MAGNABEND - PODSTAWOWE UWAGI PROJEKTOWE
Podstawowy projekt magnesu
Maszyna Magnabend została zaprojektowana jako silny magnes prądu stałego o ograniczonym cyklu pracy.
Maszyna składa się z 3 podstawowych części:-
Korpus magnesu, który stanowi podstawę maszyny i zawiera cewkę elektromagnesu.
Listwa zaciskowa, która zapewnia ścieżkę strumienia magnetycznego między biegunami podstawy magnesu, a tym samym zaciska obrabiany przedmiot z blachy.
Belka zginająca, która jest obracana do przedniej krawędzi korpusu magnesu i zapewnia środki do przykładania siły zginającej do przedmiotu obrabianego.
Konfiguracje korpusu magnesu
Możliwe są różne konfiguracje korpusu magnesu.
Oto 2, które zostały użyte w maszynach Magnabend:
Czerwone przerywane linie na powyższych rysunkach przedstawiają ścieżki strumienia magnetycznego.Należy zauważyć, że konstrukcja „Typu U” ma pojedynczą ścieżkę strumienia (1 para biegunów), podczas gdy konstrukcja „Typu E” ma 2 ścieżki strumienia (2 pary biegunów).
Porównanie konfiguracji magnesu:
Konfiguracja typu E jest bardziej wydajna niż konfiguracja typu U.
Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, rozważ dwa poniższe rysunki.
Po lewej stronie znajduje się przekrój magnesu typu U, a po prawej magnes typu E, który powstał przez połączenie 2 takich samych typów U.Jeśli każda konfiguracja magnesu jest napędzana przez cewkę o tych samych amperoobrotach, to wyraźnie podwojony magnes (typu E) będzie miał dwukrotnie większą siłę docisku.Zużywa również dwa razy więcej stali, ale prawie nie ma drutu na cewkę!(Zakładając długą konstrukcję cewki).
(Niewielka ilość dodatkowego drutu byłaby potrzebna tylko dlatego, że dwie nogi cewki są dalej od siebie oddalone w projekcie „E”, ale ten dodatek staje się nieistotny w przypadku konstrukcji długiej cewki, takiej jak w przypadku Magnabend).
Super Magnabend:
Aby zbudować jeszcze silniejszy magnes, koncepcję „E” można rozszerzyć, tak jak ta konfiguracja podwójnego E:
Model 3D:
Poniżej rysunek 3D przedstawiający podstawowe rozmieszczenie części w magnesie typu U:
W tym projekcie przednie i tylne słupki są oddzielnymi częściami i są przymocowane śrubami do części rdzenia.
Chociaż w zasadzie byłoby możliwe wykonanie korpusu magnesu typu U z jednego kawałka stali, wówczas nie byłoby możliwe zainstalowanie cewki, a zatem cewka musiałaby być nawinięta na miejscu (na obrobionym korpusie magnesu). ).
W sytuacji produkcyjnej bardzo pożądana jest możliwość oddzielnego nawijania cewek (na specjalnej matrycy).W ten sposób konstrukcja typu U skutecznie dyktuje konstrukcję prefabrykowaną.
Z drugiej strony konstrukcja typu E dobrze nadaje się do korpusu magnesu wykonanego z jednego kawałka stali, ponieważ wstępnie wykonaną cewkę można łatwo zainstalować po obróbce korpusu magnesu.Jednoczęściowy korpus magnesu działa również lepiej magnetycznie, ponieważ nie ma żadnych szczelin konstrukcyjnych, które w przeciwnym razie nieznacznie zmniejszyłyby strumień magnetyczny (a tym samym siłę docisku).
(Większość Magnabendów wyprodukowanych po 1990 roku wykorzystywała konstrukcję typu E).
Wybór materiału do budowy magnesu
Korpus magnesu i listwa zaciskowa muszą być wykonane z materiału ferromagnetycznego (magnesowalnego).Stal jest zdecydowanie najtańszym materiałem ferromagnetycznym i jest oczywistym wyborem.Dostępne są jednak różne gatunki stali specjalnych, które można rozważyć.
1) Stal krzemowa: stal o wysokiej rezystywności, która jest zwykle dostępna w cienkich warstwach i jest stosowana w transformatorach prądu przemiennego, magnesach prądu przemiennego, przekaźnikach itp. Jej właściwości nie są wymagane w przypadku Magnabend, który jest magnesem prądu stałego.
2) Miękkie żelazo: Ten materiał wykazywałby niższy magnetyzm szczątkowy, co byłoby dobre dla maszyny Magnabend, ale jest fizycznie miękkie, co oznaczałoby, że łatwo by się wgniatał i uszkadzał;lepiej rozwiązać problem magnetyzmu szczątkowego w inny sposób.
3) Żeliwo: Nie tak łatwo namagnesowane jak stal walcowana, ale można je rozważyć.
4) Stal nierdzewna typu 416 : Nie może być namagnesowana tak silnie jak stal i jest znacznie droższa (ale może być przydatna w przypadku cienkiej powierzchni ochronnej na korpusie magnesu).
5) Stal nierdzewna typu 316 : Jest to niemagnetyczny stop stali i dlatego w ogóle nie jest odpowiedni (z wyjątkiem punktu 4 powyżej).
6) Stal średniowęglowa, typ K1045: Ten materiał jest wyjątkowo odpowiedni do budowy magnesu (i innych części maszyny).W stanie fabrycznym jest dość twardy i dobrze się obrabia.
7) Stal średniowęglowa typu CS1020: Ta stal nie jest tak twarda jak K1045, ale jest łatwiej dostępna i dlatego może być najbardziej praktycznym wyborem do budowy maszyny Magnabend.
Pamiętaj, że ważne właściwości, które są wymagane, to:
Namagnesowanie wysokiego nasycenia.(Większość stopów stali nasyca się przy około 2 Tesla),
Dostępność przydatnych rozmiarów sekcji,
Odporność na przypadkowe uszkodzenia,
Obrabialność i
Rozsądna cena.
Stal średniowęglowa dobrze spełnia wszystkie te wymagania.Można również zastosować stal niskowęglową, ale jest ona mniej odporna na przypadkowe uszkodzenia.Istnieją również inne specjalne stopy, takie jak supermendur, które mają wyższe namagnesowanie nasycenia, ale nie należy ich brać pod uwagę ze względu na ich bardzo wysoki koszt w porównaniu ze stalą.
Stal średniowęglowa wykazuje jednak pewien magnetyzm szczątkowy, który jest wystarczający, aby być uciążliwym.(Patrz rozdział dotyczący magnetyzmu szczątkowego).
Cewka
Cewka napędza strumień magnesujący przez elektromagnes.Jego siła magnesowania jest po prostu iloczynem liczby zwojów (N) i prądu cewki (I).Zatem:
N = liczba zwojów
I = prąd w uzwojeniach.
Pojawienie się „N” w powyższym wzorze prowadzi do powszechnego nieporozumienia.
Powszechnie przyjmuje się, że zwiększenie liczby zwojów zwiększy siłę magnesowania, ale generalnie tak się nie dzieje, ponieważ dodatkowe zwoje również zmniejszają prąd, I.
Rozważmy cewkę zasilaną stałym napięciem stałym.Jeśli liczba zwojów zostanie podwojona, to rezystancja uzwojeń również zostanie podwojona (w długiej cewce), a tym samym prąd zmniejszy się o połowę.Efektem netto jest brak wzrostu wskaźnika NI.
Tym, co naprawdę określa NI, jest opór na turę.Tak więc, aby zwiększyć NI, należy zwiększyć grubość drutu.Wartość dodatkowych zwojów polega na tym, że zmniejszają prąd, a tym samym rozpraszanie mocy w cewce.
Projektant powinien mieć na uwadze, że grubość drutu jest tym, co tak naprawdę określa siłę magnesowania cewki.Jest to najważniejszy parametr konstrukcji cewki.
Produkt NI jest często nazywany „zwojami amperów” cewki.
Ile amperokrętów jest potrzebnych?
Stal wykazuje namagnesowanie nasycenia o wartości około 2 tesli, co wyznacza fundamentalną granicę, jaką można uzyskać siłę docisku.
Z powyższego wykresu widzimy, że siła pola wymagana do uzyskania gęstości strumienia 2 Tesli wynosi około 20 000 amperoobrotów na metr.
Teraz, dla typowej konstrukcji Magnabend, długość ścieżki strumienia w stali wynosi około 1/5 metra, a zatem będzie wymagać (20 000/5) AT do wytworzenia nasycenia, czyli około 4000 AT.
Byłoby miło mieć znacznie więcej zwojów amperów niż to, aby namagnesowanie nasycenia mogło być utrzymane nawet wtedy, gdy do obwodu magnetycznego zostaną wprowadzone niemagnetyczne szczeliny (tj. Nieżelazne przedmioty obrabiane).Jednak dodatkowe zwoje amperów można uzyskać tylko przy znacznych kosztach rozpraszania mocy lub kosztu drutu miedzianego, lub obu.Dlatego potrzebny jest kompromis.
Typowe konstrukcje Magnabend mają cewkę, która wytwarza 3800 amperów zwojów.
Zauważ, że ta liczba nie zależy od długości maszyny.Jeśli ta sama konstrukcja magnetyczna zostanie zastosowana na różnych długościach maszyny, oznacza to, że dłuższe maszyny będą miały mniej zwojów grubszego drutu.Pobiorą więcej prądu całkowitego, ale będą miały ten sam iloczyn amperów x zwojów i będą miały taką samą siłę zacisku (i takie samo rozpraszanie mocy) na jednostkę długości.
Cykl pracy
Pojęcie cyklu pracy jest bardzo ważnym aspektem konstrukcji elektromagnesu.Jeżeli projekt przewiduje większy cykl pracy niż jest to potrzebne, to nie jest optymalny.Większy cykl pracy z natury oznacza, że potrzeba więcej drutu miedzianego (co w konsekwencji wyższy koszt) i/lub będzie dostępna mniejsza siła zacisku.
Uwaga: magnes o wyższym cyklu pracy będzie miał mniejsze rozpraszanie mocy, co oznacza, że będzie zużywał mniej energii, a tym samym będzie tańszy w eksploatacji.Jednakże, ponieważ magnes jest WŁĄCZONY tylko przez krótkie okresy, koszt energii działania jest zwykle uważany za mało istotny.W związku z tym podejście projektowe polega na zapewnieniu jak największego rozpraszania mocy, aby uniknąć przegrzania uzwojeń cewki.(To podejście jest wspólne dla większości projektów elektromagnesów).
Magnabend jest przeznaczony do nominalnego cyklu pracy około 25%.
Zwykle wykonanie zakrętu zajmuje tylko 2 lub 3 sekundy.Magnes zostanie następnie wyłączony na kolejne 8 do 10 sekund, podczas gdy obrabiany przedmiot zostanie przesunięty i wyrównany, gotowy do następnego gięcia.Jeśli przekroczony zostanie 25% cykl pracy, w końcu magnes się za bardzo nagrzeje i zadziała przeciążenie termiczne.Magnes nie ulegnie uszkodzeniu, ale przed ponownym użyciem należy go pozostawić do ostygnięcia przez około 30 minut.
Doświadczenia eksploatacyjne z maszynami w terenie wykazały, że 25% cykl pracy jest całkiem odpowiedni dla typowych użytkowników.W rzeczywistości niektórzy użytkownicy prosili o opcjonalne wersje maszyny o dużej mocy, które mają większą siłę mocowania kosztem mniejszego cyklu pracy.
Pole przekroju cewki
Pole przekroju poprzecznego dostępnego dla cewki określi maksymalną ilość drutu miedzianego, który może zostać włożony. Dostępny obszar nie powinien być większy niż jest to potrzebne, zgodnie z wymaganymi zwojami amperów i stratami mocy.Zapewnienie większej przestrzeni na cewkę nieuchronnie zwiększy rozmiar magnesu i spowoduje wydłużenie ścieżki strumienia w stali (co zmniejszy całkowity strumień).
Ten sam argument sugeruje, że bez względu na przestrzeń na cewkę przewidzianą w projekcie, zawsze powinna być ona wypełniona drutem miedzianym.Jeśli nie jest pełny, oznacza to, że geometria magnesu mogła być lepsza.
Siła zacisku Magnabend:
Poniższy wykres został uzyskany na podstawie pomiarów eksperymentalnych, ale dość dobrze zgadza się z obliczeniami teoretycznymi.
Siłę docisku można matematycznie obliczyć z tego wzoru:
F = siła w Newtonach
B = gęstość strumienia magnetycznego w Teslach
A = powierzchnia słupów w m2
µ0 = stała przepuszczalności magnetycznej, (4π x 10-7)
Na przykład obliczymy siłę docisku dla gęstości strumienia 2 Tesli:
Zatem F = ½ (2)2 A/µ0
Dla siły działającej na jednostkę powierzchni (ciśnienie) możemy wpisać „A” we wzorze.
Zatem ciśnienie = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Daje to 1 590 000 N/m2.
Aby przeliczyć to na siłę w kilogramach, można ją podzielić przez g (9,81).
I tak: Ciśnienie = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Zgadza się to dość dobrze ze zmierzoną siłą dla zerowej przerwy pokazanej na powyższym wykresie.
Wartość tę można łatwo przeliczyć na całkowitą siłę zacisku dla danej maszyny, mnożąc ją przez pole powierzchni bieguna maszyny.Dla modelu 1250E powierzchnia bieguna wynosi 125 (1,4+3,0+1,5) = 735 cm2.
Zatem całkowita, zerowa szczelina siła wynosiłaby (735 x 16,2) = 11 900 kg lub 11,9 ton;około 9,5 tony na metr długości magnesu.
Gęstość strumienia i ciśnienie docisku są bezpośrednio ze sobą powiązane i są pokazane na wykresie poniżej:
Praktyczna siła mocowania:
W praktyce tak duża siła docisku jest realizowana tylko wtedy, gdy nie jest potrzebna(!), czyli przy gięciu cienkich elementów stalowych.Podczas gięcia przedmiotów nieżelaznych siła będzie mniejsza, jak pokazano na powyższym wykresie, i (co ciekawe) będzie również mniejsza podczas gięcia grubych przedmiotów stalowych.Dzieje się tak, ponieważ siła zacisku potrzebna do wykonania ostrego gięcia jest znacznie większa niż siła potrzebna do gięcia promieniowego.Tak więc dzieje się tak, że w miarę postępu gięcia, przednia krawędź listwy zaciskowej unosi się nieznacznie, umożliwiając obrabianemu przedmiotowi uformowanie promienia.
Powstająca mała szczelina powietrzna powoduje niewielką utratę siły docisku, ale siła potrzebna do uformowania zagięcia promieniowego spadła bardziej gwałtownie niż siła docisku magnesu.W ten sposób powstaje stabilna sytuacja, a listwa zaciskowa nie puszcza.
To, co opisano powyżej, to tryb gięcia, gdy maszyna zbliża się do granicy grubości.Jeśli wypróbowany zostanie jeszcze grubszy przedmiot, to oczywiście listwa zaciskowa uniesie się.
Ten diagram sugeruje, że gdyby krawędź noska listwy zaciskowej była nieco zaokrąglona, a nie ostra, szczelina powietrzna dla grubego gięcia byłaby zmniejszona.
Rzeczywiście tak jest i prawidłowo wykonany Magnabend będzie miał docisk z zaokrągloną krawędzią.(Zaokrąglona krawędź jest również znacznie mniej podatna na przypadkowe uszkodzenia w porównaniu z ostrą krawędzią).
Krańcowy tryb uszkodzenia zginania:
Jeśli próba zgięcia zostanie podjęta na bardzo grubym przedmiocie obrabianym, maszyna nie zginie go, ponieważ listwa zaciskowa po prostu się podniesie.(Na szczęście nie dzieje się to w dramatyczny sposób; listwa zaciskowa po prostu puszcza się cicho).
Jeśli jednak obciążenie zginające jest tylko nieznacznie większe niż zdolność zginania magnesu, to generalnie dzieje się tak, że zgięcie zacznie mówić o około 60 stopniach, a następnie listwa zaciskowa zacznie się przesuwać do tyłu.W tym trybie awarii magnes może oprzeć się obciążeniu zginającemu tylko pośrednio, tworząc tarcie między przedmiotem obrabianym a łożem magnesu.
Różnica grubości między uszkodzeniem z powodu oderwania a uszkodzeniem z powodu poślizgu jest generalnie niewielka.
Awaria podczas odrywania jest spowodowana unoszeniem przez obrabiany przedmiot przedniej krawędzi listwy zaciskowej do góry.Siła zacisku na przedniej krawędzi listwy zaciskowej jest głównie tym, co się temu opiera.Zacisk na tylnej krawędzi ma niewielki wpływ, ponieważ znajduje się blisko miejsca, w którym obraca się listwa zaciskowa.W rzeczywistości jest to tylko połowa całkowitej siły zaciskania, która jest odporna na oderwanie.
Z drugiej strony poślizgowi przeciwdziała całkowita siła docisku, ale tylko poprzez tarcie, więc rzeczywisty opór zależy od współczynnika tarcia między przedmiotem obrabianym a powierzchnią magnesu.
W przypadku czystej i suchej stali współczynnik tarcia może wynosić nawet 0,8, ale jeśli występuje smarowanie, może on wynosić nawet 0,2.Zazwyczaj będzie to gdzieś pośrodku, tak że marginalny tryb zniszczenia zginania jest zwykle spowodowany poślizgiem, ale próby zwiększenia tarcia na powierzchni magnesu okazały się nieopłacalne.
Pojemność grubości:
W przypadku korpusu magnesu typu E o szerokości 98 mm i głębokości 48 mm oraz z cewką o zwoju 3800 amperów, zdolność gięcia na całej długości wynosi 1,6 mm.Ta grubość dotyczy zarówno blachy stalowej, jak i aluminiowej.Będzie mniej zaciskania na blasze aluminiowej, ale wymaga mniejszego momentu obrotowego do jej zgięcia, więc kompensuje to w taki sposób, aby uzyskać podobną średnicę dla obu rodzajów metalu.
Muszą istnieć pewne zastrzeżenia dotyczące podanej wytrzymałości na zginanie: głównym z nich jest to, że granica plastyczności blachy może się znacznie różnić.Pojemność 1,6 mm dotyczy stali o granicy plastyczności do 250 MPa oraz aluminium o granicy plastyczności do 140 MPa.
Zdolność do grubości w stali nierdzewnej wynosi około 1,0 mm.Ta pojemność jest znacznie mniejsza niż w przypadku większości innych metali, ponieważ stal nierdzewna jest zwykle niemagnetyczna, a mimo to ma dość wysoką granicę plastyczności.
Kolejnym czynnikiem jest temperatura magnesu.Jeśli pozwoli się na rozgrzanie magnesu, wówczas rezystancja cewki będzie wyższa, a to z kolei spowoduje, że będzie on pobierał mniej prądu, co w konsekwencji spowoduje mniejsze amperokręty i mniejszą siłę docisku.(Ten efekt jest zwykle dość umiarkowany i jest mało prawdopodobne, aby maszyna nie spełniała swoich specyfikacji).
Wreszcie, Magnabendy o większej pojemności mogłyby być wykonane, gdyby przekrój magnesu był większy.