Дизајн и симулација директно делуващи механизми со постојан магнет за тврдо изолирани RMU-еви

1. Дизајн на механизам со постојан магнет

Због големата потреба за миниатуризација на тврдо-изолирани прстенични главни јазичњачки (RMU), традиционалните механизми со постојан магнет со трифазно поврзување не можат да задоволат целостните барања за миниатуризација на опремата. Затоа, дизајнираните механизми со постојан магнет во овој контекст користат трифазна независна директна структура. Едничкиот агент за угашување на дуг на секоја фаза е целински отлита со телото на отливката на RMU и се поврзува со механизмот со постојан магнет преку изолаторска штапа во линеарна конфигурација. Противодействувачкиот виткач за отварање е поставен на водечкиот валец на механизмот со постојан магнет на секоја фаза. Целостната структура на еден директен механизам со постојан магнет е прикажана на Слика 1, а схематичниот дијаграм на неговата собирање во тврдо-изолираниот RMU е прикажан на Слика 2.

2. Математички модел на управувачкиот кружник на механизмот со постојан магнет

Дизајнираниот директен механизам со постојан магнет е заснован на принципот на механизмот со постојан магнет со една стабилна состојба. Исползува метод на управување каде што капацитетот под напон го разрачува за активирање на механизмот со постојан магнет. Дијаграмот на кружницата е прикажан на Слика 3, каде што C претставува капацитетот користен за управување на механизмот со постојан магнет, R претставува еквивалентната резистенција на виткот на механизмот со постојан магнет, а L претставува еквивалентната индуктивност на виткот.

Динамичките карактеристики на механизмот со постојан магнет со една стабилна состојба задоволуваат системот на диференцијални равенки прикажани во Равенка (1):

каде што i е стројниот ток за затворање или отварање на виткот (А); u_C е почетниот напон на капацитетот (В); R е еквивалентната резистенција на виткот (Ω); C е капацитетот на капацитетот (Ф); ψ е вкупниот магнетен флуид на електромагнетниот систем (Вб); m е еквивалентната маса на движечки делови референтни на движечкиот јадер (кг); x е преместувањето на движечкиот јадер (м); v е брзината на движечкиот јадер (м/с); F_x е електромагнетната сила која дејствува на движечкиот јадер (Н); F_f е противодействувачката сила на движечкиот јадер (Н). Решавањето на овој систем на равенки дава динамичките карактеристики на механизмот со постојан магнет.

3. Еквивалентност на противодействие

Главните противодействива во прстеничниот главен јазичњачки вклучуваат притисокот на контактите во агенцијата за угашување на дуг и противодействивата сила на виткот за отварање на механизмот со постојан магнет. Овие противодействива се еквивалентно препорачани на движечкиот јадер на механизмот со постојан магнет. Агенцијата за угашување на дуг има оддалеченост на отварање на контакти од 9,5 мм и преход од 2,5 мм, со вкупен ход на механизмот од 12 мм. Противодействивата сила на виткот за отварање и контактниот виткач се мери според ходот на движење на механизмот со постојан магнет, и се црта кривата на противодействие на основа на специфични податоци. Подетални точки на еквивалентност на противодействие се прикажани во Табела 1.

4. Устанување на симулационен модел

Динамичките карактеристики на директните механизми со постојан магнет се решаваат со користење на методот на коначни елементи (FEM). Основниот принцип на FEM е да се дискретизира непрекинатата област на решение во коначен број на елементи поврзани на чворови. Постојаната област на решение се анализира на индивидуални елементи, се врши глобална собирање, се применуваат гранични услови, а финалното решение се добива преку компјутерско пресметување. Во ова истражување, користи се софтверот за симулација на коначни елементи Ansoft за устанување на симулациониот модел на механизмот со постојан магнет, и се поставуваат материјални параметри на неговите компоненти. Материјалот на постојаниот магнет е дефиниран како NdFe35, а материјалот на јадрото како стал-1010.

Следно, се додељуваат параметрите на виткот: напонот на капацитетот е 110 В, капацитетот е 0,047 Ф, DC резистенцијата на виткот е 5 Ω, бројот на обиколки е 500, а индуктивноста е 0,0143 Х. Бидејќи директниот механизам со постојан магнет е од тип со една стабилна состојба, операцијата за отварање е подтикнување од противодействивата сила на виткот за отварање. Затоа, потребен е само мал обратен ток за да се генерира обратен магнетен флуид за отмена на флуидот производен од постојаниот магнет, што овозможува工作机制如下：直接作用永磁机构的设计基于单稳态永磁机构的原理，采用电容放电驱动方式。电路图如图3所示，其中C代表用于驱动永磁机构的电容器，R表示永磁机构线圈的等效电阻，L表示线圈的等效电感。 单稳态永磁机构的动力学特性满足方程（1）所示的微分方程组： \[ \begin{cases} i = C\frac{du_C}{dt} \\ u_C = Ri + L\frac{di}{dt} + \psi \\ m\frac{d^2x}{dt^2} + F_f = F_x \\ \end{cases} \] 其中，\(i\) 是通过线圈的开合电流（A）；\(u_C\) 是充电电容器的初始电压（V）；R是线圈的等效电阻（Ω）；C是充电电容器的电容（F）；ψ是电磁系统的总磁链（Wb）；m是运动部件相对于动铁芯的等效质量（kg）；x是动铁芯的位移（m）；v是动铁芯的速度（m/s）；\(F_x\) 是作用在动铁芯上的电磁力（N）；\(F_f\) 是动铁芯上的反作用力（N）。解这个方程组可以得到永磁机构的动力学特性。 接下来，对永磁机构进行表面和实体建模及网格划分。对关键磁性部件如动铁芯、磁端盖、轭铁和永磁体应用较密的网格，而非磁性部件则使用较粗的网格。 ### 5. 仿真与实验结果分析 通过结合Ansoft仿真与实际产品测试，分析了直接作用永磁机构的电气和机械特性，重点是闭合和开启电流及行程特性。图5显示了仿真的闭合电流曲线，峰值电流为13.2 A。图6显示了示波器测量的闭合电流，测得峰值为14.2 A。图7展示了仿真的闭合行程曲线，闭合速度（接触闭合前最后6 mm的平均速度）为0.8 m/s。图8显示了示波器测量的闭合速度，为0.75 m/s。结果表明，设计的直接作用永磁机构的闭合机械特性满足开关设备的要求，仿真与实验结果之间的误差在可接受的设计范围内。 ### 6. 结论 本文设计了一种适用于固体绝缘环网柜的直接作用永磁机构。通过计算机仿真和实际产品测试，分析并比较了该机构的闭合和开启电流及机械行程特性。结果表明，建立的动力学特性仿真模型可以作为实际永磁机构设计的理论基础。直接作用永磁机构非常适合用于固体绝缘环网柜，具有低驱动电流和优异的机械性能，如闭合和开启速度，完全满足技术要求。它还为未来高压同步选相开关的发展提供了技术基础。 该段落翻译成马其顿语应为： ### 5. Анализа на симулација и експериментални резултати Електричните и механичките карактеристики на директните механизми со постојан магнет се анализираат со комбинирање на симулации со Ansoft и тестови на вистински продукти, со фокус на токот за затворање и отварање и карактеристиките на ходот. Слика 5 прикажува симулираната крива на токот за затворање, со пиков ток од 13,2 А. Слика 6 прикажува токот за затворање мерен со осцилоскоп, со мерен пиков ток од 14,2 А. Слика 7 прикажува симулираната крива на ходот за затворање, со брзина на затворање (просечна брзина на последните 6 мм пред затворање) од 0,8 м/с. Слика 8 прикажува мерената брзина на затворање со осцилоскоп, која изнесува 0,75 м/с. Резултатите покажуваат дека механичките карактеристики на затворање на дизајнираниот директен механизам со постојан магнет за тврдо-изолирани прстенични главни јазичњачки задоволуваат барањата на превключувачката опрема, а грешката помеѓу симулација и експериментални резултати е во прифатливата област на дизајн. ### 6. Заклучок Овој труд дизајнира директен механизам со постојан магнет за тврдо-изолирани прстенични главни јазичњачки. Со користење на компјутерска симулација и тестови на вистински продукти, се анализираа и споредија токот за затворање и отварање и механичките карактеристики на ходот на механизмот. Резултатите покажуваат дека установениот симулационен модел на динамичките карактеристики може да служи како теоретска основа за практичниот дизајн на механизми со постојан магнет. Директните механизми со постојан магнет се добро прилагодени за користење во тврдо-изолирани прстенични главни јазичњачки, со ниски ток за управување и одлични механички перформанси како брзина на затворање и отварање, потполно задоволувајќи техничките барања. Тоа исто така му дозволува да служи како техничка основа за било која будуќа разработка на високонапонски синхронизирани превключувачки избори.