The closing and opening characteristics of electric contacts in a vacuum circuit breaker depend on the high-speed operating mechanism with a spring-actuated cam and linkage system. The systematic studies on the dynamic problems of the operating mechanism and the design method of a spring-actuated cam and linkage have not been very sufficient. In this paper, therefore, the dynamic model for analysis and design of a high-speed circuit breaker mechanism for the rapid closing and opening operations has been developed. Here, we demonstrated that multibody dynamics programs can be an effective method to model a vacuum circuit breaker mechanism, which has complex kinematics, friction, spring vibration in the transverse direction, impact, and different configurations for the closing and opening operations. The characteristics of the friction at the camshaft were analyzed using the nonlinear pendulum experiment and the optimization technique. The friction analysis exhibited that the friction of the pendulum depends on stick-slip, Stribeck effect and viscous damping. Based on the observation of closing spring motion, the analysis of the spring model revealed that the spring is more than a simple forcing element and its dynamic model is modeled as four-degree-of-freedom lumped masses connected with equivalent springs. The appropriateness of the hybrid friction model and the lumped spring model were verified by its application to a vacuum circuit breaker mechanism of the cam-follower type.
As applications of the derived dynamic model, we have applied the proposed hybrid friction model and lumped spring model to the dynamic analysis of a vacuum circuit breaker with different interrupting capacity. Comparing the simulation results with experimental responses, the appropriateness of the proposed modeling procedures was enhanced more and more. From energy flow analysis for the opening operation, the concept design of the new operating mechanism with less energy efficiency was proposed. The detailed design of the concept design was carried out through the design process based on the verified dynamic model and was manufactured. Comparing the simulation results of the new mechanism with experimental responses, we found that the opening velocity of the new mechanism is twice as many as that of the original mechanism. As the first study on the design of a spring-actuated cam and linkage system, the design procedure for a cam with non-constant angular velocity based on the dynamics of a complete spring-actuated cam system has been proposed. The cam motion and the cam shape were obtained according to the proposed design method. Analyzing the effects of the cam shape with different cam inertia, the initial cam inertia was modified to satisfy the required cam rotation angle. Simulation results showed that the dynamic behaviors of the final designed cam are superior to those of the original cam. As the second study on the design of a spring-actuated cam and linkage system, a systematic procedure of determining spring design parameters in a spring-actuated linkage has been proposed. The procedure was based on the energy method that total system energy is maintained exactly constant throughout a machine operating range. In case of more than four spring design parameters, a set of solution was determined by minimization of least square error using the optimization technique. The proposed procedure was applied to the design of opening spring parameters of a vacuum circuit breaker mechanism.
진공 회로차단기의 접점의 투입 및 차단성능은 접점을 개폐시키는 스프링구동 링크와 캠 기구를 가진 구동메커니즘의 기구/동역학적 특성에 의하여 결정되어진다. 이러한 구동메커니즘은 스프링과 같은 위치에너지 저장요소로부터 방출되는 작용력에 의하여 연속적으로 작동되는 고속작동기구로 지금까지는 이에 대한 체계적 해석 방법과 스프링구동 링크와 캠에 대한 설계연구가 미흡하였다. 그리고 구동메커니즘에는 조인트들과 링크들로 구성된 기구학적 체인, 회로접점의 투입시 접점들간의 충돌과 같은 강체들 사이의 충격, 메커니즘을 구동하기 위한 스프링의 큰 질량에 의한 횡방향 운동, 회전조인트에서의 마찰 등과 같은 동적 현상이 존재한다.
따라서 본 논문에서는 먼저 여러 동적 현상을 가진 구동메커니즘의 동적 모델의 수립 및 검증을 위해, 기구학적 체인의 모델링뿐만 아니라, 강체들 사이에서의 접촉력을 등가모델링하고, 또한 아주 짧은 순간에 큰 힘을 받는 캠 회전축의 마찰을 실험적으로 규명하고 최적화로 모델 변수를 추정하여 전체 구동 메커니즘의 동적 모델에 반영하였다. 그리고 캠 구동스프링의 운동 현상을 고속카메라로 분석하고 스프링의 운동을 묘사하는 등가 모델링 방법을 제시하여 회로차단기의 동적 모델에 반영하였다. 검증된 모델로부터 설계 인자들에 대한 민감도를 분석하여, 메커니즘의 성능을 개선시키는데 대한 방향을 제시하였다. 이러한 모델링 및 해석 과정에서 얻어진 결과들은 다음과 같다.
1) 비선형 진자 실험과 해석을 통하여, 캠 회전축의 마찰형태는 스틱-슬립, Stribeck효과와 점성감쇠를 포함하는 하이브리드 모델에 의존했다. 그리고 마찰모델의 변수들은 최적화 방법 중의 하나인 개선된 심플렉스를 통하여 추정되었다.
2) 캠을 구동하는 투입스프링의 운동분석으로부터 스프링의 횡방향운동은 막대가 휘어지는 것이 굽힘 운동을 발생시켜 캠의 회전변위를 작게 하고 캠의 회전속도를 느리게 하였다. 이러한 스프링의 운동을 묘사하기 위해 투입 스프링은 두개의 집중 질량과 세 개의 스프링으로 등가모델링 되었다. 이러한 등가 스프링모델은 질량을 고려하지 않은 모델에 비해 실제 캠의 회전변위에 훨씬 근접함을 알 수 있었다.
3) 캠 회전축의 마찰과 투입스프링의 등가모델을 가진 전체 동적모델의 투입특성은 실제 회로차단기의 특성을 잘 묘사하였다. 그리고 투입스프링의 운동보다 캠 회전축의 마찰이 투입특성에 큰 영향을 주었다.
4) 차단 및 투입특성에 대한 민감도 해석을 통하여, 차단속도를 증가시키기 위하여 캠과 캠지지대로 구성된 부분의 관성을 줄이는 것이 가장 효과적이라는 것을 알 수 있었고, 투입속도를 증가시키기 위하여 투입스프링의 강성을 증가시키는 것이 가장 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 차단 시에 캠과 캠지지대로 이루어진 부분이 회전되지 않고 차단된다면 기존의 메커니즘에 비해 적은 에너지로서 투입 및 차단동작을 수행할 수 있음을 제시하였다.
본 논문에서는 검증된 동적 모델의 응용으로서, 먼저 수립된 모델링 방법을 차단용량이 다른 회로차단기의 분석에 적용하여, 실제 특성을 잘 묘사함을 알 수 있었다. 구동메커니즘의 차단동작 시에 대한 에너지 흐름분석을 통하여, 차단특성을 방해하는 캠지지대에 의한 회전운동에너지는 전체 차단에너지의 25%정도로서 상당한 양을 차지함을 알 수 있었다. 그리고 차단 시에 캠지지대가 고정되고 적은 에너지로서 차단을 할 수 있는 새로운 구동메커니즘을 제안하였다. 이러한 제안된 메커니즘은 검증된 동적 모델을 기반으로 한 설계방법을 통하여 상세설계가 이루어 졌다. 설계/제작된 새로운 메커니즘은 기존의 메커니즘보다 차단속도가 2배 이상 뛰어남을 보였다. 이러한 검증된 동적 모델의 다른 회로차단기의 분석과 새로운 메커니즘 설계에 대한 응용은 본 논문에서 제안된 마찰 모델과 스프링의 등가모델 방법들의 타당성을 더욱 더 높였다.
스프링구동 링크과 캠 기구의 설계에 대한 연구로서,먼저 캠 회전축의 비등속 특성을 가지는 스프링구동 캠 기구에 대한 설계방법이 제안되었다. 여기에서 캠과 종동절 사이의 회전각 관계식을 얻기 위하여 스프링구동 캠 기구의 운동방정식을 유도하였다.이러한 운동방정식에는 캠과 종동절의 회전축에 발생하는 마찰이 직접적으로 고려되었다. 캠 형상은 운동방정식을 기반으로 한 설계방법에 의해 설계되었다. 그리고 캠의 관성에 대한 캠 형상의 변화를 분석함으로써, 초기의 캠 관성은 규정된 캠의 유효회전각을 만족시키기 위해 26.5% 증가되어야 함을 보였다. 설계된 캠은 투입특성이 기존의 캠에 비해 향상되었고 순간적인 캠과 종동절의 분리현상을 제거하였다. 이러한 결과들로부터 제안된 비등속 캠의 설계방법은 스프링구동 캠 기구 설계에 적합하고 우수함을 알 수 있다.
스프링구동 캠과 링크 기구의 설계에 대한 또 다른 연구로서, 주어진 차단기의 스프링구동 링크 기구에 대하여 규정된 동특성을 만족시키도록 스프링의 설계 변수들인, 스프링의 강성, 자유길이와 연결 위치들을 결정하는 보다 체계적인 방법을 제안하였다. 제안된 설계방법은 주어진 시스템에서 작용하는 힘/에너지가 한 일은 시스템의 운동에너지의 변화와 같다는 일과 운동에너지의 원리를 기반으로 하였다. 적은 수의 설계 변수들은 무오차점 합성을 통하여 결정되었고, 4개 이상의 변수들은 최소 자승법을 사용하여 결정되었다. 설계방법은 실제 차단기 메커니즘의 차단특성을 만족시키기 위한 차단스프링의 설계에 적용되었고, 설계된 차단스프링에 의한 동특성은 요구되는 동특성과 일치하였다.