Eberhard Kallenbach, Rüdiger Eick, Peer Quendt, Tom Ströhla, Karsten Feindt, Matthias Kallenbach. Elektromagnete

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1 Eberhard Kallenbach, Rüdiger Eick, Peer Quendt, Tom Ströhla, Karsten Feindt, Matthias Kallenbach Elektromagnete Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendung 2., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 266 Abbildungen und 42 Tabellen Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeines Historische Entwicklung der Elektromagnete Definitionen Grundaufbau von Elektromagneten und elektromagnetischen Antriebselementen Der Entwurfsprozess für elektromagnetische Antriebe 7 2 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 43

3 Elektromagnete 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 Ф-1-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 85 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 122

4 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 Erwärmungsberechnung Allgemeines Grundlagen der Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeübertragung durch Konvektion Wärmeabgabe durch Strahlung Erwärmung von Gleichstrommagneten Spulenerwärmung unter idealen Bedingungen Berechnung der Spulentemperatur bei Berücksichtigung der thermisch bedingten Leistungsänderung Temperaturverhalten bei unterschiedlichen Betriebsarten Temperaturverteilung über dem Hauptschnitt eines Topfmagneten Betriebszuverlässigkeit Elektromagnetische Schrittmotoren Das Wesen elektromagnetischer Schrittmotoren Konstruktiver Aufbau und Wirkungsweise Besonderheiten elektromagnetischer Schrittmotoren Wechselpolschrittmotoren Hybridschrittmotoren Dynamische Eigenschaften von Schrittmotoren Bewegungsgleichungen Schrittmotorcharakteristik Elektronische Schrittteilung Die Ansteuerung von Schrittmotoren Aufgaben der Ansteuerung Leistungsstellglieder für Schrittmotoren Schrittmotoren in Regelkreisen 250

5 XII Elektromagnete 8 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 Spezielle Magnetkonstruktionen Hubmagnete Polarisierte Magnete Ventilmagnete Schaltventilmagnete Proportionalmagnete Drehmagnete Haftmagnete Elektromagnetisch schaltbare Bremsen und Kupplungen Elektromagnetische Relais Magnetische Mikroaktoren Einführung Ähnlichkeitsgesetze Herstellungstechnologien magnetischer Mikroaktoren und Magnetwerkstoffe Mikrospulen Herstellung von Mikrospulen Monolytisch integrierte Mikrospulen Hybrid integrierte Spulen Eisenkreis Dauermagnetmaterialien Rückstellfedern im Mikrobereich 337 Literaturverzeichnis 339 Formelzeichenverzeichnis 355 Anhang 359 Stichwortverzeichnis 376