Wie Sie das richtige Magnetventil auswählen

Um sicherzustellen, dass ein Magnetventil in einem fluidtechnischen System bedarfsgerecht arbeitet, müssen Konstrukteure mehrere Faktoren berücksichtigen. Tun sie dies nicht, kann es zu reduzierterer Systemperformance, Beschädigung, bis hin zum Totalausfall des Geräts oder der Maschine führen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Gesichtspunkte für die Auswahl eines Magnetventils.

Maschinenverfügbarkeit ist das A und O, um das Image eines OEM zu stärken. Wenig ist so schädlich für die Außendarstellung eines Maschinenherstellers wie der Ruf, unzuverlässige Geräte zu produzieren. Konstrukteure und Entwicklungsingenieure sollten daher jedes Detail ihrer performancekritischen Systeme prüfen – bis hin zum kleinsten Magnetventil.

Viele Faktoren sind zu berücksichtigen

Magnetventile sind in nahezu jeder flüssigkeits- beziehungsweise gasbasierten Anwendung zu finden – von Alltagsgegenständen wie Gasherden über Fluid-Control-Aufgaben in Kfz-Kühlsystemen bis hin zur Regelung des Antriebssystems von Satelliten im All. Die Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH mit Sitz in Sulzbach (Taunus) bietet 100 Prozent funktionsgeprüfte Magnetventile für die anspruchsvollsten Applikationen im Maschinenbau, der Automotive-Branche, in der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizin- und Analysetechnik.

Jürgen Prochno, Geschäftsführer bei Lee, fasst es so zusammen: „Magnetventile sind in unserem Alltag allgegenwärtig, unterscheiden sich in ihrer Leistungsfähigkeit je nach Anwendung jedoch enorm. Ein Magnetventil im Schmierstoffmanagement eines Formel-1-Wagens muss andere Eigenschaften mitbringen als ein Magnetventil, das in der Schwerindustrie oder in der Raumfahrt zum Einsatz kommt – und erst recht robuster sein als eine Fluid-Control-Komponente für Haushaltsgeräte. Es muss eine Vielzahl an Einflussfaktoren berücksichtigt werden, um das richtige Magnetventil für die jeweilige Applikation zu finden.“ Die folgenden Hauptmerkmale sollten bei der Auswahl eines Magnetventils berücksichtigt werden:

Systemdruck

Für jedes Magnetventil sollten drei Druckstufen festgelegt werden:

• Betriebsdruck, also der Druckbereich, dem das Ventil bei normalem Betrieb ausgesetzt ist.
• Prüfdruck, also der Druck, dem das Ventil standhalten sollte, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt, wenn das System zum Betriebsdruck zurückkehrt.
• Berstdruck, also der Druck, dem das Ventil standhalten sollte, ohne zu bersten oder zu platzen (auch wenn es nach Erreichen des Berstdrucks beschädigt werden kann und anschließend repariert oder ausgetauscht werden muss).

Neben der Bestimmung der relevanten Druckstufen sollte ein Systementwickler auch typische Betriebsbedingungen und potenzielle vorübergehende Druckereignisse ermitteln, denen das Magnetventil ausgesetzt sein kann. Transiente Druckereignisse werden im Allgemeinen durch dynamische Schwankungen aufgrund von Unterbrechungen in Drucksystemen verursacht. Diese Ereignisse können zu extremen Druckwerten und Druckanstiegsgeschwindigkeiten führen, die schädlicher sind als typische Systemdruckanstiege.

Durchflussrate

Im geöffneten Zustand sollte der Durchflussweg eines Magnetventils das System nicht behindern, indem der Durchfluss übermäßig eingeschränkt oder ein zu großer Differenzdruck erzeugt wird, sodass die Leistung des nachgeschalteten Systems beeinträchtigt wird. Wenn die Funktion eines Magnetventils beispielsweise darin besteht, einen Hohlraum mit Flüssigkeit zu füllen, wenn es geöffnet ist, sollte das Magnetventil so bemessen sein, dass es das erforderliche Volumen innerhalb der erforderlichen Zeitspanne durchfließen kann.

Auch die Durchflussmenge kann für die Funktion des Magnetventils wichtig sein. Einige Magnetventilkonfigurationen erfordern eine Mindestdurchflussmenge, um richtig zu öffnen und Instabilität zu vermeiden.

Leckage

Die Leckage eines Ventils lässt sich in drei verschiedene Kategorien unterteilen:

• Leckagen aus dem Fluidstrom um die Außenseite des Ventilgehäuses, die Gewinde oder O-Ring-Dichtungen umfassen können.
• Leckage durch Flüssigkeit, die an internen, geschlossenen Ventildichtungen vorbeifließt.
• Leckage durch Flüssigkeit, die aus dem Inneren des Ventils durch einen Durchgang herausfließt, der nicht als Durchflussweg vorgesehen ist.

Die zulässige Leckage kann durch eine Reihe von Variablen beeinflusst werden – zum Beispiel ob das System offen oder geschlossen ist, das Flüssigkeitsvolumen des Systems, den gewünschten Wirkungsgrad des Systems und die negativen Auswirkungen von rückfließender Flüssigkeit.

Ein typisches Problem, das neben Leistungsverlust durch Leckage verursacht werden kann, ist das Auftreten unzulässiger Fluidmixturen. Bei Systemen, deren Aufgabe das präzise Mischen von Fluiden ist, kann es durch Leckage zu einer ungeeigneten Flüssigkeitszusammensetzung kommen und somit das Gerät oder System unbrauchbar machen.

Neben den fluidtechnischen Aspekten sind bei Magnetventilen natürlich auch die elektronischen Leistungsdaten korrekt auszulegen. Hierzu kommt es auf die folgenden Punkte an:

Spannung

• Nennspannung: Die Nennspannung ist die maximale Spannung, der die Spule ausgesetzt werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Sie sollte aus Sicherheitsgründen höher gewählt werden als die Maximalspannung des Gesamtsystems.
• Anzugsspannung: Die Anzugs- oder Betätigungsspannung ist die Spannung, bei der die Spulen schalten, also das Ventil aus der Ruheposition in die erregte Position umschaltet. Sie wird in der Regel als Mindestspannung angegeben, um den korrekten Betrieb des Ventils zu gewährleisten.
• Die Haltespannung ist die Mindestspannung, die erforderlich ist, damit ein Magnetventil in der erregten Stellung bleibt. Eine Haltespannung wird häufig verwendet, um den Stromverbrauch zu minimieren oder die Hitzeentwicklung einzuschränken. Die Größe der von einer Magnetspule auf den Anker ausgeübten Kraft ist dabei proportional zum elektrischen Strom, der durch die Spule fließt, der Anzahl der Windungen in der Spule und dem Abstand zwischen Anker und Pol.
• Abschaltspannung: Die Abschalt- oder Rückfallspannung ist der Spannungswert, bei dem das Ventil in die stromlose Stellung zurückkehrt, nachdem es sich in der voll erregten Stellung befunden hat. Sie wird in der Regel als Höchstspannung angegeben; bei einem Wert unterhalb dieser Spannung kann das Ventil in den stromlosen Zustand zurückkehren.

Ansprech- und Reaktionszeiten

• Die Ansprechzeit eines Magnetventils ist definiert als die Zeit, die zwischen dem elektrischen Eingang und dem Auslösen des Ventils vergeht.
• Die Anzugsreaktionszeit ist die Zeit, die zwischen dem Anlegen der Anzugsspannung und dem Zeitpunkt vergeht, an dem das Ventil in die erregte Stellung übergeht.
• Die Abfallreaktionszeit ist die Zeit, die zwischen dem Wegnehmen der Spannung und dem Übergang des Ventils in die stromlose Position vergeht.

Bei bestimmten Anwendungen kann eine schnellere Reaktionszeit für die Performance des Ventils entscheidend sein. So kann ein Magnetventil mit einer schnelleren Reaktionszeit kleinere und genauere Flüssigkeitsmengen gleichmäßig abgeben. Eine langsame Ansprechzeit hingegen kann die Verwendung der Pulsweitenmodulation zur proportionalen Steuerung des Durchflusses durch ein Magnetventil einschränken.

Stromverbrauch

Beim Anlegen einer Spannung an ein Ma­gnetventil wird Strom verbraucht, und die Menge an Strom, die ein System aufnehmen kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab. In vielen Fällen führt eine Reduzierung des Stromverbrauchs zu erheblichen Betriebskosteneinsparungen. Gleichzeitig kann ein geringerer Stromverbrauch Auswirkungen auf Komfort und Usability des Gesamtsystems haben, beispielsweise bei batteriebetriebenen Geräten. Sie lassen sich in der Folge länger ohne Pause betreiben.

Fazit

Jürgen Prochno schließt: „Die korrekte Wahl eines Magnetventils ist ein komplexes Puzzle, das gelöst werden will, auch wenn die Einzelfaktoren vielleicht trivial wirken. Neben den hier genannten Punkten kommt es auf viele weitere Aspekte an, etwa die zu verwendenden Materialen, das Gehäuse, Anforderungen an Hygiene oder minimale Betriebsdauer. Bei der Suche nach der perfekten Lösung für eine individuelle Anwendung unterstützen wir unsere Kunden gerne mit unserem Team aus erfahrenen Vertriebsingenieuren.“