MAGNABEND - ZÁKLADNÍ ÚVAHY O DESIGNU
Základní konstrukce magnetu
Stroj Magnabend je navržen jako výkonný stejnosměrný magnet s omezeným pracovním cyklem.
Stroj se skládá ze 3 základních částí:-
Tělo magnetu, které tvoří základ stroje a obsahuje cívku elektromagnetu.
Upínací lišta, která poskytuje dráhu pro magnetický tok mezi póly magnetové základny, a tím upíná plechový obrobek.
Ohýbací paprsek, který je otočný k přední hraně těla magnetu a poskytuje prostředek pro aplikaci ohýbací síly na obrobek.
Konfigurace těla magnetu
Pro tělo magnetu jsou možné různé konfigurace.
Zde jsou 2, které byly oba použity pro stroje Magnabend:
Přerušované červené čáry na obrázcích výše představují dráhy magnetického toku.Všimněte si, že design "U-Type" má jednu dráhu toku (1 pár pólů), zatímco konstrukce "E-Type" má 2 dráhy toku (2 páry pólů).
Porovnání konfigurace magnetu:
Konfigurace typu E je efektivnější než konfigurace typu U.
Abyste pochopili, proč tomu tak je, zvažte dva níže uvedené obrázky.
Vlevo je průřez magnetem typu U a vpravo je magnet typu E, který byl vyroben kombinací 2 stejných typů U.Pokud je každá konfigurace magnetu poháněna cívkou se stejnými ampérzávity, pak bude mít zdvojený magnet (typ E) dvojnásobnou upínací sílu.Spotřebuje také dvakrát tolik oceli, ale sotva více drátu pro cívku!(Za předpokladu konstrukce dlouhé cívky).
(Malé množství drátu navíc by bylo potřeba jen proto, že 2 dvě nohy cívky jsou dále od sebe v provedení „E“, ale toto navíc se stává bezvýznamným v designu dlouhé cívky, jaký se používá u Magnabend).
Super Magnabend:
Pro vytvoření ještě výkonnějšího magnetu lze koncept „E“ rozšířit, jako je tato konfigurace s dvojitým E:
3D model:
Níže je 3-D výkres znázorňující základní uspořádání dílů v magnetu typu U:
V tomto provedení jsou přední a zadní póly samostatné kusy a jsou připevněny šrouby k jádru.
Ačkoli by v zásadě bylo možné obrobit tělo magnetu typu U z jednoho kusu oceli, nebylo by pak možné instalovat cívku a cívka by se tak musela navíjet in situ (na obrobené tělo magnetu ).
Ve výrobní situaci je velmi žádoucí, aby bylo možné cívky navíjet samostatně (na speciální formovač).Design typu U tedy efektivně diktuje vyrobenou konstrukci.
Na druhou stranu design typu E se dobře hodí pro tělo magnetu vyrobené z jednoho kusu oceli, protože po opracování těla magnetu lze snadno nainstalovat předem vyrobenou cívku.Jednodílné tělo magnetu si také vede lépe magneticky, protože nemá žádné konstrukční mezery, které by jinak trochu snižovaly magnetický tok (a tím i upínací sílu).
(Většina Magnabends vyrobených po roce 1990 používala design typu E).
Výběr materiálu pro konstrukci magnetu
Tělo magnetu a svorka musí být vyrobeny z feromagnetického (magnetizovatelného) materiálu.Ocel je zdaleka nejlevnější feromagnetický materiál a je jasnou volbou.Jsou však k dispozici různé speciální oceli, o kterých lze uvažovat.
1) Silikonová ocel: Ocel s vysokým měrným odporem, která je obvykle k dispozici v tenkých laminacích a používá se ve střídavých transformátorech, střídavých magnetech, relé atd. Její vlastnosti nejsou vyžadovány pro Magnabend, což je stejnosměrný magnet.
2) Měkké železo: Tento materiál by vykazoval nižší zbytkový magnetismus, což by bylo dobré pro stroj Magnabend, ale je fyzikálně měkký, což by znamenalo, že by se snadno promáčkl a poškodil;je lepší vyřešit problém zbytkového magnetismu jiným způsobem.
3) Litina: Nemagnetizuje se tak snadno jako válcovaná ocel, ale lze ji zvážit.
4) Nerezová ocel Typ 416: Nelze zmagnetizovat tak silně jako ocel a je mnohem dražší (ale může být užitečná pro tenkou ochrannou krycí plochu na těle magnetu).
5) Nerezová ocel typu 316: Jedná se o nemagnetickou slitinu oceli, a proto není vůbec vhodná (kromě výše 4).
6) Středně uhlíková ocel, typ K1045 : Tento materiál je mimořádně vhodný pro konstrukci magnetu (a dalších částí stroje).V dodaném stavu je přiměřeně tvrdý a také se dobře obrábí.
7) Středně uhlíková ocel typu CS1020: Tato ocel není tak tvrdá jako K1045, ale je snadněji dostupná, a proto může být nejpraktičtější volbou pro konstrukci stroje Magnabend.
Všimněte si, že důležité vlastnosti, které jsou vyžadovány, jsou:
Vysoká saturační magnetizace.(Většina ocelových slitin nasytí přibližně 2 Tesla),
Dostupnost užitečných velikostí sekcí,
Odolnost proti náhodnému poškození,
Obrobitelnost a
Rozumné náklady.
Středně uhlíková ocel všem těmto požadavkům dobře vyhovuje.Lze také použít nízkouhlíkovou ocel, ale ta je méně odolná proti náhodnému poškození.Existují také další speciální slitiny, jako je supermendur, které mají vyšší saturační magnetizaci, ale nelze je brát v úvahu kvůli jejich velmi vysoké ceně ve srovnání s ocelí.
Středně uhlíková ocel však vykazuje určitý zbytkový magnetismus, který je dost na obtíž.(Viz část o zbytkovém magnetismu).
Cívka
Cívka je to, co pohání magnetizační tok přes elektromagnet.Jeho magnetizační síla je právě součinem počtu závitů (N) a proudu cívky (I).Tím pádem:
N = počet otáček
I = proud ve vinutí.
Vzhled "N" ve výše uvedeném vzorci vede k běžné mylné představě.
Obecně se předpokládá, že zvýšením počtu závitů se zvýší magnetizační síla, ale obecně k tomu nedochází, protože další závity také snižují proud, I.
Uvažujme cívku napájenou pevným stejnosměrným napětím.Pokud se počet závitů zdvojnásobí, zdvojnásobí se také odpor vinutí (u dlouhé cívky) a tím se proud sníží na polovinu.Čistým efektem není žádné zvýšení NI.
To, co skutečně určuje NI, je odpor na otáčku.Pro zvýšení NI tedy musí být zvětšena tloušťka drátu.Hodnota závitů navíc spočívá v tom, že snižují proud a tím i ztrátový výkon v cívce.
Konstruktér by měl mít na paměti, že tloušťka drátu je to, co skutečně určuje magnetizační sílu cívky.Toto je nejdůležitější parametr konstrukce cívky.
Produkt NI je často označován jako "ampérové závity" cívky.
Kolik ampérových otáček je potřeba?
Ocel vykazuje saturační magnetizaci asi 2 Tesla, což nastavuje základní limit, jak velkou upínací sílu lze získat.
Z výše uvedeného grafu vidíme, že intenzita pole potřebná k dosažení hustoty toku 2 Tesla je asi 20 000 ampér-závitů na metr.
Nyní, pro typický Magnabendův design, je délka dráhy toku v oceli asi 1/5 metru, a proto bude vyžadovat (20 000/5) AT k dosažení nasycení, to je asi 4 000 AT.
Bylo by hezké mít mnohem více ampérových závitů než toto, aby mohla být zachována saturační magnetizace, i když jsou do magnetického obvodu zavedeny nemagnetické mezery (tj. neželezné obrobky).Extra ampérové otáčky však lze získat pouze za značné náklady na ztrátový výkon nebo cenu měděného drátu nebo obojí.Je tedy potřeba kompromis.
Typické konstrukce Magnabend mají cívku, která produkuje 3800 ampérových závitů.
Všimněte si, že toto číslo nezávisí na délce stroje.Pokud je stejný magnetický design aplikován na řadu délek stroje, pak to diktuje, že delší stroje budou mít méně závitů silnějšího drátu.Budou odebírat více celkového proudu, ale budou mít stejný součin ampér x závitů a budou mít stejnou upínací sílu (a stejný ztrátový výkon) na jednotku délky.
Pracovní cyklus
Koncept pracovního cyklu je velmi důležitým aspektem konstrukce elektromagnetu.Pokud konstrukce poskytuje větší pracovní cyklus, než je potřeba, není optimální.Větší pracovní cyklus ze své podstaty znamená, že bude potřeba více měděného drátu (s následnými vyššími náklady) a/nebo bude k dispozici menší upínací síla.
Poznámka: Magnet s vyšším pracovním cyklem bude mít menší ztrátový výkon, což znamená, že spotřebuje méně energie, a proto bude jeho provoz levnější.Protože je však magnet ZAPNUTÝ pouze po krátkou dobu, jsou náklady na energii obvykle považovány za velmi málo významné.Konstrukčním přístupem je tedy mít co možná největší ztrátu energie, pokud jde o nepřehřívání vinutí cívky.(Tento přístup je společný pro většinu konstrukcí elektromagnetů).
Magnabend je navržen pro nominální pracovní cyklus asi 25 %.
Provedení ohybu obvykle trvá pouze 2 nebo 3 sekundy.Magnet se poté vypne na dalších 8 až 10 sekund, zatímco obrobek bude přemístěn a vyrovnán připraven k dalšímu ohybu.Pokud je překročen pracovní cyklus 25 %, magnet se nakonec příliš zahřeje a dojde k tepelnému přetížení.Magnet se nepoškodí, ale před opětovným použitím je nutné jej nechat asi 30 minut vychladnout.
Provozní zkušenosti se stroji v terénu ukázaly, že 25% pracovní cyklus je pro typické uživatele zcela adekvátní.Ve skutečnosti někteří uživatelé požadovali volitelné vysoce výkonné verze stroje, které mají větší upínací sílu na úkor menšího pracovního cyklu.
Oblast průřezu cívky
Dostupná plocha průřezu cívky určí maximální množství měděného drátu, který lze osadit. Dostupná plocha by neměla být větší, než je potřeba, v souladu s požadovanými ampérovými otáčkami a ztrátovým výkonem.Poskytnutí většího prostoru pro cívku nevyhnutelně zvětší velikost magnetu a povede k delší délce dráhy toku v oceli (což sníží celkový tok).
Ze stejného argumentu vyplývá, že ať už je v návrhu zajištěn jakýkoli prostor cívky, měl by být vždy plný měděného drátu.Pokud není plný, znamená to, že geometrie magnetu mohla být lepší.
Magnabend upínací síla:
Níže uvedený graf byl získán experimentálním měřením, ale docela dobře souhlasí s teoretickými výpočty.
Upínací sílu lze matematicky vypočítat z tohoto vzorce:
F = síla v Newtonech
B = hustota magnetického toku v Tesle
A = plocha pólů v m2
µ0 = konstanta magnetické permeability, (4π x 10-7)
Jako příklad vypočítáme upínací sílu pro hustotu toku 2 Tesla:
Tedy F = ½ (2)2 A/µ0
Pro sílu na jednotku plochy (tlaku) můžeme vypustit "A" ve vzorci.
Tedy Tlak = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
To vychází na 1 590 000 N/m2.
Pro převod na kilogramovou sílu ji lze vydělit g (9,81).
Tedy: Tlak = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
To docela dobře souhlasí s naměřenou silou pro nulovou mezeru zobrazenou na výše uvedeném grafu.
Tento údaj lze snadno převést na celkovou upínací sílu pro daný stroj vynásobením plochy pólu stroje.U modelu 1250E je plocha pólu 125(1,4+3,0+1,5) = 735 cm2.
Celková síla s nulovou mezerou by tedy byla (735 x 16,2) = 11 900 kg nebo 11,9 tun;asi 9,5 tuny na metr délky magnetu.
Hustota toku a upínací tlak spolu přímo souvisí a jsou uvedeny v grafu níže:
Praktická upínací síla:
V praxi se tato vysoká upínací síla realizuje pouze tehdy, když není potřeba(!), tedy při ohýbání tenkých ocelových obrobků.Při ohýbání neželezných obrobků bude síla menší, jak je znázorněno na grafu výše, a (trochu kuriózně) je také menší při ohýbání tlustých ocelových obrobků.Je to proto, že upínací síla potřebná k vytvoření ostrého ohybu je mnohem vyšší než síla potřebná pro poloměr ohybu.Takže se stane, že jak ohyb postupuje, přední hrana upínací lišty se mírně nadzvedne, což umožní obrobku vytvořit poloměr.
Vzniklá malá vzduchová mezera způsobuje mírnou ztrátu upínací síly, ale síla potřebná k vytvoření poloměru ohybu klesla prudčeji než upínací síla magnetu.Vznikne tak stabilní situace a svěrka nepovolí.
To, co je popsáno výše, je režim ohýbání, když je stroj blízko limitu tloušťky.Pokud se pokusíte o ještě silnější obrobek, pak se upínací lišta samozřejmě zvedne.
Tento diagram naznačuje, že pokud by přední hrana svěrky byla mírně zaoblená, spíše než ostrá, pak by se vzduchová mezera pro silné ohýbání zmenšila.
Ve skutečnosti je tomu tak a správně vyrobený Magnabend bude mít upínací lištu se zaobleným okrajem.(Zaoblená hrana je také mnohem méně náchylná k náhodnému poškození ve srovnání s ostrou hranou).
Mezní režim selhání ohybu:
Pokud se pokusíte ohnout velmi silný obrobek, stroj jej neohne, protože se upínací lišta jednoduše zvedne.(Naštěstí se to neděje nijak dramaticky, svorka jen tiše povolí).
Pokud je však ohybové zatížení jen o málo větší než ohybová kapacita magnetu, pak se obecně stane, že ohyb bude pokračovat řekněme o 60 stupňů a potom se svorka začne klouzat dozadu.V tomto režimu selhání může magnet odolávat ohybovému zatížení pouze nepřímo vytvořením tření mezi obrobkem a ložem magnetu.
Rozdíl v tloušťce mezi poruchou způsobenou nadzvednutím a poruchou způsobenou klouzáním není obecně příliš velký.
Selhání při zvednutí je způsobeno tím, že obrobek vypáčí přední hranu upínací lišty nahoru.Tomu odolává hlavně upínací síla na přední hraně svěrky.Upnutí na zadní hraně má malý účinek, protože je blízko místa, kde se otáčí upínací lišta.Ve skutečnosti je to pouze polovina celkové upínací síly, která odolává nadzvednutí.
Na druhé straně je klouzání bráněno celkovou upínací silou, ale pouze prostřednictvím tření, takže skutečný odpor závisí na koeficientu tření mezi obrobkem a povrchem magnetu.
U čisté a suché oceli může být koeficient tření až 0,8, ale pokud je přítomno mazání, může být až 0,2.Typicky to bude někde mezi tím, že okrajový způsob porušení ohybu je obvykle způsoben klouzáním, ale pokusy o zvýšení tření na povrchu magnetu se ukázaly jako neužitečné.
Kapacita tloušťky:
Pro tělo magnetu typu E o šířce 98 mm a hloubce 48 mm a s 3800 ampérzávitovou cívkou je kapacita ohybu po celé délce 1,6 mm.Tato tloušťka platí jak pro ocelový plech, tak pro hliníkový plech.Na hliníkovém plechu bude méně upnutí, ale vyžaduje menší krouticí moment k jeho ohnutí, takže to kompenzuje takovým způsobem, že poskytuje podobnou měrnou kapacitu pro oba typy kovů.
U uvedené ohybové kapacity je třeba mít určitá upozornění: Hlavní je, že mez kluzu plechu se může značně lišit.Kapacita 1,6 mm platí pro ocel s mezí kluzu do 250 MPa a pro hliník s mezí kluzu do 140 MPa.
Tloušťka nerezové oceli je asi 1,0 mm.Tato kapacita je podstatně menší než u většiny ostatních kovů, protože nerezová ocel je obvykle nemagnetická a přesto má přiměřeně vysokou mez kluzu.
Dalším faktorem je teplota magnetu.Pokud se magnet zahřeje, odpor cívky bude vyšší a to zase způsobí, že odebere méně proudu s následnými nižšími ampérzávity a nižší upínací silou.(Tento efekt je obvykle velmi mírný a je nepravděpodobné, že by způsobil, že stroj nebude splňovat své specifikace).
Konečně, silnější Magnabends by mohly být vyrobeny, kdyby byl průřez magnetu větší.