KR101519784B1 - 자동차용 배터리 릴레이 - Google Patents

자동차용 배터리 릴레이 Download PDF

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KR101519784B1
KR101519784B1 KR1020140046389A KR20140046389A KR101519784B1 KR 101519784 B1 KR101519784 B1 KR 101519784B1 KR 1020140046389 A KR1020140046389 A KR 1020140046389A KR 20140046389 A KR20140046389 A KR 20140046389A KR 101519784 B1 KR101519784 B1 KR 101519784B1
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movable contact
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이건종
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 자동차용 배터리 릴레이에 관한 것으로, 내부의 플런저를 이원화하여 상부 플런저와 하부 플런저로 구분하고 상기 하부 플런저의 초기 이동시 상부 플런저와 하부 플런저의 충격을 유도함으로써 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 시간을 단축시켜 접점시 발생되는 아크의 양을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있는 강화된 작동 구조의 자동차용 배터리 릴레이를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

자동차용 배터리 릴레이 {Battery relay for automobile}
본 발명은 자동차용 배터리 릴레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 온/오프 시간을 단축시켜 접점시 발생되는 아크의 양을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있는 자동차용 배터리 릴레이에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 릴레이는 차량의 부하 측으로 공급되는 배터리 전원을 단속하는 것으로 주로 중대형의 버스에 적용되며, 배터리와 같은 동력원으로부터 전원을 공급받으면 내부의 보빈부가 여자되어 자력을 발생시키고, 이 자력에 의해 내부의 플런저가 이동하면서 플런저에 설치되어 있는 가동접점이 고정접점과 접촉하게 됨에 의해 배터리 전원이 부하단자로 공급가능하게 된다.
첨부한 도 1은 종래의 자동차용 배터리 릴레이를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 배터리 릴레이는 일체형의 플런저(11)와 가동접점(12)으로 이루어진 가동부(10)와, 이 가동부(10)를 플런저(11) 하측에서 탄력 지지하는 리턴스프링(21)과, 이 리턴스프링(21)의 하단을 지지하고 가동부(10)를 수용하는 고정부(20)와, 가동접점(12)의 하측에 고정 배치되는 고정접점(22)과, 플런저(11)의 하부 외주면에 배치되고 차량의 시동 온/오프에 의해 선택적으로 전원에 접속되는 보빈부(23)로 구성되어 있다.
이러한 종래의 배터리 릴레이는 보빈부(23)에 전류가 흘러 가동부(10)가 자기화되면, 리턴스프링(21)에 의해 고정부(20)와 떨어져 있던 가동부(10)가 자기력에 의해 리턴스프링(21)의 스프링력을 이기게 되어 가동접점(12)과 고정접점(22)이 접촉하여 접점을 형성하게 되고, 상기 고정부(20)와 가동부(10)가 붙으면서 추가적으로 가동접점(12) 상측에 설치된 보조스프링(13)의 스프링력을 받게 되어 더 강한 힘으로 가동접점(12)과 고정접점(22)이 접촉하게 된다.
복귀시에는 상기 리턴스프링(21)의 스프링력에 의해 가동부(10)가 이동하여 접점을 해제하게 된다.
통상적으로 중대형의 버스에 적용되는 자동차용 배터리 릴레이는 매우 큰 전류를 사용하기 때문에 가동접점과 고정접점 간에 접촉시 접촉하는 과정에서 발생하는 아크를 완전히 제거할 수는 없다.
기존의 배터리 릴레이는 온(ON) 작동시 보빈부(23)의 자력으로만 스프링력을 이기고 가동부(10)를 움직여야 하므로 자력보다 적은 힘으로 가동부(10)를 움직이게 되고, 이에 스위칭시(접점시) 상대적으로 적은 자력으로 가동부(10)를 움직이게 되어 가동접점(12)과 고정접점(22) 간에 접점을 형성시 가동부(10)의 이동속도가 느려 상대적으로 스위칭 시간이 증가하게 되고 그에 따라 가동접점(12)과 고정접점(22)의 접점부에 많은 양의 아크가 계속해서 발생하게 되며, 결과적으로 접점부의 융착화를 가속화하게 된다.
또한 기존의 배터리 릴레이는 오프(off) 작동시 스프링력에 의해서만 가동부(10)를 복귀시키게 되어 복귀시 가동부(10)의 이동시간이 길어져 가동접점(12)과 고정접점(22)의 접점부가 많은 양의 아크를 감당해야 하고, 아크의 발생량이 많은 만큼 접점부의 융착화 시간이 단축되게 된다.
따라서 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 시간을 단축시켜 접점시 발생되는 아크의 양을 최소화하고 릴레이 내구성을 향상시킬 수 있는 작동 구조가 필요하다.
한국공개특허 10-2007-0016552 한국등록특허 10-0461126
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 내부의 플런저를 이원화하여 상부 플런저와 하부 플런저로 구분하고 상기 하부 플런저의 초기 이동시 상부 플런저와 하부 플런저의 충격을 유도함으로써 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 시간을 단축시켜 접점시 발생되는 아크의 양을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있는 강화된 작동 구조의 자동차용 배터리 릴레이를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 자동차용 배터리 릴레이로서, 플런저와 가동접점이 일체로 결합되어 구성된 가동부와; 상기 가동접점의 하측에 고정되게 배치되는 고정접점이 마련된 고정부;를 포함하여 구성되며, 상기 플런저가 체결핀을 매개로 상호 간에 이동가능한 공간을 가지고 결합되는 상측의 상부 플런저와 하측의 하부 플런저로 구성되어서, 상기 플런저의 승강 이동시 상부 플런저보다 하부 플런저가 먼저 이동하게 됨에 의해 상기 상부 플런저와 하부 플런저 간에 충돌로 인해 상기 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 속도를 증대하게 된 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 릴레이를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 하부 플런저는 그 상단에 상부 플런저의 하단이 삽입되는 홈부와 이 홈부를 관통하여 체결핀이 조립되는 하부 핀홀이 형성되고, 상부 플런저는 상기 홈부에 삽입되는 하단에 상부 핀홀이 형성되며, 상기 하부 핀홀은 정공으로 형성되고 상기 상부 핀홀은 장공으로 형성된다.
이때, 상기 가동접점은 상부 플런저의 하단에 형성된 상부 핀홀의 상측에서 상부 플런저에 일체로 결합되어 구성된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 배터리 릴레이는 상기 가동부를 상기 하부 플런저의 하측에서 탄력 지지하는 리턴스프링과, 상기 하부 플런저의 외주면에 고정되게 배치되고 차량의 시동 온/오프에 의해 선택적으로 전원에 접속되어 상기 가동부를 자기화시키는 보빈부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 릴레이는 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 온/오프 시간을 단축시킴으로써 스위칭시 발생되는 아크의 양을 감소시켜 최소화할 수 있으며, 이에 접점부의 융착화를 개선하고 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 자동차용 배터리 릴레이를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 배터리 릴레이를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 릴레이용 플런저의 조립구조를 정면 및 측면에서 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 배터리 릴레이의 시동 온(ON) 시 작동상태를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 배터리 릴레이의 시동 오프(OFF) 시 작동상태를 나타낸 도면
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 차량의 부하 측으로 공급되는 배터리 전원을 단속하는 배터리 릴레이에 관한 것으로, 내부의 플런저를 이원화하여 상하 두 부분으로 분리 구성하고 온/오프 작동시 상하의 두 플런저 간에 충돌시 발생하는 충격력을 이용하여 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 시간(접점 시간)을 단축시킴으로써 접점시 발생되는 아크의 양을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 릴레이는 플런저(110)와 가동접점(120)이 일체로 결합되어 구성된 가동부(100)와, 상기 가동부(100)를 플런저(구체적으로, 하부 플런저)(110)의 하측에서 탄력 지지하는 리턴스프링(210)과, 상기 리턴스프링(210)의 하단을 지지하고 가동부(100)와 하기 보빈부(230) 등을 수용하는 고정부(200)와, 상기 고정부(200) 내에서 가동접점(120)의 하측에 고정되게 배치되는 고정접점(220)과, 상기 플런저(110)의 하부 외주면(구체적으로, 하부 플런저의 외주면)에 외주면을 둘러싼 형태로 고정되게 배치되고 차량의 시동 온/오프에 의해 선택적으로 배터리 전원에 접속되는 보빈부(230)를 포함하여 구성된다.
상기 보빈부(230)는 여자 코일을 구비한 것으로 배터리 전원이 공급되어 전류가 흐르게 되면 주변에 자기장을 형성하여 가동부(100)를 자기화시키게 된다.
또한, 상기 배터리 릴레이는 스위칭 온시 가동접점(120)과 고정접점(220)의 접점 동작을 보조하게 되는 보조스프링(140)과, 스위칭 오프시 복귀하는 가동부(100)를 일정 높이에서 정지시키는 스토퍼(240)를 포함하여 구성된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 플런저(110)는 체결핀(113)을 매개로 상호 간에 이동가능한 공간을 가지고 결합되는 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112)로 구성된다.
상기 상부 플런저(111)는 하부 플런저(112)보다 작은 직경을 갖는 것으로, 결합시 하부 플런저(112)에 삽입되는 하단 부위에 체결핀(113)이 관통하여 삽입되는 상부 핀홀(111a)이 형성되고, 이 상부 핀홀(111a)의 상측에서 가동접점(120)이 일체로 결합된다.
이때 상기 상부 핀홀(111a)은 체결핀(113)이 상부 핀홀(111a)에 삽입된 상태로 승강 이동할 수 있는 장공(일측으로 길게 연장된 홀)으로 형성된다.
하부 플런저(112)는 상부 플런저(111)보다 큰 직경을 갖는 것으로, 그 상단에 상부 플런저(111)의 하단이 삽입되는 홈부(112b)와 체결핀(113)의 조립을 위한 하부 핀홀(112a)이 형성된다.
상기 홈부(112b)는 상부 플런저(111)의 하단을 상부 핀홀(111a) 부위까지 삽입가능한 일정 깊이로 마련되고, 하부 핀홀(112a)은 이 홈부(112b)를 관통하는 일직선상에 형성된다.
이때 하부 핀홀(112a)은 체결핀(113)이 홈부(112b)를 관통하여 삽입된 형태로 고정되는 정공(중심을 갖는 원 모양의 홀)으로 형성된다.
도 3에 보이듯, 상기 플런저(110)는 상부 플런저(111)의 하단을 하부 플런저(112)의 홈부(112b)에 삽입한 뒤, 체결핀(113)을 상부 핀홀(111a)과 하부 핀홀(112a)에 동시 삽입하여서 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112)가 상호 결합된 형태가 된다.
이때 체결핀(113)은 승강 이동하는 하부 플런저(112)와 일체로 이동하게 되고, 상부 플런저(111)는 상부 핀홀(111a)의 상하 길이에 상응하여 하부 플런저(112)가 일정 간격을 이동한 이후부터 일체로 이동하게 된다.
즉, 상기 플런저(110)는 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112)의 두 부분으로 구분되고 체결핀(113)에 의해 상호 결합되어 구성되되, 상부 플런저(111)의 상부 핀홀(111a)이 장공으로 형성되어 있어서 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112)가 상하로 유동가능한 구조로 결합되고, 이에 하부 플런저(112)의 승강 이동시 초기 일정 구간 동안 하부 플런저(112)가 먼저 이동하게 되고 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112)가 일체로 이동하기 바로 직전에 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112) 간에 충돌(구체적으로는 체결핀(113)과의 충돌)이 발생하게 된다(도 4 및 도 5 참조).
그리고 상기 충돌에 의해 발생하는 충격력에 의해 상부 플런저(111)에 일체로 결합되어 있는 가동접점(120)의 이동 속도를 증대하고 이동 시간을 단축할 수 있게 되며, 결과적으로 배터리 릴레이의 스위칭 시간을 단축하여 스위칭시 발생하는 아크의 양을 줄여 최소화하고 접점부의 융착화를 방지할 수 있게 된다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 상기와 같은 플런저(110)를 이용한 배터리 릴레이의 작동상태를 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 배터리 릴레이는 도 4의 초기 상태에서 차량 시동을 걸어주면 보빈부(230)에 전류가 흘러 플런저(110)를 포함한 가동부(100)가 자기화되고, 리턴스프링(210)에 의해 고정부(200)와 떨어져 있던 플런저(110)는 자기력에 의해 리턴스프링(210)의 스프링력을 이기고 하강 이동하게 된다.
이때 이동 초기에는 하부 플런저(112)만 일정 거리(대략 상부 핀홀(111a)의 상하 길이)를 하강 이동하게 되는데, 이에 의해 하부 플런저(112)가 상부 플런저(111)에 충돌하여 충격을 가하게 된다.
따라서 가동부(100)의 자기력과 상기 충돌에 의한 충격력에 의해 가동부(100)가 이동하게 됨에 의해 가동접점(120)이 빠른 속도로 하강하여 고정접점(220)과 접촉하게 되어 스위칭 온(ON) 됨으로써 스위칭 온 속도가 향상되고 아크 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
또한 스위칭 온시(접점시) 고정접점(220)과 가동접점(120)이 붙으면서 발생하는 반동에 의해 보조스프링(140)이 순간적으로 압축되었다가 복원되면서 가동접점(120)을 눌러주게 되어 접점시 보조스프링(140)의 스프링력을 받아 더 강한 힘으로 가동접점(120)과 고정접점(220)이 접촉하게 된다.
상기 배터리 릴레이는 차량 주행시 스위칭 온(ON) 상태를 유지하게 되고, 차량의 시동 오프시 보빈부(230)에 전류 공급이 중단되고 가동부(100)의 자기력이 제거됨에 따라 리턴스프링(210)의 탄성복원력에 의해 플런저(110)가 상승 복귀하게 된다.
도 5에 보이듯, 이동 초기에는 하부 플런저(112)만 일정 거리를 상승 이동하게 되고, 이에 의해 하부 플런저(112)가 상부 플런저(111)에 충돌하여 충격을 가하게 된다.
따라서 리턴스프링(210)의 탄성복원력과 상기 충돌시 발생하는 충격력에 의해 플런저(110)와 가동접점(120)이 상승 복귀하게 되고, 이에 가동접점(120)이 빠른 속도로 고정접점(220)에서 떨어지게 되어 스위칭 오프 속도가 향상되고 아크 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
또한 상기 플런저(110)가 이원화됨에 의해 기존 일체형의 플런저 대비 중량이 감소하게 되고, 따라서 동일한 힘에 의해 상대적으로 더 빠른 속도로 이동하게 되고, 결과적으로 스위칭 속도를 개선할 수 있게 된다.
한편, 가동부(100)의 복귀 전 자력이 사라지고 스프링력(탄성복원력)만 남은 상황에서 하부 플런저(112)는 스프링력에 의해 움직이게 되고, 즉 리턴스프링(210)의 탄성에너지는 하부 플런저(112)의 운동에너지로 변환되고, 그 움직임으로 생긴 하부 플런저(112)의 운동량은 상부 플런저(111)와 부딪히는 순간 충격량으로 변환된다. 그리고 두 플런저(111,112) 간에 충돌시간이 매우 짧기 때문에 최종적으로 강한 충격력이 작용하여 가동부(100)를 움직이게 된다.
이때 스프링력 F'= kx = ma 이고, 리턴스프링(210)의 탄성에너지 W'= ½ kx^2 이고, 하부 플런저(112)의 운동에너지 W= ½ mv^2 이고, 충격량 = 운동량의 변화량 = (v-v')m = 충격력(F) * 충격이 가해지는 시간(t) 이다.
여기서 k는 스프링 탄성계수이고, x는 스프링 변형거리이고, m은 하부 플런저의 중량이고, a는 하부 플런저의 이동 가속도이고, v는 하부 플런저의 충돌 전 이동 속도이고, v'는 하부 플런저의 충돌 후 이동 속도이다.
리턴스프링(210)의 탄성에너지(W')는 하부 플런저(112)의 운동에너지(W)로 변환되므로 kx^2 = mv^2 이고, 하부 플런저(112)와 상부 플런저(111)가 부딪히는 순간에는 하부 플런저(112)의 이동 속도가 0이 되므로, 충격력(F)은
Figure 112014036942766-pat00001
이 되고, 이때 m이 k와 같은 값이고 t가 1s일 경우 충격력(F)과 스프링력(F')은 같은 값이 된다.
또한 상부 플런저(111)와 하부 플런저(112) 간에 충돌은 매우 짧은 시간 동안 일어나기 때문에 t의 경우 매우 작은 값을 가지게 된다.
따라서 t를 대략 1ms라고 가정하면 스프링력(F')보다 1000배 더 강한 충격력(F)이 발생하게 되고, 충돌시 플런저(110)의 이동 가속도 역시 순간적으로 기존 플런저의 이동 가속도보다 1000배가 커지게 된다.
따라서, 스위칭 오프시 가동부(100)에 훨씬 큰 힘을 순간적으로 가해주게 되어 가동접점(120)이 빠른 속도로 움직이게 되므로, 가동부(100)의 복귀 시 접점부에서 발생하는 아크를 최소화해주게 되어 접점부의 융착화를 막을 수 있음을 추정할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 가동부 110 : 플런저
111 : 상부 플런저 111a : 상부 핀홀
112 : 하부 플런저 112a : 하부 핀홀
112b : 홈부 120 : 가동접점
140 : 보조스프링 200 : 고정부
210 : 리턴스프링 220 : 고정접점
230 : 보빈부 240 : 스토퍼

Claims (4)

  1. 자동차용 배터리 릴레이로서,
    플런저와 가동접점이 일체로 결합되어 구성된 가동부와, 상기 가동접점의 하측에 고정되게 배치되는 고정접점이 마련된 고정부를 포함하여 구성되며,
    상기 플런저가 체결핀을 매개로 상호 간에 이동가능한 공간을 가지고 결합되는 상측의 상부 플런저와 하측의 하부 플런저로 구성되어서, 상기 플런저의 승강 이동시 상부 플런저보다 하부 플런저가 먼저 이동하게 됨에 의해 상기 상부 플런저와 하부 플런저 간에 충돌로 인해 상기 가동접점과 고정접점 간에 스위칭 속도를 증대하게 된 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 릴레이.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 플런저는 그 상단에 상부 플런저의 하단이 삽입되는 홈부와 이 홈부를 관통하여 체결핀이 조립되는 하부 핀홀이 형성되고, 상부 플런저는 상기 홈부에 삽입되는 하단에 상부 핀홀이 형성되며, 상기 하부 핀홀은 정공으로 형성되고 상기 상부 핀홀은 장공으로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 릴레이.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가동접점은 상부 플런저의 하단에 형성된 상부 핀홀의 상측에서 상부 플런저에 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 릴레이.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가동부를 하부 플런저의 하측에서 탄력 지지하는 리턴스프링과, 상기 하부 플런저의 외주면에 고정되게 배치되고 차량의 시동 온/오프에 의해 선택적으로 가동부를 자기화시키는 보빈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 릴레이.
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