Coupled Magneto-Thermo-Mechanical Phenomena in Electromagnetic Devices: Main Interactions and their Graphical Representation

A list of main coupled electromagnetic, thermal and mechanical phenomena to be taken into account in numerical analysis of electrical machines and other electromagnetic devices is proposed. A number of well-known and “exotic” physical effects are listed and briefly analyzed. A detailed diagram depicting multiphysical processes is presented. An example devoted to illustration of the presented analysis utilization is considered

Multiphysical numerical analysis of electromagnetic devices: state-of-the-art and generalization

In this paper, an analysis of state-of-the-art and an attempt to generalize the basic principles of multiphysical (coupled) computer simulation of various electromagnetic devices (electrical machines, induction heaters, actuators, electrophysical devices, etc.) are presented. The analysis is based on the author’s wide experience in solving various practical problems regarding design and operation of a variety of innovative machines and devices as well as on studies carried out by other researchers.В статье приведен анализ состояния вопроса и предпринята попытка обобщения основных принципов компьютерного моделирования связанных процессов в различных электромагнитных устройствах

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

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.

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

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

Correction to: A nonsynonymous mutation in PLCG2 reduces the risk of Alzheimer’s disease, dementia with Lewy bodies and frontotemporal dementia, and increases the likelihood of longevity

The IPDGC (The International Parkinson Disease Genomics Consortium) and EADB (Alzheimer Disease European DNA biobank) are listed correctly as an author to the article, however, they were incorrectly listed more than once

Correction to: A nonsynonymous mutation in PLCG2 reduces the risk of Alzheimer’s disease, dementia with Lewy bodies and frontotemporal dementia, and increases the likelihood of longevity

The IPDGC (The International Parkinson Disease Genomics Consortium) and EADB (Alzheimer Disease European DNA biobank) are listed correctly as an author to the article, however, they were incorrectly listed more than once