MAGNABEND - ДИЗАЙН БОЙЫНША НЕГІЗГІ ҚАРАУЛАР
Негізгі магниттік дизайн
Magnabend машинасы шектеулі жұмыс циклі бар қуатты тұрақты ток магниті ретінде жасалған.
Құрылғы 3 негізгі бөліктен тұрады: -
Машинаның негізін құрайтын және электромагниттік катушканы қамтитын магнит корпусы.
Магниттік негіздің полюстері арасындағы магнит ағынының жолын қамтамасыз ететін және осылайша табақ дайындамасын қысатын қысқыш жолақ.
Магнит корпусының алдыңғы жиегіне бұрылатын және дайындамаға иілу күшін қолдану құралын қамтамасыз ететін иілу арқалығы.
Магниттік дене конфигурациялары
Магнит корпусы үшін әртүрлі конфигурациялар мүмкін.
Міне, екеуі де Magnabend машиналары үшін пайдаланылған:
Жоғарыдағы сызбалардағы үзік қызыл сызықтар магнит ағынының жолдарын көрсетеді.«U-Type» дизайнында бір ағын жолы (1 жұп полюстер), ал «E-Type» дизайнында 2 ағын жолы (2 жұп полюстер) бар екенін ескеріңіз.
Магнит конфигурациясын салыстыру:
E типті конфигурация U типті конфигурацияға қарағанда тиімдірек.
Неліктен бұлай болғанын түсіну үшін төмендегі екі сызбаны қарастырыңыз.
Сол жақта U-тәрізді магниттің көлденең қимасы және оң жақта бірдей U-түрінің 2-ін біріктіру арқылы жасалған E-типті магнит.Егер әрбір магнит конфигурациясы бірдей амперлі бұрылыстары бар катушкалар арқылы қозғалса, екі еселенген магниттің (E-типі) қысу күші екі есе көп болады.Ол сондай-ақ екі есе көп болатты пайдаланады, бірақ катушкалар үшін одан көп сым жоқ!(Ұзын катушкалар дизайнын болжасақ).
(Қосымша сымның аз мөлшері тек «E» дизайнында катушканың екі екі аяғы бір-бірінен алшақ орналасқандықтан ғана қажет болады, бірақ бұл қосымша Magnabend үшін пайдаланылатын ұзын орам конструкциясында елеусіз болады).
Super Magnabend:
Одан да күшті магнитті құру үшін «E» тұжырымдамасын кеңейтуге болады, мысалы, қос E конфигурациясы:
3-D үлгісі:
Төменде U-тәрізді магниттегі бөлшектердің негізгі орналасуын көрсететін 3-D сызбасы берілген:
Бұл дизайнда Алдыңғы және Артқы тіректер бөлек бөліктер болып табылады және негізгі бөлікке болттармен бекітілген.
Негізінде U-тәрізді магнит корпусын болаттың бір бөлігінен өңдеуге болатын болса да, содан кейін орамды орнату мүмкін болмайды және осылайша орамды орнында (өңделген магнит корпусында) орау керек еді. ).
Өндірістік жағдайда катушкаларды бөлек орау мүмкіндігі өте қажет (арнайы қалыптағышта).Осылайша, U типті дизайн дайындалған құрылысты тиімді түрде белгілейді.
Екінші жағынан, E-типті дизайн болаттың бір бөлігінен өңделген магнит корпусына жақсы сәйкес келеді, өйткені магнит корпусын өңдегеннен кейін алдын ала дайындалған орамды оңай орнатуға болады.Бір бөліктен тұратын магнит корпусы магниттік жағынан жақсырақ жұмыс істейді, өйткені оның магнит ағынын (және, демек, қысқыш күшін) аздап азайтатын құрылыс саңылаулары жоқ.
(1990 жылдан кейін жасалған Magnabends көпшілігі E-типті дизайнды қолданды).
Магнит салу үшін материалды таңдау
Магниттік корпус пен қысқыш ферромагниттік (магниттелетін) материалдан жасалған болуы керек.Болат ең арзан ферромагниттік материал және айқын таңдау болып табылады.Дегенмен, қарастырылуы мүмкін әртүрлі арнайы болаттар бар.
1) Кремний болат : әдетте жұқа ламинацияларда бар және айнымалы ток трансформаторларында, айнымалы ток магниттерінде, релелерде және т.б. пайдаланылатын жоғары кедергісі бар болат. Оның қасиеттері тұрақты ток магниті болып табылатын Magnabend үшін қажет емес.
2) Жұмсақ үтік : Бұл материал Magnabend машинасы үшін жақсы болатын, бірақ физикалық жұмсақ, бұл оның оңай шұңқыры мен зақымдалуын білдіретін қалдық магнетизмнің төмендігін көрсетеді;қалдық магнетизм мәселесін басқа жолмен шешкен дұрыс.
3) Шойын: прокат сияқты оңай магниттелмейді, бірақ оны қарастыруға болады.
4) Тот баспайтын болат түрі 416 : Болат сияқты күшті магниттелмейді және әлдеқайда қымбат (бірақ магнит корпусындағы жұқа қорғаныш жабын беті үшін пайдалы болуы мүмкін).
5) Тот баспайтын болат түрі 316 : Бұл болаттың магнитті емес қорытпасы, сондықтан мүлде жарамайды (жоғарыдағы 4-тен басқа).
6) Орташа көміртекті болат, K1045 түрі: Бұл материал магнитті (және машинаның басқа бөліктерін) құрастыру үшін өте қолайлы.Бұл жеткізілім жағдайында өте қиын және ол жақсы өңделеді.
7) Орташа көміртекті болат түрі CS1020 : Бұл болат K1045 сияқты қатты емес, бірақ ол оңай қол жетімді, сондықтан Magnabend машинасын жасау үшін ең практикалық таңдау болуы мүмкін.
Маңызды қасиеттер қажет екенін ескеріңіз:
Жоғары қаныққан магниттелу.(Болат қорытпаларының көпшілігі шамамен 2 Теслада қанықтырады),
Пайдалы бөлім өлшемдерінің болуы,
Кездейсоқ зақымдануға төзімділік,
Өңдеуге жарамдылық және
Ақылға қонымды құн.
Орташа көміртекті болат барлық осы талаптарға жақсы сәйкес келеді.Төмен көміртекті болатты да қолдануға болады, бірақ ол кездейсоқ зақымдануға төзімді емес.Сондай-ақ басқа арнайы қорытпалар бар, мысалы, супермендур, олардың қаныққан магниттелуі жоғары, бірақ олар болатпен салыстырғанда өте жоғары құнына байланысты ескерілмейді.
Орташа көміртекті болат кейбір қалдық магнетизмді көрсетеді, бұл жағымсыз болу үшін жеткілікті.(Қалдық магнетизм бөлімін қараңыз).
Орам
Катушкалар электромагнит арқылы магниттеу ағынын қозғайтын нәрсе.Оның магниттелу күші айналымдар саны (N) мен катушка тоғының (I) көбейтіндісі ғана.Осылайша:
N = бұрылыстар саны
I = орамдардағы ток.
Жоғарыда келтірілген формуладағы «N» пайда болуы жалпы қате пікірге әкеледі.
Айналымдар санын көбейту магниттелу күшін арттырады деп кең таралған, бірақ әдетте бұл болмайды, өйткені қосымша бұрылыстар токты да азайтады, I.
Тұрақты ток кернеуімен қамтамасыз етілген орамды қарастырайық.Егер бұрылыстар саны екі есе артса, орамдардың кедергісі де екі есе артады (ұзын катушкада) және осылайша ток екі есе азаяды.Таза әсер NI өсімі жоқ.
NI нақты анықтайтын нәрсе - бұл айналымдағы қарсылық.Осылайша, NI арттыру үшін сымның қалыңдығын арттыру керек.Қосымша бұрылыстардың мәні олар токты азайтады, демек, катушкадағы қуаттың шығынын азайтады.
Дизайнер сым өлшегіш катушканың магниттеу күшін шынымен анықтайтынын есте ұстауы керек.Бұл катушкалар дизайнының ең маңызды параметрі.
NI өнімі жиі катушканың «ампер бұрылыстары» деп аталады.
Қанша ампер бұрылысы қажет?
Болат шамамен 2 Tesla қанықтыру магниттелуін көрсетеді және бұл қысу күшін алуға болатын негізгі шектеуді белгілейді.
Жоғарыда келтірілген графиктен біз 2 Тесла ағынының тығыздығын алу үшін қажетті өріс кернеулігінің метрге шамамен 20 000 ампер айналым екенін көреміз.
Енді, типтік Magnabend дизайны үшін болаттағы ағын жолының ұзындығы шамамен метрдің 1/5 бөлігін құрайды, сондықтан қанықтылықты алу үшін (20,000/5) AT қажет, яғни шамамен 4,000 AT.
Магниттік контурға магниттік емес саңылаулар (яғни түсті дайындамалар) енгізілгенде де қанықтыру магниттелуі сақталуы үшін бұдан да көп ампер бұрылыстары болғаны жақсы болар еді.Дегенмен, қосымша ампер бұрылыстарын тек қуатты шығында немесе мыс сымның құнында немесе екеуінде де айтарлықтай шығындармен алуға болады.Сондықтан ымыраға келу керек.
Әдеттегі Magnabend конструкцияларында 3 800 ампер айналым жасайтын катушкалар бар.
Бұл көрсеткіш машинаның ұзындығына байланысты емес екенін ескеріңіз.Егер бірдей магниттік дизайн машина ұзындықтарының ауқымында қолданылса, бұл ұзағырақ машиналарда қалың сымның аз бұрылыстары болады.Олар жалпы токты көбірек тартады, бірақ ампер х айналымдарының бірдей өніміне ие болады және ұзындық бірлігіне бірдей қысу күші (және бірдей қуаттың шығыны) болады.
Жұмыс циклі
Жұмыс циклінің тұжырымдамасы электромагнит дизайнының өте маңызды аспектісі болып табылады.Егер дизайн қажет болғаннан көп жұмыс циклін қамтамасыз етсе, бұл оңтайлы емес.Көбірек жұмыс циклі мыс сымның көбірек қажет болатынын (соның салдарынан жоғары бағамен) және/немесе қысу күші аз болатынын білдіреді.
Ескертпе: Жұмыс циклі жоғары магнитте қуат шығыны аз болады, яғни ол энергияны аз пайдаланады және осылайша жұмыс істеу арзанырақ болады.Дегенмен, магнит қысқа уақытқа ғана қосулы болғандықтан, жұмыстың энергия құны әдетте өте аз маңызды болып саналады.Осылайша, дизайн тәсілі - катушканың орамдарын қызып кетпеу үшін мүмкіндігінше көп қуат шығыны болуы.(Бұл тәсіл көптеген электромагниттік конструкцияларға тән).
Magnabend шамамен 25% номиналды жұмыс цикліне арналған.
Әдетте иілу үшін небәрі 2 немесе 3 секунд қажет.Содан кейін дайындаманың орнын ауыстырып, келесі иілуге дайын болғанша, магнит тағы 8-10 секундқа өшіріледі.Егер 25% жұмыс циклі асып кетсе, ақырында магнит тым қызып, термиялық шамадан тыс жүктеме өшіріледі.Магнит зақымдалмайды, бірақ оны қайта қолданар алдында шамамен 30 минут суыту керек.
Далада машиналармен жұмыс тәжірибесі 25% жұмыс циклі әдеттегі пайдаланушылар үшін жеткілікті екенін көрсетті.Іс жүзінде кейбір пайдаланушылар аз жұмыс циклі есебінен қысқыш күші көбірек болатын машинаның қосымша жоғары қуатты нұсқаларын сұрады.
Орамның көлденең қимасының ауданы
Орамның көлденең қимасының ауданы қондырылуы мүмкін мыс сымының максималды мөлшерін анықтайды. Қол жетімді аумақ қажетті ампер бұрылыстарына және қуаттың шығынына сәйкес келетін мөлшерден көп болмауы керек.Орамға көбірек орын беру магниттің өлшемін сөзсіз ұлғайтады және болаттағы ағын жолының ұзағырақ ұзындығына әкеледі (бұл жалпы ағынды азайтады).
Дәл сол дәлел дизайнда қандай катушкалар кеңістігі қарастырылған болса да, ол әрқашан мыс сыммен толы болуы керек дегенді білдіреді.Егер ол толық болмаса, бұл магнит геометриясының жақсырақ болуы мүмкін екенін білдіреді.
Магнабенд қысқыш күші:
Төмендегі график тәжірибелік өлшеулер арқылы алынған, бірақ ол теориялық есептеулермен жақсы сәйкес келеді.
Қысқыш күшін мына формула бойынша математикалық түрде есептеуге болады:
F = Ньютондағы күш
B = Тесластағы магнит ағынының тығыздығы
A = полюстер ауданы м2
μ0 = магниттік өткізгіштік тұрақтысы, (4π x 10-7)
Мысал ретінде 2 Тесла ағынының тығыздығы үшін қысу күшін есептейміз:
Осылайша F = ½ (2)2 А/μ0
Бірлік аудандағы күш (қысым) үшін формуладағы «А» белгісін түсіруге болады.
Осылайша Қысым = 2/μ0 = 2/(4π x 10-7) Н/м2.
Бұл 1 590 000 Н/м2 құрайды.
Оны килограмм күшке айналдыру үшін оны g (9,81)-ге бөлуге болады.
Осылайша: Қысым = 162,080 кг/м2 = 16,2 кг/см2.
Бұл жоғарыдағы графикте көрсетілген нөлдік бос орын үшін өлшенген күшпен жақсы сәйкес келеді.
Бұл көрсеткішті машинаның полюс ауданына көбейту арқылы берілген машинаның жалпы қысқыш күшіне оңай түрлендіруге болады.1250E моделі үшін полюс ауданы 125(1,4+3,0+1,5) =735 см2.
Осылайша, жалпы, нөлдік бос, күш (735 x 16,2) = 11,900 кг немесе 11,9 тонна болады;магнит ұзындығының метріне шамамен 9,5 тонна.
Ағынның тығыздығы мен қысу қысымы тікелей байланысты және төменде көрсетілген:
Практикалық қысу күші:
Іс жүзінде бұл жоғары қысқыш күш қажет болмаған кезде (!), яғни жұқа болат дайындамаларды майыстыру кезінде ғана жүзеге асады.Түсті дайындамаларды майыстыру кезінде күш жоғарыдағы графикте көрсетілгендей аз болады, және (сәл қызық), қалың болаттан жасалған дайындамаларды майыстыру кезінде де аз болады.Өйткені, күрт иілу жасау үшін қажет қысқыш күші радиус иілісі үшін қажет күштен өте жоғары.Сонымен, иілу кезінде қысқыштың алдыңғы шеті сәл көтеріледі, осылайша дайындама радиусты қалыптастыруға мүмкіндік береді.
Қалыптасқан шағын ауа саңылауы қысқыш күштің аздап жоғалуына әкеледі, бірақ радиус иілісін қалыптастыру үшін қажетті күш магнитті қысу күшіне қарағанда күрт төмендеді.Осылайша, тұрақты жағдай пайда болады және қысқышты жібермейді.
Жоғарыда сипатталған нәрсе - машина өзінің қалыңдығы шегіне жақын болған кездегі иілу режимі.Егер одан да қалың дайындама қолданылса, әрине қысқышы көтеріледі.
Бұл диаграмма қысқыштың мұрын жиегі өткір емес, сәл радиусты болса, қалың иілу үшін ауа саңылауы азаяды деп болжайды.
Шынында да, бұл дұрыс және дұрыс жасалған Magnabend-тің радиусы бар жиегі бар қысқышы болады.(Радиусталған жиек өткір жиекпен салыстырғанда кездейсоқ зақымдалуға бейім емес).
Иілудің шекті режимі:
Егер өте қалың дайындамада майыстыру әрекеті жасалса, машина оны майыстыра алмайды, өйткені қысқышы жай ғана көтеріледі.(Бақытымызға орай, бұл драмалық жолмен болмайды; қысқыш тек тыныш жүруге мүмкіндік береді).
Алайда, егер иілу жүктемесі магниттің иілу мүмкіндігінен сәл ғана үлкен болса, онда әдетте иілу шамамен 60 градусқа дейін созылады, содан кейін қысқыш артқа қарай сырғана бастайды.Бұл істен шығу режимінде магнит дайындама мен магнит төсеніші арасында үйкеліс жасау арқылы иілу жүктемесіне жанама түрде ғана қарсы тұра алады.
Көтерілу салдарынан болған істен шығу мен сырғудан болған ақау арасындағы қалыңдық айырмашылығы әдетте онша көп емес.
Көтеру сәтсіздігі дайындаманың қысқыштың алдыңғы жиегін жоғары қарай көтеруіне байланысты.Қысқыштың алдыңғы жиегіндегі қысу күші негізінен бұған қарсы тұрады.Артқы жиекте қысқыштың әсері шамалы, себебі ол қысқыш бұралып жатқан жерге жақын.Іс жүзінде бұл көтерілуге қарсы тұратын жалпы қысу күшінің жартысы ғана.
Екінші жағынан, сырғуға жалпы қысу күші қарсы тұрады, бірақ тек үйкеліс арқылы, сондықтан нақты қарсылық дайындама мен магнит беті арасындағы үйкеліс коэффициентіне байланысты.
Таза және құрғақ болат үшін үйкеліс коэффициенті 0,8-ге дейін жоғары болуы мүмкін, бірақ майлау бар болса, ол 0,2-ге дейін төмен болуы мүмкін.Әдетте бұл иілу сәтсіздігінің шекті режимі әдетте сырғуға байланысты болатындай бір жерде болады, бірақ магнит бетіндегі үйкелісті арттыру әрекеттері тиімсіз деп табылды.
Қалыңдығы сыйымдылығы:
Ені 98 мм және тереңдігі 48 мм және 3 800 ампер айналым катушкасы бар E типті магнит корпусы үшін толық ұзындықтағы иілу сыйымдылығы 1,6 мм.Бұл қалыңдық болат параққа да, алюминий парағына да қатысты.Алюминий қаңылтырында қысқыш аз болады, бірақ оны майыстыру үшін аз момент қажет, осылайша бұл металдың екі түрі үшін де бірдей өлшеу сыйымдылығын беретіндей өтеледі.
Белгіленген иілу қабілетіне қатысты кейбір ескертулер болуы керек: Ең бастысы, қаңылтыр табақтың аққыштық күші әртүрлі болуы мүмкін.1,6 мм сыйымдылық аққыштық кернеуі 250 МПа-ға дейінгі болатқа және 140 МПа-ға дейінгі аққыштық кернеуі бар алюминийге қатысты.
Тот баспайтын болаттан жасалған қалыңдығы шамамен 1,0 мм.Бұл сыйымдылық басқа металдардың көпшілігіне қарағанда айтарлықтай аз, өйткені тот баспайтын болат әдетте магнитті емес, бірақ жеткілікті жоғары шығымдылық кернеуіне ие.
Тағы бір фактор - магниттің температурасы.Егер магниттің қызып кетуіне рұқсат етілсе, онда катушканың кедергісі жоғарырақ болады және бұл өз кезегінде оның төменгі ампер-бұрылыстарымен және қысқыш күші азырақ ток шығаруына әкеледі.(Бұл әсер әдетте өте қалыпты және құрылғының техникалық сипаттамаларына сәйкес келмеуі мүмкін емес).
Ақырында, магниттің көлденең қимасы үлкенірек болса, сыйымдылығы қалыңырақ Magnabends жасалуы мүмкін.