MAGNABEND - KONSIDERATAT THEMELORE TË DIZAJNIT
Dizajni bazë i magnetit
Makina Magnabend është projektuar si një magnet i fuqishëm DC me cikël të kufizuar pune.
Makina përbëhet nga 3 pjesë themelore: -
Trupi i magnetit i cili formon bazën e makinës dhe përmban bobinën elektromagnet.
Shiriti i kapëses i cili siguron një shteg për fluksin magnetik midis poleve të bazës së magnetit, dhe në këtë mënyrë shtrëngon pjesën e punës të fletës.
Rrezi përkulës i cili rrotullohet në skajin e përparmë të trupit të magnetit dhe siguron një mjet për aplikimin e forcës përkulëse në pjesën e punës.
Konfigurimet magnet-trup
Konfigurime të ndryshme janë të mundshme për trupin e magnetit.
Këtu janë 2 që janë përdorur të dyja për makinat Magnabend:
Vijat e kuqe të ndërprera në vizatimet e mësipërme përfaqësojnë shtigjet e fluksit magnetik.Vini re se dizajni "U-Type" ka një shteg të vetëm fluksi (1 palë pole) ndërsa modeli "E-Type" ka 2 shtigje fluksi (2 palë pole).
Krahasimi i konfigurimit të magnetit:
Konfigurimi i tipit E është më efikas se konfigurimi i tipit U.
Për të kuptuar pse është kështu, merrni parasysh dy vizatimet më poshtë.
Në të majtë është një seksion kryq i një magneti të tipit U dhe në të djathtë është një magnet i tipit E që është bërë duke kombinuar 2 të njëjtat lloje U.Nëse çdo konfigurim magneti drejtohet nga një mbështjellje me të njëjtat kthesa të amperit, atëherë është e qartë se magneti i dyfishuar (tipi E) do të ketë dy herë më shumë forcë shtrënguese.Përdor gjithashtu dy herë më shumë çelik, por vështirë se ka më shumë tela për spiralen!(Duke supozuar një dizajn të gjatë spirale).
(Sasia e vogël e telit shtesë do të nevojitej vetëm sepse 2 dy këmbët e spirales janë më larg njëri-tjetrit në modelin "E", por kjo shtesë bëhet e parëndësishme në një model spirale të gjatë siç përdoret për Magnabend).
Super Magnabend:
Për të ndërtuar një magnet edhe më të fuqishëm, koncepti "E" mund të zgjerohet si ky konfigurim i dyfishtë-E:
Modeli 3-D:
Më poshtë është një vizatim 3-D që tregon rregullimin bazë të pjesëve në një magnet të tipit U:
Në këtë dizajn, shtyllat e përparme dhe të pasme janë pjesë të veçanta dhe janë të lidhura me bulona në pjesën kryesore.
Megjithëse në parim, do të ishte e mundur të përpunohej një trup magnet i tipit U nga një pjesë e vetme çeliku, atëherë nuk do të ishte e mundur të instalohej spiralja dhe kështu spiralja do të duhej të mbështillet në vend (në trupin e magnetit të përpunuar ).
Në një situatë prodhimi, është shumë e dëshirueshme që të mund të mbështillni mbështjelljet veç e veç (në një ishull të veçantë).Kështu, një dizajn i tipit U dikton në mënyrë efektive një ndërtim të fabrikuar.
Nga ana tjetër, dizajni i tipit E i përshtatet mirë një trupi magneti të përpunuar nga një copë e vetme çeliku, sepse një spirale e bërë paraprakisht mund të instalohet lehtësisht pasi të jetë përpunuar trupi i magnetit.Një trup magnetik me një pjesë funksionon gjithashtu më mirë magnetikisht pasi nuk ka asnjë boshllëk ndërtimi që përndryshe do të reduktonte pak fluksin magnetik (dhe rrjedhimisht forcën shtrënguese).
(Shumica e Magnabendëve të prodhuar pas vitit 1990 përdorën dizajnin e tipit E).
Përzgjedhja e materialit për ndërtimin me magnet
Trupi i magnetit dhe shiriti i kapëses duhet të jenë prej materiali feromagnetik (të magnetizueshëm).Çeliku është deri tani materiali më i lirë ferromagnetik dhe është zgjedhja e dukshme.Sidoqoftë, ekzistojnë çeliqe të ndryshme speciale të disponueshme që mund të merren parasysh.
1) Çeliku i silikonit: Çeliku me rezistencë të lartë i cili zakonisht disponohet në shtresa të holla dhe përdoret në transformatorë AC, magnet AC, rele etj. Karakteristikat e tij nuk kërkohen për Magnabend që është një magnet DC.
2) Hekuri i butë: Ky material do të shfaqte një magnetizëm të mbetur më të ulët, i cili do të ishte i mirë për një makinë Magnabend, por është fizikisht i butë që do të thoshte se do të gërvishtet dhe dëmtohet lehtësisht;është më mirë të zgjidhet problemi i magnetizmit të mbetur në një mënyrë tjetër.
3) Gize: Nuk magnetizohet aq lehtë sa çeliku i mbështjellë, por mund të konsiderohet.
4) Çeliku inox Lloji 416 : Nuk mund të magnetizohet aq fort sa çeliku dhe është shumë më i shtrenjtë (por mund të jetë i dobishëm për një sipërfaqe të hollë mbuluese mbrojtëse në trupin e magnetit).
5) Çeliku inox Lloji 316: Ky është një aliazh çeliku jo magnetik dhe për këtë arsye nuk është aspak i përshtatshëm (përveç si në 4 më sipër).
6) Çeliku me karbon mesatar, tipi K1045: Ky material është jashtëzakonisht i përshtatshëm për ndërtimin e magnetit (dhe pjesëve të tjera të makinës).Është mjaft e vështirë në gjendjen e furnizuar dhe gjithashtu punon mirë.
7) Çeliku me karbon mesatar tip CS1020 : Ky çelik nuk është aq i fortë sa K1045, por është më i disponueshëm dhe kështu mund të jetë zgjedhja më praktike për ndërtimin e makinës Magnabend.
Vini re se vetitë e rëndësishme që kërkohen janë:
Magnetizimi me ngopje të lartë.(Shumica e lidhjeve të çelikut ngopen me rreth 2 Tesla),
Disponueshmëria e madhësive të dobishme të seksioneve,
Rezistenca ndaj dëmtimeve të rastësishme,
Përpunueshmëria, dhe
Kosto e arsyeshme.
Çeliku me karbon të mesëm i përshtatet mirë të gjitha këtyre kërkesave.Mund të përdoret gjithashtu çeliku me karbon të ulët, por është më pak rezistent ndaj dëmtimeve të rastësishme.Ekzistojnë gjithashtu lidhje të tjera speciale, të tilla si supermendur, të cilat kanë magnetizim më të lartë të ngopjes, por ato nuk duhet të merren parasysh për shkak të kostos së tyre shumë të lartë në krahasim me çelikun.
Megjithatë, çeliku me karbon të mesëm shfaq një magnetizëm të mbetur, i cili mjafton për të qenë telash.(Shih seksionin mbi Magnetizmin e mbetur).
Spiralja
Spiralja është ajo që drejton fluksin magnetizues përmes elektromagnetit.Forca e saj magnetizuese është vetëm prodhimi i numrit të rrotullimeve (N) dhe rrymës së spirales (I).Kështu:
N = numri i kthesave
I = rrymë në mbështjellje.
Shfaqja e "N" në formulën e mësipërme çon në një keqkuptim të zakonshëm.
Supozohet gjerësisht se rritja e numrit të rrotullimeve do të rrisë forcën magnetizuese, por në përgjithësi kjo nuk ndodh sepse kthesat shtesë reduktojnë gjithashtu rrymën, I.
Konsideroni një spirale të furnizuar me një tension fiks DC.Nëse numri i rrotullimeve dyfishohet, atëherë edhe rezistenca e mbështjelljeve do të dyfishohet (në një spirale të gjatë) dhe kështu rryma do të përgjysmohet.Efekti neto nuk është rritje në NI.
Ajo që vërtet përcakton NI është rezistenca për kthesë.Kështu për të rritur NI trashësia e telit duhet të rritet.Vlera e kthesave shtesë është se ato reduktojnë rrymën dhe rrjedhimisht shpërndarjen e energjisë në spirale.
Projektuesi duhet të jetë i vetëdijshëm se matësi i telit është ai që përcakton me të vërtetë forcën magnetizuese të spirales.Ky është parametri më i rëndësishëm i dizajnit të spirales.
Produkti NI shpesh quhet "kthesa e amperit" të spirales.
Sa kthesa të Amperit nevojiten?
Çeliku shfaq një magnetizim të ngopjes prej rreth 2 Tesla dhe kjo vendos një kufi themelor se sa forcë shtrënguese mund të merret.
Nga grafiku i mësipërm shohim se forca e fushës e nevojshme për të marrë një densitet fluksi prej 2 Tesla është rreth 20,000 amper-kthesa për metër.
Tani, për një dizajn tipik Magnabend, gjatësia e rrugës së fluksit në çelik është rreth 1/5 e metër dhe për këtë arsye do të kërkojë (20,000/5) AT për të prodhuar ngopje, që është rreth 4,000 AT.
Do të ishte mirë të kishim shumë më shumë kthesa të amperit se kaq, në mënyrë që magnetizimi i ngopjes të mund të ruhet edhe kur boshllëqet jomagnetike (dmth. pjesët e punës me ngjyra) futen në qarkun magnetik.Sidoqoftë, kthesat shtesë të amperit mund të fitohen vetëm me kosto të konsiderueshme në shpërndarjen e energjisë ose koston e telit të bakrit, ose të dyja.Prandaj nevojitet një kompromis.
Modelet tipike Magnabend kanë një spirale që prodhon kthesa 3,800 amper.
Vini re se kjo shifër nuk varet nga gjatësia e makinës.Nëse i njëjti dizajn magnetik zbatohet në një gamë gjatësish të makinës, atëherë dikton që makinat më të gjata do të kenë më pak kthesa të telit më të trashë.Ata do të tërheqin më shumë rrymë totale, por do të kenë të njëjtin produkt të amps x rrotullime dhe do të kenë të njëjtën forcë shtrënguese (dhe të njëjtën shpërndarje të fuqisë) për njësi gjatësi.
Cikli i detyrës
Koncepti i ciklit të punës është një aspekt shumë i rëndësishëm i projektimit të elektromagnetit.Nëse dizajni parashikon më shumë cikël funksionimi sesa nevojitet, atëherë ai nuk është optimal.Më shumë cikël pune do të thotë në thelb se do të nevojiten më shumë tela bakri (me kosto më të lartë rrjedhimore) dhe/ose do të ketë më pak forcë shtrënguese në dispozicion.
Shënim: Një magnet i ciklit më të lartë të punës do të ketë më pak shpërndarje të energjisë që do të thotë se do të përdorë më pak energji dhe kështu do të jetë më i lirë për t'u përdorur.Megjithatë, për shkak se magneti është i ndezur vetëm për periudha të shkurtra, atëherë kostoja e energjisë e funksionimit zakonisht konsiderohet si e një rëndësie shumë të vogël.Kështu, qasja e projektimit është që të ketë sa më shumë shpërndarje të energjisë sa mund të largoheni për të mos mbinxehur mbështjelljet e spirales.(Kjo qasje është e zakonshme për shumicën e modeleve të elektromagnetit).
Magnabend është projektuar për një cikël funksionimi nominal prej rreth 25%.
Zakonisht duhen vetëm 2 ose 3 sekonda për të bërë një kthesë.Magneti më pas do të jetë i fikur për 8 deri në 10 sekonda të tjera ndërsa pjesa e punës është ripozicionuar dhe e rreshtuar gati për kthesën tjetër.Nëse tejkalohet cikli i punës prej 25%, atëherë përfundimisht magneti do të nxehet shumë dhe një mbingarkesë termike do të fiket.Magneti nuk do të dëmtohet, por do të duhet të lihet të ftohet për rreth 30 minuta përpara se të përdoret përsëri.
Përvoja operative me makinat në terren ka treguar se cikli i punës prej 25% është mjaft i përshtatshëm për përdoruesit tipikë.Në fakt, disa përdorues kanë kërkuar versione opsionale me fuqi të lartë të makinës që kanë më shumë forcë shtrënguese në kurriz të ciklit më të vogël të punës.
Zona kryq seksionale e spirales
Zona e prerjes tërthore e disponueshme për spiralen do të përcaktojë sasinë maksimale të telit të bakrit që mund të vendoset. Zona e disponueshme nuk duhet të jetë më shumë se sa nevojitet, në përputhje me kthesat e kërkuara të amperit dhe shpërndarjen e fuqisë.Sigurimi i më shumë hapësirës për spiralen do të rrisë në mënyrë të pashmangshme madhësinë e magnetit dhe do të rezultojë në një gjatësi më të madhe të rrugës së fluksit në çelik (që do të zvogëlojë fluksin total).
I njëjti argument nënkupton se cilado hapësirë spirale e parashikuar në dizajn, ajo duhet të jetë gjithmonë e mbushur me tela bakri.Nëse nuk është e plotë, atëherë do të thotë se gjeometria e magnetit mund të ishte më e mirë.
Forca shtrënguese Magnabend:
Grafiku i mëposhtëm është marrë nga matje eksperimentale, por përputhet mjaft mirë me llogaritjet teorike.
Forca e shtrëngimit mund të llogaritet matematikisht nga kjo formulë:
F = forca në Njuton
B = dendësia e fluksit magnetik në Teslas
A = sipërfaqja e shtyllave në m2
μ0 = konstante e përshkueshmërisë magnetike, (4π x 10-7)
Për shembull, ne do të llogarisim forcën shtrënguese për një densitet fluksi prej 2 Tesla:
Kështu F = ½ (2)2 A/µ0
Për një forcë në njësinë e sipërfaqes (presionit) mund të hedhim "A" në formulë.
Kështu Presioni = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Kjo del në 1,590,000 N/m2.
Për ta kthyer këtë në forcë kilogramësh, mund të pjesëtohet me g (9.81).
Kështu: Presioni = 162,080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Kjo përputhet mjaft mirë me forcën e matur për një hendek zero të treguar në grafikun e mësipërm.
Kjo shifër mund të shndërrohet lehtësisht në një forcë totale shtrënguese për një makinë të caktuar duke e shumëzuar atë me sipërfaqen e poleve të makinës.Për modelin 1250E sipërfaqja e shtyllës është 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Kështu, forca totale, me zbrazëtirë zero, do të ishte (735 x 16,2) = 11,900 kg ose 11,9 ton;rreth 9.5 ton për metër gjatësi magneti.
Dendësia e fluksit dhe presioni i shtrëngimit janë të lidhura drejtpërdrejt dhe janë paraqitur në grafikun e mëposhtëm:
Forca praktike shtrënguese:
Në praktikë, kjo forcë e lartë shtrënguese realizohet vetëm kur nuk është e nevojshme(!), pra kur përkulen pjesët e hollë të çelikut.Kur përkulen pjesët e punës me ngjyra, forca do të jetë më e vogël siç tregohet në grafikun e mësipërm, dhe (pak kureshtar), është gjithashtu më e vogël kur përkulen pjesët e trasha të çelikut.Kjo është për shkak se forca shtrënguese e nevojshme për të bërë një kthesë të mprehtë është shumë më e lartë se ajo e nevojshme për një kthesë me rreze.Pra, ajo që ndodh është se ndërsa kthesa vazhdon, buza e përparme e kapëses ngrihet pak, duke lejuar kështu që pjesa e punës të formojë një rreze.
Hapësira e vogël e ajrit që formohet shkakton një humbje të lehtë të forcës shtrënguese, por forca e nevojshme për të formuar kthesën e rrezes ka rënë më shumë se sa forca shtrënguese e magnetit.Kështu rezulton një situatë e qëndrueshme dhe kapëse nuk lëshohet.
Ajo që përshkruhet më sipër është mënyra e përkuljes kur makina është afër kufirit të trashësisë së saj.Nëse provohet një pjesë e punës edhe më e trashë, atëherë sigurisht që kapëse do të hiqet.
Ky diagram sugjeron që nëse buza e hundës së kapëses do të ishte e rrezatuar pak, në vend të mprehtë, atëherë hendeku i ajrit për përkuljen e trashë do të zvogëlohej.
Në të vërtetë ky është rasti dhe një Magnabend i bërë siç duhet do të ketë një kapëse me një skaj të rrezatuar.(Një skaj me rreze është gjithashtu shumë më pak i prirur ndaj dëmtimit aksidental krahasuar me një skaj të mprehtë).
Mënyra marxhinale e dështimit të përkuljes:
Nëse tentohet një përkulje në një pjesë pune shumë të trashë, atëherë makina do të dështojë ta përkulë atë sepse shufra kapëse thjesht do të hiqet.(Fatmirësisht kjo nuk ndodh në mënyrë dramatike; shiriti i kapëses thjesht lëshon qetësisht).
Megjithatë, nëse ngarkesa e përkuljes është vetëm pak më e madhe se kapaciteti i përkuljes së magnetit, atëherë në përgjithësi ajo që ndodh është se kthesa do të vazhdojë të thotë rreth 60 gradë dhe më pas shiriti i kapëses do të fillojë të rrëshqasë prapa.Në këtë mënyrë dështimi, magneti mund t'i rezistojë ngarkesës së përkuljes vetëm në mënyrë indirekte duke krijuar fërkime midis pjesës së punës dhe shtratit të magnetit.
Dallimi në trashësi midis një dështimi për shkak të ngritjes dhe një dështimi për shkak të rrëshqitjes në përgjithësi nuk është shumë i madh.
Dështimi i ngritjes është për shkak të ngritjes së pjesës së punës me skajin e përparmë të kapëses lart.Forca shtrënguese në skajin e përparmë të kapëses është kryesisht ajo që i reziston kësaj.Mbërthimi në skajin e pasmë ka pak efekt sepse është afër vendit ku po rrotullohet shiriti i kapëses.Në fakt është vetëm gjysma e forcës totale shtrënguese që i reziston ngritjes.
Nga ana tjetër, rrëshqitja rezistohet nga forca totale e shtrëngimit, por vetëm nëpërmjet fërkimit, kështu që rezistenca aktuale varet nga koeficienti i fërkimit midis pjesës së punës dhe sipërfaqes së magnetit.
Për çelik të pastër dhe të thatë koeficienti i fërkimit mund të jetë deri në 0.8, por nëse lubrifikimi është i pranishëm, atëherë mund të jetë deri në 0.2.Në mënyrë tipike do të jetë diku në mes të tillë që mënyra margjinale e dështimit të përkuljes është zakonisht për shkak të rrëshqitjes, por përpjekjet për të rritur fërkimin në sipërfaqen e magnetit janë gjetur të pavlefshme.
Kapaciteti i trashësisë:
Për një trup magnetik të tipit E 98 mm i gjerë dhe 48 mm i thellë dhe me një spirale me rrotullim 3,800 amper, kapaciteti i përkuljes me gjatësi të plotë është 1,6 mm.Kjo trashësi vlen si për fletën e çelikut ashtu edhe për fletën e aluminit.Do të ketë më pak shtrëngim në fletën e aluminit, por kërkon më pak rrotullim për ta përkulur, kështu që kjo kompenson në atë mënyrë që të japë kapacitet të ngjashëm matës për të dy llojet e metaleve.
Duhet të ketë disa paralajmërime për kapacitetin e deklaruar të përkuljes: Kryesorja është se forca e rrjedhjes së llamarinës mund të ndryshojë shumë.Kapaciteti 1.6 mm zbatohet për çelikun me një tension rrjedhjeje deri në 250 MPa dhe për aluminin me një stres rrjedhjeje deri në 140 MPa.
Kapaciteti i trashësisë në çelik inox është rreth 1.0 mm.Ky kapacitet është dukshëm më i vogël se për shumicën e metaleve të tjerë, sepse çeliku inox është zakonisht jomagnetik dhe megjithatë ka një stres të arsyeshëm rendimenti të lartë.
Një faktor tjetër është temperatura e magnetit.Nëse magneti është lejuar të nxehet, atëherë rezistenca e mbështjelljes do të jetë më e lartë dhe kjo nga ana tjetër do të bëjë që ajo të tërheqë më pak rrymë me kthime më të ulëta të amperit dhe forcë më të ulët shtrënguese.(Ky efekt është zakonisht mjaft i moderuar dhe nuk ka gjasa të bëjë që makina të mos përmbushë specifikimet e saj).
Më në fund, Magnabends me kapacitet më të trashë mund të bëheshin nëse seksioni kryq i magnetit bëhej më i madh.