KR100568906B1 - 전자기 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접점(contact)을 스위치 온 또는 스위치 오프 상태로 이동시키는 전자기 액츄에이터에 관한 것으로서, 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 종방향으로 변위 가능한 접점 작동봉을 구비한다. 코어는 자화 가능한 재료로 제조되고 접점 작동봉에 부착된다. 또한 본 발명은 코어와 상호 작용하는 스위치 온 코일과, 자화 가능한 재료로 제조되고 코어를 향하게 되어 있는 면이 접점 작동봉의 제1 위치에서는 변위 방향에 대해 수직인 코어의 표면으로부터 에어갭 거리를 두고 배열되며 제2 위치에서는 상기 코어 표면에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿아 있는 자극편(pole piece)을 구비한다. 액츄에이터는 또한, 자화 가능한 재료로 제조되고 자극편과 코어를 통해 스위치 온 코일의 자속 회로를 폐쇄하는 요크(yoke)를 구비한다. 영구 자석 디바이스는 접점 작동봉을 제1 위치에 유지시키는데 사용되고, 스프링은 제2 위치에서 제1 위치를 향해 접점 작동봉에 예하중을 가한다. 액츄에이터에는 제2 위치로부터 제1 위치로 접점 작동봉을 이동시키고, 적어도 일시적으로 영구 자석 디바이스의 자계를 제거하도록 여자되는 스위치 오프 코일이 제공되며, 영구 자석 디바이스의 자속 회로는 스위치 온 코일로부터 분리되어 있다.

Description

전자기 액츄에이터{ELECTROMAGNETIC ACTUATOR}
본 발명은 접점(contact)을 스위치 온(switched-on) 또는 스위치 오프(switched-off) 상태로 이동시키는 전자기 액츄에이터에 관한 것으로서, 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 종방향으로 변위 가능한 접점 작동봉과, 자화 가능한 재료로 제조되고 접점 작동봉에 부착되는 코어와, 코어와 상호 작용하는 스위치 온 코일과, 자화 가능한 재료로 제조되고 코어를 향하게 되어 있는 면이 접점 작동봉의 제1 위치에서는 변위 방향에 대해 수직인 코어의 표면으로부터 에어갭 거리를 두고 배열되며 제2 위치에서는 상기 코어의 표면에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿아 있는 자극편(pole piece)과, 자화 가능한 재료로 제조되고 자극편과 코어를 통해 스위치 온 코일의 자속 회로를 폐쇄하는 요크(yoke)와, 접점 작동봉을 제1 위치에 유지시키는 영구 자석 디바이스 및 제2 위치에서 제1 위치를 향해 접점 작동봉에 예하중을 가하는 스프링을 구비한다.
이러한 유형의 액츄에이터는 영국 특허 출원 제GB-A-2,289,374호에 공지되어 있다.
전자기 액츄에이터에서 중요하고 또한 미디엄 전압 분배 네트워크(medium-voltage distribution networks)에서 사용되는 진공 스위치의 유효 수명(service life) 및 스위칭 안전과 관련하여 초기에 여러가지 고려할 점이 많이 있다.
1. 섬락(flash-over)으로 인한 접촉면 번인(burn in)에 의해 야기된 손상이 제한되도록 스위칭 온(switching on)이 신속하게 일어나야 한다.
2. 스위치 온 상태의 유지가 충분한 고접촉압으로 달성되어야 하는데, 그렇지 않다면 과다한 접촉 저항이 접점들 사이의 손실로 이어져 접점들이 서로 융착하게 되기 때문이다. 이것은 주로 높은 단락 회로 전류하에서 발생한다.
3. 접점들의 개방은 서로 융착될 수 있는 임의의 접점을 강제로 개방하기 위하여 높은 임펄스 레벨로 실행되어야 한다.
4. 또한, 접점들의 개방은, 아크 발생으로 인한 접촉면의 번인 범위를 제한하도록 고속으로 실행되어야 한다.
5. 구동 기구의 작동 신뢰도를 위하여, 부품의 개수를 가능한 한 적게 유지하도록 하여야 한다. 일반적으로 스위치의 고장은 고장난 구동 기구에 기인할 수 있다.
6. 가용 스위치 용량을 최대한 사용할 수 있도록 하기 위하여, 때로는 전류 또는 전압 곡선의 특정 순간에서 스위치 오프되는 것이 바람직하다. 3상 시스템에서, 이러한 스위칭 순간은 각 위상마다 다를 수 있으며, 또한 스위칭 패턴도 조건에 따라서 각 시간마다 변할 수 있다.
종래에는, 우선 고려해야 할 다섯 가지 사항(1~5)은 스프링에 축적된 에너지에 기초하여 작동되는 기계적 시스템에 의해 만족 되어왔다. 또한 이들 시스템은 일정한 지연 시간이 달성될 수 있도록 한다. 그럼에도 불구하고, 여전히 이들 구동 장치는 수시로 고장난다.
전술한 영국 특허 출원은 한 조의 영구 자석과, 코일 및 스프링으로 작동하는 쌍안정(bistable) 액츄에이터에 관한 것이다. 전류가 코일에 공급되는 즉시, 접점은 폐쇄 또는 스위치 온 상태로 이동된다. 전류에 의해 발생된 코일의 자계는 영구 자석의 자계와 동일한 방향으로 향하게 되어 있다. 총 자력은 여자(excitation)를 용이하게 발생시키며, 접점을 스위치 온 상태로 이동시키기 위해서는 작은 전류만이 요구된다. 스위치 온 상태에서, 스프링은 압축되고, 작동봉은 영구 자석에 의해 제위치에 유지된다. 영구 자석의 자계는 작동봉에 스프링 힘보다 더 크고 또한 스프링 힘에 대해 역으로 향하는 힘을 가한다. 접점이 스위치 온 상태에 도달하는 즉시, 코일을 통한 전류가 단속될 수 있다.
접점을 개방 또는 스위치 오프 상태로 이동시키기 위하여, 전류 펄스가 코일에 공급되어, 영구 자석의 자계에 역으로 향하게 되는 자계를 발생시킨다. 따라서, 영구 자석의 자계에 의해 발생된 작동봉에 대한 힘은 부분적으로 제거되고, 그래서 한편으로 작동봉이 스프링에 축적된 에너지에 의해 스위치 오프 상태에 상응하는 위치로 압박되고, 다른 한편으로, 여전히 영구 자석에 의해 발생된 잔류 힘에 의해 소정 범위까지 천천히 하강한다.
따라서, 이러한 공지된 액츄에이터는 스위치 오프가 신속해야 한다고 하는 발명자에 의해 의도된 요구를 충족시키지 못한다. 이것은 이들 접점이 스위치 오프 상태로 이동할 때 자속이 접점의 스위치 온 상태에서 지나치게 느리게 감소되는 사실에 기인할 수 있다.
액츄에이터에 대한 스위치 온 시간은 스위치 온 코일의 여자 개시로부터 액츄에이터에 의해 작동된 접점이 서로 접촉하게 되는 지점에 이를 때까지의 시간으로서 규정된다. 높은 전력으로 스위칭하기에 적합한 접점 작동용 액츄에이터의 경우에 있어서, 스위치 온 시간은 매우 크며, 재현될 수 없다. 액츄에이터의 스위치 온 코일의 높은 자기 유도(self-induction) 때문에, 전류는 최대 달성 가능한 레벨까지 서서히 상승한다. 만약, 이러한 전류가 증대되는 동안, 액츄에이터의 장력이 스위치 오프 상태에서 발생하는 대항력을 극복하기에 충분하게 크다면(특히, 마찰, 스위치 오프 스프링, 온도 등의 결과로서), 액츄에이터의 가동 부분 즉, 접점 작동봉은 이동하기 시작한다. 이것이 일어나는 순간은 그 중에서도 특히, 마찰과 전류 세기의 허용 공차에 의존한다. 스위치 온 시간 즉, 전류가 스위치 온 되는 시간으로부터 접점이 실제적으로 폐쇄되기까지의 시간을 예측하기가 어렵고, 따라서 스위치 온 시간은 가변적이며 또한 재현이 불가능하다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점이 방지될 수 있는 서두에서 언급한 유형의 액츄에이터를 제공하는 것으로서, 상기 액츄에이터에 의해 그 중에서도 특히, 진공 스위치가 제어된 시간에 스위치 온 또는 스위치 오프될 수 있으며, 스위치를 매우 신속하게 스위치 오프할 수 있고, 제어된 순간에 스위치 온 할 수 있으며, 필요에 따라서는 2개의 안정적인 상태에서 진공 스위치를 유지할 수 있다.
이러한 목적은, 본 발명의 제1 양태에 따라서, 접점 작동봉을 제2 위치로부터 제1 위치로 이동시킬 목적으로 제공되는 스위치 오프 코일은 적어도 일시적으로 영구 자석 디바이스의 자계를 제거하기 위해 여자된다는 사실과, 영구 자석 디바이스의 자속 회로는 스위치 온 코일의 자속 회로와 분리되어 있다는 점에서 달성된다.
영구 자석의 자속 회로 및 스위치 온 코일의 자속 회로가 분리되어 있기 때문에, 영구 자석의 자속 경로가 더욱 짧아질 수 있으며, 따라서 작은 자석이면 충분하고, 그 결과 액츄에이터의 크기가 더욱 작아질 수 있다. 영구 자석이 보다 작다는 사실 때문에, 스위칭 오프될 때 그들의 영향이 미치는 시간이 짧아지며, 따라서 빠른 스위치 오프 속도가 달성된다. 또한, 상기 자속 경로의 분리는 스위치 온 코일이 최적으로 활용될 수 있도록 한다. 더욱이, 본 발명에 따른 액츄에이터에 있어서, 높은 유지력이 스위치 온 상태에서 달성된다.
국제 특허 출원 WO 95/07542에는 영구 자석, 가동 코어 및 2개의 코일이 사용되는 쌍안정 전자기 액츄에이터가 개시되어 있는 것에 주목해야 한다. 이러한 액츄에이터는 코일로부터의 자계에 대해 에어갭으로서 작용하는 영구 자석에 의해 자속이 항상 폐쇄되는 결점을 또한 갖는다. 그 결과, 이러한 공지의 액츄에이터는 충분히 효과적이지 못하다.
본 발명의 제1 양태의 추가적인 개량물 및 실시예가 종속항에 개시되어 있다.
또한, 본 발명의 제2 양태는 접점을 스위치 온 또는 스위치 오프 상태로 이동시키기 위한 전자기 액츄에이터에 관한 것으로서, 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 종방향으로 변위 가능한 접점 작동봉과, 자화 가능한 재료로 제조되고 접점 작동봉에 부착되는 코어와, 코어와 상호 작용하는 스위치 온 코일과, 자화 가능한 재료로 제조되고 코어를 향하게 되어 있는 면이 접점 작동봉의 제1 위치에서는 변위 방향에 대해 수직인 코어의 표면으로부터 에어갭 거리를 두고 배치되며 제2 위치에서는 상기 코어 표면에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿아 있는 자극편(pole piece)과, 자화 가능한 재료로 제조되어 자극편 및 코어를 통해 스위치 온 코일의 자속 회로를 폐쇄하는 요크를 구비하는 전자기 액츄에이터로서, 접점 작동봉에 작용하는 로킹 디바이스(locking device)가 제공되며, 접점 작동봉이 제1 위치에 있을 때 로킹 디바이스는 로크된 상태로 이동되고, 전류가 스위치 온 코일에 공급되는 직후 예정된 주기 후에 로크가 해제되며, 상기 주기는 접점 작동봉의 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는 데 요구되는 접점 작동봉 상의 힘의 증대 시간(build-up time)보다 더 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 위치에서 액츄에이터의 가동 부분, 특히 접점 작동봉을 로킹하는 것에 기초하며, 그 결과, 로킹 디바이스가 로크 해제되는 즉시 전류 세기가 가동 부분이 이동을 개시하기에 충분하게 될 때까지 전류는 존재하는 스위치 온 코일에서 증대될 수 있다. 따라서 이동이 개시되는 순간은 스위치 온 코일의 전류 세기에 의해서가 아니라 오히려 로킹 디바이스의 로크 해제에 의해서 결정된다.
본 발명의 개량물 및 실시예가 종속항에 개시되어 있다.
본 발명을 도면을 참조하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 연관된 접점이 스위치 오프 상태에 있는 본 발명에 따른 액츄에이터의 작동봉의 축선을 따른 섹션을 도시한 도면이다.
도 2는 상기 상태에 있는 이러한 액츄에이터의 측면도이다.
도 3은 스위치 온 상태에 있는 액츄에이터를 통한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 액츄에이터의 측면도이다.
도 5는 연관된 접점이 스위치 오프 상태에 있고 전자식 로킹 디바이스를 구비하는 본 발명에 따른 액츄에이터의 일실시예의 작동봉의 축선을 따른 섹션을 도시한 도면이다.
도 6은 상기 상태에 있는 도 5에 도시된 액츄에이터의 측면도이다.
도 7은 스위치 온 상태에 있으며 기계식 로킹 디바이스를 구비하는 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예를 통한 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 액츄에이터의 측면도이다.
도 9는 공지된 액츄에이터 및 본 발명에 따른 액츄에이터의 스위치 온 전류를 시간 함수로서 도시한 그래프이다.
도면에 도시되어 있는 본 발명에 따른 액츄에이터의 실시예는 접점(2)을 폐쇄, 즉 스위치 온 상태(도 4 참조) 및 개방, 즉 스위치 오프 상태(도 2 참조)로 이동시킬 수 있는 접점 작동봉(1)을 구비한다. 이를 위해, 접점 작동봉은 종방향으로 변위 가능하도록 장착되고, 따라서 접점(2)의 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 접점(2)의 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 접점(2)은 소위 "진공 병(vacuum bottle)" 내에 수용된다.
또한, 접점 압축 스프링(3)이 액츄에이터에 존재하며, 이 스프링은 접점(2)의 스위치 온 상태에서(도 4 참조) 압축되며, 따라서 요구되는 접촉압을 얻기 위해서 접점(2)의 접촉편을 서로 압박한다. 또한, 이 접점 압축 스프링(3)은 이러한 접점(2)의 스위치 온 상태에서 작동봉(1)에 제1 위치의 방향으로 예하중을 가한다.
접점 작동봉(1)에는 한 조(한 세트)의 스위치 온 코일(5)과 상호 작용하는 코어(4)가 부착되어 있다. 이 코일(5)은 코어와 자극편(6)을 둘러싸고 있다. 코어와 자극편은 자화 가능한 재료로 제조된다. 제1 위치, 즉 도 1에 도시되어 있는 접점(2)의 스위치 오프 상태에서, 서로를 향해 대면하는 코어(4)와 자극편(6)의 표면은 그들 표면 사이에 에어갭 거리(d1)를 갖는다. 액츄에이터가 스위치 오프 상태, 즉 도 1에 도시되어 있는 접점 작동봉(1)의 제1 상태로부터 스위치 온 상태, 즉 도 3에 도시되어 있는 접점 작동봉(1)의 제2 상태로 이동될 때, 한 조의 코일(5)은 단주기(short period) 동안 여자되며, 그 결과 코어(4)는 이러한 코어와 자극편(6)의 상호 대면하는 표면이 서로에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿을 때까지 자극편(6)을 향해 이동한다. 그 결과, 예하중이 가해진 스프링(3)에는 도 4에 도시된 바와 같이 하중이 더욱 가해지게 된다.
에너지 효율을 고려하여 짧은 여자 지속 기간(short excitation duration)이 선택되기 때문에, 작동봉은 접점 압축 스프링(3)의 힘에 대항하여 제2 위치에 유지되어야만 한다. 이를 위해, 영구 자석 디바이스가 마련되며, 도시된 실시예에서 이 영구 자석 디바이스는 영구 자석(7)을 구비한다. 이들 영구 자석의 남북 방향은 작동봉(1)의 축선에 대해 횡방향으로 연장된다. 이들 영구 자석(7)은 전기자(8; armature)와 상호 작용하며, 이 전기자는 도시된 실시예에서 작동봉의 축선에 대해 횡방향으로 연장되고 자화 가능한 재료로 제조되는 2개의 전기자 요소(9)를 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 작동봉은 자석(7)과 전기자 요소(9) 사이의 인력에 의해 스위치 온 상태, 즉 도 3에 도시되어 있는 작동봉(1)의 제2 위치에 유지된다. 도 3에 있어서, 연관된 자속 회로(Ⅱ)가 연속선에 의해 개략적으로 나타나며 또한 명확하게 하기 위해 우측 영구 자석(7)에만 도시되어 있다. 코일(5)의 자속 회로는 선(Ⅰ)에 의해 우측에만 개략적으로 나타나 있다. 후술될 요크(yoke) 부분은 자속 회로(Ⅰ, Ⅱ)가 폐쇄되는 것을 보장한다.
스위치 온 코일(5)과 영구 자석(7)의 자속 회로(Ⅰ, Ⅱ) 각각은 서로로부터 완전히 분리되어 있음이 명백하다.
에어갭이 0.5mm보다 작더라도 영구 자석은 그들의 당김력(인력)이 무시될 수 있도록 배치된다. 그 결과, 이들은 액츄에이터의 스위칭 오프 이동에 영향을 주지 못할 것이다.
공지된 액츄에이터와 대조적으로, 바람직한 실시예에서는, 본 발명에 따른 액츄에이터의 유지 시스템은 영구 자석(7)과, 이러한 영구 자석의 자속이 유효 에어갭{자속 회로(Ⅱ) 참조}을 2회 가로지르도록 형성된 전기자 요소(9)를 구비한다. 그 결과, 2배의 유지력이 달성된다. 스위칭 오프일 때, 분당 유지력(holding power per sec)은 스위칭 오프 이동에 대해 역효과를 갖는다. 그러나, 이러한 구성에 있어서 2중 에어갭은, 에어갭이 보다 커지게 됨에 따라, 스위칭 오프시에 영구 자석이 전기자에 가하는 힘이 매우 신속하게 감소되고, 따라서 역효과가 매우 급속히 소멸되는 것을 의미한다.
스위치 온 코일(5)의 자속 회로(Ⅰ)는 코어(4), 자극편(6) 및 요크(10)를 통해 이어진다.
영구 자석 디바이스에는, 전기자 요소(9)를 향해 그리고 전기자 요소를 통해 자속을 안내하는 자속 안내 요소(11, 12)가 또한 제공되어 있다.
바람직하게는, 요크(10)와 자속 안내편(11, 12)은 단일체로 제조되어, 에어갭(d1)과 에어갭(d2) 사이를 더 이상 조절할 필요가 없다.
또한, 코어(4)와 전기자 요소(9)는 단일 유닛을 포함하며, 연결편(13)에 의해 연결된다. 이러한 연결편(13)은 코어(4) 및 전기자 요소(9)보다 더 작은 횡방향 치수를 갖는 것이 바람직하다.
액츄에이터는 스위치 오프 코일(14)에 의해 스위치 오프되며, 이 코일(14)은 여자시에 그 결과로서 발생되는 자계가 영구 자석의 자계에 대항하도록 배치된다. 펄스 형태의 여자는 이미 충분하다. 스위치 오프 에너지는 접점 압축 스프링(3)을 릴리스(release)함으로써 제공되며, 적합하게는 추가의 스위치 오프 스프링에 의해 제공된다.
도시된 실시예에 있어서, 션트(15; shunt)가 제공되며, 이 션트에 의해 유지 시스템의 유지력과 스위치 오프 트립 코일(6)의 감도가 영향을 받을 수 있다{자속 경로(Ⅲ) 참조}. 또한, 현존하는 액츄에이터는 과도하게 느린 스위칭 오프 작용을 갖는 것에 주목해야 한다. 이는 자기 회로의 효율적인 사용과 에어갭 및 분산되는 자속과, 적절하게는 영구 자석의 사용과 제어 코일의 수 사이에 절충이 이루어진 결과이다. 이들 결점은 본원에서 치유된다. 본 발명에 따른 전자기 쌍안정 액츄에이터의 잇점은 :
1. 스위치 온 상태에서의 높은 유지력.
2. 빠른 스위치 오프 속도.
3. 자기 회로의 분리로 인한 영구 자석의 최적의 활용 및 영구 자기 회 로에 대한 2중 에어갭의 사용
이다.
본 발명의 제2 양태를 도 5 내지 도 8에 도시되어 있는 쌍안정 액츄에이터에 기초하여 설명한다. 본 발명은 어떠한 유형의 액츄에이터도 사용될 수 있는 것에 주목해야 한다.
도면에 도시된 본 발명에 따른 액츄에이터의 실시예는 접점(2)을 폐쇄, 즉 스위치 온 상태(도 8 참조) 및 개방, 즉 스위치 오프 상태(도 6 참조)로 이동시킬 수 있는 접점 작동봉(1)을 구비한다. 이를 위해, 접점 작동봉은 종방향으로 변위 가능하도록 장착되고, 따라서 접점(2)의 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 접점(2)의 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 접점(2)은 소위 "진공 병(vacuum bottle)" 내에 수용된다.
또한, 접점 압축 스프링(3)이 액츄에이터에 존재하며, 이 접점 압축 스프링은 접점(2)의 스위치 온 상태에서(도 8 참조) 압축되며, 따라서 요구되는 접촉압을 얻기 위해서 접점(2)의 접촉편을 서로 압박한다. 또한, 이 접점 압축 스프링(3)은 이러한 접점(2)의 스위치 온 상태에서 작동봉(1)에 그 제1 위치의 방향으로 예하중을 가한다.
접점 작동봉(1)에는 한 조의 스위치 온 코일(5)과 상호 작용하는 코어(4)가 부착되어 있다. 이들 코일(5)은 코어와 자극편(6)을 둘러싸고 있다. 코어와 자극편은 자화 가능한 재료로 제조된다. 제1 위치, 즉 도 5에 도시되어 있는 접점(2)의 스위치 오프 상태에서, 서로를 향해 대면하는 코어(4)와 자극편(6)의 표면은 그들 표면 사이에 에어갭 거리(d1)를 갖는다. 액츄에이터가 스위치 오프 상태, 즉 도 5에 도시되어 있는 접점 작동봉(1)의 제1 위치로부터 스위치 온 상태, 즉 도 7에 도시되어 있는 접점 작동봉(1)의 제2 위치로 이동될 때, 한 조의 스위치 온 코일(5)은 단주기(short period) 동안 여자되며, 그 결과 코어(4)는 이러한 코어와 자극편(6)의 상호 대면하는 표면이 서로에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿을 때까지 자극편(6)을 향해 이동된다. 그 결과, 예하중이 가해진 스프링(3)에는 도 8에 도시된 바와 같이 하중이 더욱 가해지게 된다.
에너지 효율을 고려하여 짧은 여자 지속 기간이 선택되기 때문에, 작동봉은 접점 압축 스프링(3)의 힘에 대항하여 제2 위치에 유지되어야만 한다. 이를 위해, 영구 자석 디바이스가 제공되며, 도시된 실시예에서 이 영구 자석 디바이스는 영구 자석(7)을 구비한다. 이들 영구 자석의 남북 방향은 작동봉(1)의 축선에 대해 횡방향으로 연장된다. 이들 영구 자석(7)은 전기자(8; armature)와 상호 작용하며, 이 전기자는 도시된 실시예에서 작동봉의 축선에 대해 횡방향으로 연장되고 또한 자화 가능한 재료로 제조되는 2개의 전기자 요소(9)를 구비한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 작동봉은 자석(7)과 전기자 요소(9) 사이의 인력에 의해 스위치 온 상태, 즉 도 7에 도시되어 있는 작동봉(1)의 제2 위치에 유지된다. 도 7에서는 연관된 자속 회로(Ⅱ)가 연속선에 의해 개략적으로 나타나며 또한 명확하게 하기 위해 우측 영구 자석(7)에만 도시되어 있다. 코일(5)의 자속 회로는 선(Ⅰ)에 의해 우측에만 개략적으로 나타나 있다. 후술될 요크(yoke) 부분은 자속 회로(Ⅰ, Ⅱ)가 폐쇄되는 것을 보장한다.
스위치 온 코일(5)과 영구 자석(7)의 자속 회로(Ⅰ, Ⅱ) 각각은 서로로부터 완전히 분리되어 있음이 명백하다.
에어갭이 0.5mm보다 더 작더라도 영구 자석은 그들의 당김력(인력)이 무시될 수 있도록 배치된다. 그 결과, 이들은 액츄에이터의 스위칭 오프 이동에 영향을 주지 못할 것이다.
공지된 액츄에이터와 대조적으로, 바람직한 실시예에서는, 본 발명에 따른 액츄에이터의 유지 시스템은 영구 자석(7)과, 이러한 영구 자석의 자속이 유효 에어갭{자속 회로(Ⅱ) 참조}을 2회 가로지르도록 형성된 전기자 요소(9)를 구비한다. 그 결과, 2배의 유지력이 달성된다. 스위칭 오프일 때, 분당 유지력은 스위칭 오프 이동에 대해 역효과를 갖는다. 그러나, 이러한 구성에 있어서 2중 에어갭은, 에어갭이 보다 커지게 됨에 따라, 스위칭 오프시에 영구 자석이 전기자에 가하는 힘이 매우 신속하게 감소되고, 따라서 역효과가 매우 급속히 소멸되는 것을 의미한다.
스위치 온 코일(5)의 자속 회로(Ⅰ)는 코어(4), 자극편(6) 및 요크(10)를 통해 이어진다.
영구 자석 디바이스에는, 전기자 요소(9)를 향해 그리고 전기자 요소를 통해 자속을 안내하는 자속 안내 요소(11, 12)가 또한 마련되어 있다.
바람직하게는, 요크(10)와 자속 안내편(11, 12)은 단일체로 제조되어, 에어갭(d1)과 에어갭(d2) 사이를 더 이상 조절할 필요가 없다.
또한, 코어(4)와 전기자 요소(9)는 단일 유닛을 포함하며, 연결편(13)에 의해 연결된다. 이러한 연결편(13)은 코어(4) 및 전기자 요소(9)보다 더 작은 횡방향 치수를 갖는 것이 바람직하다.
액츄에이터는 스위치 오프 코일(14)에 의해 스위치 오프되며, 이 코일(14)은 여자시에 그 결과로서 발생되는 자계가 영구 자석의 자계에 대항하도록 배치된다. 펄스 형태의 여자는 이미 충분하다. 스위치 오프 에너지는 접점 압축 스프링(3)을 릴리스함으로써 제공되며, 적합하게는 추가의 스위치 오프 스프링에 의해 제공된다.
도 9에서, 공지된 액츄에이터의 스위치 온 전류(Ⅰ)는 세로 좌표를 따라 작성되며, 시간(t)은 가로 좌표를 따라 작성된다.
시간(to)에서, 전압은 스위치 온 코일의 단자에 접속되며, 스위치 온 코일을 통과한 스위치 온 전류는 스위치 온 전류(I)가 시간(t1)에서 레벨(I1)에 도달될 때까지 실선에 의해 도시된 바와 같이 천천히 상승하며, 상기 레벨은 액츄에이터를 스위치 온 상태로 이동시키기 위하여 액츄에이터의 스위치 오프 상태에서 극복되어야 할 대항력과 연관된다. 시간(t1)에서, 액츄에이터에 의해 작동되는 접점의 스위칭 온 이동이 시작되고, 이들 접점은 단지 시간(t2)에서 서로 접촉하게 된다. 시간(t2) 후에, 스위치 온 전류(I)는 다시 최대 레벨로 상승하기 시작한다. 대항력은 특히, 액츄에이터의 마찰, 스위치 오프 스프링 등의 인자에 의존하며, 상기 인자는 특히 온도의 영향하에서 변화되기 쉽다.
상기 영향은 스위치 온 전류의 레벨(I2)에 상응하는 대항력을 일으킬 수 있다. 만약 전압이 시간(t0)에서 스위치 온 코일에 공급되면, 스위칭 전류는 다시 연속선에 의해 도시된 바와 같이 상승될 것이며, 그 다음에 일점 쇄선으로 도시된 바와 같이 더욱 상승할 것이다. 시간(t3)에서, 레벨(I2)에 도달되며, 그 후 액츄에이터의 스위칭 온 이동이 시작된다. 시간(t5)에서, 액츄에이터에 의해 작동될 접점은 서로 접촉하게 된다. 따라서 전류(I1)와 연관된 스위치 온 시간은 t2-t0와 동일하지만, 레벨(I2)의 경우에는, 스위치 온 시간은 t5-t0이며, 따라서 스위치 온 시간은 가변적이며 또한 재현될 수 없다. 또한, 스위치 온 전류와 연관된 전압은 가변적이므로 낮은 전압에서 스위치 온 전류(I)는 예로서 점선으로 나타난 곡선을 따른다. 한계 레벨(I1)에서는 액츄에이터가 시간(t4)에서 그 스위칭 온 이동을 시작하지만, 한계 레벨(I2)에서는 스위칭 온 이동이 시간(t6)에서 시작되는 것을 그래프로부터 알 수 있을 것이다. 따라서, 액츄에이터의 스위치 온 시간 또한, 스위치 온 전압의 범위에 상당히 의존하는 것이 명백하다.
액츄에이터를 스위칭 온하기 위한 한계 레벨 및/또는 공급 전압의 작은 변화하에서의 스위치 온 시간의 비교적 큰 변화는 본 발명에 따라서 접점 작동봉(1)에 작용하는 로킹 디바이스(16; locking device)가 사용된다는 사실에 의해 감소된다. 이 로킹 디바이스는 작동봉이 액츄에이터의 스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치에 있을 때 로크된 상태로 이동된다. 스위치 온 전압 또는 전류가 스위치 온되면, 로킹 디바이스(16)는 스위치 온 전류가 스위치 온 된 직후 예정된 주기가 경과될 때까지 로크 상태를 유지한다. 이 주기는 접점 작동봉(1)의 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는 데 요구되는 접점 작동봉에 대한 힘의 증대 시간(build-up time)보다 더 크다. 즉, 주기는 예컨대 t6-t0보다 더 크며, 시간(t6)은 상호 보강하는 영향의 누적 효과하에서 예상될 수 있는 최대 시간이다.
주기는 스위치 온 전류의 함수로서 설정될 수 있으며, 바람직하게는 스위치 온 코일을 통과한 전류가 접점 작동봉(1)의 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는데 요구되는 레벨보다 더 큰 레벨에 도달하였을 때 종료된다. 따라서 스위칭 온 이동의 개시는 스위치 오프 상태에서의 액츄에이터의 가변 대항력과는 독립된다. 또 다른 실시예에 있어서, 이 주기는 t6-t0보다 더 큰 독립된 고정 지속 기간(independent fixed duration)을 갖는다. t＞t6인 경우, I는 커지며, 따라서 힘도 커진다. 로킹하지 않은 상태와 비교할 때, 보다 작은 스위치 온 코일로 충분한데, 왜냐하면 스위치 온 코일이 더욱 잘 활용되기 때문이다.
로크 해제될 때의 스위치 온 거동은 도 9의 곡선의 우측 부분에서 알 수 있으며, 로크 해제 펄스는 t10에서 방출되고, t11-t10은 스위치 온 로크 해제의 응답 시간이다.
이러한 응답 시간은 로크 해제하지 않은 액츄에이터의 경우에서의 응답 시간보다 더 짧으며, 더욱 재현될 수 있다. 허용 공차의 결과로서 변하는 스위치 온 코일 전류와 연관된 스위칭 순간(t12, t12')은 로킹하지 않은 스위칭 순간을 나타내는 t2와 t5보다 서로 더 가까이에 위치한다.
도 5와 도 6은 전자기식 로킹 디바이스(16)를 보여주고 있지만, 도 7과 도 8은 기계식 로킹 디바이스(16)를 도시하고 있다.
도 5와 도 6에 도시된 로킹 디바이스(16)는 해칭 영역(hatched area)으로 나타낸 고정 위치에 배치되어 있는 영구 자석(17)을 구비한다. 도 5와 도 6에 도시된 스위치 오프 위치에서, 전기자 요소(9)는 자극판(18)에 의해 지탱되므로 이 스위치 오프 상태에서 영구 자석의 자기 회로는 자극판(18) 및 전기자 요소(9)를 가로질러 폐쇄된다. 그 결과, 전기자 요소(9)는 제위치에 유지되며, 연관된 코어(4)와 접점 작동봉(1)도 마찬가지이다. 또한, 로킹 디바이스(16)에는 권선(20; winding)을 갖는 코일(19)이 마련되며, 이 코일의 코어는 자극판(18)에 의해 지탱된다.
전류가 스위치 온 코일(5)에 공급되면, 액츄에이터는 도 5와 도 6에 도시된 스위치 오프 상태에 유지되며, 따라서 접점 작동봉(1)은 제1 위치에 유지되고, 상기 접점 작동봉(1)에 의해 작동되는 접점(2)들은 서로 떨어져 있게 된다. 전류가 스위치 온 된 후, 스위치 온 코일(5)의 전류는 증대된다. 액츄에이터는, 대항력이 증대된다고 할지라도, 미리 선택된 주기가 스위치 온 전류의 스위치 온 시간을 따라간 후에 전류가 코일(19)의 권선(20)에 공급될 때까지, 스위치 오프 상태로 남아 있을 것이며, 상기 전류는 영구 자석(17)의 자계가 제거되게끔 하는 크기 및 방향을 갖는다. 그 다음에, 스위치 온 코일(5)에 대한 스위치 온 전류의 영향하에서, 접점 작동봉(1)은 접점(2)이 폐쇄되는 스위치 온 상태로 이동될 수 있다. 액츄에이터의 스위치 온 상태 및 폐쇄된 접점(2)은 도 7과 도 8에 도시되어 있다. 그러나, 이들 도면은 기계식 로킹 디바이스를 구비하는 액츄에이터를 보여주고 있다.
시간 주기는 액츄에이터의 가동 부분이 이동하기 시작하는 액츄에이터의 장력의 증대 시간보다 더 길도록 선택된다. 주기의 길이는 스위치 온 전류로부터 얻어질 수 있거나 또는 고정치를 가질 수 있다.
도 7과 도 8에 도시되어 있는 기계식 로킹 디바이스(16)는, 접점 작동봉의 제1 위치에서 서로 맞물리고(계합되고) 또한 접점 작동봉을 이 위치에 고정되게끔 하는 2개의 로크 요소를 구비한다. 이 로크 요소 중 하나는 도 7과 도 8에 도시된 실시예에서 전기자 요소(9)에 고정되어 있는 캐치(21; catch)에 의해 형성된다. 그 경우에 다른 하나의 로크 요소는 핀(23)을 중심으로 선회할 수 있는 그립 캐치(grip catch; 22) 형태이다. 이러한 그립 캐치(22)는 도시된 위치에서 압축 스프링(24)에 의해 예하중이 가해진다. 그립 캐치(22)의 위치는 제어 디바이스에 의해 변경될 수 있으며, 이러한 경우에 이 제어 디바이스는 개략적으로 예시된 보조 액츄에이터(25)로 형성되는데, 이 보조 액츄에이터는 통상의 저동력(low-power) 전자기 액츄에이터일 수 있다.
스위치 오프 코일(14)에 전류를 공급함으로써 액츄에이터가 스위치 오프 상태로 이동되면, 캐치(21)와 그립 캐치(22)는 특히 상기 캐치들의 후크형 자유 단부에 의해 서로 맞물린다. 그 후 액츄에이터를 스위치 온으로 하기 위해 전류가 스위치 온 코일(5)에 공급되면, 캐치(21)와 캐치(22)의 맞물림은 그립 캐치(22)가 우측으로 회전할 수 있도록 전압 또는 전류가 보조 액츄에이터(25)에 공급될 때까지 유지되므로 캐치(21)는 그립 캐치(22)로부터 릴리스된다. 또한, 이러한 로킹 디바이스(16)의 기계적 구성은, 접점 작동봉(1)의 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는데 요구되는 접점 작동봉(1)의 힘의 증대 시간보다 더 긴 주기가 경과할 때까지 액츄에이터의 스위치 오프 상태를 유지한다.
여기에서도 역시 시간 주기는 스위치 온 코일에 공급되는 전류로부터 얻어질 수 있거나 또는 독립된 고정치일 수 있다.
보조 액츄에이터(25) 또는 코일(19)의 권선(20)에 대한 제어 전류는 비교기(comparator: 도시 생략)에 의해 유도될 수 있으며, 스위치 온 전류는 비교기의 하나의 입력부에 공급되지만 기준 전류는 그것의 다른 입력부에 공급되며, 그 기준 전류는 접점 작동봉(1)의 제1 위치에서 대항력을 극복하는데 요구된 레벨보다 더 크다. 그 다음에, 보조 액츄에이터(25) 또는 코일(19)의 권선(20)에 대한 제어 전류는 선택적으로 증폭 또는 처리 후에 비교기의 출력부에 공급될 수 있다.
시간의 고정된 주기에 대한 실시예에 있어서, 고정되고 예정된 시간 주기를 갖는 시간 스위치(도시 생략)가 사용될 수 있으며, 그 시간 주기의 길이는 전술한 고려 사항에 따라서 선택될 수 있다. 시간 스위치는 액츄에이터의 스위치 온 코일의 스위치 온 전류가 스위치 온 되면 개시되고, 또한 시간 주기의 종료는 스위치 온 전류가 그 최대 레벨에 도달한 순간 후에 있게 된다.

Claims (19)

  1. 접점(2)을 스위치 온(switched-on) 상태 또는 스위치 오프(switched-off) 상태로 이동시키기 위한 전자기 액츄에이터로서,
    스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 종방향으로 변위 가능한 접점 작동봉(1)과,
    상기 접점 작동봉(1)에 부착되고, 자화 가능한 재료로 제조된 코어(4)와,
    상기 코어(4)와 상호 작용하는 스위치 온 코일(5)과,
    자화 가능한 재료로 제조된 자극편(6; pole piece)과,
    자화 가능한 재료로 제조되어, 상기 자극편(6)과 상기 코어(4)를 통해 상기 스위치 온 코일의 자속 회로를 폐쇄하기 위한 요크(10:yoke)와,
    상기 접점 작동봉(1)을 상기 제2 위치에 유지시키기 위한 영구 자석 디바이스(8)와,
    상기 제2 위치에서 상기 제1 위치를 향해 상기 접점 작동봉(1)에 예하중(preload)을 가하는 스프링(3)을 포함하는데,
    상기 코어(4)를 향하는 상기 자극편(6)의 면은, 상기 접점 작동봉(1)의 상기 제1 위치에서는 변위 방향에 대해 수직인 상기 코어(4)의 표면으로부터 에어갭 거리(d1)를 두고 배치되며, 상기 제2 위치에서는 상기 코어의 표면에 가능한 한 가깝게 맞닿아 있으며,
    상기 접점 작동봉(1)을 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 이동시킬 목적으로 스위치 오프 코일(14)이 제공되고,
    상기 스위치 오프 코일(14)은 상기 영구 자석 디바이스(8)의 자계를 적어도 일시적으로 제거하도록 여자되며,
    상기 영구 자석 디바이스(8)의 자속 회로는 상기 스위치 온 코일(5)의 자속 회로와 분리되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접점 작동봉(1)의 축선에 대해 횡방향으로 연장되며 자화 가능한 재료로 제조되는 전기자 요소(9)가 상기 접점 작동봉(1)에 연결되고,
    상기 영구 자석 디바이스(8)에는 상기 전기자 요소(9)를 향해 그리고 전기자 요소를 통해 자속을 안내하는 자속 안내 요소(11, 12)가 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 영구 자석 디바이스는 남북 방향이 상기 접점 작동봉(1)의 축선에 대하여 횡방향인 것으로 배치되는 하나 이상의 영구 자석(7)을 구비하며,
    상기 자속 안내 요소(11, 12)는 상기 영구 자석(7)의 북극측과 남극측에 배치되고, 상기 접점 작동봉(1)의 축선에 대해 수직으로 연장되는 표면을 가지며, 상기 제1 위치에서는 상기 전기자 요소(9)로부터 에어갭 거리(d2)를 두고 배치되고, 상기 제2 위치에서는 상기 전기자 요소(9)와 맞닿아 있으며,
    상기 스위치 오프 코일(14)은 전기자 요소(9)와 대향하게 놓여있는 상기 자속 안내 요소(11, 12)의 측부에서 상기 접점 작동봉(1)의 축선에 대해 수직인 평면에 위치하며,
    상기 스위치 오프 코일(14)의 내측 표면은 상기 접점 작동봉(1)을 향해 있는 상기 영구 자석(7)의 측부와 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 스위치 온 코일의 상기 요크(10) 및 상기 영구 자석 디바이스의 상기 자속 안내 요소(11,12)는 단일 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 코어(4) 및 상기 전기자 요소(9)는 단일 유닛으로 이루어지고, 연결편(13)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연결편(13)은 상기 코어(4) 및 상기 전기자 요소(9)보다 더 작은 횡방향 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 코어(4)와 상기 자극편(6) 사이의 에어갭(d1)은 상기 접점(2)의 스위치 온 상태에서 최소이지만, 0이 아닌 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 자기 션트(15: magnetic shunt)는 상기 영구 자석의 자속 회로(Ⅱ)에 수용되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 스프링은 접점 압축 스프링에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  10. 접점(2)을 스위치 온(switched-on) 상태 또는 스위치 오프(switched-off) 상태로 이동시키기 위한 전자기 액츄에이터로서,
    스위치 오프 상태에 상응하는 제1 위치와 스위치 온 상태에 상응하는 제2 위치 사이에서 종방향으로 변위 가능한 접점 작동봉(1)과,
    상기 접점 작동봉(1)에 부착되고 자화 가능한 재료로 제조된 코어(4)와,
    상기 코어(4)와 상호 작용하는 스위치 온 코일(5)과,
    자화 가능한 재료로 제조된 자극편(6)과,
    자화 가능한 재료로 제조되어, 상기 자극편(6)과 상기 코어(4)를 통해 상기 스위치 온 코일의 자속 회로를 폐쇄하기 위한 요크(10:yoke)를 포함하는데,
    상기 코어(4)를 향하는 상기 자극편(6)의 면은, 상기 접점 작동봉(1)의 상기 제1 위치에서는 변위 방향에 대해 수직인 상기 코어(4)의 표면으로부터 에어갭 거리(d1)를 두고 배치되며, 상기 제2 위치에서는 상기 코어 표면에 대해 가능한 한 가깝게 맞닿아 있으며,
    상기 접점 작동봉(1)을 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 이동시킬 목적으로 스위치 오프 코일(14)이 제공되고,
    상기 스위치 오프 코일(14)은 영구 자석 디바이스의 자계를 적어도 일시적으로 제거하도록 여자되며,
    상기 접점 작동봉(1)에 작용하는 로킹 디바이스(16: locking device)가 제공되며,
    상기 접점 작동봉(1)이 상기 제1 위치에 있을 때, 상기 로킹 디바이스는 로크 상태로 이동되고,
    전류가 상기 스위치 온 코일(5)에 공급된 직후 예정된 주기 후에 상기 로킹 디바이스는 로크가 해제되며,
    상기 주기는, 상기 접점 작동봉의 상기 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는데 요구되는 접점 작동봉(1) 상의 힘의 증대 시간(build-up time)보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 주기는, 상기 스위치 온 코일(5)을 통과하는 전류가 상기 접점 작동봉의 상기 제1 위치에서 발생하는 대항력을 극복하는 데 요구되는 레벨보다 더 높은 레벨에 도달할 때, 종료되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 시간 주기는 독립된 고정 지속 기간인 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 로킹 디바이스(16)는, 상기 접점 작동봉(1)을 상기 제1 위치에 유지시키는 영구 자석(17)과, 상기 영구 자석(17)의 자계를 제거하기 위한 코일(19)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  14. 제13항에 있어서, 비교기가 제공되며, 상기 스위치 온 코일(5)의 스위치 온 전류는 상기 비교기의 하나의 입력부에 공급되고, 기준 신호는 상기 비교기의 다른 입력부에 공급되며, 상기 비교기의 출력부는 상기 코일(19)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  15. 제13항에 있어서, 상기 코일(19)은, 고정된 예정 지속 기간을 갖는 시간 스위치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  16. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 로킹 디바이스(16)는 두 개의 로크 요소를 포함하는데, 상기 로크 요소는 상기 접점 작동봉(1)의 상기 제1 위치에서 서로 맞물리어 상기 접점 작동봉을 그 위치에 고정되게끔 유지시키며,
    제어 디바이스가 제공되어, 상기 시간 주기 이후에 상기 로크 요소들의 맞물림을 해제하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 전자기 보조 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  18. 제16항에 있어서, 비교기가 제공되며, 상기 스위치 온 코일(5)의 스위치 온 전류는 상기 비교기의 하나의 입력부에 공급되고, 기준 신호는 상기 비교기의 다른 입력부에 공급되며, 상기 비교기의 출력부는 상기 제어 디바이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제어 디바이스는, 고정된 예정 지속 기간을 갖는 시간 스위치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
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