MAGNABEND - GRUNDLEGENDE DESIGNÜBERLEGUNGEN
Grundlegendes Magnetdesign
Die Magnabend-Maschine ist als leistungsstarker Gleichstrommagnet mit begrenzter Einschaltdauer ausgelegt.
Die Maschine besteht aus 3 Grundteilen:-
Der Magnetkörper, der die Basis der Maschine bildet und die Elektromagnetspule enthält.
Die Klemmstange, die einen Weg für den Magnetfluss zwischen den Polen der Magnetbasis bereitstellt und dadurch das Blechwerkstück festklemmt.
Der Biegebalken, der an der Vorderkante des Magnetkörpers angelenkt ist, stellt ein Mittel zum Aufbringen einer Biegekraft auf das Werkstück bereit.
Magnetkörperkonfigurationen
Für den Magnetkörper sind verschiedene Konfigurationen möglich.
Hier sind 2, die beide für Magnabend-Maschinen verwendet wurden:
Die gestrichelten roten Linien in den obigen Zeichnungen stellen die magnetischen Flusspfade dar.Beachten Sie, dass das „U-Typ“-Design einen einzigen Flussweg (1 Polpaar) hat, während das „E-Typ“-Design 2 Flusswege (2 Polpaare) hat.
Vergleich der Magnetkonfiguration:
Die E-Typ-Konfiguration ist effizienter als die U-Typ-Konfiguration.
Um zu verstehen, warum dies so ist, betrachten Sie die beiden folgenden Zeichnungen.
Links ist ein Querschnitt eines U-Typ-Magneten und rechts ein E-Typ-Magnet, der durch Kombinieren von 2 gleichen U-Typen hergestellt wurde.Wenn jede Magnetkonfiguration von einer Spule mit denselben Amperewindungen angetrieben wird, hat der doppelte Magnet (der E-Typ) eindeutig die doppelte Klemmkraft.Es verbraucht auch doppelt so viel Stahl, aber kaum mehr Draht für die Spule!(Unter der Annahme eines langen Spulendesigns).
(Die geringe Menge an zusätzlichem Draht wäre nur erforderlich, weil die beiden Schenkel der Spule beim "E"-Design weiter auseinander liegen, aber dieses Extra wird bei einem langen Spulendesign, wie es für den Magnabend verwendet wird, unbedeutend).
Super Magnabend:
Um einen noch stärkeren Magneten zu bauen, kann das „E“-Konzept wie diese Doppel-E-Konfiguration erweitert werden:
3D-Modell:
Unten ist eine 3D-Zeichnung, die die grundlegende Anordnung der Teile in einem U-Magneten zeigt:
Bei diesem Design sind die vorderen und hinteren Stangen separate Teile und werden mit Schrauben am Kernstück befestigt.
Obwohl es im Prinzip möglich wäre, einen U-förmigen Magnetkörper aus einem einzigen Stück Stahl zu bearbeiten, wäre es dann nicht möglich, die Spule zu installieren, und somit müsste die Spule vor Ort (auf dem bearbeiteten Magnetkörper) gewickelt werden ).
In einer Produktionssituation ist es sehr wünschenswert, die Spulen separat (auf einem speziellen Spulenkörper) wickeln zu können.Somit diktiert ein U-Typ-Design effektiv eine fabrizierte Konstruktion.
Andererseits eignet sich die E-Typ-Konstruktion gut für einen Magnetkörper, der aus einem einzigen Stück Stahl gefertigt ist, da eine vorgefertigte Spule leicht installiert werden kann, nachdem der Magnetkörper maschinell bearbeitet wurde.Auch magnetisch schneidet ein einteiliger Magnetkörper besser ab, da er keine Konstruktionslücken aufweist, die sonst den Magnetfluss (und damit die Klemmkraft) etwas reduzieren würden.
(Die meisten Magnabends, die nach 1990 hergestellt wurden, verwendeten das E-Typ-Design).
Materialauswahl für die Magnetkonstruktion
Der Magnetkörper und die Klemmleiste müssen aus ferromagnetischem (magnetisierbarem) Material bestehen.Stahl ist mit Abstand das billigste ferromagnetische Material und die naheliegende Wahl.Es stehen jedoch verschiedene Sonderstähle zur Verfügung, die in Frage kommen.
1) Siliziumstahl: Hochohmiger Stahl, der normalerweise in dünnen Schichten erhältlich ist und in Wechselstromtransformatoren, Wechselstrommagneten, Relais usw. verwendet wird. Seine Eigenschaften sind für den Magnabend, der ein Gleichstrommagnet ist, nicht erforderlich.
2) Weicheisen: Dieses Material würde einen geringeren Restmagnetismus aufweisen, was für eine Magnabend-Maschine gut wäre, aber es ist physikalisch weich, was bedeuten würde, dass es leicht verbeult und beschädigt werden würde;es ist besser, das Problem des Restmagnetismus auf andere Weise zu lösen.
3) Gusseisen: Nicht so leicht magnetisierbar wie gewalzter Stahl, könnte aber in Betracht gezogen werden.
4) Edelstahl Typ 416: Kann nicht so stark magnetisiert werden wie Stahl und ist viel teurer (kann aber für eine dünne Schutzkappenoberfläche auf dem Magnetkörper nützlich sein).
5) Edelstahl Typ 316: Dies ist eine nichtmagnetische Stahllegierung und daher überhaupt nicht geeignet (außer wie in 4 oben).
6) Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, Typ K1045: Dieses Material ist hervorragend für die Konstruktion des Magneten (und anderer Teile der Maschine) geeignet.Sie ist im Auslieferungszustand einigermaßen hart und lässt sich auch gut bearbeiten.
7) Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, Typ CS1020: Dieser Stahl ist nicht ganz so hart wie K1045, aber er ist leichter verfügbar und kann daher die praktischste Wahl für die Konstruktion der Magnabend-Maschine sein.
Beachten Sie, dass die folgenden wichtigen Eigenschaften erforderlich sind:
Hohe Sättigungsmagnetisierung.(Die meisten Stahllegierungen sättigen bei etwa 2 Tesla),
Verfügbarkeit nützlicher Querschnittsgrößen,
Beständigkeit gegen zufällige Beschädigungen,
Bearbeitbarkeit und
Angemessene Kosten.
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt erfüllt all diese Anforderungen gut.Es könnte auch kohlenstoffarmer Stahl verwendet werden, aber er ist weniger widerstandsfähig gegen zufällige Beschädigungen.Es gibt auch andere Speziallegierungen wie Supermendur, die eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweisen, aber aufgrund ihrer im Vergleich zu Stahl sehr hohen Kosten nicht in Betracht gezogen werden.
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt weist jedoch einen gewissen Restmagnetismus auf, der ausreicht, um ein Ärgernis zu sein.(Siehe Abschnitt über Restmagnetismus).
Die Spule
Die Spule treibt den Magnetisierungsfluss durch den Elektromagneten.Seine Magnetisierungskraft ist nur das Produkt aus Windungszahl (N) und Spulenstrom (I).Daher:
N = Anzahl der Windungen
I = Strom in den Wicklungen.
Das Erscheinen von „N“ in der obigen Formel führt zu einem verbreiteten Missverständnis.
Es wird allgemein angenommen, dass eine Erhöhung der Windungszahl die Magnetisierungskraft erhöht, aber im Allgemeinen geschieht dies nicht, da zusätzliche Windungen auch den Strom I reduzieren.
Stellen Sie sich eine Spule vor, die mit einer festen Gleichspannung versorgt wird.Verdoppelt man die Windungszahl, so verdoppelt sich auch der Widerstand der Wicklungen (bei einer langen Spule) und damit halbiert sich der Strom.Der Nettoeffekt ist keine Erhöhung des NI .
Was NI wirklich bestimmt, ist der Widerstand pro Umdrehung.Um also NI zu erhöhen, muss die Dicke des Drahtes erhöht werden.Der Wert zusätzlicher Windungen besteht darin, dass sie den Strom und damit die Verlustleistung in der Spule reduzieren.
Der Konstrukteur sollte bedenken, dass die Drahtstärke die Magnetisierungskraft der Spule wirklich bestimmt.Dies ist der wichtigste Parameter des Spulendesigns.
Das NI-Produkt wird oft als "Ampere Windungen" der Spule bezeichnet.
Wie viele Amperewindungen werden benötigt?
Stahl weist eine Sättigungsmagnetisierung von etwa 2 Tesla auf, und dies setzt eine grundlegende Grenze dafür, wie viel Klemmkraft erhalten werden kann.
Aus dem obigen Diagramm sehen wir, dass die Feldstärke, die erforderlich ist, um eine Flussdichte von 2 Tesla zu erhalten, etwa 20.000 Amperewindungen pro Meter beträgt.
Für ein typisches Magnabend-Design beträgt die Flusspfadlänge im Stahl nun etwa 1/5 eines Meters und erfordert daher (20.000/5) AT, um eine Sättigung zu erzeugen, dh etwa 4.000 AT.
Es wäre schön, viel mehr Amperewindungen zu haben, damit die Sättigungsmagnetisierung auch dann aufrechterhalten werden könnte, wenn nichtmagnetische Spalte (dh Nichteisen-Werkstücke) in den Magnetkreis eingeführt werden.Zusätzliche Amperewindungen können jedoch nur mit erheblichen Verlustleistungs- oder Kupferdrahtkosten oder beidem gewonnen werden.Also braucht es einen Kompromiss.
Typische Magnabend-Designs haben eine Spule, die 3.800 Amperewindungen erzeugt.
Beachten Sie, dass diese Zahl nicht von der Länge der Maschine abhängt.Wenn das gleiche magnetische Design über einen Bereich von Maschinenlängen angewendet wird, bedeutet dies, dass die längeren Maschinen weniger Windungen aus dickerem Draht haben.Sie ziehen insgesamt mehr Strom, haben aber das gleiche Produkt aus Ampere x Umdrehungen und die gleiche Klemmkraft (und die gleiche Verlustleistung) pro Längeneinheit.
Auslastungsgrad
Das Konzept des Arbeitszyklus ist ein sehr wichtiger Aspekt bei der Konstruktion des Elektromagneten.Wenn das Design mehr Einschaltdauer als erforderlich vorsieht, ist es nicht optimal.Eine höhere Einschaltdauer bedeutet inhärent, dass mehr Kupferdraht benötigt wird (mit daraus resultierenden höheren Kosten) und/oder dass weniger Klemmkraft verfügbar ist.
Hinweis: Ein Magnet mit höherem Arbeitszyklus hat weniger Verlustleistung, was bedeutet, dass er weniger Energie verbraucht und somit billiger zu betreiben ist.Da der Magnet jedoch nur für kurze Zeit eingeschaltet ist, werden die Energiekosten des Betriebs normalerweise als sehr gering angesehen.Daher besteht der Designansatz darin, so viel Verlustleistung wie möglich zu haben, um die Wicklungen der Spule nicht zu überhitzen.(Dieser Ansatz ist den meisten Elektromagnetdesigns gemeinsam).
Der Magnabend ist für eine nominelle Einschaltdauer von etwa 25 % ausgelegt.
Normalerweise dauert es nur 2 oder 3 Sekunden, um eine Biegung zu machen.Der Magnet ist dann für weitere 8 bis 10 Sekunden ausgeschaltet, während das Werkstück neu positioniert und für die nächste Biegung ausgerichtet wird.Wenn die Einschaltdauer von 25 % überschritten wird, wird der Magnet schließlich zu heiß und eine thermische Überlastung wird ausgelöst.Der Magnet wird dadurch nicht beschädigt, muss aber vor erneuter Verwendung etwa 30 Minuten abkühlen.
Betriebserfahrungen mit Maschinen im Feld haben gezeigt, dass die Einschaltdauer von 25 % für typische Benutzer völlig ausreichend ist.Tatsächlich haben einige Benutzer optionale Hochleistungsversionen der Maschine angefordert, die mehr Klemmkraft auf Kosten einer geringeren Einschaltdauer haben.
Spulenquerschnittsfläche
Die für die Spule verfügbare Querschnittsfläche bestimmt die maximale Menge an Kupferdraht, die eingepasst werden kann. Die verfügbare Fläche sollte nicht größer sein als erforderlich, entsprechend der erforderlichen Amperewindungen und der Verlustleistung.Das Bereitstellen von mehr Platz für die Spule erhöht zwangsläufig die Größe des Magneten und führt zu einer längeren Flusspfadlänge im Stahl (was den Gesamtfluss verringert).
Das gleiche Argument impliziert, dass jeder Spulenraum, der in der Konstruktion vorgesehen ist, immer mit Kupferdraht gefüllt sein sollte.Wenn es nicht voll ist, bedeutet dies, dass die Magnetgeometrie hätte besser sein können.
Magnabend-Spannkraft:
Das folgende Diagramm wurde durch experimentelle Messungen erhalten, stimmt aber ziemlich gut mit theoretischen Berechnungen überein.
Aus dieser Formel lässt sich die Spannkraft mathematisch berechnen:
F = Kraft in Newton
B = magnetische Flussdichte in Tesla
A = Mastfläche in m2
µ0 = Konstante der magnetischen Permeabilität, (4π x 10-7)
Als Beispiel berechnen wir die Klemmkraft für eine Flussdichte von 2 Tesla:
Also F = ½ (2)2 A/µ0
Für eine Kraft auf Flächeneinheit (Druck) können wir das „A“ in der Formel weglassen.
Also Druck = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Das ergibt 1.590.000 N/m2.
Um dies in Kilogramm Kraft umzurechnen, kann es durch g geteilt werden (9,81).
Also: Druck = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Dies stimmt ziemlich gut mit der gemessenen Kraft für einen Spalt von Null überein, die in dem obigen Diagramm gezeigt wird.
Diese Zahl lässt sich leicht in eine Gesamtspannkraft für eine gegebene Maschine umrechnen, indem man sie mit der Polfläche der Maschine multipliziert.Beim Modell 1250E beträgt die Polfläche 125(1,4+3,0+1,5) = 735 cm2.
Somit wäre die Gesamtkraft ohne Lücke (735 x 16,2) = 11.900 kg oder 11,9 Tonnen;etwa 9,5 Tonnen pro Meter Magnetlänge .
Flussdichte und Klemmdruck stehen in direktem Zusammenhang und sind unten grafisch dargestellt:
Praktische Spannkraft:
In der Praxis wird diese hohe Spannkraft immer nur dann realisiert, wenn sie nicht benötigt wird (!), also beim Biegen von dünnen Stahlwerkstücken.Beim Biegen von NE-Werkstücken ist die Kraft geringer, wie in der obigen Grafik dargestellt, und (ein wenig seltsamerweise) ist sie auch geringer, wenn dicke Stahlwerkstücke gebogen werden.Dies liegt daran, dass die für eine scharfe Biegung benötigte Klemmkraft sehr viel höher ist als die für eine Radiusbiegung benötigte.Im weiteren Verlauf der Biegung hebt sich also die Vorderkante der Klemmleiste leicht an, wodurch das Werkstück einen Radius bilden kann.
Der sich bildende kleine Luftspalt bewirkt einen leichten Klemmkraftverlust, jedoch ist die zum Formen des Radiusbogens benötigte Kraft stärker abgefallen als die Magnetklemmkraft.Dadurch ergibt sich eine stabile Lage und die Klemmstange lässt nicht los.
Was oben beschrieben wurde, ist der Biegemodus, wenn sich die Maschine nahe ihrer Dickengrenze befindet.Wenn ein noch dickeres Werkstück versucht wird, hebt die Klemmleiste natürlich ab.
Dieses Diagramm legt nahe, dass, wenn die Nasenkante der Klemmstange ein wenig abgerundet wäre, anstatt scharf, der Luftspalt für starkes Biegen verringert würde.
In der Tat ist dies der Fall und ein richtig gemachter Magnabend wird eine Klemmstange mit einer abgerundeten Kante haben.(Eine abgerundete Kante ist im Vergleich zu einer scharfen Kante auch viel weniger anfällig für versehentliche Beschädigungen).
Grenzmodus des Biegebruchs:
Wenn versucht wird, ein sehr dickes Werkstück zu biegen, kann die Maschine es nicht biegen, da die Klemmstange einfach abhebt.(Glücklicherweise geschieht dies nicht auf dramatische Weise; die Klemmstange lässt einfach leise los).
Wenn die Biegelast jedoch nur geringfügig größer ist als die Biegekapazität des Magneten, passiert im Allgemeinen, dass die Biegung etwa 60 Grad beträgt und die Klemmstange beginnt, nach hinten zu gleiten.Bei diesem Versagensmodus kann der Magnet der Biegebelastung nur indirekt widerstehen, indem er Reibung zwischen dem Werkstück und dem Magnetbett erzeugt.
Der Dickenunterschied zwischen einem Versagen durch Abheben und einem Versagen durch Gleiten ist im Allgemeinen nicht sehr groß.
Der Abhebefehler ist darauf zurückzuführen, dass das Werkstück die Vorderkante der Klemmleiste nach oben hebelt.Dem widersteht hauptsächlich die Klemmkraft an der Vorderkante des Klemmbalkens.Das Klemmen an der Hinterkante hat wenig Wirkung, da es nahe an der Stelle liegt, an der die Klemmstange geschwenkt wird.Tatsächlich ist es nur die Hälfte der gesamten Spannkraft, die einem Abheben widersteht.
Andererseits wird dem Gleiten durch die gesamte Klemmkraft Widerstand geleistet, jedoch nur durch Reibung, sodass der tatsächliche Widerstand vom Reibungskoeffizienten zwischen dem Werkstück und der Oberfläche des Magneten abhängt.
Für sauberen und trockenen Stahl kann der Reibungskoeffizient bis zu 0,8 betragen, aber wenn Schmierung vorhanden ist, kann er bis zu 0,2 niedrig sein.Typischerweise wird es irgendwo dazwischen liegen, so dass der marginale Modus des Biegebruchs normalerweise auf Gleiten zurückzuführen ist, aber Versuche, die Reibung auf der Oberfläche des Magneten zu erhöhen, haben sich als nicht lohnend herausgestellt.
Dicke Kapazität:
Bei einem Magnetkörper vom E-Typ mit einer Breite von 98 mm und einer Tiefe von 48 mm und einer Spule mit 3.800 Amperewindungen beträgt die Biegekapazität über die gesamte Länge 1,6 mm.Diese Dicke gilt sowohl für Stahlblech als auch für Aluminiumblech.Das Aluminiumblech wird weniger geklemmt, aber es erfordert weniger Drehmoment, um es zu biegen, so dass dies so kompensiert wird, dass für beide Metallarten eine ähnliche Messkapazität erreicht wird.
Bei der angegebenen Biegekapazität müssen einige Einschränkungen gemacht werden: Die wichtigste ist, dass die Streckgrenze des Blechs stark variieren kann.Die Kapazität von 1,6 mm gilt für Stahl mit einer Streckgrenze bis 250 MPa und für Aluminium mit einer Streckgrenze bis 140 MPa.
Die Dickenkapazität in Edelstahl beträgt ca. 1,0 mm.Diese Kapazität ist deutlich geringer als bei den meisten anderen Metallen, da Edelstahl normalerweise nicht magnetisch ist und dennoch eine relativ hohe Streckgrenze aufweist.
Ein weiterer Faktor ist die Temperatur des Magneten.Wenn der Magnet heiß werden konnte, ist der Widerstand der Spule höher, was wiederum dazu führt, dass sie weniger Strom zieht, was zu geringeren Amperewindungen und einer geringeren Klemmkraft führt.(Dieser Effekt ist normalerweise ziemlich moderat und führt wahrscheinlich nicht dazu, dass das Gerät seine Spezifikationen nicht erfüllt).
Schließlich könnten Magnabende mit dickerer Kapazität hergestellt werden, wenn der Magnetquerschnitt größer gemacht würde.