MAGNABEND - ملاحظات اساسی طراحی
طراحی پایه آهنربا
ماشین Magnabend به عنوان یک آهنربای DC قدرتمند با چرخه کاری محدود طراحی شده است.
دستگاه از 3 قسمت اصلی تشکیل شده است:
بدنه آهنربایی که پایه دستگاه را تشکیل می دهد و حاوی سیم پیچ آهنربای الکتریکی است.
میله گیره ای که مسیری را برای شار مغناطیسی بین قطب های پایه آهنربا فراهم می کند و در نتیجه قطعه کار ورق فلز را می بندد.
تیر خمشی که به لبه جلویی بدنه آهنربا می چرخد و وسیله ای برای اعمال نیروی خمشی به قطعه کار فراهم می کند.
پیکربندی های بدنه آهنربایی
پیکربندی های مختلفی برای بدنه آهنربا امکان پذیر است.
در اینجا 2 مورد که هر دو برای ماشین های Magnabend استفاده شده اند آورده شده است:
خطوط قرمز شکسته در نقشه های بالا نشان دهنده مسیرهای شار مغناطیسی است.توجه داشته باشید که طرح "U-Type" دارای یک مسیر شار منفرد (1 جفت قطب) است در حالی که طرح "E-Type" دارای 2 مسیر شار (2 جفت قطب) است.
مقایسه پیکربندی آهنربا:
پیکربندی E-type کارآمدتر از پیکربندی نوع U است.
برای درک اینکه چرا این چنین است، دو نقاشی زیر را در نظر بگیرید.
در سمت چپ مقطعی از یک آهنربای نوع U و در سمت راست یک آهنربای نوع E است که از ترکیب 2 نوع U ساخته شده است.اگر هر پیکربندی آهنربا توسط یک سیم پیچ با چرخش های آمپر یکسان هدایت شود، به وضوح آهنربای دو برابر شده (نوع E) دو برابر نیروی گیره بیشتری خواهد داشت.همچنین دو برابر بیشتر از فولاد استفاده می کند، اما به سختی از سیم بیشتری برای سیم پیچ استفاده می کند!(با فرض طرح سیم پیچ بلند).
(مقدار کمی سیم اضافی فقط به این دلیل مورد نیاز است که دو پایه سیم پیچ در طرح "E" بیشتر از هم فاصله دارند، اما این اضافی در طراحی سیم پیچ بلند مانند استفاده از Magnabend ناچیز می شود).
سوپر مگنابند:
برای ساخت آهنربای قوی تر، مفهوم "E" را می توان مانند پیکربندی دوگانه E گسترش داد:
مدل سه بعدی:
در زیر یک نقشه سه بعدی وجود دارد که آرایش اصلی قطعات را در یک آهنربای نوع U نشان می دهد:
در این طرح قطب های جلو و عقب قطعات مجزا هستند و توسط پیچ و مهره به قطعه Core متصل می شوند.
اگرچه در اصل، ماشینکاری یک بدنه آهنربایی نوع U از یک تکه فولاد امکان‌پذیر است، اما نمی‌توان سیم‌پیچ را نصب کرد و در نتیجه سیم‌پیچ باید در محل پیچیده شود (روی بدنه آهنربایی ماشینکاری شده ).
در یک موقعیت تولید، بسیار مطلوب است که بتوان سیم پیچ ها را به طور جداگانه (روی یک شکل دهنده خاص) سیم پیچ کرد.بنابراین طراحی U-type به طور موثر ساخت و ساز ساخته شده را دیکته می کند.
از سوی دیگر، طراحی E-type به خوبی به بدنه آهنربایی که از یک تکه فولاد ماشین کاری شده است، کمک می کند، زیرا یک سیم پیچ از پیش ساخته شده می تواند به راحتی پس از ماشینکاری بدنه آهنربا نصب شود.یک بدنه آهنربایی تک تکه نیز از نظر مغناطیسی بهتر عمل می کند زیرا هیچ شکاف ساختمانی ندارد که در غیر این صورت شار مغناطیسی (و در نتیجه نیروی گیره) را اندکی کاهش می دهد.
(بیشتر Magnabends ساخته شده پس از 1990 از طراحی نوع E استفاده می شود).
انتخاب مواد برای ساخت آهنربا
بدنه آهنربا و گیره باید از مواد فرومغناطیسی (قابل مغناطیسی) ساخته شوند.فولاد تا حد زیادی ارزان ترین ماده فرومغناطیسی است و انتخاب بدیهی است.با این حال، فولادهای ویژه مختلفی در دسترس هستند که ممکن است در نظر گرفته شوند.
1) فولاد سیلیکونی: فولاد با مقاومت بالا که معمولاً در لایه های نازک موجود است و در ترانسفورماتورهای AC، آهنرباهای AC، رله ها و غیره استفاده می شود. خواص آن برای Magnabend که یک آهنربای DC است لازم نیست.
2) آهن نرم: این ماده مغناطیس باقیمانده کمتری را نشان می دهد که برای ماشین Magnabend خوب است اما از نظر فیزیکی نرم است که به این معنی است که به راحتی فرورفته و آسیب می بیند.بهتر است مشکل مغناطیس باقیمانده را به روش دیگری حل کنیم.
3) چدن: به راحتی مانند فولاد نورد مغناطیسی نمی شود، اما می توان آن را در نظر گرفت.
4) فولاد ضد زنگ نوع 416: نمی‌توان به اندازه فولاد مغناطیسی کرد و بسیار گران‌تر است (اما ممکن است برای یک سطح محافظ نازک روی بدنه آهنربا مفید باشد).
5) فولاد ضد زنگ نوع 316: این یک آلیاژ غیر مغناطیسی فولاد است و بنابراین به هیچ وجه مناسب نیست (به جز در 4 بالا).
6) فولاد کربن متوسط، نوع K1045: این ماده برای ساخت آهنربا (و سایر قسمت های دستگاه) بسیار مناسب است.در شرایط عرضه شده نسبتاً سخت است و همچنین به خوبی ماشین می شود.
7) فولاد کربن متوسط نوع CS1020: این فولاد به سختی K1045 نیست، اما به راحتی در دسترس است و بنابراین ممکن است عملی ترین انتخاب برای ساخت دستگاه Magnabend باشد.
توجه داشته باشید که ویژگی های مهم مورد نیاز عبارتند از:
مغناطیس اشباع بالا(اکثر آلیاژهای فولاد در حدود 2 تسلا اشباع می شوند)
در دسترس بودن اندازه بخش مفید،
مقاومت در برابر آسیب های اتفاقی،
ماشینکاری و
هزینه معقول.
فولاد کربن متوسط به خوبی با تمام این الزامات مطابقت دارد.فولاد کم کربن نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد اما در برابر آسیب های اتفاقی مقاومت کمتری دارد.همچنین آلیاژهای ویژه دیگری مانند سوپرمندور وجود دارند که دارای خاصیت مغناطیسی اشباع بالاتری هستند اما به دلیل هزینه بسیار بالای آنها در مقایسه با فولاد قابل توجه نیستند.
با این حال، فولاد کربن متوسط مقداری مغناطیس باقیمانده را نشان می دهد که برای ایجاد مزاحمت کافی است.(به بخش مغناطیس باقیمانده مراجعه کنید).
کویل
سیم پیچ چیزی است که شار مغناطیسی را از طریق آهنربای الکتریکی به حرکت در می آورد.نیروی مغناطیسی آن فقط حاصل ضرب تعداد چرخش (N) و جریان سیم پیچ (I) است.بدین ترتیب:
N = تعداد دور
I = جریان در سیم پیچ ها.
ظهور "N" در فرمول فوق منجر به یک تصور غلط رایج می شود.
عموماً فرض بر این است که افزایش تعداد چرخش ها باعث افزایش نیروی مغناطیسی می شود اما به طور کلی این اتفاق نمی افتد زیرا چرخش های اضافی نیز جریان را کاهش می دهند.
سیم پیچی را در نظر بگیرید که با ولتاژ DC ثابت عرضه شده است.اگر تعداد چرخش ها دو برابر شود، مقاومت سیم پیچ ها نیز دو برابر می شود (در یک سیم پیچ بلند) و در نتیجه جریان به نصف کاهش می یابد.اثر خالص عدم افزایش NI است.
آنچه واقعاً NI را تعیین می کند مقاومت در هر چرخش است.بنابراین برای افزایش NI ضخامت سیم باید افزایش یابد.ارزش پیچ های اضافی این است که جریان را کاهش می دهند و در نتیجه اتلاف توان در سیم پیچ را کاهش می دهند.
طراح باید توجه داشته باشد که گیج سیم چیزی است که واقعاً نیروی مغناطیسی سیم پیچ را تعیین می کند.این مهمترین پارامتر طراحی کویل است.
محصول NI اغلب به عنوان "گردش آمپر" سیم پیچ شناخته می شود.
چند دور آمپر مورد نیاز است؟
فولاد مغناطیسی اشباع حدود 2 تسلا را نشان می دهد و این یک محدودیت اساسی برای میزان نیروی گیره ایجاد می کند.
از نمودار بالا می بینیم که قدرت میدان مورد نیاز برای بدست آوردن چگالی شار 2 تسلا حدود 20000 آمپر دور بر متر است.
اکنون، برای طراحی مگنابند معمولی، طول مسیر شار در فولاد حدود 1/5 متر است و بنابراین برای تولید اشباع به (20000/5) AT نیاز دارد، یعنی حدود 4000 AT.
خوب است که چرخش های آمپری بسیار بیشتر از این داشته باشیم تا مغناطش اشباع حتی زمانی که شکاف های غیر مغناطیسی (یعنی قطعات کار غیر آهنی) وارد مدار مغناطیسی می شوند، حفظ شود.با این حال چرخش های آمپر اضافی را می توان تنها با هزینه قابل توجهی در اتلاف توان یا هزینه سیم مسی یا هر دو به دست آورد.بنابراین یک مصالحه لازم است.
طرح های معمولی Magnabend دارای یک سیم پیچ هستند که 3800 آمپر چرخش ایجاد می کند.
توجه داشته باشید که این رقم به طول دستگاه بستگی ندارد.اگر طرح مغناطیسی یکسانی روی طیف وسیعی از طول‌های دستگاه اعمال شود، این امر حکم می‌کند که دستگاه‌های طولانی‌تر دارای سیم‌های ضخیم‌تر کمتری باشند.آنها جریان کل بیشتری می کشند اما حاصل ضرب آمپر x چرخش یکسان و نیروی گیره (و اتلاف توان یکسان) در واحد طول خواهند داشت.
چرخه کار
مفهوم چرخه وظیفه یک جنبه بسیار مهم در طراحی آهنربای الکتریکی است.اگر طراحی برای چرخه کاری بیشتر از آنچه لازم است فراهم کند، بهینه نیست.چرخه کار بیشتر به طور ذاتی به این معنی است که به سیم مسی بیشتری نیاز خواهد بود (با هزینه بالاتر) و/یا نیروی گیره کمتری در دسترس خواهد بود.
توجه: یک آهنربا با چرخه کاری بالاتر، اتلاف توان کمتری خواهد داشت، به این معنی که انرژی کمتری مصرف می‌کند و در نتیجه کارکرد آن ارزان‌تر است.با این حال، از آنجایی که آهنربا فقط برای دوره های کوتاهی روشن است، هزینه انرژی عملیات معمولاً اهمیت بسیار کمی دارد.بنابراین، رویکرد طراحی این است که تا آنجایی که می توانید از اتلاف نیرو در جهت گرم نشدن بیش از حد سیم پیچ های سیم پیچ استفاده کنید.(این رویکرد در اکثر طرح های الکترومغناطیس مشترک است).
Magnabend برای چرخه کاری اسمی حدود 25٪ طراحی شده است.
به طور معمول فقط 2 یا 3 ثانیه طول می کشد تا خم شود.سپس آهنربا به مدت 8 تا 10 ثانیه دیگر خاموش می شود، در حالی که قطعه کار تغییر مکان داده و آماده خم شدن بعدی است.اگر از چرخه کاری 25 درصد فراتر رود، در نهایت آهنربا بیش از حد داغ می شود و اضافه بار حرارتی از بین می رود.آهنربا آسیبی نمی بیند، اما قبل از استفاده مجدد، باید حدود 30 دقیقه اجازه دهید خنک شود.
تجربه عملیاتی با ماشین آلات در این زمینه نشان داده است که چرخه وظیفه 25٪ برای کاربران معمولی کاملاً کافی است.در واقع برخی از کاربران نسخه‌های اختیاری با قدرت بالا از ماشین را درخواست کرده‌اند که نیروی گیره‌ای بیشتری به قیمت چرخه کاری کمتر دارند.
سطح مقطع سیم پیچ
سطح مقطع موجود برای سیم پیچ حداکثر مقدار سیم مسی قابل نصب را تعیین می کند.فراهم کردن فضای بیشتر برای سیم پیچ ناگزیر باعث افزایش اندازه آهنربا و در نتیجه طول مسیر شار بیشتر در فولاد می شود (که باعث کاهش شار کل می شود).
همین استدلال حاکی از آن است که هر فضای سیم پیچی در طرح ارائه شده است، باید همیشه مملو از سیم مسی باشد.اگر پر نباشد به این معنی است که هندسه آهنربا می توانست بهتر باشد.
نیروی بستن Magnabend:
نمودار زیر با اندازه گیری های تجربی به دست آمده است، اما به خوبی با محاسبات نظری مطابقت دارد.
نیروی گیره را می توان به صورت ریاضی از این فرمول محاسبه کرد:
F = نیرو بر حسب نیوتن
B = چگالی شار مغناطیسی در تسلاس
A = مساحت قطب ها بر حسب متر مربع
µ0 = ثابت نفوذپذیری مغناطیسی، (4π x 10-7)
برای مثال، نیروی گیره را برای چگالی شار 2 تسلا محاسبه خواهیم کرد:
بنابراین F = ½ (2) 2 A/μ0
برای نیروی وارد بر واحد سطح (فشار) می توانیم "A" را در فرمول رها کنیم.
بنابراین فشار = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
این به 1590000 نیوتن بر متر مربع می رسد.
برای تبدیل این نیرو به کیلوگرم می توان آن را بر g تقسیم کرد (9.81).
بنابراین: فشار = 162080 کیلوگرم بر متر مربع = 16.2 کیلوگرم بر سانتی متر مربع.
این به خوبی با نیروی اندازه گیری شده برای یک شکاف صفر نشان داده شده در نمودار بالا مطابقت دارد.
این رقم را می توان به راحتی با ضرب آن در سطح قطب دستگاه به کل نیروی گیره برای یک ماشین معین تبدیل کرد.برای مدل 1250E مساحت قطب 125 (1.4+3.0+1.5) =735 سانتی متر مربع است.
بنابراین مجموع نیرو با شکاف صفر (735 x 16.2) = 11900 کیلوگرم یا 11.9 تن خواهد بود.حدود 9.5 تن در هر متر طول آهنربا.
چگالی شار و فشار بستن مستقیماً مرتبط هستند و نمودار زیر نشان داده شده است:
نیروی بستن عملی:
در عمل، این نیروی گیره بالا تنها زمانی تحقق می یابد که به آن نیاز نباشد(!) یعنی زمانی که قطعات نازک فولادی خم می شوند.هنگام خم کردن قطعات کار غیر آهنی، نیرو همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است، کمتر خواهد بود، و (کمی عجیب)، هنگام خم کردن قطعات ضخیم فولادی نیز کمتر است.این به این دلیل است که نیروی گیره مورد نیاز برای ایجاد یک خم تند بسیار بیشتر از نیروی مورد نیاز برای یک خم شعاع است.بنابراین آنچه اتفاق می‌افتد این است که با ادامه خمیدگی، لبه جلویی میل گیره کمی بالا می‌رود و به قطعه کار اجازه می‌دهد شعاع تشکیل دهد.
شکاف هوای کوچکی که ایجاد می‌شود باعث کاهش جزئی نیروی گیره می‌شود، اما نیروی مورد نیاز برای تشکیل خمش شعاع شدیدتر از نیروی گیره آهنربا کاهش یافته است.بنابراین یک وضعیت پایدار به وجود می آید و گیره رها نمی شود.
آنچه در بالا توضیح داده شد، حالت خمش زمانی است که دستگاه نزدیک به حد ضخامت خود است.اگر قطعه کار حتی ضخیم تری امتحان شود، مطمئناً میله گیره بلند می شود.
این نمودار نشان می دهد که اگر لبه دماغه گیره به جای تیز بودن، کمی شعاع داشته باشد، آنگاه شکاف هوا برای خمش ضخیم کاهش می یابد.
در واقع این مورد است و Magnabend که به درستی ساخته شده است دارای یک گیره با لبه شعاعی خواهد بود.(لبه شعاعی نیز در مقایسه با لبه تیز بسیار کمتر در معرض آسیب تصادفی است).
حالت حاشیه ای شکست خمشی:
اگر بر روی یک قطعه کار بسیار ضخیم خم شود، دستگاه در خم کردن آن شکست خواهد خورد زیرا میله گیره به سادگی بلند می شود.(خوشبختانه این به روشی دراماتیک اتفاق نمی افتد؛ گیره فقط بی سر و صدا رها می شود).
با این حال، اگر بار خمشی فقط کمی بیشتر از ظرفیت خمشی آهنربا باشد، به طور کلی اتفاقی که می افتد این است که خم حدود 60 درجه ادامه می یابد و سپس گیره شروع به لغزش به سمت عقب می کند.در این حالت شکست آهنربا فقط می تواند به طور غیرمستقیم با ایجاد اصطکاک بین قطعه کار و بستر آهنربا در برابر بار خمشی مقاومت کند.
تفاوت ضخامت بین خرابی ناشی از بلند شدن و خرابی ناشی از لغزش معمولاً زیاد نیست.
خرابی بلند کردن به دلیل اهرم قطعه کار از لبه جلوی گیره به سمت بالا است.نیروی گیره در لبه جلویی گیره عمدتاً چیزی است که در برابر این مقاومت مقاومت می کند.بستن در لبه عقب تأثیر کمی دارد زیرا نزدیک به جایی است که میله گیره در حال چرخش است.در واقع تنها نیمی از کل نیروی گیره است که در برابر بلند شدن مقاومت می کند.
از طرف دیگر لغزش توسط نیروی گیره کل مقاومت می شود اما فقط از طریق اصطکاک، بنابراین مقاومت واقعی به ضریب اصطکاک بین قطعه کار و سطح آهنربا بستگی دارد.
برای فولاد تمیز و خشک ضریب اصطکاک می تواند تا 0.8 باشد، اما اگر روانکاری وجود داشته باشد، ضریب اصطکاک می تواند تا 0.2 باشد.معمولاً جایی در این بین خواهد بود که حالت حاشیه ای شکست خمشی معمولاً به دلیل لغزش است، اما تلاش برای افزایش اصطکاک روی سطح آهنربا ارزشی ندارد.
ظرفیت ضخامت:
برای یک بدنه آهنربایی نوع E با عرض 98 میلی‌متر و عمق 48 میلی‌متر و با سیم‌پیچ چرخشی 3800 آمپر، ظرفیت خمشی کامل 1.6 میلی‌متر است.این ضخامت برای هر دو ورق فولادی و ورق آلومینیوم اعمال می شود.گیره کمتری روی ورق آلومینیوم وجود خواهد داشت، اما برای خم کردن آن به گشتاور کمتری نیاز دارد، بنابراین به گونه‌ای جبران می‌شود که ظرفیت گیج مشابهی برای هر دو نوع فلز ایجاد می‌کند.
در مورد ظرفیت خمشی اعلام شده باید اخطارهایی وجود داشته باشد: یکی از موارد اصلی این است که مقاومت تسلیم ورق فلز می تواند بسیار متفاوت باشد.ظرفیت 1.6 میلی متری برای فولاد با تنش تسلیم تا 250 مگاپاسکال و برای آلومینیوم با تنش تسلیم تا 140 مگاپاسکال اعمال می شود.
ظرفیت ضخامت در فولاد ضد زنگ حدود 1.0 میلی متر است.این ظرفیت به طور قابل توجهی کمتر از سایر فلزات است زیرا فولاد ضد زنگ معمولاً غیر مغناطیسی است و در عین حال تنش تسلیم نسبتاً بالایی دارد.
عامل دیگر دمای آهنربا است.اگر اجازه داده شود آهنربا داغ شود، مقاومت سیم پیچ بیشتر می شود و این به نوبه خود باعث می شود جریان کمتری با آمپر چرخش کمتر و نیروی گیره کمتری جذب کند.(این اثر معمولاً کاملاً متوسط است و بعید است که باعث شود دستگاه مشخصات خود را برآورده نکند).
در نهایت، اگر سطح مقطع آهنربا بزرگتر شود، می توان Magnabends با ظرفیت ضخیم تر ساخت.