MAGNABEND - GRUNNLEGGENDE HENSYN TIL DESIGN
Grunnleggende magnetdesign
Magnabend-maskinen er utformet som en kraftig DC-magnet med begrenset driftssyklus.
Maskinen består av 3 grunnleggende deler:-
Magnetkroppen som utgjør basen til maskinen og inneholder elektromagnetspolen.
Klemmestangen som gir en bane for magnetisk fluks mellom polene på magnetbasen, og dermed klemmer platearbeidsstykket.
Bøyebjelken som er svingt til forkanten av magnetlegemet og tilveiebringer en anordning for å påføre bøyekraft på arbeidsstykket.
Magnet-kroppskonfigurasjoner
Ulike konfigurasjoner er mulige for magnetkroppen.
Her er 2 som begge har blitt brukt til Magnabend-maskiner:
De stiplede røde linjene i tegningene ovenfor representerer de magnetiske fluksbanene.Merk at "U-Type"-designet har en enkelt fluksvei (1 par stolper), mens "E-Type"-designet har 2 fluksveier (2 par poler).
Sammenligning av magnetkonfigurasjon:
E-type-konfigurasjonen er mer effektiv enn U-type-konfigurasjonen.
For å forstå hvorfor dette er slik, bør du vurdere de to tegningene nedenfor.
Til venstre er et tverrsnitt av en U-type magnet og til høyre er en E-type magnet som er laget ved å kombinere 2 av de samme U-typene.Hvis hver magnetkonfigurasjon drives av en spole med samme ampere-omdreininger, vil helt klart den doble magneten (E-typen) ha dobbelt så mye klemkraft.Den bruker også dobbelt så mye stål, men nesten ikke mer ledning til spolen!(Forutsatt en lang spoledesign).
(Den lille mengden ekstra ledning vil være nødvendig bare fordi de to to bena på spolen er lenger fra hverandre i "E"-designet, men dette ekstra blir ubetydelig i en lang spoledesign som brukes til Magnabend).
Super Magnabend:
For å bygge en enda kraftigere magnet kan "E"-konseptet utvides, slik som denne dobbel-E-konfigurasjonen:
3D-modell:
Nedenfor er en 3D-tegning som viser det grunnleggende arrangementet av deler i en U-type magnet:
I dette designet er de fremre og bakre stolpene separate deler og er festet med bolter til kjernestykket.
Selv om det i prinsippet ville være mulig å maskinere et U-type magnetlegeme fra et enkelt stykke stål, ville det da ikke være mulig å installere spolen og dermed måtte spolen vikles in situ (på det maskinerte magnetlegemet ).
I en produksjonssituasjon er det svært ønskelig å kunne vikle spolene separat (på en spesiell former).Dermed dikterer en U-type design effektivt en fabrikkert konstruksjon.
På den annen side egner E-type design seg godt til et magnetlegeme maskinert fra et enkelt stykke stål fordi en forhåndslaget spole lett kan installeres etter at magnetlegemet er maskinert.Et magnetlegeme i ett stykke yter også bedre magnetisk da det ikke har noen konstruksjonsgap som ellers ville redusere den magnetiske fluksen (og dermed klemkraften) litt.
(De fleste Magnabends laget etter 1990 brukte E-type design).
Valg av materiale for magnetkonstruksjon
Magnethuset og klemmestangen må være laget av ferromagnetisk (magnetiserbart) materiale.Stål er det desidert billigste ferromagnetiske materialet og er det opplagte valget.Imidlertid er det forskjellige spesialstål tilgjengelig som kan vurderes.
1) Silisiumstål: Høyresistivitetsstål som vanligvis er tilgjengelig i tynne lamineringer og brukes i AC-transformatorer, AC-magneter, reléer etc. Egenskapene er ikke nødvendige for Magnabend som er en DC-magnet.
2) Mykt jern: Dette materialet vil ha lavere restmagnetisme, noe som ville være bra for en Magnabend-maskin, men det er fysisk mykt, noe som vil bety at det lett vil bli bulket og skadet;det er bedre å løse restmagnetismeproblemet på en annen måte.
3) Støpejern: Ikke så lett magnetisert som valset stål, men kan vurderes.
4) Rustfritt stål Type 416: Kan ikke magnetiseres like sterkt som stål og er mye dyrere (men kan være nyttig for en tynn beskyttende overflate på magnetkroppen).
5) Rustfritt stål Type 316 : Dette er en ikke-magnetisk legering av stål og er derfor ikke egnet i det hele tatt (bortsett fra som i 4 ovenfor).
6) Medium Carbon Steel, type K1045 : Dette materialet egner seg utmerket for konstruksjonen av magneten, (og andre deler av maskinen).Den er rimelig hard i levert tilstand, og den fungerer også godt.
7) Medium Carbon Steel type CS1020: Dette stålet er ikke fullt så hardt som K1045, men det er lettere tilgjengelig og kan derfor være det mest praktiske valget for konstruksjonen av Magnabend-maskinen.
Merk at de viktige egenskapene som kreves er:
Høy metningsmagnetisering.(De fleste stållegeringer metter ved rundt 2 Tesla),
Tilgjengelighet av nyttige seksjonsstørrelser,
Motstand mot tilfeldige skader,
Bearbeidbarhet, og
Rimelig kostnad.
Middels karbonstål passer godt til alle disse kravene.Lavkarbonstål kan også brukes, men det er mindre motstandsdyktig mot tilfeldige skader.Det finnes også andre spesielle legeringer, som supermendur, som har høyere metningsmagnetisering, men de er ikke å vurdere på grunn av deres svært høye kostnader sammenlignet med stål.
Middels karbonstål viser imidlertid en viss restmagnetisme som er nok til å være en plage.(Se avsnittet om restmagnetisme).
The Coil
Spolen er det som driver magnetiseringsfluksen gjennom elektromagneten.Dens magnetiseringskraft er bare produktet av antall omdreininger (N) og spolestrømmen (I).Og dermed:
N = antall omdreininger
I = strøm i viklingene.
Utseendet til "N" i formelen ovenfor fører til en vanlig misforståelse.
Det er allment antatt at økende antall omdreininger vil øke magnetiseringskraften, men generelt skjer ikke dette fordi ekstra omdreininger også reduserer strømmen, I.
Tenk på en spole som leveres med en fast likespenning.Hvis antall omdreininger dobles så vil også motstanden til viklingene dobles (i en lang spole) og dermed halveres strømmen.Nettoeffekten er ingen økning i NI .
Det som virkelig bestemmer NI er motstanden per sving.For å øke NI må tykkelsen på tråden økes.Verdien av ekstra omdreininger er at de reduserer strømmen og dermed effekttapet i spolen.
Designeren bør være oppmerksom på at trådmåleren er det som virkelig bestemmer magnetiseringskraften til spolen.Dette er den viktigste parameteren for spoledesign.
NI-produktet blir ofte referert til som "ampere-svingene" til spolen.
Hvor mange amperesvinger trengs?
Stål viser en metningsmagnetisering på ca. 2 Tesla og dette setter en grunnleggende grense for hvor mye klemkraft som kan oppnås.
Fra grafen ovenfor ser vi at feltstyrken som kreves for å få en flukstetthet på 2 Tesla er omtrent 20 000 ampere-omdreininger per meter.
Nå, for en typisk Magnabend-design, er fluksbanelengden i stålet omtrent 1/5 av en meter og vil derfor kreve (20 000/5) AT for å produsere metning, det vil si omtrent 4 000 AT.
Det ville vært fint med mange flere ampereomdreininger enn dette, slik at metningsmagnetisering kunne opprettholdes selv når ikke-magnetiske gap (dvs. ikke-jernholdige arbeidsstykker) blir introdusert i magnetkretsen.Imidlertid kan ekstra ampere-omdreininger bare oppnås til betydelige kostnader i krafttap eller kostnadene for kobbertråd, eller begge deler.Derfor er det nødvendig med et kompromiss.
Typiske Magnabend-design har en spole som produserer 3800 ampere omdreininger.
Merk at dette tallet ikke er avhengig av lengden på maskinen.Hvis den samme magnetiske designen brukes over en rekke maskinlengder, tilsier det at de lengre maskinene vil ha færre svinger med tykkere ledning.De vil trekke mer total strøm, men vil ha det samme produktet av ampere x omdreininger og vil ha samme klemkraft (og samme effekttap) per lengdeenhet.
Duty Cycle
Konseptet med driftssyklus er et veldig viktig aspekt ved utformingen av elektromagneten.Hvis designet gir mer driftssyklus enn nødvendig, er det ikke optimalt.Mer driftssyklus betyr i seg selv at mer kobbertråd vil være nødvendig (med påfølgende høyere kostnader) og/eller det vil være mindre klemkraft tilgjengelig.
Merk: En magnet med høyere driftssyklus vil ha mindre effekttap, noe som betyr at den vil bruke mindre energi og dermed være billigere i drift.Men fordi magneten er PÅ i bare korte perioder, anses energikostnadene ved drift vanligvis som av svært liten betydning.Derfor er designtilnærmingen å ha så mye effekttap som du kan komme unna med når det gjelder å ikke overopphete viklingene til spolen.(Denne tilnærmingen er vanlig for de fleste elektromagnetdesigner).
Magnabend er designet for en nominell driftssyklus på ca. 25 %.
Vanligvis tar det bare 2 eller 3 sekunder å lage en bøy.Magneten vil deretter være av i ytterligere 8 til 10 sekunder mens arbeidsstykket flyttes og justeres klar for neste bøy.Hvis driftssyklusen på 25 % overskrides, vil magneten til slutt bli for varm og en termisk overbelastning vil utløses.Magneten vil ikke bli skadet, men den må avkjøles i ca. 30 minutter før den brukes igjen.
Driftserfaring med maskiner i felten har vist at 25 % driftssyklus er ganske tilstrekkelig for typiske brukere.Noen brukere har faktisk bedt om valgfrie høyeffektversjoner av maskinen som har mer klemkraft på bekostning av mindre driftssyklus.
Spole Tverrsnittsareal
Tverrsnittsarealet som er tilgjengelig for spolen vil bestemme den maksimale mengden kobbertråd som kan monteres i. Området som er tilgjengelig bør ikke være mer enn nødvendig, i samsvar med nødvendige ampereomdreininger og effekttap.Å gi mer plass til spolen vil uunngåelig øke størrelsen på magneten og resultere i en lengre fluksbanelengde i stålet (som vil redusere den totale fluksen).
Det samme argumentet innebærer at uansett hvilken spoleplass som er gitt i designet, skal den alltid være full med kobbertråd.Hvis den ikke er full, betyr det at magnetgeometrien kunne vært bedre.
Magnabend klemkraft:
Grafen under er oppnådd ved eksperimentelle målinger, men den stemmer ganske godt overens med teoretiske beregninger.
Klemkraften kan beregnes matematisk fra denne formelen:
F = kraft i Newton
B = magnetisk flukstetthet i Teslaer
A = areal av stolper i m2
µ0 = magnetisk permeabilitetskonstant, (4π x 10-7)
For et eksempel vil vi beregne klemkraften for en flukstetthet på 2 Tesla:
Således F = ½ (2)2 A/µ0
For en kraft på enhetsareal (trykk) kan vi slippe "A" i formelen.
Dermed trykk = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Dette kommer ut til 1.590.000 N/m2.
For å konvertere dette til kilogram kraft kan det deles på g (9,81).
Altså: Trykk = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Dette stemmer ganske godt med den målte kraften for et nullgap vist på grafen ovenfor.
Dette tallet kan enkelt konverteres til en total klemkraft for en gitt maskin ved å multiplisere den med maskinens polareal.For modellen 1250E er polarealet 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Dermed vil den totale kraften med nullgap være (735 x 16,2) = 11 900 kg eller 11,9 tonn;ca. 9,5 tonn per meter magnetlengde.
Fluktetthet og klemtrykk er direkte relatert og er vist grafisk nedenfor:
Praktisk klemkraft:
I praksis oppnås denne høye klemkraften bare når den ikke er nødvendig(!), det vil si ved bøying av tynne stålarbeidsstykker.Ved bøying av ikke-jernholdige arbeidsstykker vil kraften være mindre som vist i grafen over, og (litt merkelig) er den også mindre ved bøying av tykke stålarbeidsstykker.Dette er fordi klemkraften som trengs for å lage en skarp bøy er veldig mye høyere enn den som trengs for en radiusbøy.Så det som skjer er at når bøyningen fortsetter, løftes den fremre kanten av klemmestangen litt, slik at arbeidsstykket kan danne en radius.
Den lille luftspalten som dannes forårsaker et lite tap av klemkraft, men kraften som trengs for å danne radiusbøyningen har falt kraftigere enn magnetens klemkraft.Dermed oppstår en stabil situasjon og klemmestangen slipper ikke taket.
Det som er beskrevet ovenfor er bøyemåten når maskinen er nær tykkelsesgrensen.Hvis et enda tykkere arbeidsstykke prøves, vil selvfølgelig klemmestangen løfte seg.
Dette diagrammet antyder at hvis nesekanten på klemmestangen ble radiusert litt, i stedet for skarp, ville luftspalten for tykk bøying bli redusert.
Dette er faktisk tilfelle, og en riktig laget Magnabend vil ha en klemmestang med en radiused kant.(En kant med radius er også mye mindre utsatt for utilsiktet skade sammenlignet med en skarp kant).
Marginal modus for bøyningsfeil:
Hvis det forsøkes å bøye et veldig tykt arbeidsstykke, vil maskinen ikke bøye det fordi klemmestangen ganske enkelt vil løfte seg av.(Heldigvis skjer ikke dette på en dramatisk måte; klemmestangen slipper bare løs).
Men hvis bøyelasten bare er litt større enn bøyekapasiteten til magneten, er det som regel at bøyningen vil fortsette til å si omtrent 60 grader, og da vil klemmestangen begynne å gli bakover.I denne sviktmodusen kan magneten bare motstå bøyebelastningen indirekte ved å skape friksjon mellom arbeidsstykket og bunnen av magneten.
Tykkelsesforskjellen mellom en svikt på grunn av avløfting og en svikt på grunn av glidning er generelt ikke veldig stor.
Løftefeil skyldes at arbeidsstykket løfter fremkanten av klemmestangen oppover.Klemkraften i forkant av klemmestangen er hovedsakelig det som motstår dette.Klemming i bakkant har liten effekt fordi den er nær der klemmestangen svinges.Faktisk er det bare halvparten av den totale klemkraften som motstår avløfting.
På den annen side motstås glidning av den totale klemkraften, men kun via friksjon, så den faktiske motstanden avhenger av friksjonskoeffisienten mellom arbeidsstykket og overflaten til magneten.
For rent og tørt stål kan friksjonskoeffisienten være så høy som 0,8, men hvis smøring er tilstede, kan den være så lav som 0,2.Vanligvis vil det være et sted i mellom slik at den marginale modusen for bøyningssvikt vanligvis skyldes glidning, men forsøk på å øke friksjonen på overflaten av magneten har vist seg ikke å være verdt.
Tykkelse Kapasitet:
For et magnethus av E-type 98 mm bredt og 48 mm dypt og med en 3800 ampere-omdreiningsspole, er bøyekapasiteten i full lengde 1,6 mm.Denne tykkelsen gjelder både stålplate og aluminiumsplate.Det vil være mindre klemme på aluminiumsplaten, men det krever mindre dreiemoment å bøye den, så dette kompenserer på en slik måte at det gir lik målekapasitet for begge typer metall.
Det må være noen forbehold om den oppgitte bøyekapasiteten: Den viktigste er at platens flytegrense kan variere mye.Kapasiteten på 1,6 mm gjelder for stål med en flytespenning på opptil 250 MPa og for aluminium med en flytegrense opp til 140 MPa.
Tykkelsen kapasitet i rustfritt stål er ca 1,0mm.Denne kapasiteten er betydelig mindre enn for de fleste andre metaller fordi rustfritt stål vanligvis er ikke-magnetisk og likevel har en rimelig høy flytespenning.
En annen faktor er temperaturen på magneten.Hvis magneten har fått bli varm vil motstanden til spolen være høyere og dette vil igjen føre til at den trekker mindre strøm med påfølgende lavere ampere-omdreininger og lavere klemkraft.(Denne effekten er vanligvis ganske moderat og vil neppe føre til at maskinen ikke oppfyller spesifikasjonene).
Til slutt kunne tykkere Magnabends lages hvis magnettverrsnittet ble gjort større.