In che modo i relè "resistono ai fulmini"? Un'analisi del design innovativo dei relè ad elevata resistenza ai fulmini

Quando una massiccia corrente di fulmine si riversa in a relè , il sistema di contatto è spesso il primo a fallire. In questo momento viene generata una significativa forza di Holm sulle superfici di contatto. Questa forza elettromagnetica respinge violentemente i contatti, provocando l'apertura anomala del circuito, che dovrebbe rimanere chiuso, con conseguente guasto dell'apparecchiatura.

I relè convenzionali sembrano insufficienti per affrontare questa difficoltà. Recenti innovazioni tecniche impiegano ingegnosamente la forza di Lorentz per mitigare la forza di Holm, ottenendo così un effetto stabilizzante di "usare la forza per contrastare la forza".

Diagramma schematico del meccanismo di generazione della forza di Lorentz

Sfida fulminea: meccanismo fisico fondamentale della repulsione del contatto

Il rischio di fulmini ai relè è incentrato su una corrente istantanea estremamente elevata. Quando la corrente del fulmine (che può raggiungere decine di kiloampere) passa attraverso la stretta area di contatto di un relè, genera due forze chiave tra i contatti.

La prima è la forza di Holm (chiamata anche forza di repulsione da contatto). Ha origine dal forte effetto di costrizione della corrente nei punti di contatto (in realtà molteplici asperità microscopiche). Le linee di corrente sono estremamente compresse in corrispondenza delle asperità microscopiche, producendo una forte forza elettrodinamica che cerca di allontanare i contatti. La sua grandezza è proporzionale al quadrato della corrente; durante un fulmine il suo valore è sufficiente a superare la normale pressione di contatto dei contatti.

L'altra è la forza di Lorentz. Questa è la forza esercitata su un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico. In un relè, la corrente che scorre attraverso un conduttore dalla forma speciale è soggetta a una forza nel campo magnetico da esso stesso generato e la direzione della forza segue la regola della mano sinistra. La chiave è che, attraverso un design ingegnoso, la direzione della forza di Lorentz può essere guidata in modo che sia opposta alla forza di Holm, compensando così i suoi effetti dannosi.

Tabella 1. Confronto tra due forze chiave che agiscono sui contatti sotto il colpo di fulmine

Dilemma del settore: limiti tecnici del design tradizionale

Per molto tempo, il miglioramento della capacità di resistenza ai fulmini dei relè si è basato principalmente su approcci di “rafforzamento” come l’aumento della durezza del materiale di contatto e l’aumento della pressione di contatto. Tuttavia, a fronte della forza di Holm, che cresce con il quadrato della corrente, questi metodi raggiungono rapidamente i loro limiti.

Una contraddizione particolarmente evidente appare nei tentativi di utilizzare la forza di Lorentz. Nei relè CC, per estinguere l'arco generato quando si interrompe una corrente di grandi dimensioni, viene spesso utilizzata la tecnologia di "estinzione dell'arco magnetico", in cui i magneti permanenti sono disposti attorno ai contatti.

Tuttavia, questo campo magnetico fa sì che la molla mobile che trasporta corrente subisca un'ulteriore forza di Lorentz, spesso verso il basso. Questa forza non solo non riesce a resistere alla forza di repulsione, ma può anche compensare parte della pressione di contatto, rendendo più facile la repulsione dei contatti sotto la corrente di fulmine, riducendo di fatto la capacità di resistenza al cortocircuito del prodotto.

Ciò fornisce proprio la conferma teorica della sfida principale descritta nel progetto dell’utente: “la forza di Lorentz è facile da realizzare in situazioni di piccoli spazi, ma molto difficile da utilizzare in grandi spazi di contatto”. Come controllare con precisione la direzione e l’entità della forza di Lorentz in modo che diventi un “alleato” piuttosto che un “nemico” è la più grande difficoltà nella progettazione.

Scoperta innovativa: filosofia progettuale che utilizza la “forza” per contrastare la “forza”

Per superare il dilemma di cui sopra, è necessario andare oltre il pensiero dell’ottimizzazione locale e realizzare una progettazione innovativa e integrata del sistema di contatti del relè. Le soluzioni tecniche all’avanguardia ruotano principalmente attorno a due idee centrali.

Idea 1: ricostruzione del campo magnetico per “azzerare” o invertire la dannosa forza di Lorentz

Per affrontare gli effetti collaterali causati dal campo di estinzione dell'arco magnetico, una soluzione innovativa consiste nel ricostruire la distribuzione spaziale del campo magnetico modificando il numero, la disposizione e la polarità dei magneti permanenti.

Ad esempio, una disposizione a tre magneti: due magneti sono posizionati sui due lati della molla mobile nella direzione della larghezza, corrispondenti a una serie di contatti mobili e fissi; il terzo magnete si trova su un lato della molla mobile nella direzione della lunghezza, in corrispondenza di un'altra serie di contatti.

La progettazione chiave è che la faccia polare del terzo magnete sia approssimativamente perpendicolare alle facce polari dei primi due magneti. Attraverso questo speciale design del circuito magnetico, la forza di Lorentz netta subita dalla molla mobile nel campo di estinzione dell'arco magnetico può essere resa approssimativamente pari a zero, eliminando sostanzialmente l'effetto collaterale dannoso e garantendo che la pressione di contatto non venga disturbata.

diagramma chimico della forza di Holm e della forza di Lorentz

Idea 2: innovazione strutturale per utilizzare in modo efficiente la benefica forza di Lorentz

Per generare attivamente una forza di Lorentz benefica per resistere alla forza di Holm, la chiave è progettare uno specifico circuito conduttore che trasporta corrente. Una soluzione avanzata adotta un design che combina “filo di rame flessibile multifilo che si collega in modo flessibile a una molla mobile rigida” con una struttura a “U”.

Generazione della forza: Quando la corrente del fulmine scorre attraverso la molla mobile a "U" e i suoi fili flessibili collegati, secondo la loro direzione circolare, sui due bracci paralleli della struttura a U possono essere generate forze di Lorentz della stessa direzione e perpendicolari al piano di contatto.

Trasmissione e conversione della forza: questa forza agisce sull'intero gruppo molle mobile. La connessione flessibile del filo di rame flessibile multifilo è fondamentale, poiché garantisce che la forza di Lorentz possa essere trasmessa in modo efficace e convertita in pressione normale sull'interfaccia di contatto, anziché causare torsioni rigide o spostamenti della struttura.

Compensazione dinamica: quando la forza di Holm cerca di respingere i contatti, la forza di Lorentz preimpostata aumenta in modo sincrono, formando un meccanismo di compensazione dinamico e adattivo che "preme" insieme i contatti. La stessa struttura a forma di U fornisce anche una migliore stabilità meccanica e un effetto braccio di leva.

Questo progetto risolve ingegnosamente il problema della “difficoltà nell’utilizzare la forza di Lorentz in caso di ampi spazi di contatto”. Attraverso la connessione flessibile e la progettazione strutturale complessiva, si ottiene una raccolta e un utilizzo efficienti delle forze di Lorentz sui conduttori che trasportano corrente su un intervallo più ampio al di fuori dell'effetto del piccolo gap (ovvero, la zona di costrizione della corrente).

Diagramma schematico del design della struttura di contatto "a forma di U" con cuscinetto perno

Progettazione di precisione: supporto dalla tecnologia di simulazione e dalla scienza dei materiali

Realizzare il controllo preciso della forza di cui sopra è inseparabile da strumenti e materiali di progettazione avanzati.

La simulazione dell'accoppiamento multifisico è diventata un metodo di ricerca e sviluppo indispensabile in questo campo. In campi ad alta affidabilità come quello aerospaziale, l'analisi dei relè elettromagnetici sigillati ha adottato un modello di calcolo dell'accoppiamento interattivo bidirezionale dinamica multicorpo-elementi finiti elettromagnetici.

Questo metodo può calcolare in tempo reale le interazioni tra coppia meccanica transitoria, forza elettromagnetica e parametri di deformazione, simulare accuratamente il complesso processo dinamico nell'istante del fulmine e controllare l'errore di calcolo di parametri chiave come la forza di attrazione a un livello medio del 2,21%.

Questo è di gran lunga superiore ai metodi tradizionali basati su tabelle di dati statici, poiché fornisce previsioni accurate per ottimizzare parametri come le dimensioni della struttura a forma di U e la lunghezza e rigidità del filo flessibile.

In termini di materiali, la molla mobile è solitamente realizzata in lega di rame berillio o bronzo fosforoso ad alta elasticità e alta conduttività per resistere alla forza ripetuta e allo shock termico. Il filo di rame flessibile multifilare richiede purezza e flessibilità estremamente elevate per garantire una conduzione affidabile di corrente e forza dopo vibrazioni a lungo termine.

Anche i materiali isolanti e le strutture abitative devono essere riconsiderati per soddisfare i requisiti di isolamento ad alta tensione che i fulmini possono comportare.

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Il nostro portafoglio di relè è realizzato per applicazioni in cui è necessario affrontare insieme correnti elevate, sovratensioni e affidabilità a lungo termine. Da standard sigillato relè di ritenuta elettrici ai sistemi di contatto personalizzati ad elevata resistenza ai fulmini, le nostre soluzioni aiutano gli ingegneri a passare dalla protezione passiva alla stabilizzazione attiva del contatto.

Sommario

L'innovazione principale di questo progetto risiede nello studio approfondito del meccanismo mediante il quale i contatti dei relè si guastano a causa della forza di Holm sotto una forte corrente di fulmine e nel proporre in modo creativo l'idea progettuale di utilizzare la forza di Lorentz per la contrazione attiva. Il progetto ha progettato con successo un meccanismo chiave che combina una struttura a molla mobile “a forma di U” con cuscinetto a snodo con una connessione flessibile in filo di rame flessibile multifilo, convertendo in modo efficiente la forza di Lorentz generata in pressione normale che stabilizza i contatti.

Sotto verifica e ottimizzazione precise mediante la tecnologia di simulazione dell'accoppiamento multifisico, questo progetto raggiunge una svolta tecnologica fondamentale dalla tradizionale "resistenza passiva" alla "cancellazione dinamica attiva", migliorando significativamente l'affidabilità e la durata dei relè in ambienti con fulmini estremi.