Design och simulering av direktverkande permanentmagnetmekanismer för massiva isolerade RMU:er

1. Design av permanentmagnetisk mekanism

På grund av den höga efterfrågan på miniatyrisering av ringhuvuden (RMU) med fast isolering kan traditionella enskilda permanentmagnetiska mekanismer med trefaslås inte uppfylla kraven på övergripande miniatyrisering av utrustningen. Därför använder den här permanentmagnetiska mekanismen en struktur med oberoende trefasdirektverkan. Varje fasens båglösningskammare enhet är gjutet i ett stycke tillsammans med RMU:s gissel och ansluten till den permanentmagnetiska mekanismen via en isolerande stav i en linjär konfiguration. Öppningsmotståndsfjädern är placerad på drivaxeln för varje fas permanentmagnetisk mekanism. Den övergripande strukturen för en enskild direktverkande permanentmagnetisk mekanism visas i figur 1, och dess monteringsdiagram inuti det fast isolerade RMU visas i figur 2.

2. Matematisk modell av drivkretsen för permanentmagnetisk mekanism

Den direktverkande permanentmagnetiska mekanism som utformats här baseras på principen för en enstabil permanentmagnetisk mekanism. Den använder en drivmetod där en laddad kondensator släpper för att aktivera den permanentmagnetiska mekanismen. Kretsdiagrammet visas i figur 3, där C representerar kondensatorn som används för att driva den permanentmagnetiska mekanismen, R betecknar spolens ekvivalenta resistans, och L indikerar spolens ekvivalent induktans.

De dynamiska egenskaperna för den enstabil permanentmagnetiska mekanismen uppfyller systemet av differentialekvationer som visas i ekvation (1):

där i är öppnings- eller stängningsströmmen genom spolen (A); u_C är den initiala spänningen på laddningskondensatorn (V); R är spolens ekvivalenta resistans (Ω); C är laddningskondensatorns kapacitans (F); ψ är det totala magnetiska flödelänkets (Wb); m är de rörliga delarnas ekvivalenta massa refererad till den rörliga kärnan (kg); x är den rörliga kärnans förflyttning (m); v är den rörliga kärnans hastighet (m/s); F_x är den elektromagnetiska kraften som verkar på den rörliga kärnan (N); F_f är motståndsarket på den rörliga kärnan (N). Genom att lösa detta system av ekvationer erhålls de dynamiska egenskaperna för den permanentmagnetiska mekanismen.

3. Motståndsarkets ekvivalens

De huvudsakliga motståndsarkerna i ringhuvudets strömavbrytare inkluderar kontakttrycket i båglösningskammaren och öppningsfjäderns kraft i den permanentmagnetiska mekanismen. Dessa motståndsarker refereras ekvivalent till den rörliga kärnan i den permanentmagnetiska mekanismen. Båglösningskammaren har en kontaktöppningsavstånd på 9,5 mm och en överfart på 2,5 mm, med en total mekanismsträcka på 12 mm. Öppningsfjäderns och kontaktfjäderns motståndsarker mäts enligt den permanentmagnetiska mekanismens rörelsesträcka, och motståndsarkskurvan ritas ut baserat på specifika data. De detaljerade motståndsarks ekvivalenspunkterna visas i tabell 1.

4. Upprättande av simuleringmodell

De dynamiska egenskaperna för den direktverkande permanentmagnetiska mekanismen löses med hjälp av finita elementmetoden (FEM). Den grundläggande principen för FEM är att diskretisera det kontinuerliga lösningsområdet till ett ändligt antal element som är sammanbundna vid noder. Efter individuell elementanalys utförs en global sammansättning, och gränsvillkor appliceras, med den slutliga lösningen erhållen genom datorberäkning. I denna studie används Ansoft-finita elementsimuleringsprogramvaran för att etablera simuleringmodellen för den permanentmagnetiska mekanismen, och materialparametrarna för dess komponenter ställs in. Det permanentmagnetiska materialet definieras som NdFe35, och yoke-materialet som stål-1010.

Därefter tilldelas spolparametrarna: laddningskondensatorns spänning är 110 V, kapacitansen är 0,047 F, spolens likströmsresistans är 5 Ω, antalet vändningar är 500, och induktansen är 0,0143 H. Eftersom den direktverkande permanentmagnetiska mekanismen är av enstabil typ drivs öppningsoperationen av öppningsfjäderns kraft. Därför behövs endast en liten omvänt riktad ström för att generera en omvänt riktad magnetisk flöde för att neutralisera flödet från den permanenta magneten, vilket gör att mekanismen kan öppnas under fjäderns motståndsark. För att minska den nödvändiga omvänt riktade magnetiska flöden, efter omfattande simulering och testning, läggs en 5 Ω likströmsresistor i serie i öppningsdrivkretsen.

Till sist utförs yta- och volymmodellering samt nätning av den permanentmagnetiska mekanismen. Ett relativt tätt nät används för viktiga magnetiska komponenter som den rörliga kärnan, magnetiska slutkläpp, yoke och permanentmagnet, medan ett grovt nät används för icke-magnetiska delar.

5. Analys av simulering och experimentella resultat

De elektriska och mekaniska egenskaperna för den direktverkande permanentmagnetiska mekanismen analyseras genom att kombinera Ansoft-simuleringar med verkliga produkttester, med fokus på stängnings- och öppningsströmmen och sträckegenskaperna. Figur 5 visar den simulerade stängningsströmkurvan, med en toppström på 13,2 A. Figur 6 visar den oscilloskopmätta stängningsströmmen, med en mätt topp på 14,2 A. Figur 7 visar den simulerade stängningssträckekurvan, vilket ger en stängningshastighet (medelhastighet under de sista 6 mm innan kontaktstängning) på 0,8 m/s. Figur 8 visar den oscilloskopmätta stängningshastigheten, vilken är 0,75 m/s. Resultaten visar att de mekaniska egenskaperna för den utformade direktverkande permanentmagnetiska mekanismen för det fast isolerade ringhuvudet uppfyller kraven för strömavbrytare, och felet mellan simulering och experimentella resultat faller inom den acceptabla designområdet.

6. Slutsats

I detta arbete utformades en direktverkande permanentmagnetisk mekanism för ringhuvuden med fast isolering. Mekanismens stängnings- och öppningsströmmar samt mekaniska sträckegenskaper analyserades och jämfördes med hjälp av datorsimulering och verkliga produkttester. Resultaten visar att den etablerade dynamiska egenskapsmodellen kan tjäna som en teoretisk grund för praktisk design av permanentmagnetiska mekanismer. Den direktverkande permanentmagnetiska mekanismen är väl lämpad för användning i ringhuvuden med fast isolering, med låg drivström och utmärkta mekaniska prestanda som stängnings- och öppningshastigheter, vilket fullt ut uppfyller tekniska krav. Det ger också en teknisk grund för framtida utveckling av högspännings synkroniserade fasvalsswitchar.