KR20100029609A - 전자 선형 조작기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 선형 조작기에 있어서 특히 구조가 간단하고 저렴하게 제작가능하며 고전압 차단기용으로 적합하게 큰 접점개폐 구동력을 제공할 수 있는 전자 선형 조작기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 고정자; 코어와 상기 코어를 둘러싸게 설치되어 이동을 위한 동력을 제공하는 코일을 구비하며, 상기 고정자의 내부를 선형적으로 이동가능한 가동자 코어; 상기 가동자 코어의 이동을 허용하도록, 상기 고정자의 양 내벽에 상기 가동자 코어를 마주보게 고정적으로 설치되어, 상기 가동자 코어의 코일에 전류가 통전되면 상기 가동자 코어에 이동을 위한 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 제공하고, 상기 가동자 코어의 코일에 전류의 통전이 중단되면 상기 가동자 코어에 위치를 유지하도록 유지 력(holding force)을 제공하는 영구자석을 포함하여 구성된다.

조작기, 선형 조작기, 전자 선형 조작기

Description

전자 선형 조작기{ELECTROMAGNETIC LINEAR ACTUATOR}

본 발명은 전자 선형 조작기(electromagnetic linear actuator)에 관한 것으로, 특히 저전압 차단기뿐 아니라 고전압 및 초고전압 차단기용으로 적합하게 큰 구동력을 제공할 수 있고 구조가 간단하며 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 전자 선형 조작기에 관한 것이다.

수백 볼트(volt) 정도의 저전압용 차단기와 수십 킬로 볼트(Kilo Volt)이상의 고전압용 또는 수백 킬로 볼트 이상의 초고전압용 차단기에 있어서, 접점의 개폐 구동력을 제공하는 조작기(actuator)로서는 스프링에 축세(charging)된 탄성 에너지를 방세(discharging)하여 개폐 구동력을 얻는 스프링 방식의 것과 유압 및 공기 압력을 이용하여 개폐 구동력을 얻는 유공압 방식의 것이 일반적으로 널리 이용되어 왔다.

그러나, 스프링 방식의 조작기의 경우 많은 기계적 부품이 연동하여 개폐구동력을 제공하는 구성이므로 동작 신뢰성 확보가 용이하지 않은 문제가 있고, 유공압 방식의 조작기의 경우에 있어서는 온도 변화에 따라 개폐 구동력이 변화하여 역시 동작 신뢰성 확보가 용이하지 않은 문제가 있다.

이에 따라서 최근 영구자석 조작기(Permanent Magnet Actuator, 일명 PMA)라든지 전자기 조작기(Electromagnetic Actuator, 일명 EMFA)가 종래의 스프링 방식 및 유공압 방식의 조작기를 대체할 대안으로서 개발되고 사용되고 있다.

이러한 영구자석 조작기 및 전자기 조작기에 대한 종래기술에 따른 일 예를 첨부 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 종래기술에 따른 영구자석 조작기의 구성 예를 보여주는 단면도인 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 있어서 종래기술에 따른 영구자석 조작기(10)는, 2개의 분리된 부재를 마주보게 결합하여 구성되거나 하나의 부재로 구성되고 내부에 이동공간을 제공하는 고정자(16)와; 고정자(16)의 내부 이동공간에서 선형적으로(직선으로) 이동가능한 가동자 코어(40); 가동자 코어(40)를 구동하기 위한 자기 구동력을 제공하기 위해서 고정자(16)의 내부 일 단부와 타 단부 측에 각각 설치되는 제 1 코일(60) 및 제 2 코일(61); 가동자 코어(40)가 위치를 유지하도록 가동자 코어(40)에 자기 유지력(magnetic holding force)을 제공하는 영구자석(30)과; 영구자석(30)을 지지하는 지지 코어(supporting core)(31, 32)를 포함하여 구성된다. 도 1에서 미 설명 부호 42는 일단이 가동자 코어(40)에 접속되고 타 단이 직접 또는 연결 부재를 통해서 가동접점부에 접속되는 가동 축이다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 따른 영구자석 조작기(10)의 동작을 설명한다.

도 1에서 상부에 위치한 제 1 코일(60)에 전류를 흘려서 제 1 코일(60)를 자 화(magnetizing)하면, 전자석이 된 제 1 코일(60)로부터의 자기 흡인력에 의해서, 가동자 코어(40)는 영구자석(30)으로부터의 자기 유지력을 극복하고 제 1 코일(60) 쪽으로 이동한다. 이러한 도 1에서 가동자 코어(40)의 상측으로의 이동은 예컨대 가동 축(42)을 통해서 접속된 가동접점부를 회로를 개방(opening) 또는 폐로(closing)하도록 구동하는 구동력으로 이용될 수 있다.

도 1에서 하부에 위치한 제 2 코일(61)에 전류를 흘려서 제 2 코일(61)을 자화(magnetizing)하면, 전자석이 된 제 2 코일(61)로부터의 자기 흡인력에 의해서, 가동자 코어(40)가 영구자석(30)으로부터의 자기 유지력을 극복하고 제 2 코일(61) 쪽으로 이동한다. 이러한 도 1에서 가동자 코어(40)의 하측으로의 이동은 예컨대 가동 축(42)을 통해서 접속된 가동접점부를 회로를 폐로(closing) 또는 개방(opening) 하도록 구동하는 구동력으로 이용될 수 있다.

상술한 바와 같은 종래기술에 따른 영구자석 조작기는 고정자 측 코일에 의한 전자기력만을 이용하여 가동자 코어를 구동하는 구조이므로, 구조가 간단하고 제작비용이 저렴한 장점이 있어 저전압 차단기의 개폐 구동원으로 이용되고 있다, 그러나 종래기술에 따른 영구자석 조작기는 가동자 코어의 이동거리를 길게 구성하는 경우 자속 경로(path) 즉 자기장의 길이가 가동자 코어의 구동을 위한 길이에 미치지 못해 큰 전기 에너지의 투입이 요구되어 고전압 또는 초고전압용 차단기에 적용하기에 부적합한문제점이 있다.

한편, 종래기술에 따른 전자기 조작기의 구성과 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래기술에 따른 전자기 조작기의 구성 예를 보여주는 사시도 및 원내는 가동자 코어의 확대 사시 도이다.

도 2에 도시된 바와 같은 종래기술에 따른 전자기 조작기(100)는, 양 외 벽 부와 중간의 내벽 부를 가지며 내벽 부와 양 외벽 부 사이에 이동공간을 제공하는 고정자(111); 고정자(111)의 내부 이동공간에서 선형적으로(직선적으로) 이동가능하며, 내부에 코일을 갖는 가동자 코어(400); 가동자 코어(400)를 구동하기 위한 자기 구동력을 제공하기 위해서 고정자(111)의 외 벽 부와 내 벽 부의 길이방향 상 중간 부위에 각각 고정하여 마련되는 가동용 영구자석(200, 300); 가동자 코어(400)가 위치를 유지하도록 가동자 코어(400)에 자기 유지력(magnetic holding force)을 제공하며, 고정자(111)의 외 벽 부와 내 벽 부의 길이방향 상 양 단 부 측(도 2에서는 상단 부와 하단부)에 각각 고정하여 마련되는 위치유지용 영구자석(500, 600; 550, 650)을 포함하여 구성된다. 위에서 가동자 코어(400)는 도 2의 이점 쇄선 원내에 확대 사시 도로서 도시된 바와 같이, 개략 "U"자형의 부재로서 종단면 구조상 상 하부에 마련되는 가동자 코어 코어(420, 440)과, 양 가동자 코어 코어(420, 440) 사이에 마련되는 코일(410, 430)을 포함하여 구성된다.여기서, 위치유지용 영구자석(500, 600; 550, 650) 중 고정자(111)의 상 단 부 측 위치유지용 영구자석(500, 600)은 고정자(111)의 하 단 부 측 위치유지용 영구자석(550, 650)보다 약한 자기력을 출력하도록 상대적으로 작은 것이 사용된다.

따라서, 도 2에서 상부에 위치한 코일(410)에 전류를 흘려서 코일(410, 430)이 전계를 형성하면, 가동용 영구자석(200, 300)의 자기장에 의해서 코일(410, 430)이 받는 플레밍(Fleming)의 왼손법칙에 따른 로렌쯔(Lorentz) 힘에 의해서, 가동자 코어(400)는 영구자석(550, 650)으로부터의 자기 유지력을 극복하고 도면상 상방으로 이동한다. 이러한 도 2에서 가동자 코어(400)의 상측으로의 이동은 예컨대 미 도시한 가동 축을 통해서 접속된 가동접점부를 회로를 개방(opening) 또는 폐로(closing)하도록 구동하는 구동력으로 이용될 수 있다. 이와같이 상단 위치로 이동한 상태에서 코일(410, 430)에 흘려주던 전류를 단절하면, 하 단 부 측 위치유지용 영구자석(550, 650)로부터의 자력이 상 단 부 측 위치유지용 영구자석(500, 600)의 자력보다 훨씬 강하므로, 가동자 코어(400)는 위치유지용 영구자석(550, 650)에 의해서 고정자(111)의 하단부로 흡인 이동되어 위치가 유지된다.

이러한 도 2에서 가동자 코어(400)의 상하측으로의 선형적(직선)이동은 가동자 코어(400)에 예컨대 가동 축을 통해서 접속되는 미 도시의 가동접점부를 회로가 폐로(closing) 또는 개방(opening) 되도록 구동하는 구동력으로 이용될 수 있다.

상술한 바와 같은 종래기술에 따른 전자기 조작기는 가동용 영구자석에 의해 가동자 코어 내의 코일에 인가되는 로렌쯔 힘을 이용하여 직선이동하는 구성이므로 이동거리가 길어져도 감당이 가능하며, 가동용 영구자석에 의한 자기력과 가동자 코어 내부의 코일에 의한 전자기력이 합해져서 구동력으로 발휘되므로 큰 동력이 요구되는 고전압 및 초고전압용의 차단기에 개폐구동력을 제공하는 조작기로 이용될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 종래기술에 따른 전자기 조작기는 많은 영구자석을 설치해야하므로, 제작단가가 비싸다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 본 발명의 목적은 가동자 코어의 이동거리도 길게 구성할 수 있고 구조가 간단하고 저렴하게 제작가능한 고전압 차단기용 또는 초고전압 차단기용 전자 선형 조작기를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 전자 선형 조작기에 있어서,

서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 고정자 코어;

가동자 코어와, 통전할 때 상기 가동자 코어를 자화할 있도록 상기 가동자 코어를 둘러싸게 설치되는 코일을 구비하며, 상기 고정자 코어의 내부를 선형적으로 이동가능한 가동자;

상기 가동자의 이동을 허용하도록, 상기 고정자 코어의 양 내벽에 상기 가동자를 마주보게 고정적으로 설치되어, 상기 가동자의 코일에 전류가 통전되면 상기 가동자에 이동을 위한 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 제공하고, 상기 가동자의 코일에 전류의 통전이 중단되면 상기 가동자에 위치를 유지하도록 유지 력(holding force)을 제공하는 영구자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 전자 선형 조작기를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 고정 자 코어; 동자 코어와, 통전할 때 상기 가동자 코어를 자화할 있도록 상기 가동자 코어를 둘러싸게 설치되는 코일을 구비하며, 상기 고정자의 내부를 선형적으로 이동가능한 가동자; 상기 가동자의 이동을 허용하도록, 상기 고정자 코어의 양 내벽에 상기 가동자를 마주보게 고정적으로 설치되어, 상기 가동자의 코일에 전류가 통전되면 상기 가동자에 이동을 위한 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 제공하고, 상기 가동자의 코일에 전류의 통전이 중단되면 상기 가동자에 위치를 유지하도록 유지 력(holding force)을 제공하는 영구자석을 포함하여 구성되므로, 영구자석이 가동자 코어를 구동하는 가동용도와 가동자의 위치를 유지하는 유지용의 겸용으로 이용되는 구성이어서 영구자석을 최소화할 수 있어서 구성이 간단하고 제작비용이 저렴해질 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 코일과 영구자석에 의한 로렌쯔의 힘과 코일 내 가동자 코어의 자기저항과 고정자 코어의 자기저항 차이에 따른 전자기력의 합력에 의해 구동력이 발생하므로 구동력이 극대화될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기에 있어서, 상기 고정자는 두께방향으로 다수의 고정자판을 적층하여 구성되므로, 유기되는 와전류를 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 코일과 영구자석에 의한 로렌쯔의 힘과 코일 내 가동자 코어의 자기저항과 고정자 코어의 자기저항 차이에 따른 전자기력의 합력에 의해 구동력이 발생하므로 구동력이 극대화될 수 있어, 고전압 차단기용 또는 초고전압 차단기용으로 적합하게 강력한 구동력을 갖는 전자 선형 조작기를 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.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기의 구성을 보여주는 정면도인 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 전자 선형 조작기는 한 쌍의 고정자 코어(1, 2)와, 가동자(5) 및 영구자석(3, 4)를 포함하여 구성된다.

고정자 코어(1, 2)는 서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 고정자 코어로 구성되며, 한 쌍의 고정자 코어(1, 2)는 도시된 실시 예와 같이 각각 분리된 별 체로 구성될 수도 있고 도 1에 도시된 종래기술의 예와 같이 한 쌍의 고정자 부재가 마주보며 일체로 구성되는 실시 예도 가능하다. 바람직하게, 고정자 코어(1, 2)는, 유기되는 와 전류(eddy current)를 최소화하기 위해 두께방향으로 다수의 고정자판을 적층하여 구성될 수 있다.

가동자(5)는 서로 마주보게 설치된 한 쌍의 고정자 코어(1, 2)의 내부, 즉 한 쌍의 고정자 코어(1, 2) 사이에 형성되는 공간 내를 선형적으로 이동가능하다. 가동자(5)는 가동자 코어(5a)와, 통전할 때 가동자 코어(5a)를 자화할 있도록 가동자 코어(5a)를 둘러싸게 설치되는 코일(5b, 5c)을 구비한다.

영구자석(3, 4)은 가동자(5)의 이동을 허용하도록, 고정자 코어(1, 2)의 양 내벽에 서로 가동자(5)의 폭과 여유공차를 포함한 거리를 두고 가동자(5)를 마주보게 고정적으로 설치된다. 영구자석(3, 4)은 가동자(5)의 코일(5b, 5c)에 전류가 통전되면 가동자(5)에 이동을 위한 플레밍의 왼손법칙에 따른 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 제공한다. 가동자(5)의 코일(5b, 5c)에 전류의 통전이 중단되면, 영구자석(3, 4)은 가동자(5)에 위치를 유지하도록 유지 력(holding force)을 제공한다.

큰 구동력을 얻을 수 있도록, 영구자석(3, 4)의 자기장(자계) 내에 위치하는 코일(5b, 5c)에 전류가 흐를 때 코일(5b, 5c)에 의해 발생되는 플레밍의 왼손법칙에 따른 로렌쯔의 힘에 부가하여 전자기력을 발생시키게, 본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 코일(5b, 5c)에 전류가 흐를 때 코일(5b, 5c) 내부의 가동자 코어(5a)의 자기저항과 다른 자기저항을 갖는 부분을 고정자 코어(1, 2)가 갖는다. 이 부분을 자기저항 차이 부분(1a)으로 부르기로 한다. 자기저항 차이 부분(1a)은 도 3을 참조할 수 있는 바와 같이, 고정자 코어(1, 2)에 있어서 다른 부분보다 폭이 넓은 부분(1a)이다. 실시 예상 자기저항 차이 부분(1a)은 도 3에서 4개소에 구비된다. 자기저항 차이 부분(1a)은, 그 길이에 따라 가동자(5)의 이동거리가 결정될 수 있다. 즉, 자기저항 차이 부분(1a)의 길이를 조정함에 의해서 가동자(5)의 이동거리(d2)를 조정할 수 있다. 다시 말해서, 가동자(5)의 이동거리는 도 3에 있어서 고정자(1, 2)의 길이방향 상 양 내벽 사이의 거리(d1)와 가동자(5)의 길이(l)를 제외한 나머지 거리인 동시에 자기저항 차이 부분(1a)의 길이(d2)로 결정된다.

한편, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 전자 선형 조작기의 동작을 설 명한다.

도 3에서 코일(5b, 5c)에 전류를 흘려서 코일(5b, 5c)이 수평방향으로 자계를 형성하면, 영구자석(3, 4)의 자기장도 수평방향이므로 이들 두 자기력{코일(5b, 5c)로부터의 자기력과 영구자석(3, 4)으로부터의 자기력}이 합해져서, 가동자(5)는 플레밍(Fleming)의 왼손법칙에 따른 로렌쯔(Lorentz) 힘을 우측 방향으로 받으며, 또한 고정자 코어(1, 2)의 자기저항 차이 부분(1a)의 자기저항과 통전하는 코일(5b, 5c) 내 가동자 코어(5a)의 자기저항의 차이에 의해서 도 3에서 우측 방향으로 전자기력이 발생한다.

따라서 가동자(5)는 상기 로렌쯔 힘과 상기 전자기력의 합력에 의해 도 3에 도시된 위치로부터 우측으로 이동한다. 이러한 도 3에서 가동자(5)의 우측으로의 이동은 예컨대 미 도시한 가동 축을 통해서 접속된 가동접점부에 인가되어 회로를 개방(opening) 또는 폐로(closing) 하도록 구동하는 구동력으로 이용될 수 있다. 이와 같이 우측으로 이동한 상태에서, 영구자석(3, 4)은, 다시 말해 영구자석(3, 4)으로부터의 자기장은 가동자(5)를 구동하는 역할이 아닌 가동자(5)의 이동한 위치를 유지시키는 작용을 하게 된다.

한편, 코일(5b, 5c)에 흘려주던 전류를 단절하면, 영구자석(3, 4)으로부터의 자력에 의해, 가동자(5)는 도 3에 도시된 바와 같은 좌측 위치로 좌측으로 이동하고, 영구자석(3, 4)에 의해서 위치가 유지된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 영구자석이 가동자를 구동하는 가동용도와 가동자의 위치를 유지하는 유지 유지용의 겸용으 로 이용되는 구성이어서 영구자석을 최소화할 수 있어서 구성이 간단하고 제작비용이 저렴해질 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 코일에 전류가 흐를 때 코일 내 가동자 코어의 자기저항과 다른 자기저항을 갖는 고정자 코어의 자기저항 차이 부분이 있어, 이로 인한 전자기력이 영구자석과 코일에 의한 로렌쯔의 힘에 부가하여 합력으로 상기 가동자에 작용하므로, 가동자의 구동력이 극대화될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 본 발명에 따른 전자 선형 조작기에 있어서, 상기 고정자는 두께방향으로 다수의 고정자판을 적층하여 구성되므로, 유기되는 와전류를 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전자 선형 조작기는, 코일과 영구자석에 의한 로렌쯔의 힘과 코일 내 가동자 코어의 자기저항과 고정자 코어의 자기저항 차이에 따른 전자기력의 합력에 의해 구동력이 발생하므로 구동력이 극대화될 수 있어, 고전압 차단기용 또는 초고전압 차단기용으로 적합하게 강력한 구동력을 갖는 전자 선형 조작기를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 영구자석 조작기의 구성 예를 보여주는 단면도이고,

도 2는 종래기술에 따른 전자기 조작기의 구성 예를 보여주는 사시도 및 원내는 가동자의 확대 사시 도이며,

도 3은 본 발명에 따른 전자 선형 조작기의 구성을 보여주는 정면도이다.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명

10: 영구자석 조작기 16: 고정자

30: 영구자석 31, 32: 지지 코어

40: 가동자 60: 제 1 코일

61: 제 2 코일 100: 전자기 조작기

111: 고정자 200, 300: 가동용 영구자석

400: 가동자 410, 430: 코일

420, 440: 가동자 코어

500, 550, 600, 650: 위치유지용 영구자석

1, 2: 제 1 및 제 2 고정자 코어 1a: 자기저항 차이 부분

3, 4: 영구자석

5: 가동자 5a: 가동자 코어

5b, 5c: 코일

Claims (5)

1. 전자 선형 조작기에 있어서,

   서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 고정자 코어;

   가동자 코어와, 통전할 때 상기 가동자 코어를 자화할 있도록 상기 가동자 코어를 둘러싸게 설치되는 코일을 구비하며, 상기 고정자 코어의 내부를 선형적으로 이동가능한 가동자;

   상기 가동자의 이동을 허용하도록, 상기 고정자 코어의 양 내벽에 상기 가동자를 마주보게 고정적으로 설치되어, 상기 가동자의 코일에 전류가 통전되면 상기 가동자에 이동을 위한 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 제공하고, 상기 가동자의 코일에 전류의 통전이 중단되면 상기 가동자에 위치를 유지하도록 유지 력(holding force)을 제공하는 영구자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 선형 조작기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정자 코어는,

   전자기력을 발생하도록, 상기 코일에 전류가 흐를 때 상기 가동자 코어의 자기저항과 다른 자기저항을 갖는 자기저항 차이 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 선형 조작기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 자기저항 차이 부분은,

   길이에 따라 상기 가동자의 이동거리가 결정될 수 있는 부분인 것을 특징으로 하는 전자 선형 조작기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 자기저항 차이 부분은,

   상기 고정자 코어에 있어서 다른 부분보다 폭이 넓은 부분인 것을 특징으로 하는 전자 선형 조작기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 고정자 코어는,

   유기되는 와전류를 최소화하기 위해 두께방향으로 다수의 고정자판을 적층하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 선형 조작기.

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