MAGNABEND - GRUNDLÆGGENDE DESIGNOVERVEJELSER
Grundlæggende magnetdesign
Magnabend-maskinen er designet som en kraftig DC-magnet med begrænset driftscyklus.
Maskinen består af 3 grundlæggende dele:-
Magnetlegemet, som danner bunden af maskinen og indeholder elektromagnetspolen.
Klemmestangen, der giver en bane for magnetisk flux mellem magnetbasens poler, og derved fastspænder pladeemnet.
Bøjningsbjælken, som er svinget til forkanten af magnetlegemet og tilvejebringer et middel til at påføre bøjningskraft på emnet.
Magnet-Krop-konfigurationer
Forskellige konfigurationer er mulige for magnetlegemet.
Her er 2, der begge er blevet brugt til Magnabend-maskiner:
De stiplede røde linjer i tegningerne ovenfor repræsenterer de magnetiske fluxbaner.Bemærk, at "U-Type"-designet har en enkelt fluxvej (1 par stænger), mens "E-Type"-designet har 2 fluxveje (2 par stænger).
Magnetkonfigurationssammenligning:
E-type-konfigurationen er mere effektiv end U-type-konfigurationen.
For at forstå, hvorfor det er sådan, skal du overveje de to tegninger nedenfor.
Til venstre ses et tværsnit af en U-type magnet og til højre er en E-type magnet, der er lavet ved at kombinere 2 af de samme U-typer.Hvis hver magnetkonfiguration drives af en spole med de samme ampere-omdrejninger, vil den fordoblede magnet (E-typen) klart have dobbelt så meget klemkraft.Den bruger også dobbelt så meget stål, men næsten ikke mere ledning til spolen!(Forudsat et langt spoledesign).
(Den lille mængde ekstra ledning er kun nødvendig, fordi spolens 2 to ben er længere fra hinanden i "E"-designet, men dette ekstra bliver ubetydeligt i et langt spoledesign, som det bruges til Magnabend).
Super Magnabend:
For at bygge en endnu mere kraftfuld magnet kan "E"-konceptet udvides, såsom denne dobbelt-E-konfiguration:
3D-model:
Nedenfor er en 3-D tegning, der viser det grundlæggende arrangement af dele i en U-type magnet:
I dette design er for- og bagstængerne separate stykker og er fastgjort med bolte til kernestykket.
Selvom det i princippet ville være muligt at bearbejde et U-type magnetlegeme fra et enkelt stykke stål, ville det så ikke være muligt at installere spolen, og spolen ville derfor skulle vikles in situ (på det bearbejdede magnetlegeme ).
I en produktionssituation er det yderst ønskeligt at kunne vikle spolerne separat (på en speciel former).Således dikterer et U-type design effektivt en fabrikeret konstruktion.
På den anden side egner E-type-designet sig godt til et magnetlegeme fremstillet af et enkelt stykke stål, fordi en præfabrikeret spole nemt kan installeres, efter at magnetlegemet er blevet bearbejdet.Et magnetlegeme i et stykke fungerer også bedre magnetisk, da det ikke har nogle konstruktionsgab, som ellers ville reducere den magnetiske flux (og dermed klemkraften) en smule.
(De fleste Magnabends lavet efter 1990 brugte E-type design).
Valg af materiale til magnetkonstruktion
Magnethuset og spændestangen skal være fremstillet af ferromagnetisk (magnetiserbart) materiale.Stål er langt det billigste ferromagnetiske materiale og er det oplagte valg.Der findes dog forskellige specialstål, som kan overvejes.
1) Siliciumstål: Stål med høj resistivitet, som normalt fås i tynde lamineringer og bruges i AC-transformatorer, AC-magneter, relæer osv. Dets egenskaber er ikke påkrævet for Magnabend, som er en DC-magnet.
2) Blødt jern: Dette materiale ville udvise lavere restmagnetisme, hvilket ville være godt for en Magnabend-maskine, men det er fysisk blødt, hvilket ville betyde, at det let ville blive bulet og beskadiget;det er bedre at løse restmagnetismeproblemet på en anden måde.
3) Støbejern: Ikke så let at magnetisere som valset stål, men kunne overvejes.
4) Rustfrit stål Type 416: Kan ikke magnetiseres så stærkt som stål og er meget dyrere (men kan være nyttigt til en tynd beskyttende kappeoverflade på magnetlegemet).
5) Rustfrit stål Type 316: Dette er en ikke-magnetisk stållegering og er derfor slet ikke egnet (undtagen som i 4 ovenfor).
6) Medium Carbon Steel, type K1045 : Dette materiale er udmærket velegnet til konstruktionen af magneten (og andre dele af maskinen).Den er rimelig hård i leveringsstanden, og den bearbejder også godt.
7) Medium Carbon Steel type CS1020: Dette stål er ikke helt så hårdt som K1045, men det er lettere tilgængeligt og kan derfor være det mest praktiske valg til konstruktionen af Magnabend-maskinen.
Bemærk, at de vigtige egenskaber, der kræves, er:
Høj mætning magnetisering.(De fleste stållegeringer mætter ved omkring 2 Tesla),
Tilgængelighed af nyttige sektionsstørrelser,
Modstand mod hændelige skader,
bearbejdelighed, og
Rimelige omkostninger.
Mellem kulstofstål opfylder alle disse krav godt.Lavt kulstofstål kan også bruges, men det er mindre modstandsdygtigt over for hændelige skader.Der findes også andre specielle legeringer, såsom supermendur, som har højere mætning magnetisering, men de skal ikke tages i betragtning på grund af deres meget høje omkostninger sammenlignet med stål.
Mellem kulstofstål udviser dog en vis resterende magnetisme, som er nok til at være til gene.(Se afsnittet om restmagnetisme).
Spolen
Spolen er det, der driver magnetiseringsfluxen gennem elektromagneten.Dens magnetiseringskraft er kun produktet af antallet af vindinger (N) og spolestrømmen (I).Dermed:
N = antal omgange
I = strøm i viklingerne.
Udseendet af "N" i ovenstående formel fører til en almindelig misforståelse.
Det er almindeligt antaget, at forøgelse af antallet af vindinger vil øge magnetiseringskraften, men generelt sker dette ikke, fordi ekstra vindinger også reducerer strømmen, I.
Overvej en spole, der leveres med en fast jævnspænding.Hvis antallet af vindinger fordobles, vil modstanden af viklingerne også blive fordoblet (i en lang spole), og dermed vil strømmen blive halveret.Nettoeffekten er ingen stigning i NI.
Det, der virkelig bestemmer NI, er modstanden pr.For at øge NI skal tykkelsen af tråden således øges.Værdien af ekstra vindinger er, at de reducerer strømmen og dermed effekttabet i spolen.
Designeren skal være opmærksom på, at trådmåleren er det, der virkelig bestemmer spolens magnetiseringskraft.Dette er den vigtigste parameter for spoledesign.
NI-produktet omtales ofte som spolens "amperedrejninger".
Hvor mange Ampere-drejninger er nødvendige?
Stål udviser en mætningsmagnetisering på omkring 2 Tesla, og dette sætter en grundlæggende grænse for, hvor meget klemkraft der kan opnås.
Fra ovenstående graf ser vi, at den feltstyrke, der kræves for at få en fluxtæthed på 2 Tesla, er omkring 20.000 ampere-omdrejninger pr. meter.
For et typisk Magnabend-design er fluxvejlængden i stålet nu omkring 1/5 af en meter og vil derfor kræve (20.000/5) AT for at producere mætning, det vil sige omkring 4.000 AT.
Det ville være rart med mange flere ampere-omdrejninger end dette, så mætningsmagnetiseringen kunne opretholdes, selv når ikke-magnetiske huller (dvs. ikke-jernholdige emner) indføres i det magnetiske kredsløb.Ekstra ampere-omdrejninger kan dog kun opnås med betydelige omkostninger i effekttab eller omkostninger til kobbertråd eller begge dele.Derfor er der brug for et kompromis.
Typiske Magnabend-designs har en spole, der producerer 3.800 ampere omdrejninger.
Bemærk, at dette tal ikke afhænger af maskinens længde.Hvis det samme magnetiske design anvendes over en række maskinlængder, dikterer det, at de længere maskiner vil have færre vindinger med tykkere tråd.De vil trække mere samlet strøm, men vil have det samme produkt af ampere x omdrejninger og vil have den samme klemkraft (og den samme effekttab) pr. længdeenhed.
Duty Cycle
Begrebet driftscyklus er et meget vigtigt aspekt af designet af elektromagneten.Hvis designet giver mere driftscyklus end nødvendigt, er det ikke optimalt.Mere driftscyklus betyder i sagens natur, at der vil være behov for mere kobbertråd (med deraf følgende højere omkostninger), og/eller der vil være mindre spændekraft tilgængelig.
Bemærk: En magnet med højere driftscyklus vil have mindre effekttab, hvilket betyder, at den vil bruge mindre energi og dermed være billigere i drift.Men fordi magneten kun er tændt i korte perioder, anses energiomkostningerne ved drift normalt for at være af meget lille betydning.Derfor er designtilgangen at have så meget strømtab, som du kan slippe afsted med, i form af ikke at overophede spolens viklinger.(Denne tilgang er fælles for de fleste elektromagnetdesigns).
Magnabend er designet til en nominel driftscyklus på omkring 25 %.
Typisk tager det kun 2 eller 3 sekunder at lave en bøjning.Magneten vil derefter være slukket i yderligere 8 til 10 sekunder, mens emnet flyttes og justeres klar til næste bøjning.Hvis driftscyklussen på 25 % overskrides, vil magneten til sidst blive for varm, og en termisk overbelastning vil udløses.Magneten vil ikke blive beskadiget, men den skal have lov til at køle af i cirka 30 minutter, før den bruges igen.
Driftserfaring med maskiner i marken har vist, at 25% duty cycle er ganske tilstrækkelig for typiske brugere.Faktisk har nogle brugere efterspurgt valgfri højeffektversioner af maskinen, som har mere klemkraft på bekostning af mindre arbejdscyklus.
Spolens tværsnitsareal
Det tilgængelige tværsnitsareal for spolen vil bestemme den maksimale mængde kobbertråd, der kan monteres i. Det tilgængelige areal bør ikke være mere end nødvendigt, i overensstemmelse med nødvendige ampereomdrejninger og effekttab.At give mere plads til spolen vil uundgåeligt øge størrelsen af magneten og resultere i en længere fluxvejlængde i stålet (hvilket vil reducere den totale flux).
Det samme argument indebærer, at uanset hvilken spoleplads, der er tilvejebragt i designet, skal det altid være fyldt med kobbertråd.Hvis den ikke er fuld, betyder det, at magnetgeometrien kunne have været bedre.
Magnabend Clamping Force:
Nedenstående graf er opnået ved eksperimentelle målinger, men den stemmer ret godt overens med teoretiske beregninger.
Spændekraften kan beregnes matematisk ud fra denne formel:
F = kraft i Newton
B = magnetisk fluxtæthed i Teslaer
A = areal af poler i m2
µ0 = magnetisk permeabilitetskonstant, (4π x 10-7)
For et eksempel vil vi beregne klemkraften for en fluxtæthed på 2 Tesla:
Således F = ½ (2)2 A/µ0
For en kraft på enhedsareal (tryk) kan vi droppe "A"et i formlen.
Således tryk = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Dette kommer ud til 1.590.000 N/m2.
For at konvertere dette til kilogram kraft kan det divideres med g (9,81).
Således: Tryk = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Dette stemmer ret godt overens med den målte kraft for et nulgab vist på ovenstående graf.
Dette tal kan let konverteres til en samlet spændekraft for en given maskine ved at gange den med maskinens polareal.For modellen 1250E er polarealet 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Således ville den samlede kraft med nul mellemrum være (735 x 16,2) = 11.900 kg eller 11,9 tons;omkring 9,5 tons pr. meter magnetlængde.
Fluxtæthed og spændetryk er direkte relateret og er vist grafisk nedenfor:
Praktisk spændekraft:
I praksis opnås denne høje spændekraft kun, når den ikke er nødvendig(!), dvs. ved bukning af tynde stålemner.Ved bukning af ikke-jernholdige emner vil kraften være mindre som vist i grafen ovenfor, og (lidt mærkeligt) er den også mindre ved bukning af tykke stålemner.Dette skyldes, at den spændekraft, der er nødvendig for at lave en skarp bøjning, er meget højere end den, der er nødvendig for en radiusbøjning.Så det, der sker, er, at efterhånden som bøjningen skrider frem, løftes den forreste kant af spændestangen en anelse, hvilket tillader emnet at danne en radius.
Den lille luftspalte, der dannes, forårsager et lille tab af spændekraft, men den kraft, der er nødvendig for at danne radiusbøjningen, er faldet kraftigere end magnetens spændekraft.Derved opnås en stabil situation, og bøjlen slipper ikke.
Det, der er beskrevet ovenfor, er bøjningsmåden, når maskinen er tæt på sin tykkelsesgrænse.Hvis et endnu tykkere emne prøves, vil spændestangen selvfølgelig løfte sig.
Dette diagram antyder, at hvis næsekanten af spændestangen blev afrundet lidt i stedet for skarpt, ville luftspalten for tyk bøjning blive reduceret.
Dette er faktisk tilfældet, og en korrekt lavet Magnabend vil have en klemmestang med en radius kant.(En kant med radius er også meget mindre tilbøjelig til utilsigtet beskadigelse sammenlignet med en skarp kant).
Marginal tilstand for bøjningsfejl:
Hvis man forsøger at bøje et meget tykt emne, vil maskinen ikke bøje det, fordi spændestangen simpelthen løfter sig.(Det sker heldigvis ikke på en dramatisk måde; bøjlen slipper bare stille og roligt).
Men hvis bøjningsbelastningen kun er lidt større end magnetens bøjningskapacitet, så sker der generelt, at bøjningen fortsætter med at sige omkring 60 grader, og så begynder spændestangen at glide bagud.I denne fejltilstand kan magneten kun modstå bøjningsbelastningen indirekte ved at skabe friktion mellem emnet og magnetens leje.
Tykkelsesforskellen mellem et svigt på grund af afløftning og et svigt på grund af glidning er generelt ikke særlig stor.
Løftefejl skyldes, at emnet løfter spændestangens forkant opad.Spændekraften ved forkanten af spændestangen er hovedsageligt det, der modstår dette.Fastspænding i bagkanten har ringe effekt, fordi den er tæt på, hvor klemmestangen drejes.Faktisk er det kun halvdelen af den samlede spændekraft, der modstår afløftning.
På den anden side modstås glidning af den samlede spændekraft, men kun via friktion, så den faktiske modstand afhænger af friktionskoefficienten mellem emnet og magnetens overflade.
For rent og tørt stål kan friktionskoefficienten være så høj som 0,8, men hvis smøring er til stede, kan den være så lav som 0,2.Typisk vil det være et sted midt imellem, således at den marginale bøjningsfejl normalt skyldes glidning, men forsøg på at øge friktionen på magnetens overflade har vist sig ikke at være umagen værd.
Tykkelse Kapacitet:
For et magnethus af E-type, 98 mm bredt og 48 mm dybt og med en 3.800 ampere-drejningsspole, er bøjningskapaciteten i fuld længde 1,6 mm.Denne tykkelse gælder både for stålplader og aluminiumsplader.Der vil være mindre fastspænding på aluminiumspladen, men det kræver mindre drejningsmoment at bøje den, så dette kompenserer på en sådan måde, at der opnås ens målekapacitet for begge typer metal.
Der skal være nogle forbehold ved den angivne bøjningskapacitet: Den vigtigste er, at pladens flydespænding kan variere meget.Kapaciteten på 1,6 mm gælder for stål med en flydespænding på op til 250 MPa og for aluminium med en flydespænding på op til 140 MPa.
Tykkelsen kapacitet i rustfrit stål er omkring 1,0 mm.Denne kapacitet er væsentligt mindre end for de fleste andre metaller, fordi rustfrit stål normalt er ikke-magnetisk og alligevel har en rimelig høj flydespænding.
En anden faktor er magnetens temperatur.Hvis magneten har fået lov til at blive varm, vil modstanden af spolen være højere, og det vil igen få den til at trække mindre strøm med deraf følgende lavere ampere-omdrejninger og lavere klemkraft.(Denne effekt er normalt ret moderat og vil sandsynligvis ikke forårsage, at maskinen ikke opfylder dens specifikationer).
Endelig kunne der laves tykkere Magnabends, hvis magnetens tværsnit blev gjort større.