Disseny i simulació de mecanismes de magnet permanent d'acció directa per a RMU amb aïllament sòlid

1. Disseny del mecanisme de magnet permanent

Degut a la gran demanda de miniaturització en les unitats principals d' anell (RMUs) amb aïllament sòlid, els mecanismes tradicionals de magnet permanent amb interbloqueig tri-fàsic no poden complir amb els requisits generals de miniaturització de l'equipament. Per tant, el mecanisme de magnet permanent dissenyat en aquest context adopta una estructura directa independent tri-fàsica. Cada unitat de cambra d'extinció d'arc es fon integralment amb el cos de fons de l'RMU i es connecta al mecanisme de magnet permanent mitjançant una barra aïlladora en una configuració lineal. La molla de contrareacció d'obertura es col·loca en el eix de conducció de cada mecanisme de magnet permanent de fase. L'estructura general d'un sol mecanisme de magnet permanent directe es mostra a la Figura 1, i el seu esquema d'ensamblat dins de l'RMU amb aïllament sòlid es il·lustra a la Figura 2.

2. Model matemàtic del circuit de conducció del mecanisme de magnet permanent

El mecanisme de magnet permanent directe dissenyat aquí es basa en el principi d'un mecanisme de magnet permanent monoestable. Utilitza un mètode de conducció on un capacitor carregat descarrega per actuar el mecanisme de magnet permanent. El diagrama de circuit es mostra a la Figura 3, on C representa el capacitor utilitzat per conduir el mecanisme de magnet permanent, R denota la resistència equivalent de la bobina del mecanisme de magnet permanent, i L indica la inductància equivalent de la bobina.

Les característiques dinàmiques del mecanisme de magnet permanent monoestable satisfan el sistema d'equacions diferencials mostrat a l'Equació (1):

on i és la corrent d'obertura o tancament a través de la bobina (A); u_C és el voltatge inicial del capacitor de càrrega (V); R és la resistència equivalent de la bobina (Ω); C és la capacitància del capacitor de càrrega (F); ψ és l'enllaç magnètic total del sistema electromagnètic (Wb); m és la massa equivalent de les parts mòbils referida al nucli mòbil (kg); x és el desplaçament del nucli mòbil (m); v és la velocitat del nucli mòbil (m/s); F_x és la força electromagnètica que actua sobre el nucli mòbil (N); F_f és la força de contrareacció sobre el nucli mòbil (N). Resoldre aquest sistema d'equacions proporciona les característiques dinàmiques del mecanisme de magnet permanent.

3. Equivalència de forces de contrareacció

Les forces de contrareacció principals en el mecanisme de trencacircuit de l'unitat principal d' anell inclouen la pressió de contacte de la cambra d'extinció d'arc i la força de la molla d'obertura del mecanisme de magnet permanent. Aquestes forces de contrareacció es refereixen equivalentment al nucli mòbil del mecanisme de magnet permanent. La cambra d'arc té una distància d'obertura de contacte de 9,5 mm i un recorregut addicional de 2,5 mm, amb un recorregut total del mecanisme de 12 mm. Les forces de les muelles d'obertura i de contacte són mesurades segons el recorregut de moviment del mecanisme de magnet permanent, i la corba de la força de contrareacció es dibuixa basant-se en dades específiques. Els punts detallats d'equivalència de les forces de contrareacció es mostren a la Taula 1.

4. Establiment del model de simulació

Les característiques dinàmiques del mecanisme de magnet permanent directe es resolen utilitzant el mètode dels elements finits (FEM). El principi bàsic del FEM és discretitzar el domini de solució continu en un nombre finit d'elements interconnectats a nusos. Després de l'anàlisi individual dels elements, es realitza un ensamblat global, s'apliquen les condicions de contorn, i la solució final es obté mitjançant còmputos informàtics. En aquest estudi, s'utilitza el programari de simulació d'elements finits Ansoft per establir el model de simulació del mecanisme de magnet permanent, i es defineixen els paràmetres de material de les seves components. El material del magnet permanent es defineix com NdFe35, i el material de la forquilla com acer-1010.

Després, es assignen els paràmetres de la bobina: el voltatge de càrrega del capacitor és de 110 V, la capacitància és de 0,047 F, la resistència DC de la bobina és de 5 Ω, el nombre de voltants és de 500, i la inductància és de 0,0143 H. Com que el mecanisme de magnet permanent directe és de tipus monoestable, l'operació d'obertura es guia per la força de la molla d'obertura. Per tant, només es necessita una petita corrent inversa per generar un flux magnètic invers que cancel·li el flux generat pel magnet permanent, permetent que el mecanisme s'obre sota la força de contrareacció de la molla. Per reduir el flux magnètic invers necessari, després d'extensives simulacions i proves, s'afegeix una resistència DC de 5 Ω en sèrie al circuit de conducció d'obertura.

Finalment, es realitza la modelització superficial i sòlida i la maqueta del mecanisme de magnet permanent. Es aplica una maqueta relativament densa a components magnètics clau com el nucli mòbil, les tapes magnètiques, la forquilla i el magnet permanent, mentre que es utilitza una maqueta més grossera per a les parts no magnètiques.

5. Anàlisi dels resultats de simulació i experimentals

Les característiques elèctriques i mecàniques del mecanisme de magnet permanent directe es analitzen combinant simulacions d'Ansoft amb proves reals del producte, centrant-se en les característiques de corrent i recorregut d'obertura i tancament. La Figura 5 mostra la corba de corrent simulada de tancament, amb una corrent màxima de 13,2 A. La Figura 6 mostra la corrent de tancament mesurada amb oscil·loscopi, amb una corrent màxima mesurada de 14,2 A. La Figura 7 presenta la corba de recorregut de tancament simulat, amb una velocitat de tancament (velocitat mitjana en els últims 6 mm abans del tancament del contacte) de 0,8 m/s. La Figura 8 mostra la velocitat de tancament mesurada amb oscil·loscopi, que és de 0,75 m/s. Els resultats indiquen que les característiques mecàniques de tancament del mecanisme de magnet permanent directe dissenyat per a l'unitat principal d' anell amb aïllament sòlid compleixen amb els requisits dels commutadors, i l'error entre els resultats de simulació i experimentals queda dins del rang acceptable de disseny.

6. Conclusió

En aquest article s'ha dissenyat un mecanisme de magnet permanent directe per a unitats principals d' anell amb aïllament sòlid. S'han analitzat i comparat les corrents de tancament i obertura i les característiques mecàniques de recorregut del mecanisme utilitzant simulacions d'ordinador i proves reals del producte. Els resultats mostren que el model de simulació de característiques dinàmiques establert pot servir com a base teòrica per al disseny pràctic del mecanisme de magnet permanent. El mecanisme de magnet permanent directe és adequat per a l'ús en unitats principals d' anell amb aïllament sòlid, presentant una corrent de conducció baixa i excel·lents prestacions mecàniques com la velocitat de tancament i obertura, complint plenament amb els requisits tècnics. També proporciona una base tècnica per al futur desenvolupament de commutadors de selecció de fase sincronitzada d'alta tensió.