KR20090115950A - 하이브리드 전기자기적 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 스위칭 장치에 이용하기 위한 전기자기적 액추에이터에 관한 것으로서, 액추에이터는 자화 조립체(32, 33), 제어 전류가 흐르는 여기 코일 (30) 및 고정 요크(10)와 유동부(20)로 구성되는 자기 회로를 포함하며, 여기 코일과 자화 조립체는 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 구성되고, 유동부는 자화 조립체 또는 코일에 결합되어 고정 요크와 함께 자기 에어 갭을 제공하고 이 에어 갭의 값은 제 1 위치에서 최소, 제 2 위치에서 최대가 되도록 한다. 액추에이터는 코일(30)에 고정되는 자기 스플리터(35, 36)를 포함하고, 자기 스플리터는 제 1 위치에서 코일(30) 및 서로 대향하는 자화 조립체(32, 33) 사이에 부분적으로 위치하여 자화 조립체(32, 33)로부터의 자기장의 일부를 수집하도록 한다.

Description

하이브리드 전기자기적 액추에이터{Hybrid electromagnetic actuator}

본 발명은 전기적 스위칭 장치, 특히 릴레이, 접촉기 또는 접촉기-회로 차단기 타입의 장치에 사용하기 위한 전기자기적 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 스위칭 장치의 유동 접촉부를 구동하기 위해 상기 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치에 관한 것이다.

이러한 전기적 스위칭 장치는 전기를 공급하는 전원공급장치 회로, 또는 전기를 공급받기 위하여 연결된 전기 모터와 같은 장치들을 스위칭하는데 통상적으로 사용된다. 이를 위해 스위칭 장치는 유동 접촉부, 이와 협력하여 작동하는 고정 접촉부 및 전자기적 액추에이터를 포함하며, 이 전자기적 액추에이터는 유동 접촉부를 유동 접촉부가 고정 접촉부에 닿아 전류가 전원공급장치로부터 전기 부하로 흐르게 되는 닫힌 위치와, 유동 접촉부가 고정 접촉부에서 분리되어 전원공급장치에서 전기 부하로의 전기 공급이 차단되는 열린 위치 사이에서 움직이게 한다.

액추에이터는 다양한 자기적, 전기자기적 또는 자기 및 전기자기적 성질에 따라 다양한 구동 시스템을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전자기적 형태의 릴럭턴스 시스템(reluctance system)은 접촉기에서 통상적으로 사용되는 구동 시스템이다. 이 시스템은 제어 전류가 흐르는 여기 코일과 고정부와 유동부로 구성되는 가변 인 덕턴스를 가지는 강자성체 회로로 구성된다. 이 시스템은 또한 영구 자석을 이용하여 극성을 가질 수도 있다.

릴럭턴스 시스템은 열린 위치와 닫힌 위치 사이의 자기 회로의 에어 갭의 값의 변화로 생기는 릴럭턴스의 변화를 이용하여 자기력을 발생시킨다. 이 자기력은 자기 에어 갭 값의 제곱에 반비례한다. 따라서 에어 갭 값이 최소가 되는 닫힌 위치에서 발생하는 엔진 출력이 최대가 된다. 이 경우, 코일에 흐르는 낮은 잔류 전류로도 복원 수단(복원 스프링이나 접촉 압력 스프링)이 시스템을 닫힌 상태에서 충분한 접촉 압력으로 유지되게 해준다.

하지만, 릴럭턴스 시스템은 일반적으로 수 밀리미터 이내의 매우 짧은 범위에서만 엔진의 고출력을 제공할 수 있다. 실제적으로 자기 회로의 에어 갭 값은 열린 위치에서 최대가 된다. 따라서 유동 접촉부를 열린 위치에서 닫힌 위치로 옮기는 닫힘 움직임을 시작하기 위해서는 자기회로의 유동부를 끌어 당기기에 충분한 구동력을 얻기 위하여 코일에 강력한 돌입 전류를 흐르게 하여야 한다. 이로 인해 코일 내의 높은 돌입 전류에 비교하여 전체 시스템(자기회로와 코일)의 크기가 커지게 된다.

이른바 전기역학적 액추에이터 시스템은 고정된 강자기회로, 자화 조립체 및 이 자화 조립체에 대하여 상대적으로 움직일 수 있는 코일을 가진다. 이는 고정된 자석과 유동 코일(예를 들어 음성 코일)이거나 고정된 코일과 유동 자석(유동 자석 타입 전자석)일 수 있다. 이러한 전기역학 타입 액추에이터에서 자기력은 주로 자화 조립체와 코일 사이의 상호 인덕턴스의 변화로부터 발생하는 라플라스 힘(Laplace force)이며, 그 크기는 코일에 흐르는 전류, 자화 조립체에 의해 발생하는 자기 유도 및 자화 조립체에 의해 발생한 자기장이 수직으로 통과하는 코일의 길이에 비례한다. 따라서 이러한 시스템은 주어진 자속과 코일 전류에 대하여 닫힌 위치와 열린 위치 사이의 움직임 전체에 걸쳐 양호한 선형성을 보이는 구동력을 제공한다.

반대로, 이 시스템은 닫힌 위치 근처에서 스위칭 장치의 유동 접촉부와 고정 접촉부 사이의 양호한 접촉 압력을 보장하기 위한 의미있는 추가 구동력을 제공하기 위해서는 사용할 수 없다. 따라서 닫힌 위치에서 코일 전류를 강하게 증가시키는 것이 필요하며 이로 인해 전력 소비가 높아지고 열로 인한 문제가 발생할 수 있다.

릴럭턴스 시스템과 전기역학적 시스템의 장점을 결합한 하이브리드 액추에이터가 이미 개발되어 있으며 이러한 액추에이터의 구동력 커브의 프로필은 접촉기 타입 장치의 유동 접촉부의 저항력 커브의 프로필에 보다 밀접하게 매칭된다. 예를 들어, 유럽 특허 EP 1655755는 이러한 하이브리드 전자기적 액추에이터를 기술하고 있으며 이 액추에이터는는 전기역학적 모드에서 동작한다. 이러한 액추에이터에서 전기역학적 시스템은 주로 유동 접촉부가 고정 접촉부에 접근하는데 필요한 구동력을 제공하며, 릴럭턴스 시스템은 주로 닫힌 위치로의 움직임의 끝 무렵에 압력을 가하고 유동 접촉부가 고정 접촉부에 효과적으로 접촉하는데 필요한 추가적인 구동력을 제공한다.

그러나 이러한 하이브리드 액추에이터의 문제점은 전기역학적 동작에서 릴럭 턴스 타입 동작으로의 전환이 항상 명확하게 이루어지지 않는다는 점이다. 실제로는, 한 종류의 동작에서 다른 종류의 동작으로의 전환이 충분히 신속하게 일어나기 위해서는 액추에이터의 구동력의 움직임을 최적화하는 것이 필요하다.

따라서 에어 갭의 값이 최소값에 가까워지는 접촉부의 닫힌 위치로의 움직임의 끝 부분에도 영구 자석의 자기장이 코일을 계속 흐르게 되어 전기역학적 동작이 계속 남아 있게 되므로 릴럭턴스 타입의 동작을 방해하게 된다.

또한, 이 자석으로 인해 영구적인 유인력이 발생하여 코일에 전류가 전혀 흐르지 않을 때에도 에어 갭을 최소값으로 유지하려는 경향을 갖게 한다. 이러한 효과는 액추에이터가 열려 있을 때 부담으로 작용하는데 접촉부를 열기 위해 더 강력한 복원 수단이 필요하게 되고 따라서 필연적으로 액추에이터의 저항력을 증가시키기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 액추에이터의 유동부의 위치에 따라 릴럭턴스 모드 또는 전기역학 모드에서 동작할 수 있으면서 상기 기술한 결점을 보이지 않는 하이브리드 전자기적 액추에이터를 디자인하는 것이다. 따라서 본 발명은 액추에이터의 구동력의 움직임을 최적화하고 에너지 소비를 최소화하며 액추에이터의 릴럭턴스 부분의 크기를 최적화하는 것을 가능하게 한다.

이를 위해 본 발명은 자화 조립체, 제어 전류가 흐르는 여기 코일 및 고정 요크와 유동부로 구성되는 자기 회로를 포함하며, 여기 코일과 자화된 조립체는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 구성되고, 자기 회로는 고정 요크와 유동부를 포함하며, 유동부는 상기 자화된 조립체 또는 코일에 결합되어 고정 요크와 함께 자기 에어 갭을 제공하며, 이 에어 갭의 값은 제 1 위치에서 최소, 제 2 위치에서 최대가 되도록 구성되는 전기적 스위칭 장치를 위한 전자기적 액추에이터를 개시한다. 이 액추에이터는 코일에 고정되는 자기 스플리터를 포함하고, 자기 스플리터는 제 1 위치에서는 코일 및 서로 대향하는 자기화된 조립체의 표면들로 경계지워지는 영역에 부분적으로 위치하여 자화 조립체로부터의 자기장의 방향을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 특성에 따르면, 본 발명의 전자기적 액추에이터는 자기 스플리터가 제 1 위치에서는 코일 및 서로 대향하는 자화 조립체의 표면들로 경계지워지는 영역에 대부분 위치하고, 제 2 위치에서는 위 영역의 외부에 대부분 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특성에 따르면, 본 발명의 전자기적 액추에이터는 자기 스플리터가 제 1 위치에서 위 영역에 전적으로 위치하고, 본 발명의 또 다른 특성에 따르면 자기 스플리터가 제 2 위치에서 위 영역의 외부에 전적으로 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 자화 조립체는 고정 요크에 결합되고, 코일은 자기 회로의 유동부에 결합되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 코일은 고정 요크에 결합되고, 자화 조립체는 자기 회로의 유동부에 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 이용함으로써, 자기 스플리터는 자화 조립체로부터 발생하여 코일을 흐르는 전부 또는 일부의 자기장을 바람직한 방향으로 방향을 바꾸어 통과시킴으로써 특히 이 자기장이 닫힌 위치의 근처에서 릴럭턴스 시스템을 교란시키지 않고 또한 액추에이터를 열린 위치로 시작할 때 코일의 전류가 흐르지 않더라도 자기장에 의한 유인력을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 또한 고정 접촉부를 포함하는 전기 스위칭 장치로서 이 고정 접촉부는 유동 접촉부와 협력하여 전기 부하로의 전력 공급 장치를 전환시키며 스위칭 장치는 이 유동 접촉부를 구동하기 위하여 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 스위칭 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특성 또는 이점들은 하기 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 실시예를 통한 구체적인 구현에 대한 상세한 설명에 의해 보다 분명해 질 것이다.

도 1은 자기 스플리터를 갖지 않는 종래 하이브리드 액추에이터의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이브리드 액추에이터의 닫힌 위치에서의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 액추에이터의 열린 위치에서의 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 액추에이터의 변형 액추에이터의 상세도이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 액추에이터의 제 2 실시예에서 닫힌 위치 및 열린 위치 각각에서의 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 액추에이터의 힘의 커브를 나타내는 그래 프이다.

도 1은 접촉기, 접촉기차단기 또는 릴레이 타입의 스위칭 장치에 사용되는 종래 하이브리드 전자기적 액추에이터의 예이다. 이미 설명한 대로, 이러한 액추에이터는 릴럭턴스 시스템과 전기역학적 시스템의 장점을 같이 가지고 있어 액추에이터 구동력의 커브 프로파일이 저항력 커브 프로파일에 더 잘 매칭된다.

이 액추에이터는 강자성 물질로 만들어지며 고정 요크(10) 와 유동부(20)로 구성된 자기 회로로 구성된다. 고정 요크(10)는 두 측면(12, 13)으로 형성되는 측부, 중앙 코어(15) 및 조립체가 설치되는 공동 기반부(14)로 구성된다. 중앙 코어(15)는 전부 또는 부분적으로 여기 코일(30)로 둘러싸여 지며 상기 여기 코일은 제어 전류가 흐를 때 길이 방향 변위 축인 X축을 따라 평행이동 할 수 있다. 중앙 코어(15)와 코일(30)은 사각형 또는 원형의 단면을 가질 수 있으나 이는 중요 요소는 아니다. 전기 장치는 액추에이터에 의해 움직이는 유동 접촉부와 협동하여 작용하는 고정접촉부를 포함한다.

자기회로의 유동부(20)는 예를 들어 간단한 유동 블레이드(20)로 구성된다. 동등한 방식으로 상기 유동부(20)는 고정 요크와 유사한 구성을 가질 수 있는데 이 경우 고정 요크와 대향하여 위치하는 측부와 중앙코어를 가질 수 있으며 접촉기 등에서 많이 사용된다. 유동 블레이드(20)는 다양한 종래의 연결 수단에 의해 코일(30)에 기계적으로 연결된다. 장치의 유동 접촉부 또는 접촉부들은(미도시) 유동 블레이드(20)와 기계적으로 커플링되된다. 따라서 유동 블레이드(20)와 코일(30)은 유동 접촉부가 고정 접촉부에 눌리어 지는 제1 닫힌 위치와, 유동 접촉부가 장치의 고정 접촉부와 분리되는 제2 열린 위치 사이에서 X 축을 따라 움직인다. 자기 회로는 유동 블레이드(20)와 고정 요크(10)에 대향하는 서로 다른 면들 사이의 공간에 의해 형성되는 자기 에어 갭 E를 가진다. 이 에어 갭은 열린 위치에서 최대값을 닫힌 위치에서 최소값을 가진다.

설명되지는 않았지만 복원 수단(예를 들어 복원 스프링)을 통해 액추에이터는 닫힌 위치에서 열린 위치로 전환된다. 이러한 열린 위치로의 움직임을 코일에 역방향의 전류를 흘림으로써 더욱 쉽게 하는 것도 생각할 수 있다.

액추에이터는 또한 측면(12, 13) 안쪽 벽에 코일(30)의 길이 방향 변위축 X축에 대하여 대칭되며 코일(30)에 대향되게 각각 고정되는 두 개의 자석(32, 33)으로 이루어지는 자기화된 조립체를 포함한다. 자석들(32, 33)의 자기화 축들은 서로 수직이고 X축에 대하여 대칭이며 X축 쪽 방향 또는 X축 반대쪽 방향을 향한다. 자기화 방향과 코일 내를 흐르는 전류의 방향은 "코일(30)과 유동 블레이드(20)"의 조립체가 원하는 움직임을 얻을 수 있도록 선택된다.

유동 블레이드(20)의 고정 요크(10)에 대한 X축으로의 움직임은 액추에이터가 열린 위치와 닫힌 위치 사이에서 움직이는 것을 나타낸다. 열린 위치에서 닫힌 위치로 전환하기 위해서 전류가 코일 내로 흐르도록 하며 다음과 같은 과정이 이루어진다:

- 액추에이터의 릴럭턴스 효과에 의해 발생하는 제 1자속 Br. 이 릴럭턴스 자속 Br에 의해 유동 블레이드를 움직이는 힘 Fr이 발생하며 그 크기는 표면 S에서 코일(30)에 의해 제공되는 전류와 감긴 수의 곱 n*I에 비례하고 에어 갭에 의해 형성된 거리 E의 제곱에 반비례한다. 이 힘은 따라서 액추에이터의 움직임에 대해 비선형적이다. 이 힘은 당연히 거리 E가 최소가 되는 닫힌 위치 근처에서 매우 커지게 된다.

- 액추에이터의 전기역학적 효과에 의해 발생하는 제에 의해 라플라스 힘 Fe가 발생하며 이 힘에 의해 코일이 X축 방향으로 움직이려 하게 된다. 이 힘 Fe는 코일(30)에 흐르는 전류 I의 세기, 자석에 의해 생성된 자기장 B의 세기 및 이 자기장이 수직으로 통과하는 코일의 길이 L에 비례한다. 따라서 이 힘은 액추에이터의 움직임에 따라 선형적이며 액추에이터의 움직임에 대하여 상대적으로 일정한 값을 갖는다.

도 1에서 닫힌 위치에서의 자속 Br과 Be를 나타내었다. 이 위치에서 에어 갭은 최소값 E를 가지며 이는 액추에이터를 포화시키기 않기 위해 구조적으로 유지되는 잔류 에어 갭에 해당한다. 자속 Br은 유동 요크(20)와 각각의 고정 요크(15, 14, 12, 13) 사이에서 액추에이터의 에어 갭 E를 통과하여 흐른다. 자속 Be는 자석(32: 각각 33)의 S-N극들을 지나 변위 축 X축에 수직으로 코일(30)을 통과한 후, 한 편으로는 액추에이터의 한 부분(15, 14, 12: 각각 13)으로, 다른 한 편으로는 액추에이터의 다른부분(15, E, 20, E, 12: 각각 13)으로 순환된다.

도 1에 의하면, 닫힌 위치에서 자속 Be는 액추에이터의 유동 요크(20) 상에서 자속 Br과 반대의 방향을 가질 수 있으며 이는 유동 접촉부가 효율적인 접촉 압력을 가지는데 악영향을 미친다. 또한, 코일에 전류가 흐르지 않을 때에도 영구 자 석(32, 33)의 자기장이 유인력을 발생하여 유동 요크(20)와 고정 요크(중앙 코어 15, 측면 12,13) 사이의 에어 갭 E를 최소값으로 유지토록 하기 때문에 액추에이터가 열기 운동을 할 때 이 힘을 극복하여야 한다. 또한 닫힌 위치에서, 릴럭턴스 자속 Br의 일부가 에어 갭 E를 거치지 않고 자석(32, 33)을 통해 흐르면서 코일(30)의 감김 전류 n*I의 효율을 감소시킨다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 이러한 하이브리드 액추에이터에 강자성 물질(예를 들어 뮤-메탈(mu-metal) 또는 철과 같은 물질)로 만들어져 여기 코일에 고정되는 자기 스플리터를 추가하는 것을 제안한다. 이 자기 스플리터는 액추에이터의 닫힌 위치에서 자화 조립체의 자기장의 전부 또는 일부의 방향을 변화시킴으로써 이 자기장이 특히 코일을 통해 흐르지 않도록 한다.

도 2와 3은 본 발명의 제 1 실시예로서, 자기 스플리터는 유동 코일(30)의 외벽에 X축에 대해 대칭되도록 고정되는 두 개의 판(35, 36)으로 구성된다. 이 두 개의 판(35, 36)은 따라서 코일(30)과 함께 움직인다. 도시된 액추에이터는 도 1에 도시된 액추에이터와 같은 종류이다. 본 발명에 따르면, 자기 스플리터는 액추에이터의 닫힌 위치에 해당하는 제 1 위치에서 코일(30)과 자화 조립체(32, 33) 사이에 부분적으로 위치하도록 배치된다(도 2 참조).

제 1 위치에서, 자기 스플리터는 주로 코일과 자화 조립체 사이에 위치하는데, 이는 상기 자기 스플리터(35, 36) 각각이 대부분 서로 대향하는 코일(30)과 각각의 자화 조립체(32, 33)의 표면으로 경계지워지는 각각의 영역(37, 38) 내에 위치함을 의미한다. 바람직하게는, 상기 각각의 자기 스플리터(35, 36)는 액추에이터 의 닫힌 위치에서 상기 각각의 영역(37, 38) 내에 완전히 위치한다.

반대로, 액추에이터의 열린 위치에 해당하는 제 2 위치에서는(도 3 참조), 상기 자기 스플리터는 코일과 자기화된 조립체 사이에 주로 위치하지 않으며, 이는 각각의 자기 스플리터(35, 36)가 대부분 서로 대향하는 코일(30)과 각각의 자화 조립체(32, 33)의 표면으로 경계지워지는 각각의 영역(37, 38)의 외부에 위치함을 의미한다. 바람직하게는, 상기 각각의 자기 스플리터(35, 36)는 액추에이터의 열린 위치에서 상기 각각의 영역(37, 38)의 외부에 완전히 위치한다.

자기 스플리터(35)가 상기 영역(37)의 외부에 대부분 위치할 때는 자석(32)으로부터의 자속선들의 방향이 상기 자기 스플리터(35)로 인해 거의 또는 전혀 변하지 않기 때문에 하이브리드 액추에이터의 동작에 거의 영향을 끼치지 않는다. 이는 열린 위치에서 도 2와 도 3의 액추에이터의 동작이 도 1의 액추에이터의 동작과 실질적으로 동일함을 의미한다. 따라서 도 3은 열린 위치에서 에어 갭 E 가 높은 값을 가지는 경우, 주된 구동력은 전류가 코일(30)을 흐를 때 발생하여 소자들(32/33, 30, 15, 14, 12/13)을 흐르며 라플라스 힘 Fe를 발생시켜 "코일(30)과 유동 블레이드(20)"의 조립체를 변위시키는 전기역학적 자속 Be로부터 비롯됨을 보여준다.

그러나, 자기 스플리터(35)가 상기 영역(37) 내에 대부분 위치할 때, 자석(32)으로부터의 자기장의 자속선들의 대부분의 방향이 유리한 방향, 즉 가장 가까운 자성 물질, 이 경우에는 유동 요크(20) 쪽으로 바뀌게 되는데, 이는 자기 스플리터가 포화되지 않는 한, 경로(32, 30, 15, 14, 12)를 흐르는 자속 Be의 효과는 무시할 정도로 작음을 의미한다. 따라서 자속 Be의 주요 부분은 코일(30)을 수직으로 통과하지 않게 되며 이로 인해 라플라스 힘 Fe는 실질적으로 상당히 감소하게 된다. 따라서 닫힌 위치에서 유동 요크(20)에 작용하는 구동력은 주로 저항력 Fr로 남아 있게 된다.

또한, 각각의 자기 스플리터(35, 36)는 각각의 영구자석(32, 33)으로부터의 자기장이 더 이상 중앙 코어(15)와 유동 요크(20) 사이에 위치하는 에어 갭을 통하여 흐르지 않도록 하는 효과를 가진다. 따라서 코일 전류가 흐르지 않을 때 자화 조립체로 인해 생기는 유인력은 자기 스플리터를 포함하지 않는 같은 종류의 하이브리드 액추에이터에 비하면 높지 않게 된다.

도 2에 도시된 액추에이터의 변형 액추에이터가 도 4에 도시되었다. 이 변형 액추에이터에서 자기 스플리터는 강자성 물질로부터 만들어지고 유동 코일(30)의 외벽에 X축에 대해 대칭되도록 고정되는 두 개의 소자(35', 36')로 구성된다. 각각의 소자(35', 36')의 형태는 상기 소자들이 자기 스플리터를 고정 요크(10)의 각각의 측면(12, 13)에 가능한한 가까이 가도록 해주는 플랜지를 포함하는 점에서 도 2의 각각의 플레이트(35, 36)와는 다른 형태이다.

이 플랜지의 목적은 닫힌 위치에서 각각의 스플리터(35, 36)가 자기 회로의 유동 블레이드(20)보다는 고정 요크(10)의 각각의 측면(12, 13)에 가까와 지도록 하는 것이다. 이는 닫힌 위치에서 각각의 스플리터(35, 36)와 각각의 측면(12, 13) 사이의 에어 갭이 각각의 스플리터(35, 36)와 블레이드(20) 사이의 에어 갭보다 작아 짐을 의미한다.

따라서 이러한 변형 액추에이터에서 자기 스플리터는 자화 조립체로부터의 자기장을 유동 블레이드(20)를 거치지 않고 직접 고정 요크(10)로 되돌려서 반복시킬 수 있다. 이때, 자기장은 짧은 회로를 경과하게 되어 더 이상 중앙 코어(15)와 유동 코일(20) 사이에 위치하는 에어 갭이나 각각의 측면(12, 13)과 유동 요크(20) 사이에 위치하는 에어 갭을 지나지 않게 된다. 코일에 전류가 흐르지 않을 때 자화 조립체의 유인력으로 인한 영향은 더욱 감소하며, 따라서 액추에이터의 열린 위치로의 움직임을 더욱 쉽게 해준다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 액추에이터의 제 2 실시예를 보여준다. 도시된 액추에이터는 강자성 물질로부터 만들어지고 고정 요크(40)와 중앙 피스톤 코어 형태의 유동부(41)를 포함하며 길이 방향의 변위축 X축으로 평행이동할 수 있는 자기회로를 포함한다. 고정 여기 코일(44)은 고정 요크(40) 면의 안쪽에 위치한다. 유동 코어(41)와 코일(44)은 사각 또는 원 형태의 단면을 가지나 이는 중요 요소는 아니다.

상기 액추에이터는 또한 유동 코어(41)의 측면에 길이 방향 변위 축 X축에 대칭되게 고정되는 두 자석(42, 43)을 포함하는 자화 조립체를 포함한다. 두 자석(42, 43)의 자화 축들은 서로 수직이며 X축에 대해 대칭이고 X축 쪽 방향 또는 X축 반대 방향을 향한다. 자기 회로의 유동부(41)는 따라서 자화 조립체(42, 43)에 결합된다.

따라서 상기 두 실시예 모두에서 코일은 여전히 자화 조립체에 대하여 상대적으로 움직일 수 있다. 그러나 제 2 실시예에서 코일(44)은 고정되고 자석들(42, 43)은 움직일 수 있다. 이러한 구조는 고정된 코일을 가질 수 있는 이점이 있어 전기적 연결을 쉽게 해 준다.

액추에이터는 또한 뮤메탈이나 철과 같은 강자성 물질로 만들어지고 코일(44)의 내벽에 고정되는 두 개의 자석(42, 43)으로 구성된 자기 스플리터를 포함한다. 제 1 실시예에 있어서, 닫힌 위치 또는 제 1 위치에서 각각의 자기 스플리터(45, 46)는 서로 대향하는 코일(44)과 각각의 자화 조립체(42, 43)의 표면으로 경계지워지는 영역의 내부에 대부분 위치한다. 반대로, 열린 위치 또는 제 2 위치에서는 상기 각각의 자기 스플리터(45, 46)는 코일(44)과 자화 조립체(42, 43)의 표면으로 경계지워지는 영역의 외부에 대부분 위치한다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시예는 각각의 자기 스플리터(45, 46)가 닫힌 위치에서 상기 각각의 자기 스플리터(45, 46)가 자기회로의 고정 요크(40)보다는 유동 코어(41)에 좀더 가깝게 되는 것을 가능하게 하는 이점을 가지고 있음을 보여준다. 이는 닫힌 위치에서 각각의 자기 스플리터(45, 46)와 유동 코어(41) 사이의 에어 갭이 각각의 자기 스플리터(45, 46)와 고정 요크(40) 사이의 에어 갭보다 작아 열린 위치로의 움직임 시에 자석(42, 43)으로부터의 자기장의 영향을 줄일 수 있음을 의미한다.

열린 위치에서 상기 액추에이터는 전기역학적 액추에이터처럼 동작하며 도 6에 도시된 바와 같이 자속 Be는 코일(40)을 수직으로 통과하여 고정 요크(40), 중앙 코어(41) 및 자석(42, 43)을 지나게 된다. 닫힌 위치에서는, 고정 요크(40)와 중앙 코어(41) 사이의 자기 에어 갭이 최소가 되며 릴럭턴스 자속 Br이 고정 요 크(40)와 중앙 코어(41)를 통과하게 된다. 그러나 자석(42, 43)으로부터의 자기장은 자기 스플리터(45, 46)로 인해 코일(41) 및 고정 요크(40)와 중앙 코어(41) 사이의 에어 갭을 지나지 않고 중앙 코어(41)로 대부분 되돌려져 순환된다.

따라서 본 발명을 이용함으로써, 액추에이터에 의해 생성되는 구동력의 커브를 자기 회로의 유동부의 움직임 X에 따라서 최적화하여 전기 장치의 저항력을 최선으로 근사하는 것이 가능하다. 이러한 커브의 예가 움직임 X의 함수로서 변화하는 힘 F를 보여주는 그래프로서 도 7에 도시되었다. 커브 F1은 종래의 릴레이 타입 스위칭 장치의 저항력을 나타낸다. 저항력 F1은 열린 위치(X가 최대일 때 -도 7에서 Off)에서 최소가 되고, 장치의 유동 접촉부들과 고정 접촉부가 서로 연결되는 점을 나타내는 임계값까지 서서히 증가하며, 이후 움직임 X가 감소함에 따라 (닫힌 위치에 이르기까지 - 도 7에서 On) 좀더 빠른 속도로 계속 증가하는데 이는 유동 접촉부의 접촉 압력 스프링이 압축되는 것에 해당한다.

커브 F2는 종래의 전기역학적 액추에이터의 구동력을 나타낸다. 이 힘 F2는 유동부의 전체 움직임에 걸쳐 작용하지만, 닫힌 위치로 접근할 때 추가적인 저항력을 극복하지는 못한다. 커브 F3는 종래의 릴럭턴스 타입 액추에이터의 구동력을 나타낸다. 이 힘 F3는 닫힌 위치 근처에서 매우 강하지만 액추에이터의 자기회로의 에어 갭이 증가함에 따라 급격히 감소한다.엑추에이터의 구동력을 보여주며 열린 위치 근처(에어 갭이 크므로 힘 F3의 영향력은 무시할 수 있다.)에서의 힘 F2와 닫힌 위치 근처에서의 (자기 스플리터의 사용에 따른) 힘 F3의 조합으로 이루어진다.

형태의 조정과 관련해서 자화 조립체와 자기 스플리터의 크기와 위치를 조정 함으로써 릴럭턴스 타입 동작과 전기역학 타입 동작간의 전환 시간과 경과를 정확하게 조절할 수 있다. 이러한 조절은 이러한 액추에이터를 포함하는 전기 장치의 동작을 원하는 대로 조정할 수 있도록 행해져야 한다.

자기 스플리터를 조정함으로써 하이브리드 액추에이터의 각 부분을 해당 부분이 작동하는 영역, 즉 릴럭턴스 영역에서의 커브 F3와 음성 코일 영역에서의 커브 F2에서 다른 부분과 관계없이 정량화하고 최적화하는 것도 또한 가능하며 따라서 장치 디자인과 점검 작업을 간단하게 해 준다.

또한, 본 발명을 이용함으로써 저항력 커브 F1에 대하여 최적화되어 코일을 제어하는 전류가 액추에이터의 전 움직임에 대하여 일정하게 유지되는 구동력 움직임 F4를 얻을 수 있으며 이로 인해 코일의 전자적 제어의 복잡함이 상당량 감소될 수 있다.

물론, 본 발명의 틀에서 벗어나지 않는 범위에서 다른 변형이나 상세한 부분의 조절 또는 균등한 수단의 사용 또한 가능할 것이다.

Claims (11)

1. 전기적 스위칭 장치에 이용하기 위한 전자기적(전기자기적) 액추에이터로서,

   자화 조립체(32, 33, 42, 43),

   여기 코일과 자화 조립체가 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 구성되며 제어 전류가 흐르는 여기 코일(30, 34) 및

   유동부가 상기 자화 조립체 또는 상기 여기 코일에 결합되어 고정 요크와 함께 자기 에어 갭을 제공하고 상기 에어 갭의 값은 제 1 위치에서 최소, 제 2 위치에서 최대가 되도록 구성되며 고정 요크(10, 40)와 유동부(20, 41)로 구성되는 자기 회로를 포함하며,

   상기 유동부는 상기 자화 조립체 또는 상기 여기 코일에 결합되어 고정 요크와 함께 자기 에어 갭을 제공하고 상기 에어 갭의 값은 제 1 위치에서 최소, 제 2 위치에서 최대가 되도록 하며,

   상기 액추에이터는 코일(30, 34)에 고정되는 자기 스플리터(35, 36, 35', 36', 45, 46)를 포함하고, 상기 자기 스플리터는 제 1 위치에서는 코일(30) 및 서로 대향하는 자화 조립체(32, 33)의 표면들로 경계지워지는 영역(37, 38)에 최소한 부분적으로 위치하여 자화 조립체(32, 33, 42, 43)로부터의 자기장의 방향을 변화시키고, 제 2 위치에서는 상기 영역(37, 38)의 외부에 대부분 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
2. 제 1항에 있어서,

   따른 전자기적 액추에이터로서, 제 1 위치에서 상기 자기 스플리터(35, 36, 35', 36', 45, 46)는 대부분 상기 영역(37, 38)의 내부에 대부분 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
3. 제 1항에 있어서,

   제 1 위치에서 상기 자기 스플리터(35, 36, 35', 36', 45, 46)는 상기 영역(37, 38)의 내부에 전적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
4. 제 1항에 있어서,

   제 2 위치에서 상기 자기 스플리터(35, 36, 35', 36', 45, 46)는 전적으로 상기 영역(37, 38)의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자기화된 조립체(32, 33)는 상기 고정 요크(10)에 결합되고, 상기 코일(30)은 상기 자기 회로의 유동부(20)에 결합되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 고정 요크(10)는 측면부(12, 13)와 중앙 코어(15)를 포함하고, 상기 자 기화된 조립체는 측면부(12, 13)에 코일의 변위 축(X)에 대칭되게 고정되는 두 영구 자석(32, 33)으로 구성되며, 상기 자기 스플리터는 강자성 물질로 만들어지고 코일(30)의 외벽에 고정되는 두 개의 소자들(35, 36, 35',36')로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 자기 스플리터(35', 36')는 제 1 위치에서 상기 자기 스플리터와 상기 고정 요크의 측면부(12, 13) 사이의 에어 갭이 상기 자기 스플러터와 상기 자기 회로의 유동부(20) 사이의 에어 갭보다 작게 되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 코일(44)이 상기 고정 요크(10)에 결합되고, 상기 자화 조립체(42, 43)는 상기 자기 회로의 유동부(41)에 결합되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 자기 회로의 유동부는 유동 중앙 코어(41)를 포함하고, 상기 자화 조립체는 코일의 변위 축(X)에 대하여 대칭되게 유동 코어에 고정되는 두 영구 자석(42, 43)으로 구성되며, 상기 자기 스플리터는 강자성 물질로 만들어 지고 코 일(44)의 내벽에 고정되는 두 개의 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 자기 스플리터는 제 1 위치에서 상기 자기 스플리터와 유동 중앙 코어(41) 사이의 에어 갭이 상기 자기 스플리터와 상기 고정 요크(40) 사이의 에어 갭보다 작게 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전자기적 액추에이터.
11. 고정 접촉부를 포함하는 전기 스위칭 장치로서 상기 고정 접촉부는 유동 접촉부와 협력하여 전기 부하로의 전력 공급 장치를 전환시키며 상기 스위칭 장치는 상기 유동 접촉부를 구동하기 위한 제 1항 내지 제 10항 중 적어도 어느 한 항의 전자기적 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 스위칭 장치.

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