تصميم ومحاكاة الآليات الدائمة المغناطيسية ذات التأثير المباشر لوحدات التوزيع المحمولة مع العزل الصلب
1. تصميم آلية المغناطيس الدائم
بسبب الطلب العالي على التصغير في وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بشكل صلب (RMUs)، لا يمكن للآليات التقليدية للمغناطيس الدائم ذات القفل الثلاثي أن تلبي متطلبات التصغير الشاملة للمعدات. لذا، تم تبني آلية المغناطيس الدائم المصممة في هذا السياق ببنية مستقيمة مستقلة ثلاثية الأطوار. يتم صب كل وحدة من وحدات غرفة إخماد القوس مع جسم الصب لوحدة RMU وتوصيلها بآلية المغناطيس الدائم عبر قضيب عازل بشكل خطي. يتم وضع مكبس الربيع المضاد للفتح على محور الدفع لكل آلية مغناطيس دائم. يظهر هيكل آلية المغناطيس الدائم المباشرة الواحدة في الشكل 1، ويوضح مخطط تجميعها داخل وحدة RMU المعزولة بشكل صلب في الشكل 2.
2. النموذج الرياضي لدارة تشغيل آلية المغناطيس الدائم
تعتمد آلية المغناطيس الدائم المباشرة المصممة هنا على مبدأ آلية المغناطيس الدائم ذات الحالة المستقرة الواحدة. تستعمل طريقة التشغيل حيث يقوم مكثف مشحون بإفراغ شحنته لتحريك آلية المغناطيس الدائم. يظهر مخطط الدارة في الشكل 3، حيث يمثل C المكثف المستخدم لتشغيل آلية المغناطيس الدائم، وR يمثل المقاومة المكافئة للفائف آلية المغناطيس الدائم، وL يمثل الحث المكافئ للفائف.
تتوافق الخصائص الديناميكية لآلية المغناطيس الدائم ذات الحالة المستقرة الواحدة مع نظام المعادلات التفاضلية الموضح في المعادلة (1):
حيث i هو التيار الفاتح أو القاطع عبر الفوهة (أ)؛ uC هو الجهد الأولي للمكثف المشحون (V)؛ R هو المقاومة المكافئة للفائف (Ω)؛ C هو سعة المكثف المشحون (F)؛ ψ هو الوصل المغناطيسي الكلي للنظام الكهرومغناطيسي (Wb)؛ m هو الكتلة المكافئة للأجزاء المتحركة المشار إليها بالمحرك (kg)؛ x هو الإزاحة للجزء المتحرك (m)؛ v هو السرعة للجزء المتحرك (m/s)؛ Fx هو القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة على الجزء المتحرك (N)؛ Ff هو القوة المضادة للجزء المتحرك (N). حل هذا النظام من المعادلات يعطي الخصائص الديناميكية لآلية المغناطيس الدائم.
3. التكافؤ المضاد للقوة
تشمل القوى المضادة الرئيسية في قاطع الدائرة لوحدة الحلقة الرئيسية الضغط المتصل لغرفة إخماد القوس والقوة الربيعية المفتوحة لآلية المغناطيس الدائم. يتم تكافؤ هذه القوى المضادة بالنسبة للجزء المتحرك لآلية المغناطيس الدائم. تحتوي غرفة القوس على مسافة فتح اتصال تبلغ 9.5 مم ومدى زائد يبلغ 2.5 مم، بمجموع مسافة آليات تبلغ 12 مم. يتم قياس قوى الربيع المفتوح والربيع المتصل حسب مسار حركة آلية المغناطيس الدائم، ويتم رسم منحنى القوى المضادة بناءً على بيانات محددة. تظهر النقاط المفصلة للتكافؤ المضاد للقوى في الجدول 1.
4. إنشاء نموذج المحاكاة
يتم حل الخصائص الديناميكية لآلية المغناطيس الدائم المباشرة باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM). المبدأ الأساسي لـ FEM هو تقسيم المجال المستمر إلى عدد محدود من العناصر المتصلة عند العقد. بعد تحليل العناصر الفردية، يتم إجراء التجميع العام، وتُطبق الشروط الحدودية، ويتم الحصول على الحل النهائي عن طريق الحساب بواسطة الكمبيوتر. في هذه الدراسة، يتم استخدام برنامج محاكاة العناصر المحدودة Ansoft لإنشاء نموذج المحاكاة لآلية المغناطيس الدائم، وتُحدد معلمات المواد لمكوناتها. يتم تعريف مادة المغناطيس الدائم كـ NdFe35، ومادة الذراع كـ steel-1010.
بعد ذلك، يتم تعيين معلمات الفوهة: الجهد الشاحن للمكثف هو 110 V، والسعة هي 0.047 F، والممانعة المباشرة للفوهة هي 5 Ω، وعدد اللفات هو 500، والحث هو 0.0143 H. بما أن آلية المغناطيس الدائم المباشرة هي من النوع ذو الحالة المستقرة الواحدة، فإن عملية الفتح يتم تشغيلها بواسطة قوة الربيع المفتوحة. لذا، يتم فقط الحاجة إلى تيار عكسي صغير لإنتاج الوصل المغناطيسي العكسي لإلغاء الوصل المغناطيسي المنتج بواسطة المغناطيس الدائم، مما يسمح بفتح الآلية تحت قوة الربيع المضادة. لتقليل الوصل المغناطيسي العكسي المطلوب، وبعد محاكاة واختبارات واسعة النطاق، يتم إضافة مقاومة مباشرة قدرها 5 Ω على التوالي في دارة التشغيل المفتوحة.
أخيراً، يتم إجراء نمذجة السطح والكيان والتقطيع لآلية المغناطيس الدائم. يتم تطبيق شبكة كثيفة نسبياً على المكونات المغناطيسية الرئيسية مثل الجزء المتحرك، أغطية المغناطيس، الذراع، والمغناطيس الدائم، بينما يتم استخدام شبكة أخف للاجزاء غير المغناطيسية.
5. تحليل النتائج المحاكاة والتجريبية
يتم تحليل الخصائص الكهربائية والميكانيكية لآلية المغناطيس الدائم المباشرة عن طريق الجمع بين محاكاة Ansoft والاختبارات العملية للمعدات، مع التركيز على خصائص التيار والفتح والإغلاق. يظهر الشكل 5 منحنى التيار الإغلاق المحاكي، مع تيار ذروة يبلغ 13.2 A. يظهر الشكل 6 التيار الإغلاق المقاس بواسطة المذبذب، مع قيمة ذروة قياسية تبلغ 14.2 A. يظهر الشكل 7 منحنى المسار الإغلاق المحاكي، مما ينتج عنه سرعة الإغلاق (المتوسطة خلال آخر 6 مم قبل إغلاق الاتصال) تبلغ 0.8 m/s. يظهر الشكل 8 السرعة الإغلاق المقاسة بواسطة المذبذب، والتي تبلغ 0.75 m/s. تشير النتائج إلى أن الخصائص الميكانيكية للإغلاق لآلية المغناطيس الدائم المباشرة المصممة لوحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بشكل صلب تلبي متطلبات المعدات الكهربائية، وأن الخطأ بين النتائج المحاكاة والتجريبية يقع ضمن نطاق التصميم المقبول.
6. الخاتمة
تم تصميم آلية المغناطيس الدائم المباشرة لوحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بشكل صلب. تم تحليل ومقارنة خصائص التيار والفتح والإغلاق والمسار الميكانيكي للآلية باستخدام المحاكاة الحاسوبية واختبارات المعدات الفعلية. تظهر النتائج أن النموذج المحاكي للخصائص الديناميكية الذي تم إنشاؤه يمكن أن يكون أساساً نظرياً لتصميم آلية المغناطيس الدائم العملية. تعتبر آلية المغناطيس الدائم المباشرة مناسبة لاستخدامها في وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بشكل صلب، حيث تتميز بتيار تشغيل منخفض وأداء ميكانيكي ممتاز مثل سرعات الفتح والإغلاق، مما يلبي المتطلبات التقنية بالكامل. كما توفر الأساس التقني لتطوير مفاتيح اختيار الطور المتزامنة ذات الجهد العالي في المستقبل.
