Мультифізична модель процесів у електромагнітах і актуаторах вакуумних комутаційних апаратів з урахуванням контактної взаємодїї конструктивних елементів

Abstract

У статті запропонована удосконалена методика мультифізичного комп’ютерного моделювання зв’язаних процесів у конструктивних елементах вакуумних комутаційних апаратів середньої та високої напруги з урахуванням контактних явищ. У конструкціях сучасних вакуумних автоматичних вимикачів і контакторів спостерігається значне використання електромагнітних актуаторів на основі висококоерцитівних магнітотвердих рідкоземельних композиційних матеріалів NdFeB і SmCo. Найбільш перспективними для використання в якості приводів автоматичних вимикачів і контакторів є поляризовані електромагніти на основі використання зазначених висококоерцитівних постійних магнітів. Однак існуючі серійні конструкції електромагнітів і актуаторов необхідно суттєво вдосконалити з метою підвищення надійності і терміну експлуатації, зниження масогабаритних і вартісних показників, подальшого зниження енергоспоживання, вдосконалення технологічності процесу масового виробництва. Комп‘ютерне моделювання запропоновано виконувати методом скінченних елементів у двовимірній постановці з використанням комерційних програмних продуктів і (або) програмного забезпечення, створеного безпосередньо для проведення зазначених досліджень. Одним із пріоритетних напрямків удосконалення математичних моделей і алгоритмів комп’ютерного моделювання процесів у механічному колі вакуумних комутаційних апаратів середньої та високої напруги є врахування контактної взаємодії конструктивних елементів апаратів, що розглядаються. Наступним кроком, завдяки використанню вдосконаленої математичної моделі, є виконання комплексу розрахункових досліджень і на основі отриманих чисельних результатів розробка рекомендацій, спрямованих на створення конструкцій електромагнітів і актуаторів, які б відповідали світовим стандартам і були конкурентоспроможними на світовому ринку.

The purpose of the work is to improve mathematical models and algorithms of computer modelling of multiphysics processes in electromagnets and actuators of vacuum switching devices by taking into account the contact interaction of structural elements when changing their stress-strain state. In the design of modern vacuum circuit breakers and contactors there is a significant use of electromagnetic actuators based on high-coercive hard magnetic rare earth composite materials NdFeB and SmCo. The most promising for use as drives of circuit breakers and contactors are polarized electro-magnets based on the use of these high-coercive permanent magnets. However, the existing serial designs of electromagnets and actuators need to be significantly improved in order to increase reliability and service life, reduce weight and cost, further reduce energy consu mption, improve the manufacturability of the mass production process. Computer simulation is proposed to be performed by the Finite Element Method in 2D formulation using commercial software products and/or software created directly for these investigations. One of the priority areas for improving mathematical models and algorithms for computer modelling of processes in the mechanical circuit of vacuum switching devices of medium and high voltage is to take into account the contact interaction of the structural elements of the devices under consideration. The next step, thanks to the u se of an advanced mathematical model, is to perform a set of computational research and based on the obtained numerical results to develop recommendations aimed at creating designs of electromagnets and actuators that would meet world standards and be competitive in the world market.