KR20100080012A

KR20100080012A - 실린더형 바이스테이블 영구자석형 액추에이터

Info

Publication number: KR20100080012A
Application number: KR1020080138627A
Authority: KR
Inventors: 손종만
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08
Also published as: US8269588B2; KR101045167B1; CN101771329A; JP5107994B2; CN101771329B; JP2010157730A; US20100164661A1

Abstract

본 발명은 실린더형 바이스테이블 영구자석형 액추에이터에 관한 것으로서, 내측에 공간부를 형성하도록 박판을 감아서 형성한 실린더; 상기 실린더 내측에서 실린더의 길이방향으로 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자; 상기 가동자를 사이에 두고 상기 실린더의 양단부 부근에 각각 설치되는 제1 및 제2 코일; 및 상기 제1 및 제2 코일의 사이에 설치되는 영구 자석을 포함하는 바이스테이블 액추에이터가 제공된다.

차단기, 액추에이터, 바이스테이블, 적층.

Description

실린더형 바이스테이블 영구자석형 액추에이터{CYLINDER TYPE BISTABLE PERMENENT MAGNETIC ACTUATOR USING LAMINATED STEEL CORE}

본 발명은 실린더형 바이스테이블 영구자석형 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력기기에 차단기 및 스위치 등을 동작시키기 위한 액추에이터로서 이용되는 액추에이터에 관한 것이다.

전력기기에 사용되는 액추에이터는 일반적으로 스프링 메커니즘과 유압, 공압액추에이터가 사용되고 있으나, 이러한 액추에이터는 부품의 수가 많고 조작력을 얻기 위해서 기계적 에너지를 제어해야 하므로 매우 복잡하고 유지 보수가 필요 하다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 영구자석과 전기에너지를 이용한 액추에이터가 전력기기에 기존 메커니즘을 대신해서 사용되고 있다. 영구석형 액추에이터는 영구자석에 자기에너지를 이용해 일정 행정거리에서 액추에이터에 가동부가 유지되고 코일에 전기에너지를 공급해서 액추에이터에 가동부를 일정 행정거리까지 움직이게 한다.

영구자석형 액추에이터는 가동자가 일정 위치에 유지되는 형태에 따라서 바 이스테이블(Bistable) 형태와 모노스테이블(Monostable) 형태로 구분된다. 바이스테이블 형태는 가동자가 일정 행정거리 양 끝단에서 모두 영구자석에 의해서 유지되고, 모노스테이블 형태는 행정거리 양끝단에 어느 한쪽에서만 유지되는 형태이다. 바이스테이블 영구자석형 액추에이터는 전력기기에 개방,투입 동작 시 모두 다 영구자석 에너지에 의해서 가동자가 유지되므로 스프링과 같은 기계적 구성요소를 필요로 하지 않고 투입/개방동작을 할 수 있다는 점에서, 별도의 유지 기구부가 필요한 모노스테이블 방식에 비해 유리하다.

도 1에 종래의 바이스테이블 영구자석형 액추에이터의 일 예를 도시하였다. 상기 액추에이터는 내측에 코일을 설치할 수 있는 홈을 갖는 상부 실린더(10)와 상기 상부 실린더(10)의 하부에 위치하는 중간 실린더(12) 및 상기 중간 실린더(12)의 하부에 위치하는 하부 실린더(14)를 포함한다. 상기 중간 실린더(12)의 내부에는 그 중앙부에 가동자가 삽입되는 내부 실린더(16)가 설치되고, 상기 내부 실린더(16)의 가장자리 상부면에는 영구 자석(20)이 설치되어 있다.

한편, 가동자(22)는 상기 상부 실린더(10) 및 하부 실린더(14)의 사이에서 상하로 왕복이동할 수 있도록 설치되며, 상단면 및 하단면에는 각각 가이드 축(24, 26)이 결합된다. 상기 가이드 축(24, 26)는 각각 상기 상부 실린더(10) 및 하부 실린더(14)에 형성된 가이드 홀에 끼워진다. 그리고, 상기 가이드 축(26)의 하부에는 오픈 스프링(28)이 설치되는데, 상기 오픈 스프링(28)은 상기 가동자(22)가 하부 위치에 있는 경우 압축되어 가동자(22)에 상향의 탄성력을 가하도록 구성된다.

마지막으로, 상기 상부 실린더(10) 및 하부 실린더(14)에는 각각 상부 코일(30) 및 하부 코일(32)이 설치된다.

상기 액추에이터의 동작에 대해서 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 가동자(22)가 하부 실린더(14)와 접하고 있는 상태에서는 영구 자석(20)에 의한 자속에 의해 가동자(22)는 하부 실린더(14)와 접한 상태를 유지하게 된다. 이 상태에서, 상부 코일(30)에 전류를 인가하면 가동자(22)에 상향의 자기력이 인가되고 이 힘이 커지면 가동자(22)는 상향으로 이동하여 도 2에 도시된 바와 같이 상부 실린더(10)와 접촉하게 된다. 이 경우 영구 자석(20)에 의한 자속의 흐름이 바뀌어서 상기 가동자(22)는 영구 자석(20)의 자속에 의해 상향의 위치를 유지하게 된다.

역으로, 가동자(22)가 도 2에 도시된 위치에서 영구 자석(20)의 자기력에 의해 유지되어 있는 경우에 하부 코일(32)에 전류를 인가하면 가동자(22)에 하향의 자기력이 인가된다. 이 힘이 영구 자석(20)의 힘보다 커지면 가동자(22)가 하향으로 이동하여 도 1에 도시된 바와 같이 하부 실린더(14)와 접하게 된다. 이렇게 접촉된 상태는 영구 자석(20)의 자기력에 의해 유지된다. 상기 오픈 스프링(28)은 액추에이터가 전력기기(차단기,개폐기)에 연결되었을 경우 외부 전력기기에 접점부를 수동으로 개방 시킬때 개방 에너지로 사용되어 가동자를 위쪽 위치로 이동 시키는 역할을 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 엑추에이터는 기기를 구성하는 주요 부품인 상부 실린더, 하부 실린더, 중간 실린더 및 내부 실린더가 모두 중공인 실린더 형태로 기계 가공하여야 하므로 가공비가 많이 드는 문제가 있다. 또한, 실린더에 장 착되는 영구 자석이 외경이 큰 링 형태여서 자석을 제조하는데 소요되는 비용도 증가한다.

이 외에도, 조립시에 실린더 형태를 갖는 부품들을 동일 축선상에 맞춰서 조립하여야 하는 어려움이 있고, 하나의 영구 자석으로 가동자를 유지하도록 하고 있으므로 자석이 갖는 자기력이 커서 조립 과정에서 다른 부품이 부착되는 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 보다 용이하게 제조가 가능하여 제작 단가를 낮을 수 있는 바이스테이블 영구 자석형 엑추에이터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

또한, 본 발명은 보다 작은 자기력을 갖는 영구 자석을 사용할 수 있도록 하여 영구 자석의 자력으로 인한 조립시의 문제를 해소하여 조립성을 개선할 수 있는 바이스테이블 영구 자석형 엑추에이터를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 내측에 공간부를 형성하도록 박판을 감아서 형성한 실린더; 상기 실린더 내측에서 실린더의 길이방향으로 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자; 상기 가동자를 사이에 두고 상기 실린더의 양단부 부근에 각각 설치되는 제1 및 제2 코일; 및 상기 제1 및 제2 코일의 사이에 설치되는 영구 자석을 포함하는 바이스테이블 액추에이터가 제공된다.

본 발명의 상기 측면은 액추에이터의 외형을 구성하는 실린더를 기계 가공이 아니라 판재를 감아서 형성하도록 한 것으로서, 이로 인해 별도의 기계 가공이 불필요하게 되는 것이다.

여기서, 상기 실린더의 내측에 고정되며, 다수의 박판을 적층하여 형성된 중 간 플레이트를 추가적으로 포함하고, 상기 중간 플레이트에 상기 영구 자석이 고정되도록 할 수 있다. 상기 중간 플레이트 역시 원재료를 기계 가공에 의해 가공한 것이 아니라 타발 공정 등에 의해 다량으로 생산된 판재를 적층한 형태이므로 제조가 용이해 진다.

여기서, 상기 중간 플레이트는 직사각형의 외형을 갖도록 할 수 있으며, 그 외에도 임의의 다각형 또는 폐곡선의 형태를 갖도록 할 수 있다.

또한, 상기 중간 플레이트는 상기 가동자가 통과할 수 있도록 형성되는 관통공을 포함하며, 상기 관통공의 내면에 복수의 영구 자석이 고정되도록 할 수 있다. 복수의 영구 자석을 사용하는 것에 의해서 개개의 영구 자석이 갖는 자기력의 크기를 가동자를 유지하는데 필요한 자기력보다 작게 할 수 있으므로, 그로 인해서 조립 과정에서 영구 자석의 취급이 용이해진다.

여기서, 상기 복수의 영구 자석의 표면에는 다수의 박판이 적층되어 형성되는 자속 유도판을 부착할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 내측에 공간부를 형성하도록 박판을 감아서 형성한 제1 및 제2 실린더; 상기 제1 및 제2 실린더 사이에 배치되며, 상기 제1 및 제2 실린더의 내부 공간과 연결되는 관통공이 형성되는 중간 플레이트; 상기 제1 및 제2 실린더와 중간 플레이트 내측에서 실린더의 길이방향으로 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자; 상기 가동자를 사이에 두고 상기 제1 및 제2 실린더에 각각 설치되는 제1 및 제2 코일; 상기 중간 플레이트에 설치되는 영구 자석; 및 상기 제1, 제2 실린더 및 중간 플레이트가 서로 결합된 상태를 유지시키는 고정 수단을 포 함하는 바이스테이블 액추에이터가 제공된다.

여기서, 상기 중간 플레이트는 다수의 박판을 적층하여 형성할 수 있고, 직사각형의 외형을 가질 수 있다.

또한, 상기 영구 자석은 상기 중간 플레이트의 관통공 내측에 설치될 수 있으며, 복수의 영구 자석이 배치되도록 할 수 있다. 이 때,상기 각각의 영구 자석의 자기력은 상기 가동자를 유지시키는데 요구되는 자기력의 최소값 보다 작게 할 수 있다. 아울러, 상기 영구 자석의 표면에 다수의 박판이 적층되어 형성되는 자속 유도판이 부착되도록 할 수 있다.

한편, 상기 고정 수단은 상기 제1 및 제2 실린더 외측에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정판 및 상기 제1 및 제2 고정판 사이에 인력을 작용시키는 고정구를 포함할 수 있으며, 상기 고정구는 상기 제1 및 제2 고정판 사이로 연장되는 고정 샤프트; 및 상기 고정 샤프트의 양단부에 고정되는 고정 너트를 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 실린더를 기계 가공에 의해 가공하는 것이 아니라, 판재를 감아서 형성하므로 기계 가공을 생략할 수 있어 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 강한 자력을 갖는 하나의 영구 자석 대신에 자력이 약한 복수의 영구 자석을 사용하여 영구 자석의 취급이 용이해지고 그로 인해서 조립성을 향상시킬 수 있게 된다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바이스테이블 영구 자 석형 액추에이터의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 액추에이터의 일 실시예(100)가 도시되어 있으며, 상기 실시예(100)는 최상단 및 최하단부에 제1 및 제2 고정판(102, 104)을 포함하고 있으며, 상기 제1 및 제2 고정판(102, 104)의 사이에는 순차적으로 제1 실린더(110), 중간 플레이트(120) 및 제2 실린더(130)가 배치되어 있다.

여기서, 상기 제1 실린더(110), 중간 플레이트(120) 및 제2 실린더(130)는 상기 제1 및 제2 고정판(102, 104)에 의해 분리되지 않도록 고정되는데, 상기 제1 및 제2 고정판(102, 104)의 사이에는 4개의 고정 볼트(106)가 각각 꼭지점 부근에 배치되어 있고, 이들 고정 볼트(106)의 단부에 고정 너트(108)를 체결하여 상기 제1 및 제2 고정판(102, 104)의 사이에 인력이 작용하도록 하고 있다.

여기서, 상기 제1 및 제2 실린던(110, 130)는 판재를 원통형으로 다수회 감아서 실린더 형태를 갖도록 한 것이고, 상기 중간 플레이트(120)는 직사각형의 판재를 다수개 적층하여 형성한 것으로서, 후술할 영구 자석을 고정하는 역할을 한다. 상기 제1 실린더(110), 중간 플레이트(120) 및 제2 실린더(130)가 결합하여 상기 실시예(100)의 외형을 형성하게 된다. 한편, 상기 제1 고정판(102)의 중앙부에는 부싱(140)이 고정 설치되고, 상기 부싱(140)에 가동자의 상부 샤프트의 단부가 삽입되어 가동자의 이동을 보다 원활하게 하고 있다.

도 4를 참조하여 상기 실시예의 내부 구조에 대해서 설명한다.

상기 제1 및 제2 실린더(110, 130)의 내부 공간과 상기 중간 플레이트(120) 내측에 형성된 관통공(122)에 의해 정의되는 내부 공간에는 가동자(150)가 상하로 이동가능하게 장착된다. 상기 가동자(150)의 양단부에는 각각 상부 샤프트(152) 및 하부 샤프트(154)가 장착되어 있고, 상기 상부 샤프트(152)에는 갭 링(156)이 끼워져 있다. 상기 갭 링(156)은 후술할 상부 코어와 가동자(150)가 소정 간격을 두고 이격될 수 있도록 하기 위한 것이다.

한편, 상기 제1 및 제2 실린더(110, 130)의 내부에는 각각 보빈(160)이 삽입되고, 상기 보빈(160)에는 각각 상부 코일(162) 및 하부 코일(166)이 감겨있다. 또한, 상기 각각의 보빈(160)의 단부 내측에는 상부 코어(164) 및 하부 코어(168)가 삽입되어 있다. 상기 상부 코어 및 하부 코어(164, 168)는 상기 상부 코일(162) 및 하부 코일(166)에 인가되는 전류에 의해 자화되어 상기 가동자를 이동시키는 역할을 한다.

그리고, 상기 중간 플레이트(120)의 내부 공간의 꼭지점 부근에는 각각 영구 자석을 압접하기 위한 영구 자석 고정구(170)가 설치되는데, 상기 영구 자석 고정구(170)는 전체적으로 대략 삼각형의 형상을 가지며 그 모서리에 돌출부(172)가 형성되어 있다. 상기 돌출부(172)는 상기 중간 플레이트(120)의 꼭지점 부근에 형성되는 홈부(124)에 끼워져서 상기 영구 자석 고정구(170)가 중간 플레이트(120)의 내측에 안정적으로 고정될 수 있도록 한다.

상기 각각의 영구 자석 고정구(170)의 사이에 영구 자석(180)이 끼워진다. 상기 영구 자석(180)는 한 쌍의 영구 자석 고정구(170)에 의해 눌려진 상태로 고정되며, 상기 중간 플레이트(120)의 중심을 향하는 표면에는 자속 유도판(182)이 각 각 부착되어 있다. 상기 자속 유도판(182)은 일측면이 원호형으로 형성되는 다수의 판재가 적층되어 이루어지는 것으로서, 영구 자석(180)에 의한 자속을 유도하는 역할을 하게 된다.

상기 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서 상기 중간 플레이트가 두 개의 실린더 사이에 위치하도록 구성되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 실린더의 내부에 중간 플레이트가 설치되는 형태의 예도 고려할 수 있다.

이제 도 5를 참조하여 상기 실시예의 작동에 대해서 설명한다.

도 5에서 상기 가동자(150)는 하부 코어(168)에 밀착된 상태로 유지되고 있으며, 이는 상기 영구 자석(180)의 자기력에 의해 이루어진다. 이 상태에서 상기 상부 코일(162)에 전류를 인가하면, 상기 상부 코어(164)가 자화되면서 상기 가동자(150)에 자기력을 가하게 되고, 이러한 자기력이 점차로 증가하여 상기 영구 자석(180)에 의한 자기력보다 커지면 상기 가동자(150)는 상부 코어(164) 측으로 이동하게 되고, 상기 갭 링(156)이 상기 상부 코어(164)와 접하는 상태에서 상기 영구 자석(180)에 의한 자기력에 의해 상기 가동자(150)는 상부로 이동한 상태로 유지된다.

이 때, 상기 가동자(150)를 상부 위치로 유지시키는 힘은 상기 갭 링(156)에 의해 상기 상부 코어(164)와 가동자(150) 사이에 일정한 에어 갭이 형성되어 있어, 상기 가동자(150)를 하부 위치로 유지시키는 힘에 비해서 작게 된다.

역으로, 상기 가동자(150)가 상부 위치에 유지된 상태에서 하부 코일(166)에 전류를 인가하면, 상기 하부 코어(168)가 자화되어 상기 가동자(150)에 하향의 자기력을 가하게 된다. 이러한 하부 코어(168)의 자기력이 증가하여 상기 영구 자석(180)에 의해 가동자(150)가 상부 위치로 유지되는 힘보다도 커지면, 상기 가동자(150)는 하향으로 이동하여 도 5에 도시된 상태로 복귀하게 되고, 그 후 하부 코일(166)에 인가되는 전류를 차단하여도 영구 자석(180)에 의한 자기력이 하부 코어(166)에도 인가되므로 가동자(150)는 도 5에 도시된 상태를 계속 유지하게 된다.

도 1 및 도 2는 종래의 바이스테이블 영구 자석형 액추에이터의 내부 구조를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 바이스테이블 영구 자석형 액추에이터의 일 실시예를 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예를 도시한 분해 사시도이다.

도 5는 도 3에 도시된 실시예를 도시한 단면도이다.

Claims

내측에 공간부를 형성하도록 박판을 감아서 형성한 실린더;

상기 실린더 내측에서 실린더의 길이방향으로 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자;

상기 가동자를 사이에 두고 상기 실린더의 양단부 부근에 각각 설치되는 제1 및 제2 코일; 및

상기 제1 및 제2 코일의 사이에 설치되는 영구 자석을 포함하는 바이스테이블 액추에이터.
제1항에 있어서,

상기 실린더의 내측에 고정되며, 다수의 박판을 적층하여 형성된 중간 플레이트를 추가적으로 포함하고,

상기 중간 플레이트에 상기 영구 자석이 고정되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제2항에 있어서,

상기 중간 플레이트는 직사각형의 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제3항에 있어서,

상기 중간 플레이트는 상기 가동자가 통과할 수 있도록 형성되는 관통공을 포함하며,

상기 관통공의 내면에 복수의 영구 자석이 고정되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제4항에 있어서,

상기 복수의 영구 자석의 표면에는 다수의 박판이 적층되어 형성되는 자속 유도판이 부착되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
내측에 공간부를 형성하도록 박판을 감아서 형성한 제1 및 제2 실린더;

상기 제1 및 제2 실린더 사이에 배치되며, 상기 제1 및 제2 실린더의 내부 공간과 연결되는 관통공이 형성되는 중간 플레이트;

상기 제1 및 제2 실린더와 중간 플레이트 내측에서 실린더의 길이방향으로 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자;

상기 가동자를 사이에 두고 상기 제1 및 제2 실린더에 각각 설치되는 제1 및 제2 코일;

상기 중간 플레이트에 설치되는 영구 자석; 및

상기 제1, 제2 실린더 및 중간 플레이트가 서로 결합된 상태를 유지시키는 고정 수단을 포함하는 바이스테이블 액추에이터.
제6항에 있어서,

상기 중간 플레이트는 다수의 박판을 적층하여 형성한 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제7항에 있어서,

상기 중간 플레이트는 직사각형의 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제6항에 있어서,

상기 영구 자석은 상기 중간 플레이트의 관통공 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제9항에 있어서,

상기 중간 플레이트의 관통공 내측에 복수의 영구 자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제10항에 있어서,

상기 복수의 영구 자석의 표면에는 다수의 박판이 적층되어 형성되는 자속 유도판이 부착되는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제10항에 있어서,

상기 각각의 영구 자석의 자기력은 상기 가동자를 유지시키는데 요구되는 자기력의 최소값 보다 작은 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제6항에 있어서,

상기 고정 수단은 상기 제1 및 제2 실린더 외측에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정판 및 상기 제1 및 제2 고정판 사이에 인력을 작용시키는 고정구를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.
제13항에 있어서,

상기 고정구는 상기 제1 및 제2 고정판 사이로 연장되는 고정 샤프트; 및

상기 고정 샤프트의 양단부에 고정되는 고정 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이스테이블 액추에이터.