MAGNABEND - ОСНОВНИ СЪОБРАЖЕНИЯ ЗА ДИЗАЙН
Основен дизайн на магнита
Машината Magnabend е проектирана като мощен DC магнит с ограничен работен цикъл.
Машината се състои от 3 основни части:-
Магнитното тяло, което образува основата на машината и съдържа електромагнитната намотка.
Скоба, която осигурява път за магнитен поток между полюсите на магнитната основа и по този начин захваща ламарина.
Гредата за огъване, която е завъртяна към предния ръб на тялото на магнита и осигурява средство за прилагане на сила на огъване към детайла.
Конфигурации на магнитно тяло
Възможни са различни конфигурации за тялото на магнита.
Ето 2, които и двете са били използвани за машини Magnabend:
Прекъснатите червени линии на чертежите по-горе представляват пътищата на магнитния поток.Имайте предвид, че дизайнът "U-Type" има един път на потока (1 чифт полюси), докато дизайнът "E-Type" има 2 пътя на потока (2 чифта полюси).
Сравнение на магнитна конфигурация:
Конфигурацията E-тип е по-ефективна от конфигурацията U-тип.
За да разберете защо това е така, разгледайте двата чертежа по-долу.
Отляво е напречно сечение на U-тип магнит, а отдясно е магнит E-тип, който е направен чрез комбиниране на 2 от същите U-типове.Ако всяка конфигурация на магнита се задвижва от намотка със същите амперни завъртания, тогава очевидно удвоеният магнит (E-тип) ще има два пъти по-голяма сила на затягане.Той също така използва два пъти повече стомана, но едва ли повече тел за намотката!(Ако приемем дизайн на дълга намотка).
(Малкото количество допълнителен проводник би било необходимо само защото двата крака на намотката са по-раздалечени в дизайна "E", но тази екстра става незначителна при дизайн на дълга намотка, какъвто се използва за Magnabend).
Супер Магнабенд:
За да се създаде още по-мощен магнит, концепцията "E" може да бъде разширена, като например тази конфигурация с двойно E:
3-D модел:
По-долу е даден 3-D чертеж, показващ основното подреждане на частите в U-тип магнит:
В този дизайн предният и задният стълб са отделни части и са прикрепени с болтове към основната част.
Въпреки че по принцип би било възможно да се обработва U-образно магнитно тяло от едно парче стомана, тогава не би било възможно да се монтира намотката и по този начин намотката би трябвало да бъде навита на място (върху обработеното магнитно тяло ).
В производствена ситуация е много желателно да може да се навиват намотките поотделно (на специална форма).Така U-образният дизайн ефективно диктува изработена конструкция.
От друга страна, дизайнът E-тип се поддава добре на магнитно тяло, обработено от едно парче стомана, тъй като предварително направената намотка може лесно да се монтира, след като тялото на магнита е обработено.Магнитното тяло от една част също се представя по-добре в магнитно отношение, тъй като няма никакви конструктивни пролуки, които иначе биха намалили малко магнитния поток (и следователно силата на затягане).
(Повечето Magnabends, произведени след 1990 г., са използвали дизайна E-type).
Избор на материал за магнитна конструкция
Тялото на магнита и скобата трябва да бъдат направени от феромагнитен (магнитиран) материал.Стоманата е най-евтиният феромагнитен материал и е очевидният избор.Въпреки това има различни специални стомани, които могат да бъдат взети предвид.
1) Силиконова стомана: Стомана с високо съпротивление, която обикновено се предлага в тънки слоеве и се използва в AC трансформатори, AC магнити, релета и т.н. Нейните свойства не са необходими за Magnabend, който е DC магнит.
2) Меко желязо: Този материал би проявявал по-нисък остатъчен магнетизъм, което би било добре за машина Magnabend, но е физически меко, което би означавало, че лесно би се вдлъбнало и повреди;по-добре е проблема с остатъчния магнетизъм да се реши по друг начин.
3) Чугун: Не е толкова лесно магнетизиран, колкото валцуваната стомана, но може да се има предвид.
4) Неръждаема стомана тип 416: Не може да бъде магнетизирана толкова силно, колкото стоманата и е много по-скъпа (но може да бъде полезна за тънка защитна повърхност на тялото на магнита).
5) Неръждаема стомана тип 316: Това е немагнитна сплав от стомана и следователно изобщо не е подходяща (освен както в 4 по-горе).
6) Средно въглеродна стомана, тип K1045: Този материал е изключително подходящ за конструкцията на магнита (и други части на машината).Той е сравнително твърд в доставено състояние и също така се обработва добре.
7) Средно въглеродна стомана тип CS1020: Тази стомана не е толкова твърда като K1045, но е по-лесно достъпна и по този начин може да бъде най-практичният избор за конструкцията на машината Magnabend.
Имайте предвид, че важните свойства, които се изискват, са:
Намагнитване с високо насищане.(Повечето стоманени сплави се насищат при около 2 Tesla),
Наличие на полезни размери на секции,
Устойчивост на случайни повреди,
Обработваемост и
Разумна цена.
Средно въглеродната стомана отговаря добре на всички тези изисквания.Може да се използва и нисковъглеродна стомана, но е по-малко устойчива на случайни повреди.Съществуват и други специални сплави, като супермендур, които имат по-високо намагнитване на насищане, но те не трябва да се разглеждат поради много високата им цена в сравнение със стоманата.
Средно въглеродната стомана обаче проявява известен остатъчен магнетизъм, който е достатъчен, за да бъде неудобство.(Вижте раздел за Остатъчен магнетизъм).
Бобината
Бобината е това, което задвижва магнитния поток през електромагнита.Неговата сила на намагнитване е просто произведение от броя на завоите (N) и тока на бобината (I).По този начин:
N = брой завъртания
I = ток в намотките.
Появата на "N" в горната формула води до често срещано погрешно схващане.
Широко се приема, че увеличаването на броя на завоите ще увеличи силата на намагнитване, но обикновено това не се случва, тъй като допълнителните завои също намаляват тока, I.
Помислете за намотка, захранвана с фиксирано постоянно напрежение.Ако броят на завоите се удвои, тогава съпротивлението на намотките също ще се удвои (в дълга намотка) и по този начин токът ще се намали наполовина.Нетният ефект не е повишаване на NI.
Това, което наистина определя NI, е съпротивлението на завой.По този начин, за да се увеличи NI, дебелината на жицата трябва да се увеличи.Стойността на допълнителните завои е, че те намаляват тока и следователно разсейването на мощността в бобината.
Дизайнерът трябва да има предвид, че габаритът на проводника е това, което наистина определя силата на намагнитване на намотката.Това е най-важният параметър на дизайна на бобината.
Продуктът на NI често се нарича "амперни завои" на бобината.
Колко амперни оборота са необходими?
Стоманата показва намагнитване на насищане от около 2 Tesla и това поставя фундаментална граница за това колко сила на затягане може да бъде получена.
От горната графика виждаме, че силата на полето, необходима за получаване на плътност на потока от 2 Tesla, е около 20 000 ампер-оборота на метър.
Сега, за типичен дизайн на Magnabend, дължината на пътя на потока в стоманата е около 1/5 от метър и следователно ще изисква (20 000/5) AT за получаване на насищане, което е около 4 000 AT.
Би било хубаво да има много повече амперни завъртания от това, така че намагнитването на насищане да може да се поддържа дори когато немагнитни пролуки (т.е. заготовки от цветни метали) са въведени в магнитната верига.Въпреки това допълнителни амперни завои могат да бъдат получени само при значителни разходи за разсейване на мощността или цена на меден проводник, или и двете.Следователно е необходим компромис.
Типичните конструкции на Magnabend имат намотка, която произвежда 3800 ампера завои.
Имайте предвид, че тази цифра не зависи от дължината на машината.Ако един и същ магнитен дизайн се прилага върху диапазон от дължини на машината, това диктува, че по-дългите машини ще имат по-малко завъртания на по-дебела тел.Те ще изтеглят повече общ ток, но ще имат същия продукт от ампери x завъртания и ще имат същата сила на затягане (и същото разсейване на мощност) на единица дължина.
Работен цикъл
Концепцията за работния цикъл е много важен аспект от дизайна на електромагнита.Ако дизайнът предвижда повече работен цикъл, отколкото е необходимо, тогава той не е оптимален.По-голям работен цикъл по същество означава, че ще е необходима повече медна тел (с последваща по-висока цена) и/или ще има по-малко налична сила на затягане.
Забележка: Магнитът с по-висок работен цикъл ще има по-малко разсейване на мощността, което означава, че ще използва по-малко енергия и по този начин ще бъде по-евтин за работа.Въпреки това, тъй като магнитът е ВКЛЮЧЕН само за кратки периоди, тогава енергийните разходи за работа обикновено се считат за много малко значими.По този начин подходът на проектиране е да имате толкова разсейване на мощността, с което можете да се измъкнете, за да не прегрявате намотките на бобината.(Този подход е общ за повечето електромагнитни конструкции).
Magnabend е проектиран за номинален работен цикъл от около 25%.
Обикновено отнема само 2 или 3 секунди, за да направите завой.След това магнитът ще бъде изключен за още 8 до 10 секунди, докато детайлът се премести и подравни, готов за следващото огъване.Ако работният цикъл от 25% бъде превишен, тогава в крайна сметка магнитът ще стане твърде горещ и ще се задейства термично претоварване.Магнитът няма да се повреди, но ще трябва да се остави да се охлади за около 30 минути, преди да се използва отново.
Оперативният опит с машини в полето показва, че 25% работен цикъл е доста адекватен за типичните потребители.Всъщност някои потребители са поискали допълнителни версии на машината с висока мощност, които имат по-голяма сила на затягане за сметка на по-малък работен цикъл.
Площ на напречното сечение на бобината
Площта на напречното сечение, налична за бобината, ще определи максималното количество меден проводник, който може да бъде монтиран. Наличната площ не трябва да е повече от необходимата, в съответствие с необходимите амперни завои и разсейване на мощността.Осигуряването на повече пространство за намотката неизбежно ще увеличи размера на магнита и ще доведе до по-дълга дължина на пътя на потока в стоманата (което ще намали общия поток).
Същият аргумент предполага, че каквото и пространство на бобината да е предвидено в проекта, то винаги трябва да е пълно с медна тел.Ако не е пълен, това означава, че геометрията на магнита може да е по-добра.
Магнабенд сила на затягане:
Графиката по-долу е получена чрез експериментални измервания, но се съгласува доста добре с теоретичните изчисления.
Силата на затягане може да се изчисли математически от тази формула:
F = сила в нютони
B = плътност на магнитния поток в Teslas
A = площ на стълбовете в m2
µ0 = константа на магнитна проницаемост, (4π x 10-7)
За пример ще изчислим силата на затягане за плътност на потока от 2 Tesla:
Така F = ½ (2)2 A/µ0
За сила върху единица площ (налягане) можем да пуснем "A" във формулата.
Така налягане = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Това излиза до 1 590 000 N/m2.
За да преобразувате тази сила в килограми, тя може да бъде разделена на g (9.81).
Така: Налягане = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Това се съгласува доста добре с измерената сила за нулева междина, показана на горната графика.
Тази цифра може лесно да се преобразува в обща сила на затягане за дадена машина, като се умножи по площта на полюса на машината.За модел 1250E площта на полюса е 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Така общата сила с нулево разстояние ще бъде (735 x 16,2) = 11 900 kg или 11,9 тона;около 9,5 тона на метър дължина на магнита.
Плътността на потока и налягането на затягане са пряко свързани и са показани на графика по-долу:
Практическа сила на затягане:
На практика тази висока сила на затягане се реализира само когато не е необходима(!), т.е. при огъване на тънки стоманени детайли.При огъване на детайли от цветни метали силата ще бъде по-малка, както е показано на графиката по-горе, и (малко любопитно), тя също е по-малка при огъване на дебели стоманени детайли.Това е така, защото силата на затягане, необходима за извършване на рязко огъване, е много по-висока от тази, необходима за радиус на огъване.Така че това, което се случва е, че докато огъването продължава, предният ръб на скобата се повдига леко, като по този начин позволява на детайла да образува радиус.
Малката въздушна междина, която се образува, причинява лека загуба на сила на затягане, но силата, необходима за образуване на радиуса на огъване, е спаднала по-рязко, отколкото силата на затягане на магнита.Така се получава стабилна ситуация и скобата не се пуска.
Това, което е описано по-горе, е режимът на огъване, когато машината е близо до границата си за дебелина.Ако се опита дори по-дебел детайл, тогава, разбира се, скобата ще се повдигне.
Тази диаграма предполага, че ако носовият ръб на скобата е малко радиус, а не остър, тогава въздушната междина за дебело огъване ще бъде намалена.
Всъщност случаят е такъв и правилно изработеният Magnabend ще има скоба с радиус на ръба.(Радиусният ръб също е много по-малко податлив на случайни повреди в сравнение с остър ръб).
Маргинален режим на неуспех на огъване:
Ако се направи опит за огъване на много дебел детайл, тогава машината няма да успее да го огъне, защото скобата просто ще се повдигне.(За щастие това не се случва по драматичен начин; скобата просто се пуска тихо).
Ако обаче натоварването на огъване е само малко по-голямо от капацитета на огъване на магнита, тогава обикновено това, което се случва е, че огъването ще продължи до около 60 градуса и след това скобата ще започне да се плъзга назад.В този режим на повреда магнитът може да устои на натоварването при огъване само индиректно чрез създаване на триене между детайла и леглото на магнита.
Разликата в дебелината между повреда поради повдигане и повреда поради плъзгане обикновено не е много голяма.
Неуспехът при повдигане се дължи на това, че детайлът движи предния ръб на скобата нагоре.Силата на затягане в предния ръб на скобата е основно това, което устоява на това.Затягането на задния ръб има малък ефект, тъй като е близо до мястото, където се завърта скобата.Всъщност това е само половината от общата сила на затягане, която се съпротивлява на повдигане.
От друга страна, плъзгането се противопоставя на общата сила на затягане, но само чрез триене, така че действителното съпротивление зависи от коефициента на триене между детайла и повърхността на магнита.
За чиста и суха стомана коефициентът на триене може да бъде висок до 0,8, но ако има смазване, той може да бъде до 0,2.Обикновено това ще бъде някъде по средата, така че пределният режим на повреда на огъване обикновено се дължи на плъзгане, но опитите за увеличаване на триенето върху повърхността на магнита се оказват неефективни.
Дебелина Капацитет:
За магнитно тяло Е-тип с ширина 98 мм и дълбочина 48 мм и с намотка от 3800 ампера, капацитетът на огъване по цялата дължина е 1,6 мм.Тази дебелина се отнася както за стоманен лист, така и за алуминиев лист.Ще има по-малко затягане на алуминиевия лист, но изисква по-малко въртящ момент за огъването му, така че това компенсира по такъв начин, че да даде подобен капацитет на габарит и за двата вида метал.
Трябва да има някои предупреждения относно посочения капацитет на огъване: Основното е, че границата на провлачване на ламарина може да варира значително.Капацитетът 1,6 мм се прилага за стомана с граница на провлачване до 250 MPa и за алуминий с граница на провлачване до 140 MPa.
Капацитетът на дебелината на неръждаема стомана е около 1,0 мм.Този капацитет е значително по-малък, отколкото при повечето други метали, тъй като неръждаемата стомана обикновено е немагнитна и въпреки това има сравнително високо напрежение на провлачване.
Друг фактор е температурата на магнита.Ако магнитът е бил оставен да се нагорещи, тогава съпротивлението на бобината ще бъде по-високо и това от своя страна ще доведе до по-малко ток с последващи по-ниски ампер-обороти и по-ниска сила на затягане.(Този ефект обикновено е доста умерен и е малко вероятно да накара машината да не отговаря на своите спецификации).
И накрая, Magnabends с по-дебел капацитет може да се направи, ако напречното сечение на магнита се направи по-голямо.