Entwurf und Simulation von direkt wirkenden Permanentmagnetsystemen für festerndulierte RMUs
1. Design des Permanentmagnetsmechanismus
Aufgrund der hohen Nachfrage nach Miniaturisierung bei festschalengeisolten Ringkoppelwerken (RMUs) können traditionelle Einzelpermanentmagnetsmechanismen mit Dreiphasenverriegelung die Gesamtanforderungen an die Miniaturisierung der Geräte nicht erfüllen. Daher verwendet der in diesem Kontext entworfene Permanentmagnetsmechanismus eine dreiphasig unabhängige direkte Wirkstruktur. Jede Phasenlöschkammer ist als Gusskörper mit dem RMU-Gehäuse integriert und über einen Isolierstab in linearer Konfiguration mit dem Permanentmagnetsmechanismus verbunden. Die Öffnungsgegenfederspannung befindet sich auf der Antriebswelle jedes Phasenpermanentmagnetsmechanismus. Die Gesamtstruktur eines einzelnen direkt wirkenden Permanentmagnetsmechanismus wird in Abbildung 1 dargestellt, und sein Montageschema innerhalb des festschalengeisolten RMU wird in Abbildung 2 veranschaulicht.
2. Mathematisches Modell des Antriebsschaltkreises des Permanentmagnetsmechanismus
Der hier entworfene direkt wirkende Permanentmagnetsmechanismus basiert auf dem Prinzip eines einstabilen Permanentmagnetsmechanismus. Er verwendet eine Antriebsmethode, bei der ein geladener Kondensator entladen wird, um den Permanentmagnetsmechanismus zu betätigen. Das Schaltbild ist in Abbildung 3 dargestellt, wobei C den Kondensator für den Antrieb des Permanentmagnetsmechanismus darstellt, R den äquivalenten Widerstand der Spule des Permanentmagnetsmechanismus und L die äquivalente Induktivität der Spule bezeichnet.
Die dynamischen Eigenschaften des einstabilen Permanentmagnetsmechanismus erfüllen das System von Differentialgleichungen, wie in Gleichung (1) dargestellt:
wobei i der Öffnungs- oder Schließstrom durch die Spule (A) ist; uC die Anfangsspannung des Ladekondensators (V); R der äquivalente Widerstand der Spule (Ω); C die Kapazität des Ladekondensators (F); ψ die gesamte magnetische Flussverkettung des elektromagnetischen Systems (Wb); m die äquivalente Masse der beweglichen Teile bezogen auf den beweglichen Kern (kg); x die Verschiebung des beweglichen Kerns (m); v die Geschwindigkeit des beweglichen Kerns (m/s); Fx die elektromagnetische Kraft, die auf den beweglichen Kern wirkt (N); Ff die Gegenkraft auf den beweglichen Kern (N). Die Lösung dieses Gleichungssystems liefert die dynamischen Eigenschaften des Permanentmagnetsmechanismus.
3. Gegenkraftäquivalenz
Die Hauptgegenkräfte im Schaltkreis des Ringkoppelwerks bestehen aus dem Kontaktdruck der Löschkammer und der Öffnungsfederkraft des Permanentmagnetsmechanismus. Diese Gegenkräfte werden äquivalent auf den beweglichen Kern des Permanentmagnetsmechanismus bezogen. Die Löschkammer hat eine Kontaktabstandsweite von 9,5 mm und eine Überhubweite von 2,5 mm, mit einer Gesamtmechanikbewegung von 12 mm. Die Gegenkräfte der Öffnungsfeder und der Kontaktfeder werden gemessen, basierend auf der Bewegungsweite des Permanentmagnetsmechanismus, und die Gegenkraftkurve wird auf Basis spezifischer Daten geplottet. Die detaillierten Gegenkraftäquivalenzpunkte sind in Tabelle 1 dargestellt.
4. Aufbau des Simulationsmodells
Die dynamischen Eigenschaften des direkt wirkenden Permanentmagnetsmechanismus werden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) gelöst. Das grundlegende Prinzip der FEM besteht darin, das kontinuierliche Lösungsgebiet in eine endliche Anzahl von Elementen zu diskretisieren, die an Knoten miteinander verbunden sind. Nach der Analyse der einzelnen Elemente wird eine globale Zusammenstellung durchgeführt, und Randbedingungen werden angewendet, wobei die endgültige Lösung über Computerberechnungen erhalten wird. In dieser Studie wird die Ansoft-Finite-Elemente-Simulationssoftware verwendet, um das Simulationsmodell des Permanentmagnetsmechanismus aufzubauen, und die Materialparameter seiner Komponenten werden festgelegt. Das Permanentmagnetmaterial wird als NdFe35 definiert, und das Yoke-Material als Stahl-1010.
Als Nächstes werden die Spulenparameter zugewiesen: die Ladespannung des Kondensators beträgt 110 V, die Kapazität 0,047 F, der Spulen-Widerstand 5 Ω, die Windungszahl 500, und die Induktivität 0,0143 H. Da der direkt wirkende Permanentmagnetsmechanismus ein einstabiler Typ ist, wird die Öffnungsbewegung durch die Öffnungsfederkraft getrieben. Daher ist nur ein kleiner Gegenstrom erforderlich, um einen Gegenfluss zu erzeugen, der den vom Permanentmagneten erzeugten Fluss aufhebt, sodass der Mechanismus unter der Gegenkraft der Feder öffnet. Um den erforderlichen Gegenfluss zu reduzieren, wurde nach umfangreichen Simulationen und Tests ein 5 Ω DC-Widerstand in Serie in den Öffnungsantriebsschaltkreis eingefügt.
Schließlich wird die Oberflächen- und Festkörpermodellierung und -netzgenerierung des Permanentmagnetsmechanismus durchgeführt. Ein relativ dichtes Netz wird auf wichtige magnetische Komponenten wie den beweglichen Kern, die magnetischen Endkappen, das Yoke und das Permanentmagnetmaterial angewendet, während ein gröberes Netz für nichtmagnetische Teile verwendet wird.
5. Analyse der Simulations- und Experimentsergebnisse
Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des direkt wirkenden Permanentmagnetsmechanismus werden durch die Kombination von Ansoft-Simulationen und tatsächlichen Produkttests analysiert, mit dem Fokus auf die Schließ- und Öffnungsstrom- und Hubweitencharakteristiken. Abbildung 5 zeigt die simulierte Schließstromkurve, mit einem Spitzenstrom von 13,2 A. Abbildung 6 zeigt den oszilloskopgemessenen Schließstrom, mit einem gemessenen Spitzenwert von 14,2 A. Abbildung 7 zeigt die simulierte Schließhubweitenkurve, die eine Schließgeschwindigkeit (durchschnittliche Geschwindigkeit über die letzten 6 mm vor dem Kontaktschluss) von 0,8 m/s ergibt. Abbildung 8 zeigt die oszilloskopgemessene Schließgeschwindigkeit, die 0,75 m/s beträgt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Schließmechanik des entworfenen direkt wirkenden Permanentmagnetsmechanismus für das festschalengeisolte Ringkoppelwerk die Anforderungen an Schaltgeräte erfüllt, und der Fehler zwischen den Simulations- und Experimentsergebnissen im akzeptablen Entwurfsbereich liegt.
6. Schlussfolgerung
In dieser Arbeit wurde ein direkt wirkender Permanentmagnetsmechanismus für festschalengeisolte Ringkoppelwerke entworfen. Die Schließ- und Öffnungstrom- sowie die mechanischen Hubweitencharakteristika des Mechanismus wurden mittels Computersimulation und tatsächlicher Produkttests analysiert und verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das aufgestellte dynamische Charakteristiksimulationsmodell als theoretische Grundlage für den praktischen Entwurf von Permanentmagnetsmechanismen dienen kann. Der direkt wirkende Permanentmagnetsmechanismus eignet sich gut für die Verwendung in festschalengeisolten Ringkoppelwerken, zeichnet sich durch niedrigen Antriebsstrom und ausgezeichnete mechanische Leistung wie Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeiten aus und erfüllt vollständig die technischen Anforderungen. Er bietet auch eine technische Grundlage für die zukünftige Entwicklung von Hochspannungs-Synchronphasenauswahl-Schaltern.
