طراحی و شبیه‌سازی مکانیزم‌های مغناطیس دائمی مستقیم برای RMUهای عایق‌سخت

1. Дизайн механизму з постійним магнітом

З урахуванням високого попиту на мініатюрізацію твердотільних ізольованих кілецьових головних вузлів (RMU), традиційні механізми з постійним магнітом з трьохфазною взаємопритаманністю не можуть задовольнити загальні вимоги до мініатюрізації обладнання. Тому механізм з постійним магнітом, спроектований у цьому контексті, використовує трифазну незалежну пряму дію. Кожна фазова камера гасіння дуги є однорідно влитою з корпусом RMU і з'єднана з механізмом постійного магніту через ізоляційний прут у лінійному розташуванні. Пружина протидії відкриванню розташована на привідному валу кожного фазового механізму постійного магніту. Загальна структура одного прямоточного механізму з постійним магнітом показана на рисунку 1, а його схема зборки в твердотільному ізольованому RMU показана на рисунку 2.

2. Математична модель електричної схеми приводу механізму з постійним магнітом

Прямий механізм з постійним магнітом, спроектований тут, базується на принципі одностабільного механізму з постійним магнітом. Він використовує метод приводу, при якому заряджений конденсатор розряджається для активування механізму з постійним магнітом. Схема показана на рисунку 3, де C позначає конденсатор, використовуваний для приводу механізму з постійним магнітом, R позначає еквівалентне опір катушка механізму з постійним магнітом, а L позначає еквівалентну індуктивність катушка.

Динамічні характеристики одностабільного механізму з постійним магнітом задовольняють систему диференціальних рівнянь, показану в рівнянні (1):

де i - струм відкривання чи закривання через катушку (А); u_C - початкове напруга зарядженого конденсатора (В); R - еквівалентний опір катушки (Ом); C - ємність зарядженого конденсатора (Ф); ψ - загальне магнітне зв'язання електромагнітної системи (Вб); m - еквівалентна маса рухомих частин, віднесена до рухомого сердечника (кг); x - переміщення рухомого сердечника (м); v - швидкість рухомого сердечника (м/с); F_x - електромагнітна сила, що діє на рухомий сердечник (Н); F_f - протидіюча сила на рухомий сердечник (Н). Розв'язання цієї системи рівнянь дає динамічні характеристики механізму з постійним магнітом.

3. Еквівалентність протидіючих сил

Основні протидіючі сили в кілецьовому головному вузлі включають тиск контакту камери гасіння дуги і силу пружини відкривання механізму з постійним магнітом. Ці протидіючі сили еквівалентно віднесено до рухомого сердечника механізму з постійним магнітом. Камера гасіння дуги має відстань відкриття контакту 9,5 мм і надлишок ходу 2,5 мм, з загальним ходом механізму 12 мм. Протидіючі сили пружини відкривання і контактної пружини вимірюються відповідно до ходу руху механізму з постійним магнітом, і побудована крива протидіючих сил на основі конкретних даних. Детальні точки еквівалентності протидіючих сил показані в таблиці 1.

4. Створення моделі симуляції

Динамічні характеристики прямоточного механізму з постійним магнітом вирішуються за допомогою методу скінченних елементів (FEM). Основний принцип FEM полягає в дискретизації безперервної області рішення на скінченну кількість елементів, з'єднаних вузлами. Після аналізу окремих елементів проводиться глобальна збірка, застосовуються граничні умови, і остаточне рішення отримується за допомогою комп'ютерних обчислень. У цьому дослідженні використовується програмне забезпечення для симуляції скінченних елементів Ansoft для створення моделі симуляції механізму з постійним магнітом, і встановлюються параметри матеріалів його компонентів. Матеріал постійного магніту визначено як NdFe35, а матеріал ярма - як сталевий-1010.

Далі назначаються параметри катушки: напруга зарядження конденсатора становить 110 В, ємність - 0,047 Ф, постійний опір катушки - 5 Ом, число витків - 500, індуктивність - 0,0143 Гн. Оскільки прямоточний механізм з постійним магнітом є одностабільним, операція відкривання здійснюється за допомогою сили пружини відкривання. Тому потрібен лише невеликий зворотній струм для створення зворотнього магнітного потоку, щоб скасувати потік, створений постійним магнітом, що дозволяє механізму відкриватися під дією протидіючої сили пружини. Для зменшення необхідного зворотнього магнітного потоку, після широких симуляцій і тестів, добавлено 5 Ом DC резистор у ряд з електричною схемою відкривання.

Нарешті, проводиться поверхневе та твердотільне моделювання та розбиття на сітку механізму з постійним магнітом. На ключові магнітні компоненти, такі як рухомий сердечник, магнітні кінцеві кришки, ярма та постійний магніт, застосовується більш щільна сітка, а для немагнітних частин - більш розріджені сітки.

5. Аналіз результатів симуляції та експериментів

Електричні та механічні характеристики прямоточного механізму з постійним магнітом аналізуються, поєднуючи симуляції Ansoft з реальними продуктами, з акцентом на струм закривання та відкривання та характеристики ходу. Рисунок 5 показує симульований струм закривання, з піковим струмом 13,2 А. Рисунок 6 показує струм закривання, виміряний осцилографом, з виміряним піком 14,2 А. Рисунок 7 представляє симульовану криву ходу закривання, що дає швидкість закривання (середня швидкість за останні 6 мм перед замиканням контакту) 0,8 м/с. Рисунок 8 показує виміряну швидкість закривання, яка становить 0,75 м/с. Результати показують, що механічні характеристики закривання спроектованого прямоточного механізму з постійним магнітом для твердотільного ізольованого кілецьового головного вузла відповідають вимогам комутаційного обладнання, а помилка між симуляцією та експериментальними результатами знаходиться в допустимому діапазоні проектування.

6. Висновки

У цій статті був спроектований прямоточний механізм з постійним магнітом для твердотільних ізольованих кілецьових головних вузлів. Струм закривання та відкривання та механічні характеристики ходу механізму були проаналізовані та порівняні за допомогою комп'ютерної симуляції та реального продукту. Результати показують, що встановлена модель симуляції динамічних характеристик може служити теоретичною основою для практичного проектування механізму з постійним магнітом. Прямоточний механізм з постійним магнітом добре підходить для використання в твердотільних ізольованих кілецьових головних вузлах, маючи низький привідний струм та відмінні механічні характеристики, такі як швидкості закривання та відкривання, повністю задовольняючи технічні вимоги. Він також надає технічну основу для майбутнього розвитку високовольтних синхронних перетворювачів фаз.