Luftspalt

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Was ist ein Luftspalt?

In der Magnetfeldtechnik hat ein "Luftspalt" eine besondere Bedeutung. Er bezeichnet einen (luftgefüllten) Spalt im ferromagnetischen Kern von Elektromagneten. Der Spalt bewirkt, wenn er genau berechnet wurde, dass der Elektromagnet mit sehr unterschiedlichen Strömen betrieben werden kann und magnetische Energie besser speichern kann als ein Magnet ohne Luftspalt. Der Luftspalt verhindert auch eine vorzeitige magnetische Sättigung, bei der das Magnetfeld bei großen Strömen nicht weiter ansteigt und Energie als Wärme verloren geht.

Inhaltsverzeichnis

Allgemein bezeichnet man als Luftspalt einfach einen Spalt, der mit Luft gefüllt ist. In der Technik handelt es sich dabei meist um den Abstand zwischen gegenüberliegenden Flächen in Bauteilen.

In der Technik der Elektromagnete ist ein Luftspalt nicht nur ein Spalt, der zufällig durch die Bauweise zustande kommt, sondern hier hat ein Luftspalt bedeutende Funktionen.

Was bewirkt ein Luftspalt?

In den Eisenkernen von Transformatoren befindet sich ein Luftspalt, um im Normalbetrieb eine magnetische Sättigung des Eisenkerns zu verhindern. Außerdem ist das Magnetfeld im Luftspalt wesentlich größer als im Eisenmaterial, wodurch im Luftspalt magnetische Energie gespeichert wird. Der Transformator wirkt dann als kurzzeitiger Energiespeicher, was für bestimmte Anwendungen vorteilhaft ist.

Ein Transformator besteht aus zwei gegenüberstehenden Elektromagneten. Das Magnetfeld des einen Elektromagneten induziert eine Spannung in der Spule des zweiten Elektromagneten. Die Größe dieser Spannung hängt vom Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen ab. Somit wird durch den Transformator die Größe von Spannungen und Strömen verändert. Ein ferromagnetischer Kern (meist Eisen) in den Elektromagneten unterstützt diesen Prozess.

Falls ein Transformator in einem weiten Leistungsbereich verwendet werden soll, also sowohl bei niedrigen, als auch bei höheren Leistungen arbeiten soll, und falls sich dabei die Eigenschaften des Transformators möglichst wenig ändern sollen, so werden in den Elektromagneten des Transformators Eisenkerne mit Luftspalt eingebaut.

Abbildung Luftspalt im Eisenkern eines Elektromagneten

Ein Luftspalt im Eisenkern eines Elektromagneten erfüllt einen technisch bedeutsamen Zweck. Durch den Luftspalt wird die magnetische Sättigung reduziert. Außerdem wird im Luftspalt magnetische Energie gespeichert.

Luft hat eine wesentlich kleinere magnetische Permeabilität als Eisen. Der Luftspalt reduziert also die magnetische Flussdichte im unterbrochenen Eisenkern im Vergleich zu einem Eisenkern ohne Luftspalt. Das Magnetfeld ist im Luftspalt dagegen sehr hoch.

Dadurch arbeitet der Transformator zwar bei niedrigen Leistungen etwas weniger effizient, aber dafür kommt es nicht so schnell zur magnetischen Sättigung des Eisenkerns bei höheren Leistungen. Die insgesamt niedrigere magnetische Flussdichte in einem Elektromagneten mit Luftspalt ist über einen weiteren Bereich proportional zum Magnetfeld als ohne Luftspalt.

Viele ferromagnetische Materialien haben eine Sättigungsmagnetisierung von 1–2 Tesla. Dies ist nicht viel. In vielen technischen Anwendungen entstehen bedeutend höhere magnetische Flussdichten.

Der physikalische Grund für die magnetische Sättigung liegt darin begründet, dass die atomaren Spins des ferromagnetischen Materials (Eisenkern) bei einem bestimmten äußeren Magnetfeld vollständig ausgerichtet sind. Trotz einer Erhöhung des Stroms wächst dann die magnetische Flussdichte nicht mehr an.

Die Elektronenspins in allen Weißschen Bezirken des Ferromagneten sind parallel ausgerichtet.

In einem Transformator steigt dann der Strom im sogenannten Primärkreis des Transformators, also in der Spule, deren Spannung umgewandelt werden soll, steil an. Damit sinkt die Leistung des Transformators und viel Energie geht durch ein Erwärmen des Transformators verloren. Die geeignete Wahl der Dicke des Luftspaltes hilft, den Transformator für den passenden Leistungsbereich "zuzuschneiden".

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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