KR102574587B1 - 전자석 접점 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 보빈에 권선되는 코일, 코일에 의하여 축 방향으로 구동되는 가동 코어, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점, 가동 코어와 연동되어 동작하고, 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 상하로 왕복으로 이동 가능한 가동 접점대, 자성체로 구성되고 코일의 외부의 적어도 일부를 감싸도록 구성된 요크, 요크의 상측에 고정 배치된 요크 플레이트, 자성체로 구성되고 보빈의 중앙부를 관통하여 요크에 의해 고정 배치되는 고정 코어, 및 고정 코어의 상측에 배치되는 링 형태의 영구 자석을 포함하고, 코일에 의해 발생하는 자속과 영구 자석에 의해 발생하는 자속에 의하여 가동 코어의 흡인력을 증가시키는 것인, 전자석 접점 장치를 제공할 수 있다.

Description

전자석 접점 장치{ELECTROMAGNET CONTACT DEVICE}

본 발명은 전자석 접점 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전자석의 자속과 영구 자석의 자속을 합하여 가동 코어의 흡인력을 개선하기 위한 구조를 갖는 전자석 접점 장치에 관한 것이다.

직류 스위치 접점 장치는 배터리 에너지를 이용하는, 전기 차량, 완속 충전, 급속 충전장치 등의 직류 수송 시스템에 사용될 수 있다. 최근 에너지 저장장치, 전기 버스, 급속 충전 시스템은 배터리 화재 등으로 고 신뢰성을 요구하고 있다. 접점의 접촉 신뢰성은 인간의 생명과 안전을 제공하고, 배터리 시스템의 정확한 제어로 안전을 확보하기 위해 매우 중요하다.

직류 스위치 접점 장치는 최근 통전 전류의 증대에 따라 제품이 커지고. 가동 접점대의 접촉부가 고정 접점 접촉부와 접촉되는 접촉 신뢰성이 요구되며, 배터리의 단락에 대비된 접점장치가 필요하다. 전기차량에 적용하기 위해서는 성능과, 안전성, 크기, 무게, 조작 소비전력 등 많은 제약 조건이 따른다. 단락 전류에 의한 접점간의 전자 반발력은 접점의 접촉압력 스프링의 압축력보다 큰 반발력을 가지며. 코일의 여자 전류에 의한 전자석의 흡인력이 단락으로 인한 전자 반발력으로 접촉압력 스프링의 한계를 벗어나 접점의 개로를 만들어 제품의 소손과 폭발, 화재 등 전기적인 안전장치의 보호협조를 어렵게 만든다.

이러한 문제로 코일의 여자력을 키우고 접점의 접촉압력을 키워 접점의 접촉 압력 스프링의 증대시키기 위해 여자 코일의 소비 전력을 증대시켜 가동 철심의 흡인력을 키워고 접촉압력 스프링을 증대하는 비효율적인 제품을 사용하게 된다.

일반적인 직류 릴레이의 접점 장치에 있어서 코일의 전자석을 이용하여 코일에 전기를 인가하면 전자석의 여자로 가동 코어가 축 방향으로 이동하고, 가동 코어와 일체로 연결된 샤프트 핀에 가동 접점대를 연동하여 가동 접점대가 상, 하로 왕복 이동하면서 가동 접점과 고정 접점이 접촉하여 전기적인 회로를 연결하고 여자 코일에 전원을 차단하면 고정 접점에 접촉되어 있던 가동 접점대는 축 방향의 아래쪽으로 압축된 복귀 스프링의 복원으로 복귀하여 전기적인 회로를 차단할 수 있다.

종래의 직류 접점 장치는 보빈에 코일을 감아 전자석을 만들고 자성체로 만들어진 가동 코어, 고정 코어에 영구 자석을 배치하거나, 또는, 영구 자석의 자극면에 자성체의 보조 요크를 만들어 고정 코어와 가동 코어의 중앙부에 영구 자석을 배치하여 영구자석의 누설 자속이 발생했다. 또한, 고정 코어와 가동코어의 사이에서 일정한 거리(gap)를 두고 축방향으로 왕복 운동하는 가동 코어와 일정한 간격을 두고 배치하는 링 형태의 영구 자석의 자속이 최적의 효율이 발휘되지 못했다. 또한, 코일로 만들어진 전자석과 영구 자석에서 발생하는 자속의 합성 자속으로 사용 누설 자속이 많고 사용 부품수와 작업공수 증가 문제점을 안고 있다.

또한, 가동 코어의 흡인력을 키우기 위해 1차 코일과, 2차 코일을 같은 보빈에 감아 1차는 동작시 짧은 시간에 많은 전류를 흘려 가동 철심을 동작시키고 가동 철심이 고정 철심에 흡착되면 유지할 수 있는 전류만 2차 코일이 담당하고 1차 코일은 차단시킨다. 이러한 1, 2차 코일을 구현하기 위해 전자부품을 사용하거나 보조 유접점을 사용하여 절환시키거나 에너지 저감을 위해 PWM(Pulse Width Modulation)전자 부품으로 구성된 제어 소자를 사용하기도 한다.

또한, 최근에는 전기 차량용 고전압 릴레이의 크기를 콤택트(Compact)한 사이즈(Size)와 안전성을 확보하기 위하여 기밀 접점 상자에 접점 장치를 만들고 접점 개폐 시 아크가 외부로 방출되는 것을 차단하는 기밀 접점 장치가 요구되고 있다. 이에 따라 배터리의 화재나 신재생 에너지 장치의 보호를 위하여 기밀 접점 장치 내부에 절연 가스를 밀봉하고 아크 구동용 영구 자석을 이용하여 아크의 빠른 유도와 냉각, 확산으로 차단이 용이한 구조로 개발되고 있다.

종래의 접점 장치의 전자석은 흐르는 정격 전류에 따라 제품을 키우고 내부에 배치되는 여자 코일의 크기를 키워 가동 코어의 동작과 흡인력을 증가시키는 방법으로 제작되고 사용되었다.

또한, 가동 접점대의 체적과 접촉 압력을 증대하기 위해 고정 코어, 보빈, 가동 코어 등이 접점대에 흐르는 전류에 따라 비례하여 키워야 하므로 가동 코어의 상, 하 왕복 운동으로 인한 여자 전류를 키우는 방법의 접점 장치를 사용하여 왔다.

이에 따라 영구 자석과 전자석의 효율적인 배치 구조를 통해 최대의 합성 자속을 구현하여 전체적인 제품의 크기를 줄이고 소비전력을 줄이는 경제적인 새로운 접점 장치의 구조가 요구된다.

일본 공개 특허 제2020-087567호(2018.11.19) 일본 등록 특허 제3182510호(1997.06.18) 일본 등록 특허 제2771780호(1995.01.05)

본 발명은 전자석의 소형화와 소비전력의 저감의 방법으로 여자 코일의 자속과 영구 자석의 자속을 병행하여 합성 자속으로 더욱 강력한 가동 코어의 흡인력을 확보할 수 있는 소형화된 전자석 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 코일에 정격전압을 인가하여 코일에서 발생하는 자속과 영구 자석의 자속을 합하여 가동 코어의 동작에 합성 자속을 이용하고, 가동 코어의 초기 흡인력과 가동 코어의 동작 후 유지력을 증대시킬 수 있으며, 소비전력을 저감하며 크기를 축소하고 흡인력이 증가된 여자 코일의 전자석과 영구 자석의 전자석 장치를 소형화시키고 전자석의 자속 Φ1과 영구자석의 자속 Φ2의 합성 자속을 효과적으로 이용하는 접점 장치의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리의 충전과 방전시에 사용되는 접점 장치에 있어서, 고정 접점과 가동 접점대의 접촉력을 증대시켜 통전하는 접점대의 체적을 키워 용량을 증가시킬 수 있고, 이는 접촉압력을 유지하는 접촉압력 스프링의 압축력을 키울 수 있으며 접촉압력의 증대로 배터리의 단락으로 인한 접촉 상호간에서 발생하는 반발력을 억제할 수 있는 접점 장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 조립된 고정 코어의 상측 단부에 원형의 링 모양의 영구자석을 삽입하여 요크 플레이트에 흡착시키고, 상부에 자성체의 원형 판 형태의 와셔를 붙여 조립하고 요크 플레이트는 요크의 좌, 우측에 끼우고 요크의 절곡으로 요크 플레이트를 고정하여 전자석과 영구 자석의 자속을 중첩하는 큰 흡인력을 발생하는 접점장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 신재생 에너지, 전기차량, 직류 전원제어, 배터리 전원제어 등에 적용 가능한 고전압 유 접점 스위치 장치에 포함된 기밀 접점 장치에서 통전 전류에 비해 경제적인 소비전력과 체적을 최소화시켜 전동차의 주행 연비를 줄이는 구조를 갖는 접점 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, 보빈에 권선되는 코일; 상기 코일에 의하여 축 방향으로 구동되는 가동 코어; 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점; 상기 가동 코어와 연동되어 동작하고, 상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 상하로 왕복으로 이동 가능한 가동 접점대; 자성체로 구성되고 상기 코일의 외부의 적어도 일부를 감싸도록 구성된 요크; 상기 요크의 상측에 고정 배치된 요크 플레이트; 자성체로 구성되고 상기 보빈의 중앙부를 관통하여 상기 요크에 의해 고정 배치되는 고정 코어; 및 상기 고정 코어의 상측에 배치되는 링 형태의 영구 자석을 포함하고, 상기 코일에 의해 발생하는 자속과 상기 영구 자석에 의해 발생하는 자속에 의하여 상기 가동 코어의 흡인력을 증가시키는 것인, 전자석 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 영구 자석은 상기 축 방향으로 착자면을 갖는 것일 수 있다.

또한, 상기 영구 자석은 상기 고정 코어의 상측 단면에 부착되는 것일 수 있다.

또한, 상기 영구 자석의 상층부에 자성체로 구성된 판 형태의 와셔가 부착되는 것일 수 있다.

또한, 상기 요크, 상기 고정 코어, 상기 영구 자석, 상기 와셔 및 상기 요크 플레이트 사이의 공극이 없이 자속의 폐회로를 구성하는 것일 수 있다.

본 발명에 의하면, 전자석을 이용하는 스위치를 원격에서 제어할 수 있는 접점 장치에 관한 것으로서, 배터리의 충전과 방전시에 사용되는 스위치 접점 장치의 여자코일 및 여자 코일과 영구 자석을 최적으로 조합하여 가동 코어의 흡인력을 향상시켜 접점의 접촉 압력을 증대시키고 소비전력을 최소화시킨 접점 장치로서, 전자석과 영구 자석의 자속을 이용하여 코일의 전원에 의해 동작하는 가동 접점은 조작 코일의 저 소비전력으로도 증가된 흡인력을 접점의 접촉 압력으로 연결시켜 접점의 접촉 신뢰성과 접점에 흐르는 전류의 증대를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고정 코어의 상측 단면에 링 형태의 영구 자석을 흡착 결합시켜 영구 자석의 누설 자속이 감소되고, 코일과 영구 자석으로 구성된 동작 흡인력이 증가된 접점의 접촉 압력을 증가시킨 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 직류 전원으로 코일부를 조작하는 여자 코일과 영구 자석의 극성이 동일한 방향으로 배치되야 하며 여자 코일의 전원은 내부에 배치된 영구 자석의 극성으로 인하여 전류의 방향성을 갖는 접점 장치로 코일에서 인출된 단자의 극성을 반대로 전원을 입력시 동작하지 않은 접점 장치를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 여자 코일에 전원이 인가되면 고정 코어에서부터 내부의 가동 코어로, 가동 코어에서 요크 플레이트로, 요크 플레이트에서 요크의 좌, 우측으로 자속이 루프를 형성하고 폐회로 되어 가동 코어에 인력의 흡인력을 최대한 발휘할 수 있고, 이때 일부의 자속은 영구 자석의 N극에서 출발하여 가동 코어, 요크 플레이트, 영구 자석의 S극으로 자기 폐회로의 루프를 형성하여 가동 코어의 요크 플레이트에 대한 흡착 유지력을 배가시킬 수 있는 접점 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 구성을 설명하기 위한 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 여자 코일부와 영구자석의 구성 및 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 여자 코일과 자속의 합성력을 발휘하는 영구 자석을 포함한 전자석의 조립순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 고정 코어의 축 방향 단부에 배치된 영구 자석과 영구 자석 축 방향 영구 자석의 자력으로 흡착되고, 자성체로 만든 판 와셔를 부착하고 요크 플레이트를 요크에 고정된 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석의 자속 Φ1과 영구 자석 Φ2의 자속을 가동 코어의 동작 거리에 따른 합성 자속의 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 코어가 코일의 여자 전류에 의해 생성되는 자속 Φ1과 영구 자석의 자속 Φ2의 합성 자속의 폐회로 루프를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 코일에 전원이 인가되기 전의 영구 자석에 의한 자속 Φ2 분포의 폐회로 루프를 나타내는 도면이다.
도 8은 코일에 전원이 인가된 초기 상태의 영구 자석이 없는 전자석의 자속에 의한 자속 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 코일에 전원을 인가하여 코일부의 자속 Φ1과 영구 자석의 자속 Φ2가 합성되어 흡인력이 배가된 자속 분포를 나타내는 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 구성을 설명하기 위한 조립도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 여자 코일부와 영구 자석의 구성 및 동작을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 접점 장치의 조립 과정을 살펴보면, 보빈(01)에 코일(02)을 권선하여 코일 터미널(21)에 전자 코일 권선부의 시작선과 끝 선을 각각 전기적으로 연결하여 전자석을 만들고, 보빈(01)의 중심부 내부 홈에 요크(06)의 중앙부에 일체형으로 고정 배치된 고정 코어(22)를 코일이 감긴 보빈(01)의 하부 중앙에 끼울 수 있다. 여기서, 고정 코어(22)는 보빈(01)의 중심을 통과하는 속이 빈 원통형 파이프 구조로서 자성체로 구성될 수 있다.

고정 코어(22)의 상하 방향인, 축 방향 상측의 단면부(22-a)에 링 형태의 영구 자석(03)을 붙이고, 영구 자석(03)의 축 방향 상측 자극면인 S극(03-a)에 자성체로 만들어진 판 형태의 와셔(washer)(04)를 부착 조립할 수 있다. 여기서, 영구 자석(03)의 상부면이 S극(03-a), 하부면이 N극(03-b)로서 영구 자석은 고정 코어(22) 및 가동 코어(08)의 축 방향으로 착자면을 갖는 것일 수 있다. 또한, 영구 자석(03)은 다양한 종류의 영구 자석을 사용가능하며, 예를 들어 페라이트계 또는 희토류계 등 다양한 재료의 영구 자석을 포함할 수 있다. 또한, 영구 자석은 원형이 아닌 각형, 반원형, 여러 조각으로 만들어지고 고정 코어(22)의 축 방향 상측 단부에 영구 자석의 자력에 의해 흡착되고 실린더(07)를 감싸는 형태로 형성될 수 있다.

또한, 영구 자석의 축방향 극성은 전자석의 전류 방향을 바꾸면 N극과 S극의 방향이 바뀌어도 괜찮다.

이때 영구 자석(03)은 고정 코어(22)의 축 방향 상측면에 공극이 없이 완전히 밀착되고 자력에 의해 흡착시켜 길이를 연장하고, 영구 자석(03)의 상층부에 자성체로 만들어진 판 와셔(04)를 부착함으로써, 영구 자석(03)의 누설 자속을 막을 수 있다.

여기서, 요크(06)는 자성체로 구성되고 코일(02)의 외부의 적어도 일부를 감싸도록 구성되며, 요크 플레이트(05)는 요크(06)의 상측에 고정 배치될 수 있다. 또한, 요크 플레이트(05)와 요크(06)는 요크(06)의 좌측(06a), 우측(06-b)에 요크 플레이트(05)를 끼워서 가공으로 고정 완성할 수 있다. 요크(06)는 자성체 금속으로 구성되며, 예컨대 하부면과 양쪽 측면 판을 포함하는 U자 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 구성 및 조립으로 영구 자석이 포함된 여자 코일 조작부 코일을 완성할 수 있다. 이와 같이, 자성체로 구성된 U자 형태의 요크(06)의 하면 중심부에 원형 홈을 만들고 홈에 고정 코어(22)를 밀착 고정시켜 요크 조립체를 완성할 수 있으며, 요크 조립체는 보빈(01)에 코일(02)을 감고 코일의 권선 시작선과 끝선을 코일 터미널에 납땜, 용접 등으로 전기적인 연결을 하고 고정 코어(22)를 보빈(01)의 중심부의 관통 홈에 끼워 요크(06)에 조립할 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 영구 자석(03)이 고정 코어(22)에 부착되고 기밀 접점 장치의 실린더(07)의 내부에 배치된 가동 코어(08)는 중앙부를 관통하여 샤프트 핀(08)이 고정 배치될 수 있다. 샤프트 핀과 가동 접점대 홀더(09)를 결합하여 플라스틱 수지로 인서트 사출된 가동 접점대 몰드(10)으로 고정하고 인서트 사출로 만들어진 가동 접점대 몰드(10)의 상측에 위치한 접압 스프링 안착 돌기(10-a)에 접압 스프링(11)이 끼워지고 스프링을 압축하여 가동 접점대(12)의 하측 돌기부에 접압 스프링(11)을 일체화시켜 조립할 수 있다. 가동 접점대 홀더(09)는 전체적으로 ∩자 형태를 가질 수 있고, 양 측면에 볼록하게 곡면으로 R형상으로 돌출된 슬라이딩(11-a)부를 포함할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 양 측면 하단에 한 쌍의 슬라이딩(11-b)부를 포함하거나, 또는 상단, 하단에 각각 형성된 두 쌍의 슬라이딩 부와 ∩형태의 상측에 판을 복수로 겹쳐서 배터리 단락시 접촉 접점에서 발생하는 전자 반발력에 대응하여 접점의 흡인력을 증대시키는 방법을 포함하는 것도 가능하다.

또한, 가동 접점대 수납부(09)의 ∩자 형태의 가동 접점대 홀더(09)에 수납된 접압 스프링(11)과 가동 접점대(12)는 이탈이 방지되도록 ∩자 형태의 가동 접점대 홀더(09)에 구속되고 상하의 접촉압력 O/T(Over travel)만큼 축 방향으로 작동되고, 고정 접점(13)에 접촉시 O/T 만큼 가동 접점대(12)는 접압 스프링(11)을 압축하며 밀고 올라가고 압축 스프링의 압축의 힘은 고정 접점(13)과 가동 접점대(12)의 접촉부에서 접촉 압력으로 발생하게 된다. 여기서, 가동 접점대 홀더(09)는 자성체 금속 재료로 구성될 수 있으며, 돌출된 곡면 형태의 슬라이딩부의 구조를 통해 아크 베이스(14)에 형성된 가이드 편(15)의 노출면과 슬라이딩을 통해 상하로 이동할 수 있는 구조를 가질 수 있다.

또한, 가동 접점대 수납부(09)가 고정된 요크 플레이트(05)의 하부는 기밀 접점 장치의 실린더(07)가 기밀 용접으로 고착 배치할 수 있다.

이러한 기밀 접점 장치의 내부가 완성되면 세라믹 하우징(16)의 하부에 고착된 실드 컵(17)의 플랜지(flange)를 요크 플레이트(05)와 수소 혼합가스 분위기에서 기밀 용접으로 내부와 외부를 차단하고 기밀 접점장치 내부는 절연 가스가 충진 된 기밀 접점 장치를 만들 수 있다.

또한, 기밀 접점 장치는 실린더 부분을 요크(06)에 조립된 코일 보빈(01)의 중앙 홈에 끼우고 요크(06)와 요크 플레이트(05)를 요크(06)에 일체화로 만들어진 한 쌍의 돌기부(06-a, 06-b)와 요크 플레이트(05)는 코킹(caulking)으로 고정될 수 있다.

또한, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점(13)의 좌, 우측의 세라믹 하우징(16)의 세로 방향에 한 쌍의 아크 소호용 영구 자석(18)을 배치하고, 아크 소호용 영구 자석 홀더(19)로 아크 소호용 영구 자석(18)을 폐회로 시켜 외부로의 누설 자기장을 감소시키고, 한쌍의 아크 유도용 영구 자석(18)을 배치하여 접점의 개폐로 인한 아크는 가동 접점대(12)의 대각 방향으로 아크를 유도하고 신장시켜 아크를 소호하는 방법으로 아크 소호용 영구 자석이 배치할 수 있다.

본 발명의 이와 같은 구성에 따르면, 직류 접점 장치에서 저 소비전력을 구현하는 여자 코일(02)에서 발생하는 자속과 고정 철심(22)의 상측에 부착된 영구 자석(03)의 자속을 이용하여 배가된 자속으로 가동 코어에 흡인력을 증가시켜 제품의 경량화를 구현하는 절연가스를 밀봉 기밀한 경제형 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하여 접점 장치의 동작을 설명하면, 여자 코일(02)에서 연장된 코일 터미널(21)에 코일 조작 전원을 인가(on)하면 전자석의 원리에 따라 고정 코어(22)에서 가동 코어(08)로 전자석의 자속이 흐르고, 이와 별도로 고정 코어(22)에서 시작한 자속은 영구 자석(03)으로 흐르고, 또한 영구 자석(03)에서 가동 코어(08) 쪽으로 이동하고 결국은 2개의 자속 Φ1과 Φ2가 합쳐져 자기 흡인력을 배가 시켜 동작하고 가동 코어(08)가 동작을 멈추는 상태인 요크 플레이트와 맞닿은 순간 코일(02)에 의해 전자석에서 발생하는 Φ1 자속은 고정 코어(22)와 가동 코어(08), 요크 플레이트(05), 요크(06)의 순서로 폐회로를 구성하고, 영구 자석(03)에서 발생하는 Φ2 자속은 영구 자석(03)의 안쪽 방향으로 영구 자석(03)의 N극(03-b)에서 출발하여 가동 코어(08), 요크 플레이트(05)를 지나 영구 자석(03)의 S극(03-a)으로 폐회로시킬 수 있다.

한편, 코일(02)의 조작 전원을 오프(off)하면 위의 동작과 반대로 가동 코어(08)은 고정 코어(22)으로부터 복귀 스프링(20)에 의해 이격하여 하부로 이동하고, 이때 가동 접점대(12)과 연동된 가동 코어(08)이 아래쪽으로 이동하여 접점의 전기적인 접촉은 개로 상태로 변경될 수 있다.

이와 같은 개로 및 폐로 상태의 동작에 의해, 주 접점인 고정 접점(13) 및 가동 접점대(12)의 접촉부로부터 접촉이 분리될 수 있다.

도 3는 여자 코일과 자속의 합성력을 발휘하는 영구 자석을 포함한 전자석의 조립 순서를 설명하기 위한 도면이다.

도 3를 참조하면, 요크(06)와 일체로 결합되고 요크 플레이트(05)의 하부를 고착시키는 고정 코어(22)의 축 방향으로 상측에 원형 링의 영구 자석(03)이 부착되도록 배치할 수 있다. 이때, 영구 자석(03)의 극성은 축 방향으로 착자되고 배치된다. 영구 자석(03)의 상측에는 자성체의 판 형태의 와셔(04)를 요크 플레이트(05) 사이에 끼워 영구 자석(03)의 누설 자속을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 고정 코어(22)가 요크(06)의 하부에 고착되고 여자 코일부의 보빈(01) 중앙 관통부를 끼워 조립하고 고정 코어(22)의 상부에 영구 자석(03)을 배치하고, 판 형태의 와셔(04), 요크 플레이트(05)를 요크(06)의 좌, 우측에 안착하여 코킹(Caulking) 등으로 고정할 수 있다.

도 4는 고정 코어의 축 방향 단부에 배치된 영구 자석과 영구 자석 축 방향 영구 자석의 자력으로 흡착되고, 자성체로 만든 판 와셔를 부착하고 요크 플레이트를 요크에 고정된 형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 영구 자석(03)의 조립 순서의 또 다른 방법으로 절연가스가 기밀 밀봉된 접점장치의 실린더(07)부에 자성체의 판 와셔(04)를 끼우고 영구 자석을 조립하여 보빈의 중앙부에 끼워 요크 플레이트(05) 좌, 우측 가장자리를 요크(06)의 홈(06-a, 06b)부위에 안착시켜 코킹(caulking)으로 고정 배치한 형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 세라믹 하우징(16)에 고정 접점(13), 실컵(17), 요크 플레이트(05), 실린더(07)를 외부와 기밀 용접하고 내부에 절연가스를 충진 접점 장치의 실린더(07)부의 상측에 판 와셔(04), 영구 자석(03)을 끼우고 보빈(01)의 중앙 관통 구멍에 끼워서 조립할 수 있다.

이러한 접점장치 조립체는 절연가스가 밀봉된 접점장치의 실린더(07)부위를 보빈(01)의 중앙부에 끼워 U자 형태의 요크(06)의 양쪽 측면의 좌측 돌기(06-a), 우측 돌기(06-b)의 단차의 홈 부위에 끼우고 안착시키고, 요크(06)의 돌기(06a, 06b) 부위를 코킹(Caulking)으로 고정시킬 수 있다.

또한, 예컨대 영구 자석(03)과 판 와셔(04)는 요크 플레이트(05)에 흡착되여 이탈이 방지되면 실린더(07)의 외부에 끼워서 조립되므로 접점 장치를 세워서 보빈(01)의 중앙에 끼울 때 조립품이 틀어지거나 이탈할 염려가 없다는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석의 자속과 영구 자석의 자속을 가동 코어의 동작 거리에 따른 합성 흡인력을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 5a를 참조하면, 가동 코어(08)와 요크 플레이트(05)의 간격인 동작 거리(d)가 3.0mm일 때 8.3(Nm), 2.5mm일 때 11.5(Nm), 2.0mm일 때 16.1(Nm), 1.5mm일 때 22.1(Nm), 1.0mm일 때 32.8(Nm), 0.5mm일 때 58.3(Nm), 0.05mm일 때 153.7(Nm)로서, 가동 코어(08)이 요크 플레이트(05)에 근접할수록 강력한 합성 자속을 만들어 접촉 압력을 증대시키고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 영구 자석(03)의 체적을 조정하여 최적의 흡인력을 만들 수 있다. 이는 전자석의 누설 자속과 영구 자석(03)의 누석 자속을 최소화할 수 있도록 고정 코어(22)의 상측 단면(22-a)에 영구 자석(03)을 배치함으로써 가능하며, 전자석과 영구 자석(03)을 병행하여 사용하는 여자 코일부 전자석의 체적을 축소하고 소비전력을 감소시키는 접점 장치를 구현할 수 있다.

도 5b 내지 도 5h는 각각 가동 코어(08)와 요크 플레이트(05)의 간격인 동작 거리(d)가 3.0mm, 2.5mm, 2.0mm, 1.5mm, 1.0mm, 0.5mm, 0.05mm일 때 전자석의 자속과 영구 자석의 자속에 의한 합성 흡인력의 흐름을 나타낸다.

이와 같이, 여자 코일(02)과 영구 자석(03)의 합성 자속은 여자 코일(02)의 전원이 인가됨과 동시에 각각의 자속을 발생하고 합성하여 가동 코어(08)의 동작 전압을 낮추고 가동 코어(08)가 요크 플레이트(05)에 가까워질수록 자속을 증가시키는 역할을 할 수 있다.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동 코어가 코일의 전원을 인가하는 초기의 코일과 영구 자석의 합성 자속의 폐회로 루프를 설명하기 위한 위한 도면이다.

여자 코일(02)에서 연장된 코일 터미널(21)에 코일 조작 전원을 인가(on)하면 전자석의 원리에 따라 고정 코어(22)에서 가동 코어(08)로 전자석의 자속이 흐르고, 이와 별도로 고정 코어(22)에서 시작한 자속은 영구 자석(03)으로 흐르고, 또한 영구 자석(03)에서 가동 코어(08) 쪽으로 이동하고 결국은 2개의 자속 Φ1과 Φ2가 합쳐져 자기 흡인력을 배가 시켜 동작하고 가동 코어(08)가 동작을 멈추는 상태인 요크 플레이트와 맞닿은 순간 코일부의 전자석에서 발생하는 Φ1 자속은 고정 코어(22)와 가동 코어(08), 요크 플레이트(05), 요크(06)의 순서로 폐회로를 구성하고, 영구 자석(03)에서 발생하는 Φ2 자속은 영구 자석(03)의 안쪽 방향으로 영구 자석(03)의 아래쪽 N극(03-b)에서 출발하여 고정 코어(22), 가동 코어(08), 요크 플레이트(05)를 지나 영구 자석(03)의 S극(03-a)으로 폐회로시킬 수 있다.

한편, 코일(02)의 조작 전원을 오프(off)하면 위의 동작과 반대로 가동 코어(08)은 고정 코어(22)으로부터 복귀 스프링(20)에 의해 이격하여 하부로 이동하고, 이때 가동 접점대(12)과 연동된 가동 코어(08)이 아래쪽으로 이동하여 접점의 전기적인 접촉은 개로 상태로 변경될 수 있다. 이때, 요크(06), 고정 코어(22), 영구 자석(03), 와셔(04) 및 요크 플레이트(05) 사이의 공극이 없이 연결되어 있어 자속의 폐회로를 구성할 수 있다.

도 7은 코일에 전원이 인가되기 전의 영구 자석에 의한 자속 Φ2 분포의 폐회로 루프를 나타내는 도면이다.

도 7를 참조하면 영구 자석(03)의 N극에서 S극으로, S극에서 자성체의 와셔(04)를 통해 요크 플레이트(05), 요크(06), 고정 코어(22), 영구 자석(03)의 N극으로 공극이 없이 완전 폐회로를 구성하는 루프이다.

도 8은 코일에 전원이 인가된 초기 상태의 영구 자석이 없는 전자석의 자속에 의한 자속 분포를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 영구 자석이 없는 상태에서 코일부의 전자석에 의한 Φ1 자속만 존재하고, 영구 자석에서 발생하는 Φ2 자속이 존재하지 않아, 가동 코어(08)의 흡인력이 약하게 작용한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 코일에 전원을 인가하여 코일부의 자속 Φ1과 영구 자석의 자속 Φ2가 합성되어 흡인력이 배가된 자속 분포를 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 가동 코어(08)의 상측으로 이동을 통한 완전한 동작 후에 코일부의 전자석에 의한 Φ1 자속 분포와 영구 자석에 의한 영구 자석에서 발생하는 Φ2 자속이 합쳐진 합성 자속의 폐회로 루프를 나타내며, 코일부의 자속 Φ1과 영구 자석의 자속 Φ2가 합성되어 흡인력이 배가됨을 알 수 있다.

가동 코어(08)가 동작을 멈추는 상태인 요크 플레이트(05)와 맞닿은 순간 코일(02)에 의해 발생하는 Φ1 자속은 고정 코어(22)와 가동 코어(08), 요크 플레이트(05), 요크(06)의 순서로 폐회로를 구성하고, 영구 자석(03)에서 발생하는 Φ2 자속은 영구 자석(03)의 안쪽 방향으로 영구 자석(03)의 아래쪽 N극(03-b)에서 출발하여 고정 코어(22), 가동 코어(08), 요크 플레이트(05)를 지나 영구 자석(03)의 S극(03-a)으로 폐회로시킬 수 있다.

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.

01: 보빈 02: 코일
03: 영구 자석 03-a: 영구자석 S극
03-b: 영구자석 N극 04: 판 와셔
05: 요크 플레이트 06: 요크
06-a: 요크 돌기 06-b: 요크 돌기
07: 실린더 08: 가동 코어
09: 가동 접점대 홀더 10: 가동 접점대 몰드
10-a: 접압 스프링 고정부 11: 접압 스프링
11-a: 가동 접점대 홀더 곡면부 11-b: 가이드편 곡면부
12: 가동 접점대 13: 고정 접점
14: 아크 베이스 15: 가이드 편
16: 세라믹 하우징 17: 실드컵
18: 아크 소호용 영구자석 19: 아크 소호용 영구자석 홀더
20: 복귀 스프링 21: 코일 터미널
22: 고정 코어 22-a: 고정 코어 상층측 단면

Claims (6)

1. 보빈에 권선되는 코일;
   상기 코일에 의하여 축 방향으로 구동되는 가동 코어;
   직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점;
   상기 가동 코어와 연동되어 동작하고, 상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 상하로 왕복으로 이동 가능한 가동 접점대;
   자성체로 구성되고 상기 코일의 외부의 적어도 일부를 감싸도록 구성된 요크;
   상기 요크의 상측에 고정 배치된 요크 플레이트;
   자성체로 구성되고 상기 보빈의 중앙부를 관통하여 상기 요크에 의해 고정 배치되는 고정 코어; 및
   상기 고정 코어의 상측에 배치되는 링 형태의 영구 자석
   을 포함하고,
   상기 코일에 의해 발생하는 자속과 상기 영구 자석에 의해 발생하는 자속에 의하여 상기 가동 코어의 흡인력을 증가시키는 것이고,
   상기 영구 자석은 상기 축 방향으로 착자면을 갖는 것이고,
   상기 영구 자석은 상기 고정 코어의 상측 단면에 부착되는 것이고,
   상기 영구 자석의 상층부에 자성체로 구성된 판 형태의 와셔(washer)가 부착되는 것이고,
   상기 요크, 상기 고정 코어, 상기 영구 자석, 상기 와셔 및 상기 요크 플레이트 사이의 공극이 없이 자속의 폐회로를 구성하는 것인, 전자석 접점 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 영구 자석은 복수의 조각으로 구성되는 것인, 전자석 접점 장치.