MAGNABEND - CIRCUITWERKING
De Magnabend plaatvouwer is ontworpen als een DC-klemelektromagneet.
De eenvoudigste schakeling die nodig is om de elektromagnetische spoel aan te drijven, bestaat alleen uit een schakelaar en een bruggelijkrichter:
Figuur 1: Minimaal circuit:
Opgemerkt moet worden dat de AAN/UIT-schakelaar aan de AC-zijde van het circuit is aangesloten.Hierdoor kan de stroom van de inductieve spoel na het uitschakelen door de diodes in de bruggelijkrichter circuleren totdat de stroom exponentieel tot nul afneemt.
(De diodes in de brug werken als "terugvliegende" diodes).
Voor een veiligere en gemakkelijkere bediening is het wenselijk om een circuit te hebben dat een 2-hands vergrendeling biedt en ook 2-traps klemming.De vergrendeling met twee handen helpt ervoor te zorgen dat vingers niet onder de klembalk kunnen komen en de getrapte klemming zorgt voor een zachtere start en maakt het ook mogelijk om met één hand dingen op hun plaats te houden totdat de voorklemming wordt geactiveerd.
Figuur 2: Circuit met vergrendeling en 2-traps klemming:
Wanneer de START-knop wordt ingedrukt, wordt via de AC-condensator een kleine spanning aan de magneetspoel geleverd, waardoor een licht klemeffect ontstaat.Deze reactieve methode om de stroom naar de spoel te beperken, brengt geen significante vermogensdissipatie met zich mee in het begrenzingsapparaat (de condensator).
Volledige klemming wordt verkregen wanneer zowel de Bending Beam-bediende schakelaar als de START-knop samen worden bediend.
Meestal wordt eerst de START-knop ingedrukt (met de linkerhand) en vervolgens wordt met de andere hand aan de hendel van de buigbalk getrokken.Volledige klemming zal niet plaatsvinden tenzij er enige overlap is in de werking van de 2 schakelaars.Als de klem eenmaal volledig is vastgeklemd, is het echter niet nodig om de START-knop ingedrukt te houden.
Restmagnetisme
Een klein maar belangrijk probleem met de Magnabend-machine, zoals met de meeste elektromagneten, is het probleem van restmagnetisme.Dit is de kleine hoeveelheid magnetisme die overblijft nadat de magneet is uitgeschakeld.Het zorgt ervoor dat de klemstaven zwak op het magneetlichaam geklemd blijven, waardoor het verwijderen van het werkstuk moeilijk wordt.
Het gebruik van magnetisch zacht ijzer is een van de vele mogelijke benaderingen om restmagnetisme te overwinnen.
Dit materiaal is echter moeilijk verkrijgbaar in voorraadmaten en het is ook fysiek zacht, wat betekent dat het gemakkelijk beschadigd zou raken in een buigmachine.
Het opnemen van een niet-magnetische spleet in het magnetische circuit is misschien wel de eenvoudigste manier om overblijvend magnetisme te verminderen.Deze methode is effectief en vrij eenvoudig uit te voeren in een gefabriceerd magneetlichaam - plaats gewoon een stuk karton of aluminium van ongeveer 0,2 mm dik tussen bijvoorbeeld de voorste pool en het kernstuk voordat u de magneetdelen aan elkaar vastschroeft.Het belangrijkste nadeel van deze methode is dat de niet-magnetische spleet de beschikbare flux voor volledige klemming vermindert.Het is ook niet eenvoudig om de opening op te nemen in een magneetlichaam uit één stuk, zoals gebruikt voor het E-type magneetontwerp.
Een tegengesteld voorspanningsveld, geproduceerd door een hulpspoel, is ook een effectieve methode.Maar het brengt ongerechtvaardigde extra complexiteit met zich mee bij de vervaardiging van de spoel en ook bij de besturingsschakelingen, hoewel het kort werd gebruikt in een vroeg Magnabend-ontwerp.
Een afnemende oscillatie ("rinkelen") is conceptueel een zeer goede methode voor demagnetiseren.
Deze oscilloscoopfoto's tonen de spanning (bovenste spoor) en stroom (onderste spoor) in een Magnabend-spoel met een geschikte condensator eroverheen om hem zelf te laten oscilleren.(De AC-voeding is ongeveer in het midden van de foto uitgeschakeld).
De eerste afbeelding is voor een open magnetisch circuit, dat wil zeggen zonder klembalk op de magneet.De tweede afbeelding is voor een gesloten magnetisch circuit, dat wil zeggen met een volledige klembalk op de magneet.
Op de eerste foto vertoont de spanning afnemende oscillatie (rinkelen) en de stroom ook (onderste spoor), maar op de tweede foto oscilleert de spanning niet en slaagt de stroom er niet eens in om helemaal om te keren.Dit betekent dat er geen oscillatie van de magnetische flux zou zijn en dus geen opheffing van restmagnetisme.
Het probleem is dat de magneet te zwaar gedempt is, voornamelijk door wervelstroomverliezen in het staal, en daarom werkt deze methode helaas niet voor de Magnabend.
Geforceerde oscillatie is nog een ander idee.Als de magneet te gedempt is om zelf te oscilleren, kan deze worden gedwongen om te oscilleren door actieve circuits die naar behoefte energie leveren.Ook voor de Magnabend is dit grondig onderzocht.Het belangrijkste nadeel is dat het te gecompliceerde schakelingen met zich meebrengt.
Demagnetiseren met omgekeerde puls is de methode die voor de Magnabend het meest kosteneffectief is gebleken.De details van dit ontwerp vertegenwoordigen origineel werk uitgevoerd door Magnetic Engineering Pty Ltd. Een gedetailleerde bespreking volgt:
REVERSE-PULSE DEMAGNETISERING
De essentie van dit idee is om energie op te slaan in een condensator en deze vervolgens vrij te geven in de spoel net nadat de magneet is uitgeschakeld.De polariteit moet zodanig zijn dat de condensator een tegenstroom in de spoel zal induceren.De hoeveelheid energie die in de condensator is opgeslagen, kan worden aangepast om net voldoende te zijn om het restmagnetisme op te heffen.(Te veel energie kan het overdrijven en de magneet in de tegenovergestelde richting opnieuw magnetiseren).
Een ander voordeel van de omgekeerde pulsmethode is dat deze zeer snel demagnetiseert en een vrijwel onmiddellijke loslating van de klembalk van de magneet oplevert.Dit komt omdat het niet nodig is om te wachten tot de spoelstroom tot nul is afgenomen voordat de omgekeerde puls wordt aangesloten.Bij toepassing van de puls wordt de spoelstroom veel sneller naar nul gedwongen (en vervolgens omgekeerd) dan het normale exponentiële verval zou zijn geweest.
Figuur 3: Basiscircuit met omgekeerde puls
Normaal gesproken is het plaatsen van een schakelcontact tussen de gelijkrichter en de magneetspoel "spelen met vuur".
Dit komt omdat een inductieve stroom niet plotseling kan worden onderbroken.Als dit het geval is, zullen de schakelaarcontacten vonken en zal de schakelaar beschadigd of zelfs volledig vernietigd worden.(Het mechanische equivalent zou proberen een vliegwiel plotseling te stoppen).
Dus welk circuit er ook wordt bedacht, het moet te allen tijde een effectief pad bieden voor de spoelstroom, ook gedurende de paar milliseconden terwijl een schakelcontact wisselt.
Het bovenstaande circuit, dat uit slechts 2 condensatoren en 2 diodes (plus een relaiscontact) bestaat, bereikt de functies van het opladen van de opslagcondensator tot een negatieve spanning (ten opzichte van de referentiezijde van de spoel) en biedt ook een alternatief pad voor spoel stroom terwijl het relaiscontact on the fly is.
Hoe het werkt:
In grote lijnen fungeren D1 en C2 als een ladingspomp voor C1, terwijl D2 een klemdiode is die ervoor zorgt dat punt B niet positief wordt.
Terwijl de magneet AAN is, is het relaiscontact verbonden met de "normaal open" (NO) aansluiting en de magneet zal zijn normale werk doen door plaatwerk vast te klemmen.De ladingspomp zal C1 opladen naar een negatieve piekspanning die even groot is als de piekspanning van de spoel.De spanning op C1 zal exponentieel toenemen, maar hij zal binnen ongeveer 1/2 seconde volledig opgeladen zijn.
Het blijft dan in die toestand totdat de machine wordt uitgeschakeld.
Direct na het uitschakelen houdt het relais korte tijd vast.Gedurende deze tijd zal de sterk inductieve spoelstroom blijven recirculeren door de diodes in de bruggelijkrichter.Nu zal na een vertraging van ongeveer 30 milliseconden het relaiscontact beginnen te scheiden.De spoelstroom kan niet meer door de gelijkrichterdioden maar vindt een weg door C1, D1 en C2.De richting van deze stroom is zodanig dat de negatieve lading op C1 verder zal toenemen en C2 zal ook beginnen op te laden.
De waarde van C2 moet groot genoeg zijn om de snelheid van de spanningsstijging over het openende relaiscontact te regelen om ervoor te zorgen dat er geen boog ontstaat.Een waarde van ongeveer 5 microfarad per ampère spoelstroom is voldoende voor een typisch relais.
Afbeelding 4 hieronder toont details van de golfvormen die optreden tijdens de eerste halve seconde na het uitschakelen.De spanningshelling die wordt bestuurd door C2 is duidelijk zichtbaar op het rode spoor in het midden van de figuur, het is gelabeld "Relay contact on the fly".(Uit dit spoor kan de daadwerkelijke overvliegtijd worden afgeleid; deze is ongeveer 1,5 ms).
Zodra het relaisanker op zijn NC-klem terechtkomt, wordt de negatief geladen opslagcondensator met de magneetspoel verbonden.Dit keert de spoelstroom niet onmiddellijk om, maar de stroom loopt nu "bergopwaarts" en wordt dus snel door nul geforceerd naar een negatieve piek die ongeveer 80 ms na het aansluiten van de opslagcondensator optreedt.(Zie afbeelding 5).De negatieve stroom veroorzaakt een negatieve flux in de magneet, waardoor het restmagnetisme wordt opgeheven en de klembalk en het werkstuk snel worden losgelaten.
Figuur 4: uitgebreide golfvormen
Figuur 5: Spannings- en stroomgolfvormen op magneetspoel
Afbeelding 5 hierboven toont de spannings- en stroomgolfvormen op de magneetspoel tijdens de pre-clamping-fase, de volledige clamping-fase en de demagnetiseringsfase.
Aangenomen wordt dat de eenvoud en effectiviteit van dit demagnetiserende circuit zou moeten betekenen dat het toepassing zal vinden in andere elektromagneten die moeten worden gedemagnetiseerd.Zelfs als restmagnetisme geen probleem is, kan deze schakeling nog steeds erg nuttig zijn om de spoelstroom zeer snel naar nul te commuteren en dus snel vrij te geven.
Praktisch Magnabend-circuit:
De hierboven besproken circuitconcepten kunnen worden gecombineerd tot een volledig circuit met zowel een 2-handsvergrendeling als demagnetisering met omgekeerde puls, zoals hieronder weergegeven (Afbeelding 6):
Figuur 6: gecombineerd circuit
Dit circuit zal werken, maar helaas is het enigszins onbetrouwbaar.
Voor een betrouwbare werking en een langere levensduur van de schakelaar is het noodzakelijk om enkele extra componenten aan het basiscircuit toe te voegen, zoals hieronder weergegeven (afbeelding 7):
Figuur 7: Gecombineerd circuit met verfijningen
SW1:
Dit is een 2-polige scheidingsschakelaar.Het is toegevoegd voor het gemak en om te voldoen aan elektrische normen.Het is ook wenselijk dat deze schakelaar een neon-indicatielampje bevat om de AAN/UIT-status van het circuit aan te geven.
D3 en C4:
Zonder D3 is de vergrendeling van het relais onbetrouwbaar en hangt het enigszins af van de fasering van de netgolfvorm op het moment dat de buigstraalschakelaar in werking treedt.D3 introduceert een vertraging (typisch 30 milliseconden) in het uitvallen van het relais.Dit lost het vergrendelingsprobleem op en het is ook gunstig om een uitvalvertraging te hebben vlak voor het begin van de demagnetiseringspuls (later in de cyclus).C4 zorgt voor AC-koppeling van het relaiscircuit, wat anders een halve golf kortsluiting zou zijn wanneer de START-knop werd ingedrukt.
THERM.SCHAKELAAR:
Deze schakelaar heeft zijn behuizing in contact met het magneetlichaam en zal open gaan als de magneet te heet wordt (>70 C).Door hem in serie te zetten met de relaisspoel hoeft hij alleen de kleine stroom door de relaisspoel te schakelen in plaats van de volle magneetstroom.
R2:
Wanneer de START-knop wordt ingedrukt, trekt het relais in en dan zal er een inschakelstroom zijn die C3 oplaadt via de bruggelijkrichter, C2 en diode D2.Zonder R2 zou er geen weerstand zijn in dit circuit en de resulterende hoge stroom zou de contacten in de START-schakelaar kunnen beschadigen.
Er is ook een andere circuitconditie waarbij R2 bescherming biedt: als de buigstraalschakelaar (SW2) van de NO-aansluiting (waar hij de volledige magneetstroom zou dragen) naar de NC-aansluiting beweegt, ontstaat er vaak een boog en als de De START-schakelaar werd op dat moment nog steeds vastgehouden, dan zou C3 in feite worden kortgesloten en, afhankelijk van hoeveel spanning er op C3 stond, zou dit SW2 kunnen beschadigen.Maar nogmaals, R2 zou deze kortsluitstroom beperken tot een veilige waarde.R2 heeft slechts een lage weerstandswaarde nodig (typisch 2 ohm) om voldoende bescherming te bieden.
varistoren:
De varistor, die is aangesloten tussen de AC-klemmen van de gelijkrichter, doet normaal gesproken niets.Maar als er een overspanning op het net is (door bijvoorbeeld een blikseminslag in de buurt), dan zal de varistor de energie in de overspanning absorberen en voorkomen dat de spanningspiek de bruggelijkrichter beschadigt.
R1:
Als de START-knop zou worden ingedrukt tijdens een demagnetiseringspuls, zou dit waarschijnlijk een boog veroorzaken bij het relaiscontact, wat op zijn beurt C1 (de opslagcondensator) vrijwel zou kortsluiten.De condensatorenergie zou worden gedumpt in het circuit bestaande uit C1, de bruggelijkrichter en de boog in het relais.Zonder R1 is er heel weinig weerstand in dit circuit en dus zou de stroom erg hoog zijn en voldoende om de contacten in het relais te lassen.R1 biedt bescherming in deze (enigszins ongebruikelijke) mogelijkheid.
Speciale opmerking over keuze van R1:
Als de hierboven beschreven mogelijkheid zich voordoet, zal R1 vrijwel alle energie absorberen die in C1 was opgeslagen, ongeacht de werkelijke waarde van R1.We willen dat R1 groot is in vergelijking met andere circuitweerstanden, maar klein in vergelijking met de weerstand van de Magnabend-spoel (anders zou R1 de effectiviteit van de demagnetiseringspuls verminderen).Een waarde van ongeveer 5 tot 10 ohm zou geschikt zijn, maar welk vermogen moet R1 hebben?Wat we echt moeten specificeren, is het pulsvermogen of de energieclassificatie van de weerstand.Maar deze eigenschap wordt meestal niet gespecificeerd voor vermogensweerstanden.Vermogensweerstanden met een lage waarde zijn meestal draadgewonden en we hebben vastgesteld dat de kritische factor waarnaar in deze weerstand moet worden gezocht, de hoeveelheid daadwerkelijke draad is die in de constructie wordt gebruikt.U moet een voorbeeldweerstand openbreken en de meter en de lengte van de gebruikte draad meten.Bereken hieruit het totale volume van de draad en kies vervolgens een weerstand met minimaal 20 mm3 draad.
(Een weerstand van 6,8 ohm/11 watt van RS Components bleek bijvoorbeeld een draadvolume van 24 mm3 te hebben).
Gelukkig zijn deze extra componenten klein van formaat en kosten ze dus slechts een paar dollar aan de totale kosten van de Magnabend-elektriciteit.
Er is een extra stukje circuit dat nog niet is besproken.Hiermee wordt een relatief klein probleem opgelost:
Als de START-knop wordt ingedrukt en niet wordt gevolgd door aan de hendel te trekken (wat anders volledige klemming zou geven), zal de opslagcondensator niet volledig worden opgeladen en zal de demagnetiseringspuls die ontstaat bij het loslaten van de START-knop de machine niet volledig demagnetiseren .De klembalk zou dan aan de machine blijven plakken en dat zou vervelend zijn.
De toevoeging van D4 en R3, weergegeven in blauw in Afbeelding 8 hieronder, voedt een geschikte golfvorm in het laadpompcircuit om ervoor te zorgen dat C1 wordt opgeladen, zelfs als er geen volledige klemming wordt toegepast.(De waarde van R3 is niet kritisch - 220 ohm/10 watt zou geschikt zijn voor de meeste machines).
Afbeelding 8: Schakeling met alleen demagnetiseren na "START":
Raadpleeg voor meer informatie over circuitcomponenten het gedeelte Componenten in "Bouw je eigen Magnabend"
Ter referentie worden hieronder de volledige schakelschema's van 240 Volt AC, E-Type Magnabend-machines vervaardigd door Magnetic Engineering Pty Ltd weergegeven.
Houd er rekening mee dat voor gebruik op 115 VAC veel componentwaarden moeten worden gewijzigd.
Magnetic Engineering stopte met de productie van Magnabend-machines in 2003 toen het bedrijf werd verkocht.
Opmerking: de bovenstaande bespreking was bedoeld om de belangrijkste principes van de circuitwerking uit te leggen en niet alle details zijn behandeld.De hierboven getoonde volledige circuits zijn ook opgenomen in de Magnabend-handleidingen die elders op deze site beschikbaar zijn.
Er moet ook worden opgemerkt dat we volledig solid-state versies van dit circuit hebben ontwikkeld die IGBT's gebruikten in plaats van een relais om de stroom te schakelen.
Het solid-state circuit werd nooit gebruikt in Magnabend-machines, maar werd gebruikt voor speciale magneten die we maakten voor productielijnen.Deze productielijnen produceerden doorgaans 5.000 artikelen (zoals een koelkastdeur) per dag.
Magnetic Engineering stopte met de productie van Magnabend-machines in 2003 toen het bedrijf werd verkocht.
Gebruik de link Contact Alan op deze site voor meer informatie.