KR20120082818A

KR20120082818A - 자동차용 리튬이온 배터리 시스템에서 회전형 고전압 접촉자의 이중 양극 자기장

Info

Publication number: KR20120082818A
Application number: KR1020120000668A
Authority: KR
Inventors: 치-청 수; 앤드류 제이. 나모우
Original assignee: 지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-03
Publication date: 2012-07-24
Also published as: JP5438742B2; JP2012151090A; DE102012000441A1; US20120181953A1; US8514037B2; KR101342981B1

Abstract

자동차용 배터리 시스템 릴레이 및 관련된 스위치들을 작동시키는 장치 및 방법이 개시된다. 자기장을 발생시키는 자석들 사이에 배치된 접촉 플레이트 내에 흐르는 전류의 방향과 자기장을 정렬시킴으로써, 발생된 로렌츠 힘은 릴레이의 개방 시퀀스 동안 아크 소멸을 촉진시키는데 사용될 수 있고, 동시에, 솔레노이드 또는 다른 스위치 활성 메커니즘의 작동을 방해하려는 로렌츠 힘의 경향을 감소시킨다. 접촉 플레이트 및 전류 운반 단자 사이의 접촉을 구축하는데 회전 기반 메커니즘을 사용함으로써, 릴레이의 의도되지 않은 개방의 가능성은 감소한다. 이러한 장치 및 방법들은 하이브리드 전원 및 전기 전원 자동차와 함께 결합하여 사용될 수 있다.

Description

자동차용 리튬이온 배터리 시스템에서 회전형 고전압 접촉자의 이중 양극 자기장{DUAL BIPOLAR MAGNETIC FIELD FOR ROTARY HIGH-VOLTAGE CONTACTOR IN AUTOMOTIVE LITHIUM-ION BATTERY SYSTEMS}

본 발명은 일반적으로 솔레노이드 기반 회전형(rotary) 접촉 플레이트에 형성된 로렌츠 힘의 크기를 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 접촉 플레이트가 개방 상태이거나 단전되었을 때 아크 소멸 특성을 유지하는 동안 이러한 크기를 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

솔레노이드는 릴레이, 스위치 및 관련된 전기회로 접촉의 개폐에 자주 사용된다. 또한, 솔레노이드는 일반적으로 선형 구성 또는 회전형 구성일 수 있다. 양 구성에서, 단자들 사이의 전기 회로를 완성하기 위해 고전압 접촉자는 솔레노이드를 채용하여 접촉 플레이트를 한 쌍의 고정된 전류 운반 단자와 선택적으로 연결시킨다. 솔레노이드가 단전되면 접촉은 개방되고, 솔레노이드에 전원이 공급되면 단락(또는 완성)된다. 회전형 솔레노이드와 관련된 특정 구성에서, 솔레노이드의 플런저 또는 샤프트는 솔레노이드에 전원이 공급되었는지 또는 단전되었는지에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전한다. 플런저에 부착되는 접촉 플레이트는, 전원이 공급된 솔레노이드 상태에서는 두 단자 사이의 회로를 단락시키는 한편, 단전된 솔레노이드 상태에서는 두 단자 사이의 회로를 개방하도록 유사하게 회전할 것이다.

고전압 및 고전류의 존재는 분리 직후의 접촉 플레이트 및 단자 사이에서 아크를 일으킬 수 있다. 아크에 의해 발생한 전력은 전기적으로 강하지 않을 수 있는 주변의 소자에 흡수되는(또는 영향을 주는) 경향이 있기 때문에, 이러한 아크는 특히 고전류 모드로 작동할 때, 바람직하지 않다.

아크를 감소시키거나 제거하기 위한 시도는 아크가 형성되는 동안 일부 에너지를 흡수함으로써 아크 억제 특성을 이끄는 유전체 가스로 채워진 챔버 내부에 접촉 플레이트 및 단자를 넣는 것을 포함한다. 또한, 이러한 구성은 패키징을 줄이고, 일정 수준의 환경 독립적인 사용을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해결책들은 장치의 비용 및 복잡성에서 단점을 갖는다.

다른 시도에서, 자기장에 노출된 단자 또는 다른 전류 운반 부재에 영향을 주는 로렌츠 힘을 이용하기 위하여 접촉 플레이트 및 단자의 대향하는 측에 추가 자석쌍이 배치되었다. 아크의 극성을 이용하고 그것을 더 넓은 영역으로 신장시킴으로써 아크 소멸을 가속화하기 위해 회로가 접촉 플레이트에서 개방된 직후 고유 로렌츠 힘이 사용될 수 있다. 이러한 접근법은 일반적으로 아크 소멸을 돕는 데 충분하다. 불행하게도, 추가 자석에 의해 형성된 로렌츠 힘은 정상적인 폐쇄 회로 작동 동안 인접한 접촉 플레이트에도 부여된다. 이 힘(이에 의해 접촉 플레이트를 통해 흐르는 전류에 대한 자석의 배향은 일반적으로 단자로부터의 접촉 플레이트의 조기 분리를 촉진할 수 있는 방향에 있음)은 일반적으로 솔레노이드의 작동, 특히 접촉 플레이트의 작동을 방해할 수 있기 때문에, 솔레노이드의 작동이 개선될 수 있는 방법이 남아 있다.

리튬이온 배터리는 자동차용 애플리케이션에 부분적인(하이브리드 시스템의 경우) 또는 전체적인(전전기 시스템(all-electric system)의 경우) 원동력을 제공하기 위해 사용된다. 모터에 전력을 제공하여 결과적으로 휠 세트에 추진력을 제공할 수 있기 위해서는 상당한 수준의 전압 및 전류 중 하나 또는 둘 모두가 필요하다. 이러한 배터리 시스템에 의해 채용되는 높은 수준의 전력은, 만약 정확하지 않다면, 릴레이 및 관련된 스위치 작동 동안에 상당한 아크를 일으킬 수 있다. 일부 형태의 자석 기반 아크 소멸을 채용하는(상기 논의한 바와 같은) 시스템에서, 자기장에 의해 유도된 로렌츠 힘은 종래의 릴레이 및 연관된 스위치 어셈블리의 플레이트 및 접촉 장치를 설계된 것과 상이한 각도로(또는 상이한 시간에) 움직이는 것에 의해 이들을 방해하기에 충분할 정도로 크다. 특히, 아래방향으로 향하는 로렌츠 힘은 솔레노이도의 플런저에 의해 유도된 자기력에 의해 구축된 바이어스를 극복할 수 있고, 결과적으로 접촉의 의도하지 않은 개방을 일으킬 수 있으며, 포함된 추가 자석이 방지하려는 그 아크의 형성을 일으킬 수 있다. 이러한 시기에 맞지 않는 접촉 플레이트의 개방은 배터리 동력에 의한 자동자 추진 시스템의 작동에 악영향을 줄 수 있다.

발명의 제1 태양에 따르면, 스위칭 어셈블리가 개시된다. 이와 관련하여, 스위칭 어셈블리는 전기 회로의 선택적인 개방 및 단락을 함께 허용하는 구성 요소들의 배치에 대응한다. 이와 같이, 스위칭 회로를 통과하는 전류는 2차 전기 회로를 스위치 온 또는 오프하는데 사용될 수 있다. 일례로, 이러한 2차 회로는 (리튬이온 배터리와 같은) 하나 이상의 배터리로부터 자동차, 트럭 또는 관련된 차량 또는 운반 애플리케이션에 추진력을 제공할 수 있는 전기 모터 또는 다른 장치로 전류를 전송하도록 구성된 작업 수행 회로일 수 있다. 특정의 형태에서, 본 발명의 스위칭 어셈블리는 릴레이, 스위치 또는 관련된 회로 개방 또는 회로 단락 메카니즘으로서 구성될 수 있다. 릴레이, 스위치 또는 관련된 솔레노이드 기반 장치에 사용되는 추가 자석은 자기장과 전류의 상호 작용에 의해 발생된 로렌츠 힘의 크기를 줄이고, 동시에 단전된 접촉 장치와 관련된 아크를 줄이기 위해 단자와 접촉 플레이트를 흐르는 전류의 방향에 관련하여 배치될 수 있다. 이 후자의 특성은, 부분 개방 접촉 가능성의 감소로, 하나의 단자로부터 다른 단자로의 전류 경로에서의 안정성을 더 촉진한다. 다시 말해서, 접촉 플레이트 상에서의 로렌츠 힘이 최소화되기 때문에, 접촉이 이러한 힘에 의하여 단자로부터 의도하지 않은 단절될 가능성은 줄어든다.

솔레노이드, 접촉 플레이트 및 단자 사이의 연결의 회전 특성은 더 빠른 단절을 보장한다; 이것은 결과적으로 접촉 플레이트와 단자가 단절된 동안에 발생된 아크를 더 빠르게 소멸시킨다. 또한, 솔레노이드 및 접촉 플레이트 사이의 연결의 회전 특성은 더 강한 조인트 포텐셜(joint potential)을 촉진시키고, 수반하는 리튬 이온 배터리 시스템과 같은 장치에서 직면하는 고전압 접촉자에 대한 장치 내성(device robustness)의 증가를 촉진시킨다. 예를 들어, (비교적 작은 볼 형상의 영역을 통해 샤프트가 접촉 플레이트와 상호 작용을 하는) 선형 솔레노이드와는 달리, 회전형 설계는 더 내구성 있는 구조를 촉진하는 넓은 영역의 연결을 가능하게 할 수 있다.

전술한 바와 같이, 설계 상의 하나의 이점은 로렌츠 힘이 고전류 펄스(pulse) 동안에 플레이트 및 단자 사이 접촉을 의도하지 않게 개방하는 것을 방지하는 것이다. 이러한 방지는 하기에 도시되고 서술되는 바와 같이, 전류와 자기장이 평행이 되도록 추가(즉, 아크 소멸 또는 아크 차단) 자석이 배치되는 상황에서 분명하다. 이론적으로, 전류의 흐름과 자기장의 이러한 평행 배열은 접촉 플레이트 상의 로렌츠 힘의 완전한 소멸과 동일시된다. 중요하게는, 접촉 플레이트 상의 이 힘은 단자 및 접촉 플레이트 사이의 연결부 근처 영역에 로렌츠 힘의 아크 차단 효과와 아무런 관계가 없으므로, 그 위치에서의 전류는 자기장과 평행이기보다는 수직이기 때문에 이러한 아크 차단 힘은 여전히 존재한다.

또한, 본 발명에 따른 회전형 설계는 변형례들을 가질 수 있다. 일 변형례에서, 추가 자석은, 이들 사이에서 발생하는 자기장이 연결된 단자를 통하는 전류의 흐름과 평행이 되도록 배치되는 대신, 자기장이 단자를 통하여 흐르는 전류에 수직인 방향을 향하도록 단자를 가로질러 배치될 수 있다. 선형으로 작동되는 접촉 플레이트 구성(즉, 솔레노이드로부터의 플런저가 솔레노이드의 코일을 통해 인가된 전류의 힘 하에서 평행이동하는 구성) 하에서, 유도된 힘은 정상 작동 동안 플레이트 및 단자 사이 접촉의 의도하지 않은 개방을 이끌 수 있기 때문에, 이러한 자기장과 단자를 통해 흐르는 전류의 직교성은 전술한 로렌츠 힘의 문제점을 촉진시킬 수 있다. 이러한 직교성이 존재하는 본 발명의 변형례 하에서, 로렌츠 힘이 발생하지만, 그럼에도 불구하고 접촉점이 유도된 힘에 영향을 받지 않는 방향으로 배향되어 있기 때문에, 전술한 접촉 개방의 문제점을 방지한다. 이러한 설계의 변형례 하에서, 추가 자석 구성은 일반적으로 이전의 설계와 유사한 방법으로 제자리에 배치되지만, 회전식 접촉 및 접촉 플레이트의 특성 때문에, 로렌츠 힘(앞의 단락에서 서술한 설계와 같은 방법에서 소멸되지 않으나)은 고전류 동안에 작동을 덜 방해하게 되는 한편, 접촉의 개폐 이벤트 동안 추가 자석의 아크 소멸 특성을 유지한다.

선택적으로, 자석은, 복수의 자석에 의해 발생된 자기장이 전류의 방향에 대략 평행한 방향으로 연장하여, 접촉 플레이트로의 로렌츠 힘의 형성이 실질적으로 억제되도록 배치될 수 있다. 다른 선택사항에서, 형성된 로렌츠 힘이 복수의 단자로부터 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향으로 접촉 플레이트에 작용하도록, 복수의 자석에 의해 형성된 자기장이 전류의 방향에 대략 수직인 방향으로 연장한다. 예를 들어, 스위칭 어셈블리의 배향은, 폐쇄 회로를 통해 흐르는 전류의 정상 작동 동안에 발생된 로렌츠 힘이 대략 아래 방향으로 접촉 플레이트에 부여되게 되는 한편, 접촉 플레이트의 운동 방향이 형성된 로렌츠 힘의 평면에서 벗어나는 대략 원형인 경로를 정의한다; 이렇게 하여, 플레이트의 운동을 촉진하거나 억제하지 않을 수 있는 로렌츠 힘은 플레이트에 영향을 미치지 않게 된다. 보다 구체적인 형태에서, 복수의 단자로부터 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향은 실질적으로 플런저의 회전 운동에 의해 형성된 축을 따라 연장한다.

상기 각각의 선택적인 구성들은 장점을 갖는다. 제1 실시예는 전류와 자기장을 대략 정렬시킴으로써, 로렌츠 힘의 발생이 억제된다는 점에서 효과적이다. 따라서, 자기장과, 그 자기장을 발생시키는 자석들 사이에 배치된 접촉 플레이트 내의 전류의 방향(또는 전류의 반대 방향)과 정렬시킴으로써, 정상적으로(즉, 방해받지 않고) 전류가 흐르는 동안에 솔레노이드 또는 다른 스위치 활성 메커니즘의 작동을 방해하는 로렌츠 힘의 경향이 방지되는 동시에, 릴레이 개방 시퀀스(통상적인 폐쇄 회로 작동 동안의 전류 흐름뿐만 아니라 자기장에 대하여 수직인 방향으로 전류가 이동하는) 동안에 아크 소멸을 촉진하는데 사용되는 로렌츠 힘을 지속시킨다. 제2 실시예는, (전류와 자기장이 일반적으로 수직으로 배향되어) 로렌츠 힘이 제자리에 있도록 배향됨에도 불구하고, 공간 절약(즉, 정사각) 구성으로 효율적으로 패키지할 가능성을 더 많이 갖는다. 이와 같이, 사용된 구성은 특정 구성이 배치되는 자동차 또는 관련 시스템의 필요에 의존할 것이다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 차량 추진 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 다수의 배터리, 원동력 장치 및 전류를 배터리로부터 원동력 장치로 선택적으로 전송하는 것을 허용하도록 구성된 스위칭 어셈블리를 포함한다. 스위칭 어셈블리는 실질적으로 전술된 솔레노이드를 포함한다.

선택적인 일 형태에서, 다수의 배터리는 리튬 이온 배터리이다. 다른 바람직한 형태에서, 원동력 장치는 하나 이상의 차량용 휠에 회전 결합된 전기 모터이다. 트랜스미션이 전기 모터에 의해 휠(들)에 전달되는 회전력을 변동시키기 위한 방법으로서 전기 모터 및 하나 이상의 휠 사이에 사용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 자석에 의해 형성된 자기장은 전류의 방향에 대략 평행인 방향(일 형태에서) 이거나 또는 전류의 방향에 대략 수직인 방향(다른 형태에서)으로 연장할 수 있다. 제1 구성에서, 접촉 플레이트 상의 로렌츠 힘은 실질적으로 존재하지 않으며, 제2 구성에서, 이것은 단자로부터 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향으로 접촉 플레이트에 작용한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 스위칭 어셈블리의 작동 방법이 개시된다. 본 방법은 접촉 플레이트를 전도성 단자에 인접하게 배치하는 단계와, 솔레노이드를 작동시키는 단계를 포함한다. 솔레노이드에 전원이 공급되면, 그것은 전기 회로를 완성하기 위하여, 접촉 플레이트가 단자에 접촉하도록 강제한다. 마찬가지로, 솔레노이드가 단전되면, 그것은 전기 회로를 개방(즉, 디세이블(disable))시키기 위하여, 복수의 단자로부터 접촉 플레이트의 분리를 허용한다. 또한, 스위칭 어셈블리는 적어도 부분적으로 접촉점에 의해 정의되는 영역 근처에 배치되는 다수의 아크 소멸 자석을 포함한다. 이렇게 하여, 그것은 실질적으로 전술한 발명의 태양에서 설명된 바에 따라 작동한다.

선택적인 일 형태에서, 스위칭 어셈블리는 자동차 릴레이의 적어도 일부로서 이루어진다. 전기 회로는 다수의 전기 배터리 및 릴레이를 통해 전기 배터리로부터 원동력 장치로 전류를 운반하도록 설정된 배선을 포함할 수 있는 전원 회로의 부분을 형성한다. 전술한 바와 같이, 이러한 원동력 장치의 일례는 하나 이상의 자동차 휠에 회전 결합된 전기 모터이다. 바람직한 일 형태에서, 배터리는 리튬이온 배터리이다. 전술한 바와 같이, 복수의 자석에 의해 형성된 자기장은, 접촉 플레이트로의 로렌츠 힘의 형성이 실질적으로 억제될 수 있도록 전기 회로를 통해 흐르는 전류의 방향과 대략 평행이거나, 또는 전기 회로를 통해 흐르는 전류의 방향과 대략 수직인 방향으로 연장하도록 이루어질 수 있다. 어느 구성에서도, 로렌츠 힘의 어떠한 작용도 복수의 단자로부터 접촉 플레이트의 조기 분리를 촉진할 수 없다. 일 형태에서, (솔레노이드 코일 내에 구축된 자기장에 응답하여 운동하는 플런저와 같은) 솔레노이드 소자의 운동이(솔레노이드에 전원이 공급되었는지 또는 단전되었는지에 따라), 접촉 플레이트를 단자를 향하도록 또는 단자로부터 멀어지도록 강제하도록, 솔레노이드 및 접촉 플레이트는 서로 부착된다.

구체적인 실시예에 대한 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 유사한 구조가 유사한 도면 부호로 표시된 다음의 도면과 함께 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이다:
도 1a는 종래 기술에 따른 일반적인 선형 구동 전기 릴레이의 사시도를 도시한다;
도 1b는 접촉부의 선형 구성을 강조하는 도 1a의 전기 릴레이의 부분 절단도이다;
도 2는 도 1a 및 도 1b의 릴레이에 의해 발생되는 자기장을 나타내는 평면도이다;
도 3a는 전류 및 자기장 사이의 관계에 의해 형성되는 외부를 향하는 로렌츠 힘이 선형 릴레이에 의해 연결된 회로가 끊긴 직후의 구간 동안에 형성된 아크를 억제하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다;
도 3b는 정상 회로 작동 동안 전류 및 자기장 사이의 관계에 의해 발생하는 로렌츠 힘이 어떻게 선형 릴레이의 접촉 플레이트를 작동시킬 수 있는 아래 방향으로의 성분을 가지는지를 도시한다;
도 4a 내지 도 4e는 아크의 형성 및 성장을 도시한다;
도 5a는 본 발명의 일 태양에 따른 회전형 전기 릴레이의 접촉부의 사시도를 도시한다;
도 5b는 도 5a의 접촉자부를 포함하는 회전형 전기 릴레이를 도시한다;
도 6은 본 발명의 일 태양에 따른 회전형 플런저를 포함하는 회전형 솔레노이드를 도시하는 대표도이다; 그리고
도 7은 도 5a 및 도 5b의 구성에 의해 어떻게 로렌츠 힘이 최소화되는지를 도시한다.

이상 논의한 바와 같이, (릴레이와 같은) 선형 스위칭 어셈블리의 개방 접촉자부(contactor portion)에서의 아크는 어셈블리 및 인접한 소자에 악형향을 미칠 수 있다. 회로를 통해 흐르는 전압 및 전류 뿐만 아니라, 스위칭 어셈블리의 구성에 따라, 이러한 아크는 대략 수 백 마이크로초(microseconds)로 즉시 매우 자주 발생한다. 마찬가지로, 종래 기술의 접근법은 접촉 플레이트 및 고전압 접촉자를 구축하기 위해 사용되는 단자를 포함하는 접촉자부에 인접하게 자석을 배치하는 것을 포함한다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래 릴레이(10)(안전 장치(cutout), 회로 차단기 또는 관련된 스위치의 형태일 수 있음)는 (후술하는 바와 같이) 아크 소멸용 자석(36, 38)이 공급된다. 릴레이(10)는 솔레노이드부(20) 및 접촉자부(30)를 포함한다. 솔레노이드부(20)는, 전원이 공급되면, 코일(22) 내에 배치된 둘러싸인 코어, 샤프트 또는 플런저(24)를 세로 방향으로 움직이는 자류(magnetic flow)를 발생시키는 하나 이상의 코일(22)을 포함한다. 코일(22) 및 플런저(24)는 자류를 더 강하게 하는 자화가능한 요크(yolk) 또는 필드(26) 내에 둘러싸인다. 접촉자부(30)는 상부에 도시되고 보통 한 쌍의 단자(32) 및 플런저(24)의 상부에 연결된 이동식 접촉 플레이트(34)를 포함한다. 접촉 플레이트(34)는 솔레노이드부(20)에 전압이 공급되었는지 또는 단전되었는지에 따라 선택적으로 단자(32)에 부착되거나 또는 단자(32)로부터 분리된다. 따라서, 코일(22)에 전원이 공급되면, 플런저(24)가 상측으로 밀어나가고, 접촉 플레이트(34)와 단자(32) 사이를 접촉시켜, 하나의 단자로부터 다른 단자로 전류가 흐르게 한다. 마찬가지로, 코일(22)에 전원이 공급되지 않으면, 플런저는 코일(22) 내의 스프링 바이어스 수단 아래로 후퇴하여 고전압 접촉자부(30)가 개방 상태로 될 것이다.

다음으로 도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 아크 형성의 배후의 메커니즘이 순차적으로 도시된다. 도 4a에서, 아크는 단자(32)가 접촉 플레이트(34)로부터 멀어짐에 따라 형성된 갭(gap)으로부터 출발한다. 도 4b는 아크가 자석(36, 38)에 의해 형성된 자기장의 영향 하에서 외부를 향해 이동하는 것을 도시한다. 도 4c는 아크 전압이 상승했을 때 아크가 팽창하는 것을 도시한다. 도 4d는 대기의 냉각 효과가 전압을 더 상승시키는 것에 따른 아크에 대한 주변 대기(atmosphere)의 효과를 도시한다. 마지막으로, 도 4e는 아크 전압이 접촉부들 사이의 전압 이상일 때, 아크가 소멸되는 것을 도시한다.

도 1a 및 도 1b의 릴레이(10)의 구성에 의해, 접촉 플레이트(34)를 통해 흐르는 전류의 방향은 자석(36, 38) 각각의 N극 및 S극 사이에서 연장하는 자기장의 방향에 수직인 방향을 따라 동작하도록 배향된다. 이에 의하여, 발생된 힘

는 아래 벡터량에 의해 자기장

및 전류

의 상호 작용과 일반적으로 연관된다:

그 결과에 따른 로렌츠 힘은 전류

및 자기장

사이의 협력 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향된다. 자석(36, 38)에 의해 형성된 자기장과 단자(32)(여기서는 최우측 단자(32A) 및 최좌측 단자(32B)로 도시됨)를 통해 흐르는 전류 사이의 수직 관계는, 전류

의 방향에 따라 2가지의 부여된 상이한 힘을 형성한다.

다음으로, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 고전압 솔레노이드 접촉자가 개방될 때 일어나는 도 4a 내지 도 4e에 도시된 아크를 교정하기 위하여, 자석(36, 38)은 접촉 플레이트 및 고전압 접촉자를 구축하기 위해 사용되는 단자를 포함하는 접촉부에 인접하여 배치된다. 자석(36, 38) 쌍은 단자(32)의 양쪽에 위치하여 접촉부(30)에 자기장(40)을 형성한다. 프레임(39)은 자기장이 가장 뚜렷한 단자(32) 및 접촉 플레이트(34) 근처의 영역을 정의하는 것을 돕는데 더하여, 자석(36, 38)을 요크(26)에 안전하게 장착하기 위하여 사용된다. 도면에 도시된 예에서는, 비록 반대되는 극성이 구축될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이지만, 자석(36)은 N극에 대응하는 한편, 자석(38)은 S극에 대응하여, 이들 사이에 N-S 양극(bipolar) 관계가 존재한다. 자석(36, 38) 쌍은 접촉 플레이트(34) 및 단자(32) 사이에 형성된 접촉 영역의 전체 길이에 걸쳐 배치된 것으로 도시되고, 사실상 적절한 자기장 사이즈를 촉진하도록 측방향으로 더 멀리 연장한다.

이상 논의한 바와 같이(그리고 특히, 도 3a를 구체적으로 참조하면), 자석(36, 38)에 따라 형성된 자기장(40)은 단자(32) 및 접촉 플레이트(34)의 분리에 의해 형성된 아크를 접촉 영역 표면의 외부를 향하여 확장되도록 할 것이다. 이러한 확장은 유익하게는 빠른 에너지 소실을 일으키고 결과적으로 아크를 빨리 소멸되도록 이끈다. 자석(36, 38)에 의해 형성된 자기장과 단자(32)를 통해 흐르는 전류 사이의 이러한 수직 관계는 아크 주기를 단축시키는 경향이 있고, 일반적으로 단자를 통해 흐르는 전류 및 추가 자석 사이를 통과하는 자기장의 상호 작용에 의한 바람직한 부산물인 외부를 향하는 힘을 발생시킨다. 잔류(residual) 전류

는 최우측 단자(32A)에서 아래로 흐르고, 최좌측 단자(32B)에서 위로 흐르기 때문에, 자기장

와의 상호 작용은 최우측 단자(32A)로부터 우측을 향하는 힘을 발생시키고 최좌측 단자(32B)로부터 좌측을 향하는 힘을 발생시켜, (두 가지 경우 모두) 에너지가 더 빨리 사라질 수 있도록 아크(도시되지 않음)를 외부로 밀어낸다. 이와 같이, 이 힘은 아크 주기를 단축시키는 경향이 있고, 일반적으로 단자를 통해 흐르는 전류 및 자석들 사이를 통과하는 자기장의 상호 작용에 의한 바람직한 부산물이다.

접촉의 개방에 의해 형성될 수 있는 임의의 아크를 소멸시키는 데에 유용하면서, 자석(36, 38)은 선형 왕복운동을 하는 접촉 플레이트(34)에 로렌츠 힘을 발생시킨다. 이것은 도 3b에 도시된다. 어떠한 작동 조건(특히, 자동차 또는 관련된 차량을 추진하는데 사용되는 것과 같이 높은 전력원과 관련된 것) 하에서, 예상보다 높은 전류가 발생하여, 로렌츠 힘이 접촉 플레이트(34)를 아래로 이동시키기에 충분히 크게 하여, 이와 단자(32) 사이의 접촉을 개방시킨다. 도 3b에 도시된 상황(회로가 개방되기 직전까지 또는 그 구간을 포함하는 정상적인 회로 동작 구간과 일치할 수 있음)에서, 전류

가 우측에서 좌측 방향으로 흐르고, 자기장

가 이전과 같이 있는 접촉 플레이트(34)에 작용하는 로렌츠 힘

가 도시된다. 결과적인 힘

는 아래 방향으로 향하여, 접촉 플레이트(34)를 조기 개방시킴으로써, 바람직하지 않게 작동할 수 있을 것이다. 이는 본 발명자가 단자 및 접촉 플레이트 사이의 선형 결합이 있는 상황에서 적어도 피하고자 하는 상황이다.

본 발명자는 단자와 접촉 플레이트 사이의 선형 결합이 있는 구성이 기피되어야 한다고 판단하였다. 다음으로 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명은 빠른 아크 소멸을 허용하는 동시에 로렌츠 힘을 감소시키는 회전형 접촉부(130)를 채용한다. 릴레이(100)는 단자(132)(일반적으로, 도 1a, 1b, 3a 및 3b와 유사한 방식으로 각각 132A, 132B로 표시됨) 및 접촉 플레이트(134)로 이루어진 고전압 접촉자를 수용하는 접촉부(130)를 포함하여, 자유 스핀(즉, 회전)하는 플런저(124)가 접촉 플레이트(134)와 연동하여 2개의 단자(132) 사이의 선택적인 전기적인 연결을 구축한다. 이와 같이, 플런저(124)는 솔레노이드부(120)의 샤프트 상부에 놓인 캡(cap)과 같이 작용하여, 자유롭게 회전하고, 이와 같이 코일(122)을 통하는 전류에 응답하는 샤프트에 견고하게 연결되지 않는다. 도 2a에 도시된 장치와는 달리, 플런저(124)는 개별적인 단자(132A, 132B) 사이의 선택적인 접촉을 구축하는데 사용되지 않는다. 대신에, (솔레노이드부(120)에 연결된) 칼라(124A)(collar)는 접촉 플레이트(134)와 간헐적인 접촉을 이룬다. 솔레노이드부(120)에 전원이 공급되면, 그것은 칼라(124A)를 시계 방향으로 회전시켜, 결과적으로 접촉 플레이트(134)를 접촉하여 시계 방향으로 회전시킨다. 솔레노이드부(120)가 단전되면, 칼라(124A)는 반시계 방향으로 회전하고, 다음으로 스프링(도시되지 않았으나, 예를 들어, 회전형 스프링일 수 있음)은 접촉 플레이트(134)를 후방 또는 반시계 방향으로 미는데 사용될 것이다.

도 5b를 구체적으로 참조하면, 추가 자석(136, 138)은 요크(또는 필드)(126)의 대향하는 측면에 위치하여, 단자(132), 접촉 플레이트(134) 및 플런저(124)의 최상부 확장부가 자석(136, 138)의 N-S극에 의해 형성되는 자기장 내에 수용된다. 상술된 선형 변형례와는 달리, 플런저(124)는 2개의 단자(132) 사이에 전기적으로 연속적인 연결을 구축하기 위해 회전된다. 이 구성에서, 접촉 플레이트(134)는 대략 (수직보다는) 수평 배향을 향한다. 또한, 선형 변형례와는 달리, 정상 폐쇄 회로 작동 동안, 추가 자석(136, 138)은 이들 사이에 형성된 자기장이 접촉 플레이트(134)를 통하는 전류의 방향과 실질적으로 정렬되도록 배치된다. 선형 변형례와 마찬가지로, 전기 접촉은 솔레노이드부(120)에 전원이 공급되는 시간 동안 전기 접촉이 유지된다.

도 6은 회전형 접촉 설계로 이루어진 솔레노이드부(120)가 애플리케이션에 따라 다양한 모양과 크기로 이루어질 수 있음을 도시한다. 이러한 구성에서, 회전형 솔레노이드부(120)의 작동이 플런저(124)의 구동을 병진(translate)보다는 회전하도록, 솔레노이드부(120)는 코일 및 코일을 통해 흐르는 전류에 회전가능하게 응답하는 플런저를 적어도 포함한다. 이와 같이, 접촉 플레이트(134)를 플런저(124)에 결합시킴으로써, 그것 또한 일반적으로 회전 운동을 한다. 2개의 단자(132)가 접촉 플레이트(134)의 회전 운동의 아크에 의해 정의되는 경로 내에 위치하기 때문에, 일반적으로 접촉 플레이트(134)의 대향하는 단부는 각각 2개의 단자(132) 중 하나에 접촉할 것이다. 이것은 결과적으로 전기 회로를 완성하여(즉, 단락시켜), 전류 흐름을 허용한다. 도 7은 2개의 단자(132) 및 접촉 플레이트(134)를 통해 흐르는 전류가 자석(136, 138) 사이의 N-S 자기장에 평행인 방향을 향하게 함으로써, 자기장과 전류가 서로 수직일 때 최대 로렌츠 힘이 발생하는 한, 정상 폐쇄 회로 작동 동안에 발생된 로렌츠 힘은 상당히 소멸한다. 이와 같이, 도시된 평행 정렬은 결합을 적게 유발하거나 유발하지 않고, 따라서 로렌츠 힘을 적게 발생시키거나 발생시키지 않는다. 또한, 로렌츠 힘이 정상 작동을 방해하지 않게 하는 2개의 다른 방식으로 자석을 위치시킬 수 있는 자유를 설계자에게 제공하며, 본 회전형 설계는 효율적인 아크 차단뿐만 아니라 접촉 플레이트의 빠른 개폐 작동을 허용한다.

소정의 대표적인 실시예 및 상세 내용이 본 발명을 예시하는 목적으로 제공되었지만, 첨부된 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

Claims

코일과, 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 회전가능하도록 응답하는 플런저를 적어도 포함하는 솔레노이드;
접촉 플레이트;
상기 솔레노이드 및 상기 접촉 플레이트와 연동하는 전도성의 복수의 단자로서, 상기 솔레노이드에 전원이 공급되면 상기 플런저의 회전운동이 상기 접촉 플레이트를 상기 복수의 단자에 접촉하게 하여, 상기 접촉 플레이트와 상기 복수의 단자 사이에 전기 회로를 완성하게 하는, 전도성의 상기 복수의 단자; 및
상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 배치되는 아크 소멸용의 복수의 자석으로서, 상기 복수의 자석에 의해 형성되는 자기장은, 상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉 동안에, 상기 자기장 및 상기 복수의 단자 사이를 흐르는 전류 사이의 결합에 의해 형성되는 로렌츠 힘이 실질적으로 억제되거나 또는 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향을 따라 형성되는 방향으로 연장하는, 상기 복수의 자석
을 포함하는 스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자석에 의해 형성되는 자기장이 상기 전류의 방향과 대략 평행한 방향으로 연장하여, 상기 접촉 플레이트로의 로렌츠 힘의 형성이 실질적으로 억제되는,
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 접촉 플레이트는 상기 플런저의 회전 운동에 의해 형성되는 축을 중심으로 회전하는,
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 단자는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 따라, 상기 접촉 플레이트는 상기 제1 및 제2 단자 사이로 연장하는,
스위칭 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자석에 의해 형성되는 자기장은 상기 전류의 방향에 대략 수직 방향으로 연장하여, 형성된 상기 로렌츠 힘은 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향으로 상기 접촉 플레이트에 작용하는,
스위칭 어셈블리.
제5항에 있어서,
상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향은 실질적으로 상기 플런저의 상기 회전 운동에 의해 형성되는 축을 따라 연장하는,
스위칭 어셈블리.
복수의 배터리;
원동력 장치; 및
상기 복수의 배터리로부터 상기 원동력 장치로의 전류의 선택적 전송을 허용하도록 구성된 스위칭 어셈블리
를 포함하고,
상기 스위칭 어셈블리는,
코일과, 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 회전가능하도록 응답하는 플런저를 적어도 포함하는 솔레노이드;
접촉 플레이트;
상기 솔레노이드 및 상기 접촉 플레이트와 연동하는 전도성의 복수의 단자로서, 상기 솔레노이드에 전원이 공급되면 상기 플런저의 회전운동이 상기 접촉 플레이트가 상기 복수의 단자에 접촉하게 하여, 상기 접촉 플레이트와 상기 복수의 단자 사이에 전기회로를 완성하게 하는, 전도성의 상기 복수의 단자; 및
상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 배치되는 아크소멸용의 복수의 자석으로서, 상기 복수의 자석에 의해 형성되는 자기장은, 상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉 동안에, 상기 자기장 및 상기 복수의 단자 사이를 흐르는 전류 사이의 결합에 의해 형성되는 로렌츠 힘이 실질적으로 억제되거나 또는 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향을 따라 형성되는 방향으로 연장하는, 상기 복수의 자석
을 포함하는 차량 추진 시스템.
접촉이 선택적으로 구축되도록 접촉 플레이트를 전도성의 복수의 단자에 인접하도록 배치하는 단계; 및
솔레노이드에 전원이 공급되면, 상기 접촉 플레이트를 상기 복수의 단자에 접촉하도록 회전 강제하여 상기 접촉 플레이트와 상기 복수의 단자 사이의 전기 회로를 완성하게 하고, 상기 솔레노이드가 단전되면, 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 분리를 허용하여 상기 접촉 플레이트와 상기 복수의 단자 사이의 전기 회로를 개방하도록 회전형 솔레노이드를 작동시키는 단계; 및
아크 소멸용의 복수의 자석에 의해 형성되는 자기장이, 상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉 동안에, 상기 자기장 및 상기 복수의 단자 사이를 흐르는 전류 사이의 결합에 의해 형성되는 로렌츠 힘이 실질적으로 억제되거나 또는 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향으로 연장하도록, 상기 접촉 플레이트 및 상기 복수의 단자 사이의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 정의된 영역 근처에 상기 복수의 자석을 배치하는 단계
를 포함하는 스위칭 어셈블리의 작동 방법.
제8항에 있어서,
상기 복수의 자석에 의해 형성된 자기장은 상기 전기 회로를 통해 흐르는 전류의 방향에 대략 평행인 방향으로 연장하여, 상기 접촉 플레이트로의 로렌츠 힘의 형성이 실질적으로 억제되는,
스위칭 어셈블리의 작동 방법.
제8항에 있어서,
상기 복수의 자석에 의해 형성된 자기장은 상기 전기 회로를 통해 흐르는 전류의 방향에 대략 수직 방향으로 연장하여, 형성된 로렌츠 힘은 상기 복수의 단자로부터 상기 접촉 플레이트의 조기 분리를 실질적으로 촉진하지 않는 방향으로 상기 접촉 플레이트에 작용하는,
스위칭 어셈블리의 작동 방법.