MAGNABEND - CONSIDERAZIONI FUNDAMENTALI DI DESIGN
Disegnu di basa di magnetu
A macchina Magnabend hè cuncepita cum'è un putente magnetu DC cù un ciclu di travagliu limitatu.
A macchina hè custituita da 3 parti basi: -
U corpu magnetu chì forma a basa di a macchina è cuntene a bobina elettro-magnete.
A clamp bar chì furnisce un percorsu per u flussu magneticu trà i poli di a basa di magnete, è cusì clampisce a pezza di lamiera.
U fasciu di curvatura chì hè pivotatu à u bordu frontale di u corpu magnetu è furnisce un mezzu per applicà a forza di curvatura à a pezza di travagliu.
Configurazioni Magnet-Body
Diverse cunfigurazioni sò pussibuli per u corpu magnetu.
Eccu 2 chì sò stati tramindui usati per e macchine Magnabend:
E linee rosse tratteggiate in i disegni sopra rapprisentanu i percorsi di flussu magneticu.Nota chì u disignu "U-Type" hà una sola via di flussu (1 coppia di poli) mentre chì u disignu "E-Type" hà 2 camini di flussu (2 coppie di poli).
Paragone di cunfigurazione di magneti:
A cunfigurazione di u tipu E hè più efficau chè a cunfigurazione di u tipu.
Per capisce perchè questu hè cusì cunsiderà i dui disegni sottu.
A manca hè una sezione trasversale di un magnetu U-tipu è à a diritta hè un magnetu E-type chì hè stata fatta cumminendu 2 di i stessi U-tipi.Se ogni cunfigurazione di magnete hè guidata da una bobina cù i stessi ampere-turni allora chjaramente u magnetu duppiu-up (u tipu E) averà duie volte più forza di serratura.Aduprate ancu duie volte più d'acciaio, ma quasi più filu per a bobina!(Assumendu un disignu di bobina longa).
(A piccula quantità di filu extra saria necessariu solu perchè e 2 duie gambe di a bobina sò più distanti in u disignu "E", ma questu extra diventa insignificante in un disignu di bobina longa cum'è utilizatu per u Magnabend).
Super Magnabend:
Per custruisce un magnetu ancu più putente, u cuncettu "E" pò esse allargatu cum'è sta cunfigurazione doppia E:
Modellu 3-D:
Sottu hè un disegnu 3-D chì mostra a disposizione di basa di e parti in un magnetu di u tipu:
In questu disignu, i pali Front è Rear sò pezzi separati è sò attaccati da bulloni à u pezzu Core.
Ancu s'ellu, in principiu, saria pussibule di usinà un corpu di magnetu di tipu U da una sola pezza d'acciaio, ùn saria micca pussibule di stallà a bobina è cusì a bobina duveria esse avvolta in situ (nantu à u corpu di magnetu machined). ).
In una situazione di pruduzzione hè assai desideratu per esse capace di ventu e bobine per separatamente (nantu à un primu speciale).Cusì un disignu di u tippu U detta in modu efficace una custruzzione fabbricata.
Per d 'altra banda, u disignu di u tipu E si presta bè à un corpu di magnete machinatu da una sola pezza d'acciaio, perchè una bobina pre-fatta pò esse facilmente installata dopu chì u corpu di magnete hè stata machinata.Un corpu magneticu unicu pezza ancu rende megliu magneticamente perchè ùn hà micca spazii di custruzzione chì altrimenti riducerebbenu un pocu u flussu magneticu (è dunque a forza di serratura).
(A maiò parte di i Magnabends fatti dopu à u 1990 anu impiegatu u disignu E-type).
Selezzione di materiale per a custruzzione di magneti
U corpu di magnete è u clampbar deve esse fattu di materiale ferromagneticu (magnetizzabile).L'azzaru hè di granu u materiale ferromagneticu più prezzu è hè a scelta ovvia.Tuttavia, ci sò parechji acciai speciali dispunibili chì ponu esse cunsideratu.
1) Silicon Steel : High resistivity steel chì hè di solitu disponibile in laminazioni magre è hè usatu in trasformatori AC, magnets AC, relays, etc. I so pruprietà ùn sò micca necessariu per u Magnabend chì hè un magnet DC.
2) Ferru morbidu : Stu materiale mostra un magnetismu residuale più bassu chì saria bonu per una macchina Magnabend, ma hè fisicamente dolce, ciò chì significaria chì saria facilmente dented è dannatu;hè megliu per risolve u prublema di magnetismu residuale qualchì altru modu.
3) Cast Iron : Ùn hè micca cusì facilmente magnetizatu cum'è l'acciaio laminatu, ma puderia esse cunsideratu.
4) Stainless Steel Type 416 : Ùn pò micca esse magnetizatu cusì forte cum'è l'acciaio è hè assai più caru (ma pò esse utile per una superficia fina di capping protettiva nantu à u corpu magnetu).
5) Stainless Steel Type 316 : Questu hè un alliage non magneticu di l'azzaru è ùn hè dunque micca adattatu à tutti (eccettu cum'è in 4 sopra).
6) Medium Carbon Steel, tipu K1045 : Stu materiale hè eminently adattatu per a custruzzione di u magnetu, (è altre parti di a macchina).Hè abbastanza dura in a cundizione cum'è furnita è ancu macchina bè.
7) Tipu d'acciaio di carbone mediu CS1020 : Questu azzaru ùn hè micca cusì duru cum'è K1045, ma hè più dispunibule è cusì pò esse a scelta più pratica per a custruzzione di a macchina Magnabend.
Nota chì e proprietà impurtanti chì sò necessarii sò:
Magnetizazione à alta saturazione.(A maiò parte di leghe d'acciaio saturanu à circa 2 Tesla),
Disponibilità di dimensioni utili di sezione,
Resistenza à i danni accidentali,
Machinability, è
Costu raghjone.
L'acciaio di carbone mediu si adatta bè à tutti questi requisiti.L'acciaio à pocu carbonu puderia ancu esse usatu, ma hè menu resistente à i danni incidentali.Ci hè ancu altri alliages speciali, cum'è u supermendur, chì anu una magnetizazione di saturazione più altu, ma ùn sò micca da esse cunsideratu per via di u so costu assai altu cumparatu cù l'acciaio.
L'acciaio à carbonu mediu presenta però un pocu magnetismu residuale chì hè abbastanza per esse una nuiscenza.(Vede a sezione nantu à u magnetismu residuale).
A bobina
A bobina hè ciò chì guida u flussu magnetisante à traversu l'elettromagnete.A so forza magnetisante hè solu u pruduttu di u numeru di spire (N) è a corrente di bobina (I).Cusì:
N = numeru di giri
I = corrente in i bobinamenti.
L'apparizione di "N" in a formula sopra porta à un misconception cumuni.
Hè largamente presumitu chì l'aumentu di u numeru di giri aumenterà a forza di magnetisazione, ma in generale questu ùn succede micca perchè i giri extra riduce ancu a corrente, I.
Cunsiderate una bobina furnita cù una tensione DC fissa.Se u nùmeru di giri hè radduppiatu allora a resistenza di l'avvolgimentu serà ancu duppiatu (in una bobina longa) è cusì u currente serà a mità.L'effettu netu ùn hè micca un aumentu di NI.
Ciò chì determina veramente NI hè a resistenza per turnu.Cusì per aumentà NI u gruixu di u filu deve esse aumentatu.U valore di i turni extra hè chì riducenu a corrente è dunque a dissipazione di putenza in a bobina.
U designer deve esse attentu chì u calibre di filu hè ciò chì determina veramente a forza magnetisante di a bobina.Questu hè u paràmetru più impurtante di u disignu di bobina.
U pruduttu NI hè spessu chjamatu "ampere turns" di a bobina.
Quanti Ampere Turns sò Necessarii?
L'acciaio mostra una magnetizazione di saturazione di circa 2 Tesla è questu stabilisce un limitu fundamentale nantu à quantu forza di clamping pò esse ottenuta.
Da u graficu sopra, vedemu chì a forza di u campu necessariu per ottene una densità di flussu di 2 Tesla hè di circa 20 000 ampere-turni per metru.
Avà, per un disignu tipicu di Magnabend, a lunghezza di u caminu di flussu in l'acciaio hè di circa 1/5th di un metru è per quessa hà bisognu di (20,000/5) AT per pruduce a saturazione, chì hè circa 4,000 AT.
Saria piacevule à avè assai più ampere turni di questu cusì chì a magnetizazione di saturazione puderia esse mantinuta ancu quandu i spazii non magnetichi (vale à dì pezzi non-ferrous) sò introdutti in u circuitu magneticu.Tuttavia, i turni di ampere extra ponu esse acquistati solu à un costu considerableu in a dissipazione di putenza o u costu di u filu di cobre, o i dui.Cusì hè necessariu un cumprumissu.
I disinni tipici di Magnabend anu una bobina chì produce 3.800 ampere turni.
Nota chì sta figura ùn hè micca dipendente da a durata di a macchina.Se u listessu disignu magneticu hè appiicatu annantu à una gamma di lunghezze di macchina, allora impone chì e macchine più lunghe anu menu volte di filu più grossu.Puderanu più corrente tutale, ma avarà u stessu pruduttu di amps x turni è avarà a stessa forza di clamping (è a stessa dissipazione di putenza) per unità di lunghezza.
Duty Cycle
U cuncettu di ciculu duty hè un aspettu assai impurtante di u disignu di l'elettromagnete.Se u disignu prevede più ciculu di u travagliu di ciò chì hè necessariu, ùn hè micca ottimali.Un ciculu di più duty inherently significa chì più filu di rame serà necessariu (cun un costu più altu) è / o ci sarà menu forza di clamping disponibile.
Nota: Un magnetu di ciculu di duty più altu averà menu dissipazione di putenza chì significa chì utilizerà menu energia è cusì serà più prezzu per operare.Tuttavia, perchè u magnetu hè ON per solu brevi periodi, u costu energeticu di u funziunamentu hè generalmente cunsideratu cum'è di pocu significatu.Cusì l'approcciu di u disignu hè di avè tanta dissipazione di putenza quant'è pudete alluntanassi in quantu à ùn surriscaldà micca i bobinamenti di a bobina.(Questu approcciu hè cumunu à a maiò parte di i disinni elettromagneti).
U Magnabend hè pensatu per un ciclu di duty nominale di circa 25%.
Di genere, ci vole solu 2 o 3 seconde per fà una curva.U magnetu sarà allora spento per altri 8 à 10 seconde mentre a pezza hè riposizionata è allinata pronta per a prossima curva.Se u ciculu di impiegu di 25% hè superatu, allora eventualmente u magnetu sarà troppu caldu è una sovraccarica termica si spegnerà.U magnetu ùn serà micca danatu, ma duverà esse permessu di rinfriscà per circa 30 minuti prima di esse usatu di novu.
L'esperienza operativa cù e macchine in u campu hà dimustratu chì u ciculu di 25% di duty hè abbastanza adattatu per l'utilizatori tipici.In fatti, certi utilizatori anu dumandatu versioni opzionali d'alta putenza di a macchina chì anu più forza di serratura à a spesa di menu duty cycle.
Area di Section Transversale di Coil
L'area di a sezione trasversale dispunibule per a bobina determinarà a quantità massima di filu di cobre chì pò esse inseritu. L'area dispunibule ùn deve esse più di ciò chì hè necessariu, in cunfurmità cù l'ampere turni è a dissipazione di putenza.Furnisce più spaziu per a bobina inevitabbilmente aumenterà a dimensione di u magnetu è u risultatu in una lunghezza di flussu più longu in l'acciaio (chì riducerà u flussu tutale).
U listessu argumentu implica chì qualunque spaziu di bobina hè furnitu in u disignu, deve esse sempre pienu di filu di cobre.S'ellu ùn hè micca pienu allora significa chì a geometria magnetu puderia esse megliu.
Forza di serraggio Magnabend:
U graficu quì sottu hè statu ottenutu da misurazioni spirimintali, ma accunsenu abbastanza bè cù i calculi teorichi.
A forza di clamping pò esse calculata matematicamente da questa formula:
F = forza in Newton
B = densità di flussu magneticu in Tesla
A = area di poli in m2
µ0 = constante de perméabilité magnétique, (4π x 10-7)
Per esempiu, calculeremu a forza di clamping per una densità di flussu di 2 Tesla:
Ainsi F = ½ (2)2 A/µ0
Per una forza nantu à l'area unità (pressione) pudemu abbandunà a "A" in a formula.
Cusì Pressione = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Questu vene à 1.590.000 N/m2.
Per cunvertisce questu in kilogrammi di forza pò esse divisu da g (9,81).
Cusì : Pressione = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Questu accunsenu piuttostu bè cù a forza misurata per un gap zero mostratu nantu à u graficu sopra.
Sta figura pò esse facilmente cunvertita in una forza di clamping tutale per una data machine multiplicendu per l'area di u polu di a macchina.Per u mudellu 1250E l'area di u polu hè 125 (1,4 + 3,0 + 1,5) = 735 cm2.
Cusì a forza tutale, zero-gap, seria (735 x 16,2) = 11,900 kg o 11,9 tunnellate;circa 9,5 tunnellate per metru di lunghezza di magnete.
A densità di flussu è a pressione di Clamping sò direttamente ligati è sò mostrati graficamente quì sottu:
Forza di serratura pratica:
In pratica, sta forza di serratura elevata hè sempre realizata solu quandu ùn hè micca necessariu (!), vale à dì quandu si curvanu pezzi d'acciaio sottili.Quandu si curvanu i pezzi non-ferrous, a forza serà menu cum'è mostra in u graficu sopra, è (un pocu curiosamente), hè ancu menu quandu si curvanu pezzi d'acciaio grossi.Questu hè chì a forza di clamping necessaria per fà una curva sharp hè assai più altu ch'è quella necessaria per una curva di raghju.Allora ciò chì succede hè chì mentre a curvatura prucede, u bordu frontale di u clampbar s'eleva ligeramente permettendu chì a pezza di travagliu forma un raghju.
U picculu intervallu d'aria chì hè furmatu provoca una ligera perdita di forza di serratura, ma a forza necessaria per formà a curvatura di u raghju hè cascata più bruscamente ch'è a forza di serratura di magnete.Cusì risulta una situazione stabile è u clampbar ùn lascia micca.
Ciò chì hè descrittu sopra hè u modu di curvatura quandu a macchina hè vicinu à u so limitu di spessore.Se si prova un pezzu ancu più grossu, allora naturalmente u clampbar si alzarà.
Stu diagramma suggerisce chì se u bordu di u nasu di u clampbar era un pocu radiu, piuttostu chè sharp, allora l'entreferu d'aria per una curvatura grossa seria ridutta.
Infatti questu hè u casu è un Magnabend bè fattu averà un clampbar cù un bordu radiu.(Un bordu radiu hè ancu assai menu propensu à danni accidentali cumparatu cù un bordu affilatu).
Modu marginale di fallimentu di curvatura:
Se una curvatura hè tentata nantu à una pezza di travagliu assai grossa, a macchina ùn riescerà à piegà, perchè u clampbar s'eleverà solu.(Fortunatamente questu ùn succede micca in modu drammaticu; u clampbar lascia solu andà in silenziu).
Tuttavia, se a carica di curvatura hè solu ligeramente più grande di a capacità di curvatura di u magnetu, in generale ciò chì succede hè chì a curvatura procederà à dì circa 60 gradi è poi a clampbar cumincià à scorri in daretu.In questu modu di fallimentu, u magnetu pò solu resiste à a carica di curvatura indirettamente creendu attritu trà a pezza è u lettu di u magnetu.
A diffarenza di spessore trà un fallimentu per u lift-off è un fallimentu per u sliding hè generalmente micca assai.
L'errore di lift-off hè duvutu à a pezza chì leva u bordu frontale di u clampbar versu l'alto.A forza di clamping à u latu frontale di u clampbar hè principalmente ciò chì resiste.A serratura à u bordu posteriore hà pocu effettu perchè hè vicinu à induve u clampbar hè pivotatu.In fattu, hè solu a mità di a forza di serramentu tutale chì resiste à u lift-off.
Per d 'altra banda, u sliding hè resistitu da a forza di clamping tutale, ma solu per attritu, cusì a resistenza attuale dipende da u coefficient di attritu trà a pezza è a superficia di u magnete.
Per l'acciaio pulitu è seccu, u coefficient di attritu pò esse altu cum'è 0,8, ma s'ellu hè presente a lubrificazione, puderia esse u minimu 0,2.Di genere, serà in un locu trà tali chì u modu marginale di fallimentu di curvatura hè di solitu dovutu à sliding, ma i tentativi di aumentà l'attrito nantu à a superficia di u magnetu sò stati trovati chì ùn valenu micca a pena.
Capacità di spessore:
Per un corpu magneticu di tippu E 98mm di larghezza è 48mm di prufundità è cù una bobina di 3.800 ampere-turn, a capacità di piegatura in tutta a lunghezza hè di 1.6mm.Stu spessore s'applica à a foglia d'acciaio è a foglia d'aluminiu.Ci sarà menu serratura nantu à a foglia d'aluminiu, ma hè bisognu di menu torque per curvallu, cusì cumpensà in modu chì dà capacità di calibre simili per i dui tipi di metalli.
Ci hè bisognu di qualchi caveats nantu à a capacità di curvatura dichjarata: U principale hè chì a forza di rendiment di a lamiera pò varià assai.A capacità di 1,6 mm s'applica à l'acciaio cù una tensione di snervamentu finu à 250 MPa è à l'aluminiu cù una tensione di rendimentu finu à 140 MPa.
A capacità di spessore in acciaio inox hè di circa 1,0 mm.Sta capacità hè significativamente menu chè per a maiò parte di l'altri metalli, perchè l'acciaio inossidabile ùn hè di solitu micca magneticu è hà ancu un stress di rendiment ragiunate altu.
Un altru fattore hè a temperatura di u magnetu.Se u magnetu hè statu permessu di diventà caldu, allora a resistenza di a bobina serà più alta è questu, à u turnu, averà causatu à disegnà menu currente cù a cunseguenza di ampere-turni più bassi è a forza di clamping più bassa.(Stu effettu hè di solitu abbastanza moderatu è hè improbabile chì a macchina ùn hà micca scuntrà e so specificazioni).
Infine, più grossa capacità Magnabends pudia esse fattu s'è a sezzioni trasversali magnet hè statu fattu più grande.