MAGNABEND - GRUNDLEIKAR HÖNNUNARHÖNNUNAR
Grunn segulhönnun
Magnabend vélin er hönnuð sem öflugur DC segull með takmarkaða vinnulotu.
Vélin samanstendur af 3 grunnhlutum: -
Segulhlutinn sem myndar undirstöðu vélarinnar og inniheldur rafsegulspóluna.
Klemmustöngin sem veitir leið fyrir segulflæði á milli skauta segulbotnsins og klemmir þar með plötuvinnustykkið.
Beygjugeislinn sem er snúinn að frambrún segulhlutans og veitir leið til að beita beygjukrafti á vinnustykkið.
Magnet-Body Stillingar
Ýmsar stillingar eru mögulegar fyrir segulhlutann.
Hér eru 2 sem báðar hafa verið notaðar fyrir Magnabend vélar:
Rauðu strikuðu línurnar á teikningunum hér að ofan tákna segulflæðisbrautirnar.Athugið að „U-Type“ hönnunin hefur eina flæðisbraut (1 par af stöngum) en „E-Type“ hönnunin hefur 2 flæðisbrautir (2 pör af stöngum).
Samanburður á segulstillingum:
E-gerðin er skilvirkari en U-gerðin.
Til að skilja hvers vegna þetta er svona skaltu skoða tvær teikningar hér að neðan.
Vinstra megin er þverskurður af U-gerð seguls og hægra megin er E-gerð segull sem hefur verið gerður með því að sameina 2 af sömu U-gerðum.Ef hver segulstilling er knúin áfram af spólu með sömu ampersnúningum þá mun greinilega tvöfaldi segullinn (E-gerðin) hafa tvöfalt meiri klemmukraft.Það notar líka tvöfalt meira stál en varla meira vír fyrir spóluna!(Miðað við langa spóluhönnun).
(Lítið magn af aukavír þyrfti aðeins vegna þess að 2 tveir fætur spólunnar eru lengra í sundur í "E" hönnuninni, en þessi aukahlutur verður óverulegur í langri spólahönnun eins og notaður er fyrir Magnabend).
Super Magnabend:
Til að smíða enn öflugri segul er hægt að útvíkka „E“ hugmyndina eins og þessa tvöfalda E uppsetningu:
3D líkan:
Hér að neðan er 3-D teikning sem sýnir grunnfyrirkomulag hluta í U-gerð segli:
Í þessari hönnun eru fram- og aftari skautarnir aðskildir hlutir og festir með boltum við kjarnastykkið.
Þó að í grundvallaratriðum væri hægt að vinna U-gerð segulhluta úr einu stáli, þá væri ekki hægt að setja spóluna upp og því þyrfti að vinda spóluna á staðnum (á vélknúna segulhlutanum ).
Í framleiðsluaðstæðum er mjög æskilegt að geta spólað spólurnar sérstaklega (á sérstökum forma).Þannig ræður U-gerð hönnun í raun tilbúna byggingu.
Aftur á móti hentar E-gerð hönnunin vel fyrir segulhús sem er unnið úr einu stáli vegna þess að auðvelt er að setja fyrirfram tilbúinn spólu eftir að segulhlutinn hefur verið vélaður.Segulhólf í einu stykki skilar sér líka betur segulfræðilega þar sem það er ekki með neinar byggingareyður sem annars myndi draga aðeins úr segulflæðinu (og þar af leiðandi klemmukraftinum).
(Flestir Magnabends framleiddir eftir 1990 notuðu E-gerð hönnun).
Val á efni til segulsmíðar
Segulhlutinn og klemman verða að vera úr ferromagnetic (segulhæft) efni.Stál er lang ódýrasta ferromagnetic efnið og er augljós kostur.Hins vegar eru ýmis sérstál í boði sem gætu komið til greina.
1) Silicon Steel: Háviðnámsstál sem er venjulega fáanlegt í þunnum lagskiptum og er notað í AC spennum, AC seglum, liða osfrv. Eiginleikar þess eru ekki nauðsynlegir fyrir Magnabend sem er DC segull.
2) Mjúkt járn: Þetta efni myndi sýna minni leifar af segulmagni sem væri gott fyrir Magnabend vél en það er líkamlega mjúkt sem myndi þýða að það myndi auðveldlega beygla og skemmast;það er betra að leysa afgangs segulmagnsvandamálið á annan hátt.
3) Steypujárn: Ekki eins auðveldlega segulmagnað og valsað stál en gæti komið til greina.
4) Ryðfrítt stál Tegund 416: Ekki hægt að segulmagna eins sterkt og stál og er miklu dýrara (en gæti verið gagnlegt fyrir þunnt hlífðarhlíf á segulhlutanum).
5) Ryðfrítt stál Tegund 316: Þetta er ósegulmagnaðir málmblöndur úr stáli og hentar því alls ekki (nema eins og í 4 hér að ofan).
6) Miðlungs kolefnisstál, gerð K1045 : Þetta efni hentar einstaklega vel fyrir smíði segulsins (og annarra hluta vélarinnar).Hann er þokkalega harður í því ástandi sem hann er að fá og vinnur líka vel.
7) Miðlungs kolefnisstál gerð CS1020: Þetta stál er ekki alveg eins hart og K1045 en það er aðgengilegra og gæti því verið hagnýtasta valið fyrir smíði Magnabend vélarinnar.
Athugaðu að mikilvægu eiginleikarnir sem krafist er eru:
Hár mettunarsegulmögnun.(Flestar stálblöndur metta um 2 Tesla),
Framboð á gagnlegum hlutastærðum,
Viðnám gegn tilfallandi skemmdum,
Vinnanleiki, og
Sanngjarn kostnaður.
Miðlungs kolefnisstál passar vel við allar þessar kröfur.Einnig væri hægt að nota lágkolefnisstál en það er minna ónæmt fyrir tilfallandi skemmdum.Það eru líka til aðrar sérstakar málmblöndur, eins og supermendur, sem hafa meiri mettunarsegulmögnun en þau koma ekki til greina vegna mjög hás kostnaðar miðað við stál.
Miðlungs kolefnisstál sýnir þó afgangs segulmagn sem er nóg til að vera óþægindi.(Sjá kafla um afgangssegulmagn).
The Coil
Spólan er það sem knýr segulstrauminn í gegnum rafsegulinn.Segulkraftur þess er bara afurð af fjölda snúninga (N) og spólustraumsins (I).Þannig:
N = fjöldi snúninga
I = straumur í vafningum.
Útlit "N" í formúlunni hér að ofan leiðir til algengs misskilnings.
Almennt er gert ráð fyrir að fjölgun snúninga muni auka segulmagnið en almennt gerist það ekki vegna þess að aukasnúningur draga einnig úr straumnum, I.
Lítum á spólu sem fylgir fastri DC spennu.Ef snúningafjöldinn er tvöfaldaður þá mun viðnám vindanna líka tvöfaldast (í langri spólu) og þannig helmingast straumurinn.Nettóáhrifin eru engin hækkun á NI.
Það sem í raun ræður NI er viðnámið í hverri beygju.Þannig að til að auka NI þarf að auka þykkt vírsins.Verðmæti aukasnúninga er að þær draga úr straumi og þar af leiðandi orkudreifingu í spólunni.
Hönnuður ætti að hafa í huga að vírmælirinn er það sem raunverulega ákvarðar segulmagn spólunnar.Þetta er mikilvægasta færibreytan í hönnun spólu.
NI-varan er oft kölluð „ampera snúningur“ spólunnar.
Hversu margar amper beygjur þarf?
Stál sýnir mettunarsegulmögnun upp á um 2 Tesla og þetta setur grundvallartakmörk á því hversu mikinn klemmakraft er hægt að ná.
Af grafinu hér að ofan sjáum við að sviðsstyrkurinn sem þarf til að fá flæðisþéttleika upp á 2 Tesla er um 20.000 ampersnúningar á metra.
Nú, fyrir dæmigerða Magnabend hönnun, er flæðisleiðlengdin í stálinu um það bil 1/5 úr metra og mun því þurfa (20.000/5) AT til að framleiða mettun, það er um 4.000 AT.
Það væri gaman að hafa miklu fleiri ampera snúninga en þetta þannig að mettunarsegulvæðing gæti haldist jafnvel þegar ósegulmagnaðir eyður (þ.e. járnlausar vinnustykki) eru settar inn í segulrásina.Hins vegar er aðeins hægt að ná auka ampersnúningum með töluverðum kostnaði í aflnotkun eða kostnaði við koparvír, eða hvort tveggja.Það þarf því málamiðlun.
Dæmigerð Magnabend hönnun er með spólu sem framleiðir 3.800 ampera snúninga.
Athugið að þessi tala er ekki háð lengd vélarinnar.Ef sömu segulmagnaðir hönnun er beitt á ýmsum lengdum véla, þá segir það til um að lengri vélarnar munu hafa færri snúninga af þykkari vír.Þeir munu draga meiri heildarstraum en munu hafa sömu vöru af amperum x snúningum og munu hafa sama klemmukraft (og sama afldreifingu) á hverja lengdareiningu.
Vinnuferill
Hugmyndin um vinnuferil er mjög mikilvægur þáttur í hönnun rafsegulsins.Ef hönnunin gerir ráð fyrir meiri vinnulotu en þörf er á þá er hún ekki ákjósanleg.Meiri vinnulota þýðir í eðli sínu að meiri koparvír verður þörf (með tilheyrandi hærri kostnaði) og/eða það verður minni klemmukraftur tiltækur.
Athugið: Hærri vinnulotu segull mun hafa minni orkudreifingu sem þýðir að hann mun nota minni orku og þar með vera ódýrari í notkun.Hins vegar, vegna þess að segullinn er ON í stuttan tíma, þá er orkukostnaður við rekstur venjulega talinn hafa mjög litla þýðingu.Þannig er hönnunaraðferðin sú að hafa eins mikla afldreifingu og þú kemst upp með hvað varðar að ofhitna ekki vafningar spólunnar.(Þessi nálgun er algeng í flestum rafsegulhönnun).
Magnabend er hannaður fyrir um það bil 25% nafnvinnulotu.
Venjulega tekur það aðeins 2 eða 3 sekúndur að beygja.Segullinn verður síðan slökktur í 8 til 10 sekúndur til viðbótar á meðan vinnustykkið er endurstaðsett og stillt tilbúið fyrir næstu beygju.Ef farið er yfir 25% vinnulotuna verður segullinn að lokum of heitur og hitauppstreymi leysist út.Segullinn skemmist ekki en hann þarf að kólna í um 30 mínútur áður en hann er notaður aftur.
Starfsreynsla með vélum á þessu sviði hefur sýnt að 25% vinnulotan er alveg fullnægjandi fyrir dæmigerða notendur.Reyndar hafa sumir notendur beðið um valfrjálsar aflútgáfur af vélinni sem hafa meiri klemmukraft á kostnað minni vinnulotu.
Þversniðssvæði spólu
Þversniðsflatarmálið sem er tiltækt fyrir spóluna mun ákvarða hámarksmagn koparvírs sem hægt er að setja í. Tiltækt flatarmál ætti ekki að vera meira en þörf er á, í samræmi við nauðsynlegar ampersnúningar og afldreifingu.Að útvega meira pláss fyrir spóluna mun óhjákvæmilega auka stærð segulsins og leiða til lengri flæðisleiðarlengd í stálinu (sem mun draga úr heildarflæðinu).
Sömu rök gefa til kynna að hvaða spólurými sem er í hönnuninni ætti það alltaf að vera fullt af koparvír.Ef það er ekki fullt þá þýðir það að segulrúmfræðin hefði getað verið betri.
Magnabend klemmukraftur:
Grafið hér að neðan var fengið með tilraunamælingum en það kemur nokkuð vel heim og saman við fræðilega útreikninga.
Hægt er að reikna klemmukraftinn stærðfræðilega út frá þessari formúlu:
F = kraftur í Newtons
B = segulflæðisþéttleiki í Tesla
A = flatarmál skauta í m2
µ0 = segulgegndræpisfasti, (4π x 10-7)
Til dæmis munum við reikna út klemmukraftinn fyrir flæðisþéttleika 2 Tesla:
Þannig F = ½ (2)2 A/µ0
Fyrir kraft á flatarmálseiningu (þrýsting) getum við sleppt "A" í formúlunni.
Þannig Þrýstingur = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Þetta kemur út í 1.590.000 N/m2.
Til að breyta þessu í kílógramma kraft má deila því með g (9,81).
Þannig: Þrýstingur = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Þetta samræmist frekar vel mældum krafti fyrir núllbil sem sýnt er á grafinu hér að ofan.
Auðvelt er að breyta þessari tölu í heildar klemmukraft fyrir tiltekna vél með því að margfalda hana með skautflatarmáli vélarinnar.Fyrir gerð 1250E er stöngflatarmálið 125(1,4+3,0+1,5) =735 cm2.
Þannig yrði heildarkrafturinn, núllbil, (735 x 16,2) = 11.900 kg eða 11,9 tonn;um 9,5 tonn á metra af segullengd.
Flæðisþéttleiki og klemmuþrýstingur tengjast beint og eru sýndar á línuriti hér að neðan:
Hagnýtur klemmukraftur:
Í reynd er þessi mikli klemmukraftur aðeins að veruleika þegar hans er ekki þörf(!), það er að segja þegar þunn stálvinnustykki er beygt.Þegar beygð er járnlaus vinnustykki verður krafturinn minni eins og sýnt er á línuritinu hér að ofan, og (smá forvitnilegt) er hann líka minni þegar þykk stálvinnustykki er beygt.Þetta er vegna þess að klemmukrafturinn sem þarf til að gera skarpa beygju er mjög miklu meiri en þarf fyrir radíusbeygju.Svo það sem gerist er að þegar beygjan heldur áfram lyftist frambrún klemmunnar örlítið og gerir vinnustykkinu kleift að mynda radíus.
Litla loftgapið sem myndast veldur lítilsháttar tapi á klemmukrafti en krafturinn sem þarf til að mynda radíusbeygju hefur minnkað meira en segulklemmukrafturinn.Þannig leiðir af sér stöðugar aðstæður og klemman sleppir ekki takinu.
Það sem lýst er hér að ofan er beygingarmátinn þegar vélin er nálægt þykktarmörkum.Ef reynt er að nota enn þykkara vinnustykki þá mun klemmurinn auðvitað lyftast.
Þessi skýringarmynd bendir til þess að ef nefbrún klemmunnar væri með smá radíus, frekar en skarpt, þá myndi loftbilið fyrir þykka beygju minnka.
Reyndar er þetta raunin og rétt gerður Magnabend mun hafa klemma með röndóttri brún.(Radíusbrún er líka mun minna viðkvæm fyrir skemmdum af slysni samanborið við skarpa brún).
Jaðarhamur beygjubilunar:
Ef reynt er að beygja mjög þykkt vinnustykki mun vélin ekki beygja það vegna þess að klemman lyftist einfaldlega af.(Sem betur fer gerist þetta ekki á dramatískan hátt; klemman sleppir bara hljóðlega).
Hins vegar ef beygjuálagið er aðeins örlítið meira en beygjugeta segulsins, þá gerist almennt það að beygjan mun halda áfram að segja um 60 gráður og þá mun klemman byrja að renna aftur á bak.Í þessum bilunarham getur segullinn aðeins staðist beygjuálagið óbeint með því að skapa núning á milli vinnustykkisins og segulsins.
Þykktarmunurinn á bilun vegna losunar og bilunar vegna renna er almennt ekki mikill.
Bilun í lyftingu stafar af því að vinnustykkið þrýstir frambrún klemmunnar upp á við.Klemmukrafturinn á frambrún klemmunnar er aðallega það sem þolir þetta.Klemma við afturkantinn hefur lítil áhrif þar sem hún er nálægt þeim stað sem klemmunni er snúið.Í raun er það aðeins helmingur af heildar klemmukraftinum sem þolir lyftingu.
Á hinn bóginn er renniþolinn mótspyrna af heildar klemmukraftinum en aðeins með núningi þannig að raunveruleg viðnám fer eftir núningsstuðlinum milli vinnustykkisins og yfirborðs segulsins.
Fyrir hreint og þurrt stál getur núningsstuðullinn verið allt að 0,8 en ef smurning er til staðar gæti hann verið allt að 0,2.Venjulega mun það vera einhvers staðar á milli þannig að jaðarháttur beygjubilunar er venjulega vegna renna, en tilraunir til að auka núning á yfirborði segulsins hafa reynst ekki þess virði.
Þykktargeta:
Fyrir E-gerð segulhús sem er 98 mm á breidd og 48 mm á dýpt og með 3.800 ampera snúningsspólu, er beygjugetan í fullri lengd 1,6 mm.Þessi þykkt á bæði við um stálplötu og álplötu.Það verður minni klemmur á álplötunni en það þarf minna tog til að beygja hana svo þetta bætir upp á þann hátt að það gefur svipaða mæligetu fyrir báðar málmtegundirnar.
Það þarf að hafa nokkra fyrirvara á uppgefinni beygjugetu: Aðalatriðið er að flæðistyrkur málmplötunnar getur verið mjög mismunandi.1,6 mm rúmtakið gildir fyrir stál með flæðispennu allt að 250 MPa og á áli með flæðispennu allt að 140 MPa.
Þykktargetan í ryðfríu stáli er um 1,0 mm.Þessi afkastageta er umtalsvert minni en hjá flestum öðrum málmum vegna þess að ryðfrítt stál er venjulega ekki segulmagnað og hefur samt hæfilega háa flæðispennu.
Annar þáttur er hitastig segulsins.Ef segullinn hefur verið látinn heita þá verður viðnám spólunnar meiri og það aftur veldur því að hann dregur minni straum með tilheyrandi minni ampersnúningum og minni klemmukrafti.(Þessi áhrif eru yfirleitt frekar miðlungsmikil og ólíklegt er að vélin uppfylli ekki forskriftir hennar).
Að lokum var hægt að búa til þykkari Magnabends ef segulþversniðið var gert stærra.