Magnetstärke messen: Gaußmeter oder Abreißkraftprüfung

Was bedeutet “Magnetstärke”?

Bevor Sie ein Messgerät zur Prüfung der Magnetstärke auswählen, legen Sie fest, welches Messergebnis für die Anwendung maßgeblich ist.

Ein höherer Wert in einer Kategorie bedeutet nicht automatisch ein besseres Ergebnis in einer anderen.

Ein hoher Messwert der Oberflächenflussdichte in Gauss garantiert beispielsweise keine bestimmte Abreißkraft. Ebenso belegt eine hohe, auf dem Prüfstand gemessene Abreißkraft nicht, dass ein Magnet über einen Luftspalt hinweg das erforderliche Magnetfeld am Sensor erzeugt.

Welche Prüfung der Magnetstärke sollten Sie verwenden?

Gehen Sie von der technischen Fragestellung aus, nicht vom Messgerät.

Wenn die tatsächliche Anforderung die magnetische Wirkung in einem bestimmten Arbeitsabstand betrifft, reicht eine reine Oberflächenmessung in der Regel nicht aus. Der Messpunkt sollte der für das Produkt relevanten Position entsprechen.

Wie messen Sie einen Magneten mit einem Gaussmeter?

Ein Gaußmeter misst mithilfe einer Hallsonde die magnetische Flussdichte an der aktiven Fläche der Sonde. Die Ergebnisse werden üblicherweise in Gauß oder Tesla angegeben.

Die Umrechnung nach NIST lautet:

1 Gauß = 0,0001 Tesla und 10 000 Gauß = 1 Tesla.

Quelle: NIST-Leitfaden zu SI-Umrechnungsfaktoren

Warum ist die Position der Sonde wichtig?

Das Magnetfeld um einen Permanentmagneten ist nicht homogen. Der Messwert kann sich ändern, wenn die Sonde von der Oberfläche wegbewegt, zu einer Kante hin verschoben, geneigt oder auf eine andere Feldkomponente ausgerichtet wird.

Der Hall-Sensor befindet sich zudem im Inneren des Sondengehäuses. Die äußere Oberfläche der Sonde entspricht daher nicht immer exakt der Messebene.

In der Gaußmeter-Dokumentation von Lake Shore werden die Ausrichtung der Sonde, die Temperatur, der Nullabgleich, die Gerätegenauigkeit und eine reproduzierbare Positionierung als wichtige Messgrößen genannt. Außerdem wird erläutert, dass das maximale Messsignal auftritt, wenn der Feldvektor relativ zum Hall-Sensor korrekt ausgerichtet ist.

Quelle: Bedienungsanleitung für das Gaußmeter Lake Shore Model 475

Ablauf einer kontrollierten Gaussmessung

Dies ist ein allgemeiner Ablauf für Vergleichsmessungen. Das Verfahren des Geräteherstellers und der Prüfplan des Projekts haben Vorrang.

1. Feldkomponente und Messort festlegen.
2. Bestätigen Sie den korrekten Sondentyp und die Messrichtung.
3. Lassen Sie Messgerät und Sonde gemäß den Vorgaben des Herstellers stabilisieren.
4. Stellen Sie die Sonde mit der angegebenen Methode auf null.
5. Positionieren Sie den Magneten in einer reproduzierbaren Ausrichtung.
6. Verwenden Sie eine Vorrichtung, wenn bereits kleine Positionsänderungen das Ergebnis beeinflussen könnten.
7. Positionieren Sie die Sonde an der definierten Koordinate und mit dem festgelegten Abstand.
8. Zeichnen Sie den Messwert auf, ohne den Sondenwinkel zu verändern.
9. Wiederholen Sie die Messung gemäß Prüfplan.
10. Geben Sie Einzelmesswerte, Messbereiche, Mittelwerte oder Ergebnisse mit „bestanden/nicht bestanden“ entsprechend den Anforderungen an.

Bewegen Sie die Sonde nicht einfach umher, bis der höchste Wert angezeigt wird, es sei denn, der angegebene Zweck besteht ausdrücklich darin, das maximale Feld zu lokalisieren.

Welche Angaben sollte ein Gaussmessprotokoll enthalten?

Dokumentieren Sie mindestens:

• Magnetzeichnung oder Teilekennzeichnung.
• Magnetisierungsrichtung.
• Gemessener Pol.
• Sondentyp und Messrichtung.
• Messkoordinate.
• Abstand zwischen Sonde und Bauteil.
• Ausrichtung von Bauteil und Sonde.
• Messbereich und Einheit des Messgeräts.
• Nullabgleichverfahren.
• Prüftemperatur, sofern relevant.
• Anzahl der Messungen.
• Einzelmesswerte und Akzeptanzbereich.

Ohne diese Angaben können zwei Lieferanten selbst bei der Prüfung ähnlicher Magnete unterschiedliche Gaußwerte angeben.

Wie führen Sie eine Abreißkraftprüfung durch?

Bei einer Abreißkraftprüfung wird die Kraft gemessen, die erforderlich ist, um einen Magneten oder eine Magnetbaugruppe von einer Gegenfläche zu trennen.

Das Ergebnis ist nur aussagekräftig, wenn die Prüfbedingungen definiert sind. Stahlwerkstoff, Stahlstärke, Oberflächenbeschaffenheit, Kontaktfläche, Ausrichtung der Prüfvorrichtung, Luftspalt, Belastungsrichtung und Prüfgeschwindigkeit können das Ergebnis beeinflussen.

Im Rahmen des ASTM-Arbeitspunkts WK70439 wird ein Methodenentwurf für Abreißkraftprüfungen an Permanentmagnetbaugruppen erarbeitet. Dabei handelt es sich weiterhin um einen vorgeschlagenen Arbeitspunkt und nicht um eine veröffentlichte ASTM-Norm. ASTM weist darauf hin, dass proprietäre Prüfverfahren zu stark voneinander abweichenden Werten führen können.

Quelle: ASTM-Messung der Abreißkraft von Magneten

Ablauf eines kontrollierten Abreißkraftvergleichs

Der folgende Ablauf ermöglicht reproduzierbare Vergleiche. Er stellt kein allgemeingültiges Standardverfahren dar.

1. Legen Sie fest, ob die Prüfung an einem unverbauten Magneten oder an einer vollständigen Baugruppe durchgeführt wird.
2. Definieren Sie Werkstoff, Stärke, Abmessungen und Oberflächenzustand der Gegenplatte.
3. Reinigen und prüfen Sie die Kontaktflächen.
4. Kontrollieren Sie sämtliche Beschichtungen, Abstandshalter, Klebstoffschichten oder absichtlich vorgesehenen Luftspalte.
5. Richten Sie Magnet und Kraftmessgerät entsprechend der festgelegten Abzugsrichtung aus.
6. Bringen Sie die Last über eine kontrollierte Prüfvorrichtung auf.
7. Trennen Sie den Magneten mit der vereinbarten Prüfbewegung.
8. Erfassen Sie die Maximalkraft gemäß der vereinbarten Auswertungsmethode.
9. Wiederholen Sie die Prüfung nach Bedarf.
10. Geben Sie die Prüfvorrichtung und die Prüfbedingungen zusammen mit dem Ergebnis an.

Eine Angabe wie “50 kg Abreißkraft” allein ist unvollständig. Es sollte angegeben werden, ob der Wert Kilogramm-Kraft bezeichnet, wie die Baugruppe geprüft wurde und welche Gegenfläche verwendet wurde.

Die Kraft sollte vorzugsweise in Newton angegeben werden. Wird zusätzlich Kilogramm-Kraft verwendet, sollte die Einheit eindeutig ausgeschrieben und nicht zu Kilogramm verkürzt werden, da Kilogramm eine Masseneinheit ist.

Ist die Abreißkraft dasselbe wie die Scherkraft?

Nein. Bei einem normalen Abreißversuch wird der Magnet senkrecht von der Gegenfläche getrennt. Eine Scher- oder Gleitbelastung wirkt parallel zur Oberfläche.

Der Gleitwiderstand wird durch Reibung, Oberflächenstruktur, Gummibeschichtungen, mechanische Anschläge, Vibrationen und die Belastungsrichtung beeinflusst. Das Ergebnis einer normalen Abreißkraftmessung darf ohne anwendungsspezifische Bewertung nicht als Kennwert für die Scherbelastung verwendet werden.

Ist die Nenn-Abreißkraft dasselbe wie die zulässige Arbeitslast?

Nein. Eine auf dem Prüfstand ermittelte Abreißkraft darf nicht automatisch als sichere Arbeitslast des Endprodukts angesetzt werden.

In realen Anwendungen können folgende Einflüsse auftreten:

• Luftspalte.
• Dünne Gegenmaterialien oder Gegenmaterialien mit geringer Permeabilität.
• Gekrümmte oder unebene Oberflächen.
• Scherbelastung.
• Stöße oder Vibrationen.
• Temperaturänderungen.
• Fehlausrichtung.
• Versagen der Klebeverbindung oder des Gehäuses.
• Absplittern oder Bruch des Magneten.

Der verantwortliche Produktingenieur muss die erforderliche Auslegungsreserve für die tatsächliche Anwendung festlegen. Dieser Artikel gibt keinen allgemeingültigen Sicherheitsfaktor vor.

Sicherheit bei Abreißprüfungen

Starke Magnete können sich plötzlich bewegen, Finger einklemmen oder beim Aufprall auf eine Vorrichtung oder Gegenplatte absplittern.

Verwenden Sie einen abgesicherten Prüfaufbau, halten Sie die Hände aus dem Anziehungsbereich fern und beachten Sie die Gefährdungsbeurteilung am Arbeitsplatz sowie die Anforderungen an die persönliche Schutzausrüstung. Dieser Artikel stellt keine vollständige Sicherheitsanweisung für Laborarbeiten dar.

Für den jeweiligen NdFeB-Magnetwerkstoff und die entsprechenden Handhabungsbedingungen ist außerdem das Sicherheitsdatenblatt zu beachten.

Lässt sich mit einem Gaußmeter die Magnetgüte bestätigen?

Ein Messwert der Oberflächenflussdichte in Gauss allein kann nicht bestätigen, dass ein fertiger Magnet der Güte N42, N52 oder einer anderen Magnetgüte entspricht.

Eine Magnetgüte bezieht sich auf kontrollierte Werkstoffeigenschaften, die aus einer Magnetisierungs- oder Entmagnetisierungskurve ermittelt werden. Zu den wichtigen Eigenschaften können gehören:

• Br: Verbleibende magnetische Flussdichte nach Entfernen des Magnetisierungsfelds.
• HcB: Koerzitivfeldstärke bezogen auf die magnetische Flussdichte.
• HcJ: Intrinsische Koerzitivfeldstärke bezogen auf die magnetische Polarisation.
• BHmax: Aus der Entmagnetisierungskurve abgeleitetes maximales Energieprodukt.

IEC 60404-5:2015 legt Messverfahren für die magnetische Flussdichte, die magnetische Polarisation, die magnetische Feldstärke, Entmagnetisierungskurven und Rücklaufkurven von Dauermagnetwerkstoffen fest.

Quelle: IEC 60404-5:2015

ASTM A977/A977M behandelt die Messung hochkoerzitiver Permanentmagnetwerkstoffe mit Hysteresigraphen. Die Norm gilt für die Messung von Werkstoffeigenschaften, nicht für eine einfache Oberflächenfeldprüfung an Fertigteilen.

Quelle: Normen des ASTM-Ausschusses A06.01

Der Gauß-Messwert eines fertigen Magneten wird außerdem durch folgende Faktoren beeinflusst:

• Abmessungen des Magneten.
• Form und Verhältnis von Länge zu Durchmesser.
• Magnetisierungszustand.
• Magnetisierungsrichtung.
• Sondenposition.
• Randeffekte.
• Stahl oder magnetische Komponenten in der Nähe.
• Luftspalt.

Oberflächenfeldmessungen können zum Vergleich von Fertigteilen unter identischen kontrollierten Bedingungen nützlich sein. Sie sollten jedoch weder die einschlägige Dokumentation zur Magnetwerkstoffgüte noch kontrollierte Werkstoffkennwertprüfungen ersetzen.

Leser, die eine konkrete Anforderung an eine hohe Magnetgüte bewerten, können auch die von Osenc bestätigte Seite zu N52-Neodym-Magneten, heranziehen. Dabei ist zu beachten, dass die endgültige Auswahl der Magnetgüte weiterhin von der Anwendung abhängt.

Lässt sich ein Gaußwert direkt in eine Abreißkraft umrechnen?

Es gibt keine allgemeingültige Formel, mit der sich ein einzelner Gauß-Messwert direkt in eine Abreißkraft umrechnen lässt.

In einem vollständig definierten Magnetsystem können beide Größen miteinander in Beziehung gesetzt werden. Für eine belastbare Kraftprognose werden jedoch auch Angaben zu folgenden Faktoren benötigt:

• Abmessungen und Form des Magneten.
• Magnetgüte und Magnetisierungszustand.
• Polfläche und Polanordnung.
• Gegenwerkstoff.
• Stahldicke.
• Arbeitsluftspalt.
• Beschichtungen oder Abstandshalter.
• Kontaktgeometrie.
• Abreißrichtung.
• Magnetische Komponenten in der Nähe.

Beispielsweise können zwei Magnete an einer bestimmten Sondenposition ähnliche Feldmesswerte aufweisen, aber unterschiedliche Abreißkräfte erzeugen, weil sich ihre Polflächen, Dicken oder Magnetkreise unterscheiden.

Auch der umgekehrte Fall ist möglich. Zwei Baugruppen können bei direktem Kontakt ähnliche Abreißkräfte erzeugen, an einem mehrere Millimeter entfernten Sensor jedoch sehr unterschiedliche Feldstärken aufweisen.

Verwenden Sie Gaußmessungen, wenn das Magnetfeld an einer bestimmten Position relevant ist. Verwenden Sie Abreißkraftprüfungen, wenn die unter kontrollierten Bedingungen ermittelte Trennkraft maßgeblich ist.

Soll der Magnet einzeln oder in der finalen Baugruppe geprüft werden?

Prüfen Sie das Objekt, das die technische Anforderung am besten abbildet.

Stahl in der Nähe kann den magnetischen Fluss umlenken. Ein Gehäuse kann den Arbeitsluftspalt verändern. Auch Klebstoffdicke, Beschichtung und Montagetoleranz können den Abstand zwischen dem Magneten und der Gegenkomponente verändern.

Bei einem Sensor oder Encoder ist das Magnetfeld an der Einbauposition des Sensors zu messen. Ein Magnethalter ist mit dem vorgesehenen Gegenmaterial und unter den vorgesehenen Oberflächenbedingungen zu prüfen. Bei einer Kupplung oder einem Rotor sollten nach Möglichkeit der tatsächliche Arbeitsluftspalt und die realen Ausrichtungsbedingungen verwendet werden.

Mithilfe einer Magnetsimulation lassen sich Magnetfeld, Kraft, Drehmoment oder das Verhalten der Polanordnung vor der Musterfertigung abschätzen. Eine Simulation ist jedoch eine konstruktive Prognose und kein Messergebnis.

Ein praxisgerechter Entwicklungsablauf umfasst folgende Schritte:

1. Betriebsbedingungen festlegen.
2. Leistung bei Bedarf modellieren oder abschätzen.
3. Ein repräsentatives Muster erstellen.
4. Magnet oder Magnetbaugruppe unter kontrollierten Bedingungen validieren.

Osenc unterstützt die Abstimmung zu kundenspezifischen Magneten und Magnetbaugruppen auf Grundlage von technischen Zeichnungen, Mustern, Skizzen und Anwendungsanforderungen. Je nach Projektanforderungen und vorbehaltlich einer fertigungstechnischen Prüfung kann die verfügbare Projektunterstützung die Bewertung des Magnetfelds, Simulationen, die Prüfung der Baugruppe und Tests umfassen.

Wie lassen sich Magnetprüfberichte verschiedener Lieferanten vergleichen?

Vergleichen Sie keine hervorgehobenen Kennwerte, bevor Sie bestätigt haben, dass beide Lieferanten gleichwertige Prüfbedingungen verwendet haben.

Ein Bericht sollte es einer anderen qualifizierten Person ermöglichen, nachzuvollziehen, was gemessen wurde, und den Vergleich, soweit praktikabel, zu reproduzieren.

Eine Seite zum Qualitätsmanagement eines Unternehmens kann den allgemeinen Prüfansatz des Lieferanten darstellen, ersetzt jedoch keine projektspezifische Prüfmethode oder Abnahmedokumentation. Siehe hierzu die Informationen zum Qualitätsmanagement von Osenc zum derzeit bestätigten allgemeinen Umfang.

Was gehört in eine Angebotsanfrage zur Magnetstärke?

Eine aussagekräftige Angebotsanfrage sollte zunächst die erforderliche Funktion beschreiben, bevor ein Messwert festgelegt wird.

Angaben zum Magneten oder zur Magnetbaugruppe

Folgende Angaben sind erforderlich:

• Technische Zeichnung und Revisionsstand.
• Abmessungen und Toleranzen.
• Magnetwerkstoff oder vorgeschlagene Magnetwerkstoffgüte.
• Magnetisierungsrichtung und Polanordnung.
• Beschichtung.
• Gehäuse, Stahlteile, Klebstoff und weitere Montagekomponenten.
• Vorgesehene Betriebstemperatur.
• Gegebenenfalls relevante Umgebungsbedingungen.

Anwendungsanforderung

Geben Sie an, ob der Magnet Folgendes bereitstellen muss:

• Haftkraft.
• Magnetfeld am Sensor.
• Erfassungsabstand.
• Drehmoment.
• Übertragungsleistung der Kupplung.
• Positionierkraft.
• Abscheideleistung.
• Chargenübergreifende Konsistenz.

Prüfbedingungen

Festlegen:

• Unbeschichteter Magnet oder fertige Baugruppe.
• Messposition.
• Arbeitsluftspalt.
• Ausrichtung der Messsonde.
• Gegenmaterial und dessen Dicke.
• Abreiß- bzw. Belastungsrichtung.
• Anforderungen an die Prüfvorrichtung.
• Prüftemperatur.
• Erforderliche Anzahl der Messungen.

Abnahmekriterien

Angeben:

• Zielwert.
• Mindestwert bzw. zulässiger Bereich.
• Einheit.
• Vorgaben zur Stichprobenprüfung.
• Ob Einzelmesswerte erforderlich sind.
• Ob die Anforderung für Muster, Serienteile oder beides gilt.

Eine klar definierte Angebotsanfrage verringert das Risiko, einen technisch korrekten Prüfbericht zu erhalten, der die eigentliche anwendungsbezogene Fragestellung nicht beantwortet.

Häufig gestellte Fragen

Ist ein Gaußmeter dasselbe wie ein Prüfgerät für die Magnetstärke?

Ein Gaussmeter ist eine Art Messgerät für Magnetstärke; die Bezeichnung “Messgerät für Magnetstärke” ist jedoch nicht eindeutig.

Damit kann ein Gaussmeter, Teslameter, Abreißkraftprüfgerät, Fluxmeter, Hysteresegraf, eine Drehmomentprüfvorrichtung oder ein anwendungsspezifisches Prüfsystem gemeint sein. Klären Sie, welche magnetische Größe das Gerät misst.

Kann ein Smartphone die Magnetstärke messen?

Ein Smartphone kann Veränderungen des umgebenden Magnetfelds anzeigen, wenn es über ein Magnetometer verfügt. Laut Android-Dokumentation geben kompatible Sensoren die Magnetfeldkomponenten auf der X-, Y- und Z-Achse in Mikrotesla aus.

Messbereich, Kalibrierung und Position des Sensors sowie Störeinflüsse des Geräts und die Wiederholbarkeit können jedoch für die Abnahmeprüfung von Magneten ungeeignet sein.

Quelle: Android-SensorEvent-Dokumentation

Verwenden Sie ein Smartphone nur zur groben Orientierung. Betrachten Sie es nicht als kalibriertes Gaussmeter oder als Prüfmittel für die Lieferantenabnahme.

Wie oft sollte die Magnetstärke geprüft werden?

Für jedes Magnetprojekt gibt es keine allgemeingültige Prüfhäufigkeit.

Der Prüfplan sollte Folgendes berücksichtigen:

• Anwendungsrisiko.
• Prozessstabilität.
• Kundenanforderungen.
• Stichprobengröße.
• Prozessänderungen.
• Lieferantenänderungen.
• Die vereinbarte Abnahmemethode.

Für kritische Projekte können andere Prüfmaßnahmen erforderlich sein als für nicht kritische kommerzielle Anwendungen.