Simulation and design of an electrodynamic Thomson coil actuator for fast mechanical switches

Abstract

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 bruke prototypen 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 optimalisert spenning-til-kapasitans forhold bli funnet. Det ble også vist at antall viklinger i spolen påvirket sterkt både effektiviteten og åpningstiden til mekanismen, og et relativt høyt viklingstall (35-45 viklinger) gav de beste resultatene. Den optimale armatur radiusen ble funnet til å være litt mindre en spole radiusen. Endring i armaturtykkelse hadde liten effekt, selv ved veldig tynne armaturer (4 mm), dette grunnet 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 fort kompleks og innviklet. Dette påpeker vanskeligheten ved å lage generaliserte dimensjoneringsregler for slike mekanismer. Implementeringen av FEM-simulasjonsmodeller muliggjør for en raskere og mer kostnadseffektiv utforskning av designparametere. Likevel, på grunn av de mange faktorene og parameterne som påvirker slike åpningsmekanismer, har det vist seg å være utfordrende å lage generaliserte dimensjoneringsregler for en Thomson spole aktuator

A Thomson coil actuator is an ultra-fast electromagnetic drive mechanism to be used 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 TC was made in COMSOL multiphysics. The model was verified by making a prototype and completing an experimental verification of the model. The verified model was used to complete a parametric study of the TC. The parametric study demonstrated that for any given TC, an optimized voltage to capacitance ratio of the energy source could be found. The number of turns also highly affected the efficiency and opening time, and the parametric study suggested that having a relatively high number of turns (35-45) would improve the efficiency and OT of the TC. The optimal armature radius was found to be slightly smaller than the coil radius. The change in armature thickness did not affect the eddy currents in the armature significantly (even at 4 mm) due to the poor penetration depth of the eddy currents, making the most likely limiting factor for the armature to be the force 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 the design process, the process became complex and intricate, highlighting the difficulty of making general dimensioning rules for such devices. The implementation of FEM-simulation models allows for faster and more cost-effective exploration of the design parameters. However, because of the many factor and parameters that affect the driving characteristics of such a device, the deriving of generalized dimensioning rules for a Thomson coil actuator has proven to be challenging.