KR101287005B1 - 회로차단기 원격조작장치용 리니어 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 원격조작은, 회로차단기의 핸들에 연결된 가동부를 가지며, 원격조작명령에 따라서 상기 핸들을 구동하여, 핸들을 ON, OFF 및 RESET위치로 전환조작을 수행하는 전자 리니어 액추에이터(Electromagnetic Linear Actuator)를 포함한다. 상기 전자 리니어 액추에이터는, 일렬로 배치된 복수의 영구자석을 가지는 계자부와, 3레그형 자기 요크 및 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작코일을 가지며 상기 계자부에 대향하는 코일부를 각각 포함하는 영구자석형 리니어 펄스모터로 구성된다. 조작 코일에서의 전류는 조작 행정 중에 여자 패턴을 순차 전환하여 제어되며, 상기 가동부는 스텝형상 동작(stepwise motion)으로 구동되어, 전환조작 행정의 종단위치를 향해 상기 회로차단기의 핸들을 구동한다.

Description

회로차단기 원격조작장치용 리니어 액추에이터{LINEAR ACTUATOR FOR CIRCUIT BREAKER REMOTE OPERATION DEVICE}

본 출원은 2006년 10월 31일 출원된 일본 특허출원 2006-296067호를 기초로 하는 우선권 주장 출원으로서, 그 개시내용은 본 명세서에 참조로서 병합된다.

본 발명은 일반적으로 리니어 액추에이터(linear actuator)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 배선용 차단기(molded case circuit breaker), 또는 누전 차단기 등의 회로차단기에 부착된 원격조작장치에 결합될 수 있는 리니어 액추에이터에 관한 것으로서, 상기 리니어 액추에이터는 회로차단기의 핸들을 원격제어조작에 의해 ON, OFF 및 RESET위치로 구동한다.

회로 차단기는 저압 배전 설비의 컴포넌트로서 사용되며, 배전반 또는 제어반 등에 장비하여, 집중 제어 시스템(centralized control system)을 구축한다. 원격조작장치가 적용된 회로차단기가 사용되는 경우, 외부로부터 명령(전기신호)을 주어 회로차단기의 핸들을 ON, OFF 및 RESET위치로 전환 조작하는 외부 부속 장치가 설치된다. 현재, 구동 모터, 감속 기어 및 이송 나사 기구를 조합시킨 종래의 전동구동방식뿐만 아니라, 전자식 리니어 액추에이터로 조작 핸들을 직접 구동하도 록 한 방식의 원격조작장치가 이미 제품화되어 공지되어 있다. 전자 리니어 액추에이터의 실시예가, 예컨대 일본 특허 공개 2002-319504호(도 1 및 도 6) 및 일본 특허 공개 2006-40665호(도 3)에 개시되어 있다.

상기 인용된 특허출원들에 개시되어 있는 회로차단기용 원격조작장치 및 상기 원격조작장치를 적용하는 회로차단기의 구성을 도 6(a ∼ c), 도 7 및 도 8을 참조하면서 설명하기로 한다.

도 6의 (a)∼(c)에서, 부호 1은 회로차단기(배선용 차단기), 1a는 차단기 케이스(1b)의 커버로부터 외부와 상방으로 돌출된 로커식 개폐 조작 핸들, 2는 회로차단기(1)의 꼭대기부에 장착하여 상기 핸들(1a)에 연계시킨 원격조작장치이다. 여기서, 원격조작장치(2)는, 케이스(3)의 내부에 가이드 레일(4), 가이드 레일(4)에 안내지지시킨 가동자(5; 가동자의 상세구조에 대해서는 후술한다), E자형의 자기 요크(6a)에 조작 코일(6b)을 감아 장착하여 상기 가동자(5)의 이동경로의 양측에 배치시킨 한 쌍의 고정자(6)로 이루어진 전자 리니어 액추에이터를 장비한 구성이 된다. 상기 원격조작장치(2)를 회로차단기(1)에 부착시킨 상태에서는, 상기 가동자(5)의 하면에 형성한 오목부에 회로차단기의 조작 핸들(1a)을 끼움결합하여 연결하고 있다. 또한, 부호 7은 상기 가동자(5)에 설치한 수동 조작용 핸들이고, 8은 본체 케이스(3)의 꼭대기면에 설치한 보조 덮개이다.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 회로차단기(1)의 핸들(1a)은, 토글 링크(toggle linkage)와 토글 스프링(toggle spring)을 조합한 개폐기구(switching mechanism, 1c)를 통해 주 회로 접점기구(a main circuit contact structure, 1d) 의 가동 접촉자에 연계되어 있으며, 또한 개폐기구(1c)는 래치기구를 통해 과전류 트립 장치(1e)에 연계되어 있다. 그리고, 회로차단기(1)의 단독 사용 상태에서 핸들(1a)을 도 7에 표시한 OFF에서 ON위치로, 또는 ON에서 OFF위치로 이동시키면, 핸들(1a)의 움직임에 연동하여 개폐기구(1c; 토글 링크가 토글 스프링에 의해 힘을 축적하고 있다)가 반전 동작하여, 주 회로 접점이 폐극/개극한다. 과전류 트립 장치(1e)가 주 회로의 과전류를 검지하여 래치기구를 석방하면, 회로차단기(1)가 트립 동작하여 주 회로 접점이 개극되고, 핸들(1a)은 토글 링크와 토글 스프링 간의 균형 조건으로부터 ON과 OFF의 중간인 TRIP위치에 정지하여 트립 동작을 표시한다. 또한, 트립 동작 후에 주 회로 접점을 재투입시키기 위해, 핸들(1a)을 TRIP위치로부터 일단 RESET위치로 다시 이동시켜 래치기구를 리셋시킨 다음, ON위치에 투입시킴으로써 주 회로 접점이 폐극된다.

도 8에는, 상기한 전자식 리니어 액추에이터의 종래 구조를 도시하였다. 화살표 방향으로 이동가능하게 안내 지지되어 있는 가동자(5)는, 고정자(6)에 대향하여 좌우측면에 계자용 영구자석(permanent magnets for field system, 9)이 부착되어 있다. 고정자(6)는 E자형 자기 요크(6a)의 중앙 레그에 조작 코일(6b)을 감아 장착시켜 코일부를 구성하고 있다. 영구자석(9)의 길이(N-S극 간의 거리)를 A, 자기 요크(6a)의 중앙 레그와 외측 레그 간의 거리를 B로 하였을 때, B＜A＜2B의 관계로 설정되어 있다.

상기의 구성의 리니어 액추에이터의 조작에 있어서, 도 6에 도시한 원격조작장치(2)에 외부로부터 ON, 또는 OFF의 조작 명령을 부여하고, 그 명령에 기초하여 리니어 액추에이터의 조작 코일(6b)에 여자전류를 통전시키면, 그 여자전류의 방향에 대응하여 고정자(6)의 자기 요크(6a)와 가동자(5)에 설치한 영구자석(9) 사이에 자기 추력이 발생한다. 상기 자기 추력은 가동자(5)를 가이드 레일(4)을 따라 일측의 스트로크 엔드로부터 타측의 스트로크 엔드를 향해 이동시켜, 회로차단기(1)의 로커식 핸들(1a)을 ON, 또는 OFF위치로 전환한다. 또한, 가동자(5)의 이동경로의 종단위치에는 ON 또는 OFF위치의 검지용 스위치를 배치시켜 두고, 회로차단기(1)의 ON, OFF 조작시에 가동자(5)가 ON 또는 OFF의 종단위치에 도달하면, 상기 위치 검지용 스위치로부터의 출력신호를 토대로 조작 코일(6b)의 여자가 정지된다. 조작 코일(6b)의 무여자 상태에서는, 가동자(5)는 영구자석(9)의 자력을 받아서 ON, 혹은 OFF에 대응하는 종단위치에 흡착 유지되어 있다.

도 9에는, 상기의 구성을 가지는 원격조작장치(2)를 회로차단기(1; 정격이 낮은 배선용 차단기)에 장착시키고, 리니어 액추에이터에 의해 핸들(1a)을 ON, OFF, 또는 RESET위치로 구동시킬 때의 추력 및 부하 특성의 일례를 도시하였다. 도 9의 특성도에서, 가로축은 핸들(1a)의 중앙 위치를 기준으로 한 ON 및 OFF 방향의 스트로크(㎜)를 나타내고, 세로축은 추력(N)(＋는 ON방향, －는 OFF방향의 추력을 의미)을 나타내고 있다. 또한, 도면 중 특성선 A, B, C는, 각각 회로차단기를 ON 조작, OFF조작 및 RESET조작할 때 회로차단기(1)의 핸들(1a)로부터 원격조작장치(2)의 리니어 액추에이터에 가해지는 부하하중(주로 개폐기구에 구비된 토글 스프링으로부터의 반력)을 나타내고 있다. 또한, 특성선 D, E는 리니어 액추에이터의 조작 코일(6b; 도 8 참조)에 각각 ON 및 OFF방향의 여자전류(직류)를 통전시켰 을 때 가동자(5)에 작용하는 전자추력을 나타내고 있다.

이들 특성선도에서, 추력＝0인 가로축선과 각 특성선 A∼E로 둘러싸인 면적은 각 조작행정의 일량을 나타내고 있다. 회로차단기의 조작 핸들을 ON, OFF, 및RESET위치로 전환(change-over)하려면, 그 전환 행정 도중에 전자추력(특성선 D, E)이 조작 핸들의 부하하중(특성선 A∼C)을 극복(overcome)할 필요가 있다. 이 점에 관해서는, 회로차단기의 핸들을 ON에서 OFF로 전환하는 조작 행정에서는, 핸들의 이동과 함께 부하하중(특성선 B)이 증가하고, 스트로크＝0㎜를 지난 부근에서 피크점에 도달한 후, 개폐기구의 반전동작에 의해 부하하중이 급감하고 있다. 이에 반해, 리니어 액추에이터의 전자추력(특성선 E)은, 핸들의 ON위치에서 조작 코일의 여자(excitation)를 개시하면 전환행정의 전반에서 점차 증가하여, 가동자(5)를 가속하며, 가동자에 관성력도 가해지게 된다. 이에 따라, 가동자(5)는 전환행정의 후반에서 부하하중(특성선 B)의 피크점을 넘게 되고, 그 이후는 OFF 종단위치까지 단번에 이동하여 핸들의 OFF 조작이 완료된다.

또한, 회로차단기의 핸들을 OFF에서 ON으로 전환하는 행정에서의 동작도 상술한 ON에서 OFF로의 행정과 거의 동일하다. 조작 행정의 후반에 개폐기구가 반전동작하면 부하하중(특성선 A)이 급감한다. 이에 반해, 리니어 액추에이터의 가동자는 행정의 시동 개시로부터 전자추력(특성선 D)을 받아 가속되고, 게다가 관성력도 가해져 ON 종단위치까지 단번에 이동하여 회로차단기의 핸들의 ON 조작이 완료된다.

회로차단기의 트립 동작시(리니어 액추에이터의 조작 코일이 무여자 상태)에 는, 조작 핸들에 연결한 리니어 액추에이터의 가동자(5)가 영구자석(9)의 자력으로 ON측에 흡착 유지되어 있다. 이 때문에, 회로차단기의 핸들(1a)은 단독 사용과 같이 TRIP위치로 이동하는 일 없이 ON위치 부근에 정지한 채로 있게 된다. 따라서, 회로차단기의 트립 동작 후에 개폐기구를 원격조작장치에 의해 리셋시키려면, 리니어 액추에이터의 조작에 의해 핸들을 일단 ON의 종단위치까지 다시 되돌린 다음, 상기 ON위치로부터 OFF위치로 새로 이동하여 개폐기구를 리셋 조작시킨다. 또한, 상기 리셋 조작의 행정에서는, 개폐기구의 래치를 잠금위치에 걸어 고정시키도록 OFF측의 스트로크 엔드 부근에서 부하하중(특성선 C)이 증대한다. 이러한 점 때문에, 가동자를 ON위치로부터 시동시킴으로써, OFF 종단위치까지 이동해 온 가동자는 충분한 관성력까지 가해지게 되어 부하하중(특성선 C)을 극복하고, RESET위치에 도달할 수 있다.

상기한 리니어 액추에이터를 사용하는 회로차단기의 핸들을 전환 조작하는 원격조작장치에서는, 동작이나 조작 기능(functional performances)에서 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 도 8에 도시한 종래구조의 리니어 액추에이터에서는, 조작 명령을 받아 조작 코일(6b)에 여자전류를 통전시키면, 가동자(5)는 전자추력을 받아 일측 종단위치로부터 타측 종단위치를 향해 단번에 이동한다. 따라서, 가동자(5)는 이동거리와 함께 가속되며, 관성력까지 가해져서 가동자(5)의 이동속도가 증가한다. 한편, 핸들의 부하하중(도 9 참조)은 상기한 바와 같이, 종단위치보다 앞쪽에서 급감한다. 이 때문에, ON, 또는 OFF의 종단위치에 도달한 핸들은 차단기 케이스의 커버(1b; 도 7 참조)에 형성된 창 프레임에 심하게 충돌하게 되고, 그 충 격력으로 수지제 핸들을 손상시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 원격조작장치에는, 가동자의 스트로크 엔드에 댐퍼기구를 부설하여, 핸들의 충격하중을 흡수하여 핸들의 손상을 방지하도록 하고 있었다. 그러나, 이러한 구조는 복잡화하여 제품 비용이 높아지게 된다.

본 발명은, 규칙적인 전자추력(steady electromagnetic thrust)이 확보된 리니어 액추에이터를 제공한다. 상기 리니어 액추에이터가 원격조작장치에 사용되는 경우, 회로차단기의 핸들의 전환 조작의 전체 행정에서 규칙적인 전자 추력이 확보되며 상기 핸들에 전환 행정의 종단위치에서는 과대한 충격하중이 가해질 필요가 없어, 안정된 동작과 조작 기능이 발휘된다.

본 발명에 따르는 리니어 액추에이터는, 제1 가동자와 제1 고정자를 포함하는 제1 영구자석형 리니어 펄스모터; 제2 가동자와 제2 고정자를 포함하는, 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터에 대향하여 배치된, 제2 영구자석형 리니어 펄스모터 및 상기 제1 가동자와 제2 가동자에 결합된 액추에이터 부재를 포함한다. 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터와 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 각각은 이웃하는 자석이 반전된 극성(polarity)를 가지도록 일렬로 배열된 복수의 영구자석을 포함하는 계자부와, 3레그형 자기 요크와 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작 코일(actuation coils)을 가지는 코일부를 포함한다. 영구자석의 1 개분의 길 이(A)와, 3레그형 자기 요크의 레그 간 피치(B)는 (3/3 x A)≤B≤(5/3 x A)의 관계를 만족하도록 설정하며, 가장 바람직하게는 B = (4/3 x A)이다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 가동자는 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함하며, 상기 제2 가동자는 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함한다.

선택적으로, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서는, 상기 제1 가동자는 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함하며, 상기 제2 가동자는 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함한다.

상기 액추에이터 부재는 액추에이터 부재가 힘을 인가하도록 하는 부재(예컨대, 회로 차단기의 로커식 스위치(rocker type switch))가 통과하는 액추에이터 개구(opening)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 액추에이터 부재 자체가 수동 핸들을 포함할 수 있다.

제어기(controller)가 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부와, 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 구동하기 위해 설치된다. 상기 제어기는 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작 코일에 부여된 여자 패턴을 하나의 스텝(step)에서 다음 스텝으로 순차 전환하도록 상기 조작 코일에서의 전류를 제어한다.

상술한 리니어 액추에이터는 로커식 핸들을 가지는 회로차단기에 부착된 원격조작장치에 조립될 수 있으며, 상기 리니어 액추에이터는 로커식 핸들에 결합되어 핸들을 ON, OFF 및 RESET위치로 전환조작한다.

상기 조작코일에 흐르는 전류는 조작 코일용 여자 패턴을 하나의 스텝에서 다음 스텝으로 순차 전환하도록 제어기에 의해 제어된다. 상기 여자패턴은 여자 전류가 급전될 조작코일의 선택과 여자 전류의 방향을 결정한다. 핸들의 부하하중 및 가동자의 동(動)마찰저항을 받아 각 스텝마다 가동자의 움직임이 안정화(stabilizing)되어, 다음 스텝으로 이동하게 된다. 따라서, 액추에이터의 가동자는 조작 행정(operation process)의 전역에 걸쳐 연속적으로 가속될 가능성은 없다. 핸들이 전환조작의 종단위치에 도달한 시점에서도, 핸들은 가동자로부터 커다란 관성력을 받지 않는다. 뿐만 아니라, 조작 코일 상의 여자 패턴을 하나의 스텝에서 다음 스텝으로 순차로 전환시키므로, 가동자의 추력은 전체 조작 행정에 걸쳐 비교적 균일하고 높은 레벨에 있다.

이에 따라, 핸들은 과대한 충격력을 받지 않고 전환조작의 종단위치에 정지하게 되므로, 종래의 장치에서 문제가 되었던 핸들 손상의 문제를 해소하여, 안전하면서도 원활하게 핸들 전환 조작을 할 수가 있다. 또한, 원격조작장치에는 댐퍼기구를 부설할 필요도 없어지므로, 구조가 간단해져 제조 비용 절감도 도모할 수 있게 된다.

또한, 리니어 펄스 모터의 계자부와 코일부 중 어느 하나를 고정자, 다른 하나를 가동자로 하고, 좌우 대칭으로 나란히 배치한 2개의 리니어 펄스 모터의 가동자를 회로차단기의 핸들에 연결시킴으로써, 리니어 펄스 모터의 추력으로 핸들을 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 리니어 펄스 모터의 가동자와 고정자 사이에서 추력과 직각방향으로 각각 작용하는 자기 흡인력(attractive forces)을 상쇄시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명을 특정 바람직한 실시형태와 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 원격조작장치의 구성이 도시되어 있으며, 도 1의 (a)는 원격조작장치를 회로차단기에 장착시킨 상태의 외관 사시도이고, 도 1의 (b)는 원격조작장치를 구성하는 영구자석형 리니어 펄스 모터의 모식적인 구성도이다. 본 실시예의 원격조작장치(2)는, 좌우로 나란한 2개의 영구자석형 리니어 펄스 모터(10)를 구비하고 있다. 상기 원격조작장치(2)를 회로차단기(1)의 케이스 꼭대기부에 탑재한다. 리니어 펄스 모터(10)의 고정자(11)는 차단기의 케이스에 고정시키고, 가동자(12)를 회로차단기(1)의 핸들(1a)에 연결시켰다.

영구자석형 리니어 펄스 모터(10)는 띠형상(strip configuration)의 베이스(13)와 상기 베이스(13)에 일렬로 배열된 복수의 영구자석(14)을 포함하는 계자부(15)와, 3 레그형의 자기 요크(16)와 상기 자기 요크(16)의 각 레그(16a, 16b, 16c) 둘레에 감긴 조작 코일(17a(코일 1), 17b(코일 2), 17c(코일 3))을 포함하는 코일부(18)를 구비한다. 여기서, 영구자석(14)은 판 두께방향으로 착자된 직사각판 형상의 자석으로, 이웃하는 영구자석(14) 사이에서 N 또는 S극이 서로 반대 극성이 되도록 번갈아 반전하여 배열하고, 이 영구자석열(14)에 코일부(18)가 갭을 두고 대향되어 있다.

본 발명의 3레그형 자기 요크(16) 장치에 있어서, 도 4(a∼c)에 도시한 바와 같이, 자기 요크(16) 내부를 통과하는 자속 루프를 형성하기 위해, 레그(16a∼16c) 중에서 선택된 어느 한 쌍을 N극과 S극으로 할 필요가 있다. 레그(16a∼16c) 중 어느 2개를 N극과 S극으로 하는 조합은, 6가지가 가능하다. 도 11에 나타낸 표 1에 3 레그형의 자기 요크(16)의 레그(16a∼16c)의 여자 패턴이 도시되어 있다. 이들 여자 패턴은, 도 3에 도시한 통전 패턴(current supplying patterns) #1∼#6으로 조작 코일(17a(코일 1), 17b(코일 2), 17c(코일 3))에 통전시킴으로써 형성된다. 도 3의 통전 패턴은 #1∼#6의 6가지이며, #7은 #1과 동일하다. 표 1에서, 패턴 #4∼#6은 #1∼#3과 유사하지만 자극의 극성을 반전시킨 관계로 되어 있다. 구체적으로, 패턴 #4는 #1에 대해 극성 반전된 여자패턴이며, #5는 #2에 대하여, #6은 #3에 대해 극성 반전된 여자 패턴이다. 도 5는, 각 통전 패턴에 있어서의 추력 의 특성선을 나타낸다. 표 1 및 도 3의 패턴 #1∼#6은, 도 5의 패턴 a∼f에 각각 대응하고 있다. 즉, 표 1의 여자 패턴과 마찬가지로, 도 5의 추력 특성선도 a-d, b-e 및 c-f 사이에서 대칭적으로 반전된 관계를 나타낸다.

코일부에서의 3 레그형의 자기 요크(16)와 계자부에서의 영구자석(14) 사이에서 순차적으로 상대 이동시키기 위해서는, 연속되는 여자 패턴에서, 레그(16a∼16c) 중 어느 하나의 극성이 반전되거나, 또는 이전 패턴에서 여자되어 있지 않던 레그를 여자시켜야 한다. 또한, 임의의 극성(중성 극성(neutral polarity)이 아닌)을 가진 레그에 대향하는 영구자석(14)의 극성은, 상기 레그의 극성에 대하여 반전된 극성이어야 한다.

또한, 패턴 #1에서 #4로 진행하는 동안에, 3 레그형의 자기 요크(16)는, 영 구자석(14)에 대하여 영구자석(14)의 길이(A)만큼 이동하고; 어떤 여자 패턴에서 다음 여자 패턴으로의 진행에서는, 3 레그형의 자기 요크(16)는 영구자석(14)에 대하여 길이 (A/3) 만큼 이동한다.

도 10(a∼f)은, 순차의 통전 패턴에서 코일부(18)와 계자부(15)의 상대적 위치를 나타낸 도면이다. 도 10의 (a)는 패턴 #1, (b)는 #2, (c)는 #3, (d)는 #4, (e)는 #5, (f)는 #6에 각각 대응한다.

규칙적으로 추력을 확보하기 위해서는, #1에서 #4로 여자 패턴의 3 스텝 중 각 스텝마다, 영구자석(14)의 길이(A)의 1/3 만큼 진행하는 것이 바람직하다. 도 5에 나타낸 바와 같이 스트로크 사이에서 균형잡힌 추력 특성은, 여자 패턴의 순차적인 스텝에서 영구자석의 길이(A)에 대해, 1/3씩 이동시켜 확보될 수 있다. #2와 #3 의 여자는 #1과 #4 사이에서 일정한 간격으로 수행하여, 도 5에 도시한 바와 같은 스트로크 위치에서 추력이 규칙적으로 발생된다.

여자 패턴의 연속적인 스텝마다 영구자석(14)의 길이(A)에 대해 1/3씩 이동시키기 위해서는, 표 1의 여자 패턴 전체에 있어서 레그(16a∼16c)의 자극과 대향하는 영구자석(14)은 균형을 이루어야 하며, 자기적으로 안정된 상태가 유지할 수 있는 치수 관계에 있어야 한다(도 10 참조). 상기 조건을 위한 B의 값, 레그간 피치의 허용범위는, (3/3)×A 내지 (5/3)×A의 범위 이내이고, 가장 바람직한 B의 값은 (4/3)×A이다.

도 1의 실시예에서, 상기 코일부(18)는 고정자(11)를 구성하며, 계자부(15)는 가동자(12)를 구성한다(액추에이터 부재). 좌우에 배열된 2세트의 리니어 펄스 모터(10)는 계자부(15)를 내측에, 코일부(18)를 외측에 각각 배치하고 있다. 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 상기 2세트의 계자부(15)는 배면끼리 맞대어 가동자 프레임(19)(계자부(15)에 부착되어, 또한 가동자의 일부를 구성한다)의 좌우 양측에 결합된다. 상기 가동자 프레임(19)은 가이드 레일(도 1(a)에는 도시하지 않지만 도 6의 가이드 레일(4)에 대응)에 안내되어 지지되며, 회로차단기(1)의 케이스 꼭대기부로부터 돌출하는 핸들(1a)에 끼움결합된다. 코일부(18)는 케이스(도 1(a)에는 도시하지 않지만 도 6의 케이스(3)에 대응)의 내부에 배치되며, 상기 케이스는 회로차단기(1)의 케이스 꼭대기면의 소정 위치에 나사식으로 고정체결된다.

상술한 구성의 원격조작장치(2)를 회로차단기(1)에 장착한 후 핸들(1a)을 ON, OFF 및 RESET조작할 때에는, 종래 방식으로 제어라인(control line, 미도시)을 통하여 원격조작장치(2)에 외부로부터 조작 명령이 주어진다. 상기 조작 명령에 따라서, 급전선(feeder lines, 미도시)에 의해 리니어 펄스 모터(10)의 코일부(18)에 감아 장착된 조작 코일(17a, 17b, 17c)에 여자전류가 급전된다. 이러한 급전선에서의 여자 전류는 외부 제어기(예컨대, 제어 조작을 수행하도록 프로그래밍된 범용 컴퓨터, 주문형 제어기(application specific controller), 마이크로프로세서 등)(30)에 의해 제어되어 후술하는 바와 같이 여자패턴을 가지며, 코일부(18)와 계자부(15) 사이에서 전자 추력을 발생한다. 상기 전자추력은 가동 프레임을 통하여 회로차단기(1)의 핸들(1a)에 연결된 가동자(12)의 스테핑 동작(stepwise motion)을 일으켜 핸들(1a)을 전환 조작의 종단위치를 향해 구동시킨다.

다음으로, 회로차단기(1)의 핸들(1a)을 OFF위치에서 ON위치로 조작하는 경우 의 일예로, 원격조작장치(2)의 급전 제어, 및 이동 동작에 대하여 상세히 설명한다. 코일부(18)의 조작 코일에 대한 여자설계는 도 3(a)∼(c)의 타임차트로서 주어진다. 도 3의 (a)∼(c)에서는 전환 조작 도중에 코일 1(조작 코일(17a)), 코일 2(조작 코일(17b)), 코일 3(조작 코일(17c))에 인가된 여자 전압의 타임 차트를 나타낸다. 또한, 도 4의 (a)∼(c)에는 도 3의 (a)∼(c)에 나타낸 여자 패턴에 대응하여 조작 코일에 급전된 여자전류의 방향 및 계자부(15)의 영구자석(14)과 코일부(18)의 자기 요크(16) 사이를 지나는 자속의 경로를 나타낸다.

회로차단기(1)의 핸들(1a)을 OFF위치에서 ON위치로 조작하는 경우에는, 조작 행정의 이동에 맞추어 여자 패턴을 #1∼#7의 복수 스텝(각 스텝당 시간 100㎳)으로 나눈다. 각 스텝에서는, 도 3의 (a)∼(c)에서 나타낸 바와 같이 3개의 조작 코일(코일 1∼코일 3) 중에서 선택한 2개의 조작 코일에 ＋전압 또는 －전압을 인가하여 여자전류를 통전시킨다. 도 4의 (a)는 코일 1을 무여자 상태로 하고, 코일 2에 ＋전압, 코일 3에 －전압을 인가한 여자 패턴(도 3(a∼c)의 스텝 #2)에 대응하는 상태를 나타내고 있다. 상기 도 4(a)(및 도 4(b)와 (c))에 표시한 굵은 선 화살표는 여자전류의 기자력(magnetomotive force)에 의해 자기 요크에 발생하는 자속의 방향을 나타내고 있다. 또한, 도 4의 (b)는 코일 2를 무여자 상태로 하고, 코일 1에 ＋전압, 코일 3에 －전압을 인가한 여자 패턴(도 3(a∼c)의 스텝 #3)에 대응하는 상태를 나타내고 있다. 도 4의 (c)는 코일 3을 무여자 상태로 하고, 코일 1에 ＋전압, 코일 2에 －전압을 인가한 여자 패턴(도 3(a∼c)의 스텝 #4)에 대응하는 상태를 나타내고 있다.

도 5에는, 상기의 각 여자 패턴에 대응하는 리니어 펄스 모터의 추력 특성, 및 회로차단기(1)의 ON, OFF, RESET조작에 있어서 핸들(1a)을 통해 원격조작장치(2)에 가해지는 부하하중을 나타내는 추력 특성을 나타낸다. 도 5에서, 도 9와 마찬가지로, 가로축은 핸들의 ON 또는 OFF방향에 따른 스트로크(㎜), 세로축은 추력(N)을 나타내고 있다. 특성선 A, B, C는 ON조작, OFF조작, RESET조작시의 부하하중을 각각 나타낸다. (＋는 ON방향의 부하하중, －는 OFF방향의 부하하중을 표시한다.) 특성선 a∼f는, 도 5 중에 표기한 각 여자 패턴(a∼f)에 대응하는 추력을 각각 나타낸다. (＋는 ON방향의 추력, －는 OFF방향의 추력을 표시한다.) 특성선 g는 조작 코일의 비여자 상태에서 계자부(15)의 영구자석(14)과 코일부(18)의 자기 요크(16) 사이에 작용하는 흡인 추력(attractive thrust force)을 나타내고 있다.

다음으로, 리니어 펄스 모터(10)의 동작에 대해 이하에 설명한다. 도 4의 (a)∼(c)에 나타낸 바와 같은 코일부(18; 고정자(11))의 자기 요크(16)와 계자부(15; 가동자(12))의 영구자석(14) 사이의 상대적인 위치 상태에서, 조작 코일의 여자 패턴에 의해 자기 요크(16)의 레그와 영구자석(14) 사이에 도 4(a∼c)에 나타낸 바와 같은 경로를 따라 자속(φ)의 흐름이 발생한다. 상기 자속은 계자부(15)와 코일부(18) 사이에, 가동자(12)의 이동방향의 성분을 포함하는 자기 추력(자기 흡인력)을 발생시킨다. 상기 추력은 가동자(12)를 화살표 F가 나타내는 방향으로 구동한다. 또한, 코일부(18)와 계자부(15)의 상대 위치가 약간 우측방향으로 변위되면 자속분포가 변화하여 화살표 F방향으로의 추력이 감소한다. 핸들(1a)의 부하하중 및 가동자(12)의 동마찰 저항력(kinetic frictional drag)도 가해져 가동자의 속도가 감소하도록 가동자(12)의 움직임이 안정화(stabilize)된다.

도 3(a∼c)에 도시한 스텝을 따라 여자 패턴을 순차 전환하도록 조작 코일에서의 전류를 제어(개방 루프 제어)함으로써, 조작행정 도중에 가동자(12)는 도 4의 (a)→(b)→(c)와 같이 스텝형상으로 동작(stepwise motion)하여 이동하게 된다. 이들 여자 패턴에 의한 스테핑 동작을 도 5에 도시한 추력의 특성선으로 나타내며, 상기 조작 행정 도중에 가동자에 작용하는 추력이 특성선 a→b→c→d→e→f의 순으로 전환된다(2개의 특성선의 교차점에서 각 특성선이 다음의 특성선으로 이행하도록 여자 패턴이 전환된다). 이에 따라, ON조작 행정의 전역에서 비교적 규칙적이며 큰(steady and large) 추력이 얻어진다. 뿐만 아니라, 가동자가 조작 행정의 후반에서 부하하중의 피크점을 통과하여 종단위치로 이동하면, 가동자의 움직임이 안정화되어 핸들을 구동하는 추력(특성선 "a")도 거의 0(N)까지 감소된다.

상기한 가동자의 구동동작에 의하면, 종래 장치와 같이 핸들의 ON조작 도중에 가동자가 점점 가속되어 이동속도가 높아져, ON종단위치에서 핸들이 차단기 케이스에 심하게 충돌하는 현상을 일으키지 않는다. 따라서, 본 발명에 있어서, ON조작 행정 중에는 회로차단기로부터 원격조작장치에 가해지는 부하하중을 극복하는데 충분한 전자추력을 확보하면서, 핸들을 OFF위치에서 ON위치로 안전하게 전환조작할 수 있다. 2세트의 리니어 펄스 모터(10)는 수평 대칭 구조로 배치되어 핸들(1a)에 연결되기 때문에, 고정자(11)와 가동자(12) 사이에서 추력과 직각방향으로 작용하는 자기흡인력(수직의 흡인력은 추력에 기여하지 않음)을 상쇄시킬 수 있다. 이에 따라, 안내기구(guide mechanism)에 작용할 수 있는 불필요한 마찰을 최 소한으로 유지한다. 또한, 스트로크 종단에서 충격을 흡수하고 가동자의 속도를 감속하기 위하여 종래장치에서 요구되는 댐퍼기구(damping structure) 등도 생략할 수 있게 되므로, 장치구조의 간략화를 도모할 수 있다.

회로차단기를 OFF조작이나 RESET조작할 경우에도, 상기 ON조작과 마찬가지로 조작 코일의 전류가 스텝형상으로 여자 패턴을 순차 전환하여 제어된다. 가동자를 ON위치에서 OFF위치 또는 RESET위치를 향해 스테핑 동작으로 이동시켜, 핸들을 안전하게 전환조작한다.

상기한 실시예에서는, 여자 패턴을 소정 시간에 전환하는 개방 루프 제어(open loop control)를 채용하고 있는 한편, 영구자석의 배열에 대응한 위치 센서를 설치하고, 이 센서가 검출한 가동자의 위치신호를 토대로 여자 패턴을 전환하는 폐쇄 루프 제어가 또한 채용될 수도 있다.

도 2(a) 및 (b)에는, 리니어 펄스 모터의 계자부가 고정자를 구성하고, 코일부가 가동자를 구성하는 원격조작장치의 제2 실시예를 나타낸다. 2개의 리니어 펄스 모터(10)가 회로차단기(1)의 케이스 꼭대기부에 좌우로 정렬되어 장착되어 있다. 상기 리니어 펄스모터의 코일부(18)와 계자부(15)는, 제1 실시예의 구조와는 반대로, 코일부(18)가 내측을 향하고, 계자부(15)가 외측을 향하도록 배면끼리 맞대어 배치된다. 계자부(15)(본 실시예의 고정자(11))는 원격조작장치(2)의 케이스(20)의 좌우 측벽을 따라 그 내측에 설치한다. 코일부(18)(본 실시예의 가동자(12))는 하나이상의 가이드 레일(21)에 안내지지되어, 도 6에 나타낸 것과 유사한 배치로 수동 핸들(7)에 연결된다. 따라서, 수동핸들(7)은 또한 코일부(18)에 부착된 상태로 (액추에이터 부재를 구성하는) 가동자(12) 부분을 구성한다. 이러한 구성에 의해, 제1 실시예와 마찬가지로 코일부(18)는 조작 행정 중에 구동되며, 제2 실시예의 원격조작장치(2)는 회로차단기(1)의 핸들(1a)을 안전하게 ON, OFF 및 RESET조작할 수 있다.

제 1 실시예와 제 2 실시예를 비교했을 때, 핸들의 조작 행정 중에 얻어진 전자추력은 다르지 않지만, 제 1 실시예에서는 코일부(18)가 고정자(11)를 구성하므로, 조작 코일에 대한 여자용 급전선을 고정적으로 배선할 수 있어 배선이 간단해진다. 또한, 긴 계자부(15)를 필요로 하는 제2 실시예에서는 핸들(1a)의 이동스트로크 전역에 걸쳐 영구자석(14)을 배열할 필요가 있다.

지금까지 본 발명은 그 바람직한 특정 실시예를 참조하면서 설명되었다. 그러나, 다양한 변형 및 변경이 첨부되는 특허청구범위의 영역을 일탈하지 않는 범위내에서 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 도 1에 나타낸 제1 실시예는 프레임(19)에 부착된 가동자로서의 계자 플레이트(15, field plates) 및 고정요소(stationary elements)로서의 코일부(18)를 가지지만, 코일요소(18)가 프레임(19)에 결합된 가동자를 구성하고, 계자 플레이트(15)가 고정자가 되도록 배치를 바꿀 수 있다(제2 실시예와 유사). 유사하게는, 계자 플레이트(15)와 코일 요소(18)의 배치는, 계자 플레이트(15)가 수동 스위치(7)에 결합되고, 코일 요소(18)가 고정이 되도록 도 2에 나타낸 실시예에서 반대로 될 수 있다. 또 다른 변형 및 변경도 가능하다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 원격조작장치의 구성도로서, (a)는 회로차단기에 장착시킨 상태의 외관도이고, (b)는 (a)에 있어서의 리니어 펄스 모터의 모식적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 원격조작장치의 구성도로서, (a)는 회로차단기에 장착시킨 상태의 외관도이고, (b)는 (a)에 있어서의 리니어 펄스 모터의 모식적인 구성도이다.

도 3은 도 1의 구성에서, 회로차단기의 핸들을 ON으로 조작하는 경우에 있어서의 리니어 펄스 모터의 코일부에 부여하는 여자 패턴을 나타낸 도면으로서, (a), (b), (c)는 각각 코일부의 코일 1, 코일 2, 코일 3에 대응하는 타임 차트이다.

도 4는 도 3의 여자 패턴에 대응하는 조작 코일의 여자전류의 방향, 및 코일부와 계자부 사이를 지나는 자속의 경로를 나타낸 도면이다.

도 5는 도 3의 여자 패턴에 대응하는 전자추력, 및 회로차단기의 핸들의 부하하중을 나타낸 특성도이다.

도 6은 종래에 있어서의 원격조작장치의 구성도로서, (a)는 회로차단기에 원격조작장치를 장착시킨 상태를 측방에서 바라본 단면도이고, (b) 및 (c)는 각각 (a)의 종단정면도 및 원격조작장치의 횡단평면도이다.

도 7은 도 6에 있어서의 회로차단기의 내부 구조도이다.

도 8은 도 6의 원격조작장치에 채용한 종래의 전자 리니어 액추에이터의 구성도이다.

도 9는 도 8에 의한 전자 리니어 액추에이터에 의한 추력을 회로차단기의 부하하중과 함께 나타낸 특성도이다.

도 10은 순차 전류 공급 패턴에서 있어서 코일부(18)와 계자부(15) 사이의 상대적 위치를 나타낸 도면으로서, (a)는 패턴 #1, (b)는 #2, (c)는 #3, (d)는 #4, (e)는 #5, (f)는 #6에 각각 대응한다.

도 11은, 본 발명의 여자 패턴을 나타내는 표이다.

Claims (16)

1. 제1 가동자와 제1 고정자를 포함하는 제1 영구자석형 리니어 펄스모터;,

   제2 가동자와 제2 고정자를 포함하는, 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터에 대향하여 배치된, 제2 영구자석형 리니어 펄스모터 및,

   상기 제1 가동자와 제2 가동자에 결합된 액추에이터 부재를 포함하는 장치로서,

   상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터와 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 각각은 이웃하는 자석이 반전된 극성(polarity)를 가지도록 일렬로 배열된 복수의 영구자석을 포함하는 계자부와, 3레그형 자기 요크와 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작 코일(actuation coils)을 가지는 코일부를 포함하며,

   영구자석의 1 개분의 길이(A)와, 3레그형 자기 요크의 레그 간 피치(B)는 (3/3 x A)≤B≤(5/3 x A)의 관계를 만족하도록 설정되는 장치.
2. 제1항에 있어서,

   B = (4/3 x A)인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 가동자는 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함하며, 상기 제2 가동자는 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 가동자는 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함하며, 상기 제2 가동자는 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 액추에이터 부재는 액추에이터 개구(opening)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 액추에이터 부재는 수동 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부와 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 구동하기 위한 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제어수단은, 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작 코일에 부여된 여자 패턴을 하나의 스텝에서 다음 스텝으로 순차 전환하도록 상기 조작 코일에서의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 로커식 핸들을 포함하는 회로 차단기; 및

   상기 로커식 핸들에 결합된 리니어 액추에이터를 포함하는 장치로서,

   상기 리니어 액추에이터는, 제1 가동자와 제1 고정자를 포함하는 제1 영구자석형 리니어 펄스모터와, 제2 가동자와 제2 고정자를 포함하는, 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터에 대향하여 배열된, 제2 영구자석형 리니어 펄스모터와, 상기 제1 가동자와 제2 가동자에 결합되며 상기 로커식 핸들에 접촉하는 액추에이터 부재를 포함하며,

   상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터와 제2 영구자석형 리니어 펄스모터 각각은, 이웃하는 자석이 반전된 극성을 가지도록 일렬로 배열된 복수의 영구자석을 포함하는 계자부와, 3레그형 자기 요크와 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작 코일을 가지는 코일부를 포함하며,

   영구자석 1개분의 길이(A)와 상기 3레그형 자기 요크의 레그간 피치(B)는, (3/3 x A) ≤B≤ (5/3 x A)의 관계를 만족하도록 설정되는 장치.
10. 제9항에 있어서,

    B = (4/3 x A)인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 제1 가동자는 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함하고, 상기 제2 가동자는 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 계자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제1 가동자는 상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함하고, 상기 제2 가동자는 상기 제2 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제9항에 있어서,

    상기 액추에이터 부재는 상기 로커식 핸들이 통과하는 액추에이터 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제9항에 있어서,

    상기 액추에이터 부재는 수동 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제9항에 있어서,

    상기 제1 영구자석형 리니어 펄스모터의 코일부와 상기 제2 영구자석형 리니 어 펄스모터의 코일부를 구동하기 위한 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제어수단은, 상기 자기 요크의 레그 둘레에 감긴 조작코일에 부여된 여자 패턴을 하나의 스텝에서 다음 스텝으로 순차 전환하도록 상기 조작 코일에서의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.

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