KR102211349B1

KR102211349B1 - 개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치

Info

Publication number: KR102211349B1
Application number: KR1020200049065A
Authority: KR
Inventors: 조현길; 홍수표; 정정호; 이승민
Original assignee: 주식회사 와이엠텍
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-02-03

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치에 있어서, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점, 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동 가능한 막대 형태의 가동 접점대, 가동 접접대의 하부에 고정되어 상기 가동 접점대와 연동하여 움직이도록 구성된 가동 요크, 및 가동 접점대의 하부에 배치되어 가동 접점대에 접촉 압력을 제공하도록 구성된 접압 스프링을 포함하는 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

Description

개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치{DC CONTACT DEVICE WITH ENHANCED SHORT CIRCUIT WITHSTAND CAPABILIATY}

본 발명은 개선된 단락 전류 내량(withstand capability) 또는 내구력을 갖는 직류 스위칭 접점 장치(contact device) 또는 릴레이 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 단락 전류 및 이상 전류 발생 시에 접점의 개리, 소손, 용착, 폭발, 떨림 등을 방지할 수 있는 보다 안전한 직류 스위치 접점 장치에 관한 것이다.

직류 접점 장치는 예컨대 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 수소 연료 전지차, 태양광 발전, 에너지 저장 장치, 급속 충전장치, 무정전 전원장치 등의 직류 수송 시스템에 사용될 수 있다.

한편, 지구 온난화 등의 환경 문제로 산업 전반에 급속하게 확대되는 리튬 이온 배터리의 사용량이 증가하고. 용량이 증대됨에 따라 배터리의 단락 부하로부터 배터리와 부하를 안전하게 전원 분리하는 방법이 요구되고 있다. 배터리는 단락 사고 등의 이상 과전류로 인한 릴레이 통전 접점의 과열, 용착, 개리로 배터리 화재로 이어지고, 배터리의 특성상 화재 진압이 어려운 관계로 큰 재산 및 인명 피해를 유발할 수 있다.

통상적으로 리튬 이온 배터리의 단락 전류는 정격 전류의 수십 배에 달하며, 배터리의 보호를 위한 안전 장치로 차단기, 퓨즈 등을 직류 고전압 릴레이 앞 단에 배치할 수 있다. 이와 같은 회로는 차단기와 퓨즈로 안전하게 차단하여 배터리의 폭발을 방지하고 안전하게 부하의 전원을 분리할 수 있다. 그러나 안전 장치의 뒷 단에 배치되는 직류 고전압 릴레이가 과전류 내량에서 견디지 못하면 안전 장치로부터의 배터리 및 부하는 보호받지 못하고 화재, 소손, 폭발 등으로 이어질 수 있다. 또한, 직류 전원은 0점이 없기 때문에 전원의 차단이 어려우며, 특히 리튬 이온 배터리의 단락 전류는 화재, 폭발 등 위험을 수반하므로 주 접점의 개, 폐는 정확히 제어되고 단락사고 등에 배터리는 안전하게 제어되어 과전류 강도의 신뢰성을 확보하는 방법이 필요하다.

이에 따라, 직류 접점 장치의 접점은 단락 전류에 견딜 수 있어야 하며, 점차 배터리 용량이 증가됨으로써 단락 용량이 더욱더 중요하게 요구된다.

KR

10-1649703

B1

본 발명은 단락 전류 및 이상 전류에 대해 접압 스프링으로 감당하기 어려운 전자 반발력으로 인한 사고를 방지하기 위한 개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전자 반발력에 대항하여 가동 접점 조립체의 가동 요크가 이상 전류에 비례하여 상측의 요크 홀더 쪽으로 강한 흡인력을 발휘하도록 하여, 단락 전류 및 이상 전류 발생 시 접점의 접촉면에서 발생하는 전자 반발력을 억제함으로써, 접점의 개리, 소손, 용착, 폭발, 떨림 등의 위험성을 줄이고, 접점의 개리로 인한 사고를 방지할 수 있는 직류 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 별도로 고정 배치되는 상측의 요크를 제거하고, 가동 접점대를 수납가능한 요크 홀더를 자성체로 구성하여 별도의 자성체를 배치하는 번거로움을 제거함으로써, 접점 장치의 원가 절감 및 생산성 향상을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 가동 접점대의 돌기 구조를 통해 가동 요크가 상측의 요크 홀더 쪽을 향하는 흡인력이 발생할 때, 가동 요크가 요크 홀더의 측면으로 흡착되는 것을 방지함으로써 흡인력의 방해 요소를 제거할 수 있는 직류 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전자석의 원리를 이용하는 접점 장치에 관한 것으로서, 전류의 흐름 방향의 접점 접촉면에 대항하여 발생하는 전자 반발력(Fr)을 주접점에 흐르는 전류(I)를 이용하여 가동 접점대가 고정 접점에 접촉하는 접촉력(F1+F2)을 향상시키는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 해결 과제들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치에 있어서, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점; 상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동 가능한 막대 형태의 가동 접점대; 상기 가동 접접대의 하부에 고정되어 상기 가동 접점대와 연동하여 움직이도록 구성된 가동 요크; 및 상기 가동 접점대의 하부에 배치되어 상기 가동 접점대에 접촉 압력을 제공하도록 구성된 접압 스프링을 포함하는 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 가동 요크는 자성체로 구성되고, 상기 가동 요크는 양 측면의 중앙으로부터 수직으로 연장된 한 쌍의 연장부를 포함하고, 상기 가동 요크의 한 쌍의 연장부는 상기 가동 접점대의 중앙의 양 측면에 고정 배치될 수 있다.

또한, 여자 코일에서 발생하는 기자력에 의해 동작하는 가동 철심; 및 상기 가동 철심과 연동하여 동작하는 샤프트 블록을 더 포함하고, 상기 샤프트 블록은 절연물로 구성된 절연 블록, 상기 절연 블록에 삽입된 샤프트 및 상기 절연 블록의 상부에 배치되고 자성체로 구성된 요크 홀더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 요크 홀더는 상부면 및 양 측면을 갖도록 U자 형태를 갖고, 상기 요크 홀더 및 상기 절연 블록 사이의 공간을 통해 상기 접압 스프링 및 상기 가동 접점대를 수납할 수 있다.

또한, 단락 전류 발생 시에 상기 가동 접점대의 하부에 고정된 상기 가동 요크와 상기 가동 요크와 대항하여 상기 가동 접점대의 상부를 감싸도록 배치된 상기 요크 홀더 사이에 발생하는 자속의 흐름에 의해 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 상부면으로 향하는 흡인력이 발생할 수 있다.

또한, 상기 가동 접점대는 양 측면의 중앙을 제외한 양 측에 4개의 돌기부를 포함하고, 상기 가동 접점대의 돌기부에 의해 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 상부면으로 향하는 흡인력이 발생할 때, 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 측면으로 흡착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 샤프트 블록은 상기 샤프트와 상기 요크 홀더가 일체형으로 인서트 사출(insert molding)되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 직류 접점 장치는 세라믹 하우징을 기반으로 상기 고정 접점을 기밀 접합하고, 직류 기밀 접점 장치 내부에 절연 기체가 봉입될 수 있다.

본 발명에 의하면, 단락 전류 및 이상 전류에 대해 접압 스프링으로 감당하기 어려운 전자 반발력으로 인한 사고를 방지하기 위한 개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 전자 반발력에 대항하여 가동 접점 조립체의 가동 요크가 이상 전류에 비례하여 상측의 요크 홀더 쪽으로 강한 흡인력을 발휘하도록 하여, 단락 전류 및 이상 전류 발생 시 접점의 접촉면에서 발생하는 전자 반발력을 억제함으로써, 접점의 개리, 소손, 용착, 폭발, 떨림 등의 위험성을 줄이고, 접점의 개리로 인한 사고를 방지할 수 있는 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 별도로 고정 배치되는 상측의 요크를 제거하고, 가동 접점대를 수납하는 요크 홀더를 자성체로 구성하여 별도의 자성체를 배치하는 번거로움을 제거함으로써, 접점 장치의 원가 절감 및 생산성 향상을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 가동 접점대의 돌기 구조를 통해 가동 요크가 상측의 요크 홀더 쪽을 향하는 흡인력이 발생할 때, 가동 요크가 요크 홀더의 측면으로 흡착되는 것을 방지함으로써 흡인력의 방해 요소를 제거할 수 있는 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 전자석의 원리를 이용하는 접점 장치로서, 전류의 흐름 방향의 접점 접촉면에 대항하여 발생하는 전자 반발력(Fr)을 주접점에 흐르는 전류(I)를 이용하여 가동 접점대가 고정 접점에 접촉하는 접촉력(F1+F2)을 향상시키는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 개로 상태를 나타내는 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 폐로 상태를 나타내는 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 접점 조립체의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트 블록의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 접점 조립체가 샤프트 블록과 결합된 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기밀 접점 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 전자 반발력(Fr), 접촉 압력(F1) 및 흡인력(F2)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 단락 전류 또는 이상 전류 시에 발생하는 흡인력을 설명하기 위해 가동 요크, 요크 홀더, 가동 접점대의 배치 관계를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이와 같은 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 기술되고, 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 개로 상태를 나타내는 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 구성 및 조립 방법을 설명하면, 보빈(10)에 코일(11)을 권선하여 코일 터미널에(12)에 전자 코일 권선부의 시작선과 끝선을 각각 연결하여 전자석을 만들고 보빈(10)의 중심부 내부 홈에 관통 코어(13)을 끼워 전자석을 만들 수 있다.

가동 접점으로서 동작하는 막대 또는 바(bar) 형태를 갖는 가동 접점대(14)가 존재하고, 샤프트(16)와 요크 홀더(29)를 인서트 사출(insert molding) 성형으로 절연 블록(15-1)과 결합하여 일체형으로 샤프트 블록(15)을 형성하고, 요크 홀더(29)의 하부는 절연물로 구성되고, 샤프트 블록(15)의 절연 블록(15-1)의 내부에 접압 스프링(18)과 가동 접점대(14) 및 가동 요크(28)로 구성된 가동 접점 조립체(19)를 수납하여 조립할 수 있다.

또한, 아크 베이스(21), 요크 프레이트(22), 요크 프레이트(22)의 중앙에 배치된 고정 철심(23), 복귀 스프링(20), 가동 철심(24)을 순서대로 조립 후 접점의 O/T(Over travel)를 조정하여 완전히 고정하여 반제품을 완성할 수 있다. 또한, 세라믹 재료로 구성된 세라믹 하우징(33)에 한 쌍의 고정 접점(30, 31)과 동시에 실드 컵(27)을 기밀 접합하고, 실드 컵(27)을 요크 프레이트(22)에 접합하여 기밀 접점 상자의 내부에 수소 등의 가스를 주체로 하는 절연 혼합 가스를 밀봉하여 직류 고전압 스위칭 장치를 완성할 수 있다.

본 발명은 밀봉형 직류 접점 스위치 장치의 전자 반발력 억제 구현방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단락 전류 등 이상 전류 발생시 접점의 접촉면에서 발생하는 전자 반발력에 대응하여 제1 고정 접점(30)에서 전류가 들어와 가동 접 점대(14)를 통과하여 제2 고정 접점(31)로 나가는 이상 전류 및 단락 전류를, 가동 접점대(14)의 중앙 하측에 고정 배치된 자성체로 구성된 가동 요크(28) 및, 접촉 압력 스프링(18) 및 가동 접점대(14)를 수납 조립할 수 있는 자성체로 구성된 요크 홀더(29)의 구조를 이용함으로써, 단락 전류 발생시 가동 접점대(14) 하부에 배치된 가동 요크(28)가 가동 접점대(14) 상부를 둘러싼 요크 홀더(29)를 향한, 즉 상측의 고정 접점(30, 31) 쪽으로 흡인력을 발휘하여 배터리 전원을 안전하게 제어하여 단락 전류로부터 배터리의 안전을 확보할 수 있다. 배터리의 안전을 위하여 보통 직류 계전기의 앞 단에 차단기, 퓨즈 등을 배치하고 있으나 회로의 보호 협조를 위하여 차단기와 퓨즈가 배터리 전원과 안전하게 차단할 때 까지는 릴레이 접점이 통전을 유지하고 있어야 하며, 접점 장치(릴레이)는 원격 제어와 계획 정지 등 회로의 구성의 필요에 따라 안전하게 제어되어야 하고, 배터리 전기 차량의 충격, 충돌로 인하여 단락 발생시 안전하게 접점의 접촉을 유지하도록 제어되어야 한다.

도 1의 접점 장치에서는 이상 전류 또는 단락 전류 발생 시에, 제1 고정 접점(30)에서 전류가 들어와 가동 접점대(14)를 지나 제2 고정 접점(31)으로 나가는 이상 전류는 가동 접점대(14)에 배치된 자성체인 가동 요크(28)를 중심으로 홀더 요크(29)로 자속이 회전 유도되고 이는 양 자성체의 공극을 통과하여 일정한 폐회로를 구성하고, 폐회로는 가동 접점대(14)의 접촉부에서 발생하는 전자 반발력에 대항하는 상측으로의 흡인력을 발생시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 폐로 상태를 나타내는 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2의 구성은 한 쌍의 고정 접점(30, 31)이 가동 접점대(14)와 접촉하는 폐로 상태를 나타내고 있으며, 그 외 구성은 도 1과 동일하다.

여자 코일(11)에서 연장된 코일 터미널(12)에 여자 코일(11)의 조작 전원을 투입하고, 전자석의 원리에 따라 가동 철심(24)이 고정 철심(23)으로 이동하고. 요크 홀더(29) 및 접압 스프링(18)의 안착과 주 접점과 절연을 목적으로 만들어진 절연 블럭(15-1)을 인서트 사출하여 일체형으로 만들고, 일체형으로 인서트 사출된 샤프트(16)는 가동 철심(24)에 고정되고, 요크 홀더(29) 내부에 가동 접점대(14)와 가동 요크(28)가 결합된 가동 접점 조립체(19)와 접압 스프링(18)이 삽통 조립될 수 있다.

코일 조작 전원을 연결하면 전자석부가 여자되고, 여자로 형성된 자속의 자로는 코일 외부를 감싸는 요크에서 가동 철심(24)으로, 가동 철심(24)에서 요크의 상측과 고정 배치된 요크 프레이트(22)의 중앙부의 고정 철심(23)으로 이동하여 자로를 형성하고, 이의 흡인력은 가동 철심(24)가 상측에 고정 배치된 고정 철심(23)으로 흡인력이 발생하여 상측으로 이동하고, 가동 철심(24)과 연동되어 샤프트 블럭(15)를 상측으로 움직여 가동 접점대(14)가 한 쌍의 고정 접점(30, 31)에 접촉하여 전기적인 연결을 한다.

반대로 여자 코일(11)에 전원을 차단하면 자속은 소멸되어 가동 철심(24)은 접압 스프링(18)의 반발력과 복귀 스프링(20)의 복귀력으로 고정 철심(23)에서 분리되고 접점의 접촉은 개리되어 전기적인 통전을 차단하게 된다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 접점 조립체의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트 블록의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 접점 조립체가 샤프트 블록과 결합된 구성을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 3a를 참조하면, 자성체로 구성된 가동 요크(28)는 양 측면의 중앙으로부터 수직 방향으로 연장된 한 쌍의 연장부를 포함하여 U자 형태를 가질 수 있으며, 가동 요크(28)의 수직 방향의 한 쌍의 연장부는 가동 접점대(14)의 중앙의 양 측면의 홈에 고정 배치되어 결합될 수 있다. 이와 같이 가동 접점대(14)와 고정 배치된 가동 요크(28)가 결합된 형태를 가동 접점 조립체(19)로 지칭한다.

또한, 가동 접점대(14)는 양 측면의 중앙을 제외한 양 측에 4개의 돌기부(14a, 14b, 14c, 14d)를 포함하고, 가동 접점대(14)는 예컨대 동 계열의 비철 재료로 구성될 수 있다. 이와 같은 가동 접점대(14)의 돌기부(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 가동 요크(28)의 연장부가 가동 접점대(14)의 중앙 양 쪽 홈 내에 고정 배치될 수 있고, 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 상부면, 즉 상측으로 향하는 흡인력이 발생할 때, 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 측면으로 흡착되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 가동 접점대(14)의 돌기 형태에 대한 보다 구체적인 설명은 도 6을 참조하여 후술할 것이다.

도 3b를 참조하면, 가동 철심(24)과 연동하여 동작하는 샤프트 블록(15)은 절연물로 구성된 절연 블록(15-1), 절연 블록(15-1)에 삽입된 샤프트(16) 및 절연 블록(15-1)의 상부에 배치되고 자성 재료나 전자 연철판 등 자성체로 구성된 요크 홀더(29)를 포함할 수 있다.

여기서, 요크 홀더(29)는 상부면 및 양 측면을 갖도록 U자 형태를 갖고, 요크 홀더(29) 및 절연 블록(15-1) 사이의 공간을 통해 접압 스프링(18) 및 가동 접점대(14)를 수납하도록 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에 의해, 단락 전류 시에 가동 접점대(14)의 중앙 하측에 배치된 가동 요크(28)는 고정 배치된 상측의 요크 홀더(29)로 흡인력을 발생시키고 U자형으로 만들어진 요크 홀더(29)는 자로의 효율을 증대하기 위해 최소의 자로의 공극으로 손실은 줄이고, 가동 접점대(14)가 고정 접점(30, 31)쪽으로 이동시 가동 접점대(14) 하측에 배치된 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 옆면으로의 흡착이나 동작에 저항을 줄 수 없도록 동계열의 비철로 만든 가동 접점대(14)의 양 측면에 돌기부(14a, 14b, 14c, 14d)의 구조를 통해 요크 홀더(29)로의 흡착을 방지할 수 있다. 또한, 샤프트 블록(15)은 절연물로 구성된 절연 블록(15-1)에 샤프트(16)와 요크 홀더(29)가 일체형으로 인서트 사출(insert molding)되어 형성될 수 있다.

도 3c를 참조하면, 샤프트 블록(15) 내에 가동 접점 조립체(19)가 수납되어 배치된 모습을 확인할 수 있다

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기밀 접점 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기밀 접점 장치는 세라믹 하우징(33)과 세라믹 하우징(33)의 상측에 한 쌍의 고정 접점(30, 31)이 배치되고, 세라믹 하우징(33)의 하부에 실드 컵(27)이 기밀 접합되며, 실드 컵(27)은 요크 프레이트(22)에 기밀 접합되어 형성될 수 있다.

가동 접점 조립체(19), 샤프트 블록(15), 가동 철심(24), 고정 철심(23)은 실린더(32)에 의해서 접점 장치가 기밀 공간에 배치되고. 이 기밀 공간은 내부의 진공 후 수소와 같은 전기 절연성 아크 소호 가스로 밀봉되어 외부의 외기와 완전히 차단될 수 있다. 이와 같이, 세라믹 하우징(33)을 기반으로 고정 접점(30, 31)이 기밀 접합되고 기밀 접점 장치 내부에 절연 기체를 봉입하고, 아크의 유도를 위해 영구 자석(25)으로 접점의 내, 외부에 자계를 걸어 아크를 유도하고 아크의 확산을 목적으로 하는 직류 고전압 접점 장치를 제조할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 전자 반발력(Fr), 접촉 압력(F1) 및 흡인력(F2)를 설명하기 위한 도면이다.

도 5의 좌측 도면을 참고하면, 접점을 통해 전류가 흐를 때, 전류의 흐름 방향의 접점 접촉면에 대항하여 전자 반발력(Fr)이 발생하며, 이와 같은 전자 반발력(Fr)은 전류(I)의 크기에 비례하여 단락 전류 등 이상 전류가 발생할 때 전자 반발력(Fr)으로 인해 한 쌍의 고정 접점(30, 31)에 접촉되어 통전시키는 가동 접점대(14)의 접촉부의 개리, 용착, 소손, 폭발, 떨림 등으로 사고가 발생할 수 있다.

정상 전류에서는 가동 접점대(14)의 하부에 배치된 접압 스프링(18)의 접촉 압력(F1)만으로 전자 반발력(Fr)을 억제할 수 있으나, 단락 전류 발생시는 전자 반발력을 접압 스프링(18)의 접촉 압력(F1)만으로 억제할 수 없다. 이를 억제하기 위해서는 전자석의 용량을 키워 접촉 압력 스프링의 압력을 증대하여 해결할 수 있으나, 이는 제품이 대형화로 이어지고 소비전력과 무게의 증가로 전기차량 및 신재생에너지 전원 제어에 부적합하다. 또한 현재의 구조로 접촉 압력 스프링을 배치하면 이상 전류 및 단락 부하 사고시 접점의 개리로 과열, 용착, 화재, 폭발의 위험이 발생할 수 있다.

도 5의 우측 도면을 참고하면, 본 발명에 따른 직류 접점 장치는 가동 접점대(14)가 한 쌍으로 배치된 제1 고정 접점(30)과 제2 고정 접점(31)에 접촉하여 회로를 폐로하는 구조에서, 이상 과전류 및 단락 부하 발생시 가동 접점대(14)의 중앙에 배치된 가동 요크(28)가 자화되고, 가동 요크(28)의 자화로 인해 요크 홀더(29)쪽으로 흡인력(F2)이 발생함으로써, 전류(I)의 크기에 비례하는 전자 반발력(Fr)을 상쇄하고, 리튬 이온 배터리의 단락 부하로부터 배터리의 전원을 안전하게 유지하고 보호할 수 있다. 여기서, 흡인력(F2)은 가동 접점대(14)에서 한 쌍의 고정 접점(30, 31)의 접촉부(40a, 40b)를 향하여 발생하고, 이 흡인력(F2)은 전자 반발력(Fr)을 일으키는 접촉부(40a, 40b)에 대항하여 밀어주는 힘으로 작용하여 전자 반발력(Fr)에 의한 가동 접점대(14)의 개리를 방지할 수 있다.

이와 같이, 가동 접점대(14) 하부를 감싸는 구조의 자성체로 만든 가동 요크(28)를 통해 단락 전류 통과시 가동 접점대(14) 주위에 자기장이 발생하고 외부를 감싸는 가동 요크(28)와 요크 홀더(29)로 자속이 회전하여 고정 접점(30, 31)의 접촉면 쪽으로 흡인력이 발생하여 고정 접점(30, 31)과 가동 접점대(14)의 접촉면에서 발생하는 전자 반발력을 억제할 수 있다.

또한, 전류의 흐름 방향의 접점 접촉면에 대항하여 발생하는 전자 반발력(Fr)을 주접점에 흐르는 전류(I)를 이용하여 가동 접점대(14)가 고정 접점(30, 31)에 접촉하는 접촉력을 F1(접촉 압력) + F2(흡인력)으로 향상시킴으로써, 이상 과전류 및 단락 부하로부터 전자 반발력(Fr)을 극복할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 접점 장치의 단락 전류 또는 이상 전류 시에 발생하는 흡인력을 설명하기 위해 가동 요크, 요크 홀더, 가동 접점대의 배치 관계를 도시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 즉, 단락 전류 등 이상 전류 발생 시에 가동 접점대(14) 하부에 고정된 가동 요크(28)와 가동 요크(28)와 대항하여 가동 접점대(14)의 상부를 감싸도록 배치된 요크 홀더(29) 사이에 발생하는 자속의 흐름에 의해 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 상부면, 즉 고정 접점(30, 31) 방향으로 향하는 흡인력이 발생한다. 도 6에서와 같이, 가동 접점대(14)의 길이 방향으로 바라보면, U자형 요크 홀더(29)의 내부 공간에 가동 요크(28) 및 가동 접점대(14)를 포함하는 가동 접점 조립체(19)가 수납되어 배치됨을 알 수 있따.

또한, 비자성체인 가동 접점대(14)의 양 측에 4개의 돌기부(14a, 14b, 14c, 14d)를 통해 요크 홀더(29)와 간극을 유지하며, 단락 전류 통과시 가동 접점 조립체(19)를 중심으로 회동하는 자속이 하측에 고정 배치된 가동 요크(28)를 지나 요크 홀더(29)로 직선 방향으로 흡인력(F2)을 유도하는 역할로 접점이 개리하지 않게 된다.

또한, 가동 접점대(14)의 돌기부(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 상부면으로 향하는 흡인력이 발생할 때, 가동 요크(28)가 요크 홀더(29)의 양 측면으로 흡착을 막아 흡인력에 방해를 받지 않도록 해줄 수 있다. 또한, 가동 접점대 조립체(19)의 하측에 배치된 가동 요크(28)와 요크 홀더(29)의 공극을 최소화시켜 자속에 의한 히스테리시스 손실을 최소화할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 이상 과전류 및 단락 부하로부터 안전하게 배터리와 부하를 보호하고 배터리의 전원은 단락 부하로부터 안전하게 분리하고 계획된 전원을 제어하여 인버터, 전기차, 충전기, ESS 및 직류 전원 배터리 제어용으로 적합하게 설계 가능하다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

10: 보빈 11: 코일
12: 코일 터미널 13: 관통 코어
14: 가동 접점대 14a, 14b, 14c, 14d: 돌기부
15: 샤프트 블록 15-1: 절연 블럭
16: 샤프트 17: 영구 자석 홀더
18: 접압 스프링 19: 가동 접점 조립체
20: 복귀 스프링 21: 아크 베이스
22: 요크 플레이트 23: 고정 철심
24: 가동 철심 25: 영구 자석
26: 고정 접점 27: 실드 컵
28: 가동 요크 29: 요크 홀더
30: 제1 고정 접점 31: 제2 고정 접점
32: 실린더 33: 세라믹 하우징

Claims

개선된 단락 내량을 갖는 직류 접점 장치에 있어서,
직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점;
상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동 가능한 막대 형태의 가동 접점대;
상기 가동 접접대의 하부에 고정되어 상기 가동 접점대와 연동하여 움직이도록 구성된 가동 요크; 및
상기 가동 접점대의 하부에 배치되어 상기 가동 접점대에 접촉 압력을 제공하도록 구성된 접압 스프링을 포함하고,
상기 가동 요크는 자성체로 구성되고, 상기 가동 요크는 양 측면의 중앙으로부터 수직으로 연장된 한 쌍의 연장부를 포함하고, 상기 가동 요크의 한 쌍의 연장부는 상기 가동 접점대의 중앙의 양 측면에 고정 배치되는 것이고,
상기 직류 접점 장치는 여자 코일에서 발생하는 기자력에 의해 동작하는 가동 철심; 및 상기 가동 철심과 연동하여 동작하는 샤프트 블록을 더 포함하고,
상기 샤프트 블록은 절연물로 구성된 절연 블록, 상기 절연 블록에 삽입된 샤프트 및 상기 절연 블록의 상부에 배치되고 자성체로 구성된 요크 홀더를 포함하고,
상기 요크 홀더는 상부면 및 양 측면을 갖도록 U자 형태를 갖고, 상기 요크 홀더 및 상기 절연 블록 사이의 공간을 통해 상기 접압 스프링 및 상기 가동 접점대를 수납하는 것이고, 상기 가동 요크의 한 쌍의 연장부는 상기 요크 홀더의 내부 공간 내에 배치되고,
단락 전류 발생 시에 상기 가동 접점대의 하부에 고정된 상기 가동 요크와 상기 가동 요크와 대항하여 상기 가동 접점대의 상부를 감싸도록 배치된 상기 요크 홀더 사이에 발생하는 자속의 흐름에 의해 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 상부면으로 향하도록 흡인력이 발생하는 것인, 직류 접점 장치.
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제1항에 있어서, 상기 가동 접점대는 양 측면의 중앙을 제외한 양 측에 4개의 돌기부를 포함하고, 상기 가동 접점대의 돌기부에 의해 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 상부면으로 향하는 흡인력이 발생할 때, 상기 가동 요크가 상기 요크 홀더의 측면으로 흡착되는 것을 방지하는 것인, 직류 접점 장치.
제1항에 있어서, 상기 샤프트 블록은 상기 샤프트와 상기 요크 홀더는 일체형으로 인서트 사출(insert molding)되어 형성되는 것인, 직류 접점 장치.
제1항에 있어서, 상기 직류 접점 장치는 세라믹 하우징을 기반으로 상기 고정 접점을 기밀 접합하고, 직류 기밀 접점 장치 내부에 절연 기체가 봉입되는 것인, 직류 접점 장치.