MAGNABEND - ZÁKLADNÉ DIZAJNOVÉ ÚVAHY
Základný dizajn magnetu
Stroj Magnabend je navrhnutý ako výkonný jednosmerný magnet s obmedzeným pracovným cyklom.
Stroj sa skladá z 3 základných častí:-
Teleso magnetu, ktoré tvorí základ stroja a obsahuje cievku elektromagnetu.
Upínacia lišta, ktorá poskytuje dráhu pre magnetický tok medzi pólmi magnetickej základne, a tým upína plechový obrobok.
Ohýbací nosník, ktorý je otočený k prednému okraju telesa magnetu a poskytuje prostriedok na aplikáciu ohýbacej sily na obrobok.
Konfigurácie telesa magnetu
Pre teleso magnetu sú možné rôzne konfigurácie.
Tu sú 2, ktoré boli použité pre stroje Magnabend:
Prerušované červené čiary na obrázkoch vyššie predstavujú dráhy magnetického toku.Všimnite si, že dizajn "U-Type" má jednu dráhu toku (1 pár pólov), zatiaľ čo dizajn "E-Type" má 2 dráhy toku (2 páry pólov).
Porovnanie konfigurácie magnetu:
Konfigurácia typu E je efektívnejšia ako konfigurácia typu U.
Aby ste pochopili, prečo je to tak, zvážte dva nákresy nižšie.
Na ľavej strane je prierez magnetom typu U a na pravej strane je magnet typu E, ktorý bol vyrobený kombináciou 2 rovnakých typov U.Ak je každá konfigurácia magnetu poháňaná cievkou s rovnakými ampérovými otáčkami, potom bude mať zdvojený magnet (typ E) dvojnásobnú upínaciu silu.Tiež používa dvakrát toľko ocele, ale sotva viac drôtu na cievku!(Za predpokladu konštrukcie dlhej cievky).
(Malé množstvo extra drôtu by bolo potrebné len preto, že 2 dve ramená cievky sú ďalej od seba v dizajne "E", ale tento extra sa stáva bezvýznamným v dizajne s dlhou cievkou, aký sa používa pre Magnabend).
Super Magnabend:
Na vytvorenie ešte výkonnejšieho magnetu môže byť koncept „E“ rozšírený, ako napríklad táto konfigurácia s dvojitým E:
3-D model:
Nižšie je 3-D výkres zobrazujúci základné usporiadanie častí v magnete typu U:
V tomto dizajne sú predné a zadné póly samostatné kusy a sú pripevnené skrutkami k jadru.
Aj keď v princípe by bolo možné opracovať teleso magnetu typu U z jedného kusu ocele, potom by nebolo možné inštalovať cievku a cievka by sa tak musela navíjať in situ (na opracované teleso magnetu ).
Vo výrobnej situácii je veľmi žiaduce, aby bolo možné cievky navíjať oddelene (na špeciálny formovač).Dizajn typu U teda efektívne diktuje vyrobenú konštrukciu.
Na druhej strane, dizajn typu E sa dobre hodí k telu magnetu vyrobenému z jedného kusu ocele, pretože po opracovaní telesa magnetu možno ľahko nainštalovať vopred vyrobenú cievku.Jednodielne telo magnetu funguje lepšie aj magneticky, pretože nemá žiadne konštrukčné medzery, ktoré by inak trochu znížili magnetický tok (a tým aj upínaciu silu).
(Väčšina Magnabends vyrobených po roku 1990 využívala dizajn typu E).
Výber materiálu na konštrukciu magnetu
Teleso magnetu a svorka musia byť vyrobené z feromagnetického (magnetizovateľného) materiálu.Oceľ je zďaleka najlacnejší feromagnetický materiál a je jasnou voľbou.Existujú však rôzne dostupné špeciálne ocele, ktoré je možné zvážiť.
1) Kremíková oceľ: Oceľ s vysokým odporom, ktorá je zvyčajne dostupná v tenkých lamináciách a používa sa v AC transformátoroch, AC magnetoch, relé atď. Jej vlastnosti sa nevyžadujú pre Magnabend, čo je jednosmerný magnet.
2) Mäkké železo: Tento materiál by vykazoval nižší zvyškový magnetizmus, čo by bolo dobré pre stroj Magnabend, ale je fyzicky mäkké, čo by znamenalo, že by sa ľahko pretlačil a poškodil;je lepšie vyriešiť problém zvyškového magnetizmu iným spôsobom.
3) Liatina: Nie je tak ľahko magnetizovateľná ako valcovaná oceľ, ale mohla by sa zvážiť.
4) Nerezová oceľ Typ 416: Nedá sa magnetizovať tak silno ako oceľ a je oveľa drahšia (ale môže byť užitočná pre tenkú ochrannú kryciu plochu na tele magnetu).
5) Nerezová oceľ typu 316: Ide o nemagnetickú zliatinu ocele, a preto nie je vôbec vhodná (okrem bodu 4 vyššie).
6) Stredne uhlíková oceľ, typ K1045 : Tento materiál je mimoriadne vhodný na konštrukciu magnetu (a iných častí stroja).V dodanom stave je primerane tvrdý a dobre sa aj obrába.
7) Stredne uhlíková oceľ typu CS1020: Táto oceľ nie je taká tvrdá ako K1045, ale je ľahšie dostupná, a preto môže byť najpraktickejšou voľbou pre konštrukciu stroja Magnabend.
Upozorňujeme, že dôležité vlastnosti, ktoré sa vyžadujú, sú:
Vysoká saturačná magnetizácia.(Väčšina zliatin ocele sa nasýti približne pri 2 Tesla),
Dostupnosť užitočných veľkostí sekcií,
Odolnosť proti náhodnému poškodeniu,
Obrobiteľnosť a
Primerané náklady.
Stredne uhlíková oceľ spĺňa všetky tieto požiadavky.Možno použiť aj nízkouhlíkovú oceľ, ale je menej odolná voči náhodnému poškodeniu.Existujú aj iné špeciálne zliatiny, ako napríklad supermendur, ktoré majú vyššiu saturačnú magnetizáciu, ale neprichádzajú do úvahy kvôli ich veľmi vysokým nákladom v porovnaní s oceľou.
Stredne uhlíková oceľ však vykazuje určitý zvyškový magnetizmus, ktorý je dostatočný na obťažovanie.(Pozri časť o zvyškovom magnetizme).
The Coil
Cievka je to, čo poháňa magnetizačný tok cez elektromagnet.Jeho magnetizačná sila je len súčinom počtu závitov (N) a prúdu cievky (I).takto:
N = počet závitov
I = prúd vo vinutí.
Výskyt "N" vo vyššie uvedenom vzorci vedie k bežnej mylnej predstave.
Všeobecne sa predpokladá, že zvýšenie počtu závitov zvýši magnetizačnú silu, ale vo všeobecnosti sa to nestane, pretože ďalšie závity tiež znížia prúd, I.
Zvážte cievku napájanú pevným jednosmerným napätím.Ak sa počet závitov zdvojnásobí, odpor vinutia sa tiež zdvojnásobí (v dlhej cievke) a tým sa prúd zníži na polovicu.Čistým efektom nie je zvýšenie NI.
To, čo skutočne určuje NI, je odpor na otáčku.Na zvýšenie NI sa teda musí zväčšiť hrúbka drôtu.Hodnota extra závitov je v tom, že znižujú prúd a tým aj stratu energie v cievke.
Konštruktér by si mal uvedomiť, že meradlo drôtu je to, čo skutočne určuje magnetizačnú silu cievky.Toto je najdôležitejší parameter konštrukcie cievky.
Produkt NI sa často označuje ako "ampérové otáčky" cievky.
Koľko ampérových otáčok je potrebných?
Oceľ vykazuje saturačnú magnetizáciu približne 2 Tesla, čo stanovuje základnú hranicu toho, akú upínaciu silu možno dosiahnuť.
Z vyššie uvedeného grafu vidíme, že intenzita poľa potrebná na dosiahnutie hustoty toku 2 Tesla je asi 20 000 ampér-závitov na meter.
Teraz pre typický dizajn Magnabend je dĺžka dráhy toku v oceli asi 1/5 metra, a preto bude vyžadovať (20 000/5) AT na vytvorenie nasýtenia, čo je asi 4 000 AT.
Bolo by pekné mať oveľa viac ampérových závitov, aby sa saturačná magnetizácia mohla zachovať aj vtedy, keď sú do magnetického obvodu vložené nemagnetické medzery (tj neželezné obrobky).Extra ampérové otáčky však možno získať len za značné náklady na stratový výkon alebo náklady na medený drôt alebo oboje.Preto je potrebný kompromis.
Typické konštrukcie Magnabend majú cievku, ktorá produkuje 3 800 ampérových závitov.
Upozorňujeme, že tento údaj nezávisí od dĺžky stroja.Ak sa rovnaký magnetický dizajn použije na celý rad dĺžok stroja, potom to znamená, že dlhšie stroje budú mať menej závitov hrubšieho drôtu.Budú odoberať viac celkového prúdu, ale budú mať rovnaký súčin ampérov x závitov a budú mať rovnakú zvieraciu silu (a rovnaký stratový výkon) na jednotku dĺžky.
Pracovný cyklus
Koncept pracovného cyklu je veľmi dôležitým aspektom konštrukcie elektromagnetu.Ak konštrukcia poskytuje väčší pracovný cyklus, ako je potrebné, potom to nie je optimálne.Väčší pracovný cyklus vo svojej podstate znamená, že bude potrebné viac medeného drôtu (s následnými vyššími nákladmi) a/alebo bude k dispozícii menšia upínacia sila.
Poznámka: Magnet s vyšším pracovným cyklom bude mať menšiu stratu energie, čo znamená, že spotrebuje menej energie, a preto bude jeho prevádzka lacnejšia.Pretože je však magnet ZAPNUTÝ len na krátku dobu, potom sa prevádzkové náklady na energiu zvyčajne považujú za veľmi málo významné.Konštrukčným prístupom je teda dosiahnuť čo najväčší rozptyl energie, pokiaľ ide o neprehrievanie vinutia cievky.(Tento prístup je spoločný pre väčšinu návrhov elektromagnetov).
Magnabend je navrhnutý pre nominálny pracovný cyklus približne 25 %.
Ohyb zvyčajne trvá len 2 alebo 3 sekundy.Magnet sa potom vypne na ďalších 8 až 10 sekúnd, kým sa obrobok premiestni a zarovná pripravený na ďalší ohyb.Ak sa prekročí pracovný cyklus 25 %, magnet sa nakoniec príliš zahreje a dôjde k tepelnému preťaženiu.Magnet sa nepoškodí, ale pred opätovným použitím ho musíte nechať vychladnúť asi 30 minút.
Prevádzkové skúsenosti so strojmi v teréne ukázali, že 25 % pracovný cyklus je pre typických používateľov celkom primeraný.V skutočnosti niektorí používatelia požadovali voliteľné vysokovýkonné verzie stroja, ktoré majú väčšiu upínaciu silu na úkor menšieho pracovného cyklu.
Prierezová plocha cievky
Prierez dostupný pre cievku určí maximálne množstvo medeného drôtu, ktorý je možné namontovať. Dostupná plocha by nemala byť väčšia, ako je potrebné, v súlade s požadovanými ampérovými otáčkami a stratovým výkonom.Poskytnutím väčšieho priestoru pre cievku sa nevyhnutne zväčší veľkosť magnetu a výsledkom bude väčšia dĺžka dráhy toku v oceli (čo zníži celkový tok).
Z rovnakého argumentu vyplýva, že nech je v konštrukcii poskytnutý akýkoľvek priestor cievky, mal by byť vždy plný medeného drôtu.Ak nie je plný, znamená to, že geometria magnetu mohla byť lepšia.
Magnabend upínacia sila:
Nižšie uvedený graf bol získaný experimentálnymi meraniami, ale celkom dobre súhlasí s teoretickými výpočtami.
Upínaciu silu možno matematicky vypočítať z tohto vzorca:
F = sila v Newtonoch
B = hustota magnetického toku v Tesle
A = plocha pólov v m2
µ0 = konštanta magnetickej permeability, (4π x 10-7)
Ako príklad vypočítame upínaciu silu pre hustotu toku 2 Tesla:
F = 1/2 (2)2 A/u0
Pre silu na jednotku plochy (tlaku) môžeme vypustiť „A“ vo vzorci.
Tlak = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
To vychádza na 1 590 000 N/m2.
Na prevod na kilogramovú silu ju možno vydeliť g (9,81).
Teda: Tlak = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
To dosť dobre súhlasí s nameranou silou pre nulovú medzeru znázornenou na vyššie uvedenom grafe.
Tento údaj možno jednoducho previesť na celkovú upínaciu silu pre daný stroj vynásobením plochy pólov stroja.Pre model 1250E je plocha pólov 125 (1,4+3,0+1,5) = 735 cm2.
Celková sila s nulovou medzerou by teda bola (735 x 16,2) = 11 900 kg alebo 11,9 tony;približne 9,5 tony na meter dĺžky magnetu.
Hustota toku a upínací tlak spolu priamo súvisia a sú uvedené v grafe nižšie:
Praktická upínacia sila:
V praxi sa táto vysoká upínacia sila realizuje len vtedy, keď nie je potrebná(!), teda pri ohýbaní tenkých oceľových obrobkov.Pri ohýbaní neželezných obrobkov bude sila menšia, ako je znázornené na grafe vyššie, a (trochu zvedavo) je menšia aj pri ohýbaní hrubých oceľových obrobkov.Je to preto, že upínacia sila potrebná na vytvorenie ostrého ohybu je oveľa vyššia ako sila potrebná pre polomer ohybu.Čo sa teda stane, je to, že ako ohyb postupuje, predná hrana upínacej lišty sa mierne zdvihne, čím umožní obrobku vytvoriť polomer.
Malá vzduchová medzera, ktorá sa vytvorí, spôsobuje miernu stratu upínacej sily, ale sila potrebná na vytvorenie polomerového ohybu klesla prudšie ako upínacia sila magnetu.Výsledkom je stabilná situácia a svorka nepustí.
To, čo je opísané vyššie, je režim ohýbania, keď je stroj blízko hranice svojej hrúbky.Ak skúšate ešte hrubší obrobok, potom sa samozrejme upínacia lišta zdvihne.
Tento diagram naznačuje, že ak by bol okraj prednej časti svorky trochu zaoblený, a nie ostrý, potom by sa vzduchová medzera pre hrubé ohýbanie zmenšila.
V skutočnosti je to tak a správne vyrobený Magnabend bude mať svorku so zaobleným okrajom.(Zaoblená hrana je tiež oveľa menej náchylná na náhodné poškodenie v porovnaní s ostrou hranou).
Hraničný spôsob zlyhania ohybu:
Ak sa pokúsite o ohýbanie veľmi hrubého obrobku, stroj ho neohne, pretože upínacia lišta sa jednoducho zdvihne.(Našťastie sa to nedeje nijako dramaticky, svorka len potichu povolí).
Ak je však ohybové zaťaženie len o málo väčšie ako ohybová kapacita magnetu, vo všeobecnosti sa stane, že ohyb bude pokračovať asi o 60 stupňov a potom sa svorka začne posúvať dozadu.V tomto režime poruchy môže magnet odolávať ohybovému zaťaženiu len nepriamo vytváraním trenia medzi obrobkom a lôžkom magnetu.
Rozdiel v hrúbke medzi poruchou v dôsledku zdvihnutia a poruchou v dôsledku kĺzania nie je vo všeobecnosti príliš veľký.
Zlyhanie pri zdvíhaní je spôsobené tým, že obrobok vypáči prednú hranu upínacej lišty smerom nahor.Tomuto odolá hlavne upínacia sila na prednej hrane svorky.Upínanie na zadnej hrane má malý účinok, pretože je blízko miesta, kde sa otáča upínacia lišta.V skutočnosti je to len polovica celkovej upínacej sily, ktorá odoláva zdvihnutiu.
Na druhej strane skĺznutiu bráni celková upínacia sila, ale iba prostredníctvom trenia, takže skutočný odpor závisí od koeficientu trenia medzi obrobkom a povrchom magnetu.
Pre čistú a suchú oceľ môže byť koeficient trenia až 0,8, ale ak je prítomné mazanie, môže byť až 0,2.Typicky to bude niekde medzi tým, že okrajový spôsob zlyhania ohybu je zvyčajne spôsobený kĺzaním, ale zistilo sa, že pokusy o zvýšenie trenia na povrchu magnetu nie sú užitočné.
Hrúbka kapacita:
Pre telo magnetu typu E so šírkou 98 mm a hĺbkou 48 mm a s 3800 ampérovou závitovou cievkou je kapacita ohybu po celej dĺžke 1,6 mm.Táto hrúbka platí pre oceľový plech aj hliníkový plech.Hliníkový plech bude menej upnutý, ale jeho ohýbanie si vyžaduje menší krútiaci moment, takže sa to kompenzuje takým spôsobom, že poskytuje podobnú meraciu kapacitu pre oba typy kovov.
Existuje niekoľko upozornení na uvedenú kapacitu ohybu: Hlavná je, že medza klzu plechu sa môže značne líšiť.Kapacita 1,6 mm platí pre oceľ s medzou klzu do 250 MPa a pre hliník s medzou klzu do 140 MPa.
Hrúbka nehrdzavejúcej ocele je približne 1,0 mm.Táto kapacita je výrazne nižšia ako u väčšiny ostatných kovov, pretože nehrdzavejúca oceľ je zvyčajne nemagnetická a napriek tomu má primerane vysokú medzu klzu.
Ďalším faktorom je teplota magnetu.Ak sa magnet nechá zahriať, odpor cievky bude vyšší a to následne spôsobí, že odoberie menej prúdu s následnými nižšími ampérzávitmi a nižšou zvieracou silou.(Tento efekt je zvyčajne dosť mierny a je nepravdepodobné, že by spôsobil, že stroj nebude spĺňať svoje špecifikácie).
Nakoniec by bolo možné vyrobiť Magnabends s hrubšou kapacitou, ak by bol prierez magnetu väčší.