Gängige Magnetkreisdesigns für Permanentmagnetprodukte: Ein technischer Überblick

Permanentmagnete sind grundlegende Komponenten in verschiedenen technischen Disziplinen, von hocheffizienten Motoren und präzisen Sensoren bis hin zu komplexen Automatisierungssystemen. Während die inhärenten Eigenschaften von Permanentmagnetmaterialien ihr Potenzial bestimmen, entfaltet das Design des Magnetkreises ihre volle Leistungsfähigkeit in der Praxis. EffektivMagnetkreisdesignist entscheidend für die optimale Flussausnutzung, die Ausrichtung magnetischer Felder und das Erreichen der gewünschten Leistungsmerkmale. Dieser Blogbeitrag bietet einen technischen Überblick über Standard-Magnetkreisdesigns in Permanentmagnetprodukten und vermittelt Einblicke in deren Prinzipien, Vorteile, Einschränkungen und typische Anwendungen. Bei AIC Magnetics nutzen wir unsere umfassende Expertise im Magnetkreisdesign, um optimierte Lösungen zu entwickeln, die den sich wandelnden Anforderungen moderner Industrien gerecht werden.

1. Geschlossene Magnetkreise

• GrundprinzipGeschlossene Magnetkreise sind so konzipiert, dass der magnetische Fluss auf einen Pfad mit hoher Permeabilität beschränkt bleibt. Dadurch werden Leckagen minimiert und die Flussdichte in einem definierten Luftspalt maximiert. Analog zu Stromkreisen, in denen der Strom in einem geschlossenen Kreislauf fließt, fließt der magnetische Fluss in einem geschlossenen Kreis überwiegend in ferromagnetischen Materialien, die einen geringen magnetischen Widerstand aufweisen.
•StrukturGeschlossene Magnetkreise bestehen typischerweise aus weichen ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Stahl oder Ferrit, um einen geschlossenen Magnetflusskreis zu erzeugen. Permanentmagnete werden in diesem Kreis platziert, oft mit Polschuhen, die den Fluss im Luftspalt konzentrieren. Zu den Standardkonfigurationen gehören U-förmige, C-förmige und Ringkerne.

Vorteile

• Hohe Flussdichte im Luftspalt: Geschlossene Schaltkreise erreichen durch Minimierung der Reluktanz eine hohe magnetische Flussdichte im Luftspalt, was für Anwendungen, die starke Magnetfelder erfordern, entscheidend ist.
• Effiziente Flussmittelnutzung: Der Streufluss wird minimiert, wodurch sichergestellt wird, dass der größte Teil des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses effektiv im vorgesehenen Arbeitsbereich genutzt wird.
• Reduziertes externes Streufeld: Der ferromagnetische Kern begrenzt das Magnetfeld weitgehend, reduziert Streufelder und minimiert Störungen mit umgebenden Komponenten.

Nachteile

• Höhere Materialkosten und Gewicht: Im Vergleich zu offenen Schaltkreisen erhöht die Verwendung ferromagnetischer Kerne die Materialkosten und das Gesamtgewicht.
• Sättigungsbedenken: Ferromagnetische Materialien können bei hohen Flussdichten gesättigt werden, was die erreichbare magnetische Feldstärke begrenzt und möglicherweise zu nichtlinearem Verhalten führt.
• Komplexere Montage: Die Herstellung und Montage geschlossener Magnetkreise kann aufgrund der Vielzahl an Komponenten und der Anforderungen an eine präzise Ausrichtung komplexer sein.

Typische Anwendungen

• ElektromotorenGeschlossene Magnetkreise sind für die meisten Elektromotoren, einschließlich Gleichstrommotoren, Servomotoren und Synchronmotoren, von grundlegender Bedeutung. Die hohe Flussdichte im Luftspalt zwischen Rotor und Stator ist für die Drehmomenterzeugung entscheidend.
• Magnetsensoren: Hall-Effekt-Sensoren und Fluxgate-Magnetometer verwenden häufig geschlossene Magnetkreise, um den Magnetfluss zu konzentrieren und die Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern zu erhöhen.
• Magnetkupplungen und -kupplungen: Geschlossene Magnetkreise sorgen für starke und effiziente magnetische Verbindungen für Kupplungen und ermöglichen so eine zuverlässige Kraftübertragung oder Ein-/Ausrückmechanismen.
•Magnetabscheider: Hochgradienten-Magnetabscheider nutzen geschlossene Magnetkreisläufe zur Erzeugung intensiver Magnetfelder, die eine effiziente Trennung magnetischer Materialien ermöglichen.

2. Offene Magnetkreise

• Grundprinzip: Offene Magnetkreise hingegen beschränken den magnetischen Fluss nicht vollständig auf ferromagnetische Materialien. Ein erheblicher Teil des magnetischen Flusspfads besteht aus Luft mit hohem magnetischen Widerstand.
• StrukturOffene Magnetkreise bestehen typischerweise aus isolierten Permanentmagneten oder einfachen Polstücken ohne vollständigen ferromagnetischen Rückschluss. Beispiele hierfür sind Stab-, Block- und Hufeisenmagnete ohne ferromagnetischen Halter.

Vorteile

• Einfachheit und niedrige Kosten: Offene Schaltkreise sind im Allgemeinen einfacher zu entwerfen und herzustellen, da weniger Komponenten und weniger Material erforderlich sind, was zu geringeren Kosten und geringerem Gewicht führt.
• Zugänglichkeit des Magnetfelds: Das Magnetfeld ist im offenen Raum um den Magneten herum leicht zugänglich, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein kann.
• Keine Sättigungsprobleme: Ohne ferromagnetische Kerne ist die Sättigung in offenen Magnetkreisen kein begrenzender Faktor.

Nachteile

• Geringe Flussdichte und Ineffizienz: Aufgrund der hohen Reluktanz der Luft weisen offene Stromkreise eine geringere Flussdichte im Arbeitsbereich und eine weniger effiziente Flussausnutzung auf. Ein erheblicher Teil des magnetischen Flusses entweicht in den umgebenden Raum.
• Großes Streumagnetfeld: Offene Stromkreise erzeugen erhebliche Streumagnetfelder, die Störungen bei benachbarten elektronischen Komponenten verursachen oder in bestimmten Umgebungen Sicherheitsrisiken bergen können.
• Leistung anfällig für Luftspaltschwankungen: Änderungen des Luftspalts innerhalb eines offenen Magnetkreises können die Verteilung und Stärke des Magnetfelds erheblich beeinflussen.

Typische Anwendungen

•Magnetspannplatten und HaltevorrichtungenOffene Magnetkreise werden in Magnetspannplatten und Haltevorrichtungen eingesetzt, bei denen der Magnet ferromagnetische Werkstücke direkt anzieht. Einfachheit und direkter Feldzugriff sind hier entscheidende Vorteile.
•Magnetabscheider: Magnetabscheider mit niedrigem Gradienten können offene Magnetkreise für weniger anspruchsvolle Trennaufgaben verwenden.
• Magnetresonanztomographie (MRT): Resistive MRT-Systeme verwendeten in der Vergangenheit große Elektromagnete mit offenem Kreislauf. Während supraleitende Magnete in geschlossenen Kreisläufen heute vorherrschen, veranschaulichen offene Kreisläufe das Grundkonzept.
• Einfache Magnetverschlüsse und -verschlüsse: Einfache magnetische Riegel und Verschlüsse verwenden oft einfache offene Magnetkreise, da diese leicht zu implementieren und kostengünstig sind.

3. Hybride Magnetkreise

GrundprinzipHybride Magnetkreise kombinieren die Vorteile von Permanentmagneten und weichferromagnetischen Materialien (und manchmal auch elektromagnetischen Spulen), um eine optimale magnetische Leistung zu erzielen. Sie nutzen ferromagnetische Materialien strategisch, um den von Permanentmagneten erzeugten Magnetfluss zu formen und zu lenken.
StrukturHybridschaltungen enthalten Permanentmagnete als primäre Magnetfeldquelle und nutzen ferromagnetische Komponenten, um die Feldverteilung anzupassen, die Flussdichte in bestimmten Bereichen zu erhöhen oder Flusspfade bereitzustellen. Diese Designs reichen von relativ einfachen Modifikationen geschlossener oder offener Schaltkreise bis hin zu hochkomplexen Konfigurationen. Einige Hybriddesigns enthalten zudem elektromagnetische Spulen zur Feldsteuerung oder -modulation und schaffen so hybride Anregungssysteme.

Vorteile

• Maßgeschneiderte MagnetfeldverteilungHybridschaltungen bieten mehr Flexibilität bei der Gestaltung des Magnetfelds als geschlossene oder offene Schaltungen. Ferromagnetische Komponenten können so ausgelegt werden, dass sie den Fluss je nach Bedarf fokussieren, abschirmen oder leiten.
• Verbesserte Leistungsmetriken: Durch die Optimierung der Flusspfade und die Minimierung von Leckagen können Hybriddesigns im Vergleich zu einfacheren Schaltungen ein besseres Gleichgewicht zwischen Flussdichte, Feldgleichmäßigkeit und Effizienz erreichen.
• Flexibilität im Design: Durch die Kombination verschiedener magnetischer Materialien und Komponenten ergeben sich breitere Gestaltungsmöglichkeiten, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Nachteile

• Erhöhte Designkomplexität: Effektive hybride Magnetkreise erfordern ausgefeiltere Analyse- und Simulationstools, um die Interaktion zwischen Permanentmagneten und ferromagnetischen Materialien zu optimieren.
• Potenziell höhere Kosten und Fertigungskomplexität: Je nach Design können Hybridschaltungen teurer und komplexer sein als einfache geschlossene oder offene Schaltungen.
• Kompromisse bei den Leistungsparametern: Die Optimierung eines Leistungsparameters (z. B. Flussdichte) kann manchmal zu Lasten anderer Parameter gehen (z. B. Feldgleichmäßigkeit oder Streufeld).

Typische Anwendungen

• Hochleistungsmotoren: Synchronmotoren mit innenliegendem Permanentmagneten (IPMSM) sind ein Paradebeispiel für Hybridschaltungen, bei denen Permanentmagnete in den Rotorkern eingebettet sind, um das Reluktanzdrehmoment zu nutzen und die Effizienz zu verbessern.
• Fortschrittliche Sensoren: Anspruchsvolle Magnetsensoren wie hochpräzise Encoder oder Magnetresonanzsensoren verwenden häufig Hybridschaltungen, um eine präzise Feldformung und hohe Empfindlichkeit zu erreichen.
• Magnetlager: Hybride Magnetlager kombinieren Permanentmagnete für passives Schweben oder Vormagnetisierungsfelder mit elektromagnetischen Spulen für aktive Steuerung und Stabilisierung.
• Spezialisierte Aktuatoren: Hybride Magnetkreisdesigns können von Anwendungen profitieren, die maßgeschneiderte Kraft-Weg-Eigenschaften oder stark fokussierte Magnetfelder erfordern, wie beispielsweise bestimmte Ventile oder magnetische Greifer

4. Spezielle Magnetkreise

• Grundprinzip: Diese Kategorie umfasst fortschrittliche und spezialisierte Magnetkreisdesigns, die über die grundlegenden geschlossenen, offenen und hybriden Konfigurationen hinausgehen und einzigartige Magnetfeldeigenschaften erzielen. Beispiele hierfür sind Halbach-Arrays, magnetische Fokussierungsstrukturen und magnetische Konzentrationsstrukturen. Diese Designs nutzen häufig spezielle Magnetanordnungen oder -geometrien, um Magnetfelder innovativ zu manipulieren.

• Struktur und Beispiele:

Halbach-Arrays

Wie in unserem vorherigen Blogbeitrag überHalbach-ArraysHalbach-Arrays sind eine einzigartige Anordnung von Magneten, die den magnetischen Fluss auf einer Seite konzentrieren und auf der anderen Seite aufheben. Dies wird durch ein räumlich rotierendes Magnetisierungsmuster erreicht.

Magnetische Fokussierungsstrukturen

Diese Konstruktionen zielen darauf ab, den magnetischen Fluss auf einen kleinen, definierten Bereich zu fokussieren, um dort sehr hohe Flussdichten zu erreichen. Sie verwenden häufig geformte ferromagnetische Polstücke und strategisch platzierte Permanentmagnete. Beispiele hierfür sind magnetische Linsen zur Fokussierung von Teilchenstrahlen und spezielle Magnetsensoren.

Magnetische Konzentrationsstrukturen

Ähnlich wie Fokussierungsstrukturen zielen Konzentrierungsstrukturen darauf ab, die Flussdichte zu erhöhen, jedoch oft über einen größeren Bereich oder ein größeres Volumen. Diese Strukturen können konische Polschuhe oder spezielle Magnetanordnungen nutzen, um den magnetischen Fluss in den gewünschten Bereich zu lenken. Magnetische Spannfutter und verschiedene Arten von Magnetkupplungen können Konzentrierungsstrukturen verwenden.

Vorteile

• Hochgradig maßgeschneiderte Magnetfelder: Spezielle Schaltkreise können einzigartige und präzise gesteuerte Magnetfeldprofile erzeugen, die mit einfachen Schaltkreistypen nicht erreichbar sind.
• Extreme Leistungsfähigkeit: Designs wie Halbach-Arrays können in bestimmten Anwendungen eine deutlich verbesserte Leistung bieten, beispielsweise eine höhere Motordrehmomentdichte oder eine verbesserte Sensorempfindlichkeit.
• Innovative Lösungen: Spezielle Magnetkreise ermöglichen neue Funktionalitäten und Anwendungen, die bisher nicht praktikabel oder unmöglich waren.

Nachteile

• Komplexes Design und Optimierung: Der Entwurf dieser Schaltkreise erfordert fortgeschrittene Techniken zur magnetischen Modellierung, Simulation und Optimierung.
• Spezialisierte Fertigung: Die Herstellung spezieller Magnetkreise kann komplexe Magnetformen, präzise Montagetoleranzen und spezielle Magnetisierungsprozesse erfordern.
• Potenziell höhere Kosten: Aufgrund der Komplexität ihres Designs und ihrer Herstellung können spezielle Magnetkreise teurer sein als einfachere Designs.

Typische Anwendungen

• Hochleistungsmotoren und -generatoren: Halbach-Arrays werden in Motoren, Generatoren und Windturbinengeneratoren mit hoher Leistungsdichte verwendet, bei denen die Maximierung des Drehmoments oder der Leistungsabgabe bei gegebener Größe und Gewicht entscheidend ist.
• Teilchenbeschleuniger und Strahllinien: Magnetische Fokussierungsstrukturen sind für die Lenkung und Fokussierung von Teilchenstrahlen in wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen von entscheidender Bedeutung.
• Fortschrittliche medizinische Geräte: Spezielle Magnetschaltkreise werden in fortschrittlichen medizinischen Bildgebungs-, Therapie- und Arzneimittelverabreichungssystemen verwendet, die präzise kontrollierte und lokalisierte Magnetfelder erfordern.
• Spitzenforschung und -entwicklung: Für neue Technologien wie Magnetschwebetechnik, Kühlung und Fusionsenergie werden ständig spezielle Magnetkreisdesigns erforscht und entwickelt.

AIC Magnetics – Fachwissen im Bereich Magnetkreisdesign

Bei AIC Magnetics verfügen wir über ein tiefgreifendes Verständnis der Prinzipien magnetischer Schaltkreise und umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung verschiedenerPermanentmagnetbaugruppenUnser Ingenieurteam vereint Fachwissen in Magnetmaterialien, magnetischer Simulation und fortschrittlichen Fertigungstechniken, um optimierte Magnetkreislösungen zu liefern, die auf die spezifischen Bedürfnisse unserer Kunden zugeschnitten sind. Wir nutzen modernsteFinite-Elemente-Analyse (FEA)Software zur Modellierung und Simulation magnetischer Kreisläufe, die eine präzise Leistungsvorhersage und Designoptimierung gewährleistet. Unsere Ingenieure entwickeln innovative und effektive Magnetkreisdesigns – vom einfachen offenen Kreis über komplexe Hybridsysteme bis hin zu spezialisierten Halbach-Arrays. Wir begleiten unsere Kunden vom ersten Konzept bis zur Produktion, bieten umfassende technische Unterstützung und sichern den Erfolg ihrer Magnetproduktanwendungen.

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Veröffentlichungszeit: 13. Februar 2025