KR20080007169A - 조명 제어 포드에 사용하기 위한 매그래치 메카니즘 - Google Patents

조명 제어 포드에 사용하기 위한 매그래치 메카니즘 Download PDF

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KR20080007169A
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존 데보러
브리앙 티모시 맥코이
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지멘스 에너지 앤드 오토메이션 인코포레이티드
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Abstract

전기 접촉 어셈블리는 접촉 쌍의 이동 접촉부를 작동시키기 위한 자기 래치 솔레노이드를 포함한다. 자기 래치 솔레노이드는 개방 위치에서 접촉 어셈블리를 래치하는 자석, 및 하나의 극성의 전류하에서 전기자를 래치된 위치로 이동시키고, 반대 극성의 전류하에서 전기자를 래치된 위치로부터 풀기 위하여 영구 자기장을 중단시키는 코일을 포함한다. 스프링은 접촉부들을 폐쇄 위치로 바이어스한다. 스프링은 자기 래치 솔레노이드로부터 분리된다. 접촉 어셈블리는 또한 어셈블리를 동작시키기 위하여 펄스들을 코일에 제공하기 위한 인쇄회로 기판을 포함할 수 있다. 접촉 어셈블리는 원격 동작 회로 차단기 어셈블리의 일부이다.

Description

조명 제어 포드에 사용하기 위한 매그래치 메카니즘{MAGLATCH MECHANISM FOR USE IN LIGHTING CONTROL POD}
본 출원은 2006년 7월 13일 출원되고 발명의 명칭이 "Maglatch Mechanism for Use in Lighting Control Pod"인 미국 예비 특허 출원 60/830,535를 우선권 주장하고, 그 내용들은 전체적으로 여기에 참조로써 통합된다.
본 발명은 일반적으로 개선된 원격 제어 회로 차단기 및 회로 제어 어셈블리에 관한 것이고, 특히 쌍안정 동작을 제공하는 자기 래치 메카니즘을 가진 원격 제어 접촉부들에 관한 것이다.
원격으로 생성된 명령에 응답하여 개방 회로 및 폐쇄 회로 사이에서 왕복운동할 수 있는 원격 제어 가능 회로 차단기 어셈블리들에 대한 요구는 증가하였다. 상기 회로 차단기 어셈블리들에 대해 하나의 바람직한 응용은 빌딩 관리 시스템들 같은 자동화 제어 시스템들에 사용되는 제어 배전반들에서 이다. 빌딩 관리 시스템들은 자동 조명 시스템들, HVAC 제어 시스템들, 화재 제어, 보안, 및 냉장/냉동 시스템들의 제어를 포함할 수 있다. 자동 조명 시스템들은 현재 같은 입력들을 바탕으로 하는 조명 회로들의 제어, 벽 스위치들, 점유 센서들 및/또는 전력 배전 시 스템으로부터의 제어를 위하여 개발되었다. 조명 제어 시스템들은 조명되는 조명 설비물들의 수를 줄이는 과정을 자동화하거나, 요구되지 않을 때 조명 설비물들을 자동으로 턴오프하거나, 주위 사정이 보장될 때 함께 인공 조명을 제거함으로써 에너지를 절약하기 위한 기회를 제공한다. 예를들어, 주변 광 센서들은 주변 광 레벨들에 응답하여 조명 회로들을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 센서들은 주변 광 센서를 때리는 일광 양에 연속적으로 응답하여 조명 시스템의 출력을 조절할 수 있는 스위칭 및 자동 감광 기능들을 사용할 수 있다. 점유 센서들은 누군가 공간내에 있을 때 조명을 작동시키고 사람이 그 공간에서 더 이상 검출되지 않을 때 아마도 설정된 시간 기간 후 조명 작동을 중단시키기 위하여 사용될 수 있다.
일반적으로, 원격으로 제어될 수 있는 회로 차단기 어셈블리들은 적어도 두 개의 등급들로 분할될 수 있다. 제 1 등급은 원격 동작 회로 차단기이다. 원격 동작 회로 차단기에서, 두 쌍의 접촉부들은 단일 패키지내에 배치된다. 제 1(또는 첫째) 쌍의 접촉부는 단락 회로들을 중단하고, 오버로드들을 중단하고, 처리를 통하여 회로 차단기를 스위치 온 및 오프하기 위하여 사용된다. 원격 동작 회로 차단기에서 제 2 쌍의 접촉부들은 예를들어 조명 제어 애플리케이션에 사용될 수 있다. 몇몇 애플리케이션들에서, 단일 쌍의 접촉부들은 양쪽 기능들을 서비스한다.
다른 등급의 원격 제어 회로 차단기 어셈블리들은 회로 제어 포드, 또는 조명 제어 포드를 포함하는 어셈블리이다. 상기 어셈블리에서, 한 쌍의 접촉부들을 원격을 동작시키기 위한 메카니즘을 포함하는 독립된 릴레이 장치 또는 "포드(pod)"는 원격 동작 수단을 가지지 않은 표준 회로 차단기에 부착된다. 회로 제 어 포드는 회로 차단기와 직렬로 부가적인 쌍의 접촉부들을 부가한다.
몇몇 형태의 메카니즘들은 회로 제어 포드에서 접촉 쌍을 원격으로 동작시키기 위하여 사용되었다. 이들은 과중심 스프링을 가진 양방향 솔레노이드, 웜 기어 작동 DC 모터 시스템, 및 다중 링크 솔레노이드 구동 메카니즘을 포함한다.
과중심 설계에서, 솔레노이드는 비선형 스프링 힘에 반하여 작동하는 정도의 크기이어야 한다. 게다가 솔레노이드는 양방향으로 동작시키기 위하여 두 개의 코일들을 가진다. 이들 요소들은 요구된 메카니즘의 크기를 증가시킬 수 있다.
웜 기어 모터 설계는 DC 모터의 동작으로 인한 큰 노이즈를 형성한다. 게다가 웜 기어 설계는 메카니즘의 미끄러짐 및 고장나기 쉽다. 또한, 42 장치들을 가진 표준 배전반들에서 발견되는 것과 같이 어레이들에 적용될 때, 전력 라인에서 모터 내습 및 부족 전압 조건들 같은 문제들은 전력 공급기들 또는 전력 관리 시스템의 크기 및 복잡성을 증가시킴으로써 극복되어야 한다.
다중 링크 솔레노이드 구동 메카니즘은 몇몇 회전 포인트들, 및 다수의 이동부들을 요구하는 단점을 가진다. 통상적인 애플리케이션들에서, 다수의 스프링들은 요구된다. 조명 제어 장치가 그의 수명 동안 50,000 - 100,000 번 순환하는 것으로 예상되는 것이 주어지면, 다수의 스프링 어셈블리들의 사용은 마찰 마모로 인해 메카니즘이 의도된 수명 동안 고장나게 하는 위험성을 증가시킨다.
Belbel 등에 의한 미국 특허 번호 4,816,792는 전자석에 의해 원격으로 동작될 수 있는 메인 회로 차단기 접촉부를 기술한다. 설계는 정위치에 전기자를 홀딩하기 위한 영구 자석을 가진다. 영구 자석 메카니즘은 회로 차단기 접촉부들상에 서 직접적으로 동작한다. 상기 설계는 회로 차단기 메카니즘의 질량을 증가시키고 따라서 차단기 메카니즘의 기생 로딩을 유발하여, 성능을 악화시킨다.
Smith 등에 의한 미국특허 번호 6,531,938는 회로 차단기를 원격으로 동작시키기 위한 원격 모듈을 가진 원격 동작 회로 차단기 어셈블리를 가리킨다. 모듈 하우징에 배치된 모터는 원격으로 차단기 스위치를 동작시킨다. 메카니즘은 차단기 처리의 실제 동작을 요구한다. 차단기 처리가 보다 큰 힘을 요구하기 때문에, 작동 장치는 보다 크고 보다 높은 가격의 유니트이어야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 원격 제어 접촉부들을 개방 및 폐쇄하기 위한 개선된 설계 및 방법을 제공하는 것이다. 상기 설계는 낮은 비용이어야 하고 높은 신뢰성을 가져야 한다. 게다가 상기 설계는 작은 패키지 영역에 사용하기 위하여 소형이어야 한다. 본 발명자들의 지식에서, 상기 설계는 현재 이용 가능하지 않다.
본 발명의 일실시예는 접촉부 어셈블리를 통하여 전류가 흐르도록 하는 안정된 폐쇄 위치 및 접촉부 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 방지하기 위한 안정된 개방 위치 사이에서 왕복운동을 위한 접촉 어셈블리이다. 상기 어셈블리는 베이스, 상기 베이스에 장착된 고정된 접촉부, 접촉 아암, 및 접촉부 아암을 베이스에 피봇 가능하게 장착하기 위한 피봇 핀을 포함한다. 이동 가능한 접촉부는 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치, 및 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부로부터 이격되는 안정된 개방 위치 사이에서 이동하기 위한 접촉 아암상에 장착된다. 스프링은 접촉 아암상에 스프링 힘을 가하여 이동 접촉부가 접촉 어셈블리의 안정된 폐쇄 위치로 바이어스되게 한다.
접촉부 어셈블리는 자기 전기자 및 상기 전기자가 수축 위치에 있을 때 상기 전기자에 근접하는 영구 자석을 포함하는 자기 래치 솔레노이드를 또한 포함한다. 영구 자석은 수축된 위치에서 전기자를 유지하기 위하여 전기자에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가진다. 자기 래치 솔레노이드는 전기자와 근접하여 코일을 포함하고, 상기 코일은 전기 에너지가 제 1 극성으로 코일에 인가될 때 전기자의 수축된 위치 방향으로 스프링 힘을 초과하는 수축력을 전기자상에 인가하고, 전기 에너지 가 수축된 위치로부터 아마추어를 풀기 위하여 제 2 극성으로 코일에 인가될 때 자기장을 중단시키기 위하여 사용된다.
피스톤 핀은 접촉 아암 및 전기자를 접속시키고, 피스톤 핀은 접촉 아암 및 전기자중 적어도 하나의 홀에 배치되어, 상대적 이동을 허용한다. 전기자의 수축된 위치는 접촉 어셈블리의 안정된 개방 위치를 유발한다.
스프링은 자기 래치 솔레노이드로부터 분리될 수 있다.
접촉 어셈블리는 전류 흐름의 전류원과 접속하기 위하여 라인 단자를 포함할 수 있고, 편조된 와이어 접속기는 라인 단자와 접촉 아암을 전기적으로 접속시킨다.
접촉 아암은 부가적으로 기계적 스프링 인터페이스를 포함하고, 스프링은 기계적 스프링 인터페이스 및 접촉 어셈블리 베이스 사이에 스프링 함을 가한다. 기계적 스프링 인터페이스는 접촉 아암상 이동 가능한 접촉부로부터 멀리 있을 수 있다.
접촉부 어셈블리는 전류 로드를 접촉부 어셈블리에 접속하기 위하여 고정된 접촉부에 전기적으로 접속된 로드 단자를 또한 포함할 수 있다.
어셈블리는 접촉부들을 개방하기 위하여 제 1 극성으로 코일에 전기 에너지의 펄스를 인가하고 접촉부들을 폐쇄하기 위하여 제 2 극성으로 코일에 전기 에너지의 펄스를 인가하기 위한 코일에 접속된 인쇄회로 기판을 포함할 수 있다. 전기 에너지의 펄스들은 펄스폭 제어 DC 신호들일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 접촉 어셈블리를 통하여 하나의 라인으로부터 하나 의 로드로 전류 흐름을 허용하기 위한 안정된 폐쇄 위치 및 접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 방지하기 위한 안정된 개방 위치 사이의 접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키기 위한 방법이다. 상기 방법은 회로 차단기의 로드측에 접속된 고정된 접촉부를 제공하는 단계 - 상기 차단기는 미리 결정된 전류 로드에서 또는 그 이상의 전류 로드에서 라인과 로드 사이의 회로를 개방하기 위하여 설정됨 -; 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치 및 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부와 이격되는 안정된 개방 위치 사이에서 이동을 위하여 제공된 이동 가능한 접촉부를 제공하는 단계; 안정된 폐쇄 위치 쪽으로 이동 가능한 접촉부상에 스프링 힘을 가하는 스프링을 제공하는 단계; 이동을 위하여 이동 가능한 접촉부에 접속된 자기 전기자를 포함하는 자기 래치 솔레노이드를 제공하는 단계 - 상기 자기 래치 솔레노이드는 이동 가능한 접촉부가 안정된 개방 위치에 있을 때 전기자에 근접하고, 안정된 개방 위치에서 전기자 및 이동 가능한 접촉부를 유지하기 위하여 전기자상에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가지는 영구 자석, 및 상기 전기자와 근접한 코일을 포함함 -; 자기장의 래칭 힘에 의해 안정된 개방 위치에 유지될 이동 가능한 접촉부 및 전기자를 이동시키기 위하여 스프링 힘을 초과하는 개방 힘을 전기자상에 가하기 위하여 제 1 극성으로 코일에 전기 에너지를 인가하는 단계; 및 자기장을 중단하고 안정된 개방 위치에서 스프링에 의해 안정된 폐쇄 위치로 배치되도록 전기자 및 이동 가능한 접촉부를 풀기 위하여 제 2 극성으로 코일에 전기 에너지를 인가하는 단계를 포함한다.
전기 에너지를 코일에 인가하는 단계들은 전기 펄스들을 코일에 인가하는 단 계를 더 포함할 수 있다. 전기 에너지의 펄스들은 펄스 폭 제어 DC 신호들일 수 있다. 전기 에너지는 24 볼트 DC에서 대략 1.7 암페어일 수 있다. 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계들은 50 밀리초 미만의 기간을 가진 적어도 하나의 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 극성의 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계는 10 밀리초 미만의 기간을 가진 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 라인 및 로드 사이의 회로에 배치할 수 있는 회로 차단기 어셈블리이다. 회로 차단기 어셈블리는 미리 결정된 전류 로드에서 또는 그 이상의 전류 로드에서 라인과 로드 사이의 회로를 개방하기 위하여 설정된 회로 차단기 세트; 및 접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 허용하기 위한 안정된 폐쇄 위치 및 접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 방지하기 위한 안정된 개방 위치 사이에서 왕복운동하기 위하여 제공된 접촉부 어셈블리를 포함한다.
접촉부 어셈블리는 회로 차단기의 로드측에 접속된 고정된 접촉부; 로드에 접속하기 위하여 로드측 도전체에 전기적으로 접속된 이동 가능한 접촉부 - 상기 이동 가능한 접촉부는 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치, 및 이동 가능한 접촉부가 고정된 접촉부로부터 이격되는 안정된 개방 위치 사이에서 이동함 -; 이동 가능한 접촉부상에 스프링 힘을 가하고 안정된 폐쇄 위치 쪽으로 이동 가능한 접촉부를 바이어싱하는 스프링; 및 자기 래치 솔레노이드를 포함한다. 자기 래치 솔레노이드는 이동을 위하여 이동 가능한 접촉부에 접속된 자기 전기자; 이동 가능한 접촉부가 안정된 개방 위치에 있을 때 전기자에 근접하고, 안정된 개방 위치에서 전기자 및 이동 가능한 접촉부를 유지하기 위하여 전 기자상에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가지는 영구 자석; 및 상기 전기자와 근접한 코일을 포함하고, 상기 코일은 전기 에너지가 제 1 극성으로 코일에 인가될 때 안정된 개방 위치의 방향으로 스프링을 초과하는 개방 힘을 전기자에 가하고, 전기 에너지가 안정된 개방 위치로부터 전기자 및 이동 가능한 접촉부를 풀기 위하여 제 2 극성으로 코일에 인가될 때 자기장을 중단시키기 위하여 제공된다.
스프링은 자기 래치 솔레노이드로부터 분리될 수 있다. 접촉부 어셈블리는 접촉부 어셈블리의 베이스에 피봇 가능하게 장착된 제 1 단부를 가진 접촉 아암을 더 포함하고, 상기 이동 가능 접촉부는 접촉 아암의 제 2 단부상에 장착된다.
접촉부 어셈블리는 전기자 및 접촉 아암을 접속하는 피스톤 핀을 포함할 수 있고, 피스톤 핀은 전기자 및 접촉 아암의 상대적 이동을 허용하는 적어도 하나의 홀에 배치된다. 편조된 와이어 접속기는 로드측 도전체 및 접촉 아암을 전기적으로 접속할 수 있다. 접촉 아암은 기계적 스프링 인터페이스를 포함하고, 상기 스프링은 기계적 스프링 인터페이스 및 접촉부 어셈블리의 베이스 사이에 스프링 힘을 가한다. 기계적 스프링 인터페이스는 접촉 아암상 이동 가능한 접촉부로부터 멀리 있을 수 있다.
접촉부 어셈블리는 또한 접촉부들을 개방하기 위하여 제 1 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하고 접촉부들을 폐쇄하기 위하여 제 2 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하기 위한 코일에 접속된 인쇄회로 기판을 포함할 수 있다. 전기 에너지 펄스들은 펄스 폭 제어 DC 신호들일 수 있다.
본 발명은 조명 제어 포드 같은 회로 제어 포드에서 한 쌍의 접촉부들을 개방 및 폐쇄하기 위한 방법 및 장치이다. 자기 래치 솔레노이드 메카니즘, 또는 "매그래치(maglatch)"는 스프링에 사용되고 쌍안정 동작을 제공하기 위하여 접촉부들 또는 매그래치에 근접하여 배치되지 않은 스프링이 사용된다.
매그래치는 영구 자석이 솔레노이드에 부착되는 솔레노이드의 변형이다. 이런 구성요소는 전기 신호들을 기계적 동작으로 변환시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용된 매그래치는 도 1a 및 1B에 도시된다. 매그래치는 매그래치 하우징(110) 및 플런저(plunger)(160)를 포함한다. 플런저(160)는 이하에 보다 상세히 기술될 바와 같이 피스톤 핀을 수용하기 위한 피스톤 핀 홀(130)을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 매그래치(210)의 개략적인 단면도가 도 2에 도시된다. 플런저(260)는 매그래치(210)로부터 연장하고 도 1a의 플런저에 대응한다. 다른 도면들에서 100의 배수들로 증가된 다른 엘리먼트 번호들은 유사한 엘리먼트를 나타낸다. 고정된 자기 코어(250)는 플런저를 둘러싼다. 자기 코어는 소프트 자기장들에 응답하는 제 1 철 재료로 만들어질 수 있다. 플런저(260)는 종래에 공지된 바와 같이 부싱 또는 다른 수단(도시되지 않음)을 사용하여 매그래치에서 왕복운동하기 위하여 장착된다.
매그래치(210)는 매그래치의 하우징(도 1a의 하우징)에 접속된 전자석 코일(230)을 더 포함한다. 코일(230)은 전류가 코일을 통과할 때 코어(250)에 자기장을 유도한다. 자기장은 축방향으로, 즉 매그래치(210)의 축(270)을 따라 전기 자(250)상에 힘을 가한다. 전위가 제 1 극성으로 코일을 가로질러 배치될 때, 전기자상 자기력은 도 2에서 지향된 바와 같이 상부 방향으로 전기자를 몰아대어, 플런저가 매그래치 안으로 수축하게 한다.
매그래치(210)는 영구 자석(215)을 더 포함하고 플러스 가이드(216)를 포함할 수 있다. 플런저(260)가 수축된 위치에 있어서 영구 자석(215) 및 플러스 판(216)에 근접에 근접할 때, 강한 자기 회로는 이들 부재들을 통하여 형성되어, 플런저(260) 상에 인력을 가하고 수축된 위치에서 "래칭"한다.
영구 자석(215)의 효과는 플런저(260)의 위치에 따른다. 플런저가 확장될 때, 자석은 자기 회로의 공기 갭(280)이 충분히 커서 자기장을 충분히 약화시키기 때문에 기능을 제공하지 않는다. 솔레노이드가 제 1 극성의 전류로 펄스될 때, 플런저(260)상 전자기 힘들은 안쪽으로 플런저를 끌어당긴다. 일단 플런저가 수축되면, 매그래치의 영구 자석(215)은 적소에 플런저를 유지한다. 유지하는 힘은 본 발명의 스위칭 메카니즘의 두 개의 안정 위치들 중 하나를 형성한다. 유지하는 힘은 직접적으로 매그래치 영구 자석의 세기에 좌우된다. 매그래치의 솔레노이드 부분은 플런저가 확장된 위치에서 수축된 위치로 이동하게 하는 함을 생성한다.
다른 방향으로 이동을 제공하기 위하여, 즉 플런저를 확장하기 위하여, 스위칭 메카니즘은 도 3에 도시된 스프링(390)을 요구한다. 스프링(390)은 매그래치 메카니즘(310) 외부에 장착되고, 피봇 핀(380)에 의해 베이스 피봇 가능하게 장착되는 L 모양 접촉 아암(383)상에서 작동한다. 이동 가능 접촉부(382)는 용접 또는 다른 방법에 의해 접촉 아암(383)상에 장착된다. 도 3에 도시된 폐쇄 위치에서, 이동 가능한 접촉부(382)는 고정된 접촉부(381)와 접촉한다. 스프링(390)은 바람직하게 플런저(360)를 확장시키기 위하여 접촉 아암(383)상에 연속적인 힘을 제공하는 압축 스프링이다. 플런저가 수축될 때, 플런저(360)상 스프링 힘은 영구 자석의 플런저상에 힘 보다 작고, 안정된 수축된 위치에서 플런저를 유지한다.
도 2를 참조하여, 짧은 DC 펄스가 제 2 극성으로 코일(230)에 전위를 인가함으로써 매그래치(210)에 제공될 때, 코일의 전자기장은 플런저(260)를 포함하는 자기 회로와 간섭함으로써 영구 자석(215)을 일시적으로 디스에이블한다. 이것은 플런저가 완전히 연장될 때까지 스프링이 외부쪽으로 플런저(260)를 이동시키게 한다. 확장된 위치에서, 스프링은 제 2 안정한 위치에서 접촉부들(381,382)과 접촉하여 플런저를 유지한다.
본 발명의 접촉 어셈블리는 두 개의 안정된 평형 위치들을 가진다: 접촉 폐쇄 및 접촉 개방. 이들 위치들은 도 4a-4D를 참조하여 지금 기술될 것이다. 도 4a에 도시된 "접촉 폐쇄" 위치에서, 접촉 아암(483)상 스프링(Fs)의 힘은 피봇 핀(480)에 관련하여 토크를 형성하고, 기계적 정지부로서 작동하는 고정된 접촉부(도시되지 않음)를 향하여 이동 가능 접촉부(482)를 바이어싱한다. 그러므로 스프링 힘은 접촉 폐쇄되어 유지된다. 이동 가능한 접촉부(482)상 반응 힘(Fr)은 접촉 아암(483) 상에 대응 토크를 생성하여, 등가 힘을 유지한다. 매그래치는 메카니즘에 영향을 미치지 않는다.
도 4b는 접촉 어셈블리의 안정된 "접촉 개방" 위치의 접촉 아암을 도시한다. 매그래치의 영구 자석은 장치에 연속적인 힘(FL)을 인가한다. 힘(FL)은 스프링에 의해 가해진 힘(FS) 보다 크다. 기계적 정지부(도시되지 않음)는 반응 힘을 인가하고 아암의 추가 반시계 회전을 방지한다.
도 4c의 힘 도면은 비평등 상태의 접촉 아암을 도시하고, "접촉 폐쇄" 위치에서 "접촉 개방" 위치로 이동을 유발한다. 상기 이동을 시작하기 위하여, 힘(Fsol)은 힘(Fsol)은 매그래치의 전기자상에서 작동하는 솔레노이드에 의해 생성되고, 스프링 힘(FS)의 토크를 초과하는 토크를 접촉 아암에 제공한다. 이에 따라 접촉부들은 매그래치의 영구 자석이 수축된 위치에서 플런저를 래치할 때까지, 플런저가 매그래치 내부로 수축할 때 개별적으로 이동된다.
도 4d의 힘 도면은 "접촉 개방" 위치에서 "접촉 폐쇄 위치" 위치로 본 발명의 접촉 어셈블리의 이동을 도시한다. 매그래치 솔레노이드를 가로질러 인가된 DC 펄스는 영구 자석의 자기장과 간섭함으로써 FL을 일시적으로 디스에이블시킨다. 결과적으로, 스프링 힘(FS)은 기계적 정지를 제공하는 접촉부들이 폐쇄될 때까지 시계방향으로 접촉 아암을 회전시킨다.
주 구성요소를 포함하는 본 발명의 회로 제어 포드(500)의 바람직한 실시예는 도 5를 참조하여 하기에 기술된다.
스프링(590)은 접촉부들을 개방 및 폐쇄시킴으로써 생성된 열에 대한 스프링의 노출을 감소시키기 위하여 접촉부들(581,582)로부터 멀리 배치된 압축 스프링이 다. 스프링은 회로 제어 포드(500)의 베이스 및 커버(도시되지 않음)에 의해 직접적으로 캡쳐되고, L 모양 접촉 아암(583)상에서 작동한다.
접촉 아암(583)은 몇몇 기능들을 제공한다. 아암은 전류가 이동 가능 접촉부(582)에 흐르도록 도전체를 제공한다. 선전류는 피봇 핀(580) 근처 영역에서 접촉 아암에 용접된 편조된 와이어 도전체(도시되지 않음)를 통하여 라인 측면 단자(570)로부터 흐른다. 그 다음 선전류는 편조 용접 자리로부터 아암을 통하여 이동 가능 접촉부(582)로 흐른다. 이동 가능 접촉부는 접촉 아암에 용접된다. 납땜 및 땜질 같은 다른 접속 기술들은 편조 및 이동 가능 접촉부를 접촉 아암에 부착하기 위하여 선택적으로 사용될 수 있다.
접촉 아암(583)은 전기 접촉부들(581,582)을 개방 및 폐쇄하기 위한 이동을 제공하기 위하여 피봇 핀(580)을 중심으로 피봇한다. 아암(583)은 기계적 인터페이스(591)를 스프링(590)에 추가로 제공한다. 아암은 피봇 핀(580) 및 피스톤 핀(530)에 대한 기계적 지지부를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 접촉 아암(583)은 라인 측면 도전체(570) 및 접촉 아암(583)에 근접하여 장착된 자기 요크(yoke)(572)를 포함하는 "블로우(blow) 폐쇄" 메카니즘에 사용되는 전기자(571)에 기계적 지지부를 제공한다. "블로우 폐쇄" 메카니즘은 전기자(571)에 인력 힘을 가하고 요크(572)에 자기장을 유도하는 과도한 전류가 접촉 아암(583) 및 라인 측면 도전체(570)를 통하여 흐를 때 동작한다. 상기 인력은 고전류 로드들 하에서 접촉부들을 멀리 블로우하는 접촉부들에서 접촉 폐쇄 및 저항력을 유지한다.
접촉 아암(583)은 과전류 조건들 하에서 함께 부가적으로 접촉부들(581,582)을 유지하는 한 쌍의 병렬 도전체들 중 하나로서 사용한다. 접촉 아암(583) 및 라인 측면 도전체(570)의 대향 표면들에서 병렬 경로들로 흐르는 전류는 두 개의 구성요소들 사이에 인력을 가한다. 스프링(590)의 힘 및 상기된 "블로우 폐쇄" 메카니즘 외에, 이런 인력은 과전류 조건 동안 접촉 폐쇄를 유지한다. 병렬 도전체들 및 "블로우 폐쇄" 메카니즘은 본 출원과 동시에 출원되고 발명의 명칭이 "Design and Method for Keeping Electrical Contacts Closed During Short Circuits"인 공통으로 양도된 특허 출원에서 보다 상세히 기술되고, 그 내용들은 여기에 전체적으로 참조로써 통합된다.
접촉 아암(583)은 가시적 플래그 표시기(도시되지 않음)의 일부 및 보조 접촉 메카니즘(도시되지 않음)의 일부로서 사용할 수 있다. 게다가, 만약 스프링의 각도가 변화되고, 접촉 아암(583)이 피봇 핀(580)에 관련하여 병진 운동을 허용하도록 슬롯화되면, 접촉 아암은 아크로부터 발생할 수 있는 접착성 용접들을 차단하기 위하여 접촉부들 사이에서 슬라이딩 움직임을 허용하도록 제공될 수 있다.
피봇 핀(580)은 접촉 아암(583)의 부드러운 회전을 제공한다. 핀은 조명 제어 포드의 베이스(675)(도 6) 및 커버(도시되지 않음)에 자리한다. 핀은 피봇 접합부의 부가적인 내구력을 위하여 단단한 강철로 만들어질 수 있다. 피봇 핀 접속은 공지된 접촉 아암 접합부들과 비교하여 접합부에 대해 긴 수명을 제공한다.
접촉 쌍은 이동 가능 접촉부(582) 및 고정된 접촉부(581)를 포함한다. 접촉부들은 전기 로드를 형성하고 차단한다. 이동 가능 접촉부(582)는 접촉 아암(583) 에 직접 용접된다. 고정된 접촉부(581)는 로드 단자(584)에 용접된다.
로드 단자(584)는 접촉부(581)로부터 회로 제어 포드의 외측으로 전기 접속을 제공한다. 로드 단자의 다른 단부는 외부 도전체(와이어, 전기 버스, 등)를 회로 제어 포드에 고정하기 위하여 러그(lug)(585)와 인터페이스한다. 로드 단자의 형상들은 강건한 기계적 및 전기적 접속을 허용한다.
피스톤 핀(530)은 매그래치 플런저(560)의 선형 이동 및 접촉 아암(583)의 회전 이동 사이의 차를 허용하도록 제공된다. 아암의 길이에 관련하여 바람직한 설계의 제한된 회전 운동에 대해, 작은 양의 틈은 피스톤 핀(530)이 접촉 아암(583)과 맞물리는 홀 직경에 제공된다.
인쇄회로 기판(573)은 회로 제어 포드의 내부 제어를 제공한다. 인쇄회로 기판은 외부 접속기(574)를 통하여 전력을 수신한다. 인쇄회로 기판(573)은 부가적인 장치들(다이오드 브리지, 등)이 매그래치를 동작시키기 위하여 요구되지 않도록, 매그래치(510)에 공급된 에너지의 극성 및 기간을 스위치한다.
바람직한 실시예에서, 회로 제어 포드는 집적된 조명 제어 시스템이라 불리는 보다 큰 시스템의 일부이다. 집적된 조명 제어 시스템에서, 한 세트의 많은 회로 제어 포드들은 통신 버스를 통하여 컴퓨터에 접속된다. 회로 제어 포드 접촉부들을 개방 또는 폐쇄하기 위한 신호들은 컴퓨터에 의해 통신 버스로 전송된다. 신호가 회로 제어 포드에 도달할 때, 회로 제어 포드 전자 제품들은 신호가 특정 회로 제어 포드를 위하여 의도되었는가를 식별한다. 통신 버스상에서 특정 회로 제어 포드를 식별하기 위한 하나의 기술은 2007년 3월 22일 공개되고 발명의 명칭이 "Selection Line and Serial Control of Remote Operated Devices in an Integrated Power Distribution System"인 미국특허 공개 번호 20070064360에 개시되고, 그 내용들은 여기에 전체적으로 참조로써 통합된다.
일단 신호가 디코드되면, 회로 제어 포드 인쇄회로 기판(573)은 18-50 밀리초 기간의 양의 DC 펄스폭 제어 신호를 매그래치(510)에 제공한다. 인쇄회로 기판(573)은 매그래치 플런저(560)를 수축시키기 위하여 펄스 폭 및 극성을 적당하게 조절하여야 한다. 반대 운동을 원할 때, 회로 제어 포드 전자부품 기판(573)은 2-6 밀리초 동안 음의 DC 펄스를 전달한다. 제 2 펄스는 매그래치(510)내 영구 자석의 자기장을 일시적으로 중단시켜서, 플런저(560)가 확장되게 한다.
본 발명의 매그래치 회로 제어 포드(600)는 베이스(675)에 장착된 도 6a 및 6B에 도시된다. 베이스는 고온 열가소성 또는 열경화성 수지 같은 열 내성 절연 재료로 만들어질 수 있다. 포드(600)는 도 6a에서 개방 위치로 도시되고, 매그래치(610)는 수축된다. 포드(600)는 도 6b에서 폐쇄 위치로 도시되고, 매그래치(610)는 확장되고 접촉부들(682,681)은 폐쇄된다.
본 발명의 매그래치 회로 제어 포드는 종래 스위칭 장치들에 비해 다수의 장점들을 가진다. 웜 기어 모터 설계와 비교하여, 상기 장치는 조용하고; 생성된 노이즈는 접촉부들이 부딪치는 소리뿐이다. 게다가 장치는 매우 낮은 전력에서 운행된다. 예를들어, 본 발명의 바람직한 실시예는 2-25 밀리초 동안 24 VDC에서 약 1.7A만을 요구한다.
본 발명의 매그래치 회로 제어 포드의 동작은 빠르다. 본 발명자들은 본 발 명에 따른 장치에 대해 연속성을 차단하기 위하여 4.5 밀리초 미만의 측정된 응답 시간들을 가진다.
본 발명의 장치는 기계적 장점을 위하여 큰 전기자를 요구하지 않기 때문에 부분적으로 컴팩트하다. 장치가 회로 차단기 기능들을 관리하거나 충동하지 않기 때문에, 전기적으로 및 기계적으로 단순화되고, 접촉 설계에서 타협을 요구하지 않는다.
부분적으로 피봇 핀 및 피스톤 핀 설계들로 인해, 시스템은 보다 긴 기계적 수명을 가진다. 본 발명의 실시예에 따른 접촉 어셈블리의 예상되는 수명은 450,000 사이클의 초과이다.
상기 상세한 설명은 모든 측면이 도시되고 예시적이지만 제한되지 않은 것으로 이해되고, 여기에 개시된 본 발명의 범위는 본 발명의 상세한 설명으로부터 결정되는 것이 아니고, 특허법들에 의해 허용된 전체 폭에 따라 해석되는 청구항들로부터 결정된다. 예를들어, 접촉 아암이 특정 L 모양 구성을 가지고 여기에 기술되었지만, 다른 접촉 설계들은 대체될 수 있다. 여기에 도시되고 기술된 실시예들이 본 발명의 원리들을 도시하고 다양한 변형들이 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해된다.
도 1a 및 1B는 본 발명에 따른 확장 및 수축 위치들에서 자기 래치 솔레노이드의 투시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 래치 솔레노이드의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부분 전기 접촉 어셈블리의 투시도이다.
도 4a-4D는 본 발명에 따른 접촉 아암 및 이동 가능 접촉부를 도시하는 간략화된 힘 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로 기판 및 몇몇 연관된 구성요소들을 포함하는 전기 접촉 어셈블리의 투시도이다.
도 6a 및 6B는 본 발명의 실시예에 따른 개방 및 폐쇄 위치들에서 전기 접촉 어셈블리의 투시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
310 : 매그래치 메카니즘 381 : 고정된 접촉부
382 : 이동 가능 접촉부 383 : L 모양 접촉 아암
390 : 스프링

Claims (23)

  1. 접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 허용하기 위한 안정된 폐쇄 위치 및 접촉 어셈블리를 통한 전류 흐름을 방지하기 위한 장전된 개방 위치 사이에서 왕복운동하기 위한 접촉 어셈블리로서,
    베이스;
    상기 베이스에 장착된 고정된 접촉부;
    접촉 아암;
    접촉 아암을 베이스에 피봇 가능하게 장착하기 위한 피봇 핀;
    이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치, 및 이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부로부터 이격되는 안정된 개방 위치 사이에 이동하기 위한 접촉 아암상에 장착된 이동 가능 접촉부;
    이동 가능 접촉부를 접촉부 어셈블리의 안정된 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스하기 위하여 접촉부 아암상에 스프링 힘을 가하는 스프링;
    자기 래치 솔레노이드 - 상기 자기 래치 솔레노이드는,
    자기 전기자;
    전기자가 수축된 위치에 있을 때 전기자에 근접하고, 수축된 위치에서 전기자를 유지하기 위하여 전기자에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가진 영구 자석, 및
    전기자와 근접한 코일을 포함하고, 상기 코일은 전기 에너지가 제 1 극성으로 코일에 인가될 때 전기자의 수축된 위치의 방향으로 스프링 힘을 초과하는 수축 힘을 전기자 상에 가하고, 전기 에너지가 수축된 위치로부터 전기자를 풀기 위하여 제 2 극성으로 코일에 인가될 때 자기장을 중단시키기 위하여 제공되고; 및
    접촉 아암 및 전기자를 접속시키는 피스톤 핀을 포함하고, 상기 피스톤 핀은 상대적 이동을 허용하는 접촉 아암 및 전기자 중 적어도 하나의 홀에 배치되고,
    상기 전기자의 수축된 위치는 접촉부 어셈블리의 안정된 개방 위치를 발생시키는,
    접촉부 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링은 자기 래치 솔레노이드로부터 분리되는,
    접촉부 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전류 흐름의 전류원과 접속하기 위한 라인 단자; 및
    라인 단자 및 접촉 아암을 전기적으로 접속하는 편조된 와이어 접속기를 더 포함하는,
    접촉부 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉부 아암은,
    기계적 스프링 인터페이스를 포함하고, 상기 스프링은 기계적 스프링 인터페이스 및 접촉부 어셈블리의 베이스 사이에 스프링 힘을 가하는,
    접촉부 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기계적 스프링 인터페이스는 접촉부 아암상 이동 가능 접촉부로부터 멀리있는,
    접촉부 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 접촉부 어셈블리에 전류 로드를 접속하기 위한 고정된 접촉부에 전기적으로 접속된 로드 단자를 더 포함하는,
    접촉부 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 접촉부들을 개방하기 위하여 제 1 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하고 접촉부들을 폐쇄하기 위하여 제 2 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하기 위한 코일에 접속된 인쇄회로 기판을 더 포함하는,
    접촉부 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전기 에너지의 펄스들은 펄스 폭 제어 DC 신호들인,
    접촉부 어셈블리.
  9. 접촉 어셈블리를 통하여 라인으로부터 로드로 전류 흐름을 허용하기 위한 안정된 폐쇄 위치 및 접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 방지하기 위한 안정된 개방 위치 사이에서 접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키기 위한 방법으로서,
    회로 차단기의 로드 측에 접속된 고정된 접촉부를 제공하는 단계 - 상기 차단기는 미리 결정된 전류 로드에서 또는 그 이상의 로드에서 라인 및 로드 사이의 회로를 개방하기 위한 설정됨 -;
    이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치 및 이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부로부터 이격되는 안정된 개방 위치 사이에서 이동을 위하여 제공되는 이동 가능 접촉부를 제공하는 단계;
    안정된 폐쇄 위치 쪽으로 이동 가능 접촉부상에 스프링 힘을 가하는 스프링을 제공하는 단계;
    이동을 위하여 이동 가능 접촉부에 접속된 자기 전기자, 이동 가능 접촉부가 안정된 개방 위치에 있을 때 전기자에 근접하고 안정된 개방 위치에서 전기자 및 이동 가능 접촉부를 유지하기 위하여 전기자상에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가지는 영구 자석, 및 전기자와 근접한 코일을 포함하는 자기 래치 솔레노이드를 제공하는 단계;
    자기장의 래칭 힘에 의해 안정된 개방 위치에 유지되도록 전기자 및 이동 가능 접촉부를 이동시키기 위하여 스프링 힘을 초과하는 개방 힘을 전기자 상에 가하기 위하여 제 1 극성의 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계; 및
    스프링에 의해 안정된 폐쇄 위치로 배치되도록 자기장을 중단하고 안정된 개 방 위치로부터 이동 가능 접촉부 및 전기자를 풀기 위하여 제 2 극성의 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계를 포함하는,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계는 코일에 전기 펄스들을 인가하는 단계를 더 포함하는,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전기 에너지의 펄스들은 펄스 폭 제어 DC 신호들인,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 전기 에너지는 24 볼트 DC에서 대략 1.7 암페어인,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계는 50 밀리초 미만의 기간을 가진 적어도 하나의 펄스를 인가하는 단계를 포함하는,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 극성의 전기 에너지를 코일에 인가하는 단계 는 10 밀리초 미만의 기간을 가진 펄스를 인가하는 단계를 포함하는,
    접촉 어셈블리를 원격으로 동작시키는 방법.
  15. 라인 및 로드 사이의 회로에 배치할 수 있는 회로 차단기 어셈블리로서,
    미리 결정된 전류 로드에서 또는 그 이상의 전류 로드에서 라인 및 로드 사이의 회로를 개방하기 위하여 설정된 회로 차단기; 및
    접촉 어셈블리를 통하여 전류 흐름을 허용하기 위한 안정된 폐쇄 위치 및 접촉 어셈블리를 통하여 전류를 방지하기 위한 안정된 개방 위치 사이에서 왕복운동하기 위하여 제공된 접촉 어셈블리를 포함하고, 상기 어셈블리는,
    회로 차단기의 로드 측에 접속된 고정된 접촉부;
    로드에 접속하기 위하여 로드측 도전체에 전기적으로 접속된 이동 가능한 접촉부 - 상기 이동 가능 접촉부는 이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부와 접촉하는 안정된 폐쇄 위치 및 이동 가능 접촉부가 고정된 접촉부로부터 이격된 안정된 개방 위치 사이에서 이동할 수 있음 -;
    이동 가능 접촉부 상에 스프링 힘을 가하고 안정된 폐쇄 위치 쪽으로 이동 가능 접촉부를 바이어싱하기 위한 스프링; 및
    자기 래치 솔레노이드를 포함하고, 상기 자기 래치 솔레노이드는,
    이동하기 위하여 이동 가능 접촉부에 접속된 자기 전기자,
    이동 가능 접촉부가 안정된 개방 위치에 있을 때 전기자에 근접하고, 상기 안정된 개방 위치에서 전기자 및 이동 가능 접촉부를 유지하기 위하여 전기자 상에 래칭 힘을 가하는 자기장을 가지는 영구 자석, 및
    전기자와 근접한 코일을 포함하고, 상기 코일은 전기 에너지가 제 1 극성으로 코일에 인가될 때 안정된 개방 위치의 방향으로 스프링 힘을 초과하는 개방 힘을 전기자 상에 가하고, 전기 에너지가 안정된 개방 위치로부터 전기자 및 이동 가능 접촉부를 풀기 위하여 제 2 극성으로 코일에 인가될 때 자기장을 중단시키기 위하여 제공되는,
    회로 차단기 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 스프링은 자기 래치 솔레노이드로부터 분리되는,
    회로 차단기 어셈블리.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 접촉 어셈블리의 베이스에 피봇 가능하게 장착된 제 1 단부를 가진 접촉 아암을 더 포함하고, 상기 이동 가능 접촉부는 접촉 아암의 제 2 단부상에 장착되는,
    회로 차단기 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전기자 및 접촉 아암을 접속하는 피스톤 핀을 더 포함하고, 상기 피스톤 핀은 전기자 및 접촉 아암의 상대적 이동을 허용하는 적어도 하나의 홀에 배치되는,
    회로 차단기 어셈블리.
  19. 제 17 항에 있어서, 로드 측 도전체 및 접촉 아암을 전기적으로 접속하는 편조된 와이어 접속기를 더 포함하는,
    회로 차단기 어셈블리.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 접촉 아암은,
    기계적 스프링 인터페이스를 더 포함하고, 상기 스프링은 기계적 스프링 인터페이스 및 접촉 어셈블리의 베이스 사이에 스프링 힘을 가하는,
    회로 차단기 어셈블리.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 기계적 스프링 인터페이스는 접촉 아암상 이동 가능 접촉부로부터 멀리있는,
    회로 차단기 어셈블리.
  22. 제 15 항에 있어서, 접촉부들을 개방하기 위하여 제 1 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하고 접촉부들을 폐쇄하기 위하여 제 2 극성으로 코일에 전기 에너지 펄스를 인가하기 위하여 코일에 접속된 인쇄회로 기판을 더 포함하는,
    회로 차단기 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 전기 에너지의 펄스들은 펄스 폭 제어 DC 신호들 인,
    회로 차단기 어셈블리.
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