Studien zur Optimierung von Wechselstrom-Lüftschützen mit Finite Elemente Analysen

Abstract

Die Grobdimensionierung der bestehenden Schützreihe erfolgte beim Entwurf vor etwa 30 Jahren.<br />Anschließend wurden bei unveränderten Abmessungen des Magnetbleches und der Kurzschlussringe die Ringe durch Verwendung verschiedener Materialpaarungen hinsichtlich größtmöglichen Kraftminimums im Stromnulldurchgang der Spule durch Versuche praktisch optimiert.<br />Das Ziel der Diplomarbeit in diesem Teil ist vorerst die Erstellung eines stromgespeisten Modells, mit dessen Hilfe die praktisch gemessenen elektrischen und mechanischen Größen verifiziert werden sollen. Dieses Modell wird mit dem, durch Messung am realen Schütz bestimmten Strom in Abhängigkeit des Hubes beaufschlagt. Berechnet werden die Kraftverläufe in Abhängigkeit des Luftspalts bei oben- bzw. schrägliegenden Kurzschlussringen.<br />Bei Variation des magnetischen Systems bleibt der Spulenstrom aber nicht gleich, sodass die Stromspeisung durch eine Spannungsspeisung ersetzt wird. Die Bestimmung der sich einstellenden Stromaufnahme samt den zugehörigen Zugkräften in Abhängigkeit des Hubes ist dadurch möglich.<br />Mit dieser Modelladaption erfolgen schließlich alle Berechnungen bei oben- bzw. schrägliegenden Kurzschlussringen. Weiters werden die Ergebnisse zwischen Strom- und Spannungsspeisung miteinander verglichen.<br />Die gute Übereinstimmung der Simulation mit den in der Praxis gemessenen Spulenstromwerten ist die Folge eines geeigneten Modells für diese Anwendung. Damit ist nun auch der Beweis für die Richtigkeit der anderen berechneten Größen erbracht.<br />Zur Auswertung gelangen Kraftaufteilungen am Seitenschenkel bei vollem und verschwindendem Hauptfeld, um die Wirkung der jeweiligen Kurzschlussringsituation zu zeigen. Als Abschluss folgen Bilder von Flussdichteverteilungen obiger Variationen, welche die Wirkungsweise beziehungsweise die Veränderungen derer darstellen.<br />Die Grobdimensionierung der neuen Magnetgeometrie erfolgte durch Ähnlichkeitskonstruktion, ausgehend vom Antrieb des bestehenden S-Schützes.<br />Ziel der Diplomarbeit ist hier eine Detailoptimierung der Seitenschenkel im Bereich der Kurzschlussringe hinsichtlich eines größtmöglichen Kraftminimums durchzuführen. Alle anderen Abmessungen bzw. die Spule mit ihrer Windungszahl bleiben ausgehend von der Grobdimensionierung unverändert, da das System ins geplante Gehäuse passen muss. Durch die gleiche Windungszahl in Theorie und Praxis erfolgt ein direkter Vergleich der spannungsgespeisten Ergebnisse zum S-Schütz.<br />Das nun verwendete Modell gestattet ausschließlich spannungsgespeiste Berechnungen. Ausgehend vom Startmodell erfolgen Berechnungen in Abhängigkeit verschiedener Kurzschlussringlagen bei geschlossenem Magnetsystem, um deren volle Wirksamkeit zu erhalten. Weiters werden Kraftaufteilungen am Seitenschenkel bei vollem und verschwindendem Hauptfeld angestellt, um die Wirkung der jeweiligen Kurzschlussringsituation zu zeigen. Der Zeitverlauf der Ringströme wird dargestellt und kommentiert.<br />Ebenso folgen zum Abschluss Darstellungen von Flussdichteverteilungen, um auch die Auswirkungen der verschiedenen Geometrien aufzuzeigen.<br />

The first design of the existing contactor series took place 30 years ago. Then, with unchanged dimensions of the magnetic sheet geometry and the shading rings the rings were optimized by using different material combinations. The highest minimum force of the magnetic system at current zero of the exciting coil was determined by trail-and-error method.<br />One of aims of the thesis is to create a current-fed Finite Element model to verify the practically measured electrical and mechanical parameters. This model will be fed with the measured exciting coil current in reliance to the travel. Afterwards the force characteristics as a function of the air gap from top or tilted shading rings are calculated.<br />Variations of the magnetic system cause different coil currents, so the current-fed model has to be changed to a voltage driven model. Now it is possible to determine the real current consumption and forces in reliance of the travel. Finally this model change allows do to all calculations with top or tilted shading rings. Furthermore the results between current-fed and voltage driven model are compared. The good match between the simulations and the real measured coil currents is the result of an appropriate model for this application. With that the correctness of all other calculated parameters provided is given.<br />Force components, caused from different styles of shading rings, at maximum and zero exciting field are shown to demonstrate the effect of the style. As a conclusion there are pictures of the flux density distribution from above mentioned shading ring styles.<br />The first design of the new magnet geometry is a result of a similarity design of the existing S-contactor.<br />A further aim of the thesis is a detail optimization of the side-leg in the shading ring area with respect to a high minimum force. to implement minimum. All other dimensions or winding data of the coil are unchanged and identically with the first design because the complete drive has to fit into the planned housing. The same numbers of windings as the S-contactor enables a direct comparison of both voltage driven models results.<br />The used model only allows voltage drive model calculations. Starting with the first design calculations in dependence of various positions of the shading rings of a closed magnet system are carried out. So the rings have to full effectiveness. Force components, caused from different styles of shading rings, at maximum and zero exciting field are shown to demonstrate the effect of the styles. The time behaviour of the shading ring current will be presented and evaluated.<br />Also pictures of the flux density distribution from above mentioned shading ring styles are shown.