Warum ist die Außenseite eines Elektromagneten nicht magnetisch?

Bei dem unten abgebildeten Aufbau des Elektromagneten (5 Volt Gleichstrom, aufgebaut auf einem Transformatorkern) ist nur der Kernteil magnetisch (wenn er mit Strom versorgt wird, zieht er ein Stück Stahl an), aber nicht die 2 "Flügel" außen, die den Magneten kanalisieren sollen Fluss. Ihre Magnetkraft beträgt etwa 1/10 des zentralen Kerns

Warum das? Gibt es eine Geometrie zur besseren Kanalisierung des magnetischen Flusses auf der Außenseite der Spule?Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Übrigens, das "warum?" Fragen führen möglicherweise nicht zu den gewünschten Antworten, wenn Ihre eigentliche Frage lautet: "Wie macht man den Magneten stärker?"
Exaktes Duplikat einer Frage auf Engineering.SE

Antworten (2)

Das Lesen eines Magnetkreises zu lernen ist eine Fähigkeit, die heutzutage nicht mehr viel gelehrt wird.

Sie haben Recht (in Ihrem Kommentar zu Dmitrys Antwort), dass am zentralen Pol und am äußeren (geteilten) Pol derselbe Fluss vorhanden ist.

Beachten Sie jedoch, dass die Gesamtfläche auf der Mittelstange ein Quadrat beträgt (ich schätze, ein Quadratzoll) - bündig mit der Spule.

Messen Sie nun die Gesamtfläche des anderen Pols – die gesamte hintere Oberfläche (etwa 3 Quadratzoll), die äußeren Enden (jeweils etwa 2 Quadratzoll), beide Seiten (jeweils etwa 3 Quadratzoll) und die beiden Polstückflächen selbst (Summierung bis 1 Quadratzoll). Die Summe liegt irgendwo bei ... 14 Quadratzoll, also wäre eine sehr grobe Annäherung an die Flussdichte i 1/14 dessen, was Sie erwarten.

Wenn Sie die Ströme und Spannungen in einem Stromkreis mit niederohmigem Draht, dünnerem hochohmigem Draht und tatsächlichen Widerständen ablesen können, können Sie diesen Stromkreis verstehen, indem Sie sich einen dicken Eisenstab als niedrigen Widerstand oder mit hoher Leitfähigkeit vorstellen - Luft oder Vakuum als hoher Widerstand (dh niedrige Leitfähigkeit).

Der eigentliche Begriff für den Widerstand in Magnetkreisen ist "Widerstand", der für die Leitfähigkeit "Permeabilität". Luft hat eine "relative Permeabilität" von 1, Eisen in die Tausende. Ein Eisenstab leitet also den magnetischen Fluss tausendmal besser als eine Luftstrecke gleicher Länge (bis zu hohen Flussdichten - dann geht es in die Sättigung).

Die Flussdichte ist also nicht gleichmäßig um den riesigen Außenpol verteilt, sie ist proportional zur Fläche eines Abschnitts dieses Pols und umgekehrt proportional zur Luftspaltlänge. Es ist also etwas stärker an der Innenkante dieser äußeren Polstücke, wo der Luftspalt nur 1/2 Zoll beträgt, und etwas schwächer an der Unterseite, wo der Luftspalt (vom inneren Pol) etwa 2-3 beträgt Zoll.

Die Berechnung der genauen Flussdichten kann für einfache Formen mit Kalkül erfolgen, aber Simulationen und Finite-Elemente-Analysen werden jetzt häufiger verwendet.

Nun, ich hoffe, Sie haben die "I"-Laminierungen beibehalten? Verwenden Sie sie als Eisenstange, die die Oberseite des "E" überspannt. Wenn Sie sie näher bringen, werden Sie feststellen, dass sich die Luftspalte zwischen E und I verringern - und wenn Sie den Spalt verringern, konzentriert sich das Flussmittel in diesen Lücken - und wenn Sie die Luftspalte verringern, verringern Sie den "Widerstand", dh den Reluktanz, und so wird der "Strom", dh der Fluss, dramatisch zunehmen, ebenso wie die Anziehungskraft zwischen dem Elektromagneten und dem Stab. WARNUNG halten Sie dabei Ihre Finger aus dem Weg!

Der magnetische Fluss kann nicht unendlich hoch werden, schließlich wird das Eisen bei etwa 1,2 Tesla „gesättigt“.

Jetzt können Sie sehen, wie Dmitrys Hufeisenmagnet funktioniert und wie Sie ihn verbessern können - biegen Sie die Pole näher zusammen, um den Luftspalt zu verringern. Schauen Sie sich auch Spielzeugelektromotoren an - wie die Polschuhe so geformt sind, dass sie zum Eisenrotor (mit der darauf gewickelten Spule) passen, um den Fluss in dem kleinen Spalt zwischen den Magnetpolen und dem Rotor zu konzentrieren.

EDIT: hier eine ziemlich gute Einführung gefunden ...

Achten Sie auf die Zahlen, lesen Sie die Wörter später ... Beachten Sie Folgendes:

  • Abbildung 1.6 zeigt die relative Flussdichte innerhalb und außerhalb einer Spule – auch ohne Eisenkern zur Konzentration des Flusses im Inneren sieht man, wie relativ dicht sie ist.
  • Abbildung 1.7 zeigt, wie man einen Hufeisenmagneten mit einem sehr kleinen Luftspalt herstellt. (Beachten Sie, dass Sie nur dünne Objekte in die Lücke einbauen können, in der das Feld stark ist.) Beachten Sie auch, dass sie eine Linie mit "Leckfluss" gezeichnet haben - das gesamte freiliegende Eisen strahlt etwas Streufluss aus, aber beachten Sie, wie lang die Luftwege im Vergleich sind die Spaltlänge.
  • Abbildung 1.10 zeigt, wie sich daraus ein effektiver Motor entwickelt.

Nachdem Sie einige der "Warum" behandelt haben, wenn Sie wirklich fragen "Was mache ich dagegen?" Fügen Sie der Frage einen Kontext hinzu, was Sie erreichen möchten. Es sollte jetzt klar sein, dass Magnetkreise für einen bestimmten Zweck ausgelegt sind, und wir wissen nichts über Ihren Zweck.

Ich habe Ihre 14-Zoll-Flächenberechnung nicht erhalten, der Fluss soll hauptsächlich aus der horizontalen Oberfläche mit 2 geteilten Polen herauskommen und zum inneren Pol gehen. Daher sollte die Flussdichte im Innenpol und im Außenpol gleich sein (ihre Fläche ist gleich).
Nein, es "sollte" nicht aus den gespaltenen Stangen kommen. Du willst es. Aber das tut es nicht, und deshalb stimmen Ihre beobachteten Ergebnisse nicht mit Ihren Erwartungen überein. Es sei denn ... Sie stellen einen Pfad mit geringem Widerstand zwischen den zentralen und äußeren geteilten Polen bereit - wie z. B. die "I" -Stücke, die alle drei Polstücke überspannen.
Dimitry Horseshoe ist schlimmer, der Luftspalt ist riesig, weil sich außerhalb des Solenoids nichts befindet
Sie haben das Hufeisen anscheinend nicht ausprobiert - die Außenseite eines Solenoids ist ziemlich unwichtig, das Flussmittel dort hat eine geringe Konzentration im Vergleich zum Flussmittel darin.
Ah, wenn meine Darstellung der Feldlinien falsch wäre, würde das einiges erklären....
@ManudeHanoi Hufeisenmagnete können einen beliebig kleinen Abstand zwischen den Polen haben. Siehe zB HDD-Köpfe
Zeichnen Sie einige Feldlinien vom zentralen zum äußeren Pol. Dann ziehen Sie ein paar mehr von der mittleren Stange zu JEDEM anderen freiliegenden Metallstück an der äußeren Stange und Sie werden sehen, was los ist. (Je länger sie sind, desto weniger, da die Reluktanz ungefähr proportional zur Länge des Luftwegs ist).
Schauen wir uns das an: Die mittlere Weglänge zu den "Flügeln" beträgt vielleicht das 5-fache der Weglänge zu den beabsichtigten Polen - ja, das ist viel Luft. Aber die Oberfläche ist vielleicht das 13-fache der Fläche der beabsichtigten Pole, also erwarte ich, dass weit weniger als die Hälfte des Flusses dorthin geht, wo er beabsichtigt ist, oder weit unter 1/4 zu jedem Außenpol. Was ungefähr mit der Beobachtung übereinstimmt, soweit wir das beurteilen können.
@BrianDrummond Richtig, es sieht gerade so aus. Dann lösche ich meinen blöden Kommentar.
@DmitryGrigoryev Es tut mir leid, dass dieser Kommentar weg ist, es war im Prinzip ein guter Punkt, und ich kann auch immer lernen.
Hallo Danke für deine Kommentare. - über den Zweck: Bau eines Linearantriebs, aber zuerst ein Gefühl dafür bekommen, wie sich die Magnetkraft bewegt. -Bezüglich des Flusses erwarte ich, dass der größte Teil des Flusses dort ist, wo der Luftspalt am kleinsten ist, und das ist mehr oder weniger die Oberseite der Flügel. -Bezüglich des Hufeisens hilft Abb. 1.7 des Links am Ende der obigen Antwort Ich verstehe, dass die Form des Hufeisens irgendwie auch das äußere Feld sammelt. -Ich werde eine Simulation durchführen, um das zu klären. Quickfield Student Edition ist zu grob. Wenn Sie etwas einfaches und kostenloses wissen, lassen Sie es mich bitte wissen
Ich denke, ich würde einen billigen Hallsensor und ein Multimeter ausprobieren und die Magnetfelder auf diese Weise "schnüffeln" - sie an verschiedenen Stellen um den Transformator herum abbilden, den Sie haben. Vielleicht ein Kraftsensor (sogar eine auf einen Nagel geklebte Federwaage), um zu sehen, wo die stärksten Kräfte wirken. Und lernen Sie die grundlegende Theorie, bis Sie sich vorstellen können, wohin der Fluss geht. Es ist so grundlegend wie das Ohmsche Gesetz und ebenso wichtig für die Energieumwandlung, aber es bekommt nicht die gleiche Zeit ...

Das liegt an der Geometrie Ihres Magneten: Ein Pol konzentriert sich in der Mitte der Spule, während der andere zwischen den äußeren Flügeln verteilt ist. Wenn Sie nicht genügend Strom liefern, um den gesamten Kern zu sättigen, wird der Fluss ungleichmäßig verteilt, wobei ein Punkt in der Mitte des zentralen Pols den größten Teil davon kanalisiert.

Wenn Sie zwei Pole mit gleicher Anziehungskraft benötigen, sollten Sie einen U-förmigen Elektromagneten (auch Hufeisen-Elektromagnet genannt) wie diesen verwenden:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sicherlich ist der Gesamtfluss, der den Mittelpol verlässt, gleich dem Gesamtfluss, der in die beiden Außenpole eintritt, UND da die Außenpole (zusammen) ungefähr die gleiche Querschnittsfläche haben, ist die Flussdichte gleich.
@Andyaka Ja, der Gesamtfluss am Innenpol und an den Außenpolen ist gleich. Die Flussdichte, nicht unbedingt. Ich denke, es gibt einen Punkt in der Mitte des inneren Pols, der 90% des Flusses kanalisiert, während die äußeren Pole solche Punkte nicht haben.
Mein Ziel ist es, die Stärke des Magneten zu erhöhen, indem ich den Luftspalt verkleinere, dh den Fluss auf der Außenseite des Solenoids sammle
@ManudeHanoi Tatsächlich bedeutet das Verringern des Luftspalts normalerweise, dass die Pole nahe beieinander bewegt werden und kein äußerer Fluss gesammelt wird, der bei ordnungsgemäßem Design des Magneten ungefähr Null ist. Eigentlich funktionieren Hufeisenmagnete ganz gut mit großen Lücken, weil diese Lücken durch Gegenstände geschlossen werden, die vom Magneten angezogen werden und an beiden Polen haften bleiben.
Und in dieser Hinsicht ist dieser Transformator derselbe, er sollte ein Objekt mit niedrigem Widerstand stark anziehen, das alle drei Polstücke überbrückt.
Hallo Dimitry, ich kann mich irren, aber ich kann nicht verstehen, was Sie über den äußeren Fluss sagen, der äußere Fluss muss der gleiche sein wie der innere Fluss und in die entgegengesetzte Richtung laufen, also wie kann er Null sein?
@ManudeHanoi Vielleicht habe ich deinen Satz über "Sammeln des Flussmittels an der Außenseite des Solenoids" falsch verstanden. Ich meinte das Flussmittel außerhalb des Kerns. Betrachten Sie Ringspulen, bei denen fast der gesamte Fluss innerhalb des Kerns liegt – welchen Teil des Flusses würden Sie als „außen“ bezeichnen?
@dimitri Ich bin mir nicht sicher, ob meine Vision relevant ist, aber wenn Sie den Solenoiddraht nehmen, ist die Magnetfeldlinie wie ein Kreis mit dem Draht in der Mitte. Eine Seite des Kreises befindet sich im Solenoid, eine zeigt nach außen. Da das Flussmittel auf Drahtebene ein Kreis ist, müssen beide Seiten die gleiche Intensität haben. Stellen wir uns eine perfekte Situation vor, der isolierte Draht wäre mit Weicheisen beschichtet, das Flussmittel wäre maximal und nahe am Draht (ok, ok, das wäre kein hilfreicher Solenoid).
Wenn wir nun die Dicke der Isolationsschicht erhöhen, ist der Eisenmantel weiter vom Draht entfernt. Ich stelle mir vor, je weiter das Eisen vom Draht entfernt ist, desto weniger Flussmittel. Beim Hufeisen/Ringkern hat eine Seite des Solenoiddrahtes Kontakt mit dem Eisenkern und eine Seite nicht. Sie erhalten also im Grunde nicht den maximalen Fluss
@ManudeHanoi Doch Ringkerntransformatoren werden laut Wiki als einige der effektivsten in Bezug auf Streufluss bezeichnet .
@DmitryGrigoryev Leckage ist hier nicht der richtige Begriff, den ich jetzt verstehe. Das Kernmaterial wirkt als eine Art magnetischer Flussverstärker. Ohne Kern haben wir immer noch Fluss, aber von viel geringerer Intensität. Nun ist dieser Solenoidfluss die Summe des Flusses jedes Drahtabschnitts. Für einen gegebenen sehr kleinen Abschnitt ist der Fluss ein Kreis um diesen Abschnitt, das bedeutet, dass es immer Fluss außerhalb eines Solenoids gibt, deshalb hat der Transformator Kernmaterial außerhalb des Solenoids. Ich sehe kein Kernmaterial außerhalb der Solenoide im Hufeisen, und es stört mich
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