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.

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) (a) (b)

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.

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.

3.4 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.