MAGNABEND - GRUNDLÄGGANDE DESIGNÖVERVÄGANDEN
Grundläggande magnetdesign
Magnabend-maskinen är designad som en kraftfull likströmsmagnet med begränsad driftcykel.
Maskinen består av 3 grundläggande delar:-
Magnetkroppen som utgör basen på maskinen och innehåller elektromagnetspolen.
Klämstången som ger en bana för magnetiskt flöde mellan magnetbasens poler och därigenom klämmer fast plåtarbetsstycket.
Böjningsbalken som är svängd till framkanten av magnetkroppen och tillhandahåller ett medel för att applicera böjkraft på arbetsstycket.
Magnet-kroppskonfigurationer
Olika konfigurationer är möjliga för magnetkroppen.
Här är 2 som båda har använts för Magnabend-maskiner:
De streckade röda linjerna i ritningarna ovan representerar de magnetiska flödesbanorna.Observera att "U-Type"-designen har en enda flödesväg (1 par stolpar) medan "E-Type"-designen har 2 flödesvägar (2 par poler).
Jämförelse av magnetkonfiguration:
Konfigurationen av E-typ är mer effektiv än konfigurationen av U-typ.
För att förstå varför det är så, överväg de två ritningarna nedan.
Till vänster är ett tvärsnitt av en U-typ magnet och till höger en E-typ magnet som har gjorts genom att kombinera 2 av samma U-typer.Om varje magnetkonfiguration drivs av en spole med samma amperevarv så kommer uppenbarligen den fördubblade magneten (E-typen) att ha dubbelt så stor klämkraft.Den använder också dubbelt så mycket stål men knappt någon mer tråd till spolen!(Förutsatt en lång spoledesign).
(Den lilla mängden extra tråd skulle behövas bara för att de två två benen på spolen är längre ifrån varandra i "E"-designen, men detta extra blir obetydligt i en lång spoldesign som används för Magnabend).
Super Magnabend:
För att bygga en ännu kraftfullare magnet kan "E"-konceptet utökas som denna dubbel-E-konfiguration:
3D-modell:
Nedan är en 3D-ritning som visar det grundläggande arrangemanget av delar i en magnet av U-typ:
I denna design är de främre och bakre stolparna separata delar och fästs med bultar till kärnstycket.
Även om det i princip skulle vara möjligt att bearbeta en magnetkropp av U-typ från ett enda stycke stål, skulle det då inte vara möjligt att installera spolen och spolen skulle därför behöva lindas in situ (på den bearbetade magnetkroppen ).
I en produktionssituation är det mycket önskvärt att kunna linda spolarna separat (på en speciell formare).Således dikterar en design av U-typ effektivt en tillverkad konstruktion.
Å andra sidan lämpar sig E-typdesignen väl för en magnetkropp bearbetad av ett enda stålstycke eftersom en färdig spole lätt kan installeras efter att magnetkroppen har bearbetats.En magnetkropp i ett stycke presterar också bättre magnetiskt då den inte har några konstruktionsgap som annars skulle minska det magnetiska flödet (och därmed klämkraften) en aning.
(De flesta Magnabends tillverkade efter 1990 använde E-typdesignen).
Val av material för magnetkonstruktion
Magnetkroppen och klämman måste vara gjorda av ferromagnetiskt (magnetiserbart) material.Stål är det absolut billigaste ferromagnetiska materialet och är det självklara valet.Det finns dock olika specialstål tillgängliga som kan övervägas.
1) Silicon Steel: Högresistivt stål som vanligtvis finns i tunna lamineringar och används i AC-transformatorer, AC-magneter, reläer etc. Dess egenskaper krävs inte för Magnabend som är en DC-magnet.
2) Mjukt järn: Detta material skulle uppvisa lägre restmagnetism vilket skulle vara bra för en Magnabend-maskin men det är fysiskt mjukt vilket skulle innebära att det lätt skulle bli buckligt och skadat;det är bättre att lösa problemet med kvarvarande magnetism på annat sätt.
3) Gjutjärn: Magnetiseras inte lika lätt som valsat stål men kan övervägas.
4) Rostfritt stål typ 416: Kan inte magnetiseras lika starkt som stål och är mycket dyrare (men kan vara användbart för en tunn skyddande yta på magnetkroppen).
5) Rostfritt stål typ 316: Detta är en icke-magnetisk legering av stål och är därför inte lämplig alls (förutom som i 4 ovan).
6) Medium Carbon Steel, typ K1045 : Detta material är utomordentligt lämpligt för konstruktionen av magneten (och andra delar av maskinen).Den är lagom hård i leveransskick och den bearbetar också bra.
7) Medium Carbon Steel typ CS1020: Detta stål är inte riktigt lika hårt som K1045 men det är mer lättillgängligt och kan därför vara det mest praktiska valet för konstruktionen av Magnabend-maskinen.
Observera att de viktiga egenskaper som krävs är:
Hög mättnadsmagnetisering.(De flesta stållegeringar mättas vid cirka 2 Tesla),
Tillgänglighet av användbara sektionsstorlekar,
Motstånd mot oavsiktlig skada,
bearbetbarhet, och
Rimlig kostnad.
Mellankolstål uppfyller alla dessa krav väl.Lågkolhaltigt stål kan också användas men det är mindre motståndskraftigt mot oavsiktliga skador.Det finns även andra speciallegeringar, såsom supermendur, som har högre mättnadsmagnetisering men de är inte att betrakta på grund av deras mycket höga kostnad jämfört med stål.
Medelstort kolstål uppvisar dock en viss kvarvarande magnetism som är tillräckligt för att vara en olägenhet.(Se avsnittet om restmagnetism).
Spolen
Spolen är det som driver magnetiseringsflödet genom elektromagneten.Dess magnetiserande kraft är bara produkten av antalet varv (N) och spolströmmen (I).Således:
N = antal varv
I = ström i lindningarna.
Utseendet på "N" i ovanstående formel leder till en vanlig missuppfattning.
Det antas allmänt att ett ökat antal varv kommer att öka magnetiseringskraften men i allmänhet händer detta inte eftersom extra varv också minskar strömmen, I.
Tänk på en spole som levereras med en fast likspänning.Om antalet varv fördubblas kommer även lindningarnas resistans att fördubblas (i en lång spole) och därmed halveras strömmen.Nettoeffekten är ingen ökning av NI .
Det som verkligen avgör NI är motståndet per varv.För att öka NI måste således trådens tjocklek ökas.Värdet av extra varv är att de minskar strömmen och därmed effektförlusten i spolen.
Designern bör vara uppmärksam på att trådmätaren är det som verkligen bestämmer spolens magnetiseringskraft.Detta är den viktigaste parametern för spoldesign.
NI-produkten kallas ofta för spolens "amperevarv".
Hur många amperevarv behövs?
Stål uppvisar en mättnadsmagnetisering på cirka 2 Tesla och detta sätter en grundläggande gräns för hur mycket spännkraft som kan erhållas.
Från ovanstående graf ser vi att fältstyrkan som krävs för att få en flödestäthet på 2 Tesla är cirka 20 000 amperevarv per meter.
Nu, för en typisk Magnabend-design, är flödesvägens längd i stålet cirka 1/5 av en meter och kommer därför att kräva (20 000/5) AT för att producera mättnad, det vill säga cirka 4 000 AT.
Det skulle vara trevligt med många fler amperevarv än så här så att mättnadsmagnetiseringen kunde bibehållas även när icke-magnetiska gap (dvs icke-järnhaltiga arbetsstycken) införs i magnetkretsen.Emellertid kan extra amperevarv endast erhållas till avsevärd kostnad i effektförlust eller kostnad för koppartråd, eller båda.Därför behövs en kompromiss.
Typiska Magnabend-konstruktioner har en spole som producerar 3 800 amperevarv.
Observera att denna siffra inte är beroende av maskinens längd.Om samma magnetiska design appliceras över en rad maskinlängder så dikterar det att de längre maskinerna kommer att ha färre varv med tjockare tråd.De kommer att dra mer total ström men kommer att ha samma produkt av ampere x varv och kommer att ha samma klämkraft (och samma effektförlust) per längdenhet.
Arbetscykel
Begreppet arbetscykel är en mycket viktig aspekt av utformningen av elektromagneten.Om konstruktionen ger mer arbetscykel än vad som behövs är det inte optimalt.Mer arbetscykel innebär i sig att mer koppartråd kommer att behövas (med åtföljande högre kostnad) och/eller att det blir mindre klämkraft tillgänglig.
Obs: En magnet med högre driftcykel kommer att ha mindre effektförlust vilket innebär att den kommer att använda mindre energi och därmed vara billigare att använda.Men eftersom magneten endast är PÅ under korta perioder anses energikostnaden för driften vanligtvis vara av mycket liten betydelse.Därför är designmetoden att ha så mycket effektförlust som du kan komma undan med när det gäller att inte överhetta lindningarna på spolen.(Detta tillvägagångssätt är gemensamt för de flesta elektromagnetkonstruktioner).
Magnabend är designad för en nominell arbetscykel på cirka 25 %.
Vanligtvis tar det bara 2 eller 3 sekunder att göra en böj.Magneten kommer sedan att vara avstängd i ytterligare 8 till 10 sekunder medan arbetsstycket flyttas och justeras redo för nästa böj.Om arbetscykeln på 25 % överskrids kommer magneten så småningom att bli för varm och en termisk överbelastning utlöses.Magneten kommer inte att skadas men den måste få svalna i cirka 30 minuter innan den används igen.
Driftserfarenhet med maskiner på fältet har visat att 25 % arbetscykeln är ganska tillräcklig för typiska användare.Vissa användare har faktiskt efterfrågat valfria högeffektsversioner av maskinen som har mer klämkraft på bekostnad av mindre arbetscykel.
Spolens tvärsnittsarea
Tvärsnittsarean som är tillgänglig för spolen bestämmer den maximala mängden koppartråd som kan monteras i. Den tillgängliga arean bör inte vara mer än vad som behövs, i överensstämmelse med erforderliga amperevarv och effektförlust.Att ge mer utrymme för spolen kommer oundvikligen att öka storleken på magneten och resultera i en längre flödesvägslängd i stålet (vilket kommer att minska det totala flödet).
Samma argument innebär att oavsett spolutrymme som tillhandahålls i designen så ska det alltid vara fullt med koppartråd.Om den inte är full så betyder det att magnetgeometrin kunde ha varit bättre.
Magnabend klämkraft:
Grafen nedan erhölls genom experimentella mätningar, men den stämmer ganska bra överens med teoretiska beräkningar.
Spännkraften kan beräknas matematiskt från denna formel:
F = kraft i Newton
B = magnetisk flödestäthet i Tesla
A = polarea i m2
µ0 = magnetisk permeabilitetskonstant, (4π x 10-7)
För ett exempel kommer vi att beräkna klämkraften för en flödestäthet på 2 Tesla:
Således F = ½ (2)2 A/µ0
För en kraft på enhetsarea (tryck) kan vi släppa "A" i formeln.
Således tryck = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Detta kommer ut till 1 590 000 N/m2.
För att omvandla detta till kilogram kraft kan det delas med g (9,81).
Alltså: Tryck = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Detta stämmer ganska väl överens med den uppmätta kraften för ett nollgap som visas i grafen ovan.
Denna siffra kan enkelt omvandlas till en total spännkraft för en given maskin genom att multiplicera den med maskinens polarea.För modellen 1250E är polarean 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Således skulle den totala, nollgap, kraften vara (735 x 16,2) = 11 900 kg eller 11,9 ton;ca 9,5 ton per meter magnetlängd .
Flödesdensitet och klämtryck är direkt relaterade och visas grafiskt nedan:
Praktisk spännkraft:
I praktiken uppnås denna höga spännkraft bara när den inte behövs(!), det vill säga vid bockning av tunna stålarbetsstycken.Vid bockning av icke-järnhaltiga arbetsstycken blir kraften mindre som visas i grafen ovan, och (lite konstigt) är den också mindre vid bockning av tjocka stålarbetsstycken.Detta beror på att klämkraften som behövs för att göra en skarp böj är mycket högre än den som behövs för en radieböj.Så vad som händer är att när böjningen fortskrider lyfts spännbygelns främre kant något, vilket gör att arbetsstycket kan bilda en radie.
Det lilla luftgapet som bildas orsakar en liten förlust av klämkraft men kraften som behövs för att bilda radieböjen har minskat kraftigare än magnetens klämkraft.Därmed uppstår en stabil situation och spännbygeln släpper inte taget.
Det som beskrivs ovan är sättet för bockning när maskinen är nära sin tjockleksgräns.Om ett ännu tjockare arbetsstycke prövas så lyfter naturligtvis klämman av.
Detta diagram antyder att om spännbygelns noskant var avrundad lite, snarare än skarp, skulle luftgapet för tjock böjning minska.
Detta är faktiskt fallet och en korrekt gjord Magnabend kommer att ha en klämbygel med en avrundad kant.(En avrundad kant är också mycket mindre benägen för oavsiktlig skada jämfört med en skarp kant).
Marginalt läge för böjningsfel:
Om en bockning görs på ett mycket tjockt arbetsstycke kommer maskinen att misslyckas med att böja det eftersom spännbygeln helt enkelt lyfts av.(Lyckligtvis sker detta inte på ett dramatiskt sätt, spännbygeln släpper bara tyst).
Men om böjningsbelastningen bara är något större än magnetens böjkapacitet är det som i allmänhet händer att böjningen fortsätter till att säga cirka 60 grader och då börjar klämman att glida bakåt.I detta felläge kan magneten endast motstå böjbelastningen indirekt genom att skapa friktion mellan arbetsstycket och magnetens bädd.
Tjockleksskillnaden mellan ett fel på grund av lyftning och ett fel på grund av glidning är i allmänhet inte särskilt stor.
Avlyftningsfel beror på att arbetsstycket lyfter klämmans framkant uppåt.Spännkraften i framkanten av spännbygeln är främst det som står emot detta.Klämning i bakkant har liten effekt eftersom det är nära där spännbygeln svängs.I själva verket är det bara hälften av den totala klämkraften som motstår lyftning.
Å andra sidan motstås glidning av den totala klämkraften men endast via friktion så det faktiska motståndet beror på friktionskoefficienten mellan arbetsstycket och magnetens yta.
För rent och torrt stål kan friktionskoefficienten vara så hög som 0,8 men om smörjning finns kan den vara så låg som 0,2.Vanligtvis kommer det att vara någonstans däremellan så att det marginella böjningsfelet vanligtvis beror på glidning, men försök att öka friktionen på magnetens yta har visat sig inte löna sig.
Tjocklek Kapacitet:
För en magnetkropp av E-typ som är 98 mm bred och 48 mm djup och med en spole på 3 800 ampere, är böjkapaciteten i full längd 1,6 mm.Denna tjocklek gäller både stålplåt och aluminiumplåt.Det blir mindre klämning på aluminiumplåten men det kräver mindre vridmoment att böja den så detta kompenserar på ett sådant sätt att det ger liknande måttkapacitet för båda typerna av metall.
Det måste finnas några förbehåll för den angivna böjkapaciteten: Den viktigaste är att plåtens sträckgräns kan variera kraftigt.Kapaciteten på 1,6 mm gäller för stål med en sträckgräns på upp till 250 MPa och för aluminium med en sträckgräns upp till 140 MPa.
Tjocklekskapaciteten i rostfritt stål är ca 1,0 mm.Denna kapacitet är betydligt mindre än för de flesta andra metaller eftersom rostfritt stål vanligtvis är omagnetiskt och ändå har en lagom hög sträckgräns.
En annan faktor är temperaturen på magneten.Om magneten har fått bli varm blir spolens resistans högre och det i sin tur gör att den drar mindre ström med påföljande lägre amperevarv och lägre klämkraft.(Denna effekt är vanligtvis ganska måttlig och kommer sannolikt inte att göra att maskinen inte uppfyller sina specifikationer).
Slutligen kunde tjockare Magnabends göras om magnetens tvärsnitt gjordes större.