چگونه رله ها "در برابر رعد و برق" مقاومت می کنند؟ تجزیه و تحلیل طراحی نوآورانه در رله های مقاوم در برابر صاعقه بالا

هنگامی که یک جریان موج عظیم رعد و برق به a رله ، سیستم تماس اغلب اولین چیزی است که از کار می افتد. در این لحظه، نیروی Holm قابل توجهی بر روی سطوح تماس ایجاد می شود. این نیروی الکترومغناطیسی به شدت تماس ها را دفع می کند و باعث می شود مدار - که باید بسته بماند - به طور غیر عادی باز شود و منجر به خرابی تجهیزات شود.

رله های معمولی برای رفع این مشکل ناکافی به نظر می رسند. نوآوری‌های فنی اخیر به طرز هوشمندانه‌ای از نیروی لورنتس برای کاهش نیروی هلم استفاده می‌کنند، بنابراین به یک اثر تثبیت‌کننده «استفاده از نیرو برای مقابله با نیرو» دست می‌یابند.

نمودار شماتیک مکانیسم تولید نیروی لورنتس

چالش رعد و برق: مکانیسم فیزیکی اصلی دفع تماس

خطر رعد و برق برای رله ها بر جریان بسیار بزرگ آنی متمرکز است. هنگامی که جریان صاعقه (که می تواند به ده ها کیلو آمپر برسد) از ناحیه تماس باریک یک رله عبور می کند، دو نیروی کلیدی بین کنتاکت ها ایجاد می کند.

اولین مورد نیروی هلم است (نیروی دفع تماس نیز نامیده می شود). از اثر انقباض شدید جریان در نقاط تماس (در واقع ناهمواری های میکروسکوپی متعدد) منشاء می گیرد. خطوط فعلی به شدت در ناهمواری های میکروسکوپی فشرده می شوند و نیروی الکترودینامیکی قوی ایجاد می کنند که سعی می کند کنتاکت ها را از هم جدا کند. قدر آن متناسب با مجذور جریان است. در هنگام برخورد صاعقه، مقدار آن برای غلبه بر فشار تماس معمولی کنتاکت ها کافی است.

دیگری نیروی لورنتس است. این نیرویی است که بر هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی وارد می شود. در یک رله، جریانی که از یک هادی با شکل خاص عبور می کند، تحت نیرویی در میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط خودش قرار می گیرد و جهت نیرو از قانون سمت چپ پیروی می کند. نکته کلیدی این است که، از طریق طراحی مبتکرانه، می توان جهت نیروی لورنتز را بر خلاف نیروی هلم هدایت کرد و در نتیجه اثرات مضر آن را خنثی کرد.

جدول 1. مقایسه دو نیروی کلیدی که بر روی مخاطبین تحت اصابت صاعقه عمل می کنند

معضل صنعت: محدودیت های فنی طراحی سنتی

برای مدت طولانی، بهبود قابلیت مقاومت در برابر صاعقه رله عمدتاً به رویکردهای "تقویت کننده" مانند افزایش سختی مواد تماس و افزایش فشار تماس متکی بود. اما در مواجهه با نیروی هلم که با مجذور جریان رشد می کند، این روش ها به سرعت به مرزهای خود می رسند.

یک تناقض خاص در تلاش برای استفاده از نیروی لورنتس ظاهر می شود. در رله‌های DC، برای خاموش کردن قوس تولید شده هنگام شکستن جریان زیاد، اغلب از فناوری «خاموشی قوس فوران مغناطیسی» استفاده می‌شود که در آن آهن‌رباهای دائمی در اطراف کنتاکت‌ها قرار می‌گیرند.

با این حال، این میدان مغناطیسی باعث می شود که فنر متحرک حامل جریان، نیروی لورنتس اضافی را تجربه کند، که اغلب به سمت پایین است. این نیرو نه تنها به مقاومت در برابر نیروی دافعه کمک نمی کند، بلکه ممکن است بخشی از فشار تماس را نیز جبران کند، و باعث می شود که کنتاکت ها تحت جریان صاعقه راحت تر دفع شوند و در واقع توانایی مقاومت در برابر اتصال کوتاه محصول را کاهش می دهد.

این دقیقاً تأیید نظری چالش اصلی توصیف شده در پروژه کاربر را ارائه می دهد: "نیروی لورنتس در موقعیت های با شکاف کوچک به راحتی قابل درک است، اما استفاده از شکاف های تماس بزرگ بسیار دشوار است." اینکه چگونه می توان جهت و بزرگی نیروی لورنتس را دقیقاً کنترل کرد تا تبدیل به یک «متحد» شود تا «دشمن»، بزرگترین مشکل در طراحی است.

پیشرفت نوآورانه: فلسفه طراحی استفاده از "زور" برای مقابله با "زور"

برای عبور از معضل فوق، لازم است از تفکر بهینه سازی محلی فراتر رفته و طراحی نوآورانه یکپارچه سیستم تماس رله را انجام دهیم. راه حل های فنی پیشرفته عمدتاً حول دو ایده اصلی می چرخد.

ایده 1: بازسازی میدان مغناطیسی به "صفر خروجی" یا معکوس کردن نیروی مضر لورنتس

برای رسیدگی به عوارض جانبی ناشی از میدان خاموش کننده قوس فوران مغناطیسی، یک راه حل ابتکاری بازسازی توزیع میدان مغناطیسی فضایی با تغییر تعداد، آرایش و قطبیت آهنرباهای دائمی است.

به عنوان مثال، یک طرح سه آهنربایی: دو آهنربا در دو طرف فنر متحرک در جهت عرض قرار دارند که مربوط به یک مجموعه از تماس های متحرک و ثابت است. آهنربای سوم در یک طرف فنر متحرک در جهت طول قرار دارد که مربوط به مجموعه دیگری از تماس ها است.

طراحی کلیدی این است که وجه قطب آهنربای سوم تقریباً عمود بر وجه قطب دو آهنربای اول باشد. از طریق این طراحی ویژه مدار مغناطیسی، نیروی خالص لورنتز که توسط فنر متحرک در میدان خاموش کننده قوس مغناطیسی تجربه می‌شود، تقریباً صفر می‌شود، و اساساً اثرات جانبی مضر را از بین می‌برد و اطمینان حاصل می‌کند که فشار تماس مختل نمی‌شود.

نمودار شیمیایی نیروی هلم و نیروی لورنتس

ایده 2: نوآوری ساختاری برای استفاده مؤثر از نیروی سودمند لورنتس

برای ایجاد فعالانه نیروی مفید لورنتس برای مقاومت در برابر نیروی هلم، نکته کلیدی طراحی یک حلقه هادی حامل جریان خاص است. یک راه حل پیشرفته طراحی ترکیبی از "سیم مسی انعطاف پذیر چند رشته ای که به طور انعطاف پذیر به یک فنر متحرک سفت و سخت متصل می شود" با ساختار "U شکل" را اتخاذ می کند.

تولید نیرو: هنگامی که جریان صاعقه از فنر متحرک U شکل و سیم‌های انعطاف‌پذیر متصل به آن عبور می‌کند، با توجه به جهت دور آن‌ها، نیروهای لورنتز در همان جهت و عمود بر صفحه تماس بر روی دو بازوی موازی سازه U شکل می‌توانند ایجاد شوند.

انتقال و تبدیل نیرو: این نیرو بر کل مجموعه فنر متحرک تأثیر می گذارد. اتصال انعطاف پذیر سیم مسی انعطاف پذیر چند رشته ای بسیار مهم است، زیرا تضمین می کند که نیروی لورنتس می تواند به طور موثر منتقل شود و به فشار عادی بر روی رابط تماس تبدیل شود، نه اینکه باعث پیچش یا جابجایی صلب سازه شود.

جبران پویا: هنگامی که نیروی هولم تلاش می کند تا کنتاکت ها را از هم جدا کند، نیروی لورنتس از پیش طراحی شده به طور همزمان افزایش می یابد و یک مکانیسم جبران پویا و تطبیقی ​​ایجاد می کند که کنتاکت ها را به هم فشار می دهد. خود ساختار U شکل نیز پایداری مکانیکی بهتر و اثر اهرمی-بازویی را فراهم می کند.

این طراحی به طرز مبتکرانه ای مشکل "مشکل در استفاده از نیروی لورنتس در شکاف های تماس بزرگ" را حل می کند. از طریق اتصال انعطاف پذیر و طراحی ساختاری کلی، جمع آوری و استفاده کارآمد از نیروهای لورنتس بر روی هادی های حامل جریان در محدوده بزرگتر خارج از اثر شکاف کوچک (یعنی منطقه انقباض فعلی) به دست می آید.

نمودار شماتیک طراحی ساختار تماس "U شکل" محوری

طراحی دقیق: پشتیبانی از فناوری شبیه سازی و علم مواد

تحقق کنترل نیرو دقیق فوق از ابزارها و مواد طراحی پیشرفته جدایی ناپذیر است.

شبیه سازی کوپلینگ چندفیزیکی به یک روش تحقیق و توسعه ضروری در این زمینه تبدیل شده است. در زمینه‌های با قابلیت اطمینان بالا مانند هوافضا، تجزیه و تحلیل رله‌های الکترومغناطیسی مهر و موم شده یک مدل محاسباتی جفت‌کننده تعاملی دو جهته دینامیک-المان محدود الکترومغناطیسی را اتخاذ کرده است.

این روش می تواند در زمان واقعی برهمکنش بین پارامترهای گشتاور مکانیکی گذرا، نیروی الکترومغناطیسی و تغییر شکل را محاسبه کند، فرآیند پیچیده دینامیکی را در لحظه برخورد صاعقه به دقت شبیه سازی کند و خطای محاسبه پارامترهای کلیدی مانند نیروی نگهدارنده کشش را در سطح متوسط ​​2.21٪ کنترل کند.

این بسیار برتر از روش‌های سنتی مبتنی بر جداول داده استاتیک است و پیش‌بینی‌های دقیقی برای بهینه‌سازی پارامترهایی مانند ابعاد ساختار U شکل و طول و سختی سیم انعطاف‌پذیر ارائه می‌دهد.

از نظر مواد، فنر متحرک معمولاً از مس بریلیم با قابلیت ارتجاعی بالا و رسانایی بالا یا آلیاژ برنز فسفر ساخته می شود تا در برابر نیروی مکرر و شوک حرارتی مقاومت کند. سیم مسی انعطاف پذیر چند رشته ای به خلوص و انعطاف پذیری بسیار بالایی نیاز دارد تا از هدایت مطمئن جریان و نیرو پس از ارتعاش طولانی مدت اطمینان حاصل شود.

مواد عایق و سازه های مسکن نیز باید برای برآوردن الزامات عایق ولتاژ بالا که ممکن است رعد و برق ایجاد کند، بازنگری شود.

محصولات رله ما را کاوش کنید

پورتفولیوی رله ما برای کاربردهایی ساخته شده است که جریان بالا، رویدادهای افزایشی و قابلیت اطمینان طولانی مدت باید با هم مورد بررسی قرار گیرند. از استاندارد مهر و موم شده رله های برقی راه‌حل‌های ما برای سیستم‌های تماسی سفارشی‌شده با مقاومت در برابر صاعقه، به مهندسان کمک می‌کند از حفاظت غیرفعال به تثبیت تماس فعال حرکت کنند.

خلاصه

نوآوری اصلی این پروژه در مطالعه عمیق مکانیسمی است که توسط آن تماس های رله به دلیل نیروی هلم تحت جریان صاعقه بزرگ از بین می روند و ایده طراحی استفاده از نیروی لورنتس برای مقابله فعال را به طور خلاقانه پیشنهاد می کند. این پروژه با موفقیت یک مکانیزم کلیدی را طراحی کرد که ترکیبی از ساختار فنر متحرک "U شکل" محوری با اتصال انعطاف پذیر سیم مسی انعطاف پذیر چند رشته ای است که به طور موثر نیروی لورنتس تولید شده را به فشار عادی تبدیل می کند که تماس ها را تثبیت می کند.

تحت تأیید دقیق و بهینه‌سازی توسط فناوری شبیه‌سازی کوپلینگ چندفیزیکی، این طرح به یک پیشرفت فناوری اساسی از «مقاومت غیرفعال» سنتی تا «لغو پویا فعال» دست می‌یابد که به طور قابل‌توجهی قابلیت اطمینان و طول عمر رله‌ها را در محیط‌های رعد و برق شدید بهبود می‌بخشد.