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문제 정의
- 많은 연구가 진행 중이다. HeisingEe 진공차단기의 기계적인 문제점에 대하여 연구하였고, Mckean 등(즈은 영구자석형 메커니즘에 대하여 진공인터럽터의 개폐 동작과 관련된 자력 분포 특성에 관한 연구를 하였다. You 등(3)은 영구자석형 조작기 의 동역 학적 운동에 대한 방정 식 을유도 하였고, Xin 등何은 영구자석형 조작기의 이동자 운동이 진행되는 동안의 자력 분포에 대하여 해석하였으며 Shaohua 등('은 적층 코어의 형상을 재구성하여 자력 분포의 특성과 영구자석형 조작기 가동부의 속도 특성에 대한 연구를 하였다.
- 본 논문에서는 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 영구자석형 진공차단기의 해석 모델을 수립하였으며, 영구자석형 조작기의 출력 변화, 마찰 조건의 변경 및 가동부의 질량을 변경시켜가면서 진공차단기의 운동 특성에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 논문에서는 영구자석형 진공차단기 가동부의 질량 변화가 운동 특성 변화에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 해석 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 다물체 동역학 해석기법을 이용한 영구자석형 진공차단기의 설계에 대하여 영구자석형 조작기 와 연결 기 구부 및 진공 인터 럽 터의 영향을 고찰하고자 하였다.
- 영구자석형 조작기는 종래 스프링 메커니즘과 달리 비선형적인 출력곡선을 갖는데, 이런 비선형적 출력 특성의 변화가 차단기의 동적특성에는 어떠한 영향을 미치는지 해석을 통하여 고찰하였다.
제안 방법
- 5의 (a)로, 영구자석 ND38을 적용하고 이동자의 이동거리는 23mm를 갖는 구조이다. 이에 비하여 (b)모델은 영구자석을 그대로 유지하고 이동자의 길이를 2mm 줄여서 이동거리를 25mm가 되도록 구조 변경하였다. (c)모델은 자기력의 선속밀도가 ND38에 비하여 약 5% 증가한 값을 갖는 ND42로 영구자석을 적용하고, 이동자의 이동거리는 23nun를 갖도록 하였다.
- 이에 비하여 (b)모델은 영구자석을 그대로 유지하고 이동자의 길이를 2mm 줄여서 이동거리를 25mm가 되도록 구조 변경하였다. (c)모델은 자기력의 선속밀도가 ND38에 비하여 약 5% 증가한 값을 갖는 ND42로 영구자석을 적용하고, 이동자의 이동거리는 23nun를 갖도록 하였다. (a)와 (b)모델의 비교를 통하여 이동자의 이동 거리에 대한 영향을 분석하고, (a)와 (。모델의 비교를 통하여 영구자석의 자속밀도에 관한 영향을 살펴보았다.
- 질량 감소와 증가는 약 500g을 기준으로 하였다. 기존의 해석모델에 적용된 가동 도체의 질량을 약 500g 감소시키면서 기존 가동 도체의 설계 형상을 유지하기 위하여 도체의 지름을 유지하고 높이를 감소시켰다. 또한 유사한 질량을 갖도록 설계된 질량 추는 절연 로드 하부에 추가로 고정시켜 해석하였다.
- 3과 같이 구하였으며, 이 결과를 가동 이동자 출력 조건으로 입력하였다. 다음으로, 가압스프링 상수(stiffness), 초기 하중,자유장 길이 등의 설계 데이터를 적용하여 모델을 구성하였다. Table 1은 해석 모델에 적용된 구성요소들의 파라미터 값들을 정리하여 나타낸 것이다.
- 구속 조건을 설정 하였다. 둘째로, 상용 전자계 해석 프로그램인 Maxwell을 이용하여 조작기의 출력 결과를 Fig. 3과 같이 구하였으며, 이 결과를 가동 이동자 출력 조건으로 입력하였다. 다음으로, 가압스프링 상수(stiffness), 초기 하중,자유장 길이 등의 설계 데이터를 적용하여 모델을 구성하였다.
- 거동을 해석하였다. 또한 레이저센서를 이용하여 실제품의 변위 선도를 구하고 상기의 해석 모델의 결과와 비교하였으며, 영구자석형 조작기의 출력조건, 기구 구성부품간의 마찰 조건, 가동부의 질량을 변화시킨 모델을 실험하였다.
- 기존의 해석모델에 적용된 가동 도체의 질량을 약 500g 감소시키면서 기존 가동 도체의 설계 형상을 유지하기 위하여 도체의 지름을 유지하고 높이를 감소시켰다. 또한 유사한 질량을 갖도록 설계된 질량 추는 절연 로드 하부에 추가로 고정시켜 해석하였다. 기존 해석모델(simulatioii #1)에 적용된 가동부 전체의 질량은 4.
- 메커니즘의 변위 특성을 측정하기 위한 실험모델을 구성하였다. Fig.
- (c)모델은 자기력의 선속밀도가 ND38에 비하여 약 5% 증가한 값을 갖는 ND42로 영구자석을 적용하고, 이동자의 이동거리는 23nun를 갖도록 하였다. (a)와 (b)모델의 비교를 통하여 이동자의 이동 거리에 대한 영향을 분석하고, (a)와 (。모델의 비교를 통하여 영구자석의 자속밀도에 관한 영향을 살펴보았다.
- 본 연구는 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADANB를 이용하여 영구자석형 진공차단기의 운동 특성을 분석하기 위한 해석 모델을 수립하였고 특히 영구자석형 조작기의 출력 값은 상용 전자계 해석 프로그램인 Maxwell을 이용하여 출력 데이터를 구하였으며, 여기서 확보한 데이터를 ADAMS 해석모델에 연계 적용하여 진공차단기의 전체적인 동역학적 거동을 해석하였다. 또한 레이저센서를 이용하여 실제품의 변위 선도를 구하고 상기의 해석 모델의 결과와 비교하였으며, 영구자석형 조작기의 출력조건, 기구 구성부품간의 마찰 조건, 가동부의 질량을 변화시킨 모델을 실험하였다.
- 가동부 질량은 각 부품의 질량을 모두 합한 값을 적용하였다. 상기의 가동부 구성품 중 진공인터럽터의 가동부와 절연로드의 질량을 변화시키지 않는 범위에서 가동 도체의 질량을 감소시킨 후 해석을 진행하고, 또 가동부에 질량 추를고정시키는 방법으로 증가시켜서 해석을 진행하여 결과를 비교하고자 하였다.
- 상기의 설정 조건을 바탕으로 해석 모델을 재구성하여 투입 운동에 대하여 해석하였다. 그리고 Fig.
- 영구자석형 진공차단기의 투입속도 특성과 관련하여 영구자석형 조작기의 출력, 기구 구성 부품 간의 마찰, 가동부의 질량변화 등의 영향에 대하여 해석하였다. 지금까지의 해석 결과를 바탕으로 각각의 조건에서 설계안을 다음과 같이 결정하였다.
- DC110V전원으로 영구자석형 조작기의 코일을 여자시켜 조작기를 구동하도록 되어있다. 진공차단기 가동부의 변위 및 속도 측정을 위해서 레이져센서를 이용하여 출력신호를 감지하도록 하고, 오실로스코프를 이용하여 출력값을 측정하도록 하였다.
- 첫째로, 진공차단기의 동작 특성에 영향을 미치는 요소인 각 부품의 조인트와 마찰에 대하여 동적 구속 조건을 설정 하였다. 둘째로, 상용 전자계 해석 프로그램인 Maxwell을 이용하여 조작기의 출력 결과를 Fig.
성능/효과
- (1) 영구자석형 조작기의 최종 출력은 영구자석의 자속 밀도, 이동자의 이동거리, 코일에 의해 발생하는 힘의 크기에 의해서 크게 영향을 받게 된다. 여기서 코일에 의해 발생하는 힘이 일정하게 유지되도록 조작기를 구성한 경우, 영구자석의 자속 밀도는 이동자 운동의 초기 특성에 영향을 미치게 되며, 이동자의 이동거리의 증가는 영구자석 조작기의 후반부 운동에 있어서의 출력을 증가시키는 효과를 나타내었다.
- (2) 영구자석형 진공차단기의 투입 속도 향상을 위해서는 가동부 도체에서의 마찰을 줄이는 것이 더 효과적임을 알 수 있었다. 가동부 도체의 접촉 방식을 면 접촉 방식보다는 선 또는 점 접촉구조로 변경하면 접촉 개소가 증가하더라도 마찰계수가 줄어들게 되며, 보다 작은 마찰 계수를 확보할수록 영구자석형 조작기의 출력에 대한 마찰의 영향은 더욱 줄어들 것으로 판단된다.
- (3) 영구자석형 진공차단기 가동부의 질량이 증가하면 투입 속도가 감소하고, 접점이 접촉하는 순간의 반발력에 의한 접점 개리 현상이 증가함을 알 수 있었다. 접점의 개리 현상을 최소화하기 위해서는 가동부가 차단기의 주어진 온도 상승 범위를 초과하지 않으면서 정격 전류를 통전할 수 있고, 사고 전류로 인한 급격한 에너지 증가 시에도 기계적, 열적 강도를 보증할 수 있는 범위에서 질량을 최소화시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- (4) 영구자석형 진공차단기의 변위 및 속도 특성은 영구자석형 조작기의 출력 형태 의해 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었으며, 조작기의 출력을 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 확보하는 것이 가장 중요한 요소가 될 것으로 판단된다. 또한 조작기의 줄력을 제어하는 기술이 가동부 질량을 가능한 범위 내에서 최소화하는 방안과 함께 적용된다면, 진공차단기의 운동 특성과 접점 개리 현상을 동시에 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 11에서 보면 80ms 이후에 (b)모델의 출력이 (a)모델의 출력을 추월하지만 차단기의 운동이 완료되는 시점 이후에 출력이 증가하므로 동적 특성에는 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. ©모델의 경우는 (a)모델에 비하여 가동부의 이동 시작 시점이 4ms정도 지연되었지만, 투입 속도가 약 35% 정도 상승한 결과를 나타내었다. 초기위치에서의 자력에 의한 유지력이 강하기 때문에 운동의 시작이 조금 지연되었을 것으로 판단된다.
- Fig. 11에서 보면 80ms 이후에 (b)모델의 출력이 (a)모델의 출력을 추월하지만 차단기의 운동이 완료되는 시점 이후에 출력이 증가하므로 동적 특성에는 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. ©모델의 경우는 (a)모델에 비하여 가동부의 이동 시작 시점이 4ms정도 지연되었지만, 투입 속도가 약 35% 정도 상승한 결과를 나타내었다.
- 효과적임을 알 수 있었다. 가동부 도체의 접촉 방식을 면 접촉 방식보다는 선 또는 점 접촉구조로 변경하면 접촉 개소가 증가하더라도 마찰계수가 줄어들게 되며, 보다 작은 마찰 계수를 확보할수록 영구자석형 조작기의 출력에 대한 마찰의 영향은 더욱 줄어들 것으로 판단된다.
- 16의 결과와 초기 차단기 모델의 해석 및 실험결과를 나타냈다. 그래프를 통하여 전체 변위를 비교하면, 17.3mm로 약 1.2%의 오차가 발생했으며, 진공인터럽터 접점의 속도는 0.85m/s의 약 10.4%의 오차로써 약 40ms이후 이동속도가 급격하게 상승하여 오차가 발생했다고 판단된다. 해석 및 실험결과에서도 접점 개리 현상이 많이 줄어들었는데, 이는 영구자석형 조작기의 해석상 출력 값이 접점 접촉 시점에서 기존 해석 모델에 비하여 약 60% 높은 출력을 지니고 있고 가동부의 질량을 감소시켰기 때문이라 생각된다.
- 10은 해석모델과 실험을 통하여 얻은 영구자석형 진공차단기의 가동부 변위결과를 나타낸 것이며, Table 4는 가동부의 해석 및 실험 결과이다. 그래프에서 전체 이동거리를 비교해 보면, 변위의 해석결과와 실험결과가 각각 17.1mm, 17.4 mm로 약 1.8%의 오차로 근접한 결과를 나타내고 있으며, 진공인터럽터 접점의 속도를 비교해보면 해석상의 결과는 약0.52m/s이고 실제 실험 결과는 0.55m/s로서 약 5.8%의 오차를 볼 수 있다. 즉 가동부가 이동하기 시작하여 약 50ms까지는 일치하는 운동 특성이며, 이후부터 가압 스프링의 반발력이 커지기 시작하는 15皿 이동까지의 해석결과는 실험결과에 비해 약 4.
- 마지막으로, 질량이 증가하면 투입 속도가 감소하고, 접점이 접촉하는 순간의 접점 개리 현상이 커지므로, 가동부 질량을 속도 향상과 접점 개리현상을 고려하여 3.52kg으로 변경하였다.
- 4%의 시간 지연 현상이 발생하는 것을 볼 수가 있다. 실험 결과에서는 가압 스프링의 반발력이 크게 작용하는 시점(lengdi=15mm) 에서 속도가 순간 감소되었다. 그리고 진공인터럽터의 접점이 접촉한 이후 충격 반발력에 의해 접점이 분리되는 개리 현상이 실험에서는 10ms 동안 1.
- 1%였다. 영구자석형 조작기의 출력이 클수록 마찰에 의한 투입속도의 변화량은 줄어들 것으로 판단되며, 개폐 레버 회전축에서의 마찰 영향보다 가동부 도체에서의 마찰을 줄이는 것이 투입 속도에 향상에 더 효과적일 것으로 생각된다.
- 여기서 코일에 의해 발생하는 힘이 일정하게 유지되도록 조작기를 구성한 경우, 영구자석의 자속 밀도는 이동자 운동의 초기 특성에 영향을 미치게 되며, 이동자의 이동거리의 증가는 영구자석 조작기의 후반부 운동에 있어서의 출력을 증가시키는 효과를 나타내었다. 영구자석형 조작기의 투입 운동 특성은 이동자 초기 운동의 속도 특성 과 가압 스프링력 이 작용하기 시 작하기 까지의 조작기 출력 형태에 의해 결정됨을 알 수 있었으며, 조작기의 최종 출력 값을 조절하여 차단기의 접점에서의 충격에 의한 반발을 최소화될 수 있도록 조작기를 설계하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- 8%의 오차를 볼 수 있다. 즉 가동부가 이동하기 시작하여 약 50ms까지는 일치하는 운동 특성이며, 이후부터 가압 스프링의 반발력이 커지기 시작하는 15皿 이동까지의 해석결과는 실험결과에 비해 약 4.4%의 시간 지연 현상이 발생하는 것을 볼 수가 있다. 실험 결과에서는 가압 스프링의 반발력이 크게 작용하는 시점(lengdi=15mm) 에서 속도가 순간 감소되었다.
- 첫째, 해석 결과를 통해서 영구자석형 조작기의 이동 거리는 그대로 유지하고 자속 밀도가 높은 사양을 선택하는 것이 좋으며, 이동거리 23mm, ND42 영구자석을 적용한 출력 값을 조작기 이동자의 입력 값으로 설정하였고 둘째, 영구자석형 진공차단기에서는 개폐레버 회전축에서의 마찰 영향보다 가동부 도체에서의 마찰을 줄이는 것이 투입 속도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며, 가동부 도체에 멀티 접점을 이용하여 마찰 조건을 변경하였다. 마지막으로, 질량이 증가하면 투입 속도가 감소하고, 접점이 접촉하는 순간의 접점 개리 현상이 커지므로, 가동부 질량을 속도 향상과 접점 개리현상을 고려하여 3.
- 해석 결과를 분석해보면 영구자석형 진공차단기의 투입 속도 특성은 영구자석형 조작기 이동자의 출력 특성에 영향을 받아 운동 초반부의 속도가 상대적으로 느리게 진행되고, 출력이 약 900N 이상으로 발휘되는 시점에서부터 속도가 빠르게 상승하는 것으로 판단된다. 이동자의 이동 거리를 증가시키고, 자속 밀도 값이 높은 영구자석을 적용하여 조작기의 출력을 증가시키는 것보다는 유효 출력 범위를 요구 시간동안 출력할 수 있는 영구자석을 설계하는 기술이 필요하다.
- 특히 Table 3의 해석 모델 4에서와 같이 개폐 레버의 고정회전축 지지 부분을 볼베어링으로 적용한 경우 진공차단기의 변위 및 투입 속도변화가 미미하였다. 해석 모델 5와 같이 마찰계수가 낮은 멀티접점을 가동부 도체에 적용한 경우에도 투입 속도의 증가량이 약 1.1%였다. 영구자석형 조작기의 출력이 클수록 마찰에 의한 투입속도의 변화량은 줄어들 것으로 판단되며, 개폐 레버 회전축에서의 마찰 영향보다 가동부 도체에서의 마찰을 줄이는 것이 투입 속도에 향상에 더 효과적일 것으로 생각된다.
- 4%의 오차로써 약 40ms이후 이동속도가 급격하게 상승하여 오차가 발생했다고 판단된다. 해석 및 실험결과에서도 접점 개리 현상이 많이 줄어들었는데, 이는 영구자석형 조작기의 해석상 출력 값이 접점 접촉 시점에서 기존 해석 모델에 비하여 약 60% 높은 출력을 지니고 있고 가동부의 질량을 감소시켰기 때문이라 생각된다.
후속연구
- 12에서의 영구자석형 조작기의 변위 선도를 해석한 결과들을 살펴보면, 해석모델 #2의 경우에서 접점 개리 현상이 최소화되었음을 볼 수 있으며, 여기서 해석모델 #2의 경우에 접 점이 접촉하는 순간의 조작기의 출력이 약 3500N ~ 4000N의 범위임을 알 수가 있다. 가동 부 질량을 줄이는 것과 함께 조작기 출력 범위를 조절한다면 가장 효과적인 차단기를 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
- 판단된다. 또한 조작기의 줄력을 제어하는 기술이 가동부 질량을 가능한 범위 내에서 최소화하는 방안과 함께 적용된다면, 진공차단기의 운동 특성과 접점 개리 현상을 동시에 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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