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

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

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

Multi-Wavelength Variability of BL Lacertae Measured with High Time Resolution

In an effort to locate the sites of emission at different frequencies and physical processes causing variability in blazar jets, we have obtained high time-resolution observations of BL Lacertae over a wide wavelength range: with the \emph{Transiting Exoplanet Survey Satellite} (TESS) at 6,000-10,000 \AA\ with 2-minute cadence; with the Neil Gehrels \emph{Swift} satellite at optical, UV, and X-ray bands; with the Nuclear Spectroscopic Telescope Array at hard X-ray bands; with the \emph{Fermi} Large Area Telescope at $\gamma$-ray energies; and with the Whole Earth Blazar Telescope for measurement of the optical flux density and polarization. All light curves are correlated, with similar structure on timescales from hours to days. The shortest timescale of variability at optical frequencies observed with TESS is $\sim 0.5$ hr. The most common timescale is $13\pm1$~hr, comparable with the minimum timescale of X-ray variability, 14.5 hr. The multi-wavelength variability properties cannot be explained by a change solely in the Doppler factor of the emitting plasma. The polarization behavior implies that there are both ordered and turbulent components to the magnetic field in the jet. Correlation analysis indicates that the X-ray variations lag behind the $\gamma$-ray and optical light curves by up to $\sim 0.4$ days. The timescales of variability, cross-frequency lags, and polarization properties can be explained by turbulent plasma that is energized by a shock in the jet and subsequently loses energy to synchrotron and inverse Compton radiation in a magnetic field of strength $\sim3$ GComment: 33 pages, 25 figures, 14 tables. Accepted to Ap

Blazar spectral variability as explained by a twisted inhomogeneous jet

Blazars are active galactic nuclei, which are powerful sources of radiation whose central engine is located in the core of the host galaxy. Blazar emission is dominated by non-thermal radiation from a jet that moves relativistically towards us, and therefore undergoes Doppler beaming1. This beaming causes flux enhancement and contraction of the variability timescales, so that most blazars appear as luminous sources characterized by noticeable and fast changes in brightness at all frequencies. The mechanism that produces this unpredictable variability is under debate, but proposed mechanisms include injection, acceleration and cooling of particles2, with possible intervention of shock waves3,4 or turbulence5. Changes in the viewing angle of the observed emitting knots or jet regions have also been suggested as an explanation of flaring events6,7,8,9,10 and can also explain specific properties of blazar emission, such as intra-day variability11, quasi-periodicity12,13 and the delay of radio flux variations relative to optical changes14. Such a geometric interpretation, however, is not universally accepted because alternative explanations based on changes in physical conditions—such as the size and speed of the emitting zone, the magnetic field, the number of emitting particles and their energy distribution—can explain snapshots of the spectral behaviour of blazars in many cases15,16. Here we report the results of optical-to-radio-wavelength monitoring of the blazar CTA 102 and show that the observed long-term trends of the flux and spectral variability are best explained by an inhomogeneous, curved jet that undergoes changes in orientation over time. We propose that magnetohydrodynamic instabilities17 or rotation of the twisted jet6 cause different jet regions to change their orientation and hence their relative Doppler factors. In particular, the extreme optical outburst of 2016–2017 (brightness increase of six magnitudes) occurred when the corresponding emitting region had a small viewing angle. The agreement between observations and theoretical predictions can be seen as further validation of the relativistic beaming theory

Ultrafast nano-focusing with full optical waveform control

The spatial confinement and temporal control of an optical excitation on nanometer length scales and femtosecond time scales has been a long-standing challenge in optics. It would provide spectroscopic access to the elementary optical excitations in matter on their natural length and time scales and enable applications from ultrafast nano-opto-electronics to single molecule quantum coherent control. Previous approaches have largely focused on using surface plasmon polariton (SPP) resonant nanostructures or SPP waveguides to generate nanometer localized excitations. However, these implementations generally suffer from mode mismatch between the far-field propagating light and the near-field confinement. In addition, the spatial localization in itself may depend on the spectral phase and amplitude of the driving laser pulse thus limiting the degrees of freedom available to independently control the nano-optical waveform. Here we utilize femtosecond broadband SPP coupling, by laterally chirped fan gratings, onto the shaft of a monolithic noble metal tip, leading to adiabatic SPP compression and localization at the tip apex. In combination with spectral pulse shaping with feedback on the intrinsic nonlinear response of the tip apex, we demonstrate the continuous micro- to nano-scale self-similar mode matched transformation of the propagating femtosecond SPP field into a 20 nm spatially and 16 fs temporally confined light pulse at the tip apex. Furthermore, with the essentially wavelength and phase independent 3D focusing mechanism we show the generation of arbitrary optical waveforms nanofocused at the tip. This unique femtosecond nano-torch with high nano-scale power delivery in free space and full spectral and temporal control opens the door for the extension of the powerful nonlinear and ultrafast vibrational and electronic spectroscopies to the nanoscale.Comment: Contains manuscript with 4 figures as well as supplementary material with 2 figure