직접 작동형 영구자석 기구의 설계 및 시뮬레이션에 대한 고체 절연 RMU용

1. 영구자석 메커니즘 설계

고체 절연 링 메인 유닛(RMU)의 소형화에 대한 수요가 높아짐에 따라, 전통적인 3상 연동식 단일 영구자석 메커니즘은 장비의 전체적인 소형화 요구를 충족할 수 없습니다. 따라서 본 문맥에서 설계된 영구자석 메커니즘은 3상 독립 직동 구조를 채택합니다. 각 상의 소멸실 유닛은 RMU 주조체와 일체로 주조되어, 직선 구성을 통해 절연봉을 통해 영구자석 메커니즘과 연결됩니다. 개방 반력 스프링은 각 상의 영구자석 메커니즘 구동축에 위치해 있습니다. 단일 직동 영구자석 메커니즘의 전체 구조는 그림 1에 표시되어 있으며, 고체 절연 RMU 내의 조립 도면은 그림 2에 도시되어 있습니다.

2. 영구자석 메커니즘 구동 회로의 수학적 모델

여기서 설계된 직동 영구자석 메커니즘은 단일 안정 상태 영구자석 메커니즘의 원리에 기반하고 있으며, 충전된 커패시터가 방전되어 영구자석 메커니즘을 구동하는 방법을 사용합니다. 회로도는 그림 3에 표시되어 있으며, C는 영구자석 메커니즘 구동용 커패시터, R은 영구자석 메커니즘 코일의 등가 저항, L은 코일의 등가 인덕턴스를 나타냅니다.

단일 안정 상태 영구자석 메커니즘의 동적 특성은 식 (1)에 표시된 미분 방정식 시스템을 만족합니다:

여기서 i는 코일을 통과하는 개폐 전류(A), u_C는 충전 커패시터의 초기 전압(V), R은 코일의 등가 저항(Ω), C는 충전 커패시터의 용량(F), ψ는 전자기 시스템의 총 자기 유속(Wb), m은 이동 부품의 등가 질량(kg), x는 이동 코어의 변위(m), v는 이동 코어의 속도(m/s), F_x는 이동 코어에 작용하는 전자기력(N), F_f는 이동 코어에 작용하는 반력(N)입니다. 이 시스템의 방정식을 풀면 영구자석 메커니즘의 동적 특성이 얻어집니다.

3. 반력 동등성

링 메인 유닛의 회로 차단기에서 주요 반력은 소멸실의 접촉 압력과 영구자석 메커니즘의 개방 스프링력입니다. 이러한 반력은 영구자석 메커니즘의 이동 코어에 동등하게 적용됩니다. 아크실의 접촉 개방 거리는 9.5 mm이고 초과 여행은 2.5 mm이며, 전체 메커니즘 스트로크는 12 mm입니다. 개방 스프링 및 접촉 스프링의 반력은 영구자석 메커니즘의 운동 스트로크에 따라 측정되며, 특정 데이터를 기반으로 반력 곡선이 작성됩니다. 자세한 반력 동등점은 표 1에 표시되어 있습니다.

4. 시뮬레이션 모델 구축

직동 영구자석 메커니즘의 동적 특성은 유한 요소법(FEM)을 사용하여 해결됩니다. FEM의 기본 원리는 연속적인 해역을 유한한 수의 요소로 분할하고 노드에서 서로 연결하는 것입니다. 개별 요소 분석 후, 전역 조립을 수행하고 경계 조건을 적용하여 최종 해를 컴퓨터 계산을 통해 얻습니다. 본 연구에서는 Ansoft 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 영구자석 메커니즘의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 구성 요소의 재료 매개변수를 설정합니다. 영구자석 재료는 NdFe35로 정의되고, 요크 재료는 강철-1010으로 정의됩니다.

다음으로, 코일 매개변수를 할당합니다: 커패시터의 충전 전압은 110 V, 용량은 0.047 F, 코일 직류 저항은 5 Ω, 감은 수는 500, 인덕턴스는 0.0143 H입니다. 직동 영구자석 메커니즘이 단일 안정 상태이므로, 개방 작동은 개방 스프링력에 의해 구동됩니다. 따라서 영구자석이 생성하는 자기 유속을 취소하기 위해 작은 역방향 전류만 필요합니다. 이를 통해 스프링의 반력으로 메커니즘이 개방될 수 있습니다. 필요한 역방향 자기 유속을 줄이기 위해, 광범위한 시뮬레이션과 테스트 후, 개방 구동 회로에 5 Ω 직류 저항을 직렬로 추가하였습니다.

마지막으로, 영구자석 메커니즘에 대해 표면 및 입체 모델링과 메싱을 수행합니다. 이동 코어, 자기 엔드캡, 요크, 영구자석과 같은 주요 자기 부품에는 상대적으로 밀도가 높은 메시를 적용하고, 비자성 부품에는 더 조밀한 메시를 사용합니다.

5. 시뮬레이션 및 실험 결과 분석

직동 영구자석 메커니즘의 전기 및 기계적 특성은 Ansoft 시뮬레이션과 실제 제품 테스트를 결합하여 분석하였으며, 특히 폐쇄 및 개방 전류와 스트로크 특성에 중점을 두었습니다. 그림 5는 시뮬레이션 폐쇄 전류 곡선을 보여주며, 피크 전류는 13.2 A입니다. 그림 6은 오실로스코프로 측정된 폐쇄 전류를 보여주며, 측정된 피크는 14.2 A입니다. 그림 7은 시뮬레이션 폐쇄 스트로크 곡선을 보여주며, 폐쇄 속도(접촉 폐쇄 직전 마지막 6 mm의 평균 속도)는 0.8 m/s입니다. 그림 8은 오실로스코프로 측정된 폐쇄 속도를 보여주며, 이는 0.75 m/s입니다. 결과는 고체 절연 링 메인 유닛을 위한 설계된 직동 영구자석 메커니즘의 폐쇄 기계적 특성이 스위치기어의 요구 사항을 충족하며, 시뮬레이션과 실험 결과 사이의 오차가 허용 가능한 설계 범위 내임을 나타냅니다.

6. 결론

본 논문은 고체 절연 링 메인 유닛을 위한 직동 영구자석 메커니즘을 설계하였다. 컴퓨터 시뮬레이션과 실제 제품 테스트를 통해 메커니즘의 폐쇄 및 개방 전류와 기계적 스트로크 특성을 분석하고 비교하였다. 결과는 설립된 동적 특성 시뮬레이션 모델이 실제 영구자석 메커니즘 설계의 이론적 기초로서 활용될 수 있음을 보여준다. 직동 영구자석 메커니즘은 저 구동 전류와 우수한 기계적 성능(폐쇄 및 개방 속도 등)을 갖추어 기술 요구 사항을 완전히 충족하며, 고압 동기 상 선택 스위치의 미래 개발을 위한 기술적 기반을 제공한다.