Untersuchungen und Berechnungen zum Magnetfeld im Luftspalt ferromagnetischer Joche

Untersucht wurde das Luft-Magnetfeld zwischen den Polen hoch ausgesteuerter ferromagnetischer Joche. Es ist bekannt, dass die Flussdichten im Joch B_Joch und im Luftspalt B_Spalt nur dann etwa gleich groß sind, wenn der Luftspalt s sehr klein ist gegen die Querabmessungen des Jochs bzw. der Pole. Trifft diese geometrische Beziehung nicht zu, ist mit einer Aufweitung des Feldes im Spalt senkrecht zur Feldrichtung und mit einer Abnahme der Flussdichte B_Spalt und damit B_Spalt < B_Joch zu rechnen.
Die Untersuchungen und parallel dazu 3D-FEM-Feldberechnungen wurden geführt an Jochen

mit Durchmessern Ø = 60mm und 76mm (Pole mit kreisförmigem Querschnitt)
mit Diagonalen D ≈ 110mm (Pole mit rechteckigem Querschnitt)
mit Luftspalten s = 10 .. 50mm

Die elektromagnetische Erregung Θ = n * i wurde in sehr weiten Grenzen verändert. Ziel war es, in dem jeweiligen Magnetkreis aus Joch und Luftspalt sehr unterschiedliche Magnetflüsse Φ
entsprechend Θ = n * i = Φ * (R_mag.Joch + R_mag.Spalt) zu erreichen.

Durch die Feld-Messungen im Luftspalt und im Joch wurde erwartungsgemäß bestätigt, dass die Feldaufweitung B_Spalt < B_Joch von der Größe

der Spaltlänge l_Spalt
des Verhältnisses Spaltlänge zu Querabmessungen des Jochs / der Pole
der Aussteuerung des ferromagnetischen Jochs bzw. der Polflächen

abhängt.

Im folgenden Diagramm wird als Beispiel die Abhängigkeit der Flussdichte B_Spalt in einem Luftspalt s = 10mm von der magnetischen Erregung Θ = n * i dargestellt (Ausschnitt aus einer Messreihe).

Man erkennt, dass der Anstieg ΔB_Spalt / Δ(n*i) der Flussdichte B_Spalt mit zunehmender Durchflutung stark abnimmt. Gemessen wurde im Zentrum des Luftspaltes bei halber Spaltlänge.

Quantitative Messungen zur Größe und Homogenität des Magnetfeldes im Luftspalt sind sehr zeitaufwändig. Aus diesem Grunde wurden parallel zu den Messungen zahlreiche Varianten mit einem FEM-Programm berechnet (Geometrie und Material des Jochs, Flussverdichtung durch Polschuhe, Variationen des Luftspalts und der magnetischen Erregung). In den Fällen, in denen Messergebnisse vorlagen, die direkt mit den FEM-Berechnungen verglichen werden konnten, gab es ausnahmslos sehr gute Übereinstimmungen.

In den folgenden beiden Bildern werden Beispiel-Berechnungen gebracht. Man erkennt, dass für die Modelle die geometrischen Symmetrien der Joche und Luftspalte genutzt wurden. Man erkennt weiter

den Sprung B_Spalt < B_Pol an der Grenzfläche Pol / Luftspalt
die Feldaufweitung, d.h. die Ausdehnung der von einer merklichen Flussdichte B_Spalt durchsetzten Querschnittsfläche A_Spalt
die bemerkenswerte Homogenität der Flussdichte B_Spalt in dem Bereich, der dem Querschnitt der Pole entspricht.

Die Wirkung von Polschuhen wurde fast ausschließlich mit Hilfe von FEM-Modellen berechnet und optimiert.