwirkender Magnete
kann anhand der folgenden Gleichung
überschlägig ermittelt werden:
Fs= p . A (N)
Fs= Anzugkraft des Magnets (N)
p = Druck (Pa) (105 Pa = 1 bar)
A = Anschluss-Querschnitt (m2)
Beispiel
Ein Magnet hat im Durchschnitt eine Anzugskraft von ca. 15N. Um diesen Magnet
bei einer Druckdifferenz von 1 MPa (10 bar)
einsetzen zu können, wird der maximale Anschlussdurchmesser wie folgt berechnet:
Fs= p . A ➞ 15 = 106 . A
A = 1,5 . 10-5 m2
A =1/4.π.d2 ➞ d = 4,4 mm
Für Anwendungen im Niederdruckbereich,
wie bei Gasbrennern, automatische Zapfanlagen oder Vakuumeinrichtungen bis zu 0,1
MPa, beträgt der Anschlussdurchmesser
19,5 mm.
Bei vorgesteuerten Magnetventilen (vorgesteuerte Membrane oder vorgesteuerter
Kolben), wird der Druck für die Membrane
oder den Kolben über einen kleinen Vorsteueranschluss gesteuert. Die großdimensionierten Hauptanschlüsse öffnen
und schließen bei einem Maximaldruck von
bis zu 15 MPa.
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V030-1
Grundlegende Hinweise - MAGNETKÖPFE, MAGNETE & ERSATZTEILSÄTZE
GRUNDLAGEN
Elektrisches Feld
Für die Steuerung eines Magnetventils
ist es wichtig zu wissen, wie sich der
vom Magnetkopf erzeugte Magnetismus
in eine mechanische Energie umwandeln
lässt. Wenn an der Magnetspule eine
bestimmte Spannung angelegt wird, fließt
der elektrische Strom durch die Wicklung
und erzeugt ein Magnetfeld.
Dieses Magnetfeld hängt vom Strom, der
Anzahl der Windungen und der Länge der
Magnetspule ab. Es lässt sich mit folgender
Gleichung ermitteln:
I⋅N
(A/m) [I ⋅ N = ΣH ⋅ d
0,6
0,4
0,2
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
-0,2
-0,4
-0,6
- B (T)
Für die Permeabilität im leeren Raum
gilt:
µ0 = 4.π.10-7 (H/m) oder (Vs/Am)
µ = µo . µr [µ = B/H]
µr Luft = 1
Man muss zwischen folgenden Werkstoffen unterscheiden:
-diamagnetische:
µr < 1 (Wismut, Antimon)
-paramagnetische:
µr = 1 (Aluminium, Kupfer)
-ferromagnetische:
µr > 1 (Eisen, Nickel, Kobalt)
Zur Ermittlung der Permeabilität µr oder
der Flussdichte B kann man die Hysteresekurven für ferromagnetische Werkstoffe
benutzen.
I
L
I
L
-0,8
-1
Zur Herstellung der Magnetanker und
Gegenanker von ASCO wird eine spezielle
Edelstahllegierung mit hoher ferromagnetischer Kompatibilität verwendet.
Falls die Tabelle benutzt wird, kann mit
nachstehender Gleichung gerechnet
werden:
B = µo . µr . H (T)
Magnetköpfe für Gleichstrom und
Wechsel­strom
Zur Berechnung des elektrischen Feldes
muss zuerst einmal der Strom, der durch
die Magnetspule fließt, ermittelt werden.
Bei Magnetspulen, die mit Gleichstrom
versorgt werden, lässt sich der Strom
leicht anhand der folgenden Gleichung
berechnen:
U
I=
(A)
r
Bei Magnetspulen, die mit Wechselstrom
betrieben werden, muss jedoch nicht nur
der reine ohmsche Widerstand sondern
auch der Blindwiderstand XL berücksichtigt werden.
Zur Ermittlung de Wechselstromwiderstands Z sind die Werte XL und R in einem
Vektordiagramm zusammenzufassen. Der
Strom lässt sich anschließend anhand der
nachstehenden Gleichung berechnen:
U
I=
(A)
Z
Der Wert XL ist abhängig vom Abstand
zwischen Magnetanker und Gegenanker.
Je größer der Spalt, desto kleiner der
Wert XL.
Aus diesem Grund fließen unterschiedliche
Ströme durch die Magnetspule, wenn sich
der Magnetanker unten (Anzugsstrom)
bzw. oben befindet (Haltestrom).
Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de
V030-2
+H (A/m)
-H (A/m)
]
Die Konduktanz der Kraftlinien des Magnetfeldes unterscheidet sich je nach
Werkstoff. Die Konduktanz wird Permeabilität genannt und mit dem Symbol „µ“
gekennzeichnet.
S
0,8
+ B (T)
AC
R
L
I
2
L=
µ o ⋅ µr ⋅ N ⋅ A
(H)
L= C . µr
XL= 2.π.f . L
I=
U
=
Z
(X
U
2
L
+ r
2
)
DC
R
L
I
Bei DC:
I i= I h
I=
U
(A )
r
I i = Anzugsstrom
I h = Haltestrom
00022DE-2010/R01
Änderungen vorbehalten.
H=
1
Grundlegende Hinweise - MAGNETKÖPFE, MAGNETE & ERSATZTEILSÄTZE
25
20
F=
10
0
1
2
4
3
6
5
7
SPALT
(mm)
STROKE
IN MM
A = CM6-FT, CM25-5
B = CM6-FB, CM30-8
Die nebenstehenden Diagramme A, B und
C zeigen, dass die durch die Flussdichte B
bestimmte magnetische Anzugskraft F sich
aus dem Abstand zwischen Gegenanker
und beweglichem Magnetanker ergibt.
Diese Beziehung ist für jeden Magnetventiltyp anders.
H =Feldstärke
(A/m)
I = Elektrischer Strom
(A)
N = Anzahl der Windungen
(1)
B = Flussdichte
(T)
µo=Permeabilität im leeren Raum(H/m)
µr = Relative Permeabilität
(1)
A = Fläche des Ankers
(m2)
C =Konstante
Diagramm B
30
25
20
AC (Wechselstrom)
15
R
10
B
A
5
XL
PULL IN MEWTON
MAGNETISCHE ANZUGSKRAFT (N)
A = CMXX-FT, CM40-10
B = CMXX-FB, CM40-14
RH=2.RC
IC =
U
ZC
IH =
U
11
, ⋅ ZC
RR
COLD
C
Diagramm C
DC (Gleichstrom)
R
40
30
20
L
10
B
A
3
6
9
12
SPALT
(mm)IN MM
STROKE
A = CM12-FT
B = CM12-FB
15
T
XL
STROKE IN MM
HZ
OH
I
12
Z
9
C
6
3
SPALT (mm)
ZOLD
L
0
00022DE-2005/R01
Änderungen vorbehalten.
(N)
B
A
5
PULL INANZUGSKRAFT
NEWTON
MAGNETISCHE
(N)
2
B ⋅ A (I ⋅ N ⋅ µ r ⋅ µ )
A
=
⋅
2
2 ⋅ µ0
2 ⋅ µ0
L
2
15
0
A
Wenn das elektrische Feld und die Induktion bekannt sind, kann die Anzugskraft
des Magneten anhand der folgenden
Gleichung bestimmt werden:
Diagramm A
ZC
PULL IN NEWTON
MAGNETISCHE
ANZUGSKRAFT (N)
Anzugskraft eines Magnets
I
18
IC =
U
rC
IH =
U
= 1/ 2 ⋅ IC
2 ⋅ rC
R
RHHOT
wobei:
U =Spannung (V)
IC =Strom in kaltem Zustand
IH =Strom in warmem Zustand
RC =Widerstand in kaltem Zustand
RH =Widerstand in warmem Zustand
ZC = Wechselstromwiderstand in kaltem
Zustand
ZH =Wechselstromwiderstand in warmem Zustand
Wenn eine Magnetspule eine gewisse Zeit
unter Spannung steht, erwärmt sie sich,
wobei der Widerstand erheblich zunimmt.
Wenn sich der Widerstand aufgrund der
Erwärmung verdoppelt, halbiert sich der
Gleichstrom, während dies bei Wechselstrom lediglich einen Einfluss von ca.
10 % hat.
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V030-3
Grundlegende Hinweise - MAGNETKÖPFE, MAGNETE & ERSATZTEILSÄTZE
I x N
180˚
270˚
Von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld
90˚
360˚
Z
Z
XL
XL
I=
U
(A )
Z
I x N
Vom Kurzschlussring erzeugtes Magnetfeld
mit einer Phasenverschiebung von ca. 90°.
R
RESULTIERENDE KRAFT
Aru
ZZin
XLXL
sh
Zusammensetzung der Anzugskräfte von der
Hauptspule und dem Kurzschlussring
IA =
U
ZA
R
ZhoZ
X
XL L
ldM
ing
wobei
IA = Anzugsstrom
ZA= Anzugswiderstand
U
IM =
ZM
Unterschiede zwischen den mit AC oder
DC versorgten Magnetventilen
Betrieb bei Wechselstrom:
Die Gegenanker der mit Wechselstrom
versorgten Magnetventile sind immer mit
einem Kurzschlussring ausgestattet. Das
äußere Ende des Ankers ist flach und
senkrecht stehend.
Betrieb bei Gleichstrom:
Der Gegenanker und der bewegliche
Magnetanker sind konisch geformt. Um zu
vermeiden, dass der Anker oben hängenbleibt, muss ein nicht-magnetisierbares
Teil installiert werden. Dieses Teil wird
„amagnetischer Anschlag“ genannt.
Vergleich der Magnetventile AC/DC
Betrieb bei Wechselstrom
a)Starker Anzugsstrom und schwacher
Haltestrom
b)Große Anzugsskraft
c) Empfindlich gegen Fremdkörper
d)Die Wicklung besteht aus weniger
Windungen (Kupfer) als dies bei den mit
Gleichstrom versorgten Magnetspulen
der Fall ist.
e)Die Stromaufnahme und die Anzugskraft werden nicht von Temperaturschwankungen beeinflusst.
F
Betrieb bei Gleichstrom
a)Anzugsstrom gleich dem Haltestrom
b)Die Stromaufnahme und die Anzugskraft werden von der Temperatur beeinflusst.
c) Geräuscharme Magnetventile
d)Weniger schmutzempfindlich
e)Die Wicklung hat mehr Windungen
(Kupfer), als dies bei den mit Wechselstrom versorgten Magnetspulen der Fall
ist.
Leistungsaufnahme bei AC:
P
(W)
= U ⋅ I ⋅ Cosϕ
(A)
IA =
IM =
PA ( VA )
U (V)
PM ( VA )
U (V)
wobei:
PA= Anzugskraft (VA)
PM= Haltekraft (VA)
P
(W)
= U⋅I
R
wobei
IM = Haltestrom
ZM= Haltewiderstand
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V030-4
(A)
I
=
P (W)
U (V)
00022DE-2005/R01
Änderungen vorbehalten.
Leistungsaufnahme bei DC:
Grundlegende Hinweise - MAGNETKÖPFE, MAGNETE & ERSATZTEILSÄTZE
KURZSCHLUSSRING
.N
(I x IN)
SHADING COIL
VERSORGUNGSSUPPLY
SPANNUNG
VOLTAGE
0°
0˚
180°
180˚
90˚
90°
I.N
Magnetspule
Coil
(I x N)
wobei:
I = elektrischer Strom (A)
N= Anzahl der Spulenwindungen
Dieses vereinachte Vektordiagramm stellt
die Wirkungsweise des Kurzschlussrings
bei Wechselstrom dar.
Kurzschlussring
NENNLEISTUNGEN
Nennleistung im warmen Zustand
Die in den Tabellen „Kenndaten“ jeweils
angegebenen Nennleistungen entsprechen dem durchschnittlichen Verbrauch
der Magnetköpfe. Die meisten Leistungen
sind entsprechend den nachstehenden
Spezifikationen mit einem Wert jeweils
für den kalten und den warmen Zustand
angegeben.
Nach der Unterspannungsetzung der Magnetspule und bei anschließendem Dauerbetrieb (bzw. bei maximaler Einschaltdauer
für die wenigen Produkte bei denen sie
spezifiziert ist) erreicht die Magnetspule
die nominale Betriebstemperatur. In diesem Fall erhöht sich der Widerstand und
die Leistungsaufnahme reduziert sich im
Vergleich zum kalten Zustand. Dieser Wert
wird z.B. bei der Berechnung der Gesamtkosten für den elektrischen Verbrauch
zugrunde gelegt.
Nennleistung im kalten Zustand
Die Leistung im kalten bzw. warmen Zustand wird unter den folgenden normalen
Betriebsbedingungen bestimmt :
● der vorgesehenen Nennspannung (Un)
● Umgebungs- und Mediumstemperatur
von 20°C
Es muss beachtet werden, dass sich diese
Werte entsprechend den Schwankungen
in den Betriebsbedingungen ändern:
● Schwankungen in der Versorgungsspannung (es sind die zulässigen minimalen
und maximalen Werte zu beachten
– siehe Abschnitt J, Seiten V1105-2 und
3).
● Umgebungstemperatur
● Mediumstemperatur
● Dimensionierung und Art der Verrohrung
00022DE-2008/R01
Änderungen vorbehalten.
Dieser Wert entspricht der Leistungsaufnahme, bei Unterspannungsetzung der
Magnetspule bei erstmaliger Inbetriebnahme. In diesem Zustand entspricht die
Temperatur im Inneren des Magnetkopfes
ungefähr der Außentemperatur oder der
des Mediums und der Widerstand der
Magnetspule entspricht dem Nennwert.
Im Vergleich zum warmen Zustand ist die
Leistungsaufnahme im kalten Zustand
wegen des geringeren Widerstands etwas
höher. Diese dient als Referenz zur Auslegung der Spannungsversorgung und der
erstmaligen Unterspannungsetzung des
Magnetventils.
Allgemeine Anmerkungen
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V030-5
A
00220DE-2005/R01
Änderungen vorbehalten.
MAGNETKÖPFE, MAGNETE & ERSATZTEILSÄTZE
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V030-6