Progettazione e Simulazione di Meccanismi a Magnete Permanente ad Azione Diretta per RMU Isolate Solidamente
1.Progettazione del meccanismo a magnete permanente
A causa della forte richiesta di miniaturizzazione nelle unità principali ad anello (RMU) a isolamento solido, i tradizionali meccanismi a magnete permanente con interblocco trifase non riescono a soddisfare le esigenze complessive di miniaturizzazione dell'equipaggiamento. Pertanto, il meccanismo a magnete permanente progettato in questo contesto adotta una struttura diretta indipendente trifase. Ogni unità di camera di estinzione d'arco è fusa integralmente con il corpo fondito della RMU e collegata al meccanismo a magnete permanente tramite un perno isolante in configurazione lineare. La molla di contropressione di apertura è posizionata sull'albero motore di ciascun meccanismo a magnete permanente trifase. La struttura complessiva di un singolo meccanismo a magnete permanente diretto è mostrata nella Figura 1, e lo schema di assemblaggio all'interno della RMU a isolamento solido è illustrato nella Figura 2.
2.Modello matematico del circuito di pilotaggio del meccanismo a magnete permanente
Il meccanismo a magnete permanente diretto progettato qui si basa sul principio di un meccanismo a magnete permanente monostabile. Utilizza un metodo di pilotaggio in cui un condensatore carico scarica l'energia per attivare il meccanismo a magnete permanente. Il diagramma del circuito è mostrato nella Figura 3, dove C rappresenta il condensatore utilizzato per pilotare il meccanismo a magnete permanente, R indica la resistenza equivalente della bobina del meccanismo a magnete permanente, e L indica l'induttanza equivalente della bobina.
Le caratteristiche dinamiche del meccanismo a magnete permanente monostabile soddisfano il sistema di equazioni differenziali mostrato nell'Equazione (1):
dove i è la corrente di apertura o chiusura attraverso la bobina (A); uC è la tensione iniziale del condensatore carico (V); R è la resistenza equivalente della bobina (Ω); C è la capacità del condensatore carico (F); ψ è il flusso magnetico totale del sistema elettromagnetico (Wb); m è la massa equivalente delle parti mobili riferita al nucleo mobile (kg); x è lo spostamento del nucleo mobile (m); v è la velocità del nucleo mobile (m/s); Fx è la forza elettromagnetica agente sul nucleo mobile (N); Ff è la forza contraria sul nucleo mobile (N). Risolvendo questo sistema di equazioni si ottengono le caratteristiche dinamiche del meccanismo a magnete permanente.
3.Equivalenza delle forze contrarie
Le principali forze contrarie nel disgiuntore dell'unità principale ad anello includono la pressione dei contatti della camera di estinzione d'arco e la forza della molla di apertura del meccanismo a magnete permanente. Queste forze contrarie sono equivalentemente riferite al nucleo mobile del meccanismo a magnete permanente. La camera di estinzione d'arco ha una distanza di apertura dei contatti di 9,5 mm e un sovrapercorso di 2,5 mm, con una corsa totale del meccanismo di 12 mm. Le forze contrarie della molla di apertura e della molla dei contatti vengono misurate in base alla corsa del meccanismo a magnete permanente, e la curva delle forze contrarie viene tracciata in base ai dati specifici. I punti di equivalenza delle forze contrarie dettagliati sono mostrati nella Tabella 1.
4 Stabilimento del modello di simulazione
Le caratteristiche dinamiche del meccanismo a magnete permanente diretto vengono risolte utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM). Il principio fondamentale del FEM consiste nel discretizzare il dominio di soluzione continuo in un numero finito di elementi interconnessi in nodi. Dopo l'analisi individuale degli elementi, viene eseguita un'assemblatura globale, vengono applicate le condizioni al contorno, e la soluzione finale viene ottenuta tramite calcolo al computer. In questo studio, viene utilizzato il software di simulazione agli elementi finiti Ansoft per stabilire il modello di simulazione del meccanismo a magnete permanente, e vengono impostati i parametri materiali dei suoi componenti. Il materiale del magnete permanente è definito come NdFe35, e il materiale della ghiera come acciaio-1010.
Successivamente, vengono assegnati i parametri della bobina: la tensione di carica del condensatore è di 110 V, la capacità è di 0,047 F, la resistenza continua della bobina è di 5 Ω, il numero di spire è di 500, e l'induttanza è di 0,0143 H. Poiché il meccanismo a magnete permanente diretto è di tipo monostabile, l'operazione di apertura è guidata dalla forza della molla di apertura. Pertanto, è necessaria solo una piccola corrente inversa per generare un flusso magnetico inverso che annulli il flusso prodotto dal magnete permanente, consentendo al meccanismo di aprirsi sotto la forza contraria della molla. Per ridurre il flusso magnetico inverso necessario, dopo ampie simulazioni e prove, viene aggiunto in serie un resistore DC da 5 Ω nel circuito di pilotaggio di apertura.
Infine, viene eseguita la modellazione superficiale e solida e la mesh del meccanismo a magnete permanente. Viene applicata una mesh relativamente densa a componenti magnetici chiave come il nucleo mobile, i cappucci magnetici, la ghiera e il magnete permanente, mentre viene utilizzata una mesh più grossolana per le parti non magnetiche.
5 Analisi dei risultati di simulazione e sperimentali
Le caratteristiche elettriche e meccaniche del meccanismo a magnete permanente diretto vengono analizzate combinando le simulazioni Ansoft con i test su prodotti reali, concentrandosi sulle caratteristiche di corrente e corsa di chiusura e apertura. La Figura 5 mostra la curva di corrente di chiusura simulata, con una corrente di picco di 13,2 A. La Figura 6 mostra la corrente di chiusura misurata con l'oscilloscopio, con una corrente di picco misurata di 14,2 A. La Figura 7 presenta la curva di corsa di chiusura simulata, che fornisce una velocità di chiusura (velocità media negli ultimi 6 mm prima della chiusura dei contatti) di 0,8 m/s. La Figura 8 mostra la velocità di chiusura misurata con l'oscilloscopio, che è di 0,75 m/s. I risultati indicano che le caratteristiche meccaniche di chiusura del meccanismo a magnete permanente diretto progettato per l'unità principale ad anello a isolamento solido soddisfano i requisiti degli apparati di commutazione, e l'errore tra i risultati di simulazione e sperimentali rientra nell'intervallo di progettazione accettabile.
6 Conclusione
Questo articolo ha progettato un meccanismo a magnete permanente diretto per unità principali ad anello a isolamento solido. Le correnti di chiusura e apertura e le caratteristiche meccaniche di corsa del meccanismo sono state analizzate e confrontate utilizzando la simulazione al computer e i test su prodotti reali. I risultati dimostrano che il modello di simulazione delle caratteristiche dinamiche stabilito può servire come base teorica per la progettazione pratica del meccanismo a magnete permanente. Il meccanismo a magnete permanente diretto è adatto per l'utilizzo in unità principali ad anello a isolamento solido, presentando una corrente di pilotaggio bassa e prestazioni meccaniche eccellenti come velocità di chiusura e apertura, soddisfacendo pienamente i requisiti tecnici. Fornisce inoltre una base tecnica per lo sviluppo futuro di interruttori di selezione di fase sincronizzati ad alta tensione.
