Elektromagnete in der industriellen Automatisierung setzen ein elektrisches Signal der SPS in eine unmittelbare mechanische Aktion um: ein Teil ausschleusen, eine Schutztür zuhalten oder ein Metallbauteil festhalten. Diese elektromagnetischen Komponenten verbinden die digitale Steuerung der Maschine mit der physischen Bewegung und werden über einen einfachen Digitalausgang angesteuert, ohne pneumatischen oder hydraulischen Kreis.
In einer automatisierten Linie wiederholt sich jede dieser Aktionen tausendfach pro Schicht. Deshalb wird ein Elektromagnet nicht allein nach seiner Nennkraft ausgewählt. Entscheidend ist auch, wie er sich bei der tatsächlichen Einschaltdauer, der Maschinentemperatur und den Einbaubedingungen verhält.
Drei Funktionen von Elektromagneten in einer automatisierten Linie
Teile sortieren und ausschleusen
In Sortiersystemen betätigt ein Hubmagnet Weichen, Anschläge und Klappen auf Förderbändern. Die SPS erhält das Signal eines Sensors oder eines Bildverarbeitungssystems und schaltet den Hubmagneten, um ein fehlerhaftes Teil auszuschleusen oder das Produkt an sein Ziel zu leiten.
Hier zählen Ansprechgeschwindigkeit, Wiederholgenauigkeit und eine hohe Schaltspielzahl. Mehr zu dieser Anwendung lesen Sie in unserem Artikel über Elektromagnete für Sortieranlagen.
Schutztüren und trennende Schutzeinrichtungen zuhalten
An CNC-Maschinen, Roboterzellen und Fertigungslinien hält ein elektromagnetischer Verriegelungsmagnet die Schutzeinrichtung geschlossen, solange eine Gefährdung besteht, zum Beispiel solange eine Spindel noch dreht oder ein Roboter in Bewegung ist. Die Steuerung gibt die Zuhaltung erst frei, wenn die Maschine einen sicheren Zustand erreicht hat.
Diese Funktion wird als Zuhaltung bezeichnet und ist in der Norm ISO 14119 geregelt, die Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit trennenden Schutzeinrichtungen behandelt. Wir gehen weiter unten näher darauf ein, weil sie bei der Auslegung die größte Sorgfalt erfordert.
Metallteile halten und positionieren
Elektrohaftmagnete fixieren ferromagnetische Teile beim Handling, bei der Montage oder bei leichter Bearbeitung. Unter Spannung ziehen sie das Teil an, beim Abschalten geben sie es frei, ohne Greifer oder Spannbacken. Sie werden in Roboterarme, Zuführungen, Stapler und Positioniervorrichtungen integriert.
Wie sie in automatisierten Linien eingesetzt werden, erläutern wir in unserem Artikel über Elektrohaftmagnete in der industriellen Automatisierung.
Elektromagnet oder Pneumatikantrieb: wann sich welcher eignet
Elektromagnete ersetzen die Pneumatik nicht in jedem Fall. Jede Technologie hat ihr Einsatzgebiet.
| Kriterium | Hubmagnet | Pneumatikzylinder |
| Energieversorgung | Nur elektrisch | Druckluft + Magnetventil |
| Ansteuerung | Direkt über einen SPS-Ausgang | Über das Magnetventil |
| Hub | Kurz (typischerweise wenige Millimeter) | Mittel oder lang |
| Kraft | Mittel, über den Hub veränderlich | Hoch und gleichmäßiger |
| Wartung | Wenige bewegte Teile, keine Leckagen, keine Druckluftaufbereitung | Prüfung von Dichtungen, Leckagen und Luftqualität |
| Typischer Einsatz | Weichen, Verriegelungen, Anschläge, Freigaben | Lange Schubbewegungen, Pressen, Lastbewegungen |
Der Elektromagnet ist die bessere Wahl für kurze, schnelle Bewegungen, die direkt von der SPS angesteuert werden, besonders an Maschinen ohne Druckluftnetz oder dort, wo der damit verbundene Luftverbrauch entfallen soll. Für lange Hübe oder hohe Kräfte bleibt die Pneumatik besser geeignet.
Zuhaltung mit elektromagnetischen Verriegelungsmagneten
Federkraftzuhaltung oder Magnetkraftzuhaltung
Ein Verriegelungsmagnet für die Zuhaltung kann auf zwei Arten arbeiten:
- Federkraftzuhaltung, Entriegelung durch Spannung. Der Riegel ist im stromlosen Zustand geschlossen und öffnet nur, wenn Spannung anliegt. Fällt die Versorgung aus, bleibt die Schutzeinrichtung zugehalten.
- Magnetkraftzuhaltung, Entriegelung durch Feder. Der Riegel sperrt nur, solange er bestromt ist. Fällt die Versorgung aus, wird die Schutzeinrichtung freigegeben.
Für den Personenschutz gibt die ISO 14119 grundsätzlich der Federkraftzuhaltung den Vorzug, da ein Spannungsausfall keinen Zugang zu einem Bereich freigibt, der noch gefährlich sein kann, etwa eine Welle, die durch ihre Trägheit weiterdreht.
In unserem Programm entspricht diese Logik den Verriegelungsmagneten mit passiver Sicherheit (fail-secure), wie dem CU20/CP oder dem ERC30/CP, die im stromlosen Zustand verriegelt bleiben.
Überwachung der Position
In einer Sicherheitsfunktion muss die Steuerung wissen, ob die Schutzeinrichtung tatsächlich geschlossen und zugehalten ist. Deshalb werden Verriegelungsmagnete mit Meldekontakten eingesetzt, wie unser Modell C30, die ihre Position an die Steuerung melden.
Dabei ist zu beachten, dass der Verriegelungsmagnet ein Bauteil der Sicherheitsfunktion ist, nicht die gesamte Funktion. Die Schaltungsarchitektur und den erforderlichen Performance Level (PL) nach ISO 13849-1 legt der Maschinenhersteller fest und validiert sie.
Auslegungsparameter vor der Wahl eines Elektromagneten
Einschaltdauer und Temperatur
Die Einschaltdauer (ED %) gibt an, welchen Anteil der Zeit die Spule bestromt bleiben kann, ohne ihre Grenztemperatur zu überschreiten. Ein Elektromagnet mit 100 % ED kann dauerhaft bestromt werden. Ein für eine geringere ED ausgelegtes Gerät braucht Pausen, um die Wärme abzuführen.
Ein Elektromagnet mit 100 % ED ist nicht automatisch die bessere Wahl. Er ist meist größer oder liefert bei gleicher Baugröße weniger Kraft. Richtig ist es, vom realen Anwendungsprofil auszugehen: Dauer jedes Impulses, Schalthäufigkeit und Temperatur im Schaltschrank oder in der Maschine.
Kraft am kritischen Punkt des Hubs
Die Kraft eines Hubmagneten steigt, je näher der Anker an das Hubende kommt. Maßgeblich ist die verfügbare Kraft am Punkt des größten Widerstands im Mechanismus, der meist am Beginn der Bewegung liegt.
Als Anhaltspunkt: Die ECM-Serie deckt Hübe von 3 bis 12 mm und Kräfte von 0,02 bis 32 N ab. Für stärker belastete Mechanismen oder intensive Zyklen gibt es die Hochleistungs-Hubmagnete der Serien ERC, ECH und CU.
Umgebung und IP-Schutzart
Die IP-Schutzart (IEC 60529) gibt an, wie gut das Gehäuse gegen das Eindringen von Feststoffen und Flüssigkeiten geschützt ist. IP40, wie bei den Serien ECH und CU, schützt vor festen Fremdkörpern über 1 mm und eignet sich für den Einbau in Maschinen und Schaltschränken.
In Bereichen mit Kühlschmierstoff, Reinigung oder Spritzwasser sollte eine höhere Schutzart in Betracht gezogen oder der Elektromagnet durch die Maschinenverkleidung geschützt werden. Mehr dazu in unserem Artikel über IP-Schutzklassen bei Elektromagneten.
Versorgung und Ansteuerung
Die meisten Automatisierungsanwendungen arbeiten mit Gleichstrom, in der Regel mit der Steuerspannung der Maschine. Am SPS-Ausgang sollte eine Freilaufdiode oder eine Schutzbeschaltung vorgesehen werden, da die Spule beim Abschalten eine Überspannung erzeugt.
Anwendungen in automatisierten Linien und anderen Branchen
Welcher Elektromagnet für welche Funktion
| Funktion | Gerätetyp | NAFSA-Referenzen |
| Weichen und Anschläge in der Sortierung | Hochleistungs-Hubmagnet | ERC-Serie, CU-Serie |
| Kompakte Freigaben und Verriegelungen | Einfachwirkender Hubmagnet | ER-Serie, ECM-Serie |
| Zuhaltung von Schutzeinrichtungen | Fail-secure-Verriegelungsmagnet mit Meldekontakten | CU20/CP, C30 |
| Halten ferromagnetischer Teile | Elektrohaftmagnet | VEM-Serie, VM/ND-Serie |
Das vollständige Programm finden Sie auf unserer Seite Elektromagnete für die industrielle Automatisierung.
Weitere automatisierte Branchen
Dieselben Prinzipien gelten auch außerhalb der klassischen Fertigungslinie. In der Stromverteilung dienen Hubmagnete als Auslöser in Mittelspannungsschaltanlagen. In Medizin- und Laborgeräten betätigen kompakte Elektromagnete Positionier- und Verriegelungsmechanismen in automatischen Analysegeräten.
Wann sich ein kundenspezifischer Elektromagnet lohnt
Eine Sonderentwicklung ist sinnvoll, wenn Einbauraum, verfügbare Spannung, die Kombination aus Kraft und Hub oder die Stückzahl zu keinem Katalogmodell passen.
Bei NAFSA entwickeln und fertigen wir seit 1996 Elektromagnete im Rahmen eines nach ISO 9001:2015 zertifizierten Qualitätsmanagementsystems. In unseren Projekten zur Maßanfertigung gehen wir von den Anforderungen des Maschinenherstellers aus, entwickeln Prototypen und führen Funktionstests vor der Serienfertigung durch.
Vorteile von Elektromagneten in einer automatisierten Linie
Bei den kurzen, sich wiederholenden Bewegungen einer Maschine bietet der Elektromagnet gegenüber anderen Antriebstechnologien konkrete Vorteile:
- Direkte Anbindung an die SPS. Er wird über einen digitalen SPS-Ausgang angesteuert, ohne Magnetventil und ohne pneumatischen oder hydraulischen Kreis.
- Weniger Wartung. Er hat wenige bewegte Teile, und es gibt keine Leckagen, Dichtungen oder Druckluftaufbereitung zu prüfen.
- Schnelle, reproduzierbare Reaktion. Er eignet sich für Weichen, Anschläge und Freigaben, die sich tausendfach pro Schicht wiederholen.
- Kein Druckluftnetz erforderlich. Er ermöglicht die Automatisierung von Maschinen ohne Druckluft und spart den damit verbundenen Verbrauch.
- Definiertes Verhalten bei Spannungsausfall. Ein Verriegelungsmagnet mit Federkraftzuhaltung hält die Schutzeinrichtung auch bei Stromausfall geschlossen.
- Zustandsüberwachung. Verriegelungsmagnete mit Meldekontakten melden der Steuerung ihre tatsächliche Position.
- Halten ohne mechanische Vorrichtung. Elektrohaftmagnete fixieren und lösen ferromagnetische Teile ohne Greifer oder Spannbacken.
In der industriellen Automatisierung ist der Elektromagnet das Bauteil, das physisch ausführt, was die SPS entscheidet. Die meisten Ausfälle, die erst im laufenden Betrieb auftreten, lassen sich vermeiden, wenn vier Dinge richtig gewählt werden: die Funktion (ausschleusen, zuhalten oder halten), die reale Einschaltdauer, die Kraft am kritischen Punkt und die Schutzart.
Häufig gestellte Fragen
Wofür werden Elektromagnete in der industriellen Automatisierung eingesetzt?
Vor allem für drei Funktionen: Teile in Sortiersystemen ausschleusen oder stoppen, Schutzeinrichtungen und Schutztüren von Maschinen zuhalten sowie Metallteile beim Handling oder bei der Montage festhalten.
Ist ein Elektromagnet oder ein Pneumatikzylinder besser?
Das hängt von Hub und Kraft ab. Der Elektromagnet eignet sich besser für kurze, schnelle Bewegungen, die direkt von der SPS angesteuert werden, und benötigt keine Druckluft. Der Pneumatikzylinder ist bei langen Hüben oder hohen Kräften vorzuziehen.
Was bedeutet 100 % ED bei einem Elektromagneten?
Dass die Spule dauerhaft bestromt werden kann, ohne ihre Grenztemperatur zu überschreiten. Ein Elektromagnet mit geringerer Einschaltdauer braucht stromlose Pausen, um die Wärme abzuführen.
Welcher Verriegelungsmagnet empfiehlt sich für die Zuhaltung einer Schutzeinrichtung?
Für den Personenschutz wird in der Regel ein Riegel bevorzugt, der per Federkraft verriegelt und unter Spannung entriegelt, sodass die Schutzeinrichtung bei Spannungsausfall geschlossen bleibt. Die maßgebliche Norm ist ISO 14119.
Welche IP-Schutzart braucht ein Elektromagnet in einer Maschine?
Für den Einbau in Maschinen und Schaltschränken reicht in der Regel IP40. In Bereichen mit Kühlschmierstoffen, Reinigung oder Spritzwasser sollte eine höhere Schutzart in Betracht gezogen oder der Elektromagnet durch die Maschinenverkleidung geschützt werden.
Können Elektromagnete kundenspezifisch für eine bestimmte Maschine gefertigt werden?
Ja. Wenn Bauform, Kraft, Hub oder Spannung zu keinem Standardmodell passen, entwickeln wir den Elektromagneten auf Basis der Spezifikationen des Herstellers, mit Prototyp und Tests vor der Serienfertigung.