Der "perfekte" Elektromagnet

[jojo.glaser]

Hi,

Ich bin gerade dabei ein bisschen den Magnetismus teilweise zu verstehen.
Mein Ziel ist es einen möglichst starken Elektromagneten zu bauen.

So einigermaßen hab ich dass mit der Feldstärke, Flussdichte und der Permeabilitätszahl verstanden.

Als ich mir Gedanken darüber gemacht habe, wie so ein „perfekter“ Elektromagnet aussehen müsste, ist mir aufgefallen, dass da sehr viele Faktoren mitspielen.

Mein Traummagnet sollte so aussehen:

Max. 8x8x15 cm groß
Er sollte für 10V ausgelegt sein.
Auf weiter Distanz noch sehr stark sein.
(Ideal Distanzunabhängige Stärke. Weis dass das nicht geht  )

Auf Stromverbrauch lege ich keinen Wert.
Er sollte halt bei 10V nicht zerschmelzen.

Es währe natürlich super, wenn sich schon ein anderer den Kopf über Elektromagnete zerbrochen hätte und die jetzt in einem Onlineshop verkaufen würde.
Kennt jemand einen guten Shop in dem man sehr starke Elektromagnete kaufen kann?
Für einen effektiven und starken würde ich auch ein paar Euro mehr ausgeben.

Ich habe noch keine besonderen Elektromagnete im Internet gefunden… Deshalb hab ich mir überlegt einen selbst zu wickeln. Dass mit der Windungs- und Querschnittsberechnung würde ich hin bekommen. Hätte da aber noch 2 Fragen:

Wo kann man einen Werkstoff mit einer sehr hohen Permeabilitätszahl kaufen kann?

Von was hängt das ab, ob ein Elektromagnet besonders stark auf kurzer oder weiter Distanz ist? Kann man das überhaupt beeinflussen oder nimmt die Kraft je nach abstand immer Prozentual „gleich“ viel ab?

Währe cool, wenn ihr mir einige meiner vielen Fragen beantworten könntet. Oder ein paar gute links zu Onlineshops und zu gutem Infomaterial an mich weitergebt.

Danke für euren Beitrag zum „perfekten“ Elektromagneten.

Vieleicht interessiert es euch, für was ich den einsetzen möchte.
Er soll an einer Halterung hängen und einen "seldenen Erdmagnet" auf einem bestimmen Abstand schweben lassen. An dem Dauermagnet hängt ein Objekt, dessen Possition mit einem Sensor abgefragt wird. Eine Elektronik regelt den Elektromagnet so nach, so dass das Objekt schwerelos schwebt.

Gruß Jo

[ranke]

Wo kann man einen Werkstoff mit einer sehr hohen Permeabilitätszahl kaufen kann?


Am besten dürften wohl unlegierte Stähle sein. Also Schrauben, Nägel, Blech, Halbzeug aus Stahl. Hochlegierte, korrosionsbeständige Stähle (Nirosta, V2A,...) gehen schlecht bis gar nicht.



Von was hängt das ab, ob ein Elektromagnet besonders stark auf kurzer oder weiter Distanz ist? Kann man das überhaupt beeinflussen oder nimmt die Kraft je nach abstand immer Prozentual „gleich“ viel ab?


Im großen und ganzen wird das bei gegebener Geometrie des Magnets so sein, daß die Kraft auf einen anderen Magnet bei einem bestimmten Abstand etwa der Stromstärke proportional ist. Ein bißchen spielt aber der Eisenkern mit hinein, weil das Verhalten des Eisenkerns nichtlinear ist. Besonders wenn der Kern in Sättigung geht, wird sich auch der Verlauf der Feldlinien um den Magnet ändern, allerdings eher in Richtung einer schwächeren Fernwirkung.
Luftspulen (also Elektromagnete ohne Eisenkerne) sind genau linear.



Er soll an einer Halterung hängen und einen "seldenen Erdmagnet" auf einem bestimmen Abstand schweben lassen. An dem Dauermagnet hängt ein Objekt, dessen Possition mit einem Sensor abgefragt wird. Eine Elektronik regelt den Elektromagnet so nach, so dass das Objekt schwerelos schwebt.


Im "Deutschen Museum" in München ist so etwas aufgebaut. Dort hängt der Elektromagnet an einem Stativ und läßt eine Eisenkugel unter sich schweben. Geregelt ist das offenbar mit einem optischen Entfernungssensor und zwar so gut, daß weder Blitzlicht, noch die EMV der im selben Raum stattfindenden Hochspannungs- und Starkstromvorführung die Regelung stört.
Einen Magneten frei schweben zu lassen stelle ich mir schwieriger vor, man muß ja auch dafür sorgen, daß er sich nicht dreht und dem Elektromagneten immer den gewünschten Pol zukehrt.

[jeffrey]

hi,
wäre es nicht besser, den magneten unterhalb des objektes zu platzieren? dann schwebt es auf jeden fall, wenn der magnet stark genug ist. wir haben das mal im regelungstechnik praktikum gemacht, hatten dabei oben und unten ein magnet, so konnte man die ergebnisse vergleichen, wenn man nur den oberen, nur den unteren, oder beide nimmt.
mfg jeffrey
ps: hier das bild von unserem versuch http://www.ist.uni-stuttgart.de/education/courses/PRTII/schwebev.jpg

[jojo.glaser]

Danke für eure schnellen Antworten!

Den Dauermagnet montiere ich an eine Kugel aus Schaumstoff. Ich gehe davon aus, dass der Elektromagnet - der sich dann überhab der Kugel befindet - die Kugel Stabil halten kann.

Im Moment sehe ich nur als einsigstes Problem einen Elektromagneten zu bauen, der auch auf weite Distanz eine ausreichende Anziehungskraft hat um die Kugel in der Luft zu halten.

Den optimalen Kompromiss aus: Spannung, Strom und Windungszahl könnte ich errechnen.

Allerdings weis ich nicht genau, wie sich: der Druckmesser und die Länge des Metallkerns, die Wickellänge und Umfang der Spule sowie die Form des Metallkerns auf die Kraft und "Reichweite" des Elektromagneten auswirkt.

Könnt ihr mir noch zu folgenden Fragen ein paar Tips geben?

- Soll ich einen dicken und dafür dünneren oder einen dünneren und dafür längeren Kern verwenden um maximale Kraft auf lange Distanzen zu erreichen?

- Hat ein Elektromagnet mit einer breiter und dafür kürzer gewickelten Spule oder einer mit einer schmaleren und dafür längeren gewickelten Spule mehr Kraft auf weiter Distanz?

- Ich bin immer noch auf der Suche nach einem geeigneten Material. Nanokristalline Metalle (Permeabilitätszahl: 20.000–150.000) währen ein Traum. Leider weis ich nicht, wo man solche Materiale kaufen kann. Kennt jemand einen Stoff der besser wie Eisen für einen Elektromagnet geeignet ist? Also mit sehr hohem Sättigungsfaktor und einer hohen Permeabilitätszahl?

Gruß Jo

[Gock]

Moin!
1. Einen Permanentmagneten mit einem E-Magneten schweben zu lassen ist extrem ungünstig, weil der P-Magnet den Kern des E-Magneten anzieht. Außerdem wirkt sich die Unsymmetrie (des freibeweglichen Magnetfeldes) hochgradig negativ aus, selbst bei einem Kugelmagneten. Einmal zu dicht dran gekommen kann die Regelung den Kontakt nicht mehr verhindern. Also erstmal mit einer Stahlkugel versuchen...
2. Werkstoffe oder Infos darüber bekommst Du bei Magnetherstellern, zb Vakuumschmelze Hanau usw.
3. Das Verhältnis Kraft zu Abstand ist vor allem geometrie- und flussabhängig (Bauform, Polgröße, magn. Fluss). Für Dich wäre möglicherweise ein Topfmagnet am besten geeignet, anstelle eines Stabmagneten zb. Es gibt in guten Tabellenbüchern die Formeln für geometrieabhängige Größen, da solltest Du reinsehen.
Stahl ist immer schlechter als Reineisen.
Werkstoffe, die Du gerne hättest sind Mumetall oder Terfenol D. (Ich übrigens auch ;-)
Muss jetzt weg, aber ich befürchte, Du brauchst noch mehr Infos, bevor Du anfängst.
Gruß

[jojo.glaser]

Danke Gock!

für was brauchst du das Mumetall???

Hast du ICQ?

Gruß Jo

[Besserwessi]

Eine gute Quelle für weichmagnetisches Material sind auch die Kerne von Transformatoren. Die Bleche lassen sich auch noch einigermaßne bearbeiten.

Wie start das Feld eines Magneten mit dem Abstand abnimmt, hängt ganz wesenlich von der Größe ab. Wenn es darum geht Ferromagnetische Materialien anzuziehen, hängt nimmt die Kraft mit der Magnetisierung des Objektes und dem Gradienten des Feldes zu. Ein langsam abnehmendes Feld wirkt also weniger anziehend.

Um ein starkes und einigermaßen homogenes Magnetfeld zu erzeugen sollte man einen fast geschlossen Eisenkern verwenden. Also z.B. 30 cm Feld in Eisenkern und 1 cm breiter Spalt.

Mu-Metall hat eine hohe Permeabilitätszahl, ist aber recht teuer und wird im wesenlichen als Abschirmung oder für spezielle Transformatoren oder Sensoren gebraucht. Für den Bau von Elektromegneten ist es eher ungeeignet. Terfenol D ist recht teuer und ist mehr als Sensor oder magnetostriktiver Akuator geeigenet. Eventuell könnte man es noch für Felder über 2 T gebrauchen, aber da gibt es bessere Legierungen. Außerdem ist es gar nicht so einfach zu so hohen Feldern zu kommen, das man ein Material mit extra hoher Säätigungsfeldsträrke gebrauchen kann.

[Manf]

Die magnetischen Feldlinien des Elektromagneten werden ein Stück durch Eisen und ein Stück über die Luft laufen. Der Widerstand in Eisen ist praktisch um die relative Permeabilität des Eisens kleiner als in Luft.

Beträgt die Permeabilität von Eisen einige Tausend (2000-5000),
dann bleibt bei einer Luftstrecke von 1cm, eine Strecke von weniger als 100cm in Eisen Vernachlässigbar.

Das ist der Grund, warum die relative Permebilität in magnetischen Konfigurationen mit großem Luftspalt von untergeordneter Bedeutung ist, Eisen ist schon ideal.

Vergiß für die Anwendung spezielle Materialien mit höherer Permeabilität, und achte ganz auf die Konfiguration des Feldes in der Luft.

[jojo.glaser]

> Vergiß für die Anwendung spezielle Materialien mit höherer
> Permeabilität, und achte ganz auf die Konfiguration des Feldes in der Luft.

Was meinst du mit Konfiguration des Luftfeldes? Wie kann ich das konfigurieren?

Lässt sich da wirklich nicht viel mehr mit einem anderen Material rausholen? Andere Werkstoffe haben so verlockende Permeabilitätszahlen...

Im Moment drehen sich 1000 Fragezeichen über meinen kopf.
Irgendwie muss ich einen Kompromiss finden...
Ich bin mir jetzt nicht mal mehr so sicher, ob ich an das objekt "seltene Erdmagnete" montieren soll oder ein anderes Material.

Ich werde mal eine Nacht darüber schlafen und morgen all eure Tips und Antworten neu aufrollen. Danke für eure Mühe!

Gruß Jo

[Gock]

...Eisen ist schon ideal.

Naja, also ganz so kann man das nicht stehen lassen. Mit etwas mehr als 1T kommt man an die Sättigung und dann "quillt" das Magnetfeld steitlich aus den Polflächen heraus. Und schon vorher nimmt der "Widerstand" deutlich zu. Resulat ist, dass das Feld überall ist, nur nicht dort, wo es sein soll. Mit höheren Permeabilitäten wird dieser Effekt etwas eingeschränkt, zumindest bei kleinen Luftspalten.
Ich persönlich hatte mal das Problem und wollte den Fluss mehrerer Permanentmagnete in eine Art Tauchspulenaufbau lenken. Ich ging gutgläubig davon aus, dass das Magnetfeld nicht aus dem Eisen will (vor dessen Sättigung), bis ich es nachgemessen habe. In Realität war das Feld nichteinmal halb so groß wie berechnet, und zwar nur wegen der Luftkurzschlüsse. Und das, obwohl Eisen diesen scheinbar enormen µ-Wert hat. Bei mir kam es damals auf sehr geringe Baugröße an, daher der Wunsch nach besonderem Material. Außerdem hätte ich dieses Material gerne mal auf dem Tisch liegen, zum Ausprobieren.
Aber ansonsten haben die andern hier schon recht, für einen normalen E-Magneten brauchst Du sowas nicht, da ist Eisen schon recht gut geeignet.
Unter anderem desswegen, weil Du die Verluste mit Erhöhung des Stroms ausgleichen kannst, bei P-Magneten geht das nicht. D.h. Du kannst auch über die Sättigung hinausgehen, theoretisch...
Gruß

[Besserwessi]

Bei hohen Feldern muss man auf die Sättigungsfeldstärke achten, und die ist bei normalem Eisen schon recht gut (ca. 1,6-1,8 T). Etwas besser ist da eine Eisen-Cobaltlegierung (2-2.2T). Mumetall und ähnliche extrem weichmagnetische Materialien haben dagen oft eine kleinere Sattigungsfeldstärke. Für Felder über 2.2 T gibt es Seltenerdlegierungen, die erstens sehr teuer sind und zweitens alles andere als weichmagnetisch, dafür aber bis etwa 5 T Sättigungsfeldstärke haben.

[Manf]

Schauen wir uns mal an wie es nachher aussehen soll.
Ich glaube schon, dass es sich unterhalb von 1T abspielt.


http://tbn0.google.com/images?q=tbn:z5gB0OVOz7zluM:http://www.cnet.de/i/alpha/2007-08/0708_ifo-3000.jpg

http://cgi.cnet.de/alpha/artikel/abseits/200708/ifo-3000-bilder-autos-und-welten-schweben-lassen.htm

[Felix G]

Also wenn man einen richtig starken Elektromagnet braucht geht doch nichts über eine supraleitende Luftspule :wink:

Und bei Bedarf kann man so ein Teil auch kurzschließen wenn das Magnetfeld steht, und die Spule so ohne weitere Stromzufuhr betreiben.


Aaaber ich denke das wäre wohl ein bischen überdimensioniert für diese Anwendung (und vor allem verdammt teuer).

[Besserwessi]

Für einen richtig starkes Magnetfeld, nimmt man eine eher kleine Kupferspule ohne Kern und entläd einen richtig kräftigen Kondensator (kein Elko, z.B. 1000 uF bei 1000V). Man hat dann allerdings nur ein paar ms was davon, denn dann ist der Kondensator leer und die Spule explodiert (nicht von der Hitze, sondern von den magnetischen Kräften).
Es geht zwar noch etwas stärker, aber dazu braucht man dann Sprengstoffe.....

[Gock]

@Besserwessi
Kennst Du einen Anwendungsfall, wo sowas gemacht wird? Ohne die Explosion natürlich...
Vielleicht beim Aufmagnetisieren von Magneten?
Gruß

[Besserwessi]

Gepulste magnetfelder werden tatsächlich zum Aufmagnetisieren von Magneten genommen. Habe man ein Ausrangiertes derartiges Gerät gesehne, mit einigen hundert Kilo Kondensatoren. Die Spule hatte nur ca. 5 cm Durchmesser und Länge. Dabei sind die Pulse aber etwas Länger und die Spule kann wiederverwendet werden. Wenn ich mich richtig erinnere ging das bis ca. 3 T. An der Uni hatten die für Forschungszwecke eine kleinen Magnete nur ca. 5-10 mm Durchmesser der dann bis etwa 25 T ging, aber halt nur 1 mal je Spule. Die Probe, in der Mitte der Spule bleibt übrigens meistens heile, da die Kräfte gleichmäß an Draht angreifen. In Japan gibts das in groß, nur Windung und bis ca. 140 T.