Cum „rezistă releele fulgerelor”? O analiză a designului inovator în relee cu rezistență ridicată la fulger

Când un curent de fulger masiv inundă într-un releu , sistemul de contact este adesea primul care eșuează. În acest moment, pe suprafețele de contact este generată o forță Holm semnificativă. Această forță electromagnetică respinge violent contactele, determinând deschiderea anormală a circuitului, care ar trebui să rămână închis, ceea ce duce la defectarea echipamentului.

Releele convenționale par insuficiente pentru a rezolva această dificultate. Inovațiile tehnice recente folosesc în mod ingenios forța Lorentz pentru a atenua forța Holm, obținând astfel un efect stabilizator de „folosire a forței pentru a contracara forța”.

Schema schematică a mecanismului de generare a forței Lorentz

Provocarea fulgerului: Mecanismul fizic de bază al repulsie a contactului

Amenințarea cu fulgerul pentru relee se concentrează pe un curent instantaneu extrem de mare. Când curentul de fulger (care poate ajunge la zeci de kiloamperi) trece prin zona de contact îngustă a unui releu, generează două forțe cheie între contacte.

Prima este forța Holm (numită și forța de repulsie de contact). Ea provine din efectul de constricție sever al curentului la punctele de contact (de fapt multiple asperități microscopice). Liniile de curent sunt extrem de strânse la asperitățile microscopice, producând o forță electrodinamică puternică care încearcă să împingă contactele în afară. Mărimea sa este proporțională cu pătratul curentului; în timpul unui fulger, valoarea acestuia este suficientă pentru a depăși presiunea normală de contact a contactelor.

Celălalt este forța Lorentz. Aceasta este forța exercitată asupra unui conductor care poartă curent într-un câmp magnetic. Într-un releu, curentul care circulă printr-un conductor de formă specială este supus unei forțe în câmpul magnetic generat de el însuși, iar direcția forței urmează regula stângii. Cheia este că, printr-un design ingenios, direcția forței Lorentz poate fi ghidată pentru a fi opusă forței Holm, compensând astfel efectele dăunătoare ale acesteia.

Tabelul 1. Comparația a două forțe cheie care acționează asupra contactelor sub lovitura fulgerului

Dilema industriei: limitările tehnice ale designului tradițional

Pentru o lungă perioadă de timp, îmbunătățirea capacității releului de rezistență la trăsnet sa bazat în principal pe abordări de „întărire”, cum ar fi creșterea durității materialului de contact și creșterea presiunii de contact. Cu toate acestea, în fața forței Holm, care crește odată cu pătratul curentului, aceste metode își ating rapid limitele.

O contradicție deosebit de proeminentă apare în încercările de a folosi forța Lorentz. În releele de curent continuu, pentru a stinge arcul generat la întreruperea unui curent mare, este adesea folosită tehnologia „stingerea arcului de explozie magnetică”, în care magneții permanenți sunt aranjați în jurul contactelor.

Cu toate acestea, acest câmp magnetic face ca arcul mobil purtător de curent să experimenteze o forță Lorentz suplimentară, adesea în jos. Această forță nu numai că nu ajută la rezistența forței de repulsie, dar poate, de asemenea, să compenseze o parte din presiunea de contact, făcând contactele mai ușor de respins sub curentul fulgerului, reducând de fapt capacitatea de rezistență la scurtcircuit a produsului.

Acest lucru oferă exact confirmarea teoretică a provocării de bază descrise în proiectul utilizatorului: „forța Lorentz este ușor de realizat în situații cu goluri mici, dar foarte dificil de utilizat în goluri mari de contact”. Cum să controlezi cu precizie direcția și magnitudinea forței Lorentz, astfel încât să devină un „aliat” mai degrabă decât un „inamic” este cea mai mare dificultate în proiectare.

Descoperire inovatoare: Filosofia de proiectare a utilizării „forței” pentru a contracara „forța”

Pentru a trece peste dilema de mai sus, este necesar să trecem dincolo de gândirea de optimizare locală și să realizăm un design inovator integrat al sistemului de contact al releului. Soluțiile tehnice de ultimă oră se învârt în principal în jurul a două idei de bază.

Ideea 1: Reconstrucția câmpului magnetic la „Zero Out” sau inversă forța Lorentz dăunătoare

Pentru a aborda efectele secundare cauzate de câmpul de stingere a arcului magnetic, o soluție inovatoare este de a reconstrui distribuția câmpului magnetic spațial prin schimbarea numărului, aranjamentului și polarității magneților permanenți.

De exemplu, un aspect cu trei magneți: doi magneți sunt amplasați pe cele două părți ale arcului mobil în direcția lățimii, corespunzând unui set de contacte mobile și staționare; al treilea magnet este situat pe o parte a arcului mobil pe direcția lungimii, corespunzător unui alt set de contacte.

Designul cheie este că fața polului celui de-al treilea magnet este aproximativ perpendiculară pe fețele polului primilor doi magneți. Prin acest design special al circuitului magnetic, forța netă Lorentz experimentată de arcul mobil în câmpul de stingere a arcului magnetic poate fi redusă la aproximativ zero, eliminând în mod fundamental efectul secundar dăunător și asigurând că presiunea de contact nu este perturbată.

diagrama chimică a forței Holm și a forței Lorentz

Ideea 2: Inovație structurală pentru a utiliza eficient Forța Lorentz benefică

Pentru a genera în mod activ o forță Lorentz benefică pentru a rezista forței Holm, cheia este să proiectați o buclă specifică conducătoare de curent. O soluție avansată adoptă un design care combină „sârmă flexibilă de cupru cu mai multe fire care se conectează în mod flexibil la un arc mobil rigid” cu o structură „în formă de U”.

Generarea forței: Când curentul de fulger trece prin arcul mobil „în formă de U” și firele sale flexibile conectate, în funcție de direcția lor de încercuire, pe cele două brațe paralele ale structurii în formă de U pot fi generate forțe Lorentz de aceeași direcție și perpendiculare pe planul de contact.

Transmiterea și conversia forței: Această forță acționează asupra întregului ansamblu de arc mobil. Conexiunea flexibilă a firului de cupru flexibil cu mai multe fire este crucială, deoarece asigură că forța Lorentz poate fi transmisă eficient și transformată în presiune normală pe interfața de contact, mai degrabă decât să provoace răsucirea rigidă sau deplasarea structurii.

Compensare dinamică: Când forța Holm încearcă să respingă contactele, forța Lorentz pre-proiectată crește sincron, formând un mecanism de compensare dinamic, adaptiv, care „presează” contactele împreună. Structura în formă de U în sine oferă, de asemenea, o stabilitate mecanică mai bună și un efect de pârghie-braț.

Acest design rezolvă în mod ingenios problema „dificultății în utilizarea forței Lorentz în cazul unor goluri mari de contact”. Prin conexiune flexibilă și proiectare structurală generală, se realizează colectarea și utilizarea eficientă a forțelor Lorentz pe conductorii purtători de curent pe o gamă mai mare în afara efectului de decalaj mic (adică, zona de constrângere a curentului).

Schema schematică a designului structurii de contact „în formă de U” cu lagăr pivot

Design de precizie: Sprijin din partea tehnologiei de simulare și a științei materialelor

Realizarea controlului precis al forței de mai sus este inseparabilă de instrumentele și materialele avansate de proiectare.

Simularea cuplajului multifizic a devenit o metodă de cercetare și dezvoltare indispensabilă în acest domeniu. În domenii de înaltă fiabilitate, cum ar fi aerospațiale, analiza releelor ​​electromagnetice sigilate a adoptat un model de calcul al cuplării interactive bidirecționale cu dinamica multicorp-element finit electromagnetic.

Această metodă poate calcula în timp real interacțiunile dintre cuplul mecanic tranzitoriu, forța electromagnetică și parametrii de deformare, poate simula cu acuratețe procesul dinamic complex în momentul lovirii fulgerului și poate controla eroarea de calcul a parametrilor cheie, cum ar fi forța de reținere la tragere la un nivel mediu de 2,21%.

Acest lucru este mult superior metodelor tradiționale bazate pe tabele de date statice, oferind predicții precise pentru optimizarea parametrilor precum dimensiunile structurii în formă de U și lungimea și rigiditatea firului flexibil.

În ceea ce privește materialele, arcul mobil este de obicei realizat din cupru beriliu de înaltă elasticitate, conductivitate ridicată sau aliaj de bronz fosforat pentru a rezista la forțe repetate și la șocuri termice. Firul de cupru flexibil cu mai multe fire necesită puritate și flexibilitate extrem de ridicate pentru a asigura o conducere fiabilă a curentului și a forței după vibrații pe termen lung.

Materialele de izolare și structurile de locuințe trebuie, de asemenea, reconsiderate pentru a îndeplini cerințele de izolație de înaltă tensiune pe care le pot aduce loviturile de trăsnet.

Explorați produsele noastre releu

Portofoliul nostru de relee este construit pentru aplicații în care curentul ridicat, evenimentele de supratensiune și fiabilitatea pe termen lung trebuie abordate împreună. Din standard sigilat relee electrice de blocare la sisteme de contact personalizate cu rezistență ridicată la fulgere, soluțiile noastre ajută inginerii să treacă de la protecția pasivă la stabilizarea activă a contactului.

Rezumat

Inovația de bază a acestui proiect constă în studierea profundă a mecanismului prin care contactele releului eșuează din cauza forței Holm sub un curent mare de fulger și propunerea creativă a ideii de proiectare a utilizării forței Lorentz pentru contracararea activă. Proiectul a proiectat cu succes un mecanism cheie care combină o structură cu arc mobil „în formă de U” cu lagăr pivot cu o conexiune flexibilă din sârmă de cupru flexibilă cu mai multe fire, transformând eficient forța Lorentz generată în presiune normală care stabilizează contactele.

Sub verificare și optimizare precisă prin tehnologia de simulare a cuplării multifizice, acest design realizează o descoperire tehnologică fundamentală de la „rezistență pasivă” tradițională la „anulare dinamică activă”, îmbunătățind semnificativ fiabilitatea și durata de viață a releelor ​​în medii cu fulgere extreme.