KR20240044817A - 전기차용메인릴레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고내열성 고강도의 세라믹 쳄버 속에서 고정접점과 가동접점의 간격을 가동접점구동용 솔레노이드코일의 전류와 흡입력 및 발열과 내열성이 허용하는 최대의 크기로 설계하고, 고정접점과 가동접점 사이에 발생예상되는 아크나 스파크에 수직되는 방향으로 강자계가 형성되게 네오디뮴 희토류 영구자석을 배치함으로써 아크 에너지나 스파크 에너지가 강자계에 의하여 회절되고 분산되며 고전압 대전류의(900V, 1000A 삼상교류도포함) 연결및 차단에 대응하는 은과 카드뮴계의 합금재질 접점으로 구성되어 고정접점과 가동접점에 가해지는 손상에너지를 최소화하여 접점의 손상이나 파괴 용착 등을 방지해주는 전기접점구조를 가지는 전기차용 메인릴레이.

Description

전기차용메인릴레이{MAIN RELAY FOR ELECTIRC VEHICLE}

본 발명은 전기접점주변에 강자계를 가하며 고전압 대전류에 대응하는 은과 카드뮴계의 합금재질 적용으로 릴레이접점을 보호하는 전기차 메인릴레이에 관한 것으로서, 릴레이 접점의 마모를 최소한으로 감소시켜 고전압 대전류 릴레이의 수명을 길게한 릴레이에 관한 것이다.

대부분 전기를 사용하는 기계나 기구에는 전기의 흐름을 제어하기 위한 많은 릴레이 또는 차단기들이 사용되고, 이 차단기들은 기계식인 경우 접점을 사용하고 있으며, 전기접점들은 차단할 전류량이 증대될수록 온/오프 동작시 손상이 발생되어 차단기의 사용가능한 수명이 단축되게 된다.전기차용 메인 릴레이도 이러한 차단기의 접점구도를 가지며 이러한 수명단축을 방지하기위하여 접점의 재질이나 형상,크기,배치,구조 등 여러가지 접점보호 대책이 강고되고 있으나, 지속적인 온/오프 동작시 발생하는 스파크나 아크에 의하여 접점이 손상되는것을 최소화하려는 노력은 계속되고 있다. 전기접점 보호를 위한 관련자료들을 검색해본 결과 2004년11월26일 공고된 특허 10-0458181(출원번호10-2002-0040362)에는 "소전류 차단이 가능한 직류 차단기 및 이의 소전류 차단방법"이 공개되어 있는데, 여기에 공개된 발명은프레임과, 상기 프레임의 상단 하부에 설치되고, 가동 접점과 고정 접점을 구비하는 메인 접점 유니트와,상기 메인 접점 유니트와 대응되도록 상기 프레임의 상단에 설치되고, 고정 접점을 통해 상승하는 아크 전류를 내부의 복수의 소호판을 통해 여러 개의 직렬 아크로 쪼개지도록 하여 소멸시키는 소호실을 포함하여 구성되는 직류차단기에 있어서, 메인 접점 유니트의 고정 접점과 가동 접점의 양측면에 위치되도록 프레임에 설치되는 브로우 코일 어셈블리를 더 포함하는데,코일에서 차단기의 트립 시 아크 전류의 자기유기(SELF INDUCED)자속에 대하여 방향성을 갖는 자속을 발생시켜,이를 아크의 자체전류에 의해 발생하는 자속에 가하여 아크 전류를 소호실 방향으로 유도하여 전류차단을 용이하게 할 수 있으며 특히, 전류가 부하전류 이하로 0암페어(A)까지의 소전류영역에서 더욱큰 효력을 발휘하여 전류를 차단하므로서 차단기의 아킹시간(ARCKING TIME)을 단축하여 전류 차단시 아크열에 의한 차단기의 손상을 최소화 할 수 있는 기술이다. 2004년 07월 30일 공고된 특허10-0442068 공보에는, 하우징 내에 고정접점이 설치된 고정접촉자와; 상기 고정접접에 접촉.분리되는 가동접점이 설치된 가동접촉자와; 상기 가동접촉자를 구동하는 것으로서, 상기 고정 접점 및 가동접점이 위치하는 영역의 근방에 설치된 영구 자석을 가지며, 상기 고정접점과 가동접점이 서로 분리될 때에 발생하는 아크가 상기 영구자석의 자기력에 의해 상기고정접점과 가동접점의 서로 대항하는 영역으로부터 측방으로 이동하여 확대되게 하는 구동기구와; 아크소호성 가스를 발생시킬 수 있는 절연재료로 형성되며, 상기 고정접점과 상기 가동접점의 근방 영역에 설치된 아크 소호 부재; 를 구비하되, 상기 고정접족자와 가동접촉자의 쌍바에 서로 다른 길이의 아크 주행부들이 설치되는 접점 장치가 공개되어 있다. 2014년 02월 17일에 공개된 특허 공개번호 10-2014-0019826에는 아크를 소호하는 영구 자석의 위치 결정 기능, 아크로부터 보호 기능 및 필요한 절연 기능을 갖추고, 충분한 아크 소호 기능을 확보하면서 소형화가 가능한 전자 접촉기가 공개되어 있는데, 이것은 한쌍의 고정접촉자(111,112)및 이 한쌍의 고정 접촉자에 대하여 접촉 분리 가능하게 배치된 가동접촉자(130)를 접점 수납 케이스(102) 내에 수납한 접점 장치를 구비하고, 상기 접점 수납 케이스(102)의 내주면에 상기 한쌍의 고정 접촉자 미 가동 접촉자를 둘러싸는 바닥이 있는 통형상의 절연통체(140)를 가지며, 이 절연통체(140)는,상기 한쌍의 고정 접촉자 및 가동 접촉자 사이에 발생하는 아크를 소호하는 아크 소호용 영구자석(143,144)을 위치 결정하고, 이 아크소호용 영구자석을 아크로부터 보호하는 자석 수납부(141,142)를 상기 가동접촉자의 측면과 대항시켜 내주면에 형성하고, 이 자석 수납부의 상기 가동 접촉자의 연장 방향 외측에 아크 소호 공간(145,146)을 형성한 발명이 공개되었다. 2015년 02월 12일 공개된 특허공개번호 10-2015-0016485에는, 복수의 영구 자석을 사용하지 않고 하나의 영구 자석으로 필요한 자력을 확보하고, 정해진 간격을 유지하여 배치된 한쌍의 고정 접촉자(111),(112) 및 그 한쌍으 고정 접촉자에 대하여 접촉 분리 가능하게 설치된 가동 접촉자(130)와, 상기 가동 접촉자(130)를 구동시키는 전자석 유닛(200)을 갖는다.전자적 유닛(200)은,플런저 구동부를 둘러싸는 자기요크(201),(210)와 선단이 상기 자기 요크에 형성된 개구를 통하여 돌출되고 복귀 스프링으로 압박된 가동 플런저(215)와, 그 가동 플런저(215)의 돌출 단부측에 형성된 둘레 플랜지부(216)를 둘러싸도록 고정 배치된 상기 가동 플런저(215)의 가동방향으로 착자된 고리형 영구 자석(220)과, 이 고리형 영구자석의 자기 요크와는 반대측에 배치된 단자 판부(225C)를 갖는 보조 요크(225)를 가지는 영구 자석의 자력을 효율적으로 사용할 수 있는 전자 접촉기가 공개되어 있다. 이 외에도 공개일자 2014년 09월 17일 공개번호 10-2014-0110945에 공개된 "회로차단장치", 2014년 01월 29일 공개된 특허공개 10-2014-0012129 "전자 접촉기의 소호실 조립 방법", 2014년 02월 17일 공개된 특허공개 10-2014-0019825 "전자 접촉기' 등, 영구자석을 이용하여 전류의 차단 성능을 향상시키려는 많은 발명 아이디어들이 공개되어 있다. 전기스위치 및 차단기에는 두개의 접점을 접촉하게 하거나 접촉하지 아니하고 이격되게 하므로써 전기 통로를 공기로 차단하는 구조가 있으므로 차단기의 수명은 가동접접을 구동시키는 메카니즘의 손상과 접점자체의 손상이 주된 원인이 되고있다. 전류 차단시에 발생하는 아크는 대전류의 경우 차단을 불가능하게 하는 경우도 있지만, 차단시 마다 전기 접점을 마모시키고 있으므로 접점 상태는 차단 회수가 많을 수록 또 차단시의 아크가 많을수록 접점 수명은 단축 되고 있다. 이처럼 자력을 이용하여 전류 차단시의 아크를 신속히 소멸시키고 기기의 수명을 길게하려는 기술은 오래전부터 알려 져 있는 기술이지만, 영구자석의 배치구조와 아크로부터 영구자석의 열화를 방지하려는 기술 개발의 필요가 계속되고 있다.

대부분의 전기기계나 전기기구에는 수많은 전기스위치/차단기가 필요하고 전기접점의 전류량이 증대될수록 접점의 손상이 심해지며 이를 방지하기 위하여 접점의 재질이나 형상 크기 배치 구조 등 여러가지 보호대책이 있으나 지속적인 스파크나 아크에 의하여 접점이 손상되는 것을 방지하려는 과제는 오랜 역사를 가진 난제이며, 접점의 손상을 근절시켜 접점의 수명을 영구적으로 유지한다는 것은 사실상 불가능 하다고 할 수 있을 것이지만, 어떻게 하면 접점의 손상을 최소화하고 수명을 연장시킬 수 있는가 하는 노력은 계속되고 있다. 이러한 접점의 손상을 최소화하여 내구성을 대폭증대시켜야 한다. 본 발명에서는고전압 대전류(900V, 1000A 삼상교류도포함) 전기접점의 아크나 스파크를 최소화하고 접점의 손상을 최소화함으로써 전기접점을 보호하고 수명을 최대한 연장하려는 것이 과제이다.

본 발명에서는 고내열성 고강도의 세라믹 쳄버 속에서 고정접점과 가동접점의 간격을 가동접점구동용 솔레노이드코일의 전류와 흡인력 및 발열과 내열성이 하용하는 한 최대의 크게하고, 고정접점과 가동접점 사이에 발생 예상되는 아크나 스파크에 수직되는 방향으로 강자계가 형성되게 하므로써, 아크에너지나 스파크에너지가 강자계에 의하여 회절되고 분산되어 고정접점과 가동접점에 가해지는 손상을 최소화하여, 접점의 손상이나 파과 용착등을 방지하고 수명을 길게하려는 것이다. 본 발명의 전기차 메인릴레이는, 좌측 외부볼트인 제1단자와 연결된 제1고정접점과 우측 외부볼트인 제2단자에 연결된 제2고정접점을 제1간격으로 절연체 프레임에 설치하고, 상기 제1고정접점에 접촉될 제1가동접점과, 제2고정접점에 접촉될 제2가동접점이 각각 상기 제1고정접점과 제2고정접점에 접촉되도록 제1간격과 동일한 간격으로 연결도체에 부착된 가동접점부와, 상기 가동접점부를 움직여서, 상기 제1고정접점과 상기 제2고정접점이 상기 제1가동접점과 상기 제2가동접점에 접촉하여 전기적으로 연결되도록 하거나 연결되지 아니하도록 가동접점부를 움직이는 구동부와, 상기 제1고정접점과 제1가동접점 및 상기 제2고정접점과 제2가동접점이 각각 접촉되었다가 서로 떨어질때 발생하는 아크에 각각 자기장을 인가하기 위하여 상기 절연체프레임에 매립하여 설치한 2개 이상의 자석을 포함하여 구성된다. 본 발명에서 아크를 회절시키고 분산시키기 위하여 자기장을 인가하는 영구 자석을 사용하는데, 제1고정접점과 제1가동접점이 만나는 위치의 옆에 2개의 영구자석 및 제2고정접점과 제2가동접점이 만나는 옆에 2개의 영구자석을 설치하고, 각2개의 자석이N극과S극이 서로 마주보도록 설치한다. 이 영구자석 4개는 강한 자계를 발생하며 감자 탈자를 예방하기 위하여 희토류계 네오디뮴 영구자석을 사용해야한다. 자석들이 발생하는 자계가, 고정접점과 가동접점 사이의 아크를 회절되게 하고 접점들의 중앙부분으로부터 가장자리 부분으로 분산되게 하는 방향으로 힘을 가하도록 자석들을 배치한다. 본 발명의 구동부는, 가동접점부의 연결도체를 밀어주는 플런저와, 이 플런저를 왕복운동시키는 솔레노이드를 포함하며, 솔레노이드가 여자되면 힘을 플런저에 가하여 연결도체를 밀어주도록 한다.

자기적 아크감쇠와 함께 접점의 재질에 있어서는 고전압 대전류 및 반복작동 내구성에 대응하는 은과 카드뮴계의 합금재질을 적용함으로써 전기차의 전압과 전류가 공히 계속 높아지고 있는 추세를 감안하여 고전압 대전류(900V, 1000A 삼상교류도포함)에 대한 내구성을 대폭 높여야 한다.

본 발명은 전기차용 메인릴레이의 접점 손상을 최소화 함으로써 전기차의 신뢰성과 릴레이의 수명을 극대화 할 수 있다.

본발명에서 전기접점에서 아크를 분산하고 회절시켜서 아크로인해 발생하는 손상에너지 및 손실에너지를 최소화하여 과다한 발열을 막고,그래서 화재를 예방하는 효과가 있다.실제로 전기차에서 메인릴레이의 손상으로 화재가 발생하기도 한다.

본 발명은 전기차 메인릴레이의 설계에 있어 자기적 아크분산및 회절과 함께 은과 카드뮴계의 합금재질을 적용하여 접점의 크기나 중량 대비 최대 허용전류를 높일 수 있게 함으로써 고전압 대전류 릴레이의 내구성을 크게 높일수 있다.

도1은 본 발명의 조립품 외관사진이다.
도2는 본발명의 종방향 단면도 및 측면도이다.
도3은 본발명의 상세한 확대 종 단면도이다.
도4는 본 발명의 절연체프레임(고정접점커버)단면도들이다.
도5는 본 발명의 구성부품들의 도면이다.
도6은 가동접점을 부착한 연결도체의 도면이다.

이하에서 첨부된 도면을 참고하여 구체적인 실시 예를 설명한다.

도1은 본 발명의 전기스위치의 실시 예를 설명하기위한 조립품 실물사진으로서, 본 발명은 절연체 프레임(B)의 외부로 노출된 동(구리)재질 볼트형상의 제1단자(A)및 제2단자,솔레노이드(C), 릴레이의 구동신호 입력단자(D)를 가지고 있다.

본 발명의 구성은 도1~6도에서 보인 바와 같다.

본 발명은 고내열성 고강도의 세라믹 쳄버로 되어있는 절연체 프레임에 설치된 제1단자와 연결된 제1고정접점과, 역시 절연체 프레임에 설치된 제2단자에 연결되고 상기 제1고정접점과 제1간격만큼 이격되게 설치되는 제2고정접점과, 상기 제1 및 2 고정접점에 접촉될 제1 및 제2가동접점이 각각 제1고정접점과 2고정접점에 접촉되도록 제1간격과 동일한 간격으로 연결도체에 부착된 가동접점부와, 가동접점부를 움직여서 제1 및 2고정접점과 제1 및 2가동접점이 접촉하여 전기적으로 연결되도록 하겨나 연결되지 아니하도록 가동접점부를 움직이는 구동부와, 고정접점들과 가동접점들이 접촉되었다가 서로 떨어질 때 발생하는 아크에 자기장을 인가하기위한 자석들을 포함한다.

제1고정접점은, 릴레이 접점들을 보호하는 커버역할을 하는 절연체 프레임(15)에 설치된 제1단자(14)와 연결되고, 저2고정접점은 열연체 프레임(15)에 설치된 제2단자(14)에 연결된다. 이때 제1고정접점(34)과 제2고정접점(35)의 간격은 제1간격만큼 이격되게 하여 절연프레임(15)에 설치된다.

가동접점부는 제1고정접점과 제2고정접점을 전기적으로 연결하여 단락시키는 기능을 하는 것인데, 제1고정접점에 접촉될 제1가동접점(36)과, 제2고정접점(35)에 접촉될 제2가동접점(37)이 연결도체(10)에 일정한 간격을 두고 부착된 것이다. 여기서 제1 및 제2가동접점이 제1 및 제2고정접점에 정확하게 접촉되도록 하기위하여 제1 및 제2 가동접점은 제1간격과 동일한 간격으로 연결도체(10)에 고정(용접) 부착된다.

가동접점부는, 연결도체에 솔레노이드 코일에 의한 전자기적 힘을 가하여 가동접점을 고정접점에 압착되게 한다.

연결도체(10)에는 플런저와 결합하는 방향에 접점압착용 스프링이 결합하는데, 접점 압착용 스프링은 작은힘으로 1차작동하고 큰힘으로 2차작동 하기위하여 제1스프링(9)과 제2스프링(8)이 장착되고 제2스프링(8)은 그 직경이 제1스프링(9)의 내경보다 작아서 제1스프링(9) 내부에 설치되고 있다.

이 접점압착용스프링은 솔레노이드(1)에 온 신호가 인가되어 플런저(2)가 커넥팅로드(4)를 밀어주면, 커넥팅로드(4)가 커넥팅로드가이드(5)에 가이드 되면서 가동접점동작핀(6)을 밀어주고, 가동접점핀에 결합된 스냅링(7)에 의하여 받쳐지고 있는 접점압착용스프링을 밀어주어서 가동접점들(36,37)이 부착된 연결도체(10)가 밀리며 두개의 가동접점(36,37)이 두개의 고정접점(34,35)에 각각 압착되게 한다. 그러면 온 상태 즉 제1단자와 제2단자 사이가 쇼트 상태로 되게한다. 이때 두개의 스프링 (8 및 9)은 전원 온 시에 가동접점이 양쪽이 동시에 강하게 눌러주는 역할을 한다.

이러한 온 상태에서 오프신호가 솔레노이드에 인가되면, 솔레노이드에 인가되는 전원이 없어지게 되므로, 솔레노이드가 플런저(2)를 당겨주는 힘이 없어지고 접점이격용스프링(13)이 확장되어 접점이 오프상태로 된다.

이 접점이격용스프링(13)은 가동접점부의 연결도체(10)와 절연프레임(15)의 내벽 사이에 설치되어서 항상 연결도체를 플런저(2) 방향으로 밀어주고 있으므로, 솔레노이드(3)의 플런저가 연결도체를 고정접점 방향으로 밀어주지 아니하는 한,가동접점들이 고정접점들에 접촉하지 못한다. 플런저는 전원 온오프의 히스테리시스 손실을 줄이기위하여 저탄소강 자성체이다. 솔레노이드에 의한 흡인력은 압착스프링을 압착시킬 수 있을 정도로 세게하고, 스트로크는 아크나 스파크를 소멸시킬 수 있을 정도로 큰 작동스트로크를 가지도록 설계하였다. 본 발명의 메인릴레이는 200V,700V,900V 등의 고전압 전기차메인릴레이용으로 설계한 것이다.

제1 및 제2 가동접점을 가진 가동접점부가 이동하여 고정접점들과 각 가동접점들이 접착하면 제1단자(14)와 제2단자(14')가 전기적으로 연결되고, 반대로 접착되지 아니하면 전기적으로 절연된다.

가동접점부를 움직여서, 제1고정접점과 제2고정접점이 제1가동접점과 제2가동접점에 접촉하여 전기적으로 연결되도록 하기 위하여 가동접점부를 움직이는 구동부가 절연프레임(15)에 결합된다.

이 구동부는 가동접점부의 연결도체(10)를 밀어주는 플런저(2)힘에 의하여 고정접점 두개를 단락시킬 수 있게 한다. 작동신호가 솔레노이드(3)에 인가되면 여자되어 플런저가 당겨지고 솔레노이드가 여자되지 아니하면 플런저(2)가 원위치로 돌아온다.

본 발명에서는 특히 릴레이접점 두개가 압착상태에서 분리될 때 발생하는 아크를 회절시키고 분산시키기 위하여 자기장을 가하는 강 자성 희토류의 네오디뮴자석(16)을 사용하는데, 제1고정접점과 제1가동접점이 만나는 위치의 옆에 2개 및 제2고정접점과 제2가동접점이 만나는 옆에 2개, 합하여 4개의 강 자성희토류 네오디뮴 영구자석을 설치하고, 각2개의 자석이 N극과 S극이 서로 마주보도록 설치한다. 상하접점의 중간부의 좌우에 1쌍의 자석이 마주보며 설치되고 이들자석은 서로 당기는 힘이 작용되도록 N S 로 배치하여 스파크나 아크가 자석쪽으로 회절되어 접점의 손상이 최소화되게 한다. 이 영구자석 4개는 강한 자계를 발생하는 네오디뮴 희토류계 영구자석을 사용한다. 자석들이 발생하는 자계가, 고정접점과 가동접점 사이의 아크를 회절되게 하고 접점들의 중앙부분으로부터 가장자리부분으로 분산되게 하는 방향으로 힘을 가하도록 자석들을 배치한다.

이러한 자석들(16)은 도면에서 보인 바와 같이, 절연프레임(15)에 제1고정접점과 제1가동접점 및 제2고정접점과 제2가동접점이 각각 접촉되었다가 서로 떨어질때 발생하는 아크에 각각 자기장을 인가하기 위한 것이며, 자석 4개가 접점양면에 N극과 S극이 마주보도록 정렬하여 배치된다. 본 실시 예에서는 4개의 자석으로 아크를 분산 회절시키도록 하였지만, 두꺼운자석 1개씩만 접점쌍 양편에 설치하면 2개의 자석으로 가능하고, 공간이 허용하면 더 많이 6개이상 설치하여도 된다. 자력이 강할수록 효과는 높아지는 것이다. 자석들은 제1고정접점과 제1가동접점 및 제2고정접점과 제2가동접점이 각각 접촉되었다가 서로 떨어질때 발생하는 아크에 각각 자기장을 인가하기 위하여 상기 절연체 프레임에 소정의 위치에 정확하게 설치하는 것이 필요하며, 절연프레임에 매립하여 설치하거나 수용홈을 형성한 후 끼워넣기 식으로 설치한다.

본 발명의 전기차용 메인릴레이는 고정접점과 가동접점의 접점 위치간격을 가동접점구동용 솔레노이드 코일의 전류와 흡인력 및 발열과 내열성이 허용하는 한 최대 크기로 설계하고, 고정접점과 가동접점 사이에 발생이 예상되는 아크나 스파크에 수직되는 방향으로 강자계가 형성되도록 하는 네오디뮴 희토류 영구자석을 배치함으로써, 아크 에너지나 스파크에너지가 강자계에 의하여 회절되고 분산되어 고정접점에 가해지는 손상 에너지를 최소화 할 수 있고, 이렇게하여 접점의 손상이나 파괴 및 융착 등을 방지해주도록 한다.

1.보빈 고정용 슬리브
2.플런저
3.솔레노이드 아세이
4.커넥팅로드
5.커넥팅로드가이드
6.가동접점 동작핀
7.스넵링
8.9.13.코일스프링
10.연결도체(가동접점 플레이트)
11.가동접점
12.스프링가이드
14.고정접점연결볼트(제1고정접점),14-1(제2고정접점)
15.절연체프레임(세라믹 쳄버)
16.영구자석(희토류네오디뮴)
17.커버(절연체프레임)고정볼트
18.브라켓

Claims (1)

1. 고내열성 고강도의 세라믹 쳄버로 되어있는 절연체 프레임에 설치된 제1단자와 연결된 고정접점과, 절연체 프레임에 설치된 제2단자에 연결되고 제1고정접점과 제1간격만큼 이격되게 설치되는 제2고정접점과, 제1고정접점에 접촉될 제1가동접점과, 제2고정접점에 접촉될 제2가동접점및 각각 제1고정접점과 제2고정접점에 접촉되도록 제1간격과 동일한 간격으로 연결도체에 부착된 가동접점부와, 가동접점부를 움직여서, 제1고정접점과 제2고정접점이 제1가동접점과 제2가동접점에 접촉하여 전기적으로 연결되도록 하거나 연결되지 아니하도록 가동접점부를 움직이는 구동부와, 제1고정접점과 제1가동접점 및 제2고정접점과 제2가동접점이 각각 접촉되었다가 서로 떨어질 때 발생하는 아크를 회절 분산 시키는 목적으로 강한 자기장을 인가하며 감자 탈자를 예방하기 위하여 상기 절연체 프레임에 매립하여 설치한 2개 이상의 강자계 네오디뮴 희토류자석을 포함하여 구성되며 고전압 대전류(900V, 1000A 삼상교류도포함)에 대응하는 은과 카드뮴계의 합금재질 전기접점으로 구성되는것을 특징으로한 전기차용 메인릴레이.