MAGNABEND - ALAPVETŐ TERVEZÉSI SZEMPONTOK
Alapvető mágneses kialakítás
A Magnabend gépet erős egyenáramú mágnesnek tervezték, korlátozott munkaciklussal.
A gép 3 alapvető részből áll: -
A mágnestest, amely a gép alapját képezi és tartalmazza az elektromágneses tekercset.
A szorítórúd, amely utat biztosít a mágneses fluxus számára a mágnesalap pólusai között, és ezáltal rögzíti a fémlemez munkadarabot.
A hajlítósugár, amely a mágnestest elülső éléhez van forgatva, és eszközt biztosít a hajlítóerő kifejtésére a munkadarabra.
Mágnes-test konfigurációk
Különféle konfigurációk lehetségesek a mágnestesthez.
Íme 2, amelyet mindkettő Magnabend gépekhez használt:
A fenti rajzokon a szaggatott piros vonalak a mágneses fluxus útvonalait jelzik.Vegye figyelembe, hogy az "U-Type" kialakítás egyetlen fluxusúttal rendelkezik (1 pár pólus), míg az "E-Type" kialakításnak 2 fluxusútja van (2 pár pólus).
A mágnes konfiguráció összehasonlítása:
Az E-típusú konfiguráció hatékonyabb, mint az U-típusú konfiguráció.
Hogy megértsük, miért van ez így, tekintse át az alábbi két rajzot.
A bal oldalon egy U-típusú mágnes keresztmetszete, a jobb oldalon pedig egy E-típusú mágnes látható, amely 2 azonos U-típus kombinálásával készült.Ha minden mágneskonfigurációt azonos amper-fordulatszámú tekercs hajt meg, akkor nyilvánvalóan a megkettőzött mágnesnek (az E-típusnak) kétszer akkora leszorítóereje lesz.Kétszer annyi acélt is használ, de alig több huzalt a tekercshez!(Hosszú tekercs kialakítást feltételezve).
(A kis mennyiségű plusz huzalra csak azért lenne szükség, mert a tekercs 2 két lába távolabb van egymástól az "E" kivitelben, de ez a többlet jelentéktelenné válik egy hosszú tekercs kialakításnál, mint amilyen a Magnabendnél is használatos).
Super Magnabend:
Egy még erősebb mágnes építéséhez az "E" koncepció kiterjeszthető, például ez a dupla-E konfiguráció:
3D modell:
Az alábbiakban egy 3D-s rajz látható, amely az alkatrészek alapvető elrendezését mutatja egy U-típusú mágnesben:
Ebben a kialakításban az elülső és a hátsó rudak külön darabok, és csavarokkal vannak rögzítve a magrészhez.
Bár elvileg egyetlen acéldarabból is meg lehetne dolgozni egy U-típusú mágnestestet, ekkor a tekercset nem lehetne felszerelni, így a tekercset in situ (a megmunkált mágnestestre) kellene feltekerni. ).
Gyártási helyzetben nagyon kívánatos, hogy a tekercseket külön-külön (speciális formán) lehessen feltekerni.Így az U-típusú kialakítás hatékonyan előírja a gyártott konstrukciót.
Másrészt az E-típusú kialakítás jól illeszkedik az egyetlen acéldarabból megmunkált mágnestesthez, mivel a mágnestest megmunkálása után egy előre elkészített tekercs könnyen felszerelhető.Az egy darabból álló mágnestest jobb mágneses teljesítményt nyújt, mivel nincsenek olyan szerkezeti hézagok, amelyek egyébként egy kicsit csökkentenék a mágneses fluxust (és ezáltal a szorítóerőt).
(Az 1990 után készült Magnabendek többsége E-típusú kialakítást használt).
Anyag kiválasztása mágnesszerkezethez
A mágnestestnek és a szorítórúdnak ferromágneses (mágnesezhető) anyagból kell készülnie.Az acél messze a legolcsóbb ferromágneses anyag, és ez a kézenfekvő választás.Vannak azonban különféle speciális acélok, amelyek megfontolandóak.
1) Szilícium acél: Nagy ellenállású acél, amely általában vékony rétegelt formában kapható, és AC transzformátorokban, váltóáramú mágnesekben, relékben stb. használják. Tulajdonságai nem szükségesek a Magnabendhez, amely egyenáramú mágnes.
2) Lágyvas: Ennek az anyagnak kisebb a maradék mágnesessége, ami jó lenne egy Magnabend géphez, de fizikailag puha, ami azt jelentené, hogy könnyen horpadható és megsérülhet;jobb a maradék mágnesesség problémáját más módon megoldani.
3) Öntöttvas: Nem olyan könnyen mágnesezhető, mint a hengerelt acél, de megfontolható.
4) 416-os típusú rozsdamentes acél: Nem mágnesezhető olyan erősen, mint az acél, és sokkal drágább (de hasznos lehet a mágnestest vékony védősapkafelületéhez).
5) 316-os típusú rozsdamentes acél: Ez az acél nem mágneses ötvözete, ezért egyáltalán nem alkalmas (a fenti 4. pont kivételével).
6) Közepes szénacél, K1045 típus: Ez az anyag kiválóan alkalmas a mágnes (és a gép egyéb alkatrészeinek) felépítésére.Meglehetősen kemény a szállított állapotban, és jól megmunkálható is.
7) CS1020 típusú közepes szénacél: Ez az acél nem olyan kemény, mint a K1045, de könnyebben elérhető, így a Magnabend gép felépítéséhez a legpraktikusabb választás lehet.
Vegye figyelembe, hogy a következő fontos tulajdonságok szükségesek:
Magas telítésű mágnesezés.(A legtöbb acélötvözet 2 Tesla körül telítődik)
Hasznos szakaszméretek elérhetősége,
Véletlen sérülésekkel szembeni ellenállás,
Megmunkálhatóság, ill
Ésszerű költség.
A közepes széntartalmú acél jól megfelel ezeknek a követelményeknek.Alacsony széntartalmú acél is használható, de kevésbé ellenáll a véletlen sérüléseknek.Léteznek más speciális ötvözetek is, mint például a supermendur, amelyeknek nagyobb a telítési mágnesezettsége, de ezeket nem érdemes figyelembe venni, mert az acélhoz képest nagyon magasak.
A közepes szénacél azonban némi maradék mágnesességet mutat, ami elég ahhoz, hogy zavaró legyen.(Lásd a Maradék mágnesesség című részt).
A tekercs
A tekercs az, ami az elektromágnesen keresztül vezeti a mágnesező fluxust.A mágnesező ereje csak a fordulatok számának (N) és a tekercs áramának (I) szorzata.És így:
N = fordulatok száma
I = áram a tekercsekben.
Az "N" megjelenése a fenti képletben általános tévhithez vezet.
Széles körben azt feltételezik, hogy a fordulatok számának növelése növeli a mágnesező erőt, de általában ez nem történik meg, mert a többletfordulat az áramerősséget is csökkenti, I.
Tekintsünk egy fix DC feszültséggel ellátott tekercset.Ha a fordulatok számát megduplázzuk, akkor a tekercsek ellenállása is megduplázódik (hosszú tekercsben), és így az áramerősség felére csökken.A nettó hatás nem az NI növekedése.
Ami igazán meghatározza az NI-t, az a fordulatonkénti ellenállás.Így az NI növeléséhez a huzal vastagságát növelni kell.Az extra fordulatok értéke az, hogy csökkentik az áramerősséget, és ezáltal a teljesítmény disszipációt a tekercsben.
A tervezőnek szem előtt kell tartania, hogy a huzalmérő az, ami igazán meghatározza a tekercs mágnesező erejét.Ez a tekercs tervezésének legfontosabb paramétere.
Az NI-terméket gyakran a tekercs "amper-fordulatainak" nevezik.
Hány amperes fordulat szükséges?
Az acél telítési mágnesezettsége körülbelül 2 Tesla, és ez alapvető korlátot szab arra vonatkozóan, hogy mekkora szorítóerő érhető el.
A fenti grafikonon azt látjuk, hogy a 2 Tesla fluxussűrűség eléréséhez szükséges térerő körülbelül 20 000 amper-fordulat méterenként.
Most egy tipikus Magnabend kialakításnál a fluxusút hossza az acélban körülbelül 1/5 méter, ezért (20 000/5) AT szükséges a telítettség létrehozásához, azaz körülbelül 4 000 AT.
Jó lenne, ha ennél sokkal több amper fordulat lenne, hogy a telítési mágnesezettség megmaradjon akkor is, ha nem mágneses hézagokat (pl. színesfém munkadarabokat) helyezünk a mágneses körbe.Extra amper-fordulat azonban csak jelentős költségelnyelési költséggel vagy a rézhuzal költségével, vagy mindkettővel érhető el.Ezért kompromisszumra van szükség.
A tipikus Magnabend-konstrukciókban van egy tekercs, amely 3800 amperes fordulatot produkál.
Vegye figyelembe, hogy ez a szám nem függ a gép hosszától.Ha ugyanazt a mágneses kialakítást alkalmazzák több géphosszon, akkor ez azt jelenti, hogy a hosszabb gépeknél kevesebb lesz a vastagabb huzal menete.Több teljes áramot fognak felvenni, de az amper x fordulat szorzata azonos lesz, és hosszegységenként azonos leszorítóerővel (és azonos teljesítménydisszipációval) rendelkeznek.
Üzemi ciklus
A munkaciklus fogalma nagyon fontos szempont az elektromágnes tervezésében.Ha a kialakítás a szükségesnél több munkaciklust biztosít, akkor nem optimális.A nagyobb munkaciklus eleve azt jelenti, hogy több rézhuzalra lesz szükség (ez magasabb költségekkel jár), és/vagy kevesebb lesz a szorítóerő.
Megjegyzés: A nagyobb munkaciklusú mágnesnek kisebb a teljesítményvesztesége, ami azt jelenti, hogy kevesebb energiát használ fel, és így olcsóbb az üzemeltetése.Mivel azonban a mágnes csak rövid ideig van bekapcsolva, a működés energiaköltsége általában nagyon csekély jelentőségűnek tekinthető.Így a tervezési megközelítés az, hogy a lehető legnagyobb teljesítmény disszipáció legyen a tekercs tekercseinek túlmelegedésének elkerülése érdekében.(Ez a megközelítés a legtöbb elektromágneses kivitelben jellemző).
A Magnabendet körülbelül 25%-os névleges munkaciklusra tervezték.
Általában mindössze 2 vagy 3 másodpercig tart egy kanyar.A mágnes ezután további 8-10 másodpercig kikapcsol, miközben a munkadarabot áthelyezik és beállítják a következő hajlításra.Ha a 25%-os munkaciklust túllépik, akkor a mágnes végül túlságosan felforrósodik, és a hő túlterhelés kiold.A mágnes nem sérül meg, de körülbelül 30 percig hagyni kell hűlni, mielőtt újra használná.
A gépekkel kapcsolatos gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a 25%-os munkaciklus teljesen megfelelő a tipikus felhasználók számára.Valójában néhány felhasználó a gép opcionális, nagy teljesítményű változatait kérte, amelyek nagyobb szorítóerővel rendelkeznek a kisebb munkaciklus rovására.
Tekercs keresztmetszeti területe
A tekercs számára rendelkezésre álló keresztmetszeti terület határozza meg a beilleszthető rézhuzal maximális mennyiségét. A rendelkezésre álló terület nem lehet nagyobb a szükségesnél, összhangban a szükséges amper-fordulatokkal és a teljesítménydisszipációval.Ha több helyet biztosítunk a tekercsnek, az elkerülhetetlenül növeli a mágnes méretét, és hosszabb fluxusútvonalat eredményez az acélban (ami csökkenti a teljes fluxust).
Ugyanez az érv arra utal, hogy bármilyen tekercs helyet biztosítanak is a kialakításban, annak mindig tele kell lennie rézhuzallal.Ha nincs tele, az azt jelenti, hogy a mágnes geometriája lehetett volna jobb is.
Magnabend szorítóerő:
Az alábbi grafikon kísérleti mérésekkel készült, de meglehetősen jól egyezik az elméleti számításokkal.
A szorítóerő matematikailag kiszámítható a következő képletből:
F = erő Newtonban
B = mágneses fluxussűrűség Teslában
A = a pólusok területe m2-ben
µ0 = mágneses permeabilitási állandó, (4π x 10-7)
Példaként kiszámítjuk a szorítóerőt 2 Tesla fluxussűrűség esetén:
Így F = ½ (2)2 A/µ0
Az egységnyi területre (nyomásra) ható erő esetén eldobhatjuk az "A"-t a képletben.
Így Nyomás = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Ez 1 590 000 N/m2-re jön ki.
Ennek kilogramm erőre való átszámításához elosztható g-vel (9,81).
Így: Nyomás = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Ez meglehetősen jól egyezik a fenti grafikonon látható nulla résre mért erővel.
Ez a szám könnyen átszámítható egy adott gép teljes szorítóerőjére, ha megszorozzuk a gép pólusterületével.Az 1250E modellnél a pólus területe 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Így a teljes, nulla távolságú erő (735 x 16,2) = 11 900 kg vagy 11,9 tonna;körülbelül 9,5 tonna mágneshossz méterenként.
A fluxussűrűség és a szorítónyomás közvetlenül összefüggenek, és az alábbi grafikonon láthatók:
Gyakorlati szorítóerő:
A gyakorlatban ez a nagy szorítóerő csak akkor valósul meg, ha nincs rá szükség(!), vagyis vékony acél munkadarabok hajlításánál.Színesfém munkadarabok hajlításakor az erő kisebb lesz, mint a fenti grafikonon látható, és (kicsit érdekes módon) kisebb vastag acél munkadarabok hajlításánál is.Ennek az az oka, hogy az éles hajlításhoz szükséges szorítóerő sokkal nagyobb, mint a sugárhajlításhoz szükséges.Tehát az történik, hogy a hajlítás előrehaladtával a szorítórúd elülső éle kissé megemelkedik, lehetővé téve a munkadarab sugarát.
A kialakuló kis légrés a szorítóerő enyhe veszteségét okozza, de a sugárhajlítás kialakításához szükséges erő élesebben csökkent, mint a mágnes szorítóereje.Így stabil helyzet alakul ki, és a szorítórúd nem enged el.
A fent leírtak a hajlítási módot jelentik, amikor a gép a vastagsághatár közelében van.Ha még vastagabb munkadarabot próbálunk ki, akkor a szorítórúd természetesen leemelkedik.
Ez a diagram azt sugallja, hogy ha a szorítórúd orréle egy kicsit sugárzott, nem pedig éles, akkor a vastag hajlításhoz szükséges légrés csökkenne.
Valójában ez a helyzet, és a megfelelően elkészített Magnabendnek lesz egy sugárzott élű bilincse.(A sugárzott él sokkal kevésbé hajlamos a véletlen sérülésekre, mint az éles él).
Hajlítási hiba határmódja:
Ha nagyon vastag munkadarabon próbálnak meg hajlítani, akkor a gép nem tudja meghajlítani, mert a szorítórúd egyszerűen felemelkedik.(Szerencsére ez nem történik drámai módon, a szorítórúd csak csendben engedi el).
Ha azonban a hajlítási terhelés csak valamivel nagyobb, mint a mágnes hajlítóképessége, akkor általában az történik, hogy a hajlítás körülbelül 60 fokos szögben halad el, majd a szorítórúd hátrafelé csúszni kezd.Ebben a meghibásodási módban a mágnes csak közvetetten tud ellenállni a hajlító terhelésnek azáltal, hogy súrlódást hoz létre a munkadarab és a mágnes ágya között.
Általában nem túl nagy a vastagságkülönbség az emelésből eredő meghibásodás és a csúszás miatti meghibásodás között.
Az emelési hiba abból adódik, hogy a munkadarab a szorítórúd elülső élét felfelé emeli.Ennek főként a szorítórúd elülső szélén lévő szorítóerő áll ellen.A hátsó élnél lévő szorításnak nincs hatása, mivel közel van a szorítórúd elforgatásának helyéhez.Valójában a teljes szorítóerőnek csak a fele áll ellen az emelésnek.
Másrészt a csúszást a teljes szorítóerő ellenzi, de csak a súrlódás révén, így a tényleges ellenállás a munkadarab és a mágnes felülete közötti súrlódási együtthatótól függ.
Tiszta és száraz acél esetén a súrlódási tényező akár 0,8 is lehet, de ha van kenés, akkor akár 0,2 is lehet.Jellemzően ez valahol a kettő között van, így a hajlítási meghibásodás marginális módja általában a csúszás következménye, de a mágnes felületén a súrlódás növelésére tett kísérletek nem bizonyultak kifizetődőnek.
Vastagsági kapacitás:
Egy 98 mm széles és 48 mm mély E-típusú mágnestest és egy 3800 amperes fordulatú tekercs esetén a teljes hosszúságú hajlítási kapacitás 1,6 mm.Ez a vastagság acéllemezre és alumíniumlemezre egyaránt vonatkozik.Kevésbé lesz szorítva az alumíniumlemezen, de kisebb nyomatékot igényel a hajlítása, így ez oly módon kompenzálódik, hogy mindkét fémtípushoz hasonló átmérőjű kapacitást kapjon.
A megadott hajlítóképességgel kapcsolatban bizonyos figyelmeztetésekre van szükség: A fő, hogy a fémlemez folyáshatára nagyon eltérő lehet.Az 1,6 mm-es kapacitás legfeljebb 250 MPa folyási feszültségű acélra és 140 MPa folyáshatárig terjedő alumíniumra vonatkozik.
A rozsdamentes acél vastagsága körülbelül 1,0 mm.Ez a kapacitás lényegesen kisebb, mint a legtöbb más fém esetében, mivel a rozsdamentes acél általában nem mágneses, és mégis meglehetősen nagy folyási feszültséggel rendelkezik.
Egy másik tényező a mágnes hőmérséklete.Ha a mágnest hagyjuk felforrósodni, akkor a tekercs ellenállása nagyobb lesz, és ez viszont azt eredményezi, hogy kevesebb áramot vesz fel, aminek következtében kisebb amperfordulat és kisebb leszorítóerő.(Ez a hatás általában meglehetősen mérsékelt, és nem valószínű, hogy a gép nem felel meg a specifikációinak).
Végül, nagyobb kapacitású Magnabendek készíthetők, ha a mágnes keresztmetszetét megnövelnék.