KR20210102910A - 부하전류의 인도 및 스위칭을 위한 스위칭 장치 - Google Patents

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KR20210102910A
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루츠 프리드릭센
크리스토프 바슈
줄리아 오떼
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요한네스 마이스너
크리스티안 룸플레
알버트 자카리아스
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이턴 인텔리전트 파워 리미티드
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Abstract

부하전류를 인도 및 스위칭하기 위한 스위칭 장치(1,2)는, 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)을 갖는 가동 스위칭 부품(100)과, 제1 고정 접점(30) 및 제2 고정 접점(40)을 구비한다. 이 스위칭 장치(1,2)는, 스위칭 부품(100)을 지지하는 지지장치(200)를 구비한다. 스위칭 부품(100)은, 적어도 스위칭 부품의 회전운동과 지지장치(200)의 병진운동에 의해 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태와의 사이에서 그 스위칭 부품이 이동되도록 배치된다.

Description

부하전류의 인도 및 스위칭을 위한 스위칭 장치
본 개시내용은, 부하전류, 예를 들면, 구체적으로 전기구동식 장비의 분야에서 적용하기 위한 고 DC전류의 인도 및 스위칭을 위한 스위칭 장치에 관한 것이다.
10kA이상의 범위에서 단락 전류의 안전한 스위칭 오프를 가능하게 하기 위해서는, 단락 전류로부터 발생되는 아크 방전의 상기 스위칭 장치에의 충격의 지속기간동안 가능한 가장 좁은 제한 시간이, 특히 전기차의 구동 및 충전동작에 사용하는 데 요구되는 것과 같은 콤팩트 스위칭 장치들의 경우에, 기본적으로 중요하다.
스위칭 사이클이 다수인 공칭 전류를 전환하기 위해서, 상기 스위칭 장치의 서비스 수명은, 스위칭 접점들의 개방시에 일어나는 아크 방전을 스위칭 접점들의 표면으로부터 신속히 제거하여 그 아크 방전을 가능한 한 신속히 소멸시키는 스위칭 장치의 능력에 의해 크게 결정된다. 이 요구사항들을 실현하는 필수 요소들로서는, 개방 거리가 충분히 큰, 예를 들면 5mm보다 큰 접점들의 빠른 개방이 이루어질 수 있는 급속 스위칭 구동, 아크 인도용 레일들에 기초한 아크 드라이버 장치, 효율적 자기 쏠림(blow) 필드 장치, 및 적절한 아크 소멸 시스템이 있다.
단락, 특히 높은 단락 전류의 경우에, 스위칭 접점들의 급속 동적 개방/파열이 높은 전류 힘으로 인해 생길 수도 있다. 단락 전류에 의해 발생되고 상기 스위칭 접점들의 개방시에 검출가능한 높은 아크 방전의 에너지 함량은, 스위칭 장치를 파괴할 가능성이 있다. 또한, 스위칭 장치의 스위칭 경로의 요구된 갈바닉 분리는, 구조상으로 아크 방전의 에너지가 단시간내에 소모되어서 그 아크가 신속히 소멸될 수 있도록 보장되지 않으면, 더 이상 일어나지 않을 것이다.
공칭 전류의 경우에 대해 상기 언급된 스위칭 장치의 특성들과 아울러, 이러한 요구사항을 이행하기 위한 기준은, 단락일 경우에 강한 동적 자기 쏠림 필드가 형성되도록 상기 스위칭 장치의 고정 및 가동 스위칭 부품의 구조적 구성이다.
특히 DC 전류가, 바람직하게는 100A이상이고 전압이 약 1000V까지인 많은 스위칭 동작을 수행 가능한, 단락방지하는 극성 독립의 원격 제어 콤팩트 스위칭 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
다수의 스위칭 동작을 신뢰성 있게 처리 가능한, 부하전류를 인도 및 스위칭하기 위한 스위칭 장치가, 청구항 1에 기재되어 있다.
가능한 실시예에 의하면, 상기 스위칭 장치는, 제1 가동 접점과 제2 가동 접점을 갖는 가동 스위칭 부품을 구비한다. 상기 스위칭 장치는 제1 고정 접점과 제2 고정 접점을 더 구비한다. 상기 스위칭 장치는, 상기 스위칭 부품을 지지하는 지지장치를 구비한다. 상기 제1 가동 접점은 상기 제1 고정 접점과 접촉하여 있고, 상기 제2 가동 접점은 상기 스위칭 부품의 스위칭 온 상태에서 상기 제2 고정 접점과 접촉하여 있다. 상기 제1 가동 접점은 상기 제1 고정 접점과 전기적으로 분리되어 있고, 상기 제2 가동 접점은 상기 스위칭 부품의 스위칭 오프 상태에서 상기 제2 고정 접점과 전기적으로 분리되어 있다. 게다가, 상기 스위칭 부품은, 적어도 상기 스위칭 부품의 회전운동과 상기 지지장치의 병진운동에 의해 상기 스위칭 온 상태와 상기 스위칭 오프 상태와의 사이에서 상기 스위칭 부품이 이동되도록 배치된다. 상기 스위칭 부품은, 상기 스위칭 부품이 회전 가능하게 배치되는 베어링(bearing) 위치를 갖는다. 상기 스위칭 부품은 상기 스위칭 부품의 힘 인가 영역에서 상기 지지장치에 기계적으로 결합되고, 이때의 힘 인가 영역의 장소는 상기 베어링 위치의 장소와 상이하다.
상기 제안된 스위칭 장치는, 공칭 부하 조건하에서, 다수의 스위칭 동작, 예를 들면 100.000 이상의 스위칭 동작을 수행 가능한, 100A보다 큰 양방향 부하전류와 양방향 과전류, 구체적으로는 단락 전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 원격 제어 콤팩트 DC 스위칭 장치로서 구체화 되어 있다.
상기 스위칭 장치의 원격 제어 특성은, 액추에이터, 예를 들면 상기 스위칭 부품을 이동시키는 자기 액추에이터를 사용하여서 실현되어도 좋다. 따라서, 상기 스위칭 장치는, 스위칭 오프 상태와 스위칭 온 상태와의 사이에서 상기 스위칭 부품을 이동시키는 기계적 락이나 수동 스위치가 필요하지 않다.
상기 스위칭 장치의 실시예에 의하면, 상기 가동 스위칭 부품은, 순 선형 운동을 수행하는 것이 아니라, 오히려 스위칭 동작시에 적절한 접속 또는 조인트(joint)에 의해 회전운동 또는 조합된 선형 및 회전 운동을 수행하여, 개방 거리가 확대된 상기 접점들의 급속 개방을 위한 지렛대(lever) 동작이 발생되고, 한쪽 또는 양쪽의 용접된 접점 쌍을 차단하기 위한 추가의 지렛대 효과가 고전류 스위칭 온시에 용접 경향을 감소시키도록 제공된다. 상기 가동 스위칭 부품의 운동에 있어서 회전 부품을 구비함으로써, 보다 빠른 개방이 이루어질 수도 있다. 이에 따라 스위칭 접점들의 용접 경향을 감소시킬 수도 있다.
상기 스위칭 장치의 실시예에 의하면, 상기 가동 스위칭 부품은, 효율적인 동적 자기 쏠림 필드를 발생하되 2개의 외부 팔(limb)과 하나의 중간 팔로 이루어진 E자형 부품으로서 대략 구체화되어 있다. 상기 중간 팔의 단부는, 조인트, 예를 들면 상기 가동 스위칭 부품의 조합된 선형 및 회전 스위칭 운동의 실현의 목적에 알맞는 볼 소켓 조인트로서 구체화될 수 있다.
상기 스위칭 장치의 실시예에 의하면, 공통의 아크 인도용 레일은, 상기 가동 접점들의 양쪽에 대해 제공된다. 그 공통의 아크 인도용 레일은, 이동하는 질량을 줄이기 위해서 상기 가동 스위칭 부품과 물리적으로 고정되게 접속되지 않는다.
또 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위칭 장치는, 하나만의 접점 쌍당 단지 탈이온-소멸 챔버뿐만 아니라 한 쌍만의 아크 인도용 레일도 각각 구비하는, 콤팩트 아크 방전 드라이버 장치와 아크 방전 소멸장치를 제공한다.
상기 스위칭 장치의 또 하나의 실시예에 의하면, 상기 아크 방전 소멸장치는, 접점 쌍당 2개 이상의 동일한 직렬로 배치되어 경사진 탈이온 챔버를 구비하는 부품으로서 구체화되어 있고, 상기 챔버들이 아크 방전에 대향하는 측면은 자기 쏠림 필드에서 아크 방전의 이동 방향으로 불룩해진 상기 아크 방전에 평행하게 배치되어 있다.
또 하나의 실시예에 의하면, 상기 스위칭 장치는, 접점 쌍당 각각의 긴 탈이온-소멸 챔버로 이루어진 아크 방전 소멸장치를 구비하고, 상기 챔버의 개개의 소멸판은, 상기 소멸 챔버가 상기 아크 방전에 대향하는 측면이 자기 쏠림 필드에서 아크 방전의 이동 방향으로 불룩해진 아크 방전에 평행하게 향하고 있도록 서로에 대해 시프트되고 및/또는 경사져 있다.
부가의 특징들 및 이점들은, 후속하는 상세한 설명에 기재되어 있고, 부분적으로, 본 설명으로부터 당업자에게 쉽게 분명하거나, 첨부된 도면뿐만 아니라, 기재된 설명과 청구항에 기재된 것과 같이 실시예들을 행함으로써 인지될 것이다. 상술한 일반적인 설명과 이하의 상세한 설명 모두가, 단지 예시적일뿐이고, 청구항의 속성 및 특징을 이해하기 위한 개요나 틀을 제공하도록 구성된다는 것을 알 수 있다.
첨부도면들은, 한층 더 이해하도록 구비되고, 명세서의 일부에 포함되고 그 일부를 구성한다. 그 도면들은, 하나 이상의 실시예를 나타내고, 상세한 설명과 함께 여러 가지의 실시예의 원리와 동작을 설명하는 역할을 한다. 이 때문에, 본 개시내용은, 아래의 첨부도면들에 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 알 수 있을 것이다:
도 1은 부하전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 스위칭 장치의 제1 실시예를 도시한 것이고;
도 2는 부하전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 스위칭 장치의 가동 스위칭 부품과 자기 액추에이터의 단순화 도면을 나타낸 것이고;
도 3은 동적 자기 쏠림 필드를 형성하기 위해 상기 스위칭 장치의 가동 스위칭 부품의 스위칭 오프 상태에서 일어나는 전류 경로를 나타낸 것이고;
도 4는 부하전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 스위칭 장치의 제2 실시예를 도시한 것이다.
이하에는 부하전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 스위칭 장치의 제1 실시예에 대해서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
부하전류의 인도 및 스위칭을 하기 위한 스위칭 장치(1)는, 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)을 갖는 가동 스위칭 부품(100)을 구비한다. 상기 스위칭 장치는 제1 고정 접점(30)과 제2 고정 접점(40)을 더 구비한다. 상기 스위칭 장치(1)는, 상기 스위칭 부품(100)을 지지하는 지지장치/브릿지(200)를 더 구비한다. 상기 스위칭 부품(100)의 스위칭 온 상태에서, 상기 제1 가동 접점(10)은 상기 제1 고정 접점(30)과 접촉하여 있고, 상기 제2 가동 접점(20)은 상기 제2 고정 접점(40)과 접촉하여 있다. 또한, 상기 스위칭 부품(100)의 스위칭 오프 상태에서, 상기 제1 가동 접점(10)은 상기 제1 고정 접점(30)과 전기적으로 분리되어 있고, 상기 제2 가동 접점(20)은 상기 제2 고정 접점(40)과 전기적으로 분리되어 있다. 상기 스위칭 부품(100)은, 상기 스위칭 부품(100)의 회전운동과 상기 지지장치(200)의 병진운동에 의해 상기 스위칭 온 상태와 상기 스위칭 오프 상태와의 사이에서 상기 스위칭 부품이 이동되도록 배치된다.
상기 스위칭 부품(100)은, 상기 스위칭 부품(100)이 회전 가능하게 배치되는 베어링 위치(101)를 갖는다. 상기 스위칭 부품(100)은 상기 스위칭 부품의 힘 인가 영역(102)에서 상기 지지장치(200)에 기계적으로 결합된다. 상기 힘 인가 영역(102)의 장소는 상기 베어링 위치의 장소와 상이하다. 상기 스위칭 부품(100)은, 상기 베어링 위치(101) 둘레의 상기 스위칭 부품(100)의 회전운동과 상기 지지장치(200)의 병진운동에 의해 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태와의 사이에서 상기 스위칭 부품이 이동되도록 배치된다. 상기 지지장치의 병진운동은, 상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역에서 상기 스위칭 부품(100)에 작용한다. 그 결과, 상기 스위칭 부품의 베어링 위치는 상기 스위칭 부품의 힘 인가 영역(102)의 병진운동에 대해 고정된 위치에 있고, 즉 상기 베어링 위치는 병진방향으로 이동되지 않는다.
가능한 실시예에 의하면, 상기 스위칭 장치(1)는 자기 액추에이터를 구비한다. 상기 지지장치(200)와 상기 자기 액추에이터(300)는, 상기 지지장치(200)의 병진운동이 상기 자기 액추에이터(300)의 활성화에 의해 생기도록 구성된다.
상기 스위칭 부품(100)은, 상기 자기 액추에이터(300)가 상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)에 힘을 가할 때, 상기 스위칭 부품이 상기 베어링 위치(101) 둘레에서 상기 회전운동을 수행하도록 구성되는 지렛대로서 실시되고 있다.
상기 스위칭 장치의 가능한 실시예에 의하면, 상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)은, 상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)의 회전운동에 의해 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)의 회전운동이 생기도록, 상기 제1 가동 접점(10)과 상기 제2 가동 접점(20) 사이의 가상 연결선 및 상기 베어링 위치(101)와 관련지어 배치된다. 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)의 회전운동은, 상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)의 회전운동보다 크다.
그것이 의미하는 것은, 힘 인가 영역은, 상기 스위칭 부품(100)에 기계적 병진운동이 제공되도록 회전가능하게 구체화된 스위칭 부품(100)에 배치된다는 것이다. 상기 자기 액추에이터(300) 또는 상기 지지장치(200)는, 자기 액추에이터(300)/지지장치(200)의 작은 (병진) 운동에 의해 상기 가동 접점(10, 20)의 큰 (회전)운동을 야기하도록, 상기 베어링 위치(101)와 상기 힘 인가 영역(102)과의 사이에서 짧은 지렛대에 작용한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 스위칭 장치(1)의 실시예에 의하면, 상기 스위칭 부품(100)은, 제1 외부 팔(110) 및 제2 외부 팔(120)과 중간 팔(130)을 갖는 E자형 부품으로서 구체화된다. 상기 중간 팔(130)은, 제1 외부 팔(110)과 제2 외부 팔(120)과의 사이에 배치되어 있다. 그 중간 팔(130)은, 상기 제1 및 제2 외부 팔(110, 120)보다 길다. 상기 제1 가동 접점(10)은, 상기 제1 외부 팔(110)의 단부에 배치되어 있다. 상기 제2 가동 접점(20)은, 상기 제2 외부 팔(120)의 단부에 배치되어 있다. 상기 스위칭 부품(100)의 베어링 위치(101)는, 상기 중간 팔(130)의 단부에 배치되어 있다.
상기 스위칭 장치(1)의 가능한 실시예에 의하면, 상기 힘 인가 영역(102)은, 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20) 사이의 가상 연결선과 상기 베어링 위치(101)와의 사이에서 중간 팔(130)의 위치에 배치되어 있다.
상기 스위칭 장치(1)의 또 하나의 실시예에 의하면, 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼, 상기 스위칭 부품(100)은, 상기 스위칭 부품의 베어링 위치(101)에 놓인 볼 소켓(ball-and-socket) 조인트(140)에 의해 홀딩 장치(400)에 회전 가능하게 결합되어 있다. 상기 중간 팔(130)의 단부는, 상기 스위칭 장치(1)의 내부 하우징의 일부인 상기 지지장치(400)의 소켓에 회전 가능하며 경사가능하게 배치되어 있다. 마찰을 최소화하기 위해서, 상기 볼 소켓 조인트는, 적절한 윤활유가 영구적으로 구비될 수 있거나, 최소의 표면 마찰을 갖는, 예를 들면 테프론의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
상기 자기 액추에이터(300)의 가동 스위칭 부품(100)으로의 힘 전송은, 회전 가능 멈춤쇠 연결에 의해 힘 인가 영역(102)에서 일어난다. 상기 액추에이터(300)의 힘 인가 영역(102)으로의 힘 전송시에, 상기 홀딩 장치(400)의 소켓과 상기 스위칭 부품(100)의 베어링 위치(101)는 변경되지 않은/고정된 위치에 있다. 상기 힘 인가 영역(102)은, 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)과의 사이의 가상 연결선과 상기 볼 소켓 조인트(140)와의 사이에 위치되어 있다. 이는, 상기 중간 팔(130)에게 상기 접점들이 개방된 상태와 폐쇄된 상태에서 이동될 때 스위칭 동작동안 회전 이동 성분을 제공하는 지렛대 암(arm)의 특징을 제공한다. 가능한 실시예에 의하면, 상기 힘 인가 영역(102)은, 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)과의 사이의 가상 연결선과 상기 볼 소켓 조인트(140)와의 사이의 대략 중간에 위치되어도 좋다.
그 결과, 상기 스위칭 부품(100)의 순 선형 운동과 비교하여, 상기 가동 접점과 고정 접점과의 사이의 증가된 개방 거리뿐만 아니라 보다 빠른 스위칭 운동이 이루어진다. 상기 스위칭 장치에 의해, 상기 가동 접점과 고정 접점 사이의 큰 개방 경로를 예를 들면 2ms의 짧은 개방 시간내에서 실현할 수 있다. 또한 스위칭 아크 방전의 이동성도 상기 고정 접점과 가동 접점 사이의 거리를 증가시키면서 증가시키므로, 상기 스위칭 장치에 의해 조기에 상기 아크 방전이 상기 스위칭 접점들로부터 멀리 이동할 수 있다. 게다가, 이미 소멸되어 있는 아크 방전의 재점화의 위험도 상기 스위칭 접점 10, 30 또는 20, 40 사이의 증가된 총 개방 거리에 의해 저감된다.
상기 스위칭 장치(1)의 스위칭 구동은, 한층 더 상기 스위칭 접점들의 용접을 방지되게 한다. 고전류의 스위칭 온할 때, 상기 고정 접점과 가동 접점과의 사이의 제1 기계적 접촉동안에 상기 가동 스위칭 부품(100)의 단기간 반동에 의해 생긴 접점 용점의 위험이 있는데, 이는 부하하에서 스위칭할 때 단기간의 소위 튀오오르는 아크의 형성과 관련되어 있다. 아크 전력이 충분히 높은 경우, 상기 스위칭 접점들은, 그 접점들이 즉시 재폐쇄될 때, 특정한 지점에서 녹여질 수 있는 결과, 상기 접점들의 용접이 된다.
또한, 접점 용접은, 단락 전류의 경우에 일어날 수 있다. 단기간 상기 스위칭 접점들의 파열은 그 접점들이 개방할 때 일어날 수도 있다. 이는, 상기 가동 스위칭 부품(100)의 E자 형태로 인해 단락 전류의 동적 자기력에 의해 생긴다. 그 E자 형태는, 그 단락 전류가 단자 접점 레일(50, 60)에서와 같이 반대방향으로 상기 가동 스위칭 부품(100)의 외부 팔(110, 120)에 흐르도록 그 단락 전류를 인도할 것이다. 이는 상기 가동 스위칭 부품에 개방 힘으로 이어질 것이다. 그 결과로 얻어진 고에너지 아크는 상기 스위칭 접점들의 접점 표면을 녹게 함으로써, 단락 아크가 소멸되고 동적 개방 힘이 사라질 때 여전히 "온 상태"에 있다는 사실로 인하여 상기 스위칭 접점들의 급속한 재폐쇄일 경우에 용접으로 이어지는 경우도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 상기 스위칭 장치(1)의 실시예에 의하면, 접점 용접의 경우에, 비틀림 모멘트는, 상기 가동 스위칭 부품(100)에 유효하고, 상기 스위칭 부품(100)의 개방 동안에 상기 자기 액추에이터(300)의 운동 방향으로 힘을 발생한다. 상기 비틀림 모멘트는, 자기 액추에이터(300)와 지지장치(200)의 힘에 의해 생기고, 이 힘은 중간 팔(130)의 힘 인가 영역(102)에 충격을 준다. 이 비틀림 모멘트는 이미 용접된 스위칭 접점들의 파열을 용이하게 한다.
기본적으로, 상기 스위칭 부품(100)의 회전 운동 성분은, 예를 들면, 베어링의 환형 지지체에 의해서 또는, 상기 스위칭 부품(100)의 베어링 위치(101)에 놓인 원통형 원뿔 지지체에 의해서도 실현될 수 있다.
마찰을 최소화하기 위해서, 상기 지지체는, 적절한 윤활유가 구비될 수 있거나, 표면 마찰이 최소인 적절한 재료, 예를 들면 테프론으로 제조될 수 있다.
상기 스위칭 부품의 볼 조인트 실장 서스펜션은, 상기 접점 용접을 중단시키는 추가의 지렛대 효과의 이점을 제공한다. 예를 들면 부하하에서 재접촉 동안에 약간 상이한 접점 지형으로 인해 2개의 접점 쌍 중 한쪽에 의해 용접이 일어나지만, 다른 쪽 접점 쌍에 의해 용접이 일어나지 않는 경우에만, 상기 스위칭 부품(100)의 볼 소켓 조인트 서스펜션(140)은, 볼 조인트와 용접된 접점과의 사이의 가상 연결선을 따라 상기 용접된 접점들의 쌍에 지렛대 동작을 증가되게 하여, 그 용접이 중단하는 것을 가능하게 한다.
과전류와 단락 전류의 급속 스위치 오프뿐만 아니라 공칭 전류 양쪽의 급속 스위치 오프로 스위칭 동작시에 이동 질량의 저감에 이롭다. 아크 드라이버 부품과 아크 소멸 부품을 갖는 대부분의 종래의 스위칭 장치에 있어서, 상기 가동 스위칭 부품(100)에는, 아크 방전의 급속 리딩-오프를 위한 인도 레일들이 구비되어 있다.
상기 스위칭 장치(1)의 실시예에 의하면, 이 스위칭 장치는, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)을 위한 공통의 아크 인도용 레일(500)을 구비한다. 이 공통의 아크 인도용 레일(500)은, 상기 스위칭 부품의 스위칭 온 상태에서 상기 스위칭 부품으로부터 접촉하지 않고, 상기 스위칭 부품의 스위칭 오프 상태에서만 상기 스위칭 부품(100)과 접촉하고 있다. 공통의 아크 인도용 레일(500)은, 제1 아크 인도용 레일 부분(511)과, 제2 아크 인도용 레일 부분(521)과, 이 제1 아크 인도용 레일 부분과 제2 아크 인도용 레일 부분을 연결하는 연결부분(501)을 구비한다.
상기 스위칭 장치(1)는, 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)를 구비한다. 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)은, 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 한 쌍의 상기 제1 가동 접점(10) 및 제1 고정 접점(30)과의 사이에 배치되어 있다. 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)은, 상기 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)와 한 쌍의 상기 제2 가동 접점(20) 및 제2 고정 접점(40)과의 사이에 배치되어 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)은, 상기 제1 가동 접점(10)과 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와의 사이에 배치되는 제1 아크 인도용 레일 부분(511)을 구비한다. 상기 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)은, 상기 제2 가동 접점(20)과 상기 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)와의 사이에 배치되는 제1 아크 인도용 레일 부분(521)을 구비한다. 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)의 제1 아크 인도용 레일 부분(511)과 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)의 제1 아크 인도용 레일 부분(521)은, 상기 공통의 아크 인도용 레일(500)의 일부로서 형성되어도 된다.
도 1에 도시된 상기 스위칭 장치(1)의 가능한 실시예에 의하면, 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)의 제1 아크 인도용 레일 부분(511)은, 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)의 소멸판(601)의 연장부로서 형성된다. 상기 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)의 제1 아크 인도용 레일 부분(521)은, 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)의 소멸판(701)의 연장부로서 형성된다. 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)의 제1 아크 인도용 레일 부분(511)과 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)의 제1 아크 인도용 레일 부분(521)은, 상기 스위칭 부품의 스위칭 온 상태에서 상기 스위칭 부품(100)으로부터 접촉하지 않는다.
상기 가동 접점들을 위한 아크 인도용 레일들은, 상기 가동 스위칭 부품(100)의 이동된 질량을 감소시키기 위해서 상기 가동 스위칭 부품(100)에 직접 연결되지 않는다. 제1 아크 인도용 레일 부분 511 및 521은, 상기 연결부분(501)에 의해 연결되어서, 대략 U자형 모양의 단일의 시트(sheet)로서 형성된다. 상기 아크 인도용 레일 부분 511 및 521의 외부 단부들은, 단부 소멸판(601, 701)에 직접 연결된다. 상기 아크 인도용 레일 부분 511 및 521의 외부 단부들은, 상기 2개의 아크 방전 소멸 챔버 600 및 700의 단부에 단부 소멸판 601 및 701로서 설계되어 있다.
상기 인도용 레일 부분 511 및 521과 상기 연결부분(501)을 구비하는 활모양의 공통의 아크 인도용 레일(500)은, 상기 스위칭 장치의 하우징에 영구적으로 연결된다. 상기 스위칭 부품(100)의 스위칭 온 상태에서는, 상기 공통의 아크 인도용 레일(500)과 가동 스위칭 부품(100)과의 사이에서 물리적 연결이 없다. 상기 가동 스위칭 부품(100)의 상부 표면은, 상기 가동 스위칭 부품(100)의 스위칭 오프 상태에서 상기 아크 인도용 레일(500)의 활모양 내부 부분과만 물리적으로 접촉하고 있다. 따라서, 상기 개방 접점 사이의 자기 쏠림 필드에서 일어나는 아크 방전은, 상기 아크 인도용 레일(500)과 상기 가동 스위칭 부품(100)과의 사이의 고정되고 단단한 연결일 경우와 마찬가지로 상기 아크 방전 소멸 챔버 600과 700을 향해 멀리 이동할 수 있다.
도 3에 아주 잘 도시된 것처럼, 상기 스위칭 장치(1)는, 제1 단자 접점 레일(50)과 제2 단자 접점 레일(60)을 구비한다. 제1 고정 접점(30)은 상기 제1 단자 접점 레일(50) 위에 놓이고, 제2 고정 접점(40)은 상기 제2 단자 접점 레일(60) 위에 놓인다. 제1 전류 경로는 상기 스위칭 부품(100)의 스위칭 온 상태에서 또는 스위칭 오프할 때 형성되고, 전류 전도성 아크는 상기 스위칭 부품의 제1 외부 팔(110)과 상기 제1 단자 접점 레일(50)과의 사이에서 일어나고 U자형으로 형성된다. 마찬가지로, 제2 전류 경로는, 상기 스위칭 부품(100)의 제2 외부 팔(120)과 제2 단자 접점 레일(60)과의 사이에 U자형으로 형성된다.
단락일 경우에 높은 동적 자기장 강도를 달성하기 위해서, 상기 가동 스위칭 부품(100)은, 상술한 것처럼, E자형 모양을 갖도록 구체화된다. 상기 가동 스위칭 부품(100)의 이러한 형상으로 인해, 상기 스위칭 부품(100)의 스위칭 온 상태에서 또는 스위칭 아크가 일어날 때 상기 아크 방전의 형성에 의해 발생된 상기 제1 및 제2 전류 경로는, 각각 U자형을 갖는다. 단락 전류일 경우에, 이 U 루프들에 의해, 양쪽의 접점 쌍 10, 30 및 20, 40의 아크 방전을 야기시키는 양 측면상의 강한 동적 쏠림 필드와 동적 개방 힘이, 전류 흐름의 방향과 독립적인 각각의 아크 방전 소멸 챔버(600, 700)의 방향으로 신속히 이동한다.
공칭 전류일 경우에 아크 소멸을 위해, 아크 인도 레일 부분(511, 521)뿐만 아니라 2개의 접점 쌍의 접점 10, 30 및 20, 40의 각각도, 영구 자기 드라이버 장치(800) 내부에 배치되어 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 영구 자기 드라이버 장치(800)는, 횡극판(820)을 갖는 중앙에 배치된 직사각형 영구 자석(810)을 구비한다. 이 극판들(820)과 가동 접점 10 및 20과의 사이의 원하는 거리는, 각 측면이 자극(810)과 그 자극의 전체 표면상의 극판들(820) 중 하나에 대해 접점을 갖는, 직사각형의 자속 전도 강자성 스페이서 또는 스페이서들(830)에 의해 조정되어도 좋다.
이렇게 형성된 상기 영구 자기 쏠림 필드에서, 양쪽 아크 방전 중 하나는, 아크 방전 소멸 챔버 600, 700 중 한쪽의 방향으로 이동하는 한편, 상기 아크 방전의 다른 쪽 방향은, 상기 가동 스위칭 부품(100)이 전류 흐름의 방향에 따라 부하하에서 상기 스위칭 오프 상태로 이동될 때, 상기 스위칭 장치의 스위칭 챔버의 벽을 향해 반대방향으로 이동한다. 상기 스위칭 챔버의 벽은, 적어도 이러한 영역에서, 충분한 열적 안정성을 갖는 절연재료로 만들어진다.
상기 스위칭 챔버 벽을 향하는 방향으로 동작하는 아크 방전이 상기 챔버 벽과 직접 접촉하지 않는 것이 가능할 수도 있는데, 그 이유는, 상기 아크 방전 소멸 챔버들중 하나를 향하여 동시에 동작하는 아크 방전들의 다른 쪽이 상기 소멸 챔버에 도달할 때 즉시 소멸하기 때문이다. 이것은, 이들의 소위 탈이온 소멸 챔버 600 및 700이 다수의 소멸판들(601, 701)이 장착되어 이렇게 하여 높은 총 아크 전압이 그 아크의 대응한 수의 일부 아크들로의 분할로 인해 매우 신속하게 형성되도록 한다는 사실에 의해 이루어진다. 상기 높은 총 아크 전압은, 상기 총 아크 전압이 제1 단자 접점 레일(50)과 제2 단자 접점 레일(60) 사이에 인가된 구동전압보다 높을 때 상기 2개의 아크 방전이 신속하게 소멸하도록 보장한다.
단락 전류의 경우에, 상기 가동 스위칭 부품(100)의 형상에 의해 생성된 동적 쏠림 필드의 자장 강도는, 영구 자장의 강도를 초과한다. 따라서, 각 아크 방전은, 전류 흐름의 방향에서 독립한 아크 방전 소멸 챔버(600, 700) 중 한쪽에서 항상 구동되어, 상기 아크 방전 양쪽에 의해 형성된 일부 아크들이 높은 총 전압을 매우 신속하게 생성하도록 할 것이다.
이렇게 하여, 상기 스위칭 장치(1)는 탈이온 아크 방전 소멸 챔버 2개만을 갖는 고 스위칭 전력을 위한 콤팩트 스위치로서 구체화되는 아크 드라이버 및 아크 소멸장치를 실현하게 한다. 단지 2개의 접점 쌍만에 대한 제한은, 대전류를 인도할 때 상기 접점 쌍으로부터 방출된 열이 낮고, 결국 콤팩트 스위칭 장치의 실현화를 위해 이롭다는, 추가의 이점을 제공한다.
도 4는 상기 스위칭 장치(2)의 제2 실시예를 도시한 것이다. 상기 스위칭 부품(100)은 상기 스위칭 부품의 병진운동 및 회전운동에 의해 이동된다. 상기 스위칭 부품(100)을 스위칭 오프 상태로부터 스위칭 온 상태로 이동시키기 위해서, 상기 스위칭 부품(100)을 지지하는 상기 지지장치(200)는 병진운동에 의해 하향 이동된다. 상기 지지장치(200)의 병진운동은, 상기 자기 액추에이터(300)의 활성화에 의해 생긴다. 상기 가동 접점(10, 20)이 상기 고정 접점들과 접촉할 때, 상기 지지장치(200)는, 베어링 지점(101) 주위의 상기 스위칭 부품(100)의 회전운동을 야기시키는 상기 병진운동에 의해 한층 더 하향 이동된다.
도 4에 도시된 상기 스위칭 장치의 이로운 실시예에 의하면, 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 상기 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)는, 적어도 제1 부분의 소멸판(610, 710)과 적어도 제2 부분의 소멸판(620, 720)을 구비한다. 도 4에 도시된 것처럼, 상기 제1 부분의 소멸판(610, 710)은, 제2 부분의 소멸판(620, 720)과 관련하여 상기 스위칭 부품(100)을 향해 경사져 있다.
도 4에 도시된 상기 스위칭 장치(2)의 실시예에 의하면, 상기 아크 소멸 장치는, 상기 접점 쌍의 각각에 대해 2개의 분리된 직렬 접속된 동일한 소멸 챔버 600 및 700을 구비한다. 상기 가동 스위칭 부품(100)에 마주보는 2개의 상부 서브챔버(610, 620)는, 상기 가동 스위칭 부품(100)이 완전 스위칭 오프 상태에서 이동될 때, 각 경우에 상기 2개의 상부 소멸 서브챔버(610, 710)의 최상부 소멸판(601, 701)이 아크 인도용 레일 부분 511 및 521의 단부들까지 작은 거리만을 갖도록, 하부 서브챔버(620, 720)에 대해 경사져 있다. 상기 아크 소멸 챔버 600 및 700의 경사진 구성은 상기 아크 방전의 상기 소멸 챔버 600 및 700내로의 동작을 빠르게 하는 상기 가동 스위칭 부품(100)의 측면상의 아크 인도용 레일 부분(511, 521)의 길이를 감소하게 한다.
상기 경사진 아크 소멸 챔버들의 또 다른 이점은, 상기 소멸판들의 구성의 외부 엣지가, 대략적으로 상기 아크 방전의 운동방향으로 자기 쏠림 필드에서 불룩해진 팽출 아크의 윤곽을 갖는 것이다. 이것은, 특히, 다수의 소멸판이 설치되는 탈이온 챔버에 있어서, 아크 방전 전체를 상기 소멸 시스템 앞쪽으로 동시에 동작시키는 것과 이에 따라 아크의 빠른 소멸에 유리하다.
경사지는 2개의 동일한 탈이온 챔버의 대안으로서, 상기 아크 소멸 시스템이, 각각 작은 각도로 서로 경사진 몇몇의 동일한 짧은 탈이온 챔버들의 구성을 구비하여도 된다.
상기 스위칭 장치의 또 하나의 실시예에 의하면, 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)는, 복수의 소멸판을 각각 구비한다. 이 소멸판들은 서로에 대해 변위되거나 경사져 있어, 상기 제1 및 제2 아크 방전 소멸판(600, 700)의 각각의 측면이 아크 방전의 동작 방향으로 상기 스위칭 장치의 자기 쏠림 필드에서 만곡되는 아크 방전에 평행하게 놓여 있도록 한다. 아크 앞쪽에 대향하는 하나의 긴 소멸 챔버의 앞면이 자기 쏠림 필드에서 불룩해진 아크에 대략 평행하도록 서로에 대해 변위 및/또는 경사지는 개개의 소멸판을 갖는, 상기 하나의 긴 소멸 챔버만을 구비하는 소멸 시스템의 본 실시예는, 도면에 도시되어 있지 않다.
경사진 소멸 챔버들 또는 소멸판들이 경사 및/또는 변위되는 상기 실시예들의 경우, 상기 가동 스위칭 부품(100)의 측면에 상기 짧은 아크 인도용 레일들(511, 521)은, 상기 가동 스위칭 부품(100)에 고정될 수도 있거나, 가동 스위칭 부품(100)의 연장된 단부의 형태로 가동 스위칭 부품(100)과 공통 부분을 형성할 수도 있다.
1 제1 실시예의 스위칭 장치
2 제2 실시예의 스위칭 장치
10 제1 가동 접점
20 제2 가동 접점
30 제1 고정 접점
40 제2 고정 접점
50 제1 단자 접점 레일
60 제2 단자 접점 레일
100 가동 스위칭 부품
101 베어링 위치
102 힘 인가 영역
110 제1 외부 팔
120 제2 외부 팔
130 중간 팔
140 볼 소켓 조인트
200 고정 접점 브릿지
300 자기 액추에이터
400 지지장치
500 아크 인도용 레일
501 제1 및 제2 아크 인도용 레일 부분의 연결부분
510 제1 쌍의 아크 인도용 레일
511 제1 아크 인도용 레일 부분
520 제2 쌍의 아크 인도용 레일
521 제2 아크 인도용 레일 부분
600 제1 아크 방전 소멸 챔버
601 소멸판
610 제1 부분의 소멸판
620 제2 부분의 소멸판
700 제2 아크 방전 소멸 챔버
701 소멸판
710 제1 부분의 소멸판
720 제2 부분의 소멸판
800 영구 자기 드라이버 장치
810 영구 자석
820 극판
830 스페이서

Claims (15)

  1. 부하전류를 인도 및 스위칭하기 위한 스위칭 장치로서,
    - 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20)을 갖는 가동 스위칭 부품(100)과,
    - 제1 고정 접점(30) 및 제2 고정 접점(40)과,
    - 스위칭 부품(100)을 지지하는 지지장치(200)를 구비하고,
    - 상기 제1 가동 접점(10)은 제1 고정 접점(30)과 접촉하여 있고, 상기 제2 가동 접점(20)은 스위칭 부품(100)의 스위칭 온 상태에서 제2 고정 접점(40)과 접촉하여 있고,
    - 상기 제1 가동 접점(10)은 제1 고정 접점(30)과 전기적으로 분리되어 있고, 상기 제2 가동 접점(20)은 스위칭 부품(100)의 스위칭 오프 상태에서 제2 고정 접점(40)과 전기적으로 분리되어 있고,
    - 상기 스위칭 부품(100)은, 적어도 스위칭 부품의 회전운동과 지지장치(200)의 병진운동에 의해 스위칭 온 상태와 스위칭 오프 상태와의 사이에서 스위칭 부품이 이동되도록 배치되고,
    - 상기 스위칭 부품(100)은, 스위칭 부품이 회전 가능하게 배치되는 베어링 위치(101)를 갖고,
    - 상기 스위칭 부품(100)은 스위칭 부품의 힘 인가 영역(102)에서 지지장치(200)에 기계적으로 결합되고, 이때의 힘 인가 영역(102)의 장소는 베어링 위치(101)의 장소와 상이한, 스위칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 자기 액추에이터(300)를 구비하고,
    - 상기 지지장치(200)와 상기 자기 액추에이터(300)는, 지지장치(200)의 병진운동이 자기 액추에이터(300)의 활성화에 의해 생기도록 구성되는, 스위칭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 부품(100)은, 자기 액추에이터(300)가 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)에 힘을 가할 때, 스위칭 부품이 베어링 위치(101) 둘레에서 회전운동을 수행하도록 구성되는 지렛대로서 실시되고 있는, 스위칭 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)은, 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)의 회전운동이 스위칭 부품(100)의 힘 인가 영역(102)의 회전운동보다 큰 제1 및 제2 가동 접점(10, 30)의 회전운동을 야기하도록, 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20) 사이의 가상 연결선 및 베어링 위치(101)와 관련지어 배치되는, 스위칭 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 스위칭 부품(100)은, 제1 외부 팔(110) 및 제2 외부 팔(120)과 중간 팔(130)을 갖는 E자형 부품으로서 구체화되고, 중간 팔(130)은, 제1 외부 팔(110)과 제2 외부 팔(120)과의 사이에 배치되어 있고 제1 및 제2 외부 팔(110, 120)보다 길고,
    - 상기 제1 가동 접점(10)은 제1 외부 팔(110)의 단부에 배치되어 있고, 상기 제2 가동 접점(20)은 제2 외부 팔(120)의 단부에 배치되어 있고,
    - 상기 스위칭 부품(100)의 베어링 위치(101)는, 중간 팔(130)의 단부에 배치되어 있는, 스위칭 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 힘 인가 영역(102)은, 제1 가동 접점(10)과 제2 가동 접점(20) 사이의 가상 연결선과 베어링 위치(101)와의 사이에서 중간 팔(130)의 위치에 배치되어 있는, 스위칭 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 부품(100)은, 스위칭 부품(100)의 베어링 위치(101)에 놓인 볼 소켓 조인트(140)에 의해 홀딩 장치(400)에 회전 가능하게 결합되어 있는, 스위칭 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가동 접점(10, 20)을 위한 공통의 아크 인도용 레일(500)을 구비하고, 상기 공통의 아크 인도용 레일(500)은 스위칭 부품의 스위칭 온 상태에서 스위칭 부품(100)으로부터 접촉하지 않는, 스위칭 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)를 구비하는, 스위칭 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    - 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 제1 쌍의 제1 가동 접점(10) 및 제1 고정 접점(30)과의 사이에 배치되어 있는, 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)과,
    - 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)와 제2 쌍의 제2 가동 접점(20) 및 제2 고정 접점(40)과의 사이에 배치되어 있는, 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)을 구비하는, 스위칭 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    - 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)은, 제1 가동 접점(10)과 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와의 사이에 배치되는 제1 아크 인도용 레일 부분(511)을 구비하고,
    - 상기 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)은, 제2 가동 접점(20)과 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)와의 사이에 배치되는 제1 아크 인도용 레일 부분(521)을 구비하고,
    - 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)의 제1 아크 인도용 레일 부분(511)과 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)의 제1 아크 인도용 레일 부분(521)은, 공통의 아크 인도용 레일(500)의 일부로서 형성되는, 스위칭 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    - 상기 제1 쌍의 아크 인도용 레일(510)의 제1 아크 인도용 레일 부분(511)은, 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)의 소멸판(601)의 연장부로서 형성되고,
    - 상기 제2 쌍의 아크 인도용 레일(520)의 제1 아크 인도용 레일 부분(521)은, 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)의 소멸판(701)의 연장부로서 형성되는, 스위칭 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 단자 접점 레일(50)과 제2 단자 접점 레일(60)을 구비하고,
    - 상기 제1 고정 접점(30)은 제1 단자 접점 레일(50) 위에 놓이고, 상기 제2 고정 접점(40)은 제2 단자 접점 레일(60) 위에 놓이는, 스위칭 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 상기 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)는, 적어도 제1 부분의 소멸판(610, 710)과 적어도 제2 부분의 소멸판(620, 720)을 구비하고,
    - 상기 제1 부분의 소멸판(610, 710)은, 제2 부분의 소멸판(620, 720)과 관련하여 스위칭 부품(100)을 향해 경사져 있는, 스위칭 장치.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 아크 방전 소멸 챔버(600)와 제2 아크 방전 소멸 챔버(700)는, 복수의 소멸판을 각각 구비하고,
    - 상기 소멸판은 서로에 대해 변위되거나 경사져 있어, 제1 및 제2 아크 방전 소멸판(600, 700)의 각각의 측면이 아크 방전의 동작 방향으로 스위칭 장치의 자기 쏠림 필드에서 만곡되는 아크 방전에 평행하게 놓여 있도록 하는, 스위칭 장치.
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