MAGNABEND - ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЯ МІРЭРЖАННІ
Асноўны дызайн магніта
Машына Magnabend распрацавана як магутны магніт пастаяннага току з абмежаваным працоўным цыклам.
Машына складаецца з 3 асноўных частак: -
Корпус магніта, які складае аснову машыны і змяшчае шпульку электрамагніта.
Заціск, які забяспечвае шлях для магнітнага патоку паміж палюсамі падставы магніта і тым самым заціскае ліставую нарыхтоўку.
Бэлька выгібу, якая паварочваецца да пярэдняга краю корпуса магніта і забяспечвае сродак для прыкладання выгібнай сілы да нарыхтоўкі.
Канфігурацыі магнітнага корпуса
Для корпуса магніта магчымыя розныя канфігурацыі.
Вось 2, якія абодва выкарыстоўваліся для машын Magnabend:
Пункцірныя чырвоныя лініі на малюнках вышэй адлюстроўваюць шляхі магнітных патокаў.Звярніце ўвагу, што канструкцыя «U-тыпу» мае адзін шлях патоку (1 пара полюсаў), а канструкцыя «E-тыпу» мае 2 шляху патоку (2 пары полюсаў).
Параўнанне канфігурацыі магніта:
Канфігурацыя E-тыпу больш эфектыўная, чым канфігурацыя U-тыпу.
Каб зразумець, чаму гэта так, разгледзім два малюнкі ніжэй.
Злева - папярочны разрэз магніта U-тыпу, а справа - магніт E-тыпу, які быў зроблены шляхам аб'яднання 2 аднолькавых U-тыпаў.Калі кожная канфігурацыя магніта прыводзіцца ў рух шпулькай з аднолькавымі ампернымі віткамі, то відавочна, што падвойны магніт (тып Е) будзе мець удвая большую сілу заціску.Ён таксама выкарыстоўвае ў два разы больш сталі, але наўрад ці больш дроту для шпулькі!(Мяркуючы, што канструкцыя доўгай шпулькі).
(Невялікая колькасць дадатковага дроту спатрэбіцца толькі таму, што дзве дзве ножкі шпулькі знаходзяцца далей адзін ад аднаго ў канструкцыі «E», але гэта дадатковае становіцца нязначным у канструкцыі доўгай шпулькі, такой як выкарыстоўваецца для Magnabend).
Супер Магнабенд:
Для стварэння яшчэ больш магутнага магніта канцэпцыя "E" можа быць пашырана, напрыклад, у канфігурацыі падвойнага E:
3-D мадэль:
Ніжэй прыведзены трохмерны малюнак, які паказвае асноўнае размяшчэнне дэталяў у магніту U-тыпу:
У гэтай канструкцыі пярэдняя і задняя стойкі з'яўляюцца асобнымі часткамі і прымацаваны балтамі да асноўнай часткі.
Нягледзячы на тое, што ў прынцыпе можна было б апрацаваць корпус магніта U-тыпу з аднаго кавалка сталі, тады было б немагчыма ўсталяваць шпульку, і, такім чынам, шпульку трэба было б наматаць на месцы (на апрацаваны корпус магніта ).
У вытворчай сітуацыі вельмі пажадана мець магчымасць намотваць шпулькі асобна (на спецыяльны фармір).Такім чынам, канструкцыя U-тыпу эфектыўна дыктуе вырабленую канструкцыю.
З іншага боку, канструкцыя E-тыпу добра падыходзіць для корпуса магніта, апрацаванага з аднаго кавалка сталі, таму што папярэдне падрыхтаваную шпульку можна лёгка ўсталяваць пасля апрацоўкі корпуса магніта.Цэльны магнітны корпус таксама лепш працуе з магнітам, бо не мае ніякіх канструктыўных зазораў, якія ў адваротным выпадку крыху паменшылі б магнітны паток (і, такім чынам, сілу заціску).
(Большасць Magnabends, зробленых пасля 1990 года, выкарыстоўвалі дызайн E-тыпу).
Выбар матэрыялу для будаўніцтва магніта
Корпус магніта і заціск павінны быць зроблены з ферамагнітнага (намагнічаемага) матэрыялу.Сталь на сённяшні дзень з'яўляецца самым танным ферамагнітным матэрыялам і з'яўляецца відавочным выбарам.Аднак існуюць розныя спецыяльныя сталі, якія можна разгледзець.
1) Крэмніевая сталь: сталь з высокім удзельным супраціўленнем, якая звычайна выпускаецца ў тонкіх пластах і выкарыстоўваецца ў трансфарматарах пераменнага току, магнітах пераменнага току, рэле і г.д. Яе ўласцівасці не патрабуюцца для Magnabend, які з'яўляецца магнітам пастаяннага току.
2) Мяккае жалеза: гэты матэрыял будзе праяўляць меншы рэшткавы магнетызм, што было б добра для машыны Magnabend, але ён з'яўляецца фізічна мяккім, што азначала б, што ён будзе лёгка ўвагнуты і пашкоджаны;лепш вырашыць праблему рэшткавага магнетызму іншым спосабам.
3) Чыгун: не так лёгка намагнічваецца, як сталь, але можа быць разгледжана.
4) Нержавеючая сталь тыпу 416: не можа быць намагнічана так моцна, як сталь, і значна даражэйшая (але можа быць карыснай для тонкай ахоўнай паверхні на корпусе магніта).
5) Нержавеючая сталь тыпу 316: гэта немагнітны сплаў сталі і таму зусім не падыходзіць (за выключэннем п. 4 вышэй).
6) Сярэдневугляродзістая сталь, тып K1045: Гэты матэрыял у асноўным падыходзіць для канструкцыі магніта (і іншых частак машыны).Ён даволі цвёрды ў стане, які пастаўляецца, і ён таксама добра апрацоўваецца.
7) Сярэдневуглеродная сталь тыпу CS1020: гэтая сталь не такая цвёрдая, як K1045, але яна больш даступная і, такім чынам, можа быць найбольш практычным выбарам для канструкцыі машыны Magnabend.
Звярніце ўвагу, што неабходныя важныя ўласцівасці:
Высокая намагнічанасць насычэння.(Большасць сталёвых сплаваў насычаюцца каля 2 Тэсла),
Наяўнасць карысных памераў раздзелаў,
Ўстойлівасць да выпадковых пашкоджанняў,
Машынальнасць, і
Разумны кошт.
Сярэдневуглеродная сталь добра адпавядае ўсім гэтым патрабаванням.Таксама можа быць выкарыстана нізкавугляродзістая сталь, але яна менш устойлівая да выпадковых пашкоджанняў.Існуюць таксама іншыя спецыяльныя сплавы, такія як супермендур, якія маюць больш высокую намагнічанасць насычэння, але іх не варта разглядаць з-за іх вельмі высокага кошту ў параўнанні са сталлю.
Сярэдневуглеродная сталь, аднак, дэманструе некаторы рэшткавы магнетызм, якога дастаткова, каб быць непрыемнасцю.(Гл. раздзел аб рэшткавым магнетызме).
Шпулька
Шпулька - гэта тое, што кіруе магнітным патокам праз электрамагніт.Яго сіла намагнічвання - гэта проста твор колькасці віткоў (N) і току шпулькі (I).Такім чынам:
N = колькасць віткоў
I = ток у абмотках.
З'яўленне «N» у прыведзенай вышэй формуле прыводзіць да распаўсюджанага зману.
Шырока лічыцца, што павелічэнне колькасці віткоў прывядзе да павелічэння сілы намагнічання, але звычайна гэтага не адбываецца, таму што дадатковыя віткі таксама зніжаюць ток I.
Разгледзім шпульку з фіксаваным пастаянным напругай.Калі колькасць віткоў павялічыцца ўдвая, то супраціўленне абмотак таксама павялічыцца ўдвая (у доўгай шпульцы), і, такім чынам, ток паменшыцца ўдвая.Чысты эфект - адсутнасць павелічэння NI.
Тое, што сапраўды вызначае NI, - гэта супраціў за ход.Такім чынам, каб павялічыць NI таўшчыню дроту трэба павялічыць.Каштоўнасць дадатковых віткоў у тым, што яны зніжаюць ток і, такім чынам, рассейванне магутнасці ў шпульцы.
Дызайнер павінен памятаць, што калібр дроту - гэта тое, што сапраўды вызначае сілу намагнічання шпулькі.Гэта самы важны параметр канструкцыі шпулькі.
Прадукт NI часта называюць «ампернымі віткамі» шпулькі.
Колькі амперных віткоў трэба?
Сталь дэманструе намагнічанасць насычэння каля 2 Тэсла, і гэта задае фундаментальнае абмежаванне таго, колькі сілы заціску можна атрымаць.
З прыведзенага вышэй графіка мы бачым, што напружанасць поля, неабходная для атрымання шчыльнасці патоку ў 2 Тэсла, складае каля 20 000 ампер-віткоў на метр.
Цяпер для тыповай канструкцыі Magnabend даўжыня шляху патоку ў сталі складае каля 1/5 метра і, такім чынам, спатрэбіцца (20 000/5) AT для атрымання насычэння, гэта значыць каля 4000 AT.
Было б нядрэнна мець нашмат больш амперных віткоў, чым гэта, каб намагнічанасць насычэння падтрымлівалася нават пры ўвядзенні ў магнітную ланцуг немагнітных зазораў (г.зн. нарыхтоўкі з каляровых металаў).Аднак дадатковыя амперныя віткі можна атрымаць толькі пры значнай цане рассейвання магутнасці або кошту меднага дроту, або абодвух.Таму патрэбен кампраміс.
Тыповыя канструкцыі Magnabend маюць шпульку, якая вырабляе 3800 ампер.
Звярніце ўвагу, што гэты паказчык не залежыць ад даўжыні машыны.Калі адна і тая ж магнітная канструкцыя ўжываецца ў дыяпазоне даўжыні машыны, гэта дыктуе, што больш доўгія машыны будуць мець менш віткоў таўсцейшага дроту.Яны будуць спажываць большы агульны ток, але будуць мець аднолькавы твор ампер х абаротаў і будуць мець аднолькавую сілу заціску (і такую ж магутнасць рассейвання) на адзінку даўжыні.
Рабочы цыкл
Канцэпцыя працоўнага цыклу з'яўляецца вельмі важным аспектам канструкцыі электрамагніта.Калі канструкцыя прадугледжвае большы працоўны цыкл, чым неабходна, гэта не аптымальна.Больш працоўны цыкл па сутнасці азначае, што спатрэбіцца больш меднага дроту (з адпаведнай большай коштам) і / або будзе менш даступная сіла заціску.
Заўвага: магніт з больш высокім працоўным цыклам будзе мець меншае рассейванне магутнасці, што азначае, што ён будзе выкарыстоўваць менш энергіі і, такім чынам, будзе танней у эксплуатацыі.Аднак, паколькі магніт уключаны толькі на кароткі час, то выдаткі на энергію пры эксплуатацыі звычайна разглядаюцца як вельмі малаважныя.Такім чынам, дызайнерскі падыход заключаецца ў тым, каб мець столькі рассейвання магутнасці, колькі вы можаце абыйсціся, каб не пераграваць абмоткі шпулькі.(Гэты падыход з'яўляецца агульным для большасці канструкцый электрамагнітаў).
Magnabend разлічаны на намінальны працоўны цыкл каля 25%.
Звычайна на выгіб патрабуецца ўсяго 2 ці 3 секунды.Затым магніт будзе выключаны яшчэ на 8-10 секунд, пакуль нарыхтоўка будзе перастаўлена і выраўнавана гатовая да наступнага выгібу.Калі працоўны цыкл перавышаны 25%, то ў канчатковым выніку магніт нагрэецца і спрацуе цеплавая перагрузка.Магніт не пашкодзіцца, але перад паўторным выкарыстаннем яму трэба даць астыць каля 30 хвілін.
Вопыт эксплуатацыі машын у палявых умовах паказаў, што працоўны цыкл 25% цалкам дастатковы для звычайных карыстальнікаў.На самай справе некаторыя карыстальнікі прасілі дадатковыя версіі машыны высокай магутнасці, якія маюць вялікую сілу заціску за кошт меншага цыклу працы.
Плошча папярочнага перасеку шпулькі
Плошча папярочнага сячэння, даступная для шпулькі, будзе вызначаць максімальную колькасць меднага дроту, які можа быць усталяваны. Даступная плошча не павінна быць больш, чым неабходна, у адпаведнасці з неабходнымі ампернымі віткамі і рассейванай магутнасцю.Прадастаўленне большай прасторы для шпулькі непазбежна павялічыць памер магніта і прывядзе да большай даўжыні шляху патоку ў сталі (што паменшыць агульны паток).
Той жа аргумент мае на ўвазе, што незалежна ад прастору шпулькі прадугледжана ў канструкцыі, яно заўсёды павінна быць запоўнена медным дротам.Калі ён не поўны, гэта азначае, што геаметрыя магніта магла быць лепшай.
Сіла заціску Magnabend:
Прыведзены ніжэй графік быў атрыманы ў выніку эксперыментальных вымярэнняў, але ён даволі добра супадае з тэарэтычнымі разлікамі.
Высілак заціску можна матэматычна вылічыць па гэтай формуле:
F = сіла ў ньютанах
B = шчыльнасць магнітнага патоку ў Тэслах
A = плошча слупоў у м2
µ0 = канстанта магнітнай пранікальнасці, (4π x 10-7)
Для прыкладу мы разлічым сілу заціску для шчыльнасці патоку 2 Тэсла:
Такім чынам, F = ½ (2)2 A/µ0
Для сілы на адзінку плошчы (ціск) мы можам апусціць «А» у формуле.
Такім чынам, ціск = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) Н/м2.
Гэта даходзіць да 1 590 000 Н/м2.
Каб перавесці гэтую сілу ў кілаграмы, яе можна падзяліць на g (9,81).
Такім чынам: Ціск = 162 080 кг/м2 = 16,2 кг/см2.
Гэта даволі добра супадае з вымеранай сілай для нулявога зазору, паказанай на прыведзеным вышэй графіку.
Гэтую лічбу можна лёгка пераўтварыць у агульную сілу заціску для дадзенай машыны, памножыўшы яе на плошчу полюса машыны.Для мадэлі 1250E плошча полюса роўная 125(1,4+3,0+1,5) =735 см2.
Такім чынам, агульная сіла з нулявым зазорам будзе (735 х 16,2) = 11 900 кг або 11,9 тоны;каля 9,5 тон на метр даўжыні магніта.
Шчыльнасць патоку і ціск заціску наўпрост звязаныя і паказаны на графіку ніжэй:
Практычная сіла заціску:
На практыцы гэтая высокая сіла заціску рэалізуецца толькі тады, калі яна не патрэбна(!), то бок пры згінанні тонкіх сталёвых дэталяў.Пры згінанні каляровых дэталяў высілак будзе менш, як паказана на графіку вышэй, і (трохі цікава), яно таксама менш пры згінанні тоўстых сталёвых дэталяў.Гэта тлумачыцца тым, што сіла заціску, неабходная для рэзкага выгібу, значна вышэйшая, чым неабходная для радыуснага выгібу.Такім чынам, што адбываецца, так гэта тое, што па меры згінання пярэдні край заціску злёгку падымаецца, што дазваляе нарыхтоўцы ўтвараць радыус.
Невялікі паветраны зазор, які ўтвараецца, выклікае невялікую страту сілы заціску, але сіла, неабходная для фарміравання радыусу выгібу, знізілася больш рэзка, чым сіла заціску магніта.Такім чынам атрымліваецца стабільная сітуацыя, і заціск не адпускае.
Вышэй апісаны рэжым выгібу, калі станок знаходзіцца каля мяжы таўшчыні.Калі паспрабаваць нарыхтоўку яшчэ больш тоўстай, то, вядома, заціск падымецца.
Гэтая схема сведчыць аб тым, што калі б носавая кромка заціску была трохі радыуснай, а не рэзкай, то паветраны зазор для тоўстага выгібу паменшыўся б.
Сапраўды гэта так, і правільна зроблены Magnabend будзе мець заціск з радыусным краем.(Радыусная абза таксама значна менш схільная выпадковаму пашкоджанню ў параўнанні з вострым краем).
Гранічны рэжым адмовы выгібу:
Пры спробе згінання вельмі тоўстай нарыхтоўкі станок не зможа сагнуць яе, таму што заціск проста падымецца.(На шчасце, гэта адбываецца не драматычным чынам; заціск проста адпускаецца ціха).
Аднак калі нагрузка на выгіб толькі крыху больш, чым здольнасць магніта на выгіб, то звычайна адбываецца тое, што выгіб працягнецца прыкладна на 60 градусаў, а затым заціск пачне слізгаць назад.У гэтым рэжыме адмовы магніт можа супрацьстаяць нагрузцы на выгіб толькі ўскосна, ствараючы трэнне паміж нарыхтоўкай і ложам магніта.
Розніца ў таўшчыні паміж адмовай з-за адрыву і адмовай з-за слізгацення, як правіла, не вельмі вялікая.
Збой пры ўздыме адбываецца з-за таго, што нарыхтоўка цягне пярэдні край заціску ўверх.Гэтаму супраціўляецца ў асноўным сіла заціску на пярэднім краі заціску.Заціск на заднім краі мае невялікі эфект, таму што ён знаходзіцца блізка да месца павароту заціску.На самай справе гэта толькі палова агульнай сілы заціску, якая супраціўляецца адрыву.
З іншага боку, слізгаценню супраціўляецца агульная сіла заціску, але толькі праз трэнне, таму фактычнае супраціўленне залежыць ад каэфіцыента трэння паміж нарыхтоўкай і паверхняй магніта.
Для чыстай і сухой сталі каэфіцыент трэння можа дасягаць 0,8, але калі прысутнічае змазка, то ён можа быць і 0,2.Як правіла, гэта будзе недзе пасярэдзіне, так што гранічны рэжым адмовы выгібу звычайна з'яўляецца з-за слізгацення, але спробы павялічыць трэнне аб паверхні магніта аказаліся невыгоднымі.
Ёмістасць таўшчыні:
Для корпуса магніта тыпу Е шырынёй 98 мм і глыбінёй 48 мм і са шпулькай 3800 ампер магутнасць выгібу па ўсёй даўжыні складае 1,6 мм.Гэтая таўшчыня тычыцца як сталёвага, так і алюмініевага ліста.Будзе менш заціскання алюмініевага ліста, але для яго згінання патрабуецца меншы крутоўны момант, так што гэта кампенсуецца такім чынам, каб даць аднолькавую ёмістасць для абодвух тыпаў металу.
Неабходна мець некаторыя заўвагі адносна заяўленай здольнасці на выгіб: галоўная з іх заключаецца ў тым, што мяжа цякучасці ліставога металу можа моцна адрознівацца.Ёмістасць 1,6 мм адносіцца да сталі з напружаннем цякучасці да 250 МПа і алюмінію з напружаннем цякучасці да 140 МПа.
Таўшчыня нержавеючай сталі складае каля 1,0 мм.Гэтая ёмістасць значна меншая, чым для большасці іншых металаў, таму што нержавеючая сталь звычайна немагнітная і пры гэтым мае дастаткова высокі гранічны напружанасць.
Яшчэ адзін фактар - тэмпература магніта.Калі магніту было дазволена нагрэцца, супраціў шпулькі будзе вышэй, і гэта, у сваю чаргу, прывядзе да таго, што ён будзе спажываць меншы ток з наступным меншымі ампер-віткамі і меншай сілай заціску.(Гэты эфект звычайна даволі ўмераны і наўрад ці прывядзе да таго, што машына не будзе адпавядаць сваім спецыфікацыям).
Нарэшце, магнабенды ёмістасці можна было б зрабіць больш, калі б перасек магніта было большым.