심민섭
(Min-Seob Sim)
1iD
이희준
(Hee-Jun Lee)
1iD
백명기
(Myung-Ki Baek)
†iD
-
(Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
DC Circuit breaker, Fast switch, Permanent Magnet Force Holding Unit, Thomson coil actuator
1. 서 론
직류차단기용 고속스위치는 직류계통에서 차단 동작 시 회로 접점을 기계적으로 분리하여 고장 전류를 차단하는 기능을 하는 회로 장치로, 전류 영점이 없는
직류 계통 특성상 안정적인 차단을 위해 고속 동작이 요구된다. 그리고 이러한 동작 조건을 만족하기 위해 직류차단기의 고속 스위치는 현재 가장 빠른
동작 특성을 갖는 톰슨코일 액추에이터를 사용하여 개방 트리거 시, 수 ms 내에 수 mm 스트로크의 접점 분리 동작을 완료하도록 개발되고 있다.
이러한 고속 스위치는 개방 시의 동작 특성만큼 투입 중의 특성 또한 중요한데, 투입 상태에서는 정상 전류가 스위치를 통해 흐르기 때문이다. 스위치는
계통에 직렬로 연결되기 때문에 그 손실은 전류의 제곱과 스위치 저항의 곱으로 계산되며 여기서 발생하는 손실을 낮추기 위해서는 스위치의 전기저항이 낮아야
한다. 스위치의 직렬 전기저항은 접점이 맞닿는 면에서 계산되는 접점 저항이 지배적으로 작용하며 접점 저항은 두 접점을 강하게 맞닿도록 눌러주는 가압력의
크기에 반비례한다. 또한 가압력에 의한 반발력은 개방 동작에 도움을 주기 때문에 접점이 접촉해있는 투입 상태에서 차단기의 기계식 스위치는 충분한 접점
가압력을 가져야 한다. 그런데 개방 동작에 의해 접점이 분리된 이후에도 남아있는 가압력은 액추에이터의 동작 반대 방향으로 작용하는 방해 요소가 된다.
그렇기 때문에 접점 분리 이후 가압력은 빠른 속도로 감소하여 액추에이터 운동 방해를 최소화하도록 설계되어야 한다.
접점 고정 시스템은 가압력 발생 원리에 따라 크게 스프링식[1]-[5]과 영구자석식[6]-[8]으로 분류할 수 있다. 그리고 스프링식 시스템은 코일 스프링을 이동자 진행 반대 방향으로 사용하는 방식[1]-[2], 디스크 스프링 등을 사용하여 쌍안정 상태의 스프링 시스템을 사용하는 방식[3]-[5] 등으로 구성된다.
단순 코일 스프링을 사용한 경우, 시스템의 구성은 간단해지지만 액추에이터의 이동자 진행에 따라 코일이 압축되면서 더 커지는 힘이 액추에이터 진행을
방해해 동작 저해 정도가 크다. 디스크 스프링 등을 사용한 쌍안정 스프링 시스템의 경우, 이동 축에 수직한 방향으로 스프링이 배열되며 액추에이터 이동자가
진행함에 따라 가압력 크기가 작아지도록 설계가 가능해 스프링력에 의한 동작 방해를 저감할 수 있다. 하지만, 스프링의 안정적 동작을 위해서는 단순한
코일 스프링보다 더 큰 직경 방향 공간이 필요하기 때문에 전체 시스템 크기가 커지며, 이동부에 더해지는 스프링 질량에 의한 가속 저해가 큰 편이다.
영구자석을 사용한 접점 고정 시스템은 영구자석과 강자성 코어로 이루어지며, 이동자에 연결된 자성 코어에 작용하는 자기력으로 접점 가압력을 인가한다.
이동자에 연결된 코어를 제외한 나머지 시스템은 이동자와 기계적으로 분리되어 있기 때문에 이동자에 더해지는 질량 부하를 최소화할 수 있으며, 시스템
부피 대비 높은 가압력을 만들어줄 수 있다[6]-[8]. 하지만 개방 동작 시 공극 증가에 따른 자기력 감소 속도를 높여 액추에이터 동작 방해를 줄이기 위한 연구는 충분히 되어있지 않다.
본 논문에서는 이를 극복하기 위한 Spoke type 영구자석식 접점 고정 시스템을 제안하였고 유한요소해석 결과를 통해 검증하였다. 영구자석 개수별
해당 모델의 자기력 특성 및 액추에이터 적용 시 동작 특성을 해석하여 확인하였고, 이를 통해 제안된 시스템의 최적 설계를 도출하였다. 그리고 비교
모델로써 또 다른 형태인 Radial flux 타입의 영구자석식 접점 고정 시스템을 설계 및 해석하였으며, 해석 결과 비교를 통해 제안된 시스템의
우수성을 확인하였다.
2. 영구자석식 접점 고정 시스템 구조
2.1 직류차단기용 고속스위치 구조
직류차단기의 고속스위치 시스템은 그림 1과 같은 구조를 갖는다. 투입 및 개방 코일과 이동자로 이루어진 톰슨코일 액추에이터의 이동부 축에 인터럽터의 이동 접점이 연결되어 개방코일 트리거
시 이동 접점이 고정 접점으로부터 분리되어 멀어지고, 투입코일 트리거 시 이동접점이 복귀해 고정접점에 붙도록 하는 동작을 수행한다.
접점 고정 시스템은 그림 1에서와 같이 액추에이터의 이동자 축에 연결되며, 투입 상태 시 이동접점이 고정 접점에 강하게 접촉하도록 누르는 가압력을 가하는 기능을 수행한다.
그림 1. 직류차단기용 고속스위치 시스템 구조
Fig. 1. Structure of a Fast switch system for DC circuit breaker
2.2 영구자석식 접점 고정 시스템 구조
영구자석을 사용한 접점 고정 시스템은 영구자석과 강자성 코어로 이루어지며, 가장 보편적으로 활용되는 형태는 그림 2 (a)와 같이 반경 방향으로 착자된 영구자석을 사용하여 구성된다. 그림 3 (a)와 같이 방사형으로 착자된 자석을 사용한 경우 자기회로가 간단하고 큰 자기력을 발생시키기에 유리하여 고속스위치의 접점 고정 장치로써 기존 연구에
많이 활용되었다.
그림 2 (b)는 본 논문에서 제안한 구조로, 전동기의 Spoke type 코어 구조를 적용하였다. 영구자석의 자속 방향은 그림 3 (b)와 같이 원주 방향으로 자화된 자석이 인접한 자석과 반대 방향을 갖도록 교차하여 배치되어 있다. 대칭으로 배치된 영구자석 배열에 의해 집중된
자속을 축방향의 공극에 인가함으로써 높은 자기 효율을 가질 수 있고, 직육면체 형태의 영구자석을 활용함으로써 시스템의 양산성과 공정성을 높일 수 있다.
(a)
(b)
그림 2. 자속 방향에 따른 영구자석식 접점 고정 시스템 구조 (a) Radial flux (b) Spoke type
Fig. 2. Structure of permanent magnet force holding units with different magnetic
flux direction (a) Radial flux (b) Spoke type
(a)
(b)
그림 3. 영구자석식 접점 고정 시스템 구조별 자속 방향 (a) Radial flux (b) Spoke type
Fig. 3. Magnetic flux pattern of permanent magnet force holding units with different
magnetic flux direction (a) Radial flux (b) Spoke type
3. 영구자석식 접점 고정 시스템 설계
3.1 영구자석식 접점 고정 시스템 설계 기준
영구자석식 접점 고정 시스템의 힘-거리 특성은 그림 4와 같다. 접점 거리가 0인 투입 상태에서는 VI에서 요구하는 범위 내의 가압력을 인가하며, 개방 시 접점 거리 증가에 따라 지수함수의 곡선을 따라
힘의 크기가 감소한다.
개방 시 남아있는 자기력은 접점 개방을 방해하는 일을 수행하여 동작 저하의 원인이 된다. 남아있는 자기력 Fhold가 동작 반대 방향으로 하는 일량
Whold는 식 (1)과 같이 z축 방향 변위에 대한 힘의 적분으로 구할 수 있으며, 접점 고정 시스템 설계 시 Whold를 최소화하는 방향으로 설계해야 한다.
그림 4. 접점 고정 시스템 힘-거리 특성 곡선
Fig. 4. Magnetic force-distance curve fpr permanent magnet force holding unit
3.2 영구자석식 접점 고정 시스템 설계 방법
본 논문에서는 8kA 정격 차단전류와 7.2kV 정격전압, 400N의 접점 가압력, 0.7kg 접점 질량을 갖는 VI를 기준으로 설계하였으며, 설계는
다음과 같은 단계를 따라 수행되었다.
Step 1) 이동부 최대 질량 결정
이동부에 더해지는 코어의 질량이 전체 이동부 질량 대비 높게 설계될 경우 질량 부하 증가에 따른 액추에이터 가속도 및 속도 저해가 발생할 수 있다.
때문에 접점 고정 시스템의 이동부 코어 질량은 VI의 이동접점 및 액추에이터 이동자의 합으로 구해지는 이동부 총 질량의 1/10을 기준으로 하여 최대
질량을 설정한다.
Step 2) 영구자석 개수 결정
대칭성 만족을 위해 임의의 짝수 값을 선정하여 영구자석 개수를 결정한다.
Step 3) 전자계 해석 및 최적해 탐색
주어진 설계 조건 내에서 아래의 Particle Swarm Optimization(PSO) 알고리즘을 사용하여 최적해를 탐색하며 그 과정은 다음과
같다.
식 (2)와 같이 N개의 입자에 대한 랜덤한 초기 위치와 속도를 생성한다. $\vec{X_{i}}$는 i번째 입자의 위치를 의미하며, 설계 변수인 이동부 및
고정부 요크의 직경과 두께, 영구자석 너비 등을 저장한다.
$\vec{X_{i}}$의 설계 변수 값에 대응하는 접점 고정 시스템의 전자계 해석을 통해 접점 가압력을 계산하여 목적함수 $f\left(\vec{X_{i}}\right)$를
구한다. 계산된 결과를 바탕으로 i번째 입자의 속도는 식
(3)과 같이 계산된다. k는 반복 횟수를 의미하며 pi는 현재까지 i번째 입자가 탐색 중 찾은 최적의 해, g는 N개의 입자 전체에서 탐색한 해 중 최적의
해를 의미한다. c1과 c2는 각각 pi와 g로 움직이려는 경향에 대한 계수이며, r1과 r2는 0~1 사이 임의의 난수이다.
\begin{align*}
\vec{V_{i}}(k+1)\\
=\vec{V_{i}}(k)+ c_{1}r_{1}\left(p_{i}-\vec{X_{i}}(k)\right)+ c_{2}r_{2}\left(g -\vec{X_{i}}(k)\right)
\end{align*} (3)
$\vec{X_{i}}$의 탐색은 식
(4)와 같이 현재 위치에 속도를 더하여 이루어진다.
설정한 종료 조건을 만족할 때까지 위의 탐색 과정을 반복하여 현재 영구자석 개수 조건에서의 최적 설계를 도출한다.
Step 4) 가압력 기준 만족 여부 평가
최적 해에 대해 계산된 가압력 크기가 VI의 접점 가압력 요구 범위를 만족하는지 여부를 평가한다. 기준 미달 시 Step 2로 돌아가 영구자석 개수를
줄이고, 기준 범위 만족 시, Step 2로 돌아가 영구자석 개수를 증가시킨 조건에서 설계를 다시 시작한다.
Step 5) Whold 평가 및 최종 설계 결정
Step 2~4의 반복을 통해 설계된 모델의 Whold를 계산하여 비교하고 최소의 Whold를 갖는 최종 설계를 결정한다.
3.3 자석 수에 따른 접점 고정 시스템 특성 비교
3.2의 설계 과정을 따라 영구자석 개수마다 도출된 최적 설계에 대해 정자계 해석을 통해 힘-거리 특성을 계산하고, 이를 반영한 액추에이터 특성 해석
결과를 통해 전체 스위치 동작 속도에 미치는 영향을 확인하였다.
3.3.1 자기력 특성 해석 결과
3.2에서 도출된 설계 모델의 정자계 유한요소해석 결과 계산된 자기력 특성은 그림 5의 그래프와 같다.
그림 5. 영구자석 개수별 힘-거리 특성 해석 결과
Fig. 5. Analysis result of force-distance characteristics with varying number of permanent
magnets
그림 5의 그래프에서 성능 평가 기준이 되는 가압력 및 Whold의 값은 표 1에 정리하였다.
영구자석 수가 적을수록 코어 단면을 넓게 하여 표 1의 결과처럼 변위 영점에서 높은 크기의 가압력을 만들기 유리한 경향을 보였다.
대신, 영구자석 수를 많게 할수록 자속이 근거리 영역에 집중되어 공극 거리에 증가에 따른 자기력 감소의 기울기가 더 가파른 특성을 보였다. 그 결과,
16개의 자석을 사용한 경우의 Whold는 4.309mJ로 8개의 영구자석을 사용했을 때의 Whold 값인 6.979mJ 대비 38.3% 감소했다.
표 1 영구자석 개수별 가압력 및 Whold 해석 결과
Table 1 Analysis result for contact force and Whold with varying number of permanent
magnets
자석 수
|
자석 질량 [g]
|
가압력 [N]
|
Whold [mJ]
|
16
|
25.67
|
399.1
|
4.309
|
14
|
24.43
|
399.9
|
4.723
|
12
|
23.33
|
399.0
|
5.175
|
10
|
25.29
|
401.6
|
5.968
|
8
|
26.24
|
400.2
|
6.979
|
3.3.2 액추에이터 적용 시 동작 성능 영향
3.3.1에서 계산된 힘-거리 특성을 반영하여 액추에이터에 적용 시 이동자에 가해지는 힘, 변위, 속도를 시간에 대해 해석하여 그림 6의 그래프로 표시하였다. 힘은 액추에이터에 가해지는 자기력과 접점 고정 시스템에 의해 가해지는 자기력의 합력이며, Whold에 의한 동작 방해 정도의
확인을 위해 액추에이터만 동작하는 경우(No hold)의 해석 결과를 함께 도시하여 비교하였다.
(a)
(b)
(c)
그림 6. 영구자석 개수별 액추에이터 동작 특성 해석 결과 (a) 힘 (b) 변위 (c) 속도
Fig. 6. Analysis results for actuator characteristics with varying number of permanent
magnets (a) force (b) displacement (c) velocity
그림 6 그래프에서 액추에이터 동작 성능 평가 지표가 되는 8mm 개방 동작 완료시간, 최대 속도를
표 2에 정리하였다.
액추에이터만 동작했을 경우의 동작시간은 2.616ms, 최대속도는 3.533m/s일 때, 8개의 영구자석을 사용한 접점 고정 시스템을 적용하면 동작시간은
2.823ms, 최대속도는 3.257m/s로 각각 7.33%, 7.81%의 성능 저하를 보였다. 16개의 영구자석을 사용한 접점 고정 시스템을 적용한
경우 동작시간은 2.781ms, 최대속도는 3.304m/s로 각각 5.93%, 6.48%의 성능 저하를 보였고, 8개 영구자석을 사용한 경우 대비
각각 1.51%, 3.92%만큼 낮은 성능 저하율을 보였다.
표 2 영구자석 개수별 액추에이터 동작 성능 해석 결과
Table 2 Analysis result for actuator operation with varying number of permanent magnets
자석 수
|
동작시간 [ms]
|
최대속도 [m/s]
|
No hold
|
2.616
|
3.533
|
16
|
2.781
|
3.304
|
14
|
2.79
|
3.293
|
12
|
2.796
|
3.286
|
10
|
2.811
|
3.270
|
8
|
2.823
|
3.257
|
3.4 방사형 자속 시스템 대비 성능 비교
Spoke type 접점 고정 시스템의 우수성 확인을 위해 비교군인 그림 2 (a)의 Radial flux 모델의 자기력 특성을 해석하였고, 액추에이터 적용 시 성능 개선 효과를 비교하였다. 특성 비교에 사용된 Spoke
type 모델의 상세 설계는 표 3에, 비교군인 Radial flux 모델의 상세 설계는 표 4에 정리하였다.
표 3 Spoke type 모델 설계 치수
Table 3 Design values for Spoke type model
설계변수
|
값
|
단위
|
코어 외경
|
37
|
mm
|
고정부 높이
|
9.1
|
mm
|
이동부 높이
|
6
|
mm
|
자석 두께
|
2.9
|
mm
|
자석 개수
|
16
|
|
자석 질량
|
25.67
|
g
|
표 4 Radial flux 모델 설계 치수
Table 4 Design values for Radial flux model
설계변수
|
값
|
단위
|
코어 외경
|
37
|
mm
|
고정부 높이
|
5.8
|
mm
|
이동부 높이
|
6
|
mm
|
자석 두께
|
4.1
|
mm
|
자석 질량
|
16.07
|
g
|
3.4.1 자기력 특성 해석 결과
축방향 거리 변화에 따른 자기력 분포 해석 결과는 그림 7의 그래프와 같다. Radial flux 모델과 비교했을 때 Spoke type 모델이 더 가파른 기울기를 갖고 있어 자기력 곡선의 아래면적 Whold를
최소화하는데 더 유리함을 확인할 수 있다.
표 5에 정리된 성능 지표를 보면, 약 400N의 동일한 가압력을 갖는 설계를 했을 때 Spoke type 모델을 사용하는 것이 Radial flux 모델보다
약 50%의 Whold를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
그림 7. 구조별 힘-거리 특성 해석 결과
Fig. 7. Analysis result of force-distance properties with different structure of holding
units
표 5 구조별 가압력 및 Whold 해석 결과 비교
Table 5 Comparison of contact force and Whold analysis results with different structure
of holding units
구조
|
가압력 [N]
|
Whold [mJ]
|
Radial flux
|
402.9
|
8.566
|
Spoke-type
|
399.1
|
4.309
|
3.4.2 액추에이터 적용 시 동작 성능 영향
3.4.1에서 계산된 힘-거리 특성을 반영하여 각각의 모델을 액추에이터에 적용했을 시 힘, 변위, 속도를 시간에 따라 계산하였으며, 그림 8의 그래프와 표 6에 정리하여 나타내었다.
Radial flux 모델의 동작시간과 최대속도는 2.84ms와 3.239m/s로, 접점 고정 시스템 없이 동작했을 때의 성능 대비 각각 7.74%,
8.32%의 성능 저하를 보였다.
Spoke type 모델의 동작시간은 최대속도는 2.78ms와 3.305m/s로 각각 5.76%, 6.45%의 성능 저하를 보였다. 이 경우에 Spoke
type 모델을 사용하여 Radial flux 모델을 사용했을 때보다 각각 2.16%, 2.04%만큼 성능을 개선할 수 있음을 확인할 수 있다.
그림 8. 구조별 액추에이터 동작 특성 해석 결과 (a) 힘 (b) 변위 (c) 속도
Fig. 8. Analysis results for actuator characteristics with different structure of
holding units (a) force (b) displacement (c) velocity
표 6 구조별 가압력 및 Whold 해석 결과 비교
Table 6 Comparison of contact force and Whold analysis results with different structure
of holding units
구조
|
동작시간 [ms]
|
최대속도 [m/s]
|
No hold
|
2.62
|
3.533
|
Radial flux
|
2.84
|
3.239
|
Spoke-type
|
2.78
|
3.305
|
4. 결 론
본 논문에서는 기존 영구자석식 접점 고정 장치의 액추에이터 성능 방해 현상을 개선할 수 있는 Spoke type의 시스템을 연구했다. 투입 시 접점
저항 감소를 위해 필요한 접점 가압력이 개방 동작에는 적지 않은 방해 요소가 된다는 점에 주목해 근거리에 자속을 집중시킬 수 있는 Spoke type
접점 고정 시스템을 제안했고, 접점 고정 시스템의 자기력이 TCA 동작 방해 방향으로 해주는 일량 Whold를 중요 지표로 하여 설계를 수행했다.
최종 설계 모델의 정자계 해석 및 TCA 동특성 해석 결과를 비교군인 Radial flux 모델의 해석 결과와 비교하였고, 제안된 모델이 기존 대비
성능 저하 현상을 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한, 제안된 모델의 경우 착자가 용이하며 양산화가 쉬운 직육면체 형태의 영구자석을 사용하고, 기존
Spoke type 모터 공정을 활용할 수 있기 때문에 공정성과 비용 측면에서 기존 모델 대비 많은 이득을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
Acknowledgements
본 논문은 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.(2021RIS-003)
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저자소개
He received the B.S., M.S., and Ph.D degree in electrical and electronics engineering
from Chung-Ang University, Seoul, Republic of Korea, in 2017, 2019, and 2023 respectively.
His research interest includes the analysis and design of electro-mechanical systems,
such as actuator, energy harvestor, and electric machines.
He received Ph.D degrees in Electronic Electrical Computer Engineering from Sungkyunkwan
University in 2015. He is currently senior researcher with Numerical Analysis Technology
Support Department of Korea Electrotechnology Research Institute(KERI).
His research interests are DC-DC converters for Photovoltaic system and DC Distribution
system.
He received Ph.D degrees in Electronic Electrical Computer Engineering from Sungkyunkwan
University, Korea in 2013. He joined KERI(Korea Electrotechnology Research Institute),
in 2016, where he is currently Director and Principal Researcher with Numerical Analysis
Technology Support Department.