Investigations of the dynamics of a bistable electromagnet with improved characteristics for medium voltage vacuum circuit breakers

Introduction. Currently, for switching medium voltage circuits, vacuum circuit breakers are widely used, which have good arcing properties and high breaking capacity. One of the problems of creating the drive mechanism of such apparatus is the need to ensure the absence of contact welding when a through current of a short circuit of a given duration flows through them, which is achieved due to a certain amount of contact pressure. One of the problems arising in the design of circuit breakers is the need to fix the mechanism with a mechanical lock, which should hold the mechanism securely. This leads to significant specific mechanical loads, which in turn reduces the reliability of the circuit breaker. One way to solve these problems is to create a drive based on monostable or bistable electromagnetic actuators with highly coercive permanent magnets, which provide reliable fixation of the position of the contacts. Purpose. Investigation of the improved design of a bistable electromagnetic actuator based on permanent magnets of a medium voltage vacuum circuit breaker. Methods. Theoretical and experimental research and comparative analysis of existing and developed electromagnetic actuators. Conclusions. A new design of an electromagnetic bistable actuator with reduced overall dimensions is developed and tested. The electromechanical characteristics of the actuator correspond to the technical specifications, which is confirmed by both theoretical and experimental studies. The proposed actuator can be used as a drive mechanism for medium voltage vacuum circuit breakers.В статье исследован новый бистабильный электромагнит с высококоэрцитивными постоянными магнитами, который предполагается использовать в качестве актуатора вакуумных выключателей средних напряжений. Приводится теоретическое и экспериментальное исследование усовершенствованной конструкции электромагнита с целью сравнительного анализа его параметров с параметрами имеющейся конструкции. Теоретическое исследование базируется на мультифизической модели, которая включает расчет статического и динамического электромагнитных полей в нелинейной проводящей неоднородной среде с учетом постоянных магнитов, нелинейных уравнений разрядной цепи накопительного конденсатора, нелинейных уравнений движения. Экспериментальные исследования, которые проводились на реальном вакуумном выключателе, показали соответствие параметров нового бистабильного электромагнита расчетным показателям. Направление дальнейших исследований представляются в виде оптимизации геометрии электромагнита и схемы управления

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ШВИДКОДІЮЧОГО ПРИВОДА АВТОМАТИЧНОГО ВІДМИКАЧА З ІНДУКЦІЙНО-ДИНАМІЧНИМ ТА БІСТАБІЛЬНИМ МЕХАНІЗМОМ

Purpose. Development of a mathematical model of an induction-dynamic drive of a switch with two coils, working with a bistable mechanism, which ensures the fixation of the instant-dynamic mechanism (IDM) in trajectory extreme positions of the contact system.Methodology. The solution of the problems posed in the work was carried out using methods for calculating the electromagnetic field, finite elements, theoretical mechanics, and solving differential equations.Findings. The mathematical model of quick-driving actuator as part of instant dynamic and bistable mechanism was developed. It was based on electrical circuit’s electromagnetic equations and kinematic movements of the switching mechanism. Advantage of the given model is possibility of a breaker drive dynamic analysis basing on data of a contact pressure, pretravel and snatch gap. Initial data of the model formulation were outer circuit inductance, resistance of coils, which calculated on conductor cross-section and coils configuration. Initial conditions corresponded by Dirichlet conditions. Mathematical model equations system was calculated in cylindrical coordinate system. Problem was solved with the help ComsolMultiphysics system. Motion of the IDM movement part was modeled by deformation of a computational grid. Spring force and stress in a bistable mechanism construction were determined by initial data of a contact pressure, pretravel and snatch gap. Graphs by calculation data are shown, which allow to analyze of springing elements chose and make necessary adjustments on design stage and debugging construction. Operation parameters of mechanism work on IDM switch on and switch off stages were calculated. Value of movement, motion speed of armature breaker, currents of accelerating and retarding coils, summed electromagnetic and opposite force were figured. Originality. The mathematical model of quick-driving actuator as part of instant-dynamic and bistable mechanism was developed. The model contains equations of electromagnetic field and motion equation. The mathematical model describes properly of physical process and can be used for development and research a design of quick-driving actuator.Practical value. It follows from the calculations that with the help of variants of calculations it is possible to obtain the required drive parameters: a) short switching-on time which allows avoiding contact bounce during switching; b) high initial speed, hole short time (less than 1 ms) of contacts opening and reduce dynamic force on actuator elements and contact system.Цель работы. Разработка математической модели индукционно-динамического привода выключателя с двумя катушками, работающего с бистабильным механизмом, обеспечивающим фиксацию индукционнодинамического механизма (ИДМ) в крайних положениях траектории движения контактной системы.Методы исследования. Решение поставленных в работе задач выполнялось с использованием методов расчёта электромагнитного поля, конечных элементов, теоретической механики и решения дифференциальных уравнений.Полученные результаты. Разработана математическая модель быстродействующего привода на базе индукционно-динамического и бистабильного механизма, которая базировалась на уравнениях электромагнитного поля электрической цепи и кинематики движения механизма переключения. Преимуществом данной модели является возможность динамического расчета привода выключателя на основании данных по контактному нажатию, ходу и провалу контактов. Исходными данными построения модели являлись: индуктивность внешней цепи; активные сопротивления катушек, рассчитанные исходя из сечения проводника и геометрии катушек. Начальные условия удовлетворяли условиям Дирихле. Система уравнений математической модели решалась в цилиндрической системе координат. Решение задачи проводилось в системе Comsol Multiphysics. Движение подвижной части ИДМ моделировалось деформацией расчетной сетки. На основании исходных данных о контактном нажатии, а также ходе и провале контактов, определялась жесткость пружины и усилия в конструкции бистабильного механизма. По расчетным данным представлены графики, позволяющие проанализировать выбор упругих элементов и внести необходимые корректировки на стадии проектирования и отладки конструкции. Рассчитаны параметры работы механизма в стадии включения и отключения ИДМ. Представлены графические значения хода и скорости движения якоря выключателя, токи ускоряющей и тормозящей катушки, значение суммарной электромагнитной силы и суммарной противодействующей силы.Научная новизна. Разработана математическая модель быстродействующего привода на основе ИДМ и бистабильного механизма, который включает в себя уравнения электромагнитного поля электрической цепи и уравнения движения. Модель корректно описывает физические процессы и может быть использована для разработки и изучения конструкций высокоскоростных приводов.Практическая ценность. На основании вариантных расчетов можно решать задачи, по поиску требуемых параметров привода ставя целью получить: а) малое временя замыкания контактов и избегать «дребезг» при включении; б) высокую начальную скорость и общее малое время (менее 1 мс) размыкания контактов, уменьшить динамические нагрузки на элементы привода и контактную систему.Мета роботи. Розробка математичної моделі індукційно-динамічного привода відмикача з двома катушками, працюючого з бістабільним механізмом, що забезпечує фіксацію індукційно-динамічного механізму (ІДМ) у крайніх положеннях траєкторії руху контактної системи.Методи дослідження. Рішення поставлених в роботі задач виконувалося з використанням методів розрахунку електромагнітного поля, кінцевих елементів, теоретичної механіки і рішення диференціальних рівнянь.Отримані результати. Розроблена математична модель швидкодіючого привода на базі індукційнодинамічного та бістабільного механізму, яка заснована на рівняннях електромагнітного поля електричного кола і кінематики руху механізму перемикання. Перевагою даної моделі є можливість динамічного розрахунку привода відмикача на основі даних по контактному натисканню, ходу і провалу контактів. Вхідними даними побудови моделі були: індуктивність зовнішнього кола; активний опір катушок, розраховані за перерізом провідника та геометрії катушок. Початкові умови вимоги відповідали умовам Дирихле.Система рівнянь математичної моделі вирішувалась у циліндричній системі координат. Рішення задачі проводилось у системі Comsol Multiphysics. Рух рухомої частини ІДМ моделювався за допомоги деформації розрахункової сітки. На основі вхідних даних о контактним натисканні, а також ході та провалу контактів визначалась жорсткість пружини і зусилля у конструкції бістабільного механізму. За розрахунковими даними представлені графіки, що дозволяють проаналізувати вибір пружних елементів та внести необхідні корективи та стадії проектування і налагодження конструкції. Розраховані параметри роботи механізму в стадії включення та відключення ІДМ. Представлені графічні значення ходу та швидкості руху якоря відмикача, струмоприскорюючої та гальмуючої котушки, значення сумарної електромагнітної сили і сумарної протидіючої сили.Наукова новизна. Розроблена математична модель швидкодіючого привода на основі ІДМ і бістабільного механізму, яка включає рівняння електромагнітного поля електричного кола та рівняння руху. Модель коректно описує фізичні процеси та може бути використана для розробки та вивчення конструкції високошвидкісних проводів.Практична цінність. На основі варіативних розрахунків можна вирішувати задачі по пошуку необхідних параметрів привода маючи на меті отримати: а) мале значення часу замикання контактів та уникати «брязкіт» при включені; б) високу початкову швидкість та загальне мале значення часу (менш за 1 мс) розмиканняконтактів, зменшити динамічні навантаження та елементи привода і контактну систему

CHALLENGES OF DYNAMIC SIMULATION OF HIGH-SPEED ELECTROMAGNETIC VALVES OF GAS DISTRIBUTION DEVICES

High-speed electromagnetic valves of gas distribution devices are used in modern missile and space technology as jet micro-motors of the executive elements of missile stabilization systems, as well as to control the movement of spacecrafts in space. The problem of creating such valves which are simple and reliable in the operation is relevant. In this work, it is proposed at the development and design stage to perform computer modelling of mutually coupled electromechanical processes, such as: distribution of transient electromagnetic field, transients in an electric circuit, and movement of an electromagnet armature. Besides, the calculation of the force with which the compressed gas acts on the corresponding structural elements of the valve is proposed to be performed by solving the system of Navier-Stokes equations. All problems are solved by numerical methods in axisymmetrical formulation with the corresponding initial and boundary conditions. Improvement of the accuracy of electromagnetic calculations and taking into account the movement of the armature of an electromagnet in the process of multiphysics numerical simulation is achieved using so-called tunable elastic meshes. The paper presents a comparative analysis of the numerical results obtained for several designs of electromagnets. The features of the dynamics of high-speed electromagnets of gas distribution valves during on and off operations are analyzed, the corresponding dynamic characteristics calculated using the proposed technique are presented. Быстродействующие электромагнитные клапаны газораспределительных устройств применяются в современной ракетно-космической технике в качестве реактивных микродвигателей исполнительных органов систем стабилизации ракет, а также для управления движением космическими летательными аппаратами в пространстве. Проблема создания простых в эксплуатации и надежных в работе указанных клапанов является актуальной. В настоящей работе предлагается на стадии разработки и проектирования выполнять компьютерное моделирование взаимосвязанных электромеханических процессов, таких как: распределение нестационарного электромагнитного поля, переходные процессы в электрической цепи, движение якоря электромагнита. При этом расчет силы, с которой сжатый газ действует на соответствующие конструктивные элементы клапана, предлагается выполнять путем решения системы уравнений Навье-Стокса. Все задачи решаются численными методами в осесимметричной постановке с соответствующими начальными и граничными условиями. Повышение точности электромагнитных расчетов и учет движения якоря электромагнита в процессе мультифизического численного моделирования достигается благодаря использованию так называемых перестраиваемых упругих сеток. В работе приведен сравнительный анализ численных результатов, полученных для нескольких конструкций электромагнитов. Проанализированы особенности динамики быстродействующих электромагнитов газораспределительных клапанов при выполнении операций включения и отключения, приведены соответствующие динамические характеристики, рассчитанные по предложенной методике.

PECULIARITIES OF CALCULATING STATIONARY HEATING OF WINDINGS OPERATING IN COMPLEX FORCED CONTROL SYSTEMS

General description of the research topic. A technique and an algorithm for calculating the thermal field of electromagnets operating in complex forced systems proposed by authors are considered. The widespread use of such devices in electromechanical switching devices allows not only to increase their speed but also significantly reduce the size, mass and energy losses, which indicates the relevance of this topic. The mathematical model of heating the windings of forced electromagnets proposed by the authors is a system of 1D differential equations of stationary heat transfer in a cylindrical coordinate system, supplemented by equations of electrical and magnetic circuits. This model allows to take into account the ripple of the currents in the windings and the losses in the magnetic core due to these ripples, contains certain signs of scientific novelty and represents the goal of the paper. The algorithm developed by the authors for calculating the thermal field of electromagnets operating in forced control systems is a complex iterative cycle. Its implementation is greatly simplified by using the Maple computing environment which allows to realize complicated and cumbersome mathematical transformations, automates the process of computations, and obtain results of numerical simulation in a convenient tabular and/or graphic form, which indicates the practical significance of this works. The results of comparison of computation results with experimental data presented in the paper indicate the adequacy of the model and algorithm proposed.Загальний опис теми дослідження. Розглядаються запропоновані авторами методика і алгоритм розрахунку теплового поля електромагнітів, що працюють в складних форсованих системах. Широке застосування в електромеханічних комутаційних апаратах подібних пристроїв дозволяє не тільки підвищити їх швидкодію, але також істотно зменшити розміри, масу і втрати енергії, що свідчить про актуальність даної теми. Запропонована авторами математична модель нагріву обмоток форсованих електромагнітів являє собою систему одновимірних диференціальних рівнянь стаціонарної теплопровідності в циліндричній системі координат, доповнену рівняннями електричного та магнітного кіл. Ця модель дозволяє врахувати пульсації струмів в обмотках, а також втрати в магнітопроводі, обумовлені цими пульсаціями, містить певні ознаки наукової новизни і є метою статті. Розроблений авторами алгоритм розрахунку теплового поля електромагнітів, що працюють в системах форсованого керування, являє собою складний ітераційний цикл, програмування якого істотно спрощується за рахунок застосування математичного пакету Maple, що дозволяє здійснювати складні і громіздкі математичні перетворення, автоматизувати процес розрахункових досліджень, отримувати результати комп'ютерного моделювання в зручній табличній та / або графічній формі, що свідчить про практичну значимість даної роботи. Наведені в статті результати зіставлення розрахунків з експериментальними даними, свідчать про адекватність запропонованих моделі та алгоритму

INVESTIGATIONS OF THE DYNAMICS OF A BISTABLE ELECTROMAGNET WITH IMPROVED CHARACTERISTICS FOR MEDIUM VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKERS

Introduction. Currently, for switching medium voltage circuits, vacuum circuit breakers are widely used, which have good arcing properties and high breaking capacity. One of the problems of creating the drive mechanism of such apparatus is the need to ensure the absence of contact welding when a through current of a short circuit of a given duration flows through them, which is achieved due to a certain amount of contact pressure. One of the problems arising in the design of circuit breakers is the need to fix the mechanism with a mechanical lock, which should hold the mechanism securely. This leads to significant specific mechanical loads, which in turn reduces the reliability of the circuit breaker. One way to solve these problems is to create a drive based on monostable or bistable electromagnetic actuators with highly coercive permanent magnets, which provide reliable fixation of the position of the contacts. Purpose. Investigation of the improved design of a bistable electromagnetic actuator based on permanent magnets of a medium voltage vacuum circuit breaker. Methods. Theoretical and experimental research and comparative analysis of existing and developed electromagnetic actuators. Conclusions. A new design of an electromagnetic bistable actuator with reduced overall dimensions is developed and tested. The electromechanical characteristics of the actuator correspond to the technical specifications, which is confirmed by both theoretical and experimental studies. The proposed actuator can be used as a drive mechanism for medium voltage vacuum circuit breakers.В статье исследован новый бистабильный электромагнит с высококоэрцитивными постоянными магнитами, который предполагается использовать в качестве актуатора вакуумных выключателей средних напряжений. Приводится теоретическое и экспериментальное исследование усовершенствованной конструкции электромагнита с целью сравнительного анализа его параметров с параметрами имеющейся конструкции. Теоретическое исследование базируется на мультифизической модели, которая включает расчет статического и динамического электромагнитных полей в нелинейной проводящей неоднородной среде с учетом постоянных магнитов, нелинейных уравнений разрядной цепи накопительного конденсатора, нелинейных уравнений движения. Экспериментальные исследования, которые проводились на реальном вакуумном выключателе, показали соответствие параметров нового бистабильного электромагнита расчетным показателям. Направление дальнейших исследований представляются в виде оптимизации геометрии электромагнита и схемы управления

Influence Of Cuts In The Housing And Armature Of The Forced Electromagnet Of The Fuel Injection System On Its Speed

Electromagnetic mechanisms are widely used in various systems due to the simplicity of their design and reliability in operation. One such system is the fuel injection system for an internal combustion engine. The electromagnets installed in such systems should have a number of special properties: they should have small dimensions, high speed, which is ensured by forcing, a small mass of moving elements, an increased residual air gap, a small armature stroke and minimal eddy currents in the magnetic core. The reduction of eddy currents is carried out by the use of steels with in- creased resistivity and special cuts in the housing and armature, which significantly complicates the design of the electromagnet, but is an effective approach for re- ducing losses in DC electromagnetic systems. To as- sess the influence of the design of an electromagnet on its speed, the article present a comparative analysis of the solution of the problem of dynamics in a 3D for- mulation for a forced armored DC electromagnet and an improved electromagnet with reduced eddy current losses due to special structural cuts in the housing and armature

ОСОБЛИВОСТІ МОРФОЛОГІЧНИХ ТА МЕТАБОЛІЧНИХ ЗМІН В БРОНХАХ ТА ЛЕГЕНЯХ У ДИНАМІЦІ ФОРМУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ БРОНХІАЛЬНОЇ АСТМИ

За останнє десятиліття спостерігається значне збільшення кількості випадків алергійних захворювань, насамперед бронхіальної астми (БА), що розглядається як проблема світового рівня й перебуває в центрі уваги клініцистів різних спеціальностей. На сучасному етапі БА є комплексним захворюванням із різними клініко-патогенетичними варіантами перебігу, особливостями реакції на проведене лікування та віддаленими результатами захворювання. Мета дослідження – вивчити морфологічні та метаболічні зміни в бронхах та легенях морських свинок у динаміці формування експериментальної бронхіальної астми. Матеріали і методи. Результати проведених патоморфологічних досліджень встановили, що застосування даної експериментальної моделі для морських свинок спричиняло спазм гладкої м’язової тканини у бронхах дрібного та середнього калібрів, артеріальних судинах легень із вираженим звуженням їхнього простору, а також еозинофільну та лімфоцитарну інфільтрації, особливо на 19-ту добу експерименту, яке в подальшому (33-я доба) призводило до розвитку вогнищевого ателектазу, пневмосклерозу та емфіземи легень. Результати досліджень та їх обговорення. Результати проведених біохімічних досліджень показали активізацію протеолітичних процесів у бронхах на усіх стадіях їх розвитку на тлі депресії показників антипротеазного потенціалу, особливо на 33-ю добу експерименту – зростає вміст азоальбуміну на 107,2 % (р<0,05), азоказеїну – на 133,8 % (р<0,05) і знижується концентрація α2-макроглобуліну на 64,6 % (р<0,05) порівняно з контролем. Формування бронхіальної астми спричиняє порушення протеїназно-інгібіторної системи в легенях, що проявляється достовірним поетапним зростанням лізису дрібно і великодисперсних білків в умовах компенсаторного підвищення вмісту α2-макроглобуліну на 5-ту добу експерименту з подальшим їх зниженням. Найпомітніші зміни протеїназно-інгібіторної системи спостерігали в найпізніший термін (33-я доба) спостереження – зростав вміст азоальбуміну на 85,9 % (р<0,05), азоказеїну – на 96,3 % (р<0,05) та знижувався рівень α2-макроглобуліну на 48,5 % (р<0,05) в легенях відносно показників контролю. Висновки. В динаміці розвитку експериментальної БА відмічають посилення протеазних реакцій із початковою активізацією, а далі депресією активності інгібіторного захисту, що свідчить про виражений дисбаланс протеїназно-інгібіторної системи, починаючи з раннього періоду формування цієї патології

APPLICATION OF THE COMPUTING ENVIRONMENT MAPLE TO THE CALCULATION OF THE DYNAMICS OF THE ELECTROMAGNETS IN THE COMPLICATED SYSTEMS OF FORCED CONTROL

General description of the research topic. The authors propose a technique for calculating the dynamics of electromagnets operating in complex forced systems. Such forced electromagnets are widely used in electromechanical switching devices, in particular in vacuum contactors, to reduce their size, energy consumption and to increase speed, which indicates the relevance of this topic. A mathematical model of the dynamics of a forced electromagnetic system, which takes into account the peculiarities of behavior in transients of its individual elements – the mechanical system, the magnetic and electrical circuits, taking into account the interaction of the electromagnet with a control device when the apparatus is activated, contains certain signs of scientific novelty and is the purpose of the paper. The technique of calculating the dynamics of forced electromagnets uses the computing environment Maple. The calculation is based on a mathematical model, which is a system of nonlinear differential equations of the magnetic and electric circuits, supplemented by the equations of motion of the elements of a mechanical system. The use of the computing environment Maple, applied here to automatically perform the mathematical transformations, allows avoiding the complicated processes of choosing the numerical integration method, programming of complex and cumbersome equations and numerical integration procedures, to obtain results of calculations in convenient tabular and/or graphic form. This specifically indicates the practical significance of this work. The results of the comparison of calculations with previously published experimental data presented in the paper indicate the high efficiency of the proposed models and techniques.Загальний опис теми дослідження. Розглядається запропонована авторами методика розрахунку динаміки електромагнітів, що працюють у складних форсованих системах. Подібні форсовані електромагніти широко застосовуються в електромеханічних комутаційних апаратах, зокрема у вакуумних контакторах, для зменшення їх розмірів, споживання енергії та для підвищення швидкодії, що свідчить про актуальність даної теми. Математична модель динаміки форсованої електромагнітної системи, що враховує особливості поведінки у нестаціонарних процесах її окремих елементів – механічної системи, магнітного та електричного кіл з урахуванням взаємодії електромагніта з пристроєм керування під час спрацьовування апарата, містить певні ознаки наукової новизни і є метою статті. Методика розрахунку динаміки форсованих електромагнітів застосовує математичний пакет Maple. В основу розрахунку покладено математичну модель, яка представляє собою систему нелінійних диференційних рівнянь магнітного і електричного кіл, доповнених рівняннями руху елементів механічної системи. Застосування пакету Maple, який багато в чому бере на себе складнощі математичного опису різних процесів, автоматично здійснюючи дуже складні і громіздкі математичні перетворення, дозволяє, уникаючи складних процесів вибору способу чисельного інтегрування, програмування складних й громіздких рівнянь та процедур їх чисельного інтегрування, отримувати результати розрахунків у зручній табличній та/або графічній формі, що свідчить про практичну значущість даної роботи. Наведені у статті результати зіставлення розрахунків з опублікованими раніше експериментальними даними, свідчать про високу ефективність запропонованих моделей та методик

Trypan Blue Dye Enters Viable Cells Incubated with the Pore-Forming Toxin HlyII of Bacillus cereus

Trypan blue is a dye that has been widely used for selective staining of dead tissues or cells. Here, we show that the pore-forming toxin HlyII of Bacillus cereus allows trypan blue staining of macrophage cells, despite the cells remaining viable and metabolically active. These findings suggest that the dye enters viable cells through the pores. To our knowledge, this is the first demonstration that trypan blue may enter viable cells. Consequently, the use of trypan blue staining as a marker of vital status should be interpreted with caution. The blue coloration does not necessarily indicate cell lysis, but may rather indicate pore formation in the cell membranes and more generally increased membrane permeability