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- Herausgeber: expert verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Der magnetische Kreis mit seinen Bestandteilen aus Dauermagneten, Spulen und weichmagnetischen Elementen wie Elektroblechen ist Gegenstand vieler aktueller Entwicklungen, sei es in der Antriebstechnik oder auch in der Stromerzeugung durch Generatoren. Die modernen Selten-Erd-Werkstoffe geben den Entwicklungen auf diesem Gebiet neuen Antrieb. In der Automatisierung und Qualitätssicherung nimmt die Prüftechnik der hierzu gehörigen Größen einen immer größeren Raum ein.
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Seitenzahl: 236
Veröffentlichungsjahr: 2024
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Wilhelm Cassing / Nora Leuning / Ludger Rensing / Martin Grönefeld / Sebastian Wältring
Dauermagnete, Elektrobleche und Messtechnik
DOI: https://doi.org/10.24053/9783381116928
© 2024 · expert verlag
‒ Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG
Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen
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ISBN 978-3-381-11691-1 (Print)
ISBN 978-3-381-11693-5 (ePub)
Inhalt
Vorwort
In der heute so hochmodernen Technik der Industrieländer ist einem nicht technisch geschulten Anwender oftmals nicht bekannt, wie etwas im Detail funktioniert. Der ständig zunehmende Einsatz von Elektronik, Sensortechnik und Magnettechnik lässt den funktionalen Zusammenhang oft im Dunkeln. Die Funktion scheint wie von unsichtbaren Kräften, wie von Geisterhand abzulaufen. Magnete haben einen bedeutenden Anteil an dieser Automatisierungstechnik, obwohl wir ihre Funktion kaum bewusst wahrnehmen, da die Feldlinien unsichtbar und im Verborgenen arbeiten.
Dem Leser diese geheimnisvolle Wirkung und Funktionsweise näher zu bringen, ist Aufgabe dieses Buches. Dazu werden die Grundlagen des Magnetismus mit den zughörigen Grundgleichungen, die aktuellen Dauermagnetwerkstoffe, die weichmagnetischen SiFe-Verbindungen in ihrer Wirkung durch das Magnetfeld, die grundlegenden Berechnungen des magnetischen Kreises sowie die Möglichkeiten der Magnetisierung und der dazugehörigen Messtechnik vorgestellt.
Die weitaus größte Stückzahl von Magneten wird in der Automobilindustrie eingesetzt, denn gerade hier ist eine verschleißfreie Messung von Längen und Drehwinkeln unabdingbar. Die innovative Kraft dieser Produktion ist besonders hervorzuheben, sowohl im Investitionsgüterbereich als auch bei der Serienanwendung. Hier sind aktuell die Elektromotoren ein Ansporn zu neuen Entwicklungen.
Neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren tragen dem Rechnung. Der zweite große Sektor in der Anwendungstechnik ist die metallverarbeitende Industrie. An dritter Stelle ist die Automatisierungstechnik zu erwähnen, sofern es sich um ferromagnetische Produkte im Handlungsbereich handelt.
Dieses Grundlagenwerk richtet sich an alle Leser, die erste Erfahrungen mit dem Umfeld der Magnettechnik sammeln möchten.
Mein besonderer Dank gilt den Co-Autoren, die maßgeblich zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben, sowie dem expert verlag, der das Erscheinen überhaupt erst ermöglicht hat.
Werne, im November 2024 Wilhelm Cassing
1Grundlagen des Magnetismus
1.1Die historische Entwicklung
Erste magnetische Phänomene wurden in China ca. 2000 v. Chr. entdecktHistorische Magnetnutzung. Dortige Seeleute nutzten schon sehr früh schwimmende Splitter von Magnetit (Fe3O4) als Kompass, genannt „Südweiser“. Durch die schwimmende Lagerung wurden diese natürlich vorkommenden Dauermagnete bereits mit geringen Kräften in eine Nord-Süd-Richtung ausgelenkt. Die Navigation mit Hilfe eines Kompasses ermöglichte eine Navigation abseits der Küstenlinien oder bei eingeschränkter Sicht. Mit den Kreuzzügen kam die Verwendung des Kompasses nach Europa. Vermutlich haben die Wikinger dieses Prinzip schon lange vorher genutzt. Erst William Gilbert (1544 bis 1603) beschreibt die Erde als Magneten mit zwei Polen. In der Folge wurde es ruhiger um Entdeckungen auf dem Gebiet des Magnetismus. Erst im 19. Jahrhundert befassten sich zahlreiche Forscher und Wissenschaftler mit der damals noch neuen Elektrotechnik. Schnell wurde erkannt, dass ein Zusammenhang zwischen Elektrotechnik und Magnetismus besteht. Im Folgenden eine Auswahl an Personen und deren Entdeckungen.
Im Jahr 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Bei einem Experiment zur Elektrizität bemerkte er eine sich bewegende Kompassnadel, sobald ein Strom durch seine Versuchsapparatur floss.
Jean-Baptiste Biot und Félix Savart formulieren 1820 das Biot-Savart-Gesetz. Es beschreibt das Magnetfeld elektrischer Ladungen.
André-Marie Ampère entdeckte ebenfalls 1820 die Kraftwirkung zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern.
1831 erkannte Michel Faraday das mit magnetischen Feldern ein elektrischer Strom generiert werden kann. Er legte die Grundlagen für das Induktionsgesetz.
1833 stellte Emil Lenz die Lenz’sche Regel auf. Diese Regel besagt, dass die Richtung der induzierten Ströme deren Ursache entgegengesetzt ist.
Um 1850 wandte William Thomson (Lord Kelvin) die Thermodynamik auf die kurz zuvor von Faraday gemachten Entdeckungen zum Induktionsgesetz an und beschreibt die Permeabilität und die Suszeptibilität.
1864 veröffentlicht James Clerk Maxwell die nach ihm benannten Maxwellgleichungen. Diese beschreiben den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und deren Wechselwirkung mit der Materie.
Edwin Hall veröffentlicht 1879 ein Phänomen, bei dem ein stationäres Magnetfeld eine elektrische Spannung quer zur Stromrichtung hervorruft, die nach ihm benannte Hall-Spannung mit dem Hall-Effekt.
Viele weitere Entdeckungen säumten die folgenden Jahre. Hervorzuheben ist die Entdeckung des GMR-Effektes im Jahr 1988 durch Albert Fert und Peter Grünberg.
Erste praktische Anwendungen für den Magnetismus und besonders den Elektromagnetismus wurden mit der Telegrafie geschaffen. Im Jahr 1833 legen Gauß und Weber mit einem Telegrafen die Grundlagen der modernen Telekommunikation.
Unter Anwendung des InduktionsgesetzesInduktionsgesetz nach Michael Faraday entwickelte Werner von Siemens im Jahr 1866 eine erste Dynamomaschine. Bereits 1860 konstruiert Antonio Pacinotti einen Generator, der auch als Motor zu verwenden war.
Mit der Entwicklung der Telegrafie und der Erzeugung von elektrischem Strom durch einen Generator begann in den folgenden Jahren eine rasante Elektrifizierung der Welt. Elektrisches Licht setzte sich durch. Eisenbahnen und Straßenbahnen wurden elektrifiziert. Die Telegrafie und später die Telefonie ermöglicht eine schnelle und direkt Kommunikation über große Entfernungen.
Mit der Entwicklung der ersten Computer wurde Mitte des 20. Jahrhunderts eine neue Tür für den Magnetismus geöffnet. Beginnend bei Ringkernspeichern über die Verwendung der damals schon bekannten magnetischen Bandspeicher bis hin zu Disketten als Speichermedium. Disketten wurden in den folgenden Jahren von Festplattenlaufwerken abgelöst. Die Entdeckung des GMR-Effektes im Jahr 1982 ermöglichte in der Anwendung eine signifikante Erhöhung der Informationsdichte auf einer Festplatte. Erste Festplatten, die den GMR-Effekt nutzten, wurden Ende der 1990er Jahre auf dem Markt gebracht. Diese waren bei gleicher Speicherkapazität deutlich kleiner als vorherige Modelle.
1.2Die Erzeugung eines Magnetfeldes
Anhand eines stromdurchflossenen Leiters erkannte schon Hans Christian Ørsted im Jahr 1820 seine Wirkung auf eine in der Nähe befindliche Kompassnadel. Dieser stromdurchflossene Leiter ist stets von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. In Abbildung 1 sind die magnetischen Feldlinien durch Eisenfeilspäne sichtbar gemacht worden.
Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter (Maciej J. Mrowinski (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnetic_field_around_wire.jpg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode)
Die Richtung der Feldlinien kann man sich unter Verwendung der „Rechten-Hand-RegelRechte-Hand-Regel“ einfach merken. Umfasst man den Leiter mit seiner rechten Hand so, dass der ausgestreckte Daumen in Richtung des Stromflusses (technische Stromrichtung) zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger den Verlauf und die Richtung des Stromflusses.
Rechte-Hand-Regel (Quelle: Jfmelero (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Manoderecha.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode)
1.3Das Ampère’sche GesetzAmpère’sches Gesetz zur Beschreibung des Feldes eines Leiters
Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters wird im Ampère’schen Gesetz beschrieben. Es wird ein Bezug zwischen dem Strom I durch eine Fläche und das dabei erzeugte Magnetfeld bzw. geschaffen.
bzw.
Es besagt, dass das magnetische Feld B proportional zum Strom I ist.
1.4Die elektromagnetische Induktion
Während das Ampère’sche Gesetz die Erzeugung von Magnetfeldern und deren Stärke beschreibt, beschreibt die elektromagnetische Induktion die Erzeugung einer elektrischen Spannung U durch ein sich änderndes Magnetfeld dϕ je Zeiteinheit dt.
In der obigen Schreibweise erkennt man, dass die Höhe der induzierten Spannung proportional zur Änderung des Magnetfeldes und antiproportional von der Zeitdauer der Änderung abhängig ist.
Das Ampère’sche Gesetz und die elektromagnetische Induktion sind die technologische Grundlage aller elektromagnetischen Maschinen.
1.5Das Feld einer Spule
In den meisten Fällen sind die Magnetfelder eines einzelnen Leiters nicht ausreichend für die jeweilige Anwendung. Wickelt man den Leiter zu einer Spule auf, lassen sich deutlich größere Felder erzeugen. Die Stärke des Feldes ist dabei proportional zur Anzahl der Windungen n und zum Strom I.
bzw.
Mit der magnetischen Durchflutung Magnetische Durchflutung in der Einheit A
In Abbildung 3 sind die Feldlinien einer Zylinderspule dargestellt.
Magnetfeld einer Zylinderspule
(Quelle: Svjo (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solenoid-6.jpg), „Solenoid-6“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode)
Um die Pollage einer Spule zu bestimmen, kann erneut die Rechte-Hand-RegelRechte-Hand-Regel angewandt werden. Dabei umfasst die rechte Hand die Spule und die gekrümmten Finger zeigen in Richtung des Stromflusses. Der abgespreizte Daumen zeigt dann in Richtung des Nordpoles der Spule (siehe Abbildung 4).
Rechte-Hand-Regel zur Bestimmung der Pollage (Quelle: anonym (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coil_right-hand_rule.svg), „Coil right-hand rule“, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/Template:PD-self)
Neben der Anzahl der Windungen und der Stromstärke kann das Magnetfeld einer Spule auch durch geeignete Materie im Spulenkern beeinflusst werden.
In einer Luftspule bzw. im Vakuum ist nur die relative Permeabilität des Vakuum µr zu berücksichtigen:
Befindet sich Materie in der Spule, ist deren relative Permeabilität µr zu berücksichtigen. Diese materialspezifische Zahl ist einheitenlos.
Material
µr
Nickel
< 1000
Kobalt
< 200
Eisen
< 10.000
Stahl
< 1500
Ausgewählte relative Permeabilitäten ferritischer Stoffe und Materialien
1.6Die technische Erzeugung von Magnetfeldern
Unterschiedliche technische Anwendungen erfordern unterschiedlich große Magnetfelder. Die einfachste Form einer Spule mit der Windungszahl eins ist eine Drahtschleife zur Erzeugung kleiner Felder. Mit größerer Windungszahl werden auch die erreichbaren Felder proportional größer. Um die Baulänge oder auch Wicklungslänge zu begrenzen, werden Spulen häufig mehrlagig gewickelt. Eine Sonderform der Spulen sind HelmholtzspulenHelmholtzspulen (s. Abb. 5). Diese werden verwendet zur Erzeugung eines homogenen Feldes in dem Raum zwischen den beiden Spulen. Der Abstand der Spulen ist gleich dem Radius einer Einzelspule. Neben der Erzeugung von Magnetfeldern werden Helmholtzspulen häufig für Messanwendungen verwendet.
Helmholtzspulenanordnung (Quelle: Jakob Enevoldsen (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Helmholtz_coil.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode)
Zur Erzeugung größerer Felder werden Eisenkerne in den Zylinderspulen genutzt. Durch Verwendung von Polschuhen und Spulenkernen aus einer Eisen-Kobalt-Legierung sind Flussdichten bis etwa 2,5 T realisierbar. Weit größere Felder lassen sich mit Spulen aus Supraleitern oder Bittermagneten (Abb. 6) erreichen. Damit sind Flussdichten von über 30T möglich. Allerdings ist bei Supraleitern eine sehr niedrige Temperatur des Leitermaterials erforderlich. Diese beträgt etwa 4K (–273 °C) oder bei metallischen Hochtemperatursupraleitern etwa 77K (–196 °C).
Besonders die BittermagneteBittermagnete, entwickelt in den 1930er von Francis Bitter, sind heute häufig in Magnetisierspulen im Einsatz. Sie sind aufgebaut aus vielen Lagen Kupferscheiben mit dazwischen liegenden Isolierschichten. Der Strom fließt schraubenförmig durch diese Anordnung. Aufgrund der großen Kupferflächen kann die erzeugte Wärmeenergie sehr gut abgeführt werden.
Kupferscheibe einer Bitterspule (Quelle: PeterFrankfurt (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bitter_electromagnet_disk.jpg), „Bitter electromagnet disk“, https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/legalcode)
Schematischer Aufbau eines Bitter-Magneten
(Quelle: High Field Magnet Lab Radboud University Nijmegen (NL), (https://www.ru.nl/hfml/research/bitter-solenoid-magnet-explained/)
1.7Die Grundlagen des Permanentmagnetismus
Beim Permanentmagnetismus handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt, der z. B. am Atommodel nach Niels Bohr vereinfacht erklärt werden kann. Er beschreibt die Atome mit den negativ geladenen Elektronen (e-) die den mehrfach positiv geladenen Atomkern (p+) auf verschiedenen Ebenen (Schalen) umkreisen. Diese bewegten Ladungsträger erzeugen einen BahnstromBahnstrom und damit ein eigenes magnetisches Feld (Dipol). Es gelten die Grundsätze des oben beschriebenen Ampère’schen Gesetzes. Die Elektronen rotieren dabei nicht nur um den Atomkern, sondern auch um sich selbst. Diese Eigenrotation, genannt Spin, erzeugt ein eigenes Magnetfeld des Elektrons. Die Drehrichtung des Spins kann zwei unterschiedliche Richtungen annehmen: „Spin up“ oder „Spin down“. Durch Überlagerung der unterschiedlichen magnetischen Momente aus dem Bahnstrom und den Elektronenspins stellt sich beim Ferromagnetismus ein resultierendes magnetisches Moment des Atoms ein. Zeigen benachbarte Atome ein identisches Verhalten mit einer gleichen Richtung des eigen magnetischen Momentes, ist der permanente Magnetismus auch makroskopisch durch ein magnetisches Moment nachweisbar.
Schematische Darstellung eines Elektrons auf seiner Bahn (Schale)
1.8Die Ausprägungen des Magnetismus
Alle Stoffe zeigen ein spezifisches Verhalten im Einfluss eines Magnetfeldes, auch wenn der allgemeine Sprachgebrauch nur zwischen magnetischer und nicht magnetischer Materie unterscheidet. Als magnetisch werden im Allgemeinen nur ferromagnetische und ferrimagnetische Stoffe erkannt. Die „nicht magnetisch“ oder „amagnetisch“ gekennzeichneten Stoffe, z. B. austenitischer Stahl, zeigen auch ein spezifisches, wenn auch geringes Verhalten in einem Magnetfeld. Bei hinreichend großen Felder oder entsprechend empfindlicher Sensorik ist auch hier ein Effekt messbar.
Zu unterscheiden sind die zwei grundsätzlichen Phänomene des Diamagnetismus und des Paramagnetismus.
Paramagnetismus
Beim Paramagnetismus bildet sich ein internes Feld in gleicher Richtung zum externen Feld aus. Dadurch wird das externe Feld verstärkt.
Paramagnetischer Stoff im B-Feld
Paramagnetische Werkstoff haben eine relative Permeabilität µr leicht oberhalb von eins. Paramagnetische Materialien sind z. B. Aluminium, Magnesium und Platin.
Alle anderen magnetische Effekte sind Erscheinungsformen des kollektiven Magnetismus.
Ferromagnetismus
Von großer technischer Bedeutung und zugleich die bekannteste Ausprägung ist der Ferromagnetismus. Dessen Werkstoffe weisen bei Raumtemperatur ein µr von deutlich größer 1 bis zu >100.000 auf. Im externen Magnetfeld richten sich alle atomaren Momente parallel zueinander und parallel zum externen Feld aus. Das Feld wird verstärkt und der ferromagnetische Körper erscheint nach außen als Magnet.
Antiferromagnetismus
Beim antiferromagnetischen Stoff zeigen die benachbarten magnetischen Momente auf atomarer Ebene stets in die entgegengesetzte Richtung. Da der Betrag der einzelnen Momente gleich groß ist, heben sich die Momente gegenseitig auf. Das Material erscheint nach außen unmagnetisch.
Ferrimagnetismus
Beim Ferrimagnetismus sind ähnlich wie beim Antiferromagnetismus benachbarte Momente entgegengesetzt. Die einzelnen Momente sind unterschiedlich groß und heben sich dadurch nur unvollständig auf. Dadurch erscheint der Stoff nach außen magnetisch. Diese Form des Magnetismus tritt nicht in einem reinen Stoff, sondern immer nur in Legierungen auf. Ein bekanntes Beispiel ist Magnetit (Magneteisenstein). Es handelt sich dabei um Fe3O4. Der Eisenanteil besteht dabei aus Fe2+ und Fe3+. Dessen unterschiedliches magnetische Moment heben sich nicht vollständig auf. Der Stoff erscheint makroskopisch als Magnet. Ein bekanntes ferrimagnetische Material sind Hartferritmagnete
Zusammenfassend zeigt die Abb. 11 das grundsätzliche Verhalten von ferromagnetischer (µf), paramagnetischer (µp) und diamagnetischer (µd) Materie in einem Feld H. Es ist als Vergleich die Kurve (µ0) für das Vakuum mit dargestellt.
Es gilt:
Vergleich der magnetischen Permeabilität (Quelle: Zureks (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Permeability_by_Zureks.svg), „Permeability by Zureks“, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/Template:PD-self)
1.9Die magnetische Hysterese B(H)-Kennlinie
Bestromt man nun die oben beschriebene Spule der Länge l mit einem stetig steigenden Gleichstrom I, so steigt linear zur Feldstärke H auch die Flussdichte B.
Luftspule mit Hallsonde an einer veränderbaren Stromquelle
B(H)-Kurve der Luftspule
In der in Abb. 13 dargestellten Kurve wird dieser lineare Zusammenhang zwischen der Feldstärke H und der Flussdichte B deutlich.
1.10Die Magnetisierungskennlinie
Wird nun zusätzlich magnetisierbares Material in die Spule gelegt, wie in Abb. 14, zeigt sich ein anderes Verhalten. Dieses Material hat vorher makroskopische unmagnetisiert zu sein.
Spule mit Material und Hallsonde an einer veränderbaren Stromquelle
B(H)-Kurve der Spule mit ferro- oder ferrimagnetischem Material
Wird nun der Strom kontinuierlich erhöht, so ergibt sich eine Kurve wie in Abb. 15 zu sehen. Dort ist die Magnetierungskurve eines Hartferritmagneten dargestellt. Die Flussdichte B folgt zunächst der Vakuumkurve um dann je nach Material steil anzusteigen. Anschließend nähert sich die Kurve einer Linie, parallel zur Vakuumkurve, an. Dieser Bereich der Kurve wird Neukurve genannt und nur bei völlig unmagnetisiertem Material durchlaufen. Folgt die Kurve der parallelen Vakuumkurve, ist das Material magnetisch gesättigt. Dieser erste Quadrant der Magnetisierungskurve wird bei der überwiegenden Anzahl von Dauermagneten nur einmal, beim Magnetisieren durchlaufen. Nach dem Abklingen des externen Feldes, bzw. umkehren der Stromrichtung folgt das Material der Magnetisierungskurve in den 2. Quadranten. Im 2. Quadranten, auch Entmagnetisierungskennlinie genannt, befindet sich der sogenannte Arbeitsbereich von Dauermagneten.
Bei ferromagnetischem Material sind auf kristalliner Ebene die Elementarmagnete in einzelnen Bereichen oder Domänen angeordnet. Diese auch Weiss’sche BezirkeWeiss’sche Bezirke genannten Domänen sind separat betrachtet, magnetisch orientiert. Liegt ein externes Feld an, folgen diese Elementarmagnete dem externen Feld. Sind bei größer werdendem Feld zwei benachbarte Domänen identisch orientiert, verschieben sich die Trennwände zwischen den Domänen. Diese sogenannte Blochwandverschiebung innerhalb einer Domäne erfolgt sprungartig und wird Barkhausen-Sprung genannt. Nimmt man diese Sprünge z. B. induktiv auf, kann man sie hörbar machen als Barhausenrauschen. In der zerstörungsfreien Materialprüfung wird dieses Phänomen technisch verwendet, um Materialgüten und Werkstoffe zweifelsfrei zu unterscheiden.
Weiss’sche Bezirke im externen Feld (Quelle: MikeRun (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Growing-magnetic-domains.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode)
In der folgenden Abb. 17 schauen wir uns einige markante Punkte im Detail an einem Hartferritmagneten vom Typ HF28/26 an. Da diese Kurve für jeden Magnetwerkstoff und jedes magnetisierbare Material unterschiedlich und damit charakteristisch ist, wird sie auch Magnet- oder Materialkennlinie genannt. Auffällig ist, dass in dem Diagramm in Abb. 15 zwei Kurven dargestellt sind. Die B-Kurve der Flussdichte und die J-Kurve der Polarisation. Die in blau dargestellte B-Kurve zeigt die Flussdichte B über der Feldstärke H. Die in orange dargestellte J-Kurve zeigt nur die Polarisation J des Materials. Es handelt dabei sich um die B-Kurve, reduziert um den Anteil der Luftflussdichte.
Magnetisierungskurve eines Hartferrit HF28/26
Punkt 1
HSät
Sättigungsfeldstärke
Punkt 2
Br
Remanenzflussdichte
Punkt 3
Hc
Koezitivfeldstärke
Punkt 4
s. Punkt 1
Punkt 5
s. Punkt 2
Punkt 6
s. Punkt 3
Markante Punkte einer Magnetisierungskurve
Beginnt man die Magnetisierung des Magneten im unmagnetisierten Zustand, startet die Kurve im Nullpunkt des Koordinatensystems. Mit größer werdender Feldstärke H richten sich die Elementarmagnete auf mikroskopischer Ebene immer stärker parallel zum externen Feld aus. Die Trennwände zwischen den mikroskopischen Elementarmagneten verschieben sich. Wird die Feldstärke erhöht bis zum Punkt 1, der Sättigungsfeldstärke HSät, sind alle Elementarmagnete ausgerichtet und die Kurve steigt bei weiterer Erhöhung der Feldstärke H nur noch mit . Der Magnet ist vollständig magnetisiert. Verringert man die Feldstärke H bis auf null, erreicht man den Remanenzpunkt Br (Punkt 2). Bei umgekehrter Stromrichtung oder ausgeschaltetem Strom folgen wir der Kurve weiter in den 2. Quadranten. Dieser 2. Quadrant oder auch Entmagnetisierungskurve beschreibt das Arbeitsumfeld eines jeden Magneten nach erfolgter Magnetisierung. Wird die negative Feldstärke H weiter erhöht (in Richtung -H), knickt die Kurve im sogenannten KniepunktKniepunkt ab. Bei einer geringfügig höheren negativen Feldstärke H wird im Schnittpunkt mit der Achse der Feldstärke H die Koerzitivfeldstärke (Punkt 3) erreicht. Erreicht die blaue B-Kurve die Koerzitivfeldstärke Hcb, ist der Magnet nach außen nicht mehr magnetisch. Erreicht die orange dargestellte J-Kurve diesen Punkt, ist der Hcj-Punkt erreicht. In diesem Punkt hat die innere Polarisation J des Magneten null erreicht, der Magnet ist entmagnetisiert bzw. nicht mehr magnetisch.
In Abbildung 17 ist die Magnetisierung anhand eines Hartferritmagneten beschrieben. Dieser wurde aufgrund der einfacheren Darstellung bei einer „breiteren“ Kurve gewählt. Selbstverständlich gilt diese Kurve auch für ferromagnetische Werkstoffe, die durch eine deutlich schmalere Kurve charakterisiert sind.
Die folgende Abbildung Abb. 18 zeigt verschiedene weich- und hartmagnetische Werkstoffe. Weichmagnetische Werkstoffe lassen sich bereits bei geringen Feldstärken ummagnetisieren, während hartmagnetische Werkstoffe einen ummagnetisierenden Feld einen gewissen Widerstand entgegenstellen. Die Grenze zwischen diesen beiden großen Gruppen verläuft bei ca. 1 kA/m.
Remanenz Br bzw. JS über die Koerzitivfeldstärke Hc
(Quelle: Andreas 06 – Sprich mit mir (https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Übersicht_Koerzitivfeldstärke.svg), „Übersicht Koerzitivfeldstärke“)
1.11Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung
Sobald wir magnetisierbares Material und besonders Dauermagnete betrachten, ist die Temperatur in allen Betriebszuständen zu berücksichtigen. Oberhalb der so genannten Curie-TemperaturCurie-Temperatur verändern ferromagnetische und ferrimagnetische Werkstoffe ihr Verhalten. Sie werden zu paramagnetischen Werkstoffen. Dieser Vorgang ist reversibel. Wird die Curie-Temperatur unterschritten, so zeigt sich wieder das ursprüngliche Verhalten. Tabelle 3 zeigt Curie-Temperaturen einiger ausgewählter Werkstoffe.
Werkstoff
Curie Temperatur
Eisen
768 °C
Cobalt
1121 °C
Nickel
360 °C
NdFeB
310 °C
SmCo
720 °C
Hartferrite
450 °C
AlNiCo
800 °C
Curie-Temperatur ausgewählter Werkstoffe
(Quelle: W. Cassing, K. Kuntze, G. Ross: Dauermagnete: Mess- und Magnetisiertechnik, expert verlag, 2. Auflage 2015)
Kommen Dauermagnete im magnetischen Kreis zum Einsatz, ist neben der Curie-Temperatur die maximale Einsatztemperatur unter Berücksichtigung des magnetischen Kreises maßgeblich. Die maximale Temperatur der Dauermagnete liegt deutlich unterhalb der Curie-Temperatur und begrenzt somit die Maximaltemperatur der gesamten Anwendung. Oberhalb dieser Temperaturgrenze setzt eine irreversible Entmagnetisierung des Magneten ein. Für einige NdFeB-Güten liegt diese Temperatur unterhalb von 100 °C, während SmCo-Magnete auf bis zu 350 °C erwärmt werden dürfen.
2Dauermagnetische Werkstoffe Herstellungsverfahren, Eigenschaften, Gefahren
Die Bedeutung von dauermagnetischen Werkstoffen ist gerade heute in der Zeit der aufstrebenden Elektromobilität von besonderer Bedeutung. Kenntnisse über die Herstellung und Verarbeitungsmöglichkeiten geben Hinweise auf eventuelle Fehlerursachen. Den größten Beitrag zur Auslegung bzw. Optimierung liefert das Wissen um die magnetischen Kennwerte. Hier sind in erster Linie die modernen Werkstoffe, wie die Magnete aus seltenen Erden zu nennen, die jedoch teilweise Probleme in der Beschaffung verursachen und zum Teil kritische Elemente verwenden. Die Versorgungssicherheit mit den notwendigen Elementen sollte im Augenmerk des Entwicklers sein. Nicht zu vergessen sind die Gefahren im Umgang mit den modernen Magnetwerkstoffen aus Seltenen Erden.
Werne, im Januar 2023 Wilhelm Cassing
2.1Einleitung
Permanentmagnete/Dauermagnete finden durch die neuen Magnetwerkstoffe der Selten-Erd-Gruppe, wie NdFeBNdFeB (REFeB) und SmCoSmCo (RECo), neue Anwendungsfelder und damit weitere Einsatzgebiete. Immer häufiger wird es notwendig, auch für den Laien, Berechnungen von Permanentmagneten und permanentmagnetischen Kreisen zumindest oberflächlich durchzuführen.
Hierbei hat man es in aller Regel nicht nur mit den ‚losen Magneten‘ zu tun, sondern mit einem Magnetkreis, der in seiner Anwendung oftmals mit einem elektrischen Feld in Wechselwirkung tritt. Die Berechnung von Magnetkreisen soll in diesem Beitrag nicht im Mittelpunkt stehen, sondern die Vermittlung der Kenntnisse über die verschiedenen Magnetwerkstoffe und ihre Kenndaten. Für die Berechnung des Magnetkreises ist auf weiterführende Literatur im Anhang hingewiesen. Lediglich der ‚offene Kreis‘, wie er bei Sensormagneten weitgehend auftritt, soll näherungsweise behandelt werden.
2.1.1Das Atommodell
Auf diesem Gebiet leistete N. Bohr Pionierarbeit, der die Funktion der Elektronen erkannte und somit die kleinsten Ladungsträger gefunden hatte. Nach seinem Modell (SchalenmodellSchalenmodell mit den Hauptschalen: K, L, M, N, mit den Unterschalen: s, p, d, f etc.) kreisen die negativ geladenen Elektronen (e–) auf kreisförmigen Bahnen um einen mehrfach positiv geladenen Atomkern (p+). Durch diesen ‚Elementarstrom’ von e– wird ein magnetisches Feld aufgebaut. Da die e– jedoch nicht nur um den Atomkern kreisen, sondern auch um sich selbst (Eigendrehimpuls) – diese Eigenschaft wird ‚Spin‘ genannt – entsteht durch das e– selbst ein Magnetfeld (siehe Abb. 1).
Darstellung des Bahnmomentes und des Spins der Elektronen
Die e– können sich links oder rechtsherum um sich selbst drehen, womit dann zwei Richtungen des Magnetfeldes möglich sind, nämlich ‚Spin up‘ und ‚Spin down‘. Da sich Magnetfelder überlagern können, entsteht noch eine Spin-Bahnkopplung, einmal durch die Eigenrotation des e– und zum anderen durch die Rotation des e– um den Atomkern. Wenn sich nun alle magnetischen Momente eines Atomkerns kompensieren, so erscheint das Atom nach außen hin neutral. Erst nachdem man diesen Zusammenhang verstanden hatte, konnte man durch die Wahl geeigneter Materialien – die keine abgeschlossenen Atomhüllen besitzen und somit keine Kompensation der einzelnen magnetischen Momente – den Energieinhalt der Dauermagnete steigern.
Die ersten Dauermagnete entstehen mit dem Aufbau der 3d Nebengruppe (Übergangsmetalle). Der weitere Aufbau der Schalen erfolgt nach dem „Pauli-Prinzip“ und der „Hund’schen Regel“, so dass nach der 3d-Schale die 4d-, 4f-, 5d- 5f- Schalen folgen. Diese Ausnahme tritt an drei Stellen im Periodensystem der Elemente auf.
Gruppe der ‚Eisenelemente‘ (z. B. Fe, Ni, Cu, Zn, Co, Mn): 3d-Schale
Gruppe der ‚Wertelemente‘ (z. B. Pt, Zr, Cd): 4d-Schale
Gruppe der ‚Seltenen Erden‘ (z. B. Nd, Pr, Sm, Dy, La): 4f-Schale
Bei diesen Elementen ist durch unvollständigen Schalenaufbau das Gesamtmoment eines Atoms ungleich null.
2.1.2Zeitliche Entwicklung der Werkstoffe
Von den Anfängen des Magnetismus (Kompass bei den Chinesen) bis ungefähr 1910 hat sich auf dem Gebiet der WerkstoffentwicklungWerkstoffentwicklung von Dauermagneten nicht viel ereignet.
