Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Zielstellung
Die Idee, als elektro-mechanischen Wandler einen Elektromagneten einzusetzen, ist sicher nahe liegend. Allerdings sind die Anforderungen an die Arbeitsgeschwindigkeit recht hoch! Deshalb ist es fraglich, ob ein E-Magnet überhaupt in der Lage ist, einen Prägezyklus innerhalb von 3,6 ms auszuführen:
- Die Querschnittsfläche des Ankers im Luftspalt ist zusammen mit der magnetischen Sättigung des Eisens bei hoher Flussdichte verantwortlich für die maximal mögliche Magnetkraft. Bei Vernachlässigung von Streuflüssen gilt näherungsweise:
- Normales Weicheisen erreicht den Sättigungsbereich für die magnetische Flussdichte ungefähr bei Bmax=1,2 T. Viel höher sollte man den Magnetkreis nicht aussteuern!
- Man kann zwar durch Vergrößern des Ankerdurchmessers d "beliebig" große Kräfte (F~d²) erzeugen, aber gleichzeitig erhöht sich auch die zu beschleunigende Ankermasse (m~d³), wenn man von einer Konstanz der Ankerproportionen ausgeht (Länge~d).
- Durch Miniaturisierung wird der Anker eines E-Magnet zwar schneller beschleunigt, allerdings reduzieren sich damit auch die möglichen statischen Kräfte an der Wirkstelle. Um das Papier zu prägen, ist jedoch eine Mindestkraft (bzw. minimale Umform-Energie) erforderlich.
- Wahrscheinlich existiert für eine vorgegebene Wirkstelle jeweils eine Grenze für die minimal mögliche Zykluszeit, die prinzipiell mit einem E-Magneten nicht unterschritten werden kann!
Um eine Entscheidung zu treffen, ob ein E-Magnet überhaupt als Aktor für den zu konstruierenden Antrieb geeignet ist, sollte ermittelt werden, wie schnell ein E-Magnet unter diesen Bedingungen prinzipbedingt arbeiten kann. Dafür kann man die numerische Optimierung nutzen, wenn man zuvor geeignete numerische Modelle des Antriebs entwickelt.
Hinweis:
Man kann die Geometrie des E-Magneten nicht unabhängig von den anderen Komponenten des Antriebs optimieren. Jede Veränderung am E-Magneten erfordert zumindest eine Anpassung der Rückholfeder und der Einschaltzeit des Magneten!
