Doğrudan Etkili Kalıcı Manyetik Mekanizmaların Tasarımı ve Simülasyonu Katı İzole RMU'lar için
1. Kalıcı Manyet Motor Tasarımı
Katı yalıtımlı halka anahtarlarda (RMU) küçültme talebinin yüksek olması nedeniyle, geleneksel tek kalıcı manyet motorların üç faz kilitlenmesi, ekipmanın genel küçültme gereksinimlerini karşılayamaz. Bu bağlamda tasarlanan kalıcı manyet motor, üç faz bağımsız doğrudan etki yapısı benimsiyor. Her fazın ark söndürme odası birimi, RMU'nun döküm gövdesi ile bütün olarak dökülerek, kalıcı manyet motor ile doğrusal yapıda bir yalıtım çubuğu aracılığıyla bağlantılıdır. Açma karşı kuvvet yay her fazın kalıcı manyet motorunun sürme şaftında yer alır. Tek doğrudan etki yapan kalıcı manyet motorun genel yapısı Şekil 1'de, katı yalıtımlı RMU içindeki montaj şeması ise Şekil 2'de gösterilmektedir.
2. Kalıcı Manyet Motor Sürme Devresinin Matematiksel Modeli
Burada tasarlanan doğrudan etki yapan kalıcı manyet motor, tek istikrarlı durumlu kalıcı manyet motor prensibine dayanmaktadır. Bir kapasitörün yüklenmesi ve ardından boşaltılması ile kalıcı manyet motoru harekete geçirilir. Devre diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir. C, kalıcı manyet motoru için sürücü olarak kullanılan kapasitörü, R, kalıcı manyet motor bobininin eşdeğer direncini, L ise bobinin eşdeğer indüktansını temsil etmektedir.
Tek istikrarlı durumlu kalıcı manyet motorun dinamik özellikleri, Denklem (1)'de gösterilen diferansiyel denklem sisteminin sağlanmasına uymaktadır:
burada i, bobinden geçen açma veya kapatma akımıdır (A); uC, yüklendirilmiş kapasitörün başlangıç gerilimidir (V); R, bobinin eşdeğer direncidir (Ω); C, yüklendirilmiş kapasitörün kapasitesidir (F); ψ, elektromanyetik sistemin toplam manyetik akış bağlantısıdır (Wb); m, hareket eden parçaların hareket eden çekirdeğe referans alınarak eşdeğer kütlesidir (kg); x, hareket eden çekirdeğin yer değiştirilmesidir (m); v, hareket eden çekirdeğin hızıdır (m/s); Fx, hareket eden çekirdeğe etki eden elektromanyetik kuvvettir (N); Ff, hareket eden çekirdeğe karşıt kuvvettir (N). Bu denklem sisteminin çözümü, kalıcı manyet motorun dinamik özelliklerini verir.
3. Karşı Kuvvet Eşdeğeri
Halka anahtar birimindeki devre kesicinin ana karşı kuvvetleri, ark söndürme odasının temas basıncı ve kalıcı manyet motorun açma yay kuvvetidir. Bu karşı kuvvetler, kalıcı manyet motorun hareket eden çekirdeğine eşdeğer olarak ifade edilir. Ark odası, 9,5 mm'lik bir temas açma mesafesi ve 2,5 mm'lik bir aşırı seyahat ile toplam 12 mm mekanizma hedefine sahiptir. Açma yay ve temas yaylarının karşı kuvvetleri, kalıcı manyet motorun hareket mesafesine göre ölçülür ve belirli veriler üzerine karşı kuvvet eğrisi çizilir. Ayrıntılı karşı kuvvet eşdeğer noktaları Tablo 1'de gösterilmiştir.
4 Simülasyon Modelinin Kurulması
Doğrudan etki yapan kalıcı manyet motorun dinamik özellikleri, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak çözülmektedir. FEM'nin temel prensibi, sürekli çözüm alanını sınırlı sayıda düğümlerle bağlantılı sonlu sayıda elemana bölme işlemidir. Bireysel eleman analizi sonrasında, global bir montaj yapılır ve sınır koşulları uygulanarak, son çözüm bilgisayar hesaplaması ile elde edilir. Bu çalışmada, Ansoft sonlu eleman simülasyon yazılımı, kalıcı manyet motorun simülasyon modelinin kurulumunda kullanılmıştır ve bileşenlerin malzeme parametreleri ayarlanmıştır. Kalıcı manyet malzemesi NdFe35, ve yoke malzemesi steel-1010 olarak tanımlanmıştır.
Sonrasında, bobin parametreleri atanır: kapasitörün yükleme gerilimi 110 V, kapasite 0,047 F, bobin DC direnci 5 Ω, sarım sayısı 500 ve indüktans 0,0143 H'dır. Doğrudan etki yapan kalıcı manyet motorun tek istikrarlı tür olduğu için, açma işlemi açma yay kuvveti ile sürülür. Bu nedenle, kalıcı manyet tarafından üretilen akışı iptal etmek için küçük bir ters akım gereklidir, böylece mekanizma, yayın karşı kuvveti altında açılabilir. Gerekli ters manyetik akışı azaltmak için, kapsamlı simülasyon ve testler sonrasında, açma sürme devresine seri bir 5 Ω DC direnç eklenmiştir.
Son olarak, kalıcı manyet motor üzerinde yüzey ve katı modelleme ve ağlama işlemleri gerçekleştirilir. Hareket eden çekirdek, manyetik uç kapaklar, yoke ve kalıcı manyet gibi ana manyetik bileşenlere oldukça yoğun bir ağ uygulanırken, manyetsiz parçalar için daha ince bir ağ kullanılır.
5 Simülasyon ve Deneysel Sonuçların Analizi
Doğrudan etki yapan kalıcı manyet motorun elektriksel ve mekanik özellikleri, Ansoft simülasyonları ile gerçek ürün testlerinin birleştirilmesiyle analiz edilmiştir, özellikle kapatma ve açma akımı ve hedef özellikleri üzerinde yoğunlaşılmıştır. Şekil 5, zirve akımı 13,2 A olan simüle edilen kapatma akımı eğrisini göstermektedir. Şekil 6, ölçüm değeri 14,2 A olan osiloskop ile ölçülen kapatma akımını göstermektedir. Şekil 7, simüle edilen kapatma hedef eğrisini göstermektedir, bu da kapatma hızını (temas kapanmadan önceki son 6 mm boyunca ortalama hız) 0,8 m/s olarak vermektedir. Şekil 8, osiloskop ile ölçülen kapatma hızını göstermektedir, bu da 0,75 m/s değerindedir. Sonuçlar, katı yalıtımlı halka anahtarı için tasarlanan doğrudan etki yapan kalıcı manyet motorun kapatma mekanik özellikleri, anahtarlık gereksinimlerini karşladığını göstermektedir ve simülasyon ile deneysel sonuçlar arasındaki hata, kabul edilebilir tasarım aralığı içindedir.
6 Sonuç
Bu makale, katı yalıtımlı halka anahtarlari için doğrudan etki yapan kalıcı manyet motor tasarlamıştır. Mekanizmanın kapatma ve açma akımları ve mekanik hedef özellikleri, bilgisayar simülasyonu ve gerçek ürün testleri kullanılarak analiz edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, oluşturulan dinamik özellik simülasyon modelinin, pratik kalıcı manyet motor tasarımı için teorik bir temel sağlayabileceğini göstermektedir. Doğrudan etki yapan kalıcı manyet motor, düşük sürme akımı ve kapatma ve açma hızları gibi excellent mekanik performansa sahip olup, teknik gereksinimleri tam olarak karşılamaktadır. Ayrıca, yüksek voltajlı senkron faza seçme anahtarlarının gelecekteki geliştirimi için de teknik bir temel sağlamaktadır.
