Grunderna i Magnabends elektriska krets

MAGNABEND - KRETSFUNKTION
Magnabend plåtmappen är utformad som en DC-spännelektromagnet.
Den enklaste kretsen som krävs för att driva den elektromagnetiska spolen består endast av en omkopplare och en brygglikriktare:
Figur 1: Minimal krets:

Minimal circuit

Det bör noteras att ON/OFF-omkopplaren är ansluten på AC-sidan av kretsen.Detta tillåter den induktiva spolströmmen att cirkulera genom dioderna i brygglikriktaren efter avstängning tills strömmen avtar exponentiellt till noll.
(Dioderna i bryggan fungerar som "fly-back"-dioder).

För säkrare och bekvämare drift är det önskvärt att ha en krets som ger en 2-hands förregling och även 2-stegs fastspänning.2-handsspärren hjälper till att se till att fingrar inte kan fångas under spännbygeln och den stegvisa fastspänningen ger en mjukare start och tillåter även en hand att hålla saker på plats tills förklämningen aktiveras.

Figur 2: Krets med förregling och 2-stegs fastspänning:

När START-knappen trycks in tillförs en liten spänning till magnetspolen via AC-kondensatorn, vilket ger en lätt klämeffekt.Denna reaktiva metod för att begränsa strömmen till spolen innebär ingen betydande effektförlust i begränsningsanordningen (kondensatorn).
Full klämning uppnås när både den böjande balk-manövrerade omkopplaren och START-knappen manövreras samtidigt.
Normalt skulle START-knappen tryckas in först (med vänster hand) och sedan dras handtaget på böjningsbalken med den andra handen.Full klämning kommer inte att inträffa om det inte finns en viss överlappning i funktionen av de två omkopplarna.Men när full fastspänning är etablerad är det inte nödvändigt att fortsätta hålla START-knappen intryckt.

Restmagnetism
Ett litet men betydande problem med Magnabend-maskinen, som med de flesta elektromagneter, är problemet med kvarvarande magnetism.Detta är den lilla mängd magnetism som finns kvar efter att magneten stängs AV.Det gör att klämstängerna förblir svagt fastklämda vid magnetkroppen, vilket gör det svårt att avlägsna arbetsstycket.

Användning av magnetiskt mjukt järn är ett av många möjliga tillvägagångssätt för att övervinna kvarvarande magnetism.
Detta material är dock svårt att få tag på i lagerstorlekar och det är också fysiskt mjukt vilket gör att det lätt kan skadas i en bockningsmaskin.

Införandet av ett icke-magnetiskt gap i den magnetiska kretsen är kanske det enklaste sättet att minska kvarvarande magnetism.Denna metod är effektiv och är ganska lätt att uppnå i en tillverkad magnetkropp - inkorporera bara en bit kartong eller aluminium som är cirka 0,2 mm tjock mellan säg den främre polen och kärndelen innan du skruvar ihop magnetdelarna.Den största nackdelen med denna metod är att det icke-magnetiska gapet minskar det tillgängliga flödet för full fastspänning.Det är inte heller okomplicerat att införliva gapet i en magnetkropp i ett stycke som används för magnetdesignen av E-typ.

Ett omvänt förspänningsfält, producerat av en hjälpspole, är också en effektiv metod.Men det innebär obefogad extra komplexitet i tillverkningen av spolen och även i styrkretsen, även om den användes kort i en tidig Magnabend-design.

En sönderfallande oscillation ("ringning") är begreppsmässigt en mycket bra metod för avmagnetisering.

Damped ringing Ringing waveform

Dessa oscilloskopfoton visar spänningen (toppspår) och ström (bottenspår) i en Magnabend-spole med en lämplig kondensator ansluten över den för att få den att svänga själv.(AC-försörjningen har stängts av ungefär i mitten av bilden).

Den första bilden är för en öppen magnetisk krets, det vill säga utan klämma på magneten.Den andra bilden är för en sluten magnetisk krets, det vill säga med en klämma i full längd på magneten.
På den första bilden uppvisar spänningen avtagande svängning (ringning) och det gör även strömmen (lägre spår), men på den andra bilden svänger inte spänningen och strömmen lyckas inte ens vända alls.Detta betyder att det inte skulle finnas någon oscillation av det magnetiska flödet och därmed ingen annullering av kvarvarande magnetism.
Problemet är att magneten är för kraftigt dämpad, främst på grund av virvelströmsförluster i stålet, och därför fungerar tyvärr inte denna metod för Magnabenden.

Forcerad svängning är ännu en idé.Om magneten är för dämpad för att självoscillera kan den tvingas att svänga av aktiva kretsar som levererar energi efter behov.Detta har också undersökts grundligt för Magnabend.Dess största nackdel är att det involverar alltför komplicerade kretsar.

Omvänd pulsavmagnetisering är den metod som har visat sig vara mest kostnadseffektiv för Magnabend.Detaljerna i denna design representerar originalarbete utfört av Magnetic Engineering Pty Ltd. En detaljerad diskussion följer:

REVERSE-PULSE DEMAGNETISERING
Kärnan i denna idé är att lagra energi i en kondensator och sedan släppa ut den i spolen precis efter att magneten stängts av.Polariteten måste vara sådan att kondensatorn kommer att inducera en omvänd ström i spolen.Mängden energi som lagras i kondensatorn kan skräddarsys för att vara precis tillräcklig för att avbryta restmagnetismen.(För mycket energi kan överdriva det och återmagnetisera magneten i motsatt riktning).

En ytterligare fördel med den omvända pulsmetoden är att den ger mycket snabb avmagnetisering och en nästan omedelbar frigöring av klämman från magneten.Detta beror på att det inte är nödvändigt att vänta på att spolströmmen avklingar till noll innan den omvända pulsen ansluts.Vid applicering av pulsen tvingas spolströmmen till noll (och sedan baklänges) mycket snabbare än dess normala exponentiella avklingning skulle ha varit.

Figur 3: Grundläggande omvänd pulskrets

Basic Demag Cct

Nu är det normalt att placera en omkopplarkontakt mellan likriktaren och magnetspolen "lekar med elden".
Detta beror på att en induktiv ström inte plötsligt kan avbrytas.Om så är fallet kommer brytarkontakterna att båga och strömbrytaren kommer att skadas eller till och med förstöras helt.(Den mekaniska motsvarigheten skulle vara att plötsligt stoppa ett svänghjul).
Sålunda, vilken krets som än utformas måste den tillhandahålla en effektiv väg för spolströmmen hela tiden, inklusive under några millisekunder medan en omkopplarkontakt växlar över.
Ovanstående krets, som endast består av 2 kondensatorer och 2 dioder (plus en reläkontakt), uppnår funktionerna att ladda lagringskondensatorn till en negativ spänning (relativt spolens referenssida) och tillhandahåller också en alternativ väg för spolen ström medan reläkontakten är igång.

Hur det fungerar:
I stort sett fungerar D1 och C2 som en laddningspump för C1 medan D2 är en klämdiod som håller punkt B från att bli positiv.
Medan magneten är PÅ kommer reläkontakten att kopplas till sin "normalt öppna" (NO) terminal och magneten kommer att göra sitt normala jobb med att klämma fast plåt.Laddningspumpen kommer att ladda C1 mot en negativ toppspänning som är lika stor som spolens toppspänning.Spänningen på C1 kommer att öka exponentiellt men den kommer att vara fulladdad inom cirka 1/2 sekund.
Den förblir sedan i det tillståndet tills maskinen stängs AV.
Direkt efter avstängning håller reläet in en kort stund.Under denna tid kommer den höginduktiva spolströmmen att fortsätta att recirkulera genom dioderna i brygglikriktaren.Nu, efter en fördröjning på cirka 30 millisekunder, kommer reläkontakten att börja separera.Spoleströmmen kan inte längre gå genom likriktardioderna utan hittar istället en väg genom C1, D1 och C2.Riktningen av denna ström är sådan att den kommer att ytterligare öka den negativa laddningen på C1 och den kommer att börja ladda C2 också.

Värdet på C2 måste vara tillräckligt stort för att styra hastigheten på spänningsökningen över öppningsreläkontakten för att säkerställa att en ljusbåge inte bildas.Ett värde på cirka 5 mikrofarads per amp spolström är tillräckligt för ett typiskt relä.

Figur 4 nedan visar detaljer om de vågformer som uppstår under den första halvan en sekund efter avstängning.Spänningsrampen som styrs av C2 syns tydligt på den röda kurvan i mitten av figuren, den är märkt "Reläkontakt i farten".(Den faktiska övergångstiden kan härledas från detta spår; det är cirka 1,5 ms).
Så snart reläarmaturen landar på sin NC-terminal ansluts den negativt laddade lagringskondensatorn till magnetspolen.Detta vänder inte omedelbart spolströmmen utan strömmen går nu "uppför" och därmed pressas den snabbt genom noll och mot en negativ topp som inträffar ca 80 ms efter anslutningen av lagringskondensatorn.(Se figur 5).Den negativa strömmen kommer att inducera ett negativt flöde i magneten som kommer att eliminera restmagnetismen och klämman och arbetsstycket kommer snabbt att släppas.

Figur 4: Utökade vågformer

Expanded waveforms

Figur 5: Spännings- och strömvågformer på magnetspole

Waveforms 1

Figur 5 ovan visar spännings- och strömvågformerna på magnetspolen under förklämningsfasen, den fullständiga klämfasen och avmagnetiseringsfasen.

Man tror att enkelheten och effektiviteten hos denna avmagnetiseringskrets bör innebära att den kommer att finna tillämpning i andra elektromagneter som behöver avmagnetiseras.Även om kvarvarande magnetism inte är ett problem kan denna krets fortfarande vara mycket användbar för att kommutera spolströmmen till noll mycket snabbt och därmed ge snabb utlösning.
Praktisk Magnabend-krets:

Kretskoncepten som diskuterats ovan kan kombineras till en hel krets med både en 2-hands förregling och omvänd pulsavmagnetisering som visas nedan (Figur 6):

Figur 6: Kombinerad krets

Full Circuit Simplified

Den här kretsen kommer att fungera men tyvärr är den något opålitlig.
För att få tillförlitlig drift och längre livslängd för omkopplaren är det nödvändigt att lägga till några extra komponenter till grundkretsen enligt nedan (Figur 7):
Figur 7: Kombinerad krets med förbättringar

Magnabend full cct (1)

SW1:
Detta är en 2-polig brytare.Den läggs till för bekvämlighet och för att uppfylla elektriska standarder.Det är också önskvärt att denna omkopplare har en neonindikatorlampa för att visa kretsens PÅ/AV-status.

D3 och C4:
Utan D3 är låsningen av reläet opålitlig och beror något på fasningen av nätvågformen vid tidpunkten för drift av böjningsstråleomkopplaren.D3 introducerar en fördröjning (vanligtvis 30 millisekunder) i reläets avhopp.Detta övervinner låsningsproblemet och det är också fördelaktigt att ha en bortfallsfördröjning precis innan avmagnetiseringspulsens början (senare i cykeln).C4 ger AC-koppling av reläkretsen som annars skulle vara en halvvågskortslutning när START-knappen trycktes in.

THERM.VÄXLA:
Denna strömbrytare har sitt hus i kontakt med magnetkroppen och den kommer att öppna kretsen om magneten blir för varm (>70 C).Att sätta den i serie med reläspolen innebär att den bara behöver koppla om den lilla strömmen genom reläspolen istället för hela magnetströmmen.

R2:
När START-knappen trycks in drar reläet in och då blir det en startström som laddar C3 via brygglikriktaren, C2 och diod D2.Utan R2 skulle det inte finnas något motstånd i denna krets och den resulterande höga strömmen kan skada kontakterna i START-omkopplaren.
Det finns också ett annat kretsförhållande där R2 ger skydd: Om böjningsstråleomkopplaren (SW2) flyttas från NO-terminalen (där den skulle bära hela magnetströmmen) till NC-terminalen, bildas ofta en båge och om START-omkopplaren hölls fortfarande vid denna tidpunkt, då skulle C3 i själva verket kortslutas och, beroende på hur mycket spänning som var på C3, kan detta skada SW2.R2 skulle emellertid återigen begränsa denna kortslutningsström till ett säkert värde.R2 behöver bara ett lågt resistansvärde (vanligtvis 2 ohm) för att ge tillräckligt skydd.

Varistor:
Varistorn, som är ansluten mellan likriktarens AC-uttag, gör normalt ingenting.Men om det finns en överspänning på nätet (på grund av till exempel - ett närliggande blixtnedslag) kommer varistorn att absorbera energin i överspänningen och förhindra att spänningsspiken skadar brygglikriktaren.

R1:
Om START-knappen skulle tryckas in under en avmagnetiseringspuls skulle detta sannolikt orsaka en ljusbåge vid reläkontakten som i sin tur praktiskt taget skulle kortsluta C1 (lagringskondensatorn).Kondensatorenergin skulle dumpas in i kretsen bestående av C1, brygglikriktaren och ljusbågen i reläet.Utan R1 finns det mycket lite motstånd i denna krets och därför skulle strömmen vara mycket hög och skulle vara tillräcklig för att svetsa kontakterna i reläet.R1 ger skydd i denna (något ovanliga) eventualitet.

Särskild anmärkning om val av R1:
Om den ovan beskrivna händelsen inträffar kommer R1 att absorbera praktiskt taget all energi som lagrades i C1 oavsett det faktiska värdet på R1.Vi vill att R1 ska vara stor jämfört med andra kretsresistanser men liten jämfört med resistansen hos Magnabend-spolen (annars skulle R1 minska effektiviteten hos avmagnetiseringspulsen).Ett värde på runt 5 till 10 ohm skulle vara lämpligt men vilken effekt ska R1 ha?Vad vi verkligen behöver specificera är pulseffekten, eller energiklassificeringen för motståndet.Men denna egenskap specificeras vanligtvis inte för effektmotstånd.Effektmotstånd med lågt värde är vanligtvis trådlindade och vi har bestämt att den kritiska faktorn att leta efter i detta motstånd är mängden faktisk tråd som används i dess konstruktion.Du måste spricka upp ett provmotstånd och mäta mätaren och längden på tråden som används.Beräkna ur detta trådens totala volym och välj sedan ett motstånd med minst 20 mm3 tråd.
(Till exempel visade sig ett 6,8 ohm/11 watt motstånd från RS Components ha en trådvolym på 24 mm3).

Lyckligtvis är dessa extra komponenter små i storlek och kostnad och lägger därför bara några få dollar till den totala kostnaden för Magnabend-elektriciteten.
Det finns ytterligare en bit av kretsar som ännu inte har diskuterats.Detta övervinner ett relativt litet problem:
Om START-knappen trycks in och inte följs av att man drar i handtaget (vilket annars skulle ge full fastspänning) kommer lagringskondensatorn inte att vara fulladdad och den avmagnetiseringspuls som uppstår när START-knappen släpps kommer inte att avmagnetisera maskinen helt .Spännbygeln skulle då förbli fast vid maskinen och det skulle vara till besvär.
Tillägget av D4 och R3, som visas i blått i figur 8 nedan, matar in en lämplig vågform i laddningspumpkretsen för att säkerställa att C1 laddas även om full fastspänning inte tillämpas.(Värdet på R3 är inte kritiskt - 220 ohm/10 watt skulle passa de flesta maskiner).
Bild 8: Krets med avmagnetisering endast efter "START":

Demagnetise after START

För mer information om kretskomponenter, se avsnittet Komponenter i "Bygg din egen Magnabend"
För referensändamål visas de fullständiga kretsschemana för 240 Volt AC, E-Type Magnabend-maskiner tillverkade av Magnetic Engineering Pty Ltd nedan.

Observera att för drift på 115 VAC skulle många komponentvärden behöva modifieras.

Magnetic Engineering upphörde med produktionen av Magnabend-maskiner 2003 när verksamheten såldes.

650E Circuit

1250E Circuit

2500E Circuit

Notera: Diskussionen ovan var avsedd att förklara huvudprinciperna för kretsdriften och alla detaljer har inte täckts.De fullständiga kretsarna som visas ovan ingår också i Magnabend-manualerna som finns tillgängliga på andra ställen på denna sida.

Det bör också noteras att vi utvecklade fullständiga halvledarversioner av denna krets som använde IGBT:er istället för ett relä för att koppla om strömmen.
Solid state-kretsen användes aldrig i några Magnabend-maskiner utan användes för speciella magneter som vi tillverkade för produktionslinjer.Dessa produktionslinjer producerade vanligtvis 5 000 artiklar (som en kylskåpsdörr) per dag.

Magnetic Engineering upphörde med produktionen av Magnabend-maskiner 2003 när verksamheten såldes.

Använd länken Kontakta Alan på den här webbplatsen för att söka mer information.