MAGNABEND - PERTIMBANGAN REKA BENTUK ASAS
Reka Bentuk Magnet Asas
Mesin Magnabend direka bentuk sebagai magnet DC yang berkuasa dengan kitaran tugas terhad.
Mesin ini terdiri daripada 3 bahagian asas:-
Badan magnet yang membentuk asas mesin dan mengandungi gegelung elektro-magnet.
Bar pengapit yang menyediakan laluan untuk fluks magnet antara kutub tapak magnet, dan dengan itu mengapit bahan kerja kepingan logam.
Rasuk lentur yang dipangsi ke tepi hadapan badan magnet dan menyediakan cara untuk menggunakan daya lentur pada bahan kerja.
Konfigurasi Badan Magnet
Pelbagai konfigurasi boleh dilakukan untuk badan magnet.
Berikut adalah 2 yang telah digunakan untuk mesin Magnabend:
Garisan merah putus-putus dalam lukisan di atas mewakili laluan fluks magnet.Ambil perhatian bahawa reka bentuk "U-Type" mempunyai laluan fluks tunggal (1 pasang kutub) manakala reka bentuk "E-Type" mempunyai 2 laluan fluks (2 pasang kutub).
Perbandingan Konfigurasi Magnet:
Konfigurasi E-type adalah lebih cekap daripada konfigurasi U-type.
Untuk memahami mengapa ini begitu pertimbangkan dua lukisan di bawah.
Di sebelah kiri adalah keratan rentas magnet jenis U dan di sebelah kanan adalah magnet jenis E yang telah dibuat dengan menggabungkan 2 jenis U yang sama.Jika setiap konfigurasi magnet didorong oleh gegelung dengan pusingan ampere yang sama maka jelas magnet yang digandakan (jenis E) akan mempunyai daya pengapit dua kali lebih banyak.Ia juga menggunakan keluli dua kali lebih banyak tetapi hampir tidak ada wayar lagi untuk gegelung!(Dengan mengandaikan reka bentuk gegelung panjang).
(Jumlah wayar tambahan yang kecil diperlukan hanya kerana 2 dua kaki gegelung berada lebih jauh dalam reka bentuk "E", tetapi tambahan ini menjadi tidak penting dalam reka bentuk gegelung panjang seperti yang digunakan untuk Magnabend).
Super Magnabend:
Untuk membina magnet yang lebih berkuasa, konsep "E" boleh dilanjutkan seperti konfigurasi double-E ini:
Model 3-D:
Di bawah ialah lukisan 3-D yang menunjukkan susunan asas bahagian dalam magnet jenis U:
Dalam reka bentuk ini, tiang Depan dan Belakang adalah kepingan yang berasingan dan disambungkan dengan bolt pada bahagian Teras.
Walaupun pada dasarnya, adalah mungkin untuk memesin badan magnet jenis U daripada sekeping keluli, ia tidak mungkin untuk memasang gegelung dan dengan itu gegelung perlu dililit di situ (pada badan magnet yang dimesin ).
Dalam keadaan pengeluaran adalah sangat wajar untuk dapat menggulung gegelung secara berasingan (pada bekas khas).Oleh itu reka bentuk jenis U secara berkesan menentukan pembinaan yang direka.
Sebaliknya reka bentuk E-jenis sesuai dengan badan magnet yang dimesin daripada sekeping keluli kerana gegelung pra-buat boleh dipasang dengan mudah selepas badan magnet telah dimesin.Badan magnet keping tunggal juga berprestasi lebih baik secara magnetik kerana ia tidak mempunyai sebarang jurang pembinaan yang sebaliknya akan mengurangkan fluks magnet (dan seterusnya daya pengapit) sedikit.
(Kebanyakan Magnabends dibuat selepas 1990 menggunakan reka bentuk E-jenis).
Pemilihan Bahan untuk Pembinaan Magnet
Badan magnet dan bar pengapit mesti dibuat daripada bahan feromagnetik (boleh magnet).Keluli adalah bahan feromagnetik yang paling murah dan merupakan pilihan yang jelas.Walau bagaimanapun, terdapat pelbagai keluli khas yang boleh dipertimbangkan.
1) Keluli Silikon : Keluli kerintangan tinggi yang biasanya terdapat dalam laminasi nipis dan digunakan dalam pengubah AC, magnet AC, geganti dll. Sifatnya tidak diperlukan untuk Magnabend yang merupakan magnet DC.
2) Besi Lembut: Bahan ini akan mempamerkan kemagnetan sisa yang lebih rendah yang sesuai untuk mesin Magnabend tetapi ia lembut secara fizikal yang bermakna ia akan mudah kemek dan rosak;adalah lebih baik untuk menyelesaikan masalah kemagnetan sisa dengan cara lain.
3) Besi Tuang : Tidak semudah dimagnetkan seperti keluli bergulung tetapi boleh dipertimbangkan.
4) Keluli Tahan Karat Jenis 416 : Tidak boleh dimagnetkan sekuat keluli dan jauh lebih mahal (tetapi mungkin berguna untuk permukaan penutup pelindung nipis pada badan magnet).
5) Keluli Tahan Karat Jenis 316 : Ini adalah aloi bukan magnetik keluli dan oleh itu tidak sesuai sama sekali (kecuali seperti dalam 4 di atas).
6) Keluli Karbon Sederhana, jenis K1045 : Bahan ini amat sesuai untuk pembinaan magnet, (dan bahagian lain mesin).Ia agak keras dalam keadaan yang dibekalkan dan ia juga berfungsi dengan baik.
7) Keluli Karbon Sederhana jenis CS1020 : Keluli ini tidak sekeras K1045 tetapi ia lebih mudah didapati dan dengan itu mungkin pilihan paling praktikal untuk pembinaan mesin Magnabend.
Ambil perhatian bahawa sifat penting yang diperlukan ialah:
Pemmagnetan ketepuan tinggi.(Kebanyakan aloi keluli tepu pada sekitar 2 Tesla),
Ketersediaan saiz bahagian yang berguna,
Rintangan kepada kerosakan sampingan,
Kebolehmesinan, dan
Kos yang berpatutan.
Keluli karbon sederhana sesuai dengan semua keperluan ini dengan baik.Keluli karbon rendah juga boleh digunakan tetapi ia kurang tahan terhadap kerosakan sampingan.Terdapat juga aloi khas lain, seperti supermendur, yang mempunyai kemagnetan tepu yang lebih tinggi tetapi ia tidak perlu dipertimbangkan kerana kosnya yang sangat tinggi berbanding keluli.
Keluli karbon sederhana bagaimanapun mempamerkan beberapa kemagnetan sisa yang cukup untuk menjadi kacau ganggu.(Lihat bahagian tentang Kemagnetan Sisa).
Gegelung
Gegelung adalah apa yang memacu fluks magnetisasi melalui elektromagnet.Daya kemagnetannya hanyalah hasil darab bilangan lilitan (N) dan arus gegelung (I).Oleh itu:
N = bilangan lilitan
I = arus dalam belitan.
Kemunculan "N" dalam formula di atas membawa kepada salah tanggapan biasa.
Secara meluas diandaikan bahawa menambah bilangan lilitan akan meningkatkan daya magnetisasi tetapi secara amnya ini tidak berlaku kerana lilitan tambahan juga mengurangkan arus, I.
Pertimbangkan gegelung yang dibekalkan dengan voltan DC tetap.Jika bilangan lilitan digandakan maka rintangan belitan juga akan digandakan (dalam gegelung panjang) dan dengan itu arus akan menjadi separuh.Kesan bersih tiada peningkatan dalam NI.
Apa yang benar-benar menentukan NI ialah rintangan setiap giliran.Oleh itu untuk meningkatkan NI ketebalan wayar mesti ditambah.Nilai lilitan tambahan ialah ia mengurangkan arus dan oleh itu pelesapan kuasa dalam gegelung.
Pereka bentuk harus sedar bahawa tolok dawai adalah yang benar-benar menentukan daya magnet gegelung.Ini adalah parameter paling penting dalam reka bentuk gegelung.
Produk NI sering dirujuk sebagai "pusingan ampere" gegelung.
Berapa Pusingan Ampere yang Diperlukan?
Keluli mempamerkan kemagnetan tepu kira-kira 2 Tesla dan ini menetapkan had asas pada berapa banyak daya pengapit boleh diperolehi.
Daripada graf di atas kita melihat bahawa kekuatan medan yang diperlukan untuk mendapatkan ketumpatan fluks 2 Tesla ialah kira-kira 20,000 ampere-putaran setiap meter.
Kini, untuk reka bentuk Magnabend biasa, panjang laluan fluks dalam keluli adalah kira-kira 1/5 meter dan oleh itu akan memerlukan (20,000/5) AT untuk menghasilkan ketepuan, iaitu kira-kira 4,000 AT.
Adalah baik untuk mempunyai lebih banyak lilitan ampere daripada ini supaya kemagnetan tepu dapat dikekalkan walaupun jurang bukan magnetik (iaitu bahan kerja bukan ferus) dimasukkan ke dalam litar magnet.Walau bagaimanapun lilitan ampere tambahan hanya boleh diperolehi pada kos yang besar dalam pelesapan kuasa atau kos wayar kuprum, atau kedua-duanya.Oleh itu kompromi diperlukan.
Reka bentuk Magnabend biasa mempunyai gegelung yang menghasilkan 3,800 pusingan ampere.
Ambil perhatian bahawa angka ini tidak bergantung pada panjang mesin.Jika reka bentuk magnet yang sama digunakan pada julat panjang mesin maka ia menentukan bahawa mesin yang lebih panjang akan mempunyai lebih sedikit lilitan wayar yang lebih tebal.Mereka akan menarik lebih jumlah arus tetapi akan mempunyai hasil kali yang sama bagi amp x pusingan dan akan mempunyai daya pengapit yang sama (dan pelesapan kuasa yang sama) bagi setiap unit panjang.
Kitar tugas
Konsep kitaran tugas adalah aspek yang sangat penting dalam reka bentuk elektromagnet.Jika reka bentuk menyediakan lebih banyak kitaran tugas daripada yang diperlukan maka ia tidak optimum.Lebih banyak kitaran tugas sememangnya bermakna bahawa lebih banyak wayar tembaga akan diperlukan (dengan kos yang lebih tinggi akibatnya) dan/atau akan terdapat kurang daya pengapit yang tersedia.
Nota: Magnet kitaran tugas yang lebih tinggi akan mempunyai kurang pelesapan kuasa yang bermaksud bahawa ia akan menggunakan lebih sedikit tenaga dan dengan itu lebih murah untuk dikendalikan.Walau bagaimanapun, kerana magnet DIHIDUPKAN hanya untuk tempoh yang singkat maka kos operasi tenaga biasanya dianggap sebagai sangat kecil kepentingannya.Oleh itu pendekatan reka bentuk adalah untuk mempunyai pelesapan kuasa sebanyak yang anda boleh lari dari segi tidak terlalu panas belitan gegelung.(Pendekatan ini biasa kepada kebanyakan reka bentuk elektromagnet).
Magnabend direka untuk kitaran tugas nominal kira-kira 25%.
Biasanya ia hanya mengambil masa 2 atau 3 saat untuk membuat selekoh.Magnet kemudiannya akan dimatikan selama 8 hingga 10 saat lagi manakala bahan kerja diposisikan semula dan dijajarkan bersedia untuk selekoh seterusnya.Jika kitaran tugas 25% melebihi maka akhirnya magnet akan menjadi terlalu panas dan beban terma akan tersandung.Magnet tidak akan rosak tetapi ia perlu dibiarkan sejuk selama kira-kira 30 minit sebelum digunakan semula.
Pengalaman operasi dengan mesin di lapangan telah menunjukkan bahawa kitaran tugas 25% adalah cukup memadai untuk pengguna biasa.Malah sesetengah pengguna telah meminta versi kuasa tinggi pilihan mesin yang mempunyai lebih banyak daya pengapit dengan mengorbankan kitaran tugas yang kurang.
Luas Keratan Rentas Gegelung
Luas keratan rentas yang tersedia untuk gegelung akan menentukan jumlah maksimum wayar kuprum yang boleh dipasang. Luas yang tersedia tidak boleh lebih daripada yang diperlukan, selaras dengan lilitan ampere yang diperlukan dan pelesapan kuasa.Menyediakan lebih banyak ruang untuk gegelung sudah pasti akan meningkatkan saiz magnet dan menghasilkan panjang laluan fluks yang lebih panjang dalam keluli (yang akan mengurangkan jumlah fluks).
Hujah yang sama membayangkan bahawa apa sahaja ruang gegelung yang disediakan dalam reka bentuk ia harus sentiasa penuh dengan wayar tembaga.Jika ia tidak penuh maka ini bermakna geometri magnet mungkin lebih baik.
Daya Pengapit Magnabend:
Graf di bawah telah diperoleh melalui pengukuran eksperimen, tetapi ia bersetuju dengan agak baik dengan pengiraan teori.
Daya pengapit boleh dikira secara matematik daripada formula ini:
F = daya dalam Newton
B = ketumpatan fluks magnet dalam Teslas
A = luas tiang dalam m2
µ0 = pemalar kebolehtelapan magnet, (4π x 10-7)
Sebagai contoh kita akan mengira daya pengapit untuk ketumpatan fluks 2 Tesla:
Oleh itu F = ½ (2)2 A/µ0
Untuk daya pada unit luas (tekanan) kita boleh menjatuhkan "A" dalam formula.
Oleh itu Tekanan = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Ini menghasilkan 1,590,000 N/m2.
Untuk menukar ini kepada daya kilogram ia boleh dibahagikan dengan g (9.81).
Oleh itu: Tekanan = 162,080 kg/m2 = 16.2 kg/cm2.
Ini agak bersetuju dengan daya yang diukur untuk jurang sifar yang ditunjukkan pada graf di atas.
Angka ini dengan mudah boleh ditukar kepada jumlah daya pengapit untuk mesin tertentu dengan mendarabkannya dengan luas kutub mesin.Untuk model 1250E luas tiang ialah 125(1.4+3.0+1.5) =735 cm2.
Oleh itu, jumlah, jurang sifar, daya ialah (735 x 16.2) = 11,900 kg atau 11.9 tan;kira-kira 9.5 tan per meter panjang magnet.
Ketumpatan fluks dan tekanan Pengapit adalah berkaitan secara langsung dan ditunjukkan dalam graf di bawah:
Daya Pengapit Praktikal:
Dalam amalan daya pengapit yang tinggi ini hanya pernah direalisasikan apabila ia tidak diperlukan(!), iaitu apabila membengkokkan bahan kerja keluli nipis.Apabila membengkokkan bahan kerja bukan ferus daya akan menjadi kurang seperti yang ditunjukkan dalam graf di atas, dan (sedikit ingin tahu), ia juga kurang apabila membengkokkan bahan kerja keluli tebal.Ini kerana daya pengapit yang diperlukan untuk membuat selekoh tajam adalah jauh lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk selekoh jejari.Jadi apa yang berlaku ialah apabila selekoh diteruskan, tepi hadapan palang pengapit terangkat sedikit sekali gus membenarkan bahan kerja membentuk jejari.
Jurang udara kecil yang terbentuk menyebabkan kehilangan sedikit daya pengapit tetapi daya yang diperlukan untuk membentuk lentur jejari telah menurun dengan lebih mendadak daripada daya pengapit magnet.Oleh itu keadaan yang stabil terhasil dan bar pengapit tidak dilepaskan.
Apa yang diterangkan di atas ialah mod lenturan apabila mesin menghampiri had ketebalannya.Jika bahan kerja yang lebih tebal dicuba maka sudah tentu palang pengapit akan terangkat.
Rajah ini menunjukkan bahawa jika tepi hidung palang pengapit dijejari sedikit, bukannya tajam, maka jurang udara untuk lenturan tebal akan dikurangkan.
Memang ini berlaku dan Magnabend yang dibuat dengan betul akan mempunyai palang pengapit dengan tepi berjejari.(Pinggir berjejari juga kurang terdedah kepada kerosakan tidak sengaja berbanding dengan tepi tajam).
Mod Marginal Kegagalan Bengkok:
Jika bengkokan dicuba pada bahan kerja yang sangat tebal maka mesin akan gagal untuk membengkokkannya kerana palang pengapit akan terangkat sahaja.(Nasib baik ini tidak berlaku secara dramatik; palang pengapit hanya dilepaskan secara senyap).
Walau bagaimanapun jika beban lentur hanya lebih besar sedikit daripada kapasiti lentur magnet maka secara amnya apa yang berlaku ialah lenturan akan terus mengatakan kira-kira 60 darjah dan kemudian palang pengapit akan mula meluncur ke belakang.Dalam mod kegagalan ini, magnet hanya boleh menahan beban lentur secara tidak langsung dengan mencipta geseran antara bahan kerja dan dasar magnet.
Perbezaan ketebalan antara kegagalan akibat pengangkatan dan kegagalan akibat gelongsor biasanya tidak terlalu banyak.
Kegagalan angkat adalah disebabkan oleh bahan kerja yang mengungkit tepi hadapan bar pengapit ke atas.Daya pengapit di pinggir hadapan bar pengapit adalah terutamanya yang menentang ini.Pengapit di tepi belakang mempunyai sedikit kesan kerana ia berdekatan dengan tempat pengapit sedang dipangsi.Sebenarnya ia hanya separuh daripada jumlah daya pengapit yang menahan daya angkat.
Sebaliknya gelongsor ditentang oleh jumlah daya pengapit tetapi hanya melalui geseran jadi rintangan sebenar bergantung pada pekali geseran antara bahan kerja dan permukaan magnet.
Untuk keluli bersih dan kering, pekali geseran boleh setinggi 0.8 tetapi jika pelinciran ada maka ia boleh serendah 0.2.Biasanya ia akan berada di suatu tempat di antaranya sehingga mod marginal kegagalan lenturan biasanya disebabkan oleh gelongsor, tetapi percubaan untuk meningkatkan geseran pada permukaan magnet didapati tidak berbaloi.
Kapasiti Ketebalan:
Untuk badan magnet jenis E 98mm lebar dan 48mm dalam dan dengan gegelung pusingan 3,800 ampere, kapasiti lenturan panjang penuh ialah 1.6mm.Ketebalan ini digunakan untuk kedua-dua kepingan keluli dan kepingan aluminium.Terdapat kurang pengapit pada kepingan aluminium tetapi ia memerlukan kurang tork untuk membengkokkannya supaya ini mengimbangi sedemikian rupa untuk memberikan kapasiti tolok yang sama untuk kedua-dua jenis logam.
Perlu ada beberapa kaveat pada kapasiti lentur yang dinyatakan: Yang utama ialah kekuatan hasil kepingan logam boleh berbeza-beza secara meluas.Kapasiti 1.6mm digunakan untuk keluli dengan tegasan alah sehingga 250 MPa dan untuk aluminium dengan tegasan alah sehingga 140 MPa.
Kapasiti ketebalan dalam keluli tahan karat adalah kira-kira 1.0mm.Kapasiti ini jauh lebih rendah daripada kebanyakan logam lain kerana keluli tahan karat biasanya bukan magnet tetapi mempunyai tegasan hasil yang agak tinggi.
Faktor lain ialah suhu magnet.Jika magnet telah dibiarkan menjadi panas maka rintangan gegelung akan menjadi lebih tinggi dan ini seterusnya akan menyebabkan ia mengurangkan arus dengan akibat pusingan-ampere yang lebih rendah dan daya pengapit yang lebih rendah.(Kesan ini biasanya agak sederhana dan tidak mungkin menyebabkan mesin tidak memenuhi spesifikasinya).
Akhir sekali, kapasiti Magnabends yang lebih tebal boleh dibuat jika keratan rentas magnet dibuat lebih besar.