MAGNABEND - CONSIDERACIONS FUNDAMENTALS DE DISSENY
Disseny bàsic d'imants
La màquina Magnabend està dissenyada com un potent imant de corrent continu amb un cicle de treball limitat.
La màquina consta de 3 parts bàsiques: -
El cos de l'imant que forma la base de la màquina i conté la bobina de l'electroimant.
La barra de pinça que proporciona un camí per al flux magnètic entre els pols de la base de l'imant i, per tant, subjecta la peça de treball de xapa.
El feix de flexió que es pivota a la vora frontal del cos de l'imant i proporciona un mitjà per aplicar la força de flexió a la peça de treball.
Configuracions del cos imant
Són possibles diverses configuracions per al cos de l'imant.
Aquí hi ha 2 que s'han utilitzat ambdues per a màquines Magnabend:
Les línies vermelles discontínues dels dibuixos anteriors representen els camins del flux magnètic.Tingueu en compte que el disseny "U-Type" té una única via de flux (1 parell de pols), mentre que el disseny "E-Type" té 2 vies de flux (2 parells de pols).
Comparació de la configuració de l'imant:
La configuració de tipus E és més eficient que la configuració de tipus U.
Per entendre per què això és així, tingueu en compte els dos dibuixos següents.
A l'esquerra hi ha una secció transversal d'un imant de tipus U i a la dreta un imant de tipus E que s'ha fet combinant 2 dels mateixos tipus U.Si cada configuració d'imant és impulsada per una bobina amb els mateixos amperes de volta, llavors és evident que l'imant duplicat (el tipus E) tindrà el doble de força de subjecció.També utilitza el doble d'acer, però gairebé no hi ha més cable per a la bobina!(Suposant un disseny de bobina llarga).
(La petita quantitat de cable addicional només es necessitaria perquè les dues potes de la bobina estan més separades en el disseny "E", però aquest extra esdevé insignificant en un disseny de bobina llarga com el que s'utilitza per al Magnabend).
Super Magnabend:
Per construir un imant encara més potent, el concepte "E" es pot estendre com aquesta configuració de doble E:
Model 3D:
A continuació es mostra un dibuix en 3D que mostra la disposició bàsica de les peces en un imant tipus U:
En aquest disseny, els pals davanter i posterior són peces separades i s'uneixen mitjançant cargols a la peça del nucli.
Encara que, en principi, seria possible mecanitzar un cos d'imant tipus U a partir d'una sola peça d'acer, llavors no seria possible instal·lar la bobina i, per tant, la bobina s'hauria d'enrotllar in situ (al cos de l'imant mecanitzat). ).
En una situació de producció, és molt desitjable poder enrotllar les bobines per separat (en un model especial).Així, un disseny de tipus U dicta de manera efectiva una construcció fabricada.
D'altra banda, el disseny de tipus E s'adapta bé a un cos d'imant mecanitzat a partir d'una sola peça d'acer perquè es pot instal·lar fàcilment una bobina prefabricada després de mecanitzar el cos de l'imant.Un cos d'imant d'una sola peça també funciona millor magnèticament, ja que no té espais de construcció que, d'altra manera, reduirien una mica el flux magnètic (i, per tant, la força de subjecció).
(La majoria de Magnabends fabricats després de 1990 utilitzaven el disseny de tipus E).
Selecció de material per a la construcció d'imants
El cos de l'imant i la barra de fixació han d'estar fets de material ferromagnètic (magnètic).L'acer és, amb diferència, el material ferromagnètic més barat i és l'opció òbvia.No obstant això, hi ha diversos acers especials disponibles que es podrien considerar.
1) Acer al silici: acer d'alta resistivitat que normalment està disponible en laminacions primes i s'utilitza en transformadors de CA, imants de CA, relés, etc. Les seves propietats no són necessàries per al Magnabend que és un imant de corrent continu.
2) Ferro suau: aquest material mostraria un magnetisme residual més baix que seria bo per a una màquina Magnabend, però és físicament suau, cosa que significaria que es podria abollar i danyar fàcilment;és millor resoldre el problema del magnetisme residual d'una altra manera.
3) Ferro colat: no es magnetitza tan fàcilment com l'acer laminat, però es podria considerar.
4) Acer inoxidable tipus 416: no es pot magnetitzar amb tanta força com l'acer i és molt més car (però pot ser útil per a una fina superfície protectora del cos de l'imant).
5) Acer inoxidable tipus 316: aquest és un aliatge d'acer no magnètic i, per tant, no és adequat (excepte com a l'apartat 4 anterior).
6) Acer al carboni mitjà, tipus K1045: aquest material és eminentment adequat per a la construcció de l'imant (i altres parts de la màquina).És raonablement dur en les condicions de subministrament i també funciona bé.
7) Acer de carboni mitjà tipus CS1020: aquest acer no és tan dur com el K1045, però està més fàcilment disponible i, per tant, pot ser l'opció més pràctica per a la construcció de la màquina Magnabend.
Tingueu en compte que les propietats importants que es requereixen són:
Magnetització d'alta saturació.(La majoria dels aliatges d'acer es saturen al voltant de 2 Tesla),
Disponibilitat de mides de secció útils,
Resistència als danys accidentals,
Mecanització, i
Cost raonable.
L'acer al carboni mitjà s'adapta bé a tots aquests requisits.També es podria utilitzar acer baix en carboni, però és menys resistent als danys accidentals.També existeixen altres aliatges especials, com el supermendur, que tenen una magnetització de saturació més alta però que no s'han de tenir en compte pel seu cost molt elevat en comparació amb l'acer.
Tanmateix, l'acer al carboni mitjà presenta una mica de magnetisme residual que és suficient per ser una molèstia.(Vegeu l'apartat de magnetisme residual).
La bobina
La bobina és la que impulsa el flux de magnetització a través de l'electroimant.La seva força magnetitzadora és només el producte del nombre de voltes (N) i el corrent de la bobina (I).Així:
N = nombre de voltes
I = corrent als bobinatges.
L'aparició de "N" a la fórmula anterior porta a un error comú.
S'assumeix àmpliament que augmentar el nombre de voltes augmentarà la força de magnetització, però en general això no passa perquè les espires addicionals també redueixen el corrent, I.
Considereu una bobina subministrada amb una tensió continua fixa.Si es duplica el nombre de voltes, també es duplicarà la resistència dels bobinatges (en una bobina llarga) i així el corrent es reduirà a la meitat.L'efecte net és cap augment de NI.
El que realment determina NI és la resistència per volta.Així, per augmentar NI, s'ha d'augmentar el gruix del cable.El valor de les espires addicionals és que redueixen el corrent i, per tant, la dissipació de potència a la bobina.
El dissenyador ha de tenir en compte que el calibre del cable és el que realment determina la força de magnetització de la bobina.Aquest és el paràmetre més important del disseny de la bobina.
El producte NI sovint es coneix com a "voltes d'amperes" de la bobina.
Quants amperes de volta es necessiten?
L'acer presenta una magnetització de saturació d'uns 2 Tesla i això estableix un límit fonamental a la quantitat de força de subjecció que es pot obtenir.
A partir del gràfic anterior veiem que la força de camp necessària per obtenir una densitat de flux de 2 Tesla és d'uns 20.000 amperes-girs per metre.
Ara, per a un disseny típic de Magnabend, la longitud del camí del flux a l'acer és d'aproximadament 1/5 de metre i, per tant, necessitarà (20.000/5) AT per produir saturació, és a dir, uns 4.000 AT.
Seria bo tenir molts més amperes de volta que això, de manera que la magnetització de saturació es podria mantenir fins i tot quan s'introdueixen espais no magnètics (és a dir, peces de treball no ferrosos) al circuit magnètic.No obstant això, només es poden obtenir voltes d'amperatge addicionals a un cost considerable en la dissipació de potència o el cost del cable de coure, o ambdós.Per tant, cal un compromís.
Els dissenys típics de Magnabend tenen una bobina que produeix 3.800 amperes de volta.
Tingueu en compte que aquesta xifra no depèn de la longitud de la màquina.Si s'aplica el mateix disseny magnètic en un rang de longituds de màquina, s'indica que les màquines més llargues tindran menys voltes de filferro més gruixut.Consumiran més corrent total, però tindran el mateix producte d'amperes x voltes i tindran la mateixa força de subjecció (i la mateixa dissipació de potència) per unitat de longitud.
Cicle de treball
El concepte de cicle de treball és un aspecte molt important del disseny de l'electroimant.Si el disseny proporciona més cicle de treball del necessari, no és òptim.Més cicle de treball significa inherentment que es necessitarà més cable de coure (amb un cost més elevat) i/o hi haurà menys força de subjecció disponible.
Nota: un imant de cicle de treball superior tindrà menys potència dissipada, la qual cosa significa que utilitzarà menys energia i, per tant, serà més barat d'operar.Tanmateix, com que l'imant està encès només durant breus períodes, el cost energètic de l'operació es considera generalment de molt poca importància.Per tant, l'enfocament del disseny és tenir la màxima dissipació de potència que pugueu aconseguir en termes de no sobreescalfar els bobinatges de la bobina.(Aquest enfocament és comú a la majoria dels dissenys d'electroimants).
El Magnabend està dissenyat per a un cicle de treball nominal d'aproximadament el 25%.
Normalment només triguen 2 o 3 segons a fer una corba.Aleshores, l'imant estarà apagat durant 8 o 10 segons més mentre la peça de treball es reposiciona i s'alinea preparada per al següent corbat.Si se supera el cicle de treball del 25%, finalment l'imant s'escalfarà massa i es dispararà una sobrecàrrega tèrmica.L'imant no es farà malbé, però s'haurà de deixar refredar durant uns 30 minuts abans de tornar-lo a utilitzar.
L'experiència operativa amb màquines en el camp ha demostrat que el cicle de treball del 25% és bastant adequat per als usuaris típics.De fet, alguns usuaris han demanat versions opcionals d'alta potència de la màquina que tenen més força de subjecció a costa d'un menor cicle de treball.
Àrea de la secció transversal de la bobina
L'àrea de la secció transversal disponible per a la bobina determinarà la quantitat màxima de filferro de coure que es pot instal·lar. L'àrea disponible no hauria de ser més de la necessària, d'acord amb els amperis de volta i la dissipació de potència requerits.Proporcionar més espai per a la bobina augmentarà inevitablement la mida de l'imant i donarà lloc a una longitud més llarga del camí del flux a l'acer (que reduirà el flux total).
El mateix argument implica que qualsevol espai de la bobina que es proporcioni al disseny, sempre hauria d'estar ple de filferro de coure.Si no està ple, vol dir que la geometria de l'imant podria haver estat millor.
Força de subjecció Magnabend:
El gràfic següent es va obtenir mitjançant mesures experimentals, però concorda força bé amb els càlculs teòrics.
La força de tancament es pot calcular matemàticament a partir d'aquesta fórmula:
F = força en Newtons
B = densitat de flux magnètic en Tesles
A = àrea dels pols en m2
µ0 = constant de permeabilitat magnètica, (4π x 10-7)
Per exemple, calcularem la força de tancament per a una densitat de flux de 2 Tesla:
Així F = ½ (2)2 A/µ0
Per a una força sobre la unitat d'àrea (pressió) podem deixar caure la "A" a la fórmula.
Així Pressió = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Això surt a 1.590.000 N/m2.
Per convertir això en quilograms de força es pot dividir per g (9,81).
Així: Pressió = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Això concorda força bé amb la força mesurada per a un buit zero que es mostra al gràfic anterior.
Aquesta xifra es pot convertir fàcilment en una força de subjecció total per a una màquina donada multiplicant-la per l'àrea del pol de la màquina.Per al model 1250E l'àrea del pol és 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Així, la força total, amb espai zero, seria (735 x 16,2) = 11.900 kg o 11,9 tones;unes 9,5 tones per metre de longitud de l'imant.
La densitat del flux i la pressió de subjecció estan directament relacionades i es mostren al gràfic a continuació:
Força de subjecció pràctica:
A la pràctica, aquesta gran força de subjecció només es realitza quan no és necessària (!), és a dir, quan es dobleguen peces d'acer primes.Quan es dobleguen peces no fèrriques, la força serà menor com es mostra al gràfic anterior i (una mica curiosament), també ho és quan es dobleguen peces d'acer gruixudes.Això es deu al fet que la força de subjecció necessària per fer una corba pronunciada és molt superior a la necessària per a una corba de radi.Així, el que passa és que a mesura que avança el corbat, la vora frontal de la barra de suport s'aixeca lleugerament, permetent que la peça de treball formi un radi.
El petit espai d'aire que es forma provoca una lleugera pèrdua de força de subjecció, però la força necessària per formar la corba del radi ha caigut més bruscament que la força de subjecció de l'imant.Així es produeix una situació estable i la pinça no es deixa anar.
El que es descriu anteriorment és el mode de flexió quan la màquina està a prop del seu límit de gruix.Si es prova una peça de treball encara més gruixuda, per descomptat, la pinça s'aixecarà.
Aquest diagrama suggereix que si la vora del morro de la barra de pinça estigués una mica radiada, en lloc de nítida, es reduiria l'espai d'aire per a una flexió gruixuda.
De fet, aquest és el cas i un Magnabend fet correctament tindrà una pinça amb una vora radiada.(Una vora radi també és molt menys propensa a danys accidentals en comparació amb una vora afilada).
Mode marginal de fallada de flexió:
Si s'intenta una corba en una peça molt gruixuda, la màquina no la doblegarà perquè la barra de suport simplement s'aixecarà.(Afortunadament això no passa d'una manera dramàtica; la pinça només deixa anar en silenci).
Tanmateix, si la càrrega de flexió només és lleugerament superior a la capacitat de flexió de l'imant, en general, el que passa és que la flexió procedirà a dir uns 60 graus i, a continuació, la pinça començarà a lliscar cap enrere.En aquest mode de fallada, l'imant només pot resistir la càrrega de flexió indirectament creant fricció entre la peça de treball i el llit de l'imant.
La diferència de gruix entre una fallada per enlairament i una fallada per lliscament generalment no és gaire.
La fallada d'aixecament es deu al fet que la peça de treball palanca la vora frontal de la barra de suport cap amunt.La força de subjecció a la vora davantera de la barra de suport és principalment la que resisteix a això.La subjecció a la vora posterior té poc efecte perquè està a prop d'on es pivota la barra de suport.De fet, només és la meitat de la força de subjecció total la que resisteix l'aixecament.
D'altra banda, el lliscament es resisteix per la força total de subjecció, però només mitjançant la fricció, de manera que la resistència real depèn del coeficient de fricció entre la peça de treball i la superfície de l'imant.
Per a acer net i sec, el coeficient de fricció pot arribar a ser de 0,8, però si hi ha lubricació, podria ser tan baix com 0,2.Normalment es trobarà en un punt intermedi, de manera que el mode marginal de fallada de flexió sol ser degut al lliscament, però s'ha trobat que els intents d'augmentar la fricció a la superfície de l'imant no valen la pena.
Capacitat de gruix:
Per a un cos d'imant tipus E de 98 mm d'ample i 48 mm de profunditat i amb una bobina de 3.800 amperes de volta, la capacitat de flexió total és d'1,6 mm.Aquest gruix s'aplica tant a la xapa d'acer com a la làmina d'alumini.Hi haurà menys subjecció a la làmina d'alumini, però requereix menys parell per doblegar-la, de manera que això es compensa de manera que es doni una capacitat de calibre similar per als dos tipus de metall.
Hi ha d'haver algunes advertències sobre la capacitat de flexió indicada: la principal és que el límit elàstic de la xapa pot variar molt.La capacitat d'1,6 mm s'aplica a l'acer amb un límit de fluència de fins a 250 MPa i a l'alumini amb un límit de fluència de fins a 140 MPa.
La capacitat de gruix en acer inoxidable és d'uns 1,0 mm.Aquesta capacitat és significativament menor que la de la majoria dels altres metalls perquè l'acer inoxidable sol ser no magnètic i, tot i així, té una tensió de fluència raonablement alta.
Un altre factor és la temperatura de l'imant.Si s'ha deixat que l'imant s'escalfi, la resistència de la bobina serà més alta i això, al seu torn, farà que consumeixi menys corrent amb les consegüents amperes-girs i una força de tancament menor.(Aquest efecte sol ser força moderat i és poc probable que la màquina no compleixi les seves especificacions).
Finalment, es podrien fer Magnabends de capacitat més gruixuda si la secció transversal de l'imant es fes més gran.