KR101388085B1 - 바이스테이블 영구자석형 조작기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이스테이블 영구자석형 조작기에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 내부에 공간부가 형성되며, 복수 개의 판재가 적층되어 형성되는 자속유도부; 상기 자속유도부의 공간부 내에서 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자; 상기 공간의 내벽에 설치되는 영구자석; 및 상기 영구자석과 상기 가동자 사이에 배치되어, 상기 가동자의 이동을 가이드 하는 가이드부;를 포함하는 영구자석형 조작기가 제공된다.

Description

바이스테이블 영구자석형 조작기{BISTABLE PERMANENT MAGNETIC ACTUATOR}

본 발명은 바이스테이블 영구자석형 조작기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 영구자석의 자력을 이용하여 전력기기의 차단기 및 스위치를 동작시키기 위한 조작기에 관한 것이다.

수백 볼트(volt) 정도의 저전압용 차단기와 수십 킬로 볼트(Kilo Volt)이상의 고전압용 또는 수백 킬로 볼트 이상의 초고전압용 차단기에 있어서, 접점의 개폐 구동력을 제공하는 조작기(actuator)로서는 스프링에 축적된 탄성 에너지를 이용하여 개폐 구동력을 얻는 스프링 방식의 것과 유압 및 공기 압력을 이용하여 개폐 구동력을 얻는 유공압 방식의 것이 일반적으로 널리 이용되어 왔다.

그러나, 스프링 방식의 조작기의 경우 많은 기계적 부품이 연동하여 개폐구동력을 제공하는 구성이므로 동작 신뢰성 확보가 용이하지 않은 문제가 있고, 유공압 방식의 조작기의 경우에 있어서는 온도 변화에 따라 개폐 구동력이 변화하여 역시 동작 신뢰성 확보가 용이하지 않은 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 최근에는 영구자석과 전기에너지를 이용한 소위 영구자석형 조작기가 기존의 조작기를 대신하여 사용되고 있다. 영구자석형 조작기는 영구자석의 자기력을 이용하여 가동부를 일정 행정 거리 내에서 이동 가능하도록 내부에 고정하고, 코일에 전기에너지를 공급해서 생성되는 자기력의 상호작용에 의해서 상기 가동부를 행정 거리내에서 이동하게 한다. 이러한 가동자의 이동에 따라서 차단기가 접속 또는 차단되게 된다.

이러한 영구자석형 조작기는 가동자가 일정 위치에 고정되는 형태에 따라서 바이스테이블(Bistable) 형태와 모노스테이블(Monostable) 형태로 구분된다. 바이스테이블 형태는 가동자가 일정 행정거리 양 끝단에서 모두 영구자석에 의해서 고정되는 구조를 갖고 있으며, 모노스테이블 형태는 행정거리 양끝단 중 어느 한쪽에서만 고정이 이루어지는 구조를 갖는다.

이중, 바이스테이블 영구자석형 조작기는 전력기기에 개방, 투입 동작시, 즉 가동자가 양방향으로 이동하는 경우 모두에 있어서 영구자석의 자기력에 의해 가동자가 고정되므로 별도의 기구부 없이 투입/개방동작을 할 수 있는 점에서, 별도의 유지 기구부가 필요한 모노스테이블 방식에 비해 유리하다.

도 1은 이러한 바이스테이블 영구자석형 조작기의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 조작기는 내부에 상부 코일(12)이 권선되는 상부 실린더(14)와, 상기 상부 실린더(14)의 하부에 위치하며 영구자석(16)이 고정되는 중간 실린더(18)와, 하부 코일(20)이 권선되는 하부 실린더(22)를 포함한다. 상기 상부, 중간 및 하부 실린더가 조립되어 형성하는 중공에는 가동자(24)가 상하로 이동 가능하게 설치되며, 상기 가동자(24)의 일단부에는 오픈 스프링(26)이 설치된다.

도 1에서 상기 가동자(24)는 하부 실린더(22)의 돌출부에 접한 상태에서 영구자석(16)의 자기력에 의해 고정된 상태를 유지한다. 이 상태에서 상부 코일(12)에 전류를 인가하면, 도 2에 도시된 바와 같이 상부 실린더(14)가 자화되면서 상기 가동자(24)에 상방향의 힘을 가하게 되고, 이러한 힘이 상기 영구자석에 의한 자기력보다 커지면 상기 가동자(24)는 상부로 이동하여 도 3에 도시된 상태가 된다.

이 상태에서 전류를 차단하여도, 상기 영구자석(16)의 자기력에 의해서 상기 가동자(24)는 도 3에 도시된 상태를 유지하게 된다. 그 후, 상기 하부 코일(20)에 전류를 인가하면, 하부 실린더(22)가 자화되면서 가동자(24)가 하부로 이동하여 도 1에 도시된 상태로 복귀하게 된다. 이렇게 상부 및 하부 코일에 각각 전류를 통전하는 것에 의해서 상기 가동자를 상하로 왕복이동하게 할 수 있고, 이러한 가동자의 왕복이동은 차단기를 트립/투입 동작시키게 된다.

여기서, 상기 오픈 스프링(26)은 가동자(24)가 아래에 있을 때에 압축되고, 상부에 있을 때에는 이완되도록 배치되어 있으며, 영구자석형 조작기가 전력기기(차단기 또는 개폐기)에 연결되었을 경우 외부 전력기기에 접점부를 수동으로 개방시킬 때 이를 보다 원활하게 하기 위한 것이다.

상기와 같은 구조를 갖는 종래의 영구자석형 조작기는 그 구조가 기존의 조작기에 비해 단순하고 별다른 유지보수 작업이 없더라도 안정적이 동작이 보장되는 점에서 유리하지만, 도시된 바와 같이 상부, 중간 및 하부 실린더를 일일이 기계가공하여 제조하여야 하므로 가공비가 높고, 이들을 정밀하게 조립하여야만 가동자가 원활하게 작동될 수 있어 조립이 어려운 문제가 있다.

아울러, 영구자석 역시 링 형태로 가공하여야 하므로 자석 가공비 역시 높을 뿐만 아니라, 하나의 영구자석을 이용하고 있으므로 영구자석의 자력이 커서 조립이 쉽지 않은 문제가 있다. 아울러, 영구자석과 가동자가 서로 맞닿아 있는 구조여서 가동자의 작동 중에 영구자석과 가동자가 부딪혀 파손이 야기될 우려도 높다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 용이하게 제조할 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있는 바이스테이블 영구자석형 조작기를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

또한, 본 발명은 작동 과정에서 영구자석이 가동자에 의해 손상될 우려를 최소화 할 수 있는 영구자석형 조작기를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 내부에 공간부가 형성되며, 복수 개의 판재가 적층되어 형성되는 자속유도부; 상기 자속유도부의 공간부 내에서 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자; 상기 공간의 내벽에 설치되는 영구자석; 및 상기 영구자석과 상기 가동자 사이에 배치되어, 상기 가동자의 이동을 가이드 하는 가이드부;를 포함하는 영구자석형 조작기가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 영구자석과 상기 가동자의 사이에 가이드부를 구비하여 상기 가이드부로 하여금 영구자석과 가동자가 직접 충돌하는 것을 방지하여 영구자석의 파손을 방지할 수 있게 된다. 아울러, 조작기의 외형을 구성하며 종래의 상부, 하부 및 중간 실린더에 해당되는 자속유도부를 복수 개의 판재를 적층한 형태로 구성하여 보다 용이하게 제조할 수 있다. 즉, 판재를 프레스 가공하여 생산된 중간품을 적층하여 제조할 수 있으므로 복잡한 형태로 기계가공하는 것에 비해서 보다 용이하게 가공할 수 있을 뿐만 아니라 재료의 사용효율도 향상시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 가이드부의 일측면은 상기 영구자석과 접촉하고, 타측면은 상기 공간부의 내벽과 평행하게 배치될 수 잇다.

또한, 상기 공간부의 내측벽 양측에 각각 두 개의 영구자석이 서로 경사지게 배치될 수 있다.

또한, 상기 각각의 영구자석의 양단부에 지지부재가 배치될 수 있다. 상기 지지부재는 각각의 영구자석 사이에 위치하여 일종의 자속장벽(flux barrier)로서 기능하게 된다. 이로 인해서, 상기 자속유도부 및 가이드부의 자속 포화를 방지하고 자속을 가동자로 집중시킬 수 있어 구동력 및 가동자를 고정하는 고정력을 높일 수 있게 된다.

경우에 따라서는, 상기 각각의 영구자석의 사이를 이격되게 위치시켜, 영구자석 사이의 공간이 자속장벽으로서 기능하도록 할 수도 있다.

한편, 상기 가동자는 상기 공간부의 양단부측으로 각각 배치되는 한 쌍의 가동플레이트; 및 상기 가동플레이트의 사이에 배치되는 코일;을 포함하도록 할 수도 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 장치의 외형을 이루고 자속을 유도하여 가동자가 작동되도록 하는 자속유도부를 판재를 적층하여 구성함으로써 보다 용이하고 저렴하게 제조가 가능한 이점이 있다.

또한, 가동자와 영구자석의 사이에 가이드부를 배치하여 가동자의 작동과정에서 영구자석과의 충돌로 인한 영구자석의 파손을 방지하여 기기의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 바이스테이블 영구자석형 조작기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 영구자석형 조작기의 작동상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 영구자석형 조작기의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 실시예의 결합구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 실시예의 작동상태를 도시한 단면도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 영구자석형 조작기의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 영구자석형 조작기의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 그 결합구조를 도시한 분해사시도이며, 도 6은 그 내부 구조를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 실시예(100)는 전체적으로 직육면체의 형태를 갖는 자속유도부(110)를 포함한다. 상기 자속유도부(110)는 도시된 바와 같이 중앙에 공간부(112)가 형성된 복수 개의 판재가 소정 두께를 갖도록 적층된 구조를 갖는다. 상기 공간부(112)는 상하부면은 상기 자속유도부(110)의 상하부면과 평행하게 형성되어 있으나, 양측벽은 중앙부가 상기 자속유도부(110)의 외측으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 공간부(112)의 양측벽에는 각각 2 개의 영구자석(120)이 각각 설치된다. 따라서, 상기 실시예(100)는 총 4 개의 영구자석(120)을 포함하게 되고, 하나의 측벽에 설치되는 2 개의 상기 영구자석(120)은 상기 측벽의 형상에 의해서 서로 경사지게 배치된다.

상기 영구자석(120)의 양단부에는 제1 및 제2 지지부재(122a, 122b)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제1 지지부재(122a)는 두 개의 영구자석의 최외측에 위치하고, 제2 지지부재(122b)는 두 개의 영구자석의 사이에 위치한다. 그리고, 이들 제1 및 제2 지지부재들은 비자성체로 이루어져서 두 개의 영구자석 사이에서 자속장벽으로서 기능하게 된다.

상기 영구자석(120)의 공간부(112)측 면에는 가이드 플레이트(130)가 설치된다. 상기 가이드 플레이트(130) 역시 삼각형 형태를 갖는 판재를 복수개 적층하여 형성한 것이지만, 반드시 적층 형태를 가질 필요는 없으며 비교적 형태가 간단하므로 일반 기계가공을 통해 일체로 형성되도록 할 수도 있다.

상기 가이드 플레이트(130)는 상기 영구자석(120)과 접하여 고정되고, 빗변측은 상기 공간부(112)의 내측으로 노출된다. 이때, 상기 제1 지지부재(122a), 상기 가이드 플레이트(130) 및 상기 공간부(112)의 위치관계는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 구성요소들이 잇닿아 형성하는 면이 하나의 평면을 이루도록 하여 후술할 가동자가 상기 공간부(112)의 내부에서 원활하게 왕복이동 가능하게 한다.

한편, 상기 가동자(140)는 상기 공간부(112), 상기 가이드 플레이트(130) 및 상기 제1 지지부재(122a)가 형성하는 공간의 내부에서, 도 4를 기준으로 상하 방향으로 왕복이동가능하게 장착된다. 구체적으로, 상기 가동자(140)는 상하부에 각각 위치하는 상부 가동 플레이트(142ㅁ) 및 하부 가동 플레이트(142b)를 포함하고, 상기 상하부 가동 플레이트의 사이에 코일(144)이 권선된다. 아울러, 상기 상하부 가동 플레이트를 관통하여 가동자 축(146)이 설치된다. 여기서, 도시되지는 않았지만, 상기 상하부 가동 플레이트들은 연결부에 의해 연결되어 전체적으로 'H'자 형태를 갖고 있으며, 상기 연결부의 주위로 상기 코일(144)이 권선된다.

아울러, 상기 상하부 가동 플레이트 및 연결부 또한 판재를 복수 개 적층한 형태로 이루어진다. 상기 가동자(140)를 지지하기 위해서, 상기 자속유도부(110)의 사이에는 지지 플레이트(148)가 삽입된다. 상기 지지 플레이트(148)는 한 쌍이 서로 마주보도록 배치되며 서로의 사이에 상기 가동자 축(146)이 고정되도록 배치된다.

이제 도 6을 참조하여, 상기 실시예의 작동에 대해서 설명한다.

도 6은 상기 가동자(140)가 상기 공간부(112)의 하부에 접촉되어 고정된 상태를 도시한 것이다. 이 상태에서는 상기 영구자석에 의한 자속이 상기 가이드 플레이트(130), 상기 가이드 플레이트(130)와 상기 가동자 사이의 에어갭, 상기 하부 가동 플레이트(142b) 및 상기 자속유도부(110)로 이루어지는 자기회로가 형성되고, 이로 인해 상기 영구자석(120)에 의한 자기력이 상기 하부 가동 플레이트(142b)에 작용하여 일정 정도 이상의 외력이 가해지지 않는 한 상기 가동자(140)는 도 6에 도시된 상태를 유지하게 된다.

이 상태에서 상기 코일(144)에 정방향의 전류를 인가하면, 플레밍의 왼손법칙에 의해서 상기 가동자(140)에 상향의 힘이 가해진다. 이러한 힘이 상기 영구자석에 의한 자기력보다 커지면, 상기 가동자(140)는 상부로 이동하여, 상기 공간부(112)의 상측벽에 접하게 된다. 이 경우, 상기 전류의 인가를 중단하여도, 상기 영구자석(120)에 의한 자기력이 상기 상부 가동 플레이트(122a)에 가해져서 가동자(140)는 상측벽에 접한 상태를 유지하게 된다.

그 후, 상기 코일에 역방향의 전류를 인가하면, 상기 가동자(140)에 하향의 힘이 가해지고, 그 힘이 영구자석에 의한 자기력보다 커지면, 상기 가동자(140)는 상기 공간부(112)의 하측벽에 접한 상태가 되어 도 6에 도시된 상태로 복귀하게 된다.

이상과 같이, 상기 코일에 인가하는 전류의 방향에 따라서, 상기 가동자가 상향 또는 하향으로 이동하게 되고, 이를 이용하여 차단기나 개폐기를 작동시킬 수 있게 된다. 이러한 과정에서, 상기 가동자는 상기 가이드 플레이트(130) 및 상기 자속유도부(110) 또는 상기 제1 지지부재(122a)와 접촉할 뿐 상기 영구자석과는 접촉하지 않으므로 가동자와의 충돌로 인한 영구자석의 손상을 최소화할 수 있다.

아울러, 상기 제1 및 제2 지지부재는 자속장벽으로서 기능하여 상기 가이드 플레이트의 자속 포화를 방지하고 자속을 가동자로 집중시켜서 구동력을 향상시킬 뿐만 아니라 상기 가동자를 공간부(112)의 상측벽 또는 하측벽에 고정시키는 고정력도 향상시키게 된다.

Claims (6)

1. 내부에 공간부가 형성되며, 복수 개의 판재가 적층되어 형성되는 자속유도부;
   상기 자속유도부의 공간부 내에서 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자;
   상기 공간의 내벽에 설치되는 영구자석; 및
   상기 영구자석과 상기 가동자 사이에 배치되어, 상기 가동자의 이동을 가이드 하는 가이드부;를 포함하고,
   상기 가동자는,
   상기 공간부의 양단부측으로 각각 배치되는 한 쌍의 가동플레이트; 및
   상기 가동플레이트의 사이에 배치되는 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 조작기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드부의 일측면은 상기 영구자석과 접촉하고, 타측면은 상기 공간부의 내벽과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 조작기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 공간부의 내측벽 양측에 각각 두 개의 영구자석이 서로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 조작기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 각각의 영구자석의 양단부에 지지부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 조작기.
5. 제3항에 있어서,
   상기 각각의 영구자석의 사이가 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 조작기.
6. 삭제

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