12.9 Anwendungen des stationären Magnetfeldes

Lasten:

Zwischen dem Pol in der Mitte und dem Rand des Lasthebemagneten in Abb.12.9.1 wird durch den Spulenstrom ein starkes inhomogenes Magnetfeld erzeugt, welches Kräfte auf Eisenteile ausübt.


PIC

Abbildung 12.9.1: Prinzip eines Lasthebemagneten

Anker:

Der Strom erzeugt ein zentrales Magnetfeld, welches einen Tauchanker gegen eine Feder bewegt. Mit dem Prinzip in Abb.12.9.2 können bei verfahrenstechnischen Steuerungen Magnetventile für strömende Flüssigkeiten betätigt werden.


PIC

Abbildung 12.9.2: Spule mit Tauchanker

Relais:

Durch die Spule wird der Steuerstrom IS geleitet, so dass der Anker A angezogen wird. Dadurch wird die bewegliche Kontaktzunge, die mit dem Kontakt 3 verbunden ist von Kontakt 1 nach Kontakt 2 bewegt, wie in Abb.12.9.3 zu sehen ist .


PIC

Abbildung 12.9.3: Prinzip eines Relais

Vorteil: Galvanische Trennung von Steuerkreis und Arbeitskreis. Ist mit elektronischen Schaltungen (Transistoren) nicht zu erreichen.

Schalter:

Wird eine bestimmte Stromstärke überschritten, so wird der Anker des Überstromschalters in Abb.12.9.4 angezogen, die Schaltklinke wird freigegeben und bewegt den doppelpoligen Schalter in die Aus-Stellung. Einsatz als automatische Sicherung.


PIC

Abbildung 12.9.4: Prinzip eines Überstromschalters

Messwerk:

Eine rechteckige Drahtschleife in einem homogenen Magnetfeld drehbar angeordnet ergibt ein Drehspulmesswerk wie in Abb.12.9.5 dargestellt . Fließt ein Strom durch die Drahtschleife, so entsteht eine Lorentzkraft FL und in Verbindung mit der Breite b der Drahtschleife ein Drehmoment M.


PIC

Abbildung 12.9.5: Prinzip und Realisierung eines Drehspulmesswerkes

Durch den feststehender runden Eisenkern entsteht ein radial homogenes Magnetfeld (Richtung der Lorentkraft!)

Motor:

siehe Abb.12.9.6 Der Gleichstrommotor ist grundsätzlich genauso aufgebaut wie das Messwerk, nur muss beim Motor die einmal eingeschlagene Drehrichtung beibehalten werden . Der Strom muss dazu ständig in die obere Windung hinein- und aus der unteren heraus fließen. Die Umkehr der Stromrichtung wird durch mit rotierende Kontaktbleche erreicht (Stromwender).


PIC

  
Der Stillstand der Leiterschleife ist in der Waagerechten erreicht, da dann die resultierende Lorentzkraft aufgrund des homogenen (senkrechten) B-Feldes parallel zum Hebelarm angreift.

Abbildung 12.9.6: Prinzip eines Gleichstrommotors

Beispiel 12.9.1
(Messwerk)

Ein Drehspulmesswerk mit der Länge l = 1 cm und der Breite b = 0,8 cm kann sich in einem homogenen Magnetfeld mit der magnetischen Induktion B = 1,8 T drehen. Es hat den Innenwiderstand Ri = 500 Ω und einen Vollausschlag bei UV = 100 mV. Die Spule hat N = 150 Windungen.

  1. Welches maximale Drehmoment liegt bei Vollausschlag vor?
  2. Welche Leistung nimmt das Messwerk auf?
  3. Wie groß ist der relative Fehler der Anzeige, wenn die Induktion mit der Zeit auf B= 1,7 T abnimmt?
  4. Welches Drehmoment könnte man bei der Induktion B = 1,8 T erwarten, wenn I = 20 A durch N = 10 Windungen der Länge l = 0,5 m und der Breite b = 0,3 m hindurch fließen? (Elektromotor!)

Lösung:

Die Lösung wird in der Vorlesung erarbeitet. Ergebnisse für den Vergleich der eigenen Lösung sind:

  1. Drehmoment
    M⃗   =  2 ⋅⃗r × ⃗Fl
          b        ∘
M    =  2 -Fl sin(90 )
          2              −6             −6
     =  0,008 m ⋅ 540 ⋅ 10 N =  4,32 ⋅ 10-N-m--
  2. Leistungsaufnahme
               U-2   (0,1V-)2
P =  U I = R   =  500 Ω   = 0,02mW---
             i

  3. Anzeigefehler
    ΔM---  ΔB--   −-0,1-T
 M   =  B   =  1,8 T  = −-5,6%-

  4. Drehmoment
          b-
M  = 22 FL = 0,3 m ⋅ 180 N = 54N-m--