MAGNABEND - FUNDAMENTELE ONTWERPOVERWEGINGEN
Basis magneetontwerp
De Magnabend-machine is ontworpen als een krachtige DC-magneet met een beperkte inschakelduur.
De machine bestaat uit 3 basisonderdelen: -
Het magneetlichaam dat de basis van de machine vormt en de elektromagneetspoel bevat.
De klembalk die zorgt voor een pad voor magnetische flux tussen de polen van de magneetbasis en klemt daardoor het plaatstalen werkstuk vast.
De buigbalk die naar de voorrand van het magneetlichaam is gezwenkt en een middel vormt voor het uitoefenen van buigkracht op het werkstuk.
Magneetlichaamconfiguraties
Voor het magneetlichaam zijn verschillende configuraties mogelijk.
Hier zijn er 2 die beide zijn gebruikt voor Magnabend-machines:
De gestippelde rode lijnen in de bovenstaande tekeningen vertegenwoordigen de magnetische fluxpaden.Merk op dat het "U-Type"-ontwerp een enkel fluxpad heeft (1 paar polen), terwijl het "E-Type"-ontwerp 2 fluxpaden heeft (2 paar polen).
Vergelijking magneetconfiguratie:
De E-type configuratie is efficiënter dan de U-type configuratie.
Bekijk de twee onderstaande tekeningen om te begrijpen waarom dit zo is.
Links is een doorsnede van een U-type magneet en rechts een E-type magneet die is gemaakt door 2 dezelfde U-types te combineren.Als elke magneetconfiguratie wordt aangedreven door een spoel met dezelfde ampère-windingen, dan zal de verdubbelde magneet (het E-type) duidelijk twee keer zoveel klemkracht hebben.Het gebruikt ook twee keer zoveel staal, maar nauwelijks meer draad voor de spoel!(Uitgaande van een ontwerp met een lange spoel).
(De kleine hoeveelheid extra draad zou alleen nodig zijn omdat de twee twee poten van de spoel verder uit elkaar liggen in het "E"-ontwerp, maar deze extra wordt onbeduidend in een lang spoelontwerp zoals gebruikt voor de Magnabend).
Super Magnabend:
Om een nog krachtigere magneet te bouwen, kan het "E"-concept worden uitgebreid, zoals deze dubbele E-configuratie:
3d model:
Hieronder ziet u een 3D-tekening die de basisrangschikking van onderdelen in een U-type magneet laat zien:
In dit ontwerp zijn de voor- en achterpalen afzonderlijke stukken en worden ze met bouten aan het kernstuk bevestigd.
Hoewel het in principe mogelijk zou zijn om een U-type magneetlichaam uit één stuk staal te vervaardigen, zou het dan niet mogelijk zijn om de spoel te installeren en zou de spoel dus ter plaatse moeten worden gewikkeld (op het machinaal bewerkte magneetlichaam ).
In een productiesituatie is het zeer wenselijk om de spoelen apart (op een speciale mal) te kunnen wikkelen.Dus een U-type ontwerp dicteert effectief een gefabriceerde constructie.
Aan de andere kant leent het E-type ontwerp zich goed voor een magneetlichaam dat uit één stuk staal is vervaardigd, omdat een vooraf gemaakte spoel eenvoudig kan worden geïnstalleerd nadat het magneetlichaam is bewerkt.Een magneetlichaam uit één stuk presteert ook magnetisch beter omdat het geen constructiegaten heeft die anders de magnetische flux (en dus de klemkracht) een beetje zouden verminderen.
(De meeste Magnabends gemaakt na 1990 gebruikten het E-type ontwerp).
Selectie van materiaal voor magneetconstructie
Het magneetlichaam en de klembalk moeten gemaakt zijn van ferromagnetisch (magnetiseerbaar) materiaal.Staal is verreweg het goedkoopste ferromagnetische materiaal en ligt voor de hand.Er zijn echter verschillende speciale staalsoorten beschikbaar die in overweging kunnen worden genomen.
1) Siliciumstaal: staal met hoge weerstand dat meestal verkrijgbaar is in dunne lamellen en wordt gebruikt in AC-transformatoren, AC-magneten, relais enz. De eigenschappen zijn niet vereist voor de Magnabend, een DC-magneet.
2) Zacht ijzer: dit materiaal zou een lager restmagnetisme vertonen, wat goed zou zijn voor een Magnabend-machine, maar het is fysiek zacht, wat zou betekenen dat het gemakkelijk zou worden ingedeukt en beschadigd;het is beter om het probleem van het restmagnetisme op een andere manier op te lossen.
3) Gietijzer: niet zo gemakkelijk te magnetiseren als gewalst staal, maar zou kunnen worden overwogen.
4) Roestvrij staal Type 416: kan niet zo sterk worden gemagnetiseerd als staal en is veel duurder (maar kan nuttig zijn voor een dun beschermend afdekoppervlak op het magneetlichaam).
5) Roestvast staal Type 316: Dit is een niet-magnetische legering van staal en is daarom helemaal niet geschikt (behalve zoals in 4 hierboven).
6) Medium Carbon Steel, type K1045 : Dit materiaal is bij uitstek geschikt voor de constructie van de magneet (en andere onderdelen van de machine).Het is redelijk hard in de geleverde staat en het is ook goed te bewerken.
7) Medium Carbon Steel type CS1020: Dit staal is niet zo hard als K1045, maar het is gemakkelijker verkrijgbaar en kan daarom de meest praktische keuze zijn voor de constructie van de Magnabend-machine.
Merk op dat de belangrijke eigenschappen die vereist zijn:
Hoge verzadigingsmagnetisatie.(De meeste staallegeringen verzadigen rond de 2 Tesla),
Beschikbaarheid van bruikbare sectiegroottes,
Weerstand tegen incidentele schade,
bewerkbaarheid, en
Redelijke kosten.
Medium koolstofstaal voldoet goed aan al deze eisen.Koolstofarm staal kan ook worden gebruikt, maar het is minder goed bestand tegen incidentele schade.Er bestaan ook andere speciale legeringen, zoals supermendur, die een hogere verzadigingsmagnetisatie hebben, maar ze moeten niet worden overwogen vanwege hun zeer hoge kosten in vergelijking met staal.
Middelgroot koolstofstaal vertoont echter enig restmagnetisme, wat genoeg is om hinderlijk te zijn.(Zie het gedeelte over restmagnetisme).
de spoel
De spoel is wat de magnetiserende flux door de elektromagneet aandrijft.De magnetiserende kracht is gewoon het product van het aantal windingen (N) en de spoelstroom (I).Dus:
N = aantal beurten
I = stroom in de wikkelingen.
Het verschijnen van "N" in de bovenstaande formule leidt tot een veel voorkomende misvatting.
Er wordt algemeen aangenomen dat het verhogen van het aantal windingen de magnetiseringskracht zal vergroten, maar over het algemeen gebeurt dit niet omdat extra windingen ook de stroom verminderen, I.
Beschouw een spoel met een vaste gelijkspanning.Als het aantal windingen wordt verdubbeld, wordt de weerstand van de wikkelingen ook verdubbeld (bij een lange spoel) en wordt dus de stroom gehalveerd.Het netto-effect is geen toename van NI.
Wat NI echt bepaalt, is de weerstand per beurt.Dus om NI te vergroten, moet de dikte van de draad worden vergroot.De waarde van extra windingen is dat ze de stroom en dus de vermogensdissipatie in de spoel verminderen.
De ontwerper moet er rekening mee houden dat de draaddikte de magnetiserende kracht van de spoel bepaalt.Dit is de belangrijkste parameter van het spoelontwerp.
Het NI-product wordt vaak de "ampèrewindingen" van de spoel genoemd.
Hoeveel ampère-omwentelingen zijn nodig?
Staal vertoont een verzadigingsmagnetisatie van ongeveer 2 Tesla en dit stelt een fundamentele limiet voor hoeveel klemkracht kan worden verkregen.
Uit de bovenstaande grafiek zien we dat de veldsterkte die nodig is om een fluxdichtheid van 2 Tesla te krijgen ongeveer 20.000 ampère-windingen per meter is.
Nu, voor een typisch Magnabend-ontwerp, is de fluxpadlengte in het staal ongeveer 1/5e van een meter en daarom is (20.000/5) AT nodig om verzadiging te produceren, dat is ongeveer 4.000 AT.
Het zou leuk zijn om veel meer ampère-windingen te hebben dan dit, zodat de verzadigingsmagnetisatie behouden kan blijven, zelfs wanneer niet-magnetische openingen (dwz non-ferro werkstukken) in het magnetische circuit worden geïntroduceerd.Extra ampèrewindingen kunnen echter alleen worden verkregen tegen aanzienlijke kosten in vermogensdissipatie of kosten van koperdraad, of beide.Er is dus een compromis nodig.
Typische Magnabend-ontwerpen hebben een spoel die 3.800 ampère-windingen produceert.
Merk op dat dit cijfer niet afhankelijk is van de lengte van de machine.Als hetzelfde magnetische ontwerp wordt toegepast over een reeks machinelengtes, dicteert dit dat de langere machines minder windingen dikkere draad zullen hebben.Ze trekken meer totale stroom, maar hebben hetzelfde product van ampère x windingen en hebben dezelfde klemkracht (en dezelfde vermogensdissipatie) per lengte-eenheid.
Arbeidscyclus
Het concept van duty cycle is een zeer belangrijk aspect van het ontwerp van de elektromagneet.Als het ontwerp meer inschakelduur biedt dan nodig is, is het niet optimaal.Meer inschakelduur betekent inherent dat er meer koperdraad nodig zal zijn (met hogere kosten) en/of dat er minder klemkracht beschikbaar zal zijn.
Opmerking: een magneet met een hogere inschakelduur heeft minder vermogensdissipatie, wat betekent dat hij minder energie verbruikt en dus goedkoper in gebruik is.Omdat de magneet echter slechts korte perioden AAN staat, worden de energiekosten van de werking meestal als van zeer weinig belang beschouwd.De ontwerpbenadering is dus om zoveel mogelijk vermogensdissipatie te hebben als je kunt wegkomen in termen van het niet oververhitten van de wikkelingen van de spoel.(Deze benadering is gebruikelijk voor de meeste elektromagneetontwerpen).
De Magnabend is ontworpen voor een nominale inschakelduur van ongeveer 25%.
Meestal duurt het slechts 2 of 3 seconden om een bocht te maken.De magneet is dan nog 8 tot 10 seconden uitgeschakeld terwijl het werkstuk wordt verplaatst en uitgelijnd, klaar voor de volgende buiging.Als de 25% inschakelduur wordt overschreden, wordt de magneet uiteindelijk te heet en treedt een thermische overbelasting in werking.De magneet wordt niet beschadigd, maar moet ongeveer 30 minuten afkoelen voordat hij weer kan worden gebruikt.
Operationele ervaring met machines in het veld heeft aangetoond dat een inschakelduur van 25% voldoende is voor typische gebruikers.Sommige gebruikers hebben zelfs gevraagd om optionele krachtige versies van de machine die meer klemkracht hebben ten koste van een kortere inschakelduur.
Spoel dwarsdoorsnede gebied
Het beschikbare dwarsdoorsnedeoppervlak voor de spoel bepaalt de maximale hoeveelheid koperdraad die kan worden aangebracht. Het beschikbare gebied mag niet meer zijn dan nodig is, in overeenstemming met de vereiste ampèrewindingen en vermogensdissipatie.Het verstrekken van meer ruimte voor de spoel zal onvermijdelijk de afmeting van de magneet vergroten en resulteren in een langere fluxpadlengte in het staal (wat de totale flux zal verminderen).
Hetzelfde argument houdt in dat, ongeacht de spoelruimte in het ontwerp, deze altijd vol moet zijn met koperdraad.Als het niet vol is, betekent dit dat de magneetgeometrie beter had kunnen zijn.
Magnabend klemkracht:
Onderstaande grafiek is verkregen door experimentele metingen, maar komt redelijk goed overeen met theoretische berekeningen.
De klemkracht kan wiskundig worden berekend met deze formule:
F = kracht in Newton
B = magnetische fluxdichtheid in Teslas
A = oppervlakte van de polen in m2
µ0 = constante magnetische permeabiliteit, (4π x 10-7)
Als voorbeeld berekenen we de klemkracht voor een fluxdichtheid van 2 Tesla:
Dus F = ½ (2)2 A/µ0
Voor een kracht op eenheidsoppervlak (druk) kunnen we de "A" in de formule laten vallen.
Dus Druk = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Dit komt uit op 1.590.000 N/m2.
Om dit om te rekenen naar kilogramkracht kan het worden gedeeld door g (9,81).
Dus: Druk = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Dit komt vrij goed overeen met de gemeten kracht voor een nulafstand die in de bovenstaande grafiek wordt weergegeven.
Dit getal kan eenvoudig worden omgezet in een totale klemkracht voor een bepaalde machine door dit te vermenigvuldigen met het pooloppervlak van de machine.Voor het model 1250E is het pooloppervlak 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
De totale kracht zonder tussenruimte zou dus (735 x 16,2) = 11.900 kg of 11,9 ton zijn;ongeveer 9,5 ton per meter magneetlengte.
Fluxdichtheid en klemdruk zijn direct gerelateerd en worden hieronder in een grafiek weergegeven:
Praktische klemkracht:
In de praktijk wordt deze hoge klemkracht alleen gerealiseerd wanneer deze niet nodig is(!), namelijk bij het buigen van dunne stalen werkstukken.Bij het buigen van non-ferro werkstukken zal de kracht minder zijn zoals weergegeven in de bovenstaande grafiek, en (een beetje merkwaardig genoeg) ook minder bij het buigen van dikke stalen werkstukken.Dit komt doordat de klemkracht die nodig is om een scherpe bocht te maken veel groter is dan die nodig is voor een radiusbocht.Dus wat er gebeurt, is dat naarmate de bocht vordert, de voorkant van de klembalk iets omhoog komt, waardoor het werkstuk een straal kan vormen.
De kleine luchtspleet die wordt gevormd, veroorzaakt een klein verlies aan klemkracht, maar de kracht die nodig is om de radiusbocht te vormen, is sterker gedaald dan de klemkracht van de magneet.Zo ontstaat een stabiele situatie en laat de klembalk niet los.
Wat hierboven is beschreven, is de manier van buigen wanneer de machine in de buurt van zijn diktelimiet is.Als een nog dikker werkstuk wordt geprobeerd, zal de klembalk natuurlijk omhoog komen.
Dit diagram suggereert dat als de neusrand van de klembalk een beetje rond zou zijn in plaats van scherp, de luchtspleet voor dik buigen zou worden verkleind.
Dit is inderdaad het geval en een goed gemaakte Magnabend heeft een klembalk met een afgeronde rand.(Een afgeronde rand is ook veel minder vatbaar voor onopzettelijke schade in vergelijking met een scherpe rand).
Marginale modus van buigfalen:
Als wordt geprobeerd een zeer dik werkstuk te buigen, zal de machine het niet buigen omdat de klembalk er gewoon af zal komen.(Gelukkig gebeurt dit niet op een dramatische manier; de klembalk laat gewoon rustig los).
Als de buigbelasting echter maar iets groter is dan de buigcapaciteit van de magneet, dan gebeurt er in het algemeen dat de buiging ongeveer 60 graden zal zijn en dan begint de klembalk naar achteren te schuiven.In deze vorm van falen kan de magneet de buigbelasting alleen indirect weerstaan door wrijving tussen het werkstuk en het magneetbed te creëren.
Het dikteverschil tussen een breuk door opstijgen en een breuk door schuiven is over het algemeen niet heel veel.
Het mislukken van de lift is te wijten aan het feit dat het werkstuk de voorkant van de klembalk omhoog heft.De klemkracht aan de voorkant van de klembalk is voornamelijk wat hier weerstand aan biedt.Het klemmen aan de achterrand heeft weinig effect omdat het dicht bij de plaats is waar de klembalk wordt gezwenkt.In feite is het slechts de helft van de totale klemkracht die weerstand biedt tegen het optillen.
Aan de andere kant wordt glijden tegengegaan door de totale klemkracht, maar alleen via wrijving, zodat de werkelijke weerstand afhangt van de wrijvingscoëfficiënt tussen het werkstuk en het oppervlak van de magneet.
Voor schoon en droog staal kan de wrijvingscoëfficiënt zo hoog zijn als 0,8, maar als er smering aanwezig is, kan deze zo laag zijn als 0,2.Meestal zal het ergens tussenin zitten, zodat de marginale modus van het falen van de buiging meestal te wijten is aan glijden, maar pogingen om de wrijving op het oppervlak van de magneet te vergroten, zijn niet de moeite waard gebleken.
Dikte Capaciteit:
Voor een E-type magneetlichaam van 98 mm breed en 48 mm diep en met een spoel van 3.800 ampère-winding, is de buigcapaciteit over de volledige lengte 1,6 mm.Deze dikte geldt voor zowel staalplaat als aluminiumplaat.Er zal minder klem op de aluminiumplaat zijn, maar er is minder koppel nodig om deze te buigen, dus dit compenseert op een zodanige manier dat een vergelijkbare meetcapaciteit voor beide soorten metaal wordt verkregen.
Er moeten enkele kanttekeningen worden geplaatst bij de vermelde buigcapaciteit: de belangrijkste is dat de vloeigrens van het plaatwerk sterk kan variëren.De capaciteit van 1,6 mm geldt voor staal met een vloeigrens tot 250 MPa en voor aluminium met een vloeigrens tot 140 MPa.
De diktecapaciteit in roestvrij staal is ongeveer 1,0 mm.Deze capaciteit is beduidend minder dan bij de meeste andere metalen omdat roestvast staal doorgaans niet-magnetisch is en toch een redelijk hoge vloeispanning heeft.
Een andere factor is de temperatuur van de magneet.Als de magneet heet is geworden, zal de weerstand van de spoel hoger zijn en dit zal er op zijn beurt toe leiden dat deze minder stroom trekt met als gevolg lagere ampère-windingen en lagere klemkracht.(Dit effect is meestal vrij matig en het is onwaarschijnlijk dat de machine niet aan de specificaties voldoet).
Ten slotte zouden Magnabends met een grotere capaciteit gemaakt kunnen worden als de dwarsdoorsnede van de magneet groter zou worden gemaakt.