MAGNABEND - MAMBO YA MSINGI YA KUBUNI
Muundo wa Msingi wa Sumaku
Mashine ya Magnabend imeundwa kama sumaku yenye nguvu ya DC yenye mzunguko mdogo wa kazi.
Mashine ina sehemu 3 za msingi:-
Mwili wa sumaku ambao huunda msingi wa mashine na una coil ya sumaku-elektroni.
Upau wa bana ambao hutoa njia ya mtiririko wa sumaku kati ya nguzo za msingi wa sumaku, na kwa hivyo hubana kipande cha kazi cha karatasi.
Boriti inayopinda ambayo imeegemezwa kwenye ukingo wa mbele wa mwili wa sumaku na hutoa njia ya kutumia nguvu ya kupinda kwenye kifaa cha kufanyia kazi.
Mipangilio ya Sumaku-Mwili
Mipangilio mbalimbali inawezekana kwa mwili wa sumaku.
Hapa kuna 2 ambazo zote zimetumika kwa mashine za Magnabend:
Mistari nyekundu iliyopigwa kwenye michoro iliyo hapo juu inawakilisha njia za sumaku.Kumbuka kuwa muundo wa "U-Aina" una njia moja ya kubadilika (jozi 1 ya fito) ilhali muundo wa "E-Type" una njia 2 za mtiririko (jozi 2 za fito).
Ulinganisho wa Usanidi wa Sumaku:
Usanidi wa aina ya E ni mzuri zaidi kuliko usanidi wa aina ya U.
Ili kuelewa kwa nini hii ni hivyo fikiria michoro mbili hapa chini.
Upande wa kushoto ni sehemu ya msalaba wa sumaku ya aina ya U na upande wa kulia ni sumaku ya aina ya E ambayo imetengenezwa kwa kuchanganya 2 za U-aina sawa.Ikiwa kila usanidi wa sumaku unaendeshwa na koili yenye mizunguko sawa ya ampere basi kwa uwazi sumaku iliyoongezwa maradufu (aina ya E) itakuwa na nguvu ya kubana mara mbili zaidi.Pia hutumia chuma mara mbili lakini hakuna waya zaidi kwa coil!(Ikizingatiwa muundo wa coil ndefu).
(Kiasi kidogo cha waya wa ziada kingehitajika tu kwa sababu miguu 2 ya koili iko kando zaidi katika muundo wa "E", lakini ziada hii inakuwa isiyo na maana katika muundo wa coil mrefu kama vile kutumika kwa Magnabend).
Super Magnabend:
Ili kuunda sumaku yenye nguvu zaidi wazo la "E" linaweza kupanuliwa kama vile usanidi huu wa-E mbili:
Muundo wa 3-D:
Ifuatayo ni mchoro wa 3-D unaoonyesha mpangilio wa kimsingi wa sehemu katika sumaku ya aina ya U:
Katika muundo huu miti ya Mbele na ya Nyuma ni vipande tofauti na vinaunganishwa na bolts kwenye kipande cha Core.
Ingawa kimsingi, ingewezekana kutengeneza mwili wa sumaku ya aina ya U kutoka kwa kipande kimoja cha chuma, basi haingewezekana kusanikisha coil na kwa hivyo coil ingelazimika kujeruhiwa kwenye situ (kwenye mwili wa sumaku uliotengenezwa kwa mashine. )
Katika hali ya uzalishaji ni yenye kuhitajika kuwa na uwezo wa upepo wa coils tofauti (juu ya zamani maalum).Kwa hivyo muundo wa aina ya U unaamuru kwa ufanisi ujenzi uliotengenezwa.
Kwa upande mwingine muundo wa aina ya E unajitolea vyema kwa mwili wa sumaku uliotengenezwa kutoka kwa kipande kimoja cha chuma kwa sababu coil iliyotengenezwa tayari inaweza kusakinishwa kwa urahisi baada ya mwili wa sumaku kutengenezwa.Mwili wa sumaku wa kipande kimoja pia hufanya kazi vyema zaidi kwa sumaku kwa vile hauna mapengo yoyote ya ujenzi ambayo yangepunguza mtiririko wa sumaku (na hivyo basi nguvu ya kubana) kidogo.
(Magnabends mengi yaliyotengenezwa baada ya 1990 yaliajiri muundo wa aina ya E).
Uteuzi wa Nyenzo kwa Ujenzi wa Sumaku
Mwili wa sumaku na clampbar lazima zifanywe kutoka kwa nyenzo za ferromagnetic (magnetisable).Chuma ni nyenzo ya bei rahisi zaidi ya ferromagnetic na ni chaguo dhahiri.Walakini, kuna aina tofauti za chuma ambazo zinaweza kuzingatiwa.
1) Silicon Steel : Chuma cha juu cha kupinga ambacho hupatikana katika laminations nyembamba na hutumiwa katika transfoma ya AC, sumaku za AC, relays nk. Sifa zake hazihitajiki kwa Magnabend ambayo ni sumaku ya DC.
2) Iron Laini : Nyenzo hii ingeonyesha sumaku ya chini ya mabaki ambayo inaweza kuwa nzuri kwa mashine ya Magnabend lakini ni laini ya mwili ambayo ingemaanisha kuwa inaweza kung'olewa na kuharibiwa kwa urahisi;ni bora kutatua shida ya sumaku iliyobaki kwa njia nyingine.
3) Chuma cha Kutupwa : Sio sumaku kwa urahisi kama chuma iliyoviringishwa lakini inaweza kuzingatiwa.
4) Aina ya 416 ya Chuma cha pua : Haiwezi kuwekewa sumaku kwa nguvu kama chuma na ni ghali zaidi (lakini inaweza kuwa na manufaa kwa sehemu nyembamba ya ulinzi kwenye mwili wa sumaku).
5) Aina ya Chuma cha pua 316 : Hii ni aloi isiyo ya sumaku ya chuma na kwa hivyo haifai kabisa (isipokuwa kama ilivyo katika 4 hapo juu).
6) Chuma cha Kati cha Carbon, aina K1045: Nyenzo hii inafaa sana kwa ujenzi wa sumaku, (na sehemu zingine za mashine).Ni ngumu kwa sababu katika hali inayotolewa na pia inafanya kazi vizuri.
7) Chuma cha Kati cha Carbon Steel CS1020 : Chuma hiki si kigumu sana kama K1045 lakini kinapatikana kwa urahisi zaidi na hivyo kinaweza kuwa chaguo bora zaidi kwa ajili ya ujenzi wa mashine ya Magnabend.
Ikumbukwe kwamba sifa muhimu zinazohitajika ni:
Kueneza kwa sumaku ya juu.(Aloi nyingi za chuma hujaa karibu 2 Tesla),
Upatikanaji wa saizi muhimu za sehemu,
Upinzani wa uharibifu wa bahati mbaya,
Uwezo, na
Gharama nzuri.
Chuma cha kaboni cha kati kinafaa mahitaji haya yote vizuri.Chuma cha kaboni ya chini pia kinaweza kutumika lakini ni sugu kidogo kwa uharibifu wa bahati nasibu.Pia kuna aloi zingine maalum, kama vile supermendur, ambazo zina ujazo wa juu wa sumaku lakini hazipaswi kuzingatiwa kwa sababu ya gharama yake ya juu sana ikilinganishwa na chuma.
Chuma cha kaboni cha wastani hata hivyo huonyesha sumaku fulani ya mabaki ambayo inatosha kuwa kero.(Angalia sehemu ya Residual Magnetism).
Coil
Koili ndiyo inayoendesha mtiririko wa sumaku kupitia sumaku-umeme.Nguvu yake ya magnetising ni bidhaa tu ya idadi ya zamu (N) na sasa ya coil (I).Hivyo:
N = idadi ya zamu
I = sasa katika vilima.
Kuonekana kwa "N" katika fomula hapo juu husababisha maoni potofu ya kawaida.
Inafikiriwa sana kuwa kuongeza idadi ya zamu kutaongeza nguvu ya sumaku lakini kwa ujumla hii haifanyiki kwa sababu zamu za ziada pia hupunguza mkondo, I.
Fikiria coil iliyotolewa na voltage fasta DC.Ikiwa idadi ya zamu imeongezeka mara mbili basi upinzani wa windings pia utakuwa mara mbili (katika coil ndefu) na hivyo sasa itakuwa nusu.Athari halisi sio ongezeko la NI .
Kinachoamua NI ni upinzani kwa kila zamu.Hivyo ili kuongeza NI unene wa waya lazima uongezwe.Thamani ya zamu za ziada ni kwamba wanapunguza sasa na kwa hivyo upotezaji wa nguvu kwenye coil.
Mbuni anapaswa kukumbuka kuwa kipimo cha waya ndicho kinachoamua nguvu ya sumaku ya coil.Hii ni parameter muhimu zaidi ya kubuni ya coil.
Bidhaa ya NI mara nyingi hujulikana kama "zamu za ampere" za coil.
Je, zamu ngapi za Ampere zinahitajika?
Chuma huonyesha ujazo wa sumaku wa takriban 2 Tesla na hii inaweka kikomo cha kimsingi cha ni kiasi gani cha nguvu ya kubana kinaweza kupatikana.
Kutoka kwenye grafu hapo juu tunaona kwamba nguvu ya shamba inayohitajika kupata wiani wa flux ya 2 Tesla ni kuhusu 20,000 ampere-zamu kwa mita.
Sasa, kwa muundo wa kawaida wa Magnabend, urefu wa njia ya flux katika chuma ni karibu 1/5 ya mita na kwa hiyo itahitaji (20,000/5) AT kuzalisha kueneza, ambayo ni karibu 4,000 AT.
Ingekuwa vyema kuwa na zamu nyingi zaidi za ampere kuliko hii ili usumaku wa kueneza uweze kudumishwa hata wakati mapengo yasiyo ya sumaku (yaani vifaa vya kazi visivyo na feri) vinaletwa kwenye saketi ya sumaku.Hata hivyo zamu za ziada za ampere zinaweza kupatikana tu kwa gharama kubwa katika utengaji wa umeme au gharama ya waya wa shaba, au zote mbili.Hivyo maelewano yanahitajika.
Miundo ya kawaida ya Magnabend ina coil ambayo hutoa zamu 3,800 za ampere.
Kumbuka kuwa takwimu hii haitegemei urefu wa mashine.Ikiwa muundo sawa wa sumaku utatumika kwa urefu wa mashine, basi inaamuru kwamba mashine ndefu zitakuwa na zamu chache za waya nene.Watachora jumla ya sasa lakini watakuwa na bidhaa sawa ya zamu za ampea x na watakuwa na nguvu sawa ya kukandamiza (na utawanyiko sawa wa nguvu) kwa kila kitengo cha urefu.
Mzunguko wa Wajibu
Dhana ya mzunguko wa wajibu ni kipengele muhimu sana cha muundo wa sumaku-umeme.Ikiwa muundo hutoa mzunguko zaidi wa wajibu kuliko inavyohitajika basi sio bora.Mzunguko zaidi wa wajibu kwa asili unamaanisha kuwa waya zaidi wa shaba utahitajika (pamoja na matokeo yake gharama ya juu) na/au kutakuwa na nguvu kidogo ya kubana inayopatikana.
Kumbuka: Sumaku ya juu ya mzunguko wa ushuru itakuwa na utaftaji mdogo wa nguvu ambayo inamaanisha kuwa itatumia nishati kidogo na hivyo kuwa nafuu kufanya kazi.Hata hivyo, kwa sababu sumaku IMEWASHWA kwa muda mfupi tu basi gharama ya nishati ya uendeshaji kwa kawaida inachukuliwa kuwa ya umuhimu mdogo sana.Kwa hivyo mbinu ya muundo ni kuwa na utaftaji wa nguvu nyingi kadiri unavyoweza kujiondoa katika suala la kutozidisha joto la vilima vya coil.(Njia hii ni ya kawaida kwa miundo mingi ya sumaku-umeme).
Magnabend imeundwa kwa mzunguko wa kawaida wa ushuru wa karibu 25%.
Kwa kawaida inachukua sekunde 2 au 3 tu kufanya bend.Kisha sumaku itazimwa kwa sekunde 8 hadi 10 zaidi huku sehemu ya kazi ikiwekwa upya na kupangiliwa tayari kwa bend inayofuata.Ikiwa mzunguko wa ushuru wa 25% utapitwa basi mwishowe sumaku itapata joto sana na upakiaji wa mafuta utaanguka.Sumaku haitaharibika lakini itabidi iachwe ipoe kwa takriban dakika 30 kabla ya kutumika tena.
Uzoefu wa uendeshaji na mashine kwenye uwanja umeonyesha kuwa mzunguko wa ushuru wa 25% unatosha kabisa kwa watumiaji wa kawaida.Kwa hakika baadhi ya watumiaji wameomba matoleo ya hiari ya nguvu ya juu ya mashine ambayo yana nguvu zaidi ya kubana kwa gharama ya mzunguko mdogo wa wajibu.
Eneo la Sehemu ya Coil
Sehemu ya sehemu ya msalaba inayopatikana kwa coil itaamua kiwango cha juu cha waya wa shaba ambayo inaweza kuingizwa. Eneo linalopatikana haipaswi kuwa zaidi ya inahitajika, sambamba na zamu za ampere zinazohitajika na uharibifu wa nguvu.Kutoa nafasi zaidi kwa coil bila shaka itaongeza ukubwa wa sumaku na kusababisha urefu wa njia ya flux katika chuma (ambayo itapunguza flux jumla).
Hoja hiyo hiyo inamaanisha kuwa nafasi yoyote ya coil inayotolewa katika muundo inapaswa kuwa imejaa waya wa shaba kila wakati.Ikiwa haijajaa basi inamaanisha kuwa jiometri ya sumaku inaweza kuwa bora zaidi.
Nguvu ya Kushikilia ya Magnabend:
Grafu iliyo hapa chini ilipatikana kwa vipimo vya majaribio, lakini inakubaliana vyema na hesabu za kinadharia.
Nguvu ya kubana inaweza kuhesabiwa kihisabati kutoka kwa fomula hii:
F = nguvu katika Newtons
B = wiani wa flux magnetic katika Teslas
A = eneo la nguzo katika m2
µ0 = upenyezaji wa sumaku, (4π x 10-7)
Kwa mfano tutahesabu nguvu ya kushinikiza kwa msongamano wa 2 Tesla:
Kwa hivyo F = ½ (2)2 A/µ0
Kwa nguvu kwenye eneo la kitengo (shinikizo) tunaweza kuacha "A" katika fomula.
Hivyo Shinikizo = 2/µ0 = 2/(4π x 10-7) N/m2.
Hii inatoka kwa 1,590,000 N/m2.
Ili kubadilisha hii kwa kilo kulazimisha inaweza kugawanywa na g (9.81).
Hivyo: Shinikizo = 162,080 kg / m2 = 16.2 kg / cm2.
Hii inakubaliana vyema na nguvu iliyopimwa kwa pengo la sifuri lililoonyeshwa kwenye grafu hapo juu.
Takwimu hii inaweza kubadilishwa kwa urahisi kuwa jumla ya nguvu ya kushinikiza kwa mashine fulani kwa kuizidisha kwa eneo la nguzo la mashine.Kwa mfano 1250E eneo la pole ni 125 (1.4 + 3.0 + 1.5) = 735 cm2.
Hivyo jumla, pengo la sifuri, nguvu itakuwa (735 x 16.2) = 11,900 kg au tani 11.9;takriban tani 9.5 kwa kila mita ya urefu wa sumaku.
Msongamano wa Flux na shinikizo la Kubana vinahusiana moja kwa moja na vinaonyeshwa kwenye grafu hapa chini:
Nguvu ya Kubana kwa Vitendo:
Katika mazoezi nguvu hii ya juu ya kushinikiza hugunduliwa tu wakati haihitajiki (!), Hiyo ni wakati wa kupiga vifaa vya chuma nyembamba.Wakati wa kukunja vifaa vya kazi visivyo na feri, nguvu itakuwa kidogo kama inavyoonyeshwa kwenye jedwali hapo juu, na (kwa kushangaza kidogo), pia ni kidogo wakati wa kupiga vifaa vya chuma nene.Hii ni kwa sababu nguvu ya kubana inayohitajika kutengeneza sehemu yenye ncha kali ni ya juu sana kuliko ile inayohitajika kwa upinde wa radius.Kwa hivyo kinachotokea ni kwamba wakati bend inavyoendelea makali ya mbele ya clampbar huinua kidogo na hivyo kuruhusu kipengee cha kazi kuunda radius.
Pengo dogo la hewa linaloundwa husababisha hasara kidogo ya nguvu ya kukandamiza lakini nguvu inayohitajika kuunda upinde wa radius imeshuka kwa kasi zaidi kuliko nguvu ya kukandamiza sumaku.Kwa hivyo hali thabiti husababisha na clampbar hairuhusu kwenda.
Kinachoelezwa hapo juu ni namna ya kuinama wakati mashine iko karibu na kikomo cha unene wake.Ikiwa kiboreshaji kinene zaidi kitajaribiwa basi bila shaka clampbar itainuka.
Mchoro huu unaonyesha kwamba ikiwa makali ya pua ya clampbar yalitumiwa kidogo, badala ya mkali, basi pengo la hewa kwa kupiga nene litapunguzwa.
Kwa kweli hii ndio kesi na Magnabend iliyotengenezwa vizuri itakuwa na kibano kilicho na ukingo wa radius.(Makali yenye radius pia hayakabiliwi na uharibifu wa bahati mbaya ikilinganishwa na makali makali).
Hali ya Pembezoni ya Kushindwa kwa Kupinda:
Ikiwa bend itajaribiwa kwenye kiboreshaji kinene sana basi mashine itashindwa kuinamisha kwa sababu kibano kitanyanyua tu.(Kwa bahati nzuri hii haifanyiki kwa njia ya kushangaza; clampbar inaacha tu kimya kimya).
Walakini ikiwa mzigo wa kupinda ni mkubwa kidogo tu kuliko uwezo wa kupinda wa sumaku basi kwa ujumla kinachotokea ni kwamba bend itaendelea kusema digrii 60 na kisha clampbar itaanza kuteleza nyuma.Katika hali hii ya kutofaulu, sumaku inaweza tu kupinga mzigo wa kuinama kwa njia isiyo ya moja kwa moja kwa kuunda msuguano kati ya sehemu ya kazi na kitanda cha sumaku.
Tofauti ya unene kati ya kutofaulu kwa sababu ya kuinua na kutofaulu kwa sababu ya kuteleza kwa ujumla sio sana.
Kushindwa kwa kuinua ni kwa sababu ya kifaa cha kufanyia kazi kuelekeza makali ya mbele ya mwambaa wa mkato kwenda juu.Nguvu ya kubana kwenye ukingo wa mbele wa ubao wa kubana ndiyo hasa inayopinga hili.Kubana kwenye ukingo wa nyuma kuna athari ndogo kwa sababu iko karibu na mahali ambapo mwambao wa ubao unaegemezwa.Kwa kweli ni nusu tu ya nguvu ya jumla ya kubana ambayo inapinga kuinua.
Kwa upande mwingine, kuteleza kunazuiliwa na nguvu ya jumla ya kukandamiza lakini tu kupitia msuguano kwa hivyo upinzani halisi unategemea mgawo wa msuguano kati ya sehemu ya kufanyia kazi na uso wa sumaku.
Kwa chuma safi na kavu mgawo wa msuguano unaweza kuwa wa juu hadi 0.8 lakini ikiwa ulainishaji upo basi unaweza kuwa chini kama 0.2.Kwa kawaida itakuwa mahali fulani kati ya vile kwamba hali ya kando ya kushindwa kwa bend ni kawaida kutokana na kuteleza, lakini majaribio ya kuongeza msuguano juu ya uso wa sumaku yameonekana kuwa haifai.
Uwezo wa unene:
Kwa mwili wa sumaku ya aina ya E yenye upana wa 98mm na kina cha 48mm na yenye koili ya zamu ya ampere 3,800, uwezo wa kupiga urefu kamili ni 1.6mm.Unene huu unatumika kwa karatasi ya chuma na karatasi ya alumini.Kutakuwa na kubana kidogo kwenye karatasi ya alumini lakini inahitaji torati kidogo kuikunja kwa hivyo hii itafidia kwa njia ya kutoa uwezo sawa wa kupima kwa aina zote mbili za chuma.
Kuna haja ya kuwa na tahadhari juu ya uwezo uliotajwa wa kuinama: Jambo kuu ni kwamba nguvu ya mavuno ya karatasi ya chuma inaweza kutofautiana sana.Uwezo wa 1.6mm unatumika kwa chuma na dhiki ya mavuno ya hadi MPa 250 na kwa alumini yenye shida ya mavuno hadi 140 MPa.
Uwezo wa unene katika chuma cha pua ni karibu 1.0mm.Uwezo huu ni mdogo sana kuliko metali zingine nyingi kwa sababu chuma cha pua kawaida sio sumaku na bado kina mkazo wa mavuno mengi.
Sababu nyingine ni joto la sumaku.Ikiwa sumaku imeruhusiwa kuwa moto basi upinzani wa coil utakuwa wa juu zaidi na hii kwa upande itasababisha kuchora chini ya sasa na matokeo ya chini ya ampere-zamu na chini ya clamping nguvu.(Athari hii kwa kawaida huwa ya wastani na hakuna uwezekano wa kusababisha mashine kutokidhi vipimo vyake).
Hatimaye, Magnabends yenye uwezo mkubwa zaidi yanaweza kufanywa ikiwa sehemu ya msalaba wa sumaku ingefanywa kuwa kubwa.