KR100611299B1

KR100611299B1 - 초전도 벌크자석형 조작기

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Publication number: KR100611299B1
Application number: KR1020040093533A
Authority: KR
Inventors: 정현교; 강종호; 한상철; 성태현; 한영희; 정년호
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-08-10
Also published as: KR20060053483A

Abstract

본 발명은 주로 전력 계통의 차단기에 사용되는 조작기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 영구 자석형 조작기의 장점을 그대로 가지면서 초전도 벌크 자석을 이용하여 조작 속도와 조작력을 현저히 향상시키고 조작기를 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있어, 종래의 조작기로서 적용하기 어려웠던 고압, 초고압 차단기에 적용하더라도 우수한 차단 성능을 발휘할 수 있는 초전도 벌크자석형 조작기(SMA)에 관한 것이다.

본 발명에서는 자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과; 상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와; 상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과; 상기 영구자석의 일측에 배치되며 상기 영구자석의 두께 보다 더 두꺼운 두께를 가지는 초전도 벌크자석과; 상기 초전도 벌크자석의 일측에 설치되는 투입측 코일과; 상기 영구자석의 일측에 설치되는 개방측 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기가 제공된다.

초전도, 벌크자석, 영구자석, 조작기, 차단기, 다단, 코일

Description

초전도 벌크자석형 조작기{Superconductive Magnetic Actuator}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조작기를 보여주는 단면도이다.

도 2는 제1 투입측 코일에 전류가 인가되었을 때 가동자의 이동 형태를 보여주는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조작기를 보여주는 단면도이다.

도 4는 도 3에서 제1 투입측 코일에 전류가 인가되었을 때 가동자의 이동 형태를 보여주는 단면도이다.

도 5는 도 4에서 다시 제2 투입측 코일에 전류가 인가되었을 때 자계의 흐름을 설명하기 위한 단면도이다.

도 6은 도 5에서 조작기가 투입상태에 있을 때, 공극의 역할을 설명하기 위한 단면도이다.

도 7은 도 6의 조작기에서 공극이 없다고 가정한 경우의 영구자석에 의한 자계의 흐름을 보여주기 위한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정 철심 11 : 통로

11a : 제1 공극부 11b : 제2 공극부

20 : 가동자 30 : 영구자석

35 : 초전도 벌크 자석 40a : 투입측 코일

40 : 제1 투입측 코일 50 : 제2 투입측 코일

60a : 개방측 코일 60 : 제1 개방측 코일

70 : 제2 개방측 코일

일반적으로, 차단기는 소호/절연 매질에 따라 진공 차단기(VCB:Vacuum Circuit Breaker), 오일 차단기(OCB:Oil Circuit Breaker), 가스 차단기(GCB:Gas Circuit Breaker) 등으로 분류된다. 최근에는 중,저압용에는 진공차단기가 적용되고 있고, 고압,초고압용에는 가스 차단기가 주로 적용되고 있다. 차단기는 전압등 급에 따라 차단용량이 달라지게 되고, 차단기의 동작을 일으키는 조작기 또한 성능에 따라 적용성이 달라지게 된다. 보통 차단용량이 커질수록 조작부에서의 조작간극과 조작력이 커지게 된다.

통상적으로, 중,저압용 진공차단기는 차단부의 접점간극과 접점에 작용하는 압점력의 크기에 따라 적용할 수 있는 조작기가 정해지고, 고압,초고압용 가스차단기는 차단부의 접점간극과 접점부에서 발생하는 아크를 소호시키기 위한 가스반발력의 크기에 따라 적용할 수 있는 조작기가 정해지게 된다.

모든 차단기에 적용되는 조작기는 일정한 차단시간 내(보통 50ms이내)에 동작을 해야 하고, 압점력 및 가스반발력 또한 아주 큰 힘으로 작용된다. 그러므로, 송,배전급 차단기에 적용되는 조작기는 큰 힘과 빠른 속도로 동작할 수 있어야 한다. 진공차단기에 적용되는 조작기는 유압, 공압, 스프링과 같은 기계적인 메카니즘을 주로 이용하는 조작기를 이용해 왔고, 최근들어 모터 스프링 및 영구자석형 조작기(PMA)와 같은 전자석을 이용한 조작기 개발과 적용이 이루어지고 있다.

종래의 기계적인 메카니즘을 이용한 조작기는 많은 부품들로 이루어져 있어 단 하나의 부품 고장으로도 오동작을 일으키기 쉽고, 오일유출과 그에 따른 오동작으로 인해 차단기 고장의 50%이상이 조작기에 발생한다는 위험 부담을 지니고 있었다.

또한, 모터 스프링 조작기는 모터를 이용하여 스프링을 압축시킨 상태에서 필요할 때 그 압축된 힘을 해제시켜 동력을 얻는 시스템이다. 모터 스프링 조작기는 동력을 전자석 메카니즘인 모터를 이용한 것으로 스프링 조작기와 비교해서 스 프링을 압축시키는 동력부분에서 많은 부품들이 모터의 도입으로 인해 간단해졌지만, 그 이외의 부분에서 많은 부품들이 존재하고 스프링 조작기의 큰 결손 중의 하나인 스프링의 탄성 손실부담은 여전히 가지고 있게 된다. 이러한 모터 스프링 조작기는 작은 차단용량을 가지는 진공 차단기에 적용하기에는 큰 무리가 없겠지만, 큰 용량을 가지는 진공 차단기와 같이 큰 조작거리를 가지는 차단기에 적용하기에는 위험이 따르게 된다.

영구자석형 조작기(PMA)는, 최근에 많은 연구가 활발히 진행되고 있는 조작기로서, 대한민국 공개 특허 제10-2004-0035176호 공보(공개일자 2004년04월29일)에 개시된 것과 같이, 매우 간단한 구조로 이루어져, 크기가 작고, 부품의 손실에 따른 오동작의 위험성이 현저히 낮으며, 내구성도 뛰어나 유지보수 비용이 거의 들지 않는 장점을 지니고 있다. 또한, 코일에 흐르는 전류 제어를 통해 조작이 이루어지므로, 조작이 편리하고 성능 또한 우수하여 진공 차단기에 가장 적합한 이상적인 조작기로 평가받고 있다.

이러한 영구 자석형 조작기(PMA)는, 영구자석의 자계와 코일에서 여자된 자계의 힘에 의해 가동자가 동작되도록 한 시스템으로, 이는 영구자석에 의한 자력에 의해 접점부가 개방 및 투입된 상태를 스스로 지속적으로 유지할 수 있어, 종래에 접점부가 개방 및 투입상태에서 가동자를 고정시키기 위해 필수적으로 필요하였던 기계적인 메카니즘이 필요없다는 장점이 있다.

그러나, 상기한 영구 자석형 조작기는, 이미 설명한 대로 자력의 힘에 의해 구동되는 조작기이므로 조작 간극(개극 간극)에 큰 한계를 가지게 된다. 그러므로, 현재 적용되는 영구 자석형 조작기는 조작 간극이 20mm이내인 진공 차단기에만 적용되고 있다. 진공 차단기는 가격이나 성능면에서 가스 차단기 보다 우수한 특성을 지니므로 그 용량을 계속적으로 증대시키려고 하는 추세에 있다. 이를 위한 세계적인 연구동향으로 보면 170kV급의 고압에 까지 진공차단기를 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 영구 자석형 조작기는 24kV급 이하의 중,저압용 차단기에서는 전술한 좋은 특성으로 인해 그 적용성이 크지만, 그 보다 큰 용량을 가진 고압, 초고압용 진공 차단기에는 적용하기 어려워 모터 스프링 및 스프링 조작기가 사용되고 있다. 따라서, 영구 자석형 조작기의 우수한 특성을 고압, 초고압용 차단기에서도 활용하기 위해서는 개선된 조작기의 개발이 이루어져야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 조작기에 비해 조작 속도와 조작력을 현저히 향상시켜 특히, 종래의 영구 자석형 조작기로서는 적용하기 어려웠던 고압, 초고압 차단기에 적용하더라도 우수한 차단 성능을 발휘할 수 있도록 한 개선된 조작기를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 종래의 영구 자석형 조작기의 영구 자석을 초전도 벌크 자석을 이용하여 자력을 극대화시켜 조작기의 동작 특성을 획기적으로 개선한 초전도 벌크자석형 조작기가 제공된다.

그에 더하여, 상기 초전도 벌크자석형 조작기에 다단계 코일 시스템을 적용하여 코일 영역 사이의 자성체(고정 철심)를 통해 자로를 만들어 자로를 짧게 해주어 초기에 코일에서 발생하는 자력을 효율적으로 이용함과 아울러, 자력을 극대화시킴으로써 가동자의 신속한 동작을 이끌어 내고, 자성체(고정 철심)와 가동자 사이에 공극을 만들어 주어, 가동자가 개방 및 투입 완료된 상태에서 영구자석의 자계가 가동자의 축방향으로 길게 흐르도록 하여 홀딩력을 극대화시킬 수 있는 초전도 벌크자석형 조작기를 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 초전도 벌크자석형 조작기는, 자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과; 상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와; 상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과; 상기 영구자석의 일측에 배치되며 상기 영구자석의 두께 보다 더 두꺼운 두께를 가지는 초전도 벌크자석과; 상기 초전도 벌크자석의 일측에 설치되는 투입측 코일과; 상기 영구자석의 일측에 설치되는 개방측 코일을 포함하여 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 투입측 코일은, 복수개의 투입측 코일이 일정한 간격을 유지하여 순차적으로 배치된 형태로 이루어지고, 상기 가동자가 투입상태에 있을 때 상기 복수개의 투입측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제1 공극부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복수개의 투입측 코일은 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일로 이루어지고, 상기 제1 공극부는 상기 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일 사이에 형성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 제1 공극부는 상기 고정철심의 통로 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수개의 투입측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 개방측 코일은, 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 제1,2 개방측 코일로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 제1,2 개방측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 가동자가 개방상태에 있을 때, 상기 복수개의 개방측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제2공극부를 포함하여 구성할 수 있다.

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

첨부도면 도 1에는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조작기의 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 조작기는, 철심을 적층하여 이루어진 자성체로 이루어진 고정 철심(10)을 가지고, 상기 고정 철심(10)의 중간에는 통로(11)가 형성되며, 상기 통로(11) 내에는 자성체로 이루어진 가동자(20)가 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치된다. 상기 가동자(20)의 양측에는 차단기나 다른 기계요소에 링크적으로 연결되기 위한 로드(21,22)가 형성되어 있다. 상기 로드(21,22)는 비자성체로 이루어진다.

그리고, 상기 고정 철심(10)의 통로(11) 중간 내벽에는 자력을 제공하는 영구자석(30)이 설치되고, 상기 영구자석(30)의 일측에는 특히, 초전도 벌크자석(35)을 배치함으로써, 일반 영구자석보다 자속밀도가 현저히 높은 초전도 벌크자석(35)의 힘을 이용한 새로운 개념의 구조를 가진다.

이 때, 상기 초전도 발크자석(35)은 상기 영구자석(30)의 두께 보다 더 두꺼운 두께를 가지도록 형성된다. 다시 말해서 상기 영구자석(30)이 상기 초전도 벌크자석(35) 보다 더 얇게 형성된다. 본 발명에서 상기 영구자석(30)을 초전도 벌크자석(35)보다 얇게 형성한 구성에 따라, 후에 상세히 설명하겠지만, 외부의 자계(즉 코일에서 여자된 자계)가 초전도 벌크자석(35)을 통과하지 않고 영구자석(30)을 통과하게 유도함으로써, 초전도 벌크자석(35)이 보자력을 잃지 않게 된다.

그리고, 상기 초전도 벌크자석(35)의 일측에는 투입측 코일(40a)이 설치되고, 상기 영구자석(30)의 일측에는 개방측 코일(60a)이 설치된다.

여기서, '투입측'이란, 차단기를 예로 들면, 폐극상태 즉, 전력계통에 고장이 없고 접촉자들이 전기적으로 접속되어 전류가 정상적으로 인가되도록 차단기를 동작시키는 방향을 말한다. 이에 비하여, 후술하는 '개방측'은 개극상태 즉, 전력계통에 이상이 발생하여 고장 전류가 흐르거나 기타 유지 보수를 위해 접촉자들이 분리되고 아크 소호가 일어나 전류가 차단되도록 차단기를 동작시키는 방향을 말한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초전도 벌크자석형 조작기의 작용을 설명한다. 특히 조작기가 차단기에 적용되었을 때를 기준으로 설명한다.

이미 설명하였지만, 첨부도면 도 1은 가동자(20)가 개방측으로 완전히 이동되어 차단기가 개극상태를 유지함으로써 전류가 차단되었을 때의 모양을 보여준다.

다만, 이때에는 도 1에 도시된 것과는 달리, 상기 개방측 코일(60a)에는 전류가 인가되지는 않으며, 상기 가동자(20)는 주로 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘으로(이 경우 영구자석(30)에 의한 자계의 힘은 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘에 비해 미미하다고 할 수 있다)에 의해 개방측에 홀딩된다.

첨부도면 도 2에는 투입측 코일(40a)에 전류가 인가된 직후 가동자(20)의 이동 형태를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 투입(폐극)을 위해 제1 투입측 코일(40a)에 전류를 인가하면, 가동자(20)는 투입측 코일(40a)에서 여자된 자계의 힘과 상기 영구자석(30) 및 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘에 의해 투입측으로 이동된다. 구체적으로, 상기 투입측 코일(40a)에 전류가 인가되기 전에는 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의해 개방상태에서 홀딩력을 유지하다가, 상기 투입측 코일(40a)에 전류가 인가되어 그 힘으로 가동자(20)가 움직이기 시작하면, 가동자(20)의 후단부(도면상 상단부) 공간은 점점 더 커지고 가동자(20)의 전단부 공간은 점점 줄어들기 때문에 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계도 가동자가 움직이는 쪽으로 힘을 실어주게 된다. 이와 더불어, 가동자(20)가 움직이면 투입측 코일(40a)의 자계의 영향을 받아 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계는 가동자(20)가 진행하는 쪽으로 영향을 미치게 된다.

여기서, 상기 초전도 벌크자석(35)에 대해 좀 더 살펴보면, 일반 영구자석 중에서 상대적으로 자속밀도가 높은 Nd계열(네오디늄계열)의 영구자석의 자속밀도는 보통 1.2테스라(T) 정도인 반면, 현재 개발된 초전도 벌크자석의 자속밀도는 3T ~ 12T 정도로서 일반적인 영구자석에 비해 현저히 높은 자속밀도를 지닌다.

예를들어, 3T의 자속밀도를 가지는 초전도 벌크자석을 이용하게 되면, 같은 크기의 일반적인 영구자석을 조작기에 적용하였을 경우에 비해, 아래의 식에 의해 최소한 9배의 큰 힘을 가질 수 있다.

E = 1/2(BH)

따라서, 이러한 초전도 벌크자석을 이용한 본 발명에 의하면, 가동자(20)를 구동하는 힘이 획기적으로 향상될 수 있다. 또한, 그에 따라서, 일반적인 영구자석만을 이용할 때에 비해 중량과 부피를 줄일 수 있으므로, 같은 용량인 경우 더욱 컴팩트한 조작기의 구현도 가능해진다.

위와 같이 초전도 벌크자석(35)은 영구자석에 비해 매우 큰 조작력을 제공할 수 있으나, 그 보자력에 있어서는 문제가 있다. 즉, 일반적인 영구자석 뿐만 아니라, 초전도 벌크자석은 외부에서 발생되는 임계자장 및 임계온도 이상의 영향을 받았을 경우 보자력을 잃게 되어 자신의 자속밀도 값이 달라지게 되거나 그 고유한 특성을 잃어버리게 된다.

차단기에 적용되는 PMA(영구자석형 조작기)에 적용되는 일반적인 영구자석의 경우에는 코일에서 여자된 자계의 방향과 영구자석의 방향이 순방향으로 작용하도록 하여 보자력을 잃는 경우에 대비하도록 하고 있다. 또한, 차단 조작기의 특성상, 조작기가 계속적으로 작동하는 것이 아니라 사고전류가 발생하였을 경우, 많게는 7번의 동작을 하게 되므로, 영구자석의 경우에는 열적인 영향도 큰 문제가 되지 않는다.

그러나, 초전도 벌크자석을 이용하게 되었을 경우, 초전도 특성상 극저온상태에서 초전도 상태가 이루어지고 그 이상의 온도나 외부 자계가 발생하게 되었을 경우에는 초전도 상태가 깨지고 일반적인 물질 상태로 돌아와 버려 보자력을 잃게 된다.

따라서, 기존의 PMA에서 일반적인 영구자석을 초전도 벌크자석으로 대체하여 사용할 경우, 열적인 문제는 효율적인 냉각시스템으로 해결하면 되지만, 코일에서 발생하는 자계는 초전도 벌크자석을 통과해야만 하기 때문에 초전도 벌크자석의 임계 자계 이상이 되어 초전도 특성이 깨지는 경우가 발생하게 된다.

이를 대비하여, 본 발명에서는 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)을 병용하되, 영구자석(30)의 두께를 초전도 벌크자석(35)의 두께보다 얇게 형성한 구성을 제시한 것이다. 코일(40a,60a)에서 발생된 자계는 자기저항에 크게 영향을 받기 때문에, 본 발명에 의해 영구자석(30)의 두께를 초전도 벌크자석(35)의 두께보다 얇게 설계함으로써 코일(40a,60a)에서 여자된 자계가 초전도 벌크자석(35)을 통과하지 않고 영구자석(30)을 통과하게 함으로써(도 1의 화살표 참조) 초전도 벌크자석 (35)을 무리없이 적용할 수 있는 조작기를 구현할 수 있게 된다.

한편, 초전도 벌크자석(35)의 냉각방식은 전도냉각방식 및 액체냉매(고온 초전도체의 경우 액체질소)를 이용하기도 한다.

이와 같이, 본 발명에 따라 초전도 벌크자석(35)을 이용하게 되면, 일반적인 영구자석만을 이용한 조작기보다 큰 자력으로 동작하게 되므로 보다 큰 차단용량을 가지는 진공차단기 및 고압, 초고압에 적용되는 가스차단기에도 적용이 가능해진다.

이와 같이 본 발명에서는, 전술한 초전도 벌크자석(35)을 이용하여 조작력과 홀딩력이 극대화 됨으로써, 종래에 영구 자석형 조작기로는 적용할 수 없었던 고압,초고압 차단기용 조작기로서 매우 적합하다 할 것이다.

다음, 첨부도면 도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조작기의 단면도가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 조작기는, 도 1,2에서 설명한 조작기에서, 전술한 투입측 코일(40a)이 복수개의 투입측 코일이 일정간격을 유지하여 순차적으로 설치된 형태로 이루어지고, 개방측 코일(60a)도 복수개의 개방측 코일이 일정간격을 유지하여 순차적으로 설치된 형태로 이루어진다.

도 3에 도시된 실시예에 있어서, 상기 복수개의 투입측 코일은 2개 즉, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)이 배치된 형태로 이루어진다. 그러나, 상기 투입측 코일의 개수는 조작기가 적용될 차단기의 조건 등에 따라서 하나 또는 그 이상의 개수로 배치할 수도 있다.

마찬가지로, 상기 복수개의 개방측 코일도 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70)이 일정 간격으로 순차적으로 배치된 형태로 이루어진다. 이러한 투입측 코일의 개수도 조작기가 적용될 차단기의 조건 등에 따라서 하나 또는 그 이상의 개수로 배치할 수도 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 각 코일(40,50,60,70)들은 당연히 병렬로 연결된다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 상기 가동자(20)가 투입상태에 있을 때, 즉 도면상 아래쪽으로 내려가 있을 때, 상기 각 투입측 코일 즉, 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하기 위해 공극부(11a : air gap)가 형성된 새로운 개념의 구조를 제공한다. 본 명세서에서는 상기 공극부를 편의상 '제1 공극부(11a)'로 칭한다.

상기 제1 공극부(11a)는 조작기가 투입상태에 있을 때 즉, 가동자(20)가 투입측으로 완전히 이동되어 있을 때, 상기 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계가 상기 가동자(20)의 옆구리(flank)를 통해 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 빠져나가는 것을 차단하고 자계를 축방향으로 길게 흐르도록 유도하여 가동자(20)를 잡아주는 '홀딩력'을 극대화시키게 된다. 도면에 도시된 실시예에서, 상기 제1 공극부(11a)는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어져 있다.

한편, 상기 가동자(20)가 개방상태에 있을 때, 즉 도면상 위쪽으로 올라가 있을 때, 상기 각 개방측 코일 즉, 상기 제1 개방측 코일(60)과 상기 제2 개방측 코일(70) 사이를 이루는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에도 공극부(11b)를 형성할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 공극부를 편의상 '제2 공극부(11b)'로 칭한다.

상기 제2 공극부(11b)는, 전술한 제1 공극부(11a)와 마찬가지로, 상기 가동자(20)가 개방측으로 완전히 이동되어 있을 때, 상기 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계를 수직방향으로 길게 흐르도록 유도하여 가동자(20)를 잡아주는 '홀딩력'을 더욱 증가시키게 된다. 이러한 제2 공극부(11b)도 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어져 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 초전도 벌크자석형 조작기의 작용을 설명한다, 첨부도면 도 3은, 이미 설명하였지만, 가동자(20)가 개방측으로 완전히 이동되어 차단기가 개극상태를 유지함으로써 전류가 차단되었을 때의 모양을 보여준다.

다만, 이때에는 도 3에 도시된 예와는 달리, 제1,2 개방측 코일(60,70) 모두에 전류가 인가되지는 않으며, 상기 가동자(20)는 주로 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘으로(이 경우 영구자석(30)에 의한 자계의 힘은 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘에 비해 미미하다고 할 수 있다)에 의해 개방측에 홀딩된다.

첨부도면 도 4에는 제1 투입측 코일(40)에 전류가 인가된 직후 가동자(20)의 이동 형태를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 투입(폐극)을 위해 제1 투입측 코일(40)에 전류를 인가하면, 가동자(20)는 제1 투입측 코일(40)에서 여자된 자계의 힘과 상기 영구자 석(30) 및 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘에 의해 투입측으로 이동된다.

구체적으로, 상기 제1 투입측 코일(40)에 전류가 인가되기 전에는 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의해 개방상태에서 홀딩력을 유지하다가, 상기 투입측 코일(40)에 전류가 인가되어 그 힘으로 가동자(20)가 움직이기 시작하면, 가동자(20)의 후단부(도면상 상단부) 공간은 점점 더 커지고 가동자(20)의 전단부 공간은 점점 줄어들기 때문에 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계도 가동자가 움직이는 쪽으로 힘을 실어주게 된다. 이와 더불어, 가동자(20)가 움직이면 제1 투입측 코일(40)의 자계의 영향을 받아 영구자석(30)과 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계는 가동자(20)가 진행하는 쪽으로 영향을 미치게 된다.

본 발명에서는 전술한 실시예에서 이미 설명한 바와 같이, 일반 영구자석에 비해 최소한 9배의 큰 힘을 발휘할 수 있는 초전도 벌크자석(35)을 이용하므로, 일반적인 영구자석만을 이용한 종래의 조작기보다 큰 자력으로 동작하게 된다. 따라서, 보다 큰 차단용량을 가지는 진공차단기 및 고압, 초고압에 적용되는 가스차단기에도 적용이 가능해진다. 또한, 그에 따라서, 일반적인 영구자석만을 이용할 때에 비해 중량과 부피를 줄일 수 있으므로, 같은 용량인 경우 더욱 컴팩트한 조작기의 구현도 가능해진다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 투입측 코일이 다단계로 이루어져 있으므로, 각 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로를 만들어 자로가 짧아지게 됨으로써 순간적으로 큰 힘의 자력을 낼 수 있게 되고, 그에 따라 초기 구동이 매우 신속하고 힘이 있게 된다.

즉, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50) 사이에는 자성체로 이루어진 고정철심(10)이 형성되어 있어, 이 부분에서 자계가 흐르는 통로가 제공됨으로써, 자로가 매우 짧게 형성되어 큰 힘을 낼 수가 있게 된다.

종래의 영구자석형 조작기는, 코일에 흘려준 전류에 의해 발생된 자계의 힘이, 그의 반대 방향으로 작용하고 있는 영구자석에 의한 자계의 힘 보다 커지기 시작할 때부터 가동자가 움직이기 시작하므로, 반응성 즉, 초기 속도가 느릴 수 밖에 없었다.

그러나, 본 실시예에 의한 조작기에서는, 일정 간격으로 배치되는 다단계의 코일에 의해 자로가 짧게 형성되어 큰 힘을 낼 수가 있으므로, 코일(40)에 전류가 공급됨과 동시에 가동자(20)가 신속하고 힘차게 이동할 수 있다.

그러나, 가동자(20)가 더 이동하여, 도 4에서와 같이 가동자(20)의 선단부가 제1 투입측 코일(40)을 지난 위치에 왔을 때에는, 전술한 바와 같이 자로가 짧게 형성되는 이유로 인해 영구자석(30) 및 초전도 벌크자석(35)의 자계와 제1 투입측 코일(40)에서 여자된 자계가 축방향(도면상 수직방향)이 아닌 좌우로 흐르게 된다. 따라서, 이는 가동자(20)가 진행하는 방향(수직방향)에 대해 오히려 자계손실(도 4의 화살표)로서 작용하게 되고, 이러한 자계손실로 인해 가동자(20)는 가속력이 약해지고 속도가 떨어지려고 한다.

본 발명에서는, 전술한 초전도 벌크자석(35)을 이용하여 조작력을 극대화 하는 한편, 상기한 자계손실로 인해 가동자(20)의 가속력이 약해지고 속도가 떨어지려는 것에 대비하여 다단계의 코일을 가지고 있다. 띠라서, 가동자(20)가 도 2와 같이 움직인 상태에서는 제2 투입측 코일(50)에 전류를 인가시키면, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 제2 투입측 코일(50)에서 발생하는 자계를 통해 상기 제1 투입측 코일(40)측에서 발생되는 자계 손실을 막고, 자력이 수직방향으로 영향을 미치도록 할 수 있게 된다.

이와 같이 본 실시예에서는, 전술한 초전도 벌크자석(35)을 이용하여 조작력을 극대화 하는 한편, 다단계의 코일에 의해 구동 초기에 큰 힘을 낼 수 있으며, 그 큰 힘을 구동 말기까지 지속적으로 유지할 수 있게 된다. 상기에서는 가동자(20)의 이동 위치에 대응하여 상기 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)에 순차적으로 전류를 인가하는 것으로 설명되었으나, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)에 동시에 전류를 인가하여도 비슷한 효과를 볼 수 있다.

한편, 상기와 같은 투입상태에서 조작기가 다시 개방측으로 작동할 때에도, 개방(개극)을 위해 제1 개방측 코일(60)에 전류를 인가하면, 가동자(20)는 제1 개방측 코일(60)에서 여자된 자계의 힘과 상기 영구자석(30) 및 초전도 벌크자석(35)의 자계에 의한 힘에 의해 개방측으로 이동하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 차단 용량이 큰 고압,초고압의 차단기에 있어서는 조작력이 매우 큰 조작기를 필요로 하게 된다.

본 발명의 차단기에 있어서는, 초전도 벌크자석(35)을 이용하여 조작력을 극대화하고, 그에 더하여 코일을 다단계로 배치하여 투입시나 개방시 모두 큰 힘을 낼 수 있으므로, 종래에 영구 자석형 조작기로는 적용할 수 없었던 고압,초고압 차단기용 조작기로서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

첨부도면 도 6 및 도 7에는, 각각 도 3 내지 도 5에 따른 조작기가 투입상태에 있을 때, 공극의 역할을 설명하기 위한 단면도와 공극이 없다고 가정한 경우의 영구자석에 의한 자계의 흐름을 보여주기 위한 단면도가 도시되어 있다.

도 6에 도시된 것과 같이, 가동자(20)가 투입측으로 완전히 이동된 때에는 투입측 코일(40,50)에 전류를 차단하고 상기 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계의 힘으로 가동자(20)를 홀딩하여야 한다. 이 경우, 본 실시예에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10)의 통로(11) 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에 제1 공극부(11a)가 형성되어 있다.

본 실시예에에 의한 상기 제1 공극부(11a)는 초전도 벌크자석(35)에 의한 자계가 상기 가동자(20)의 옆구리에서 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 빠져나가는 것을 차단하고 자계를 축방향으로 길게 흐르도록 유도함으로써 홀딩력을 극대화시킬 수 있게 된다.

만일, 본 실시예와는 달리, 제1 공극부(11a)가 형성되지 않은 경우에는, 도 7에 도시된 것과 같이, 초전도 벌크자석(30)의 자계가 가동자(20)의 옆구리에서 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 흐르기 때문에 자계의 손실이 생겨 홀딩력이 줄어들게 된다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 개방측 코일도 제1,2 개방측 코일(60,70)로 다단계로 이루어져 있으므로, 투입시와 마찬가지의 작용에 의해, 각 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로가 짧게 형성됨으로써 순간적으로 큰 힘의 자력을 낼 수 있 게 되고, 그에 따라 매우 큰 구동력으로 신속하게 작동할 수가 있게 된다. 또한, 제2공극부(11b)에 의해 홀딩력을 극대화 할 수 있다.

이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예가 상세하게 설명되었으나, 이는 하나의 양호한 실시예에 불과한 것이며, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예는 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 조작기에서는, 초전도 벌크자석과 일반적인 영구자석을 이용하여 조작력이 극대화됨으로써, 종래의 영구 자석형 조작기로는 적용할 수 없었던 고압,초고압 차단기용 조작기로서 매우 유용하게 적용할 수 있다.

또한, 그에 더하여, 다단계 코일 시스템이 도입하여, 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로를 만들어 자로를 짧게 해줌으로써, 초기에 코일에서 발생하는 자력을 효율적으로 이용함과 아울러, 자력을 극대화시킴으로써 가동자의 신속하고 힘찬 동작을 이끌어낼 수 있다.

또한, 자성체와 가동자 사이에 공극을 만들어 줌으로써, 가동자가 개방 및 투입 완료된 상태에서 영구자석의 자계가 가동자의 축방향으로 길게 흐르도록 하여 홀딩력을 극대화시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 조작기는 영구 자석형 조작기의 장점을 그대로 지니면서 종래의 영구자석형 조작기의 작동력과 홀딩력을 획기적으로 증대시킴으로써, 차단 용량이 큰 고압,초고압의 차단기용 조작기로서 사용하기에 매우 적합하고, 그 능력을 충분히 발휘할 수 있는 매우 혁신적인 것이라 할 수 있다.

Claims

자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과;

상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와;

상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과;

상기 영구자석의 일측에 배치되며 상기 영구자석의 두께 보다 더 두꺼운 두께를 가지는 초전도 벌크자석과;

상기 초전도 벌크자석의 일측에 설치되는 투입측 코일과;

상기 영구자석의 일측에 설치되는 개방측 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 투입측 코일은, 복수개의 투입측 코일이 일정한 간격을 유지하여 순차적으로 배치된 형태로 이루어지고,

상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 복수개의 투입측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제1 공극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제2항에 있어서,

상기 복수개의 투입측 코일은 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일로 이루어지고, 상기 제1 공극부는 상기 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 제1 공극부는 상기 고정철심의 통로 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제2항에 있어서,

상기 복수개의 투입측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 개방측 코일은, 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 제1,2 개방측 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제6항에 있어서,

상기 제1,2 개방측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.
제7항에 있어서,

상기 가동자가 개방상태에 있을 때, 상기 복수개의 개방측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제2공극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 벌크자석형 조작기.