MAGNABEND - KRETSFUNKTION
Magnabend plademappen er designet som en DC-spændeelektromagnet.
Det enkleste kredsløb, der kræves til at drive den elektromagnetiske spole, består kun af en kontakt og en broensretter:
Figur 1: Minimalt kredsløb:
Det skal bemærkes, at ON/OFF-kontakten er tilsluttet på AC-siden af kredsløbet.Dette tillader den induktive spolestrøm at cirkulere gennem dioderne i broensretteren efter sluk, indtil strømmen falder eksponentielt til nul.
(Dioderne i broen fungerer som "fly-back" dioder).
For sikrere og mere bekvem betjening er det ønskeligt at have et kredsløb, der giver en 2-håndslås og også 2-trins fastspænding.2-håndslåsen er med til at sikre, at fingrene ikke kan komme i klemme under spændestangen, og den trinvise spænding giver en blødere start og giver også den ene hånd mulighed for at holde tingene på plads, indtil forspændingen er aktiveret.
Figur 2: Kredsløb med interlock og 2-trins fastspænding:
Når der trykkes på START-knappen, tilføres en lille spænding til magnetspolen via AC-kondensatoren, hvilket giver en let klemeffekt.Denne reaktive metode til at begrænse strømmen til spolen involverer ingen væsentlig effekttab i begrænsningsanordningen (kondensatoren).
Fuld fastspænding opnås, når både den bøjestrålebetjente kontakt og START-knappen betjenes sammen.
Typisk vil START-knappen blive trykket først (med venstre hånd), og derefter vil håndtaget på bøjningsbjælken blive trukket med den anden hånd.Fuld fastspænding vil ikke forekomme, medmindre der er en vis overlapning i betjeningen af de 2 kontakter.Men når først fuld fastspænding er etableret, er det ikke nødvendigt at blive ved med at holde START-knappen nede.
Restmagnetisme
Et lille, men væsentligt problem med Magnabend-maskinen, som med de fleste elektromagneter, er problemet med restmagnetisme.Dette er den lille mængde magnetisme, der er tilbage, efter at magneten er slukket.Det får klemmestængerne til at forblive svagt fastspændt til magnetlegemet, hvilket gør det vanskeligt at fjerne emnet.
Brug af magnetisk blødt jern er en af mange mulige tilgange til at overvinde resterende magnetisme.
Men dette materiale er svært at få fat i i lagerstørrelser, og det er også fysisk blødt, hvilket betyder, at det let ville blive beskadiget i en bukkemaskine.
Inkluderingen af et ikke-magnetisk hul i det magnetiske kredsløb er måske den enkleste måde at reducere restmagnetisme på.Denne metode er effektiv og er ret nem at opnå i et fremstillet magnethus - inkorporer bare et stykke pap eller aluminium på ca. 0,2 mm tykt mellem f.eks. frontstangen og kernestykket, før du bolter magnetdelene sammen.Den største ulempe ved denne metode er, at det ikke-magnetiske mellemrum reducerer den flux, der er tilgængelig for fuld fastspænding.Det er heller ikke ligetil at inkorporere mellemrummet i et magnetlegeme i ét stykke, som det bruges til E-magnetdesignet.
Et omvendt forspændingsfelt, produceret af en hjælpespole, er også en effektiv metode.Men det indebærer uberettiget ekstra kompleksitet i fremstillingen af spolen og også i styrekredsløbet, selvom det blev brugt kortvarigt i et tidligt Magnabend-design.
En henfaldende oscillation ("ringning") er begrebsmæssigt en meget god metode til afmagnetisering.
Disse oscilloskopfotos viser spændingen (topsporing) og strømmen (bundspor) i en Magnabend-spole med en passende kondensator forbundet på tværs for at få den til at svinge selv.(Vekselstrømforsyningen er blevet slukket cirka midt på billedet).
Det første billede er for et åbent magnetisk kredsløb, det vil sige uden klemmestang på magneten.Det andet billede er for et lukket magnetisk kredsløb, det vil sige med en spændestang i fuld længde på magneten.
På det første billede udviser spændingen aftagende svingning (ringning) og det samme gør strømmen (nedre spor), men på det andet billede svinger spændingen ikke, og strømmen når slet ikke at vende.Dette betyder, at der ikke ville være nogen oscillation af den magnetiske flux og dermed ingen annullering af resterende magnetisme.
Problemet er, at magneten er for kraftigt dæmpet, primært på grund af hvirvelstrømstab i stålet, og derfor virker denne metode desværre ikke for Magnabenden.
Tvunget oscillation er endnu en idé.Hvis magneten er for dæmpet til at selvoscillere, kan den blive tvunget til at oscillere af aktive kredsløb, der leverer energi efter behov.Dette er også blevet grundigt undersøgt for Magnabend.Dens største ulempe er, at det involverer alt for komplicerede kredsløb.
Omvendt puls afmagnetisering er den metode, der har vist sig at være mest omkostningseffektiv for Magnabend.Detaljerne i dette design repræsenterer originalt arbejde udført af Magnetic Engineering Pty Ltd. En detaljeret diskussion følger:
DEMAGNETISERING AF OMPULS
Essensen af denne idé er at lagre energi i en kondensator og derefter at frigive den til spolen lige efter magneten er slukket.Polariteten skal være sådan, at kondensatoren vil inducere en omvendt strøm i spolen.Mængden af energi, der er lagret i kondensatoren, kan skræddersyes, så den netop er tilstrækkelig til at annullere den resterende magnetisme.(For meget energi kan overdrive det og genmagnetisere magneten i den modsatte retning).
En yderligere fordel ved den omvendte pulsmetode er, at den frembringer en meget hurtig afmagnetisering og en næsten øjeblikkelig frigivelse af klemmestangen fra magneten.Dette skyldes, at det ikke er nødvendigt at vente på, at spolestrømmen falder til nul, før den omvendte impuls tilsluttes.Ved påføring af pulsen tvinges spolestrømmen til nul (og derefter tilbage) meget hurtigere end dens normale eksponentielle henfald ville have været.
Figur 3: Grundlæggende omvendt puls-kredsløb
Nu er det normalt at placere en afbryderkontakt mellem ensretteren og magnetspolen "leger med ilden".
Dette skyldes, at en induktiv strøm ikke pludselig kan afbrydes.Hvis det er det, vil kontaktkontakterne bue, og kontakten vil blive beskadiget eller endda fuldstændig ødelagt.(Den mekaniske ækvivalent ville være at forsøge pludselig at stoppe et svinghjul).
Uanset hvilket kredsløb der er udtænkt, skal det således give en effektiv vej for spolestrømmen til enhver tid, inklusive i de få millisekunder, mens en omskifterkontakt skifter.
Ovenstående kredsløb, som kun består af 2 kondensatorer og 2 dioder (plus en relækontakt), opnår funktionerne med at oplade Storage-kondensatoren til en negativ spænding (i forhold til referencesiden af spolen) og giver også en alternativ vej til spolen strøm, mens relækontakten er på farten.
Hvordan det virker:
Generelt fungerer D1 og C2 som en ladningspumpe for C1, mens D2 er en klemdiode, der forhindrer punkt B i at blive positiv.
Mens magneten er ON, vil relækontakten være forbundet til dens "normalt åbne" (NO) terminal, og magneten vil udføre sit normale job med at fastspænde metalplader.Ladningspumpen vil oplade C1 mod en maksimal negativ spænding, der er lig med spolespidsspændingen.Spændingen på C1 vil stige eksponentielt, men den vil være fuldt opladet inden for ca. 1/2 sekund.
Den forbliver derefter i denne tilstand, indtil maskinen slukkes.
Umiddelbart efter frakobling holder relæet kortvarigt.I løbet af denne tid vil den stærkt induktive spolestrøm fortsætte med at recirkulere gennem dioderne i broensretteren.Nu, efter en forsinkelse på omkring 30 millisekunder, vil relækontakten begynde at adskilles.Spolestrømmen kan ikke længere gå gennem ensretterdioderne, men finder i stedet en vej gennem C1, D1 og C2.Retningen af denne strøm er sådan, at den yderligere vil øge den negative ladning på C1, og den vil også begynde at oplade C2.
Værdien af C2 skal være stor nok til at kontrollere hastigheden af spændingsstigningen over åbningsrelækontakten for at sikre, at der ikke dannes en lysbue.En værdi på omkring 5 mikro-farads pr. ampere spolestrøm er tilstrækkelig til et typisk relæ.
Figur 4 nedenfor viser detaljer om de bølgeformer, der opstår i løbet af det første halve sekund efter slukning.Spændingsrampen som bliver styret af C2 er tydeligt synlig på den røde kurve i midten af figuren, den er mærket "Relækontakt i farten".(Den faktiske overflyvningstid kan udledes af dette spor; den er ca. 1,5 ms).
Så snart relæarmaturet lander på sin NC-terminal, forbindes den negativt ladede lagerkondensator til magnetspolen.Dette vender ikke umiddelbart spolestrømmen, men strømmen kører nu "op ad bakke", og dermed tvinges den hurtigt igennem nul og mod en negativ top, som opstår ca. 80 ms efter tilslutningen af lagerkondensatoren.(Se figur 5).Den negative strøm vil inducere en negativ flux i magneten, som vil ophæve den resterende magnetisme, og klemmestangen og emnet vil hurtigt blive frigivet.
Figur 4: Udvidede bølgeformer
Figur 5: Spændings- og strømbølgeformer på magnetspole
Figur 5 ovenfor viser spændings- og strømbølgeformerne på magnetspolen under forspændingsfasen, den fulde fastspændingsfase og afmagnetiseringsfasen.
Det menes, at enkeltheden og effektiviteten af dette afmagnetiseringskredsløb skulle betyde, at det vil finde anvendelse i andre elektromagneter, der har brug for afmagnetisering.Selvom restmagnetisme ikke er et problem, kan dette kredsløb stadig være meget nyttigt til at kommutere spolestrømmen til nul meget hurtigt og dermed give hurtig frigivelse.
Praktisk Magnabend-kredsløb:
Kredsløbskoncepterne diskuteret ovenfor kan kombineres til et fuldt kredsløb med både en 2-håndslås og omvendt pulsafmagnetisering som vist nedenfor (Figur 6):
Figur 6: Kombineret kredsløb
Dette kredsløb vil fungere, men det er desværre noget upålideligt.
For at opnå pålidelig drift og længere kontaktlevetid er det nødvendigt at tilføje nogle ekstra komponenter til basiskredsløbet som vist nedenfor (Figur 7):
Figur 7: Kombineret kredsløb med forbedringer
SW1:
Dette er en 2-polet afbryder.Det er tilføjet for nemheds skyld og for at overholde elektriske standarder.Det er også ønskeligt, at denne kontakt har et neon-indikatorlys for at vise kredsløbets ON/OFF-status.
D3 og C4:
Uden D3 er låsningen af relæet upålidelig og afhænger i nogen grad af faseringen af netbølgeformen på tidspunktet for drift af bøjningsstrålekontakten.D3 introducerer en forsinkelse (typisk 30 millisekunder) i udfaldet af relæet.Dette overvinder låseproblemet, og det er også fordelagtigt at have en udfaldsforsinkelse lige før starten af afmagnetiseringsimpulsen (senere i cyklussen).C4 giver AC-kobling af relækredsløbet, som ellers ville være en halvbølge kortslutning, når START-knappen blev trykket.
THERM.KONTAKT:
Denne kontakt har sit hus i kontakt med magnetlegemet, og det vil åbne kredsløb, hvis magneten bliver for varm (>70 C).At sætte den i serie med relæspolen betyder, at den kun skal skifte den lille strøm gennem relæspolen frem for den fulde magnetstrøm.
R2:
Når der trykkes på START-knappen trækker relæet ind og så vil der være en indløbsstrøm, som oplader C3 via broensretteren, C2 og diode D2.Uden R2 ville der ikke være nogen modstand i dette kredsløb, og den resulterende høje strøm kunne beskadige kontakterne i START-kontakten.
Der er også en anden kredsløbstilstand, hvor R2 giver beskyttelse: Hvis bøjningsstrålekontakten (SW2) bevæger sig fra NO-terminalen (hvor den ville føre den fulde magnetstrøm) til NC-terminalen, vil der ofte dannes en bue, og hvis START-kontakten blev stadig holdt på dette tidspunkt, så ville C3 i realiteten blive kortsluttet, og afhængigt af hvor meget spænding der var på C3, kunne dette beskadige SW2.Men igen ville R2 begrænse denne kortslutningsstrøm til en sikker værdi.R2 behøver kun en lav modstandsværdi (typisk 2 ohm) for at give tilstrækkelig beskyttelse.
Varistor:
Varistoren, som er forbundet mellem ensretterens AC-terminaler, gør normalt ingenting.Men hvis der er en overspænding på lysnettet (f.eks. på grund af et lynnedslag i nærheden), vil varistoren absorbere energien i overspændingen og forhindre spændingsspidsen i at beskadige broensretteren.
R1:
Hvis START-knappen skulle trykkes ned under en afmagnetiseringsimpuls, ville dette sandsynligvis forårsage en lysbue ved relækontakten, som igen nærmest ville kortslutte C1 (lagringskondensatoren).Kondensatorenergien ville blive dumpet ind i kredsløbet bestående af C1, broensretteren og lysbuen i relæet.Uden R1 er der meget lidt modstand i dette kredsløb, så strømmen ville være meget høj og ville være tilstrækkelig til at svejse kontakterne i relæet.R1 giver beskyttelse i denne (lidt usædvanlige) eventualitet.
Særlig bemærkning til valg af R1:
Hvis den ovenfor beskrevne eventualitet opstår, vil R1 absorbere stort set al den energi, der blev lagret i C1, uanset den faktiske værdi af R1.Vi ønsker, at R1 skal være stor sammenlignet med andre kredsløbsmodstande, men lille sammenlignet med modstanden af Magnabend-spolen (ellers ville R1 reducere effektiviteten af afmagnetiseringsimpulsen).En værdi på omkring 5 til 10 ohm ville være passende, men hvilken effekt skal R1 have?Det, vi virkelig skal specificere, er modstandens pulsstyrke eller energiklassificering.Men denne egenskab er normalt ikke specificeret for strømmodstande.Effektmodstande med lav værdi er normalt wire-viklet, og vi har fastslået, at den kritiske faktor at kigge efter i denne modstand er mængden af faktisk ledning, der bruges i dens konstruktion.Du skal åbne en prøvemodstand og måle måleren og længden af den anvendte ledning.Ud fra dette beregnes det samlede volumen af ledningen, og vælg derefter en modstand med mindst 20 mm3 ledning.
(For eksempel blev en 6,8 ohm/11 watt modstand fra RS Components fundet at have en ledningsvolumen på 24 mm3).
Heldigvis er disse ekstra komponenter små i størrelse og pris og tilføjer derfor kun et par dollars til de samlede omkostninger for Magnabend-elektriciteten.
Der er en ekstra smule kredsløb, som endnu ikke er blevet diskuteret.Dette løser et relativt lille problem:
Hvis der trykkes på START-knappen og ikke efterfølges af træk i håndtaget (hvilket ellers ville give fuld fastspænding), vil lagerkondensatoren ikke være fuldt opladet, og den afmagnetiseringsimpuls, der opstår ved frigivelse af START-knappen, vil ikke helt afmagnetisere maskinen .Klemmebøjlen ville så forblive fast på maskinen, og det ville være til gene.
Tilføjelsen af D4 og R3, vist med blåt i figur 8 nedenfor, tilfører en passende bølgeform ind i ladepumpekredsløbet for at sikre, at C1 bliver opladet, selvom fuld klemning ikke anvendes.(Værdien af R3 er ikke kritisk - 220 ohm/10 watt ville passe til de fleste maskiner).
Figur 8: Kredsløb med afmagnetisering kun efter "START":
For mere information om kredsløbskomponenter, se venligst afsnittet Komponenter i "Byg din egen Magnabend"
Til referenceformål er de fulde kredsløbsdiagrammer for 240 Volt AC, E-Type Magnabend-maskiner fremstillet af Magnetic Engineering Pty Ltd vist nedenfor.
Bemærk, at mange komponentværdier skal ændres for drift på 115 VAC.
Magnetic Engineering indstillede produktionen af Magnabend-maskiner i 2003, da virksomheden blev solgt.
Bemærk: Ovenstående diskussion var beregnet til at forklare hovedprincipperne for kredsløbsdriften, og ikke alle detaljer er blevet dækket.De fulde kredsløb vist ovenfor er også inkluderet i Magnabend-manualerne, som er tilgængelige andre steder på denne side.
Det skal også bemærkes, at vi udviklede fuldt solid state-versioner af dette kredsløb, som brugte IGBT'er i stedet for et relæ til at skifte strømmen.
Solid state-kredsløbet blev aldrig brugt i nogen Magnabend-maskiner, men blev brugt til specielle magneter, som vi fremstillede til produktionslinjer.Disse produktionslinjer producerede typisk 5.000 genstande (såsom en køleskabsdør) om dagen.
Magnetic Engineering indstillede produktionen af Magnabend-maskiner i 2003, da virksomheden blev solgt.
Brug venligst linket Kontakt Alan på denne side for at søge mere information.