طراحی و شبیه‌سازی مکانیزم‌های مغناطیس دائمی مستقیم برای RMUهای عایق‌پوش جامد

1. طراحی مکانیزم مغناطیس دائم

به دلیل تقاضای بالا برای کوچک‌سازی در واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده جامد (RMUs)، مکانیزم‌های مغناطیس دائم سنتی با قفل‌گیری سه فازی نمی‌توانند نیازهای کلی کوچک‌سازی تجهیزات را برآورده کنند. بنابراین، مکانیزم مغناطیس دائم طراحی شده در این زمینه از یک ساختار مستقیم مستقل سه فازی استفاده می‌کند. هر واحد خاموش‌کننده قوس هر فاز به صورت یکپارچه با بدنه ریخته‌گری RMU ریخته شده و از طریق یک میله عایق‌بندی شده به مکانیزم مغناطیس دائم در یک تنظیم خطی متصل می‌شود. فنر مقاومت بازشدن روی محور گردان هر فاز مکانیزم مغناطیس دائم قرار دارد. ساختار کلی یک مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم مستقل در شکل 1 نشان داده شده و نمودار مونتاژ آن در داخل RMU عایق‌شده جامد در شکل 2 نشان داده شده است.

2. مدل ریاضی مدار گردان مکانیزم مغناطیس دائم

مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم طراحی شده در اینجا بر اساس اصل یک مکانیزم مغناطیس دائم با یک وضعیت پایدار طراحی شده است. این مکانیزم از یک روش گردانی استفاده می‌کند که در آن یک خازن برق‌دار شده تخلیه می‌شود تا مکانیزم مغناطیس دائم را فعال کند. نمودار مدار در شکل 3 نشان داده شده است، که در آن C خازن مورد استفاده برای گردانی مکانیزم مغناطیس دائم، R مقاومت معادل سیم پیچ مکانیزم مغناطیس دائم و L القای معادل سیم پیچ را نشان می‌دهد.

ویژگی‌های پویای مکانیزم مغناطیس دائم با یک وضعیت پایدار معادلات دیفرانسیل نشان داده شده در معادله (1) را برآورده می‌کند:

که در آن i جریان باز یا بستن از طریق سیم پیچ (A) است؛ u_C ولتاژ اولیه خازن برق‌دار (V) است؛ R مقاومت معادل سیم پیچ (Ω) است؛ C ظرفیت خازن برق‌دار (F) است؛ ψ مجموع پیوند مغناطیسی سیستم الکترومغناطیسی (Wb) است؛ m جرم معادل قطعات متحرک به مرجع هسته متحرک (kg) است؛ x جابجایی هسته متحرک (m) است؛ v سرعت هسته متحرک (m/s) است؛ F_x نیروی الکترومغناطیسی وارد بر هسته متحرک (N) است؛ F_f نیروی مقاومتی وارد بر هسته متحرک (N) است. حل این دستگاه معادلات ویژگی‌های پویای مکانیزم مغناطیس دائم را نتیجه می‌دهد.

3. هم‌ارزی نیروی مقاومتی

نیروهای مقاومتی اصلی در برشکن حلقه‌ای شامل فشار تماس خاموش‌کننده قوس و نیروی فنر بازشدن مکانیزم مغناطیس دائم هستند. این نیروهای مقاومتی به هسته متحرک مکانیزم مغناطیس دائم هم‌ارز شده‌اند. خاموش‌کننده قوس دارای فاصله باز 9.5 میلی‌متر و حرکت اضافی 2.5 میلی‌متر است، با کل ضربه مکانیزم 12 میلی‌متر. نیروهای مقاومتی فنر بازشدن و فنر تماس بر اساس مسافت حرکت مکانیزم مغناطیس دائم اندازه‌گیری می‌شوند و منحنی نیروی مقاومتی بر اساس داده‌های خاص رسم می‌شود. نقاط دقیق هم‌ارزی نیروی مقاومتی در جدول 1 نشان داده شده است.

4. ایجاد مدل شبیه‌سازی

ویژگی‌های پویای مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم با استفاده از روش المان محدود (FEM) حل می‌شود. اصل اساسی FEM تقسیم کردن دامنه پیوسته راه‌حل به تعداد محدودی المان‌ها است که در گره‌ها به هم متصل هستند. پس از تحلیل المان‌های فردی، یک ترکیب کلی انجام می‌شود و شرایط مرزی اعمال می‌شوند، با راه‌حل نهایی از طریق محاسبات کامپیوتری به دست می‌آید. در این مطالعه، از نرم‌افزار شبیه‌سازی المان محدود Ansoft برای ایجاد مدل شبیه‌سازی مکانیزم مغناطیس دائم استفاده شده و پارامترهای مواد اجزای آن تعیین شده است. ماده مغناطیس دائم NdFe35 و ماده یوک NdFe35 تعریف شده است.

در ادامه، پارامترهای سیم پیچ تعیین می‌شوند: ولتاژ شارژ خازن 110 V، ظرفیت 0.047 F، مقاومت DC سیم پیچ 5 Ω، تعداد دور 500 و القای 0.0143 H. چون مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم از نوع یک وضعیت پایدار است، عملیات بازشدن توسط نیروی فنر بازشدن گردانی می‌شود. بنابراین، فقط یک جریان معکوس کوچک نیاز است تا یک پیوند مغناطیسی معکوس ایجاد کند تا پیوند مغناطیسی تولید شده توسط مغناطیس دائم را لغو کند و مکانیزم را تحت نیروی مقاومت فنر باز کند. برای کاهش پیوند مغناطیسی معکوس مورد نیاز، پس از شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های گسترده، یک مقاومت DC 5 Ω به صورت سری در مدار گردان بازشدن اضافه شده است.

در نهایت، مدل‌سازی سطحی و حجمی و شبکه‌بندی مکانیزم مغناطیس دائم انجام می‌شود. یک شبکه نسبتاً چگال برای اجزای مغناطیسی کلیدی مانند هسته متحرک، پوشش‌های مغناطیسی، یوک و مغناطیس دائم اعمال می‌شود، در حالی که یک شبکه خشن‌تر برای قطعات غیرمغناطیسی استفاده می‌شود.

5. تحلیل نتایج شبیه‌سازی و آزمایشی

ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم با ترکیب شبیه‌سازی‌های Ansoft و آزمون‌های محصول واقعی، با تمرکز بر ویژگی‌های جریان بستن و بازشدن و ویژگی‌های ضربه، تحلیل می‌شود. شکل 5 منحنی جریان بستن شبیه‌سازی شده را نشان می‌دهد که جریان اوج 13.2 A دارد. شکل 6 جریان بستن اندازه‌گیری شده با اسکوپ را نشان می‌دهد که جریان اندازه‌گیری شده 14.2 A است. شکل 7 منحنی ضربه بستن شبیه‌سازی شده را نشان می‌دهد که سرعت بستن (سرعت میانگین در آخرین 6 میلی‌متر قبل از بستن تماس) 0.8 m/s است. شکل 8 سرعت بستن اندازه‌گیری شده با اسکوپ را نشان می‌دهد که 0.75 m/s است. نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های مکانیکی بستن مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم طراحی شده برای RMU عایق‌شده جامد نیازهای تجهیزات برشکن را برآورده می‌کند و خطای بین نتایج شبیه‌سازی و آزمایشی در محدوده قابل قبول طراحی قرار دارد.

6. نتیجه‌گیری

این مقاله یک مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم برای واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده جامد طراحی کرده است. جریان‌های بستن و بازشدن و ویژگی‌های مکانیکی ضربه مکانیزم با استفاده از شبیه‌سازی کامپیوتری و آزمون محصول واقعی تحلیل و مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که مدل شبیه‌سازی ویژگی‌های پویای ایجاد شده می‌تواند به عنوان یک پایه نظری برای طراحی عملی مکانیزم‌های مغناطیس دائم استفاده شود. مکانیزم مغناطیس دائم مستقیم برای استفاده در واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده جامد مناسب است، با جریان گردان کم و عملکرد مکانیکی عالی مانند سرعت‌های بستن و بازشدن، کاملاً نیازهای فنی را برآورده می‌کند. این مکانیزم همچنین پایه فنی برای توسعه آینده سوئیچ‌های انتخاب فاز همزمان با ولتاژ بالا فراهم می‌کند.