KR20060053482A

KR20060053482A - 다단계 코일을 이용한 영구자석형 조작기

Info

Publication number: KR20060053482A
Application number: KR1020040093532A
Authority: KR
Inventors: 정현교; 강종호
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-05-22
Also published as: KR100652200B1

Abstract

본 발명은 주로 전력 계통의 차단기에 사용되는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 구조를 가지면서 종래의 영구 자석형 조작기에 비해 조작 속도와 조작력이 현저히 향상되어 특히, 종래의 조작기로서는 적용하기 어려웠던 고압, 초고압 차단기에 적용하더라도 우수한 차단 성능을 발휘할 수 있는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기에 관한 것이다.

본 발명에서는 자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과; 상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와; 상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과; 상기 영구자석의 일측에 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 복수개의 투입측 코일들과; 상기 투입측 코일 반대측에 배치되는 하나 이상의 개방측 코일과; 상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 각 투입측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제1 공극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기가 제공된다.

영구자석, 조작기, 차단기, 다단, 코일

Description

다단계 코일을 이용한 영구자석형 조작기{Permanent Magnetic Actuator using Multi-stage Coil}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조작기를 보여주는 단면도이다.

도 2는 제1 투입측 코일에 전류가 인가되었을 때 가동자의 이동 형태를 보여주는 단면도이다.

도 3은 도 2에서 다시 제2 투입측 코일에 전류가 인가되었을 때 자계의 흐름을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 조작기가 투입상태에 있을 때, 공극의 역할을 설명하기 위한 단면도이다.

도 5는 도 4의 조작기에서 공극이 없다고 가정한 경우의 영구자석에 의한 자계의 흐름을 보여주기 위한 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 조작기의 형태를 설명하기 위한 것으로서, 도 6a는 개방 상태를 보여주는 도면이고, 도 6b는 투입 상태를 보여주는 도면이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 조작기의 형태를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정 철심 11 : 통로

11a : 제1 공극부 11b : 제3 공극부

12 : 연장 통로 12a : 제2 공극부

20 : 가동자 30 : 영구자석

40 : 제1 투입측 코일 50 : 제2 투입측 코일

60 : 제1 개방측 코일 70 : 제2 개방측 코일

d1,d2 : 단부 길이

본 발명은 주로 전력 계통의 차단기에 사용되는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 구조를 가지면서 종래의 영구 자석형 조작기에 비해 조작 속도와 조작력이 현저히 향상되어 특히, 종래의 조작기로서 적용하기 어려웠던 고압, 초고압 차단기에 적용하더라도 우수한 차단 성능을 발휘할 수 있는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기에 관한 것이다.

일반적으로, 차단기는 소호/절연 매질에 따라 진공 차단기(VCB:Vacuum Circuit Breaker), 오일 차단기(OCB:Oil Circuit Breaker), 가스 차단기(GCB:Gas Circuit Breaker) 등으로 분류된다. 최근에는 중,저압용에는 진공차단기가 적용되고 있고, 고압,초고압용에는 가스 차단기가 주로 적용되고 있다. 차단기는 전압등급에 따라 차단용량이 달라지게 되고, 차단기의 동작을 일으키는 조작기 또한 성능에 따라 적용성이 달라지게 된다. 보통 차단용량이 커질수록 조작부에서의 조작간극과 조작력이 커지게 된다.

통상적으로, 중,저압용 진공차단기는 차단부의 접점간극과 접점에 작용하는 압점력의 크기에 따라 적용할 수 있는 조작기가 정해지고, 고압,초고압용 가스차단기는 차단부의 접점간극과 접점부에서 발생하는 아크를 소호시키기 위한 가스반발력의 크기에 따라 적용할 수 있는 조작기가 정해지게 된다.

모든 차단기에 적용되는 조작기는 일정한 차단시간 내(보통 50ms이내)에 동작을 해야 하고, 압점력 및 가스반발력 또한 아주 큰 힘으로 작용된다. 그러므로, 송,배전급 차단기에 적용되는 조작기는 큰 힘과 빠른 속도로 동작할 수 있어야 한다. 진공차단기에 적용되는 조작기는 유압, 공압, 스프링과 같은 기계적인 메카니즘을 주로 이용하는 조작기를 이용해 왔고, 최근들어 모터 스프링 및 영구자석형 조작기(PMA)와 같은 전자석을 이용한 조작기 개발과 적용이 이루어지고 있다.

종래의 기계적인 메카니즘을 이용한 조작기는 많은 부품들로 이루어져 있어 단 하나의 부품 고장으로도 오동작을 일으키기 쉽고, 오일유출과 그에 따른 오동작으로 인해 차단기 고장의 50%이상이 조작기에 발생한다는 위험 부담을 지니고 있었다.

또한, 모터 스프링 조작기는 모터를 이용하여 스프링을 압축시킨 상태에서 필요할 때 그 압축된 힘을 해제시켜 동력을 얻는 시스템이다. 모터 스프링 조작기는 동력을 전자석 메카니즘인 모터를 이용한 것으로 스프링 조작기와 비교해서 스프링을 압축시키는 동력부분에서 많은 부품들이 모터의 도입으로 인해 간단해졌지만, 그 이외의 부분에서 많은 부품들이 존재하고 스프링 조작기의 큰 결손 중의 하나인 스프링의 탄성 손실부담은 여전히 가지고 있게 된다. 이러한 모터 스프링 조작기는 작은 차단용량을 가지는 진공 차단기에 적용하기에는 큰 무리가 없겠지만, 큰 용량을 가지는 진공 차단기와 같이 큰 조작거리를 가지는 차단기에 적용하기에는 위험이 따르게 된다.

영구자석형 조작기(PMA)는, 최근에 많은 연구가 활발히 진행되고 있는 조작기로서, 대한민국 공개 특허 제10-2004-0035176호 공보(공개일자 2004년04월29일)에 개시된 것과 같이, 매우 간단한 구조로 이루어져, 크기가 작고, 부품의 손실에 따른 오동작의 위험성이 현저히 낮으며, 내구성도 뛰어나 유지보수 비용이 거의 들지 않는 장점을 지니고 있다. 또한, 코일에 흐르는 전류 제어를 통해 조작이 이루어지므로, 조작이 편리하고 성능 또한 우수하여 진공 차단기에 가장 적합한 이상적인 조작기로 평가받고 있다.

이러한 영구 자석형 조작기(PMA)는, 영구자석의 자계와 코일에서 여자된 자계의 힘에 의해 가동자가 동작되도록 한 시스템으로, 이는 영구자석에 의한 자력에 의해 접점부가 개방 및 투입된 상태를 스스로 지속적으로 유지할 수 있어, 종래에 접점부가 개방 및 투입상태에서 가동자를 고정시키기 위해 필수적으로 필요하였던 기계적인 메카니즘이 필요없다는 장점이 있다.

그러나, 상기한 영구 자석형 조작기는, 이미 설명한 대로 자력의 힘에 의해 구동되는 조작기이므로 조작 간극(개극 간극)에 큰 한계를 가지게 된다. 그러므로, 현재 적용되는 영구 자석형 조작기는 조작 간극이 20mm이내인 진공 차단기에만 적용되고 있다. 진공 차단기는 가격이나 성능면에서 가스 차단기 보다 우수한 특성을 지니므로 그 용량을 계속적으로 증대시키려고 하는 추세에 있다. 이를 위한 세계적인 연구동향으로 보면 170kV급의 고압에 까지 진공차단기를 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 영구 자석형 조작기는 24kV급 이하의 중,저압용 차단기에서는 전술한 좋은 특성으로 인해 그 적용성이 크지만, 그 보다 큰 용량을 가진 고압, 초고압용 진공 차단기에는 적용하기 어려워 모터 스프링 및 스프링 조작기가 사용되고 있다. 따라서, 영구 자석형 조작기의 우수한 특성을 고압, 초고압용 차단기에서도 활용하기 위해서는 개선된 영구 자석형 조작기(PMA)의 개발이 이루어져야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 조작기에 비해 조작 속도와 조작력을 현저히 향상시켜 특히, 종래의 영구 자석형 조작기로서는 적용하기 어려웠던 고압, 초고압 차단기에 적용하더라도 우수한 차단 성능을 발휘할 수 있도록 한 개선된 영구 자석형 조작기를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 종래의 영구 자석형 조작기에서 자계의 경로를 짧게 해주어 초기에 발생하는 자력을 효율적으로 이용함과 아울러, 자력을 극대화시킴으로써 가동자의 신속한 동작을 이끌어 내기 위해, 다단계 코일 시스템을 적용하여 코일 영역 사이의 자성체(고정 철심)를 통해 자로를 만들어 자로를 짧게 해주고, 각 코일은 병렬 연결시켜 제어시킨다. 그리고, 다단계 코일에 전류를 동시에 인가시키거나, 가동자의 위치에 따라 시간간격을 두고 각 코일에 순차적으로 전류를 인가시킬 수 있다. 또한, 자성체(고정 철심)와 가동자 사이에 공극을 만들어 주어, 가동자가 개방 및 투입 완료된 상태에서 영구자석의 자계가 가동자의 축방향으로 길게 흐르도록 하여 홀딩력을 극대화시킬 수 있는 다단계 코일을 적용한 영구 자석형 조작기를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기는, 자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과; 상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와; 상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과; 상기 영구자석의 일측에 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 복수개의 투입측 코일들과; 상기 투입측 코일 반대측에 배치되는 하나 이상의 개방측 코일과; 상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 각 투입측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제1 공극부를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수개의 투입측 코일은 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일로 이루어지고, 상기 제1 공극부는 상기 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일 사이에 형성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 제1 공극부는 상기 고정철심의 통로 내벽을 일정깊이로 게거한 형태로 이루어질 수 있다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 마지막에 배치된 투입측 코일로부터는 상기 고정 철심의 통로를 더 연장한 연장통로가 형성되고, 상기 연장통로의 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하는 제2 공극부를 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제2 공극부는 상기 고정철심의 연장통로 내벽을 일정깊이로 게거한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 제1 공극부는, 상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 제1,2 투입측 코일 사이를 이루는 자성체에 대응하는 길이 이상으로 상기 가동자의 측부를 일정깊이로 제거한 형태로 이루어질 수 있다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 복수개의 투입측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류를 인가하여 작동시키는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 개방측 코일은, 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 제1,2 개방측 코일로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 제1,2 개방측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류를 인가하여 작동시키는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 제1 개방측 코일과 제2 개방측 코일 사이에 는 제3 공극부가 형성될 수 있다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 개방측 코일의 말단부로부터 상기 통로를 더 연장하고, 이 연장길이의 증감에 의해 개방 상태에서의 홀딩력을 증감할 수 있다.

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

첨부도면 도 1에는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조작기의 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 조작기는, 철심을 적층하여 이루어진 자성체로 이루어진 고정 철심(10)을 가지고, 상기 고정 철심(10)의 중간에는 통로(11)가 형성되며, 상기 통로(11) 내에는 자성체로 이루어진 가동자(20)가 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치된다. 상기 가동자(20)의 양측에는 차단기나 다른 기계요소에 링크적으로 연결되기 위한 로드(21,22)가 형성되어 있다. 상기 로드(21,22)는 비자성체로 이루어진다.

그리고, 상기 고정 철심(10)의 통로(11) 중간 내벽에는 자력을 제공하는 영구자석(30)이 설치되고, 상기 영구자석(30)의 일측에는 특히, 복수개의 투입측 코일이 일정간격을 유지하여 순차적으로 설치된 새로운 개념의 구조를 가진다.

도면에 도시된 실시예에 있어서, 상기 복수개의 투입측 코일은 2개 즉, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)이 배치된 형태로 이루어진다. 그러나, 상기 투입측 코일의 개수는 조작기가 적용될 차단기의 조건 등에 따라서 그 이상의 개수로 배치할 수도 있다.

여기서, '투입측'이란, 차단기를 예로 들면, 폐극상태 즉, 전력계통에 고장이 없고 접촉자들이 전기적으로 접속되어 전류가 정상적으로 인가되도록 차단기를 동작시키는 방향을 말한다. 이에 비하여, 후술하는 '개방측'은 개극상태 즉, 전력계통에 이상이 발생하여 고장 전류가 흐르거나 기타 유지 보수를 위해 접촉자들이 분리되고 아크 소호가 일어나 전류가 차단되도록 차단기를 동작시키는 방향을 말한다.

그리고, 상기 영구자석(30)을 기준으로 상기 제1,2 투입측 코일(40,50) 반대측으로는 하나 이상의 개방측 코일이 설치된다. 본 실시예에서 상기 개방측 코일은 상기 투입측 코일들(40,50)과 마찬가지로 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70)이 일정 간격으로 순차적으로 배치된 구조를 가진다. 하지만, 개방측 코일은 조작기가 적용될 차단기의 조건이나 투입측 코일과의 역학 관계 등에 따라 하나만 설치될 수도 있고, 2개 이상이 설치될 수도 있다. 본 발명에서 상기 각 코일(40,50,60,70)들은 당연히 병렬로 연결된다.

또한, 본 발명에서는, 상기 가동자(20)가 투입상태에 있을 때, 즉 도면상 아래쪽으로 내려가 있을 때, 상기 각 투입측 코일 즉, 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하기 위해 공극부(11a : air gap)가 형성된 새로운 개념의 구조를 제공한다. 본 명세서에서는 상기 공극부를 편의상 '제1 공극부(11a)'로 칭한다.

상기 제1 공극부(11a)는 조작기가 투입상태에 있을 때 즉, 가동자(20)가 투입측으로 완전히 이동되어 있을 때, 상기 영구자석(30)에 의한 자계가 상기 가동자(20)의 옆구리(flank)를 통해 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 빠져나가는 것을 차단하고 자계를 축방향으로 길게 흐르도록 유도하여 가동자(20)를 잡아주는 '홀딩력'을 극대화시키게 된다. 도면에 도시된 실시예에서, 상기 제1 공극부(11a)는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어져 있다.

한편, 본 발명에서는 마지막의 투입측 코일, 구체적으로 상기 제2 투입측 코일(50)로부터 상기 고정 철심(10)의 통로(11)를 더 연장한 연장통로(12)가 형성되고, 상기 연장통로(12)의 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에는 제2 공극부(12a)가 더 형성될 수 있다.

상기 제2 공극부(12a)는, 전술한 제1 공극부(11a)와 마찬가지로, 상기 가동자(20)가 투입측으로 완전히 이동되어 있을 때, 상기 영구자석(30)에 의한 자계를 수직방향으로 길게 흐르도록 유도하여 가동자(20)를 잡아주는 '홀딩력'을 더욱 증가시키게 된다. 이러한 제2 공극부(12a)도 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어져 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 다단계 코일을 이용한 영구자석형 조작기의 작용을 설명한다. 특히 조작기가 차단기에 적용되었을 때를 기준으로 설명한다.

이미 설명하였지만, 첨부도면 도 1은 가동자(20)가 개방측으로 완전히 이동 되어 차단기가 개극상태를 유지함으로써 전류가 차단되었을 때의 모양을 보여준다.

다만, 이때에는 도 1에 도시된 것과는 달리, 제1,2 개방측 코일(60,70) 모두에 전류가 인가되지 않으며, 상기 가동자(20)는 상기 영구자석(30)에 의한 자계의 힘과 차단기 측으로부터의 반력(reacting force)에 의해 개방측에 홀딩되게 된다.

조작기로부터 차단기 까지는 예컨대, '지렛대'의 원리가 혼합된 링크적 구조로 연결되어 있다. 이 링크적 연결 구조에 의하면 힘의 작용 관계상 비대칭을 이루고 있기 때문에, 투입시에는 더 많은 힘이 필요하게 되고, 개방시에는 상기한 링크적 연결구조에 의해 차단기로부터 반력이 작용하여 오히려 조작기의 개방을 돕게 되므로 투입시보다 적은 힘이 들게 된다. 따라서, 개방후에는 투입후보다 적은 힘으로도 가동자(20)를 홀딩할 수 있게 된다. 이를 거꾸로 생각하면, 개방상태에서 가동자(20)를 홀딩하는 힘이 크면 클수록 투입 초기에 더욱 큰 힘을 필요로 하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)에는 제1 공극부(11a)를 두고, 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70) 사이에 공극을 두지 않은 이유는 바로 여기에 있다. 즉, 경우에 따라서, 개방측 코일도 공극을 둘 수 있으나, 그렇게 되면 개방상태에서 영구 자석(30)의 자계가 축방향으로 길게 흐르도록 유도되어 홀딩력이 커지고, 그에따라 투입 초기에는 개방 상태에서의 홀딩력을 극복하기 위해 더욱 큰 힘을 필요로 하게 된다는 단점이 있다. 따라서, 개방측 코일에 공극을 두지 않으면, 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70) 사이에 형성되는 고정 철심(10) 부위로도 자계가 흘러 홀딩력을 분산 시킬 수 있으므로 투입 초기의 부하를 줄일 수 있게 된다.

첨부도면 도 2에는 제1 투입측 코일(40)에 전류가 인가된 직후 가동자(20)의 이동 형태를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 투입(폐극)을 위해 제1 투입측 코일(40)에 전류를 인가하면, 가동자(20)는 제1 투입측 코일(40)에서 여자된 자계의 힘과 상기 영구자석(30)의 자계의 힘에 의해 투입측으로 이동된다.

이 때, 본 발명에서는, 상기 투입측 코일이 다단계로 이루어져 있으므로, 각 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로를 만들어 자로가 짧아지게 됨으로써 순간적으로 큰 힘의 자력을 낼 수 있게 되고, 그에 따라 초기 구동이 매우 신속하고 힘이 있게 된다.

즉, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50) 사이에는 자성체로 이루어진 고정철심(10)이 형성되어 있어, 이 부분에서 자계가 흐르는 통로가 제공됨으로써, 자로가 매우 짧게 형성되어 큰 힘을 낼 수가 있게 된다.

종래의 영구자석형 조작기는, 코일에 흘려준 전류에 의해 발생된 자계의 힘이, 그의 반대 방향으로 작용하고 있는 영구자석에 의한 자계의 힘 보다 커지기 시작할 때부터 가동자가 움직이기 시작하므로, 반응성 즉, 초기 속도가 느릴 수 밖에 없었다.

그러나, 본 발명에 의한 조작기에서는, 일정 간격으로 배치되는 다단계의 코일에 의해 자로가 짧게 형성되어 큰 힘을 낼 수가 있으므로, 코일(40)에 전류가 공급됨과 동시에 가동자(20)가 신속하고 힘차게 이동할 수 있다.

그러나, 가동자(20)가 더 이동하여 도 2에서와 같이, 가동자(20)의 선단부가 제1 투입측 코일(40)을 지난 위치에 왔을 때에는, 전술한 바와 같이 자로가 짧게 형성되는 이유로 인해 영구자석(30)의 자계와 제1 투입측 코일(40)에서 여자된 자계가 축방향(도면상 수직방향)이 아닌 좌우로 흐르게 된다. 따라서, 이는 가동자(20)가 진행하는 방향(수직방향)에 대해 오히려 자계손실로서 작용하게 되고, 이러한 자계손실로 인해 가동자(20)는 가속력이 약해지고 속도가 떨어지려고 한다.

본 발명에서는 이를 대비하여 다단계의 코일을 가지고 있으므로, 이 때에는 제2 투입측 코일(50)에 전류를 인가시켜, 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 제2 투입측 코일(50)에서 발생하는 자계를 통해 상기 제1 투입측 코일(40)측에서 발생되는 자계 손실을 막고, 자력이 수직방향으로 영향을 미치도록 할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 다단계의 코일에 의해 구동 초기에 큰 힘을 낼 수 있으며, 그 큰 힘을 구동 말기까지 지속적으로 유지할 수 있게 된다. 상기에서는 가동자(20)의 이동 위치에 대응하여 상기 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)에 순차적으로 전류를 인가하는 것으로 설명되었으나, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50)에 동시에 전류를 인가하여도 비슷한 효과를 볼 수 있다.

한편, 상기와 같은 투입상태에서 조작기가 다시 개방측으로 작동할 때에도, 개방(개극)을 위해 제1 개방측 코일(60)에 전류를 인가하면, 가동자(20)는 제1 개방측 코일(60)에서 여자된 자계의 힘과 상기 영구자석(30)의 자계의 힘, 그리고 차단기로부터의 반력에 의해 개방측으로 이동하게 된다.

이 때, 본 발명에서는, 상기 개방측 코일도 제1,2 개방측 코일(60,70)로 다 단계로 이루어져 있으므로, 투입시와 마찬가지의 작용에 의해, 각 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로가 짧게 형성됨으로써 순간적으로 큰 힘의 자력을 낼 수 있게 되고, 그에 따라 매우 큰 구동력으로 신속하게 작동할 수가 있게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 차단 용량이 큰 고압,초고압의 차단기에 있어서는 조작력이 매우 큰 조작기를 필요로 하게 된다.

본 발명의 차단기에 있어서는, 코일을 다단계로 배치하여 투입시나 개방시 모두 큰 힘을 낼 수 있으므로, 종래에 영구 자석형 조작기로는 적용할 수 없었던 고압,초고압 차단기용 조작기로서 매우 적합하다 할 것이다.

첨부도면 도 4 및 도 5에는, 각각 본 발명에 따른 조작기가 투입상태에 있을 때, 공극의 역할을 설명하기 위한 단면도와 공극이 없다고 가정한 경우의 영구자석에 의한 자계의 흐름을 보여주기 위한 단면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 가동자(20)가 투입측으로 완전히 이동된 때에는 투입측 코일(40,50)에 전류를 차단하고 상기 영구자석(30)에 의한 자계의 힘으로 가동자(20)를 홀딩하여야 한다. 이 경우, 본 발명에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 투입측 코일(40)과 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10)의 통로(11) 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에 제1 공극부(11a)가 형성되어 있다.

본 발명에 의한 상기 제1 공극부(11a)는 영구자석(30)에 의한 자계가 상기 가동자(20)의 옆구리에서 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 빠져나가는 것을 차단하고 자계를 축방향으로 길게 흐르도록 유도함으로써 홀딩력을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제2 투입측 코일(50)로부터 연장된 연장통로(12)의 내벽과 상기 가동자(20)의 외주부 사이에도 제2 공극부(12a)가 더 형성되어 있다. 상기 제2 공극부(12a)는 상기 제1 공극부(11a)와 마찬가지로, 상기 영구자석(30)에 의한 자계를 수직방향으로 흐르도록 유도하여 홀딩력을 더욱 극대화시킬 수 있게 된다.

만일, 본 발명과는 달리, 제1,2 공극부(11a,12a)가 형성되지 않은 경우에는, 도 5에 도시된 것과 같이, 영구자석(30)의 자계가 가동자(20)의 옆구리에서 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 흐르기 때문에 자계의 손실이 생겨 홀딩력이 줄어들게 된다.

첨부도면 도 6a 및 도 6b에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 조작기가 도시되어 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예는 전술한 실시예에서 제1 공극부의 형태를 다르게 구성한 것이다. 나머지의 구성 요소와 작용은 전술한 실시예와 동일하다.

즉, 도 6a에 도시된 실시예에서는, 제1 내지 제5에서 설명된 제1 공극부(11a)가, 자성체 즉, 고정 철심(10)을 제거한 형태로 이루어지지 않고, 고정 철심(10) 부분은 그대로 둔 채, 상기 가동자(20)의 측부를 일정 깊이로 제거한 형태로 이루어질 수 있음을 보여준다.

이와 같이 가동자(20)의 측부에 형성되는 공극부(23)는, 상기 제1,2 투입측 코일(40,50) 사이의 간격 즉, 상기 제1,2 투입측 코일(40,50) 사이를 이루는 고정 철심(10) 부분의 길이에 대응하는 길이 이상의 길이를 가져, 상기 가동자(20)가 투 입상태에 있을 때 상기 공극부(23)가 상기 제1,2 투입측 코일(40,50) 사이의 고정 철심(10) 부분을 커버링 할 수 있도록 한다. 상기 공극부(23)는 앞서 설명한 제1 공극부(11a)와 마찬가지의 작용으로 홀딩력을 한층 증대시키게 된다.

한편, 첨부도면 도 7a 및 도 7b에는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 조작기가 도시되어 있다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예에서는, 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70) 사이를 이루는 상기 고정철심(10)의 통로(11) 내벽에도 제3 공극부(11b)를 형성할 수 있음을 보여준다.

상기와 같이 제1 개방측 코일(60)과 제2 개방측 코일(70) 사이를 이루는 고정철심(10)에 제3 공극부(11b)가 형성되면, 개방후 즉, 가동자(20)가 개방측으로 이동되어 있을 때, 영구자석(30)에 의한 자계가 상기 가동자(20)의 옆구리에서 상기 제1 투입측 코일(40)과 상기 제2 투입측 코일(50) 사이를 이루는 고정철심(10) 부분을 통해 빠져나가는 것이 차단되고 자계가 축방향으로 길게 흐르도록 유도됨으로써 개방 상태에서의 홀딩력을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 개방 상태에서의 홀딩력은 투입 초기의 작동력과 밀접한 관련이 있다고 설명하였다. 즉, 개방 상태에서의 홀딩력이 크면 투입 초기에 큰 작동력을 필요로 하게 된다. 따라서, 개방 상태에서의 홀딩력과 투입 초기의 작동력 간의 조절이 필요할 때가 있다.

이때에는 도 7a에서 d1값 즉, 개방측 코일(도면에서는 제2 개방측 코일(70))로부터 통로(11)의 연장길이(d1)을 증가시키거나 감소시킴으로써 개방 상태에서의 홀딩력을 증감시킬 수 있다.

도 7a에는 상기한 통로(11)의 연장 길이(d1)가 매우 짧은 형태를 보여주는 것으로서, 개방상태에서 영구자석(30)에 의한 자계는 가동자(20)의 단부에 이르기 전에 즉, 단부 옆구리(flank) 부분을 통해 흐르는 것이 거의 없이, 모두 가동자(20)의 단부 끝까지 직선적으로 유도된 다음 고정철심(10)측으로 흐르게 된다. 따라서, 이때에는 큰 홀딩력은 유지할 수가 있다.

도 7b는 도 7a에 도시된 예보다 전술한 연장 길이가 긴 형태가 도시되어 있다. 즉, 제2 개방측 코일(70)로부터 통로(11)가 연장길이(d2) 만큼 더 연장된 형태이다. 이 연장길이(d2)는 도 7a에서의 연장길이(d1)보다 길다. 이 경우에는, 도 7b에 도시된 자계의 흐름에서 알 수 있는 바와 같이, 영구자석(30)에 의한 자계의 일부가 가동자(20)의 단부에 이르기 전에 그의 옆구리 부분을 통해 고정 철심(10)으로 빠져나간다. 따라서, 가동자(20)의 단부까지 축방향으로 유도되는 자계에 일정한 손실이 생기게 되고, 그에 따라 가동자(20)의 홀딩력이 감소되게 된다.

여기서, 상기 연장길이(d1)(d2)에 의한 개방상태에서의 홀딩력의 크기 증감은 개방측 코일이 단독의 코일로 이루어지든지 다단의 코일로 이루어지든지에 상관없이 독자적으로 실시할 수 있다.

이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예가 상세하게 설명되었으나, 이는 하나의 양호한 실시예에 불과한 것이며, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술 적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예는 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 조작기에서는, 다단계 코일 시스템이 도입하여, 코일 영역 사이의 자성체를 통해 자로를 만들어 자로를 짧게 해줌으로써, 초기에 발생하는 자력을 효율적으로 이용함과 아울러, 자력을 극대화시킴으로써 가동자의 신속하고 힘찬 동작을 이끌어낼 수 있다.

또한, 자성체와 가동자 사이에 공극을 만들어 줌으로써, 가동자가 개방 및 투입 완료된 상태에서 영구자석의 자계가 가동자의 축방향으로 길게 흐르도록 하여 홀딩력을 극대화시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 조작기는 영구 자석형 조작기의 장점을 그대로 지니면서 종래의 영구자석형 조작기의 작동력과 홀딩력을 획기적으로 증대시킴으로써, 차단 용량이 큰 고압,초고압의 차단기용 조작기로서 사용하기에 매우 적합하고, 그 능력을 충분히 발휘할 수 있는 매우 혁신적인 것이라 할 수 있다.

Claims

자성체의 철심을 적층하여 이루어진 고정 철심과;

상기 고정 철심의 중간에 형성된 통로내에 축방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 자성체의 가동자와;

상기 고정 철심의 통로 중간 내벽에 설치되어 자력을 제공하는 영구자석과;

상기 영구자석의 일측에 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 복수개의 투입측 코일들과;

상기 투입측 코일 반대측에 배치되는 하나 이상의 개방측 코일과;

상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 각 투입측 코일 사이를 이루는 상기 고정철심의 통로 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하도록 형성되는 제1 공극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 복수개의 투입측 코일은 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일로 이루어지고, 상기 제1 공극부는 상기 제1 투입측 코일과 제2 투입측 코일 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 공극부는 상기 고정철심의 통로 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 마지막에 배치된 투입측 코일로부터는 상기 고정 철심의 통로를 더 연장한 연장통로가 형성되고, 상기 연장통로의 내벽과 상기 가동자의 외주부 사이에 일정한 공간을 제공하는 제2 공극부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제4항에 있어서,

상기 제2 공극부는 상기 고정철심의 연장통로 내벽이 일정깊이로 게거된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 제1 공극부는, 상기 가동자가 투입상태에 있을 때, 상기 제1,2 투입측 코일 사이를 이루는 자성체에 대응하는 길이 이상으로 상기 가동자의 측부가 일정깊이로 제거된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 복수개의 투입측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항에 있어서,

상기 개방측 코일은, 일정한 간격을 가지고 순차적으로 배치되는 제1,2 개방측 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제8항에 있어서,

상기 제1,2 개방측 코일에는 상기 가동자의 이동에 따라 순차적으로 전류가 인가되어 작동되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제9항에 있어서,

상기 제1 개방측 코일과 제2 개방측 코일 사이에는 제3 공극부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일을 이용한 영구 자석형 조작기.
제1항 또는 제8항에 있어서,

상기 개방측 코일의 말단부로부터 상기 통로가 더 연장되고, 이 연장길이의 증감에 의해 개방 상태에서의 홀딩력이 증감되는 것을 특징으로 하는 다단계 코일 을 이용한 영구 자석형 조작기.