Mess- & Prüfsysteme
MagHyst® für weichmagnetische Werkstoffe

Bei der Entwicklung und Simulation elektromagnetischer Systeme – wie Magnetventile, Injektoren, Bremsen oder Relais, ist die Auswahl des geeigneten weichmagnetischen Werkstoffs ein entscheidender Schritt. Dieser bestimmt maßgeblich die Performance des Magnetkreises und damit das Gesamtverhalten des Systems.

Die magnetisch leitenden Komponenten wie Magnetkern, Anker, Joch, Spulenkörper und weitere strukturelle Elemente werden je nach konstruktiver Auslegung aus unterschiedlichsten Werkstoffen gefertigt.

Dabei reicht das Spektrum von einfachen Stählen und Gusseisen bis hin zu hochspezialisierten weichmagnetischen Materialien mit exakt definierten magnetischen Eigenschaften.

Bedeutung der Materialkennlinie für die FEM-Simulation

Für die Finite-Elemente-Simulation (FEM) elektromagnetischer Systeme ist die magnetische Materialkennlinie B(H) eine zentrale Eingangsgröße. Sie ist ebenso entscheidend wie die geometrische Auslegung des Systems.

Während Geometrie und Konstruktion in der Regel als definierte Konstanten mit engen Toleranzen betrachtet werden können, weisen magnetische Materialeigenschaften oft deutlich größere Streuungen auf. Diese können je nach Materialcharge, Hersteller oder sogar innerhalb einer einzelnen Lieferung erheblich variieren.

Bei vielen unlegierten oder standardisierten Stählen werden magnetische Eigenschaften zudem nicht garantiert, wodurch Abweichungen im zweistelligen Prozentbereich auftreten können. Genau diese Streuungen führen in der Praxis häufig zu signifikanten Unterschieden zwischen Simulation und realem Bauteilverhalten.

Je stärker ein elektromagnetisches System optimiert ist und je enger die zulässigen Toleranzen definiert sind, desto kritischer wird die exakte Kenntnis der realen magnetischen Materialeigenschaften.

MagHyst® zur Bestimmung von B(H)-Kennlinien

Die MagHyst® messsysteme ermöglichen die präzise Bestimmung magnetischer B(H)-Kennlinien weichmagnetischer Werkstoffe und Bauteile.
Hierzu werden aus dem Ausgangsmaterial standardisierte Proben gefertigt, die je nach Materialform unterschiedlich ausgeführt werden können:

• massive Werkstoffe (z. B. Stabmaterial)
• Blech- oder Bandmaterial
• Pulver- oder Verbundwerkstoffe (je nach Anwendung)

Probengeometrien und Messaufbau

Für die magnetische Charakterisierung haben sich folgende Probenformen als besonders geeignet erwiesen:

• Ringproben (Ringkerngeometrie)
• Stabproben
• Streifenproben

Aus massivem Ausgangsmaterial werden typischerweise Ring- oder Stabproben gefertigt. Aus Blech- oder Bandmaterial werden Streifenproben geschnitten oder mehrere Einzelschichten zu einem Ringkern gestapelt, um ein definiertes Querschnittsverhalten zu erreichen.

Messprinzip

Bei Ringproben werden zwei gleichmäßig verteilte Wicklungen aufgebracht:

• Erregerwicklung zur Magnetisierung des Prüfkörpers
• Messwicklung zur Erfassung der magnetischen Flussänderung

Für Stab- und Streifenproben kommen entsprechende Messadapter zum Einsatz, insbesondere:

• Stabadapter
• Streifenadapter

Diese ermöglichen eine reproduzierbare und normgerechte Charakterisierung auch bei nicht-ringförmigen Probengeometrien.

Messergebnisse und Materialparameter

Als Ergebnis der Messung wird die vollständige magnetische Hysteresekurve B(H) ermittelt. Daraus lassen sich alle wesentlichen Materialparameter ableiten, unter anderem:

• Koerzitivfeldstärke Hc
• Remanenzflussdichte Br
• maximale Permeabilität μmax
• Sättigungsverhalten
• Hystereseverluste

Die vollständige Hystereseschleife kann innerhalb weniger Sekunden gemessen werden und dient sowohl der schnellen Qualitätsbewertung als auch der materialtechnischen Charakterisierung.

Bestimmung der Erstmagnetisierungskurve

Für FEM-Simulationen ist insbesondere die Erstmagnetisierungskurve von zentraler Bedeutung.
Zur Bestimmung dieser Kennlinie wird der Probenkörper zunächst definiert entmagnetisiert. Anschließend wird die vollständige Hystereseschleife inklusive der Erstmagnetisierung aufgezeichnet.
Diese Datenbasis ermöglicht eine realitätsnahe Abbildung des Materialverhaltens in numerischen Simulationsmodellen.

Integration in FEM-Workflows

Die ermittelten Kennlinien können direkt exportiert und in gängige FEM-Simulationsumgebungen übernommen werden. Dadurch wird eine konsistente Verbindung zwischen realem Materialverhalten und virtueller Auslegung geschaffen.
Dies reduziert Abweichungen zwischen Simulation und Serienprodukt erheblich und erhöht die Vorhersagegenauigkeit elektromagnetischer Systeme bereits in frühen Entwicklungsphasen.

Bedeutung für die industrielle Praxis

Mit steigenden Anforderungen an Effizienz, Miniaturisierung und Funktionsdichte elektromagnetischer Systeme gewinnt die präzise Kenntnis magnetischer Materialeigenschaften zunehmend an Bedeutung.
MagHyst® ermöglicht dabei nicht nur die Messung standardisierter Materialkennwerte, sondern auch die direkte Absicherung realer Fertigungsstreuungen. Dadurch entsteht eine verlässliche Grundlage für:

• robuste FEM-Auslegung
• reduzierte Entwicklungszyklen
• geringere Bauteilstreuung
• verbesserte Serienstabilität
• reproduzierbare Produktqualität

Die magnetische Werkstoffcharakterisierung wird damit zu einem integralen Bestandteil moderner elektromagnetischer Produktentwicklung.