KR101594746B1 - 탭 절환기용 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기 트랜스포머의 탭 절환기용 액추에이터 (1) 에 관한 것으로, 상기 액추에이터는, 피스톤 공간 (3) 을 형성하도록 중공인 피스톤 (2); 피스톤이 실린더 내로 그리고 밖으로 축선방향으로 이동가능하도록 배치되게 피스톤 주위에 배치된 실린더 (4); 실린더 공간 (9) 이 피스톤과 실린더 사이에 형성되고 또한 피스톤 링에 의해 한정되도록 피스톤의 외측 표면에 고정된 피스톤 링 (7) 으로서, 상기 실린더 공간은 피스톤의 축선방향 이동에 따라 변하도록 구성되는 가변 체적을 갖는, 상기 피스톤 링 (7); 및 피스톤의 축선방향 이동으로 스프링이 각각 압축 및 신장될 수 있도록 피스톤과 실린더 쌍방에 걸리는 스프링 (10) 을 포함하고, 상기 피스톤 공간은 중공 피스톤을 통한 적어도 하나의 구멍 (11) 을 통해 상기 실린더 공간에 연결되고, 상기 피스톤 공간은 샤프 에지 스로틀 (12) 을 통해 피스톤의 외부에 연결된다.

Description

탭 절환기용 액추에이터{ACTUATOR FOR A TAP CHANGER}

본 발명은 전기 트랜스포머 (electrical transformer) 의 탭 절환기용 액추에이터에 관한 것으로, 본 액추에이터는 피스톤 및 실린더를 포함하고, 실린더에 대한 피스톤의 축선방향 이동에 의해 부하를 받는 스프링에 의해 작동되고, 스프링이 해제되는 때에 피스톤의 반대 방향으로의 축선방향 이동을 유발한다.

트랜스포머 탭은 특정 개수의 턴 (turns) 을 선택할 수 있게 하는 트랜스포머 권선을 따른 연결 지점이다. 이는, 가변 턴 비를 갖는 트랜스포머가 제조되어 출력의 전압 조정이 가능하다는 것을 의미한다. 탭 선택은 탭 절환기 메커니즘을 통해 이루어진다. 탭 절환기는 스프링 부하 액추에이터로부터 그의 파워를 획득하는 기계적 디바이스이다. 스프링은 상이한 콘택트들 사이에서 이동하는 전환 스위치의 빠른 이동을 제공하도록 방출 (방전) 될 에너지로 로딩 (충전) 되고, (트랜스포머의 작동을 중지시킴이 없이) 탭 절환기의 부하시 (on-load) 에 스위치가 상이한 콘택트들 사이에서 이동하는 때에 전이 상태를 완화하기 위해 전환 저항기가 사용된다. 전환기 (diverter) 는, 기계의 정류극 권선과 또는 직렬 권선과 션트로 연결된 것으로서, 전류의 일부를 전환시키기 위해 사용되는 저항기이다.

GB 980,677 에는, 입력 샤프트의 연속 회전의 결과로서 2 개의 래칭 위치 사이에서 교대 센스로 출력 샤프트의 반복 회전을 형성할 수 있는 메커니즘이 개시되어 있고, 이 메커니즘은, 출력 샤프트를 구동하도록 연결된 탄성 구동 수단; 입력 샤프트에 의해 구동되는, 상기 탄성 구동 수단을 위한 충전 수단; 상기 2 개의 래칭 위치에 출력 샤프트를 유지하기 위한 제 1 및 제 2 래칭 수단; 및 샤프트가 하나의 상기 래칭 위치에 있고 탄성 구동 수단이 충전되는 때에 먼저 상기 래칭 수단을 해제하기 위한, 입력 샤프트에 의해 작동되는 수단을 포함하고, 탄성 구동 수단이 출력 샤프트를 다른 래칭 위치로 구동시키도록 배치되어 있고, 다른 래칭 위치에서 출력 샤프트는 제 2 의 상기 래칭 수단에 걸린다. 이 문헌의 일 실시형태는, 부하시 트랜스포머 탭 절환기의 전환 스위치를 작동시키는 출력 샤프트를 구동하기 위한 메커니즘을 개시한다.

US 6,347,615 에는, 축선을 따라 연장되고 변위될 수 있으며 또한 진공 스위치로부터 오프셋되어 진공 스위치에 고정된 댐퍼 하우징을 갖는 댐퍼를 구비하는 작동 로드 (actuating rod), 및 댐퍼 하우징의 밸브-작동 로드에 고정된 로드 피스톤을 갖는 탭 절환기 진공 스위치가 개시되어 있다. 댐퍼 하우징은 구획 내로 개방된 한 쌍의 반경방향 개방 포트를 갖도록 형성된다. 포트들 중 하나에 끼워맞춰진 인-온리 (in-only) 체크 밸브가 단지 구획 내로의 유체 유동을 허용하고, 다른 포트에 끼워맞춰진 아웃-온리 (out-only) 체크 밸브가 단지 구획 밖으로의 유체 유동을 허용한다. 이 밸브들의 개방 및 폐쇄 압력은 그들의 스프링 상수에 의해 주로 결정된다. 스프링 상수는 그 온도가 변화함에 따라 훨씬 덜 민감하게 변하므로, 이는 밸브가 뜨거던 차갑던 한결같이 수행할 것임을 의미한다. 이 문헌은 오일 점도에 상관없이 일정 압력을 가함으로써 진공 스위치의 바운싱을 방지하는 것에 관한 것이다.

탭 절환기의 양호한 작동을 달성함에 있어, 전환 스위치가 콘택트로부터 연결해제되어 다른 콘택트에 연결되는데 걸리는 시간이 중요하다. 그렇지만, 스위치의 속도는 탭 절환기가 작동하는 트랜스포머 오일의 점도에 의존하고, 이 점도는 트랜스포머의 작동 사이클에 걸쳐 크게 달라질 수 있는 오일의 온도에 의존한다. 속도, 따라서 절환 시간은, 탭 절환기의 일반적인 마모로 인해 시간이 흐름에 따라 또한 달라질 수 있는 파라미터인, 액추에이터 스프링의 파워 및 탭 절환기 내의 기계적 마찰에 또한 의존한다.

본 발명의 목적은 시간 경과에 따른 탭 절환기의 절환 속도의 변화에 관련된 종래 기술의 문제를 적어도 경감시키는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전기 트랜스포머용 탭 절환기 (31) 용 액추에이터 (1) 가 제공되며, 상기 액추에이터는, 길이방향 축선 (13) 을 갖는 가동 피스톤 (2); 에너지 저장 디바이스 (10) 로서, 상기 피스톤 (2) 의 일 방향으로의 축선방향 이동 동안에 에너지를 저장하도록 구성되고 또한 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 에 저장된 에너지가 방출되는 때에 상기 피스톤 (2) 의 반대 방향으로의 축선방향 이동을 유발하도록 구성된, 상기 에너지 저장 디바이스 (10); 상기 액추에이터 내에 형성되는 공간 (9) 으로서, 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동에 따라 변하는 체적을 갖는, 상기 공간 (9); 및 적어도 하나의 초크 밸브 (12) 로서, 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 에 저장된 에너지가 방출되는 때에 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동의 결과로서 가변 체적의 상기 공간 (9) 과 상기 액추에이터의 외측 사이에서 상기 초크 밸브를 통과하는 액체의 유동을 제어하도록 배치된, 상기 적어도 하나의 초크 밸브 (12) 를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 액체 충전 트랜스포머의 탭 절환기의 스위치를 이동시키기 위한, 본 발명의 일 실시형태의 액추에이터의 용도가 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 트랜스포머의 탭 절환기용 액추에이터 (1) 의 속도를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 액추에이터는 액체에 담가지고 또한 중심의 길이방향 축선 (13) 을 가지며, 상기 방법은, 상기 축선 (13) 을 따라 연장되는 피스톤 (2) 의, 제 1 방향으로의, 제 1 축선방향 이동에 의해 에너지 저장 디바이스 (10) 에 에너지를 저장하는 단계로서, 상기 축선방향 이동에 의해, 상기 액체가 상기 액추에이터 내에 형성되는 공간 (9) 과 상기 액추에이터 (1) 의 외측 사이에서 강제 유동하게 되고, 상기 공간 (9) 의 체적은 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동에 따라 가변적인, 상기 에너지를 저장하는 단계; 및 상기 피스톤 (2) 의 제 2 축선방향 이동을 유발하도록 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 를 해제하는 단계로서, 상기 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향으로의 상기 피스톤 (2) 의 상기 제 2 축선방향 이동으로 상기 공간 (9) 의 체적이 변하는 결과, 상기 제 2 축선방향 이동에 의해, 상기 액체는 초크 밸브 (12) 를 통해 가압되어서, 상기 피스톤의 상기 제 2 축선방향 이동의 축선방향 속도가 상기 초크 밸브에 의해 제어되는, 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 를 해제하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 탭 절환기의 액추에이터에서 초크 밸브를 사용하는 것이 유리하다. 초크 밸브는 액추에이터가 작동하는 유체에서 압력 강하를 생성하고, 이 압력 강하가 액추에이터의 배출 이동을 제동한다. 초크 밸브, 예컨대 샤프 에지 스로틀 (sharp edged throttle) 의 사용은 압력 강하를 유체의 점도에 무관하게 만든다. 따라서, 초브 밸브에 의해, 액추에이터에 의해 제공되는 이동의 속도가, 탭 절환기에서의 기계적 마찰 및/또는 유체의 점도에 의존하는 것이 아니라, 에너지 저장 수단의 파워에 관하여 이 압력 강하에 주로 의존하게 된다. 에너지 저장 수단, 예컨대 스프링이 사용될 수도 있고, 초크 밸브에 의해 제공되는 저항에 관하여 점도 및 마찰에 관한 저항은 무시될 수 있다. 이는 탭 절환기의 마모 및/또는 시간의 변화로 인해 시간이 경과해도 탭 절환기의 속도, 따라서 절환 시간이 변하지 않을 것임을 암시한다. 더욱이, 초크 밸브에 의해 가능해 지는 것처럼, 더 강력한 에너지 저장 수단이 사용되면, 어떤 이유로, 예컨대 걸려서 기구를 방해하는 유체 내의 입자로 인해 기구가 느리게 되는 경우에 안전 마진이 존재한다. 일반적으로, 더 강력한 에너지 저장 수단이 절환을 수행하기에 더 양호한 조건을 제공한다.

몇몇의 실시형태에서, 가변 체적 공간은 피스톤 내에 형성되는 피스톤 공간이고, 초크 밸브는 피스톤 공간과 액추에이터의 외측 사이의 유체 유동 경로에 배치된다. 이 경우, 가변 공간을 규정하기 위해 중공 피스톤이 사용된다.

몇몇의 실시형태에서, 액추에이터는,

피스톤 주위에 배치되는 실린더로서, 피스톤이 실린더 내에서 축선방향으로 이동가능하게 배치되고, 길이방향 축선을 가로지르는 평면에서 연장되며 또한 피스톤의 외측 표면에 주위에서 밀봉식으로 맞닿는 고정 환형 실링부를 포함하는, 상기 실린더; 및

피스톤의 외측 표면에 고정되고 또한 길이방향 축선을 가로지르는 평면에서 피스톤 주위에 연장되는 피스톤 링으로서, 실린더 공간이 피스톤과 실린더 사이에 형성되고 또한 피스톤 링 및 실린더의 실링부에 의해 한정되도록, 피스톤의 외측 표면과 실린더의 내측 표면 사이에 시일을 형성하는, 상기 피스톤 링

을 더 포함하고, 가변 체적의 공간은 실린더에 대한 피스톤의 축선방향 이동에 따라 변하도록 구성되는 가변 체적을 갖는 실린더 공간이고, 초크 밸브는 실린더 공간과 액추에이터의 외측 사이의 유체 유동 경로에 배치된다.

몇몇의 실시형태에서, 초크 밸브는 환형 실링부 또는 피스톤 링에 배치된다.

몇몇의 실시형태에서, 피스톤은 불변 체적을 갖는 피스톤 공간을 규정하도록 중공형이다. 이 경우, 피스톤 공간은, 피스톤 공간과 실린더 공간 사이의, 중공 피스톤을 통한 적어도 하나의 구멍을 통해 실린더 공간에 연결된다. 또한, 피스톤 공간은 초크 밸브를 통해 액추에이터의 외측에 연결된다.

몇몇의 실시형태에서, 액추에이터는 액체 중에서 작동하도록 구성되어서, 가변 실린더 공간뿐만 아니라 불변 피스톤 공간은 액체 충전된다. 액추에이터가 편리하게 사용될 수도 있는 환경의 예가 액체 유체, 예컨대 오일 충전 트랜스포머 등을 포함한다.

몇몇의 실시형태에서, 액추에이터는 액체 충전 트랜스포머의 전환 스위치를 이동시키도록 배치된다. 탭 절환기의 그러한 스위치는 균일한 제어된 속도 및 절환 시간에 특히 의존한다. 몇몇의 실시형태에서, 액추에이터에 의해 작동되는 스위치 (예컨대, 전환 스위치) 는, 제 1 위치에서, 전기 라인을 제 1 탭 회로에 연결시키고, 제 2 위치에서, 전기 라인을 제 2 탭 회로에 연결시킨다. 따라서, 액추에이터는 예컨대 회로 차단기의 개방 및 폐쇄 위치 사이가 아니라 2 개의 상이한 회로들, 예컨대 탭들 사이를 절환시키도록 배치되는 스위치를 위해 사용된다.

몇몇의 실시형태에서, 피스톤 링은 금속 재료로 이루어진다. 금속 재료는 실린더의 내측 표면의 재료보다 더 단단할 수도 있다. 금속 재료는, 플라스틱 재료와 같은 더 연질인 재료와 대조적으로, 링이 실린더의 내측 표면에서 임의의 평탄하지 않음으로 전단변형을 받을 수도 있으므로 유리할 수도 있고, 따라서 실린더의 내측 표면에 대한 피스톤 링의 실링 특성을 향상시키고, 또한 액추에이터에서의 마찰을 감소시키고, 액추에이터 속도가 이 마찰에 의존하는 것을 방지한다.

일반적으로, 청구항에서 사용되는 모든 용어는, 여기서 명확히 달리 정의되지 않는 한, 기술분야에서의 그의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "하나의/상기 부재, 장치, 부품, 수단, 단계 등" 의 모든 언급은, 명확히 달리 언급되지 않는 한, 그 부재, 장치, 부품, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 예를 나타내는 것으로서 확장형으로 해석되어야 한다. 여기서 개시되는 임의의 방법의 단계들은, 명확히 언급되지 않는 한, 정확히 개시된 순서로 행해져야 하는 것은 아니다. 본 개시의 상이한 구성/부품에 대한 "제 1", "제 2" 등의 사용은 구성/부품을 다른 유사한 구성/부품과 단지 구별하려는 것일 뿐, 그 구성/부품에 어떠한 순서 또는 계층을 부여하려는 것이 아니다.

이제, 일례로 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.

도 1 은 본 발명의 액추에이터의 일 실시형태의 길이방향 단면의 개략도로서, 로딩되어 있는 스프링을 보여준다.
도 2 는 본 발명의 액추에이터의 도 1 의 실시형태의 길이방향 단면의 개략도로서, 해제되어 있는 스프링을 보여준다.
도 3 은 본 발명의 액추에이터의 다른 실시형태의 길이방향 단면의 개략도로서, 에너지 저장 디바이스가 로딩되어 있는/장력 하에 있는 때를 보여준다.
도 4 는 본 발명의 도 3 의 액추에이터의 실시형태의 길이방향 단면의 개략도로서, 에너지 저장 디바이스의 저장 에너지가 방출되는 때를 보여준다.
도 5 는 본 발명의 액추에이터의 다른 실시형태의 길이방향 단면의 개략도이다.
도 6 은 본 발명의 액추에이터의 다른 실시형태의 길이방향 단면의 개략도이다.
도 7 은 본 발명의 액추에이터의 다른 실시형태의 길이방향 단면의 개략도이다.
도 8 은 에너지 저장 디바이스에 의해 가해지는 힘과 액추에이터의 피스톤의 속도 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 탭 절환기의 일 실시형태의 개략 회로도이다.

이하에서, 본 발명의 특정 실시형태들이 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 그렇지만, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수도 있고, 여기서 설명하는 실시형태들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며; 오히려, 이 실시형태들은 예로써 제공되는 것이므로, 본 개시는 철처하고 완전할 것이고, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 것이다. 본 설명 전체에서 유사한 도면부호가 유사한 부재를 가리킨다.

여기서 논의되는 에너지 저장 디바이스는, 에너지를 저장한 후 액추에이터의 피스톤의 축선방향 이동을 유도하도록 그 에너지를 방출할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 에너지 저장 디바이스의 예는, 가요성 재료, 예컨대 금속의 스프링, 가스 압력 스프링, 유압 스프링, 자기 스프링, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 타입의 스프링을 포함한다.

여기서 사용되는 용어 "스프링" 은 역학 에너지를 저장하는데 사용되는 임의의 탄성 물체에 관하여 넓게 해석되어야 한다. 스프링은 예컨대, 부하가 스프링에 가해지면 스프링이 늘어나도록 장력 부하로 작동하게 구성된 장력/연장 (tension/extension) 스프링; 부하가 스프링에 가해지면 스프링이 더 짧아지도록 압축 부하로 작동하게 구성된 압축 스프링; 축선방향 힘이 아니라 토크 또는 비트는 힘을 부하를 받도록 구성되고 부하가 가해지면 스프링의 단부가 각도를 통해 회전하는 비틀림 스프링일 수도 있다. 스프링은 편향 사이클 내내 지탱되는 부하가 동일하게 유지되는 일정한 스프링 (constant spring); 또는 부하에 대한 스프링의 저항이 변하는 가변 스프링 (variable spring) 일 수도 있다. 스프링은 예컨대 코일 스프링 또는 판 스프링일 수 있다.

초크 밸브는 임의의 타입의 초크 밸브, 예컨대 여기서 일례로서 설명되는 샤프 에지 스로틀일 수 있다.

피스톤 공간이 실린더 공간 및 액추에이터의 외부에 연결된다는 것은, 피스톤 공간이 실린더 공간 및 액추에이터의 외부 (주위) 쌍방과 유체 연통한다는 것을 암시하므로, 피스톤이 실린더 내로 그리고 밖으로 이동하는 때에 주위 유체, 예컨대 오일이 피스톤 공간 및 스로틀을 통해 각각 실린더 공간 내로 그리고 밖으로 가압될 수 있다. 피스톤이 실린더 밖으로 이동한다는 것은, 피스톤이 실린더 밖으로 더욱 더 연장되는 방향으로 이동하지만 실제로 실린더로부터 완전히 제거되지 않는 것을 의미한다.

도 1 은 본 발명의 액추에이터 (1) 의 일 실시형태의 길이방향 단면의 개략도이다. 피스톤 (2) 은 실린더 (4) 내로 연장하도록 배치된다. 피스톤 (2) 은 중심의 길이방향 축선 (13) 을 갖고, 실린더 (4) 내로 연장되도록 구성된 피스톤의 적어도 부분이 본질적으로 원형 단면을 가질 수도 있다. 피스톤 (2) 을 수용하도록 구성된 적어도 부분인 실린더는 상응하게 본질적으로 원형 단면을 가질 수도 있다. 코일 스프링 형태의 에너지 저장 디바이스 (10) 가 실린더 (4) 의 외부 주위에 배치되어 있다. 스프링 (10) 은 스프링의 단부가 기대어지는 실린더 플랜지 (14) 에 의해 실린더에 걸리고 (또는 맞물리고, 스프링의 반대편 단부가 기대어지는 피스톤 플랜지 (15) 에 의해 피스톤 (2) 에 걸리고 (맞물린다). 따라서, 스프링 (10) 은, 도면의 가장 우측의 화살표로 나타낸 것처럼 피스톤 (2) 이 실린더 (4) 내로 이동하는 때에 압축되고 (로딩/충전되고), 피스톤이 실린더 밖으로 이동하는 때에, 즉 도면에서 우측으로 이동하는 때에 연장된다 (해제/방전된다). 압축 코일 스프링은 사용될 수 있는 스프링의 많은 대안들 중 단 하나이다. 또한, 몇몇의 실시형태에서, 스프링은 연장되는 때에 로딩될 수 있고, 해제되는 때에 압축될 수 있다.

피스톤 (2) 과 실린더 (4) 사이의 동심 환형 공간을 유지하면서, 피스톤과 실린더 사이에 시일을 형성하도록 피스톤 (2) 의 외부에 피스톤 링 (7) 이 고정된다. 실린더 (4) 는, 길이방향 축선 (13) 을 가로지르는 평면에서 연장되고 또한 피스톤 (2) 의 외부 표면 (6) 주위에 밀봉식으로 맞닿는 고정 환형 실링부 (5) 를 포함한다. 이 모범적인 실시형태의 밀봉부 (5) 는 피스톤 (2) 의 외측 단부가 통과하여 연장되는 실린더 (4) 의 단부를 표시하고, 피스톤의 내측 단부는 실린더 내로 연장된다. 피스톤과 실린더 사이의 환형 공간 내에는, 밀봉부 (5) 와 피스톤 링 (7) 사이에 그리고 피스톤의 외측 표면 (6) 과 실린더의 내측 표면 (8) 사이에 실린더 공간 (9) 이 형성된다. 이 실린더 공간 (9) 은 피스톤 링 (7) 이 도면에 화살표로 나타낸 것처럼 피스톤과 함께 이동하므로 가변 체적을 갖고, 피스톤이 실린더 내로 밀리는 때에 실린더 공간 (9) 의 체적이 증가하고, 피스톤이 실린더 밖으로 밀리는 때에 상기 공간이 감소한다.

피스톤 (2) 은 중공형이어서, 피스톤 내에 피스톤 공간 또는 캐비티 (3) 를 형성한다. 피스톤 공간 (3) 은 피스톤 및 실린더에 대해 동심일 수도 있고, 피스톤의 중심의 길이방향 축선 (13) 주위에서 회전 대칭일 수도 있다. 피스톤 공간 (3) 은 두 공간들 또는 캐비트들 사이에서 관통 구멍 (11) 을 통해 실린더 공간 (9) 과 유체 연통하여서, 유체가 구멍 (11) 을 통해 상기 두 캐비티들 (3, 9) 사이에서 유동할 수 있다. 또한, 피스톤 공간 (3) 은 샤프 에지 스로틀 형태의 초크 밸브 (12) 를 통해 액추에이터 (1) 외부의 주위 유체와 유체 연통한다. 스로틀 (12) 은 피스톤 (2) 의 단부에 위치될 수도 있다. 스로틀은, 피스톤이 도면에서 좌측으로 밀리는 때에, 주위 유체가 (화살표로 나타낸 것처럼) 스로틀 (12) 및 구멍 (11) 을 통해 피스톤 공간 (3) 에 그리고 또한 실린더 공간 (9) 에 유입하는 것을 허용한다. 스로틀 (12) 은 본질적으로 삼각형의 단면을 구비할 수 있다. 스로틀 (12) 은 축선, 예컨대 피스톤의 중심의 길이방향 축선 주위에서 회전 대칭일 수 있다. 스로틀의 개구에서 스로틀 재료에 의해 형성되는 중심 각도는 점도의 영향을 감소시키기 위해 날카로운 에지를 형성한다. 예컨대, 스로틀 (12) 의 단면이 삼각형이면, 삼각형의 중심 각도가 날카로운 에지를 형성하고, 45°미만, 30°미만, 20°미만 또는 10°미만의 예각일 수도 있다.

도 2 는 도 1 의 본 발명의 액추에이터 (1) 와 동일한 실시형태의 길이방향 단면의 개략도이다. 그렇지만, 도 2 에서, 화살표들은 스프링 (10) 이 풀림에 따라 피스톤이 어떻게 도면의 우측으로 밀리는지를 나타낸다. 화살표들에 의해 또한 도시된 것처럼, 유체는 구멍 (11) 을 통해 실린더 공간 (9) 으로부터 피스톤 공간 (3) 내로 가압되고, 스로틀 (12) 을 통해 피스톤 공간 (3) 으로부터 주위로 가압된다.

도 3 및 도 4 는 본 발명의 액추에이터 (1) 의 일 실시형태의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다 (도 1 및 도 2 비교). 본 실시형태는 더 일반적이고, 본 도면들은 더 개략적이지만, 도 1 및 도 2 의 더 상세한 실시형태를 포함한다. 명확성을 위해, 에너지 저장 디바이스 (10) 를 도시하지 않는다. 도 3 은 에너지 저장 디바이스가 로딩되고 따라서 액추에이터가 장력 하에 있는 때의 상황을 보여준다. 가변 공간 (9) 은 중공 피스톤 (2), 실린더 (4), 환형 실링부 (5) 및 피스톤 링 (7) 사이에 형성된다. 초크 밸브 (12) 는, 도 1 및 도 2 에서처럼, 피스톤 (2) 의 단부에 위치되어서, 중공 피스톤 내에 형성되는 비가변 공간이 액추에이터 (1) 및 피스톤의 외부와 연통할 수 있게 한다. 도 4 는, 에너지 저장 디바이스가 해제되어서 피스톤 (2) 과 피스톤 링 (7) 이 피스톤 (2) 의 우측 단부에 큰 화살표로 나타낸 것처럼 축선방향으로 이동하는 때에 일어나는 것을 보여준다. 가변 공간 (9) 은 축선방향 이동으로 감소되어서, 그 안의 유체, 예컨대 오일이 중실 화살표로 나타낸 것처럼 가변 공간 (9) 으로부터 중공 피스톤 (2) 내로 그리고 초크 밸브 (12) 를 통해 밖으로 가압된다. 위에서 논의된 것처럼, 초크 밸브는 유체 유동을 제어하여서, 피스톤 (2) 의 축선방향 이동을 제어하고, 축선방향 이동의 속도를 유체의 점도에 무관하게 하고, 에너지 저장 디바이스에 의해 가해지는 힘에 어느 정도 무관하게 한다.

도 5 는 본 발명의 액추에이터 (1) 의 다른 실시형태의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다. 명확성을 위해, 에너지 저장 디바이스 (10) 를 도시하지 않는다. 도 3 및 도 4 에서처럼, 가변 공간 (9) 은 중공 피스톤 (2), 실린더 (4), 환형 실링부 (5) 및 피스톤 링 (7) 사이에 형성된다. 초크 밸브 (12) 는 이 실시형태에서, 가변 공간 (9) 에서 실린더 (4) 를 통해 위치되어서, 가변 공간 (9) 이 중실 화살표로 나타낸 것처럼 액추에이터 (1) 및 실린더 (4) 의 외부와 연통할 수 있게 한다. 복수의 반경방향으로 위치된 초크 밸브 (12) 가 사용될 수 있고 (도 5 에는 2 개가 도시되어 있음), 초크 밸브 (12) 가 차단 등이 되면, 여분 (redundancy) 을 제공한다. 이 실시형태에서, 유체는 피스톤 (2) 내에 형성되는 공간을 통해 유동할 필요가 없고, 따라서 중실 피스톤이 사용될 수도 있다. 또한, 가변 공간 (9) 과 피스톤 (2) 내에 형성되는 공간 사이에 구멍 (11) 이 필요하지 않아서, 도 5 의 실시형태가 도 1 내지 도 4 의 실시형태들보다 덜 복잡하다.

도 6 은 본 발명의 액추에이터 (1) 의 다른 실시형태의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다. 명확성을 위해, 에너지 저장 디바이스 (10) 를 도시하지 않는다. 도 3 내지 도 5 에서처럼, 가변 공간 (9) 은 중공 피스톤 (2), 실린더 (4), 환형 실링부 (5) 및 피스톤 링 (9) 사이에 형성된다. 초크 밸브 (12) 는 이 실시형태에서, 가변 공간 (9) 에서 환형 실링부 (5) 를 통해 위치되어서, 중실 화살표로 나타낸 것처럼 가변 공간 (9) 이 액추에이터 (1) 및 실린더 (4) 의 외부와 연통할 수 있게 한다. 복수의 반경방향으로 위치된 초크 밸브 (12) 가 사용될 수 있고 (도 6 에는 2 개가 도시되어 있음), 초크 밸브 (12) 가 차단 등이 되면, 여분을 제공한다. 다시, 이 실시형태에서, 유체는 피스톤 (2) 내에 형성된 공간을 통해 유동할 필요가 없고, 따라서 중실 피스톤이 사용될 수도 있다. 또한, 가변 공간 (9) 과 피스톤 (2) 내에 형성되는 공간 사이에 구멍 (11) 이 필요하지 않아서, 도 5 의 실시형태가 도 1 내지 도 4 의 실시형태들보다 덜 복잡하다.

도 7 은 본 발명의 액추에이터 (1) 의 다른 실린더의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다. 명확성을 위해, 에너지 저장 디바이스 (10) 를 도시하지 않는다. 도 1 내지 도 6 의 실시형태들과 대조적으로, 도 7 의 실시형태에서, 가변 공간 (9) 은 중공 피스톤 (2) 내에 형성된다. 가변 공간 (9) 의 체적은 가변 공간 (9) 에 삽입되는 로드 (rod) 에 의해 달라지며, 상기 로드가 가변 공간 (9) 내로 더 가압되는 때에 상기 공간 (9) 은 감소된다. 초크 밸브 (12) 는 이 실시형태에서, 피스톤 (2) 의 가변 공간 (9) 의 벽을 통해, 예컨대 반경방향으로 위치되어서, 중실 화살표로 나타낸 것처럼 가변 공간 (9) 이 액추에이터 (1) 및 피스톤 (2) 의 외부와 연통할 수 있게 한다. 복수의 반경방향으로 위치된 초크 밸브 (12) 가 사용될 수 있고 (도 7 에는 2 개가 도시되어 있음), 초크 밸브 (12) 가 차단 등이 되면, 여분을 제공한다. 피스톤 (2) 이 (도면에서 피스톤의 좌측 단부에 우측을 가리키는 화살표 (도면에서 피스톤이 우측으로 이동함을 나타냄) 로 나타낸 것처럼) 축선방향으로 이동하면, 로드, 예컨대 고정 로드 (stationary rod) 가 가변 공간 내로 더 가압되어, 그 안의 유체가 초크 밸브 (12) 를 통해 가변 공간에서 나오게 한다.

도 1 내지 도 7 의 실시형태들에서, 가변 공간 (9) 이 감소되는 때에 에너지 저장 디바이스가 해제됨에 따라 유체는 초크 밸브를 통해 가압된다. 그렇지만, 에너지 저장 디바이스가 해제되는 때에 가변 공간 (9) 이 증가될 수도 있고, 따라서 유체가 초크 밸브 (12) 를 통해 가변 공간 (9) 내로 흡인되는 것이 또한 고려된다. 그렇지만, 상기 초크 밸브를 지나 흡인하기 보다는 초크 밸브를 통해 유체를 가압하는 것이 더 편리할 수도 있는데, 이것이, 가변 공간 (9) 이 감되는 때에 에너지 저장 디바이스가 해제됨에 따라 유체가 초크 밸브를 통해 가압되는 것이 현재 바람직한 이유이다. 예컨대, 가압 대신 흡인의 경우 캐비테이션 (cavitation) 의 위험이 존재한다.

도 8 은 에너지 저장 디바이스에 의해 가해지는 힘과 액추에이터의 피스톤의 속도 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 초크 밸브 (12) 의 개방 영역은 곡선의 기울기에 비례한다.에너지 저장 디바이스의 힘은 곡선과 Y축의 교점에 관련된다.

도 9 는 본 발명의 액추에이터 (1) 가 사용될 수 있는 탭 절환기 (31) 의 일 실시형태를 개략적으로 보여준다. 전기 트랜스포머의 권선 (37) 이 도시되어 있다. 권선 (37) 에 의해 제공되는 전류의 전압은 권선에 연결된 상이한 탭들 사이의 절환에 의해 제어될 수 있고, 상이한 개수의 권선이 사용될 수 있다. 제 1 회로 (38) 가 제 1 콘택트 (33) 에 연결되고, 제 1 온/오프 스위치 (35) 를 통해 제 1 탭에 연결될 수 있다. 제 2 회로 (39) 가 제 2 콘택트 (34) 에 연결되고, 제 2 온/오프 스위치 (36) 를 통해 제 2 탭에 연결될 수 있다. 콘택트 (33, 34) 각각은 전환 저항기 (diverter resistor) 를 포함한다. 전환 스위치 (32) 가 전기 라인 (40) 을 제 1 콘택트 (33) 또는 제 2 콘택트 (34) 의 일방에 연결시키고, 도 3 에 양방향 화살표로 나타낸 것처럼 회전 운동에 의해 콘택트들 사이를 절환시킨다. 두 콘택트들 사이의 이러한 회전 절환은, 트랜스포머가 작동 중이고 탭 절환기 (31) 가 부하시 (on-load) 인 동안에 행해질 수 있다. 따라서, 절환 시간이 낮고 (절환 속도가 높고) 시간에 걸쳐 일정한 것이 유리하다. 콘택트 (33, 34) 의 전환 저항기는, 스위치가 두 콘택트들 사이의 위치에 있고 그 사이에서 이동하는 때에, 트랜스포머로부터의 전류를 조작하기 위해 사용된다. 전환 스위치 (32) 는 본 발명의 액추에이터 (1) 의 일 실시형태에 의해 작동되고, 즉 스프링이 해제되는 때에 피스톤의 이동이 전환 스위치 (32) 의 회전 운동을 유도한다.

절환 사이클은 다음과 같을 수도 있다:

1. 탭 절환기 (36) 는 닫히고, 전환 스위치 (32) 는 콘택트 (33) 와 접촉되어, 탭 절환기 (35) 를 통해 라인 (40) 을 권선 (37) 과 연결시킨다.

2. 탭 절환기 (36) 는 무부하 (off-load) 동안에 닫힌다.

3. 전환 스위치 (32) 는 도면에서 좌측으로 회전하여, 콘택트 (33) 와의 하나의 연결을 끊고, 콘택트 (33) 의 전환 저항기를 통해 부하 전류를 공급한다.

4. 전환 스위치 (32) 는 계속 회전하여, 개별 저항기를 통해 쌍방의 콘택트 (33, 34) 에 연결된다. 이제, 부하는 전환 저항기들을 통해 공급된다.

5. 전환 스위치 (32) 는 계속 회전하여, 콘택트 (33) 와의 제 2 연결을 또한 끊는다. 이제, 부하는 단지 콘택트 (34) 의 저항기를 통해 공급되고, 권선 회전은 더 이상 가교되지 않는다.

6. 전환 스위치 (32) 는 계속 회전하여, 콘택트 (34) 를 단락시키고, 저항기의 양측에 연결된다. 이제, 부하는 직접 회로 (39) 및 콘택트 (34) 를 통해 공급된다. 콘택트 (33) 는 사용되지 않는다.

7. 탭 절환기 (35) 는 무부하 동안에 개방된다.

예: 피스톤 링 재료

스로틀 (12) 이 사용되는지 여부에 상관없이, 탭 절환기 액추에이터 (1) 의 피스톤 링 (7) 이 내구성이 있고 누설하지 않는 것이 중요하다. 링 (7) 이 파괴되거나 또는 마모된다면, 액추에이터의 기능은 저해될 것이다. 종종 연질 재료, 예컨대 고무 또는 다른 플라스틱 재료가 링 (7) 에 사용된다. 그러면, 재료의 에이징 위험이 존재하고, 재료는 유체 내의 먼지와 입자뿐만 아니라 내측 실린더 표면 (8) 의 평평하지 않음에 또한 민감할 수도 있다. 따라서, 유지보수 요건이 존재한다.

본 발명자들은, (샤프 에지 스로틀을 갖는 또는 갖지 않는) 탭 절환기 액추에이터에 금속 피스톤 링이 대신 삽입될 수도 있다는 것을 인식하였다. 금속 링은 연질 재료처럼 에이징되지 않을 것이다. 바람직하게는, 금속 링 (7) 의 재료는 내측 실린더 표면 (8) 의 재료보다 더 단단하여서, 이 표면 (8) 을 평평하게 할 있고 마찰을 줄일 수 있다. 링의 재료는 예컨대 적어도 600 Hv 의 경도를 가질 수도 있다. 더욱이, 금속 피스톤 링 (7) 은 온도에 따라 실링 능력에 영향을 미치지 않고, 심지어 경질 링이 대향 표면 (8) 의 평평하지 않음을 감소시킨 후에 개선된 실링이 존재할 수도 있다. 또한, 금속 링은 입자 및 먼지에 의해 덜 영향을 받는다. 금속 링 (7) 은 탭 절환기의 유지보수의 필요성을 감소시킨다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전기 트랜스포머의 탭 절환기용 액추에이터 (1) 가 제공되며, 상기 액추에이터는, 피스톤 공간 (3) 을 형성하도록 중공인 피스톤 (2); 피스톤이 실린더 내로 그리고 밖으로 축선방향으로 이동가능하도록 배치되게 피스톤 주위에 배치된 실린더 (4); 실린더 공간 (9) 이 피스톤과 실린더 사이에 형성되고 또한 피스톤 링에 의해 한정되도록 피스톤의 외측 표면에 고정된 피스톤 링 (7) 으로서, 상기 실린더 공간은 피스톤의 축선방향 이동에 따라 변하도록 구성되는 가변 체적을 갖는, 상기 피스톤 링 (7); 및 피스톤의 축선방향 이동으로 스프링이 각각 압축 및 신장될 수 있도록 피스톤과 실린더 쌍방에 걸리는 스프링 (10) 을 포함하고, 상기 피스톤 공간은 중공 피스톤을 통한 적어도 하나의 구멍 (11) 을 통해 상기 실린더 공간에 연결되고, 상기 피스톤 공간은 샤프 에지 스로틀 (12) 을 통해 피스톤의 외부에 연결된다.

몇몇 실시형태를 참조하여 본 발명을 주로 설명하였다. 그렇지만, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 인정하는 것처럼, 위에서 개시된 것 이외의 다른 실시형태가 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다.

Claims (12)

1. 액체-충전 (liquid-filled) 액추에이터 (1) 를 포함하는 전기 트랜스포머 (electrical transformer) 용 탭 절환기 (31) 로서, 상기 액추에이터는
   길이방향 축선 (13) 을 갖는 가동 피스톤 (2);
   에너지 저장 디바이스 (10) 로서, 상기 피스톤 (2) 과 맞물리고, 상기 피스톤 (2) 의 일 방향으로의 축선방향 이동 동안에 에너지를 저장하도록 구성되고 또한 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 에 저장된 에너지가 방출되는 때에 상기 피스톤 (2) 의 반대 방향으로의 축선방향 이동을 유발하도록 구성된, 상기 에너지 저장 디바이스 (10);
   상기 액추에이터 내에 형성되는 공간 (9) 으로서, 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동에 따라 변하는 체적을 갖는, 상기 공간 (9); 및
   적어도 하나의 초크 밸브 (12) 로서, 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 에 저장된 에너지가 방출되는 때에 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동의 결과로서 가변 체적의 상기 공간 (9) 과 상기 액추에이터의 외측 사이에서 상기 초크 밸브를 통과하는, 상기 액추에이터를 충전하고 있는 액체의 유동을 제어하도록 배치된, 상기 적어도 하나의 초크 밸브 (12)
   를 포함하는, 탭 절환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   가변 체적의 상기 공간 (9) 은 상기 피스톤 (2) 내에 형성되는 피스톤 공간이고,
   상기 초크 밸브는 상기 피스톤 공간과 상기 액추에이터의 상기 외측 사이의 유체 유동 경로에 배치되는, 탭 절환기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 액추에이터는,
   상기 피스톤 (2) 주위에 배치되는 실린더 (4) 로서, 상기 피스톤이 상기 실린더 (4) 내에서 축선방향으로 이동가능하게 배치되고, 상기 실린더가 상기 길이방향 축선 (13) 을 가로지르는 평면에서 연장되며 또한 상기 피스톤 (2) 의 외측 표면 (6) 에 주위에서 밀봉식으로 맞닿는 고정 환형 실링부 (5) 를 포함하는, 상기 실린더 (4); 및
   상기 피스톤 (2) 의 상기 외측 표면 (6) 에 고정되고 또한 상기 길이방향 축선 (13) 을 가로지르는 평면에서 상기 피스톤 주위에 연장되는 피스톤 링 (7) 으로서, 실린더 공간이 상기 피스톤 (2) 과 상기 실린더 (4) 사이에 형성되고 또한 상기 피스톤 링 (7) 및 상기 실린더의 상기 실링부 (5) 에 의해 한정되도록, 상기 피스톤의 상기 외측 표면 (6) 과 상기 실린더의 내측 표면 (8) 사이에 시일을 형성하는, 상기 피스톤 링 (7)
   을 더 포함하고,
   가변 체적의 상기 공간 (9) 은 상기 실린더 (4) 에 대한 상기 피스톤 (2) 의 축선방향 이동에 따라 변하도록 구성되는 가변 체적을 갖는 실린더 공간 (9) 이고,
   상기 초크 밸브 (12) 는 상기 실린더 공간과 상기 액추에이터의 상기 외측 사이의 유체 유동 경로에 배치되고,
   상기 에너지 저장 디바이스 (10) 는 상기 실린더 (4) 와 또한 맞물리는, 탭 절환기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 초크 밸브는 상기 환형 실링부 (5) 또는 상기 피스톤 링 (7) 에 배치되는, 탭 절환기.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 피스톤 (2) 은 불변 체적을 갖는 피스톤 공간 (3) 을 형성하도록 중공형이고;
   상기 피스톤 공간 (3) 은, 상기 피스톤 공간 (3) 과 상기 실린더 공간 (9) 사이의, 중공 피스톤 (2) 을 통한 적어도 하나의 구멍 (11) 을 통해 상기 실린더 공간 (9) 에 연결되고,
   상기 피스톤 공간 (3) 은 상기 초크 밸브 (12) 를 통해 상기 액추에이터 (1) 의 상기 외측에 연결되는, 탭 절환기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 액체 중에서 작동하도록 구성되어서, 가변 체적의 상기 공간 (9) 은 액체 충전되는, 탭 절환기.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 액체 충전 트랜스포머의 전환 스위치 (32) 를 이동시키도록 배치되는, 탭 절환기.
8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤 링 (7) 은 금속 재료로 이루어진, 탭 절환기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 금속 재료는 상기 실린더의 상기 내측 표면 (8) 의 재료보다 더 단단한, 탭 절환기.
10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탭 절환기가 액체 충전 트랜스포머의 스위치 (32) 를 이동시키기 위해 사용되는, 탭 절환기.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스위치 (32) 는, 제 1 위치에서, 전기 라인 (40) 을 제 1 탭 회로 (38) 에 연결시키고, 제 2 위치에서, 상기 전기 라인 (40) 을 제 2 탭 회로 (39) 에 연결시키는, 탭 절환기.
12. 전기 트랜스포머의 탭 절환기 (31) 의 액추에이터 (1) 의 속도를 제어하는 방법으로서,
    상기 액추에이터는 액체로 충전되고 또한 중심의 길이방향 축선 (13) 을 가지며, 상기 방법은,
    상기 축선 (13) 을 따라 연장되는 피스톤 (2) 의, 제 1 방향으로의, 제 1 축선방향 이동에 의해 에너지 저장 디바이스 (10) 에 에너지를 저장하는 단계로서, 상기 피스톤에 상기 에너지 저장 디바이스가 맞물리고, 상기 축선방향 이동에 의해, 상기 액체가 상기 액추에이터 내에 형성되는 공간 (9) 과 상기 액추에이터 (1) 의 외측 사이에서 강제 유동하게 되고, 상기 공간 (9) 의 체적은 상기 피스톤 (2) 의 상기 축선방향 이동에 따라 가변적인, 상기 에너지를 저장하는 단계; 및
    상기 피스톤 (2) 의 제 2 축선방향 이동을 유발하도록 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 를 해제하는 단계로서, 상기 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향으로의 상기 피스톤 (2) 의 상기 제 2 축선방향 이동으로 상기 공간 (9) 의 체적이 변하는 결과, 상기 제 2 축선방향 이동에 의해, 상기 액체는 초크 밸브 (12) 를 통해 가압되어서, 상기 피스톤의 상기 제 2 축선방향 이동의 축선방향 속도가 상기 초크 밸브에 의해 제어되는, 상기 에너지 저장 디바이스 (10) 를 해제하는 단계
    를 포함하는, 방법.

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