MAGNABEND - ФУНДАМЕНТАЛНИ РАЗГЛЕДИ ЗА ДИЗАЈН
Основен дизајн на магнети
Машината Magnabend е дизајнирана како моќен DC магнет со ограничен циклус на работа.
Машината се состои од 3 основни делови:-
Телото на магнет кое ја формира основата на машината и го содржи електромагнетниот калем.
Стегачката шипка која обезбедува патека за магнетен флукс помеѓу половите на основата на магнет, и со тоа го затегнува работното парче од лим.
Зракот за свиткување кој е свртен кон предниот раб на телото на магнетот и обезбедува средство за примена на сила на свиткување на работното парче.
Конфигурации на магнети-тело
Различни конфигурации се можни за телото на магнетот.
Еве 2 кои се користени за машините Magnabend:
Испрекинати црвени линии на цртежите погоре ги претставуваат патеките на магнетниот тек.Забележете дека дизајнот „U-Type“ има една патека на флукс (1 пар столбови), додека дизајнот „E-Type“ има 2 патеки на флукс (2 пара столбови).
Споредба на конфигурација на магнети:
Конфигурацијата од типот Е е поефикасна од конфигурацијата од типот U.
За да разберете зошто е тоа така, разгледајте ги двата цртежи подолу.
Лево е пресек на магнет од типот U, а десно е магнет од типот Е кој е направен со комбинирање на 2 исти U-типови.Ако секоја конфигурација на магнет е управувана од калем со исти амперски вртења, тогаш јасно е дека двојно зголемениот магнет (тип Е) ќе има двојно поголема сила на стегање.Исто така користи двојно повеќе челик, но тешко дека повеќе жица за серпентина!(Претпоставувајќи долг дизајн на намотка).
(Малата количина дополнителна жица би била потребна само затоа што 2-те две крака на серпентина се подалеку оддалечени во дизајнот „Е“, но ова дополнително станува незначително во дизајнот на долги намотки како што се користи за Magnabend).
Супер Магнабенд:
За да се изгради уште помоќен магнет, концептот „Е“ може да се прошири како што е оваа конфигурација двојно-Е:
3-Д модел:
Подолу е 3-Д цртеж кој го прикажува основниот распоред на делови во магнет од типот U:
Во овој дизајн, предните и задните столбови се посебни делови и се прикачени со завртки на делот од јадрото.
Иако во принцип, би било можно да се обработи магнетно тело од типот U од едно парче челик, тогаш не би било можно да се инсталира серпентина и на тој начин серпентина би морала да се намотува на самото место (на машинското тело на магнет ).
Во производствена ситуација, многу е пожелно да може да се намотуваат намотките одделно (на специјален поранешен).Така, дизајнот од типот U ефективно диктира фабрикувана конструкција.
Од друга страна, дизајнот од типот Е е добро прилагоден на тело со магнет изработено од едно парче челик бидејќи претходно направен калем лесно може да се инсталира откако телото на магнетот ќе се обработи.Едноделното магнетно тело исто така функционира подобро магнетски бидејќи нема никакви конструктивни празнини што инаку би го намалиле малку магнетниот тек (а со тоа и силата на стегање).
(Повеќето Magnabends направени по 1990 година го користеа дизајнот од типот Е).
Избор на материјал за магнетна конструкција
Телото на магнетот и стегачот мора да бидат направени од феромагнетен (магнетизиран) материјал.Челикот е убедливо најевтиниот феромагнетен материјал и е очигледен избор.Сепак, достапни се различни специјални челици кои може да се земат предвид.
1) Силиконски челик: Челик со висока отпорност кој обично е достапен во тенки ламинации и се користи во AC трансформатори, AC магнети, релеи итн. Неговите својства не се потребни за Magnabend кој е DC магнет.
2) Меко железо: овој материјал би покажал помал резидуален магнетизам што би било добро за машината Magnabend, но е физички мек што би значело дека лесно би се навлекол и оштетува;подобро е да се реши проблемот со резидуалниот магнетизам на друг начин.
3) Леано железо: Не се магнетизира толку лесно како валани челик, но може да се земе предвид.
4) Не'рѓосувачки челик Тип 416: Не може да се магнетизира толку силно како челикот и е многу поскап (но може да биде корисен за тенка заштитна покривна површина на телото на магнетот).
5) Не'рѓосувачки челик тип 316: Ова е немагнетна легура на челик и затоа воопшто не е погодна (освен како во 4 погоре).
6) Среден јаглероден челик, тип K1045: Овој материјал е еминентно погоден за конструкција на магнетот (и други делови од машината).Разумно е тешко во снабдената состојба и исто така добро се маши.
7) Среден јаглероден челик тип CS1020 : Овој челик не е толку тврд како K1045, но е полесно достапен и затоа може да биде најпрактичниот избор за конструкција на машината Magnabend.
Забележете дека важните својства што се потребни се:
Магнетизација со висока сатурација.(Повеќето легури на челик се заситуваат на околу 2 Тесла),
Достапност на корисни големини на делови,
Отпорност на случајно оштетување,
Обработливост, и
Разумна цена.
Среден јаглероден челик добро одговара на сите овие барања.Може да се користи и нискојаглероден челик, но тој е помалку отпорен на случајно оштетување.Исто така, постојат и други специјални легури, како што е супермендур, кои имаат поголема магнетизација на сатурација, но тие не треба да се земат предвид поради нивната многу висока цена во споредба со челикот.
Сепак, среден јаглероден челик покажува одреден остаток на магнетизам што е доволно за да биде непријатност.(Види дел за преостанат магнетизам).
Намотката
Намотката е она што го движи магнетизирачкиот флукс низ електромагнетот.Неговата сила на магнетизирање е само производ на бројот на вртења (N) и струјата на серпентина (I).Така:
N = број на вртења
I = струја во намотките.
Појавата на „N“ во горната формула доведува до вообичаена заблуда.
Широко се претпоставува дека зголемувањето на бројот на вртења ќе ја зголеми силата на магнетизирање, но генерално тоа не се случува бидејќи дополнителните вртења исто така ја намалуваат струјата, I.
Размислете за серпентина снабдена со фиксен DC напон.Ако бројот на вртења се удвои, тогаш отпорот на намотките исто така ќе се удвои (во долга намотка) и на тој начин струјата ќе се преполови.Нето ефектот не е зголемување на НИ.
Она што навистина го одредува НИ е отпорот по вртење.Така, за да се зголеми НИ, дебелината на жицата мора да се зголеми.Вредноста на дополнителните вртења е тоа што тие навистина ја намалуваат струјата, а со тоа и дисипацијата на моќноста во серпентина.
Дизајнерот треба да има предвид дека мерачот на жица е она што навистина ја одредува силата на магнетизирање на серпентина.Ова е најважниот параметар на дизајнот на серпентина.
Производот NI често се нарекува „амперски вртења“ на серпентина.
Колку вртења во ампер се потребни?
Челикот покажува заситена магнетизација од околу 2 Тесла и тоа поставува основна граница за тоа колку сила на стегање може да се добие.
Од горниот графикон гледаме дека јачината на полето потребна за да се добие густина на флукс од 2 Тесла е околу 20.000 ампер-вртења на метар.
Сега, за типичен дизајн на Magnabend, должината на патеката на флуксот во челикот е околу 1/5 од метар и затоа ќе бара (20.000/5) AT за да произведе заситеност, што е околу 4.000 AT.
Би било убаво да има многу повеќе амперски вртења од ова, така што магнетизацијата на заситеноста би можела да се одржува дури и кога немагнетни празнини (т.е. обоени работни парчиња) се внесуваат во магнетното коло.Како и да е, дополнителни амперски вртења може да се добијат само со значителни трошоци за дисипација на енергија или цена на бакарна жица, или и двете.Затоа е потребен компромис.
Типичните дизајни на Magnabend имаат калем што произведува 3.800 амперски вртења.
Имајте предвид дека оваа бројка не зависи од должината на машината.Ако истиот магнетен дизајн се примени во опсег на должини на машината, тогаш тоа диктира дека подолгите машини ќе имаат помалку вртења на подебела жица.Тие ќе повлечат повеќе вкупна струја, но ќе имаат ист производ на засилувачи x вртења и ќе имаат иста сила на стегање (и иста дисипација на моќноста) по единица должина.
Циклус на должност
Концептот на работниот циклус е многу важен аспект на дизајнот на електромагнетот.Ако дизајнот предвидува повеќе работни циклуси отколку што е потребно, тогаш тој не е оптимален.Повеќе работни циклуси инхерентно значи дека ќе биде потребна повеќе бакарна жица (со последователна повисока цена) и/или ќе има помала на располагање сила за стегање.
Забелешка: Магнетот со поголем работен циклус ќе има помала дисипација на енергија што значи дека ќе троши помалку енергија и со тоа ќе биде поевтин за работа.Меѓутоа, бидејќи магнетот е вклучен само за кратки периоди, тогаш трошокот за енергија при работа обично се смета за многу мало значење.Така, дизајнерскиот пристап е да имате онолку дисипација на енергија колку што можете да се извлечете во смисла да не се прегреваат намотките на серпентина.(Овој пристап е заеднички за повеќето дизајни на електромагнети).
Magnabend е дизајниран за номинален работен циклус од околу 25%.
Вообичаено, потребни се само 2 или 3 секунди за да се направи свиок.Магнетот потоа ќе биде исклучен уште 8 до 10 секунди додека работното парче е повторно поставено и порамнето подготвено за следниот свиок.Ако се надмине работниот циклус од 25%, на крајот магнетот ќе се загрее премногу и термичкото преоптоварување ќе се прекине.Магнетот нема да се оштети, но ќе треба да се остави да се олади околу 30 минути пред повторно да се користи.
Оперативното искуство со машините на терен покажа дека работниот циклус од 25% е сосема соодветен за типични корисници.Всушност, некои корисници побараа опционални верзии со висока моќност на машината кои имаат поголема сила на стегање на сметка на помалиот циклус на работа.
Површина на пресек на калем
Површината на напречниот пресек што е достапна за серпентина ќе ја одреди максималната количина на бакарна жица во која може да се вгради.Обезбедувањето повеќе простор за серпентина неизбежно ќе ја зголеми големината на магнетот и ќе резултира со подолга должина на патеката на флуксот во челикот (што ќе го намали вкупниот флукс).
Истиот аргумент имплицира дека каков и да е простор за намотка е предвиден во дизајнот, тој секогаш треба да биде полн со бакарна жица.Ако не е полна тогаш тоа значи дека геометријата на магнетот можела да биде подобра.
Магнабенд сила на стегање:
Графикот подолу е добиен со експериментални мерења, но прилично добро се согласува со теоретските пресметки.
Силата на стегање може математички да се пресмета од оваа формула:
F = сила во Њутни
Б = густина на магнетниот тек во Тесла
A = површина на столбови во m2
µ0 = константа на магнетна пропустливост, (4π x 10-7)
На пример, ќе ја пресметаме силата на стегање за густина на флукс од 2 Тесла:
Така F = ½ (2)2 A/µ0
За сила на единица површина (притисок) можеме да го фрлиме „А“ во формулата.
Така Притисок = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Ова излегува на 1.590.000 N/m2.
За да се претвори оваа во килограм сила може да се подели со g (9,81).
Така: Притисок = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Ова прилично добро се согласува со измерената сила за нулта празнина прикажана на горниот графикон.
Оваа бројка лесно може да се претвори во вкупна сила на стегање за дадена машина со множење со површината на полот на машината.За моделот 1250E површината на столбот е 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Така, вкупната сила со нулта празнина би била (735 x 16,2) = 11.900 kg или 11,9 тони;околу 9,5 тони по метар должина на магнет.
Густината на флуксот и притисокот на стегање се директно поврзани и се прикажани на графиконот подолу:
Практична сила на стегање:
Во пракса, оваа голема сила на стегање се реализира само кога не е потребна(!), односно кога се свиткуваат тенки челични работни парчиња.При свиткување обоени работни парчиња силата ќе биде помала како што е прикажано на графиконот погоре, и (малку љубопитно), исто така е помала при свиткување на дебелите челични работни парчиња.Тоа е затоа што силата на стегање потребна за да се направи остар свиок е многу поголема од онаа потребна за свиткување со радиус.Така, она што се случува е дека како што свиокот продолжува, предниот раб на стегачот малку се крева, со што се дозволува работното парче да формира радиус.
Малиот воздушен јаз што се формира предизвикува мало губење на силата на стегање, но силата потребна за формирање на свиокот на радиусот опадна посилно отколку силата на стегање на магнетот.Така се добива стабилна ситуација и стегачот не се испушта.
Она што е опишано погоре е начинот на свиткување кога машината е блиску до нејзината граница на дебелина.Ако се испроба уште подебело работно парче, тогаш, се разбира, стегачот ќе се подигне.
Овој дијаграм сугерира дека ако работ на носот на стегачот бил малку радиусен, наместо остар, тогаш воздушниот јаз за дебело свиткување би се намалил.
Навистина ова е случај и правилно изработениот Magnabend ќе има стегач со раб со радиус.(Радијазираниот раб е исто така многу помалку подложен на случајно оштетување во споредба со остриот раб).
Маргинален режим на неуспех на свиткување:
Ако се обиде да се свитка на многу дебело работно парче, машината нема да успее да го свитка затоа што стегачот едноставно ќе се откачи.(За среќа, ова не се случува на драматичен начин; стегачот само тивко испушта).
Меѓутоа, ако оптоварувањето на свиткување е само малку поголемо од капацитетот на свиткување на магнетот, тогаш обично она што се случува е дека свиокот ќе продолжи да кажува околу 60 степени, а потоа стегачот ќе почне да се лизга наназад.Во овој начин на дефект, магнетот може само индиректно да се спротивстави на оптоварувањето на свиткување со создавање на триење помеѓу работното парче и подлогата на магнетот.
Разликата во дебелината помеѓу дефект поради подигање и дефект поради лизгање генерално не е многу голема.
Неуспехот во кревањето се должи на тоа што работното парче го придвижува предниот раб на стегачот нагоре.Силата на стегање на предниот раб на стегачот е главно она што се спротивставува на ова.Стегањето на задниот раб има мал ефект бидејќи е блиску до местото каде што се врти стегачот.Всушност, тоа е само половина од вкупната сила на стегање што се спротивставува на кревањето.
Од друга страна, лизгањето се спротивставува на вкупната сила на стегање, но само преку триење, така што вистинскиот отпор зависи од коефициентот на триење помеѓу работното парче и површината на магнетот.
За чист и сув челик коефициентот на триење може да биде висок до 0,8, но ако е присутно подмачкување тогаш може да биде низок и до 0,2.Вообичаено, тоа ќе биде некаде помеѓу, така што маргиналниот режим на неуспех на свиткување обично се должи на лизгање, но обидите да се зголеми триењето на површината на магнетот се покажа дека не се исплатливи.
Капацитет на дебелина:
За тело со магнет од типот Е широко 98 mm и длабочина од 48 mm и со калем за вртење од 3.800 ампери, капацитетот на виткање во целосна должина е 1,6 mm.Оваа дебелина се однесува и на челичен лим и на алуминиумски лим.Ќе има помало стегање на алуминиумскиот лим, но бара помал вртежен момент за да се свитка, така што се компензира на таков начин што ќе даде сличен капацитет на мерач за двата вида метал.
Треба да има некои предупредувања за наведениот капацитет на свиткување: Главната е дека јачината на отстапување на лимот може многу да варира.Капацитетот од 1,6 mm се однесува на челик со напрегање до 250 MPa и на алуминиум со напрегање до 140 MPa.
Капацитетот на дебелина во нерѓосувачки челик е околу 1,0 mm.Овој капацитет е значително помал отколку кај повеќето други метали бидејќи нерѓосувачкиот челик обично не е магнетен, а сепак има разумно висок напрегање.
Друг фактор е температурата на магнетот.Ако му се дозволи на магнетот да се загрее, тогаш отпорот на серпентина ќе биде поголем и тоа за возврат ќе предизвика да повлече помала струја со последователни пониски амперски вртења и помала сила на стегање.(Овој ефект обично е прилично умерен и веројатно нема да предизвика машината да не ги исполнува нејзините спецификации).
Конечно, Magnabends со подебел капацитет би можеле да се направат ако пресекот на магнетот бил поголем.