KR20120031233A

KR20120031233A - 스냅 작용 구동부를 구비한 전기 스위칭 장치

Info

Publication number: KR20120031233A
Application number: KR1020127002609A
Authority: KR
Inventors: 악셀 파버; 프랑크 만트빌; 위르겐 자입트; 게르트 알프; 안드레아스 슐트; 카르스텐 자이볼트
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-03-30
Also published as: DE102009035855B4; DE102009035855A1; ES2560286T3; AU2010277675B2; WO2011012564A1; EP2460167A1; KR101375478B1; AU2010277675A1; EP2460167B1

Abstract

본 발명은, 스위칭 샤프트(2) 및 상기 스위칭 샤프트(2)의 스냅식 운동을 야기하는 스프링 부재(15)를 구비한 스냅 작용 구동기(3)를 포함하는 전기 스위칭 장치(1), 특히 부하 절연 스위치에 관한 것으로, 상기 전기 스위칭 장치는 간단한 구성, 적은 부품 수 및 낮은 공간 수요를 특징으로 한다. 이를 위해 스냅 작용 구동기(3)는 본 발명에 따라 제1 아암(9)과 제2 아암(10)을 구비한 힌지 레버(8)를 포함하며, 제1 아암(9)의 제2 아암(10) 반대편 단부는 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결되고, 제2 아암(10)의 제1 아암(9) 반대편 단부는 스위칭 샤프트(2)와 관련하여 제자리에 고정되어 회전 가능하게 지지되며, 제2 아암(10)은 2개의 서브 아암(10a, 10b)을 포함하며, 상기 서브 아암들 사이에는 스프링 부재(15)가 배치된다.

Description

스냅 작용 구동부를 구비한 전기 스위칭 장치 {ELECTRIC SWITCHGEAR HAVING A SNAP-ACTION DRIVE}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 스냅 작용 구동기를 구비한 전기 스위칭 장치, 특히 부하 절연 스위치(load break switch)에 관한 것이다.

이러한 유형의 스위칭 장치의 예가 DE 28 50 761 C3에 공지되었다. 전기 스위칭 장치는, 스위칭 과정들이 외부의 영향들과 무관하게 항시 일정하고 충분한 속도로 수행되는 것을 보장하기 위해 종종 간접적으로 작용하는 구동기를 필요로 한다. 이는 예컨대 고속 스위칭을 가능케 하는 충전식 에너지 저장 장치를 포함하는 스냅 작용 구동기에 의해 구현된다.

이는 특히 산업 및 선박 시스템 분야에서 고압 전류 회로의 스위칭에 사용되는 부하 절연 스위치에 적용된다. 선박 시스템에서는 예컨대 450V 내지 900V의 직류 전압 및 400A 이하의 스위칭 전류에 적합한 부하 절연 스위치가 사용된다. 그러한 부하 절연 스위치의 스위칭 과정들이 발생하는 동안 높은 스위칭 전류 및 스위칭 전압에 기인하여 아크가 발생하며, 상기 아크가 콘택들의 점진적인 침식을 야기함으로써 스위칭 장치들이 마모될 수 있다. 콘택들의 침식을 최소화하기 위해, 아크가 최대한 드물게 발생하여야 한다. 이는 스위칭 시간의 단축을 통해 달성될 수 있다. 상기 유형의 부하 절연 스위치의 스위칭 시간을 단축하기 위해, 부하 절연 스위치 내부의 스위칭 운동에 스냅 작용 구동이 제공되어야 한다. 스냅 작용 구동에 의해, 일 스위칭 지점의 영역에서 조작자가 스위칭 부재에 가하는 운동의 속도가 증가한다. 이는 보통 스냅 작용 구동부 내 스프링 부재들에 의해 수행된다.

DE 28 50 761 C3로부터 공지된, 스위칭 샤프트를 구비한 전기 스위칭 장치용 스냅 작용 구동기는 압축 스프링을 포함하며, 상기 압축 스프링의 스프링력은 스위칭 샤프트 상에서 회전 운동이 가능하게 배치된 힘 전달 부재를 통해 스위칭 샤프트의 스냅 운동을 야기한다. 스프링용 인장 장치가 마찬가지로 스위칭 샤프트 상에 회전 운동이 가능하게 배치되며, 상기 스프링용 인장 장치의 회전 운동 시 힘 전달 부재가 프리휠 운동 이후에 함께 회전한다. 이때, 힘 전달 부재는 U자형 종동부로서 형성되며, 그 내부에는 제1 및 제2 코일 스프링 핀이 장착된다. 상기 인장 장치는 인장 와셔 및 상기 인장 와셔와 연결된 작동 레버를 포함한다. 상기 작동 레버는 원형 리세스를 포함하며, 상기 리세스 내에서는 압축 스프링과의 연결도 수행하는 제1 인장 핀이 운동한다. 스위칭 장치의 스위치-오프 과정에서 제1 인장 핀은 작동 레버를 통해 U자형 종동부와 종동하며, 이때 스프링이 인장된다. 인장된 스프링은 사점에 도달한 후 릴리스되고, 제2 인장 핀에 의해 스위칭 샤프트에 장착된 인장 핀이 마찰 결합 방식으로 운동함으로써 스위칭 샤프트가 회전하게 된다.

이에 근거하여 본 발명의 과제는, 간단한 구성, 적은 부품 수 및 낮은 공간수요의 특징을 가짐으로써 특히, 예컨대 선박 내에 설치되는 경우와 같이 공간 조건이 제한적인 이동 시스템에서 사용하기에 적합한, 스냅 작용 구동기를 구비한 스위칭 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제1항에 따른 전기 스위칭 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 각각 종속 청구항들의 대상이 된다.

스위칭 샤프트와, 상기 스위칭 샤프트의 스냅 운동을 야기하는 스프링 부재를 구비한 스냅 작용 구동기를 포함하는 본 발명에 따른 전기 스위칭 장치에서, 스냅 작용 구동기는 제1 아암과 제2 아암을 구비한 힌지 레버를 포함하며, 제1 아암의 제2 아암 반대편 단부는 스위칭 샤프트와 회전 불가능하게 연결되고, 제2 아암의 제1 아암 반대편 단부는 스위칭 샤프트와 관련하여 제자리에 고정되어 회전 가능하게 지지되며, 제2 아암은 2개의 서브 아암을 포함하며, 상기 서브 아암들 사이에는 스프링 부재가 배치된다. 스위칭 샤프트의 회전에 의해, 레버는 스프링 부재가 인장되지 않는 기울어진 상태에서 스프링 부재가 인장되는 직선 상태로 전환될 수 있다. 직선 상태를 넘어가면 스프링 부재가 이완되어 힌지 레버 및 상기 힌지 레버와 연결된 스위칭 샤프트를 스냅식으로 가동함으로써, 스위칭 장치 내에서 고속 스위칭 과정이 야기된다. 이 경우, 힌지 레버는 스프링 부재의 인장에 이용될 뿐만 아니라 스프링력을 스위칭 샤프트로 전달하기 위한 힘 전달 부재로도 이용된다. 따라서 본 발명에 따른 해결책의 특징은 부품 수 및 공간 수요가 적다는 데 있다. 힌지 레버는 구조적으로 간단한 부재이므로, 본 발명에 따른 해결책은 구조적으로 간단한 구성의 특징도 있다. 또 다른 장점은, 스냅 작용 구동기가 양측 스위칭 방향 모두로, 즉 스위치-오프 과정 및 스위치-온 과정 모두를 위해 작용한다는 점이다. 이를 통해서도 역시 부품이 절약될 수 있다. 또한, 스냅 작용 구동기는 더욱 많은 측면에서 조작될 수 있으며, 이는 스위칭 장치의 장착 위치 및 그 조작과 관련한 유연성을 증가시킨다.

바람직하게는 2개의 서브 아암에 스프링 부재용 홀더가 형성된다. 따라서 스프링 부재는 상기 두 서브 아암 사이의 올바른 위치에 정확하게 보유될 수 있다.

한 바람직한 실시예에 따라 스프링 부재는 하나 이상의 압축 스프링을 포함하며, 상기 압축 스프링은 비교적 높은 고장 안정성을 특징으로 한다.

고장 안정성을 더욱 증대시키기 위해, 스프링 부재가 서로 동심으로 배치된 2개의 압축 스프링도 포함할 수 있다. 그럼으로써 2개의 스프링 중 하나가 고장이 나도 스위칭 장치의 기능이 계속 유지될 수 있다. 또한, 상기 동심 배치는 균일한 스프링 하중 및 낮은 공간 수요에 기여한다.

스위칭 장치의 매우 높은 컴팩트 특성과 충격 저항성 그리고 스냅 작용 구동기의 기계적 안정성은, 내부 또는 상부에 힌지 레버의 제2 아암과 스위칭 샤프트가 회전 가능하게 지지되는 베이스 판이 스위칭 장치에 구비됨으로써 달성될 수 있다.

수동 조작을 위해, 스위칭 장치는 바람직하게 수동 작동이 가능한 조작 부재 및 상기 조작 부재의 운동을 스위칭 샤프트의 회전 운동으로 변환하기 위한 메커니즘을 포함한다.

매우 바람직한 한 실시예에 따르면, 상기 조작 부재는 회전 가능한 디스크와 회전 불가능하게 연결된 조작 레버를 포함하고, 상기 디스크에 의해 제1 작동 레버의 일측 단부가 가이드되며, 제1 작동 레버의 타측 단부는 다시 스위칭 샤프트와 회전 불가능하게 연결된 제2 작동 레버를 가이드한다.

하기에서는 도면들에 도시된 실시예들을 토대로 본 발명 및 종속 청구항들의 특징들에 따른 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들을 더 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 스위칭 장치의 부분 측단면도이다.
도 2는 도 1의 스위칭 장치의 스냅 작용 구동기가 제1 끝 위치에 있는 모습을 세부적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 스위칭 장치의 스냅 작용 구동기가 중간 위치에 있는 모습을 세부적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 스위칭 장치의 스냅 작용 구동기가 제2 끝 위치에 있는 모습을 세부적으로 도시한 도면이다.

도 1에 윤곽만으로 도시된 부하 절연 스위치 형태의 스위칭 장치(1)는 스위칭 샤프트(2)와, 스위칭 샤프트(2)용 스냅 작용 구동기(3)와, 스터럽(stirrup) 구동기 형태의 수동 조작 부재(4)를 포함한다.

부하 절연 스위치에서는 통상 캠 스위칭 부재들이 스위칭 유닛들로서 사용된다. 24V를 초과하는 전압에서는 캠 스위치 부재들에 아크 소거에 이용되는 아크 챔버가 장착된다. 따라서 부하 절연 스위치(2)는 상세히 도시되지 않은 캠 스위칭 부재들 및 아크 챔버들을 포함한다. 또한, 스위칭 샤프트(2)는 캠 스위칭 부재들의 작동을 위한, 상세히 도시되지 않은 캠을 포함한다.

스위칭 샤프트(2)는 샤프트 베어링을 통해 부하 절연 스위치(1)의 베이스 판(5) 상에 회전 가능하게 지지된다. 베이스 판(5)에는 캠 스위칭 부재들과, 아크 챔버들과, 전기 접속 부품들이 고정된다(도시되지 않음).

스터럽 구동기(4)는 수동 구동기이다. 다시 말해, 조작을 추가의 구동 어셈블리를 통하지 않고 예컨대 조작 레버(6)를 통해 수동으로 수행한다. 스터럽 구동기(4)의 조작 레버(6)의 운동을 스위칭 샤프트(2)의 회전 운동으로 변환하기 위해 구동 메커니즘(7)이 사용된다. 이를 위해, 조작 레버(6)는 회전 가능한 디스크(20)와 회전 불가능하게 연결되고, 상기 디스크에 의해 제1 작동 레버(21)의 일측 단부가 가이드되며, 상기 제1 작동 레버의 타측 단부는 다시 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결된 제2 작동 레버(22)를 가이드한다. 제1 작동 레버(21)는 제2 작동 레버(22)의 가이드를 위해 슬롯(23)을 포함한다. 상기 슬롯 내에서 제2 작동 레버(22)에 장착된 볼트(24)가 가이드된다.

조작 레버(6)가 작동되면 디스크(20)가 회전함으로써 제1 작동 레버(21)가 실질적으로 병진 운동을 하면서 아래를 향해 수직으로 가이드된다. 이러한 운동에 의해, 볼트(24)가 슬롯(23)의 상부 단부로 가압되어 제1 작동 레버(21)와 힘 결합 방식으로 종동한다. 그리하여 볼트(24)는, 제2 작동 레버가 스위칭 샤프트(2)를 회전시키도록 상기 제2 작동 레버(22)를 가이드한다.

도 2 내지 도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 스냅 작용 구동기(3)는 조인트(11)에 의해 서로 연결된 제1 아암(9) 및 제2 아암(10)을 구비한 힌지 레버(8)를 포함한다. 제1 아암(9)의 단부 중 제2 아암(10)과 조인트(11)의 반대편에 놓인 단부는 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결된다.

제2 아암(10)의 단부 중 제1 아암(9) 및 조인트(11)의 반대편에 놓인 단부는 볼트(14)에 의해 홀더(13)에 회전 가능하게 지지된다. 홀더(13)는 베이스 판(5)에 나사로 고정된다. 따라서 제2 아암(10)은 스위칭 샤프트(2)와 관련하여 제자리에 고정되도록 지지된다.

제2 아암(10)은 2개의 서브 아암(10a, 10b)을 포함하며, 상기 서브 아암들 사이에는 스프링 부재(15)가 배치된다. 스프링 부재(15)는 서로 동심으로 배치된 2개의 원통형 압축 스프링(15a, 15b)을 포함하며, 상기 압축 스프링들의 종축은 제2 아암(10)의 종축의 방향으로 연장된다.

서브 아암(10a, 10b) 각각의 스프링(15a, 15b) 쪽 측면은 상기 스프링(15a, 15b)을 위한 홀더(12)를 포함한다. 상기 홀더(12)는 스프링(15a, 15b)의 단부면들을 위한 평평한 지지면(16) 및 융기부(17, 18)를 포함한다. 지지면(16)의 반경방향 외측은 환형 융기부(17)에 의해 제한되며, 상기 환형 융기부에는 외측 압축 스프링(15a)이 인접함으로써 항시 올바른 위치에 보유된다. 한편, 지지면(16)의 반경방향 내측은 원통형 융기부(18)에 의해 제한되며, 상기 원통형 융기부 상에는 내측 압축 스프링(15b)이 안착됨으로써 마찬가지로 항시 올바른 위치에 보유된다. 이미 밝혀진 바와 같이, 이러한 조치들은 대부분의 경우에 스프링들의 위치를 올바르게 결정하고 가이드하기에 충분하다.

상세히 도시되지 않은 한 대안 실시예에서는, 스프링들(15a, 15b)의 가이드를 위해 스프링들 내부의 중심부에 볼트가 배치될 수 있다. 이 경우 볼트 헤드는 바람직하게, 조인트(11)를 향하는 제1 서브 아암(10a)의 스프링 지지면(16)의 영역에서 상기 서브 아암(10)과 나사로 연결된 부시 내에 밀착된다. 조인트(11)를 향하는 서브 아암(10b)의 스프링 지지면(16)의 영역에는 바람직하게 임의의 갭이 존재하며, 상기 갭을 통해 볼트가 고정 디스크를 이용하여 고정된다.

모두 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결된 힌지 레버(8) 및 제2 작동 레버(22)는 독립 레버로서 형성될 수 있다. 부품 수 및 공간 수요를 감소시키기 위해, 상기 두 레버(8, 22)는 -도 1 내지 도 4에 도시된 것처럼- 직선형 이중 레버를 형성한다. 다시 말해, 힌지 레버(8)의 제1 아암(9) 및 제2 작동 레버(22)는 하나의 선으로 서로 연결되며, 이때 상기 두 레버 사이에 스위칭 샤프트(2)가 배치된다.

힌지 레버(8)는 도 2에 도시된, 상기 힌지 레버가 기울어져 있는 제1 끝 위치로부터 도 3에 도시된 직선 상태를 거쳐 도 4에 도시된, 역시 상기 힌지 레버가 기울어져 있는 제2 끝 위치로, 또는 이와 역방향으로 운동할 수 있다.

도 2와 도 4에 도시된 두 끝 위치의 고정은 상세히 도시되지 않은, 스위칭 샤프트(2) 상에 배치된 스토퍼들에 의해 수행될 수 있다.

이때, 제1 아암(9)의 길이, 제1 및 제2 서브 아암(10a, 10b)의 길이, 스프링(15a, 15b)의 치수, 및 스위칭 샤프트(2)와 볼트(14) 사이의 간격은, 도 3에 도시된 힌지 레버(8)의 직선 상태에서 제1 서브 아암(10a)과 제2 서브 아암(10b) 사이에 압축된 압축 스프링(15a, 15b)을 위한 공간이 충분히 존재하도록 상호 조정된다.

제1 작동 레버(21)에 형성된 슬롯형 보어(23)에 의해, 스냅 작용 구동기(3)의 스위칭 시 제1 작동 레버(21) 및 그와 더불어 조작 부재(6)의 동반 운동이 방지된다. 그러한 스위칭 이후에는 스터럽 구동기(4)의 조작 레버(6)가 조작자에 의해 수동으로 자신의 각각의 끝 위치로 이동된다.

하기에서는 도 2 내지 도 4를 토대로 스냅 작용 구동기(3)의 작용 방식을 설명한다.

도 2에는 제1 스위칭 상태, 예컨대 스위칭 장치(1)의 스위치-온 상태에서의 스위칭 샤프트(2)가 도시되어 있다. 여기서는 힌지 레버(8)가 제1 끝 위치에 놓여 있다. 힌지 레버(8)의 두 아암(9, 10)은 서로에 대해 기울어져 있다.

조작자가 수동으로 조작 레버(6)를 움직이면, 제1 작동 레버(21) 및 제2 작동 레버(22)에 의해 스위칭 샤프트(2)가 시계 반대방향으로 회전하고, 이때 힌지 레버(8)는 도 2에 도시된 끝 위치로부터 도 3에 도시된 직선 상태로 움직이며, 상기 직선 상태에서 힌지 레버(8)는 완전히 직선으로 뻗는다. 상기 운동 시 스프링들(15a, 15b)은 압축되거나 인장된다. 이때, 홀더(13)는 스프링들(15a, 15b)의 압축 시 힌지 레버(8)의 제2 아암(10)을 위한 스러스트 베어링으로서 이용된다.

조작 레버(6)가 직선 상태에 도달하기 전에 릴리스되면, 스프링들(15a, 15b)이 힌지 레버(8) 및 스위칭 샤프트(2)를 시계 방향으로 다시 도 2에 도시된 출발 위치로 복귀시킨다.

직선 상태를 지나면 스프링들(15a, 15b)은 이완되어 힌지 레버(8) 및 스위칭 샤프트(2)를 시계 반대방향으로 도 4에 도시된 끝 위치까지 스냅식으로 움직이며, 이를 통해 스위칭 장치(1)의 캠 스위칭 부재들에서의 고속 스위칭 과정이 제공된다. 이때, 스프링력은 스위칭 장치(1)의 콘택들의 스위칭에 필요한 스위칭력에 도달하도록 결정된다.

힌지 레버가 역방향으로, 즉 도 4에 도시된 끝 위치로부터 도 2에 도시된 끝 위치로 운동함으로써, 동일한 방식으로 스위칭 장치의 스위치-온 과정이 구현된다.

도시된 바와 같이, 스냅 작용 구동기(3)를 위해서는 그리 많은 부품이 필요하지 않다. 스냅 작용 구동기(3)의 구조는 매우 간단하며, 특히 스터럽 구동기와 조합되어 높은 신뢰성 및 충격 저항성뿐만 아니라 높은 컴팩트성 및 낮은 공간 수요를 특징으로 한다. 스터럽 구동기(4)가 베이스 판(5)의 상부 대신 베이스 판(5)의 하부에도 배치될 수 있다는 것도 큰 장점 중 하나이며, 이 경우 제1 작동 레버(21)는 하부로부터 제2 작동 레버(22)와 연결된다. 그럼으로써 스위칭 장치의 설치 장소 및 조작과 관련하여 높은 유연성이 제공되며, 이는 특히 예컨대 선박과 같은 이동 시스템에서 사용할 경우에 매우 유리하다.

Claims

스위칭 샤프트(2) 및 상기 스위칭 샤프트(2)의 스냅식 운동을 야기하는 스프링 부재(15)를 구비한 스냅 작용 구동기(3)를 포함하는 전기 스위칭 장치(1), 특히 부하 절연 스위치에 있어서,
스냅 작용 구동기(3)는 제1 아암(9)과 제2 아암(10)을 구비한 힌지 레버(8)를 포함하며, 제1 아암(9)의 제2 아암(10) 반대편 단부는 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결되고, 제2 아암(10)의 제1 아암(9) 반대편 단부는 스위칭 샤프트(2)와 관련하여 제자리에 고정되어 회전 가능하게 지지되며, 제2 아암(10)은 2개의 서브 아암(10a, 10b)을 포함하며, 상기 서브 아암들 사이에는 스프링 부재(15)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제1항에 있어서, 2개의 서브 아암(10a, 10b)에 스프링 부재(15)용 홀더(12)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 부재(15)는 하나 이상의 압축 스프링(15a, 15b)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 부재(15)는 서로 동심으로 배치된 2개의 압축 스프링(15a, 15b)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 또는 상부에 힌지 레버(8)의 제2 아암(10)과 스위칭 샤프트(2)가 회전 가능하게 지지되는 베이스 판(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 수동 작동이 가능한 조작 부재 및 상기 조작 부재(6)의 운동을 스위칭 샤프트(2)의 회전 운동으로 변환하기 위한 메커니즘(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제6항에 있어서, 조작 부재는 회전 가능한 디스크(20)와 회전 불가능하게 연결된 조작 레버(6)를 포함하고, 상기 디스크에 의해 제1 작동 레버(21)의 일측 단부가 가이드되며, 제1 작동 레버의 타측 단부는 스위칭 샤프트(2)와 회전 불가능하게 연결된 제2 작동 레버(22)를 가이드하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).
제7항에 있어서, 제1 작동 레버(21)는 제2 작동 레버(22)의 가이드를 위해 슬롯(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 스위칭 장치(1).