Fundamentos de como funciona o Magnabend

MAGNABEND - CONSIDERACIÓNS FUNDAMENTAIS DE DESEÑO
Deseño básico de imán
A máquina Magnabend está deseñada como un potente imán de CC cun ciclo de traballo limitado.
A máquina consta de 3 partes básicas: -

Magnabend Basic Parts

O corpo do imán que forma a base da máquina e contén a bobina electroimán.
A barra de suxeición que proporciona un camiño para o fluxo magnético entre os polos da base do imán e, así, fixa a peza de chapa.
O feixe de flexión que se xira cara ao bordo frontal do corpo do imán e proporciona un medio para aplicar forza de flexión á peza de traballo.
Configuracións do corpo magnético

Son posibles varias configuracións para o corpo do imán.
Aquí tes 2 que se utilizaron para máquinas Magnabend:

U-Type, E-Type

As liñas vermellas discontinuas dos debuxos anteriores representan os camiños do fluxo magnético.Teña en conta que o deseño "U-Type" ten unha única vía de fluxo (1 par de polos) mentres que o deseño "E-Type" ten 2 vías de fluxo (2 pares de polos).

Comparación da configuración do imán:
A configuración de tipo E é máis eficiente que a configuración de tipo U.
Para entender por que isto é así, considere os dous debuxos seguintes.

Á esquerda hai unha sección transversal dun imán tipo U e á dereita un imán tipo E que se fixo combinando 2 dos mesmos tipos U.Se cada configuración de imán é impulsada por unha bobina cos mesmos amperios-voltas, entón claramente o imán dobrado (o tipo E) terá o dobre de forza de suxeición.Tamén usa o dobre de aceiro pero case non hai máis cables para a bobina.(Asumindo un deseño de bobina longa).
(A pequena cantidade de fío extra sería necesaria só porque as dúas patas da bobina están máis separadas no deseño "E", pero este extra faise insignificante nun deseño de bobina longa como o usado para o Magnabend).

U-Magnet X-Section

Super Magnabend:
Para construír un imán aínda máis potente, o concepto "E" pódese ampliar como esta configuración de dobre E:

Super Magnabend

Modelo 3D:
A continuación móstrase un debuxo en 3D que mostra a disposición básica das pezas nun imán tipo U:

3-D drawing of U-Type

Neste deseño, os postes dianteiro e traseiro son pezas separadas e están unidas mediante parafusos á peza do núcleo.

Aínda que, en principio, sería posible mecanizar un corpo magnético tipo U a partir dunha única peza de aceiro, entón non sería posible instalar a bobina e, polo tanto, a bobina tería que ser enrollada in situ (no corpo do imán mecanizado). ).

Fabricated U-Type

Nunha situación de produción, é moi desexable poder enrolar as bobinas por separado (nun formador especial).Así, un deseño tipo U dita efectivamente unha construción fabricada.

Por outra banda, o deseño de tipo E préstase ben a un corpo de imán mecanizado a partir dunha única peza de aceiro porque unha bobina prefabricada pódese instalar facilmente despois de que o corpo do imán foi mecanizado.Un corpo magnético dunha soa peza tamén funciona mellor magnéticamente, xa que non ten ocos de construción que, doutro xeito, reducirían un pouco o fluxo magnético (e, polo tanto, a forza de suxeición).

(A maioría dos Magnabends feitos despois de 1990 empregaban o deseño tipo E).
Selección de material para a construción de imáns

O corpo do imán e a barra de sujeción deben estar feitos de material ferromagnético (magnetizable).O aceiro é, con diferenza, o material ferromagnético máis barato e é a opción obvia.Non obstante, hai varios aceiros especiais dispoñibles que poden ser considerados.

1) Aceiro ao silicio: aceiro de alta resistividade que adoita estar dispoñible en laminacións finas e que se usa en transformadores de CA, imáns de CA, relés, etc. As súas propiedades non son necesarias para o Magnabend que é un imán de CC.

2) Ferro brando: este material presentaría un magnetismo residual menor, o que sería bo para unha máquina Magnabend, pero é fisicamente brando, o que significaría que se abollaría e danaría facilmente;é mellor resolver o problema do magnetismo residual doutro xeito.

3) Ferro fundido: non se magnetiza tan facilmente como o aceiro laminado, pero podería considerarse.

4) Aceiro inoxidable Tipo 416: non se pode magnetizar con tanta forza como o aceiro e é moito máis caro (pero pode ser útil para unha fina superficie protectora no corpo do imán).

5) Aceiro inoxidable tipo 316: esta é unha aliaxe de aceiro non magnética e, polo tanto, non é adecuada para nada (excepto no punto 4 anterior).

6) Aceiro de carbono medio, tipo K1045 : este material é eminentemente axeitado para a construción do imán, (e outras partes da máquina).É razoablemente duro no estado de subministración e tamén funciona ben.

7) Aceiro de carbono medio tipo CS1020: este aceiro non é tan duro como o K1045, pero está máis facilmente dispoñible e, polo tanto, pode ser a opción máis práctica para a construción da máquina Magnabend.
Teña en conta que as propiedades importantes que se requiren son:

Magnetización de alta saturación.(A maioría das aliaxes de aceiro saturan ao redor de 2 Tesla),
Dispoñibilidade de tamaños de sección útiles,
Resistencia a danos accidentais,
Maquinabilidade e
Custo razoable.
O aceiro de carbono medio cumpre ben con todos estes requisitos.Tamén se pode usar aceiro baixo en carbono, pero é menos resistente aos danos accidentais.Tamén existen outras aliaxes especiais, como o supermendur, que teñen unha magnetización de saturación máis alta pero non se deben considerar polo seu custo moi elevado en comparación co aceiro.

No entanto, o aceiro de carbono medio presenta certo magnetismo residual que é suficiente para ser unha molestia.(Ver sección sobre Magnetismo residual).

A Bobina

A bobina é a que impulsa o fluxo de magnetización a través do electroimán.A súa forza de magnetización é só o produto do número de voltas (N) e da corrente da bobina (I).Así:

Coil Formula

N = número de voltas
I = corrente nos enrolamentos.

A aparición de "N" na fórmula anterior leva a un erro común.

Asúmese amplamente que aumentar o número de voltas aumentará a forza de magnetización, pero xeralmente isto non ocorre porque as voltas adicionais tamén reducen a corrente, I.

Considere unha bobina subministrada cunha tensión continua fixa.Se se duplica o número de voltas, a resistencia dos enrolamentos tamén se duplicará (nunha bobina longa) e así a corrente reducirase á metade.O efecto neto non é un aumento do NI.

O que realmente determina NI é a resistencia por volta.Así, para aumentar NI hai que aumentar o grosor do fío.O valor das voltas extra é que reducen a corrente e, polo tanto, a disipación de potencia na bobina.

O deseñador debe ter en conta que o calibre do fío é o que realmente determina a forza de magnetización da bobina.Este é o parámetro máis importante do deseño da bobina.

O produto NI adoita denominarse "voltas de amperios" da bobina.

Cantos amperes e voltas son necesarios?

O aceiro presenta unha magnetización de saturación duns 2 Tesla e isto establece un límite fundamental na cantidade de forza de suxeición que se pode obter.

Magnetisation Curve

A partir do gráfico anterior vemos que a intensidade de campo necesaria para obter unha densidade de fluxo de 2 Tesla é duns 20.000 amperios-voltas por metro.

Agora, para un deseño Magnabend típico, a lonxitude do camiño de fluxo no aceiro é de aproximadamente 1/5 de metro e, polo tanto, requirirá (20.000/5) AT para producir saturación, é dicir, uns 4.000 AT.

Sería bo ter moitas máis voltas de amperios que esta para que a magnetización de saturación se poida manter mesmo cando se introducen ocos non magnéticos (é dicir, pezas non ferrosas) no circuíto magnético.Non obstante, só se poden gañar voltas de amperios extra cun custo considerable en disipación de enerxía ou custo do fío de cobre, ou ambos.Polo tanto, é necesario un compromiso.

Os deseños típicos de Magnabend teñen unha bobina que produce voltas de 3.800 amperios.

Teña en conta que esta cifra non depende da lonxitude da máquina.Se se aplica o mesmo deseño magnético nun rango de lonxitudes de máquina, entón dita que as máquinas máis longas terán menos voltas de fío máis groso.Consumirán máis corrente total pero terán o mesmo produto de amperios x voltas e terán a mesma forza de suxeición (e a mesma disipación de potencia) por unidade de lonxitude.

Ciclo de traballo

O concepto de ciclo de traballo é un aspecto moi importante do deseño do electroimán.Se o deseño prevé máis ciclo de traballo do necesario, entón non é óptimo.Máis ciclo de traballo significa inherentemente que se necesitará máis fío de cobre (coa consecuente maior custo) e/ou haberá menos forza de suxeición dispoñible.

Nota: un imán de ciclo de traballo máis elevado terá menos disipación de enerxía, o que significa que utilizará menos enerxía e, polo tanto, será máis barato de operar.Non obstante, como o imán está acendido só durante breves períodos, o custo enerxético da operación adoita considerarse de moi pouca importancia.Polo tanto, o enfoque do deseño é ter tanta disipación de enerxía como se poida conseguir en termos de non sobrequecer os enrolamentos da bobina.(Este enfoque é común á maioría dos deseños de electroimáns).

O Magnabend está deseñado para un ciclo de traballo nominal de preto do 25%.

Normalmente só leva 2 ou 3 segundos facer unha curva.A continuación, o imán apagarase durante 8 a 10 segundos máis mentres a peza de traballo se reposiciona e se aliña lista para a seguinte curva.Se se supera o ciclo de traballo do 25 %, o imán quente demasiado e provocarase unha sobrecarga térmica.O imán non se danará pero haberá que deixar arrefriar durante uns 30 minutos antes de ser usado de novo.

A experiencia operativa con máquinas no campo demostrou que o ciclo de traballo do 25% é bastante adecuado para os usuarios típicos.De feito, algúns usuarios solicitaron versións opcionais de alta potencia da máquina que teñen máis forza de suxeición a costa dun menor ciclo de traballo.

Área de sección transversal da bobina

A área de sección transversal dispoñible para a bobina determinará a cantidade máxima de fío de cobre que se pode encaixar. A área dispoñible non debe ser superior á necesaria, en consonancia coas voltas de amperios e a disipación de potencia necesarias.Proporcionar máis espazo para a bobina aumentará inevitablemente o tamaño do imán e dará lugar a unha maior lonxitude do camiño de fluxo no aceiro (o que reducirá o fluxo total).

O mesmo argumento implica que calquera espazo da bobina que se proporcione no deseño, sempre debe estar cheo de fío de cobre.Se non está cheo, significa que a xeometría do imán podería ter sido mellor.

Forza de suxeición Magnabend:

A seguinte gráfica foi obtida mediante medicións experimentais, pero concorda bastante ben cos cálculos teóricos.

Clamping Force

A forza de suxeición pódese calcular matemáticamente a partir desta fórmula:

Formula

F = forza en Newtons
B = densidade de fluxo magnético en Teslas
A = área dos polos en m2
µ0 = constante de permeabilidade magnética, (4π x 10-7)

Por exemplo, calcularemos a forza de suxeición para unha densidade de fluxo de 2 Tesla:

Así, F = ½ (2)2 A/µ0

Para unha forza sobre a unidade de área (presión) podemos deixar caer a "A" na fórmula.

Así Presión = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.

Isto sae a 1.590.000 N/m2.

Para converter isto en quilogramos de forza pódese dividir por g (9,81).

Así: Presión = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.

Isto concorda bastante ben coa forza medida para un espazo cero que se mostra no gráfico anterior.

Esta cifra pódese converter facilmente nunha forza de suxeición total para unha máquina determinada multiplicándoa pola área do polo da máquina.Para o modelo 1250E a área do polo é 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.

Así, a forza total, sen separación cero, sería (735 x 16,2) = 11.900 kg ou 11,9 toneladas;preto de 9,5 toneladas por metro de lonxitude do imán.

A densidade do fluxo e a presión de suxeición están directamente relacionadas e móstranse na gráfica a continuación:

Clamping_Pressure

Forza de suxeición práctica:
Na práctica, esta alta forza de suxeición só se realiza cando non é necesaria (!), é dicir, ao dobrar pezas finas de aceiro.Ao dobrar pezas non ferrosas, a forza será menor como se mostra no gráfico anterior e (un pouco curiosamente), tamén é menor ao dobrar pezas de aceiro groso.Isto débese a que a forza de suxeición necesaria para facer unha curva pronunciada é moito maior que a necesaria para unha curva de radio.Entón, o que sucede é que a medida que avanza a curva, o bordo dianteiro da barra de sujeción elévase lixeiramente permitindo que a peza de traballo forme un radio.

O pequeno espazo de aire que se forma provoca unha lixeira perda de forza de suxeición, pero a forza necesaria para formar a curva do raio caeu máis bruscamente que a forza de suxeición do imán.Así, resulta unha situación estable e a barra de sujeción non se solta.

O que se describe anteriormente é o modo de flexión cando a máquina está preto do seu límite de espesor.Se se proba unha peza de traballo aínda máis grosa, a barra de sujeción levantarase.

Radius Bend2

Este diagrama suxire que se o bordo do morro da barra de sujeción estivese un pouco radiado, en lugar de afiado, entón o espazo de aire para a flexión grosa reduciríase.
De feito, este é o caso e un Magnabend debidamente feito terá unha barra de sujeción cun bordo radial.(Un bordo radial tamén é moito menos propenso a danos accidentais en comparación cun bordo afiado).

Modo marxinal de falla de curvatura:

Se se intenta dobrar unha peza de traballo moi grosa, a máquina non poderá dobrala porque a barra de sujeción simplemente se levantará.(Afortunadamente, isto non ocorre dun xeito dramático; a barra de sujeción só se deixa ir en silencio).

Non obstante, se a carga de flexión é só lixeiramente maior que a capacidade de flexión do imán, o que ocorre en xeral é que a curvatura dirá uns 60 graos e entón a barra de sujeción comezará a desprazarse cara atrás.Neste modo de falla, o imán só pode resistir a carga de flexión indirectamente creando fricción entre a peza de traballo e o leito do imán.

A diferenza de grosor entre un fallo debido ao despegue e un fallo debido ao deslizamento xeralmente non é moi grande.
A falla de despegue débese a que a peza de traballo leva o bordo frontal da barra de sujeción cara arriba.A forza de suxeición no bordo dianteiro da barra de suxeición é principalmente a que resiste isto.A suxeición no bordo traseiro ten pouco efecto porque está preto de onde se está a xirar a barra de suxeición.De feito, é só a metade da forza de suxeición total a que resiste o despegamento.

Por outra banda, o deslizamento é resistido pola forza total de suxeición pero só por fricción, polo que a resistencia real depende do coeficiente de rozamento entre a peza de traballo e a superficie do imán.

Para o aceiro limpo e seco, o coeficiente de rozamento pode ser tan alto como 0,8 pero se hai lubricación, entón pode ser tan baixo como 0,2.Normalmente estará nalgún lugar intermedio de tal xeito que o modo marxinal de falla de curvatura adoita ser debido ao deslizamento, pero os intentos de aumentar a fricción na superficie do imán non valen a pena.

Capacidade de espesor:

Para un corpo magnético tipo E de 98 mm de ancho e 48 mm de profundidade e cunha bobina de 3.800 amperios de volta, a capacidade de flexión de lonxitude total é de 1,6 mm.Este espesor aplícase tanto á chapa de aceiro como á chapa de aluminio.Haberá menos suxeición na chapa de aluminio pero require menos torque para dobrala, polo que se compensa de forma que se dea unha capacidade de calibre similar para ambos tipos de metal.

Debe haber algunhas advertencias sobre a capacidade de flexión indicada: a principal é que o límite de fluencia da chapa pode variar moito.A capacidade de 1,6 mm aplícase ao aceiro cun límite de fluencia de ata 250 MPa e ao aluminio cun límite de fluencia de ata 140 MPa.

A capacidade de espesor en aceiro inoxidable é de aproximadamente 1,0 mm.Esta capacidade é significativamente menor que para a maioría dos outros metais porque o aceiro inoxidable adoita ser non magnético e aínda ten unha tensión de fluencia razoablemente alta.

Outro factor é a temperatura do imán.Se se permitiu que o imán se quente, entón a resistencia da bobina será maior e isto á súa vez fará que absorba menos corrente coa consecuente voltas de amperios máis baixas e unha forza de suxeición máis baixa.(Este efecto adoita ser bastante moderado e é improbable que a máquina non cumpra as súas especificacións).

Finalmente, poderían facerse Magnabends de maior capacidade se a sección transversal do imán fose maior.