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Sep 15, 2023

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

Moderna scatola di alimentazione (o colonna di alimentazione, come è conosciuta all'estero)

現代の電源ボックス (米国外では給電柱と呼ばれる) が街路に設置され、近隣の住宅への電力供給を制御します。 住民がますます美観を重視し、都市生活を重視し続けるにつれ、目立たない電源ボックスが求められています。

しかし、結局のところ、電源ボックスのかさばるサイズの背後には正当な理由があることが判明しました。 従来の設計のサイズには、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低減するために必要なハードウェアが収容されています。 電源ボックスのサイズを縮小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配線するという追加の課題が伴いますが、これは重要な作業ではありません。

Raychem RPG の研究開発主任研究員 Ishant Jain は、長年のシミュレーション経験を応用して、スマートシティ対応でスペースを意識した電源ボックスを作成するという課題に取り組みました。 彼は、Raychem のチームとともに、この根本的な新しい設計の作成に伴うエンジニアリング上の課題に取り組むために、マルチフィジックス シミュレーションを協力しました。

この記事のおかげで、あなたは歩道の近くにあの邪魔な金属製の箱を思い出しました。 しかし、パワーボックスは正確にどのように機能するのでしょうか?

電源ボックスのエンクロージャは、配電システムを保護します。 その目的は、短距離の電気輸送に適した低電圧供給線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、電力の物理的な損失を削減するだけでなく、その電力の使用量をより正確に分配および計算するために使用されます。

「パワーボックスが占めるスペースが少なくなることは非常に有益です」とジェイン氏は述べた。 「21 世紀の都市のニーズに適合した、オリジナル モデルのすべての機能を備えたモジュール式ユニットを作成できました。」

ジェインと彼のチームは、古典的なパワーボックスの設計の改善すべき多くの側面にすぐに気づきました。 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、美観の改善に加え、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す。

Jain 氏と彼のチームは、スマート シティですぐに採用される未来的な電源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、システムと個々のヒューズの状態を監視するだけでなく、エネルギー使用量をオンラインで監視できるスマート機能が含まれます。

配電システムの形状を非常に小さな筐体に適合させる際の当面の課題は、設計の変更によって生じる競合する電磁力を軽減する必要があることです。

物理学の動的な性質と形状の複雑さのため、設計の安定性を確保するためにマルチフィジックス シミュレーションが必要であることは、エンジニアにとってすぐに明らかでした。

電源ボックスのサイズを大幅に縮小するために、エンジニアは、同じ量の電力を分配しながら、より小さな形状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)。

Jain 氏と彼のチームは、電磁力の累積的な影響を軽減するために設計が適切であることを確認するために 2D シミュレーションを作成しました。 パネルを 120 度に配置することで、バスバーに作用する力のバランスをとることができます。

「シミュレーションにより、設計が機能するという確信が得られました。120 度の配置によって起電力のバランスがとれることがわかりました。」と Jain 氏は説明しました。

もう 1 つの重要な考慮事項は、電源ボックスの全体的な構造の健全性です。 このため、ジェイン氏とチームは、耐久性を評価できる電源ボックスの構造シミュレーションを開発しました。 構造物に吹き付ける最大 103 m/s の風に関する時間依存の研究から、電源ボックスは構造的に健全であることが判明しました (図 2)。 また、エンジニアは、誘導応力が臨界値に達するまで境界荷重を徐々に増加させ、風速 570 m/s までは設計が安全であると判断しました。

動作中のシステムの熱的完全性を確認するために、パネル アセンブリ全体の過渡熱伝達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、チームは実験では評価できなかった条件での温度上昇を計算できるようになりました。 熱的に最適化されたコネクタにより、最終設計は以前のものよりも安全かつ効率的になります (図 3)。 結果として得られる設計はモジュール式であり、スケーラブルです。

Jain 氏と彼のチームは、はるかに小型でありながら、従来の電源ボックスと同じレベルの電力と電流を放散できる設計を作成することができました。 最終的な電源ボックスの設計は、市場にあるすべての電源ボックスの中で最小のスペースを占め、熱的に安全で効率的です。

「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、最終的な現代設計の整合性を確保することができました。」とジェイン氏は付け加えました。「世界中で採用されることで、その利点と影響は広範囲に及ぶと考えています。」

最終的な設計 (図 4) には、安全性と盗難防止システム、エネルギー、ヒューズの状態、熱プロファイルをリモート監視する機能などのスマートな機能が含まれています。 これには、絶縁されており、システムの動作中に安全に作業できるヒューズ ハウジングと、抵抗損失が低いコネクタが含まれています。

業界標準の数分の一のサイズで、再考された効率的なバスバー システムを備えた電源ボックスの開発において、Jain 氏と彼のチームは、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、電源ボックスの再発明に成功したと言えば十分でしょう。

この記事は COMSOL, Inc. (マサチューセッツ州バーリントン) から提供されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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