MAGNABEND - YSTYRIAETHAU DYLUNIO SYLFAENOL
Dyluniad Magnet Sylfaenol
Mae'r peiriant Magnabend wedi'i gynllunio fel magnet DC pwerus gyda chylch dyletswydd cyfyngedig.
Mae'r peiriant yn cynnwys 3 rhan sylfaenol: -
Y corff magnet sy'n ffurfio sylfaen y peiriant ac yn cynnwys y coil electro-magnet.
Y bar clamp sy'n darparu llwybr ar gyfer fflwcs magnetig rhwng polion sylfaen y magnet, a thrwy hynny clampio'r darn gwaith sheetmetal.
Y trawst plygu sydd wedi'i golynu i ymyl flaen y corff magnet ac yn darparu modd ar gyfer cymhwyso grym plygu i'r darn gwaith.
Ffurfweddau Corff Magnet
Mae ffurfweddiadau amrywiol yn bosibl ar gyfer y corff magnet.
Dyma 2 sydd ill dau wedi cael eu defnyddio ar gyfer peiriannau Magnabend:
Mae'r llinellau coch toredig yn y lluniadau uchod yn cynrychioli'r llwybrau fflwcs magnetig.Sylwch fod gan y dyluniad "U-Math" lwybr fflwcs sengl (1 pâr o bolion) tra bod gan y dyluniad "E-Math" 2 lwybr fflwcs (2 bâr o bolion).
Cymhariaeth Ffurfwedd Magnet:
Mae'r ffurfwedd E-math yn fwy effeithlon na'r ffurfweddiad math U.
I ddeall pam fod hyn yn wir ystyriwch y ddau lun isod.
Ar y chwith mae croestoriad o fagnet math U ac ar y dde mae magnet math E sydd wedi'i wneud trwy gyfuno 2 o'r un mathau o U.Os yw pob ffurfweddiad magnet yn cael ei yrru gan goil gyda'r un troeon ampere yna mae'n amlwg y bydd gan y magnet dyblu (y math E) ddwywaith cymaint o rym clampio.Mae hefyd yn defnyddio dwywaith cymaint o ddur ond prin ddim mwy o wifren ar gyfer y coil!(Gan dybio dyluniad coil hir).
(Byddai angen y swm bach o wifren ychwanegol dim ond oherwydd bod 2 ddwy goes y coil ymhellach ar wahân yn y dyluniad "E", ond mae'r ychwanegiad hwn yn dod yn ddibwys mewn dyluniad coil hir fel a ddefnyddir ar gyfer y Magnabend).
Super Magnabend:
Er mwyn adeiladu magnet hyd yn oed yn fwy pwerus gellir ymestyn y cysyniad "E" fel y cyfluniad dwbl-E hwn:
Model 3-D:
Isod mae llun 3-D yn dangos trefniant sylfaenol rhannau mewn magnet math U:
Yn y dyluniad hwn mae'r polion Blaen a Chefn yn ddarnau ar wahân ac wedi'u cysylltu â bolltau i'r darn Craidd.
Er mewn egwyddor, byddai'n bosibl peiriannu corff magnet math U o un darn o ddur, yna ni fyddai'n bosibl gosod y coil ac felly byddai'n rhaid i'r coil gael ei glwyfo yn y fan a'r lle (ar y corff magnet wedi'i beiriannu. ).
Mewn sefyllfa gynhyrchu mae'n ddymunol iawn gallu dirwyn y coiliau ar wahân (ar ffurf arbennig).Felly mae dyluniad math U i bob pwrpas yn pennu adeiladwaith saernïol.
Ar y llaw arall, mae'r dyluniad math E yn addas iawn ar gyfer corff magnet wedi'i beiriannu o un darn o ddur oherwydd mae'n hawdd gosod coil wedi'i wneud ymlaen llaw ar ôl i'r corff magnet gael ei beiriannu.Mae corff magnet un darn hefyd yn perfformio'n well yn magnetig gan nad oes ganddo unrhyw fylchau adeiladu a fyddai fel arall yn lleihau'r fflwcs magnetig (ac felly'r grym clampio) ychydig.
(Roedd y rhan fwyaf o Magnabendau a wnaed ar ôl 1990 yn defnyddio'r dyluniad math E).
Dewis Deunydd ar gyfer Adeiladu Magnet
Rhaid i'r corff magnet a'r clampbar gael eu gwneud o ddeunydd ferromagnetig (magnetadwy).Dur yw'r deunydd fferromagnetig rhataf o bell ffordd a dyma'r dewis amlwg.Fodd bynnag, mae yna wahanol dduriau arbennig ar gael y gellid eu hystyried.
1) Dur Silicon : Dur gwrthedd uchel sydd fel arfer ar gael mewn lamineiddiadau tenau ac a ddefnyddir mewn trawsnewidyddion AC, magnetau AC, releiau ac ati. Nid oes angen ei briodweddau ar gyfer y Magnabend sy'n fagnet DC.
2) Haearn Meddal: Byddai'r deunydd hwn yn arddangos magnetedd gweddilliol is a fyddai'n dda ar gyfer peiriant Magnabend ond mae'n feddal yn gorfforol a fyddai'n golygu y byddai'n hawdd ei dendio a'i ddifrodi;mae'n well datrys y broblem magnetedd gweddilliol rhyw ffordd arall.
3) Haearn Bwrw: Ddim mor hawdd ei fagneteiddio â dur wedi'i rolio ond gellid ei ystyried.
4) Dur Di-staen Math 416 : Ni ellir ei fagneteiddio mor gryf â dur ac mae'n llawer drutach (ond gall fod yn ddefnyddiol ar gyfer arwyneb capio amddiffynnol tenau ar y corff magnet).
5) Dur Di-staen Math 316 : Mae hwn yn aloi anfagnetig o ddur ac felly nid yw'n addas o gwbl (ac eithrio fel yn 4 uchod).
6) Dur Carbon Canolig, math K1045 : Mae'r deunydd hwn yn hynod addas ar gyfer adeiladu'r magnet, (a rhannau eraill o'r peiriant).Mae'n weddol galed yn y cyflwr a gyflenwir ac mae hefyd yn peiriannu'n dda.
7) Math Dur Carbon Canolig CS1020 : Nid yw'r dur hwn mor galed â K1045 ond mae ar gael yn haws ac felly efallai mai hwn yw'r dewis mwyaf ymarferol ar gyfer adeiladu'r peiriant Magnabend.
Sylwch mai'r priodweddau pwysig sydd eu hangen yw:
Magneteiddio dirlawnder uchel.(Mae'r rhan fwyaf o aloion dur yn dirlawn tua 2 Tesla),
Argaeledd meintiau adran defnyddiol,
Gwrthwynebiad i niwed achlysurol,
Machinability, a
Cost resymol.
Mae dur carbon canolig yn cyd-fynd â'r holl ofynion hyn yn dda.Gellid defnyddio dur carbon isel hefyd ond mae'n llai gwrthsefyll difrod achlysurol.Mae aloion arbennig eraill hefyd, megis supermendur, sydd â magneteiddio dirlawnder uwch ond ni ddylid eu hystyried oherwydd eu cost uchel iawn o'i gymharu â dur.
Fodd bynnag, mae dur carbon canolig yn dangos rhywfaint o fagnetedd gweddilliol sy'n ddigon i fod yn niwsans.(Gweler yr adran ar Magnetedd Gweddilliol).
Y Coil
Y coil sy'n gyrru'r fflwcs magneteiddio trwy'r electromagnet.Dim ond cynnyrch nifer y troadau (N) a'r cerrynt coil (I) yw ei rym magneteiddio.Felly:
N = nifer y troeon
I = cerrynt yn y dirwyniadau.
Mae ymddangosiad "N" yn y fformiwla uchod yn arwain at gamsyniad cyffredin.
Tybir yn eang y bydd cynyddu nifer y troadau yn cynyddu'r grym magneteiddio ond yn gyffredinol nid yw hyn yn digwydd oherwydd bod troadau ychwanegol hefyd yn lleihau'r cerrynt, I.
Ystyriwch coil a gyflenwir â foltedd DC sefydlog.Os yw nifer y troeon yn cael ei ddyblu, yna bydd gwrthiant y dirwyniadau hefyd yn cael ei ddyblu (mewn coil hir) ac felly bydd y cerrynt yn cael ei haneru.Yr effaith net yw dim cynnydd mewn YG.
Yr hyn sy'n pennu YG mewn gwirionedd yw'r gwrthiant fesul tro.Felly er mwyn cynyddu YG rhaid cynyddu trwch y wifren.Gwerth troadau ychwanegol yw eu bod yn lleihau'r cerrynt ac felly'r gwasgariad pŵer yn y coil.
Dylai'r dylunydd fod yn ymwybodol mai'r mesurydd gwifren sy'n pennu grym magneteiddio'r coil mewn gwirionedd.Dyma'r paramedr pwysicaf o ddylunio coil.
Cyfeirir at y cynnyrch YG yn aml fel "troi ampere" y coil.
Sawl Tro Ampere Sydd ei Angen?
Mae dur yn arddangos magnetiad dirlawnder o tua 2 Tesla ac mae hyn yn gosod terfyn sylfaenol ar faint o rym clampio y gellir ei gael.
O'r graff uchod gwelwn mai cryfder y maes sydd ei angen i gael dwysedd fflwcs o 2 Tesla yw tua 20,000 troadau ampere y metr.
Nawr, ar gyfer dyluniad nodweddiadol Magnabend, mae hyd y llwybr fflwcs yn y dur tua 1/5fed o fetr ac felly bydd angen (20,000/5) AT i gynhyrchu dirlawnder, hynny yw tua 4,000 AT.
Byddai'n braf cael llawer mwy o droadau ampere na hyn fel y gellid cynnal magneteiddio dirlawnder hyd yn oed pan gyflwynir bylchau anfagnetig (hy darnau gwaith anfferrus) i'r gylched magnetig.Fodd bynnag, dim ond ar gost sylweddol y gellir cael troeon ampere ychwanegol o ran gwasgariad pŵer neu gost gwifren gopr, neu'r ddau.Felly mae angen cyfaddawd.
Mae gan ddyluniadau Magnabend nodweddiadol coil sy'n cynhyrchu 3,800 tro ampere.
Sylwch nad yw'r ffigur hwn yn dibynnu ar hyd y peiriant.Os cymhwysir yr un dyluniad magnetig dros ystod o hydoedd peiriant yna mae'n mynnu y bydd gan y peiriannau hirach lai o droadau o wifren fwy trwchus.Byddant yn tynnu mwy o gyfanswm cerrynt ond bydd ganddynt yr un cynnyrch o amp x tro a bydd ganddynt yr un grym clampio (a'r un gwasgariad pŵer) fesul uned o hyd.
Cylch Dyletswydd
Mae'r cysyniad o gylchred dyletswydd yn agwedd bwysig iawn ar ddyluniad yr electromagnet.Os yw'r dyluniad yn darparu ar gyfer mwy o gylchred dyletswydd nag sydd ei angen yna nid yw'n optimwm.Mae mwy o gylchred dyletswydd yn ei hanfod yn golygu y bydd angen mwy o wifren gopr (gyda chost uwch o ganlyniad) a/neu bydd llai o rym clampio ar gael.
Sylwer: Bydd gan fagnet cylch dyletswydd uwch lai o afradu pŵer sy'n golygu y bydd yn defnyddio llai o ynni ac felly'n rhatach i'w weithredu.Fodd bynnag, oherwydd bod y magnet YMLAEN am gyfnodau byr yn unig, yna ychydig iawn o arwyddocâd yw cost ynni gweithredu fel arfer.Felly'r dull dylunio yw cael cymaint o afradu pŵer ag y gallwch chi ddianc ag ef o ran peidio â gorboethi dirwyniadau'r coil.(Mae'r dull hwn yn gyffredin i'r rhan fwyaf o ddyluniadau electromagnet).
Mae'r Magnabend wedi'i gynllunio ar gyfer cylch dyletswydd enwol o tua 25%.
Yn nodweddiadol, dim ond 2 neu 3 eiliad y mae'n ei gymryd i wneud tro.Yna bydd y magnet i ffwrdd am 8 i 10 eiliad arall tra bod y darn gwaith yn cael ei ail-leoli a'i alinio yn barod ar gyfer y tro nesaf.Os eir y tu hwnt i'r cylch dyletswydd o 25%, yn y pen draw bydd y magnet yn mynd yn rhy boeth a bydd gorlwytho thermol yn baglu.Ni fydd y magnet yn cael ei niweidio ond bydd yn rhaid ei adael i oeri am tua 30 munud cyn cael ei ddefnyddio eto.
Mae profiad gweithredol gyda pheiriannau yn y maes wedi dangos bod y cylch dyletswydd o 25% yn eithaf digonol ar gyfer defnyddwyr nodweddiadol.Mewn gwirionedd mae rhai defnyddwyr wedi gofyn am fersiynau pŵer uchel dewisol o'r peiriant sydd â mwy o rym clampio ar draul llai o gylchred dyletswydd.
Ardal Drawstoriadol Coil
Bydd yr ardal drawsdoriadol sydd ar gael ar gyfer y coil yn pennu uchafswm y wifren gopr y gellir ei gosod ynddo. Ni ddylai'r arwynebedd sydd ar gael fod yn fwy na'r hyn sydd ei angen, yn gyson â'r troadau ampere gofynnol a'r gwasgariad pŵer.Bydd darparu mwy o le ar gyfer y coil yn anochel yn cynyddu maint y magnet ac yn arwain at hyd llwybr fflwcs hirach yn y dur (a fydd yn lleihau cyfanswm y fflwcs).
Mae'r un ddadl yn awgrymu y dylai pa bynnag ofod coil a ddarperir yn y dyluniad fod yn llawn bob amser â gwifren gopr.Os nad yw'n llawn yna mae'n golygu y gallai geometreg y magnet fod wedi bod yn well.
Grym Clampio Magnabend:
Cafwyd y graff isod trwy fesuriadau arbrofol, ond mae'n cytuno'n weddol dda â chyfrifiadau damcaniaethol.
Gellir cyfrifo'r grym clampio yn fathemategol o'r fformiwla hon:
F = grym mewn Newtonau
B = dwysedd fflwcs magnetig yn Teslas
A = arwynebedd y polion mewn m2
µ0 = cysonyn athreiddedd magnetig, (4π x 10-7)
Er enghraifft, byddwn yn cyfrifo'r grym clampio ar gyfer dwysedd fflwcs o 2 Tesla:
Felly F = ½ (2)2 A/µ0
Ar gyfer grym ar arwynebedd uned (pwysau) gallwn ollwng yr "A" yn y fformiwla.
Felly pwysau = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Daw hyn allan i 1,590,000 N/m2.
I drosi hyn yn rym cilogramau gellir ei rannu â g (9.81).
Felly: Pwysedd = 162,080 kg/m2 = 16.2 kg/cm2.
Mae hyn yn cytuno'n eithaf da gyda'r grym mesuredig ar gyfer bwlch sero a ddangosir ar y graff uchod.
Mae'n hawdd trosi'r ffigur hwn yn gyfanswm grym clampio ar gyfer peiriant penodol trwy ei luosi ag arwynebedd polyn y peiriant.Ar gyfer y model 1250E, arwynebedd y polyn yw 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Felly cyfanswm y grym, dim-bwlch, fyddai (735 x 16.2) = 11,900 kg neu 11.9 tunnell;tua 9.5 tunnell fesul metr o hyd magnet.
Mae cysylltiad uniongyrchol rhwng dwysedd fflwcs a gwasgedd Clampio ac fe'u dangosir ar y graff isod:
Grym Clampio Ymarferol:
Yn ymarferol dim ond pan nad oes ei angen (!), hynny yw, wrth blygu darnau gwaith dur tenau y caiff y grym clampio uchel hwn ei wireddu.Wrth blygu workpieces anfferrus bydd y grym yn llai fel y dangosir yn y graff uchod, ac (ychydig yn rhyfedd), mae hefyd yn llai wrth blygu workpieces dur trwchus.Mae hyn oherwydd bod y grym clampio sydd ei angen i wneud tro sydyn yn llawer uwch na'r hyn sydd ei angen ar gyfer tro radiws.Felly beth sy'n digwydd yw bod ymyl blaen y clampbar yn codi ychydig wrth i'r tro fynd yn ei flaen gan ganiatáu i'r darn gwaith ffurfio radiws.
Mae'r bwlch aer bach sy'n cael ei ffurfio yn achosi colli ychydig o rym clampio ond mae'r grym sydd ei angen i ffurfio'r tro radiws wedi gostwng yn fwy sydyn nag sydd gan y grym clampio magnet.Felly mae sefyllfa sefydlog yn arwain ac nid yw'r clampbar yn gollwng gafael.
Yr hyn a ddisgrifir uchod yw'r modd plygu pan fydd y peiriant yn agos at ei derfyn trwch.Os rhoddir cynnig ar ddarn gwaith hyd yn oed yn fwy trwchus yna wrth gwrs bydd y clampbar yn codi i ffwrdd.
Mae'r diagram hwn yn awgrymu pe bai ymyl trwyn y clampbar yn radiws ychydig, yn hytrach na miniog, yna byddai'r bwlch aer ar gyfer plygu trwchus yn cael ei leihau.
Yn wir, dyma'r achos a bydd gan Magnabend wedi'i wneud yn gywir bar clamp gydag ymyl radiws.(Mae ymyl radiws hefyd yn llawer llai agored i niwed damweiniol o'i gymharu ag ymyl miniog).
Modd Ymylol Methiant Plyg:
Os ceisir plygu ar ddarn gwaith trwchus iawn, bydd y peiriant yn methu â'i blygu oherwydd bydd y bar clamp yn codi'n syml.(Yn ffodus nid yw hyn yn digwydd mewn ffordd ddramatig; mae'r clampbar yn gadael i fynd yn dawel).
Fodd bynnag, os yw'r llwyth plygu ychydig yn fwy na chynhwysedd plygu'r magnet, yna yn gyffredinol yr hyn sy'n digwydd yw y bydd y tro yn symud ymlaen i ddweud tua 60 gradd ac yna bydd y clampbar yn dechrau llithro yn ôl.Yn y dull hwn o fethiant dim ond yn anuniongyrchol y gall y magnet wrthsefyll y llwyth plygu trwy greu ffrithiant rhwng y darn gwaith a gwely'r magnet.
Yn gyffredinol, nid yw'r gwahaniaeth trwch rhwng methiant oherwydd codiad a methiant oherwydd llithro yn fawr iawn.
Mae methiant codi oherwydd bod y darn gwaith yn liferi ymyl blaen y clampbar i fyny.Y grym clampio ar ymyl flaen y clampbar yn bennaf sy'n gwrthsefyll hyn.Nid yw clampio ar yr ymyl cefn yn cael fawr o effaith oherwydd ei fod yn agos at ble mae'r clampbar yn cael ei golyn.Mewn gwirionedd dim ond hanner cyfanswm y grym clampio sy'n gwrthsefyll codiad.
Ar y llaw arall mae llithro yn cael ei wrthsefyll gan gyfanswm y grym clampio ond dim ond trwy ffrithiant felly mae'r gwrthiant gwirioneddol yn dibynnu ar y cyfernod ffrithiant rhwng y darn gwaith ac arwyneb y magnet.
Ar gyfer dur glân a sych gall y cyfernod ffrithiant fod mor uchel â 0.8 ond os yw iro yn bresennol yna gallai fod mor isel â 0.2.Yn nodweddiadol, bydd rhywle yn y canol fel bod y dull ymylol o fethiant tro fel arfer oherwydd llithro, ond canfuwyd nad yw ymdrechion i gynyddu ffrithiant ar wyneb y magnet yn werth chweil.
Cynhwysedd Trwch:
Ar gyfer corff magnet math E 98mm o led a 48mm o ddyfnder a gyda choil tro ampere 3,800, y gallu plygu hyd llawn yw 1.6mm.Mae'r trwch hwn yn berthnasol i ddalen ddur a dalen alwminiwm.Bydd llai o glampio ar y ddalen alwminiwm ond mae angen llai o trorym i'w blygu felly mae hyn yn gwneud iawn yn y fath fodd ag i roi cynhwysedd mesurydd tebyg ar gyfer y ddau fath o fetel.
Mae angen rhai cafeatau ar y gallu plygu a nodir: Y prif un yw y gall cryfder cnwd y metel dalen amrywio'n fawr.Mae'r capasiti 1.6mm yn berthnasol i ddur â straen cynnyrch o hyd at 250 MPa ac i alwminiwm â straen cynnyrch hyd at 140 MPa.
Mae'r gallu trwch mewn dur di-staen tua 1.0mm.Mae'r gallu hwn gryn dipyn yn llai nag ar gyfer y rhan fwyaf o fetelau eraill oherwydd bod dur di-staen fel arfer yn anfagnetig ac eto mae ganddo straen cynnyrch cymharol uchel.
Ffactor arall yw tymheredd y magnet.Os yw'r magnet wedi cael mynd yn boeth, yna bydd gwrthiant y coil yn uwch a bydd hyn yn ei dro yn achosi iddo dynnu llai o gerrynt gyda throadau ampere is o ganlyniad a grym clampio is.(Mae'r effaith hon fel arfer yn eithaf cymedrol ac mae'n annhebygol o achosi i'r peiriant beidio â bodloni ei fanylebau).
Yn olaf, gellid gwneud Magnabends cynhwysedd mwy trwchus pe bai croestoriad y magnet yn cael ei wneud yn fwy.