マグナベンド-基本的な設計上の考慮事項
基本的な磁石の設計
Magnabendマシンは、デューティサイクルが制限された強力なDCマグネットとして設計されています。
機械は3つの基本的な部品で構成されています：-
機械のベースを形成し、電磁石コイルを含む磁石本体。
マグネットベースの極間に磁束の経路を提供し、それによって板金ワークピースをクランプするクランプバー。
磁石本体の前端に旋回し、ワークに曲げ力を加える手段を提供する曲げビーム。
マグネットボディ構成
マグネット本体にはさまざまな構成が可能です。
両方ともマグナベンドマシンに使用されている2つは次のとおりです。
上の図の赤い破線は磁束経路を表しています。「Uタイプ」設計には単一の磁束経路（1対の極）があるのに対し、「Eタイプ」設計には2つの磁束経路（2対の極）があることに注意してください。
磁石構成の比較：
Eタイプの構成はUタイプの構成よりも効率的です。
これがなぜそうなのかを理解するために、以下の2つの図を検討してください。
左側はU型磁石の断面図、右側は同じU型を2つ組み合わせて作られたE型磁石です。各磁石構成が同じアンペアターンのコイルによって駆動される場合、明らかに2倍になった磁石（Eタイプ）には2倍のクランプ力があります。また、2倍の鋼を使用しますが、コイルにこれ以上ワイヤーを使用することはほとんどありません。（長いコイル設計を想定）。
（「E」設計ではコイルの2つの2つの脚がさらに離れているため、少量の余分なワイヤーが必要になりますが、マグナベンドで使用されるような長いコイル設計では、この余分なワイヤーは重要ではなくなります）。
スーパーマグナベンド：
さらに強力な磁石を構築するために、このダブルE構成のように「E」の概念を拡張できます。
3Dモデル：
以下は、U型磁石の部品の基本的な配置を示す3D図面です。
この設計では、フロントポールとリアポールは別々の部品であり、ボルトでコア部品に取り付けられています。
原則として、単一の鋼片からU型磁石本体を機械加工することは可能ですが、コイルを取り付けることは不可能であるため、コイルはその場で（機械加工された磁石本体に）巻かなければなりません。 ）。
生産状況では、コイルを別々に（特別なフォーマーで）巻くことができることが非常に望ましい。したがって、Uタイプの設計は、製造された構造を効果的に決定します。
一方、Eタイプの設計は、磁石本体を機械加工した後に事前に作成されたコイルを簡単に取り付けることができるため、単一の鋼片から機械加工された磁石本体に適しています。一体型の磁石本体は、磁束（したがってクランプ力）をわずかに低下させる構造上のギャップがないため、磁気的にも優れた性能を発揮します。
（1990年以降に製造されたほとんどのマグナベンドはEタイプのデザインを採用していました）。
磁石構造の材料の選択
磁石本体とクランプバーは、強磁性（磁化可能）材料でできている必要があります。鋼ははるかに安価な強磁性体であり、当然の選択です。ただし、考慮される可能性のあるさまざまな特殊鋼が利用可能です。
1）ケイ素鋼：通常、薄い積層で入手可能で、AC変圧器、AC磁石、リレーなどに使用される高抵抗鋼。その特性は、DC磁石であるマグナベンドには必要ありません。
2）軟鉄：この材料は残留磁性が低く、マグナベンドマシンには適していますが、物理的に柔らかいため、へこみや損傷が発生しやすくなります。残留磁気の問題を別の方法で解決することをお勧めします。
3）鋳鉄：圧延鋼ほど容易に磁化されませんが、考慮することができます。
4）ステンレス鋼タイプ416：鋼ほど強く磁化することはできず、はるかに高価です（ただし、磁石本体の薄い保護キャップ面には役立つ場合があります）。
5）ステンレス鋼タイプ316：これは鋼の非磁性合金であるため、まったく適していません（上記の4を除く）。
6）中炭素鋼、タイプK1045：この材料は、磁石（および機械の他の部品）の構造に非常に適しています。供給されたままの状態では適度に硬く、機械加工も良好です。
7）中炭素鋼タイプCS1020：この鋼はK1045ほど硬くはありませんが、入手が容易であるため、マグナベンドマシンの構築に最も実用的な選択肢となる可能性があります。
必要な重要なプロパティは次のとおりです。
高飽和磁化。（ほとんどの鋼合金は約2テスラで飽和します）、
有用なセクションサイズの可用性、
偶発的な損傷に対する耐性、
被削性、および
リーズナブルなコスト。
中炭素鋼はこれらすべての要件によく適合します。低炭素鋼も使用できますが、偶発的な損傷に対する耐性が低くなります。スーパーメンダーなど、飽和磁化が高い他の特殊合金もありますが、鋼に比べてコストが非常に高いため、考慮されません。
しかし、中炭素鋼は、厄介になるのに十分な残留磁性を示します。（残留磁気のセクションを参照してください）。
コイル
コイルは、電磁石を介して磁化磁束を駆動するものです。その磁化力は、巻数（N）とコイル電流（I）の積にすぎません。したがって：
N =ターン数
I =巻線の電流。
上記の式に「N」が現れると、よくある誤解が生じます。
巻数を増やすと磁化力が増すと広く考えられていますが、巻数を増やすと電流も減少するため、一般的には起こりません。
固定DC電圧が供給されるコイルを考えてみましょう。巻数が2倍になると、巻線の抵抗も2倍になり（長いコイルの場合）、電流が半分になります。正味の効果はNIの増加ではありません。
NIを実際に決定するのは、1回転あたりの抵抗です。したがって、NIを増やすには、ワイヤの太さを増やす必要があります。余分なターンの価値は、それらが電流を減らし、したがってコイルの電力損失を減らすことです。
設計者は、ワイヤーゲージがコイルの磁化力を実際に決定するものであることに注意する必要があります。これはコイル設計の最も重要なパラメータです。
NI製品は、コイルの「アンペアターン」と呼ばれることがよくあります。
アンペアターンは何回必要ですか？
鋼は約2テスラの飽和磁化を示し、これにより、取得できるクランプ力の基本的な制限が設定されます。
上のグラフから、2テスラの磁束密度を得るのに必要な電界強度は1メートルあたり約20,000アンペアターンであることがわかります。
現在、典型的なマグナベンド設計の場合、鋼の磁束経路の長さは1メートルの約1/5であるため、飽和を生成するには（20,000 / 5）AT、つまり約4,000ATが必要になります。
非磁性ギャップ（すなわち非鉄ワークピース）が磁気回路に導入された場合でも飽和磁化を維持できるように、これよりもはるかに多くのアンペアターンがあると便利です。ただし、余分なアンペアターンは、電力損失または銅線のコスト、あるいはその両方のかなりのコストでのみ得ることができます。したがって、妥協が必要です。
典型的なマグナベンドの設計には、3,800アンペアのターンを生成するコイルがあります。
この数値は、マシンの長さに依存しないことに注意してください。同じ磁気設計が機械の長さの範囲に適用される場合、それはより長い機械がより太いワイヤーのより少ない巻き数を持つことを指示します。それらはより多くの総電流を消費しますが、アンペアxターンの同じ積を持ち、長さの単位あたり同じクランプ力（および同じ電力損失）を持ちます。
デューティサイクル
デューティサイクルの概念は、電磁石の設計の非常に重要な側面です。設計が必要以上のデューティサイクルを提供する場合、それは最適ではありません。より多くのデューティサイクルは、本質的に、より多くの銅線が必要になることを意味し（その結果、コストが高くなります）、および/または利用可能なクランプ力が少なくなります。
注：デューティサイクルの高い磁石は、消費電力が少なくなります。つまり、使用するエネルギーが少なくなり、操作が安価になります。ただし、磁石が短時間だけオンになるため、通常、動作のエネルギーコストはほとんど重要ではないと見なされます。したがって、設計アプローチは、コイルの巻線を過熱しないという点で、できるだけ多くの電力損失を回避することです。（このアプローチは、ほとんどの電磁石設計に共通です）。
Magnabendは、約25％の公称デューティサイクル用に設計されています。
通常、曲がるのに2〜3秒しかかかりません。次に、ワークピースが再配置され、次の曲げに備えて位置合わせされる間、磁石はさらに8〜10秒間オフになります。25％のデューティサイクルを超えると、最終的に磁石が熱くなりすぎて、熱過負荷が発生します。磁石は損傷しませんが、再度使用する前に約30分間冷却する必要があります。
現場での機械の操作経験は、25％のデューティサイクルが一般的なユーザーにとって非常に適切であることを示しています。実際、一部のユーザーは、デューティサイクルが少なくなる代わりにクランプ力が大きいオプションの高出力バージョンのマシンを要求しています。
コイル断面積
コイルに使用できる断面積によって、取り付けることができる銅線の最大量が決まります。使用できる面積は、必要なアンペアターンと消費電力に合わせて、必要以上に大きくしないでください。コイルにより多くのスペースを提供すると、必然的に磁石のサイズが大きくなり、鋼の磁束経路の長さが長くなります（これにより総磁束が減少します）。
同じ議論は、設計で提供されるコイルスペースが何であれ、それは常に銅線で満たされているべきであることを意味します。それがいっぱいでない場合、それは磁石の形状がより良かった可能性があることを意味します。
マグナベンドクランプ力：
下のグラフは実験的な測定で得られたものですが、理論計算とかなりよく一致しています。
クランプ力は、次の式から数学的に計算できます。
F =ニュートン単位の力
B =テスラの磁束密度
A = m2単位の極の面積
µ0 =透磁率定数、（4πx10-7）
例として、2テスラの磁束密度に対するクランプ力を計算します。
したがって、F =½（2）2 A / µ0
単位面積（圧力）にかかる力については、式の「A」を削除できます。
したがって、圧力= 2 / µ0 = 2 /（4πx10-7）N / m2。
これは、1,590,000 N / m2になります。
これをキログラム力に変換するには、g（9.81）で割ることができます。
したがって、圧力= 162,080 kg / m2 = 16.2 kg / cm2です。
これは、上のグラフに示されているゼロギャップの測定された力とかなりよく一致しています。
この数値は、機械の極面積を掛けることにより、特定の機械の総クランプ力に簡単に変換できます。モデル1250Eの場合、極面積は125（1.4 + 3.0 + 1.5）= 735cm2です。
したがって、ゼロギャップの合計力は（735 x 16.2）= 11,900kgまたは11.9トンになります。磁石の長さ1メートルあたり約9.5トン。
磁束密度と型締圧力は直接関係しており、以下のグラフに示されています。
実用的なクランプ力：
実際には、この高い型締力は、必要のない場合（！）、つまり薄い鋼のワークピースを曲げる場合にのみ実現されます。非鉄のワークピースを曲げるときは、上のグラフに示すように力が小さくなり、（少し不思議なことに）厚い鋼のワークピースを曲げるときも力が小さくなります。これは、鋭い曲げを行うために必要なクランプ力が、半径方向の曲げに必要なクランプ力よりもはるかに高いためです。つまり、曲げが進むにつれて、クランプバーの前端がわずかに持ち上がり、ワークピースが半径を形成できるようになります。
形成される小さなエアギャップにより、クランプ力がわずかに失われますが、ラジアスベンドを形成するために必要な力は、磁石のクランプ力よりも急激に低下します。したがって、安定した状況が発生し、クランプバーが手放しません。
上記の説明は、機械が厚み限界に近づいたときの曲げモードです。さらに厚いワークピースを試してみると、もちろんクランプバーが浮き上がります。
この図は、クランプバーのノーズエッジが鋭利ではなく少し丸みを帯びている場合、厚い曲げのエアギャップが減少することを示しています。
確かにこれは事実であり、適切に作成されたマグナベンドには、丸みを帯びたエッジを持つクランプバーがあります。（丸みを帯びたエッジは、鋭いエッジと比較して、偶発的な損傷を受けにくいです）。
曲げ破損の限界モード：
非常に厚いワークピースを曲げようとすると、クランプバーが単に浮き上がるため、マシンはそれを曲げることができません。（幸いなことに、これは劇的な方法では発生しません。クランプバーは静かに移動します）。
ただし、曲げ荷重が磁石の曲げ能力よりわずかに大きい場合、一般的に何が起こるかというと、曲げは約60度に進み、クランプバーは後方にスライドし始めます。この故障モードでは、磁石は、ワークピースと磁石のベッドの間に摩擦を生じさせることによって間接的に曲げ荷重に抵抗することしかできません。
揚力による破損と滑りによる破損の厚さの差は、一般的にそれほど大きくありません。
リフトオフの失敗は、ワークピースがクランプバーの前端を上向きにレバーしていることが原因です。クランプバーの前端のクランプ力は、主にこれに抵抗するものです。後端でのクランプは、クランプバーが回転している場所に近いため、ほとんど効果がありません。実際、リフトオフに抵抗するのは、総クランプ力の半分にすぎません。
一方、スライドは全体のクランプ力によって抵抗されますが、摩擦によってのみ抵抗されるため、実際の抵抗はワークピースと磁石の表面との間の摩擦係数に依存します。
清潔で乾燥した鋼の場合、摩擦係数は0.8まで高くなる可能性がありますが、潤滑が存在する場合は0.2まで低くなる可能性があります。通常、曲げ破壊の限界モードは通常スライドによるものですが、磁石の表面の摩擦を増加させようとする試みは価値がないことがわかっています。
厚さ容量：
幅98mm、深さ48mm、3,800アンペアターンコイルのEタイプマグネットボディの場合、全長曲げ能力は1.6mmです。この厚さは、鋼板とアルミニウムシートの両方に適用されます。アルミニウムシートのクランプは少なくなりますが、曲げるのに必要なトルクが少なくなるため、両方のタイプの金属で同様のゲージ容量が得られるように補正されます。
記載されている曲げ能力にはいくつかの注意点があります。主な注意点は、板金の降伏強度が大きく異なる可能性があることです。1.6mmの容量は、降伏応力が最大250 MPaの鋼と、降伏応力が最大140MPaのアルミニウムに適用されます。
ステンレス鋼の厚さ容量は約1.0mmです。ステンレス鋼は通常非磁性でありながら、適度に高い降伏応力があるため、この容量は他のほとんどの金属よりも大幅に低くなります。
もう1つの要因は磁石の温度です。磁石が熱くなるのを許された場合、コイルの抵抗はより高くなり、これは次に、より少ない電流を引き込み、その結果、より低いアンペアターンとより低いクランプ力をもたらします。（この影響は通常非常に中程度であり、マシンが仕様を満たさなくなる可能性はほとんどありません）。
最後に、磁石の断面積を大きくすると、より厚い容量のマグナベンドを作成できます。