KR101261244B1

KR101261244B1 - 자동차용 리튬이온 배터리 시스템에서 선형 고전압 접촉자의 이중 양극 자기장

Info

Publication number: KR101261244B1
Application number: KR1020110138091A
Authority: KR
Inventors: 치-청 수; 앤드류 제이. 나모우
Original assignee: 지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
Priority date: 2011-01-03
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-05-07
Also published as: US20120181860A1; DE102012000313A1; KR20120079007A; JP2012146634A; US8653691B2; JP5303022B2

Abstract

자동차용 배터리 시스템 릴레이 및 관련된 스위치들을 작동시키는 장치 및 방법이 개시된다. 릴레이 내 스위칭 메커니즘의 접촉자부에 인접하도록 이중 양극 자기장을 형성함으로써, 아크 소멸을 촉진하도록 사용되는 자기장이 이동하고, 결과적으로 자기장의 부산물로써 형성되는 로렌츠 힘을 감소시킨다. 이러한 구성은 아크 소멸 능력을 유지하는 동시에 회로 단락을 견디는 능력을 향상시키며, 솔레노이드 또는 다른 스위치 활성 메커니즘의 작동과 간섭하는 로렌츠 힘의 경향을 감소시킨다. 이러한 장치 및 방법은 하이브리드 전원 및 전기 전원 자동차와 결합하여 사용될 수 있다.

Description

자동차용 리튬이온 배터리 시스템에서 선형 고전압 접촉자의 이중 양극 자기장{DUAL BIPOLAR MAGNETIC FIELD FOR LINEAR HIGH-VOLTAGE CONTACTOR IN AUTOMOTIVE LITHIUM-ION BATTERY SYSTEMS}

본 발명은 일반적으로 솔레노이드 기반 선형 접촉 플레이트에 형성된 로렌츠 힘의 크기를 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 접촉 플레이트가 개방 상태이거나 단전되었을 때 아크-소멸 특성을 유지하는 동안 이러한 크기를 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

솔레노이드는 릴레이, 스위치 및 관련된 전기회로 접촉의 개폐에 자주 사용된다. 일반적으로, 고전압 접촉자는 단자 사이의 전기 회로를 완성하기 위해 솔레노이드를 채용하여 접촉 플레이트를 한 쌍의 고정된 전류 이동 단자가 구비된 선택적인 접촉 장치로 이동시킨다. 회로는 솔레노이드가 단전되면 개방되고(즉, 불완전하고), 솔레노이드에 전원이 공급되면 단락된다(즉, 완전하다). 회로 내의 고전압 및 고전류는 접촉이 끊긴 직후에 접촉 플레이트 및 단자 사이에서 아크를 일으킬 수 있다. 아크에 의해 발생한 전력은 전기적으로 강하지 않을 수 있는 주변의 소자에 흡수되는(또는 영향을 주는) 경향이 있기 때문에, 이러한 아크는 특히 고전류 모드로 작동할 때, 바람직하지 않다.

아크를 감소시키거나 없애기 위한 시도는 아크가 형성되는 동안 일부 에너지를 흡수함으로써 아크 억제 특성을 이끄는 유전체 가스로 채워진 챔버 내에 접촉 플레이트 및 단자를 넣는 것을 포함한다. 또한, 이러한 구성은 패키징을 줄이고, 일정 수준의 환경 독립적인 사용을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해결책들은 장치의 비용 및 복잡성의 증가로 인해 바람직하지 않다.

다른 시도에서, 단자 또는 자기장에 노출된 다른 전류 운반 부재에 영향을 주는 로렌츠 힘을 이용하기 위하여 접촉 플레이트 및 단자의 반대편에 추가 자석쌍이 놓인다. 고유 로렌츠 힘은 회로가 접촉 플레이트에서 개방된 직후 아크 소멸을 가속화하기 위해 아크의 극성을 이용하여 그것이 넓은 영역으로 뻗을 수 있도록 사용될 수 있다. 이러한 접근법은 일반적으로 아크 소멸을 돕는 데 충분하다. 불행하게도, 추가 자석에 의해 발생된 로렌츠 힘은 정상적인 폐쇄 회로 작동 동안 인접한 접촉 플레이트로도 제공된다. 왜냐하면 이와 같은 힘(이에 의해 접촉 플레이트를 통해 흐르는 전류에 대한 자석의 배향은 일반적으로 단자로부터의 접촉 플레이트의 조기 분리를 촉진할 수 있는 방향에 있다)은 일반적으로 솔레노이드의 작동, 특히 접촉 플레이트의 작동을 방해할 수 있기 때문에, 솔레노이드의 작동이 개선될 수 있는 방법이 남아 있다.

또 다른 시도에서, 고전압 접촉자를 단락하기 위하여 사용된 스프링이 고전류(또는 단락 회로 고장) 상태인 동안 접촉의 단락을 유지하기 위해 고탄성률을 갖도록 설계될 수 있다. 이러한 향상된 탄성력은 상기 논의한 추가 자석 로렌츠 힘으로부터 조기의 접촉 플레이트 개방을 막는 경향을 가질 수 있다; 불행하게도, 더 강한 스프링은 접촉을 개방시키기 위해 더 강한 힘의 솔레노이드를 필요로 할 것이다. 이것은 결국 더 큰 코일을 통한 것과 같이 더 많은 에너지를 필요로 한다. 이러한 해법은 무게, 부피, 전기 에너지 소모 및 비용의 증가를 수반하기 때문에 바람직하지 않다.

자동차용 리튬이온 배터리는 부분적인(하이브리드 시스템의 경우) 또는 전체적인(전전기 시스템(all-electric system)의 경우) 원동력을 제공하기 위해 사용된다. 모터에 전력을 제공하여 결과적으로 휠 세트에 추진력을 제공할 수 있기 위해서는 상당한 수준의 전압 및 전류 중 하나 또는 둘 모두가 필요하다. 이러한 배터리 시스템에 의해 채용되는 높은 수준의 전력은, 만약 정확하지 않다면, 릴레이 및 관련된 스위치 작동 동안에 상당한 아크를 일으킬 수 있다. (상기 논의한 바와 같이) 일부 형태의 자석 기반 아크 소멸을 채용하는 시스템에서, 자기장에 의해 유도된 로렌츠 힘은 종래의 릴레이 및 연관된 스위치 어셈블리들의 플레이트 및 접촉 장치들을 설계된 것과 상이한 각도로(또는 상이한 시간에) 움직이는 것에 의해 이들을 방해하기에 충분할 정도로 크다. 특히, 이 아래방향으로의 힘은 솔레노이드의 플런저에 유도된 자기력에 의해 구축된 바이어스를 극복할 수 있고, 의도하지 않은 개방된 접촉을 일으킬 수 있으며, 포함된 추가 자석이 방지하려는 그 아크를 일으킬 수 있다. 시기에 맞지 않는 접촉 플레이트의 개방은 배터리 동력에 의한 자동자 추진 시스템의 작동에 악영향을 줄 수 있다.

릴레이, 스위치 또는 관련된 솔레노이드 기반 장치에 사용되는 추가 자석은 전원 개방 접촉과 연관된 아크를 줄이고, 동시에 전기 단자 및 접촉 플레이트의 작동에 영향을 주는 로렌츠 힘의 경향을 줄이기 위해 이중 양극 자기장을 구축하도록 형성될 수 있다. 자석쌍 세트에 의해 만들어진 2개의 분리된 자기장의 결과로서 형성된, 이 이중 양극 구성은, 릴레이의 접촉자부(contactor portion)에 인접한 영역에 구축된다. 이 자기장들의 분리는 접촉자부를 이루는 접촉 플레이트 및 단자를 둘러싸는 챔버의 측면을 따라 형성된 영역을 향하여 자기 밀도의 집중을 이동시킨다. 결과적으로, 자기 밀도는 일반적으로 더 작은 접촉 플레이트 표면 영역으로 부여되고, 특히 접촉자부의 중심부에서는 상당히 감소한다. 자기장에 노출된 접촉 플레이트 표면 영역의 양을 가능한 한 작게 유지시킴으로써, 이에 수반하여 플레이트에 주어진 로렌츠 힘의 양은 낮게 유지되어, 결과적으로 이러한 힘으로 인한 접촉 플레이트 및 단자의 의도하지 않은 분리의 확률을 감소시킨다. 또한, 본 이중 양극 설계는 고전압 접촉자의 안정성을 향상시키기 위하여 아크 소거의 제어 유지를 도와, 결과적으로 리튬이온 배터리 시스템에 직면한 것과 같은 고전압 접촉자의 더 확고한 릴레이 설계를 이끈다. 자석들을 분리시키고 그들을 릴레이 또는 스위치의 접촉자부 근처의 4개의 코너에 위치시킴으로써, 이에 의해 형성된 양극자 설계는 단락 회로 고장과 같은 극단적인 상태 동안에 유입되는 물리적인 효과를 상당히 감소시킬 수 있다.

발명의 제1 태양에 따르면, 스위칭 어셈블리가 개시된다. 이와 관련하여, 스위칭 어셈블리는 전기 회로의 선택적인 개방 및 단락을 함께 허용하는 구성 요소들의 배치에 대응한다. 이와 같이, 스위칭 회로를 통과하는 전류는 보조 전기 회로를 스위치 온 또는 오프하는데 사용될 수 있다. 일례로, 이러한 보조 회로는 하나 이상의 배터리(리튬이온 배터리와 같은)로부터 자동차, 트럭 또는 관련된 운반 기구 또는 운반 애플리케이션에 추진력을 제공할 수 있는 전기 모터 또는 다른 장치로 전류를 전달하도록 구성된 작업-수행 회로일 수 있다. 특정의 형태에서, 본 발명의 스위칭 어셈블리는 릴레이, 스위치 또는 관련된 회로-개방 또는 회로-단락 메커니즘으로서 구성될 수 있다. 스위칭 어셈블리는 솔레노이드 코일을 통과하는 전류에 움직일 수 있게 반응하는 플런저를 구비한 솔레노이드를 포함한다. 일반적으로, 플런저는 (솔레노이드의 놓인 상태에 따라) 병진운동(translational movement)을 (상하 또는 측면으로) 경험한다. 어셈블리는 전류를 운반할 수 있고 플런저에 의해 움직여질 수 있는 접촉 플레이트를 더 포함한다. 바람직한 일 실시예는 서로 직접 접촉한 플런저 및 접촉 플레이트를 포함하지만, 이러한 직접 접촉은 플런저로부터 접촉 플레이트로 부여되는 힘을 감소시키지 않는 중간 구조물이 존재할 수 있기 때문에, 필수적인 것은 아니다. 어셈블리는 접촉 플레이트의 움직임에 의한 단자들의 접촉에 따라, 2개의 단자에 연결된 전기 회로가 완성될 수 있도록 서로 떨어져 배치된 2개 또는 그 이상의 단자를 더 포함한다. 이러한 전기 회로의 일례는 리튬이온 동력 장치로부터 모터 또는 자동차 애플리케이션에 대한 휠 세트로 전기를 공급하기 위하여 전술한 바와 같은 작업을 수행할 수 있는 전류를 공급할 수 있는 임의의 회로이다. 솔레노이드에 전원이 공급되면, 플런저는 접촉 플레이트를 각각의 단자들에 접촉하게 하여 그 사이에 회로를 완성한다.

상기 어셈블리는 많은 아크-소멸 자석을 더 포함한다. 이 자석들은(여기에서는 추가 자석이라고도 한다) 적어도 접촉 플레이트 및 접촉 플레이트와 협력하는 단자의 부분에 의해 정의되는 영역에 위치한다. 이 방법으로, 이러한 협력에 의해 구축된 접촉점은 감소된 자기장에 노출된다. 구체적으로는, 자석들은 접촉 플레이트 전체보다 작은 부분이 자기장에 노출되도록 배치된다. 자석으로부터 발생한 자기장의 적절한 배치, 사이징 및 분할에 의해, 자기장의 일부는 접촉 플레이트의 제1 영역에 우세하게 작용하는 한편, 자기장의 일부는 접촉 플레이트의 제1 영역으로부터 이격된 제2 영역에 우세하게 작용한다. 이러한 구조에 의해, 접촉 플레이트에 부여된 로렌츠 힘(자기장의 부산물인)은, 접촉 플레이트 전체가 자기장에 노출된 경우보다 작지만, 솔레노이드가 단전되고 접촉 플레이트와 단자들의 접촉이 끊긴 직후의 구간 동안에 아크-소멸 특성을 여전히 촉진시킬 수 있다.

일 형태에서, 추가 자석은 이중 양극 세트로서 배치된다; 이러한 구성은 접촉 플레이트의(또는 접촉 플레이트에 결합된) 작동으로부터 로렌츠 힘의 일부를 제거한다. 접촉 플레이트에 상호 작용하는 자기장의 크기를 감소시킴으로써, 접촉 플레이트에 부여되는 로렌츠 힘(플런저의 운동이 상하 방향이고 접촉 플레이트가 플런저의 위에 배치되어 역시 상하방향으로 운동하는 애플리케이션에서 아래 방향으로 향하는)의 크기는 감소된다. 이것은 결과적으로 접촉 플레이트가 너무 이르게 단자들로부터 분리되는 경향을 감소시킨다. 상기 이중 양극 세트는 제1 부분에 우세하게 영향을 주는 자기장 부분은 제1 세트에 의해 생산되는 한편, 제2 부분에 우세하게 영향을 주는 자기장 부분은 제2 세트에 의해 발생된다는 것을 의미한다. 보다 구체적으로, 상기 구성은 자기장이 플런저의 움직임의 방향에 실질적으로 직교하여 연장한다; 이렇게 하여, 제1 자석 세트에 의해 발생된 자기장의 부분은 플런저의 측면측으로 연장되는 한편, 제2 자석 세트에 의해 발생된 자기장의 부분은 플런저의 실질적으로 대향하는 측면측으로 연장된다. 보다 더 구체적으로, 상기 2개의 자석 세트는, 제1 자석 세트에 의해 발생된 자기장의 부분이 단자들 중 첫번째에 가장 가까운 접촉 플레이트의 절반보다 적은 영역을 덮도록 연장하는 한편, 제2 자석 세트에 의해 발생된 자기장의 부분이 단자들 중 2번째에 가장 가까운 접촉 플레이트의 절반보다 적은 영역을 덮도록 연장하도록, 정사각형 패턴 내에 배치된다. 다른 선택가능한 사항에서, 단자들은 제1 단자 및 제2 단자로 이루어지는 한편, 접촉 플레이트의 제1 부분은 일반적으로 제1 단자에 인접하고 접촉 플레이트의 제2 부분은 일반적으로 제2 단자에 인접하도록 접촉 플레이트는 제1 및 제2 단자 사이의 연장 방향으로 연장한다. 보다 구체적으로, 접촉 플레이트는 제1 부분이 제2 부분과 중첩하지 않도록 연장된 형상으로 형성된다. 이러한 접촉 플레이트 및 자석 세트의 구성에 의해, 접촉 플레이트의 상당한 부분(특히, 중앙 근처의 영역)은 자기장과 단자 및 접촉 플레이트를 통한 전류 흐름의 상호 작용에 의해 발생되는 로렌츠 힘에 대하여 실질적으로 감소된 노출을 갖는다. 또한, 이러한 구성은 부과된 로렌츠 힘 및 솔레노이드의 플런저의 움직임이 일반적으로 평행한 경로를 따라 진행한다는 것을 의미한다.

발명의 다른 태양에 따르면, 하나의 차량 추진 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 많은 배터리, 하나의 원동력 장치 및 전류를 배터리로부터 상기 원동력 장치로의 선택적인 운반을 허용하도록 구성된 스위칭 어셈블리를 포함한다. 스위칭 어셈블리는 코일 및 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 이동가능하게 반응하는 플런저를 적어도 구비하는 솔레노이드를 포함한다. 또한, 어셈블리는 하나의 접촉 플레이트 및 서로 접촉할 때 플레이트를 통해 전류를 전달하도록 구성된 적어도 2개의 단자를 포함한다. 솔레노이드에 전원이 인가되면, 플런저가 접촉 플레이트가 상기 단자들에 접촉하게 하여 전기 회로를 완성하게 하도록, 단자가 솔레노이드 및 접촉 플레이트와 협력한다. 상기 어셈블리는 상기 자석들에 의하여 만들어진 자기장의 부분은 접촉 플레이트의 제1 부분에 우세하게 작용하는 한편, 자기장의 다른 부분은 제1 부분과 이격된 제2 부분에 우세하게 작용하도록, 접촉 플레이트와 단자들 사이의 접촉에 의해 정의된 영역 근방에 배치된 많은 아크-소멸 자석을 더 포함한다. 자석의 개수 및 배치는 접촉 플레이트의 전체가 자기장에 노출되는 경우(실질적으로 전체 접촉 플레이트에 걸치는 치수를 갖는 자석에 의해 형성된 N-S 자기장이 존재하는 경우에서와 같이) 보다 더 작은 로렌츠 힘을 부여하도록 결정된다.

선택적으로, 배터리들은 리튬 이온 배터리이다. 다른 선택사항에서, 원동력 장치는 하나 이상의 자동차 휠에 회전 결합된 전기 모터로 이루어진다. 보다 구체적으로, 자동차 트랜스미션은 전기 모터에 의해 휠 또는 휠들에 발생된 회전력을 변동시키기 위해 전기 모터와 휠(들) 사이에 배치될 수 있다.

발명의 다른 태양에 따르면, 스위칭 어셈블리를 작동시키는 방법이 개시된다. 상기 방법은 접촉 플레이트를 전도성 단자에 인접하도록 배치하는 단계와, 솔레노이드를 작동시키는 단계를 포함한다. 솔레노이드에 전원이 공급되면, 접촉 플레이트를 단자에 접촉시켜 전기 회로를 완성한다. 마찬가지로, 솔레노이드가 단전되면, 그것은 접촉 플레이트를 복수의 단자들로부터 분리시켜 전기 회로를 개방(즉, 디세이블(disable))시킨다. 또한, 상기 스위칭 어셈블리는 접촉점에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 영역 근처에 배치된 많은 아크 소멸 자석을 더 포함한다. 이렇게 하여, 자석에 의해 발생한 자기장의 부분이 접촉 플레이트의 제1 부분에 우세하게 작용하는 한편, 자기장의 다른 부분은 제1 부분으로부터 이격된 접촉 플레이트의 제2 부분에 우세하게 작용하여, 자기장 부분들은 전체 접촉 플레이트가 자기장에 노출된 경우보다도 더 작은 로렌츠 힘을 접촉 플레이트에 부여한다.

선택적으로, 스위칭 어셈블리는 자동차 릴레이를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 전기 회로는 복수의 전기 배터리 및 릴레이를 통해 복수의 전기 배터리로부터 원동력 장치로 전류를 운반하도록 구성된 배선을 포함하는 전원 회로의 부분을 형성한다. 보다 더 구체적으로, 원동력 장치는 적어도 하나의 자동자 휠에 회전 결합된 전기 모터를 포함한다. 보다 더 구체적으로, 상기 복수의 배터리는 복수의 리튬 이온 배터리를 포함한다. 일 형태에서, 솔레노이드 및 접촉 플레이트는 서로 결합하여, 솔레노이드 부품(솔레노이드 코일 내에 설정된 자기장에 응답하여 움직이는 플런저와 같은)의 움직임이 접촉 플레이트를 솔레노이드에 전원이 공급되었는지 또는 단전되었는지 여부에 따라 단자를 향하도록 또는 단자로부터 멀어지도록 한다.

구체적인 실시예에 대한 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 유사한 구조가 유사한 도면 부호로 표시된 다음의 도면과 함께 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이다:
도 1a는 종래 기술에 따른 일반적인 선형 전기 릴레이를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 릴레이를 부분 절단도이다;
도 2는 도 1a 및 도 1b의 릴레이의 접촉 플레이트 및 단자 영역 근처에 배치된 자석에 의해 발생된 자기장을 나타내는 평면도이다;
도 3a는 전류 및 자기장 사이에의 관계에 의해 발생된 외부를 향하는 로렌츠 힘이 어떻게 선형 릴레이에 의해 연결된 회로가 끊긴 직후의 구간 동안에 형성된 아크를 억제하는데 사용될 수 있는지를 도시한다;
도 3b는 정상 회로 동작 동안 전류 및 자기장 사이의 관계에 의해 발생하는 로렌츠 힘이 어떻게 선형 릴레이의 접촉 플레이트를 작동시킬 수 있는 아래 방향으로의 성분을 가지는지를 도시한다;
도 4a 내지 도 4e는 선형 전기 릴레이의 고전압 전기 접속이 끊어진 후의 시간 시퀀스 동안 아크의 형성과 성장 및 이어지는 소멸을 도시한다;
도 5는 본 발명의 일 태양에 따른 선형 전기 릴레이의 접촉자 부분을 개략적으로 도시한 사시도이다;
도 6은 도 5의 릴레이의 접촉 플레이트 및 단자 영역 근처에 배치된 자석에 의해 발생된 자기장을 나타내는 평면도이다.

이상 논의한 바와 같이, (릴레이와 같은) 선형 스위칭 어셈블리의 개방 접촉자부에 대한 아크의 효과는 어셈블리 및 인접한 소자에 악영향을 미칠 수 있다. 회로를 통해 흐르는 전압 및 전류 뿐만 아니라, 스위칭 어셈블리의 구성에 따라, 이러한 아크는 대략 수백 마이크로초(microseconds) 마다, 매우 자주 발생한다. 이상 언급한 대로, 종래 기술의 접근 방법은 고전압 접촉자를 구축하는데 사용되는 접촉 플레이트 및 단자를 포함하는 접촉자부에 인접하도록 자석을 위치시키는 방법을 포함한다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래 릴레이(10)(안전 장치(cutout), 회로 차단기 또는 관련된 스위치의 형태일 수 있음)에는 (후술하는 바와 같이) 아크 소멸용 자석이 공급된다. 릴레이(10)는 솔레노이드부(20) 및 접촉자부(30)를 포함한다. 솔레노이드부(20)는, 전원이 공급되면, 코일(22) 내에 배치된 둘러싸인 코어, 샤프트 또는 플런저(24)를 세로 방향으로 움직이는 자류(magnetic flow)를 발생시키는 하나 이상의 코일(22)을 포함한다. 코일(22) 및 플런저(24)는 자류를 더 강하게 하는 자화가능한 요크 또는 필드(26) 내에 둘러싸인다. 접촉자부(30)는 상부에 위치하고 보통 한 쌍의 단자(32)(각각 32A 및 32B로 표시됨) 및 플런저(24)의 상부에 연결된 이동식 접촉 플레이트(34)를 포함한다. 접촉 플레이트(34)는 솔레노이드부(20)에 전압이 공급되었는지 또는 단전되었는지에 따라 선택적으로 단자(32)에 부착되거나 또는 단자(32)로부터 분리된다. 따라서, 코일(22)에 전원이 공급되면, 플런저(24)가 접촉 플레이트(34)와 단자(32) 사이를 접촉시켜, 하나의 단자로부터 다른 단자로 전류가 흐르게 한다. 마찬가지로, 코일(22)에 전원이 공급되지 않으면, 플런저는 코일(22) 내의 스프링 바이어스 수단 아래로 후퇴하여 고전압 접촉자가 개방 상태로 될 것이다.

도 2를 도 1a 및 도 1b와 함께 참조하면, 한 쌍의 자석(36, 38)은 단자(32)의 양쪽에 위치하여 접촉부(30)에 자기장(40)을 형성한다. 도면에 도시된 예에서는, 비록 당업자에 의해 반대되는 극성이 구축될 수 있다는 것이 이해될 것이지만, 자석(36)은 N극에 대응하는 한편, 자석(38)은 S극에 대응하여, 이들 사이에 N-S 양극 관계가 존재한다. 도 1a에 도시된 자석쌍(36, 38)은 접촉 플레이트(34) 및 단자(32) 사이에 형성된 접촉 영역의 전체 길이에 걸쳐 배치되고, 사실상 적절한 자기장 사이즈로 확장되도록 측방향으로 연장한다. 프레임(39)은 자기장이 가장 뚜렷한 단자(32) 및 접촉 플레이트(34) 근처의 영역을 정의하는 것을 돕고, 자석(36, 38)을 요크(26)에 안전하게 장착하기 위하여 사용된다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 자기장(40)은 단자(32) 및 접촉 플레이트(34)의 분리에 따라 발생된 아크가 접촉 영역의 표면 외부 및 자석(36, 38)과 프레임(39)에 의해 정의된 영역의 나머지를 향하여 확장되도록 한다. 유익하게는, 아크 확장(및 관련된 에너지 소실)이 자석에 의해 가속되는 동안, 자석(36, 38)은 접촉 플레이트(34)에 로렌츠 힘을 발생시킨다. 어떠한 작동 조건 하에서(특히, 자동차 또는 관련된 차량을 추진하는데 사용되는 것과 같이 높은 전력원과 관련됨), 예상보다 높은 전류가 발생하여, 로렌츠 힘이 접촉 플레이트(34)를 아래로 이동시켜 이와 단자(32) 사이의 접촉을 개방시키기에 충분할 만큼 커지게 될 수 있다.

다음으로 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 릴레이(10)의 구성에 의해, 접촉 플레이트를 통과하는 전류의 방향은 자석(36, 38) 각각의 N극 및 S극 사이에 연장하는 자기장의 방향에 수직인 방향을 따라 동작하도록 배향된다. 이에 의하여, 발생된 힘

는 아래 벡터값에 의해 자기장

및 전류

의 상호 작용과 연관된다:

,

그 결과에 따른 로렌츠 힘은 전류

및 자기장

사이의 협력 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 향한다. 2가지 경우에 자석(36, 38) 사이에 형성된 자기장, 최우측 단자(32A)와 최좌측 단자(32B)를 통하여 흐르는 전류 및 접촉 플레이트(34)에 부여되는 힘의 수직 관계가 도시되었다. 회로가 개방된 직후인 도 3a의 제1 경우(즉, 접촉 플레이트(34) 및 단자(32A, 32B) 사이의 연결이 직전에 개방된 경우), 잔류(residual) 전류

는 최우측 단자(32A)에서 아래로 흐르고 최좌측 단자(32B)에서 위로 흐르기 때문에, 자기장

와의 상호 작용은 우측 단자(32A)로부터 우측을 향하는 힘을 발생시키고 좌측 단자(32B)로부터 좌측을 향하는 힘을 발생시켜, (두 가지 경우 모두) 에너지가 더 빨리 사라질 수 있도록 아크(도시되지 않음)를 외부로 밀어낸다. 이와 같이, 이 힘은 아크 주기를 단축시키는 경향이 있고, 보통 단자를 통해 흐르는 전류 및 자석들 사이를 통과하는 자기장의 상호 작용에 의한 바람직한 부산물이다. 도 3b의 제2 경우(회로가 개방되기 직전의 구간까지 또는 그 구간까지 포함하는 정상적인 회로 동작 구간과 일치할 수 있는), 전류

가 우측에서 좌측 방향으로 흐르고 자기장

가 이전과 같이 있는 접촉 플레이트(34)에 작용하는 로렌츠 힘

가 도시된다. 결과에 따른 힘

은 아래 방향을 향할 것이고, 이는 접촉 플레이트를 조기에 개방시켜 접촉 플레이트(34)에 바람직하지 않게 작용할 수 있다. 이는 본 발명자가 단자 및 접촉 플레이트 사이의 선형 결합이 있는 상황에서 적어도 피하고자 하는 상황이다.

다음으로 도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 아크 형성의 배후의 메커니즘이 도시된다. 도 4a에서, 아크(A)는 단자(32)가 접촉 플레이트(34)로부터 멀어지게 당겨져 형성된 갭(gap)으로부터 출발한다. 도 4b는 아크(A)가 도 3a 및 도 3b의 자석(36, 38)에 의해 형성된 자기장

의 영향 하에서 외부를 향해 이동하는 것을 도시한다. 도 4c는 아크 전압이 상승했을 때 아크가 팽창하는 것을 도시하는 한편, 도 4d는 대기의 냉각 효과가 전압을 더 상승시키는 것에 따른 아크에 대한 주변 대기(atmosphere)의 효과를 도시한다. 마지막으로, 도 4e는 아크 전압이 접촉부들 사이의 전압 이상일 때, 아크가 소멸되는 것을 도시한다.

다음으로 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명은 빠른 아크 소멸을 허용하는 동시에, 도 2에 도시된 하나의 큰 양극 자기장을, 특히 도 6에 도시된 바와 같이, 더 작은 한 쌍의 양극 자기장(140A, 140B)으로 나눔으로써 로렌츠 힘을 감소시킨다. 릴레이(100)는 단자(130) 및 접촉 플레이트(134)로 이루어진 고전압 접촉자를 수용하는 접촉자부(130)를 포함한다. 도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 장치와는 달리, 자석들은 도면과 같이 4개의 작은 자석(136A, 136B, 138A 및 138B)으로 형성되며, 도면에서 2개의 최좌측 자석(136A, 138A)은 함께 제1 자기장(140A)을 형성하는 한편, 2개의 최우측 자석(136B, 138B)은 함께 제2 자기장(140B)을 형성한다. 이것은 접촉자(134)의 같은 측에 위치한 것은 같은 극을 갖는 특정한 N-S 및 N-S 배열을 허용하고; 이러한 구성에 의해, 단자(132) 및 접촉 플레이트(134)로 이루어지는 고전압 접촉자부(130)는 이중 양극 자기장의 특성을 보인다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 접촉 플레이트(134) 근처의 자석(136A, 136B, 138A 및 138B)의 배치는 자석(136A, 136B, 138A 및 138B)이 프레임(139)에 의해 지지되도록 통상적으로 배치되어, 일반적으로 직사각형 패턴, 특히 정사각형 패턴을 형성한다. 도시되고 설명된 것과 유사한 방식으로 접촉 플레이트(134)에 부여되는 로렌츠 힘을 완화화는 결과를 내는 다른 자석 패턴도 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

중요하게는, 자기장(140A, 140B)을 분리하면, 접촉자부(130) 외주부 주변을 향하여 자기 밀도의 집중을 이동시켜, 접촉 플레이트(134) 내 또는 근처의 자기 밀도를 상당히 감소시키는 효과가 있다. 도시된 바와 같이, 제1 단자 및 제2 단자로 이루어지는 2개의 단자(132)가 있어, 이들 사이의 갭을 연결하는 접촉 플레이트(34)와의 이러한 단자의 접촉에 따라 단자(132)에 연결된 전기 회로(도시되지 않음)이 완성될 수 있다. 또한 도시된 바와 같이, 접촉 플레이트의 제1 부분이 제1 단자와 접촉하는 한편, 접촉 플레이트의 제2 부분은 제2 단자와 접촉할 수 있도록 접촉 플레이트(134)는 제1 및 제2 단자 사이의 연장 방향으로 연장하는 일반적인 직사각형 구조를 정의한다. 도 2의 단일 양극 자기장(40)을 이중 양극 자기장(140a, 140b)으로 대체하는 것은 더 작은 구성이 가능하고, 분리된 자석 그룹(136a, 138a; 136b, 138b)이 더 도시된다. 이상 설명된 바와 같이, 이 이중 양극 설계의 이점은 접촉 플레이트(134)의 중앙 근처의 영역에서 약화된 자기장이 접촉 플레이트(134)에서 아래 방향을 향하는 로렌츠 힘(도 5에 함께 표시된 직교축에서 화살표 F의 방향으로 표시됨)의 효과를 상당히 감소시킨다. 이것은 결과적으로 접촉 플레이트(134)에 걸친 자석(136A, 136B, 138A 및 138B)에 의해 형성된 자기장이 도 1a, 도 1b 및 도 2의 종래 장치와 일반적으로 유사한 방법으로 아크를 소멸시키는 기능을 수행하게 하며, 도 1a, 도 1b 및 도 2의 종래 장치의 접촉 플레이트(34) 및 단자(32)에 비하여 접촉 플레이트(134) 및 단자(132) 사이에 형성된 개구부에 조기의 분리 및 관련된 단락회로를 방지하는 능력을 제공한다.

소정의 대표적인 실시예 및 상세 내용이 본 발명을 예시하는 목적으로 제공되었지만, 첨부된 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

Claims

코일과, 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 응답하여 이동가능한 플런저를 적어도 포함하는 솔레노이드;
접촉 플레이트;
상기 솔레노이드 및 상기 접촉 플레이트와 연동하는 전도성의 복수의 단자로서, 상기 솔레노이드에 전원이 공급되면 상기 플런저가 상기 복수의 단자와 접촉하도록 상기 접촉 플레이트를 강제하여 이들 사이에 전기 회로를 완성하게 하는, 상기 복수의 단자; 및
상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 배치되는 아크 소멸용의 복수의 자석으로서, 상기 복수의 자석에 의해 형성된 자기장의 부분이 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 접촉 플레이트의 제1 부분에 우세하게 작용하는 한편, 상기 자기장의 다른 부분이 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 제1 부분으로부터 이격된 상기 접촉 플레이트의 제2 부분에 우세하게 작용하여, 상기 자기장의 부분들은 상기 접촉 플레이트 전체가 상기 자기장에 노출된 경우보다 더 약한 로렌츠 힘을 상기 접촉 플레이트에 부여하는, 상기 복수의 자석
을 포함하는
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자석은 적어도 2개의 세트로 배치되어 상기 제1 부분에 우세하게 작용하는 상기 자기장의 부분은 제1 세트에 의해 발생하고, 상기 제2 부분에 우세하게 작용하는 상기 자기장의 부분은 제2 세트에 의해 발생하는
스위칭 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 자기장은 상기 플런저의 운동 방향에 실직적으로 직교하여 연장하여, 상기 적어도 2개의 세트의 자석 중 제1 세트에 의해 발생한 자기장의 일부는 상기 플런저의 한 측면 측으로 연장하고, 상기 적어도 2개의 세트의 자석 중 제2 세트에 의해 발생한 자기장의 일부는 상기 플런저의 대향하는 측면측으로 연장하는
스위칭 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 적어도 2개의 세트의 자석은 정사각형 패턴으로 배치되어, 제1 자석 세트에 의해 발생된 상기 자기장의 부분은 상기 복수의 단자 중 첫번째 단자에 가장 가까운 상기 접촉 플레이트의 절반보다 작은 영역을 덮도록 연장하고, 제2 자석 세트에 의해 발생된 상기 자기장의 일부는 상기 복수의 단자 중 두번째 단자에 가장 가까운 상기 접촉 플레이트의 절반보다 작은 영역을 덮도록 연장하는 것을 특징으로 하는
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 단자는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 상기 접촉 플레이트는 상기 제1 및 제2 단자 사이의 연장 방향으로 연장하여, 상기 접촉 플레이트의 상기 제1 부분은 상기 제1 단자에 선택적으로 접촉하고, 상기 접촉 플레이트의 상기 제2 부분은 상기 제2 단자에 선택적으로 접촉하는
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 접촉 플레이트에 부여된 상기 로렌츠 힘은 상기 플런저의 운동 방향과 실질적으로 평행한 방향을 따라 작동하는
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 접촉 플레이트는 상기 제1 부분이 상기 제2 부분에 중첩하지 않도록 연장한 형상으로 형성된
스위칭 어셈블리.
복수의 배터리;
원동력 장치; 및
상기 복수의 배터리로부터 상기 원동력 장치로의 전류의 선택적 전달을 허용하도록 구성된 스위칭 어셈블리;
를 포함하고,
상기 스위칭 어셈블리는,
코일과, 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 응답하여 이동가능한 플런저를 적어도 포함하는 솔레노이드;
접촉 플레이트;
전류를 통과시켜 전송하도록 구성된 복수의 단자로서, 상기 복수의 단자는 상기 솔레노이드 및 상기 접촉 플레이트와 연동하여, 상기 솔레노이드에 전원이 공급되면 상기 플런저가 상기 복수의 단자와 접촉하도록 상기 접촉 플레이트를 강제하여 전기 회로를 완성하게 하는, 상기 복수의 단자; 및
상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 배치되는 아크 소멸용의 복수의 자석으로서, 상기 복수의 자석에 의해 형성된 자기장의 부분이 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 접촉 플레이트의 제1 부분에 우세하게 작용하는 한편, 상기 자기장의 다른 부분이 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 제1 부분으로부터 이격된 상기 접촉 플레이트의 제2 부분에 우세하게 작용하여, 상기 자기장의 부분들은 상기 접촉 플레이트 전체가 상기 자기장에 노출된 경우보다 더 약한 로렌츠 힘을 상기 접촉 플레이트에 부여하는, 상기 복수의 자석
를 포함하는 차량 추진 시스템.
스위칭 어셈블리를 작동시키는 방법에 있어서,
복수의 전도성 단자 사이에 접촉점들이 선택적으로 형성되도록 접촉 플레이트를 상기 복수의 전도성 단자에 인접하도록 배치하는 단계; 및
솔레노이드에 전원이 인가되면 상기 솔레노이드가 상기 접촉 플레이트를 복수의 단자에 접촉하도록 하여 이들 사이에 전기 회로를 완성하게 하고, 상기 솔레노이드의 전원이 끊기면 상기 접촉 플레이트를 상기 복수의 단자로부터 분리시켜 사이에 전기 회로를 개방시키도록 상기 솔레노이드를 작동시키는 단계
를 포함하고,
상기 스위칭 어셈블리는, 상기 접촉점들에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 배치되는 아크 소멸용의 복수의 자석을 포함하고,
상기 복수의 자석에 의해 형성된 자기장의 부분은 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 접촉 플레이트의 제1 부분에 우세하게 작용하는 한편, 상기 자기장의 다른 부분이 상기 접촉 플레이트의 다른 부분보다 상기 제1 부분으로부터 이격된 상기 접촉 플레이트의 제2 부분에 우세하게 작용하여, 상기 자기장의 부분들은 상기 접촉 플레이트 전체가 상기 자기장에 노출된 경우보다 더 약한 로렌츠 힘을 상기 접촉 플레이트에 부여하는,
스위칭 어셈블리를 작동시키는 방법.
제9항에 있어서, 상기 스위칭 어셈블리는 자동차용 릴레이를 포함하는
스위칭 어셈블리를 작동시키는 방법.