電磁界運動連成解析による電磁駆動設計技術

摘要

スイッチなどに用いられている電磁操作機構の設計には，位置状態を固定した静的電磁界解析手法が用いられるのが一般的であった。 しかし，電磁操作機構は磁気ギャップの変化を伴い動作するため，短ギャップでのインダクタンスの変化が大きく，特に高速で動く場合には駆動時の速度起電力を考慮することが必要となってくる。 この速度起電力の考慮には電磁界と運動の連成解析が必要である。 三菱電機製品の15kV高速スイッチや脱SF{sub}6型複合絶縁（ドライエア絶縁）スイッチギヤ(HS-X)では，従来のばね操作装置に代わり，直動の電磁操作方式真空遮断器を用いており，これらの開発には電磁界と運動の連成解析による電磁駆動設計技術の構築が不可欠であった。 そこで，高速スイッチをターゲットに等価回路法を用いた電磁界運動連成解析技術の開発に着手し，さらに，有限要素法電磁界解析と運動の連成解析技術の開発·適用を実施してきた。 今回，HS-Xの新型真空遮断器の開発に当たり，真空遮断器の動作を忠実に模擬できる連成解析を用いた電磁駆動設計技術を開発した。 この設計技術により，動作途中で質量や接圧ばね力が不連続に変化する遮断器の駆動状態を忠実に再現でき，解析精度を0.5ms以下にまで極小化した。また，有限要素法で発生するメッシュ更新時間を短縮するため，渦電流効果を磁束及び電磁力の一次時間遅れで模擬し，計算時間を従来の1/10以下にまで短縮した。 この手法の開発により，遮断器の個体差による動作時間のばらつきを机上で仮想実験可能となり，開発期間の大幅短縮を達成した。 開発した新型真空遮断器は機構部品点数を従来比35％に削減し，動作に必要な電気エネルギーを従来比20％へ低減（いずれも当社比）し，世界トップクラスの効率を実現した。