ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРИВОДНОМ ВАЛУ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ СРЕДНИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Introduction. In the last 10-15 years a dominant position in the market of medium voltage circuit breakers, vacuum circuit breakers have taken in which as an actuator mono- or bistable actuators with permanent magnets are used. Such circuit breakers are characterized by simplicity of design, high reliability, require preventive maintenance for many years. Development, research and improvement of vacuum circuit breakers are carried out at the Department for Electrical Apparatus, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». While working on the circuit breakers, developers have to deal with two related objectives – electrical and mechanical. This paper considers the solution of one of these problems – calculation of mechanical forces in the drive shaft of the vacuum circuit breaker in static and dynamic modes. This work was preceded by the failure of the results of measurements of the prototype circuit breakers’ contacts. Measurements have shown that these values do not match the expected values (there were less than the value of 0.8 to 1 mm). The assumption about the reasons for this discrepancy needed to be detailed checked. The results of the work done are presented in this paper. Purpose. Investigation of static and dynamic mechanical stresses and strains in the drive shaft of the vacuum circuit breaker mechanism to determine its characteristics and material selection. Methods. The investigation of mechanical processes is performed by the finite element method in the COMSOL software package. Results. We obtain the static and dynamic characteristics of the circuit breaker drive shaft: deformations, reaction forces, stresses. These characteristics made it possible to determine the actual course of the contacts, select shaft material and calculate the forces acting on the bearings. Conclusions. It is shown that the contact velocity and contact pressure are different from the theoretical value due to the deformation of the shaft. The forces acting on the thrust bearings dynamically are by 16-39% higher than the static ones. It is assumed that further refinement of the mathematical model takes into account the traction insulators and housing, as well as dynamics of the circuit breaker.В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного выключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызывает уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эти значения не критичны и мало влияют на работу выключателя. Получены значения сил, действующих на опоры вала. Показано, что динамические усилия в опорах на (19-38)% больше статических. Полученные значения усилий позволяют выбрать материал вала и подшипники.В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного выключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызывает уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эти значения не критичны и мало влияют на работу выключателя. Получены значения сил, действующих на опоры вала. Показано, что динамические усилия в опорах на (19-38)% больше статических. Полученные значения усилий позволяют выбрать материал вала и подшипники

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.

СПОСІБ РОЗРАХУНКУ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ДЖЕРЕЛА ШУМІВ У ТРИВИМІРНОМУ ПРОСТОРІ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ПНЕВМОНІЇ У ДІТЕЙ МОЛОДШОГО ВІКУ

The theoretical justification for using of the GPS-technology principle for the pneumonia diagnosis was made in the article. The sensor's matrix is located on a patient's chest and it's an inactive system's component unlike satellites used in GPS. The method is i mplemented using t he GPS-navigation formula with some variables replacements. For determining of the coordinates of the sounds source in the three-dimensional space it's necessary to calculate time from sound's source to each sensor of matrix. According to the obtained coordinates the conclusion about the depth and location of the inflammation process (pneumonia) in the patient lungs can be made.В статье теоретически обосновано использование принципа GPS-технологии для диагностики пневмоний. Матрица датчиков, располагающаяся на грудной клетке пациента, является неактивной составляющей системы, в отличие от спутников, которые использован ы в GPS. Способ реализуется при помощи уравнений GPS-навигации, в которых производится замена переменных. Рассчитывая время прихода респираторного аускультативного шума к каждому из датчиков матрицы получают координаты источника воспалительного процесса в трёхмерном пространстве. По полученным координатам делают вывод о глубине и месте положения воспалительного процесса (пневмонии) в лёгких пациента.У статті теоретично обґрунтоване використання принципу GPS-технології для діагностики пневмоній. Матриця датчиків, розташована на грудній клітці пацієнта, є неактивною складовою системи, на відміну від супутників, що використовуються у GPS. Спосіб реалізується за допомогою рівнянь GPS-навігації, у яких замінюються змінні. Розраховуючи час приходу респіраторного аускультативного шуму до кожного з датчиків матриці отримують координати джерела запального процесу у тривимірному просторі. За отриманими координатами роблять висновок про глибину та місце положення запального процесу (пневмонії) у легенях пацієнта

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

СИСТЕМА ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ МЕТОДА ДІАГНОСТИКИ ПНЕВМОНІЙ ПАСИВНОЮ ЕХОЛОКАЦІЄЮ

The article describes the design of equipment for implementing the method of diagnosis of pneumonia by the method of passive echolocation. Diagnosis is done through listening, identify and determine the place of the provisions of pathological noise sources in the respiratory system of the patient. The device is specially designed for implementation of the method of diagnosis of pneumonia by the method of passive echolocation and tested. The recordings of acoustic signals of respiratory pattern are of high quality, the device itself is convenient and easy to use.В статье описана конструкция оборудования для реализации способа диагностики пневмонии методом пассивной эхолокации. Диагностика осуществляется благодаря прослушиванию, идентификации и выявлению местоположения источников патологических шумов в дыхательной системе пациента. Устройство разработано специально для реализации способа диагностики пневмонии методом пассивной эхолокации и испытано. Полученные записи акустических сигналов дыхательного паттерна имеют высокое качество, само устройство удобно и просто в использовании.У статті описано конструкцію обладнання для реалізації способу діагностики пневмонії методом пасивної ехолокації. Діагностика здійснюється завдяки прослуховуванню, ідентифікації та виявленню місця положення джерел патологічних шумів у дихальній системі пацієнта. Пристрій розроблено спеціально для реалізації способу діагностики пневмонії методом пасивної ехолокації та випробувано. Отримані записи акустичних сигналів дихального патерну мають високу якість, сам пристрій зручний та простий у використанні

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

The heat capacity of nitrogen chains in grooves of single-walled carbon nanotube bundles

The heat capacity of bundles of closed-cap single-walled carbon nanotubes (SWNT) with one-dimensional chains of nitrogen molecules adsorbed in the grooves has been first experimentally studied at temperatures from 2K to 40K using an adiabatic calorimeter. The contribution of nitrogen C(T) to the total heat capacity has been separated. In the region 2-8K the behaviour of the curve C(T) is qualitatively similar to the theoretical prediction of the phonon heat capacity of 1D chains of krypton (Kr) atoms localized in the grooves of SWNT bundles. Below 3K the dependence C(T) is linear. Above 8K the dependence C(T) becomes steeper in comparison with the case of Kr atoms. This behaviour of the heat capacity C(T) is due to the contribution of the rotational degrees of freedom of the nitrogen molecules.Comment: 15 pages, 4 figure

H3K9me2/3 Binding of the MBT Domain Protein LIN-61 Is Essential for Caenorhabditis elegans Vulva Development

MBT domain proteins are involved in developmental processes and tumorigenesis. In vitro binding and mutagenesis studies have shown that individual MBT domains within clustered MBT repeat regions bind mono- and dimethylated histone lysine residues with little to no sequence specificity but discriminate against the tri- and unmethylated states. However, the exact function of promiscuous histone methyl-lysine binding in the biology of MBT domain proteins has not been elucidated. Here, we show that the Caenorhabditis elegans four MBT domain protein LIN-61, in contrast to other MBT repeat factors, specifically interacts with histone H3 when methylated on lysine 9, displaying a strong preference for di- and trimethylated states (H3K9me2/3). Although the fourth MBT repeat is implicated in this interaction, H3K9me2/3 binding minimally requires MBT repeats two to four. Further, mutagenesis of residues conserved with other methyl-lysine binding MBT regions in the fourth MBT repeat does not abolish interaction, implicating a distinct binding mode. In vivo, H3K9me2/3 interaction of LIN-61 is required for C. elegans vulva development within the synMuvB pathway. Mutant LIN-61 proteins deficient in H3K9me2/3 binding fail to rescue lin-61 synMuvB function. Also, previously identified point mutant synMuvB alleles are deficient in H3K9me2/3 interaction although these target residues that are outside of the fourth MBT repeat. Interestingly, lin-61 genetically interacts with two other synMuvB genes, hpl-2, an HP1 homologous H3K9me2/3 binding factor, and met-2, a SETDB1 homologous H3K9 methyl transferase (H3K9MT), in determining C. elegans vulva development and fertility. Besides identifying the first sequence specific and di-/trimethylation binding MBT domain protein, our studies imply complex multi-domain regulation of ligand interaction of MBT domains. Our results also introduce a mechanistic link between LIN-61 function and biology, and they establish interplay of the H3K9me2/3 binding proteins, LIN-61 and HPL-2, as well as the H3K9MT MET-2 in distinct developmental pathways