Fondamenti di come funziona il Magnabend

MAGNABEND - CONSIDERAZIONI FONDAMENTALI DI PROGETTAZIONE
Design di base del magnete
La macchina Magnabend è progettata come un potente magnete DC con duty cycle limitato.
La macchina è composta da 3 parti fondamentali:-

Magnabend Basic Parts

Il corpo del magnete che costituisce la base della macchina e contiene la bobina dell'elettromagnete.
La barra di bloccaggio che fornisce un percorso per il flusso magnetico tra i poli della base del magnete e quindi blocca il pezzo in lamiera.
La trave di flessione che è imperniata al bordo anteriore del corpo del magnete e fornisce un mezzo per applicare una forza di flessione al pezzo in lavorazione.
Configurazioni del corpo magnetico

Sono possibili varie configurazioni per il corpo del magnete.
Ecco 2 che sono stati entrambi utilizzati per le macchine Magnabend:

U-Type, E-Type

Le linee rosse tratteggiate nei disegni sopra rappresentano i percorsi del flusso magnetico.Si noti che il design "U-Type" ha un unico percorso di flusso (1 coppia di poli) mentre il design "E-Type" ha 2 percorsi di flusso (2 paia di poli).

Confronto configurazione magnete:
La configurazione di tipo E è più efficiente della configurazione di tipo U.
Per capire perché è così, considera i due disegni seguenti.

Sulla sinistra c'è una sezione trasversale di un magnete di tipo U e sulla destra c'è un magnete di tipo E che è stato realizzato combinando 2 degli stessi tipi U.Se ogni configurazione del magnete è azionata da una bobina con gli stessi amper-giri, allora chiaramente il magnete raddoppiato (il tipo E) avrà il doppio della forza di serraggio.Usa anche il doppio dell'acciaio ma quasi più filo per la bobina!(Supponendo un design a bobina lunga).
(La piccola quantità di filo extra sarebbe necessaria solo perché le 2 due gambe della bobina sono più distanti nel design a "E", ma questo extra diventa insignificante in un design a bobina lunga come quello utilizzato per il Magnabend).

U-Magnet X-Section

Super Magnabend:
Per costruire un magnete ancora più potente il concetto "E" può essere esteso come questa configurazione a doppia E:

Super Magnabend

Modello 3D:
Di seguito è riportato un disegno 3D che mostra la disposizione di base delle parti in un magnete di tipo U:

3-D drawing of U-Type

In questo design i pali anteriori e posteriori sono pezzi separati e sono fissati tramite bulloni al pezzo centrale.

Sebbene in linea di principio sarebbe possibile lavorare un corpo magnetico di tipo U da un unico pezzo di acciaio, non sarebbe quindi possibile installare la bobina e quindi la bobina dovrebbe essere avvolta in situ (sul corpo magnetico lavorato ).

Fabricated U-Type

In una situazione di produzione è altamente auspicabile poter avvolgere le bobine separatamente (su un formatore speciale).Quindi un design di tipo U determina efficacemente una costruzione fabbricata.

D'altra parte il design di tipo E si presta bene a un corpo del magnete ricavato da un unico pezzo di acciaio perché una bobina prefabbricata può essere facilmente installata dopo che il corpo del magnete è stato lavorato a macchina.Un corpo magnetico in un unico pezzo ha anche prestazioni magnetiche migliori in quanto non ha spazi di costruzione che altrimenti ridurrebbero leggermente il flusso magnetico (e quindi la forza di bloccaggio).

(La maggior parte dei Magnabend realizzati dopo il 1990 utilizzava il design di tipo E).
Selezione del materiale per la costruzione del magnete

Il corpo del magnete e la staffa di fissaggio devono essere realizzati in materiale ferromagnetico (magnetizzabile).L'acciaio è di gran lunga il materiale ferromagnetico più economico ed è la scelta più ovvia.Tuttavia sono disponibili vari acciai speciali che potrebbero essere presi in considerazione.

1) Acciaio al silicio: acciaio ad alta resistività che è solitamente disponibile in laminati sottili e viene utilizzato in trasformatori CA, magneti CA, relè ecc. Le sue proprietà non sono richieste per il Magnabend che è un magnete CC.

2) Ferro tenero: questo materiale mostrerebbe un magnetismo residuo inferiore che sarebbe buono per una macchina Magnabend ma è fisicamente morbido, il che significherebbe che sarebbe facilmente ammaccato e danneggiato;è meglio risolvere il problema del magnetismo residuo in un altro modo.

3) Ghisa: non magnetizzabile facilmente come l'acciaio laminato, ma potrebbe essere considerata.

4) Acciaio inossidabile tipo 416: non può essere magnetizzato con la stessa forza dell'acciaio ed è molto più costoso (ma può essere utile per una sottile superficie di copertura protettiva sul corpo del magnete).

5) Acciaio inossidabile tipo 316 : Questa è una lega di acciaio non magnetica e quindi non è affatto adatta (tranne come in 4 sopra).

6) Acciaio al carbonio medio, tipo K1045 : Questo materiale è particolarmente adatto per la costruzione del magnete (e di altre parti della macchina).È ragionevolmente duro nelle condizioni di fornitura e funziona anche bene.

7) Acciaio al carbonio medio tipo CS1020: questo acciaio non è duro come il K1045 ma è più facilmente reperibile e quindi può essere la scelta più pratica per la costruzione della macchina Magnabend.
Si noti che le proprietà importanti richieste sono:

Magnetizzazione ad alta saturazione.(La maggior parte delle leghe di acciaio satura a circa 2 Tesla),
Disponibilità di dimensioni utili delle sezioni,
Resistenza ai danni accidentali,
lavorabilità, e
Costo ragionevole.
L'acciaio al carbonio medio soddisfa bene tutti questi requisiti.Potrebbe essere utilizzato anche acciaio a basso tenore di carbonio, ma è meno resistente ai danni accidentali.Esistono anche altre leghe speciali, come il supermendur, che hanno una maggiore magnetizzazione di saturazione ma non sono da considerare per il loro costo molto elevato rispetto all'acciaio.

L'acciaio al carbonio medio mostra tuttavia un magnetismo residuo che è sufficiente per essere un fastidio.(Vedere la sezione sul Magnetismo Residuo).

La bobina

La bobina è ciò che guida il flusso magnetizzante attraverso l'elettromagnete.La sua forza di magnetizzazione è semplicemente il prodotto del numero di spire (N) e della corrente della bobina (I).Così:

Coil Formula

N = numero di giri
I = corrente negli avvolgimenti.

L'aspetto di "N" nella formula sopra porta a un malinteso comune.

È opinione diffusa che l'aumento del numero di giri aumenterà la forza di magnetizzazione, ma in genere ciò non accade perché i giri extra riducono anche la corrente, I.

Si consideri una bobina alimentata con una tensione continua fissa.Se il numero di spire viene raddoppiato, anche la resistenza degli avvolgimenti sarà raddoppiata (in una bobina lunga) e quindi la corrente sarà dimezzata.L'effetto netto non è un aumento di NI.

Ciò che veramente determina NI è la resistenza per turno.Quindi per aumentare NI è necessario aumentare lo spessore del filo.Il valore dei giri extra è che riducono la corrente e quindi la dissipazione di potenza nella bobina.

Il progettista dovrebbe tenere presente che il calibro del filo è ciò che determina realmente la forza di magnetizzazione della bobina.Questo è il parametro più importante del design della bobina.

Il prodotto NI viene spesso definito "ampere turni" della bobina.

Quanti giri di ampere sono necessari?

L'acciaio presenta una magnetizzazione di saturazione di circa 2 Tesla e questo pone un limite fondamentale su quanta forza di serraggio si può ottenere.

Magnetisation Curve

Dal grafico sopra vediamo che l'intensità del campo richiesta per ottenere una densità di flusso di 2 Tesla è di circa 20.000 ampere per metro.

Ora, per un tipico progetto Magnabend, la lunghezza del percorso del flusso nell'acciaio è di circa 1/5 di metro e quindi richiederà (20.000/5) AT per produrre saturazione, cioè circa 4.000 AT.

Sarebbe bello avere molti più ampere di questo in modo che la magnetizzazione di saturazione possa essere mantenuta anche quando vengono introdotti traferri non magnetici (cioè pezzi non ferrosi) nel circuito magnetico.Tuttavia, è possibile ottenere giri di ampere aggiuntivi solo a un costo considerevole in termini di dissipazione di potenza o costo del filo di rame, o entrambi.Occorre quindi un compromesso.

I tipici modelli Magnabend hanno una bobina che produce 3.800 giri di ampere.

Si noti che questa cifra non dipende dalla lunghezza della macchina.Se lo stesso design magnetico viene applicato su una gamma di lunghezze della macchina, significa che le macchine più lunghe avranno meno giri di filo più spesso.Assorbiranno più corrente totale ma avranno lo stesso prodotto di ampere x giri e avranno la stessa forza di bloccaggio (e la stessa dissipazione di potenza) per unità di lunghezza.

Ciclo di lavoro

Il concetto di duty cycle è un aspetto molto importante nella progettazione dell'elettromagnete.Se il progetto prevede un ciclo di lavoro maggiore del necessario, non è ottimale.Un ciclo di lavoro maggiore significa intrinsecamente che sarà necessario più filo di rame (con conseguente costo più elevato) e/o sarà disponibile una forza di serraggio inferiore.

Nota: un magnete con ciclo di lavoro più elevato avrà una dissipazione di potenza inferiore, il che significa che utilizzerà meno energia e quindi sarà più economico da utilizzare.Tuttavia, poiché il magnete è acceso solo per brevi periodi, il costo energetico del funzionamento è generalmente considerato di scarsa importanza.Pertanto, l'approccio progettuale consiste nell'avere la massima dissipazione di potenza possibile in termini di non surriscaldamento degli avvolgimenti della bobina.(Questo approccio è comune alla maggior parte dei modelli di elettromagneti).

Il Magnabend è progettato per un ciclo di lavoro nominale di circa il 25%.

In genere ci vogliono solo 2 o 3 secondi per fare una curva.Il magnete si spegnerà per altri 8-10 secondi mentre il pezzo viene riposizionato e allineato pronto per la piega successiva.Se viene superato il ciclo di lavoro del 25%, alla fine il magnete si surriscalda e si verifica un sovraccarico termico.Il magnete non verrà danneggiato ma dovrà essere lasciato raffreddare per circa 30 minuti prima di essere riutilizzato.

L'esperienza operativa con macchine sul campo ha dimostrato che il ciclo di lavoro del 25% è abbastanza adeguato per gli utenti tipici.Infatti alcuni utenti hanno richiesto versioni opzionali della macchina ad alta potenza che hanno una maggiore forza di chiusura a scapito di un minor duty cycle.

Area della sezione trasversale della bobina

L'area della sezione trasversale disponibile per la bobina determinerà la quantità massima di filo di rame che può essere inserita. L'area disponibile non dovrebbe essere superiore a quella necessaria, coerentemente con gli ampere richiesti e la dissipazione di potenza.Fornire più spazio per la bobina aumenterà inevitabilmente le dimensioni del magnete e si tradurrà in una lunghezza del percorso del flusso più lunga nell'acciaio (che ridurrà il flusso totale).

Lo stesso argomento implica che qualunque spazio della bobina sia fornito nel progetto, dovrebbe sempre essere pieno di filo di rame.Se non è pieno, significa che la geometria del magnete avrebbe potuto essere migliore.

Forza di serraggio Magnabend:

Il grafico sottostante è stato ottenuto da misurazioni sperimentali, ma concorda abbastanza bene con calcoli teorici.

Clamping Force

La forza di bloccaggio può essere calcolata matematicamente da questa formula:

Formula

F = forza in Newton
B = densità del flusso magnetico in Tesla
A = area dei pali in m2
µ0 = costante di permeabilità magnetica, (4π x 10-7)

Ad esempio calcoleremo la forza di bloccaggio per una densità di flusso di 2 Tesla:

Quindi F = ½ (2)2 A/µ0

Per una forza sull'unità di superficie (pressione) possiamo far cadere la "A" nella formula.

Quindi Pressione = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.

Si tratta di 1.590.000 N/m2.

Per convertirlo in chilogrammi, la forza può essere divisa per g (9,81).

Quindi: Pressione = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.

Questo concorda piuttosto bene con la forza misurata per uno spazio zero mostrato nel grafico sopra.

Questa cifra può essere facilmente convertita in una forza di bloccaggio totale per una data macchina moltiplicandola per l'area del polo della macchina.Per il modello 1250E l'area del polo è 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.

Quindi la forza totale, a gap zero, sarebbe (735 x 16,2) = 11.900 kg o 11,9 tonnellate;circa 9,5 tonnellate per metro di lunghezza del magnete.

La densità del flusso e la pressione di bloccaggio sono direttamente correlate e sono mostrate di seguito:

Clamping_Pressure

Forza di serraggio pratica:
In pratica questa elevata forza di serraggio si realizza solo quando non è necessaria(!), cioè quando si piegano pezzi sottili di acciaio.Quando si piegano pezzi non ferrosi, la forza sarà inferiore, come mostrato nel grafico sopra, e (un po' curiosamente), è anche inferiore quando si piegano pezzi in acciaio spesso.Ciò è dovuto al fatto che la forza di serraggio necessaria per eseguire una curvatura stretta è molto più elevata di quella necessaria per una curva a raggio.Quindi quello che succede è che mentre la piega procede, il bordo anteriore della staffa di bloccaggio si solleva leggermente consentendo così al pezzo di formare un raggio.

Il piccolo traferro che si forma provoca una leggera perdita di forza di bloccaggio, ma la forza necessaria per formare la curvatura del raggio è diminuita più bruscamente rispetto alla forza di bloccaggio del magnete.Ne risulta così una situazione stabile e la staffa di fissaggio non si lascia andare.

Quanto sopra descritto è la modalità di piegatura quando la macchina è vicina al suo limite di spessore.Se si prova un pezzo ancora più spesso, ovviamente la staffa di bloccaggio si solleverà.

Radius Bend2

Questo diagramma suggerisce che se il bordo anteriore della staffa di fissaggio fosse leggermente raccordato, anziché affilato, il traferro per la flessione spessa sarebbe ridotto.
In effetti questo è il caso e un Magnabend correttamente realizzato avrà un morsetto con un bordo arrotondato.(Un bordo arrotondato è anche molto meno soggetto a danni accidentali rispetto a uno spigolo vivo).

Modalità marginale di errore di piega:

Se si tenta di piegare un pezzo molto spesso, la macchina non riuscirà a piegarlo perché la staffa di bloccaggio si solleverà semplicemente.(Fortunatamente questo non avviene in modo drammatico; il morsetto si lascia semplicemente andare tranquillamente).

Tuttavia, se il carico di flessione è solo leggermente superiore alla capacità di flessione del magnete, in genere ciò che accade è che la curva procederà a circa 60 gradi e quindi la staffa di fissaggio inizierà a scorrere all'indietro.In questa modalità di guasto il magnete può resistere al carico di flessione solo indirettamente creando attrito tra il pezzo e il letto del magnete.

La differenza di spessore tra un cedimento dovuto al sollevamento e un cedimento dovuto allo scorrimento generalmente non è molto elevata.
Il mancato sollevamento è dovuto al fatto che il pezzo in lavorazione fa leva sul bordo anteriore della staffa di bloccaggio verso l'alto.La forza di serraggio sul bordo anteriore della staffa di fissaggio è principalmente ciò che resiste a questo.Il bloccaggio sul bordo posteriore ha scarso effetto perché è vicino al punto in cui viene ruotata la barra di bloccaggio.Infatti è solo la metà della forza di bloccaggio totale che resiste al sollevamento.

D'altra parte, lo scorrimento è contrastato dalla forza di bloccaggio totale ma solo dall'attrito, quindi la resistenza effettiva dipende dal coefficiente di attrito tra il pezzo e la superficie del magnete.

Per l'acciaio pulito e asciutto il coefficiente di attrito può arrivare fino a 0,8, ma se è presente lubrificazione, potrebbe arrivare fino a 0,2.Tipicamente sarà una via di mezzo tale che la modalità marginale di rottura per piegatura è solitamente dovuta allo scorrimento, ma si è scoperto che i tentativi di aumentare l'attrito sulla superficie del magnete non valgono la pena.

Capacità di spessore:

Per un corpo del magnete di tipo E largo 98 mm e profondo 48 mm e con una bobina da 3.800 ampere-giro, la capacità di piegatura dell'intera lunghezza è di 1,6 mm.Questo spessore si applica sia alla lamiera di acciaio che alla lamiera di alluminio.Ci sarà meno bloccaggio sul foglio di alluminio, ma richiede meno coppia per piegarlo, quindi questo compensa in modo tale da fornire una capacità di calibro simile per entrambi i tipi di metallo.

Devono esserci alcuni avvertimenti sulla capacità di piegatura dichiarata: Il principale è che la resistenza allo snervamento della lamiera può variare notevolmente.La capacità di 1,6 mm si applica all'acciaio con uno snervamento fino a 250 MPa e all'alluminio con uno snervamento fino a 140 MPa.

La capacità di spessore in acciaio inox è di circa 1,0 mm.Questa capacità è significativamente inferiore rispetto alla maggior parte degli altri metalli perché l'acciaio inossidabile è solitamente non magnetico e tuttavia ha una sollecitazione di snervamento ragionevolmente elevata.

Un altro fattore è la temperatura del magnete.Se il magnete è stato lasciato riscaldarsi, la resistenza della bobina sarà maggiore e questo a sua volta farà assorbire meno corrente con conseguenti ampere-giri inferiori e minore forza di bloccaggio.(Questo effetto è generalmente abbastanza moderato ed è improbabile che la macchina non soddisfi le sue specifiche).

Infine, è possibile realizzare Magnabend di capacità maggiore se la sezione trasversale del magnete fosse aumentata.