Design og simulering av direkteverkende permanente magnetmekanismer for fastisolerte RMUer

1. Design av permanentmagnetmekanisme

På grunn av den høye etterspørselen etter miniaturisering i ringhovedenheter (RMUs) med fast isolasjon, kan tradisjonelle enkeltstående permanentmagnetmekanismer med faserinterlås ikke oppfylle det overordnede kravet til miniaturisering av utstyret. Derfor bruker permanentmagnetmekanismen som er designet i denne sammenheng, en trefaseuavhengig direkteverkende struktur. Enhver fases bueutslukningskammerenhet er integrert kastet med RMU-kroppen og koblet til permanentmagnetmekanismen via en isolerende stav i en lineær konfigurasjon. Åpningsmotstandsspringen er plassert på drivakselen for hver fases permanentmagnetmekanisme. Den totale strukturen av en enkelt direkteverkende permanentmagnetmekanisme vises i figur 1, og dens monterings-skisse innenfor RMU-en med fast isolasjon illustreres i figur 2.

2. Matematisk modell av drivekretsen for permanentmagnetmekanismen

Den direkteverkende permanentmagnetmekanismen som er designet her, baserer seg på prinsippet om en enestabil permanentmagnetmekanisme. Den bruker en drivemetode der en opladet kondensator slipper for å aktiver permanentmagnetmekanismen. Kretsdiagrammet vises i figur 3, hvor C representerer kondensatoren som brukes for å drive permanentmagnetmekanismen, R angir den ekvivalente motstanden i spolen til permanentmagnetmekanismen, og L indikerer den ekvivalente induktansen i spolen.

De dynamiske egenskapene til den enestabile permanentmagnetmekanismen tilfredsstiller systemet av differensialligninger vist i ligning (1):

der i er strømmen gjennom spolen ved åpning eller stenging (A); u_C er den initielle spenningen av opladningskondensatoren (V); R er den ekvivalente motstanden i spolen (Ω); C er kapasitansen til opladningskondensatoren (F); ψ er den totale magnetiske flakslenkelsen i elektromagnetiske systemet (Wb); m er den ekvivalente massen av bevegelige deler referert til den bevegelige kjernen (kg); x er forskyvningen av den bevegelige kjernen (m); v er hastigheten til den bevegelige kjernen (m/s); F_x er den elektromagnetiske kraften som virker på den bevegelige kjernen (N); F_f er motvirken på den bevegelige kjernen (N). Ved å løse dette systemet av ligninger får man de dynamiske egenskapene til permanentmagnetmekanismen.

3. Motkraftsligning

De hovedmotkreftene i ringhovedenhets bryter inkluderer kontakttrykket i bueutslukningskammeret og åpningsfjederkraften i permanentmagnetmekanismen. Disse motkreftene henvises ekvivalent til den bevegelige kjernen i permanentmagnetmekanismen. Bueutslukningskammeret har en kontaktåpningsavstand på 9,5 mm og en overreise på 2,5 mm, med en total mekanisk slaglengde på 12 mm. Motkrefter fra åpningsfjederen og kontaktfjederen måles etter bevegelseslaget til permanentmagnetmekanismen, og motkraftskurven tegnes basert på spesifikk data. De detaljerte likverdighetspunktene for motkrefter vises i tabell 1.

4. Oppsett av simuleringmodell

De dynamiske egenskapene til den direkteverkende permanentmagnetmekanismen løses ved hjelp av endelig-element-metoden (FEM). Det grunnleggende prinsippet for FEM er å diskretisere det kontinuerlige løsningsområdet i et begrenset antall elementer koblet sammen ved noder. Etter individuell elementanalyse utføres en global sammensetning, og grensekondisjoner anvendes, med den endelige løsningen oppnådd gjennom datamaskinberegning. I denne studien brukes Ansofts endelig-element-simuleringsprogramvare for å etablere simuleringmodellen av permanentmagnetmekanismen, og materialparametrene for komponentene settes. Permanentmagnetmateriale defineres som NdFe35, og yoke-materiale som stål-1010.

Deretter tildeles spoleparametrene: opladningsspenningen til kondensatoren er 110 V, kapasitansen er 0,047 F, spolens likestrømsmotstand er 5 Ω, antallet vikninger er 500, og induktansen er 0,0143 H. Siden den direkteverkende permanentmagnetmekanismen er av enestabil type, drives åpningshandlingen av åpningsfjederkraften. Derfor trengs bare en liten motsatt rettet strøm for å generere en motsatt rettet magnetisk flaks for å nullstille flaksen produsert av permanentmagneten, slik at mekanismen kan åpnes under fjederens motkraft. For å redusere den nødvendige motsatte magnetiske flaksen, ble etter omfattende simulering og testing, en 5 Ω likestrømsmotstand lagt i serie i åpningens drivekrets.

Til slutt utføres overflate- og solidmodellering og nettverksoppløsning av permanentmagnetmekanismen. En relativt tett nettverksoppløsning brukes på nøkkelmagnetiske komponenter som den bevegelige kjernen, magnetiske endekapper, yoke og permanentmagnet, mens en grovere nettverksoppløsning brukes for ikke-magnetiske deler.

5. Analyse av simulering og eksperimentelle resultater

Elektriske og mekaniske egenskaper til den direkteverkende permanentmagnetmekanismen analyseres ved å kombinere Ansoft-simuleringer med faktiske produkttester, med fokus på strøm- og slaglengdeegenskaper ved stenging og åpning. Figur 5 viser den simulerede strømkurven ved stenging, med en toppstrøm på 13,2 A. Figur 6 viser den oscilloskopmålte strømen ved stenging, med en målt topp på 14,2 A. Figur 7 viser den simulerede slaglengdekurven ved stenging, som gir en stengingshastighet (gjennomsnittlig hastighet over de siste 6 mm før kontaktstenging) på 0,8 m/s. Figur 8 viser den oscilloskopmålte stengingshastigheten, som er 0,75 m/s. Resultatene indikerer at de mekaniske egenskapene ved stenging for den designede direkteverkende permanentmagnetmekanismen for ringhovedenheten med fast isolasjon oppfyller kravene til skruvedrift, og feilen mellom simulering og eksperimentelle resultater ligger innenfor akseptabelt designdomene.

6. Konklusjon

Denne artikkelen har designet en direkteverkende permanentmagnetmekanisme for ringhovedenheter med fast isolasjon. Strøm- og mekaniske slaglengdeegenskaper ved stenging og åpning av mekanismen analysert og sammenlignet ved hjelp av datamaskinsimulering og faktiske produkttester. Resultatene viser at den etablerte simuleringmodellen for dynamiske egenskaper kan fungere som teoretisk grunnlag for praktisk design av permanentmagnetmekanismer. Den direkteverkende permanentmagnetmekanismen er godt egnet for bruk i ringhovedenheter med fast isolasjon, med lav driftstrøm og fremragende mekanisk ytelse som stenging- og åpningshastigheter, fullt oppfyller tekniske krav. Den gir også et teknisk grunnlag for fremtidig utvikling av høyspennings-synkron fasevalgbrytere.