Spulenwickel-Anleitung: Wickeln & Technik erklärt

Die Spule ist oft der unbesungene Held in der präzisen Fluidsteuerung und Elektrohydraulik. Magnetventile, Proportionalventile und andere Geräte verdanken ihre Funktion diesen scheinbar einfachen Bauteilen.

Wenn Sie als Einkaufsleiter Komponenten für industrielle Automatisierungssysteme beschaffen oder als Maschinenbauingenieur an Hydrauliksystemen arbeiten, ist es unerlässlich, dass Sie Spulenköpfe verstehen. Von den Grundlagen, einschließlich Definitionen und Funktionsweise, bis hin zu Konstruktion und Einsatz deckt dieser Leitfaden alle Aspekte von Spulenköpfen ab.

Eine Spule, auch Magnetspule genannt, ist ein elektromagnetisches Bauteil, bestehend aus einem Kupferdraht, der um einen rechteckigen oder zylindrischen Kern, die sogenannte Spule, gewickelt ist. Fließt elektrischer Strom durch den Draht, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld betätigt einen Kolben oder Anker und wandelt so elektrische Energie in eine lineare mechanische Bewegung um.

Es handelt sich um ein elektromechanisches Bauteil, bestehend aus einer Spule, die als Rahmen oder Rahmen für die Drahtwicklung dient. Sie ist das wichtigste Bauteil in Geräten wie Relais, Magnetventilen, Proportionalventilen und Sensoren. Die Spule gewährleistet eine einwandfreie Wicklung, Isolierung und mechanische Stabilität.

Wichtige Teile einer Spule

Kern der Spule (Rahmen)

Es wird üblicherweise aus Kunststoff und anderen hitzebeständigen Materialien hergestellt.

Es bietet einen Ort, an dem die Drähte aufgewickelt und die Konstruktion zusammengehalten werden.

Manchmal ist die Konstruktion so ausgelegt, dass Flansche ein Verrutschen der Drähte verhindern.

Wickeln von Kupferdraht

Es handelt sich um den Teil, an dem die Drähte gewickelt sind und Strom leiten.

Es besteht aus einer oder mehreren Schichten, je nach erforderlicher Induktivität und Kraft.

Sie bestimmt die Intensität des Magnetfelds und die Leistungsfähigkeit der Spule.

Isolierschicht

Dadurch wird sichergestellt, dass keine Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Drahtschichten auftreten.

Es wird mitunter aus Materialien wie Polyester, Emaille und Glimmerband hergestellt.

Dadurch wird sichergestellt, dass das Gerät auch bei hohen Temperaturen und Spannungen sicher und effizient arbeitet.

Leitungen oder Anschlüsse

Es handelt sich um den Teil, an den die Stromversorgung angeschlossen werden kann.

Es kann gelötet, gecrimpt und eingesteckt werden.

Kolben oder Kern (wird in Proportionalventilen und Magnetventilen verwendet)

Es handelt sich um den Bereich, in dem das Magnetfeld auf den beweglichen Teil einwirkt.

Es besteht aus Weicheisen und anderen ferromagnetischen Materialien.

Die Funktionsweise einer Spule beruht auf den Prinzipien des Elektromagnetismus:

Stromfluss: Durch den Kupferdraht fließt ein elektrischer Strom.

Magnetfelderzeugung: Der Draht ist von einem Magnetfeld umgeben, das durch den Strom erzeugt wird.

Kolbenbetätigung: Ein ferromagnetischer Kolben oder Anker wird vom Magnetfeld angezogen.

Lineare Bewegung: Die Bewegung des Kolbens ist auf die magnetische Kraft zurückzuführen, die den Kolben anzieht und dadurch den Schieber im Inneren des Ventils verschiebt.

Spulenkörper können je nach Art ihrer Verkapselung und Isolierung in verschiedene Klassen eingeteilt werden:

Standard-gekapselte Spulen

Geschützt vor Staub und leichter Feuchtigkeit durch eine Abdeckung aus Kunststoff, üblicherweise Nylon oder Thermoplasten.

Hochtemperaturspulen

Für Anwendungen mit hohen Temperaturen können diese Spulen verwendet werden, da sie hitzebeständige Drähte und Materialien der Klassen H und C enthalten.

Proportional-Magnetspulen

Diese Spulen sind speziell für Proportionalventile ausgelegt und enthalten einzigartige Polrohre, die sicherstellen, dass eine lineare Kraft in direkter Proportionalität zum angelegten Strom erreicht wird.

Drehbare Spulen

Diese Spulen verfügen über ein Gehäuse, das die Installation der Spule in beengten Räumen erleichtert, da der Stecker um 360 Grad gedreht werden kann.

Beim Lesen des Datenblatts einer Spule ist Folgendes zu beachten:

Stromspannung

12V DC, 24V DC, 110V AC und 230V AC, wobei die Gleichrichtung üblicherweise intern erfolgt.

Energieverbrauch

Bei Proportionalventilen liegt der Verbrauch üblicherweise zwischen 8 und 30 Watt.

Duty Cycle

Es ist üblicherweise für einen Einschaltdauerfaktor von 100 % ausgelegt.

Klasse der Isolierung

Zum Beispiel Klasse F 155°C und Klasse H 180°C.

Elektrische Anschlüsse

Freie Leitungen, M12-Steckverbinder und DIN 43650 (Form A, B und C).

Schutzklasse

IP67 und IP65, was bedeutet, dass das Unternehmen beständig gegen Strahlwasser und Staub ist.

Vorteile

Es eignet sich am besten für Proportionalventile, da es eine präzise Steuerung ermöglicht und nicht auf den Ein/Aus-Betrieb beschränkt ist; es kann stufenlos variiert werden.

Zuverlässigkeit: Lange Lebensdauer, da zwischen Spule und Anker kein mechanischer Verschleiß auftritt.

Kompaktes Design: Bietet beträchtliche Kraft in einem relativ kompakten Gehäuse.

Standardisierung: Die meisten Spulen sind zwischen verschiedenen Ventilherstellern austauschbar, da sie alle nach DIN-Normen, z. B. DIN 43650, standardisiert sind.

Nachteile

Wärmeentwicklung: Wenn Spulen dauerhaft unter Spannung stehen, entsteht Wärme. Wird diese Wärme nicht abgeführt, kann es zum Durchbrennen der Spulen kommen.

Stromempfindlichkeit: Zwischen Stromstärke und magnetischer Kraft besteht ein direkter Zusammenhang. Spannungsschwankungen können die Leistung beeinträchtigen.

Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Bei Beschädigung der Verkapselung können Kurzschlüsse durch Feuchtigkeit entstehen.

Zuverlässigkeit, Standardisierung und Reparierbarkeit stehen für Industriekunden ganz oben auf der Prioritätenliste. All diese Eigenschaften werden durch Spulen mit Spulenkern gewährleistet.

Weltweite Austauschbarkeit: Eine Spule eines Herstellers kann aufgrund standardisierter Spezifikationen wie DIN 43650 in einem Ventil eines anderen Herstellers verwendet werden.

Skalierbarkeit: Die Spulen können so skaliert werden, dass sie die nötige Kraft liefern, um ein großes Hauptstufenventil oder ein kleines Pilotventil zu öffnen.

Sicherheit: Durch die Bereitstellung maximaler elektrischer Isolation und Erdung reduzieren gekapselte Spulen die elektrischen Gefahren in industriellen Umgebungen erheblich.

Geringer Wartungsaufwand: Da die Spule keine beweglichen Teile enthält, muss lediglich auf eine saubere Umgebung und einen sicheren Sitz aller Verbindungen geachtet werden.

Spulenkörper werden häufig in industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt. Dazu gehören:

Standard-Wechselstrommagnet, Gleichstrommagnet, Magnetventil, Halte-Elektromagnet.

Hydraulische Proportionalventile: Werden in Turbinensteuerungen, Pressen und Spritzgießmaschinen eingesetzt.

Pneumatische Magnetventile: Für Verpackungsmaschinen und automatische Montage.

Kupplungs- und Bremsbetätigung: Für schwere Maschinen und Materialtransport.

Medizintechnik: Für Beatmungsgeräte und Präzisionsdosierpumpen.

Der Wickelprozess ist der kritischste Schritt, der die Leistung der Spule beeinflusst. Ziel ist die Optimierung des Kupferfüllfaktors und des konstanten Widerstandswerts.

Der Wickelvorgang:

Spulenvorbereitung: Zur Vorbereitung der Kunststoffspule, die als Spulenform dient, wird eine Wickelmaschine verwendet.

Drahtauswahl: Je nach gewünschtem Widerstandswert und der erforderlichen Windungszahl wird Kupferdraht mit einem bestimmten Querschnitt verwendet.

Lagenwicklung: Der Draht wird anschließend auf die Spule gewickelt. Dabei wird er so gewickelt, dass er in die Nut des vorherigen Drahtes passt. Diese Methode wird als „perfekte Lagenwicklung“ bezeichnet und beim Wickeln der Spule angewendet.

Isolierung: Als Isolierung zwischen den Windungen wird Klebeband verwendet.

Anschluss: Die Anfangs- und Enddrähte werden mithilfe von Klemmen angeschlossen.

Verkapselung: Die gewickelte Spule wird anschließend mit Kunststoff umspritzt.

Die Leistung hängt von der richtigen Wahl der Zündspule ab. Beachten Sie die folgende Checkliste:

Spannung prüfen: Die Spannung muss mit der Spannung des Steuerungssystems übereinstimmen, die üblicherweise 24 V DC beträgt.

Prüfen Sie den Steckertyp: Es handelt sich entweder um DIN 43650 Form A („groß“) oder DIN 43650 Form B („klein“).

Widerstand bestimmen: Um sicherzustellen, dass die auf der Treiberkarte angegebenen Spezifikationen erfüllt werden, wird der Widerstand in Ohm gemessen bzw. überprüft. Ein niedrigerer Widerstand erzeugt einen höheren Strom.

Denken Sie an die Umgebung: Stellen Sie sicher, dass die Schutzart ausreichend ist (IP67 > IP65), wenn die Anwendung im Freien eingesetzt/abgespritzt werden soll.

Temperaturbereich: Wählen Sie eine höhere Isolationsklasse (H), wenn sich die Spule in der Nähe eines heißen Krümmers/Motors befindet.

Ventilserie: Stellen Sie sicher, dass der Ankerrohrtyp der Spule für die jeweilige Ventilserie geeignet ist.

Die Spule ist zu heiß zum Anfassen:

Ursache: Hohe Umgebungstemperatur, falscher Spulentyp für den Zyklus und zu hohe Spannung.

Lösung: Überprüfen Sie die Spannung. Stellen Sie sicher, dass der Ventilschieber klemmt und dadurch ein hoher Einschaltstrom entsteht.

Das Ventil wird nicht aktiviert:

Ursache: Lockerer Stecker, Kabelbruch und/oder durchgebrannte Zündspule.

Lösung: Überprüfen Sie den Widerstand. Wenn die Spule durchgebrannt ist und ausgetauscht werden muss, wird die Meldung „Offene Leitung“ (unendlicher Widerstand) angezeigt.

Unvorhersehbarer/sporadischer Betrieb:

Ursache: Kabelbruch und/oder fehlerhafte Erdungsverbindung.

Lösung: Stellen Sie sicher, dass der Erdungsstift eingesteckt ist und die Stifte des DIN-Steckers nicht korrodiert sind.

Brummgeräusch nur der Wechselstromspule:

Ursache: Defekter Schattierungsring und/oder falscher Sitz des Kolbens.

Lösung: Reinigen Sie den Ventilanker und/oder tauschen Sie die Spule aus.

In der Welt der industriellen Steuerungssysteme ist die Spule eine entscheidende Schnittstelle zwischen mechanischer Bewegung und elektronischen Steuerungssystemen. Für einen dauerhaften und präzisen Betrieb ist es unerlässlich, ihre Spulenwickeltechnologie, ihre elektrischen Eigenschaften und ihre Umgebungsbedingungen zu verstehen.

Bei der Auswahl einer Spule für ein neues Proportionalventilprojekt oder die Diagnose eines defekten Stellantriebs ist stets auf die richtige Spannung, die richtige Isolierung und den richtigen Schutz zu achten. Industriekunden garantieren ihren Kunden minimale Ausfallzeiten und maximale Systemleistung durch den Einsatz hochwertiger und standardisierter Spulen.