MAGNABEND – PÕHJUSLIKUD DISAINKAALUSED
Magneti põhidisain
Magnabendi masin on konstrueeritud piiratud töötsükliga võimsa alalisvoolumagnetina.
Masin koosneb kolmest põhiosast: -
Magnetkorpus, mis moodustab masina aluse ja sisaldab elektromagneti mähist.
Klambervarras, mis tagab magnetvoo jaoks tee magneti aluse pooluste vahel ja kinnitab seeläbi lehtmetalli tooriku.
Painutustala, mis on pööratud magneti korpuse esiserva ja annab vahendi paindejõu rakendamiseks toorikule.
Magnet-kere konfiguratsioonid
Magneti korpuse jaoks on võimalikud erinevad konfiguratsioonid.
Siin on kaks, mida mõlemat on Magnabendi masinate jaoks kasutatud:
Punased katkendlikud jooned ülaltoodud joonistel tähistavad magnetvoo radasid.Pange tähele, et "U-tüüpi" konstruktsioonil on üks voo rada (1 paar poolusi), samas kui "E-tüüpi" konstruktsioonil on 2 voo rada (2 paari poolusi).
Magneti konfiguratsiooni võrdlus:
E-tüüpi konfiguratsioon on tõhusam kui U-tüüpi konfiguratsioon.
Et mõista, miks see nii on, vaadake kahte allolevat joonist.
Vasakul on ristlõige U-tüüpi magnetist ja paremal E-tüüpi magnet, mis on valmistatud 2 sama U-tüüpi magneti kombineerimisel.Kui iga magneti konfiguratsiooni juhib sama ampripöördega mähis, on kahekordselt suurendatud magnetil (E-tüüp) selgelt kaks korda suurem kinnitusjõud.See kasutab ka kaks korda rohkem terast, kuid peaaegu enam traati mähise jaoks!(Eeldades, et mähis on pikk).
(Väike kogus lisatraati oleks vaja ainult seetõttu, et mähise kaks jalga on E-disaini puhul teineteisest kaugemal, kuid pika mähise puhul, nagu Magnabendi puhul, muutub see lisand tähtsusetuks).
Super Magnabend:
Veelgi võimsama magneti loomiseks saab "E" kontseptsiooni laiendada, näiteks seda topelt-E konfiguratsiooni:
3-D mudel:
Allpool on 3-D joonis, mis näitab osade põhilist paigutust U-tüüpi magnetis:
Selle konstruktsiooni puhul on esi- ja tagapoolused eraldi osad ja kinnitatud poltidega südamiku külge.
Kuigi põhimõtteliselt oleks U-tüüpi magneti korpust võimalik töödelda ka ühest terasest, poleks siis võimalik mähist paigaldada ja seega tuleks mähis kerida kohapeal (töödeldud magneti korpusele ).
Tootmisolukorras on väga soovitav pooli eraldi kerida (spetsiaalsel formaatoril).Seega dikteerib U-tüüpi konstruktsioon tõhusalt valmistatud konstruktsiooni.
Teisest küljest sobib E-tüüpi disain hästi ühest terasest valmistatud magnetkorpuse jaoks, kuna eelnevalt valmistatud mähise saab hõlpsasti paigaldada pärast magneti korpuse töötlemist.Üheosaline magnetkorpus toimib ka paremini magnetiliselt, kuna sellel ei ole konstruktsioonivahesid, mis muidu magnetvoogu (ja seega ka kinnitusjõudu) pisut vähendaksid.
(Enamik pärast 1990. aastat valmistatud Magnabende kasutas E-tüüpi disaini).
Materjali valik magneti ehitamiseks
Magneti korpus ja klambrivarras peavad olema valmistatud ferromagnetilisest (magnetiseeritavast) materjalist.Teras on vaieldamatult odavaim ferromagnetiline materjal ja see on ilmselge valik.Siiski on saadaval mitmesuguseid spetsiaalseid teraseid, mida võiks kaaluda.
1) Silicon Steel: suure takistusega teras, mis on tavaliselt saadaval õhukeste laminaatidena ja mida kasutatakse vahelduvvoolutrafodes, vahelduvvoolumagnetites, releedes jne. Selle omadusi ei nõuta Magnabendi puhul, mis on alalisvoolumagnet.
2) Pehme raud: sellel materjalil oleks madalam jääkmagnetism, mis oleks hea Magnabendi masina jaoks, kuid see on füüsiliselt pehme, mis tähendab, et see oleks kergesti mõlgitud ja kahjustatud;parem on jääkmagnetismi probleem lahendada muul viisil.
3) Malm: mitte nii kergesti magnetiseeritav kui valtsitud teras, kuid seda võiks kaaluda.
4) Roostevaba teras, tüüp 416: ei saa magnetiseerida nii tugevalt kui terast ja see on palju kallim (kuid võib olla kasulik magneti korpuse õhukese kaitsekatte jaoks).
5) Roostevaba teras, tüüp 316: see on mittemagnetiline terase sulam ja seetõttu ei sobi see üldse (välja arvatud ülaltoodud punktis 4).
6) Keskmine süsinikteras, tüüp K1045: see materjal sobib suurepäraselt magneti (ja muude masinaosade) ehitamiseks.See on tarnitud seisukorras suhteliselt kõva ja töötab ka hästi.
7) Keskmine süsinikterasest CS1020 tüüp: see teras ei ole nii kõva kui K1045, kuid see on hõlpsamini kättesaadav ja seega võib see olla Magnabendi masina ehitamiseks kõige praktilisem valik.
Pange tähele, et vajalikud olulised omadused on järgmised:
Kõrge küllastusega magnetiseerimine.(Enamik terasesulamid küllastuvad umbes 2 Tesla juures)
Kasulike sektsioonide suuruste olemasolu,
Vastupidavus juhuslikele kahjustustele,
Töödeldavus ja
Mõistlik kulu.
Keskmise süsinikusisaldusega teras vastab kõigile neile nõuetele.Võib kasutada ka madala süsinikusisaldusega terast, kuid see on juhuslike kahjustuste suhtes vähem vastupidav.On ka teisi spetsiaalseid sulameid, nagu supermendur, millel on suurem küllastusmagnetiseeritus, kuid neid ei tasu arvesse võtta, kuna need on terasega võrreldes väga kallid.
Keskmise süsinikusisaldusega terasel on siiski mõningane jääkmagnetism, mis on häirimiseks piisav.(Vt jaotist Jääkmagnetism).
Mähis
Mähis on see, mis juhib magnetiseerivat voogu läbi elektromagneti.Selle magnetiseerimisjõud on lihtsalt keerdude arvu (N) ja pooli voolu (I) korrutis.Seega:
N = pöörete arv
I = vool mähistes.
"N" ilmumine ülaltoodud valemis põhjustab levinud eksiarvamust.
Üldiselt arvatakse, et pöörete arvu suurendamine suurendab magnetiseerimisjõudu, kuid üldiselt seda ei juhtu, kuna lisapöörded vähendavad ka voolu, I.
Mõelge fikseeritud alalispingega varustatud mähisele.Kui pöörete arv kahekordistada, siis kahekordistub ka mähiste takistus (pikas mähises) ja seega väheneb vool poole võrra.Netomõju ei ole NI suurenemine.
Mis tegelikult määrab NI, on takistus pöörde kohta.Seega tuleb NI suurendamiseks suurendada traadi paksust.Lisapöörete väärtus seisneb selles, et need vähendavad voolu ja seega ka võimsuse hajumist mähises.
Disainer peaks meeles pidama, et traadimõõtur määrab tegelikult mähise magnetiseerimisjõu.See on mähise disaini kõige olulisem parameeter.
NI toodet nimetatakse sageli mähise "ampripöördeks".
Mitu ampri pööret on vaja?
Terase küllastusmagnetisatsioon on umbes 2 Teslat ja see seab põhimõttelise piiri, kui suure kinnitusjõu saab saavutada.
Ülaltoodud graafikult näeme, et 2 Tesla vootiheduse saamiseks vajalik väljatugevus on umbes 20 000 amperpööret meetri kohta.
Nüüd on tüüpilise Magnabendi konstruktsiooni puhul voo tee pikkus terases umbes 1/5 meetrit ja seetõttu on küllastuse tekitamiseks vaja (20 000/5) AT, st umbes 4000 AT.
Hea oleks, kui ampripöördeid oleks palju rohkem, et küllastusmagnetiseeritus säiliks ka siis, kui magnetahelasse sisestatakse mittemagnetilised tühimikud (st värvilistest metallidest toorikud).Täiendavaid ampripöördeid saab aga saavutada ainult märkimisväärse kuluga võimsuse hajumisel või vasktraadi maksumusel või mõlemal.Seega on vaja kompromissi.
Tüüpilistel Magnabendi konstruktsioonidel on mähis, mis toodab 3800 ampriseid pööreid.
Pange tähele, et see arv ei sõltu masina pikkusest.Kui sama magnetilist disaini rakendatakse erinevatele masina pikkustele, tähendab see, et pikematel masinatel on vähem paksema traadi keerdu.Nad võtavad rohkem koguvoolu, kuid neil on sama amprite x pöörete korrutis ja neil on sama kinnitusjõud (ja sama võimsuse hajumine) pikkusühiku kohta.
Töötsükkel
Töötsükli kontseptsioon on elektromagneti disaini väga oluline aspekt.Kui konstruktsioon näeb ette vajalikust suurema töötsükli, pole see optimaalne.Suurem töötsükkel tähendab oma olemuselt seda, et vaja on rohkem vasktraati (millega kaasnevad ka suuremad kulud) ja/või saadaval on väiksem kinnitusjõud.
Märkus. Kõrgema töötsükliga magnetil on väiksem võimsuse hajumine, mis tähendab, et see kasutab vähem energiat ja on seega odavam kasutada.Kuna aga magnet on SISSE lülitatud vaid lühikest aega, peetakse töö energiakulu tavaliselt väga väikeseks.Seega on disainilahenduse eesmärk saavutada nii palju võimsuse hajumist, kui võimalik, et vältida mähise mähiste ülekuumenemist.(See lähenemine on tavaline enamiku elektromagnetilahenduste puhul).
Magnabend on mõeldud umbes 25% nominaalseks töötsükliks.
Tavaliselt kulub kurvi tegemiseks vaid 2 või 3 sekundit.Magnet on seejärel veel 8–10 sekundit välja lülitatud, kuni töödeldav detail on ümber paigutatud ja järgmiseks painutamiseks valmis.Kui 25% töötsükkel on ületatud, läheb magnet lõpuks liiga kuumaks ja termiline ülekoormus rakendub.Magnet ei saa kahjustada, kuid enne uuesti kasutamist tuleb sellel lasta umbes 30 minutit jahtuda.
Töökogemus masinatega kohapeal on näidanud, et 25% töötsükkel on tavakasutajatele üsna piisav.Tegelikult on mõned kasutajad soovinud masina valikulisi suure võimsusega versioone, millel on suurem kinnitusjõud väiksema töötsükli arvelt.
Pooli ristlõikepindala
Mähise jaoks saadaolev ristlõikepindala määrab vasktraadi maksimaalse koguse, mida saab paigaldada. Saadaolev pindala ei tohiks olla suurem, kui on vaja, mis on kooskõlas nõutavate ampripöörde ja võimsuse hajumisega.Mähisele rohkem ruumi jätmine suurendab paratamatult magneti suurust ja toob kaasa pikema voo tee pikkuse terases (mis vähendab kogu voogu).
Sama argument viitab sellele, et olenemata konstruktsioonis ette nähtud mähise ruumist peaks see alati olema täis vasktraati.Kui see pole täis, tähendab see, et magneti geomeetria oleks võinud olla parem.
Magnabendi kinnitusjõud:
Allolev graafik on saadud eksperimentaalsete mõõtmistega, kuid ühtib üsna hästi teoreetiliste arvutustega.
Kinnitusjõu saab matemaatiliselt arvutada järgmise valemi järgi:
F = jõud njuutonites
B = magnetvoo tihedus Teslas
A = pooluste pindala m2
µ0 = magnetilise läbilaskvuse konstant, (4π x 10-7)
Näiteks arvutame kinnitusjõu voolutiheduse 2 Tesla korral:
Seega F = ½ (2)2 A/µ0
Pindalaühikule (rõhule) mõjuva jõu puhul võime valemis tähe "A" langetada.
Seega rõhk = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
See on 1 590 000 N/m2.
Selle teisendamiseks kilogrammideks jõuks saab selle jagada g-ga (9,81).
Seega: Rõhk = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
See sobib üsna hästi ülaltoodud graafikul näidatud nullvahe jaoks mõõdetud jõuga.
Seda arvu saab hõlpsasti teisendada antud masina kogu kinnitusjõuks, korrutades selle masina pooluse pindalaga.Mudelil 1250E on posti pindala 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Seega oleks null-vahega kogujõud (735 x 16,2) = 11 900 kg või 11,9 tonni;umbes 9,5 tonni magneti pikkuse meetri kohta.
Voolutihedus ja kinnitusrõhk on otseselt seotud ja on näidatud alloleval graafikul:
Praktiline kinnitusjõud:
Praktikas saavutatakse see suur kinnitusjõud ainult siis, kui seda pole vaja(!), st õhukeste terastoorikute painutamisel.Värviliste toorikute painutamisel on jõud väiksem, nagu on näidatud ülaltoodud graafikul, ja (veidi uudishimulikult) on see väiksem ka paksude terasest detailide painutamisel.Seda seetõttu, et järsu kurvi tegemiseks vajalik kinnitusjõud on palju suurem kui raadiusega painde jaoks vajalik.Mis juhtub, on see, et painde edenedes tõuseb klambri esiserv veidi ülespoole, võimaldades töödeldaval detailil moodustada raadius.
Tekkiv väike õhupilu põhjustab kinnitusjõu vähese kaotuse, kuid raadiuse painde moodustamiseks vajalik jõud on langenud järsemalt kui magneti kinnitusjõud.Nii on tulemuseks stabiilne olukord ja klamber ei lase lahti.
Eespool on kirjeldatud painderežiimi, kui masin on oma paksuse piiri lähedal.Kui proovite kasutada veelgi paksemat detaili, siis loomulikult tõuseb kinnitusklamber maha.
See diagramm viitab sellele, et kui klambertala nina serv oleks veidi raadiuses, mitte terav, väheneks õhuvahe paksuks painutamiseks.
Tõepoolest, see on nii ja korralikult valmistatud Magnabendil on raadiuse servaga klamber.(Ka raadiusega serv on palju vähem altid juhuslikele kahjustustele kui terav serv).
Painde tõrke piirrežiim:
Kui väga paksu töödeldavat detaili üritatakse painutada, ei suuda masin seda painutada, sest klambrilatt tõuseb lihtsalt ära.(Õnneks ei juhtu see dramaatiliselt, klamber lihtsalt laseb vaikselt lahti).
Kui aga paindekoormus on ainult veidi suurem kui magneti paindevõime, siis üldiselt juhtub see, et painutus liigub umbes 60 kraadini ja seejärel hakkab klamber tagurpidi libisema.Selles rikkerežiimis suudab magnet paindekoormusele vastu seista ainult kaudselt, tekitades töödeldava detaili ja magneti aluse vahel hõõrdumist.
Tõstmisest tingitud rikke ja libisemisest tingitud rikke paksuse erinevus ei ole üldiselt väga suur.
Tõstetõrge on tingitud sellest, et toorik liigutab klambri esiserva ülespoole.Peamiselt takistab seda kinnitusjõud klambri esiservas.Tagumise serva kinnitusel on vähe mõju, kuna see on klambritala pöördekoha lähedal.Tegelikult on see ainult pool kogu kinnitusjõust, mis takistab tõstmist.
Teisest küljest takistab libisemist kogu kinnitusjõud, kuid ainult hõõrdumise tõttu, nii et tegelik takistus sõltub töödeldava detaili ja magneti pinna vahelisest hõõrdetegurist.
Puhta ja kuiva terase hõõrdetegur võib ulatuda 0,8-ni, kuid määrimise korral võib see olla kuni 0,2.Tavaliselt on see kuskil vahepeal, nii et painde rikke marginaalne režiim on tavaliselt tingitud libisemisest, kuid on leitud, et katsed suurendada hõõrdumist magneti pinnal ei ole kasulikud.
Paksuse mahutavus:
98 mm laiuse ja 48 mm sügavusega E-tüüpi magnetkorpuse ning 3800 amprise pöördega mähisega täispikkuses paindevõime on 1,6 mm.See paksus kehtib nii teraslehe kui ka alumiiniumlehe kohta.Alumiiniumplekk on vähem kinnitatud, kuid selle painutamiseks on vaja vähem pöördemomenti, nii et see kompenseerib nii, et mõlemat tüüpi metallide puhul on sama mõõtevõime.
Kinnitatud paindevõime osas peavad olema mõned hoiatused: Peamine neist on see, et lehtmetalli voolavuspiir võib olla väga erinev.1,6 mm mahutavus kehtib terasele, mille voolavuspiir on kuni 250 MPa ja alumiiniumile, mille voolavuspiir on kuni 140 MPa.
Roostevaba terase paksus on umbes 1,0 mm.See võimsus on oluliselt väiksem kui enamiku teiste metallide puhul, kuna roostevaba teras on tavaliselt mittemagnetiline ja sellel on siiski suhteliselt kõrge voolavuspiir.
Teine tegur on magneti temperatuur.Kui magnetil on lastud kuumeneda, on mähise takistus suurem ja see omakorda põhjustab selle väiksema vooluhulga ning sellest tulenevalt väiksema ampripöörde ja väiksema kinnitusjõu.(See mõju on tavaliselt üsna mõõdukas ja tõenäoliselt ei põhjusta masin oma tehnilistele nõuetele).
Lõpuks saaks teha ka paksema võimsusega Magnabende, kui magneti ristlõige oleks suurem.