Проектиране и моделиране на пряко действащи перманентно магнитни механизми за твърдоизолирани RMU
1. Проект на магнитен механизъм с постоянни магнити
В резултат на високото търсене за миниатюризация на твърдотелно изолираните кръгови главни единици (RMU), традиционните магнитни механизми с постоянни магнити с трите фази взаимно свързани не могат да удовлетворят общите изисквания за миниатюризация на оборудването. Поради това, магнитният механизъм, проектиран в този контекст, използва независима трифазна директна структура. Единичната единица за гасене на дъга на всяка фаза е отлита с тялото на RMU и се свързва с магнитния механизъм чрез изолационна пръчка в линейна конфигурация. Противодействащата пружина за отваряне е поставена на водещия вал на магнитния механизъм на всяка фаза. Общата структура на единичния директен магнитен механизъм с постоянни магнети е показана на Фигура 1, а схемата за монтаж в твърдотелно изолираната RMU е илюстрирана на Фигура 2.
2. Математически модел на пърходената на магнитния механизъм
Директният магнитен механизъм с постоянни магнити, проектиран тук, е основан на принципа на механизма с един стабилен състоятелен магнит. Използва метод на пърход, при който зареден кондензатор разтоварва, за да активира магнитния механизъм. Схемата на цепта е показана на Фигура 3, където C представлява кондензатора, използван за пърход на магнитния механизъм, R означава еквивалентното съпротивление на катушката на магнитния механизъм, а L показва еквивалентната индуктивност на катушката.
Динамичните характеристики на единостабилния магнитен механизъм удовлетворяват системата от диференциални уравнения, показани в Уравнение (1):
където i е токът за отваряне или затваряне през катушката (А); uC е началното напрежение на зареждащия кондензатор (В); R е еквивалентното съпротивление на катушката (Ω); C е капацитетът на зареждащия кондензатор (Ф); ψ е общата магнитна свързаност на електромагнитната система (Вб); m е еквивалентната маса на движещите се части, реферирани към движещия се ядро (кг); x е преместването на движещото се ядро (м); v е скоростта на движещото се ядро (м/с); Fx е електромагнитната сила, действаща върху движещото се ядро (Н); Ff е противодействащата сила върху движещото се ядро (Н). Решавайки тази система от уравнения, се получават динамичните характеристики на магнитния механизъм.
3. Еквивалентност на противодействащите сили
Основните противодействащи сили в автоматичния главен ключ на кръговата главна единица включват контактното налягане на камерата за гасене на дъга и пружинната сила за отваряне на магнитния механизъм. Тези противодействащи сили са еквивалентно реферирани към движещото се ядро на магнитния механизъм. Камерата за гасене на дъга има контактно разстояние за отваряне от 9,5 мм и прекомерен ход от 2,5 мм, с общ ход на механизма от 12 мм. Противодействащите сили на пружината за отваряне и контактната пружина се измерват според хода на движение на магнитния механизъм, и се построява крива на противодействащата сила на основа на конкретни данни. Подробните точки на еквивалентност на противодействащите сили са показани в Таблица 1.
4. Създаване на моделираща схема
Динамичните характеристики на директния магнитен механизъм с постоянни магнити се решават чрез метода на крайните елементи (FEM). Основният принцип на FEM е да дискретизира непрекъснатата област на решение в крайен брой елементи, свързани във възли. След анализ на отделните елементи, се извършва глобална сборка, прилага се гранични условия, а окончателното решение се получава чрез компютърно изчисление. В това изследване, се използва софтуерът Ansoft за моделиране с крайни елементи, за да се създаде моделиращата схема на магнитния механизъм, и се задават параметрите на материалите на неговите компоненти. Материалът на постоянния магнит е дефиниран като NdFe35, а материалът на якъла като стомана-1010.
След това, се задават параметрите на катушката: зарядното напрежение на кондензатора е 110 В, капацитетът е 0,047 Ф, DC съпротивлението на катушката е 5 Ω, броят на обиколките е 500, а индуктивността е 0,0143 Х. Тъй като директният магнитен механизъм с постоянни магнити е от единостабилен тип, операцията за отваряне е подтикана от силата на пружината за отваряне. Затова, е нужен само малък обратен ток, за да се генерира обратен магнитен поток, за да се нейтрализира потокът, произвеждан от постоянния магнит, позволявайки на механизма да се отвори под влиянието на силата на пружината. За да се намали необходимият обратен магнитен поток, след многочислено моделиране и тестове, се добавя 5 Ω DC съпротивление в серия в цепта за пърход при отваряне.
Накрая, се извършва повърхностно и твърдо моделиране и дискретизация на магнитния механизъм. Се прилага относително плътна мрежа на ключови магнитни компоненти, такива като движещото се ядро, магнитните капаци, якъла и постоянният магнит, докато за немагнитните части се използва по-разредена мрежа.
5. Анализ на резултатите от моделирането и експериментите
Електрическите и механичните характеристики на директния магнитен механизъм с постоянни магнити се анализират чрез комбиниране на моделироване с Ansoft и реални продуктни тестове, фокусирайки се върху характеристиките на тока за затваряне и отваряне и хода. Фигура 5 показва моделираната крива на тока за затваряне, с пиков ток от 13,2 А. Фигура 6 показва осцилографски измерения на тока за затваряне, с измерен пиков ток от 14,2 А. Фигура 7 представя моделираната крива на хода при затваряне, давайки скорост на затваряне (средна скорост в последните 6 мм преди контактното затваряне) от 0,8 м/с. Фигура 8 показва осцилографски измерена скорост на затваряне, която е 0,75 м/с. Резултатите показват, че механичните характеристики на затваряне на проектираната директна магнитна конструкция за твърдотелно изолираната кръгова главна единица отговарят на изискванията за комутационни устройства, а грешката между моделираните и експериментални резултати пада в допустимия диапазон на проекта.
6. Заключение
Тази работа е проектирала директен магнитен механизъм с постоянни магнити за твърдотелно изолирана кръгова главна единица. Токът за затваряне и отваряне, както и механичните характеристики на хода на механизма, са анализирани и сравнени чрез компютърно моделиране и реални продуктни тестове. Резултатите показват, че установеният моделиращ модел на динамичните характеристики може да служи като теоретическа основа за практическо проектиране на магнитни механизми. Директният магнитен механизъм с постоянни магнити е добре подходящ за използване в твърдотелно изолираните кръгови главни единици, катоcaracterizeer с нисък ток на пърход и отлични механични характеристики, като скорости на затваряне и отваряне, които напълно отговарят на техническите изисквания. Той предоставя и техническа основа за бъдещото развитие на висковолтови синхронни ключове за избор на фаза.
