固体絶縁RMU用の直動型永久磁石機構の設計とシミュレーション
1. 永久磁石機構の設計
固体絶縁リングメインユニット（RMU）における小型化への需要が高いことから、従来の三相連動式の単一永久磁石機構は、装置全体の小型化要件を満たすことができません。そのため、この文脈で設計された永久磁石機構は、三相独立直動式構造を採用しています。各相の消弧室ユニットはRMUの鋳造体と一体成型され、絶縁棒を通じて直線的に永久磁石機構に接続されています。各相の永久磁石機構の駆動軸上に開閉反力バネが配置されています。単一の直動式永久磁石機構の全体構造は図1に示され、固体絶縁RMU内での組み立て図は図2に示されています。
2. 永久磁石機構駆動回路の数学モデル
ここで設計された直動式永久磁石機構は、単安定状態の永久磁石機構の原理に基づいています。充電されたコンデンサが放電することで永久磁石機構を駆動する方法を採用しています。回路図は図3に示されており、Cは永久磁石機構を駆動するためのコンデンサを表し、Rは永久磁石機構のコイルの等価抵抗を、Lはコイルの等価インダクタンスを表します。
単安定永久磁石機構の動的特性は、式（1）に示される微分方程式系を満たします。
ここでiはコイルを通過する開閉電流（A）、uCは充電コンデンサの初期電圧（V）、Rはコイルの等価抵抗（Ω）、Cは充電コンデンサの容量（F）、ψは電磁システムの総磁束連鎖（Wb）、mは可動部品の移動コアに対する等価質量（kg）、xは移動コアの変位（m）、vは移動コアの速度（m/s）、Fxは移動コアに作用する電磁力（N）、Ffは移動コアに対する反力（N）です。この方程式系を解くことで、永久磁石機構の動的特性が得られます。
3. 反力の等価性
リングメインユニットの遮断器における主な反力には、消弧室の接触圧力と永久磁石機構の開閉バネ力があります。これらの反力は、永久磁石機構の移動コアに等価に換算されます。消弧室の接触開距離は9.5 mm、オーバートラベルは2.5 mmで、機構の全ストロークは12 mmです。開閉バネと接触バネの反力は、永久磁石機構の動作ストロークに応じて測定され、具体的なデータに基づいて反力曲線が描かれます。詳細な反力等価点は表1に示されています。
4 シミュレーションモデルの確立
直動式永久磁石機構の動的特性は、有限要素法（FEM）を用いて解きます。FEMの基本原理は、連続的な解領域を有限個の要素に分割し、節点で相互接続することです。個々の要素を分析した後、グローバルな組み立てを行い、境界条件を適用し、最終的な解を得るためにコンピュータ計算を行います。本研究では、Ansoft有限要素シミュレーションソフトウェアを使用して永久磁石機構のシミュレーションモデルを確立し、その構成部品の材料パラメータを設定しました。永久磁石材料はNdFe35、ヨーク材料は鋼-1010として定義されました。
次に、コイルパラメータを設定します：コンデンサの充電電圧は110 V、容量は0.047 F、コイルの直流抵抗は5 Ω、巻数は500、インダクタンスは0.0143 Hです。直動式永久磁石機構は単安定型であるため、開操作は開きバネ力によって駆動されます。したがって、逆磁束を生成するために小さな逆電流が必要であり、これにより永久磁石によって生成された磁束をキャンセルし、バネの反力によって機構を開くことができます。逆磁束を減らすために、広範なシミュレーションとテストを経て、開き駆動回路に5 Ωの直流抵抗を直列に追加しました。
最後に、永久磁石機構の表面モデリングと立体モデリングおよびメッシュ分割を行いました。移動コア、磁気エンドキャップ、ヨーク、永久磁石などの主要な磁気部品には比較的密なメッシュを適用し、非磁性部品には粗いメッシュを使用しました。
5 シミュレーションと実験結果の解析
直動式永久磁石機構の電気的および機械的特性は、Ansoftシミュレーションと実際の製品テストを組み合わせて解析し、閉鎖および開放電流とストローク特性に焦点を当てました。図5はシミュレーションによる閉鎖電流曲線を示しており、ピーク電流は13.2 Aです。図6はオシロスコープで測定された閉鎖電流を示しており、測定されたピークは14.2 Aです。図7はシミュレーションによる閉鎖ストローク曲線を示しており、閉鎖速度（接触閉鎖前の最後の6 mm間の平均速度）は0.8 m/sです。図8はオシロスコープで測定された閉鎖速度を示しており、これは0.75 m/sです。結果は、設計された直動式永久磁石機構の閉鎖機械特性が固体絶縁リングメインユニットの要求を満たしていることを示しており、シミュレーションと実験結果の誤差は許容設計範囲内にあります。
6 結論
本論文では、固体絶縁リングメインユニット用の直動式永久磁石機構を設計しました。機構の閉鎖および開放電流と機械ストローク特性は、コンピュータシミュレーションと実際の製品テストを用いて解析および比較しました。結果は、確立された動的特性シミュレーションモデルが実際の永久磁石機構設計の理論的基礎となることを示しています。直動式永久磁石機構は、低駆動電流と優れた機械性能（閉鎖および開放速度など）を特徴とし、技術要件を完全に満たしています。また、高電圧同期相選択スイッチの将来の開発にも技術的な基盤を提供します。
