MAGNABEND - اعتبارات التصميم الأساسية
التصميم الأساسي للمغناطيس
تم تصميم آلة Magnabend كمغناطيس قوي للتيار المستمر مع دورة عمل محدودة.
تتكون الماكينة من 3 اجزاء اساسية: -
جسم المغناطيس الذي يشكل قاعدة الآلة ويحتوي على ملف مغناطيسي كهربائي.
شريط المشبك الذي يوفر مسارًا للتدفق المغناطيسي بين أقطاب قاعدة المغناطيس ، وبالتالي يثبت قطعة العمل ذات الألواح المعدنية.
شعاع الانحناء الذي يتمحور حول الحافة الأمامية لجسم المغناطيس ويوفر وسيلة لتطبيق قوة الانحناء على قطعة العمل.
تكوينات الجسم الممغنطة
تكوينات مختلفة ممكنة لجسم المغناطيس.
فيما يلي نوعان تم استخدامهما في ماكينات Magnabend:
تمثل الخطوط الحمراء المتقطعة في الرسومات أعلاه مسارات التدفق المغناطيسي.لاحظ أن تصميم "U-Type" له مسار تدفق فردي (زوج واحد من الأعمدة) بينما تصميم "E-Type" له مساران تدفق (زوجان من الأعمدة).
مقارنة تكوين المغناطيس:
التكوين من النوع E أكثر كفاءة من التكوين من النوع U.
لفهم سبب ذلك ، ضع في اعتبارك الرسمين أدناه.
يوجد على اليسار مقطع عرضي لمغناطيس من النوع U وعلى اليمين يوجد مغناطيس من النوع E تم تصنيعه من خلال الجمع بين نوعين من نفس النوع U.إذا كان كل تكوين مغناطيسي مدفوعًا بملف له نفس دورات الأمبير ، فمن الواضح أن المغناطيس المضاعف (النوع E) سيكون له ضعف قوة التثبيت.كما أنه يستخدم ضعف كمية الفولاذ ولكن بالكاد يستخدم أي سلك للملف!(بافتراض تصميم ملف طويل).
(ستكون هناك حاجة إلى كمية صغيرة من السلك الإضافي فقط لأن الساقين 2 للملف متباعدتان في تصميم "E" ، ولكن هذه الزيادة تصبح غير ذات أهمية في تصميم الملف الطويل مثل المستخدمة في Magnabend).
سوبر ماجنابند:
لبناء مغناطيس أكثر قوة ، يمكن توسيع مفهوم "E" مثل تكوين E مزدوج:
نموذج 3D:
يوجد أدناه رسم ثلاثي الأبعاد يوضح الترتيب الأساسي للأجزاء في مغناطيس من النوع U:
في هذا التصميم ، يكون القطبان الأمامي والخلفي قطعتين منفصلتين ويتم ربطهما بمسامير بالقطعة الأساسية.
على الرغم من أنه من حيث المبدأ ، سيكون من الممكن تصنيع جسم مغناطيسي من النوع U من قطعة واحدة من الفولاذ ، فلن يكون من الممكن بعد ذلك تثبيت الملف ، وبالتالي يجب أن يتم لف الملف في الموقع (على جسم المغناطيس المشكل ).
في حالة الإنتاج ، من المستحسن للغاية أن تكون قادرًا على لف الملفات بشكل منفصل (في سابقة خاصة).وبالتالي ، فإن التصميم من النوع U يفرض بشكل فعال البناء المُلفق.
من ناحية أخرى ، يفسح التصميم من النوع E نفسه جيدًا لجسم مغناطيسي تم تشكيله من قطعة واحدة من الفولاذ لأنه يمكن بسهولة تثبيت ملف مسبق الصنع بعد تشكيل جسم المغناطيس.يعمل جسم مغناطيسي من قطعة واحدة أيضًا بشكل أفضل من الناحية المغناطيسية لأنه لا يحتوي على أي فجوات في البناء والتي من شأنها أن تقلل التدفق المغناطيسي (وبالتالي قوة التثبيت) قليلاً.
(معظم منتجات Magnabends التي تم تصنيعها بعد عام 1990 استخدمت التصميم من النوع E).
اختيار مواد البناء المغناطيس
يجب أن يكون جسم المغناطيس والمشابك مصنوعًا من مادة مغناطيسية (قابلة للمغناطيسية).الصلب هو إلى حد بعيد أرخص المواد المغناطيسية وهو الخيار الواضح.ومع ذلك ، هناك العديد من أنواع الفولاذ الخاصة المتاحة والتي يمكن أخذها في الاعتبار.
1) الصلب السليكوني: فولاذ عالي المقاومة والذي يتوفر عادة في رقائق رقيقة ويستخدم في محولات التيار المتردد ومغناطيس التيار المتردد والمرحلات وما إلى ذلك خصائصه ليست مطلوبة لـ Magnabend وهو مغناطيس DC.
2) الحديد الناعم: ستظهر هذه المادة مغناطيسية أقل من المتبقي والتي ستكون جيدة لآلة Magnabend ولكنها ناعمة جسديًا مما يعني أنها ستنبعج وتتلف بسهولة ؛من الأفضل حل مشكلة المغناطيسية المتبقية بطريقة أخرى.
3) الحديد الزهر: ليس ممغنطًا بسهولة مثل الفولاذ المدلفن ولكن يمكن اعتباره.
4) الفولاذ المقاوم للصدأ النوع 416: لا يمكن أن يكون ممغنطًا بنفس قوة الفولاذ وهو أغلى ثمناً (ولكن قد يكون مفيدًا لسطح حماية رقيق على جسم المغناطيس).
5) الفولاذ المقاوم للصدأ النوع 316: هذه سبيكة غير مغناطيسية من الفولاذ وبالتالي فهي غير مناسبة على الإطلاق (باستثناء ما ورد في 4 أعلاه).
6) فولاذ كربوني متوسط ، نوع K1045: هذه المادة مناسبة بشكل بارز لبناء المغناطيس (وأجزاء أخرى من الماكينة).إنه صعب بشكل معقول في حالة التزويد كما أنه يعمل بشكل جيد.
7) نوع الصلب الكربوني المتوسط CS1020: هذا الفولاذ ليس بنفس صلابة K1045 ولكنه متاح بسهولة أكبر وبالتالي قد يكون الخيار الأكثر عملية لبناء آلة Magnabend.
لاحظ أن الخصائص المهمة المطلوبة هي:
مغنطة عالية التشبع.(تشبع معظم سبائك الصلب بحوالي 2 تسلا) ،
توافر أحجام الأقسام المفيدة ،
مقاومة الأضرار العرضية ،
الماكينة ، و
تكلفة معقولة.
يناسب الفولاذ الكربوني المتوسط كل هذه المتطلبات جيدًا.يمكن أيضًا استخدام الفولاذ منخفض الكربون ولكنه أقل مقاومة للأضرار العرضية.توجد أيضًا سبائك خاصة أخرى ، مثل supermendur ، التي تتمتع بمغنطة تشبع أعلى ولكن لا يجب أخذها في الاعتبار بسبب تكلفتها العالية جدًا مقارنة بالفولاذ.
ومع ذلك ، يُظهر الفولاذ الكربوني المتوسط بعض المغناطيسية المتبقية والتي تكفي لتكون مصدر إزعاج.(انظر قسم المغناطيسية المتبقية).
لفائف
الملف هو ما يدفع التدفق الممغنط عبر المغناطيس الكهربائي.قوتها الممغنطة هي فقط نتاج عدد الدورات (N) وتيار الملف (I).هكذا:
N = عدد الأدوار
أنا = التيار في اللفات.
يؤدي ظهور الحرف "N" في الصيغة أعلاه إلى سوء فهم شائع.
من المفترض على نطاق واسع أن زيادة عدد الدورات سيزيد من قوة المغناطيس ولكن هذا لا يحدث عمومًا لأن المنعطفات الإضافية تقلل أيضًا من التيار ، I.
ضع في اعتبارك ملفًا مزودًا بجهد تيار مستمر ثابت.إذا تضاعف عدد المنعطفات ، فستتضاعف أيضًا مقاومة اللفات (في ملف طويل) وبالتالي سينخفض التيار إلى النصف.التأثير الصافي هو عدم وجود زيادة في NI.
ما يحدد حقا NI هو المقاومة لكل منعطف.وبالتالي لزيادة NI يجب زيادة سمك السلك.تكمن قيمة المنعطفات الإضافية في أنها تقلل التيار وبالتالي تبديد الطاقة في الملف.
يجب أن يدرك المصمم أن مقياس السلك هو ما يحدد حقًا قوة جذب الملف.هذه هي أهم معلمة في تصميم الملف.
غالبًا ما يشار إلى منتج NI باسم "لفات الأمبير" للملف.
كم عدد دورات الأمبير المطلوبة؟
يُظهر الفولاذ مغنطة تشبع تبلغ حوالي 2 تسلا وهذا يضع حدًا أساسيًا لمقدار قوة التثبيت التي يمكن الحصول عليها.
من الرسم البياني أعلاه نرى أن شدة المجال المطلوبة للحصول على كثافة تدفق تبلغ 2 تسلا تبلغ حوالي 20000 أمبير لكل متر.
الآن ، بالنسبة لتصميم Magnabend النموذجي ، يبلغ طول مسار التدفق في الفولاذ حوالي 1/5 من المتر ، وبالتالي سيتطلب (20000/5) AT لإنتاج التشبع ، أي حوالي 4000 AT.
سيكون من اللطيف الحصول على عدد دورات أمبير أكثر من ذلك بحيث يمكن الحفاظ على مغنطة التشبع حتى عند إدخال فجوات غير مغناطيسية (أي قطع العمل غير الحديدية) في الدائرة المغناطيسية.ومع ذلك ، لا يمكن اكتساب دورات الأمبير الإضافية إلا بتكلفة كبيرة في تبديد الطاقة أو تكلفة الأسلاك النحاسية أو كليهما.وبالتالي هناك حاجة إلى حل وسط.
تحتوي تصميمات Magnabend النموذجية على ملف ينتج 3800 أمبير.
لاحظ أن هذا الرقم لا يعتمد على طول الجهاز.إذا تم تطبيق نفس التصميم المغناطيسي على نطاق من أطوال الماكينة ، فإنه يفرض على الآلات الأطول عدد دورات أقل من الأسلاك السميكة.سوف يسحبون المزيد من إجمالي التيار ولكن سيكون لديهم نفس ناتج الأمبير x المنعطفات وسيكون لديهم نفس قوة التثبيت (ونفس تبديد الطاقة) لكل وحدة طول.
دورة العمل
يعد مفهوم دورة العمل جانبًا مهمًا جدًا في تصميم المغناطيس الكهربائي.إذا كان التصميم يوفر دورة عمل أكثر مما هو مطلوب ، فهذا ليس هو الأمثل.يعني المزيد من دورة العمل بطبيعته أنه ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الأسلاك النحاسية (مع ما يترتب على ذلك من تكلفة أعلى) و / أو ستكون هناك قوة تثبيت أقل متاحة.
ملحوظة: مغناطيس دورة العمل الأعلى سيكون له تبديد أقل للطاقة مما يعني أنه سيستخدم طاقة أقل وبالتالي يكون تشغيله أرخص.ومع ذلك ، نظرًا لأن المغناطيس يعمل لفترات وجيزة فقط ، فإن تكلفة الطاقة للتشغيل عادة ما تعتبر قليلة الأهمية.وبالتالي ، فإن نهج التصميم هو الحصول على أكبر قدر من تبديد الطاقة يمكنك التخلص منه من حيث عدم ارتفاع درجة حرارة لفات الملف.(هذا النهج شائع في معظم تصاميم المغناطيس الكهربائي).
تم تصميم Magnabend لدورة عمل رمزية تبلغ حوالي 25٪.
عادةً ما يستغرق الأمر 2 أو 3 ثوانٍ فقط لعمل الانحناء.سيتم بعد ذلك إيقاف تشغيل المغناطيس لمدة 8 إلى 10 ثوانٍ أخرى أثناء إعادة وضع قطعة العمل ومحاذاة استعدادًا للانحناء التالي.إذا تم تجاوز دورة العمل البالغة 25٪ ، فسيصبح المغناطيس في النهاية ساخنًا جدًا وسيرحل الحمل الزائد الحراري.لن يتلف المغناطيس ولكن سيتعين تركه يبرد لمدة 30 دقيقة قبل استخدامه مرة أخرى.
أظهرت الخبرة التشغيلية مع الآلات في الميدان أن دورة العمل بنسبة 25٪ مناسبة تمامًا للمستخدمين العاديين.في الواقع ، طلب بعض المستخدمين إصدارات اختيارية عالية الطاقة من الماكينة والتي تتمتع بقوة تثبيت أكبر على حساب دورة عمل أقل.
منطقة مقطعية لفائف
ستحدد منطقة المقطع العرضي المتاحة للملف الحد الأقصى لمقدار الأسلاك النحاسية التي يمكن تركيبها. ولا ينبغي أن تكون المساحة المتاحة أكثر مما هو مطلوب ، بما يتوافق مع دورات الأمبير المطلوبة وتبديد الطاقة.سيؤدي توفير مساحة أكبر للملف إلى زيادة حجم المغناطيس حتمًا وينتج عنه طول مسار تدفق أطول في الفولاذ (مما يقلل التدفق الكلي).
تشير نفس الحجة إلى أنه مهما كانت مساحة الملف المتوفرة في التصميم ، يجب أن تكون ممتلئة دائمًا بالأسلاك النحاسية.إذا لم يكن ممتلئًا ، فهذا يعني أن هندسة المغناطيس كان من الممكن أن تكون أفضل.
قوة لقط ماجنابند:
تم الحصول على الرسم البياني أدناه من خلال القياسات التجريبية ، لكنه يتفق جيدًا مع الحسابات النظرية.
يمكن حساب قوة التثبيت رياضيًا من هذه الصيغة:
F = القوة بالنيوتن
ب = كثافة التدفق المغناطيسي في تسلا
أ = مساحة الأعمدة بالمتر المربع
µ0 = ثابت النفاذية المغناطيسية ، (4π × 10-7)
على سبيل المثال ، سنقوم بحساب قوة التثبيت لكثافة تدفق تبلغ 2 تسلا:
وبالتالي F = ½ (2) 2 A / µ0
للقوة على مساحة الوحدة (الضغط) يمكننا إسقاط "أ" في الصيغة.
وبالتالي الضغط = 2 / µ0 = 2 / (4π x 10-7) N / m2.
يصل هذا إلى 1،590،000 نيوتن / متر مربع.
لتحويل هذه القوة إلى كيلوجرام ، يمكن قسمة ذلك على جرام (9.81).
وبالتالي: الضغط = 162080 كجم / م 2 = 16.2 كجم / سم 2.
هذا يتوافق جيدًا مع القوة المقاسة للفجوة الصفرية الموضحة في الرسم البياني أعلاه.
يمكن تحويل هذا الرقم بسهولة إلى قوة تثبيت كلية لآلة معينة بضربها في منطقة عمود الآلة.بالنسبة للطراز 1250E ، تبلغ مساحة القطب 125 (1.4 + 3.0 + 1.5) = 735 سم 2.
ومن ثم فإن القوة الكلية ، ذات الفجوة الصفرية ، ستكون (735 × 16.2) = 11900 كجم أو 11.9 طن ؛حوالي 9.5 طن لكل متر من طول المغناطيس.
ترتبط كثافة التدفق وضغط التثبيت ارتباطًا مباشرًا ويتم عرضهما في الرسم البياني أدناه:
قوة تحامل عملية:
من الناحية العملية ، لا تتحقق قوة التثبيت العالية هذه إلا عندما لا تكون هناك حاجة إليها (!) ، أي عند ثني قطع العمل الفولاذية الرقيقة.عند ثني قطع العمل غير الحديدية ، ستكون القوة أقل كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، و (بشكل غريب بعض الشيء) ، تكون أيضًا أقل عند ثني قطع العمل الفولاذية السميكة.هذا لأن قوة التثبيت اللازمة لعمل منحنى حاد أعلى بكثير من تلك المطلوبة لانحناء نصف القطر.إذن ما يحدث هو أنه مع استمرار الانحناء ، ترتفع الحافة الأمامية لقضيب التثبيت قليلاً ، مما يسمح لقطعة العمل بتكوين نصف قطر.
تتسبب الفجوة الهوائية الصغيرة التي تتشكل في خسارة طفيفة في قوة التثبيت ولكن القوة اللازمة لتشكيل منحنى نصف القطر قد انخفضت بشكل حاد أكثر من قوة لقط المغناطيس.وبالتالي ينتج عن وضع مستقر ولا يترك المشبك.
ما تم وصفه أعلاه هو طريقة الانحناء عندما تقترب الماكينة من حد سمكها.إذا تمت تجربة قطعة عمل أكثر سمكًا ، فبالطبع سينطلق المشبك.
يشير هذا الرسم البياني إلى أنه إذا تم إشعاع حافة الأنف للقضيب قليلاً ، بدلاً من أن يكون حادًا ، فسيتم تقليل فجوة الهواء للانحناء الكثيف.
في الواقع هذا هو الحال ، وسيكون Magnabend المصنوع بشكل صحيح مشابكًا بحافة مشعة.(الحافة المشعة هي أيضًا أقل عرضة للتلف العرضي مقارنة بالحافة الحادة).
الوضع الهامشي لفشل الانحناء:
إذا تمت محاولة الانحناء على قطعة عمل سميكة جدًا ، فستفشل الماكينة في ثنيها لأن المشبك سيرتفع ببساطة.(لحسن الحظ ، هذا لا يحدث بطريقة دراماتيكية ؛ المشبك يترك فقط يذهب بهدوء).
ومع ذلك ، إذا كان حمل الانحناء أكبر بقليل من قدرة الانحناء للمغناطيس ، فما يحدث عمومًا هو أن الانحناء سيستمر ليقول حوالي 60 درجة ثم يبدأ المشبك في الانزلاق للخلف.في هذا الوضع من الفشل ، يمكن للمغناطيس أن يقاوم حمل الانحناء بشكل غير مباشر فقط عن طريق خلق احتكاك بين قطعة العمل وسرير المغناطيس.
الفرق في السُمك بين الفشل بسبب الإقلاع والفشل بسبب الانزلاق ليس كثيرًا بشكل عام.
يرجع فشل عملية الرفع إلى قيام قطعة العمل برفع الحافة الأمامية لقضيب التثبيت لأعلى.إن قوة التثبيت عند الحافة الأمامية للقضيب هي أساسًا ما يقاوم ذلك.التثبيت على الحافة الخلفية له تأثير ضئيل لأنه قريب من مكان محور المشابك.في الواقع ، فإن نصف قوة التثبيت الكلية فقط هي التي تقاوم الإقلاع.
من ناحية أخرى ، يقاوم الانزلاق قوة التثبيت الكلية ولكن فقط عن طريق الاحتكاك ، لذا فإن المقاومة الفعلية تعتمد على معامل الاحتكاك بين قطعة الشغل وسطح المغناطيس.
بالنسبة للفولاذ النظيف والجاف ، يمكن أن يصل معامل الاحتكاك إلى 0.8 ولكن إذا كان التزييت موجودًا ، فقد يصل إلى 0.2.عادةً ما يكون في مكان ما بينهما بحيث يكون الوضع الهامشي لفشل الانحناء عادةً بسبب الانزلاق ، لكن محاولات زيادة الاحتكاك على سطح المغناطيس وُجد أنها لا تستحق العناء.
قدرة السماكة:
بالنسبة لجسم مغناطيسي من النوع E بعرض 98 مم وعمق 48 مم وبفضل ملف دوران بقوة 3800 أمبير ، تبلغ سعة الانحناء الكامل الطول 1.6 مم.تنطبق هذه السماكة على كل من ألواح الصلب وألواح الألمنيوم.سيكون هناك إحكام أقل على لوح الألمنيوم ولكنه يتطلب عزم دوران أقل لثنيها بحيث يعوض ذلك بطريقة تعطي قدرة قياس مماثلة لكلا النوعين من المعدن.
يجب أن يكون هناك بعض التحذيرات بشأن قدرة الانحناء المعلنة: أهمها أن قوة الخضوع للصفائح المعدنية يمكن أن تختلف على نطاق واسع.تنطبق السعة 1.6 مم على الفولاذ بضغط إنتاج يصل إلى 250 ميجا باسكال والألمنيوم بضغط إنتاج يصل إلى 140 ميجا باسكال.
تبلغ سعة السماكة في الفولاذ المقاوم للصدأ حوالي 1.0 مم.هذه السعة أقل بكثير من معظم المعادن الأخرى لأن الفولاذ المقاوم للصدأ عادة ما يكون غير مغناطيسي ومع ذلك لديه إجهاد إنتاج مرتفع بشكل معقول.
عامل آخر هو درجة حرارة المغناطيس.إذا تم السماح للمغناطيس بأن يصبح ساخنًا ، فستكون مقاومة الملف أعلى وهذا بدوره سيؤدي إلى سحب تيار أقل مع ما يترتب على ذلك من انخفاضات الأمبير وقوة تثبيت أقل.(عادة ما يكون هذا التأثير معتدلاً تمامًا ومن غير المرجح أن يتسبب في عدم مطابقة الماكينة لمواصفاتها).
أخيرًا ، يمكن صنع Magnabends بسعة أكبر إذا كان المقطع العرضي للمغناطيس أكبر.