MAGNABEND - FUNDAMENTELE ONTWERPOORWEGINGS
Basiese magneetontwerp
Die Magnabend-masjien is ontwerp as 'n kragtige GS-magneet met beperkte dienssiklus.
Die masjien bestaan uit 3 basiese dele:-
Die magneetliggaam wat die basis van die masjien vorm en die elektromagneetspoel bevat.
Die klemstaaf wat 'n pad bied vir magnetiese vloed tussen die pole van die magneetbasis, en daardeur die plaatmetaalwerkstuk vasklem.
Die buigbalk wat na die voorrand van die magneetliggaam gedraai word en bied 'n manier om buigkrag op die werkstuk toe te pas.
Magneet-liggaam konfigurasies
Verskeie konfigurasies is moontlik vir die magneetliggaam.
Hier is 2 wat albei vir Magnabend-masjiene gebruik is:
Die rooi stippellyne in die tekeninge hierbo verteenwoordig die magnetiese vloedpaaie.Let daarop dat die "U-Type"-ontwerp 'n enkele vloedbaan (1 paar pale) het, terwyl die "E-Type"-ontwerp 2 vloedbane het (2 pare pale).
Magneetkonfigurasievergelyking:
Die E-tipe konfigurasie is meer doeltreffend as die die U-tipe konfigurasie.
Om te verstaan hoekom dit so is, oorweeg die twee tekeninge hieronder.
Aan die linkerkant is 'n deursnee van 'n U-tipe magneet en aan die regterkant is 'n E-tipe magneet wat gemaak is deur 2 van dieselfde U-tipes te kombineer.As elke magneetkonfigurasie deur 'n spoel met dieselfde ampere-draaie aangedryf word, sal die verdubbelde magneet (die E-tipe) duidelik twee keer soveel klemkrag hê.Dit gebruik ook twee keer soveel staal, maar skaars meer draad vir die spoel!(As 'n lang spoel ontwerp aanvaar word).
(Die klein hoeveelheid ekstra draad sal slegs nodig wees omdat die 2 twee bene van die spoel verder uitmekaar is in die "E"-ontwerp, maar hierdie ekstra word onbeduidend in 'n lang spoelontwerp soos wat vir die Magnabend gebruik word).
Super Magnabend:
Om 'n selfs kragtiger magneet te bou, kan die "E"-konsep uitgebrei word soos hierdie dubbel-E-konfigurasie:
3D-model:
Hieronder is 'n 3-D tekening wat die basiese rangskikking van dele in 'n U-tipe magneet toon:
In hierdie ontwerp is die voorste en agterste pale afsonderlike stukke en word met boute aan die kernstuk vasgemaak.
Alhoewel dit in beginsel moontlik sou wees om 'n U-tipe magneetliggaam uit 'n enkele stuk staal te bewerk, sou dit dan nie moontlik wees om die spoel te installeer nie en dus sou die spoel in situ (op die gemasjineerde magneetliggaam) gewikkel moet word ).
In 'n produksiesituasie is dit hoogs wenslik om die spoele afsonderlik te kan opwikkel (op 'n spesiale vorm).Dus dikteer 'n U-tipe ontwerp effektief 'n vervaardigde konstruksie.
Aan die ander kant leen die E-tipe ontwerp hom goed tot 'n magneetliggaam wat uit 'n enkele stuk staal gemasjineer is, want 'n voorafgemaakte spoel kan maklik geïnstalleer word nadat die magneetliggaam gemasjineer is.’n Enkelstuk-magneetliggaam vaar ook magneties beter aangesien dit geen konstruksiegapings het wat andersins die magnetiese vloed (en dus die klemkrag) effens sou verminder nie.
(Die meeste Magnabends wat na 1990 gemaak is, het die E-tipe ontwerp gebruik).
Seleksie van materiaal vir magneetkonstruksie
Die magneetliggaam en die klemstang moet van ferromagnetiese (magnetiseerbare) materiaal gemaak word.Staal is verreweg die goedkoopste ferromagnetiese materiaal en is die voor die hand liggende keuse.Daar is egter verskeie spesiale staalsoorte beskikbaar wat oorweeg kan word.
1) Silikonstaal: Hoëweerstandstaal wat gewoonlik in dun laminasies beskikbaar is en in WS-transformators, WS-magnete, relais ens gebruik word. Die eienskappe daarvan word nie benodig vir die Magnabend wat 'n GS-magneet is nie.
2) Sagte yster: Hierdie materiaal sal laer oorblywende magnetisme vertoon wat goed sal wees vir 'n Magnabend-masjien, maar dit is fisies sag wat sou beteken dat dit maklik ingeduik en beskadig sou word;dit is beter om die residuele magnetisme probleem op 'n ander manier op te los.
3) Gietyster: Nie so maklik gemagnetiseer soos gerolde staal nie, maar kan oorweeg word.
4) Vlekvrye staal Tipe 416: Kan nie so sterk soos staal gemagnetiseer word nie en is baie duurder (maar kan nuttig wees vir 'n dun beskermende dekseloppervlak op die magneetliggaam).
5) Vlekvrye staal tipe 316 : Dit is 'n nie-magnetiese legering van staal en is dus glad nie geskik nie (behalwe soos in 4 hierbo).
6) Medium Koolstofstaal, tipe K1045 : Hierdie materiaal is by uitstek geskik vir die konstruksie van die magneet, (en ander dele van die masjien).Dit is redelik hard in die toestand soos verskaf en dit masjien ook goed.
7) Medium koolstofstaal tipe CS1020: Hierdie staal is nie heeltemal so hard soos K1045 nie, maar dit is meer geredelik beskikbaar en kan dus die mees praktiese keuse wees vir die konstruksie van die Magnabend-masjien.
Let daarop dat die belangrike eienskappe wat benodig word, is:
Hoë versadiging magnetisering.(Die meeste staallegerings versadig teen ongeveer 2 Tesla),
Beskikbaarheid van nuttige afdelinggroottes,
Weerstand teen toevallige skade,
Bewerkbaarheid, en
Redelike koste.
Medium koolstofstaal pas goed by al hierdie vereistes.Laekoolstofstaal kan ook gebruik word, maar dit is minder bestand teen toevallige skade.Daar bestaan ook ander spesiale legerings, soos supermendur, wat hoër versadigingsmagnetisering het, maar hulle moet nie oorweeg word nie weens hul baie hoë koste in vergelyking met staal.
Medium koolstofstaal vertoon egter 'n mate van oorblywende magnetisme wat genoeg is om 'n oorlas te wees.(Sien afdeling oor Residuele Magnetisme).
Die spoel
Die spoel is wat die magnetiserende vloed deur die elektromagneet dryf.Die magnetiseringskrag daarvan is net die produk van die aantal windings (N) en die spoelstroom (I).Dus:
N = aantal draaie
I = stroom in die windings.
Die voorkoms van "N" in die bogenoemde formule lei tot 'n algemene wanopvatting.
Dit word algemeen aanvaar dat die verhoging van die aantal windings die magnetiseringskrag sal verhoog, maar dit gebeur gewoonlik nie omdat ekstra windings ook die stroom verminder, I.
Oorweeg 'n spoel wat met 'n vaste GS-spanning voorsien word.As die aantal windings verdubbel word, sal die weerstand van die windings ook verdubbel word (in 'n lang spoel) en dus sal die stroom gehalveer word.Die netto effek is geen toename in NI nie.
Wat werklik NI bepaal, is die weerstand per beurt.Om dus NI te verhoog, moet die dikte van die draad vergroot word.Die waarde van ekstra windings is dat dit wel stroom verminder en dus die drywingsverlies in die spoel.
Die ontwerper moet daarop let dat die draadmeter is wat werklik die magnetiseringskrag van die spoel bepaal.Dit is die belangrikste parameter van spoelontwerp.
Daar word dikwels na die NI-produk verwys as die "ampere-draaie" van die spoel.
Hoeveel Ampere-draaie is nodig?
Staal vertoon 'n versadigingsmagnetisering van ongeveer 2 Tesla en dit stel 'n fundamentele beperking op hoeveel klemkrag verkry kan word.
Uit die bostaande grafiek sien ons dat die veldsterkte wat benodig word om 'n vloeddigtheid van 2 Tesla te kry, ongeveer 20 000 ampère-draaie per meter is.
Nou, vir 'n tipiese Magnabend-ontwerp, is die vloedbaanlengte in die staal ongeveer 1/5de van 'n meter en sal dus (20 000/5) AT vereis om versadiging te produseer, dit is ongeveer 4 000 AT.
Dit sal lekker wees om baie meer ampere-draaie as dit te hê sodat versadigingsmagnetisering gehandhaaf kan word selfs wanneer nie-magnetiese gapings (dws nie-ysterhoudende werkstukke) in die magnetiese stroombaan ingebring word.Ekstra ampère-draaie kan egter slegs verkry word teen aansienlike koste in kragdissipasie of koste van koperdraad, of albei.Daarom is 'n kompromie nodig.
Tipiese Magnabend-ontwerpe het 'n spoel wat 3 800 ampère-draaie produseer.
Let daarop dat hierdie syfer nie afhanklik is van die lengte van die masjien nie.As dieselfde magnetiese ontwerp oor 'n reeks masjienlengtes toegepas word, dan bepaal dit dat die langer masjiene minder draaie dikker draad sal hê.Hulle sal meer totale stroom trek, maar sal dieselfde produk van ampère x draaie hê en sal dieselfde klemkrag (en dieselfde kragdissipasie) per lengte-eenheid hê.
Dienssiklus
Die konsep van dienssiklus is 'n baie belangrike aspek van die ontwerp van die elektromagneet.As die ontwerp voorsiening maak vir meer dienssiklus as wat nodig is, is dit nie optimaal nie.Meer dienssiklus beteken inherent dat meer koperdraad nodig sal wees (met gevolglike hoër koste) en/of daar sal minder klemkrag beskikbaar wees.
Let wel: 'n Hoër dienssiklus magneet sal minder kragdissipasie hê wat beteken dat dit minder energie sal gebruik en dus goedkoper sal wees om te bedryf.Omdat die magneet egter net vir kort periodes AAN is, word die energiekoste van werking gewoonlik as van baie min betekenis beskou.Die ontwerpbenadering is dus om soveel kragafvoer te hê as waarmee jy kan wegkom in terme van om nie die windings van die spoel te oorverhit nie.(Hierdie benadering is algemeen vir die meeste elektromagneetontwerpe).
Die Magnabend is ontwerp vir 'n nominale dienssiklus van ongeveer 25%.
Dit neem gewoonlik net 2 of 3 sekondes om 'n buiging te maak.Die magneet sal dan vir 'n verdere 8 tot 10 sekondes af wees terwyl die werkstuk herposisioneer en in lyn gebring word, gereed vir die volgende buiging.As die 25% dienssiklus oorskry word, sal die magneet uiteindelik te warm word en 'n termiese oorlading sal uitskakel.Die magneet sal nie beskadig word nie, maar dit sal vir ongeveer 30 minute toegelaat moet word om af te koel voordat dit weer gebruik word.
Bedryfservaring met masjiene in die veld het getoon dat die 25% dienssiklus redelik voldoende is vir tipiese gebruikers.Trouens, sommige gebruikers het opsionele hoëkragweergawes van die masjien aangevra wat meer klemkrag het ten koste van minder dienssiklus.
Spoel Dwarssnit-oppervlakte
Die deursnee-area beskikbaar vir die spoel sal die maksimum hoeveelheid koperdraad bepaal waarin gepas kan word. Die beskikbare area moet nie meer wees as wat nodig is nie, in ooreenstemming met die vereiste ampère-draaie en kragafvoer.Die verskaffing van meer spasie vir die spoel sal onvermydelik die grootte van die magneet vergroot en 'n langer vloedbaanlengte in die staal tot gevolg hê (wat die totale vloed sal verminder).
Dieselfde argument impliseer dat watter spoelspasie ook al in die ontwerp voorsien word, dit altyd vol koperdraad moet wees.As dit nie vol is nie, beteken dit dat die magneetgeometrie beter kon gewees het.
Magnabend-klemkrag:
Die grafiek hieronder is verkry deur eksperimentele metings, maar dit stem redelik ooreen met teoretiese berekeninge.
Die klemkrag kan wiskundig uit hierdie formule bereken word:
F = krag in Newton
B = magnetiese vloeddigtheid in Teslas
A = oppervlakte van pole in m2
µ0 = magnetiese deurlaatbaarheidskonstante, (4π x 10-7)
Vir 'n voorbeeld sal ons die klemkrag vir 'n vloeddigtheid van 2 Tesla bereken:
Dus F = ½ (2)2 A/µ0
Vir 'n krag op eenheidsoppervlakte (druk) kan ons die "A" in die formule laat val.
Dus Druk = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Dit kom uit op 1 590 000 N/m2.
Om dit om te skakel na kilogram krag kan dit gedeel word deur g (9.81).
Dus: Druk = 162 080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Dit stem redelik ooreen met die gemete krag vir 'n nulgaping wat op die bostaande grafiek getoon word.
Hierdie syfer kan maklik omgeskakel word na 'n totale klemkrag vir 'n gegewe masjien deur dit te vermenigvuldig met die pooloppervlakte van die masjien.Vir die model 1250E is die paaloppervlakte 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Dus sou die totale, nul-gaping, krag (735 x 16,2) = 11 900 kg of 11,9 ton wees;ongeveer 9,5 ton per meter magneetlengte.
Fluxdigtheid en klemdruk is direk verwant en word hieronder getoon:
Praktiese klemkrag:
In die praktyk word hierdie hoë klemkrag slegs gerealiseer wanneer dit nie nodig is nie(!), dit wil sê wanneer dun staalwerkstukke gebuig word.Wanneer nie-ysterhoudende werkstukke gebuig word, sal die krag minder wees soos in die grafiek hierbo getoon, en ('n bietjie eienaardig), dit is ook minder wanneer dik staalwerkstukke gebuig word.Dit is omdat die klemkrag wat nodig is om 'n skerp buiging te maak, baie hoër is as wat nodig is vir 'n radiusbuiging.Wat dus gebeur, is dat namate die buiging voortgaan, lig die voorrand van die klemstang effens op, waardeur die werkstuk 'n radius kan vorm.
Die klein lugspleet wat gevorm word, veroorsaak 'n effense verlies aan klemkrag, maar die krag wat nodig is om die radiusbuiging te vorm, het skerper gedaal as die magneetklemkrag.Dus het 'n stabiele situasie tot gevolg en die klemstang laat nie los nie.
Wat hierbo beskryf word, is die modus van buiging wanneer die masjien naby sy diktelimiet is.As 'n nog dikker werkstuk probeer word, sal die klemstang natuurlik oplig.
Hierdie diagram dui daarop dat as die neusrand van die klembalk 'n bietjie afgerond is, eerder as skerp, die luggaping vir dik buiging verminder sal word.
Inderdaad is dit die geval en 'n behoorlik vervaardigde Magnabend sal 'n klembalk hê met 'n radiusrand.('n Rand met radius is ook baie minder geneig tot toevallige skade in vergelyking met 'n skerp rand).
Marginale modus van buigmislukking:
As 'n buiging op 'n baie dik werkstuk probeer word, sal die masjien nie daarin slaag om dit te buig nie, want die klemstang sal eenvoudig aflig.(Gelukkig gebeur dit nie op 'n dramatiese manier nie; die klemstang laat net rustig los).
As die buiglading egter net effens groter is as die buigkapasiteit van die magneet, dan gebeur dit gewoonlik dat die buiging ongeveer 60 grade sal sê en dan sal die klemstang agteruit begin gly.In hierdie modus van mislukking kan die magneet slegs die buiglas indirek weerstaan deur wrywing tussen die werkstuk en die bed van die magneet te skep.
Die dikte verskil tussen 'n mislukking as gevolg van oplig en 'n mislukking as gevolg van gly is oor die algemeen nie baie nie.
Mislukking om af te lig is te wyte aan die werkstuk wat die voorkant van die klembalk opwaarts lig.Die klemkrag aan die voorkant van die klemstang is hoofsaaklik wat dit weerstaan.Om aan die agterkant vas te klem het min effek omdat dit naby is waar die klemstang gedraai word.Trouens, dit is net die helfte van die totale klemkrag wat opheffing weerstaan.
Aan die ander kant word gly weerstaan deur die totale klemkrag, maar slegs deur wrywing, so die werklike weerstand hang af van die wrywingskoëffisiënt tussen die werkstuk en die oppervlak van die magneet.
Vir skoon en droë staal kan die wrywingskoëffisiënt so hoog as 0.8 wees, maar as smering teenwoordig is, kan dit so laag as 0.2 wees.Tipies sal dit iewers tussenin wees, sodat die marginale modus van buigmislukking gewoonlik as gevolg van gly is, maar pogings om wrywing op die oppervlak van die magneet te verhoog, is gevind dat dit nie die moeite werd is nie.
Dikte kapasiteit:
Vir 'n E-tipe magneetliggaam 98 mm breed en 48 mm diep en met 'n 3 800 ampère-draai spoel, is die volle lengte buigvermoë 1,6 mm.Hierdie dikte is van toepassing op beide staalplaat en aluminiumplaat.Daar sal minder klem op die aluminiumplaat wees, maar dit verg minder wringkrag om dit te buig, so dit kompenseer op so 'n manier dat dit soortgelyke maatkapasiteit vir beide tipes metaal gee.
Daar moet 'n paar waarskuwings wees oor die genoemde buigvermoë: Die belangrikste is dat die vloeisterkte van die plaatmetaal baie kan verskil.Die kapasiteit van 1,6 mm is van toepassing op staal met 'n vloeispanning van tot 250 MPa en op aluminium met 'n vloeispanning tot 140 MPa.
Die dikte kapasiteit in vlekvrye staal is ongeveer 1,0 mm.Hierdie kapasiteit is aansienlik minder as vir die meeste ander metale omdat vlekvrye staal gewoonlik nie-magneties is en tog 'n redelike hoë opbrengsspanning het.
Nog 'n faktor is die temperatuur van die magneet.As die magneet toegelaat is om warm te word, sal die weerstand van die spoel hoër wees en dit sal weer veroorsaak dat dit minder stroom trek met gevolglike laer ampere-draaie en laer klemkrag.(Hierdie effek is gewoonlik redelik matig en dit is onwaarskynlik dat die masjien nie aan sy spesifikasies voldoen nie).
Laastens, kan dikker kapasiteit Magnabends gemaak word as die magneet deursnit groter gemaak word.