Dizajn i simulacija mehanizama s trajećim magnetima za neposredno djelovanje za čvrsto izolirane RMU-ove

1. Dizajn mehanizma trajnog magnetskog mehanizma

Zbog visokog zahtjeva za miniaturizacijom čvrsto izoliranih kružnih glavnih jedinica (RMU), tradicionalni mehanizmi s trajnim magnetom s trofaznim interlokiram ne mogu ispuniti opće zahtjeve za miniaturizaciju opreme. Stoga, dizajniran je mehanizam s trajnim magnetom s trofaznom nezavisnom direktnom strukturom. Svaka faza aparatne komore za gasenje lukova integrirana je sa litinim tijelom RMU i povezana s mehanizmom trajnog magnetskog mehanizma putem izolacijske štapa u linearnoj konfiguraciji. Protusila otvaranja smještena su na pogonskoj osi svake faze trajnog magnetskog mehanizma. Ukupna struktura jednog direktnog mehanizma s trajnim magnetom prikazana je na slici 1, a njegov shemički prikaz unutar čvrsto izolirane RMU prikazan je na slici 2.

2. Matematički model pogonske kruga mehanizma s trajnim magnetom

Direktni mehanizam s trajnim magnetom dizajniran je na principu mehanizma s trajnim magnetom s jednostrukom stabilnom stanjem. Koristi se metoda pogona gdje se nabijena kondenzatorica razriješava kako bi aktivirala mehanizam s trajnim magnetom. Shema kruga prikazana je na slici 3, gdje C predstavlja kondenzatoricu za pogon mehanizma s trajnim magnetom, R označava ekvivalentni otpor bobine mehanizma s trajnim magnetom, a L označava ekvivalentnu induktivnost bobine.

Dinamičke karakteristike mehanizma s trajnim magnetom s jednostrukim stabilnim stanjem zadovoljavaju sustav diferencijalnih jednadžbi prikazanih u jednadžbi (1):

gdje i je struja otvaranja ili zatvaranja kroz bobinu (A); u_C je početni napon nabijene kondenzatorice (V); R je ekvivalentni otpor bobine (Ω); C je kapacitet nabijene kondenzatorice (F); ψ je ukupna magnetostruja elektromagnetskog sustava (Wb); m je ekvivalentna masa pokretnih dijelova referentna na pokretno jezgro (kg); x je pomak pokretnog jezgra (m); v je brzina pokretnog jezgra (m/s); F_x je elektromagnetska sila koja djeluje na pokretno jezgro (N); F_f je protusila na pokretno jezgro (N). Rješavanjem ovog sustava jednadžbi dobivaju se dinamičke karakteristike mehanizma s trajnim magnetom.

3. Ekvivalencija protusila

Glavna protusila u prekidaču kružne glavne jedinice uključuju tlak kontakata u aparatnoj komori za gasenje luka i protusilu otvaranja mehanizma s trajnim magnetom. Ova protusila ekvivalentno se odnose na pokretno jezgro mehanizma s trajnim magnetom. Aparatna komora za gasenje luka ima otvoreni kontakt udaljenosti od 9,5 mm i pretlak od 2,5 mm, s ukupnim hodnikom mehanizma od 12 mm. Protusile otvaranja pruge i kontakta mjereni su prema hodniku pokreta mehanizma s trajnim magnetom, a krivulja protusila crta se temeljem specifičnih podataka. Detaljne točke ekvivalencije protusila prikazane su u tablici 1.

4. Postavljanje simulacijskog modela

Dinamičke karakteristike direktnog mehanizma s trajnim magnetom rješavaju se metodom konačnih elemenata (FEM). Osnovni princip FEM-a je diskretizacija neprekidnog područja rješenja u konačan broj elemenata povezanih na čvorovima. Nakon analize pojedinih elemenata, vrši se globalna asambliranja, primjenjuju se granicne uvjete, a konačno rješenje dobiva se putem računalnog izračuna. U ovom istraživanju koristi se Ansoft softver za simulaciju konačnih elemenata kako bi se postavio simulacijski model mehanizma s trajnim magnetom, te se postavljaju materijalni parametri njegovih komponenti. Materijal trajnog magnetskog materijala definiran je kao NdFe35, a materijal jarišta kao čelik-1010.

Nakon toga, dodefiniraju se parametri bobine: napon nabijanja kondenzatorice je 110 V, kapacitet je 0,047 F, DC otpor bobine je 5 Ω, broj zavojnica je 500, a induktivnost je 0,0143 H. Budući da je direktni mehanizam s trajnim magnetom tipa s jednostrukim stabilnim stanjem, operacija otvaranja pokrećena je protusilom otvaranja. Stoga je potrebna samo mala obrnuta struja kako bi se generirao obrnuti magnetski tok koji otkazuje tok proizveden od trajnog magnetskog materijala, omogućujući mehanizmu otvaranje pod protusilom pruge. Kako bi se smanjio potreban obrnuti magnetski tok, nakon širokog simuliranja i testiranja, dodan je 5 Ω DC otpornik u seriju u pogonskom krugu otvaranja.

Na kraju, vrši se površinsko i solidno modeliranje i mreženje mehanizma s trajnim magnetom. Relativno gusto mreže se primjenjuje na ključne magnetske komponente poput pokretnog jezgra, magnetskih kape, jarišta i trajnog magnetskog materijala, dok se za nemagnetske dijelove koristi ruža mreža.

5. Analiza simulacijskih i eksperimentalnih rezultata

Električke i mehaničke karakteristike direktnog mehanizma s trajnim magnetom analiziraju se kombiniranjem Ansoft simulacija s stvarnim testiranjem proizvoda, fokusirajući se na zatvaranje i otvaranje struje i karakteristike hoda. Slika 5 prikazuje simuliranu krivulju zatvaranja struje, s vrhunskom strujom od 13,2 A. Slika 6 prikazuje osciloskop-mjerenu struju zatvaranja, s mjerenoj vrhunskom strujom od 14,2 A. Slika 7 prikazuje simuliranu krivulju hoda zatvaranja, s brzinom zatvaranja (prosječnom brzinom u posljednjih 6 mm prije zatvaranja kontakta) od 0,8 m/s. Slika 8 prikazuje osciloskop-mjerenu brzinu zatvaranja, koja iznosi 0,75 m/s. Rezultati pokazuju da mehaničke karakteristike zatvaranja dizajniranog direktnog mehanizma s trajnim magnetom za čvrsto izoliranu kružnu glavnu jedinicu zadovoljavaju zahtjeve za aparaturom, a greška između simulacije i eksperimentalnih rezultata upada u prihvatljivi raspon dizajna.

6. Zaključak

Ovaj rad dizajnira direktni mehanizam s trajnim magnetom za čvrsto izolirane kružne glavne jedinice. Struje zatvaranja i otvaranja te mehaničke karakteristike hoda mehanizma analizirane su i uspoređene pomoću računalne simulacije i stvarnog testiranja proizvoda. Rezultati pokazuju da postavljeni simulacijski model dinamičkih karakteristika može služiti kao teorijska baza za praktični dizajn mehanizama s trajnim magnetom. Direktni mehanizam s trajnim magnetom dobro se koristi u čvrsto izoliranim kružnim glavnim jedinicama, s niskom pogonskom strujom i odličnim mehaničkim performansama poput brzina zatvaranja i otvaranja, potpuno ispunjavajući tehničke zahtjeve. Također pruža tehničku osnovu za budući razvoj visokonaponskih sinkronih uređaja za odabir faze.