МАГНАБЕНД - РОБОТА СХЕМИ
Папка Magnabend sheetmetal розроблена як затискний електромагніт постійного струму.
Найпростіша схема, необхідна для керування електромагнітною котушкою, складається лише з перемикача та мостового випрямляча:
Малюнок 1: Мінімальна схема:
Слід зазначити, що перемикач увімкнення/вимкнення підключений до ланцюга змінного струму.Це дозволяє струму індуктивної котушки циркулювати через діоди в мостовому випрямлячі після вимкнення, поки струм експоненціально не зменшиться до нуля.
(Діоди в мосту діють як діоди "зворотного ходу").
Для більш безпечної та зручної експлуатації бажано мати схему, яка забезпечує двостороннє блокування, а також 2-ступеневе затискання.Дворучне блокування допомагає гарантувати, що пальці не можуть потрапити під затискну планку, а поетапне затискання забезпечує більш м’який старт, а також дозволяє одній руці утримувати речі на місці, доки не активується попереднє затискання.
Малюнок 2: Схема з блокуванням і 2-етапним затисканням:
Коли натиснуто кнопку ПУСК, на котушку магніту через конденсатор змінного струму подається невелика напруга, створюючи ефект легкого затиску.Цей реактивний метод обмеження струму в котушці не передбачає значного розсіювання потужності в обмежувальному пристрої (конденсаторі).
Повне затискання досягається, коли перемикач, керований згинальною балкою, і кнопка СТАРТ працюють одночасно.
Зазвичай спочатку натискається кнопка СТАРТ (лівою рукою), а потім іншою рукою тягнуться за рукоятку гнучої балки.Повне затискання не відбудеться, якщо немає деякого перекриття в роботі 2 перемикачів.Однак після повного затискання немає необхідності продовжувати утримувати кнопку СТАРТ.
Залишковий магнетизм
Невеликою, але значною проблемою машини Magnabend, як і більшості електромагнітів, є проблема залишкового магнетизму.Це невелика кількість магнетизму, яка залишається після вимкнення магніту.Це призводить до того, що затискні планки залишаються слабко затиснутими до корпусу магніту, що ускладнює видалення заготовки.
Використання магнітно-м'якого заліза є одним із багатьох можливих підходів до подолання залишкового магнетизму.
Однак цей матеріал важко отримати в стандартних розмірах, а також він фізично м’який, що означає, що його можна легко пошкодити на згинальному верстаті.
Включення немагнітного зазору в магнітне коло є, мабуть, найпростішим способом зменшення залишкового магнетизму.Цей метод є ефективним і його досить легко досягти у виготовленому корпусі магніту - просто вставте шматок картону або алюмінію товщиною приблизно 0,2 мм між, скажімо, переднім полюсом і серцевиною, перш ніж з’єднати частини магніту.Основним недоліком цього методу є те, що немагнітний зазор дійсно зменшує потік, доступний для повного затискання.Також непросто включити зазор у цільний корпус магніту, який використовується для конструкції магніту E-типу.
Поле зворотного зміщення, яке створюється допоміжною котушкою, також є ефективним методом.Але це передбачає невиправдану додаткову складність у виробництві котушки, а також у схемі керування, хоча вона короткочасно використовувалася в ранньому дизайні Magnabend.
Згасаюче коливання («дзвін») концептуально є дуже хорошим методом розмагнічування.
На цих фотографіях осцилографа зображено напругу (верхня лінія) і струм (нижня лінія) у котушці Магнабенда з відповідним конденсатором, підключеним до неї, щоб зробити її самоколивальним.(Живлення змінного струму вимкнено приблизно в середині зображення).
На першому малюнку показано розімкнуте магнітне коло, тобто без затиску на магніті.Друге зображення для замкнутого магнітного ланцюга, тобто з затискною планкою повної довжини на магніті.
На першому зображенні напруга демонструє загасаючі коливання (дзвін), як і струм (нижня лінія), але на другому зображенні напруга не коливається, і струм взагалі не вдається змінити.Це означає, що не було б коливань магнітного потоку і, отже, не було б скасування залишкового магнетизму.
Проблема полягає в тому, що магніт занадто сильно затухає, в основному через втрати сталі на вихрові струми, і тому, на жаль, цей метод не працює для Magnabend.
Вимушені коливання — ще одна ідея.Якщо магніт занадто демпфований для автоколивань, його можна змусити коливатися за допомогою активних ланцюгів, що постачають енергію за потреби.Це також було ретельно досліджено для Magnabend.Його основний недолік полягає в тому, що він включає в себе занадто складну схему.
Розмагнічування зворотним імпульсом є методом, який виявився найбільш економічно ефективним для Magnabend.Деталі цього дизайну представляють оригінальну роботу, виконану Magnetic Engineering Pty Ltd. Детальне обговорення наведено нижче:
ОБРОТНО-ІМПУЛЬСНЕ РЕЗАМАГНІЧУВАННЯ
Суть цієї ідеї полягає в тому, щоб зберігати енергію в конденсаторі, а потім вивільняти її в котушку відразу після вимкнення магніту.Полярність повинна бути такою, щоб конденсатор індукував зворотний струм в котушці.Кількість енергії, що зберігається в конденсаторі, можна налаштувати так, щоб вона була достатньою, щоб скасувати залишковий магнетизм.(Забагато енергії може перевищити її і повторно намагнітити магніт у протилежному напрямку).
Ще однією перевагою методу зворотного імпульсу є те, що він забезпечує дуже швидке розмагнічування та майже миттєве звільнення затискної планки від магніту.Це тому, що немає необхідності чекати, поки струм котушки згасне до нуля, перш ніж підключити зворотний імпульс.При застосуванні імпульсу струм котушки примушується до нуля (а потім у зворотному напрямку) набагато швидше, ніж його нормальне експоненціальне спадання.
Рисунок 3: Базова схема зворотного імпульсу
Зараз, як правило, розміщення контакту перемикача між випрямлячем і котушкою магніту є "гра з вогнем".
Це тому, що індукційний струм не може бути раптово перерваний.Якщо це так, то на контактах перемикача виникне дуга, і перемикач буде пошкоджено або навіть повністю зруйновано.(Механічним еквівалентом буде спроба раптово зупинити маховик).
Таким чином, яка б схема не була розроблена, вона повинна забезпечувати ефективний шлях для струму котушки в будь-який час, включаючи кілька мілісекунд, поки контакт перемикача змінюється.
Наведена вище схема, яка складається лише з 2 конденсаторів і 2 діодів (плюс контакт реле), забезпечує функції заряджання накопичувального конденсатора до негативної напруги (відносно опорної сторони котушки), а також забезпечує альтернативний шлях для котушки струму, поки контакт реле знаходиться на льоту.
Як це працює:
Загалом D1 і C2 діють як насос заряду для C1, тоді як D2 є затискним діодом, який утримує точку B від переходу в плюс.
Поки магніт увімкнено, контакт реле буде підключено до його «нормально відкритого» (NO) терміналу, і магніт виконуватиме свою звичайну роботу, затискаючи листовий метал.Насос заряду буде заряджати C1 до пікової негативної напруги, рівної за величиною піковій напрузі котушки.Напруга на C1 зростатиме експоненціально, але він буде повністю заряджений приблизно за 1/2 секунди.
Потім він залишається в такому стані, доки машину не вимкнуть.
Одразу після вимкнення реле короткочасно утримується.Протягом цього часу високоіндуктивний струм котушки продовжуватиме рециркулювати через діоди в мостовому випрямлячі.Тепер, після затримки приблизно в 30 мілісекунд, контакт реле почне роз'єднуватися.Струм котушки більше не може проходити через діоди випрямляча, а натомість знаходить шлях через C1, D1 і C2.Напрямок цього струму такий, що він ще більше збільшить негативний заряд на C1 і почне також заряджати C2.
Значення C2 повинно бути достатньо великим, щоб контролювати швидкість зростання напруги на контакті розмикаючого реле, щоб гарантувати, що дуга не утворюється.Для типового реле достатньо значення близько 5 мікрофарад на ампер струму котушки.
На малюнку 4 нижче показано деталі форм хвилі, які виникають протягом першої половини секунди після вимкнення.Рамп напруги, який контролюється C2, чітко видно на червоній доріжці в середині малюнка, вона позначена як «Контакт реле на льоту».(Фактичний час прольоту можна визначити за цією трасою; він становить приблизно 1,5 мс).
Як тільки арматура реле приземляється на свою NC клему, негативно заряджений накопичувальний конденсатор підключається до магнітної котушки.Це не миттєво змінює струм котушки, але струм тепер рухається «вгору», і, таким чином, він швидко проходить через нуль і до негативного піку, який виникає приблизно через 80 мс після підключення накопичувального конденсатора.(Див. Малюнок 5).Негативний струм спричинить негативний потік у магніті, який скасовує залишковий магнетизм, і затискна планка та деталь будуть швидко звільнені.
Малюнок 4: Розширені хвилі
Малюнок 5: Сигнали напруги та струму на котушці магніту
На малюнку 5 вище показано форми сигналів напруги та струму на котушці магніту під час фази попереднього затискання, фази повного затискання та фази розмагнічування.
Вважається, що простота та ефективність цієї схеми розмагнічування повинні означати, що вона знайде застосування в інших електромагнітах, які потребують розмагнічування.Навіть якщо залишковий магнетизм не є проблемою, ця схема може бути дуже корисною для дуже швидкої комутації струму котушки до нуля і, отже, швидкого відключення.
Практична схема Magnabend:
Концепції схеми, розглянуті вище, можна об’єднати в повну схему з двостороннім блокуванням і розмагнічуванням зворотного імпульсу, як показано нижче (Рис. 6):
Малюнок 6: Комбінована схема
Ця схема працюватиме, але, на жаль, вона дещо ненадійна.
Для забезпечення надійної роботи та довшого терміну служби комутатора необхідно додати деякі додаткові компоненти до базової схеми, як показано нижче (Малюнок 7):
Рисунок 7: Комбінована схема з уточненнями
SW1:
Це 2-полюсний ізолятор.Це додано для зручності та відповідності стандартам електрики.Бажано також, щоб цей перемикач включав неонову індикаторну лампу, щоб показувати статус увімкнення/вимкнення ланцюга.
D3 і C4:
Без D3 фіксація реле є ненадійною та дещо залежить від фазування форми хвилі мережі під час роботи перемикача згинального променя.D3 вводить затримку (зазвичай 30 мілісекунд) у вимкненні реле.Це усуває проблему фіксації, а також корисно мати затримку вимкнення безпосередньо перед початком імпульсу розмагнічування (пізніше в циклі).C4 забезпечує зв'язок змінного струму ланцюга реле, який інакше був би напівхвильовим коротким замиканням, коли була натиснута кнопка START.
ТЕРМ.ПЕРЕМИКАЧ:
Цей перемикач має корпус у контакті з корпусом магніту, і він розімкнеться, якщо магніт стане занадто гарячим (>70 C).Встановлення його послідовно з котушкою реле означає, що він повинен перемикати лише малий струм через котушку реле, а не повний струм магніту.
R2:
Коли натиснуто кнопку ПУСК, реле спрацьовує, і тоді виникає пусковий струм, який заряджає C3 через мостовий випрямляч, C2 і діод D2.Без резистора R2 у цьому ланцюзі не було б опору, і високий струм, що виникає в результаті, міг би пошкодити контакти вимикача START.
Крім того, існує інша умова ланцюга, де R2 забезпечує захист: якщо перемикач згинального променя (SW2) переміщується від клеми NO (де він переносить повний струм магніту) до клеми NC, тоді часто утворюється дуга, і якщо Перемикач START у цей час все ще утримувався, тоді C3 фактично замикався, і, залежно від того, яка напруга була на C3, це могло б пошкодити SW2.Однак знову R2 обмежує цей струм короткого замикання до безпечного значення.R2 потребує лише низького значення опору (зазвичай 2 Ом), щоб забезпечити достатній захист.
Варистор:
Варистор, підключений між клемами змінного струму випрямляча, зазвичай нічого не робить.Але якщо в мережі виникає стрибок напруги (через, наприклад, удар блискавки), варистор поглинає енергію стрибка напруги та запобігає пошкодженню мостового випрямляча стрибком напруги.
R1:
Якщо кнопку START було натиснуто під час імпульсу розмагнічування, то це, ймовірно, спричинило б дугу на контакті реле, яка, у свою чергу, фактично призвела б до короткого замикання C1 (накопичувального конденсатора).Енергія конденсатора буде скинута в ланцюг, що складається з C1, мостового випрямляча та дуги в реле.Без R1 у цьому ланцюзі дуже малий опір, тому струм буде дуже високим і його буде достатньо для зварювання контактів реле.R1 забезпечує захист у цьому (дещо незвичному) випадку.
Особлива примітка щодо вибору R1:
Якщо можливий випадок, описаний вище, відбудеться, R1 поглине практично всю енергію, яка була збережена в C1, незалежно від фактичного значення R1.Ми хочемо, щоб R1 був великим порівняно з опором інших ланцюгів, але малим порівняно з опором котушки Magnabend (інакше R1 знизив би ефективність імпульсу розмагнічування).Значення приблизно від 5 до 10 Ом було б прийнятним, але яку потужність має мати R1?Нам справді потрібно вказати потужність імпульсу або енергетичний рейтинг резистора.Але для силових резисторів ця характеристика зазвичай не вказується.Резистори низької потужності зазвичай дротяні, і ми визначили, що критичним фактором, на який слід звернути увагу в цьому резисторі, є кількість фактичного дроту, використаного для його виготовлення.Вам потрібно відкрити зразок резистора та виміряти калібр і довжину використовуваного дроту.З цього обчисліть загальний об’єм дроту, а потім виберіть резистор із дротом не менше 20 мм3.
(Наприклад, було виявлено, що резистор 6,8 Ом/11 Вт від RS Components має об’єм дроту 24 мм3).
На щастя, ці додаткові компоненти невеликі за розміром і ціною, а тому додають лише кілька доларів до загальної вартості електрики Magnabend.
Існує додаткова схема, яка ще не обговорювалася.Це подолає відносно незначну проблему:
Якщо натиснути кнопку ПУСК і не потягнути за ручку (що в іншому випадку призвело б до повного затискання), то накопичувальний конденсатор не буде повністю заряджено, а імпульс розмагнічування, що виникає після відпускання кнопки СТАРТ, не розмагнітить машину повністю. .Тоді затискний стрижень залишився б прилипнутим до машини, і це було б незручністю.
Додавання D4 і R3, показане синім кольором на малюнку 8 нижче, подає відповідну форму сигналу в схему насоса заряду, щоб забезпечити заряд C1, навіть якщо повне обмеження не застосовано.(Значення R3 не є критичним - 220 Ом/10 Вт підійде для більшості машин).
Малюнок 8: Схема з розмагнічуванням лише після "START":
Для отримання додаткової інформації про компоненти схеми, будь ласка, зверніться до розділу Компоненти в "Створіть свій власний Magnabend"
Для довідки нижче наведено повні електричні схеми 240 В змінного струму машин E-Type Magnabend, вироблених Magnetic Engineering Pty Ltd.
Зауважте, що для роботи від 115 В змінного струму знадобиться змінити значення багатьох компонентів.
Magnetic Engineering припинила виробництво машин Magnabend у 2003 році, коли було продано бізнес.
Примітка. Наведене вище обговорення мало на меті пояснити основні принципи роботи схеми, і не всі деталі були охоплені.Повні схеми, показані вище, також включені в посібники Magnabend, які доступні в інших місцях на цьому сайті.
Слід також зазначити, що ми розробили повністю твердотільні версії цієї схеми, які використовували IGBT замість реле для перемикання струму.
Твердотільна схема ніколи не використовувалася в машинах Magnabend, але використовувалася для спеціальних магнітів, які ми виготовляли для виробничих ліній.Ці виробничі лінії зазвичай виробляли 5000 виробів (наприклад, дверцята холодильника) на день.
Magnetic Engineering припинила виробництво машин Magnabend у 2003 році, коли було продано бізнес.
Щоб отримати додаткову інформацію, скористайтеся посиланням «Зв’язатися з Аланом» на цьому сайті.