MAGNABEND – PAGRINDINIAI PROJEKTAVIMO SVARSTYMAI
Pagrindinis magneto dizainas
Magnabend mašina sukurta kaip galingas nuolatinės srovės magnetas su ribotu darbo ciklu.
Mašina susideda iš 3 pagrindinių dalių: -
Magnetinis korpusas, kuris sudaro mašinos pagrindą ir kuriame yra elektromagneto ritė.
Suspaudimo juosta, kuri suteikia kelią magnetiniam srautui tarp magneto pagrindo polių ir taip suspaudžia lakštinio metalo ruošinį.
Lenkimo sija, kuri pasukama į priekinį magneto korpuso kraštą ir yra priemonė lenkimo jėgai pritaikyti ruošiniui.
Magneto korpuso konfigūracijos
Galimos įvairios magneto korpuso konfigūracijos.
Štai 2, kurie abu buvo naudojami Magnabend mašinose:
Brūkšninės raudonos linijos aukščiau esančiuose brėžiniuose žymi magnetinio srauto kelius.Atkreipkite dėmesį, kad „U tipo“ dizainas turi vieną srauto kelią (1 polių pora), o „E tipo“ dizainas turi 2 srauto kelius (2 poros polių).
Magneto konfigūracijos palyginimas:
E tipo konfigūracija yra efektyvesnė nei U tipo konfigūracija.
Norėdami suprasti, kodėl taip yra, apsvarstykite du toliau pateiktus brėžinius.
Kairėje yra U tipo magneto skerspjūvis, o dešinėje - E tipo magnetas, pagamintas sujungus 2 vienodus U tipo magnetus.Jei kiekvieną magneto konfigūraciją varo ritė su vienodais amperų apsisukimais, akivaizdu, kad dvigubas magnetas (E tipo) turės dvigubai didesnę suspaudimo jėgą.Jis taip pat naudoja dvigubai daugiau plieno, bet vargu ar daugiau vielos ritei!(Manant, kad ritės konstrukcija yra ilga).
(Nedidelis papildomos vielos kiekis būtų reikalingas tik todėl, kad dvi dvi ritės kojelės yra toliau viena nuo kitos „E“ konstrukcijoje, tačiau šis papildomas tampa nereikšmingas ilgoje ritės konstrukcijoje, pavyzdžiui, naudojamas Magnabend).
Super Magnabend:
Norint sukurti dar galingesnį magnetą, „E“ koncepciją galima išplėsti, pavyzdžiui, šią dvigubo E konfigūraciją:
3D modelis:
Žemiau yra 3D brėžinys, kuriame parodytas pagrindinis dalių išdėstymas U tipo magnete:
Šioje konstrukcijoje priekinis ir galinis stulpai yra atskiros dalys ir yra pritvirtintos varžtais prie pagrindinės dalies.
Nors iš principo U tipo magneto korpusą būtų galima apdirbti iš vieno plieno gabalo, tada ritės sumontuoti nebūtų įmanoma, todėl ritę tektų vynioti vietoje (ant apdirbto magneto korpuso ).
Gamybinėje situacijoje labai pageidautina, kad ritinius būtų galima suvynioti atskirai (ant specialaus formuotojo).Taigi U tipo konstrukcija efektyviai diktuoja pagamintą konstrukciją.
Kita vertus, E tipo konstrukcija puikiai tinka magneto korpusui, pagamintam iš vieno plieno gabalo, nes iš anksto pagamintą ritę galima lengvai sumontuoti po magneto korpuso apdirbimo.Vieno gabalo magnetinis korpusas taip pat geriau veikia magnetiškai, nes jame nėra jokių konstrukcinių tarpų, kurie kitu atveju šiek tiek sumažintų magnetinį srautą (taigi ir suspaudimo jėgą).
(Dauguma Magnabend, pagamintų po 1990 m., naudojo E tipo dizainą).
Medžiagos pasirinkimas magneto konstrukcijai
Magneto korpusas ir spaustukas turi būti pagaminti iš feromagnetinės (įmagnetinamos) medžiagos.Plienas yra pati pigiausia feromagnetinė medžiaga ir yra akivaizdus pasirinkimas.Tačiau yra įvairių specialių plienų, kuriuos galima apsvarstyti.
1) Silicio plienas: didelės varžos plienas, kuris paprastai gaminamas plonu sluoksniu ir naudojamas kintamosios srovės transformatoriuose, kintamosios srovės magnetuose, relėse ir kt. Magnabend, kuris yra nuolatinės srovės magnetas, jo savybės nėra reikalingos.
2) Minkšta geležis: ši medžiaga turėtų mažesnį liekamąjį magnetizmą, kuris būtų geras Magnabend mašinai, tačiau ji yra fiziškai minkšta, o tai reikštų, kad ji būtų lengvai įlenkta ir pažeista;geriau liekamojo magnetizmo problemą išspręsti kitu būdu.
3) Ketaus: ne taip lengvai įmagnetinamas kaip valcuotas plienas, bet gali būti svarstomas.
4) 416 tipo nerūdijantis plienas: negalima įmagnetinti taip stipriai kaip plienas ir yra daug brangesnis (tačiau gali būti naudingas plonam apsauginiam magneto korpuso paviršiui).
5) 316 tipo nerūdijantis plienas: tai nemagnetinis plieno lydinys, todėl visiškai netinkamas (išskyrus 4 punkte nurodytus atvejus).
6) Vidutinis anglies plienas, tipas K1045: ši medžiaga puikiai tinka magneto (ir kitų mašinos dalių) konstrukcijai.Jis yra pakankamai kietas, kai tiekiamas, ir taip pat gerai veikia.
7) Vidutinio anglies plieno tipas CS1020: Šis plienas nėra toks kietas kaip K1045, tačiau jis yra lengviau prieinamas, todėl gali būti praktiškiausias pasirinkimas gaminant Magnabend mašiną.
Atminkite, kad šios svarbios savybės yra šios:
Didelio prisotinimo įmagnetinimas.(Dauguma plieno lydinių įsotina maždaug 2 teslomis),
Naudingų sekcijų dydžių prieinamumas,
Atsparumas atsitiktiniam pažeidimui,
Apdirbamumas ir
Pagrįstos išlaidos.
Vidutinės anglies plienas puikiai atitinka visus šiuos reikalavimus.Taip pat galima naudoti mažai anglies dioksido anglies plieną, tačiau jis yra mažiau atsparus atsitiktiniams pažeidimams.Taip pat yra ir kitų specialių lydinių, tokių kaip supermendur, kurių įmagnetinimas yra didesnis, tačiau į juos nereikia atsižvelgti, nes jie yra labai brangūs, palyginti su plienu.
Tačiau vidutinio anglies plienas turi tam tikrą liekamąjį magnetizmą, kuris yra pakankamai nepatogus.(Žr. skyrių „Likutinis magnetizmas“).
Ritė
Ritė yra tai, kas nukreipia įmagnetinimo srautą per elektromagnetą.Jo įmagnetinimo jėga yra tik apsisukimų skaičiaus (N) ir ritės srovės (I) sandauga.Taigi:
N = apsisukimų skaičius
I = srovė apvijose.
„N“ atsiradimas aukščiau pateiktoje formulėje sukelia dažną klaidingą nuomonę.
Plačiai manoma, kad padidinus apsisukimų skaičių padidės įmagnetinimo jėga, tačiau paprastai taip nėra, nes papildomi posūkiai taip pat sumažina srovę, I.
Apsvarstykite ritę, tiekiamą su fiksuota nuolatine įtampa.Jei apsisukimų skaičius padvigubės, apvijų varža taip pat padvigubės (ilgoje ritėje), taigi srovė sumažės perpus.Grynasis poveikis nėra NI padidėjimas.
Tai, kas iš tikrųjų lemia NI, yra pasipriešinimas vienam posūkiui.Taigi, norint padidinti NI, vielos storis turi būti padidintas.Papildomų posūkių vertė yra ta, kad jie sumažina srovę, taigi ir galios išsklaidymą ritėje.
Projektuotojas turėtų nepamiršti, kad vielos matuoklis iš tikrųjų lemia ritės įmagnetinimo jėgą.Tai yra svarbiausias ritės konstrukcijos parametras.
NI gaminys dažnai vadinamas ritės „amperais“.
Kiek amperų posūkių reikia?
Plieno prisotinimo įmagnetinimas yra apie 2 teslų ir tai nustato pagrindinę ribą, kiek galima gauti suspaudimo jėgą.
Iš aukščiau pateikto grafiko matome, kad lauko stiprumas, reikalingas 2 Tesla srauto tankiui gauti, yra apie 20 000 amperų apsisukimų vienam metrui.
Dabar, naudojant tipišką Magnabend dizainą, srauto kelio ilgis pliene yra maždaug 1/5 metro, todėl prisotinimui reikės (20 000/5) AT, tai yra apie 4 000 AT.
Būtų malonu turėti daug daugiau amperų posūkių nei šis, kad įmagnetinimas būtų išlaikytas net tada, kai į magnetinę grandinę įvedami nemagnetiniai tarpai (ty spalvotųjų metalų ruošiniai).Tačiau papildomų amperų apsisukimų galima gauti tik už didelę galios išsklaidymą arba varinės vielos kainą, arba abu.Taigi reikia kompromiso.
Tipiškos „Magnabend“ konstrukcijos turi ritę, kuri sukuria 3800 amperų apsisukimus.
Atminkite, kad šis skaičius nepriklauso nuo mašinos ilgio.Jei ta pati magnetinė konstrukcija taikoma įvairiems mašinų ilgiams, tai reiškia, kad ilgesnėse mašinose bus mažiau storesnės vielos apsisukimų.Jie ims daugiau bendros srovės, bet turės tą patį amperų x apsisukimų sandaugą ir turės tą pačią suspaudimo jėgą (ir tą patį galios išsklaidymą) vienam ilgio vienetui.
Darbo ciklas
Darbo ciklo koncepcija yra labai svarbus elektromagneto konstrukcijos aspektas.Jei konstrukcija numato didesnį darbo ciklą nei reikia, tai nėra optimalus.Didesnis veikimo ciklas savaime reiškia, kad reikės daugiau varinės vielos (todėl didesnės sąnaudos) ir (arba) bus mažesnė suspaudimo jėga.
Pastaba: Didesnio veikimo ciklo magnetas turės mažesnį galios išsklaidymą, o tai reiškia, kad jis naudos mažiau energijos ir bus pigesnis.Tačiau kadangi magnetas įjungtas tik trumpą laiką, energijos sąnaudos eksploatavimo metu paprastai laikomos labai mažai reikšmingomis.Taigi projektavimo metodas yra toks, kad būtų galima išsklaidyti tiek daug galios, kad neperkaistumėte ritės apvijų.(Šis metodas būdingas daugeliui elektromagnetų konstrukcijų).
Magnabend sukurtas maždaug 25% nominaliam darbo ciklui.
Paprastai lenkimas užtrunka tik 2 ar 3 sekundes.Tada magnetas bus išjungtas dar 8–10 sekundžių, kol ruošinys bus perkeltas ir išlygiuotas, kad būtų galima atlikti kitą lenkimą.Jei viršijamas 25 % darbo ciklas, galiausiai magnetas per daug įkais ir suveiks šiluminė perkrova.Magnetas nebus pažeistas, tačiau prieš vėl naudojant jį reikės leisti atvėsti apie 30 minučių.
Eksploatavimo patirtis su mašinomis šioje srityje parodė, kad 25% darbo ciklas yra gana tinkamas tipiniams naudotojams.Tiesą sakant, kai kurie vartotojai paprašė pasirinktinių didelės galios mašinos versijų, kurios turi didesnę suspaudimo jėgą ir sumažino darbo ciklą.
Ritės skerspjūvio plotas
Galimas ritės skerspjūvio plotas nulems maksimalų vario laido, kurį galima prijungti, kiekį. Turimas plotas neturi būti didesnis nei reikia, atsižvelgiant į reikalingus amperų posūkius ir galios išsklaidymą.Suteikus daugiau vietos ritei, neišvengiamai padidės magneto dydis ir pliene bus ilgesnis srauto kelias (tai sumažins bendrą srautą).
Tas pats argumentas reiškia, kad nesvarbu, kokia ritės erdvė yra konstrukcijoje, ji visada turi būti pilna varinės vielos.Jei jis nėra pilnas, tai reiškia, kad magneto geometrija galėjo būti geresnė.
Magnabend suspaudimo jėga:
Žemiau esantis grafikas buvo gautas eksperimentiniais matavimais, tačiau jis gana gerai sutampa su teoriniais skaičiavimais.
Suspaudimo jėgą galima matematiškai apskaičiuoti pagal šią formulę:
F = jėga niutonais
B = magnetinio srauto tankis Teslas
A = polių plotas m2
µ0 = magnetinio pralaidumo konstanta, (4π x 10-7)
Pavyzdžiui, apskaičiuosime suspaudimo jėgą, kai srauto tankis yra 2 Tesla:
Taigi F = ½ (2)2 A/µ0
Dėl jėgos, tenkančios ploto vienetui (slėgiui), formulėje galime nuleisti „A“.
Taigi Slėgis = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Tai yra 1 590 000 N/m2.
Norėdami tai konvertuoti į kilogramų jėgą, ją galima padalyti iš g (9,81).
Taigi: Slėgis = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Tai gana gerai atitinka išmatuotą nulinio tarpo jėgą, parodytą aukščiau esančiame grafike.
Šį skaičių galima lengvai konvertuoti į bendrą tam tikros mašinos suspaudimo jėgą, padauginus ją iš mašinos poliaus ploto.Modelio 1250E poliaus plotas yra 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Taigi bendra nulinio tarpo jėga būtų (735 x 16,2) = 11 900 kg arba 11,9 tonos;apie 9,5 tonos vienam magneto ilgio metrui.
Srauto tankis ir suspaudimo slėgis yra tiesiogiai susiję ir yra pavaizduoti žemiau:
Praktinė suspaudimo jėga:
Praktiškai ši didelė suspaudimo jėga pasiekiama tik tada, kai jos nereikia (!), ty lenkiant plonus plieno ruošinius.Lenkiant spalvotus ruošinius, jėga bus mažesnė, kaip parodyta aukščiau esančiame grafike, ir (šiek tiek keista) ji bus mažesnė ir lenkiant storus plieno ruošinius.Taip yra todėl, kad suspaudimo jėga, reikalinga norint padaryti staigų lenkimą, yra daug didesnė nei reikalinga spindulio lenkimui.Taigi atsitinka taip, kad lenkiant priekinis spaustuko kraštas šiek tiek pakyla, todėl ruošinys gali suformuoti spindulį.
Dėl susidariusio nedidelio oro tarpo šiek tiek prarandama suspaudimo jėga, tačiau jėga, reikalinga spindulio lenkimui suformuoti, sumažėjo staigiau nei magneto suspaudimo jėga.Taip susidaro stabili padėtis ir spaustukas nepaleidžia.
Tai, kas aprašyta aukščiau, yra lenkimo būdas, kai mašina yra arti savo storio ribos.Jei bandoma naudoti dar storesnį ruošinį, spaustukas, žinoma, pakils.
Ši diagrama rodo, kad jei spaustuko nosies kraštas būtų šiek tiek spinduliuotas, o ne aštrus, sumažėtų oro tarpas storam lenkimui.
Iš tiesų taip ir yra, o tinkamai pagamintas Magnabend turės spaustuką su spinduliuotu kraštu.(Spinduliuotas kraštas taip pat yra daug mažiau linkęs netyčia pažeisti, palyginti su aštriu kraštu).
Ribinis lenkimo gedimo būdas:
Jei bandoma sulenkti labai storą ruošinį, mašinai nepavyks jo sulenkti, nes gnybtas tiesiog pakils.(Laimei, tai neįvyksta dramatiškai; spaustukas tiesiog tyliai paleidžia).
Tačiau jei lenkimo apkrova yra tik šiek tiek didesnė už magneto lenkimo gebą, tada paprastai atsitinka taip, kad lenkimas pasisuks maždaug 60 laipsnių, o tada gnybtas pradės slysti atgal.Šiuo gedimo režimu magnetas gali atlaikyti lenkimo apkrovą tik netiesiogiai, sukurdamas trintį tarp ruošinio ir magneto pagrindo.
Storio skirtumas tarp gedimo dėl pakilimo ir gedimo dėl slydimo paprastai nėra labai didelis.
Kėlimo gedimas atsiranda dėl to, kad ruošinys pakelia priekinį spaustuko kraštą aukštyn.Suspaudimo jėga priekiniame spaustuko krašte yra tai, kas tam daugiausiai atsispiria.Prispaudimas prie galinio krašto turi mažai įtakos, nes jis yra arti spaustuko pasukimo vietos.Tiesą sakant, tai tik pusė visos suspaudimo jėgos, kuri priešinasi pakilimui.
Kita vertus, slydimui priešinasi visa suspaudimo jėga, bet tik dėl trinties, todėl tikrasis pasipriešinimas priklauso nuo trinties koeficiento tarp ruošinio ir magneto paviršiaus.
Švaraus ir sauso plieno trinties koeficientas gali siekti 0,8, bet jei yra tepimo, jis gali būti net 0,2.Paprastai tai bus kažkur tarp to, kad ribinis lenkimo gedimo būdas dažniausiai atsiranda dėl slydimo, tačiau buvo nustatyta, kad bandymai padidinti magneto paviršiaus trintį nėra prasmingi.
Storio talpa:
98 mm pločio ir 48 mm gylio E tipo magneto korpuso su 3800 amperų posūkio rite viso ilgio lenkimo galia yra 1,6 mm.Šis storis taikomas tiek plieno, tiek aliuminio lakštams.Aliuminio lakštas bus mažiau prispaustas, tačiau jį sulenkti reikia mažesnio sukimo momento, todėl tai kompensuoja taip, kad abiejų tipų metalams būtų suteikta panaši gabaritinė talpa.
Dėl nurodytos lenkimo galios reikia laikytis tam tikrų įspėjimų: Pagrindinis iš jų yra tas, kad lakštinio metalo takumo riba gali labai skirtis.1,6 mm talpa taikoma plienui, kurio takumo įtempis yra iki 250 MPa, ir aliuminiui, kurio takumo įtempis yra iki 140 MPa.
Nerūdijančio plieno storis yra apie 1,0 mm.Ši talpa yra žymiai mažesnė nei daugumos kitų metalų, nes nerūdijantis plienas paprastai yra nemagnetinis ir vis dėlto turi pakankamai aukštą takumo įtampą.
Kitas veiksnys yra magneto temperatūra.Jei magnetui buvo leista įkaisti, ritės varža bus didesnė ir dėl to jis ims mažiau srovės, dėl to bus mažesnis amperų posūkis ir mažesnė suspaudimo jėga.(Šis poveikis paprastai yra gana vidutinio sunkumo ir mažai tikėtina, kad aparatas neatitiks savo specifikacijų).
Galiausiai, padidinus magneto skerspjūvį, būtų galima pagaminti storesnės talpos Magnabendus.