Ontwerp en simulatie van directwerkende permanente magneetmechanismen voor vaste-geïsoleerde RMU's

1. Ontwerp van permanente magneetmechanisme

Vanwege de hoge vraag naar miniaturisatie in vaste-geïsoleerde ringhoofdschakelaars (RMUs), kunnen traditionele enkelvoudige permanente magneetmechanismen met driefase-vergrendeling niet aan de algemene miniaturisatie-eisen van het apparaat voldoen. Daarom wordt in dit verband een permanente magneetmechanisme ontworpen met een onafhankelijke driefase directe werking. Elke fase van de boogdoofkamer is integraal gegoten met het gietlichaam van de RMU en verbonden met het permanente magneetmechanisme via een isolerende staaf in een lineaire configuratie. De veer voor de openingskracht is geplaatst op de aandrijfas van elk permanente magneetmechanisme per fase. De algemene structuur van een enkelvoudig direct werkend permanente magneetmechanisme wordt weergegeven in Figuur 1, en het montage-schematische diagram binnen de vaste-geïsoleerde RMU is afgebeeld in Figuur 2.

2. Wiskundig model van het aandrijfcircuit van het permanente magneetmechanisme

Het hier ontworpen direct werkende permanente magneetmechanisme is gebaseerd op het principe van een enkelstabiel permanente magneetmechanisme. Het maakt gebruik van een aandrijfmethode waarbij een geladen condensator wordt ontladen om het permanente magneetmechanisme te activeren. Het schema van het circuit is weergegeven in Figuur 3, waarbij C de condensator voorstelt die wordt gebruikt om het permanente magneetmechanisme te aandrijven, R de equivalente weerstand van de spoel van het permanente magneetmechanisme aangeeft, en L de equivalente inductie van de spoel aangeeft.

De dynamische kenmerken van het enkelstabiele permanente magneetmechanisme voldoen aan het systeem van differentiaalvergelijkingen zoals weergegeven in vergelijking (1):

waarbij i de stroom door de spoel tijdens het openen of sluiten (A) is; u_C de initiële spanning van de laadcondensator (V); R de equivalente weerstand van de spoel (Ω); C de capaciteit van de laadcondensator (F); ψ de totale magnetische fluxlinkage van het elektromagnetische systeem (Wb); m de equivalente massa van de bewegende delen verwijst naar de bewegende kern (kg); x de verplaatsing van de bewegende kern (m); v de snelheid van de bewegende kern (m/s); F_x de elektromagnetische kracht die op de bewegende kern werkt (N); F_f de tegenwerkende kracht op de bewegende kern (N). Oplossing van dit stelsel van vergelijkingen levert de dynamische kenmerken van het permanente magneetmechanisme op.

3. Equivalentie van tegengestelde krachten

De belangrijkste tegengestelde krachten in de hoofdschakelaar van de ring zijn de contactdruk van de boogdoofkamer en de openingsveerkraft van het permanente magneetmechanisme. Deze tegengestelde krachten worden equivalent gewezen naar de bewegende kern van het permanente magneetmechanisme. De boogdoofkamer heeft een contactopening van 9,5 mm en een overreiking van 2,5 mm, met een totale mechanische slag van 12 mm. De tegengestelde krachten van de openingsveer en de contactveer worden gemeten volgens de bewegingsslag van het permanente magneetmechanisme, en de tegengestelde krachtkromme wordt getekend op basis van specifieke gegevens. De gedetailleerde equivalentiepunten van de tegengestelde krachten staan in Tabel 1.

4. Opzetten van simulatiemodel

De dynamische kenmerken van het direct werkende permanente magneetmechanisme worden opgelost met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM). Het basiselement van FEM is om het continue oplossingsgebied te discretiseren in een eindig aantal elementen die verbonden zijn op knooppunten. Na analyse van individuele elementen wordt een globale assemblage uitgevoerd, en worden randvoorwaarden toegepast, waarna de uiteindelijke oplossing via computerberekening wordt verkregen. In deze studie wordt de Ansoft eindige-elementensimulatiesoftware gebruikt om het simulatiemodel van het permanente magneetmechanisme op te zetten, en worden de materiaalparameters van de componenten ingesteld. Het permanente magneetmateriaal wordt gedefinieerd als NdFe35, en het yokmateriaal als staal-1010.

Daarna worden de spoelparameters toegewezen: de oplaadvoltage van de condensator is 110 V, de capaciteit is 0,047 F, de gelijkstroomweerstand van de spoel is 5 Ω, het aantal windingen is 500, en de inductie is 0,0143 H. Aangezien het direct werkende permanente magneetmechanisme van het enkelstabiele type is, wordt de openingsbeweging aangedreven door de openingsveerkraft. Daarom is slechts een kleine omgekeerde stroom nodig om een omgekeerde magnetische flux te genereren om de flux geproduceerd door het permanente magneet te annuleren, waardoor het mechanisme onder de tegengestelde kracht van de veer kan openen. Om de vereiste omgekeerde magnetische flux te verkleinen, werd na uitgebreide simulaties en tests een 5 Ω gelijkstroomweerstand in serie toegevoegd in het openingsaandrijfcircuit.

Ten slotte wordt oppervlakte- en massamodellering en rastering uitgevoerd op het permanente magneetmechanisme. Een relatief dicht raster wordt toegepast op cruciale magnetische componenten zoals de bewegende kern, magnetische eindpluggen, yok en permanente magneet, terwijl een grover raster wordt gebruikt voor niet-magnetische delen.

5. Analyse van simulatie- en experimentele resultaten

De elektrische en mechanische kenmerken van het direct werkende permanente magneetmechanisme worden geanalyseerd door Ansoft-simulaties te combineren met daadwerkelijke producttests, met focus op de sluit- en openstroom en slagkenmerken. Figuur 5 toont de gesimuleerde sluitstroomcurve, met een piekstroom van 13,2 A. Figuur 6 toont de oscilloscoop-gemeten sluitstroom, met een gemeten piek van 14,2 A. Figuur 7 presenteert de gesimuleerde sluitstroomcurve, met een sluitsnelheid (gemiddelde snelheid over de laatste 6 mm voordat het contact sluit) van 0,8 m/s. Figuur 8 toont de oscilloscoop-gemeten sluitsnelheid, die 0,75 m/s bedraagt. De resultaten laten zien dat de mechanische kenmerken van het ontworpen direct werkende permanente magneetmechanisme voor de vaste-geïsoleerde ringhoofdschakelaar voldoen aan de eisen van schakelapparatuur, en dat de fout tussen de simulatie- en experimentele resultaten binnen de aanvaardbare ontwerpbereik valt.

6. Conclusie

In dit artikel is een direct werkend permanente magneetmechanisme ontworpen voor vaste-geïsoleerde ringhoofdschakelaars. De sluit- en openstromen en de mechanische slagkenmerken van het mechanisme werden geanalyseerd en vergeleken met behulp van computersimulaties en daadwerkelijke producttests. De resultaten laten zien dat het opgezette dynamische kenmerksimulatiemodel kan dienen als theoretische basis voor praktisch permanente magneetmechanisme-ontwerp. Het direct werkende permanente magneetmechanisme is zeer geschikt voor gebruik in vaste-geïsoleerde ringhoofdschakelaars, met lage aandrijfstroom en uitstekende mechanische prestaties zoals sluit- en opensnelheden, die volledig aan technische eisen voldoen. Het biedt ook een technische basis voor de toekomstige ontwikkeling van hoogspannings synchrone fasenselectieschakelaars.