MAGNABEND - CONSIDERACIONES FUNDAMENTALES DE DISEÑO
Diseño de imán básico
La máquina Magnabend está diseñada como un potente imán de CC con un ciclo de trabajo limitado.
La máquina consta de 3 partes básicas:-
El cuerpo del imán que forma la base de la máquina y contiene la bobina del electroimán.
La barra de sujeción que proporciona un camino para el flujo magnético entre los polos de la base del imán y, por lo tanto, sujeta la pieza de trabajo de chapa.
La viga de flexión que gira hacia el borde frontal del cuerpo del imán y proporciona un medio para aplicar fuerza de flexión a la pieza de trabajo.
Configuraciones de cuerpo magnético
Varias configuraciones son posibles para el cuerpo del imán.
Aquí hay 2 que se han utilizado para máquinas Magnabend:
Las líneas rojas discontinuas en los dibujos de arriba representan las trayectorias del flujo magnético.Tenga en cuenta que el diseño "Tipo U" tiene una única vía de flujo (1 par de polos) mientras que el diseño "E-Tipo" tiene 2 vías de flujo (2 pares de polos).
Comparación de configuración de imanes:
La configuración tipo E es más eficiente que la configuración tipo U.
Para entender por qué esto es así, considere los dos dibujos a continuación.
A la izquierda hay una sección transversal de un imán de tipo U y a la derecha hay un imán de tipo E que se ha fabricado combinando 2 de los mismos tipos de U.Si cada configuración de imán es impulsada por una bobina con los mismos amperios-vueltas, entonces claramente el imán duplicado (el tipo E) tendrá el doble de fuerza de sujeción.¡También usa el doble de acero pero apenas más alambre para la bobina!(Suponiendo un diseño de bobina larga).
(La pequeña cantidad de cable adicional sería necesaria solo porque las dos patas de la bobina están más separadas en el diseño "E", pero este extra se vuelve insignificante en un diseño de bobina larga como el que se usa para el Magnabend).
Súper Magnabend:
Para construir un imán aún más potente, el concepto "E" se puede ampliar como esta configuración de doble E:
modelo 3d:
A continuación se muestra un dibujo en 3D que muestra la disposición básica de las piezas en un imán tipo U:
En este diseño, los postes delantero y trasero son piezas separadas y se unen mediante pernos a la pieza central.
Aunque en principio sería posible mecanizar un cuerpo de imán tipo U a partir de una sola pieza de acero, entonces no sería posible instalar la bobina y, por lo tanto, la bobina tendría que enrollarse in situ (sobre el cuerpo del imán mecanizado). ).
En una situación de producción, es muy deseable poder enrollar las bobinas por separado (en un formador especial).Por lo tanto, un diseño tipo U dicta efectivamente una construcción fabricada.
Por otro lado, el diseño tipo E se presta bien a un cuerpo de imán mecanizado a partir de una sola pieza de acero porque se puede instalar fácilmente una bobina prefabricada después de que se haya mecanizado el cuerpo del imán.Un cuerpo de imán de una sola pieza también funciona mejor magnéticamente, ya que no tiene espacios de construcción que, de lo contrario, reducirían un poco el flujo magnético (y, por lo tanto, la fuerza de sujeción).
(La mayoría de los Magnabend fabricados después de 1990 emplearon el diseño tipo E).
Selección de material para la construcción de imanes
El cuerpo del imán y la barra de sujeción deben estar hechos de material ferromagnético (magnetizable).El acero es, con mucho, el material ferromagnético más barato y es la elección obvia.Sin embargo, hay varios aceros especiales disponibles que podrían considerarse.
1) Acero al silicio: acero de alta resistividad que generalmente está disponible en láminas delgadas y se usa en transformadores de CA, imanes de CA, relés, etc. Sus propiedades no son necesarias para el Magnabend, que es un imán de CC.
2) Hierro dulce: este material exhibiría un magnetismo residual más bajo, lo que sería bueno para una máquina Magnabend, pero es físicamente blando, lo que significaría que se abollaría y dañaría fácilmente;es mejor resolver el problema del magnetismo residual de alguna otra manera.
3) Hierro fundido: no se magnetiza tan fácilmente como el acero laminado, pero podría considerarse.
4) Acero inoxidable tipo 416: no se puede magnetizar con tanta fuerza como el acero y es mucho más caro (pero puede ser útil para una superficie protectora delgada en el cuerpo del imán).
5) Acero inoxidable tipo 316: esta es una aleación de acero no magnética y, por lo tanto, no es adecuada en absoluto (excepto en el punto 4 anterior).
6) Acero al carbono medio, tipo K1045: este material es eminentemente adecuado para la construcción del imán (y otras partes de la máquina).Es razonablemente duro en el estado en que se entrega y también se mecaniza bien.
7) Acero al carbono medio tipo CS1020: este acero no es tan duro como el K1045, pero está más disponible y, por lo tanto, puede ser la opción más práctica para la construcción de la máquina Magnabend.
Tenga en cuenta que las propiedades importantes que se requieren son:
Magnetización de alta saturación.(La mayoría de las aleaciones de acero se saturan alrededor de 2 Tesla),
Disponibilidad de tamaños de sección útiles,
Resistencia al daño incidental,
maquinabilidad, y
Costo razonable.
El acero al carbono medio se ajusta bien a todos estos requisitos.También podría usarse acero con bajo contenido de carbono, pero es menos resistente a los daños incidentales.También existen otras aleaciones especiales, como el supermendur, que tienen una mayor magnetización de saturación pero no se deben considerar por su costo muy alto en comparación con el acero.
Sin embargo, el acero al carbono medio exhibe algo de magnetismo residual que es suficiente para ser una molestia.(Ver apartado de Magnetismo Residual).
La bobina
La bobina es lo que impulsa el flujo de magnetización a través del electroimán.Su fuerza de magnetización es solo el producto del número de vueltas (N) y la corriente de la bobina (I).Por lo tanto:
N = número de vueltas
I = corriente en los devanados.
La aparición de "N" en la fórmula anterior conduce a un error común.
Se supone ampliamente que aumentar el número de vueltas aumentará la fuerza de magnetización, pero generalmente esto no sucede porque las vueltas adicionales también reducen la corriente, I.
Considere una bobina alimentada con un voltaje de CC fijo.Si el número de vueltas se duplica, la resistencia de los devanados también se duplicará (en una bobina larga) y, por lo tanto, la corriente se reducirá a la mitad.El efecto neto es ningún aumento en NI.
Lo que realmente determina NI es la resistencia por vuelta.Por lo tanto, para aumentar NI, se debe aumentar el grosor del alambre.El valor de las vueltas adicionales es que reducen la corriente y, por lo tanto, la disipación de potencia en la bobina.
El diseñador debe tener en cuenta que el calibre del cable es lo que realmente determina la fuerza de magnetización de la bobina.Este es el parámetro más importante del diseño de la bobina.
El producto de NI a menudo se denomina "vueltas de amperios" de la bobina.
¿Cuántas vueltas de amperios se necesitan?
El acero exhibe una magnetización de saturación de aproximadamente 2 Tesla y esto establece un límite fundamental sobre la cantidad de fuerza de sujeción que se puede obtener.
Del gráfico anterior vemos que la intensidad de campo necesaria para obtener una densidad de flujo de 2 Tesla es de unos 20.000 amperios-vuelta por metro.
Ahora, para un diseño Magnabend típico, la longitud de la trayectoria del flujo en el acero es aproximadamente 1/5 de metro y, por lo tanto, requerirá (20 000/5) AT para producir la saturación, es decir, aproximadamente 4000 AT.
Sería bueno tener muchas más vueltas de amperios que esto para que la magnetización de saturación pudiera mantenerse incluso cuando se introducen espacios no magnéticos (es decir, piezas de trabajo no ferrosas) en el circuito magnético.Sin embargo, los giros de amperios adicionales solo se pueden obtener a un costo considerable en la disipación de energía o el costo del cable de cobre, o ambos.Por lo tanto, se necesita un compromiso.
Los diseños típicos de Magnabend tienen una bobina que produce vueltas de 3.800 amperios.
Tenga en cuenta que esta cifra no depende de la longitud de la máquina.Si se aplica el mismo diseño magnético en un rango de longitudes de máquina, entonces dicta que las máquinas más largas tendrán menos vueltas de alambre más grueso.Tomarán más corriente total pero tendrán el mismo producto de amperios x vueltas y tendrán la misma fuerza de sujeción (y la misma disipación de potencia) por unidad de longitud.
Ciclo de trabajo
El concepto de ciclo de trabajo es un aspecto muy importante del diseño del electroimán.Si el diseño proporciona más ciclo de trabajo del necesario, entonces no es óptimo.Más ciclo de trabajo significa inherentemente que se necesitará más cable de cobre (con el consiguiente mayor costo) y/o habrá menos fuerza de sujeción disponible.
Nota: Un imán de ciclo de trabajo más alto tendrá una menor disipación de energía, lo que significa que utilizará menos energía y, por lo tanto, será más económico de operar.Sin embargo, debido a que el imán está ENCENDIDO solo por períodos breves, el costo de energía de operación generalmente se considera de muy poca importancia.Por lo tanto, el enfoque de diseño es tener la mayor disipación de energía posible en términos de no sobrecalentar los devanados de la bobina.(Este enfoque es común a la mayoría de los diseños de electroimanes).
El Magnabend está diseñado para un ciclo de trabajo nominal de alrededor del 25%.
Por lo general, toma solo 2 o 3 segundos hacer una curva.Luego, el imán se apagará durante otros 8 a 10 segundos mientras la pieza de trabajo se vuelve a colocar y se alinea, lista para el siguiente pliegue.Si se excede el ciclo de trabajo del 25%, eventualmente el imán se calentará demasiado y se disparará una sobrecarga térmica.El imán no se dañará, pero deberá dejarse enfriar durante unos 30 minutos antes de volver a utilizarlo.
La experiencia operativa con máquinas en el campo ha demostrado que el ciclo de trabajo del 25 % es bastante adecuado para los usuarios típicos.De hecho, algunos usuarios han solicitado versiones opcionales de alta potencia de la máquina que tienen más fuerza de sujeción a expensas de un ciclo de trabajo menor.
Área de la sección transversal de la bobina
El área de la sección transversal disponible para la bobina determinará la cantidad máxima de alambre de cobre que se puede instalar. El área disponible no debe ser mayor de la necesaria, en consonancia con los amperios por vuelta y la disipación de potencia requeridos.Proporcionar más espacio para la bobina aumentará inevitablemente el tamaño del imán y dará como resultado una longitud de ruta de flujo más larga en el acero (lo que reducirá el flujo total).
El mismo argumento implica que cualquiera que sea el espacio de la bobina que se proporcione en el diseño, siempre debe estar lleno de alambre de cobre.Si no está lleno, significa que la geometría del imán podría haber sido mejor.
Fuerza de sujeción Magnabend:
El siguiente gráfico se obtuvo mediante mediciones experimentales, pero concuerda bastante bien con los cálculos teóricos.
La fuerza de sujeción se puede calcular matemáticamente a partir de esta fórmula:
F = fuerza en Newtons
B = densidad de flujo magnético en Teslas
A = área de postes en m2
µ0 = constante de permeabilidad magnética, (4π x 10-7)
Por ejemplo, calcularemos la fuerza de sujeción para una densidad de flujo de 2 Tesla:
Así F = ½ (2)2 A/µ0
Para una fuerza en la unidad de área (presión) podemos eliminar la "A" en la fórmula.
Así Presión = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Esto sale a 1.590.000 N/m2.
Para convertir esto a kilogramos de fuerza, se puede dividir por g (9.81).
Así: Presión = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Esto concuerda bastante bien con la fuerza medida para un espacio cero que se muestra en el gráfico anterior.
Esta cifra se puede convertir fácilmente en una fuerza de sujeción total para una máquina determinada multiplicándola por el área polar de la máquina.Para el modelo 1250E el área del polo es 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Por lo tanto, la fuerza total, sin separación, sería (735 x 16,2) = 11.900 kg o 11,9 toneladas;unas 9,5 toneladas por metro de longitud de imán.
La densidad de flujo y la presión de sujeción están directamente relacionadas y se muestran gráficamente a continuación:
Fuerza de sujeción práctica:
En la práctica, esta alta fuerza de sujeción solo se realiza cuando no se necesita (!), es decir, cuando se doblan piezas de trabajo de acero delgadas.Cuando se doblan piezas de trabajo no ferrosas, la fuerza será menor, como se muestra en el gráfico anterior, y (curiosamente), también es menor cuando se doblan piezas de acero gruesas.Esto se debe a que la fuerza de sujeción necesaria para hacer una curva pronunciada es mucho mayor que la necesaria para una curva de radio.Entonces, lo que sucede es que a medida que avanza la curva, el borde frontal de la barra de sujeción se levanta ligeramente, lo que permite que la pieza de trabajo forme un radio.
El pequeño espacio de aire que se forma provoca una ligera pérdida de la fuerza de sujeción, pero la fuerza necesaria para formar la curvatura del radio ha caído más bruscamente que la fuerza de sujeción del imán.De este modo se obtiene una situación estable y la barra de sujeción no se suelta.
Lo que se describe arriba es el modo de doblar cuando la máquina está cerca de su límite de espesor.Si se prueba con una pieza de trabajo aún más gruesa, por supuesto que la barra de sujeción se levantará.
Este diagrama sugiere que si el borde de la punta de la barra de sujeción se redondeara un poco, en lugar de afilarlo, entonces se reduciría el espacio de aire para la flexión gruesa.
De hecho, este es el caso y un Magnabend correctamente fabricado tendrá una barra de sujeción con un borde redondeado.(Un borde redondeado también es mucho menos propenso a daños accidentales en comparación con un borde afilado).
Modo marginal de falla por flexión:
Si se intenta doblar una pieza de trabajo muy gruesa, la máquina no podrá doblarla porque la barra de sujeción simplemente se levantará.(Afortunadamente, esto no sucede de manera dramática; la barra de sujeción simplemente se suelta en silencio).
Sin embargo, si la carga de flexión es solo un poco mayor que la capacidad de flexión del imán, generalmente lo que sucede es que la flexión procederá a unos 60 grados y luego la barra de sujeción comenzará a deslizarse hacia atrás.En este modo de falla, el imán solo puede resistir la carga de flexión indirectamente al crear fricción entre la pieza de trabajo y el lecho del imán.
La diferencia de espesor entre una falla por despegue y una falla por deslizamiento generalmente no es muy grande.
La falla de despegue se debe a que la pieza de trabajo hace palanca en el borde delantero de la barra de sujeción hacia arriba.La fuerza de sujeción en el borde delantero de la barra de sujeción es principalmente lo que resiste esto.La sujeción en el borde trasero tiene poco efecto porque está cerca de donde se gira la barra de sujeción.De hecho, es sólo la mitad de la fuerza de sujeción total la que resiste el despegue.
Por otro lado, el deslizamiento es resistido por la fuerza de sujeción total, pero solo a través de la fricción, por lo que la resistencia real depende del coeficiente de fricción entre la pieza de trabajo y la superficie del imán.
Para acero limpio y seco, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0,8, pero si hay lubricación, podría ser tan bajo como 0,2.Por lo general, estará en algún punto intermedio, de modo que el modo marginal de falla por flexión generalmente se deba al deslizamiento, pero se ha descubierto que los intentos de aumentar la fricción en la superficie del imán no valen la pena.
Capacidad de espesor:
Para un cuerpo de imán tipo E de 98 mm de ancho y 48 mm de profundidad y con una bobina de 3800 amperios-vuelta, la capacidad de flexión de longitud total es de 1,6 mm.Este espesor se aplica tanto a la hoja de acero como a la hoja de aluminio.Habrá menos sujeción en la lámina de aluminio, pero se requiere menos torsión para doblarla, por lo que esto compensa de tal manera que brinda una capacidad de calibre similar para ambos tipos de metal.
Debe haber algunas advertencias sobre la capacidad de flexión indicada: la principal es que el límite elástico de la chapa puede variar ampliamente.La capacidad de 1,6 mm se aplica al acero con un límite elástico de hasta 250 MPa y al aluminio con un límite elástico de hasta 140 MPa.
La capacidad de espesor en acero inoxidable es de aproximadamente 1,0 mm.Esta capacidad es significativamente menor que para la mayoría de los otros metales porque el acero inoxidable generalmente no es magnético y, sin embargo, tiene un límite elástico razonablemente alto.
Otro factor es la temperatura del imán.Si se ha permitido que el imán se caliente, la resistencia de la bobina será mayor y esto, a su vez, hará que consuma menos corriente con los consiguientes amperios-vuelta más bajos y una fuerza de sujeción más baja.(Este efecto suele ser bastante moderado y es poco probable que haga que la máquina no cumpla con sus especificaciones).
Finalmente, se podrían fabricar Magnabends de mayor capacidad si la sección transversal del imán se hiciera más grande.