مبانی مدار الکتریکی Magnabend

MAGNABEND - عملیات مدار
پوشه ورقه فلز Magnabend به عنوان یک آهنربای الکتریکی گیره DC طراحی شده است.
ساده ترین مدار مورد نیاز برای راه اندازی سیم پیچ الکترومغناطیسی فقط از یک سوئیچ و یک یکسوساز پل تشکیل شده است:
شکل 1: مدار حداقل:

لازم به ذکر است که کلید ON/OFF در سمت AC مدار وصل شده است.این به جریان سیم پیچ القایی اجازه می دهد تا پس از خاموش شدن از طریق دیودهای یکسو کننده پل به گردش در آید تا زمانی که جریان به صورت تصاعدی به صفر برسد.
(دیودهای موجود در پل به عنوان دیودهای "بازگشت" عمل می کنند).

برای عملکرد ایمن تر و راحت تر، داشتن مداری مطلوب است که یک اینترلاک 2 دستی و همچنین گیره 2 مرحله ای را فراهم می کند.اینترلاک 2 دستی کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که انگشتان نمی توانند زیر گیره گرفته شوند و گیره مرحله ای شروع نرم تری می دهد و همچنین به یک دست اجازه می دهد تا اشیا را در جای خود نگه دارد تا زمانی که پیشگیره فعال شود.

شکل 2: مدار با اینترلاک و گیره 2 مرحله ای:

هنگامی که دکمه START فشار داده می شود، ولتاژ کمی از طریق خازن AC به سیم پیچ آهنربایی وارد می شود و در نتیجه یک اثر بستن نور ایجاد می کند.این روش راکتیو برای محدود کردن جریان به سیم پیچ، شامل اتلاف توان قابل توجهی در دستگاه محدود کننده (خازن) نمی شود.
گیره کامل زمانی حاصل می شود که هر دو کلید Bending Beam و دکمه START با هم کار کنند.
معمولاً ابتدا دکمه START (با دست چپ) فشار داده می شود و سپس دسته تیر خمشی با دست دیگر کشیده می شود.بستن کامل اتفاق نمی افتد مگر اینکه در عملکرد 2 سوئیچ مقداری همپوشانی وجود داشته باشد.با این حال، هنگامی که گیره کامل برقرار شد، لازم نیست دکمه START را نگه دارید.

مغناطیس باقیمانده
یک مشکل کوچک اما مهم در ماشین Magnabend، مانند اکثر آهنرباهای الکتریکی، مشکل مغناطیس باقیمانده است.این مقدار کمی مغناطیس است که پس از خاموش شدن آهنربا باقی می ماند.این باعث می شود که میله های گیره به طور ضعیف به بدنه آهنربا چسبیده می شوند و در نتیجه حذف قطعه کار دشوار می شود.

استفاده از آهن مغناطیسی نرم یکی از بسیاری از رویکردهای ممکن برای غلبه بر مغناطیس باقیمانده است.
با این حال این ماده در اندازه های موجودی به سختی به دست می آید و همچنین از نظر فیزیکی نرم است که به این معنی است که در دستگاه خم کن به راحتی آسیب می بیند.

گنجاندن یک شکاف غیر مغناطیسی در مدار مغناطیسی شاید ساده ترین راه برای کاهش مغناطیس باقیمانده باشد.این روش موثر است و در یک بدنه آهنربایی ساخته شده به راحتی قابل دستیابی است - فقط کافی است یک تکه مقوا یا آلومینیوم به ضخامت حدود 0.2 میلی متر بین قطب جلو و قطعه هسته قبل از پیچ و مهره کردن قطعات آهنربا به هم بگنجانید.اشکال اصلی این روش این است که شکاف غیر مغناطیسی باعث کاهش شار موجود برای بستن کامل می شود.همچنین استفاده از شکاف در بدنه آهنربایی یک تکه همانطور که برای طراحی آهنربای نوع E استفاده می شود، کار ساده ای نیست.

یک میدان بایاس معکوس، تولید شده توسط یک سیم پیچ کمکی، نیز یک روش موثر است.اما این شامل پیچیدگی اضافی غیرقابل توجیهی در ساخت سیم پیچ و همچنین در مدار کنترل است، اگرچه به طور خلاصه در طراحی اولیه Magnabend مورد استفاده قرار گرفت.

یک نوسان در حال فروپاشی ("زنگ") از نظر مفهومی روش بسیار خوبی برای مغناطیس زدایی است.

این عکس‌های اسیلوسکوپ ولتاژ (ردیابی بالا) و جریان (ردپای پایین) را در یک سیم پیچ Magnabend با یک خازن مناسب متصل به آن به تصویر می‌کشند تا خود نوسان کند.(تقریباً در وسط تصویر منبع AC قطع شده است).

تصویر اول مربوط به یک مدار مغناطیسی باز است که بدون گیره روی آهنربا است.تصویر دوم مربوط به یک مدار مغناطیسی بسته است که یک گیره تمام طول روی آهنربا دارد.
در تصویر اول، ولتاژ نوسانات رو به زوال (زنگ زدن) و جریان (ردپای کمتر) را نشان می‌دهد، اما در تصویر دوم، ولتاژ نوسان نمی‌کند و جریان حتی نمی‌تواند معکوس شود.این بدان معنی است که هیچ نوسانی در شار مغناطیسی وجود نخواهد داشت و در نتیجه مغناطیسی باقیمانده لغو نمی شود.
مشکل این است که آهنربا به شدت به دلیل تلفات جریان گردابی در فولاد به شدت میرا می شود و در نتیجه متأسفانه این روش برای Magnabend کار نمی کند.

نوسان اجباری ایده دیگری است.اگر آهنربا بیش از حد میرا باشد که نمی تواند خود نوسان کند، می تواند توسط مدارهای فعالی که انرژی لازم را تامین می کند، مجبور به نوسان شود.این نیز به طور کامل برای Magnabend بررسی شده است.اشکال اصلی آن این است که شامل مدارهای بیش از حد پیچیده است.

مغناطیس زدایی با پالس معکوس روشی است که مقرون به صرفه ترین روش برای Magnabend به اثبات رسیده است.جزئیات این طرح نشان دهنده کار اصلی انجام شده توسط Magnetic Engineering Pty Ltd است.

مغناطیس زدایی با پالس معکوس
ماهیت این ایده این است که انرژی را در یک خازن ذخیره کنید و بعد از خاموش شدن آهنربا آن را در سیم پیچ رها کنید.قطبیت باید به گونه ای باشد که خازن جریان معکوس را در سیم پیچ القا کند.مقدار انرژی ذخیره شده در خازن را می توان طوری تنظیم کرد که برای خنثی کردن مغناطیس باقیمانده کافی باشد.(انرژی بیش از حد می تواند بیش از حد آن را زیاد کند و آهنربا را دوباره در جهت مخالف مغناطیس کند).

مزیت دیگر روش پالس معکوس این است که مغناطیس زدایی بسیار سریع و آزادسازی تقریباً فوری گیره از آهنربا را ایجاد می کند.این به این دلیل است که لازم نیست قبل از اتصال پالس معکوس منتظر بمانید تا جریان سیم پیچ به صفر برسد.با اعمال پالس، جریان سیم پیچ بسیار سریعتر از آن چیزی است که فروپاشی نمایی طبیعی آن به صفر می رسد (و سپس معکوس می شود).

شکل 3: مدار پایه معکوس پالس

در حال حاضر، به طور معمول، قرار دادن یک تماس سوئیچ بین یکسو کننده و سیم پیچ آهنربا "بازی با آتش" است.
این به این دلیل است که یک جریان القایی را نمی توان به طور ناگهانی قطع کرد.اگر اینطور باشد، کنتاکت های سوئیچ قوس می شوند و سوئیچ آسیب دیده یا حتی به طور کامل از بین می رود.(معادل مکانیکی آن تلاش برای متوقف کردن ناگهانی چرخ طیار است).
بنابراین، هر مداری که ابداع شود، باید یک مسیر موثر برای جریان سیم پیچ در همه زمان ها، از جمله برای چند میلی ثانیه در زمانی که یک کنتاکت سوئیچ تغییر می کند، فراهم کند.
مدار فوق که تنها از 2 خازن و 2 دیود (به اضافه یک کنتاکت رله) تشکیل شده است، عملکرد شارژ خازن ذخیره‌سازی را تا یک ولتاژ منفی (نسبت به سمت مرجع سیم‌پیچ) انجام می‌دهد و همچنین یک مسیر جایگزین برای سیم پیچ فراهم می‌کند. جریان در حالی که تماس رله در حال پرواز است.

چگونه کار می کند:
به طور کلی D1 و C2 به عنوان یک پمپ شارژ برای C1 عمل می کنند در حالی که D2 یک دیود گیره است که نقطه B را از مثبت شدن نگه می دارد.
در حالی که آهنربا روشن است، کنتاکت رله به ترمینال "به طور معمول باز" (NO) متصل می شود و آهنربا کار عادی خود را برای بستن ورق فلز انجام می دهد.پمپ شارژ C1 را به سمت یک ولتاژ منفی اوج برابر با اوج ولتاژ سیم پیچ شارژ می کند.ولتاژ در C1 به صورت تصاعدی افزایش می یابد اما در حدود 1/2 ثانیه به طور کامل شارژ می شود.
سپس در آن حالت باقی می ماند تا زمانی که دستگاه خاموش شود.
بلافاصله پس از خاموش شدن، رله برای مدت کوتاهی باقی می ماند.در طول این مدت، جریان سیم پیچ بسیار القایی به گردش مجدد از طریق دیودهای یکسو کننده پل ادامه خواهد داد.اکنون پس از حدود 30 میلی ثانیه تاخیر، کنتاکت رله شروع به جدا شدن می کند.جریان سیم پیچ دیگر نمی تواند از طریق دیودهای یکسو کننده عبور کند اما در عوض مسیری را از طریق C1، D1 و C2 پیدا می کند.جهت این جریان به گونه ای است که بار منفی C1 را بیشتر می کند و شروع به شارژ C2 نیز می کند.

مقدار C2 باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا نرخ افزایش ولتاژ در تماس رله بازکن را کنترل کند تا از تشکیل قوس اطمینان حاصل شود.مقدار حدود 5 میکروفاراد در هر آمپر جریان سیم پیچ برای یک رله معمولی کافی است.

شکل 4 زیر جزئیات شکل موج هایی را نشان می دهد که در نیم ثانیه اول پس از خاموش شدن رخ می دهد.سطح شیب دار ولتاژی که توسط C2 کنترل می شود به وضوح روی رد قرمز رنگ در وسط شکل قابل مشاهده است، روی آن برچسب "Relay contact on the fly" نوشته شده است.(زمان پرواز واقعی را می توان از این ردیابی استنباط کرد، حدود 1.5 میلی ثانیه است).
به محض اینکه آرمیچر رله روی ترمینال NC آن فرود آمد، خازن ذخیره با بار منفی به سیم پیچ آهنربا متصل می شود.این بلافاصله جریان سیم پیچ را معکوس نمی کند، اما جریان در حال حاضر "سربالایی" است و بنابراین به سرعت به سمت صفر و به سمت یک اوج منفی که حدود 80 میلی ثانیه پس از اتصال خازن ذخیره رخ می دهد، منتقل می شود.(شکل 5 را ببینید).جریان منفی یک شار منفی در آهنربا ایجاد می کند که مغناطیس باقیمانده را از بین می برد و گیره و قطعه کار به سرعت آزاد می شوند.

شکل 4: شکل موج های گسترش یافته

شکل 5: شکل موج ولتاژ و جریان روی سیم پیچ مگنت

شکل 5 شکل موج ولتاژ و جریان روی سیم پیچ آهنربایی را در مرحله پیش بستن، فاز گیره کامل و فاز مغناطیس زدایی نشان می دهد.

تصور می شود که سادگی و کارایی این مدار مغناطیس زدایی باید به این معنی باشد که در سایر آهنرباهای الکترومغناطیس که نیاز به مغناطیس زدایی دارند کاربرد پیدا کند.حتی اگر مغناطیس باقیمانده مشکلی نباشد، این مدار همچنان می تواند برای تبدیل جریان سیم پیچ به صفر بسیار سریع و در نتیجه آزادسازی سریع بسیار مفید باشد.
مدار عملی Magnabend:

مفاهیم مدار مورد بحث در بالا را می توان در یک مدار کامل با دو دسته اینترلاک و مغناطیس زدایی پالس معکوس ترکیب کرد (شکل 6):

شکل 6: مدار ترکیبی

این مدار کار خواهد کرد اما متاسفانه تا حدودی غیر قابل اعتماد است.
برای به دست آوردن عملکرد قابل اعتماد و طول عمر سوئیچ، لازم است برخی از اجزای اضافی را به مدار اصلی اضافه کنید که در زیر نشان داده شده است (شکل 7):
شکل 7: مدار ترکیبی با اصلاحات

SW1:
این یک سوئیچ عایق 2 قطبی است.برای راحتی و مطابقت با استانداردهای برق اضافه شده است.همچنین مطلوب است که این کلید دارای یک چراغ نشانگر نئون برای نشان دادن وضعیت ON/OFF مدار باشد.

D3 و C4:
بدون D3 چفت شدن رله غیر قابل اعتماد است و تا حدودی به فازبندی شکل موج شبکه در زمان کارکرد کلید پرتو خمشی بستگی دارد.D3 یک تاخیر (معمولا 30 میلی ثانیه) در خروج از رله ایجاد می کند.این امر بر مشکل قفل غلبه می‌کند و همچنین وجود تأخیر در خروج درست قبل از شروع پالس مغناطیس‌زدایی (در اواخر چرخه) مفید است.C4 اتصال AC مدار رله را فراهم می کند که در غیر این صورت با فشار دادن دکمه START یک اتصال کوتاه نیمه موجی خواهد بود.

THERM.تعویض:
این سوئیچ محفظه خود را با بدنه آهنربا در تماس است و اگر آهنربا بیش از حد داغ شود (بیش از 70 درجه سانتیگراد) مدار باز می شود.قرار دادن آن به صورت سری با سیم پیچ رله به این معنی است که فقط باید جریان کوچک را به جای جریان آهنربای کامل از طریق سیم پیچ رله تغییر دهد.

R2:
هنگامی که دکمه START فشار داده می شود رله به داخل می کشد و سپس یک جریان جریانی وجود دارد که C3 را از طریق یکسو کننده پل، C2 و دیود D2 شارژ می کند.بدون R2 هیچ مقاومتی در این مدار وجود نخواهد داشت و جریان بالای حاصل می تواند به کنتاکت های کلید START آسیب برساند.
همچنین، شرایط مدار دیگری وجود دارد که در آن R2 حفاظت را فراهم می کند: اگر کلید پرتو خمشی (SW2) از ترمینال NO (جایی که جریان آهنربای کامل را حمل می کند) به ترمینال NC حرکت کند، اغلب یک قوس تشکیل می شود و اگر سوئیچ START هنوز در این زمان نگه داشته می شد، سپس C3 در واقع اتصال کوتاه می شد و بسته به میزان ولتاژ روی C3، این امر می تواند به SW2 آسیب برساند.با این حال دوباره R2 این جریان اتصال کوتاه را به مقدار مطمئن محدود می کند.R2 فقط به یک مقدار مقاومت کم (معمولاً 2 اهم) نیاز دارد تا بتواند حفاظت کافی را ارائه دهد.

واریستور:
وریستور که بین پایانه های AC یکسو کننده متصل است، معمولاً هیچ کاری انجام نمی دهد.اما اگر یک ولتاژ افزایشی در شبکه وجود داشته باشد (به عنوان مثال به دلیل صاعقه در نزدیکی)، وریستور انرژی موجود در نوسان را جذب می کند و از آسیب رساندن ولتاژ به یکسو کننده پل جلوگیری می کند.

R1:
اگر قرار بود دکمه START در حین یک پالس مغناطیس زدایی فشار داده شود، احتمالاً باعث ایجاد قوس در تماس رله می شود که به نوبه خود عملاً C1 (خازن ذخیره سازی) را کوتاه می کند.انرژی خازن به مدار متشکل از C1، یکسو کننده پل و قوس در رله ریخته می شود.بدون R1 مقاومت بسیار کمی در این مدار وجود دارد و بنابراین جریان بسیار زیاد است و برای جوش دادن کنتاکت ها در رله کافی است.R1 در این احتمال (تا حدی غیرمعمول) محافظت می کند.

یادداشت ویژه برای انتخاب R1:
اگر احتمالی که در بالا توضیح داده شد رخ دهد، R1 تقریباً تمام انرژی ذخیره شده در C1 را بدون توجه به مقدار واقعی R1 جذب می کند.ما می خواهیم R1 در مقایسه با سایر مقاومت های مدار بزرگ باشد اما در مقایسه با مقاومت سیم پیچ Magnabend کوچک باشد (در غیر این صورت R1 اثربخشی پالس مغناطیس زدایی را کاهش می دهد).مقدار حدود 5 تا 10 اهم مناسب است، اما R1 چه رتبه‌ای باید داشته باشد؟آنچه ما واقعاً باید مشخص کنیم، توان پالس یا رتبه انرژی مقاومت است.اما این مشخصه معمولاً برای مقاومت های قدرت مشخص نمی شود.مقاومت‌های کم ارزش معمولاً با سیم پیچ می‌شوند و ما مشخص کرده‌ایم که عامل مهمی که باید در این مقاومت به دنبال آن باشیم، مقدار سیم واقعی استفاده شده در ساخت آن است.شما باید یک مقاومت نمونه را شکسته و گیج و طول سیم مورد استفاده را اندازه بگیرید.از این مقدار حجم کل سیم را محاسبه کنید و سپس یک مقاومت با حداقل 20 میلی متر مکعب سیم انتخاب کنید.
(به عنوان مثال یک مقاومت 6.8 اهم/11 وات از RS Components دارای حجم سیم 24 میلی متر مکعب است).

خوشبختانه این قطعات اضافی از نظر اندازه و هزینه کوچک هستند و از این رو تنها چند دلار به هزینه کلی برق Magnabend اضافه می کنند.
یک بیت مدار اضافی وجود دارد که هنوز مورد بحث قرار نگرفته است.این یک مشکل نسبتا جزئی را برطرف می کند:
اگر دکمه START فشار داده شود و به دنبال آن دستگیره کشیده نشود (که در غیر این صورت باعث گیره کامل می شود)، خازن ذخیره به طور کامل شارژ نمی شود و پالس مغناطیس زدایی که با رها کردن دکمه استارت ایجاد می شود، دستگاه را کاملاً مغناطیسی نمی کند. .سپس میله گیره به دستگاه چسبیده می ماند و این مزاحم خواهد بود.
افزودن D4 و R3 که در شکل 8 زیر به رنگ آبی نشان داده شده است، یک شکل موج مناسب را به مدار پمپ شارژ وارد می کند تا اطمینان حاصل شود که C1 حتی اگر گیره کامل اعمال نشود، شارژ می شود.(مقدار R3 حیاتی نیست - 220 اهم / 10 وات برای اکثر ماشین ها مناسب است).
شکل 8: مدار با Demagnetise فقط بعد از "START":

برای اطلاعات بیشتر در مورد اجزای مدار، لطفاً به بخش اجزاء در "Magnabend خودتان بسازید" مراجعه کنید.
برای مقاصد مرجع، نمودار مدار کامل ماشین‌های 240 ولت AC، E-Type Magnabend تولید شده توسط Magnetic Engineering Pty Ltd در زیر نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که برای کار بر روی 115 VAC بسیاری از مقادیر مؤلفه باید اصلاح شوند.

مهندسی مغناطیسی تولید ماشین آلات Magnabend را در سال 2003 متوقف کرد، زمانی که این تجارت فروخته شد.

نکته: بحث فوق برای توضیح اصول اصلی عملکرد مدار بوده و به تمامی جزئیات پرداخته نشده است.مدارهای کامل نشان داده شده در بالا نیز در کتابچه راهنمای Magnabend موجود است که در جاهای دیگر این سایت موجود است.

همچنین لازم به ذکر است که ما نسخه های کاملاً جامد این مدار را توسعه دادیم که از IGBT به جای رله برای تغییر جریان استفاده می کردند.
مدار حالت جامد هرگز در هیچ دستگاه Magnabend مورد استفاده قرار نگرفت، بلکه برای آهنرباهای خاصی که ما برای خطوط تولید تولید می کردیم استفاده می شد.این خطوط تولید به طور معمول روزانه 5000 کالا (مانند درب یخچال) تولید می کردند.

مهندسی مغناطیسی تولید ماشین آلات Magnabend را در سال 2003 متوقف کرد، زمانی که این تجارت فروخته شد.

لطفا از لینک تماس با آلن در این سایت برای کسب اطلاعات بیشتر استفاده کنید.