การออกแบบและการจำลองกลไกแม่เหล็กถาวรที่กระทำโดยตรงสำหรับ RMU ที่มีฉนวนแข็ง

1.การออกแบบกลไกแม่เหล็กถาวร

เนื่องจากความต้องการในการย่อขนาดของวงจรหลักที่มีฉนวนแข็ง (RMUs) สูง กลไกแม่เหล็กถาวรแบบเดิมที่มีการล็อกสามเฟสไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการย่อขนาดโดยรวมของอุปกรณ์ได้ ดังนั้น กลไกแม่เหล็กถาวรที่ออกแบบในบริบทนี้จึงใช้โครงสร้างที่ทำงานตรงโดยอิสระของแต่ละเฟส หน่วยห้องดับอาร์คของแต่ละเฟสหลอมรวมเป็นชิ้นเดียวกับโครงหล่อของ RMU และเชื่อมต่อกับกลไกแม่เหล็กถาวรผ่านแท่งฉนวนในรูปแบบเส้นตรง สปริงต้านทานการเปิดตั้งอยู่บนเพลาขับเคลื่อนของกลไกแม่เหล็กถาวรของแต่ละเฟส โครงสร้างโดยรวมของกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงแบบเดียวแสดงในรูปที่ 1 และแผนภาพประกอบการประกอบภายใน RMU ที่มีฉนวนแข็งแสดงในรูปที่ 2

2.โมเดลทางคณิตศาสตร์ของวงจรขับเคลื่อนกลไกแม่เหล็กถาวร

กลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงที่ออกแบบในที่นี้อาศัยหลักการของกลไกแม่เหล็กถาวรที่มีสถานะคงที่เดียว โดยใช้วิธีการขับเคลื่อนโดยการปล่อยประจุจากคอนเดนเซอร์ที่ชาร์จไฟ วงจรแสดงในรูปที่ 3 ซึ่ง C แทนคอนเดนเซอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนกลไกแม่เหล็กถาวร R หมายถึงความต้านทานเทียบเท่าของขดลวดของกลไกแม่เหล็กถาวร และ L หมายถึงความเหนี่ยวนำเทียบเท่าของขดลวด

คุณสมบัติพลวัตของกลไกแม่เหล็กถาวรที่มีสถานะคงที่เดียวสอดคล้องกับระบบสมการเชิงอนุพันธ์ที่แสดงในสมการ (1)

เมื่อ i คือกระแสเปิดหรือปิดผ่านขดลวด (A); u_C คือแรงดันเริ่มต้นของคอนเดนเซอร์ที่ชาร์จ (V); R คือความต้านทานเทียบเท่าของขดลวด (Ω); C คือความจุของคอนเดนเซอร์ที่ชาร์จ (F); ψ คือฟลักซ์แม่เหล็กรวมของระบบแม่เหล็กไฟฟ้า (Wb); m คือมวลเทียบเท่าของส่วนที่เคลื่อนที่อ้างอิงถึงแกนเคลื่อนที่ (kg); x คือการกระจัดของแกนเคลื่อนที่ (m); v คือความเร็วของแกนเคลื่อนที่ (m/s); F_x คือแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อแกนเคลื่อนที่ (N); F_f คือแรงต้านที่กระทำต่อแกนเคลื่อนที่ (N) การแก้ระบบสมการนี้จะให้คุณสมบัติพลวัตของกลไกแม่เหล็กถาวร

3.ความเท่าเทียมของแรงต้าน

แรงต้านหลักในวงจรเบรกเกอร์ของวงจรหลักประกอบด้วยแรงกดของห้องดับอาร์คและแรงสปริงเปิดของกลไกแม่เหล็กถาวร แรงต้านเหล่านี้ถูกอ้างอิงเท่าเทียมกับแกนเคลื่อนที่ของกลไกแม่เหล็กถาวร ห้องดับอาร์คมีระยะเปิดของตัวติดต่อ 9.5 มม. และระยะเดินเกิน 2.5 มม. ด้วยระยะการเคลื่อนที่รวมของกลไก 12 มม. แรงต้านของสปริงเปิดและสปริงติดต่อถูกวัดตามระยะการเคลื่อนที่ของกลไกแม่เหล็กถาวร และกราฟแรงต้านถูกวาดขึ้นตามข้อมูลเฉพาะ จุดเท่าเทียมของแรงต้านที่ละเอียดแสดงในตารางที่ 1

4 การสร้างแบบจำลองการจำลอง

คุณสมบัติพลวัตของกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงถูกแก้ไขโดยใช้วิธีการจำลองด้วยองค์ประกอบจำกัด (FEM) หลักการพื้นฐานของ FEM คือการแบ่งเขตการแก้ไขที่ต่อเนื่องออกเป็นองค์ประกอบจำนวนจำกัดที่เชื่อมโยงกันที่โหนด หลังจากการวิเคราะห์องค์ประกอบแต่ละรายการ จะทำการรวบรวมโดยรวม และกำหนดเงื่อนไขขอบเขต แล้วหาผลลัพธ์สุดท้ายโดยการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ ในงานวิจัยนี้ ใช้ซอฟต์แวร์จำลององค์ประกอบจำกัด Ansoft เพื่อสร้างแบบจำลองของกลไกแม่เหล็กถาวร และตั้งค่าพารามิเตอร์วัสดุของส่วนประกอบ วัสดุมแม่เหล็กถาวรถูกกำหนดเป็น NdFe35 และวัสดุของ yoke เป็น steel-1010

ต่อไป กำหนดพารามิเตอร์ของขดลวด: แรงดันชาร์จของคอนเดนเซอร์คือ 110 V ความจุคือ 0.047 F ความต้านทาน DC ของขดลวดคือ 5 Ω จำนวนรอบคือ 500 และความเหนี่ยวนำคือ 0.0143 H เนื่องจากกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงเป็นประเภทที่มีสถานะคงที่เดียว การเปิดการทำงานขับเคลื่อนโดยแรงสปริงเปิด ดังนั้น ต้องการกระแสย้อนเล็กน้อยเพื่อสร้างฟลักซ์แม่เหล็กย้อนกลับเพื่อลบฟลักซ์ที่สร้างโดยแม่เหล็กถาวร ทำให้กลไกเปิดภายใต้แรงต้านของสปริง เพื่อลดฟลักซ์แม่เหล็กย้อนกลับที่ต้องการ หลังจากทำการจำลองและทดสอบอย่างกว้างขวาง ได้เพิ่มความต้านทาน DC 5 Ω ลงในวงจรขับเคลื่อนการเปิด

สุดท้าย ทำการสร้างแบบจำลองผิวและแบบจำลองของแข็งและทำการแบ่งตาข่ายสำหรับกลไกแม่เหล็กถาวร ใช้ตาข่ายที่แน่นมากสำหรับส่วนประกอบแม่เหล็กสำคัญ เช่น แกนเคลื่อนที่ ฝาครอบแม่เหล็กปลาย yoke และแม่เหล็กถาวร ในขณะที่ใช้ตาข่ายหยาบสำหรับส่วนที่ไม่ใช่แม่เหล็ก

5 การวิเคราะห์ผลการจำลองและการทดลอง

คุณสมบัติทางไฟฟ้าและกลไกของกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงถูกวิเคราะห์โดยการรวมการจำลองด้วย Ansoft กับการทดสอบผลิตภัณฑ์จริง โดยเน้นที่คุณสมบัติกระแสและระยะทางการเปิด-ปิด รูปที่ 5 แสดงกราฟกระแสปิดที่จำลอง ซึ่งมีกระแสสูงสุด 13.2 A รูปที่ 6 แสดงกระแสปิดที่วัดด้วยออสซิลโลสโคป ซึ่งวัดได้ 14.2 A รูปที่ 7 แสดงกราฟระยะทางการปิดที่จำลอง ซึ่งให้ความเร็วการปิด (ความเร็วเฉลี่ยใน 6 มม. ท้ายสุดก่อนการปิดติดต่อ) คือ 0.8 m/s รูปที่ 8 แสดงความเร็วการปิดที่วัดด้วยออสซิลโลสโคป ซึ่งคือ 0.75 m/s ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติกลไกการปิดของกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงที่ออกแบบสำหรับ RMU ที่มีฉนวนแข็งนั้นตอบสนองความต้องการของสวิตช์เกียร์ และความคลาดเคลื่อนระหว่างผลการจำลองและการทดลองอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ของการออกแบบ

6 สรุป

บทความนี้ได้ออกแบบกลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงสำหรับ RMU ที่มีฉนวนแข็ง คุณสมบัติกระแสและระยะทางการเปิด-ปิดของกลไกได้ถูกวิเคราะห์และเปรียบเทียบโดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์และการทดสอบผลิตภัณฑ์จริง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองการจำลองคุณสมบัติพลวัตที่สร้างขึ้นสามารถเป็นพื้นฐานทฤษฎีในการออกแบบกลไกแม่เหล็กถาวรจริง กลไกแม่เหล็กถาวรที่ทำงานตรงเหมาะสมสำหรับใช้ใน RMU ที่มีฉนวนแข็ง มีกระแสขับเคลื่อนต่ำและคุณสมบัติกลไกที่ยอดเยี่ยม เช่น ความเร็วการปิด-เปิด ที่ตอบสนองความต้องการทางเทคนิคทั้งหมด นอกจากนี้ยังเป็นพื้นฐานทางเทคนิคสำหรับการพัฒนาสวิตช์เลือกเฟสพร้อมกันแรงดันสูงในอนาคต