새로운 영구자석형 직류전자 접촉기의 최적설계

Abstract

최근 신재생에너지 및 직류 부하가 급증하면서 직류 배전 시스템이 재조명 받고 있다. 이에 따라, 기기의 보호 및 제어를 담당하는 전기기기인개폐기와 같은 직류 배전 보호 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다. 개폐기 중 하나인 전자 개폐기는 전자 접촉기와 과부하 계전기가 결합된 부하 보호 기기이고, 이 중 전자 접촉기는 부하 회로의 On-Off 제어를 담당하는 장치이다. 일반적으로 전자 접촉기의 조작부로는 솔레노이드형 전자석 액추에이터가 사용된다. 솔레노이드형 전자석 액추에이터는 투입동작 완료 후, 투입상태를 유지하기 위해 지속적으로 코일에 전류를 인가해주어야 하므로 전력 소모가 높아 유지비용이 많이 든다. 또한 전압 강하 시, 소음과 진동이 발생하며 투입 동작시 일어나는 바운싱에 의하여 접점부가 손상됨에 따라 안정성이 떨어지고 수명이 짧다는 단점이 있다. 본 논문에서는 코일에 전류 인가 없이 영구자석의 전자기력만으로 투입상태를 유지하는 직류 전자 접촉기용 영구자석형 전자석 액추에이터를 제안하였다. 제안된 영구자석형 전자석 액추에이터는 투입동작 완료 후, 전류의 인가 없이 영구자석의 전자력만으로 투입 상태를 유지할 수 있도록 하여 유지 소비전력을 절감할 수 있다. 또한 전압 강하에 의한 진동과 소음이 발생하지 않으며, 바운싱 지속 시간이 짧아 접점부 손상을 완화할 수 있다. 따라서 제안된 영구자석형 직류 전자 접촉기는 안정성이 높고 수명이 길다. 제안된 직류 전자 접촉기용 영구자석형 전자석 액추에이터의 동작특성 해석을 위해서 유한 요소법과 시간 차분법을 이용하였다. 3차원 유한 요소법으로 영구자석과 외부 전류원이 포함된 정자장 해석을 수행하였고, 시간 차분법을 이용해 회로 방정식과 운동 방정식을 계산하였다. 제안된 해석방법을 통하여 설계된 영구자석형 직류 전자 접촉기를 제작하여 실험하였으며, 해석 결과와 실험 결과를 비교함으로써 동작특성 해석 방법의 타당성을 검증하였다. 본 논문에서는 또한, 동특성 향상을 위한 최적 설계를 수행하였다. 최적 설계를 통해 설계된 최적 설계 모델의 동특성을 시험 모델의 동특성과 비교함으로써 최적 설계의 유용성을 검증하였다.