KR20090113687A - 진공차단기용 영구자석 액튜에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 진공차단기의 접점 폐로 동작시 구동속도를 저감시켜서 진공차단기의 접점의 마모 및 바운싱(bouncing)을 감소시킬 수 있는 진공차단기용 영구자석 액튜에이터를 제공하려는 것으로서, 진공차단기 접점을 폐로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 폐로 코일; 상기 폐로 코일로부터 이격하여 설치되며, 진공차단기 접점을 개로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 개로 코일; 상기 폐로 코일 또는 개로 코일로부터의 자속이 이동하는 자로를 제공하는 적층 철심; 상기 폐로 코일의 내부와 상기 개로 코일의 내부를 통해 직선적으로 이동가능한 아마추어(armature); 상기 아마추어와 상기 적층 철심 사이에 설치되어, 상기 아마추어에 위치를 유지시키는 자력을 제공하는 영구자석; 및 상기 폐로 코일에 인접한 상기 적층 철심의 주위에 설치되고, 상기 폐로 코일이 여자될 때 상기 폐로 코일에 흐르는 전류에 의해 유기된 와전류를 형성하여 상기 진공차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화시키는 환형 도체를 포함하여 구성된다.

진공차단기, 영구자석 액튜에이터, 환형 도체

Description

진공차단기용 영구자석 액튜에이터{PERMANENT MAGNET ACTUATOR FOR VACUUM CIRCUIT BREAKER}

본 발명은 영구자석 액튜에이터(Permanent Magnet Actuator)에 관한 것으로, 특히 진공차단기의 접점 개폐구동력을 제공하는 데 적합한 영구자석 액튜에이터에 관한 것이다.

진공차단기는 크게 구분하여 개폐 및 소호 기구(Switching and Arc Extinguishing Mechanism)와 상기 개폐 및 소호 기구의 가동부 특히 가동접점을 구동하기 위한 동력을 제공하는 구동 기구(Actuating Mechanism)를 포함하여 구성된다. 여기서, 개폐 및 소호 기구는 가동접점과 고정접점으로 대표되는 접점부와 접점 개폐시 발생하는 아크를 소호하기 위한 진공용기를 갖는 진공 인터럽터(Vacuum Interrupter)로 실질적으로 구성된다. 상기 구동 기구는 스프링에 축세한 탄성력을 이용하여 접점부를 개폐하는 동력을 얻는 스프링 형 구동 기구와, 유압에 의해 접접부를 개폐하는 동력을 얻는 유압식 구동 기구와, 개로 코일(Opening Coil)과 폐로 코일(Closing Coil)을 선택적으로 여자(勵磁, 영문으로는 magnetizing)함에 의해서 접점부를 개폐하는 동력을 얻는 전자식(電磁式) 구동 기구로 구분될 수 있다.

위에서 소개한 종류의 구동 기구들은 장점들을 가지고 있지만, 단점으로는 스프링 형 구동 기구는 다수의 링크(link) 등 구성 부품이 복잡한 단점이 있고, 유압식 구동 기구는 유압의 기밀 구조의 구성이 쉽지 않고 장기간 사용에 따른 기밀 상태 유지가 쉽지 않으며 체적이 큰 단점이 있으며, 상기 전자식 구동 기구는 접점부의 폐로(투입) 속도와 개로(개방) 속도를 자유로이 변동할 수 없어 이로 인해 개폐 및 소호 기구의 손상 및 성능 저하를 일으키는 단점이 있다.

본 발명은 전자식(電磁式) 구동 기구를 개선한 발명에 관한 것으로 이에 대한 종래기술의 예를 도 1과 도 3을 참조하여 소개하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 진공차단기용 전자식 구동 기구로서 영구자석 액튜에이터는 폐로(閉路) 코일(coil)(1), 개로(開路) 코일(2), 적층 철심(3), 영구자석(4) 및 아마추어(armature)(5)를 포함하여 구성된다. 미 설명 부호 5a는 아마추어(5)의 일 단부에 연장하게 접속되는 동력전달 축이다.

이러한 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터를 이용한 진공차단기의 회로 개폐 동작을 설명한다.

진공차단기의 폐로 구동을 위해서 폐로 코일(1)에 전류를 흘려주면, 도1에서 상부에 위치한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류의 방향에 직각 방향인 도 1에서 수직방향, 더욱 상세히는 아마추어(5)를 상방으로 끌어 당기는 자속을 발생시킨다. 이러한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속에 의한 자기 흡인력이 영구자석(4)의 유지력보다 커지는 순간 아마추어(5)는 상승 이동한다. 따라서 아마추어(5)의 일 단부에 연장하게 접속되는 동력전달 축(5a)을 통해 진공차단기의 가동접점을 고정접점에 접촉하는 위치로 구동하고 따라서 폐회로가 되어 진공차단기를 통해 전류가 흐르게 된다.

진공차단기의 개로 구동을 위해서 개로 코일(2)에 전류를 흘려주면, 도1에서 하부에 위치한 개로 코일(2)에 흐르는 전류의 방향에 직각 방향인 도 1에서 수직방향, 더욱 상세히는 아마추어(5)를 하방으로 끌어 당기는 자속을 개로 코일(2)이 발생시킨다. 이러한 개로 코일(2)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속에 의한 자기 흡인력이 영구자석(4)의 유지력보다 커지는 순간 아마추어(5)는 도1에 있어서 하강 이동한다. 따라서 아마추어(5)의 일 단부에 연장하게 접속되는 동력전달 축(5a)을 통해 진공차단기의 가동접점은 고정접점으로부터 분리되는 위치로 구동되고 따라서 개회로가 되어 진공차단기를 통한 전류의 흐름은 차단된다.

그러나 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터는 진공차단기의 폐로 구동을 위한 동작시 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의한 자속에 의해서 아마추어(5)는 계속 자기 흡인력을 받아 폐로 방향(일명 투입방향)으로 가속되며, 따라서 아마추어(5)의 동력전달 축(5a)에 접속되는 진공차단기의 가동접점이 과도한 속도로 고정접점에 접촉함으로써 접점 간의 충격이 증가하고 접점이 충격에 의해 접촉상태를 유지하지 못하고 한시적으로 튕겨 분리되었다가 다시 접촉하는 동작을 반복하는 바운싱(bouncing) 현상(도 2에서 접점간 거리가 0이 되었다가 다시 소폭 증가했다가 다시 0이 되는 것을 수차례 반복하는 것 참조)을 일으킨다. 이러한 바운싱 현상은 접점의 마모를 과다하게 발생시키며, 접점 간 과열을 일으켜 접점이 서로 녹아 붙는 용착 현상을 일으키기도 함으로써 이후 차단동작이 이루어지지 않 는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 본 발명의 목적은 진공차단기의 과도한 투입속도를 완화시킬 수 있는 진공차단기용 영구자석 액튜에이터를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서,

여자되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 폐로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 폐로 코일;

상기 폐로 코일로부터 이격하여 설치되며, 여자되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 개로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 개로 코일;

상기 폐로 코일 및 개로 코일의 주변에 설치되어, 상기 폐로 코일 또는 개로 코일로부터의 자속이 이동하는 자로를 제공하는 적층 철심;

상기 진공 차단기에 접점개폐를 위한 동력을 발생시키기 위해서, 상기 폐로 코일의 내부와 상기 개로 코일의 내부를 통해 직선적으로 이동가능한 아마추어(armature);

상기 아마추어와 상기 적층 철심 사이에 설치되어, 상기 아마추어에 위치를 유지시키는 자력을 제공하는 영구자석; 및

상기 폐로 코일에 인접한 상기 적층 철심의 주위에 설치되고, 상기 폐로 코일이 여자될 때 상기 폐로 코일에 흐르는 전류에 의해 유도된 와전류를 형성하여 상기 진 공차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화시키는 환형 도체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터는 폐로 코일이 여자될 때 상기 폐로 코일에 흐르는 전류에 의해 유도된 와전류를 형성하여 진공차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화시키는 환형 도체를 포함하여 구성되므로, 진공차단기의 과도한 투입 속도를 완화시킬 수 있어 결과적으로 투입 시 충격 감소에 따른 접점의 마모량 저감, 접점의 바운싱 시간 최소화 및 그에 따른 접점의 용착 가능성 최소화와 개폐 동작 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터의 구성을 보여주는 종 단면도이며, 상부 우측 원내는 환형 도체의 사시 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터는 폐로 코일(1), 개로 코일(2), 적층 철심(3), 영구자석(4), 아마추어(5) 및 환형 도체(6a, 6b)를 포함하여 구성된다.

폐로 코일(1)은 여자(勵磁)되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 폐로 위치로 구동하도록 자속을 발생시킨다. 다시 말해서, 수평 환(ring) 형상으로 도선을 감아서 구성되는 폐로 코일(1)에 전류를 흘려주면, 폐로 코일(1)에 흐르는 전류의 방향은 수평 원의 형상을 가지며, 이러한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류의 방향인 수평 원방향에 직각인 수직방향으로 자속이 발생한다. 이러한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 수직방향의 자속은 더욱 상세히는 아마추어(5)를 수직방향 상 상방으로 흡인하는 자력을 발생시키고, 아마추어(5)의 수직방향 상 상방 이동은 아마추어(5)에 연장 형성된 동력전달 축(5a)를 통해 접속되는 상기 진공차단기의 가동접점(미 도시)을 고정접점(미 도시)에 접촉하여 회로를 폐 회로로 만들어 상기 진공차단기를 통해 회로 상 전류가 통전하게 된다.

개로 코일(2)은 폐로 코일(1)로부터 도 2에서 수직방향 상 미리 설정된 거리만큼 이격하여 설치되며, 여자(勵磁)되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 개로 위치로 구동하도록 자속을 발생시킨다. 다시 말해서, 수평 환(ring) 형상으로 도선을 감아서 구성되는 개로 코일(2)에 전류를 흘려주면, 개로 코일(2)에 흐르는 수평 원의 형상을 가지는 전류에 의해서, 이러한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류의 방향인 수평 원방향에 직각인 수직방향으로 자속이 발생한다. 이러한 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 수직방향의 자속은 더욱 상세히는 아마추어(5)를 수직방향 상 하방으로 흡인하는 자력을 발생시키고, 아마추어(5)의 수직방향 상 하방 이동은 아마추어(5)에 연장 형성된 동력전달 축(5a)를 통해 접속되는 상기 진공차단기의 가동접점(미 도시)을 고정접점(미 도시)에 접촉하여 회로를 개방시켜 상기 진공차단기에 의해 회로가 차단(개방)된다.

적층 철심(3)은 폐로 코일(1) 및 개로 코일(2)의 주변에 설치되어, 폐로 코일(1) 또는 개로 코일(2)로부터의 자속이 이동하는 자로(磁路)를 제공한다. 다시 말해서, 폐로 코일(1) 또는 개로 코일(2)로부터 발생한 자속은 적층 철심(3)과 아마추어(5)를 통해 이동하여 자속이 이동하는 폐 회로형태의 이동 통로를 구성한다. 적층 철심은 다수의 얇은 철재(鐵材) 박판을 적층하여 구성되는 잘 알려진 적층 철심으로 구성될 수 있다.

상기 진공 차단기에 접점개폐를 위한 동력을 발생시키기 위해서, 아마추어(5)는 폐로 코일(1)의 내부와 개로 코일(2)의 내부를 통해 직선적으로 이동가능하다.

영구자석(4)은 아마추어(5)와 적층 철심(3) 사이에 설치되어, 아마추어(5)에 위치를 유지시키는 자력을 제공한다. 즉, 아마추어(5)가 폐로 코일(1) 또는 개로 코일(2)에 의해 흡인된 위치에서, 아마추어(5)는 영구자석(4)으로부터의 자력에 의해 위치 유지된다.

환형 도체(6a, 6b)는 폐로 코일(1)에 인접한 적층 철심(3)의 주위에 설치되고, 폐로 코일(1)이 여자될 때 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의해 유도된 와 전류를 형성하여 상기 진공차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화시킨다. 더욱 상세히, 환형 도체(6a, 6b)는 예컨대 구리로 알파벳 "C"자형의 중간 형태를 만든 다음, 개방된 부위를 통해 폐로 코일(1)에 인접한 적층 철심(3)의 주위에 끼운다. 다음, "C"자형의 중간 형태에서 개방된 부위를 예컨대 롱 노우즈 펜치(long nose pincers)등의 공구로 다물어주면 설치가 완료된다. 환형 도체(6a, 6b)에 의한 진공 차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화 효과는 환형 도체의 갯수와 길이가 증가함에 따라 비례하게 증가될 수 있다. 환형 도체(6a, 6b)는 전기적 도체이므로, 폐로 코일(1)이 여자될 때 폐로 코일(1)에 흐르는 전류에 의해 환형 도체(6a, 6b)에는 전압이 유도되고 이러한 유도 기전(起電)에 의한 전류가 환형 도체(6a, 6b)의 주위를 통해 흘러 환형의 와 전류(일명 맴돌이 전류, 영문으로는 eddy current)가 발생한다. 그러면 이러한 와 전류에 직각방향인 수직방향으로 자속이 발생하며, 이러한 와 전류에 의한 자속은 발생한 만큼 상기 폐로 코일(1)의 여자에 의한 자속을 감쇄시켜 상기 폐로 코일(1)의 여자에 의한 자속 증가를 억제하게 된다. 따라서 아마추어(5)의 도 2에서 상방으로의 이동 속도를 감속시키게 되고 따라서 아마추어(5)와 동력전달 축(5a)를 통해 접속되는 미 도시의 진공 차단기의 가동접점이 고정접점에 접촉하는 방향으로의 속도를 감속시켜 투입 속도를 감속시키게 작용한다. 따라서 투입 속도가 완화됨에 의해서, 진공 차단기는 접점의 바운싱 시간 감소, 접점의 마모량 감소 및 접점의 용착 현상 발생 최소화의 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 도 3은 본 발명 및 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시 접점 간 거리가 0이 되는 폐로 동작 완료까지 경과시간을 종래기술과 본 발명에 대해 비교하여 보여주는 파형 도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시 접점 간 거리가 0이 되는 폐로 동작 완료까지 경과시간(도 3에서 점선 파형)을 실선 파형의 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시 접점 간 거리가 0이 되는 폐로 동작 완료 까지 경과시간과 비교 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시 접점 간 거리가 최초로 0이 되기까지 소요시간 즉, 폐로 동작에 소요되는 시간이 종래기술의 점선 파형보다 지연되는 것을 볼 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시의 동작 파형인 실선 파형에 있어 접점간 거리가 0과 미소 증가 치를 반복하는 바운싱 시간도 종래기술에 따른 영구자석 액튜에이터의 동작 파형인 점선 파형보다 대폭 감소됨을 볼 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터의 구성을 보여주는 종 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터의 구성을 보여주는 종 단면도이며, 상부 우측 원내는 환형 도체의 사시 도이고,

도 3은 본 발명 및 종래기술에 따른 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서 폐로(투입) 동작시 접점 간 거리가 0이 되는 폐로 동작 완료까지 경과시간을 종래기술과 본 발명에 대해 비교하여 보여주는 파형 도이다.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명

1: 폐로 코일 2: 개로 코일

3: 적층 철심 4: 영구자석

5: 아마추어 5a: 동력전달 축

6a, 6b: 환형 도체

Claims (3)

1. 진공차단기용 영구자석 액튜에이터에 있어서,

   여자되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 폐로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 폐로 코일;

   상기 폐로 코일로부터 이격하여 설치되며, 여자되었을 때 상기 진공차단기의 접점을 개로 위치로 구동하도록 자속을 발생시키는 개로 코일;

   상기 폐로 코일 및 개로 코일의 주변에 설치되어, 상기 폐로 코일 또는 개로 코일로부터의 자속이 이동하는 자로를 제공하는 적층 철심;

   상기 진공 차단기에 접점개폐를 위한 동력을 발생시키기 위해서, 상기 폐로 코일의 내부와 상기 개로 코일의 내부를 통해 직선적으로 이동가능한 아마추어(armature);

   상기 아마추어와 상기 적층 철심 사이에 설치되어, 상기 아마추어에 위치를 유지시키는 자력을 제공하는 영구자석; 및

   상기 폐로 코일에 인접한 상기 적층 철심의 주위에 설치되고, 상기 폐로 코일이 여자될 때 상기 폐로 코일에 흐르는 전류에 의해 유도된 와전류를 형성하여 상기 진공차단기의 폐로 위치 이동속도를 완화시키는 환형 도체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 영구자석 액튜에이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 환형 도체는 구리로 만들어진 환형 도체인 것을 특징으로 하는 진공차단기용 영구자석 액튜에이터.
3. 제1항에 있어서,

   환형 도체에 의해 완화되는 진공차단기의 폐로 위치 이동속도는 환형 도체의 갯수와 길이에 따라 비례하게 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 영구자석 액튜에이터.

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