МАГНАБЕНД - ФУНДАМЕНТАЛНА РАЗМАТРАЊА О ДИЗАЈНУ
Основни дизајн магнета
Магнабенд машина је дизајнирана као моћан ДЦ магнет са ограниченим радним циклусом.
Машина се састоји од 3 основна дела:-
Тело магнета које чини основу машине и садржи калем електромагнета.
Стезна шипка која обезбеђује пут за магнетни флукс између полова базе магнета и на тај начин стеже радни комад од лима.
Греда за савијање која је окренута ка предњој ивици тела магнета и обезбеђује средство за примену силе савијања на радни предмет.
Конфигурације тела магнета
Могуће су различите конфигурације за тело магнета.
Ево 2 која су оба коришћена за Магнабенд машине:
Испрекидане црвене линије на горњим цртежима представљају путање магнетног флукса.Имајте на уму да "У-Типе" дизајн има један пут флукса (1 пар полова), док "Е-Типе" дизајн има 2 путање флукса (2 пара полова).
Поређење конфигурације магнета:
Конфигурација типа Е је ефикаснија од конфигурације типа У.
Да бисте разумели зашто је то тако, размотрите два цртежа у наставку.
Са леве стране је попречни пресек магнета У-типа, а са десне стране је магнет Е-типа који је направљен комбиновањем 2 иста У-типа.Ако се свака конфигурација магнета покреће калемом са истим ампер-завојима, онда ће јасно удвостручени магнет (Е-тип) имати двоструко већу силу стезања.Такође користи двоструко више челика, али једва да има више жице за калем!(Под претпоставком дугог дизајна намотаја).
(Мала количина додатне жице би била потребна само зато што су две две ноге завојнице даље једна од друге у "Е" дизајну, али овај додатак постаје безначајан у дизајну дугачке завојнице као што се користи за Магнабенд).
Супер Магнабенд:
Да би се направио још моћнији магнет, концепт "Е" се може проширити као што је ова двострука Е конфигурација:
3-Д модел:
Испод је 3-Д цртеж који приказује основни распоред делова у магнету типа У:
У овом дизајну предњи и задњи стуб су одвојени делови и причвршћени су вијцима за језгро.
Иако би у принципу било могуће да се тело магнета У-типа обради од једног комада челика, тада не би било могуће инсталирати завојницу и стога би завојница морала да се намота на лицу места (на машински обрађеном телу магнета ).
У производној ситуацији веома је пожељно имати могућност да се калемови намотају одвојено (на специјалном калупу).Тако У-тип дизајна ефективно диктира фабриковану конструкцију.
С друге стране, дизајн Е-типа се добро уклапа у тело магнета које је машински обрађено од једног комада челика јер се унапред направљени намотај може лако инсталирати након што је тело магнета обрађено.Једноделно тело магнета такође има боље магнетне перформансе јер нема никакве конструкцијске празнине које би иначе мало смањиле магнетни флукс (а самим тим и силу стезања).
(Већина Магнабенда направљених после 1990. користила је Е-тип дизајна).
Избор материјала за израду магнета
Тело магнета и стезаљка морају бити направљени од феромагнетног (магнетисаног) материјала.Челик је далеко најјефтинији феромагнетни материјал и очигледан је избор.Међутим, постоје различити специјални челици који се могу узети у обзир.
1) Силицијум челик: Челик високе отпорности који је обично доступан у танким слојевима и користи се у АЦ трансформаторима, АЦ магнетима, релејима итд. Његова својства нису потребна за Магнабенд који је ДЦ магнет.
2) Меко гвожђе: Овај материјал би показао мањи резидуални магнетизам што би било добро за Магнабенд машину, али је физички меко што би значило да би се лако удубио и оштетио;боље је решити проблем заосталог магнетизма на неки други начин.
3) Ливено гвожђе: Није тако лако магнетизовано као ваљани челик, али се може узети у обзир.
4) Нерђајући челик типа 416: Не може се магнетизовати тако снажно као челик и много је скупљи (али може бити користан за танку заштитну површину на телу магнета).
5) Нерђајући челик типа 316: Ово је немагнетна легура челика и стога уопште није прикладна (осим као у 4 горе).
6) Средњи угљенични челик, тип К1045: Овај материјал је изузетно погодан за конструкцију магнета (и других делова машине).Прилично је тврд у стању као што је испоручено, а такође се добро обрађује.
7) Средњи угљенични челик тип ЦС1020: Овај челик није тако тврд као К1045, али је лакше доступан и стога може бити најпрактичнији избор за конструкцију Магнабенд машине.
Имајте на уму да су важна својства која су потребна су:
Магнетизација високог засићења.(Већина легура челика засићена је на око 2 Тесла),
Доступност корисних величина секција,
Отпорност на случајна оштећења,
Обрадивост, и
Разуман трошак.
Средњи угљенични челик добро одговара свим овим захтевима.Нискоугљенични челик се такође може користити, али је мање отпоран на случајна оштећења.Постоје и друге специјалне легуре, као што је супермендур, које имају већу магнетизацију засићења, али се не узимају у обзир због њихове веома високе цене у поређењу са челиком.
Средњи угљенични челик ипак показује неки преостали магнетизам који је довољан да буде сметња.(Погледајте одељак о резидуалном магнетизму).
Тхе Цоил
Завојница је оно што покреће магнетизирајући флукс кроз електромагнет.Његова сила магнетизирања је само производ броја завоја (Н) и струје завојнице (И).Тако:
Н = број окрета
И = струја у намотајима.
Појава "Н" у горњој формули доводи до уобичајене заблуде.
Широко се претпоставља да ће повећање броја завоја повећати силу магнетизирања, али генерално се то не дешава јер додатни завоји такође смањују струју, И.
Узмите у обзир калем који се напаја са фиксним једносмерним напоном.Ако се број завоја удвостручи онда ће се и отпор намотаја удвостручити (у дугом калему) и тиме ће се струја преполовити.Нето ефекат није повећање НИ.
Оно што заиста одређује НИ је отпор по окрету.Дакле, да би се повећао НИ, дебљина жице се мора повећати.Вредност додатних завоја је у томе што они смањују струју, а самим тим и расипање снаге у калему.
Дизајнер треба да има на уму да је мерач жице оно што заиста одређује силу магнетизације завојнице.Ово је најважнији параметар дизајна завојнице.
НИ производ се често назива "амперски окрет" завојнице.
Колико ампера је потребно?
Челик показује магнетизацију засићења од око 2 Тесла и то поставља фундаментално ограничење колика сила стезања може да се добије.
Из горњег графикона видимо да је снага поља потребна да би се добила густина флукса од 2 Тесле око 20.000 ампер-завоја по метру.
Сада, за типичан Магнабенд дизајн, дужина путање флукса у челику је око 1/5 метра и стога ће бити потребно (20.000/5) АТ да произведе засићење, то је око 4.000 АТ.
Било би лепо имати много више амперских обртаја од овога како би се магнетизација засићења могла одржати чак и када се немагнетне празнине (тј. обрадаци од обојених гвожђа) уводе у магнетно коло.Међутим, додатни амперски обрти се могу добити само уз значајну цену у расипавању снаге или цену бакарне жице, или обоје.Дакле, потребан је компромис.
Типични Магнабенд дизајни имају калем који производи 3.800 ампера.
Имајте на уму да ова цифра не зависи од дужине машине.Ако се исти магнетни дизајн примени на низ дужина машина, онда то диктира да ће дуже машине имати мање завоја дебље жице.Они ће повући више укупне струје, али ће имати исти производ ампера к обртаја и имаће исту силу стезања (и исту дисипацију снаге) по јединици дужине.
Радни циклус
Концепт радног циклуса је веома важан аспект дизајна електромагнета.Ако дизајн предвиђа већи радни циклус него што је потребно, онда то није оптимално.Већи радни циклус инхерентно значи да ће бити потребно више бакарне жице (са последичним већим трошковима) и/или ће бити доступна мања сила стезања.
Напомена: Магнет већег радног циклуса ће имати мање расипање енергије што значи да ће користити мање енергије и самим тим бити јефтинији за рад.Међутим, пошто је магнет УКЉУЧЕН само на кратко, онда се трошкови енергије за рад обично сматрају од врло малог значаја.Стога је приступ дизајну да имате онолико расипање снаге колико можете да се извучете у смислу не прегревања намотаја завојнице.(Овај приступ је уобичајен за већину дизајна електромагнета).
Магнабенд је дизајниран за номинални радни циклус од око 25%.
Обично је потребно само 2 или 3 секунде да се направи кривина.Магнет ће тада бити искључен још 8 до 10 секунди док се радни предмет поново позиционира и поравнава спреман за следеће савијање.Ако се прекорачи радни циклус од 25%, магнет ће се на крају прегрејати и доћи ће до термичког преоптерећења.Магнет се неће оштетити, али ће морати да се охлади око 30 минута пре него што се поново употреби.
Оперативно искуство са машинама на терену показало је да је радни циклус од 25% сасвим адекватан за типичне кориснике.У ствари, неки корисници су тражили опционе верзије машине велике снаге које имају већу силу стезања на рачун мањег радног циклуса.
Површина попречног пресека намотаја
Површина попречног пресека доступна за калем ће одредити максималну количину бакарне жице која може да се угради. Доступна површина не би требало да буде већа него што је потребно, у складу са потребним завојима ампера и дисипацијом снаге.Обезбеђивање више простора за калем ће неизбежно повећати величину магнета и резултирати већом дужином путање флукса у челику (што ће смањити укупан флукс).
Исти аргумент имплицира да који год простор завојнице предвиђен у дизајну, он увек треба да буде пун бакарном жицом.Ако није пун, то значи да је геометрија магнета могла бити боља.
Магнабенд сила стезања:
Доњи графикон је добијен експерименталним мерењима, али се прилично добро слаже са теоријским прорачунима.
Сила стезања може се математички израчунати из ове формуле:
Ф = сила у Њутнима
Б = густина магнетног флукса у Теслас
А = површина стубова у м2
µ0 = константа магнетне пермеабилности, (4π к 10-7)
За пример ћемо израчунати силу стезања за густину флукса од 2 Тесла:
Дакле, Ф = ½ (2)2 А/µ0
За силу на јединичну површину (притисак) можемо испустити "А" у формули.
Тако је притисак = 2/µ0 = 2/(4π к 10-7) Н/м2.
Ово излази на 1.590.000 Н/м2.
Да би се ово претворило у силу килограма, може се поделити са г (9,81).
Дакле: Притисак = 162,080 кг/м2 = 16,2 кг/цм2.
Ово се прилично добро слаже са измереном силом за нулти размак приказаном на горњем графикону.
Ова цифра се лако може претворити у укупну силу стезања за дату машину множењем са површином пола машине.За модел 1250Е површина стуба је 125(1,4+3,0+1,5) =735 цм2.
Тако би укупна сила без размака била (735 к 16,2) = 11.900 кг или 11,9 тона;око 9,5 тона по метру дужине магнета.
Густина протока и притисак стезања су директно повезани и приказани су на графикону испод:
Практична сила стезања:
У пракси се ова велика сила стезања остварује само када није потребна(!), односно при савијању танких челичних обрадака.Приликом савијања предмета од обојених гвожђа сила ће бити мања као што је приказано на горњем графикону, и (мало чудно), такође је мања када се савијају дебели челични обрадаци.То је зато што је сила стезања потребна да се направи оштар кривина много већа од оне која је потребна за кривину радијуса.Дакле, оно што се дешава је да се, како се савијање одвија, предња ивица стезне шипке лагано подиже и тако омогућава радном предмету да формира радијус.
Мали ваздушни зазор који се формира изазива благи губитак силе стезања, али сила потребна за формирање кривине радијуса је опала оштрије него што је сила стезања магнета.Тако се добија стабилна ситуација и стезаљка се не пушта.
Оно што је горе описано је начин савијања када је машина близу границе дебљине.Ако се покуша са још дебљим радним комадом, онда ће се стезаљка, наравно, подићи.
Овај дијаграм сугерише да ако је носна ивица стезне шипке мало заобљена, а не оштра, онда би се ваздушни зазор за дебело савијање смањио.
Заиста је то случај и правилно направљен Магнабенд ће имати стезаљку са заобљеном ивицом.(Ивица са радијусом је такође много мање склона случајним оштећењима у поређењу са оштром ивицом).
Гранични начин неуспјеха савијања:
Ако се покуша савијање на веома дебелом радном комаду, машина неће успети да га савије јер ће се стезаљка једноставно подићи.(Срећом, ово се не дешава на драматичан начин; стезаљка се само тихо пушта).
Међутим, ако је оптерећење савијања само мало веће од капацитета савијања магнета, онда се генерално дешава да ће савијање наставити да каже око 60 степени и онда ће стезаљка почети да клизи уназад.У овом режиму квара магнет може да се одупре оптерећењу савијања само индиректно стварајући трење између радног предмета и лежишта магнета.
Разлика у дебљини између квара услед подизања и квара услед клизања генерално није велика.
До квара при подизању долази због тога што радни предмет помера предњу ивицу стезне шипке нагоре.Сила стезања на предњој ивици стезне шипке је углавном оно што се томе опире.Стезање на задњој ивици има мали ефекат јер је близу места где се стезаљка окреће.У ствари, то је само половина укупне силе стезања која се опире подизању.
С друге стране, клизање је отпорно укупном силом стезања, али само путем трења, тако да стварни отпор зависи од коефицијента трења између радног предмета и површине магнета.
За чист и сув челик коефицијент трења може бити и до 0,8, али ако је присутно подмазивање онда може бити и до 0,2.Обично ће то бити негде између, тако да је маргинални начин квара на савијању обично последица клизања, али се показало да покушаји да се повећа трење на површини магнета нису вредни труда.
Капацитет дебљине:
За тело магнета типа Е ширине 98 мм и дубине 48 мм и са калемом од 3.800 ампера, капацитет савијања пуне дужине је 1,6 мм.Ова дебљина се односи и на челични и на алуминијумски лим.Биће мање стезања на алуминијумској плочи, али је потребно мање обртног момента да би се савијао, тако да се ово компензује на такав начин да даје сличан капацитет мерача за обе врсте метала.
Морају постојати нека упозорења у вези са наведеним капацитетом савијања: главна је да јачина течења лима може да варира у великој мери.Капацитет од 1,6 мм се односи на челик са напоном течења до 250 МПа и на алуминијум са напоном течења до 140 МПа.
Капацитет дебљине нерђајућег челика је око 1,0 мм.Овај капацитет је знатно мањи него код већине других метала јер је нерђајући челик обично немагнетни, а ипак има прилично висок напон течења.
Други фактор је температура магнета.Ако се магнету дозволи да се загреје, онда ће отпор завојнице бити већи и то ће заузврат проузроковати да он повлачи мању струју са последичним мањим ампер-завојима и мањом силом стезања.(Овај ефекат је обично прилично умерен и мало је вероватно да ће довести до тога да машина не испуни своје спецификације).
Коначно, Магнабендс дебљег капацитета би се могао направити ако се попречни пресек магнета повећа.