KR20170000443U - 자기력 감소가 방지된 릴레이 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전류의 차단 및 공급을 신속하게 수행할 수 있는 릴레이에 관한 것으로, 고정접점; 상기 고정접점과 접촉되고 분리되는 가동접점; 상기 가동접점 하부에 배치된 여자용 코일; 상기 여자용 코일 내부의 빈공간에 배치된 고정자 및 가동자; 상기 가동자 및 가동접점과 결합되어 고정자와 가동자 사이의 자기력에 의해 구동하는 샤프트; 및 상기 샤프트와 결합되어 샤프트의 원위치로 복귀시키며, 여자용 코일의 외부에 배치된 복귀스프링으로 구성된다.

Description

자기력 감소가 방지된 릴레이{RELAY FOR DEDUCING MAGNETIC FORCE}

본 고안은 릴레이에 관한 것으로, 특히 복귀스프링에 의한 자기력의 감소를 최소화할 수 있는 릴레이에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차(Electronic Vehicle)는 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용하며, 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle)는내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용한다. 하이브리드자동차나 전기자동차에서는 필요 용량에 따라 복수의 배터리를 직렬 또는 직렬과 병렬의 혼합 구조로 연결하여 하나의 배터리세트(battery set) 형태로 차량에 장착하여 모터에 전원을 공급함으로써 차량을 운행하게 된다.

이러한 전기자동차에서는 필요에 따라 배터리에 저장된 전력을 모터에 공급하고 차단하기 위한 회로개폐장치가 필요하게 되는데, 이러한 회로개폐장치로서 직류릴레이(Direct Current Relay)를 주로 사용한다. 상기 릴레이는 전자석 원리를 이용하여 기계적인 구동과 전류신호를 전달해주는 전기적인 회로개폐장치의 일종이다. 이러한 릴레이는 배터리시스템의 내부에 배치되어, 배터리를 스위칭하여 모터에 전력을 공급하거나 차단한다.

그러나. 상기 릴레이를 회로개폐장치로 사용하는 경우, 다음과 같은 문제가 발생한다. 일반적으로 릴레이에는 고정접점과 가동접점이 구비되어, 전기적인 신호에 의해 가동접점이 구동하여 고정접점과 접촉되거나 분리됨으로써 전력을 공급하거나 차단하게 된다.

그러나, 종래 릴레이는 다음과 같은 문제가 발생한다. 일반적으로 릴레이의 가동접점은 전자기력에 의해 가동자가 구동함으로써 고정접점과 접촉하게 된다. 그런데, 가동자의 구동은 자기력에 의해 영향을 받게 되므로, 가동자나 고정자 내부에 스프링이 위치하는 경우 가동자와 고정자 내부에 빈공간이 발생하게 되어 자기력에 저하되어 가동자의 구동이 신속하게 이루어지지는 않게 되며, 그 결과 릴레이에 의한 전류의 구동과 차단이 신속하게 이루어지지 않는 문제가 발생하게 된다.

본 고안은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 가동자과 고정자 사이에 배치되는 스프링에 의한 자기력 저하를 방지하여, 전류 구동과 차단을 신속하게 할 수 있는 릴레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 고안에 따른 릴레이는 고정접점; 상기 고정접점과 접촉되고 분리되는 가동접점; 상기 가동접점 하부에 배치된 여자용 코일; 상기 여자용 코일 내부의 빈공간에 배치된 고정자 및 가동자; 상기 가동자 및 가동접점과 결합되어 고정자와 가동자 사이의 자기력에 의해 구동하는 샤프트; 및 상기 샤프트와 결합되어 샤프트의 원위치로 복귀시키며, 여자용 코일의 외부에 배치된 복귀스프링으로 구성된다.

상기 복귀스프링은 고정자 상단에 배치되어 인장력에 의해 샤프트를 복귀시키며, 고정자와 가동자는 원통형상의 자기코어로 이루어진다.

본 고안에서는 복귀스프링을 고정자의 상단에 배치하여 여자용 코일의 빈공간에 대응하는 영역의 고정자와 가동자의 자기코어의 면적 감소를 방지함으로써, 자기력 저하를 방지할 수 있게 된다. 그 결과, 릴레이의 구동시 전류의 공급 및 차단이 신속하게 이루어질 수 있게 된다.

도 1은 본 고안에 따른 전기자동차의 개략적인 구조를 개념적으로 나타내는 블록도.
도 2는 본 고안에 따른 릴레이의 사시도.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 전기자동차의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 전기자동차는 고전압의 전기에너지를 저장하는 배터리부(101)와, 상기 배터리부(101)와 연결되어 배터리부(101)로부터 출력되는 전류를 모터에 공급하고 차단하는 릴레이(Relay;103)와, 상기 릴레이(103)를 통해 배터리부(101)와 연결되어 릴레이(103)가 동작함에 따라 배터리부(101)로부터 전류가 공급되어 공급된 전류를 변환하여 모터로 출력하는 컨버터(105)와, 배터리부(101)의 전기충전을 제어하고 배터리부(101)의 잔여용량 및 충전의 필요성을 판단하며 배터리부(101)에 저장된 전류를 모터로 공급하는 배터리관리부(108)와, 릴레이(103)의 온/오프를 제어하고 컨버터(105)의 동작을 제어하는 차량제어부(104)와, 상기 차량제어부(104)에 시동신호를 인가하는 시동부(106)로 구성된다.

상기 배터리부(101)는 고전압의 전기에너지가 저장되는 복수의 배터리셀로 구성되며, 충전소, 차량 충전설비 또는 가정에서 외부의 전원을 공급받아 충전된다. 상기 배터리부(101)는 전기자동차의 운행에 필요한 에너지를 공급하거나 전자식 파워스티어링, 워터펌프, 에어컨, 방향지시등, 테일램프, 헤드램프, 브러시 등과 같은 부품을 가동시키는데 필요한 에너지를 공급한다.

릴레이(103)는 차량제어부(104)로부터 인가되는 제어신호에 따라 작동하여 개폐되어 배터리부(101)에 충전된 전류를 컨버터(105)로 공급한다. 즉, 상기 릴레이(103)는 차량의 시동시 차량제어부(104)의 제어명령에 따라 동작하여 컨버터(105)로 전류를 공급하며, 상기 컨버터(105)에서는 공급되는 전류를 변환시킨 후 전기자동차의 모터 및 각 부품으로 전류를 인가한다.

배너리관리부(108)는 배터리부(101)의 배터리셀을 충전하며, 전기자동차의 작동시 배터리부(101) 내의 배터리셀 사이의 전압차를 일정하게 유지하여 배터리부(101)가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 배터리부(101)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 배터리관리부(108)는 전류사용에 대한 관리를 통해 차량이 장시간 주행할 수 있도록 하며, 배터리부(101)의 잔량 및 전압을 측정하여 차량제어부(104)에 출력하다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 배터리관리부(108)에는 배터리부(101)에 공급되는 전류에 대한 보호회로를 포함할 수 있다.

차량제어부(104)는 릴레이(103)를 구동시키는 릴레이 구동신호를 릴레이(103)로 전송하며, 릴레이(103)가 구동함에 따라 배터리부(101)가 컨버터(105)와 전기적으로 접속되어 배터리부(101)의 에너지가 컨버터(105)로 공급된다.

릴레이(103)는 차량의 시동시 고전압의 동작전원이 갑자기 공급되지 않도록 제어하여 차량에 안정적으로 전원이 공급되도록 할 수 있게 된다. 또한, 차량제어부(104)는 릴레이(103)의 온(on)/오프(off)를 제어하고 컨버터(105)와 제어신호를 송신 및 수신하여 컨버터(105)를 제어한다.

도면에는 도시하지 않았지만, 시동부(106)는 차량의 키박스와 차량 액세서리 사이의 연결, 배터리와 차량의 전선간의 연결, 배터리와 차량의 전선 사이의 연결을 온(on)/오프(off)하는 시동스위칭부와 시동스위칭부를 구동하는 시동스위치 구동부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 시동부(106)는 자동차 키로 시동거는 차량의 시동뿐만 아니라 일반적으로 스타트 버튼의 시동부를 포함할 수 있다.

시동부(106)에 의해 차량의 시동이 걸리면, 신호가 시동부(106)로부터 차량제어부(104)에 인가되며, 차량제어부(104)에서는 차량 운전과 관련된 전반적인 제어를 실행한다. 이때, 상기 차량제어부(104)는 배터리관리부(108)를 통해 배터리부(101)를 제어한다.

컨버터(105)는 차량제어부(104)로 릴레이(103)의 구동을 요청하는 릴레이 구동명령신호를 송신하며, 차량제어부(104)는 신호를 수신함에 따라 릴레이(103)를 구동시킨다. 컨버터(105)는 차량제어부(104)로부터 인가되는 제어신호에 따라 PMW스위칭을 수행하여 수백볼트의 배터리부(101)의 전압을 대략 12V의 전압으로 변환시켜 모터 및 각종 부품에 공급한다.

도 2 및 도 3은 본 고안에 따른 전기자동차의 릴레이의 구조를 나타내는 도면으로서, 도 2는 사시도이고 도 3은 A-A선 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 릴레이(103)는 하우징(132)과 상기 하우징(132) 하부의 케이스(130)로 이루어진다.

상기 하우징(132) 내부에는 고정접점(134)와 가동접점(136), 샤프트(138) 및 접압스프링(148)이 구비된다. 이때, 상기 하우징(132)은 하부에 배치되는 케이스(130) 측으로 연장되어 케이스(130)의 상면과 접촉하여 고정접점(134)와 가동접점(136), 샤프트(138) 및 접압스프링(148)을 밀폐한다. 상기 하우징(132)은 세라믹(ceramic) 등과 같이 내열성 및 내마모성을 구비하고 성형이 용이한 재질을 이용하여 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 고정접점(134) 및 가동접점(136)은 구리와 같이 전도성이 높은 금속을 사용할 수 있다.

상기 고정접점(134)에는 나사홀(134a)이 형성되어 부하측에 전류를 전달하기 위한 케이블이나 부스바(150)가 나사(152)에 의해 고정접점(134)에 체결된다.

상기 고정접점(134)은 하우징(132) 상부에 배치되어 전기자동차의 모터 및 각종 부품과 연결되며, 가동접점(136)은 상하방향으로 이동하여 고정접점(134)과 접촉 또는 분리됨으로써 전류를 모터 또는 부하로 공급 또는 차단하도록 스위칭한다. 한편, 접압스프링(148)은 탄성에 의해 가동접점(136)이 고정접점(134)과 접촉할 때 일정 이상의 압력으로 접촉상태를 유지하도록 한다.

케이스(130) 내에는 전기엑츄에이터가 배치된다. 상기 전기엑츄에이터는 여자용 코일(142), 고정자(143), 가동자(146), 복귀스프링(144), 상부로부터 축방향을 따라 케이스(130)를 통과하는 샤프트(138)를 포함한다.

여자용 코일(142)은 내부에 빈공간을 형성하는 원통형상으로 이루어져 전기적 신호에 의해 전자기력을 발생시켜 고정자(143)와 가동자(146)의 구동력을 발생시키며, 고정자(143)는 여자용 코일(142)의 빈공간 내부에 배치된다. 가동자(146)은 원통형상으로 여자용 코일(142) 내부 빈공간의 고정자(143) 하부에 배치된다. 상기 고정자(143)와 가동자(146)는 자기코어로 이루어질 수 있다.

상기 가동자(146)는 통상적으로 아마추어라고도 하며, 원통형상이고 중심축을 따라 관통공이 형성되어 샤프트(138)의 타단부가 관통하여 고정된다. 상기 가동자(146)는 여자용 코일(142)에서 발생하는 전기력에 의해 상승운동을 되며, 이 가동자(146)의 상승운동이 샤프트(138)를 통해 가동접점(136)으로 전달되어 사기 가동접점(136)이 상하운동을 하게 된다.

상기 샤프트(138)는 고정자(143), 복귀스프링(144), 가동자(146)의 중앙을 축방향 및 케이스(130)의 상면에 형성된 관통공(도면표시하지 않음)으로 통과하여 접압스프링(148) 및 가동접점(136)과 결합된다. 따라서, 전자기력에 의해 가동자(145)가 이동함에 따라 상기 샤프트(138)가 상부방향으로 이동하고, 상기 샤프트(138)의 이동에 의해 가동접점(136)이 상부방향으로 이동하여 고정접점(134)과 접촉하게 된다.

복귀스프링(144)은 고정자(143) 상단에 배치된다. 이때, 상기 복귀스프링(144)은 샤프트(138)와 결합될 뿐만 아니라 케이스(130)의 상면과 결합된다. 릴레이(103)가 구동하여 가동자(146)가 상하방향으로 구동될 때 가동자(146)와 결합된 샤프트(138) 역시 케이스(130)의 관통공을 통해 상하방향으로 이동하게 된다.

복귀스프링(144)은 케이스(130) 상면 하부에서 샤프트(138)와 결합되어 있으므로, 상기 샤프트(138)가 상부방향으로 이동함에 따라 동시에 이동한다. 그런데, 상기 샤프트(138)는 관통공을 통해 상부방향으로 이동하는데 반해, 복귀스프링(144)은 케이스(130)의 상면과 결합되어 있으므로, 샤프트(138)의 이동과 함께 상기 복귀스프링(144)이 관통공을 통해 이동하지 않고 케이스(130)의 상면과 접촉된 상태에서 복귀스프링(144)이 압축된다.

릴레이(103)의 구동이 정지하며, 상부방향으로의 샤프트(138)의 이동이 정지함과 함께 압축된 복귀스프링(144)의 인장력에 의해 샤프트(138)가 원래의 위치로 신속하게 복귀하게 된다.

이와 같이, 본 고안에서는 복귀스프링(144)을 고정자(143)의 상단, 즉 외부의 케이스(130) 상면의 바로 하부에 배치함으로써 복귀스프링(144)의 인장력에 의해 샤프트(138)를 복귀시키는데, 이와 같이 복귀스프링(144)을 고정자(143)의 상단, 즉 케이스(130) 상면의 바로 하부에 배치하는 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

상기 복귀스프링(144)은 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 배치할 수도 있다. 이 경우 복귀스프링(144)의 일부가 고정자(143)와 가동자(146) 내부에 배치된다. 즉, 샤프트(138) 주위의 고정자(143)와 가동자(146)의 코아(core) 일부가 제거되고 이 제거된 공간에 복귀스프링(144)의 일부가 배치된다.

다시 말해서, 복귀스프링(144)이 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 배치되는 경우, 고정자(143)와 가동자(146)의 일부 영역이 빈 공간으로 되므로, 고정자(143)와 가동자(146)의 면적이 감소하게 된다. 따라서, 여자용 코일(142)에 전류를 인가하는 경우, 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 발생하는 자기력이 제거된 빈공간 만큼 저하되므로, 릴레이(103)의 구동시 가동자(146)의 신속한 이동이 불가능하게 되어, 가동자(146)의 신속한 복귀가 불가능하게 된다. 이러한 가동자(156)의 복귀 지연은 릴레이(103)의 구동시 정확한 제어가 불가능하게 된다.

그러나, 본 고안에서는 복귀스프링(144)을 원통형상의 여자용 코일(142)에 대응하는 영역이 아니라 외부영역에 배치하므로, 원통형상의 여자용 코일(142)의 빈공간내 위치하는 영역의 고정자(143)와 가동자(146)에는 빈공간이 없는 원통형상이 자기코어로 형성된다. 따라서, 복귀스프링(144)에 의한 고정자(143)와 가동자(146)의 면적이 감소를 방지할 수 있게 되어, 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 자기력 저하를 최소화할 수 있게 된다. 그 결과, 가동자(146)의 신속한 구동이 가능하게 되므로, 가동자(156)의 신속한 복귀에 의한 릴레이(103)의 정확한 구동 제어가 가능하게 된다.

물론, 본 고안에서도 복귀스프링(144)이 형성되는 고정자(143)의 상단의 코아가 제거되지만, 제거되는 영역이 여자용 코일(142)의 내부가 아니라 외부에 해당하므로, 여자용 코일(142)에 전류를 인가하는 경우 자기력의 저하를 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 복귀스프링(144)은 금속 등으로 이루어져 있기 때문에, 여자용 코일(142)에 전류가 인가되어 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 자기력이 형성될 때 상기 복귀스프링(144)에 의해 자속의 일부가 흡수되어 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 자기력이 저하되며, 그 결과 가동자(146)의 신속한 구동이 불가능하게 되어 가동자(146)의 복귀가 지연된다.

이와 같이 복귀스프링(144)이 고정자(143)와 가동자(146) 사이에 배치될 경우 고정자(143)와 가동자(146) 사이의 자기력이 저하되는 이유는, 복귀스프링(144)이 여자용 코일(142)의 중앙영역에 배치되므로 여자용 코일(142)에 전류가 인가될 때 여자용 코일(142)로부터 발생하는 자속이 복귀스프링(144)측으로 유도되어 자기력이 약해지기 때문이다.

본 고안에서는 복귀스프링(144)이 고정자(143)의 상단, 즉 케이스(30)의 상면의 하부에 배치된다. 따라서, 상기 복귀스프링(144)의 여자용 코일(142)의 중앙영역이 아니라 외곽영역에 위치하게 되므로 여자용 코일(142)에서 복귀스프링(144)으로 유도되는 자속을 최소화할 수 있게 되어, 고정자(143)와 가동자(146) 사이의 자기력의 저하를 최소화할 수 있게 된다.

한편, 상술한 상세한 설명에서는 특정 구조의 릴레이가 설명되고 있지만, 본 고안이 이러한 특정 구조의 릴레이에만 한정되는 것은 아니다. 본 고안은 복귀스프링을 고정자의 상단, 여자용 코일의 외부에 배치함으로써 복귀스프링에 대응하는 고정자의 빈공간을 여자용 코일 외부에 위치하도록 함으로써 고정자와 가동자 사이의 자기력 저하를 최소화하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 복귀스프링이 여자용 코일의 외부에 배치될 수만 있다면 복귀스프링의 배치는 어떠한 위치도 가능하다. 또한, 복귀스프링이 여자용 코일의 외부에 배치될 수만 있다면 현재 알려진 모든 구조의 릴레이가 본 고안에 포함될 수 있을 것이다.

또한, 상술한 상세한 고안에서는 본 고안의 릴레이가 전기자동차에 사용된다고 기술하고 있지만, 이는 설명의 편의를 위해 릴레이가 적용되는 것을 예시한 것이다. 실질적으로 본 고안의 릴레이는 단순히 전기자동차에만 사용되는 것이 아니라 전기와 엔진을 모두 구비한 하이브리드 자동차에도 적용될 수 있을 뿐만 아니라 각종 산업용 설비나 기계에도 적용될 수 있을 것이다.

101 : 배터리부 103 : 릴레이
104: 차량제어부 105 : 컨버터
106 : 시동부 108 : 배터리관리부
130 : 케이스 132 : 하우징
134 : 고정접점 136 : 가동접점
142 : 여자용 코일 143 : 고정자
144 : 복귀스프링 146 : 가동자

Claims (5)

1. 고정접점;
   상기 고정접점과 접촉되고 분리되는 가동접점;
   상기 가동접점 하부에 배치된 여자용 코일;
   상기 여자용 코일 내부에 배치된 고정자 및 가동자;
   상기 가동자 및 가동접점과 결합되어 고정자와 가동자 사이의 자기력에 의해 구동하는 샤프트; 및
   상기 샤프트와 결합되어 샤프트의 원위치로 복귀시키며, 여자용 코일의 외부에 배치된 복귀스프링으로 구성된 릴레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 복귀스프링은 고정자 상단에 배치되는 것을 특징으로 하는 릴레이.
3. 제2항에 있어서, 상기 복귀스프링은 인장력에 의해 샤프트를 복귀시키는 것을 특징으로 하는 릴레이.
4. 제2항에 있어서, 상기 고정자와 가동자는 원통형상인 것을 특징으로 하는 릴레이.
5. 제4항에 있어서, 상기 고정자와 가동자는 자기코어로 이루어진 것을 특징으로 하는 릴레이.

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