KR100841650B1

KR100841650B1 - 직류개폐장치

Info

Publication number: KR100841650B1
Application number: KR1020060139079A
Authority: KR
Inventors: 김병욱
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-06-27

Abstract

직류개폐장치가 개시된다. 본 발명에 따른 직류개폐장치는, 금속케이스와 세라믹을 브레이징(brazing) 또는 용접함으로써 가스가 충진된 소호부를 기밀시키는 직류개폐장치에 있어서, 상기 세라믹은 주성분인 산화 알루미나에 부 성분인 산화 망간이 추가된 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 세라믹과 금속케이스의 브레이징 강도가 높아짐으로써, 소호부 내부의 가스충진 시 가스압력이나, 반복적으로 발생하는 개폐동작 시 스트레스에 의해 브레이징의 파손이 일어나 소호부의 기밀이 파괴되는 것이 방지된다. 이로 인해, 충진 물질인 수소 및 절연가스가 세워나가지 않아 직류개폐장치의 신뢰성이 향상된다.

직류개폐장치, 브레이징, 산화 알루미나, 산화 망간

Description

직류개폐장치{DC SWITCHING APPARATUS}

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류개폐장치의 정 단면도,

도 2는 도 1의 직류개폐장치의 측 단면도,

도 3은 도 2의 영구자석을 둘러싸는 철심그리드 내부에서, 아크전류가 자속에 의하여 서로 멀어지는 방향으로 힘을 받는 것을 나타낸 도면,

도 4는 도 2의 A부의 확대도,

도 5는 도 4의 B부의 확대도,

도 6은 도 2의 금속케이스와 브레이징 된 세라믹의 상측 중앙에서 힘(F)을 가하는 도면이다.

<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>

1 : 요크 2 : 플레이트

3 : 고정철심 4 : 가동철심

10 : 가동접점 11 : 접압스프링

12 : 금속케이스 13 : 세라믹

17 : 고정접점 20 : 영구자석

본 발명은 직류를 부하 개폐 및 차단하는 직류개폐장치에 관한 것이다.

일반적으로, 직류 개폐장치는 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 골프차, 지게차와 같은 전기 자동차의 축전지와 직류 전력 변환장치 사이에 위치하고 축전지의 전력을 전력변환 장치에 공급하는 기능과 발전기의 발전 전력을 축전기에 공급하는 기능을 갖는다. 이외에 태양광 발전 시스템과 풍력 발전 시스템에서 발전 전력을 상용 주파수와 전압으로 변환하는 인버터 사이에서 직류 전력을 공급하는 장치이다.

이러한, 직류개폐장치를 이루는 소호부는 수소 및 절연가스로 채워진 기밀구조를 가지며, 이를 위해 소호부는 금속케이스와 세라믹을 접합 또는 브레이징(brazing) 또는 용접을 통해 내부를 기밀시킨다.

보다 구체적으로, 금속케이스에 세라믹을 기밀하기 위하여 세라믹의 끝면에 메탈라이징을 한 후, 금속케이스와 세라믹을 브레이징 하게 된다. 이러한 세라믹은 주 성분이 92~96%의 산화 알루미나와 나머지는 산화 실리콘과 산화 칼슘 등으로 이루어져 있으며, 세라믹의 끝 부분은 금속케이스와 브레이징을 위하여 Mo 90% 전후와 나머지 Mn 또는 Mn의 화합물이 20μm 정도로 코팅(Coating) 후 1500℃ 정도에서 열처리 된다. 참고로, 브레이징은 열과 용융삽입재를 사용하여 모재를 접합하는 용접방법중의 하나이며, 섭씨450도를 기준으로 솔더링과 구분된다. 즉 섭씨 450도 이상의 녹는점 온도를 가진 용가재를 사용하여 모재의 녹는점 이하의 열을 가하여 모재를 접합하는 것을 브레이징이라 통칭한다. 이러한 브레이징은 모재가 녹지 않고 용융삽입재 만으로 용접을 하기 때문에 모재의 변형이나 잔류응력이 거의 없는 장점이 있다.

그러나, 상술한 구성 성분을 가진 세라믹과 금속케이스의 브레이징은 금속성 물질이 세라믹 속으로 확산이 적다. 따라서, 브레이징의 강도가 낮아져 외부의 작은 외력과 스트레스(Stress)에 의하여 브레이징의 파손이 일어나 소호부의 기밀이 파괴된다. 이로 인해, 충진 물질인 수소 및 절연가스가 세워나와 직류개폐장치의 신뢰성을 해치는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 금속케이스와 세라믹을 브레이징(brazing) 또는 용접하여 가스가 충진된 소호부를 기밀시키는 직류개폐장치에 있어서, 상기 세라믹과 금속케이스의 브레이징 또는 용접 강도가 높은직류개폐장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류개폐장치는, 금속케이스와 세라믹을 브레이징하여, 가스가 충진된 소호부를 기밀시키는 직류개폐장치에 있어서, 상기 세라믹은 주성분인 산화 알루미나에 부 성분인 산화 망간이 추가되어 형성되며, 고온의 열처리과정에서 상기 세라믹에 형성된 메탈라이징 층의 망간과 상기 산화 망간이 고리 구조로 결합되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 산화 망간은 전체 성분의 10% 이하로 추가되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세라믹 중 상기 금속케이스와 브레이징 될 끝 부분은 Mo 90% 전후와 나머지 Mn 또는 Mn의 화합물이 20μm 정도로 코팅(Coating)된 후 1500℃ 정도에서 열처리되는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 본 발명의 일 실시예에 따른 직류개폐장치의 정 단면도이고, 도 2는 도 1의 직류개폐장치의 측 단면도이고, 도 3은 도 2의 영구자석을 둘러싸는 철심그리드 내부에서, 아크전류가 자속에 의하여 서로 멀어지는 방향으로 힘을 받는 것을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류개폐장치는, 자기회로를 구성하는 요크(1); 요크(1)에 마주보게 접합된 플레이트(2); 플레이트(2)의 중앙 홀에 삽입된 고정철심(3); 고정철심(3)에 접극면이 마주보는 구조로 위치한 가동철심(4); 고정철심(3)과 가동철심(4)을 감싸며, 코일(5)를 지지하는 보빈(6)과 코일(5)에 접속된 코일단자(7)로 구성된 권선부; 플레이트(2)에 용접되는 금속케이스(12), 세라믹(13), 실린더(14)의 용접으로 구성된 기밀부; 플레이트(2)에 붙은 가스주입관(15); 고정전극(16), 고정접점(17), 고정접점 단자(18)의 용접으로 구성된 전기접촉부; 가동철심(4)의 중심을 관통하고 한쪽 끝단은 가동철심(4)에 접속하고 고정철심(3)의 중심 구멍을 관통하며 다른 끝단에 가동접점 지지대(9)를 접속하는 샤프트(8); 중앙 구멍을 통하여 샤프트(8)을 관통시키고 접압스프링(11)으로 접촉 압력이 가해지고, 가동접점 지지대(9)에 의하여 지지되는 가동접점(10); 아크 챔버(19)와 가동접점(10)이 나란히 영구자석(20)를 아크 챔버(19) 홈 에 붙이고, 영구자석(20)을 둘러싸는 U 자형 철심그리드(21); 고정철심(3)와 가동철심(4) 사이에 위치하며 샤프트(8)에 삽입되는 복귀스프링(22);을 포함한다.

한편, 상술한 구성요소들에 의해 직류개폐장치의 아크 소호부와 엑츄에이터와 접촉부는 다음과 같이 형성된다.

상기 아크 소호부는 절연물인 세라믹(13), 전류를 통전 시켜주는 고정전극(16)과 접촉부인 가동접점(10), 소호부의 공간을 만들어 주면서 가스가 빠져나가지 못하도록 밀봉(seal) 시켜 주는 금속케이스(12), 접촉 시 고정접점(17)과 가동접점(10)에 일정한 압력을 유지시켜주는 접압스프링(11), 액츄에이터부의 자기 회로를 연결시켜 주면서 소호부 밑면으로 구성되는 플레이트(2)로 이루어져, 소호부가 수소 등의 가스로 채워져 기밀된다.

도 3을 참조하면, 아크 소호부의 아크 전류는 평행하게 왕복하는 전류와 같으며 자속(B)에 의하여 아크 전류를 서로 멀어지는 방향으로 힘을 받는다.

자속밀도를 크게 하면 아크 전류가 받는 힘이 증가하여 아크 전류의 운동속도는 빨라지므로 세라믹(13)과 금속케이스(12)에 영구자석(20)을 넣음으로써 더욱 아크 소호 성능을 향상할 수 있다.

그리고, 아크 소호부 내부 기체는 수소와 질소 가스를 혼합하고 대기 압력보다 높게 하면 충진하여 높은 절연전압과 신속한 아크 냉각 효과를 얻어 아크 소호시간이 단축된다.

상기 액츄에이터는 고정철심(3), 요크(1), 플레이트(2), 가동철심(4), 여자권선으로 자기 회로를 구성하고, 고정철심(3)과 가동철심(4)을 둘러싸는 여자권선 에 흐르는 전류에 의하여 자기회로가 여자되어 전자흡인력이 발생하고, 고정철심(3)은 고정되어 있으므로 전자 흡인력에 의하여 가동철심(4)이 이동된다.

상기 액츄에이터로 구동하는 직류개폐장치의 접촉부는 가동철심(4)에 결합된 축에 가동접점을 지지하여 가동철심(4)의 움직임에 따라 동 접점이 고정접점(17)에 접촉 되도록하여 전류가 통전되는 구조이다.

도 4는 도 2의 A부의 확대도이고, 도 5는 도 4의 B부의 확대도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 도 5의(A) 부는 세라믹과 금속케이스의 접합부를 확대해서 나타낸 것이다. (B) 부는 세라믹과 메탈라이징을 나타낸 것으로, 세라믹의 재료인 주성분인 산화 알루미나에 부 성분이 산화망간을 10% 이하로 추가하므로써 브레이징 강도를 증가시켰다. 즉 세라믹(13)의 주 성분인 산화 알루미나에 부 성분인 산화 망간을 10% 이하로 추가하므로써, 메탈라이징 층의 Mn과 세라믹(13)의 부 성분인 산화 망간이 고온의 열처리 과정에서 단단한 결합의 고리 구조를 만들어 브레이징의 강도를 증가시켜 세라믹(13)과 금속케이스(12)의 기밀도를 증가시킨다.

도 6은 도 2의 금속케이스와 브레이징 된 세라믹의 상측 중앙에서 힘(F)을 가하는 도면이다. 도 6을 참조하면, 보다 구체적으로 강도 시험을 실시 한 결과 강도 100kgf.mm로 브레이징 강도가 증가 되었고, 수소 등이 빠져나가지 못하도록 기밀이 향상되어 부하개폐 시험 및 온도 사이클(Cycle) 시험 및 진동 및 기타 환경 시험에서 우수한 성능을 나타내었다.

이하, 상술한 구성을 가진 직류개폐장치의 작동 및 효과를 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 코일(5)에 전류가 흐르면 요크(1), 플레이 트(2),고정철심(3), 가동철심(4)이 여자되고, 가동철심(4)과 고정철심(3)사이에 전자력이 발생하여 가동철심(4)이 이동한다.

가동철심(4)가 이동하면 가동철심(4)에 접속된 샤프트(8)과 가동접점 지지대(9), 가동접점(10)이 이동하여 가동접점(10)이 고정접점(17)에 접촉되어 부하전류를 흐르게 한다.

코일(5)에 전류가 끊기면 요크(1), 플레이트(2),고정철심(3), 가동철심(4)가 소자되고 접압스프링(11)과 복귀 스프링(22)의 압력으로 가동접점(10)과 고정접점(17)이 분리되어 부하전류를 차단한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 세라믹과 금속케이스의 브레이징 강도를 높임으로써, 소호부 내부의 가스충진 시 가스압력이나 반복적으로 발생하는 개폐동작 시 스트레스에 의해 브레이징의 파손이 일어나 소호부의 기밀이 파괴되는 것이 방지된다. 이로 인해, 충진 물질인 수소 및 절연가스가 세워나가지 않아 직류개폐장치의 신뢰성이 향상된다.

Claims

금속케이스와 세라믹을 브레이징하여, 가스가 충진된 소호부를 기밀시키는 직류개폐장치에 있어서,

상기 세라믹은 주성분인 산화 알루미나에 부 성분인 산화 망간이 추가되어 형성되며, 고온의 열처리과정에서 상기 세라믹에 형성된 메탈라이징 층의 망간과 상기 산화 망간이 고리 구조로 결합되는 것을 특징으로 하는 직류개폐장치.
제 1 항에 있어서,

상기 산화 망간은 전체 성분의 10% 이하로 추가되는 것을 특징으로 하는 직류개폐장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 세라믹 중 상기 금속케이스와 브레이징 될 끝 부분은 Mo 90% 전후와 나머지 Mn 또는 Mn의 화합물이 20μm 정도로 코팅(Coating)된 후 1500℃ 정도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 직류개폐장치.