KR102207338B1 - 아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치에 있어서, 하나 이상의 코일, 코일에 의하여 구동되는 가동 철심, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점, 가동 철심과 연동되어 동작하고, 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동가능한 가동 접점대, 및 아크 소호를 가동 접점의 고정 접점의 접촉부 밑면에 가동 접점대의 길이 방향으로 착자되어 기밀 하우징 내부에 배치되는 적어도 한 쌍의 영구 자석을 포함한 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다. 또한, 기밀 하우징 외부로의 자력선의 누출을 억제하는 구조로 아크 베이스에 수납된 영구 자석 각각의 좌, 우측 면에 영구 자석 홀더를 부착하여 자기장의 손실을 억제하는 구조를 통해 전류의 방향과 관계없이 가동 접점대의 길이 방향과 직교하는 대각의 방향으로 아크를 유도하고 소호가능한 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

Description

아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치{DC BIDIRECTIONAL CONTACT DEVICE WITH ARC EXTINGUISHMENT}

본 발명은 아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치(DC Bidirectional contact device)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기 차량, 직류 전원 제어, 배터리 전원 제어 등에 적용 가능한 직류 고전압 유접점 스위치 장치에 포함된 기밀 접점 장치의 아크 유도 장치의 구조에 관한 것으로서, 기밀 밀봉하는 접점 장치에서 접점 개폐시 발생하는 아크를 길게 신장시켜, 아크 전압을 상승시키고 아크 전류를 신장시켜 차단시 접점의 접촉면에서 아크를 신속히 구동하고 차단하는 아크 소호 능력을 갖는 접점 장치에 관한 것이다.

직류 스위치 접점 장치(DC switching contact device)는 태양광 발전 등 신재생 에너지, 에너지 저장장치, 전기 차량, 충전장치 등의 직류 수송 시스템에 사용될 수 있다. 최근 에너지 저장 장치, 전기 버스, 급속 충전 시스템은 사용 전압이 계속 상승하고, 전압과 전류를 증가시키는 경향을 갖는다. 이와 같이 사용 전압이 상승됨에 따라서 아크 차단이 어려워지기 때문에, 보다 안전하게 차단하고, 컴팩트(compact)하고, 경량의 무게를 갖는 접점 장치가 요구되고 있다.

또한, 직류 유접점 장치에서 접점 개폐시 필연적으로 발생하는 아크로 인한 차단 실패는 접점의 손상과 절연 파괴로 이어질 수 있다. 즉, 전원 차단 시 발생하는 아크가 불완전 차단으로 인한 불꽃의 재점호와 아크로 인한 접점 소손, 용착 등으로 인한 차단 실패를 가져올 수 있다. 이때, 가동 접점이 고정 접점으로부터 차단 전압에 필요한 최소의 아크 전압의 개극 거리를 충분히 확보하는 위치까지 이격하지 못한 상태에서 영구 자석의 자계로 아크를 빠르게 구동하고 아크를 신장시키지 못하면, 아크는 재점호되고 차단에 실패한다.

종래에는 주로 단 방향 차단에 배치된 영구 자석으로 고정 접점의 좌, 우측에 이극으로 배치되고 있다. 이는 역방향으로 전류가 들어올 때 차단시 아크는 서로 같은 방향으로 밀어내어 아크 전압의 단락으로 차단 실패와 폭발로 이어지는 위험을 안고 있다. 또한, 차단 실패로 인한 접점 개폐시 발생하는 금속 증기는 기밀 접점 상자 내부의 절연 소재에 흡착되고, 절연 소재는 불꽃으로 점호되어 절연을 파괴하고, 차단시 고정 접점 및 가동 접점에 손상을 주며, 이로 인해 접점의 용착으로 이어질 수 있다.

또한, 종래에는 직류 접점 장치에 아크를 소호할 수 있는 아크 소호실에 아크 발생부 주변에 아크 그리드를 만들어 아크 전압을 분산하여 차단하거나, 차단 아크를 접점의 외부의 공기 중으로 방출하였으며, 최근에는 친환경 차량에 적용되는 기밀 접점 장치는 기밀 접점 장치 외부에 배치하는 아크 소호용 영구 자석은 자력선의 누출을 규제하는 규격이 만들어지고 있다.

최근에는 배터리의 안전성으로 기밀 접점 상자에 접점 장치를 만들고 접점 개폐시 아크가 외부로 방출되는 것을 차단하는 장치가 요구되고 있다. 이에 따라 배터리의 화재나 신재생 에너지 장치의 보호를 위하여 기밀 접점 장치 내부에 수소를 주체로 하는 절연 가스를 밀봉하고 수소의 특성을 이용하여 아크의 빠른 냉각과 빠른 확산으로 차단이 용이한 구조로 개발되고 있다.

특히, 직류 전원을 차단 시 전류의 방향과 관계없이 아크를 충분히 구동하고 신장하여 차단하지 못하면 아크는 재점호되어 차단 실패로 이어진다. 종래의 양방향 아크 소호용 영구 자석의 배치는 가동 접점대의 길이 방향의 단부의 절연물 외측에 서로 대향하는 영구 자석의 배치로 가동 접점대의 세로 방향(길이 방향)으로 자장이 형성되고 전류의 방향과 직교하는 방향으로 아크를 유도했다. 이는 가동 접점대의 세로 방향의 단부의 기밀 절연물 외부의 좌, 우측에 한 쌍의 영구 자석이 이극으로 배치되어 좌측에 배치된 영구 자석과, 우측에 배치된 영구 자석의 간격이 커서 약한 자계로 아크를 유도 신장시켜 차단하는 문제점이 있어, 이를 해결할 수 있는 직류 양방향 아크 차단 접점 장치가 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1649703호

본 발명은 배터리의 충전과 방전 시에 정방향과 역방향 전류 모두를 차단 및 제어할 수 있는 양방향 직류 스위치 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 주 접점에서 전원 개폐시 발생하는 아크를 더욱 길게 신장시켜 아크 전압을 높여 차단하는 접점 장치로, 접점의 직류 고전압 전원의 가혹한 개폐 환경에서 주 접점을 안정적으로 보호하고, 접점의 접촉부에 가장 가까이 영구 자석을 배치하여 강력한 아크 구동으로 주 접점의 기계적인 마모를 최소화하여 신뢰성을 확보할 수 있는 밀봉형 직류 유접점 장치의 양방향 차단을 구현하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 고정 접점에 전류가 들어오거나 나가는 방향의 가동 접점대 밑면에 가로 방향(가동 접점대의 길이 방향과 수직 방향)으로 한 쌍의 아크 소호용 영구 자석을 배치하고 가동 접점대의 길이 방향으로 N극과 S극으로 착자하여 나란히 배치하여 각각의 영구 자석에서 생성된 자기장이 각각의 접점부에 영향을 줄 수 있도록 배치하였다. 이에 따라, 좌우측 한 쌍의 접촉부인, 가동 접점대와 좌우측 고정 접점의 접촉부에 자기장이 형성되고 접점의 접촉과 차단시 아크 전류는 자계의 영향으로 가동 접점의 접촉부와 각각 직교하는 방향으로 아크를 유도하고 아크 전류는 로렌츠의 힘을 받아 가동 접점대의 길이 방향과 직교하는 대각으로 아크를 신장시키고 차단함으로써, 각 접점부에서 서로 반대 방향으로 아크를 신장시키고 차단가능한 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 영구 자석이 각각의 접점이 개리하는 순간부터 자계의 영향권에 두어 아크는 신장되고 소호되어 차단할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고정 접점이 접촉하는 가동 접점대와의 접촉부의 밑면 하측의 좌, 우측에 적어도 한 쌍의 영구 자석을 가동 접점대의 길이 방향으로 착자시켜 배치함으로써, 전류의 들어오는 방향의 아크는 앞쪽으로 유도되고, 전류가 나가는 방향은 뒤쪽으로 유도되어 차단시 발생하는 아크 전압의 단락 현상을 방지가능한 아크 소호용 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전류의 방향이 바뀌면 아크의 방향도 가동 접점대와 접촉부와 반대쪽으로 직교하게 유도됨으로써 아크 소호용 영구 자석의 극성을 가동 접점대의 길이 방향에서 N극, S극의 방향을 반대로 배치해도 아크 방향은 서로 직교하는 방향이 반대 방향으로 바뀌어 가동 접점대와 직교하는 방향으로 아크는 유도되고 신장되는 구조의 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기밀 세라믹 하우징의 내측에 영구 자석을 배치하여 아크를 신장시키고, 신장된 아크를 차단하는 목적으로 한 쌍의 영구 자석은 가동 접점대의 고정 접점의 접촉면의 아래에 일정한 간격으로 배치하여 아크 소호 작용을 함으로써, 접점의 차단의 가장 근거리에서 영구 자석의 자장은 차단 아크 전류에 자계를 보다 확실히 걸 수 있으며 최소의 비용으로 강한 아크 소호 능력을 발휘할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기밀 세라믹 하우징의 내부에 배치된 한 쌍의 영구 자석과 자성체로 구성된 영구 자석 홀더로 영구 자석의 자계의 힘을 보강할 수 있는 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 아크 유도의 가동 접점대의 고정 접점 접촉부와의 대각으로 아크를 유도하고, 소호할 수 있는 기밀 세라믹 하우징의 아크 소호 공간을 세로 방향으로 확대할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 아크 유도와 신장으로 아크 열로부터 한 쌍의 영구 자석과 한 쌍의 자성체로 만든 홀더를 아크 베이스에 수납 배치함으로써, 아크에 노출을 방지하여 영구 자석과 홀더를 아크로부터 보호할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 신재생 에너지, 전기차량, 직류 전원제어, 배터리 전원제어 등에 적용 가능한 직류 고전압 유접점 스위치 장치에 포함된 기밀 접점 장치에서 양방향 아크 소호 능력을 갖는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 해결 과제들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치에 있어서, 하나 이상의 코일; 상기 코일에 의하여 구동되는 가동 철심; 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점; 상기 가동 철심과 연동되어 동작하고, 상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동가능한 가동 접점대; 및 아크 소호를 위해 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 각 면에 N극 및 S극을 갖도록 착자된 적어도 한 쌍의 영구 자석을 포함하는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 고정 접점이 관통하도록 기밀(sealing)을 형성하고 아크 소호 공간을 확보하도록 구성된 기밀 하우징을 더 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 상기 기밀 하우징의 내부에 배치될 수 있다.

또한, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 각각 상기 가동 접점대와 상기 한 쌍의 고정 접점 중 좌측 고정 접점 및 우측 고정 접점과의 접촉면의 하부에 각각 배치될 수 있다.

또한, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석 각각의 극성은 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 이극이 마주하도록 배치되고, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 각각 상기 가동 접점대와 상기 좌측 고정 접점 또는 상기 가동 접점대와 상기 우측 고정 접점의 접촉면에 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 자기장을 형성함으로써, 각 접촉면에서 발생하는 아크의 방향을 상기 가동 접점대의 길이 방향을 중심으로 서로 반대 방향으로 직교하도록 형성할 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 영구 자석 각각의 외측 적어도 일부를 둘러싸도록 배치된 영구 자석 홀더를 더 포함하고, 상기 영구 자석 홀더는 자성체로 구성되어 상기 영구 자석의 자기장의 손실을 억제할 수 있다.

또한, 상기 기밀 하우징의 내부에 절연 재료를 포함하는 아크 베이스를 더 포함하고, 상기 아크 베이스는 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석의 상측 및 양 측면을 모두 둘러싸서 수납가능하도록 구성된 수납부를 포함하고, 상기 한 쌍의 영구 자석 각각은 상기 아크 베이스의 수납부 내에 배치될 수 있다.

또한, 상기 기밀 하우징의 상측에 한 쌍의 구멍과 상부 금속화 층이 형성되고, 상기 상부 금속화 층과 상기 고정 접점이 기밀 용접을 통해 접합되고, 상기 기밀 하우징의 밑면 둘레에 하부 금속화 층이 형성되고, 상기 하부 금속화 층과 씰 컵(seal cup)이 기밀 접합될 수 있다.

본 발명에 의하면, 배터리의 충전과 방전 시에 정방향과 역방향 전류 모두를 차단 및 제어할 수 있는 양방향 직류 스위치 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 주 접점에서 전원 개폐시 발생하는 아크를 더욱 빠르게 아크 전압을 높여서 차단하는 접점 장치로서, 접점의 직류 고전압 전원의 가혹한 개폐 환경에서 주 접점을 안정적으로 보호하고 주 접점의 소모를 최소화하여 신뢰성을 확보할 수 있는 밀봉형 직류 유접점 장치의 양방향 차단을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 직류 전원의 차단시 초기 아크를 구동하고 아크를 신장시켜, 아크가 접점의 접촉부로부터 더욱 멀어질수록 자계를 더욱 강하게 걸 수 있는 구조로 아크의 재점호를 방지할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 적어도 한 쌍의 영구 자석을 가동 접점의 고정 접점 접촉부의 반대측 밑면에 배치하고, 요크 플레이트 상측에 절연물로 만들어진 아크 베이스에 수납되어 좌, 우측에 배치하고, 영구 자석의 극성을 가동 접점대의 길이 방향으로 배치함으로써, 접점의 개리 초기에 흐르는 아크 전류에서 발생하는 로렌츠의 힘을 이용하여 아크를 신장시키고, 신장된 아크는 영구 자석의 자계의 영향권에 두어 아크 주를 차단함으로써, 차단시 주 접점의 기계적인 마모를 최소화 시킬 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 접점 밀봉 장치의 세라믹 하우징의 폭을 가동 접점대를 중심으로 세로 방향으로 키움으로써 아크의 소호 공간을 최대한 확보할 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기밀 세라믹 하우징의 내측에 영구 자석을 배치하여 접점의 접촉부와 가장 가까운 거리에 영구 자석을 배치하여 아크를 신장시키고, 신장된 아크가 완전히 소호될 때까지 영구 자석의 자계의 영향권에 두어 아크 소호 작용을 함으로써, 아크 신장 및 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 세라믹 하우징의 내부에 복수로 영구 자석을 배치하고, 영구 자석의 각각의 외측에 자성체로 구성된 영구 자석 홀더를 부착하여 외부로의 자기장 유출을 줄이고 자계와 아크 전류로 로렌츠의 힘을 보강할 수 있는 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 세라믹 하우징의 내부의 밑면에 절연물로 만들어진 아크 베이스에 한 쌍의 영구 자석을 배치하고, 영구 자석의 각각의 가로방향에 자성체로 구성된 영구 자석 홀더를 영구 자석의 단면에 부착하여 아크 베이스에 함께 수납함으로써 외부로의 자기장 유출을 방지하고 자계와 로렌츠의 힘을 보강할 수 있는 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 신재생 에너지, 전기차량, 직류 전원제어, 배터리 전원제어 등에 적용 가능한 직류 고전압 유접점 스위치 장치에 포함된 기밀 접점 장치에서 아크 소호 능력을 갖는 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 접점 장치의 구성을 설명하기 위한 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 접점 장치의 구성 및 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 접점 장치에서 기밀 접점 장치의 내부에 배치된 한 쌍의 영구 자석이 아크를 유도하고 신장시키는 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 영구 자석의 배치 구성에 따른 아크 소호 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 영구 자석이 아크 베이스의 내부에 수납되고 고정 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이와 같은 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 기술되고, 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 접점 장치의 구성을 설명하기 위한 조립도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 접점 장치의 구성 및 동작을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 접점 장치의 조립 과정을 살펴보면, 보빈(01)에 코일(02)를 권선하여 코일 터미널(03)에 전자 코일 권선부의 시작선과 끝선을 각각 연결하여 전자석을 만들고 보빈(01)의 중심부 내부 홈에 요크(04)를 끼워 전자석 마그네트(magnet)를 만들 수 있다.

가동 접점대 조립체를 구성하는 가동 접점대(05)는 가동대 몰드(06)에 내부 접압 스프링(07)을 끼우고, 가동대 홀더(08)와 가동 접점대(05)를 끼우고, 샤프트(11), 요크 플레이트(13)의 중앙 관통 홈에 사프트(11)를 끼우고 복귀 스프링(14)를 조립한 다음 가동 철심(15)를 O/T(Over travel) 조정 후 용접이나, 나사로 고정하고, 도 1의 우측 하단에 도시된 실린더(16) 상측의 플렌지부(flange)(16-1)를 요크 플레이트(13)와 기밀 용접할 수 있다.

예컨대, 실린더(16)는 속이 빈 원통 형태의 비철금속의 재료로 컵 형태로 구성될 수 있으며, 실린더(16)의 상부에 형성된 플랜지부(16-1) 둘레가 용접 접합이 가능하도록 구성될 수 있다. 도 1의 우측 도면을 참조하면, 기밀을 위한 기밀 하우징으로서, 세라믹 재료로 구성될 수 있는 세라믹 하우징(17)의 하측에 금속화된(metalized) 하부 금속화 층(17-2)을 만들고, 세라믹 하우징(17)의 상측에 금속화된 상부 금속화 층(17-1)에 한 쌍의 관통된 구멍을 만들어 고정 접점(19)를 기밀 고착 용접할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 세라믹 하우징(17)의 상부 및 하부 금속화 층(17-1, 17-2)에 니켈(Nickel) 도금을 하고 금속화 층에 납재를 끼우고, 브래징(Brazing) 용접을 통해 세라믹 하우징(17)의 상측은 고정 접점(19)과, 세라믹 하우징(17)의 하측은 씰 컵(Seal Cup)(20)을 동시에 기밀 고착 접합할 수 있다.

이와 같이 조립 완성된 세라믹 하우징(17)을 요크 플레이트(13)와 기밀 접합하고 요크 플레이트(13)를 기밀 접합하는 동시에 진공 후 수소를 주체로 하는 절연 가스를 충진함으로써 기밀 접점 장치를 만들 수 있다. 또한, 높은 밀도를 유지하는 절연 가스를 충진 밀봉함으로써, 외기와 완전히 차단시켜 접점대의 변색 및 아크로 인한 접점 표면 카본 현상을 방지하는 밀봉 구조를 갖는 직류 고전압 유접점 장치로서 아크를 유도할 수 있다. 아크를 소호하는 한 쌍의 영구 자석은 한 쌍의 고정 접점과 대항하는 가동 접점대(05)의 접촉 밑면을 중심으로 가동대의 길이 방향으로 영구 자석 각각 N극, S극이 배치되고 한 쌍의 영구 자석(10)을 고정 접점(19)을 중심으로 가동 접점대(05)의 길이 방향의 좌, 우측에 각각 배치하여 직류 전류의 방향과 관계없이 차단이 가능한 직류 양방향 접점 장치를 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직류 양방향 유접점 장치는 영구 자석(10)을 배치하여 아크를 구동하는 방식으로 직류 전원을 개폐할 때 수반되는 아크 전압과 아크 열로부터 주 접점을 보호하고 접촉 신뢰성을 확보하기 위하여, 아크를 신속히 유도하고 아크를 신장시키고, 신장된 아크는 영구 자석의 자계의 영향을 접점의 접촉부와 가장 가까운 거리에서 더욱 강하게 받는 구조로 가혹한 아크 환경에서 주 접점을 보호하는 구조의 직류 접점 장치를 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 밀봉형 직류 유접점 양방향 접점 장치의 아크 구동과 소호를 위한 영구 자석(10)의 착자 자극 방향과 배치 등의 관한 것으로서, 아크 소호용 영구 자석(10)은 페라이트계, 희토류계 등의 다양한 영구 자석의 재료로서 구성될 수 있다.

다시 도 2를 참조하여, 직류 양방향 접점 장치의 동작을 설명하면, 여자 코일(02)에서 연장된 코일 터미널(03)에 코일 조작 전원을 인가(on)하면 전자석의 원리에 따라 가동 철심(15)이 요크 플레이트(13)으로 이동하고 이때 가동 접점대(05)에 연동된 가동 몰드 조립체의 샤프트(11)에 고정된 가동 철심(15)이 상부로 이동을 하면서 요크 플레이트(13)의 하부 면에 밀착되어 가동 몰드 조립체의 샤프트(11)와 연동된 가동 접점대(05)가 고정 접점(19)과 접촉하여 접점은 전기적으로 통전시킬 수 있다.(접점 폐로 상태) 이와 같은 원리로, 직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점(19)과, 가동 철심(15)과 연동되어 동작하여 가동 접점과 고정 접점으로 구성되는 접점부가 접촉할 수 있도록 이동 가능한 가동 접점대(05)의 움직임에 의해 전기적인 접촉 동작이 수행된다.

한편, 코일(02) 조작 전원을 오프(off)하면 위의 동작과 반대로 가동 철심(15)은 요크 플레이트(13)로부터 복귀 스프링(14)에 의해 이격하여 하부로 이동하고, 이때 가동 접점대(05)과 연동된 가동 철심(15)이 아래쪽으로 이동하여 접점의 전기적인 접촉은 개로 상태로 변경될 수 있다.(접점 개로 상태)

이와 같은 동작에 의해, 전기적인 아크가 주 접점인 고정 접점(19) 및 가동 접점대(05)의 접촉부로부터 유도되고, 영구 자석(10)에 의해 형성된 자기장(자계)는 아크 전류에 작용하여 아크가 유도, 신장되고, 아크 주(기둥)이 가까워질수록 자계의 세기가 강해지며, 아크 전류에는 로렌츠의 힘이 작용한다. 이때, 아크는 상, 하측으로 길게 아크 기둥을 만들어 더욱 신장되어 세라믹 하우징(17) 내부에 배치된 절연물로 만들어진 아크 베이스(09)의 안쪽면에 수납되어 배치된 영구 자석(10)과 영구 자석 홀더(18)의 구성을 통해 접촉부에 더욱 가까이 배치된 영구 자석(10)의 강력한 자계의 영향으로 아크가 유도되고 아크 주(기둥)는 안전하게 차단되어 접촉부의 접점의 소손, 기계적인 마모를 줄일 수 있으며, 아크는 재점호없이 안전하게 소호될 수 있다.

도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 접점 장치에서 기밀 접점 장치의 내부에 배치된 한 쌍의 영구 자석이 아크를 유도하고 신장시키는 기능을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 가동 접점대(05) 상의 좌측 및 우측 양 쪽에 배치된 고정 접점(19)을 포함하는 직류 양방향 장치가 도시되며, 도 3b는 폐로 상태에서 개리하는 순간 및 개리후 아크 신장을 나타내기 위해 일 측의 고정 접점(19)을 수직 방향으로 잘라낸 단면을 나타낸다.

도 3b를 참조하면, 아크는 접점의 접촉부인 주 접점(05, 19)이 개리하는 순간에 초기에는 작은 아크로 출발하며 아크를 유도하고 아크 주(기둥)를 신장시키는 과정으로서, 전류의 방향에 따른 아크의 방향과 접점의 개극 거리가 멀어지면서 아크 전류는 로렌츠의 힘의 작용으로 아크 주(기둥)가 더욱 크게 신장될 수 있으며, 기밀 세라믹 하우징(17)의 내부의 가동 접점대(05)의 길이 방향으로 착자되어 배치된 한 쌍의 영구 자석(10)은 각각 좌측 및 우측 접촉부(접점부)에서 각각의 아크를 유도할 수 있다. 이와 같이 가동 접점대(05)의 길이 방향의 밑면 좌, 우측에 배치된 영구 자석(10)은 적어도 한 쌍으로 구성되며, 가동 접점대(05)의 길이 방향으로 각각의 영구 자석은 N극과 S극, N극과 S극의 착자 방향을 갖도록 배치될 수 있으며, 반대로 S극과 N극, S극과 N극의 착자 방향을 갖도록 배치될 수도 있다.

이와 같이, 접점 장치의 세라믹 하우징(17)의 폭을 가동 접점대(05)를 중심으로 세로 방향으로 키움으로써 아크 소호 공간을 최대한 확보할 수 있으며, 또한, 기밀 세라믹 하우징(17)의 내측에 적어도 한 쌍의 영구 자석(10)을 접점의 접촉점과 가장 가까운 거리에 인접하여 배치함으로써 보다 강한 자계로 아크를 신장시킬 수 있다. 또한, 종래 방식인 영구 자석의 외부 배치에 따른 자기력 유출로 인한 주변 장치의 오동작을 방지하는 효과를 가져올 수 있는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

본 발명에서는 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 아크 유도를 위한 영구 자석(10)의 배치 방법으로 좌측 및 우측에 각각 위치한 고정 접점(19) 각각과 대향하는 가동 접점대(05)의 접촉부의 하부에 가동 접점대(05)의 길이 방향과 수직 방향으로 영구 자석(10)을 배치할 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 차단시 발생하는 아크를 주 접점의 접촉면에서 가장 가까운 위치에 영구 자석(10)을 배치하여 형성된 자기장의 방향으로 아크 전류에 자계를 걸어 접점의 개리 초기의 아크를 자계의 영향으로 접점으로부터 빠른 아크의 구동으로 접점의 마모와 아크 열로부터 접점의 소손을 줄이고, 초기 아크에 강한 자계를 걸고, 아크가 신장되고, 아크가 늘어나면 아크 소호용 영구 자석(10)은 각각의 접점의 접촉점의 개리시 발생하는 아크 전류에 자계는 아크를 신장시키고 소멸되도록 걸 수 있어 접점의 기계적인 소모를 줄이는 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

이와 같이 제조된 직류 고전압 유접점 양방향 접점 장치는 조립성이 용이하고, 주 접점의 개폐로 인한 접점의 접촉면의 기계적인 소모를 줄여 접점의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 기존의 기밀 접점 장치 내부의 절연체가 아크로 인한 접점의 마모로 인해 금속 증기의 흡착으로 절연 확보에 어려움을 겪는 문제를 완화하고, 접점의 용착 등 전기적인 수명의 증대에 효과를 가질 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 영구 자석의 배치 구성에 따른 아크 소호 기능을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 한 쌍의 영구 자석(10)은 각각 한 쌍의 고정 접점(19)을 중심으로 가동 접점대(05)의 접촉면의 반대쪽 밑부분의 가동 접점대(05)의 길이 방향으로 극성을 배치하고, 고정 접점(19)과 가동 접점대(05)의 접촉면의 반대쪽 밑면 하부에 배치된 각각의 영구 자석(10)은 접촉면과 인접하여 각각의 자기장을 만들고, 가동 접점대(05)의 길이 방향으로 착자된 영구 자석(10)은 각 면에 S극 및 N극을 갖도록 각각 배치되어 아크 전류에 더욱 강하게 자계를 걸 수 있다. 이때, 좌측 및 우측 고정 접점(19)과 가동 접점대(05)가 접촉하는 좌측 접촉면과 우측 접촉면에서 각각의 영구 자석(10)에 의해 가동 접점대의 길이 방향으로 N극에서 S극으로 자기장이 형성됨으로써, 로렌츠의 힘에 의해 전류 방향이 반대인 각 접촉면에서 발생하는 아크의 방향을 가동 접점대(05)의 길이 방향을 중심으로 서로 반대 방향으로 직교하도록, 즉 대각 방향으로 유도할 수 있다. 이에 따라 아크 차단시 발생하는 아크 전압의 단락 현상을 방지가능하다.

도 4a를 참조하면, 직류의 양방향 차단은 단방향 차단과 다르게 아크를 가동 접점대(05)의 길이 방향을 중심으로 서로 반대 방향으로 대칭하도록 직각 방향으로 차단할 수 있다. 이는 단방향 차단시 가동 접점대(05)의 길이 방향으로 아크를 신장시키는 경우와 다르게 가동 접점대(05)의 길이 방향과 직교하는 수직 방향으로 가동 접점대(05)의 접점의 접촉면을 중심으로 좌, 우측으로 각각 영구 자석(10)의 자기장을 이용하여 접점 개리시 흐르는 아크 전류의 방향에 따라 자계의 힘의 방향을 변경하여 아크를 유도하게 된다.

즉, 도 4a의 아래측 도면에서, 전류(I)가 지면으로 나오는 방향을 갖는 좌측 고정 접점에서 영구 자석(10)에 의한 자속의 방향이 아크 전류에 로렌츠 힘이 작용하여 아크는 앞쪽으로 유도되고, 전류(I)가 지면으로 들어가는 방향을 갖는 우측 고정 접점(19)에서 영구 자석(10)에 의한 동일한 자속의 방향에 의해 아크 전류는 들어오는 방향이 되어 플레밍의 왼손 법칙에 따라 아크의 방향은 뒤쪽으로 향하고 로렌츠 힘에 의한 아크는 신장되고 차단된다. 이와 같이, 각각의 양쪽 아크 방향이 서로 반대 방향으로 가동 접점대(05)의 길이 방향에 직교하게 되어 차단 아크 전압의 단락(쇼트)현상을 방지할 수 있다.

또한, 도 4a의 상측 도면에서, 전류의 방향이 반대로 바뀌는 경우, 영구 자석(10)의 극성의 동일한 배치에 의한 동일한 자속 방향에 의해 아크는 구동되고, 로렌츠의 힘에 의한 아크 방향은 반대로 신장되고 바뀌게 되어 아래측 도면과 동일하게, 양 쪽 아크 방향이 서로 반대 방향을 향하도록 유지됨으로써, 양방향 전류에 따른 아크 소호와 아크의 유도 기능에 문제가 발생하지 않음을 알 수 있다.

전류 차단시 발생하는 아크 전류는 영구 자석(10)의 자계의 영향으로 구동되고 아크 전류는 로렌츠의 힘의 영향으로 신장되고, 가동 접점대(05)의 접촉부의 가장 가까운 위치에 영구 자석을 배치하므로 더욱 강력한 자계를 걸 수 가 있다.

도 4b는 한 쌍의 영구 자석(10)의 외측의 일면에 부착된 영구 자석 홀더(18)가 부착되어 결합된 모습을 나타내며, 영구 자석 홀더(18)는 영구 자석(10)에 의한 자기장의 외부 유출을 방지하고 아크에 더욱 강한 자계를 걸 수 있도록 자계의 힘을 보강하는 효과를 가진다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 영구 자석이 아크 베이스의 내부에 수납되고 고정 배치되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 영구 자석(10) 및 한 쌍의 영구 자석 홀더(18)가 결합되어 아크 베이스(09) 내에 수납되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.

영구 자석 홀더(18)는 자성체로 구성되어 영구 자석(10)의 자기장의 누출을 차단하여 외부로의 누출을 방지하고, 자력선이 외부로 나가는 것을 차단하고 억제하는 역할을 수행하며, 영구 자석(10)의 적어도 일부를 감싸도록 영구 자석(10)에 부착되어 아크 베이스(09)의 안쪽 면으로 수납 고정되어 배치될 수 있다. 또한, 아크 베이스(09)는 한 쌍의 영구 자석(10) 각각의 상측 및 양 측면을 모두 둘러싸서 수납가능하도록 구성된 한 쌍의 속이 빈 사각 기둥 형태를 갖는 수납부를 포함할 수 있다.

또한, 아크 베이스(09)는 예컨대 아크로부터 절연을 위하여 고열의 절연 재료를 포함하도록 구성되며, 아크 베이스(09)는 세라믹 하우징(17) 내부에 배치되며, 요크 플레이트(13) 상측에 배치될 수 있다. 발생되는 아크는 상, 하측으로 길게 아크 기둥을 만들어 신장되어 아크 베이스(09)의 안쪽 밑면에 수납되어 배치된 영구 자석(10)과 영구 자석 홀더(18)의 구성을 통해 접촉부에 더욱 가까이 배치된 영구 자석(10)의 강력한 자계의 영향으로 아크가 유도되고 아크 주(기둥)가 안전하게 차단되어 접촉부의 접점의 소손, 기계적인 마모를 줄일 수 있으며, 아크는 재점호없이 안전하게 소호될 수 있다.

예컨대, 한 쌍의 영구 자석 홀더(18)는 각각 I자의 바(bar) 형태로 구성되어 한 쌍의 영구 자석(10) 각각의 좌, 우측의 단부의 면을 감싸고 배치될 수 있고, I자 형태의 영구 자석 홀더(18)는 영구 자석(10)의 면적에 관계없이 높이와 폭을 조정할 수 있는 영구 자석 홀더(18)를 영구 자석(10)의 좌, 우측 면에 결합하여 배치될 수 있다. 이와 같이 영구 자석(10)에 부착된 영구 자석 홀더(18)를 통해 한 쌍의 영구 자석(10)을 포함한 외부로의 자기장의 유출을 방지하고 아크에 더욱 강한 자계를 걸 수 있다. 또한, 영구 자석(10)에 의한 자기장의 외부 누출로 인한 손실을 최소화하고 로렌츠의 힘을 보강함으로써, 자기장의 자속이 차단하는 아크에 집중할 수 있다. 또한, 영구 자석 홀더(18)를 이용하여 영구 자석(10)의 배치로 아크를 길게 늘여주고 최대한 신장된 아크는 영구 자석(10)의 길이 방향으로 자계를 가할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 고정 접점(19)을 중심으로 가동 접점대(05)의 접촉면의 반대 하측에 한 쌍의 영구 자석(10)이 배치될 수 있으며, 도 5a와 다르게 한 쌍의 영구 자석(10)의 좌, 우측 면에 영구 자석의 홀더가 배치되지 않고, 각각 도 5a와 동일한 방향으로 순방향으로 착자되고 각각 이극이 마주하도록 배치된다.

이와 같은 기밀 하우징 외부로의 자력선의 누출을 억제하는 구조를 통해, 아크 베이스(09)에 수납된 한 쌍의 영구 자석(10) 각각의 좌, 우측 면에 영구 자석 홀더(18)를 부착하여 자기장의 손실을 억제하는 구조를 통해 전류의 방향과 관계없이 가동 접점대(05)의 길이 방향과 직교하는 대각의 방향으로 아크를 유도하고 소호가능한 직류 양방향 접점 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

01: 보빈 02: 코일
03: 코일 터미널 04: 요크
05: 가동 접점대 06: 가동대 몰드
07: 접압 스프링 08: 가동 접점대 홀더
09: 아크 베이스 10: 영구 자석
11: 샤프트 12: 씰 컵
13: 요크 플레이트 14: 복귀 스프링
15: 가동 철심 16: 실린더
16-1: 실린더 플렌지 17: 세라믹 하우징
17-1: 상부 금속화 층 17-2: 하부 금속화 층
18: 영구 자석 홀더 19: 고정 접점

Claims (7)

1. 아크 소호 능력을 갖는 직류 양방향 접점 장치에 있어서,
   하나 이상의 코일;
   상기 코일에 의하여 구동되는 가동 철심;
   직류 전원을 인가하기 위한 한 쌍의 고정 접점;
   상기 가동 철심과 연동되어 동작하고, 상기 한 쌍의 고정 접점과 접촉할 수 있도록 이동가능한 가동 접점대; 및
   아크 소호를 위해 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 각 면에 N극 및 S극을 갖도록 착자된 적어도 한 쌍의 영구 자석
   을 포함하고,
   상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 각각 상기 가동 접점대와 상기 한 쌍의 고정 접점 중 좌측 고정 접점 및 우측 고정 접점과의 접촉면의 하부에 각각 배치되고,
   상기 적어도 한 쌍의 영구 자석 각각의 극성은 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 이극이 마주하도록 배치되고, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 각각 상기 가동 접점대와 상기 좌측 고정 접점 또는 상기 가동 접점대와 상기 우측 고정 접점의 접촉면에 상기 가동 접점대의 길이 방향으로 자기장을 형성함으로써, 각 접촉면에서 발생하는 아크의 방향을 상기 가동 접점대의 길이 방향을 중심으로 서로 반대 방향으로 직교하도록 형성하는 것인, 직류 양방향 접점 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 고정 접점이 관통하도록 기밀(sealing)을 형성하고 아크 소호 공간을 확보하도록 구성된 기밀 하우징을 더 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석은 상기 기밀 하우징의 내부에 배치되는 것인, 직류 양방향 접점 장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 영구 자석 각각의 외측 적어도 일부를 둘러싸도록 배치된 영구 자석 홀더를 더 포함하고, 상기 영구 자석 홀더는 자성체로 구성되어 상기 영구 자석의 자기장의 손실을 억제하는 것인, 직류 양방향 접점 장치.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 기밀 하우징의 내부에 절연 재료를 포함하는 아크 베이스를 더 포함하고, 상기 아크 베이스는 상기 적어도 한 쌍의 영구 자석의 상측 및 양 측면을 모두 둘러싸서 수납가능하도록 구성된 수납부를 포함하고, 상기 한 쌍의 영구 자석 각각은 상기 아크 베이스의 수납부 내에 배치되는 것인, 직류 양방향 접점 장치.
   
7. 제2항에 있어서, 상기 기밀 하우징의 상측에 한 쌍의 구멍과 상부 금속화 층이 형성되고, 상기 상부 금속화 층과 상기 고정 접점이 기밀 용접을 통해 접합되고, 상기 기밀 하우징의 밑면 둘레에 하부 금속화 층이 형성되고, 상기 하부 금속화 층과 씰 컵(seal cup)이 기밀 접합되는 것인, 양방향 접점 장치.

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