MAGNABEND - TEMEL TASARIM HUSUSLARI
Temel Mıknatıs Tasarımı
Magnabend makinesi, sınırlı görev döngüsüne sahip güçlü bir DC mıknatıs olarak tasarlanmıştır.
Makine 3 temel parçadan oluşur: -
Makinenin tabanını oluşturan ve elektro-mıknatıs bobinini içeren mıknatıs gövdesi.
Mıknatıs tabanının kutupları arasında manyetik akı için bir yol sağlayan ve böylece sac iş parçasını sıkıştıran kelepçe çubuğu.
Mıknatıs gövdesinin ön kenarına döndürülen ve iş parçasına bükme kuvveti uygulamak için bir araç sağlayan bükme kirişi.
Mıknatıs-Gövde Konfigürasyonları
Mıknatıs gövdesi için çeşitli konfigürasyonlar mümkündür.
Her ikisi de Magnabend makinelerinde kullanılmış olan 2 tanesi:
Yukarıdaki çizimlerde kesikli kırmızı çizgiler manyetik akı yollarını temsil etmektedir."U-Tipi" tasarımın tek bir akı yoluna (1 çift kutup) sahipken "E-Tipi" tasarımının 2 akı yoluna (2 çift kutup) sahip olduğuna dikkat edin.
Mıknatıs Yapılandırma Karşılaştırması:
E tipi konfigürasyon, U tipi konfigürasyondan daha verimlidir.
Bunun neden böyle olduğunu anlamak için aşağıdaki iki çizimi inceleyin.
Solda U tipi bir mıknatısın bir kesiti, sağda ise aynı U tipinden 2 tanesinin birleştirilmesiyle yapılmış E tipi bir mıknatıs.Her bir mıknatıs konfigürasyonu aynı amper dönüşlü bir bobin tarafından tahrik edilirse, o zaman açıkça ikiye katlanmış mıknatısın (E-tipi) iki kat daha fazla kenetleme kuvveti olacaktır.Ayrıca bobin için iki kat daha fazla çelik kullanır, ancak neredeyse hiç tel kullanmaz!(Uzun bir bobin tasarımı varsayarsak).
(Az miktarda fazladan tel, yalnızca bobinin 2 iki ayağı "E" tasarımında daha ayrı olduğu için gerekli olacaktır, ancak bu ekstra, Magnabend için kullanılan gibi uzun bir bobin tasarımında önemsiz hale gelir).
Süper Magnabend:
Daha da güçlü bir mıknatıs oluşturmak için "E" konsepti şu çift E konfigürasyonu gibi genişletilebilir:
3 boyutlu model:
Aşağıda, U tipi bir mıknatıstaki parçaların temel düzenini gösteren 3 boyutlu bir çizim bulunmaktadır:
Bu tasarımda Ön ve Arka direkler ayrı parçalardır ve Çekirdek parçaya cıvatalarla tutturulmuştur.
Prensip olarak, tek bir çelik parçasından U-tipi bir mıknatıs gövdesini işlemek mümkün olsa da, bu durumda bobini monte etmek mümkün olmayacaktı ve bu nedenle bobinin yerinde sarılması gerekecekti (işlenmiş mıknatıs gövdesi üzerine) ).
Bir üretim durumunda, bobinlerin ayrı ayrı sarılabilmesi (özel bir kalıp üzerine) oldukça arzu edilir.Böylece U tipi bir tasarım, imal edilmiş bir yapıyı etkili bir şekilde belirler.
Öte yandan, E-tipi tasarım, tek bir çelik parçasından işlenmiş bir mıknatıs gövdesine çok uygundur, çünkü önceden yapılmış bir bobin, mıknatıs gövdesi işlendikten sonra kolayca takılabilir.Tek parça bir mıknatıs gövdesi, aksi takdirde manyetik akıyı (ve dolayısıyla kenetleme kuvvetini) biraz azaltacak herhangi bir yapı boşluğuna sahip olmadığı için manyetik olarak daha iyi performans gösterir.
(1990'dan sonra yapılan çoğu Magnabend, E-tipi tasarımı kullanmıştır).
Mıknatıs Yapımı İçin Malzeme Seçimi
Mıknatıs gövdesi ve kelepçe çubuğu, ferromanyetik (manyetize edilebilir) malzemeden yapılmalıdır.Çelik, açık ara en ucuz ferromanyetik malzemedir ve bariz seçimdir.Bununla birlikte, dikkate alınabilecek çeşitli özel çelikler mevcuttur.
1) Silikon Çelik : Genellikle ince laminasyonlarda bulunan ve AC transformatörlerde, AC mıknatıslarda, rölelerde vb. kullanılan yüksek dirençli çeliktir. DC mıknatıs olan Magnabend için özellikleri gerekli değildir.
2) Yumuşak Demir : Bu malzeme, bir Magnabend makinesi için iyi olacak şekilde daha düşük kalıntı manyetizma sergileyecektir, ancak fiziksel olarak yumuşaktır, bu da kolayca çökebileceği ve hasar görebileceği anlamına gelir;artık manyetizma problemini başka bir şekilde çözmek daha iyidir.
3) Dökme Demir : Haddelenmiş çelik kadar kolay mıknatıslanmaz ama düşünülebilir.
4) Paslanmaz Çelik Tip 416 : Çelik kadar güçlü bir şekilde manyetize edilemez ve çok daha pahalıdır (ancak mıknatıs gövdesi üzerinde ince bir koruyucu kapak yüzeyi için faydalı olabilir).
5) Paslanmaz Çelik Tip 316 : Bu, manyetik olmayan bir çelik alaşımıdır ve bu nedenle hiç uygun değildir (yukarıdaki 4'teki gibi).
6) Orta Karbonlu Çelik, K1045 tipi : Bu malzeme, mıknatısın (ve makinenin diğer parçalarının) yapımı için son derece uygundur.Sağlandığı durumda oldukça serttir ve ayrıca iyi işlenir.
7) Orta Karbon Çeliği CS1020 tipi : Bu çelik K1045 kadar sert değildir ancak daha kolay temin edilebilir ve bu nedenle Magnabend makinesinin yapımı için en pratik seçim olabilir.
Gerekli olan önemli özelliklerin şunlar olduğunu unutmayın:
Yüksek doygunluk manyetizasyonu.(Çoğu çelik alaşımı yaklaşık 2 Tesla'da doyurulur),
Kullanışlı kesit boyutlarının bulunması,
Tesadüfi hasara karşı direnç,
İşlenebilirlik ve
Makul maliyet.
Orta karbonlu çelik, tüm bu gereksinimleri iyi karşılar.Düşük karbonlu çelik de kullanılabilir ancak tesadüfi hasarlara karşı daha az dirençlidir.Süpermendur gibi daha yüksek doygunluk manyetizasyonuna sahip olan ancak çeliğe kıyasla çok yüksek maliyetleri nedeniyle dikkate alınmayan başka özel alaşımlar da vardır.
Bununla birlikte, orta karbonlu çelik, sıkıntı yaratmaya yetecek bir miktar artık manyetizma sergilemektedir.(Artık Manyetizma bölümüne bakın).
Bobin
Bobin, elektromıknatıs aracılığıyla mıknatıslanma akısını çalıştıran şeydir.Mıknatıslama kuvveti, sadece dönüş sayısı (N) ve bobin akımının (I) ürünüdür.Böylece:
N = dönüş sayısı
I = sargılardaki akım.
Yukarıdaki formülde "N"nin görünmesi yaygın bir yanılgıya yol açmaktadır.
Dönüş sayısını artırmanın mıknatıslama kuvvetini artıracağı yaygın olarak kabul edilir, ancak genellikle bu olmaz çünkü ekstra dönüşler akımı da azaltır, I.
Sabit bir DC voltajıyla beslenen bir bobin düşünün.Dönüş sayısı iki katına çıkarsa, sargıların direnci de (uzun bir bobinde) iki katına çıkar ve böylece akım yarıya iner.Net etki NI'de artış olmamasıdır.
NI'yi gerçekten belirleyen şey, dönüş başına dirençtir.Böylece NI'yi arttırmak için telin kalınlığı arttırılmalıdır.Ekstra dönüşlerin değeri, akımı ve dolayısıyla bobindeki güç kaybını azaltmalarıdır.
Tasarımcı, bobinin mıknatıslanma kuvvetini gerçekten belirleyen şeyin tel ölçüsü olduğuna dikkat etmelidir.Bu, bobin tasarımının en önemli parametresidir.
NI ürünü genellikle bobinin "amper dönüşleri" olarak adlandırılır.
Kaç Amper Dönüşü Gereklidir?
Çelik, yaklaşık 2 Tesla'lık bir doygunluk manyetizasyonu sergiler ve bu, ne kadar sıkıştırma kuvvetinin elde edilebileceği konusunda temel bir sınır belirler.
Yukarıdaki grafikten, 2 Tesla'lık bir akı yoğunluğu elde etmek için gereken alan gücünün metre başına yaklaşık 20.000 amper dönüş olduğunu görüyoruz.
Şimdi, tipik bir Magnabend tasarımı için, çelikteki akı yolu uzunluğu bir metrenin yaklaşık 1/5'i kadardır ve bu nedenle doygunluğu üretmek için (20.000/5) AT gerekir, yani yaklaşık 4,000 AT.
Bundan çok daha fazla amper dönüşüne sahip olmak güzel olurdu, böylece manyetik devreye manyetik olmayan boşluklar (yani demir içermeyen iş parçaları) dahil edildiğinde bile doygunluk manyetizasyonu korunabilir.Bununla birlikte, ekstra amper dönüşleri, yalnızca güç kaybında veya bakır tel maliyetinde veya her ikisinde önemli bir maliyetle elde edilebilir.Bu nedenle bir uzlaşmaya ihtiyaç vardır.
Tipik Magnabend tasarımları, 3.800 amper dönüş üreten bir bobine sahiptir.
Bu rakamın makinenin uzunluğuna bağlı olmadığını unutmayın.Aynı manyetik tasarım bir dizi makine uzunluğuna uygulanırsa, daha uzun makinelerin daha az daha kalın tel dönüşüne sahip olacağını belirtir.Daha fazla toplam akım çekecekler, ancak aynı amper x dönüş ürününe sahip olacaklar ve birim uzunluk başına aynı kenetleme kuvvetine (ve aynı güç tüketimine) sahip olacaklar.
Görev döngüsü
Görev döngüsü kavramı, elektromıknatıs tasarımının çok önemli bir yönüdür.Tasarım gerekenden daha fazla görev döngüsü sağlıyorsa, o zaman optimum değildir.Daha fazla görev döngüsü, doğası gereği daha fazla bakır kabloya ihtiyaç duyulacağı (sonuç olarak daha yüksek maliyetle) ve/veya daha az kenetleme kuvveti olacağı anlamına gelir.
Not: Daha yüksek bir görev döngüsü mıknatısı daha az güç kaybına sahip olacaktır, bu da daha az enerji kullanacağı ve dolayısıyla daha ucuza çalıştırılacağı anlamına gelir.Ancak, mıknatıs yalnızca kısa süreler için AÇIK durumda olduğundan, işletimin enerji maliyetinin genellikle çok az önemli olduğu kabul edilir.Böylece tasarım yaklaşımı, bobin sargılarının aşırı ısınmaması açısından kurtulabileceğiniz kadar güç kaybına sahip olmaktır.(Bu yaklaşım çoğu elektromıknatıs tasarımında ortaktır).
Magnabend, yaklaşık %25'lik bir nominal görev döngüsü için tasarlanmıştır.
Tipik olarak bir viraj yapmak sadece 2 veya 3 saniye sürer.Mıknatıs daha sonra 8 ila 10 saniye daha kapalı olacak ve iş parçası bir sonraki büküm için yeniden konumlandırılıp hizalanacak.%25'lik görev döngüsü aşılırsa, sonunda mıknatıs çok ısınır ve termal aşırı yük tetiklenir.Mıknatıs zarar görmeyecektir ancak tekrar kullanılmadan önce yaklaşık 30 dakika soğumaya bırakılmalıdır.
Sahadaki makinelerle ilgili operasyonel deneyim, %25'lik görev döngüsünün tipik kullanıcılar için oldukça yeterli olduğunu göstermiştir.Aslında bazı kullanıcılar, makinenin daha az görev döngüsü pahasına daha fazla sıkma kuvvetine sahip isteğe bağlı yüksek güçlü versiyonlarını talep etmiştir.
Bobin Kesit Alanı
Bobin için mevcut olan kesit alanı, yerleştirilebilecek maksimum bakır tel miktarını belirleyecektir. Mevcut alan, gerekli amper dönüşleri ve güç dağılımı ile tutarlı olarak, gerekenden fazla olmamalıdır.Bobin için daha fazla alan sağlanması, kaçınılmaz olarak mıknatısın boyutunu artıracak ve çelikte daha uzun bir akı yolu uzunluğu ile sonuçlanacaktır (bu, toplam akıyı azaltacaktır).
Aynı argüman, tasarımda sağlanan bobin alanı ne olursa olsun, her zaman bakır tel ile dolu olması gerektiğini ima eder.Dolu değilse, mıknatıs geometrisinin daha iyi olabileceği anlamına gelir.
Magnabend Sıkıştırma Kuvveti:
Aşağıdaki grafik deneysel ölçümlerle elde edilmiştir, ancak teorik hesaplamalarla oldukça uyumludur.
Sıkıştırma kuvveti şu formülden matematiksel olarak hesaplanabilir:
F = Newton cinsinden kuvvet
B = Tesla'larda manyetik akı yoğunluğu
A = m2 cinsinden kutupların alanı
µ0 = manyetik geçirgenlik sabiti, (4π x 10-7)
Örnek olarak, 2 Tesla'lık bir akı yoğunluğu için sıkıştırma kuvvetini hesaplayacağız:
Böylece F = ½ (2)2 A/µ0
Birim alan (basınç) üzerindeki bir kuvvet için formülde "A"yı bırakabiliriz.
Böylece Basınç = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Bu 1.590.000 N/m2'ye çıkıyor.
Bunu kilogram kuvvete dönüştürmek için g (9.81) ile bölünebilir.
Böylece: Basınç = 162.080 kg/m2 = 16,2 kg/cm2.
Bu, yukarıdaki grafikte gösterilen sıfır boşluk için ölçülen kuvvetle oldukça uyumludur.
Bu rakam, belirli bir makine için, makinenin kutup alanı ile çarpılarak kolayca toplam sıkma kuvvetine dönüştürülebilir.1250E modeli için kutup alanı 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2'dir.
Böylece toplam, sıfır boşluklu kuvvet (735 x 16.2) = 11.900 kg veya 11,9 ton olacaktır;Mıknatıs uzunluğunun metre başına yaklaşık 9.5 ton.
Akı yoğunluğu ve Sıkıştırma basıncı doğrudan ilişkilidir ve aşağıda grafikle gösterilmiştir:
Pratik Sıkıştırma Kuvveti:
Pratikte bu yüksek kenetleme kuvveti sadece gerekli olmadığında(!), yani ince çelik iş parçalarını bükerken fark edilir.Demir içermeyen iş parçalarını bükerken, yukarıdaki grafikte gösterildiği gibi kuvvet daha az olacaktır ve (biraz tuhaf bir şekilde) kalın çelik iş parçalarını bükerken de daha az olacaktır.Bunun nedeni, keskin bir büküm yapmak için gereken kenetleme kuvvetinin, bir yarıçap bükümü için gerekenden çok daha yüksek olmasıdır.Böylece, bükülme ilerledikçe kelepçe çubuğunun ön kenarı hafifçe kaldırılır ve böylece iş parçasının bir yarıçap oluşturması sağlanır.
Oluşan küçük hava boşluğu, hafif bir kenetleme kuvveti kaybına neden olur, ancak yarıçap bükümü oluşturmak için gereken kuvvet, mıknatıs kenetleme kuvvetine göre daha keskin bir şekilde düşmüştür.Böylece stabil bir durum ortaya çıkar ve kıskaç kolu bırakılmaz.
Yukarıda açıklanan, makine kalınlık sınırına yakın olduğunda bükme modudur.Daha da kalın bir iş parçası denenirse, elbette kelepçe kolu kalkacaktır.
Bu şema, kıskaç çubuğunun uç kenarının keskin değil de biraz radyal olması durumunda, kalın bükme için hava boşluğunun azalacağını göstermektedir.
Gerçekten de durum böyledir ve uygun şekilde yapılmış bir Magnabend, yuvarlatılmış kenarlı bir kelepçeye sahip olacaktır.(Yuvarlak bir kenar, keskin bir kenara kıyasla kazara hasara çok daha az eğilimlidir).
Marjinal Bükme Hatası Modu:
Çok kalın bir iş parçası üzerinde bir bükme girişiminde bulunulursa, bu durumda, kıskaç çubuğu basitçe kalkacağı için makine onu bükmeyecektir.(Neyse ki bu dramatik bir şekilde olmuyor; kıskaç sadece sessizce gitmesine izin veriyor).
Bununla birlikte, eğilme yükü, mıknatısın eğilme kapasitesinden sadece biraz daha büyükse, o zaman genellikle olan şey, bükülmenin yaklaşık 60 derecelik bir açıyla devam etmesi ve ardından kelepçe çubuğun geriye doğru kaymaya başlamasıdır.Bu arıza modunda, mıknatıs, iş parçası ile mıknatıs yatağı arasında sürtünme oluşturarak eğilme yüküne yalnızca dolaylı olarak direnebilir.
Kalkıştan kaynaklanan bir kırılma ile kaymadan kaynaklanan bir kırılma arasındaki kalınlık farkı genellikle çok fazla değildir.
Kaldırma hatası, kıskaç çubuğunun ön kenarını yukarı kaldıran iş parçasından kaynaklanır.Kelepçe çubuğunun ön kenarındaki kenetleme kuvveti esas olarak buna direnir.Arka kenarda kenetleme, kıskaç çubuğunun döndürüldüğü yere yakın olduğu için çok az etkiye sahiptir.Aslında, kaldırmaya direnen toplam sıkıştırma kuvvetinin sadece yarısıdır.
Öte yandan, kaymaya toplam kenetleme kuvveti karşı koyar, ancak yalnızca sürtünme yoluyla direnç gösterir, dolayısıyla gerçek direnç iş parçası ile mıknatısın yüzeyi arasındaki sürtünme katsayısına bağlıdır.
Temiz ve kuru çelik için sürtünme katsayısı 0,8 kadar yüksek olabilir, ancak yağlama varsa 0,2 kadar düşük olabilir.Tipik olarak, bükülme başarısızlığının marjinal modunun genellikle kaymadan kaynaklanacağı şekilde arada bir yerde olacaktır, ancak mıknatısın yüzeyindeki sürtünmeyi artırma girişimlerinin faydalı olmadığı bulunmuştur.
Kalınlık Kapasitesi:
98 mm genişliğinde ve 48 mm derinliğinde ve 3.800 amper dönüşlü bir bobine sahip bir E tipi mıknatıs gövdesi için tam uzunlukta bükme kapasitesi 1,6 mm'dir.Bu kalınlık hem çelik sac hem de alüminyum sac için geçerlidir.Alüminyum levha üzerinde daha az sıkıştırma olacaktır, ancak onu bükmek için daha az tork gerektirir, bu nedenle bu, her iki metal türü için benzer ölçü kapasitesi verecek şekilde telafi eder.
Belirtilen bükme kapasitesi konusunda bazı uyarılar yapılmalıdır: Bunlardan en önemlisi, sacın akma dayanımının büyük ölçüde değişebilmesidir.1,6 mm kapasite, 250 MPa'ya kadar akma gerilimi olan çelik ve 140 MPa'ya kadar akma gerilimi olan alüminyum için geçerlidir.
Paslanmaz çelikte kalınlık kapasitesi yaklaşık 1.0 mm'dir.Bu kapasite, diğer metallerin çoğundan önemli ölçüde daha düşüktür, çünkü paslanmaz çelik genellikle manyetik değildir ve yine de oldukça yüksek bir akma gerilimine sahiptir.
Diğer bir faktör de mıknatısın sıcaklığıdır.Mıknatısın ısınmasına izin verilirse, bobinin direnci daha yüksek olacaktır ve bu da daha düşük amper dönüşleri ve daha düşük sıkıştırma kuvveti ile daha az akım çekmesine neden olacaktır.(Bu etki genellikle oldukça orta düzeydedir ve makinenin özelliklerini karşılamamasına neden olması olası değildir).
Son olarak, mıknatıs kesiti daha büyük yapılırsa daha kalın kapasiteli Magnabendler yapılabilir.