Dasar-dasar Cara Kerja Magnabend

MAGNABEND - PERTIMBANGAN DESAIN DASAR
Desain Magnet Dasar
Mesin Magnabend dirancang sebagai magnet DC yang kuat dengan siklus kerja terbatas.
Mesin terdiri dari 3 bagian dasar:-

Magnabend Basic Parts

Badan magnet yang membentuk dasar mesin dan berisi kumparan elektro-magnet.
Batang penjepit yang menyediakan jalur untuk fluks magnet antara kutub dasar magnet, dan dengan demikian menjepit benda kerja lembaran logam.
Balok lentur yang diputar ke tepi depan badan magnet dan menyediakan sarana untuk menerapkan gaya tekuk ke benda kerja.
Konfigurasi Magnet-Tubuh

Berbagai konfigurasi dimungkinkan untuk badan magnet.
Berikut adalah 2 yang sama-sama pernah digunakan untuk mesin Magnabend:

U-Type, E-Type

Garis merah putus-putus pada gambar di atas mewakili jalur fluks magnet.Perhatikan bahwa desain "Tipe-U" memiliki jalur fluks tunggal (1 pasang kutub) sedangkan desain "Tipe-E" memiliki 2 jalur fluks (2 pasang kutub).

Perbandingan Konfigurasi Magnet:
Konfigurasi tipe-E lebih efisien daripada konfigurasi tipe-U.
Untuk memahami mengapa demikian, perhatikan dua gambar di bawah ini.

Di sebelah kiri adalah penampang magnet tipe-U dan di sebelah kanan adalah magnet tipe-E yang telah dibuat dengan menggabungkan 2 tipe-U yang sama.Jika setiap konfigurasi magnet digerakkan oleh sebuah kumparan dengan lilitan ampere yang sama maka jelas magnet yang digandakan (tipe E) akan memiliki gaya klem dua kali lebih besar.Ini juga menggunakan baja dua kali lebih banyak tetapi hampir tidak ada lagi kawat untuk koil!(Dengan asumsi desain kumparan panjang).
(Jumlah kecil kawat tambahan akan diperlukan hanya karena 2 kaki kumparan terpisah lebih jauh dalam desain "E", tetapi tambahan ini menjadi tidak signifikan dalam desain kumparan panjang seperti yang digunakan untuk Magnabend).

U-Magnet X-Section

Super Magnabend:
Untuk membangun magnet yang lebih kuat, konsep "E" dapat diperluas seperti konfigurasi double-E ini:

Super Magnabend

Model 3-D:
Di bawah ini adalah gambar 3-D yang menunjukkan susunan dasar bagian-bagian dalam magnet tipe-U:

3-D drawing of U-Type

Dalam desain ini, tiang depan dan belakang adalah bagian yang terpisah dan diikat dengan baut ke bagian inti.

Meskipun pada prinsipnya, mungkin untuk membuat mesin magnet tipe-U dari sepotong baja, maka tidak mungkin untuk memasang kumparan dan dengan demikian kumparan harus dililitkan di tempat (pada badan magnet mesin ).

Fabricated U-Type

Dalam situasi produksi, sangat diinginkan untuk dapat melilitkan gulungan secara terpisah (pada pembentuk khusus).Jadi desain tipe-U secara efektif menentukan konstruksi fabrikasi.

Di sisi lain, desain tipe-E cocok untuk bodi magnet yang dikerjakan dari sepotong baja karena koil yang sudah jadi dapat dengan mudah dipasang setelah bodi magnet dikerjakan.Badan magnet satu bagian juga bekerja lebih baik secara magnetis karena tidak memiliki celah konstruksi yang akan mengurangi fluks magnet (dan karenanya gaya penjepit) sedikit.

(Kebanyakan Magnabends yang dibuat setelah tahun 1990 menggunakan desain tipe-E).
Pemilihan Bahan untuk Konstruksi Magnet

Badan magnet dan penjepit harus terbuat dari bahan feromagnetik (dapat dimagnetkan).Baja sejauh ini merupakan bahan feromagnetik termurah dan merupakan pilihan yang jelas.Namun ada berbagai baja khusus yang tersedia yang dapat dipertimbangkan.

1) Baja Silikon: Baja resistivitas tinggi yang biasanya tersedia dalam laminasi tipis dan digunakan pada transformator AC, magnet AC, relai, dll. Sifatnya tidak diperlukan untuk Magnabend yang merupakan magnet DC.

2) Besi Lunak : Bahan ini akan menunjukkan sisa magnetisme yang lebih rendah yang akan baik untuk mesin Magnabend tetapi secara fisik lunak yang berarti akan mudah penyok dan rusak;lebih baik untuk memecahkan masalah magnet sisa dengan cara lain.

3) Besi Cor : Tidak mudah dimagnetisasi seperti baja canai tetapi dapat dipertimbangkan.

4) Stainless Steel Tipe 416 : Tidak dapat dimagnetisasi sekuat baja dan jauh lebih mahal (tetapi mungkin berguna untuk permukaan penutup pelindung tipis pada badan magnet).

5) Baja Tahan Karat Tipe 316 : Ini adalah baja paduan non-magnetik dan karenanya tidak cocok sama sekali (kecuali seperti pada 4 di atas).

6) Baja Karbon Sedang, tipe K1045 : Bahan ini sangat cocok untuk konstruksi magnet, (dan bagian lain dari mesin).Ini cukup keras dalam kondisi yang disediakan dan juga mesin dengan baik.

7) Baja Karbon Menengah tipe CS1020 : Baja ini tidak sekeras K1045 tetapi lebih mudah didapat dan dengan demikian dapat menjadi pilihan paling praktis untuk konstruksi mesin Magnabend.
Perhatikan bahwa properti penting yang diperlukan adalah:

Magnetisasi saturasi tinggi.(Kebanyakan paduan baja jenuh di sekitar 2 Tesla),
Ketersediaan ukuran bagian yang berguna,
Ketahanan terhadap kerusakan insidental,
Kemampuan mesin, dan
Biaya yang masuk akal.
Baja karbon sedang cocok dengan semua persyaratan ini dengan baik.Baja karbon rendah juga dapat digunakan tetapi kurang tahan terhadap kerusakan yang tidak disengaja.Ada juga paduan khusus lainnya, seperti supermendur, yang memiliki magnetisasi saturasi yang lebih tinggi tetapi tidak dipertimbangkan karena biayanya yang sangat tinggi dibandingkan dengan baja.

Namun baja karbon sedang menunjukkan beberapa magnet sisa yang cukup mengganggu.(Lihat bagian tentang Magnetisme Residu).

kumparan

Kumparan inilah yang mendorong fluks magnetisasi melalui elektromagnet.Gaya magnetisasinya hanyalah produk dari jumlah lilitan (N) dan arus kumparan (I).Jadi:

Coil Formula

N = jumlah putaran
I = arus pada belitan.

Munculnya "N" dalam rumus di atas menyebabkan kesalahpahaman umum.

Secara luas diasumsikan bahwa peningkatan jumlah lilitan akan meningkatkan gaya magnetisasi tetapi umumnya hal ini tidak terjadi karena lilitan tambahan juga mengurangi arus, I.

Pertimbangkan sebuah kumparan yang disuplai dengan tegangan DC tetap.Jika jumlah lilitan digandakan maka hambatan belitan juga akan berlipat ganda (dalam kumparan panjang) dan dengan demikian arus akan menjadi setengahnya.Efek bersihnya adalah tidak ada peningkatan NI.

Yang benar-benar menentukan NI adalah resistansi per putaran.Jadi untuk meningkatkan NI ketebalan kawat harus ditingkatkan.Nilai belokan ekstra adalah bahwa mereka mengurangi arus dan oleh karena itu disipasi daya dalam koil.

Perancang harus memperhatikan bahwa pengukur kawat adalah yang benar-benar menentukan gaya magnetisasi koil.Ini adalah parameter terpenting dari desain koil.

Produk NI sering disebut sebagai "putaran ampere" dari koil.

Berapa Banyak Putaran Ampere yang Dibutuhkan?

Baja menunjukkan magnetisasi saturasi sekitar 2 Tesla dan ini menetapkan batas mendasar pada berapa banyak kekuatan penjepit yang dapat diperoleh.

Magnetisation Curve

Dari grafik di atas kita melihat bahwa kuat medan yang diperlukan untuk mendapatkan kerapatan fluks 2 Tesla adalah sekitar 20.000 lilitan ampere per meter.

Sekarang, untuk desain Magnabend tipikal, panjang jalur fluks dalam baja adalah sekitar 1/5 meter dan oleh karena itu akan membutuhkan (20.000/5) AT untuk menghasilkan saturasi, yaitu sekitar 4.000 AT.

Akan lebih baik untuk memiliki lebih banyak lilitan ampere daripada ini sehingga magnetisasi saturasi dapat dipertahankan bahkan ketika celah non-magnetik (yaitu benda kerja non-ferrous) dimasukkan ke dalam sirkuit magnetik.Namun putaran ampere ekstra hanya dapat diperoleh dengan biaya yang cukup besar dalam disipasi daya atau biaya kabel tembaga, atau keduanya.Oleh karena itu diperlukan kompromi.

Desain khas Magnabend memiliki koil yang menghasilkan putaran 3.800 ampere.

Perhatikan bahwa angka ini tidak tergantung pada panjang mesin.Jika desain magnetik yang sama diterapkan pada rentang panjang mesin, maka itu menentukan bahwa mesin yang lebih panjang akan memiliki lebih sedikit putaran kawat yang lebih tebal.Mereka akan menarik lebih banyak arus total tetapi akan memiliki produk yang sama dari amp x putaran dan akan memiliki gaya penjepit yang sama (dan disipasi daya yang sama) per satuan panjang.

Siklus

Konsep siklus adalah aspek yang sangat penting dari desain elektromagnet.Jika desain menyediakan lebih banyak siklus kerja daripada yang dibutuhkan maka itu tidak optimal.Lebih banyak siklus tugas secara inheren berarti bahwa lebih banyak kawat tembaga akan dibutuhkan (dengan konsekuensi biaya yang lebih tinggi) dan/atau akan ada lebih sedikit kekuatan penjepit yang tersedia.

Catatan: Magnet siklus kerja yang lebih tinggi akan memiliki disipasi daya yang lebih sedikit yang berarti akan menggunakan lebih sedikit energi dan dengan demikian lebih murah untuk dioperasikan.Namun, karena magnet ON hanya untuk waktu yang singkat, maka biaya energi untuk operasi biasanya dianggap sangat kecil.Jadi pendekatan desainnya adalah memiliki disipasi daya sebanyak yang Anda bisa dapatkan dalam hal tidak terlalu panasnya belitan koil.(Pendekatan ini umum untuk sebagian besar desain elektromagnet).

Magnabend dirancang untuk siklus tugas nominal sekitar 25%.

Biasanya hanya butuh 2 atau 3 detik untuk membuat tikungan.Magnet kemudian akan mati selama 8 hingga 10 detik lagi sementara benda kerja diposisikan ulang dan disejajarkan siap untuk tikungan berikutnya.Jika siklus kerja 25% terlampaui maka pada akhirnya magnet akan menjadi terlalu panas dan kelebihan beban termal akan trip.Magnet tidak akan rusak tetapi harus dibiarkan dingin selama sekitar 30 menit sebelum digunakan kembali.

Pengalaman operasional dengan mesin di lapangan telah menunjukkan bahwa siklus kerja 25% cukup memadai untuk pengguna biasa.Bahkan beberapa pengguna telah meminta versi daya tinggi opsional dari alat berat yang memiliki kekuatan penjepit lebih banyak dengan mengorbankan siklus kerja yang lebih sedikit.

Area Penampang Kumparan

Area penampang yang tersedia untuk koil akan menentukan jumlah maksimum kawat tembaga yang dapat dipasang. Area yang tersedia tidak boleh lebih dari yang dibutuhkan, konsisten dengan putaran ampere dan disipasi daya yang diperlukan.Menyediakan lebih banyak ruang untuk koil pasti akan meningkatkan ukuran magnet dan menghasilkan panjang jalur fluks yang lebih panjang pada baja (yang akan mengurangi fluks total).

Argumen yang sama menyiratkan bahwa ruang koil apa pun yang disediakan dalam desain, itu harus selalu penuh dengan kawat tembaga.Jika tidak penuh maka itu berarti geometri magnet bisa lebih baik.

Kekuatan Penjepit Magnabend:

Grafik di bawah ini diperoleh dengan pengukuran eksperimental, tetapi cukup sesuai dengan perhitungan teoretis.

Clamping Force

Gaya penjepitan dapat dihitung secara matematis dari rumus ini:

Formula

F = gaya dalam Newton
B = kerapatan fluks magnet dalam Teslas
A = luas kutub dalam m2
0 = konstanta permeabilitas magnetik, (4π x 10-7)

Sebagai contoh kita akan menghitung gaya penjepit untuk kerapatan fluks 2 Tesla:

Jadi F = (2)2 A/µ0

Untuk gaya pada satuan luas (tekanan) kita dapat menghilangkan "A" dalam rumus.

Jadi Tekanan = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.

Ini menghasilkan 1.590.000 N/m2.

Untuk mengubahnya ke dalam kilogram, gaya dapat dibagi dengan g (9,81).

Jadi: Tekanan = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.

Ini sesuai dengan gaya terukur untuk celah nol yang ditunjukkan pada grafik di atas.

Angka ini dapat dengan mudah diubah menjadi gaya penjepitan total untuk mesin tertentu dengan mengalikannya dengan luas kutub mesin.Untuk model 1250E luas tiang adalah 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.

Jadi, total gaya tanpa celah adalah (735 x 16,2) = 11.900 kg atau 11,9 ton;sekitar 9,5 ton per meter panjang magnet.

Kepadatan fluks dan tekanan Clamping berhubungan langsung dan ditunjukkan dalam grafik di bawah ini:

Clamping_Pressure

Kekuatan Penjepit Praktis:
Dalam prakteknya gaya klem yang tinggi ini hanya pernah direalisasikan pada saat tidak diperlukan(!), yaitu pada saat membengkokkan benda kerja baja tipis.Saat menekuk benda kerja non-ferrous, gayanya akan lebih kecil seperti yang ditunjukkan pada grafik di atas, dan (sedikit aneh), juga lebih sedikit saat menekuk benda kerja baja tebal.Ini karena gaya penjepit yang dibutuhkan untuk membuat tikungan tajam jauh lebih tinggi daripada yang dibutuhkan untuk tikungan radius.Jadi yang terjadi adalah saat tikungan berlangsung, tepi depan klem sedikit terangkat sehingga memungkinkan benda kerja membentuk jari-jari.

Celah udara kecil yang terbentuk menyebabkan sedikit kehilangan gaya penjepit tetapi gaya yang dibutuhkan untuk membentuk radius tikungan telah turun lebih tajam daripada gaya penjepit magnet.Dengan demikian hasil situasi stabil dan klem tidak lepas.

Yang dijelaskan di atas adalah mode pembengkokan saat mesin mendekati batas ketebalannya.Jika benda kerja yang lebih tebal dicoba maka tentu klem akan lepas.

Radius Bend2

Diagram ini menunjukkan bahwa jika ujung hidung klem diradiuskan sedikit, bukannya tajam, maka celah udara untuk pembengkokan tebal akan berkurang.
Memang ini masalahnya dan Magnabend yang dibuat dengan benar akan memiliki klem dengan tepi yang meruncing.(Tepi yang diradiasikan juga jauh lebih rentan terhadap kerusakan yang tidak disengaja dibandingkan dengan tepi yang tajam).

Mode Marginal Kegagalan Tikungan:

Jika dilakukan pembengkokan pada benda kerja yang sangat tebal maka mesin akan gagal menekuknya karena klem akan lepas begitu saja.(Untungnya ini tidak terjadi secara dramatis; klem hanya melepaskannya dengan tenang).

Namun jika beban lentur hanya sedikit lebih besar dari kapasitas lentur magnet maka umumnya yang terjadi adalah tikungan akan berlanjut sekitar 60 derajat dan kemudian klem akan mulai meluncur ke belakang.Dalam mode kegagalan ini magnet hanya dapat menahan beban lentur secara tidak langsung dengan menciptakan gesekan antara benda kerja dan alas magnet.

Perbedaan ketebalan antara keruntuhan akibat lepas landas dan keruntuhan akibat kelongsoran umumnya tidak terlalu besar.
Kegagalan pengangkatan terjadi karena benda kerja mengungkit tepi depan klem ke atas.Kekuatan penjepit di tepi depan klem terutama yang menahan ini.Penjepitan di tepi belakang tidak banyak berpengaruh karena dekat dengan tempat klem diputar.Faktanya hanya setengah dari total gaya penjepit yang menahan gaya angkat.

Di sisi lain geser dilawan oleh gaya penjepit total tetapi hanya melalui gesekan sehingga resistensi yang sebenarnya tergantung pada koefisien gesekan antara benda kerja dan permukaan magnet.

Untuk baja bersih dan kering, koefisien gesekan bisa setinggi 0,8 tetapi jika ada pelumasan maka bisa serendah 0,2.Biasanya itu akan berada di suatu tempat di antara sedemikian rupa sehingga mode marginal kegagalan tikungan biasanya karena geser, tetapi upaya untuk meningkatkan gesekan pada permukaan magnet telah ditemukan tidak bermanfaat.

Kapasitas Ketebalan:

Untuk bodi magnet tipe-E dengan lebar 98mm dan kedalaman 48mm serta dengan kumparan putar 3.800 ampere, kapasitas lentur panjang penuh adalah 1,6mm.Ketebalan ini berlaku untuk lembaran baja dan lembaran aluminium.Akan ada lebih sedikit penjepitan pada lembaran aluminium tetapi membutuhkan lebih sedikit torsi untuk menekuknya sehingga ini mengkompensasi sedemikian rupa untuk memberikan kapasitas pengukur yang sama untuk kedua jenis logam.

Perlu ada beberapa peringatan tentang kapasitas lentur yang dinyatakan: Yang utama adalah bahwa kekuatan luluh lembaran logam dapat sangat bervariasi.Kapasitas 1,6 mm berlaku untuk baja dengan tegangan leleh hingga 250 MPa dan aluminium dengan tegangan leleh hingga 140 MPa.

Kapasitas ketebalan dalam baja tahan karat adalah sekitar 1.0mm.Kapasitas ini secara signifikan lebih kecil daripada kebanyakan logam lain karena baja tahan karat biasanya non-magnetik namun memiliki tegangan luluh yang cukup tinggi.

Faktor lainnya adalah suhu magnet.Jika magnet dibiarkan menjadi panas maka resistansi kumparan akan lebih tinggi dan ini pada gilirannya akan menyebabkan magnet menarik lebih sedikit arus dengan konsekuensi putaran ampere yang lebih rendah dan gaya penjepitan yang lebih rendah.(Efek ini biasanya cukup moderat dan tidak mungkin menyebabkan mesin tidak memenuhi spesifikasinya).

Akhirnya, Magnabends berkapasitas lebih tebal dapat dibuat jika penampang magnet dibuat lebih besar.