Welche Bauform von Spulen ist besser?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,

ich würde gerne von einem Experten eine Auskunft darüber haben,
welche Bauform einer Zylinderspule den magnetischen Fluss
besser in Ihrer Mitte konzentriert, bzw. ob es einen nennenswerten Unterschied gibt.
Gleiche Windungszahl und gleicher Querschnitt des
Kupferlackdrahtes vorausgesetzt:

a) flache Zylinderspule
(Querschnitt durch die Spule, O = Windungen)

---------------…----------------
|OOOOOO |…|OOOOOO |
|OOOOOO |…|OOOOOO |
|OOOOOO |…|OOOOOO |
---------------…----------------

b) lange Zylinderspule

--------…--------
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
--------…-------

Des weiteren würden ich gerne wissen, welches
Material am besten geeignet ist, um das Magnetfeld im Innern
dieser Spule zu verstärken, wenn es in Form eines ruden Stabes
in die Spule eingeführt wird. Die Spule wird im 10Hz-Rythmus
mit hohen Strompulsen (7Ampere) beaufschlagt, die Pulsdauer
ist 4ms lang.

a) Baustahl
b) ARMCO-Reineisen
c) Ferritkern

Bitte wenn möglich Begründung liefern.

Vielen Dank schon mal im Voraus!

Gruß, Alexander

#2

Hi,

Baustahl (St-37) ist so ziemlich das schlechteste, da die Magnetisierungskurve nicht spezifiziert ist, d.h. es kann eine bestimmte Sättigungsmagnetisierung nicht garantiert werden. Solltest Du Feldrechnen kannst Du eine sog. Minimalkurve vorgeben.
Die Vorteile von Baustahl sind : billig und leicht bearbeitbar.
Besser sind sog. Elektrobleche oder Cobalt-Eisen Legierungen (damit können bis zu 2 T leicht erreicht werden). Nachteil : teuer und schwer bearbeitbar. Lieferant ist z.B. die Vacuumschmelze Hanau (Vacuflux).
Zur Bauform : meines Wissens und man darf mich verbessern spielt das keine Rolle ob hoch oder dick - aber bei 7 A spielt die Erwärmung eine sehr große Rolle. Wir betreiben einen Testmagneten mit 10 A (ca. 550 Windungen) und müssen diesen nach ca. 25 - 30 min abschalten - Ah ich sehe bei Pulsbelastung spielen die Ummagnetisierungsverluste natürlich auch noch eine große Rolle. Sollte das Feld zwischen den Pulsen null sein ? Wenn ja ist das eine schwere Aufgabe - was willst Du denn damit machen ??? Neugierde

GRuss
Brombär

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#3

weder noch
die größte Feldstärke erhältst du, wenn die Feldlinien möglichst kurz sind, daher ist ein kreisförmiger Querschnitt der Wicklung am besten.
Zur Frage des Materiales:
es hängt von der Windungszahl (x Strom = Durchflutung) ab, ob sie schon so groß wird, dass das Material in die Sättigung geht. Dürfte aber bei den genannten Werkstoffen von vac nicht der fall sein, weil der Magnetkreis nicht geschlossen ist.

#4

runde Bauform ja - flach oder hoch?
Hallo Ulfbastel,

danke für Deine Antwort, doch sind beide Spulen (die flache als auch die hohe Zylinderspule) rund gewickelt. Meine Frage ist genau, bei welcher Spulenform (flach oder hoch) die Konzentration der Magnetfeldlinien in der Mitte der Spule höher ist, falls die Bauform überhaupt einen Unterschied macht. Gleiche Windungszahl vorausgesetzt.

Gruß, Alexander

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#5

Hallo
Eins ist klar:
Bei einer flachen Zylinderspule sind die Feldlinien am längsten.
Also eine geringe Wirksamkeit.
Bei einer langen Zylinderspule ist der Mitte der Spule die Feldstärke geringer als direkt an der Wandung.
Also Eisenmetallrohr an langer Spulenwandung scheint mir gut zu sein.
comment.?
MfG

#6

das ist mir nicht so klar
Hallo Matthias,

Hallo
Eins ist klar:
Bei einer flachen Zylinderspule sind die Feldlinien am
längsten.
Also eine geringe Wirksamkeit.

womit kannst Du diese Aussage begründen, bzw. was gibt Dir die Gewissheit, das dies so ist?

Bei einer langen Zylinderspule sind die Enden der Spule weiter auseinander, sprich der Weg vom Nord- zum Südpol (außenrum) ist länger, oder etwa nicht?

Bei einer langen Zylinderspule ist der Mitte der Spule die
Feldstärke geringer als direkt an der Wandung.

ich habe mit einem Teslameter (1% Genauigkeit) festgestellt, dass dies bei jeder Bauform der Fall ist, also egal ob die Spule lang oder kurz ist. Das ist aber in diesem Fall nicht sooo wichtig.

Beim Eisenrohr hast Du den Nachteil meine ich, dass die Flussdichte so hoch wird, dass recht bald die magnetische Sättigung des Materials erreicht wird, und dann das Magnetfeld trotz weiter ansteigendem Strom im Verhältnis nur noch sehr langsam zunimmt.
Bei Vollmaterial weicht ein Teil des magnetischen Flusses in die Mitte aus, was beim Rohr nicht möglich ist.

Gruß, Alexander

Also Eisenmetallrohr an langer Spulenwandung scheint mir gut
zu sein.
comment.?
MfG

#7

ich meinte nicht den Drahtquerschnitt,
sondern den Querschnitt der Wicklung.

#8

Hallo Alexander.
Mal sehen, was mir noch einfällt:

Bei einer flachen Zylinderspule sind die Feldlinien am
längsten.
Also eine geringe Wirksamkeit.

Bei einer langen Zylinderspule sind die Enden der Spule weiter
auseinander, sprich der Weg vom Nord- zum Südpol (außenrum)
ist länger, oder etwa nicht?

Ja, aber den Weg außen rum kannst Du sowieso nicht nutzen.
Die Feldstärke ist dort schwach, weil die Feldlinien sich gegenseitig abstoßen und nach außen drängen.
Hauptsächlich die Feldlinien in der direkten Nähe der Windungen zählen.

Bei einer langen Zylinderspule ist der Mitte der Spule die
Feldstärke geringer als direkt an der Wandung.

ich habe mit einem Teslameter (1% Genauigkeit)

festgestellt, dass dies bei jeder Bauform der Fall ist, also
egal ob die Spule lang oder kurz ist. Das ist aber in diesem
Fall nicht sooo wichtig.

Es gibt eine Bauform mit magnetisch homogener Mitte. Aber meine Aussage bezog sich nicht auf die „flache Spule oder die lange Spule“.

Beim Eisenrohr hast Du den Nachteil meine ich, dass die
Flussdichte so hoch wird, dass recht bald die magnetische
Sättigung des Materials erreicht wird, und dann das Magnetfeld
trotz weiter ansteigendem Strom im Verhältnis nur noch sehr
langsam zunimmt.
Bei Vollmaterial weicht ein Teil des magnetischen Flusses in
die Mitte aus, was beim Rohr nicht möglich ist.

Sättigung ist doch gut(bzw. bis kurz davor), bzw. dann zieht das Rohr ordentlich.
Man kann ja das Rohr und die Spule länger machen.
Bei Vollmaterial ist die Trägheit größer, bzw. die Beweglichkeit geringer.
Außerdem kann man um die Spule eisenmagnetisches Material anbringen, um das magnetische Feld zu verstärken.
MfG
Matthias

#9

Höhe der Spulen ist aber unterschiedlich
Hallo Ulfbastel,

die größte Feldstärke erhältst du, wenn die Feldlinien möglichst kurz :sind, daher ist ein kreisförmiger Querschnitt der Wicklung am besten.

Dies war Deine Antwort, wobei Du anscheinend meine Fragestellung nicht ganz richtig verstanden hattest, denn beide Spulen sind natürlich kreisrund gewickelt, doch besitzen sie unterschiedliche Höhe. Daher hier nochmal eine Präzisierung der Fragestellung:

zwei Bauformen von Spulen sollen miteinander verglichen werden, und zwar in Hinsicht ihrer Fähigkeit, den magnetischen Fluss in ihrer Mitte zu konzentzrieren.

Gemeinsamkeiten der beiden Spulen:

  • der Draht, mit dem diese Spulen gewickelt sind, hat einen kreisrunden Querschnitt.
  • Die Windungszahl und die Querschnittsfläche (mm²) des Drahtes sind identisch
  • beide Spulen besitzen zylindrische Form, wobei der Innenradius der beiden Spulen identisch ist.

Unterschiede der beiden Zylinderspulen:

Spule (A) ist im Vergleich zu Spule (B) flach gewickelt. D.h. die Höhe des Zylinders beträgt nur etwa 1/2 oder 1/3 der Höhe von Spule (B).
Dafür hat Spule (A) einen größeren Außendurchmesser.

Hier nochmal ein LÄNGS-SCHNITT durch diese beiden Spulen:

flache Zylinderspule (A)

---------------…----------------
|OOOOOO |…|OOOOOO |
|OOOOOO |…|OOOOOO |
|OOOOOO |…|OOOOOO |
---------------…----------------

lange Zylinderspule (B)

--------…--------
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
|OOO|…|OOO|
--------…-------

Vielleicht kannst Du mir ja jetzt meine Frage beantworten?
Wäre schön.

Gruß, Alexander

#10

Bauform mit homogenem Magnetfeld?
Hallo Matthias,

Bei einer langen Zylinderspule ist der Mitte der Spule die
Feldstärke geringer als direkt an der Wandung.

Es gibt eine Bauform mit magnetisch homogener Mitte.

wie sieht diese Bauform denn aus? Würde mich sehr interessieren!

Gruß, Alexander

#11

Hallo Alexander

| Es gibt eine Bauform mit magnetisch homogener Mitte.

| wie sieht diese Bauform denn aus? Würde mich sehr
| interessieren!

Es gibt das Spulenpaar nach Helmholtz. Hier sind zwischen zwei Spulen die Feldlinien und Stärken gleichmäßig.
Man benutzt diese Bauform aber nur für physikalische Meßzwecke soweit ich weiß.
Hier sind Abstand von zwei Spulen gleich einem Radius der Beiden Spulen soweit ich mich erinnere. Etwa so:

x…x
|…|
|…|
|…|
|…|
x…x
Zeichnung klappte zuerst nicht, Leerzeichen wurden gelöscht…
MfG
Matthias

#12

ehe ich eine Zeichnung schicke…
ich hatte schon verstanden.
also mit nullen:
runden Querschnitt meint:
000 000
000000000 000000000
00000000000 00000000000
00000000000 00000000000
000000000 000000000
000 000

#13

oh leerzeichen halten keinen platz

ich hatte schon verstanden.
also mit nullen:
runden Querschnitt meint:
____000___________000
_000000000_____000000000
00000000000___00000000000
00000000000___00000000000
_000000000_____000000000
____000___________000

#14

wie kommst Du darauf?
Hallo Ulfbastel,

das ist ja sehr interessant diese Anordnung der Windungen. Und Du behauptest also, dass bei dieser Wicklungsart die Konzentration des magnetischen Flusses in der Spule am größten ist - richtig?.
Gibt es dafür irgendeine Regel, dass man darauf durch rechnen kommen könnte, oder ist das experimentell ermittelt worden?

Nun, jedenfalls verstehe ich nicht ganz, warum ausgerechnet eine kreisförmige Anordnung.

Noch eine Frage: Die Flussdichte ist wohl an der engsten Stelle am höchsten, doch wie sieht es an den Stirnseiten dieser Spule aus?
Ich brauche nämlich eine Spulenform, bei der die magnetische Flussdichte dort am größten ist, wo er die Spule verlässt. Würde dann immer noch diese runde Wicklungsform die günstigste Lösung sein?

Danke für Dein Antworten!

Gruß, Alexander

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]