MAGNABEND - PERUSTEET SUUNNITTELUN NÄKÖKOHDAT
Magneetin perussuunnittelu
Magnabend-kone on suunniteltu tehokkaaksi DC-magneetiksi, jolla on rajoitettu käyttösuhde.
Kone koostuu kolmesta perusosasta: -
Magneettirunko, joka muodostaa koneen pohjan ja sisältää sähkömagneettikelan.
Kiinnitystanko, joka muodostaa magneettivuon polun magneettipohjan napojen väliin ja kiinnittää siten metallilevytyökappaleen.
Taivutuspalkki, joka on käännetty magneettirungon etureunaan ja tarjoaa välineen taivutusvoiman kohdistamiseksi työkappaleeseen.
Magneetti-runkokokoonpanot
Magneettirungolle on mahdollista tehdä erilaisia konfiguraatioita.
Tässä on 2, joita molempia on käytetty Magnabend-koneissa:
Yllä olevissa piirustuksissa olevat punaiset katkoviivat edustavat magneettivuon polkuja.Huomaa, että "U-Type"-mallissa on yksi virtareitti (1 napapari), kun taas "E-Type"-mallissa on 2 vuoreittiä (2 napaparia).
Magneettikokoonpanon vertailu:
E-tyypin kokoonpano on tehokkaampi kuin U-tyypin konfiguraatio.
Ymmärtääksesi miksi näin on, harkitse alla olevia kahta piirustusta.
Vasemmalla on poikkileikkaus U-tyypin magneetista ja oikealla E-tyypin magneetti, joka on valmistettu yhdistämällä 2 samaa U-tyyppiä.Jos jokaista magneettikokoonpanoa ohjaa kela, jolla on samat ampeerikierrokset, kaksinkertaistetulla magneetilla (E-tyyppi) on selvästi kaksi kertaa suurempi puristusvoima.Se käyttää myös kaksi kertaa enemmän terästä, mutta tuskin enää lankaa kelaan!(Olettaen, että kela on pitkä).
(Pieni määrä ylimääräistä lankaa tarvittaisiin vain, koska kelan kaksi jalkaa ovat kauempana toisistaan "E"-mallissa, mutta tämä ylimääräinen tulee merkityksettömäksi pitkässä kelasuunnittelussa, kuten Magnabendissä).
Super Magnabend:
Vielä tehokkaamman magneetin rakentamiseksi "E"-konseptia voidaan laajentaa, kuten tämä kaksois-E-konfiguraatio:
3D-malli:
Alla on 3D-piirustus, joka näyttää osien perusasetuksen U-tyypin magneetissa:
Tässä mallissa etu- ja takapylväät ovat erillisiä kappaleita ja ne on kiinnitetty pulteilla ydinkappaleeseen.
Vaikka periaatteessa U-tyyppinen magneettirunko olisi mahdollista työstää yhdestä teräskappaleesta, kelaa ei tällöin olisi mahdollista asentaa ja siten kela joutuisi käärimään paikan päällä (koneistetun magneettirungon päälle ).
Tuotantotilanteessa on erittäin toivottavaa kyetä kelaamaan kelat erikseen (erityisformaattiin).Siten U-tyyppinen rakenne sanelee tehokkaasti valmistetun rakenteen.
Toisaalta E-tyyppinen rakenne soveltuu hyvin yhdestä teräspalasta koneistettuun magneettirunkoon, koska valmiiksi tehty kela voidaan helposti asentaa magneettirungon koneistuksen jälkeen.Yksiosainen magneettirunko toimii myös paremmin magneettisesti, koska siinä ei ole rakenteellisia rakoja, jotka muutoin vähentäisivät magneettivuoa (ja siten puristusvoimaa) hieman.
(Useimmat vuoden 1990 jälkeen tehdyt Magnabendet käyttivät E-tyyppistä suunnittelua).
Materiaalin valinta magneettien rakentamiseen
Magneetin rungon ja kiinnitystangon on oltava valmistettu ferromagneettisesta (magnetoitavasta) materiaalista.Teräs on ylivoimaisesti halvin ferromagneettinen materiaali ja ilmeinen valinta.Saatavilla on kuitenkin useita erikoisteräksiä, joita voidaan harkita.
1) Silicon Steel: Korkearesistiivinen teräs, jota on yleensä saatavana ohuina laminoinneina ja jota käytetään AC-muuntajissa, AC-magneeteissa, releissä jne. Sen ominaisuuksia ei vaadita Magnabendille, joka on tasavirtamagneetti.
2) Pehmeä rauta: Tällä materiaalilla olisi pienempi jäännösmagnetismi, mikä olisi hyvä Magnabend-koneelle, mutta se on fyysisesti pehmeää, mikä tarkoittaisi, että se lommoutuisi ja vaurioituisi helposti;on parempi ratkaista jäännösmagnetismiongelma jollain muulla tavalla.
3) Valurauta: Ei niin helposti magnetoituva kuin valssattu teräs, mutta se voidaan harkita.
4) Ruostumaton teräs tyyppi 416: Ei voida magnetoida yhtä voimakkaasti kuin teräs ja se on paljon kalliimpi (mutta voi olla hyödyllinen ohuelle suojapinnalle magneettirungossa).
5) Ruostumaton teräs, tyyppi 316: Tämä on ei-magneettinen teräksen seos, joten se ei sovellu ollenkaan (paitsi kohdassa 4 yllä).
6) Keskikokoinen hiiliteräs, tyyppi K1045: Tämä materiaali sopii erinomaisesti magneetin (ja muiden koneen osien) rakentamiseen.Se on kohtuullisen kova toimitetussa kunnossa ja se toimii myös hyvin.
7) Keskikokoinen hiiliteräs tyyppi CS1020: Tämä teräs ei ole aivan yhtä kovaa kuin K1045, mutta se on helpommin saatavilla ja voi siten olla käytännöllisin valinta Magnabend-koneen rakentamiseen.
Huomaa, että tärkeitä vaadittuja ominaisuuksia ovat:
Korkea saturaatiomagnetointi.(Useimmat terässeokset kyllästyvät noin 2 Teslassa)
Hyödyllisten osiokokojen saatavuus,
Satunnaisten vaurioiden kestävyys,
Koneistettavuus ja
Kohtuullinen hinta.
Keskihiiliteräs sopii hyvin kaikkiin näihin vaatimuksiin.Vähähiilistä terästä voidaan myös käyttää, mutta se kestää vähemmän satunnaisia vaurioita.On myös muita erikoisseoksia, kuten supermendur, joilla on korkeampi kyllästysmagnetoituminen, mutta niitä ei tule ottaa huomioon, koska ne ovat erittäin kalliita teräkseen verrattuna.
Keskikokoisella hiiliteräksellä on kuitenkin jäännösmagnetismia, joka riittää häiritsemään.(Katso kohta Jäännösmagnetismi).
Kela
Kela ohjaa magnetointivuon sähkömagneetin läpi.Sen magnetointivoima on vain kierrosten lukumäärän (N) ja kelan virran (I) tulo.Täten:
N = kierrosten lukumäärä
I = virta käämeissä.
"N":n esiintyminen yllä olevassa kaavassa johtaa yleiseen väärinkäsitykseen.
Yleisesti oletetaan, että kierrosten määrän lisääminen lisää magnetointivoimaa, mutta yleensä näin ei tapahdu, koska lisäkierrokset vähentävät myös virtaa, I.
Harkitse kelaa, jossa on kiinteä tasajännite.Jos kierrosten määrä kaksinkertaistuu, niin myös käämien vastus kaksinkertaistuu (pitkässä kelassa) ja siten virta puolittuu.Nettovaikutus ei ole NI:n kasvu.
Mikä todella määrittää NI:n, on vastus kierrosta kohti.Siten NI:n lisäämiseksi langan paksuutta on lisättävä.Ylimääräisten kierrosten arvo on, että ne vähentävät virtaa ja siten tehohäviötä kelassa.
Suunnittelijan tulee ottaa huomioon, että lankamittari todella määrittää kelan magnetointivoiman.Tämä on kelan suunnittelun tärkein parametri.
NI-tuotetta kutsutaan usein kelan "ampeerikierroksiksi".
Kuinka monta ampeerikierrosta tarvitaan?
Teräksen kyllästysmagnetisaatio on noin 2 Tesla, ja tämä asettaa perustavanlaatuisen rajan sille, kuinka paljon puristusvoimaa voidaan saada.
Yllä olevasta kaaviosta näemme, että 2 Teslan vuontiheyden saamiseksi vaadittava kenttävoimakkuus on noin 20 000 ampeerikierrosta metriä kohti.
Tyypillisessä Magnabend-mallissa vuon reitin pituus teräksessä on noin 1/5 metristä, ja siksi se vaatii (20 000/5) AT tuottaakseen kylläisyyden, eli noin 4 000 AT.
Olisi mukavaa saada paljon enemmän ampeerikierroksia kuin tämä, jotta kyllästysmagnetointi säilyisi myös silloin, kun magneettipiiriin tulee ei-magneettisia rakoja (eli ei-rautapitoisia työkappaleita).Ylimääräisiä ampeerikierroksia voidaan kuitenkin saada vain huomattavin kustannuksin tehohäviössä tai kuparilangan kustannuksissa tai molemmissa.Kompromissi on siis tarpeen.
Tyypillisissä Magnabend-malleissa on kela, joka tuottaa 3 800 ampeerin kierrosta.
Huomaa, että tämä luku ei riipu koneen pituudesta.Jos samaa magneettista rakennetta käytetään useilla koneen pituuksilla, se edellyttää, että pidemmissä koneissa on vähemmän kierroksia paksumpaa lankaa.Ne kuluttavat enemmän kokonaisvirtaa, mutta niillä on sama ampeerin x kierroksen tulo ja sama puristusvoima (ja sama tehohäviö) pituusyksikköä kohti.
Käyttömäärä
Toimintasuhteen käsite on erittäin tärkeä osa sähkömagneetin suunnittelua.Jos suunnittelussa on enemmän käyttösuhdetta kuin tarvitaan, se ei ole optimaalinen.Suurempi käyttösuhde tarkoittaa luonnostaan sitä, että tarvitaan enemmän kuparilankaa (jolloin kustannukset ovat korkeammat) ja/tai käytettävissä on vähemmän puristusvoimaa.
Huomautus: Korkeamman käyttösuhteen magneetin tehohäviö on pienempi, mikä tarkoittaa, että se käyttää vähemmän energiaa ja on siten halvempi käyttää.Kuitenkin, koska magneetti on PÄÄLLÄ vain lyhyitä aikoja, käytön energiakustannuksilla katsotaan yleensä olevan hyvin vähän merkitystä.Näin ollen suunnittelun lähestymistapa on saada niin paljon tehohäviötä kuin voit päästä eroon kelan käämien ylikuumenemisen suhteen.(Tämä lähestymistapa on yhteinen useimmille sähkömagneettimalleille).
Magnabend on suunniteltu noin 25 %:n nimelliskäyttösuhteelle.
Tyypillisesti mutkan tekeminen kestää vain 2 tai 3 sekuntia.Magneetti on sitten pois päältä vielä 8-10 sekuntia, kun työkappale asetetaan uudelleen ja kohdistetaan valmiiksi seuraavaa taivutusta varten.Jos 25 %:n käyttösuhde ylittyy, magneetti kuumenee lopulta liian kuumaksi ja lämpöylikuormitus laukeaa.Magneetti ei vaurioidu, mutta sen on annettava jäähtyä noin 30 minuuttia ennen kuin sitä käytetään uudelleen.
Käyttökokemus kentällä olevista koneista on osoittanut, että 25 %:n käyttösuhde on varsin riittävä tyypillisille käyttäjille.Itse asiassa jotkut käyttäjät ovat pyytäneet koneesta valinnaisia suuritehoisia versioita, joissa on enemmän puristusvoimaa pienemmän käyttöjakson kustannuksella.
Kelan poikkileikkausala
Kelan käytettävissä oleva poikkileikkauspinta-ala määrää kuparilangan enimmäismäärän, joka voidaan asentaa. Käytettävissä oleva pinta-ala ei saa olla suurempi kuin on tarpeen, mikä on yhdenmukainen vaadittujen ampeerikierrosten ja tehohäviön kanssa.Lisää tilaa käämille lisää väistämättä magneetin kokoa ja johtaa pidemmään vuopolun pituuteen teräksessä (mikä vähentää kokonaisvuon määrää).
Sama argumentti viittaa siihen, että mikä tahansa kelatila on suunniteltu suunnittelussa, sen tulee aina olla täynnä kuparilankaa.Jos se ei ole täynnä, se tarkoittaa, että magneetin geometria olisi voinut olla parempi.
Magnabend-puristusvoima:
Alla oleva kaavio on saatu kokeellisin mittauksin, mutta se sopii melko hyvin teoreettisiin laskelmiin.
Puristusvoima voidaan laskea matemaattisesti tästä kaavasta:
F = voima newtoneina
B = magneettivuon tiheys Teslassa
A = napojen pinta-ala m2
µ0 = magneettinen permeabiliteettivakio, (4π x 10-7)
Laskemme esimerkiksi puristusvoiman vuontiheydelle 2 Tesla:
Näin ollen F = ½ (2)2 A/µ0
Pinta-alan yksikkövoiman (paineen) osalta voimme pudottaa "A":n kaavaan.
Siten Paine = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Tämä on 1 590 000 N/m2.
Muuntaaksesi tämän kilovoimaksi se voidaan jakaa g:llä (9,81).
Siten: Paine = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Tämä vastaa melko hyvin yllä olevassa kaaviossa näkyvää nollavälille mitattua voimaa.
Tämä luku voidaan helposti muuntaa tietyn koneen kokonaispuristusvoimaksi kertomalla se koneen napa-alalla.Mallissa 1250E tangon pinta-ala on 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Siten kokonaisvoima, nollaväli, olisi (735 x 16,2) = 11 900 kg tai 11,9 tonnia;noin 9,5 tonnia magneetin pituusmetriä kohti.
Vuontiheys ja puristuspaine liittyvät suoraan toisiinsa, ja ne on esitetty alla:
Käytännön puristusvoima:
Käytännössä tämä suuri puristusvoima toteutuu vain silloin, kun sitä ei tarvita(!), eli ohuita terästyökappaleita taivutettaessa.Ei-rautapitoisia työkappaleita taivutettaessa voima on pienempi, kuten yllä olevassa kaaviossa näkyy, ja (hieman omituisesti) se on pienempi myös paksuja terästyökappaleita taivutettaessa.Tämä johtuu siitä, että jyrkän taivutuksen tekemiseen tarvittava puristusvoima on paljon suurempi kuin sädetaivutus.Joten mitä tapahtuu, on se, että taivutuksen edetessä puristintangon etureuna nousee hieman, jolloin työkappale voi muodostaa säteen.
Muodostunut pieni ilmarako aiheuttaa hieman puristusvoiman menetystä, mutta säteen taivutuksen muodostamiseen tarvittava voima on pudonnut voimakkaammin kuin magneetin puristusvoima.Näin syntyy vakaa tilanne ja puristin ei päästä irti.
Yllä on kuvattu taivutustapa, kun kone on lähellä paksuusrajaansa.Jos kokeillaan vielä paksumpaa työkappaletta, puristustanko tietysti nousee.
Tämä kaavio viittaa siihen, että jos puristintangon nokkareuna olisi hieman säteillyt terävän sijaan, niin paksun taivutuksen ilmarako pienenee.
Todellakin näin on, ja oikein tehdyssä Magnabendissä on kiristystanko, jossa on säteellinen reuna.(Säteinen reuna on myös paljon vähemmän altis tahattomille vaurioille kuin terävä reuna).
Taivutusvirheen marginaalinen tila:
Jos yritetään taivuttaa erittäin paksua työkappaletta, kone ei pysty taivuttamaan sitä, koska puristin yksinkertaisesti nousee pois.(Onneksi tämä ei tapahdu dramaattisella tavalla; puristin vain päästää irti hiljaa).
Jos taivutuskuorma on kuitenkin vain hieman suurempi kuin magneetin taivutuskyky, yleensä tapahtuu niin, että taivutus etenee noin 60 astetta ja sitten puristin alkaa liukua taaksepäin.Tässä vikatilassa magneetti voi vastustaa taivutuskuormitusta vain epäsuorasti aiheuttamalla kitkaa työkappaleen ja magneetin alustan välille.
Paksuusero noususta johtuvan vian ja liukumisen aiheuttaman vian välillä ei yleensä ole kovin suuri.
Nostovika johtuu siitä, että työkappale nostaa kiinnitystangon etureunaa ylöspäin.Puristintangon etureunassa oleva puristusvoima vastustaa tätä pääasiassa.Takareunan kiinnityksellä on vain vähän vaikutusta, koska se on lähellä kiinnitystangon nivelkohtaa.Itse asiassa vain puolet kokonaispuristusvoimasta vastustaa nostoa.
Toisaalta liukumista vastustaa kokonaispuristusvoima, mutta vain kitkan kautta, joten todellinen vastus riippuu työkappaleen ja magneetin pinnan välisestä kitkakertoimesta.
Puhtaalla ja kuivalla teräksellä kitkakerroin voi olla jopa 0,8, mutta jos voitelu on läsnä, se voi olla jopa 0,2.Tyypillisesti se on jossain siltä väliltä, että taivutusvaurion marginaalinen tila johtuu yleensä liukumisesta, mutta yritykset lisätä kitkaa magneetin pinnalla on todettu turhaksi.
Paksuuskapasiteetti:
E-tyypin magneettirungolle, joka on 98 mm leveä ja 48 mm syvä, ja 3 800 ampeerikierroskelalla, täyspitkän taivutuskapasiteetti on 1,6 mm.Tämä paksuus koskee sekä teräslevyä että alumiinilevyä.Alumiinilevyssä on vähemmän puristusta, mutta sen taivuttaminen vaatii vähemmän vääntömomenttia, joten tämä kompensoi siten, että molemmille metallityypeille saadaan samanlainen kapasiteetti.
Ilmoitetun taivutuskapasiteetin suhteen on oltava varoituksia: Pääasiallinen on, että levyn myötöraja voi vaihdella suuresti.1,6 mm:n kapasiteetti koskee terästä, jonka myötöraja on enintään 250 MPa, ja alumiinia, jonka myötöraja on enintään 140 MPa.
Ruostumattoman teräksen paksuuskapasiteetti on noin 1,0 mm.Tämä kapasiteetti on huomattavasti pienempi kuin useimpien muiden metallien, koska ruostumaton teräs on yleensä ei-magneettinen ja silti sillä on kohtuullisen korkea myötöraja.
Toinen tekijä on magneetin lämpötila.Jos magneetin on annettu kuumentua, kelan vastus on suurempi ja tämä puolestaan saa sen vetämään vähemmän virtaa, minkä seurauksena ampeerikierrokset ja kiristysvoima ovat pienemmät.(Tämä vaikutus on yleensä melko kohtalainen, eikä se todennäköisesti aiheuta sitä, että kone ei täytä sen vaatimuksia).
Lopuksi paksumman kapasiteetin Magnabends voidaan tehdä, jos magneetin poikkileikkaus oli suurempi.