MAGNABEND - FUNDAMENTALNA RAZMATRANJA O DIZAJNU
Osnovni dizajn magneta
Magnabend mašina je dizajnirana kao snažan DC magnet sa ograničenim radnim ciklusom.
Mašina se sastoji od 3 osnovna dela:-
Telo magneta koje čini osnovu mašine i sadrži zavojnicu elektromagneta.
Stezna šipka koja obezbeđuje put za magnetni tok između polova baze magneta i na taj način steže limeni radni komad.
Greda za savijanje koja je okrenuta na prednju ivicu tela magneta i obezbeđuje sredstvo za primenu sile savijanja na radni komad.
Konfiguracije tijela magneta
Moguće su različite konfiguracije za tijelo magneta.
Evo 2 koja su oba korištena za Magnabend mašine:
Isprekidane crvene linije na gornjim crtežima predstavljaju puteve magnetskog fluksa.Imajte na umu da "U-Type" dizajn ima jedan put fluksa (1 par polova), dok "E-Type" dizajn ima 2 puta fluksa (2 para polova).
Poređenje konfiguracije magneta:
Konfiguracija tipa E je efikasnija od konfiguracije tipa U.
Da biste razumjeli zašto je to tako, pogledajte dva crteža u nastavku.
Na lijevoj strani je poprečni presjek magneta U-tipa, a na desnoj je magnet E-tipa koji je napravljen kombinacijom 2 ista U-tipa.Ako se svaka konfiguracija magneta pokreće kalemom sa istim amperskim zavojima, onda će jasno udvostručeni magnet (E-tip) imati dvostruko veću silu stezanja.Također koristi dvostruko više čelika, ali jedva da ima više žice za zavojnicu!(Pod pretpostavkom da je dug dizajn zavojnice).
(Mala količina dodatne žice bi bila potrebna samo zato što su dvije dvije noge zavojnice dalje jedna od druge u "E" dizajnu, ali ovaj dodatak postaje beznačajan u dizajnu dugačke zavojnice kao što se koristi za Magnabend).
Super Magnabend:
Da bi se napravio još snažniji magnet, "E" koncept se može 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 stupovi su odvojeni dijelovi i pričvršćeni su vijcima na dio jezgre.
Iako bi u principu bilo moguće obraditi tijelo magneta tipa U od jednog komada čelika, tada ne bi bilo moguće ugraditi zavojnicu i stoga bi zavojnica morala biti namotana na licu mjesta (na obrađenom tijelu magneta ).
U proizvodnoj situaciji vrlo je poželjno imati mogućnost zasebnog namotavanja namotaja (na posebnom kalupu).Tako U-tip dizajn efektivno diktira fabrikovanu konstrukciju.
S druge strane, dizajn E-tipa se dobro 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 magnetni tok (a time i silu stezanja).
(Većina Magnabenda napravljenih nakon 1990. koristila je E-tip dizajna).
Izbor materijala za izradu magneta
Tijelo magneta i stezaljka moraju biti izrađeni od feromagnetnog (magnetizirajućeg) materijala.Čelik je daleko najjeftiniji feromagnetni materijal i očigledan je izbor.Međutim, postoje različiti specijalni čelici koji se mogu uzeti u obzir.
1) Silicijum 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 DC magnet.
2) Meko gvožđe: Ovaj materijal bi pokazao manji rezidualni magnetizam što bi bilo dobro za Magnabend mašinu, ali je fizički mekano što bi značilo da bi se lako udubio i oštetio;bolje je riješiti problem zaostalog magnetizma na neki drugi način.
3) Liveno gvožđe: Nije tako lako magnetizovano kao valjani čelik, ali se može uzeti u obzir.
4) Nerđajući čelik tipa 416: Ne može se magnetizirati tako snažno kao čelik i mnogo je skuplji (ali može biti koristan za tanku zaštitnu površinu na tijelu magneta).
5) Nerđajući čelik tip 316 : Ovo je nemagnetna legura čelika i stoga uopšte nije prikladna (osim kao u 4 gore).
6) Srednji ugljenični čelik, tip K1045: Ovaj materijal je izuzetno pogodan za konstrukciju magneta (i drugih delova mašine).Prilično je tvrd u kakvom je stanju i dobro se obrađuje.
7) Srednji ugljični čelik tip CS1020: Ovaj čelik nije toliko tvrd kao K1045, ali je lakše dostupan i stoga može biti najpraktičniji izbor za konstrukciju Magnabend mašine.
Imajte na umu da su važna svojstva koja su potrebna su:
Magnetizacija visokog zasićenja.(Većina čeličnih legura zasićena je na oko 2 Tesla),
Dostupnost korisnih veličina sekcija,
Otpornost na slučajna oštećenja,
Obradivost i
Razuman trošak.
Srednji ugljični čelik dobro odgovara svim ovim zahtjevima.Niskougljični čelik se također može koristiti, ali je manje otporan na slučajna oštećenja.Postoje i druge specijalne legure, kao što je supermendur, koje imaju veću magnetizaciju zasićenja, ali ih ne treba uzeti u obzir zbog njihove vrlo visoke cijene u poređenju sa čelikom.
Srednji ugljični čelik ipak pokazuje određeni rezidualni magnetizam koji je dovoljan da bude smetnja.(Pogledajte odjeljak o rezidualnom magnetizmu).
The Coil
Zavojnica je ono što pokreće magnetizirajući tok kroz elektromagnet.Njegova sila magnetiziranja je samo proizvod broja zavoja (N) i struje zavojnice (I).ovako:
N = broj okreta
I = struja u namotajima.
Pojava "N" u gornjoj formuli dovodi do uobičajene zablude.
Široko 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 namotaja udvostručiti (u dugoj zavojnici) i time će se struja prepoloviti.Neto efekat nije povećanje NI.
Ono što stvarno određuje NI je otpor po okretu.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 "amper okretima" zavojnice.
Koliko ampera 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 snaga polja potrebna da bi se dobila gustina fluksa od 2 Tesle oko 20.000 amper-navoja po metru.
Sada, za tipičan Magnabend dizajn, dužina puta fluksa u čeliku je oko 1/5 metra i stoga će biti potrebno (20.000/5) AT da proizvede zasićenje, to je oko 4.000 AT.
Bilo bi lijepo imati mnogo više amperskih okreta od ovoga kako bi se magnetizacija zasićenja mogla održati čak i kada se nemagnetne praznine (tj. obradaci od obojenih metala) uvode u magnetsko kolo.Međutim, dodatni amperski zavoji se mogu dobiti samo uz značajnu cijenu u rasipavanju snage ili cijenu bakarne žice, ili oboje.Stoga je potreban kompromis.
Tipični Magnabend dizajni imaju zavojnicu koja proizvodi 3.800 ampera.
Imajte na umu da ova brojka ne zavisi od dužine mašine.Ako se isti magnetni dizajn primjenjuje na niz dužina mašina, onda to diktira da će duže mašine imati manje zavoja deblje žice.Oni će povući više ukupne struje, ali će imati isti proizvod ampera x okretaja i imat će istu silu stezanja (i istu disipaciju snage) po jedinici dužine.
Krug duznosti
Koncept radnog ciklusa je veoma važan aspekt dizajna elektromagneta.Ako dizajn predviđa veći radni ciklus nego što je potrebno, onda to nije optimalno.Veći radni ciklus inherentno znači da će biti potrebno više bakarne žice (sa posljedičnom većom cijenom) i/ili će biti dostupna manja sila stezanja.
Napomena: Magnet većeg radnog ciklusa će imati manje rasipanje energije što znači da će koristiti manje energije i samim tim biti jeftiniji za rad.Međutim, budući da je magnet UKLJUČEN samo na kratko, onda se troškovi energije za rad obično smatraju od vrlo malog značaja.Stoga je pristup dizajnu imati onoliko rasipanje snage koliko možete izbjeći u smislu ne pregrijavanja namotaja 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 krivina.Magnet će tada biti isključen na daljnjih 8 do 10 sekundi dok se radni komad ponovno pozicionira i poravnava spreman za sljedeće savijanje.Ako se prekorači radni ciklus od 25%, tada će se magnet na kraju pregrijati i doći će do termičkog preopterećenja.Magnet se neće oštetiti, ali će se morati ostaviti da se ohladi oko 30 minuta prije ponovnog korištenja.
Operativno iskustvo sa mašinama na terenu pokazalo je da je radni ciklus od 25% sasvim adekvatan za tipične korisnike.U stvari, neki korisnici su tražili opcione verzije mašine velike snage koje imaju veću silu stezanja na račun manjeg radnog ciklusa.
Površina poprečnog presjeka zavojnice
Dostupna površina poprečnog presjeka za zavojnicu će odrediti maksimalnu količinu bakarne žice koja se može ugraditi. Dostupna površina ne bi trebala biti veća nego što je potrebno, u skladu sa potrebnim okretima ampera i disipacijom snage.Omogućavanje više prostora za zavojnicu neizbježno će povećati veličinu magneta i rezultirati većom dužinom puta fluksa u čeliku (što će smanjiti ukupni fluks).
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 je dobijen eksperimentalnim mjerenjima, ali se prilično dobro slaže s teorijskim proračunima.
Sila stezanja može se matematički izračunati iz ove formule:
F = sila u Njutnima
B = gustina magnetnog fluksa u Teslas
A = površina stubova u m2
µ0 = konstanta magnetne permeabilnosti, (4π x 10-7)
Za primjer ćemo izračunati silu stezanja za gustinu fluksa od 2 Tesla:
Dakle, F = ½ (2)2 A/µ0
Za silu na jedinicu površine (pritisak) možemo ispustiti "A" u formuli.
Tako je pritisak = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Ovo izlazi na 1.590.000 N/m2.
Da bi se ovo pretvorilo u silu kilograma, može se podijeliti sa g (9,81).
Dakle: Pritisak = 162,080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Ovo se prilično dobro slaže s izmjerenom silom za nulti razmak prikazanom na gornjem grafikonu.
Ovaj broj se lako može pretvoriti u ukupnu silu stezanja za datu mašinu množenjem sa površinom pola mašine.Za model 1250E površina stuba 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 dužine magneta.
Gustoća protoka i pritisak stezanja su direktno povezani i prikazani su na grafikonu ispod:
Praktična sila stezanja:
U praksi se ova velika sila stezanja ostvaruje samo kada nije potrebna(!), odnosno pri savijanju tankih čeličnih obradaka.Prilikom savijanja obradaka od obojenih metala sila će biti manja kao što je prikazano na gornjem grafikonu i (malo čudno) manja je i kod savijanja debelih čeličnih izradaka.To je zato što je sila stezanja potrebna da se napravi oštar krivina mnogo veća od one koja je potrebna za savijanje radijusa.Dakle, ono što se dešava je da se, kako se savijanje odvija, prednja ivica stezne šipke lagano podiže, omogućavajući radnom komadu da formira radijus.
Mali zračni zazor 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.
Ono što je gore opisano je način savijanja kada je mašina blizu granice debljine.Ako se pokuša sa još debljim radnim komadom onda će se stezaljka, naravno, podići.
Ovaj dijagram sugerira da bi se zračni razmak za debelo savijanje smanjio, ako je prednji rub stezne šipke bio malo zaobljen, a ne oštar.
Zaista je to slučaj i pravilno napravljen Magnabend će imati steznu šipku sa zaobljenim rubom.(Ivica radijusa je takođe mnogo manje sklona slučajnim oštećenjima u poređenju sa oštrom ivicom).
Granični način neuspjeha savijanja:
Ako se pokuša savijanje na vrlo debelom radnom komadu onda ga mašina neće uspjeti saviti jer će se stezaljka jednostavno podići.(Srećom, ovo se ne dešava na dramatičan način; stezaljka se samo tiho pušta).
Međutim, ako je opterećenje savijanja samo malo veće od kapaciteta savijanja magneta, onda se generalno dešava da će savijanje nastaviti da kaže oko 60 stepeni i onda će stezaljka početi da klizi unazad.U ovom načinu kvara magnet se može oduprijeti opterećenju savijanja samo indirektno stvarajući trenje između radnog komada i ležišta magneta.
Razlika u debljini između kvara zbog podizanja i kvara zbog klizanja općenito nije velika.
Do kvara pri podizanju dolazi zbog toga što radni komad povlači prednju ivicu stezne šipke prema gore.Sila stezanja na prednjoj ivici stezne šipke je uglavnom ono što se tome opire.Stezanje na zadnjoj ivici ima mali efekat jer je blizu mesta gde se stezaljka okreće.U stvari, samo polovina ukupne sile stezanja se odupire podizanju.
S druge strane, klizanje je otporno ukupnom silom stezanja, ali samo putem trenja, tako da stvarni otpor ovisi o koeficijentu trenja između radnog komada i površine magneta.
Za čisti i suhi čelik koeficijent trenja može biti i do 0,8, ali ako je prisutno podmazivanje onda može biti i do 0,2.Obično će to biti negdje između, tako da je marginalni način kvara na savijanju obično uzrokovan klizanjem, ali se pokazalo da pokušaji da se poveća trenje na površini magneta nisu isplativi.
Kapacitet debljine:
Za tijelo magneta tipa E širine 98 mm i dubine 48 mm i sa zavojnicom od 3.800 ampera, kapacitet savijanja pune dužine je 1,6 mm.Ova debljina se odnosi i na čelični i aluminijski lim.Biće manje stezanja aluminijskog lima, ali je potrebno manje okretnog momenta 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 sa navedenim kapacitetom savijanja: glavna je da granica popuštanja lima može varirati u velikoj mjeri.Kapacitet od 1,6 mm odnosi se na čelik sa granom tečenja do 250 MPa i za aluminijum sa granom tečenja do 140 MPa.
Kapacitet debljine nerđajućeg 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 relativno visok napon tečenja.
Drugi faktor je temperatura magneta.Ako se dozvoli da se magnet zagrije, onda će otpor zavojnice biti veći, a to će zauzvrat uzrokovati da povlači manju struju s posljedičnim nižim okretima ampera i manjom silom stezanja.(Ovaj efekat je obično prilično umeren i malo je verovatno da će dovesti do toga da mašina ne ispuni svoje specifikacije).
Konačno, Magnabends debljeg kapaciteta bi se mogao napraviti ako se poprečni presjek magneta poveća.