MAGNABEND - CONSIDERAÇÕES FUNDAMENTAIS DO DESIGN
Design básico de ímã
A máquina Magnabend é projetada como um poderoso ímã DC com ciclo de trabalho limitado.
A máquina consiste em 3 partes básicas:-
O corpo magnético que forma a base da máquina e contém a bobina do eletroímã.
A barra de fixação que fornece um caminho para o fluxo magnético entre os pólos da base do ímã e, assim, fixa a peça de chapa metálica.
A viga de flexão que é girada para a borda frontal do corpo do ímã e fornece um meio para aplicar força de flexão à peça de trabalho.
Configurações de corpo magnético
Várias configurações são possíveis para o corpo magnético.
Aqui estão 2 que foram usados para máquinas Magnabend:
As linhas vermelhas tracejadas nos desenhos acima representam os caminhos do fluxo magnético.Observe que o design "U-Type" tem um único caminho de fluxo (1 par de pólos), enquanto o design "E-Type" tem 2 caminhos de fluxo (2 pares de pólos).
Comparação da configuração do ímã:
A configuração do tipo E é mais eficiente do que a configuração do tipo U.
Para entender por que isso acontece, considere os dois desenhos abaixo.
À esquerda está uma seção transversal de um ímã tipo U e à direita está um ímã tipo E que foi feito combinando 2 dos mesmos tipos U.Se cada configuração de ímã for acionada por uma bobina com os mesmos ampères-espiras, então claramente o ímã dobrado (o tipo E) terá o dobro da força de fixação.Ele também usa o dobro de aço, mas quase nenhum fio para a bobina!(Assumindo um projeto de bobina longa).
(A pequena quantidade de fio extra seria necessária apenas porque as 2 duas pernas da bobina estão mais afastadas no design "E", mas esse extra se torna insignificante em um design de bobina longa, como o usado para o Magnabend).
Super Magnabend:
Para construir um ímã ainda mais poderoso, o conceito "E" pode ser estendido como esta configuração de duplo E:
Modelo 3D:
Abaixo está um desenho 3-D mostrando o arranjo básico das peças em um ímã do tipo U:
Neste projeto, os pólos dianteiro e traseiro são peças separadas e são fixadas por parafusos à peça do núcleo.
Embora, em princípio, fosse possível usinar um corpo magnético tipo U a partir de uma única peça de aço, não seria possível instalar a bobina e, portanto, a bobina teria que ser enrolada in situ (no corpo magnético usinado ).
Em uma situação de produção, é altamente desejável poder enrolar as bobinas separadamente (em um molde especial).Assim, um projeto do tipo U determina efetivamente uma construção fabricada.
Por outro lado, o design do tipo E se presta bem a um corpo magnético usinado a partir de uma única peça de aço, porque uma bobina pré-fabricada pode ser facilmente instalada após a usinagem do corpo magnético.Um corpo magnético de peça única também funciona melhor magneticamente, pois não possui lacunas de construção que, de outra forma, reduziriam um pouco o fluxo magnético (e, portanto, a força de fixação).
(A maioria dos Magnabends feitos depois de 1990 empregava o design do tipo E).
Seleção de Material para Construção do Ímã
O corpo do ímã e a barra de fixação devem ser feitos de material ferromagnético (magnetizável).O aço é de longe o material ferromagnético mais barato e é a escolha óbvia.No entanto, existem vários aços especiais disponíveis que podem ser considerados.
1) Aço Silício: Aço de alta resistividade que geralmente está disponível em laminações finas e é usado em transformadores CA, ímãs CA, relés etc. Suas propriedades não são necessárias para o Magnabend que é um ímã CC.
2) Ferro Macio: Este material apresentaria um magnetismo residual mais baixo, o que seria bom para uma máquina Magnabend, mas é fisicamente macio, o que significaria que seria facilmente amassado e danificado;é melhor resolver o problema do magnetismo residual de outra forma.
3) Ferro fundido: Não é tão facilmente magnetizado quanto o aço laminado, mas pode ser considerado.
4) Aço Inoxidável Tipo 416: Não pode ser magnetizado tão fortemente quanto o aço e é muito mais caro (mas pode ser útil para uma superfície de proteção fina no corpo do ímã).
5) Aço Inoxidável Tipo 316 : Esta é uma liga de aço não magnética e, portanto, não é adequada (exceto como em 4 acima).
6) Aço Carbono Médio, tipo K1045 : Este material é eminentemente adequado para a construção do ímã (e outras partes da máquina).É razoavelmente duro na condição de fornecido e também funciona bem.
7) Aço Médio Carbono tipo CS1020: Este aço não é tão duro quanto o K1045, mas está mais prontamente disponível e, portanto, pode ser a escolha mais prática para a construção da máquina Magnabend.
Observe que as propriedades importantes que são necessárias são:
Magnetização de alta saturação.(A maioria das ligas de aço saturam em torno de 2 Tesla),
Disponibilidade de tamanhos de seção úteis,
Resistência a danos acidentais,
Usinabilidade, e
Custo razoável.
O aço de carbono médio atende bem a todos esses requisitos.Aço de baixo carbono também pode ser usado, mas é menos resistente a danos acidentais.Existem também outras ligas especiais, como o supermendur, que possuem magnetização de saturação mais alta, mas não devem ser consideradas devido ao seu custo muito alto em comparação com o aço.
O aço de carbono médio, no entanto, exibe algum magnetismo residual que é suficiente para ser um incômodo.(Veja a seção sobre Magnetismo Residual).
A bobina
A bobina é o que impulsiona o fluxo de magnetização através do eletroímã.Sua força de magnetização é apenas o produto do número de voltas (N) e a corrente da bobina (I).Por isso:
N = número de voltas
I = corrente nos enrolamentos.
O aparecimento de "N" na fórmula acima leva a um equívoco comum.
É amplamente assumido que o aumento do número de espiras aumentará a força de magnetização, mas geralmente isso não acontece porque espiras extras também reduzem a corrente, I.
Considere uma bobina alimentada com uma tensão DC fixa.Se o número de voltas for duplicado, a resistência dos enrolamentos também será duplicada (em uma bobina longa) e, assim, a corrente será reduzida pela metade.O efeito líquido é nenhum aumento em NI.
O que realmente determina o NI é a resistência por turno.Assim, para aumentar o NI, a espessura do fio deve ser aumentada.O valor das voltas extras é que elas reduzem a corrente e, portanto, a dissipação de energia na bobina.
O projetista deve estar atento que a bitola do fio é o que realmente determina a força magnetizante da bobina.Este é o parâmetro mais importante do projeto da bobina.
O produto NI é muitas vezes referido como as "espiras de ampère" da bobina.
Quantas voltas de amperes são necessárias?
O aço exibe uma magnetização de saturação de cerca de 2 Tesla e isso estabelece um limite fundamental na quantidade de força de fixação que pode ser obtida.
A partir do gráfico acima, vemos que a força de campo necessária para obter uma densidade de fluxo de 2 Tesla é de cerca de 20.000 amperes-espiras por metro.
Agora, para um projeto Magnabend típico, o comprimento do caminho do fluxo no aço é de cerca de 1/5 de um metro e, portanto, exigirá (20.000/5) AT para produzir saturação, ou seja, cerca de 4.000 AT.
Seria bom ter muito mais amperes de volta do que isso para que a magnetização de saturação pudesse ser mantida mesmo quando lacunas não magnéticas (ou seja, peças de trabalho não ferrosas) fossem introduzidas no circuito magnético.No entanto, voltas de amperes extras só podem ser obtidas com um custo considerável em dissipação de energia ou custo de fio de cobre, ou ambos.Assim, é necessário um compromisso.
Os projetos típicos de Magnabend têm uma bobina que produz voltas de 3.800 amperes.
Observe que este valor não depende do comprimento da máquina.Se o mesmo design magnético for aplicado em uma variedade de comprimentos de máquina, isso determina que as máquinas mais longas terão menos voltas de fio mais grosso.Eles consumirão mais corrente total, mas terão o mesmo produto de amperes x voltas e terão a mesma força de fixação (e a mesma dissipação de potência) por unidade de comprimento.
Ciclo de trabalho
O conceito de ciclo de trabalho é um aspecto muito importante do projeto do eletroímã.Se o projeto prevê mais ciclo de trabalho do que o necessário, então não é o ideal.Mais ciclo de trabalho inerentemente significa que mais fio de cobre será necessário (com consequente custo mais alto) e/ou haverá menos força de fixação disponível.
Nota: Um ímã de ciclo de trabalho mais alto terá menos dissipação de energia, o que significa que usará menos energia e, portanto, será mais barato de operar.No entanto, como o ímã está LIGADO apenas por breves períodos, o custo de energia da operação é geralmente considerado de muito pouca importância.Assim, a abordagem do projeto é ter o máximo de dissipação de energia possível em termos de não superaquecer os enrolamentos da bobina.(Esta abordagem é comum à maioria dos projetos de eletroímãs).
O Magnabend foi projetado para um ciclo de trabalho nominal de cerca de 25%.
Normalmente, leva apenas 2 ou 3 segundos para fazer uma curva.O ímã ficará desligado por mais 8 a 10 segundos enquanto a peça de trabalho é reposicionada e alinhada, pronta para a próxima dobra.Se o ciclo de trabalho de 25% for excedido, eventualmente o ímã ficará muito quente e uma sobrecarga térmica será acionada.O ímã não será danificado, mas terá que esfriar por cerca de 30 minutos antes de ser usado novamente.
A experiência operacional com máquinas em campo mostrou que o ciclo de trabalho de 25% é bastante adequado para usuários típicos.De fato, alguns usuários solicitaram versões opcionais de alta potência da máquina que possuem mais força de fixação às custas de menos ciclo de trabalho.
Área de seção transversal da bobina
A área da seção transversal disponível para a bobina determinará a quantidade máxima de fio de cobre que pode ser instalada. A área disponível não deve ser maior do que o necessário, consistente com as voltas de ampères e a dissipação de energia exigidas.Fornecer mais espaço para a bobina inevitavelmente aumentará o tamanho do ímã e resultará em um comprimento de caminho de fluxo mais longo no aço (o que reduzirá o fluxo total).
O mesmo argumento implica que qualquer espaço de bobina fornecido no projeto deve estar sempre cheio de fio de cobre.Se não estiver cheio, significa que a geometria do ímã poderia ter sido melhor.
Força de aperto Magnabend:
O gráfico abaixo foi obtido por medições experimentais, mas concorda bastante com os cálculos teóricos.
A força de aperto pode ser calculada matematicamente a partir desta fórmula:
F = força em Newtons
B = densidade de fluxo magnético em Teslas
A = área dos postes em m2
µ0 = constante de permeabilidade magnética, (4π x 10-7)
Por exemplo, calcularemos a força de aperto para uma densidade de fluxo de 2 Tesla:
Assim F = ½ (2)2 A/µ0
Para uma força na unidade de área (pressão), podemos descartar o "A" na fórmula.
Assim Pressão = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Isso resulta em 1.590.000 N/m2.
Para converter isso em quilogramas força pode ser dividido por g (9,81).
Assim: Pressão = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Isso concorda muito bem com a força medida para uma lacuna zero mostrada no gráfico acima.
Este valor pode ser facilmente convertido em uma força de fixação total para uma determinada máquina, multiplicando-a pela área dos pólos da máquina.Para o modelo 1250E a área do pólo é 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Assim, a força total, zero-gap, seria (735 x 16,2) = 11.900 kg ou 11,9 toneladas;cerca de 9,5 toneladas por metro de comprimento do ímã.
A densidade de fluxo e a pressão de fixação estão diretamente relacionadas e são mostradas graficamente abaixo:
Força de aperto prática:
Na prática, esta alta força de fixação só é alcançada quando não é necessária(!), ou seja, ao dobrar peças de aço finas.Ao dobrar peças não ferrosas, a força será menor, conforme mostrado no gráfico acima, e (um pouco curiosamente), também é menor ao dobrar peças de aço grossas.Isso ocorre porque a força de fixação necessária para fazer uma curva acentuada é muito maior do que a necessária para uma curva de raio.Então, o que acontece é que, à medida que a dobra avança, a borda frontal da braçadeira se levanta levemente, permitindo que a peça de trabalho forme um raio.
O pequeno entreferro que se forma causa uma ligeira perda de força de fixação, mas a força necessária para formar a curvatura do raio caiu mais acentuadamente do que a força de fixação do ímã.Assim, uma situação estável resulta e o clampbar não solta.
O que está descrito acima é o modo de dobra quando a máquina está próxima de seu limite de espessura.Se uma peça de trabalho ainda mais grossa for tentada, é claro que a barra de fixação irá decolar.
Este diagrama sugere que, se a borda do nariz da braçadeira fosse um pouco arredondada, em vez de afiada, o entreferro para dobras grossas seria reduzido.
De fato, este é o caso e um Magnabend feito corretamente terá um grampo com uma borda arredondada.(Uma borda arredondada também é muito menos propensa a danos acidentais em comparação com uma borda afiada).
Modo marginal de falha de dobra:
Se for tentada uma dobra em uma peça de trabalho muito grossa, a máquina não conseguirá dobrá-la porque a barra de fixação simplesmente decolará.(Felizmente isso não acontece de forma dramática; o clampbar apenas solta silenciosamente).
No entanto, se a carga de flexão for apenas um pouco maior que a capacidade de flexão do ímã, geralmente o que acontece é que a curva prosseguirá para cerca de 60 graus e, em seguida, a barra de fixação começará a deslizar para trás.Neste modo de falha, o ímã só pode resistir à carga de flexão indiretamente, criando atrito entre a peça de trabalho e o leito do ímã.
A diferença de espessura entre uma falha devido à decolagem e uma falha devido ao deslizamento geralmente não é muito grande.
A falha de levantamento é devido à peça de trabalho alavancar a borda frontal do grampo de fixação para cima.A força de fixação na borda frontal da braçadeira é principalmente o que resiste a isso.A fixação na borda traseira tem pouco efeito porque fica perto de onde a barra de fixação está sendo girada.Na verdade, é apenas metade da força total de fixação que resiste à decolagem.
Por outro lado, o deslizamento é resistido pela força total de fixação, mas apenas por atrito, de modo que a resistência real depende do coeficiente de atrito entre a peça de trabalho e a superfície do ímã.
Para aço limpo e seco, o coeficiente de atrito pode ser tão alto quanto 0,8, mas se houver lubrificação, pode ser tão baixo quanto 0,2.Normalmente, estará em algum lugar no meio, de modo que o modo marginal de falha da dobra geralmente é devido ao deslizamento, mas as tentativas de aumentar o atrito na superfície do ímã não valem a pena.
Capacidade de espessura:
Para um corpo magnético tipo E com 98 mm de largura e 48 mm de profundidade e com uma bobina de 3.800 ampères de volta, a capacidade de curvatura total é de 1,6 mm.Esta espessura aplica-se tanto à chapa de aço como à chapa de alumínio.Haverá menos fixação na folha de alumínio, mas requer menos torque para dobrá-la, de modo que isso compensa de forma a fornecer capacidade de bitola semelhante para ambos os tipos de metal.
É preciso haver algumas ressalvas sobre a capacidade de flexão declarada: A principal delas é que a resistência ao escoamento da chapa metálica pode variar muito.A capacidade de 1,6 mm aplica-se ao aço com limite de escoamento de até 250 MPa e ao alumínio com limite de escoamento de até 140 MPa.
A capacidade de espessura em aço inoxidável é de cerca de 1,0 mm.Essa capacidade é significativamente menor do que para a maioria dos outros metais porque o aço inoxidável geralmente não é magnético e ainda tem uma tensão de escoamento razoavelmente alta.
Outro fator é a temperatura do ímã.Se o ímã ficar quente, a resistência da bobina será maior e isso, por sua vez, fará com que ela consuma menos corrente com conseqüentes amperes-espiras menores e menor força de fixação.(Esse efeito geralmente é bastante moderado e é improvável que faça com que a máquina não atenda às suas especificações).
Finalmente, Magnabends de maior capacidade poderiam ser feitos se a seção transversal do ímã fosse maior.