MAGNABEND – TEMELJNI PREMISLI OBLIKOVANJA
Osnovni dizajn magneta
Stroj Magnabend je zasnovan kot močan DC magnet z omejenim delovnim ciklom.
Stroj je sestavljen iz 3 osnovnih delov: -
Telo magneta, ki tvori osnovo stroja in vsebuje elektromagnetno tuljavo.
Vpenjalna palica, ki zagotavlja pot za magnetni tok med poloma magnetne osnove in s tem vpne obdelovanec iz pločevine.
Upogibni žarek, ki je zasučen na sprednji rob telesa magneta in zagotavlja sredstvo za uporabo upogibne sile na obdelovanec.
Konfiguracije magnetnega telesa
Za telo magneta so možne različne konfiguracije.
Tukaj sta 2, ki sta bila oba uporabljena za stroje Magnabend:
Črtkane rdeče črte na zgornjih risbah predstavljajo poti magnetnega toka.Upoštevajte, da ima zasnova "U-Type" eno pot pretoka (1 par polov), medtem ko ima zasnova "E-Type" 2 poti pretoka (2 para polov).
Primerjava konfiguracije magneta:
Konfiguracija tipa E je učinkovitejša od konfiguracije tipa U.
Če želite razumeti, zakaj je tako, si oglejte spodnji risbi.
Na levi je prerez magneta tipa U, na desni pa magnet tipa E, ki je bil izdelan s kombinacijo dveh istih U-tipov.Če vsako konfiguracijo magneta poganja tuljava z enakimi amperskimi zavoji, bo imel podvojeni magnet (tip E) dvakrat večjo vpenjalno silo.Prav tako porabi dvakrat več jekla, vendar skoraj nič več žice za tuljavo!(Ob predpostavki dolge tuljave).
(Majhna količina dodatne žice bi bila potrebna samo zato, ker sta dva kraka tuljave bolj narazen pri zasnovi "E", vendar ta dodatek postane nepomemben pri zasnovi dolge tuljave, kot se uporablja za Magnabend).
Super Magnabend:
Za izdelavo še močnejšega magneta je mogoče koncept "E" razširiti, kot je ta dvojna E konfiguracija:
3-D model:
Spodaj je 3-D risba, ki prikazuje osnovno razporeditev delov v magnetu tipa U:
V tej zasnovi sta sprednja in zadnja palica ločena dela in sta pritrjena z vijaki na del jedra.
Čeprav bi bilo načeloma mogoče obdelati telo magneta tipa U iz enega kosa jekla, potem tuljave ne bi bilo mogoče namestiti in bi jo bilo treba naviti in situ (na strojno obdelano telo magneta ).
V proizvodnih razmerah je zelo zaželeno, da lahko tuljave navijate ločeno (na posebnem ohišju).Tako zasnova tipa U učinkovito narekuje izdelano konstrukcijo.
Po drugi strani pa je zasnova tipa E primerna za ohišje magneta, ki je izdelano iz enega kosa jekla, saj se lahko po obdelavi ohišja magneta zlahka namesti vnaprej izdelana tuljava.Enodelno ohišje magneta se bolje obnese tudi magnetno, saj nima nobenih konstrukcijskih vrzeli, ki bi sicer nekoliko zmanjšale magnetni tok (in s tem vpenjalno silo).
(Večina Magnabendov, izdelanih po letu 1990, je uporabljala zasnovo tipa E).
Izbira materiala za izdelavo magneta
Telo magneta in objemka morata biti izdelana iz feromagnetnega (magnetnega) materiala.Jeklo je daleč najcenejši feromagnetni material in je očitna izbira.Vendar pa so na voljo različna posebna jekla, ki bi jih lahko upoštevali.
1) Silikonsko jeklo: jeklo z visoko upornostjo, ki je običajno na voljo v tankih laminatih in se uporablja v AC transformatorjih, AC magnetih, relejih itd. Njegove lastnosti niso potrebne za Magnabend, ki je enosmerni magnet.
2) Mehko železo: ta material bi pokazal nižji preostali magnetizem, kar bi bilo dobro za stroj Magnabend, vendar je fizično mehko, kar bi pomenilo, da bi se zlahka vdrl in poškodoval;problem preostalega magnetizma je bolje rešiti na drug način.
3) Lito železo: ni tako enostavno magnetizirano kot valjano jeklo, vendar bi ga lahko upoštevali.
4) Nerjaveče jeklo tipa 416: Ni ga mogoče magnetizirati tako močno kot jeklo in je veliko dražje (vendar je lahko koristno za tanko zaščitno površino na telesu magneta).
5) Nerjavno jeklo tipa 316: To je nemagnetna zlitina jekla in zato sploh ni primerna (razen kot v 4 zgoraj).
6) Srednje ogljikovo jeklo, tip K1045: ta material je izjemno primeren za izdelavo magneta (in drugih delov stroja).V stanju dobave je razmeroma trd in se tudi dobro obdeluje.
7) Srednje ogljikovo jeklo tipa CS1020: To jeklo ni tako trdo kot K1045, vendar je lažje dostopno in je zato lahko najbolj praktična izbira za izdelavo stroja Magnabend.
Upoštevajte, da so pomembne lastnosti, ki so potrebne:
Magnetizacija z visoko nasičenostjo.(Večina jeklenih zlitin se nasiči pri približno 2 tesli),
Razpoložljivost uporabnih velikosti odsekov,
Odpornost na naključne poškodbe,
Obdelovalnost in
Razumna cena.
Srednje ogljikovo jeklo dobro ustreza vsem tem zahtevam.Lahko se uporabi tudi nizkoogljično jeklo, vendar je manj odporno na naključne poškodbe.Obstajajo tudi druge posebne zlitine, kot je supermendur, ki imajo višjo magnetizacijo nasičenja, vendar jih zaradi zelo visokih stroškov v primerjavi z jeklom ne smemo upoštevati.
Srednje ogljikovo jeklo pa kaže nekaj preostalega magnetizma, ki je dovolj, da je nadloga.(Glejte razdelek o preostalem magnetizmu).
Tuljava
Tuljava je tisto, kar poganja magnetni tok skozi elektromagnet.Njegova magnetna sila je le produkt števila zavojev (N) in toka tuljave (I).Takole:
N = število zavojev
I = tok v navitjih.
Pojav "N" v zgornji formuli vodi v običajno napačno prepričanje.
Splošno se domneva, da bo povečanje števila zavojev povečalo silo magnetiziranja, vendar se to na splošno ne zgodi, ker dodatni zavoji zmanjšajo tudi tok I.
Razmislite o tuljavi, ki je napajana s fiksno enosmerno napetostjo.Če se število zavojev podvoji, se bo tudi upor navitij podvojil (v dolgi tuljavi) in tako se bo tok prepolovil.Neto učinek ni povečanje NI.
Kar resnično določa NI, je upor na zavoj.Tako je treba za povečanje NI povečati debelino žice.Vrednost dodatnih zavojev je v tem, da zmanjšajo tok in s tem odvajanje moči v tuljavi.
Oblikovalec se mora zavedati, da je merilnik žice tisto, kar resnično določa silo magnetiziranja tuljave.To je najpomembnejši parameter zasnove tuljave.
Izdelek NI se pogosto imenuje "amperski obrati" tuljave.
Koliko amperskih obratov je potrebnih?
Jeklo kaže nasičenost magnetizacije približno 2 tesle in to določa temeljno mejo, koliko sile vpenjanja je mogoče doseči.
Iz zgornjega grafa vidimo, da je poljska jakost, potrebna za pridobitev gostote pretoka 2 tesle, približno 20.000 amper-navojev na meter.
Zdaj, za tipično zasnovo Magnabend, je dolžina poti toka v jeklu približno 1/5 metra in bo zato zahtevala (20.000/5) AT za nasičenje, to je približno 4.000 AT.
Lepo bi bilo imeti veliko več amperskih zavojev od tega, da bi lahko magnetizacijo nasičenosti ohranili tudi, ko se v magnetno vezje vnesejo nemagnetne vrzeli (tj. obdelovanci iz barvnih kovin).Vendar pa je mogoče dodatne amperske zavoje pridobiti le z znatnimi stroški pri odvajanju moči ali stroških bakrene žice ali obojem.Zato je potreben kompromis.
Tipični modeli Magnabend imajo tuljavo, ki proizvede 3.800 amperskih obratov.
Upoštevajte, da ta številka ni odvisna od dolžine stroja.Če se enaka magnetna zasnova uporablja v razponu dolžin stroja, potem to narekuje, da bodo imeli daljši stroji manj zavojev debelejše žice.Črpali bodo več skupnega toka, vendar bodo imeli enak produkt amperov x obratov in bodo imeli enako vpenjalno silo (in enako odvajanje moči) na enoto dolžine.
Delovni cikel
Koncept delovnega cikla je zelo pomemben vidik zasnove elektromagneta.Če načrt predvideva več delovnega cikla, kot je potrebno, potem ni optimalno.Več delovnega cikla samo po sebi pomeni, da bo potrebno več bakrene žice (s posledično višjimi stroški) in/ali bo na voljo manj vpenjalne sile.
Opomba: Magnet z višjim delovnim ciklom bo imel manjšo disipacijo moči, kar pomeni, da bo porabil manj energije in bo tako cenejši za delovanje.Ker pa je magnet VKLOPLJEN le kratek čas, se stroški energije običajno štejejo za zelo majhnega pomena.Tako je načrtovalni pristop imeti čim več odvajanja moči, da se ne pregrejejo navitja tuljave.(Ta pristop je običajen za večino modelov elektromagnetov).
Magnabend je zasnovan za nazivni obratovalni cikel približno 25%.
Običajno traja le 2 ali 3 sekunde, da naredite ovinek.Magnet bo nato izklopljen za nadaljnjih 8 do 10 sekund, medtem ko se obdelovanec ponovno postavi in poravna, pripravljen za naslednji upogib.Če je 25-odstotni obratovalni cikel presežen, se bo magnet sčasoma pregrel in sprožila se bo toplotna preobremenitev.Magnet se ne bo poškodoval, vendar ga boste morali pustiti, da se ohladi približno 30 minut, preden ga ponovno uporabite.
Izkušnje delovanja s stroji na terenu so pokazale, da je 25-odstotni delovni cikel povsem primeren za tipične uporabnike.Pravzaprav so nekateri uporabniki zahtevali izbirne različice stroja z visoko močjo, ki imajo večjo vpenjalno silo na račun manjšega delovnega cikla.
Površina prečnega prereza tuljave
Površina prečnega prereza, ki je na voljo za tuljavo, bo določila največjo količino bakrene žice, ki jo je mogoče vgraditi. Razpoložljiva površina ne sme biti večja, kot je potrebna, skladno z zahtevanimi amperskimi zavoji in odvajanjem moči.Zagotavljanje več prostora za tuljavo bo neizogibno povečalo velikost magneta in povzročilo daljšo dolžino poti toka v jeklu (kar bo zmanjšalo skupni tok).
Isti argument pomeni, da ne glede na to, da je prostor tuljave predviden v zasnovi, mora biti vedno poln z bakreno žico.Če ni poln, pomeni, da bi lahko bila geometrija magneta boljša.
Magnabend vpenjalna sila:
Spodnji graf je bil pridobljen z eksperimentalnimi meritvami, vendar se dokaj dobro ujema s teoretičnimi izračuni.
Vpenjalno silo je mogoče matematično izračunati iz te formule:
F = sila v newtonih
B = gostota magnetnega pretoka v Tesla
A = površina drogov v m2
µ0 = konstanta magnetne permeabilnosti, (4π x 10-7)
Za primer bomo izračunali vpenjalno silo za gostoto pretoka 2 tesle:
Tako je F = ½ (2)2 A/µ0
Za silo na enoto površine (tlak) lahko spustimo "A" v formulo.
Tako je tlak = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
To doseže 1.590.000 N/m2.
Če želite to pretvoriti v silo v kilogramih, jo lahko delite z g (9,81).
Tako: Tlak = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
To se precej dobro ujema z izmerjeno silo za ničelno vrzel, prikazano na zgornjem grafu.
To številko je mogoče enostavno pretvoriti v skupno vpenjalno silo za dani stroj tako, da jo pomnožite s površino pola stroja.Za model 1250E je površina pola 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Tako bi bila skupna sila brez vrzeli (735 x 16,2) = 11.900 kg ali 11,9 tone;približno 9,5 tone na meter dolžine magneta.
Gostota pretoka in vpenjalni tlak sta neposredno povezana in sta prikazana na spodnjem grafu:
Praktična vpenjalna sila:
V praksi se ta visoka vpenjalna sila doseže le takrat, ko ni potrebna(!), to je pri upogibanju tankih jeklenih obdelovancev.Pri upogibanju obdelovancev iz barvnih kovin bo sila manjša, kot je prikazano na zgornjem grafu, in (malo radovedno) manjša tudi pri upogibanju debelih jeklenih obdelovancev.To je zato, ker je vpenjalna sila, potrebna za oster ovinek, veliko večja od tiste, ki je potrebna za upogib radija.Zgodi se torej, da se med upogibanjem sprednji rob spone rahlo dvigne in tako omogoči obdelovancu, da tvori polmer.
Majhna zračna reža, ki nastane, povzroči rahlo izgubo vpenjalne sile, vendar je sila, potrebna za oblikovanje polmera upogiba, padla močneje kot sila vpenjanja magneta.Tako nastane stabilna situacija in objemka se ne spusti.
Zgoraj je opisan način upogibanja, ko je stroj blizu meje debeline.Če poskusite še debelejši obdelovanec, se bo objemka seveda dvignila.
Ta diagram kaže, da bi se zmanjšala zračna reža za debelo upogibanje, če bi bil nosni rob vpenjalne palice nekoliko zaobljen in ne oster.
Dejansko je tako in pravilno izdelan Magnabend bo imel objemko s polmernim robom.(Razmerni rob je tudi veliko manj nagnjen k naključnim poškodbam v primerjavi z ostrim robom).
Mejni način napake pri upogibanju:
Če poskusite upogniti zelo debel obdelovanec, ga stroj ne bo upognil, ker se bo objemka preprosto dvignila.(Na srečo se to ne zgodi na dramatičen način; objemka se samo tiho spusti).
Če pa je upogibna obremenitev le nekoliko večja od upogibne zmogljivosti magneta, se na splošno zgodi, da bo upogib nadaljeval približno 60 stopinj, nato pa bo objemka začela drseti nazaj.V tem načinu okvare se magnet lahko upogiba upogibni obremenitvi le posredno s ustvarjanjem trenja med obdelovancem in ležiščem magneta.
Razlika v debelini med okvaro zaradi dviga in okvaro zaradi zdrsa na splošno ni velika.
Napaka pri dvigu je posledica vzvoda obdelovanca sprednjega roba objemke navzgor.Temu se upira predvsem vpenjalna sila na sprednjem robu objemke.Vpenjanje na zadnjem robu ima majhen učinek, ker je blizu mesta, kjer se objemka zasuka.Dejansko je le polovica celotne vpenjalne sile, ki se upira dvigu.
Po drugi strani se drsenju upira celotna vpenjalna sila, vendar le s trenjem, tako da je dejanski upor odvisen od koeficienta trenja med obdelovancem in površino magneta.
Za čisto in suho jeklo je lahko koeficient trenja celo 0,8, če pa je prisotno mazanje, pa je lahko tudi 0,2.Običajno je nekje vmes, tako da je mejni način okvare upogiba običajno posledica drsenja, vendar se je izkazalo, da poskusi povečanja trenja na površini magneta niso vredni.
Kapaciteta debeline:
Za ohišje magneta tipa E, široko 98 mm in globoko 48 mm ter s tuljavo 3.800 amperov, je zmogljivost upogibanja po celotni dolžini 1,6 mm.Ta debelina velja tako za jekleno pločevino kot za aluminijasto pločevino.Na aluminijasti pločevini bo manj vpenjanja, vendar je za njeno upogibanje potreben manj navora, tako da se to kompenzira na način, da zagotovi podobno zmogljivost merilnika za obe vrsti kovine.
Pri navedeni upogibni zmogljivosti je treba upoštevati nekaj opozoril: glavno je, da se meja tečenja pločevine lahko zelo razlikuje.Kapaciteta 1,6 mm velja za jeklo z mejo tečenja do 250 MPa in za aluminij z mejo tečenja do 140 MPa.
Kapaciteta debeline nerjavnega jekla je približno 1,0 mm.Ta zmogljivost je bistveno manjša kot pri večini drugih kovin, ker je nerjaveče jeklo običajno nemagnetno in ima kljub temu razmeroma visoko mejo tečenja.
Drugi dejavnik je temperatura magneta.Če pustimo, da se magnet segreje, bo upor tuljave višji, kar bo povzročilo, da bo črpala manj toka s posledičnimi nižjimi amperskimi obrati in nižjo vpenjalno silo.(Ta učinek je običajno precej zmeren in verjetno ne bo povzročil, da stroj ne bi izpolnjeval svojih specifikacij).
Končno bi lahko naredili Magnabends debelejše zmogljivosti, če bi bil presek magneta večji.