MAGNABEND - CÂN NHẮC THIẾT KẾ CƠ BẢN
Thiết kế nam châm cơ bản
Máy Magnabend được thiết kế như một nam châm DC cực mạnh với chu kỳ làm việc giới hạn.
Máy gồm 3 phần cơ bản: -
Thân nam châm tạo thành đế của máy và chứa cuộn dây điện từ.
Thanh kẹp cung cấp một đường dẫn cho từ thông giữa các cực của đế nam châm, và do đó kẹp chặt phôi kim loại.
Chùm uốn được xoay vào mép trước của thân nam châm và cung cấp một phương tiện để tác dụng lực uốn lên phôi.
Cấu hình Magnet-Body
Có thể có nhiều cấu hình khác nhau cho thân nam châm.
Đây là 2 cái đã được sử dụng cho máy Magnabend:
Các đường đứt nét màu đỏ trong các hình vẽ trên đại diện cho các đường dẫn của từ thông.Lưu ý rằng thiết kế "Loại U" có một đường từ thông (1 cặp cực) trong khi thiết kế "Loại E" có 2 đường từ thông (2 cặp cực).
So sánh cấu hình nam châm:
Cấu hình loại E hiệu quả hơn cấu hình loại U.
Để hiểu tại sao lại như vậy, hãy xem xét hai bản vẽ dưới đây.
Bên trái là mặt cắt của một nam châm loại U và bên phải là một nam châm loại E được tạo ra bằng cách kết hợp 2 loại U giống nhau.Nếu mỗi cấu hình nam châm được dẫn động bởi một cuộn dây có cùng số vòng ampe thì rõ ràng nam châm tăng gấp đôi (loại E) sẽ có lực kẹp gấp đôi.Nó cũng sử dụng gấp đôi thép nhưng hầu như không có thêm dây nào cho cuộn dây!(Giả sử thiết kế cuộn dây dài).
(Chỉ cần một lượng nhỏ dây bổ sung vì 2 chân của cuộn dây nằm xa nhau hơn trong thiết kế "E", nhưng lượng dây thừa này trở nên không đáng kể trong thiết kế cuộn dây dài như được sử dụng cho Magnabend).
Super Magnabend:
Để tạo ra một nam châm mạnh hơn nữa, khái niệm "E" có thể được mở rộng chẳng hạn như cấu hình E kép này:
mẫu vật 3 chiều:
Dưới đây là hình vẽ 3-D cho thấy sự sắp xếp cơ bản của các bộ phận trong một nam châm loại U:
Trong thiết kế này, các cực Trước và Sau là các mảnh riêng biệt và được gắn bằng bu lông vào mảnh Lõi.
Mặc dù về nguyên tắc, có thể chế tạo thân nam châm loại U từ một miếng thép, sau đó sẽ không thể lắp đặt cuộn dây và do đó cuộn dây sẽ phải được quấn tại chỗ (trên thân nam châm được gia công ).
Trong một tình huống sản xuất, rất mong muốn có thể cuộn các cuộn dây riêng biệt (trên một loại đặc biệt trước đây).Do đó, thiết kế kiểu chữ U quyết định một cách hiệu quả kết cấu được chế tạo.
Mặt khác, thiết kế kiểu E phù hợp với thân nam châm được gia công từ một mảnh thép duy nhất vì một cuộn dây được tạo sẵn có thể dễ dàng được lắp đặt sau khi thân nam châm đã được gia công.Thân nam châm một mảnh cũng hoạt động tốt hơn về mặt từ tính vì nó không có bất kỳ khoảng trống cấu tạo nào, điều này có thể làm giảm từ thông (và do đó là lực kẹp) một chút.
(Hầu hết các Magnabends được sản xuất sau năm 1990 đều sử dụng thiết kế kiểu E).
Lựa chọn vật liệu để xây dựng nam châm
Thân nam châm và thanh kẹp phải được làm từ vật liệu sắt từ (có thể nhiễm từ).Cho đến nay, thép là vật liệu sắt từ rẻ nhất và là sự lựa chọn hiển nhiên.Tuy nhiên, có nhiều loại thép đặc biệt khác nhau có thể được xem xét.
1) Thép Silicon: Thép có điện trở suất cao thường có ở dạng dát mỏng và được sử dụng trong máy biến áp xoay chiều, nam châm AC, rơ le, v.v. Các đặc tính của nó không cần thiết đối với Magnabend là nam châm DC.
2) Sắt mềm: Vật liệu này sẽ thể hiện từ tính dư thấp hơn, điều này sẽ tốt cho máy Magnabend nhưng nó mềm về mặt vật lý, có nghĩa là nó sẽ dễ bị móp và hư hỏng;tốt hơn là giải quyết vấn đề từ dư theo cách khác.
3) Gang: Không dễ bị nhiễm từ như thép cuộn nhưng có thể được xem xét.
4) Thép không gỉ Loại 416: Không thể bị từ hóa mạnh như thép và đắt hơn nhiều (nhưng có thể hữu ích cho bề mặt nắp bảo vệ mỏng trên thân nam châm).
5) Thép không gỉ Loại 316: Đây là một hợp kim phi từ tính của thép và do đó không phù hợp chút nào (ngoại trừ như trong 4 điều trên).
6) Thép cacbon trung bình, loại K1045: Vật liệu này đặc biệt thích hợp cho việc chế tạo nam châm, (và các bộ phận khác của máy).Nó khá cứng trong điều kiện được cung cấp và nó cũng vận hành tốt.
7) Loại thép cacbon trung bình CS1020: Loại thép này không cứng bằng K1045 nhưng nó sẵn có hơn và do đó có thể là lựa chọn thiết thực nhất cho việc chế tạo máy Magnabend.
Lưu ý rằng các thuộc tính quan trọng được yêu cầu là:
Từ tính bão hòa cao.(Hầu hết các hợp kim thép bão hòa khoảng 2 Tesla),
Có sẵn các kích thước phần hữu ích,
Khả năng chống lại thiệt hại ngẫu nhiên,
Khả năng máy móc và
Chi phí hợp lý.
Thép cacbon trung bình phù hợp tốt với tất cả các yêu cầu này.Thép carbon thấp cũng có thể được sử dụng nhưng nó kém khả năng chống lại các thiệt hại ngẫu nhiên.Ngoài ra còn có các hợp kim đặc biệt khác, chẳng hạn như supermendur, có từ tính bão hòa cao hơn nhưng chúng không được xem xét vì giá thành rất cao so với thép.
Tuy nhiên, thép cacbon trung bình thể hiện một số từ tính dư, điều này đủ gây phiền toái.(Xem phần Từ tính dư).
Cuộn dây
Cuộn dây là thứ dẫn động từ thông qua nam châm điện.Lực từ hóa của nó chỉ là tích số của số vòng dây (N) và cường độ dòng điện của cuộn dây (I).Như vậy:
N = số lượt
I = dòng điện trong cuộn dây.
Sự xuất hiện của "N" trong công thức trên dẫn đến một quan niệm sai lầm phổ biến.
Nhiều người cho rằng tăng số vòng dây sẽ làm tăng lực từ hóa nhưng nói chung điều này không xảy ra vì các vòng dây phụ cũng làm giảm dòng điện, I.
Coi một cuộn dây được cấp điện áp một chiều cố định.Nếu số vòng dây tăng lên gấp đôi thì điện trở của các cuộn dây cũng tăng lên gấp đôi (ở cuộn dây dài) và như vậy cường độ dòng điện sẽ giảm đi một nửa.Hiệu quả ròng là không tăng NI.
Điều thực sự xác định NI là điện trở mỗi lượt.Do đó để tăng NI thì độ dày của dây phải được tăng lên.Giá trị của các vòng dây phụ là chúng làm giảm dòng điện và do đó công suất tiêu tán trong cuộn dây.
Người thiết kế nên lưu ý rằng thước đo dây là thứ thực sự xác định lực từ hóa của cuộn dây.Đây là thông số quan trọng nhất của thiết kế cuộn dây.
Sản phẩm NI thường được gọi là "ampe vòng" của cuộn dây.
Cần bao nhiêu Ampe vòng quay?
Thép thể hiện độ từ hóa bão hòa khoảng 2 Tesla và điều này đặt ra giới hạn cơ bản về lượng lực kẹp có thể đạt được.
Từ đồ thị trên, chúng ta thấy rằng cường độ trường cần thiết để có được mật độ từ thông 2 Tesla là khoảng 20.000 ampe-vòng trên mét.
Bây giờ, đối với một thiết kế Magnabend điển hình, chiều dài đường dẫn từ thông trong thép là khoảng 1/5 mét và do đó sẽ yêu cầu (20.000 / 5) AT để tạo ra độ bão hòa, tức là khoảng 4.000 AT.
Sẽ rất tuyệt nếu có nhiều vòng ampe hơn thế này để từ tính bão hòa có thể được duy trì ngay cả khi các khe hở không từ tính (tức là phôi màu) được đưa vào mạch từ tính.Tuy nhiên, chỉ có thể đạt được các vòng thêm ampe với chi phí đáng kể trong việc tiêu tán công suất hoặc chi phí của dây đồng, hoặc cả hai.Vì vậy, một sự thỏa hiệp là cần thiết.
Các thiết kế điển hình của Magnabend có cuộn dây tạo ra 3.800 vòng ampe.
Lưu ý rằng con số này không phụ thuộc vào chiều dài của máy.Nếu cùng một thiết kế từ tính được áp dụng trên một phạm vi độ dài của máy thì các máy dài hơn sẽ có ít vòng dây dày hơn.Chúng sẽ tạo ra tổng dòng điện nhiều hơn nhưng sẽ có cùng tích số ampe x vòng và sẽ có cùng lực kẹp (và cùng công suất tiêu tán) trên một đơn vị chiều dài.
Chu kỳ nhiệm vụ
Khái niệm về chu kỳ làm việc là một khía cạnh rất quan trọng trong thiết kế của nam châm điện.Nếu thiết kế cung cấp nhiều chu kỳ làm việc hơn mức cần thiết thì nó không phải là tối ưu.Chu kỳ làm việc nhiều hơn vốn có nghĩa là sẽ cần nhiều dây đồng hơn (do đó chi phí cao hơn) và / hoặc sẽ có ít lực kẹp hơn.
Lưu ý: Một nam châm có chu kỳ hoạt động cao hơn sẽ có ít tiêu hao điện năng hơn, có nghĩa là nó sẽ sử dụng ít năng lượng hơn và do đó hoạt động rẻ hơn.Tuy nhiên, vì nam châm chỉ BẬT trong những khoảng thời gian ngắn nên chi phí năng lượng hoạt động thường được coi là có ý nghĩa rất nhỏ.Do đó, cách tiếp cận thiết kế là có mức tiêu tán điện năng nhiều nhất có thể để không làm các cuộn dây của cuộn dây bị quá nóng.(Cách tiếp cận này phổ biến đối với hầu hết các thiết kế nam châm điện).
Magnabend được thiết kế cho chu kỳ nhiệm vụ danh nghĩa khoảng 25%.
Thông thường, chỉ mất 2 hoặc 3 giây để thực hiện một khúc cua.Sau đó, nam châm sẽ tắt trong 8 đến 10 giây nữa trong khi phôi được định vị lại và căn chỉnh sẵn sàng cho lần uốn tiếp theo.Nếu chu kỳ làm việc 25% bị vượt quá thì cuối cùng nam châm sẽ quá nóng và quá tải nhiệt sẽ hoạt động.Nam châm sẽ không bị hỏng nhưng nó sẽ phải được để nguội trong khoảng 30 phút trước khi được sử dụng lại.
Kinh nghiệm vận hành với các máy tại hiện trường cho thấy chu kỳ làm việc 25% là khá phù hợp với người dùng thông thường.Trên thực tế, một số người dùng đã yêu cầu các phiên bản công suất cao tùy chọn của máy có nhiều lực kẹp hơn với chi phí chu kỳ làm việc ít hơn.
Khu vực cắt ngang cuộn dây
Diện tích mặt cắt ngang có sẵn cho cuộn dây sẽ xác định số lượng dây đồng tối đa có thể được lắp vào. Diện tích có sẵn không được nhiều hơn mức cần thiết, phù hợp với số vòng ampe được yêu cầu và công suất tiêu tán.Cung cấp thêm không gian cho cuộn dây chắc chắn sẽ làm tăng kích thước của nam châm và dẫn đến chiều dài đường dẫn từ thông trong thép dài hơn (điều này sẽ làm giảm tổng từ thông).
Lập luận tương tự ngụ ý rằng bất kỳ không gian cuộn dây nào được cung cấp trong thiết kế, nó phải luôn đầy dây đồng.Nếu nó không đầy thì có nghĩa là hình học nam châm có thể tốt hơn.
Lực kẹp Magnabend:
Biểu đồ dưới đây thu được bằng các phép đo thực nghiệm, nhưng nó khá phù hợp với các tính toán lý thuyết.
Lực kẹp có thể được tính toán toán học từ công thức này:
F = lực tính bằng Newton
B = mật độ từ thông trong Teslas
A = diện tích cột tính bằng m2
µ0 = hằng số từ thẩm, (4π x 10-7)
Đối với một ví dụ, chúng tôi sẽ tính toán lực kẹp cho mật độ từ thông là 2 Tesla:
Do đó F = ½ (2) 2 A / µ0
Đối với một lực trên đơn vị diện tích (áp suất), chúng ta có thể bỏ chữ "A" trong công thức.
Như vậy Áp suất = 2 / µ0 = 2 / (4π x 10-7) N / m2.
Con số này lên tới 1.590.000 N / m2.
Để chuyển nó thành kilôgam lực, nó có thể được chia cho g (9,81).
Như vậy: Áp suất = 162.080 kg / m2 = 16,2 kg / cm2.
Điều này khá phù hợp với lực đo được đối với một khe hở bằng không được hiển thị trên đồ thị trên.
Có thể dễ dàng chuyển đổi con số này thành tổng lực kẹp cho một máy nhất định bằng cách nhân nó với diện tích cực của máy.Đối với kiểu 1250E, diện tích cực là 125 (1,4 + 3,0 + 1,5) = 735 cm2.
Do đó, tổng lực, không khoảng cách, lực sẽ là (735 x 16,2) = 11,900 kg hoặc 11,9 tấn;khoảng 9,5 tấn mỗi mét chiều dài nam châm.
Mật độ dòng chảy và áp suất kẹp có liên quan trực tiếp và được thể hiện bằng biểu đồ bên dưới:
Lực kẹp thực tế:
Trong thực tế, lực kẹp cao này chỉ được thực hiện khi không cần thiết (!), Tức là khi uốn các phôi thép mỏng.Khi uốn phôi thép, lực sẽ nhỏ hơn như trong biểu đồ trên, và (kỳ lạ một chút), nó cũng ít hơn khi uốn phôi thép dày.Điều này là do lực kẹp cần thiết để tạo ra một khúc cua gấp lớn hơn rất nhiều so với lực cần thiết cho một khúc quanh bán kính.Vì vậy, những gì xảy ra là khi quá trình uốn cong, mép trước của thanh kẹp sẽ nâng lên một chút, do đó cho phép phôi tạo thành bán kính.
Khe hở không khí nhỏ được hình thành làm mất một chút lực kẹp nhưng lực cần thiết để tạo thành bán kính uốn cong đã giảm mạnh hơn so với lực kẹp nam châm.Do đó, một tình huống ổn định dẫn đến kết quả và thanh kẹp không bị buông ra.
Những gì được mô tả ở trên là chế độ uốn cong khi máy gần giới hạn độ dày của nó.Nếu thử một phôi thậm chí dày hơn thì tất nhiên thanh kẹp sẽ nhấc ra.
Sơ đồ này gợi ý rằng nếu mép mũi của thanh kẹp được tỏa ra một chút, chứ không phải là sắc nét, thì khe hở không khí để uốn dày sẽ được giảm bớt.
Thật vậy, đây là trường hợp và một Magnabend được làm đúng cách sẽ có một thanh kẹp với một cạnh tỏa nhiệt.(Cạnh tỏa nhiệt cũng ít bị hư hại do tai nạn hơn nhiều so với cạnh sắc).
Chế độ biên của thất bại uốn cong:
Nếu cố gắng uốn cong trên một phôi rất dày thì máy sẽ không uốn cong được vì thanh kẹp chỉ đơn giản là nhấc ra.(May mắn thay, điều này không xảy ra một cách kịch tính; thanh kẹp chỉ buông ra một cách nhẹ nhàng).
Tuy nhiên, nếu tải trọng uốn chỉ lớn hơn một chút so với khả năng uốn cong của nam châm thì thông thường điều xảy ra là sự uốn cong sẽ tiến hành khoảng 60 độ và sau đó thanh kẹp sẽ bắt đầu trượt về phía sau.Trong chế độ hư hỏng này, nam châm chỉ có thể chống lại tải uốn gián tiếp bằng cách tạo ra ma sát giữa phôi và giường của nam châm.
Sự khác biệt về độ dày giữa hỏng hóc do nhấc ra và hỏng hóc do trượt nói chung là không nhiều lắm.
Lỗi khi nhấc ra là do phôi kéo mép trước của thanh kẹp lên trên.Lực kẹp ở mép trước của thanh kẹp chủ yếu là lực chống lại điều này.Kẹp ở mép sau có ít tác dụng vì nó gần với vị trí thanh kẹp đang được xoay.Trên thực tế, nó chỉ bằng một nửa tổng lực kẹp chống lại lực nâng.
Mặt khác trượt bị cản bởi tổng lực kẹp mà chỉ nhờ ma sát nên lực cản thực tế phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa phôi và bề mặt nam châm.
Đối với thép sạch và khô, hệ số ma sát có thể cao tới 0,8 nhưng nếu có bôi trơn thì hệ số ma sát có thể thấp tới 0,2.Thông thường, nó sẽ nằm ở đâu đó ở giữa như vậy chế độ bẻ cong biên thường là do trượt, nhưng những nỗ lực để tăng ma sát trên bề mặt của nam châm được cho là không đáng giá.
Công suất độ dày:
Đối với thân nam châm loại E rộng 98mm và sâu 48mm và có cuộn dây quay 3.800 ampe, khả năng uốn theo chiều dài đầy đủ là 1,6mm.Độ dày này áp dụng cho cả thép tấm và nhôm tấm.Sẽ có ít kẹp hơn trên tấm nhôm nhưng nó cần ít mô-men xoắn hơn để uốn cong nó, do đó điều này bù đắp theo cách để cung cấp khả năng đo tương tự cho cả hai loại kim loại.
Cần có một số lưu ý về khả năng uốn đã nêu: Điều chính là cường độ chảy của tấm kim loại có thể rất khác nhau.Dung lượng 1,6mm áp dụng cho thép có ứng suất chảy lên đến 250 MPa và nhôm có ứng suất chảy lên đến 140 MPa.
Khả năng độ dày trong thép không gỉ là khoảng 1,0mm.Khả năng này ít hơn đáng kể so với hầu hết các kim loại khác vì thép không gỉ thường không có từ tính và có ứng suất chảy cao hợp lý.
Một yếu tố khác là nhiệt độ của nam châm.Nếu nam châm được cho phép trở nên nóng thì điện trở của cuộn dây sẽ cao hơn và điều này sẽ làm cho nó hút ít dòng điện hơn với số vòng ampe thấp hơn và lực kẹp thấp hơn.(Tác động này thường khá vừa phải và ít có khả năng khiến máy không đạt thông số kỹ thuật).
Cuối cùng, Magnabends có dung lượng dày hơn có thể được tạo ra nếu tiết diện nam châm lớn hơn.