MAGNABEND - FUNDAMENTALNA RAZMATRANJA PROJEKTIRANJA
Osnovni dizajn magneta
Magnabend stroj je dizajniran kao snažan istosmjerni magnet s ograničenim radnim ciklusom.
Stroj se sastoji od 3 osnovna dijela:-
Tijelo magneta koje čini bazu stroja i sadrži zavojnicu elektromagneta.
Stezna šipka koja osigurava put za magnetski tok između polova baze magneta i na taj način pričvršćuje obradak od lima.
Greda za savijanje koja je zakrenuta na prednji rub tijela magneta i osigurava sredstvo za primjenu sile savijanja na radni komad.
Konfiguracije tijela magneta
Za tijelo magneta moguće su različite konfiguracije.
Evo 2 koja su oba korištena za Magnabend strojeve:
Isprekidane crvene linije na gornjim crtežima predstavljaju putove magnetskog toka.Imajte na umu da "U-Type" dizajn ima jedan put toka (1 par polova), dok "E-Type" dizajn ima 2 puta protoka (2 para polova).
Usporedba konfiguracije magneta:
Konfiguracija tipa E je učinkovitija od konfiguracije tipa U.
Da biste razumjeli zašto je to tako, razmotrite dva crteža u nastavku.
S lijeve strane je presjek magneta U-tipa, a s desne strane je magnet E-tipa koji je napravljen kombinacijom 2 ista U-tipa.Ako se svaku konfiguraciju magneta pokreće zavojnica s istim amperskim zavojima, onda će jasno udvostručeni magnet (E-tip) imati dvostruko veću silu stezanja.Također koristi dvostruko više čelika, ali jedva više žice za zavojnicu!(Pod pretpostavkom dugog dizajna svitka).
(Mala količina dodatne žice bila bi potrebna samo zato što su dvije dvije noge zavojnice dalje jedna od druge u "E" dizajnu, ali ovaj dodatak postaje beznačajan u dizajnu duge zavojnice kao što se koristi za Magnabend).
Super Magnabend:
Za izgradnju još snažnijeg magneta, koncept "E" može se proširiti kao što je ova dvostruka E konfiguracija:
3-D model:
Ispod je 3-D crtež koji prikazuje osnovni raspored dijelova u magnetu tipa U:
U ovom dizajnu prednji i stražnji stup su zasebni dijelovi i pričvršćeni su vijcima na dio jezgre.
Iako bi u načelu bilo moguće obraditi tijelo magneta U-tipa od jednog komada čelika, tada ne bi bilo moguće ugraditi zavojnicu i stoga bi zavojnica morala biti namotana na licu mjesta (na obrađeno tijelo magneta ).
U proizvodnoj situaciji vrlo je poželjno imati mogućnost zasebnog namotavanja zavojnica (na posebnom kalupu).Tako U-tip dizajn učinkovito diktira izrađenu konstrukciju.
S druge strane, dizajn E-tipa dobro se uklapa u tijelo magneta obrađeno od jednog komada čelika jer se gotova zavojnica može lako ugraditi nakon što je tijelo magneta obrađeno.Jednodijelno tijelo magneta također ima bolje magnetske performanse jer nema nikakvih konstrukcijskih praznina koje bi inače malo smanjile magnetski tok (a time i silu stezanja).
(Većina Magnabenda proizvedenih nakon 1990. koristila je dizajn E-tipa).
Odabir materijala za izradu magneta
Tijelo magneta i stezaljka moraju biti izrađeni od feromagnetskog (magnetiziranog) materijala.Čelik je daleko najjeftiniji feromagnetski materijal i očigledan je izbor.Međutim, postoje različiti posebni čelici koji se mogu uzeti u obzir.
1) Silicijski čelik: Čelik visoke otpornosti koji je obično dostupan u tankim slojevima i koristi se u AC transformatorima, AC magnetima, relejima itd. Njegova svojstva nisu potrebna za Magnabend koji je istosmjerni magnet.
2) Meko željezo: Ovaj materijal bi pokazao niži rezidualni magnetizam što bi bilo dobro za Magnabend stroj, ali je fizički mekano što bi značilo da bi se lako udubio i oštetio;bolje je problem zaostalog magnetizma riješiti na neki drugi način.
3) Lijevano željezo: Nije tako lako magnetizirano kao valjani čelik, ali bi se moglo uzeti u obzir.
4) Nehrđajući čelik tipa 416: Ne može se magnetizirati tako snažno kao čelik i puno je skuplji (ali može biti koristan za tanku zaštitnu površinu na tijelu magneta).
5) Nehrđajući čelik tipa 316: Ovo je nemagnetska legura čelika i stoga uopće nije prikladna (osim kao u 4. gore).
6) Srednji ugljični čelik, tip K1045 : Ovaj materijal je izrazito prikladan za izradu magneta (i drugih dijelova stroja).Prilično je tvrd u isporučenom stanju, a također se dobro obrađuje.
7) Srednji ugljični čelik tip CS1020: Ovaj čelik nije tako tvrd kao K1045, ali je lakše dostupan i stoga može biti najpraktičniji izbor za konstrukciju Magnabend stroja.
Imajte na umu da su važna svojstva koja su potrebna:
Magnetizacija visokog zasićenja.(Većina legura čelika zasićena je na oko 2 Tesla),
Dostupnost korisnih veličina sekcija,
Otpornost na slučajna oštećenja,
Obradivost i
Razumna cijena.
Srednji ugljični čelik dobro odgovara svim ovim zahtjevima.Niskougljični čelik se također može koristiti, ali je manje otporan na slučajna oštećenja.Postoje i druge posebne legure, kao što je supermendur, koje imaju veću magnetizaciju zasićenja, ali ih ne treba uzeti u obzir zbog njihove vrlo visoke cijene u usporedbi sa čelikom.
Srednji ugljični čelik ipak pokazuje neki preostali magnetizam koji je dovoljan da bude smetnja.(Vidi odjeljak o rezidualnom magnetizmu).
Zavojnica
Zavojnica je ono što pokreće magnetizirajući tok kroz elektromagnet.Njegova sila magnetiziranja samo je umnožak broja zavoja (N) i struje zavojnice (I).Tako:
N = broj zavoja
I = struja u namotima.
Pojava "N" u gornjoj formuli dovodi do uobičajene zablude.
Općenito se pretpostavlja da će povećanje broja zavoja povećati silu magnetiziranja, ali općenito se to ne događa jer dodatni zavoji također smanjuju struju, I.
Zamislite zavojnicu napajanu fiksnim istosmjernim naponom.Ako se broj zavoja udvostruči onda će se i otpor namota udvostručiti (u dugom svitku) i time će se struja prepoloviti.Neto učinak nije povećanje NI.
Ono što stvarno određuje NI je otpor po zavoju.Stoga se za povećanje NI debljina žice mora povećati.Vrijednost dodatnih zavoja je u tome što oni smanjuju struju, a time i rasipanje snage u zavojnici.
Dizajner bi trebao imati na umu da je mjerač žice ono što stvarno određuje silu magnetiziranja zavojnice.Ovo je najvažniji parametar dizajna zavojnice.
NI proizvod se često naziva "amperskim okretima" zavojnice.
Koliko amperskih zavoja je potrebno?
Čelik pokazuje magnetizaciju zasićenja od oko 2 Tesla i to postavlja temeljno ograničenje kolika se sila stezanja može postići.
Iz gornjeg grafikona vidimo da je jakost polja potrebna za dobivanje gustoće toka od 2 Tesla oko 20.000 amper-navoja po metru.
Sada, za tipičan Magnabend dizajn, duljina puta toka u čeliku je oko 1/5 metra i stoga će zahtijevati (20 000/5) AT za proizvodnju zasićenja, što je oko 4 000 AT.
Bilo bi lijepo imati mnogo više amperskih zavoja od ovoga kako bi se magnetizacija zasićenja mogla održati čak i kada se u magnetski krug uvode nemagnetske praznine (tj. obradaci od obojenih metala).Međutim, dodatni amperski zavoji mogu se dobiti samo uz značajnu cijenu u rasipavanju snage ili trošku bakrene žice, ili oboje.Stoga je potreban kompromis.
Tipični Magnabend dizajni imaju zavojnicu koja proizvodi 3800 ampera zavoja.
Imajte na umu da ova brojka ne ovisi o duljini stroja.Ako se isti magnetski dizajn primjenjuje na niz duljina stroja, onda to diktira da će duži strojevi imati manje zavoja deblje žice.Oni će povući veću ukupnu struju, ali će imati isti proizvod ampera x zavoja i imat će istu silu stezanja (i istu disipaciju snage) po jedinici duljine.
Radnog ciklusa
Koncept radnog ciklusa vrlo je važan aspekt dizajna elektromagneta.Ako dizajn predviđa više radnog ciklusa nego što je potrebno, onda to nije optimalno.Veći radni ciklus inherentno znači da će biti potrebno više bakrene žice (s posljedičnom većom cijenom) i/ili će biti dostupna manja sila stezanja.
Napomena: Magnet većeg radnog ciklusa imat će manju disipaciju snage što znači da će koristiti manje energije i time biti jeftiniji za rad.Međutim, budući da je magnet UKLJUČEN samo kratka razdoblja, tada se trošak energije za rad obično smatra vrlo malim značajem.Stoga je pristup dizajnu imati onoliko rasipanje snage koliko se možete izvući u smislu ne pregrijavanja namota zavojnice.(Ovaj pristup je uobičajen za većinu dizajna elektromagneta).
Magnabend je dizajniran za nominalni radni ciklus od oko 25%.
Obično je potrebno samo 2 ili 3 sekunde da se napravi zavoj.Magnet će tada biti isključen na daljnjih 8 do 10 sekundi dok se radni komad ponovno postavlja i poravnava spreman za sljedeće savijanje.Ako se prekorači radni ciklus od 25%, tada će se magnet na kraju pregrijati i doći će do toplinskog preopterećenja.Magnet se neće oštetiti, ali će se morati pustiti da se ohladi oko 30 minuta prije ponovnog korištenja.
Operativno iskustvo sa strojevima na terenu pokazalo je da je radni ciklus od 25% sasvim prikladan za tipične korisnike.Zapravo, neki korisnici su zatražili dodatne inačice stroja velike snage koje imaju veću silu stezanja na račun manjeg radnog ciklusa.
Površina poprečnog presjeka zavojnice
Dostupna površina poprečnog presjeka za zavojnicu odredit će maksimalnu količinu bakrene žice koja se može ugraditi. Dostupna površina ne smije biti veća nego što je potrebno, u skladu s potrebnim zavojima ampera i rasipanjem snage.Pružanje više prostora za zavojnicu neizbježno će povećati veličinu magneta i rezultirati većom duljinom puta fluksa u čeliku (što će smanjiti ukupni tok).
Isti argument implicira da koji god prostor zavojnice predviđen u dizajnu, uvijek treba biti pun bakrenom žicom.Ako nije pun, to znači da je geometrija magneta mogla biti bolja.
Magnabend sila stezanja:
Donji grafikon dobiven je eksperimentalnim mjerenjima, ali se prilično dobro slaže s teorijskim proračunima.
Sila stezanja može se matematički izračunati iz ove formule:
F = sila u Newtonima
B = gustoća magnetskog toka u Teslas
A = površina stupova u m2
µ0 = konstanta magnetske permeabilnosti, (4π x 10-7)
Za primjer ćemo izračunati silu stezanja za gustoću protoka od 2 Tesla:
Dakle, F = ½ (2)2 A/µ0
Za silu na jedinicu površine (tlak) možemo ispustiti "A" u formuli.
Dakle Tlak = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
To dolazi do 1.590.000 N/m2.
Za pretvaranje ove sile u kilograme može se podijeliti s g (9,81).
Dakle: Tlak = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
To se prilično dobro slaže s izmjerenom silom za nulti razmak prikazanom na gornjem grafikonu.
Ovaj se broj lako može pretvoriti u ukupnu silu stezanja za dati stroj množenjem s površinom pola stroja.Za model 1250E površina pola je 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Tako bi ukupna sila bez razmaka bila (735 x 16,2) = 11 900 kg ili 11,9 tona;oko 9,5 tona po metru duljine magneta.
Gustoća protoka i pritisak stezanja izravno su povezani i prikazani su na donjem grafikonu:
Praktična sila stezanja:
U praksi se ova velika sila stezanja ostvaruje samo kada nije potrebna(!), odnosno pri savijanju tankih čeličnih izradaka.Prilikom savijanja izradaka od obojenih metala sila će biti manja kao što je prikazano na gornjem grafikonu, a (malo je zanimljivo) manja je i kod savijanja debelih čeličnih izradaka.To je zato što je sila stezanja potrebna za oštar zavoj mnogo veća od one potrebne za zavoj radijusa.Dakle, ono što se događa je da se, kako se savijanje odvija, prednji rub stezne šipke lagano podiže dopuštajući izratku da formira radijus.
Mali zračni raspor koji se formira uzrokuje blagi gubitak sile stezanja, ali sila potrebna za formiranje zavoja radijusa je opala oštrije od sile stezanja magneta.Tako se postiže stabilna situacija i stezaljka se ne pušta.
Gore je opisan način savijanja kada je stroj blizu granice debljine.Ako se pokuša s još debljim izratkom onda će se stezaljka, naravno, podići.
Ovaj dijagram sugerira da bi se zračni razmak za debelo savijanje smanjio kada bi se granični rub stezne šipke malo zaokrenuo, a ne oštar.
Doista je to slučaj i pravilno izrađen Magnabend imat će steznu šipku s radijusiranim rubom.(Rub s radijusom također je mnogo manje sklon slučajnom oštećenju u usporedbi s oštrim rubom).
Granični način neuspjeha savijanja:
Ako se pokuša savijati na vrlo debelom izratku, stroj ga neće uspjeti saviti jer će se stezaljka jednostavno podići.(Srećom to se ne događa na dramatičan način; stezaljka se samo tiho pušta).
Međutim, ako je opterećenje savijanja samo malo veće od kapaciteta savijanja magneta, onda se općenito događa da će se savijanje nastaviti do oko 60 stupnjeva, a zatim će stezaljka početi kliziti unatrag.U ovom načinu kvara magnet može odoljeti opterećenju savijanja samo posredno stvaranjem trenja između obratka i ležišta magneta.
Razlika u debljini između kvara uslijed podizanja i kvara zbog klizanja općenito nije velika.
Do kvara pri podizanju dolazi zbog toga što obradak povlači prednji rub stezne šipke prema gore.Tome se uglavnom opire sila stezanja na prednjem rubu stezne šipke.Stezanje na stražnjem rubu ima mali učinak jer je blizu mjesta gdje se stezaljka okreće.Zapravo je samo polovica ukupne sile stezanja koja se opire podizanju.
S druge strane, klizanje je otporno ukupnom steznom silom, ali samo trenjem, tako da stvarni otpor ovisi o koeficijentu trenja između obratka i površine magneta.
Za čisti i suhi čelik koeficijent trenja može biti čak 0,8, ali ako je prisutno podmazivanje onda može biti i do 0,2.Obično će biti negdje između, tako da je granični način kvara savijanja obično posljedica klizanja, ali se pokazalo da pokušaji povećanja trenja na površini magneta nisu vrijedni.
Kapacitet debljine:
Za tijelo magneta tipa E širine 98 mm i dubine 48 mm i sa zavojnicom od 3800 ampera, kapacitet savijanja pune dužine je 1,6 mm.Ova debljina vrijedi i za čelični i aluminijski lim.Bit će manje stezanja aluminijskog lima, ali zahtijeva manji zakretni moment za njegovo savijanje, tako da se to kompenzira na takav način da se dobije sličan kapacitet mjerača za obje vrste metala.
Moraju postojati neka upozorenja u vezi s navedenim kapacitetom savijanja: glavna je da se granica popuštanja lima može znatno razlikovati.Kapacitet od 1,6 mm odnosi se na čelik s granom tečenja do 250 MPa i za aluminij s granom tečenja do 140 MPa.
Kapacitet debljine nehrđajućeg čelika je oko 1,0 mm.Ovaj kapacitet je znatno manji nego kod većine drugih metala jer je nehrđajući čelik obično nemagnetski, a ipak ima razumno visok napon tečenja.
Drugi faktor je temperatura magneta.Ako se dopusti da se magnet zagrije tada će otpor zavojnice biti veći, a to će zauzvrat uzrokovati da povlači manju struju s posljedičnim nižim amper-zavojima i manjom silom stezanja.(Taj je učinak obično prilično umjeren i malo je vjerojatno da će uzrokovati da stroj ne ispunjava svoje specifikacije).
Konačno, Magnabends debljeg kapaciteta mogao bi se napraviti ako se poprečni presjek magneta poveća.