Die Kraft eines Ventil-Magnetankers berechnen

Q: Wie sollte die Druckdifferenz einbezogen werden?

Beginnen Sie bei einem direktwirkenden Sitz mit der Druckkraft als Druckdifferenz multipliziert mit der wirksamen Sitzfläche und bestätigen Sie die Kraftrichtung. Verwenden Sie die wirksame Sitzfläche, nicht die Gewindefläche des Anschlusses. Ein vorgesteuertes Ventil benötigt ein anderes Druckbilanzmodell, weil der Magnet möglicherweise nur eine kleine Pilotöffnung statt des Hauptdurchlasses öffnet.

Berechnen Sie die Magnetankerkraft eines Ventils in zwei Stufen. Schätzen Sie zuerst die magnetische Anziehung an jedem maßgeblichen Luftspalt. Vergleichen Sie anschließend die verfügbare Kraft mit Feder-, Druck-, Reibungs- und dynamischen Lasten, die der Bewegung entgegenwirken. Die bekannte Gleichung für den magnetischen Druck ist für eine Vorauslegung nützlich. Eine reale Kraft-Hub-Kurve erfordert jedoch meist Messdaten oder ein Feldmodell.

Die Abgrenzung ist wichtig. Eine Berechnung kann eine erhebliche Kraft in der geschlossenen Position vorhersagen und trotzdem die zum Öffnen des Ventils erforderliche Startkraft verfehlen. Polgeometrie, magnetische Sättigung, Streufluss, Spulentemperatur und Versorgungsverhalten verändern das Ergebnis.

Wichtigste Erkenntnisse

Die ideale Abschätzung an der Polfläche lautet $F_{\mathrm{ideal}} \approx B_g^2 A_{\mathrm{eff}}/(2\mu_0)$ .

Ein direktwirkendes Ventil muss außerdem Druck-, Feder-, Reibungs- und Beschleunigungslasten überwinden.

COMSOL dokumentiert drei praktische Kraftmethoden: Maxwell-Spannung, Zugkraft und virtuelle Verschiebung.

Prüfen Sie die Kraft über den vollständigen Hub, insbesondere am anfänglichen Luftspalt.

Was bedeutet die Kraft eines Magnetankers tatsächlich?

Bürkert beschreibt Typ 6013 als direktwirkendes Magnetankerventil bis DN 6,0 und bietet eine Spulenoption mit Anzugs- und Absenkstrom an (Bürkert Typ 6013, abgerufen am 22.07.2026). Die Magnetankerkraft ist die elektromagnetische Anziehung bei einem bestimmten Strom, einer bestimmten Position, Temperatur und magnetischen Kreissituation, nicht ein einzelner dauerhaft gültiger Nennwert.

Die Kraft ändert sich, während sich der Magnetanker bewegt. In der geöffneten Position ist der Hauptluftspalt normalerweise am größten und der magnetische Kreis besitzt seinen höchsten magnetischen Widerstand. Nahe am Sitz ist der Spalt kleiner, die Induktivität anders und das Eisen möglicherweise näher an der Sättigung. Das Ergebnis ist eine Kraft-Hub-Kurve statt eines einzelnen Kraftwerts.

Messing-Magnetventil mit 2/2-Membran, das Spule, Ventilkörper sowie den vor der Berechnung zu bestimmenden direktwirkenden oder vorgesteuerten Kraftpfad zeigt

Beginnen Sie mit der Definition des Kraftorts:

Anfangs- oder Anzugsposition: der stromlose Spalt, an dem die Bewegung beginnen muss.
Mittlere Hubposition: ein Punkt, an dem sich Beschleunigung, Federkompression oder Strömungskräfte ändern können.
Sitz- oder Halteposition: der kleinste Arbeitsluftspalt, nachdem der Magnetanker seinen Hub beendet hat.

Diese Definition verhindert einen häufigen Fehler: die magnetische Kraft bei geschlossenem Spalt mit der Last bei geöffnetem Spalt zu vergleichen. Weitere Informationen zum Mechanismus finden Sie unter wie pneumatische Magnetventile einen elektrischen Befehl in eine Luftstromsteuerung umwandeln.

Entscheidend ist die kleinste positive Reserve entlang der erforderlichen Bewegung, nicht der größte Wert der Kurve. Wenn der Magnetanker nicht starten kann, hat ein großzügiges Ergebnis für die Haltekraft am Sitz keinen praktischen Wert.

Welche Lasten muss der Magnetanker im Ventil überwinden?

ASCO teilt ein Magnetventil in zwei Funktionseinheiten: den Elektromagneten mit seinem Kern und den Ventilkörper mit einer oder mehreren Öffnungen (ASCO-Engineering-Informationen, abgerufen am 22.07.2026). Eine brauchbare Berechnung muss die elektromagnetische Kraft der ersten Einheit mit den mechanischen und fluidischen Lasten der zweiten verbinden.

Für ein direktwirkendes, stromlos geschlossenes Ventil verwenden Sie diese Bilanz der statischen Öffnungskraft:

F_{\mathrm{required}}(x) = F_{\mathrm{spring}}(x) + \Delta P \cdot A_{\mathrm{seat,eff}} + F_{\mathrm{friction}}(x) + F_{\mathrm{flow}}(x)

Dabei gilt: $x$ ist die Position des Magnetankers, $\Delta P$ ist die ungünstigste Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang und $A_{\mathrm{seat,eff}}$ ist die wirksame druckbeaufschlagte Sitzfläche. Feder-, Reibungs- und Strömungskraftterme müssen dieselbe Richtungskonvention verwenden. Wenn eine Last das Öffnen unterstützt, geben Sie ihr ein negatives Vorzeichen, statt sie stillschweigend zu verwerfen.

Für eine dynamische Prüfung beziehen Sie die bewegte Masse und die Zielbeschleunigung ein:

F_{\mathrm{mag}}(x,t) - F_{\mathrm{required}}(x,t) = m\frac{d^2x}{dt^2} + c\frac{dx}{dt}

Die Masse $m$ umfasst den Magnetanker und alle gekoppelten bewegten Teile. Der Dämpfungskoeffizient $c$ beschreibt in einem vereinfachten Modell den geschwindigkeitsabhängigen Widerstand. COMSOL verwendet dieselbe Feder-Masse-Dämpfer-Struktur bei der Modellierung eines transienten elektromagnetischen Magnetankers (COMSOL-Modell eines linearen Magnetankers, 2015).

Lastterm	Mindestens benötigte Eingabe	Häufiger Fehler
Drucklast	Ungünstigste Druckdifferenz und wirksame Sitzfläche	Gewindefläche des Anschlusses statt Sitzfläche verwenden
Federlast	Vorspannung und Federkonstante über den Hub	Nur die freie Federkraft prüfen
Reibung	Zustand von Dichtung, Führung, Oberfläche und Temperatur	Reibung als festen Prozentsatz behandeln
Strömungskraft	Strömungsrichtung und Ventilgeometrie	Bei schnellem Umschalten mit hohem Durchfluss ignorieren
Trägheit	Bewegte Masse und erforderliche Beschleunigung	Statische Kräftebilanz für die Reaktionszeit verwenden

Die Druckkraft wächst mit der wirksamen Fläche. Ein größeres Anschlussmaß legt diese Fläche nicht fest. Verwenden Sie daher die Sitzzeichnung oder Kraftdaten des Herstellers. Der zugehörige Leitfaden zu Druckdifferenz und pneumatischer Kraft erklärt, warum der Eingangsdruck allein nicht ausreicht.

Wann ist die Formel für den magnetischen Druck nützlich?

Ansys demonstriert ein achsensymmetrisches Magnetmodell mit 650 Windungen und 1 A pro Windung und nimmt dabei ausdrücklich keine Eisensättigung sowie vernachlässigbaren externen Streufluss an (Ansys-Tutorial zum Magnetantrieb, 2025). Diese Annahmen zeigen, wofür die Gleichung des magnetischen Drucks geeignet ist: für eine frühe Abschätzung bei einem einfachen, annähernd gleichförmigen Luftspalt.

Für ein Feld, das annähernd normal auf eine ebene Polfläche steht, lautet die ideale Anziehungskraft:

F_{\mathrm{ideal}} \approx \frac{B_g^2 A_{\mathrm{eff}}}{2\mu_0}

In dieser Gleichung gilt:

$F_{\mathrm{ideal}}$ ist die ideale Normalkraft in Newton,
$B_g$ ist die Flussdichte im Arbeitsluftspalt in Tesla,
$A_{\mathrm{eff}}$ ist die wirksame Polfläche, die diesen Fluss in Quadratmetern führt,
$\mu_0$ ist die magnetische Permeabilität des Vakuums, ungefähr $\mu_0 \approx 1.256637 \times 10^{-6}\ \mathrm{H/m}$ für technische Berechnungen.

Seit der SI-Revision von 2019 $\mu_0$ wird dieser Wert gemessen und nicht mehr als exakte Konstante definiert. Bei der Einführung meldete NIST eine relative Standardunsicherheit von nur $u_r = 2.3 \times 10^{-10}$ , deutlich unter der Unsicherheit, die sich aus Geometrie und Flussverteilung eines praktischen Ventils ergibt (NIST SP 330, Abschnitt 2, 2019).

Was lässt die Formel aus? Sie berechnet nicht $B_g$ aus Windungszahl und Spannung. Sie berücksichtigt auch nicht automatisch Randfelder, Streufluss, konische Polflächen, mehrere Luftspalte, Restluftspalte, nichtlineares Eisen sowie Druck- und Federlasten. Behandeln Sie das Ergebnis als ideale magnetische Anziehung an einem Betriebspunkt.

Beispiel: Ideale Kraft an der Polfläche abschätzen

Mit dem technischen NIST-Wert für $\mu_0$ betrachten wir eine flache kreisförmige Polfläche mit $d = 10\ \mathrm{mm}$ und einer modellierten Flussdichte im Luftspalt von $B_g = 0.80\ \mathrm{T}$ (NIST SP 330, Abschnitt 2, 2019). Dies sind illustrative Eingaben, keine allgemeine Ventilnennkraft, und das Ergebnis ist eine ideale Vorauslegungsgröße.

Wandeln Sie zuerst den Durchmesser in Meter um und berechnen Sie die Kreisfläche:

A_{\mathrm{eff}} = \frac{\pi d^2}{4} = \frac{\pi (0.010)^2}{4} = 7.854 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^2}

Wenden Sie anschließend den magnetischen Druck an:

F_{\mathrm{ideal}} = \frac{(0.80)^2(7.854 \times 10^{-5})}{2(1.256637 \times 10^{-6})} \approx 20.0\ \mathrm{N}

Das ist noch nicht die garantierte Anzugskraft des Ventils. Angenommen, die Lastbilanz an der ungünstigsten Position beträgt $F_{\mathrm{required}} = 12\ \mathrm{N}$ . Die ideale statische Reserve wäre:

M_F = F_{\mathrm{ideal}} - F_{\mathrm{required}} = 8\ \mathrm{N}

Eine ideale Reserve von 8 N kann durch Streufluss, Sättigung, Erwärmung der Spule, Spannungstoleranz, Reibungsstreuung und Fertigungstoleranzen verschwinden. Machen Sie daraus keinen allgemeinen Sicherheitsfaktor. Berechnen Sie stattdessen die Kraft-Hub-Kurve beim Mindeststrom für die tatsächliche Geometrie und prüfen Sie die kritischen Punkte an der Hardware.

Für die obige Arithmetik ist kein Feldlöser erforderlich. Erforderlich wird er, wenn die angenommenen Werte für $B_g$ und $A_{\mathrm{eff}}$ nicht mehr belastbar sind. Die eigentliche Modellierungsfrage lautet daher nicht „Kann ich durch ${2}\mu_0$ teilen?“, sondern „Kenne ich das Luftspaltfeld gut genug für diese Vereinfachung?“

Warum versagt die einfache Formel aus Strom und Luftspalt?

Dasselbe Ansys-Beispiel mit 650 Windungen bezeichnet die Annahmen ohne Sättigung und mit vernachlässigbarem Streufluss ausdrücklich als Vereinfachungen. Es berechnet die Kraft zum Vergleich sowohl mit virtueller Arbeit als auch mit Maxwell-Spannung (Ansys, 2025). Eine Gleichung aus Windungszahl, Strom und Luftspalt ist daher ein magnetisches Kreismodell und keine universelle Beschreibung jedes Ventilmagneten.

Für einen einzelnen dominierenden gleichförmigen Luftspalt und lineares magnetisches Material gilt näherungsweise:

F_{\mathrm{simple}} \approx \frac{\mu_0 N^2 I^2 A}{2g^2}

Dabei gilt: $N$ ist die Windungszahl der Spule, $I$ ist der Strom, $A$ ist die ideale Polfläche und $g$ ist der dominierende Luftspalt. Die Gleichung sagt eine umgekehrt quadratische Abhängigkeit vom Luftspalt und eine quadratische Abhängigkeit vom Strom voraus. Beides gilt nur unter Bedingungen.

Warum kann die Vorhersage fehlschlagen?

Eisensättigung: Eine Erhöhung der Amperewindungen erzeugt dann keinen proportionalen Anstieg des Flusses mehr.
Streufluss und Randfelder: Nicht der gesamte Fluss überquert die vorgesehene Polfläche, und das Luftspaltfeld ist nahe den Rändern nicht gleichförmig.
Mehrere magnetische Widerstände: Führungsrohrabschnitte, Restluftspalte, nichtmagnetische Hülsen und Verbindungsstellen können dem Hauptluftspalt gleichkommen.
Geometrieänderungen: Konische Polflächen und seitlich wirkende Luftspalte erzeugen Kraftkomponenten, die ein Modell mit ebener Fläche nicht erfasst.
Der Strom wird nicht allein durch die Spannung festgelegt: Der Widerstand steigt, wenn sich die Wicklung erwärmt, und die Induktivität ändert sich mit der Position des Magnetankers.

Die Permeabilität des Kerns darf nicht als direkter Kraftmultiplikator verwendet werden. Sobald der magnetische Widerstand des Eisens klein gegenüber dem Luftspaltwiderstand wird, kann eine weitere Erhöhung der relativen Permeabilität nur wenig bewirken. Bei hoher Flussdichte kann stattdessen die Sättigung maßgebend werden.

Daher ist auch eine feste „Randfeldkorrektur“ unsicher. Randeffekte können die wirksame Feldverteilung für die gewünschte axiale Kraft je nach Polform und Integrationsfläche sowohl verbessern als auch verschlechtern.

Virtuelle Arbeit und FEA für reale Geometrie

Eine Veröffentlichung der Hochschule Heilbronn dokumentiert drei Methoden zur Magnetkraftberechnung in COMSOL: Maxwell-Spannung, Maxwell-Zugkraft und virtuelle Verschiebung (Vogel und Ulm, 2011). Diese Methoden sind geeignet, wenn die Kraft-Hub-Kurve von konischen Polflächen, nichtlinearen Werkstoffdaten, Streupfaden oder mehr als einem relevanten Luftspalt abhängt.

Für ein lineares magnetisches System mit konstantem Strom ergibt die magnetische Koenergie:

F_x(I,x) = \left.\frac{\partial W_m'(I,x)}{\partial x}\right|_I

Wenn die Induktivität $L(x)$ die Positionsabhängigkeit beschreibt, wird daraus:

F_x(I,x) = \frac{I^2}{2}\frac{dL(x)}{dx}

COMSOL stellt dieselbe Beziehung zwischen Induktivitätsgradient und Kraft aus magnetischer Energie dar (COMSOL-Differenzialinduktivität, 2017). Das erklärt, warum Daten zur Induktivität über der Position nützlicher sein können als die Nennleistung der Spule.

Methode	Geeignete Verwendung	Hauptgrenze
Magnetischer Druck	Schnelle Vorauslegung an einem einfachen Luftspalt	Erfordert ein belastbares lokales Luftspaltfeld und eine wirksame Fläche
Konzentriertes magnetisches Widerstandsmodell	Frühe Untersuchungen von Windungen, Luftspalt und Geometrie	Verliert bei Streufluss, Sättigung und komplexen Polflächen an Genauigkeit
Virtuelle Arbeit oder Koenergie	Kraft aus der Energieänderung über der Position	Benötigt ein belastbares Feld- oder Induktivitätsmodell
Integration der Maxwell-Spannung	Detaillierte Kraft an der realen Geometrie	Empfindlich gegenüber Netz, Werkstoffdaten, Randbedingungen und Integrationsaufbau
Kraft-Hub-Prüfung am Prüfstand	Endgültige Validierung der gebauten Einheit	Gilt nur für geprüfte Toleranzen und Bedingungen

Verwenden Sie die ideale Gleichung zur Vorauslegung von Konzepten, virtuelle Arbeit oder Maxwell-Spannung zur Modellierung der realen Geometrie und eine Prüfung am Prüfstand zur Freigabe des Betriebskennfelds. Grundlage der Methoden: Dokumentation von Ansys und COMSOL zu Magnetkräften.

Erstellen Sie einen Positionslauf vom stromlosen Spalt bis zum verbleibenden Spalt am Sitz. Wiederholen Sie ihn bei Mindestbetriebsstrom, Nennstrom und jedem zulässigen kurzzeitigen Spitzenstrom. Koppeln Sie bei einer gleichspannungsbetriebenen, spannungsgesteuerten Spule elektrische und thermische Modelle, damit der Wicklungswiderstand nicht bei Raumtemperatur eingefroren bleibt.

Zwei unabhängige Kraftmethoden sind wertvoller als eine weitere Dezimalstelle. Ansys vergleicht in seinem Magnetbeispiel Ergebnisse aus virtueller Arbeit und Maxwell-Spannung. Die Übereinstimmung der Methoden ist eine nützliche Modellprüfung, während Abweichungen auf Probleme mit Netz, Randbedingung oder Integrationsfläche hinweisen.

Wie werden Anzugs- und Haltekraft geprüft?

Der DRV110 von Texas Instruments verwendet zwei vorgegebene Strompegel: einen schnell ansteigenden Spitzenpegel zur Ventilaktivierung und einen niedrigeren Haltepegel zur Verringerung von Leistung und thermischer Verlustleistung (TI DRV110, abgerufen am 22.07.2026). Diese Regelstrategie trennt Anzugsstrom und Haltestrom, legt aber kein universelles Verhältnis zwischen Anzugs- und Haltekraft fest.

Anzugskraft ist die Magnetkraft an der Startposition und bei der vorhandenen Stromkurve. Vergleichen Sie sie mit Federvorspannung, Drucklast, Haftreibung und der Beschleunigung, die erforderlich ist, um den Hub vor Ablauf des Spitzenstrom-Zeitgebers zu beenden.

Haltekraft ist die verfügbare Kraft, nachdem der Magnetanker seine Sitz- oder Sollposition erreicht hat. Der kleinere Restluftspalt verbessert häufig die magnetische Anziehung, sodass ein geringerer Haltestrom ausreichen kann. Die Kraft muss dennoch Rückstellfeder, Druck, Schwingung und jede Kraft übersteigen, die zum Halten des Dicht- oder Pilotelements in Position erforderlich ist.

Lässt sich beides aus der Spulenleistung ableiten? Nein. Dieselbe Nennleistung kann verschiedenen Windungszahlen, Drahtwiderständen, Induktivitäten, Polgeometrien, Hüben, Werkstoffen und thermischen Zuständen entsprechen. Verwenden Sie Strom-, Positions- und Kraft-Hub-Daten.

Beginnen Sie bei einer spannungsgesteuerten Gleichstromspule mit:

I(T) = \frac{V_{\mathrm{coil}}}{R(T)}

Wenn der Widerstand der Kupferwicklung $R(T)$ mit der Temperatur steigt, können Strom und Kraftreserve sinken. Prüfen Sie die minimal zulässige Versorgungsspannung an den Spulenanschlüssen einschließlich Leitungs- und Treiberverlusten sowie den maximal stabilisierten Wicklungswiderstand. Wenn die Schaltzeit relevant ist, erklärt der Leitfaden zur Messung der Magnetventil-Reaktionszeit warum Stromanstieg und mechanischer Hub getrennt gemessen werden müssen.

Bei Wechselstromspulen sind herstellerspezifische Daten zu Strom, Kurzschlussring, Frequenz, Einschaltstrom und Haltestrom erforderlich. Wenden Sie keinen pauschalen Prozentsatz für Wechsel- gegenüber Gleichstromkraft an. Der separate Vergleich von Wechsel- und Gleichstromspulen für Magnetventile behandelt diese elektrische Unterscheidung.

Praktischer Ablauf zur Berechnung der Magnetankerkraft

Die drei Kraftmethoden aus der COMSOL-Veröffentlichung und der Zwei-Methoden-Vergleich von Ansys sprechen für einen stufenweisen Ablauf: mit einfachen Gleichungen vorprüfen, die tatsächliche Kraft-Hub-Kurve modellieren und anschließend die Hardware validieren (Vogel und Ulm, 2011; Ansys, 2025). Jede Stufe sollte eine benannte Unsicherheit verringern, statt eine unbelegte „Genauigkeit“ in Prozent zu erzeugen.

Nach unserer Erfahrung ist ein einseitiges Kraft-Hub-Arbeitsblatt nützlicher als eine einzelne hervorgehobene Kraft. Es hält magnetische Annahmen, Ventillasten, elektrische Grenzen und Prüfbedingungen in demselben Entscheidungsnachweis sichtbar.

Ventilzustand definieren. Direkten, halbdirekten oder vorgesteuerten Betrieb, Verhalten stromlos offen oder geschlossen, Hub, Sitzdurchmesser und Durchflussrichtung dokumentieren. Der Leitfaden direktwirkende und vorgesteuerte Ventile im Vergleich hilft zu bestimmen, welche Last der Magnetanker tatsächlich bewegt.
Gegenkraftbilanz aufbauen. Drucklast aus der wirksamen Sitzfläche berechnen, Federkraft über den Hub addieren und Annahmen zu Reibung, Strömungskraft, Trägheit und Einbaulage dokumentieren.
Elektrische Grenzen festlegen. Mindestspannung an den Spulenanschlüssen, heißen Widerstand, Stromgrenzen des Treibers, Einschaltdauer und Dauer des Spitzenstroms verwenden. Ersetzen Sie die tatsächliche Stromstärke nicht durch die Typenschildleistung.
Ideale magnetische Vorauslegung durchführen. Verwenden Sie magnetischen Druck nur, wenn Flussdichte im Luftspalt und wirksame Fläche belastbar sind. Verwenden Sie die einfache Beziehung aus Windungszahl, Strom und Luftspalt nur, solange ihre Annahmen zum magnetischen Widerstand gelten.
Kraft über der Position erzeugen. Virtuelle Arbeit oder Maxwell-Spannung mit nichtlinearen Werkstoffkurven, tatsächlichen Restluftspalten, Streuraum und ausreichender Netzverfeinerung anwenden.
Kraft und Last an jeder Position vergleichen. Die Konstruktionsreserve muss lange genug positiv bleiben, damit die erforderliche Beschleunigung erreicht und der Hub beendet wird.
Mindest- und Höchstbedingungen prüfen. Strom und Kraft oder Bewegung bei niedriger Spannung, heißer Spule, ungünstigster Druckdifferenz, Toleranzextremen sowie unter sauberen und erwarteten Betriebsbedingungen messen.
Abweichungen untersuchen. Ein Ventil, das klickt, aber keinen Durchfluss freigibt, kann ein mechanisches, pilotdruckbezogenes, verschmutzungsbedingtes oder Entlüftungsproblem haben und nicht zu wenig Spulenkraft. Verwenden Sie die Fehlerdiagnosefolge für Magnetventile bevor Sie die Spule ändern.

Führen Sie den endgültigen Konstruktionsnachweis als Kraft-Hub-Kennfeld und nicht als einen Nennkraftwert. Nehmen Sie Stromkurve, Spulentemperatur oder Widerstand, Versorgungstoleranz, Druckdifferenz, Federtoleranz und Abnahmeprüfung auf. Dieser Nachweis erleichtert späteren Austausch und Fehleranalyse erheblich.

FAQ: Was müssen Ingenieure zur Magnetankerkraft prüfen?

Die COMSOL-Veröffentlichung zu Proportionalmagneten vergleicht drei Berechnungsmethoden, während Ansys zwei Methoden an einem Antriebsmodell prüft (Vogel und Ulm, 2011; Ansys, 2025). Die praktische Lehre lautet, den Berechnungsaufwand an Geometrie und Risiko anzupassen und anschließend die Kraftreserve unter der tatsächlichen Anzugsbedingung zu prüfen.

Ist B²A/(2μ₀) die tatsächliche Kraft jedes Magnetventils?

Nein. Es ist eine ideale Abschätzung des magnetischen Drucks für ein annähernd gleichförmiges Feld, das normal auf eine wirksame Polfläche steht. Streufluss, Randfelder, Sättigung, konische Polflächen, mehrere Luftspalte, Federkraft, Drucklast und Reibung sind nicht automatisch enthalten. Verwenden Sie den gemessenen Luftspaltfluss oder eine Feldlösung und validieren Sie anschließend das Ergebnis.

Warum ist die Anzugskraft normalerweise die maßgebende Prüfung?

Der Anzug beginnt in der stromlosen Position, in der der Arbeitsluftspalt meist am größten ist und die Haftreibung überwunden werden muss. Der Magnetanker muss außerdem beschleunigen, bevor das Zeitfenster des Spitzenstroms endet. Vergleichen Sie die Magnetkraft beim Mindeststrom mit der vollständigen Startlast und verwenden Sie nicht ersatzweise die höhere Haltekraft am Sitz.

Kann die Magnetankerkraft allein aus der Spulenleistung berechnet werden?

Nein. Wattwerte definieren weder Windungszahl, Strom, Induktivität, Polgeometrie, Luftspalt, Werkstoffsättigung noch Position. Selbst bei einer Gleichstromspule verändert der heiße Wicklungswiderstand den Strom bei Spannungsspeisung. Verwenden Sie eine Kraft-Hub-Kurve für angegebene Ströme und Temperaturen sowie Spitzenstrom-, Haltestrom-, Einschaltdauer- und Spannungsgrenzen der Spule.

Wie sollte die Druckdifferenz einbezogen werden?

Beginnen Sie bei einem direktwirkenden Sitz mit $F_{\mathrm{pressure}} = \Delta P \cdot A_{\mathrm{seat,eff}}$ und bestätigen Sie die Kraftrichtung. Verwenden Sie die wirksame Sitzfläche, nicht die Gewindefläche des Anschlusses. Ein vorgesteuertes Ventil benötigt ein anderes Druckbilanzmodell, weil der Magnet möglicherweise nur eine kleine Pilotöffnung statt des Hauptdurchlasses öffnet.

Wann ist eine FEA erforderlich?

Verwenden Sie FEA, wenn Streufluss, nichtlineares Eisen, konische oder abgestufte Polflächen, mehrere Luftspalte, bewegte Grenzen oder eine knappe Kraftreserve das konzentrierte Modell unzuverlässig machen. Durchlaufen Sie den vollständigen Hub und die relevanten Ströme. Vergleichen Sie nach Möglichkeit die Maxwell-Spannung mit der virtuellen Arbeit, führen Sie Netzprüfungen durch und validieren Sie ausgewählte Punkte mit Messungen am Prüfstand.

Quellen und technische Referenzen

Ansys: Magnetische Analyse eines Magnetantriebs, abgerufen am 22.07.2026.
ASCO-Engineering-Informationen: Magnetventile, abgerufen am 22.07.2026.
Bürkert Typ 6013, direktwirkendes Magnetankerventil, abgerufen am 22.07.2026.
COMSOL: Einen linearen elektromagnetischen Magnetanker modellieren, 2015.
COMSOL: Differenzialinduktivität und Spulen verwenden, 2017.
Vogel und Ulm: Theorie von Proportionalmagneten und Berechnung der Magnetkraft, 2011.
NIST SP 330, Abschnitt 2, 2019.
Texas Instruments DRV110, abgerufen am 22.07.2026.