Simulation and design of an electrodynamic Thomson coil actuator for fast mechanical switches
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3025726Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2410]
Sammendrag
En Thomson spole aktuator er en ultra-rask elektromagnetisk driv mekanisme.Drivmekanismen skal brukes til å drive den mekaniske bryteren i en hybrid likestrøms-(HVDC) effektbryter. Ved å utbedre designet av Thomson spolen kan det muliggjøre hybrid HVDC-effektbrytere som et kostnadseffektive alternativ for beskyttelse av flerterminal HVDC-nett.For å undersøke Thomson-spole-mekanismen nærmere ble det laget en fungerende FEM-simuleringsmodell av brytermekanismen i COMSOL multiphysics.Modellen ble verifisert ved å lage en prototype av mekanismen for deretter å brukeprototypen til å gjennomføre en eksperimentell verifisering. Den verifiserte modellen ble brukt til å gjennomføre en parameter studie av mekanismen. Paramaterstudie viste blant annet at for en vilkårlig gitt Thomson spole kan et optimalisertspenning-til-kapasitans forhold bli funnet. Det ble også vist at antall viklinger ispolen påvirket sterkt både effektiviteten og åpningstiden til mekanismen, og etrelativt høyt viklingstall (35-45 viklinger) gav de beste resultatene. Den optimalearmatur radiusen ble funnet til å være litt mindre en spole radiusen. Endring iarmaturtykkelse hadde liten effekt, selv ved veldig tynne armaturer (4 mm), dettegrunnet den dårlige penetreringsevnen til eddy-strømningene.Et forslag til en iterativ designprosess ble laget basert på regler fra parameterstudiet. Selv med de begrensningen satt i designprosessen, ble prosessen fortkompleks og innviklet. Dette påpeker vanskeligheten ved å lage generaliserte dimensjoneringsregler for slike mekanismer.Implementeringen av FEM-simulasjonsmodeller muliggjør for en raskere og merkostnadseffektiv utforskning av designparametere. Likevel, på grunn av de mangefaktorene og parameterne som påvirker slike åpningsmekanismer, har det vist segå være utfordrende å lage generaliserte dimensjoneringsregler for en Thomsonspole aktuator A Thomson coil actuator is an ultra-fast electromagnetic drive mechanism to beused as the drive for the mechanical switch in a hybrid HVDC circuit breaker.Improving on the design of the TC may enable the hybrid HVDC CB to be a costeffective CB for the protection of multi-terminal HVDC systems.To investigate the TC mechanism, a working FEM-simulation model of the TCwas made in COMSOL multiphysics. The model was verified by making a prototype and completing an experimental verification of the model. The verifiedmodel was used to complete a parametric study of the TC. The parametric studydemonstrated that for any given TC, an optimized voltage to capacitance ratio ofthe energy source could be found. The number of turns also highly affected theefficiency and opening time, and the parametric study suggested that having arelatively high number of turns (35-45) would improve the efficiency and OT ofthe TC. The optimal armature radius was found to be slightly smaller than the coilradius. The change in armature thickness did not affect the eddy currents in thearmature significantly (even at 4 mm) due to the poor penetration depth of theeddy currents, making the most likely limiting factor for the armature to be theforce stress it experiences.A suggestion for an iterative design process was made based on a set of generalized rules made from the parametric study. Even with the limitations set in thedesign process, the process became complex and intricate, highlighting the difficulty of making general dimensioning rules for such devices. The implementationof FEM-simulation models allows for faster and more cost-effective explorationof the design parameters. However, because of the many factor and parametersthat affect the driving characteristics of such a device, the deriving of generalizeddimensioning rules for a Thomson coil actuator has proven to be challenging.