Auswahl von Magneten

Magnete haben in der Industrie eine wichtige Bedeutung. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Elektromotoren bis hin zu Sensoren und Aktuatoren. Die Auswahl des richtigen Magneten für eine spezifische Anwendung erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der magnetischen Eigenschaften, Materialien und Konstruktionsmerkmale.

Voraussetzungen für Magnetismus

Die Voraussetzung für Magnetismus ist die physikalische Besonderheit von Elektronen, sich um ihre eigene Achse zu drehen. Bei diesem sogenannten Spin ist allerdings die Richtung entscheidend. Nur wenn die Elektronen sich in dieselbe Richtung ausrichten, ist Magnetismus möglich. Aus diesem Grund sind Metalle besonders geeignet, magnetisiert zu werden, denn hier sind die Atome gitterförmig angeordnet. Dadurch können sich die Elektronen frei bewegen und sich einer Rotationsrichtung leichter anpassen. Magnete haben immer einen Nordpol (N) und Südpol (S), welche sich gegenseitig abstoßen. Anders als bei Plus- und Minusladungen in der Elektrizität ist es nicht möglich, einen separaten Pluspol oder Minuspol zu haben. Bei Teilung eines Magneten entsteht daher immer ein neuer, kleinerer Magnet. Die kleinste nicht mehr teilbare Menge nennt man auch Elementarmagnet. Diese finden sich zum Beispiel – in nicht ausgerichteter Form – in Eisen.

Übersicht von Magneten

Abhängig von ihrer Fähigkeit, inhärent magnetisch zu sein oder durch externe Energiezufuhr magnetisiert werden zu können, unterscheiden sich folgende Magnetarten:

• Dauermagnete oder Permanentmagnete: Bei Dauermagneten oder Permanentmagneten bewegen sich die Elektronen bereits in gerichteter Form um ihre eigene Achse und erzeugen somit dauerhaft ein Magnetfeld. Von Natur aus magnetisch sind beispielsweise Eisen, Kobalt und Nickel. Dauermagnete werden in Hart- und Weichmagnete unterteilt. Hartmagnete haben eine hohe Remanenz (Widerstandsfähigkeit gegen die Entmagnetisierung) und Koerzitivfeldstärke (die notwendige magnetische Feldstärke um einen Magneten vollständig zu entmagnetisieren), während Weichmagnete leicht magnetisiert und entmagnetisiert werden können.
• Elektromagnete: Bei Elektromagneten wird der Magnetismus durch Zufuhr von elektrischem Strom erzeugt. Sobald Elektronen durch einen elektrischen Leiter fließen, erzeugt der Strom um sich herum ein Magnetfeld. Das ist in der Regel ein Leitungsdraht mit Windungen, wo jede Wicklungsschleife als kreisförmiger Leiter dient. Insgesamt ergibt sich so ein sehr starkes Gesamtmagnetfeld, welches das von Dauermagneten übertrifft.

Grundlegende magnetische Eigenschaften

Zu den grundlegenden Eigenschaften von Magneten gehören:

• Die magnetische Flussdichte (Tesla): Ist die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt. Der Begriff magnetische Induktion wird oft synonym verwendet und beschreibt auch dasselbe physikalische Phänomen, allerdings in einem anderen Kontext (Elektrodynamik und elektromagnetische Induktion).
• Die magnetische Feldstärke (Ampere pro Meter): Ordnet jedem Raumpunkt eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zu.
• Die magnetische Permeabilität (auch magnetische Leitfähigkeit): Sie bestimmt die Fähigkeit von Materialien, Magnetfelder durchzulassen bzw. sich an ein Magnetfeld anzupassen.

Diese Eigenschaften haben Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Magneten bei bestimmten Anwendungen.

Entmagnetisieren von Dauermagneten

Es ist möglich, Dauermagnete zu entmagnetisieren. Es bleibt ggf. aber noch eine geringe Restmagnetisierung vorhanden. Für die Entmagnetisierung muss die Ausrichtung der atomaren Spins gestört werden. Das kann zum Beispiel durch äußere Einwirkung wie Hitze, starke Schläge oder andere magnetische Felder erfolgen. So hat jeder magnetische Stoff eine maximale Einsatztemperatur, auch Curie-Temperatur genannt. Oberhalb dieser Temperatur ändern sich die magnetischen Eigenschaften. Für Eisen liegt diese Temperatur bei ca. 769 °C, für Kobalt bei ca. 1127 °C und für Nickel bei ca. 358 °C. Elektromagnete lassen sich durch Abschalten der Stromzufuhr entmagnetisieren.

Magnetherstellung und verwendete Materialien

Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren für Magnete. Am gängigsten ist jedoch die Pulvermetallurgie, bei welcher die Materialien zunächst pulverisiert und dann vermischt und verdichtet werden. Der Verdichtungsprozess erfolgt unter Hitzeeinwirkung und wird auch Flüssigphasensintern genannt. Zum Schluss erfolgt der Magnetisierungsprozess, bei dem mithilfe eines großen Magneten oder durch Elektromagnete die Elementarmagnete im Rohling in eine Richtung ausgerichtet werden. Die einwirkende Magnetkraft sollte dabei in etwa dreimal so hoch sein wie die Magnetkraft, die der finale Magnet aufweisen soll. Einige der gängigen Materialien sind Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), Samarium-Cobalt (SmCo), AlNiCo (Aluminium-Nickel-Cobalt) und Ferrite.

Welche Materialien ausgewählt werden sollten, hängt von den Faktoren wie der Betriebstemperatur, der magnetischen Leistung und den Kosten ab. Mittlerweile ist es auch möglich, kunststoffgebundene Magnete wie z. B. Gummimagnete herzustellen.

Auswahl von Magneten

Um den richtigen Magnet auswählen zu können, ist es wichtig, die entscheidenden Kenngrößen zu kennen, welche die Leistung eines Magneten beeinflussen:

• Remanenz: Die Flussdichte, die ein Magnet innerhalb eines geschlossenen Kreises hält.
• Koerzitivfeldstärke: Das Maß für den Entmagnetisierungswiderstand.
• Maximales Energieprodukt: Remanenz (Br) eines Magneten multipliziert mit Koerzitivfeldstärke (Hc).
• Leerlauf-Flussdichte: Die Intensität des Magnetfeldes (in Tesla gemessen, früher Gauß). Beschreibt die Dichte des erzeugten Magnetfeldes (Flussdichte). Das Magnetfeld visualisiert sich als magnetische Linien entlang der Magnetisierungsrichtung. Die Feldstärke ist die Dichte dieser Linien über eine bestimmte Fläche und die Gesamtzahl der Linien beschreibt die magnetische Flussdichte.
• Haftkraft: Ist die Anziehungskraft eines Magneten, gemessen in Newton. Die Materialauswahl, Oberflächenbeschaffenheit und Anzugswinkel haben einen Einfluss auf die Anziehungskraft.

Die folgende Tabelle zeigt Referenzwerte für die Auswahl von Magneten anhand der Adsorptionskraft und der Flussdichte.

• HXNN - Starkes Neodym, Wärmebeständigkeit bis 60 °C
• HXN - Neodym, Wärmebeständigkeit bis 80 °C
• HXNH - Hitzebeständiges Neodym, Wärmebeständigkeit bis 150 °C
• HXMS - Samarium-Kobalt, Wärmebeständigkeit bis 200 °C

Für mehr Informationen siehe Produktkatalog.

Auch die Umgebung, in welcher der Magnet arbeiten wird, beeinflusst die Leistung und Lebensdauer. Neben der bereits erwähnten Temperatur beeinflussen Feuchtigkeit (Rostbildung), mechanische Belastung oder Korrosion die magnetischen Eigenschaften. Bei der Auswahl sollten daher alle Umstände berücksichtigt werden und ggf. auf Magnete mit speziellen Eigenschaften, wie z. B. einer hohen Feuchtigkeitsbeständigkeit, zurückgegriffen werden.

Bei MISUMI bieten wir Magnete für jeden Einsatz. Im Sortiment finden sich sowohl besonders hitzebeständige Neodym-Magnete als auch flexibel einsetzbare Gummimagnete oder bereits vorgefertigte Magnethaken. Zum Beispiel: runde Magnete, Magnete mit Halterungen, Gummimagnete, Magnete (schraubbar), Magnete (rechteckig) oder Magnethalter (schaltbar).

Magnetgüte als wichtige Maßeinheit

Die Magnetgüte ist eine wichtige Maßeinheit für Magnete. Sie setzt sich aus einem Buchstaben gefolgt von einer Zahlenangabe zusammen, z. B. UH45:

• Buchstabe: Der Buchstabe gibt die maximale Einsatztemperatur an. Üblicherweise haben Magnete eine Einsatztemperatur von maximal 80 °C, was mit dem Buchstaben N gekennzeichnet wird. Weitere Angaben können sein: M bis 100 °C, H bis 120 °C, SH bis 150 °C, UH bis 180 °C und EH bis 200 °C.
• Zahl: Mit der Zahl wird die gespeicherte Magnetenergie pro Volumen angegeben. Sie ist das Produkt aus der magnetischen Feldstärke H und der magnetischen Flussdichte B.

Industrielle Verwendung von Magneten

Magnete sind aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Elektromagnete finden zum Beispiel in der Automobilbranche überall da Einsatz, wo elektrische Motoren arbeiten. Durch die anziehenden und abstoßenden Kräfte des Magneten wird der Motor in Drehbewegung gebracht. Auch für Relais werden Magnete verwendet. Hier wird ein elektromagnetischer Schalter in einen Stromkreis eingebaut und anschließend über eine schwache Stromzufuhr ein Magnetfeld aufgebaut. So schließt sich der Schalter bei Stromzufuhr und öffnet sich, sobald der Strom abgeschaltet und damit das Magnetfeld abgebaut wird. In einigen Hochgeschwindigkeitszügen und Magnetschwebebahnen werden starke Magnete verwendet, um die Fahrzeuge vom Boden abzuheben und sie reibungslos und schnell gleiten zu lassen. Außerdem werden Magnete und ihre Eigenschaften gezielt in Förderbändern genutzt. Das transportierte Material kann so leicht getrennt oder sortiert werden, was vor allem in der Recyclingindustrie und Abfallverarbeitung große Bedeutung hat.

Dauermagnete werden z. B. bei den folgenden Anwendungen eingesetzt:

• Förderbänder: Dauermagnete werden zur Trennung von ferromagnetischen Materialien von nicht-ferromagnetischen Materialien z. B. in der Recyclingindustrie verwendet. Die magnetischen Materialien werden vom Dauermagneten aufgefangen und abtransportiert.
• Sicherheitsvorrichtungen: Im Maschinenbau und Sondermaschinenbau werden Dauermagnete in Türfeststellern oder Schutzumhausungen verwendet. Sie halten z. B. Türen oder Klappen geschlossen, die Zugang zu gefährlichen Maschinenkomponenten ermöglichen.
• Zugangskontrollsysteme: Dauermagnete werden hier in Verbindung mit Elektromagneten eingesetzt. Der Dauermagnet ist fest montiert, während der Elektromagnet den Verschlussmechanismus reguliert, in dem er bei Aktivierung (z. B. durch eine Zugangskarte) die Kraft des Dauermagneten überwindet und so die Tür entriegelt.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig und spiegeln sich in einem umfangreichen Sortiment bei MISUMI wider.