Projeto e Simulação de Mecanismos de Ímã Permanente de Ação Direta para RMUs com Isolamento Sólido

1. Projeto do Mecanismo de Ímã Permanente

Devido à alta demanda por miniaturização em unidades principais anelares (RMUs) de isolamento sólido, os mecanismos de ímã permanente tradicionais com intertravamento trifásico não podem atender aos requisitos gerais de miniaturização do equipamento. Portanto, o mecanismo de ímã permanente projetado neste contexto adota uma estrutura direta e independente trifásica. Cada unidade de câmara de extinção de arco é fundida integralmente com o corpo de fundição do RMU e conectada ao mecanismo de ímã permanente através de um varão isolante em configuração linear. A mola de contraforça de abertura está posicionada no eixo de acionamento de cada fase do mecanismo de ímã permanente. A estrutura geral de um único mecanismo de ímã permanente direto é mostrada na Figura 1, e seu diagrama esquemático de montagem dentro do RMU de isolamento sólido é ilustrado na Figura 2.

2. Modelo Matemático do Circuito de Acionamento do Mecanismo de Ímã Permanente

O mecanismo de ímã permanente direto projetado aqui é baseado no princípio do mecanismo de ímã permanente de estado único. Ele utiliza um método de acionamento em que um capacitor carregado descarrega para ativar o mecanismo de ímã permanente. O diagrama do circuito é mostrado na Figura 3, onde C representa o capacitor usado para acionar o mecanismo de ímã permanente, R denota a resistência equivalente da bobina do mecanismo de ímã permanente, e L indica a indutância equivalente da bobina.

As características dinâmicas do mecanismo de ímã permanente de estado único satisfazem o sistema de equações diferenciais mostrado na Equação (1):

onde i é a corrente de abertura ou fechamento através da bobina (A); u_C é a tensão inicial do capacitor de carga (V); R é a resistência equivalente da bobina (Ω); C é a capacitância do capacitor de carga (F); ψ é o fluxo magnético total do sistema eletromagnético (Wb); m é a massa equivalente das partes móveis referidas ao núcleo móvel (kg); x é o deslocamento do núcleo móvel (m); v é a velocidade do núcleo móvel (m/s); F_x é a força eletromagnética atuando no núcleo móvel (N); F_f é a força de reação no núcleo móvel (N). Resolvendo este sistema de equações, obtêm-se as características dinâmicas do mecanismo de ímã permanente.

3. Equivalência de Contraforças

As principais contraforças no disjuntor da unidade principal anelar incluem a pressão de contato da câmara de extinção de arco e a força da mola de abertura do mecanismo de ímã permanente. Essas contraforças são equivalentemente referidas ao núcleo móvel do mecanismo de ímã permanente. A câmara de arco tem uma distância de abertura de contato de 9,5 mm e um excesso de curso de 2,5 mm, com um curso total do mecanismo de 12 mm. As contraforças da mola de abertura e da mola de contato são medidas de acordo com o curso de movimento do mecanismo de ímã permanente, e a curva de contraforça é traçada com base em dados específicos. Os pontos de equivalência de contraforça detalhados são mostrados na Tabela 1.

4 Estabelecimento do Modelo de Simulação

As características dinâmicas do mecanismo de ímã permanente direto são resolvidas usando o método dos elementos finitos (FEM). O princípio básico do FEM é discretizar o domínio de solução contínuo em um número finito de elementos interconectados em nós. Após a análise individual dos elementos, realiza-se uma montagem global, aplicam-se as condições de contorno, e a solução final é obtida via computação. Neste estudo, usa-se o software de simulação de elementos finitos Ansoft para estabelecer o modelo de simulação do mecanismo de ímã permanente, e definem-se os parâmetros de material de seus componentes. O material do ímã permanente é definido como NdFe35, e o material do yoke como aço-1010.

Em seguida, atribuem-se os parâmetros da bobina: a tensão de carga do capacitor é de 110 V, a capacitância é de 0,047 F, a resistência DC da bobina é de 5 Ω, o número de espiras é de 500, e a indutância é de 0,0143 H. Como o mecanismo de ímã permanente direto é do tipo de estado único, a operação de abertura é acionada pela força da mola de abertura. Portanto, é necessário apenas uma pequena corrente reversa para gerar um fluxo magnético reverso que cancele o fluxo produzido pelo ímã permanente, permitindo que o mecanismo se abra sob a força de reação da mola. Para reduzir o fluxo magnético reverso necessário, após extensa simulação e teste, adiciona-se um resistor DC de 5 Ω em série no circuito de acionamento de abertura.

Finalmente, realiza-se modelagem de superfície e sólida e malha no mecanismo de ímã permanente. Aplica-se uma malha relativamente densa a componentes magnéticos-chave, como o núcleo móvel, tampas magnéticas, yoke e ímã permanente, enquanto uma malha mais grossa é usada para partes não magnéticas.

5 Análise dos Resultados de Simulação e Experimentais

As características elétricas e mecânicas do mecanismo de ímã permanente direto são analisadas combinando simulações Ansoft com testes de produtos reais, focando nas características de corrente e curso de fechamento e abertura. A Figura 5 mostra a curva simulada de corrente de fechamento, com uma corrente pico de 13,2 A. A Figura 6 mostra a corrente de fechamento medida com osciloscópio, com um pico medido de 14,2 A. A Figura 7 apresenta a curva simulada de curso de fechamento, resultando em uma velocidade de fechamento (velocidade média nos últimos 6 mm antes do fechamento do contato) de 0,8 m/s. A Figura 8 mostra a velocidade de fechamento medida com osciloscópio, que é de 0,75 m/s. Os resultados indicam que as características mecânicas de fechamento do mecanismo de ímã permanente direto projetado para a unidade principal anelar de isolamento sólido atendem aos requisitos dos dispositivos de comutação, e o erro entre os resultados de simulação e experimentais está dentro da faixa de design aceitável.

6 Conclusão

Este artigo projetou um mecanismo de ímã permanente direto para unidades principais anelares de isolamento sólido. As correntes de fechamento e abertura e as características de curso mecânico do mecanismo foram analisadas e comparadas usando simulação de computador e testes de produtos reais. Os resultados mostram que o modelo de simulação de características dinâmicas estabelecido pode servir como base teórica para o projeto prático de mecanismos de ímã permanente. O mecanismo de ímã permanente direto é adequado para uso em unidades principais anelares de isolamento sólido, apresentando baixa corrente de acionamento e excelente desempenho mecânico, como velocidades de fechamento e abertura, atendendo totalmente aos requisitos técnicos. Também fornece uma base técnica para o desenvolvimento futuro de interruptores de seleção de fases síncronas de alta tensão.