Grundlagen des Magnabendschen Stromkreises

MAGNABEND - SCHALTUNGSBETRIEB
Der Magnabend-Blechfalzapparat ist als Gleichstrom-Klemm-Elektromagnet ausgeführt.
Die einfachste Schaltung, die zum Ansteuern der elektromagnetischen Spule erforderlich ist, besteht nur aus einem Schalter und einem Brückengleichrichter:
Abbildung 1: Minimale Schaltung:

Minimal circuit

Es ist zu beachten, dass der EIN/AUS-Schalter auf der Wechselstromseite des Stromkreises angeschlossen ist.Dadurch kann der Induktionsspulenstrom nach dem Abschalten durch die Dioden im Brückengleichrichter fließen, bis der Strom exponentiell auf Null abfällt.
(Die Dioden in der Brücke wirken als "Fly-Back"-Dioden).

Für einen sichereren und bequemeren Betrieb ist es wünschenswert, eine Schaltung zu haben, die eine 2-Hand-Verriegelung und auch eine 2-Stufen-Klemmung bietet.Die 2-Hand-Verriegelung trägt dazu bei, dass die Finger nicht unter der Klemmleiste eingeklemmt werden können, und die stufenweise Klemmung sorgt für einen sanfteren Start und ermöglicht es auch, mit einer Hand Dinge an Ort und Stelle zu halten, bis die Vorklemmung aktiviert wird.

Abbildung 2: Schaltung mit Verriegelung und 2-Stufen-Klemmung:

Wenn die START-Taste gedrückt wird, wird der Magnetspule über den AC-Kondensator eine kleine Spannung zugeführt, wodurch ein leichter Klemmeffekt erzeugt wird.Dieses reaktive Verfahren zum Begrenzen des Stroms zur Spule beinhaltet keine signifikante Verlustleistung in der Begrenzungsvorrichtung (dem Kondensator).
Die vollständige Klemmung wird erreicht, wenn sowohl der Biegebalken-Schalter als auch die START-Taste zusammen betätigt werden.
Typischerweise würde zuerst die START-Taste (mit der linken Hand) gedrückt und dann mit der anderen Hand am Griff des Biegebalkens gezogen werden.Eine vollständige Klemmung findet nicht statt, es sei denn, es gibt eine gewisse Überlappung bei der Betätigung der 2 Schalter.Sobald jedoch die vollständige Klemmung hergestellt ist, ist es nicht erforderlich, die START-Taste weiter gedrückt zu halten.

Restmagnetismus
Ein kleines, aber bedeutendes Problem bei der Magnabend-Maschine ist, wie bei den meisten Elektromagneten, das Problem des Restmagnetismus.Dies ist die kleine Menge an Magnetismus, die verbleibt, nachdem der Magnet ausgeschaltet wurde.Dadurch bleiben die Klemmstangen schwach am Magnetkörper geklemmt, wodurch das Entfernen des Werkstücks erschwert wird.

Die Verwendung von weichmagnetischem Eisen ist einer von vielen möglichen Ansätzen zur Überwindung des Restmagnetismus.
Dieses Material ist jedoch in Lagergrößen schwer erhältlich und auch physikalisch weich, was bedeutet, dass es in einer Biegemaschine leicht beschädigt werden würde.

Der Einbau eines nichtmagnetischen Spalts in den Magnetkreis ist vielleicht der einfachste Weg, um Restmagnetismus zu reduzieren.Diese Methode ist effektiv und bei einem vorgefertigten Magnetkörper ziemlich einfach zu erreichen - fügen Sie einfach ein etwa 0,2 mm dickes Stück Pappe oder Aluminium zwischen beispielsweise dem vorderen Pol und dem Kernstück ein, bevor Sie die Magnetteile zusammenschrauben.Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der nichtmagnetische Spalt den für eine vollständige Klemmung verfügbaren Fluss verringert.Auch ist es nicht einfach, den Spalt in einen einteiligen Magnetkörper einzubauen, wie er für die Magnetkonstruktion vom E-Typ verwendet wird.

Ein von einer Hilfsspule erzeugtes umgekehrtes Vormagnetisierungsfeld ist ebenfalls eine wirksame Methode.Aber es bringt ungerechtfertigte zusätzliche Komplexität in der Herstellung der Spule und auch in der Steuerschaltung mit sich, obwohl es kurzzeitig in einem frühen Magnabend-Design verwendet wurde.

Eine abklingende Schwingung ("Klingeln") ist konzeptionell eine sehr gute Methode zum Entmagnetisieren.

Damped ringing Ringing waveform

Diese Oszilloskopfotos zeigen die Spannung (obere Spur) und den Strom (untere Spur) in einer Magnabend-Spule mit einem geeigneten Kondensator, der daran angeschlossen ist, um sie selbst oszillieren zu lassen.(Die AC-Versorgung wurde etwa in der Mitte des Bildes abgeschaltet).

Das erste Bild ist für einen offenen Magnetkreis, dh ohne Klemmleiste am Magneten.Das zweite Bild ist für einen geschlossenen Magnetkreis, dh mit einer Klemmstange in voller Länge auf dem Magneten.
Im ersten Bild zeigt die Spannung eine abklingende Schwingung (Klingeln) und auch der Strom (untere Spur), aber im zweiten Bild schwingt die Spannung nicht und der Strom schafft es nicht einmal, sich überhaupt umzukehren.Dies bedeutet, dass es zu keiner Oszillation des Magnetflusses und damit zu keiner Aufhebung des Restmagnetismus kommt.
Das Problem ist, dass der Magnet zu stark gedämpft wird, hauptsächlich durch Wirbelstromverluste im Stahl, und daher funktioniert diese Methode leider nicht für den Magnabend.

Erzwungene Oszillation ist noch eine weitere Idee.Wenn der Magnet zu gedämpft ist, um selbst zu schwingen, könnte er durch aktive Schaltungen, die nach Bedarf Energie liefern, zum Schwingen gezwungen werden.Auch dies wurde für den Magnabend gründlich untersucht.Sein Hauptnachteil besteht darin, dass es sich um eine übermäßig komplizierte Schaltung handelt.

Die Gegenpuls-Entmagnetisierung hat sich für die Magnabend als die wirtschaftlichste Methode erwiesen.Die Details dieses Entwurfs stellen Originalarbeiten dar, die von Magnetic Engineering Pty Ltd. durchgeführt wurden. Es folgt eine detaillierte Diskussion:

REVERSE-PULSE-ENTMAGNETISIERUNG
Die Essenz dieser Idee besteht darin, Energie in einem Kondensator zu speichern und sie dann direkt nach dem Abschalten des Magneten an die Spule abzugeben.Die Polarität muss so sein, dass der Kondensator einen Rückstrom in der Spule induziert.Die im Kondensator gespeicherte Energiemenge kann so angepasst werden, dass sie gerade ausreicht, um den Restmagnetismus aufzuheben.(Zu viel Energie könnte es übertreiben und den Magneten in die entgegengesetzte Richtung ummagnetisieren).

Ein weiterer Vorteil des Reverse-Pulse-Verfahrens ist die sehr schnelle Entmagnetisierung und ein fast augenblickliches Lösen der Klemmleiste vom Magneten.Dies liegt daran, dass es nicht erforderlich ist, darauf zu warten, dass der Spulenstrom auf Null abfällt, bevor der Rückwärtsimpuls angeschlossen wird.Beim Anlegen des Impulses wird der Spulenstrom sehr viel schneller auf Null (und dann umgekehrt) gezwungen, als es sein normaler exponentieller Abfall gewesen wäre.

Abbildung 3: Grundlegende Gegenimpulsschaltung

Basic Demag Cct

Nun, normalerweise ist das Platzieren eines Schaltkontakts zwischen dem Gleichrichter und der Magnetspule ein "Spiel mit dem Feuer".
Denn ein induktiver Strom kann nicht plötzlich unterbrochen werden.Wenn dies der Fall ist, kommt es zu Lichtbögen an den Schaltkontakten und der Schalter wird beschädigt oder sogar vollständig zerstört.(Das mechanische Äquivalent wäre der Versuch, ein Schwungrad plötzlich anzuhalten).
Unabhängig davon, welche Schaltung entwickelt wird, muss sie jederzeit einen effektiven Weg für den Spulenstrom bieten, einschließlich der wenigen Millisekunden, in denen ein Schaltkontakt umschaltet.
Die obige Schaltung, die nur aus 2 Kondensatoren und 2 Dioden (plus einem Relaiskontakt) besteht, erfüllt die Funktionen des Ladens des Speicherkondensators auf eine negative Spannung (relativ zur Referenzseite der Spule) und bietet auch einen alternativen Pfad für die Spule Strom, während der Relaiskontakt fliegend ist.

Wie es funktioniert:
Im Großen und Ganzen wirken D1 und C2 als Ladungspumpe für C1, während D2 eine Klemmdiode ist, die den Punkt B daran hindert, positiv zu werden.
Während der Magnet eingeschaltet ist, wird der Relaiskontakt mit seiner "normalerweise offenen" (NO) Klemme verbunden und der Magnet erledigt seine normale Aufgabe des Klemmens von Blech.Die Ladungspumpe lädt C1 auf eine negative Spitzenspannung, die in der Größenordnung gleich der Spitzenspulenspannung ist.Die Spannung an C1 steigt exponentiell an, ist jedoch innerhalb von etwa 1/2 Sekunde vollständig aufgeladen.
Es bleibt dann in diesem Zustand, bis die Maschine ausgeschaltet wird.
Unmittelbar nach dem Abschalten hält das Relais noch kurz an.Während dieser Zeit fließt der hochinduktive Spulenstrom weiter durch die Dioden im Brückengleichrichter.Jetzt beginnt nach einer Verzögerung von etwa 30 Millisekunden der Relaiskontakt zu trennen.Der Spulenstrom kann nicht mehr durch die Gleichrichterdioden fließen, sondern findet stattdessen einen Weg durch C1, D1 und C2.Die Richtung dieses Stroms ist so, dass er die negative Ladung auf C1 weiter erhöht und auch C2 aufzuladen beginnt.

Der Wert von C2 muss groß genug sein, um die Spannungsanstiegsrate über dem öffnenden Relaiskontakt zu steuern und sicherzustellen, dass sich kein Lichtbogen bildet.Ein Wert von etwa 5 Mikrofarad pro Ampere Spulenstrom ist für ein typisches Relais angemessen.

Abbildung 4 unten zeigt Details der Wellenformen, die während der ersten halben Sekunde nach dem Ausschalten auftreten.Die von C2 gesteuerte Spannungsrampe ist deutlich auf der roten Spur in der Mitte der Abbildung zu sehen, sie ist mit "Relaiskontakt im Flug" beschriftet.(Die tatsächliche Überflugzeit kann aus dieser Spur abgeleitet werden; sie beträgt etwa 1,5 ms).
Sobald der Relaisanker auf seinem NC-Anschluss landet, wird der negativ geladene Speicherkondensator mit der Magnetspule verbunden.Dadurch wird der Spulenstrom nicht sofort umgekehrt, sondern der Strom läuft jetzt "bergauf" und wird dadurch schnell durch Null und in Richtung einer negativen Spitze gezwungen, die etwa 80 ms nach dem Zuschalten des Speicherkondensators auftritt.(Siehe Abbildung 5).Der negative Strom induziert einen negativen Fluss im Magneten, der den Restmagnetismus aufhebt, und die Klemmstange und das Werkstück werden schnell freigegeben.

Abbildung 4: Erweiterte Wellenformen

Expanded waveforms

Abbildung 5: Spannungs- und Stromwellenformen auf der Magnetspule

Waveforms 1

Abbildung 5 oben zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen an der Magnetspule während der Vorspannphase, der Vollspannphase und der Entmagnetisierungsphase.

Es wird angenommen, dass die Einfachheit und Effektivität dieser Entmagnetisierungsschaltung bedeuten sollte, dass sie Anwendung in anderen Elektromagneten finden wird, die entmagnetisiert werden müssen.Selbst wenn Restmagnetismus kein Problem darstellt, könnte diese Schaltung immer noch sehr nützlich sein, um den Spulenstrom sehr schnell auf Null zu kommutieren und somit eine schnelle Freigabe zu geben.
Praktische Magnabend-Runde:

Die oben diskutierten Schaltungskonzepte können zu einer vollständigen Schaltung mit sowohl einer 2-Hand-Verriegelung als auch einer Rückimpuls-Entmagnetisierung kombiniert werden, wie unten gezeigt (Abbildung 6):

Abbildung 6: Kombinierte Schaltung

Full Circuit Simplified

Diese Schaltung wird funktionieren, ist aber leider etwas unzuverlässig.
Um einen zuverlässigen Betrieb und eine längere Lebensdauer des Schalters zu erreichen, müssen der Grundschaltung einige zusätzliche Komponenten hinzugefügt werden, wie unten gezeigt (Abbildung 7):
Abbildung 7: Kombinierte Schaltung mit Verfeinerungen

Magnabend full cct (1)

SW1:
Dies ist ein 2-poliger Trennschalter.Es wird aus praktischen Gründen und zur Einhaltung elektrischer Normen hinzugefügt.Es ist auch wünschenswert, dass dieser Schalter eine Neonanzeige enthält, um den EIN/AUS-Status der Schaltung anzuzeigen.

D3 und C4:
Ohne D3 ist das Halten des Relais unzuverlässig und hängt etwas von der Phase der Netzwellenform zum Zeitpunkt der Betätigung des Biegebalkenschalters ab.D3 führt eine Verzögerung (typischerweise 30 Millisekunden) in den Abfall des Relais ein.Dadurch wird das Verriegelungsproblem überwunden, und es ist auch vorteilhaft, eine Abfallverzögerung unmittelbar vor dem Einsetzen des Entmagnetisierungsimpulses (später im Zyklus) zu haben.C4 stellt eine AC-Kopplung der Relaisschaltung bereit, die andernfalls ein Halbwellenkurzschluss wäre, wenn die START-Taste gedrückt wurde.

THERM.SCHALTEN:
Das Gehäuse dieses Schalters steht in Kontakt mit dem Magnetkörper und geht in einen offenen Stromkreis, wenn der Magnet zu heiß wird (>70 C).Die Reihenschaltung mit der Relaisspule bedeutet, dass er nur den kleinen Strom durch die Relaisspule schalten muss und nicht den vollen Magnetstrom.

R2:
Wenn die START-Taste gedrückt wird, zieht das Relais an und es entsteht ein Einschaltstrom, der C3 über den Brückengleichrichter, C2 und die Diode D2 auflädt.Ohne R2 gäbe es in diesem Stromkreis keinen Widerstand und der daraus resultierende hohe Strom könnte die Kontakte im START-Schalter beschädigen.
Außerdem gibt es eine andere Schaltungsbedingung, bei der R2 Schutz bietet: Wenn sich der Biegebalkenschalter (SW2) von der NO-Klemme (wo er den vollen Magnetstrom führen würde) zur NC-Klemme bewegt, würde sich häufig ein Lichtbogen bilden und wenn der Der START-Schalter wurde zu diesem Zeitpunkt noch gehalten, dann würde C3 tatsächlich kurzgeschlossen, und je nachdem, wie viel Spannung an C3 anliegt, könnte dies SW2 beschädigen.Allerdings würde R2 wiederum diesen Kurzschlussstrom auf einen sicheren Wert begrenzen.R2 benötigt nur einen geringen Widerstandswert (typischerweise 2 Ohm), um einen ausreichenden Schutz zu bieten.

Varistor:
Der Varistor, der zwischen die AC-Klemmen des Gleichrichters geschaltet ist, tut normalerweise nichts.Wenn es jedoch eine Überspannung im Netz gibt (z. B. aufgrund eines Blitzeinschlags in der Nähe), absorbiert der Varistor die Energie in der Überspannung und verhindert, dass die Spannungsspitze den Brückengleichrichter beschädigt.

R1:
Wenn die START-Taste während eines Entmagnetisierungsimpulses gedrückt werden würde, würde dies wahrscheinlich einen Lichtbogen am Relaiskontakt verursachen, der wiederum C1 (den Speicherkondensator) praktisch kurzschließen würde.Die Kondensatorenergie würde in den Stromkreis aus C1, dem Brückengleichrichter und dem Lichtbogen im Relais geleitet.Ohne R1 gibt es in diesem Stromkreis sehr wenig Widerstand und daher wäre der Strom sehr hoch und würde ausreichen, um die Kontakte im Relais zu verschweißen.R1 bietet Schutz in diesem (etwas ungewöhnlichen) Fall.

Besonderer Hinweis zur Wahl von R1:
Wenn die oben beschriebene Möglichkeit eintritt, absorbiert R1 praktisch die gesamte Energie, die in C1 gespeichert wurde, unabhängig vom tatsächlichen Wert von R1.Wir wollen, dass R1 groß im Vergleich zu anderen Schaltungswiderständen, aber klein im Vergleich zum Widerstand der Magnabend-Spule ist (andernfalls würde R1 die Wirksamkeit des Entmagnetisierungsimpulses verringern).Ein Wert von etwa 5 bis 10 Ohm wäre geeignet, aber welche Nennleistung sollte R1 haben?Was wir wirklich angeben müssen, ist die Impulsleistung oder die Nennenergie des Widerstands.Diese Eigenschaft wird jedoch normalerweise nicht für Leistungswiderstände angegeben.Leistungswiderstände mit niedrigem Wert sind normalerweise drahtgewickelt, und wir haben festgestellt, dass der kritische Faktor, auf den man bei diesem Widerstand achten muss, die Menge an tatsächlichem Draht ist, der für seine Konstruktion verwendet wird.Sie müssen einen Probewiderstand aufbrechen und die Stärke und die Länge des verwendeten Drahtes messen.Berechnen Sie daraus das Gesamtvolumen des Drahtes und wählen Sie dann einen Widerstand mit mindestens 20 mm3 Draht.
(Zum Beispiel wurde festgestellt, dass ein 6,8 Ohm/11 Watt Widerstand von RS Components ein Drahtvolumen von 24 mm3 hat).

Glücklicherweise sind diese zusätzlichen Komponenten klein und kostenintensiv und tragen daher nur ein paar Dollar zu den Gesamtkosten der Magnabend-Elektrik bei.
Es gibt eine zusätzliche Schaltung, die noch nicht besprochen wurde.Dies überwindet ein relativ kleines Problem:
Wenn die START-Taste gedrückt wird und nicht am Griff gezogen wird (was sonst zu einer vollständigen Klemmung führen würde), wird der Speicherkondensator nicht vollständig geladen und der beim Loslassen der START-Taste resultierende Entmagnetisierungsimpuls entmagnetisiert die Maschine nicht vollständig .Die Klemmleiste würde dann an der Maschine kleben bleiben und das wäre lästig.
Die Hinzufügung von D4 und R3, in Abbildung 8 unten blau dargestellt, speist eine geeignete Wellenform in die Ladungspumpenschaltung ein, um sicherzustellen, dass C1 geladen wird, selbst wenn keine volle Klemmung angewendet wird.(Der Wert von R3 ist nicht kritisch - 220 Ohm/10 Watt würden für die meisten Maschinen passen).
Abbildung 8: Schaltung mit Entmagnetisieren nur nach „START“:

Demagnetise after START

Weitere Informationen zu Schaltungskomponenten finden Sie im Abschnitt „Komponenten“ in „Bauen Sie Ihren eigenen Magnabend“.
Zu Referenzzwecken sind die vollständigen Schaltpläne von Magnabend-Maschinen des Typs E mit 240 Volt Wechselstrom, hergestellt von Magnetic Engineering Pty Ltd, unten gezeigt.

Beachten Sie, dass für den Betrieb mit 115 VAC viele Komponentenwerte modifiziert werden müssten.

Magnetic Engineering stellte die Produktion von Magnabend-Maschinen im Jahr 2003 ein, als das Unternehmen verkauft wurde.

650E Circuit

1250E Circuit

2500E Circuit

Hinweis: Die obige Diskussion sollte die Hauptprinzipien des Schaltungsbetriebs erläutern, und es wurden nicht alle Details behandelt.Die oben gezeigten vollständigen Schaltungen sind auch in den Magnabend-Handbüchern enthalten, die an anderer Stelle auf dieser Website verfügbar sind.

Es ist auch anzumerken, dass wir Vollelektronenversionen dieser Schaltung entwickelt haben, die IGBTs anstelle eines Relais zum Schalten des Stroms verwendeten.
Die Festkörperschaltung wurde nie in Magnabend-Maschinen verwendet, sondern für spezielle Magnete, die wir für Produktionslinien hergestellt haben.Diese Produktionslinien stellten normalerweise 5.000 Artikel (z. B. eine Kühlschranktür) pro Tag her.

Magnetic Engineering stellte die Produktion von Magnabend-Maschinen im Jahr 2003 ein, als das Unternehmen verkauft wurde.

Bitte verwenden Sie den Link „Kontaktieren Sie Alan“ auf dieser Website, um weitere Informationen zu erhalten.