Raychem Designs Modular Power Boxes for Smart Cities via Simulation

マルチフィジックスシミュレーションがスマートシティテクノロジーを推進

実用的な電源ボックスをモジュール式で現代的にインストールするには, 物理的な現象のバランスをとるための完全な設計の再発明が必要です.

Sarah Fields著
2019年7月

現代の電源ボックス(または米国外で知られているフィーダー柱)は通りに取り付けられ, 近隣の住居への電力供給を制御します. 居住者が美観をますます優先し, 都市生活に高い価値を置き続けているので, 目立たない電源ボックスにする必要性があります.

しかし, 実際には, パワーボックスのかさばるサイズの背後には正当な理由があります. 従来の設計のサイズは, 長距離送電線の高電力を家庭や企業への配電に適した電力に削減するために必要なハードウェアを保持しています. パワーボックスのサイズを小さくするという価値ある目標には, 抵抗とローレンツ力を考慮しながら, かなり少ない面積で電力をルーティングするという追加の課題が伴います.

Raychem RPG のR＆Dの主任研究者であるIshant Jain氏は, 長年のシミュレーション経験を活かして, 都市に対応したスペースに配慮したスマートなパワーボックスの作成に挑戦しました. 彼はRaychemのチームと共にマルチフィジックスシミュレーションを使用して, この画期的な新しいデザインの作成に伴うエンジニアリングの課題に取り組みました.

パワーボックスのしくみ

この記事を読んで, あなたは歩道の近くにある目障りな金属製の箱を思い出すでしょう. しかし, パワーボックスは実際どのように機能するのでしょうか.

電源ボックスの筐体は, 配電システムを保護します. その目的は, 短距離での電気輸送に適した低圧供給ラインの電流を家庭や企業に分配することです. パワーボックスは, 電気の物理的な損失を減らすだけでなく, その電気の使用量をより正確に分配するためにも使用されます.

「パワーボックスが占有するスペースが少ないことは非常に有益です」とJain氏は言います. 「21世紀の都市のニーズに合わせてオリジナルモデルのすべての機能を備えたモジュラーユニットを作成することを可能にしてくれます」

Jain氏と彼のチームは, 従来のパワーボックスの設計の多くの側面が改善されるべきだと素早く気づきました. これらのアップグレードには, 安全性, サイズ, 設置の容易さ, 保守性, 美観の向上だけでなく, 標準以下の接続によるコストと電気損失の削減が含まれていました.

Jain氏と彼のチームは, スマートシティにすぐに採用される未来的なパワーボックスを作成することにも意欲を持っていました. この新しい電源ボックスには, エネルギー使用量をオンラインで監視できるだけでなく, 系と個々のヒューズの状態を監視できるスマートな機能が含まれます.

起電力の最小化

配電システムのジオメトリを極端に小さいエンクロージャに適合させる際の当面の課題は, 設計の変更から生じる競合する電磁力を緩和する必要があることです. 物理学の動的な性質とジオメトリの複雑さのため, 設計の安定性を確保するためのマルチフィジックスシミュレーションの必要性は, エンジニアたちにはすぐに明らかになりました.

パワーボックスのサイズをこのように大幅に削減するには, 同じ量の電力を分配しながら, より小さなジオメトリ内に収まるバスバーシステムを作成する必要がありました(図1).

図1：革新的なバスバーシステムは, 同じ量の電力を分配するのに役立ちますが, 従来の電源ボックスよりも狭いスペースに収められています.

Jain氏と彼のチームは, 2Dシミュレーションを作成して, 設計が電磁力の累積的な影響を低減するのに適していることを確認しました(図2および3). パネルの120°配置は, バスバーに作用する力のバランスをとるのに役立ちます.

磁束密度ノルム, 表面プロット, およびマクスウェル表面応力テンソル(N/m2)を示す三相電源ボックス, 矢印プロット.

電源ボックス全体の磁束密度.

「シミュレーションにより, 設計がうまくいくという確信が得られました」とJain氏は説明します. 「起電力が120°の配置によってバランスが取られると確認できたのです.」

シミュレーションによる熱的および構造的完全性の保証

もう1つの重要な考慮事項は, パワーボックスの全体的な構造の健全性です. このために, Jain氏とチームは, 耐久性を評価できるようにするパワーボックスの構造シミュレーションを開発しました. 構造物に吹き付けられる最大103m/sの風の時間依存性の研究から, パワーボックスは構造的に健全であると判断されました(図4). 彼らエンジニアたちはまた, 誘発応力が臨界値に達するまで境界荷重をゆっくりと増加させ, 設計が風速570m/sまで安全であると判断しました.

図4：風速103m/sでのフォンミーゼス応力の誘導.

稼働中のシステムの熱的完全性を保証するために, 完全なパネルアセンブリの非定常熱伝導解析が行われました. 検証されたシミュレーションにより, チームは実験的に評価できなかった条件の温度上昇を計算することができました. 熱的に最適化されたコネクターは, 最終設計を以前のものよりも安全かつ効率的にしてくれます(図5). 結果として得られる設計もモジュール式でスケーラブルです(図6).

電源ボックスの熱プロファイル(上段), 電源ボックスとコネクタ(下段)の過渡解析のシミュレーション結果.

Raychemのエンジニアは, 革新的でスマートな都市対応の電源ボックス設計を開発しました.

優れた設計のための多目的モデリング

Jain氏と彼のチームは, はるかに小さいながらも, 従来のパワーボックスと同じレベルの電力と電流を消費できる設計を作成することに成功しました. 最終的な電源ボックスの設計は, 市場に出ている全ての電源ボックスの中で最小のスペースを占め, 熱的に安定していて効率的です.

「マルチフィジックスシミュレーションを使用することで, 最終的な現代的なデザインの完全性を確保できました」とJain氏は結論付けています. 「世界中で採用されるようになると, 利益と影響は広範囲に及ぶと私たちは考えています.」

最終的な設計には, 安全性と盗難防止システムなどのスマートな機能に加えて, エネルギー, ヒューズの状態, および温度プロファイルのリモート監視機能などが含まれます. さらに, システムが動作しているときに絶縁され安全に使用できるヒューズハウジングと, 抵抗損失の低いコネクタも含まれます.」

言うまでもありませんが, Jain氏と彼のチームは, 再考された効率的なバスバーシステムにより, 業界標準の数分の1のサイズのパワーボックスを開発するにあたり, あらゆる段階でマルチフィジックスシミュレーションを使用しながら, パワーボックスを再発明することに成功しました.

_この作業は, Raychem RPG Ltdによってサポートされました. プロジェクト中のガイダンスについて, Raychem イノベーションセンターのD Sudhakar Reddy様に感謝の意を表します. Sumit Zanje様, Nitin Pandey様, Sanjay Mhapralkar様, Jayesh Tandlekar様には, 作業の完了過程における強靭な精神と献身に感謝いたします. 調査を大いに支援してれた洞察と専門知識を提供してくれたCOMSOLチーム(バンガロールとプネ)に感謝いたします. _