KR20180032617A

KR20180032617A - 마그네틱 전기자, 마그네틱 전기자를 구비한 접촉기 및 접촉기의 전환 방법

Info

Publication number: KR20180032617A
Application number: KR1020187005034A
Authority: KR
Inventors: 피터 보버트; 토마스 붸스테베; 프랑크 버너
Original assignee: 에프코스 아게
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP6643456B2; JP2018522382A; EP3326190B1; EP3326190A1; DE102015121033A1; KR102046266B1; CN108140515A; WO2017012816A1; CN108140515B; EP3326190B9; US10804059B2; US20180204698A1

Abstract

본 발명은 접촉기를 위한 마그네틱 전기자, 접촉기 및 이러한 접촉기를 전환하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 마그네틱 전기자는 상기 접촉기의 접점이 접착하는 위험을 감소시킬 수 있고, 이를 위해 제1 강성을 갖는 제1 스프링 요소와 제2 강성을 갖는 제2 스프링 요소를 구비한다. 또한, 본 발명은 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환할 때 상기 제1 스프링 요소가 변형된다. 중간 지점으로부터 최종 지점으로 변환할 때 상기 제2 스프링 요소가 변형되는 것을 특징으로 한다.

Description

마그네틱 전기자, 마그네틱 전기자를 구비한 접촉기 및 접촉기의 전환 방법

본 발명은 마그네틱 전기자, 예컨대 전자 접촉기(electromagnetic contactor)를 위한 마그네틱 전기자, 마그네틱 전기자를 구비한 접촉기 및 이러한 접촉기를 전환하는 방법에 관한 것이다.

전자기로 작동할 수 있는 접촉기(contactor)에서 마그네틱 전기자는 가동부(moving part)로서 제공되며, 이러한 가동부는 접촉 스탬프(contact stamp)의 이동을 통해 두 개의 전극을 도전성으로 연결할 수 있다. 상기 접촉기는 경우에 따라 보호가스 분위기(shielding gas atmosphere)에서 강력한 전류 및/또는 높은 전압을 전환하기 위해 사용된다. 전환될 높은 전력이 제공된 상태에서 스위치의 폐쇄 또는 개방에 대한 직접적인 과정 및 이때 발생하는 전기 아크(electric arc)는 높은 부하(load), 특히 전극 재질(electrode material)과 접촉 스탬프에 그러한 높은 부하를 발생시킨다. 개폐 동작의 횟수가 증가할 경우, 이러한 전기 접점(electrical contact)이 접착되는 위험 또한 증가한다.

폐쇄시간을 단축하기 위해 소위, 부스터 회로(booster circuit)를 구비한 접촉기가 공지되어 있다. 이때, 장력을 증가시키기 위해 스위치가 개방될 때 전자석은 단시간, 즉 몇 밀리 초(millisecond) 동안에 과전압 상태가 된다.

따라서, 전극 재질의 부하가 감소한 개폐 동작에 대한 요구, 특히 접점이 접착되는 위험이 감소될 수 있는 그러한 개폐 동작에 대한 요구가 발생한다.

본 발명의 목적은 마그네틱 전기자를 통해 그러한 개폐 동작을 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 특히, 독립항으로서 청구항 1항에 따른 마그네틱 전기자를 통해 해결된다. 종속항은 전기자의 바람직한 실시 형태를 설명한다.

상기 마그네틱 전기자(magnetic armature)는 제1 스프링 강성(k1)을 갖는 제1 스프링 요소(spring element), 제2 스프링 강성(k2)을 갖는 제2 스프링 요소, 정지 지점(rest position) 및 이러한 정지 지점과 최종 지점(final position) 사이에 있는 중간 지점(middle position)을 포함한다. 상기 제1 스프링 요소는 개폐 동작이 진행되는 동안 상기 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환시 탄력 있게 변형되도록 제공되지만, 상기 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때는 그러한 변형은 실시되지 않는다. 상기 제2 스프링 요소는 상기 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환시 탄력 있게 변형되도록 제공되지만, 상기 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환할 때는 그러한 변형은 실시되지 않는다.

상기 정지 지점, 중간 지점 및 최종 지점은 마그네틱 전기자가 자신의 주변, 예를 들어 전자 스위치(electromagnetic switch) 내에서 상기 마그네틱 전기자가 차지하는 지점을 나타낸다. 상기 중간 지점은 상기 정지 지점 및 최종 지점과 등거리 간격을 반드시 유지해야 하는 것은 아니다. 상기 정지 지점은 자기력(magnetic force)이 상기 마그네틱 전기자에 영향을 주지 않을 경우, 상기 마그네틱 전기자가 위치하는 그 지점을 나타낸다. 상기 최종 지점은 스위치 폐쇄를 위해 제공된 자기력이 상기 마그네틱 전기자에 영향을 주고, 폐쇄될 전기 접점이 항구적으로 폐쇄될 경우에 제공되는 균형 지점을 나타낸다.

상기 제1 스프링 요소의 제1 스프링 강성(k1)과 제2 스프링 요소의 제2 스프링 강성(k2)은 서로 다를 수 있다. 전환 시간의 단축은 상기 제1 스프링 요소의 복원력과 반대 방향으로 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환할 때 및 상기 제2 스프링 요소의 스프링 장력과 반대 방향으로 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때, 전술한 마그네틱 전기자가 이동함으로써 달성될 수 있다. 특히, 상기 제1 스프링 요소의 제1 스프링 강성(k1)이 제2 스프링 요소의 제2 스프링 강성(k2)보다 작을 경우, 상기 마그네틱 전기자는 이동할 때 더욱 작은 저항 상태에서 활성화되기 때문에 더욱 빠른 속도 및 이와 함께 전환 시간의 단축이 달성된다.

상기 마그네틱 전기자가 최종 지점에 위치할 경우, 일반적으로 상기 제2 스프링 요소의 복원력은 빠른 개방을 야기하며, 이것은 자기력이 상기 마그네틱 전기자(즉 스위치가 개방될 때)에 영향을 주지 않을 경우에 해당한다.

스위치가 폐쇄 및 개방될 때, 단순한 선 저항(linear resistance)이 발생하지 않는 마그네틱 전기자가 제공된다. 바람직하게는, 마그네틱 전기자에 작용하는 마그네틱 전기자의 저항이 서로 다른 스프링 강성에 의해 연속해서 증가할 수 있는 그러한 마그네틱 전기자가 제공될 수 있다.

상기 제1 스프링 요소 및 제2 스프링 요소는 직렬로 배열될 수 있다. 이렇게 직렬로 배열된 상기 스프링 요소에서, 스프링 강성은 두 개의 스프링의 결합으로부터 발생하며, 상기 두 개의 스프링의 역수 값(inverse value)은 개별 스프링 강성의 역수 값의 합에 대응한다. 따라서, 직렬로 배열된 상기 두 개의 스프링 요소는 대응하는 대체-강성을 갖는 개별 스프링 요소처럼 거동한다. 마그네틱 전기자가 활성화될 때, 한편으로는 최종 지점으로부터 중간 지점으로 이동하는 첫 번째 단계 및 중간 지점으로부터 최종 지점으로 이동하는 두 번째 단계에서 상기 마그네틱 전기자가 서로 다른 스프링 강성을 감지하도록 하기 위해 추가로 기술적 안전 대책, 예를 들어 메커니컬 스토퍼(mechanical stopper) 및/또는 스프링 초기 장력을 갖는 개별 스프링 요소 및/또는 아래에서 설명될 슬라이딩 가능한 부시(bushing)가 불가피하게 제공될 수 있다.

따라서, 상기 마그네틱 전기자는 추가로 부시를 포함할 수 있으며, 상기 부시는 상기 제1 스프링 요소와 제2 스프링 요소 사이에 배열되어 있다. 상기 부시는 상기 부시 쪽을 향해 있는 제1 스프링 요소의 단부 및 상기 부시 쪽을 향해 있는 상기 제2 스프링 요소의 단부와 접촉할 수 있다.

상기 마그네틱 전기자는 추가로 원통형 섹션(cylindrical section)을 포함할 수 있다. 상기 제1 스프링 요소, 부시 및 제2 스프링 요소는 상기 원통형 섹션 - 또는, 경우에 따라 서로 다른 반경을 갖는 원통형 섹션 - 을 동 축으로 감싸고 있다. 상기 부시 쪽을 향해 있는 상기 제1 스프링 요소의 단부는 상기 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환시 상기 원통형 섹션 쪽으로 이동하는 것이 아니라, 상기 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환시 상기 원통형 섹션 쪽으로 이동하도록 제공된다. 상기 부시 및 상기 부시 쪽을 향해 있는 상기 제2 스프링 요소의 단부는 상기 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환시 상기 원통형 섹션 쪽으로 이동하는 것이 아니라, 상기 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환시 상기 원통형 섹션 쪽으로 이동하도록 제공된다.

상기 정지 지점으로부터 최종 지점으로 전환은 구간(h = h1 + h2)만큼 이동한 것에 대응할 수 있으며, 이때 구간(h)의 길이는 1.5mm 내지 2.5mm일 수 있다.

정지 지점으로부터 최종 지점에 이르는 구간(h)이 전체 구간에 해당하며, 작동시 상기 마그네틱 전기자는 상기 접촉기의 두 전극을 접촉 스탬프와 연결하기 위해 전술한 구간을 원위치시킨다.

구간(h)은 예를 들어 2mm일 수 있다.

정지 지점으로부터 중간 지점으로 상기 마그네틱 전기자의 전환은 구간(h1)만큼 이동한 것에 대응할 수 있으며, 이때 구간의 간격은 전제 구간(h = h1 + h2)의 0.4배 내지 0.6배에 해당한다.

달리 표현하면: 중간 지점의 간격은 전체 구간(h)의 40% 내지 60%일 수 있다.

상기 정지 지점으로부터 중간 지점으로 이동한 구간(h1) 및 중간 지점으로부터 최종 지점으로 이동한 구간(h2)의 부분 구간은 동일할 수 있다: h1 = h2 = h/2.

상기 두 개의 스프링 요소 가운데 하나의 스프링 요소의 스프링 강성은 각각 다른 스프링 강성에 대해 대략 3.3배 내지 3.6배일 수 있다. 상기 제2 스프링 요소는 더욱 높은 스프링 강성을 가질 수 있다: 3.3 ≤ k2/k1 ≤ 3.6.

구체적으로 설명하면, 상기 제1 스프링 요소의 스프링 강성은 0.5 N/mm 내지 0.9 N/mm일 수 있다. 상기 제2 스프링 요소의 스프링 강성은 2.3 N/mm 내지 2.7 N/mm일 수 있다.

또한, 상기 마그네틱 전기자는 적어도 하나의 원통형 섹션과 함께 접촉 스탬프 및/또는 자화물질(magnetizable material)을 포함할 수 있다. 상기 접촉 스탬프는 하나 또는 복수의 원통형 섹션을 포함하는 상기 마그네틱 전기자 영역의 단부에 배열되어 있다. 선택적인 자화물질은 상기 마그네틱 전기자의 반대쪽 단부에 배열될 수 있다. 상기 접촉 스탬프는 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 상기 마그네틱 전기자의 최종 지점에서 두 개의 전기 접점을 서로 연결하기 위해 제공된다. 상기 자화물질은 철, 코발트 및/또는 니켈을 포함할 수 있거나, 또는 철, 코발트 또는 니켈로 구성될 수 있다. 이러한 자화물질을 통해 상기 마그네틱 전기자는 상기 마그네틱 전기자의 주변(예를 들어, 인접해 있는 요크(yoke)의 솔레노이드(solenoid))과 자성을 띤 상태로 상호작용 할 수 있으며, 전술한 것은 특히 세 지점 간의 이동, 즉 상기 접촉 스탬프를 수단으로 하는 이동이 가능하도록 하기 위한 것이다.

상기 원통형 섹션은 제1 서브 섹션(subsection) 및 제2 서브 섹션을 포함할 수 있다. 상기 제1 서브 섹션은 제1 지름 및 상기 제2 서브 섹션은 제2 지름을 포함할 수 있다. 상기 원통형 섹션과 지름은 상기 두 개의 서브 섹션 사이에 형성된 계단 형태의 단(step)을 구비할 수 있다. 두 개의 서브 섹션 사이의 이러한 계단 형태의 단은 제4 스토퍼(stopper), 특히 부시를 위한 그러한 제4 스토퍼로서 제공될 수 있다.

상기 부시는 정지 지점으로부터 중간 지점(MP)으로 전환할 때 상기 제4 스토퍼와 접촉할 수 있으며, 이때 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때 그러한 접촉은 발생하지 않는다.

이로 인해, 상기 부시는 적어도 한 지점, 예를 들어 정지 지점에서 두 개의 스프링을 분리시킬 수 있거나, 또는 중간 지점으로부터 정지 지점으로 전환시 상기 두 개의 스프링을 분리시킬 수 있기 때문에 전술한 것에 대응하여 제공된 상기 접촉기(contactor)의 전환 거동이 향상될 수 있다.

상기 접촉기는 상기 두 개의 스프링 요소 사이에 제공된 부시를 구비한 전술한 마그네틱 전기자, 내장된 코일을 구비한 요크 및 제1 메커니컬 스토퍼를 구비한 가이드 장치를 포함할 수 있다. 상기 마그네틱 전기자와 요크는 전자기 액추에이터(electromagnetic actuator)를 형성하며, 상기 전자기 액추에이터는 상기 마 그네틱 전기자를 요크 및 가이드 장치 쪽으로 이동시키기 위해 제공된다. 상기 부시는 상기 정지 지점과 중간 지점 사이의 지점에서 상기 제1 메커니컬 스토퍼와 접촉하지 않는다. 상기 부시는 중간 지점과 최종 지점 사이의 지점에서 상기 제1 메커니컬 스토퍼와 접촉한다.

이로써, 중간 지점은 폐쇄되는 동안 상기 부시가 스토퍼와 접촉하는 그러한 지점으로 정의될 수 있다. 일반적으로, 상기 제1 스프링 요소는 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환시 폐쇄력의 반대 방향으로 작용한다: 상기 마그네틱 전기자가 정지 지점으로부터 중간 지점으로 이동할 경우, 일반적으로 상기 제1 스프링 요소는 압축된다. 상기 제2 스프링 요소는 초기 장력으로 작동할 수 있으며, 이때 상기 초기 장력은 중간 지점에 있는 제1 스프링 요소의 장력보다 크다. 이로 인해, 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환이 진행될 때 상기 제2 스프링 요소는 압축되지 않는다.

상기 부시가 메커니컬 스토퍼에 닿을 경우, 상기 제1 스프링 요소의 장력은 더는 상승하지 않으며, 그 이유는 부시와 메커니컬 스토퍼를 통해 상기 가이드 장치 쪽으로 힘이 전달되기 때문이다. 결과적으로, 상기 제2 스프링 요소의 압축으로 인해 중간 지점으로부터 최종 지점으로 진행되는 또 다른 이동이 가능하다.

상기 접촉기는 요크(yoke)에 하나 또는 복수의 코일(coil)을 포함할 수 있으며, 상기 코일은 자장을 생성할 수 있고, 상기 마그네틱 전기자의 자화물질과 함께 전자석(electromagnet)을 형성할 수 있다.

또한, 상기 접촉기는 공동(cavity)을 포함할 수 있으며, 상기 공동에는 마그네틱 전기자의 접촉 스탬프 및 서로 간격을 두고 있는 두 개의 전극이 배열되어 있다. 상기 공동은 가스, 예를 들어 비활성 기체(inert gas)로 채워질 수 있다. 상기 전극과 접촉 스탬프 사이의 간격은 바람직하게는 상기 마그네틱 전기자의 전체 간격(h)보다 작다.

추가로, 상기 마그네틱 전기자는 또 다른 스프링 요소를 구비할 수 있으며, 전극과 접촉 스탬프 사이의 간격과 관련된 제작 공차(manufacturing tolerance)가 상기 또 다른 스프링 요소에 의해 보정될 수 있고, 원래의 접촉력이 생성될 수 있다. 특히, 전술한 것은 높은 전력이 제공된 상태에서 반복되는 개폐 동작으로 인해 전극 또는 접촉 스탬프의 재료가 마모될 경우에 중요하다.

그러한 접촉기의 전자석은 12V, 24V, 48V의 작동 전압 또는 사용 가능한 또 다른 전압으로 작동될 수 있다.

상기 접촉기는 공동, 예를 들어 비활성 기체로 채워진 공동을 구비할 수 있으며, 상기 공동에는 전환될 접점이 놓여 있다. 가스로 채워진 공동을 구비한 상기 접촉기는 일반적으로 GFC(가스 충전 접촉기(gas filled contactor))로 불린다. 특히, 전술한 접촉기는 높은 전압을 전환하기 위해 적합하기 때문에 HVC(HVC = 고압 접촉기(high voltage contactor))로도 알려져 있다.

비선형 저항력으로 인해 증가한 수명은 상기 공동에 가스를 충전함으로써 계속해서 증가할 수 있다.

상기 접촉기는 제3 스토퍼를 포함하는 가이드 장치를 구비할 수 있다. 상기 제3 스토퍼는 상기 마그네틱 전기자의 이동을 제한할 수 있다. 상기 마그네틱 전기자는 자신의 정지 지점에서 상기 제3 스토퍼와 접촉할 수 있다.

특히, 상기 제3 스토퍼는 정지 지점에 있는 제1 스프링의 장력을 흡수할 수 있다. 이로써, 상기 제3 스토퍼 지점은 정지 지점에 있는 가이드 장치에 대한 마그네틱 전기자의 지점, 즉 정지 지점을 결정한다.

h1의 정해진 값을 탄성률(spring rate)의 비율과 무관하게 달성하고, 스프링 장력을 분리시키기 위해, 상기 원통형 섹션은 제4 스토퍼를 구비할 수 있으며, 상기 제4 스토퍼는 전술한 것처럼 원통형 섹션의 서로 다른 두 개의 지름 및 대응하는 계단 형태의 단을 통해 제공될 수 있다. 이로 인해, 제2 스프링 요소, 예를 들어 제2 강성 스프링 요소는 제1 스프링 요소, 예를 들어 제1 연성 스프링 요소와 무관한 치수로 규격화될 수 있고, 상기 부시 및 제4 메커니컬 스토퍼를 통해 정해진 초기 장력으로 장착될 수 있다.

전술한 탄성률의 비율은 제한되지 않는다. 수치(예를 들어, 강성 스프링의 0.5 N/mm의 탄성률 및 연성 스프링의 3 N/mm의 탄성률)는 특히 장치의 치수에 따라 좌우되며, 이것은 단지 하나의 예로서 이해할 수 있다.

상기 두 개의 스프링 요소의 직렬연결이 반드시 가능한 것은 아니다. 메커니컬 스토퍼, 특히 제1 및 제4 스토퍼가 스프링을 분리시킬 수 있다.

전자석, 접촉 스탬프 및 제1 스프링 요소를 구비한 전자기 접촉기를 전환하기 위한 방법은 아래의 단계, 즉:

- 정지 지점에서 전자석이 활성화되는 단계;

- 중간 지점에 이르기까지 제1 스프링 요소의 복원력에 대해 반대 방향으로 접촉 스탬프가 가속화되는 단계;

- 최종 지점에 이르기까지 제2 스프링 요소의 복원력에 대해 반대 방향으로 접촉 스탬프가 이동하는 단계를 포함한다.

전자석, 접촉 스탬프 및 제1 스프링 요소 및 제2 스프링 요소를 구비한 전자기 접촉기를 전환하기 위한 방법은 아래의 단계, 즉:

- 정지 지점에서 전자석이 활성화되는 단계;

본 발명에 따른 기능 원리와 실시 형태의 예는 아래의 도면을 통해 상세하게 설명된다.

도 1은 정지 지점에 있는 마그네틱 전기자(MA)의 실시 형태를 횡단면으로 개략적으로 도시하고 있고,
도 2는 중간 지점에 있는 마그네틱 전기자의 단순한 실시 형태를 횡단면으로 개략적으로 도시하고 있고,
도 3은 최종 지점에 있는 접촉기의 실시 형태를 횡단면으로 개략적으로 도시하고 있고,
도 4는 공차 보정을 위한 스프링 요소 및 접촉 스탬프를 구비한 마그네틱 전기자의 실시 형태를 횡단면으로 도시하고 있고,
도 5는 마그네틱 전기자 및 접촉 스탬프, 가스로 충전된 공동에 있는 제1 전극과 제2 전극을 구비한 접촉기를 도 5 및/또는 도 6의 예에 대응하여 횡단면으로 도시하고 있고,
도 6은 제3 스토퍼(A3) 및 제4 스토퍼(A4)를 구비한 마그네틱 전기자(MA)의 실시 형태를 횡단면으로 도시하고 있고,
도 7은 중간 지점에 있는 도 6에 따른 마그네틱 전기자의 실시 형태를 횡단면으로 도시하고 있고,
도 8은 최종 지점에 있는 도 6에 따른 마그네틱 전기자의 실시 형태를 횡단면으로 도시하고 있다.

도 1은 정지 지점(RP)에 있는 마그네틱 전기자(MA)의 실시 형태를 횡단면으로 개략적으로 도시하고 있다. 상기 마그네틱 전기자(MA)는 제1 스프링 요소(F1) 및 제2 스프링 요소(F2)를 구비한다. 상기 두 개의 스프링 요소(F1, F2)는 스프링이 정지 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때 복원력을 결정한다. 특히, 상기 제1 스프링 요소(F1)는 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환할 때의 복원력을 결정한다. 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때의 복원력은 상기 제2 스프링 요소(F2)의 스프링 강성을 통해 결정된다. 이때, h1은 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환될 때 이동하는 구간의 길이에 해당한다. h = h1 + h2는 정지 지점으로부터 최종 지점으로 전환될 때 이동하는 구간의 길이에 해당한다.

도 1은 상기 마그네틱 전기자(MA)를 위해 추가로 가이드 장치(FUE)를 도시하고 있으며, 상기 가이드 장치는 지점과 지점 사이에서 전환할 때 상기 마그네틱 이동을 축을 따라 이동하도록 제한한다. 상기 가이드 장치(FUE)는 제1 스토퍼(A1)를 구비한 가이드 레일을 의미할 수 있다. 부시(B)는 상기 제1 스프링 요소(F1)와 제2 스프링 요소(F2) 사이에 배열되어 있다. 상기 마그네틱 전기자(MA)는 원통형 섹션(ZA)을 구비한다. 상기 제1 스프링 요소(F1), 제2 스프링 요소(F2) 및 부시(B)는 상기 원통형 섹션(ZA)을 중심으로 동 축으로 배열되어 있다. 상기 원통형 섹션(ZA)의 단부에는 접촉 스탬프(KS)가 배열되어 있다. 상기 원통형 섹션(ZA)의 또 다른 단부에는 자화물질(M)이 배열되어 있다. 수평으로 표시된 마그네틱 전기자(MA)가 가이드 장치(FUE)에 대해 좌측으로 이동할 경우, 일반적으로 적은 스프링 강성을 갖는 스프링 요소, 즉 제1 스프링 요소(F1)가 압축된다. 상기 제2 스프링 요소(F2)가 현저하게 높은 스프링 강성을 갖거나, 또는 상기 제2 스프링 요소(F2)가 중간 지점에 있는 상기 제1 스프링 요소(F1)의 장력보다 큰 초기 장력 상태에 놓일 경우, 상기 제2 스프링 요소(F2)는 압축되지 않거나, 또는 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환될 때 단지 미세하게 압축된다. 상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환이 진행되는 동안, 상기 부시(B)가 제1 스토퍼(A1)에 닿을 때까지 전술한 부시(B)는 구간(h1)을 중심으로 이동한다. 이동하는 이러한 단계에서 일반적으로 상기 마그네틱 전기자(MA)에 작용하는 복원력이 제공되거나, 또는 상기 제1 스프링 요소(F1)의 스프링 강성을 통해서만 제공된다.

도 2는 중간 지점(MP)에 있는 마그네틱 전기자를 도시하고 있다. 여기서, 상기 부시(B)는 제1 스토퍼(A1)와 접촉하고 있다. 상기 마그네틱 전기자가 계속해서 상기 가이드 장치(FUE)에 대해 좌측으로 이동할 경우, 상기 부시(B)는 상기 제1 스토퍼(A1)에 지지하고 있기 때문에 상기 제1 스프링 요소(F1)가 계속해서 압축될 수 없다. 또 다른 이동이 진행될 경우, 상기 제2 스프링 요소(F2)가 불가피하게 압축된다.

전술한 것에 대응하여, 도 3은 최종 지점(EP)에 있는 마그네틱 전기자를 도시하고 있다. 여기서, 상기 제2 스프링 요소(F2)는 상기 마그네틱 전기자가 최종 지점에 도달할 때까지 압축되며, 상기 최종 지점은 예를 들어 제2 메커니컬 스토퍼(A2)를 통해 미리 정해질 수 있다.

상기 마그네틱 전기자는 상기 마그네틱 전기자에 부속된 전자 스위치가 두 전극의 접촉 스탬프 접촉을 통해 폐쇄된 지점에 놓인다.

폐쇄될 때, 폐쇄 시간의 단축이 달성될 수 있으며, 그 이유는 전자석이 특히 임계 초기 단계에서 상기 제1 스프링 요소(F1)의 약한 복원력과 반대로 활성화되고, 이로 인해 빠른 가속화가 진행될 수 있기 때문이다. 상기 전자 스위치의 빠른 개방은 전자석이 비활성화될 때 상기 제2 스프링 요소(F2)의 더욱 강력한 제2 복원력이 작용함으로써 달성된다.

전체적으로, 신속한 폐쇄뿐 아니라, 신속한 개방을 가능하게 하고, 특히 생성된 전기 아크의 연소 시간과 접점의 접착 위험을 감소시키는 마그네틱 전기자가 제공될 수 있다.

도 4는 상기 마그네틱 전기자(MA)의 실시 형태를 도시하고 있으며, 상기 마그네틱 전기자에서 마찬가지로 이동 가능한 상기 부시(B)는 제1 스프링 강성(k1)을 갖는 제1 스프링 요소와 제2 스프링 강성(k2)을 갖는 제2 스프링 요소 사이에 배열되어 있다. 상기 마그네틱 전기자(MA)의 후방 단부에는 상기 접촉 스탬프의 원통형 섹션을 중심으로 동 축으로 배열된 원뿔 형태의 범프(bump)가 상기 접촉 스탬프(KS) 방향으로 제공된다. 부속된 가이드 장치는 대응하여 성형된 원뿔 형태의 리세스(recess)를 구비하며, 상기 리세스는 마그네틱 전기자의 단부쪽을 향한다. 이로써, 스위치가 폐쇄될 때 자동적으로 중심으로 되돌아가는 가이드 장치가 제공된다. 상기 접촉 스탬프(KS)와 마그네틱 전기자(MA)의 또다른 섹션 사이에는 또 다른 스프링 요소(FTA)가 배열되어 있으며, 상기 또다른 스프링 요소는 높이 공차(height tolerance)를 보정 할 수 있고, 원래의 접촉력을 생성할 수 있다. 상기 또다른 스프링 요소(FTA)와 상기 마그네틱 전기자의 또다른 섹션 사이에는 절연 재료(IM)로 구성된 섹션이 배열되어 있으며, 이것은 상기 접촉 스탬프(KS)를 통해 전환될 전기 접점 및 마그네틱 전기자를 갈바닉 절연(galvanically isolated)하기 위한 것이다.

도 5는 정지 지점(RP)에 있는 접촉기(SCH)의 가능한 실시 형태를 횡단면도로 도시하고 있다. 상기 접촉기(SCH)는 자화물질(M)을 갖는 상기 마그네틱 전기자를 위해 요크(J)를 추가로 구비하며, 상기 요크에는 코일(SP)의 전기 권선(electric winding)이 배열되어 있다. 도 5는 공동(HR)을 추가로 구비하며, 상기 공동에는 제1 전극과 제2 전극의 단부가 상기 접촉 스탬프(KS)에 대해 반대 방향으로 놓여 있다. 우선, 상기 마그네틱 전기자가 제1 스프링 요소의 저항에 대해 반대 방향으로 이동하고, 이어서 제2 스프링 요소의 더욱 강력한 저항에 대해 반대 방향으로 이동할 경우, 상기 접촉 스탬프(KS)는 두 전극(EL1, EL2)의 단부쪽으로 가압되며, 이로 인해 두 전극(EL1, EL2)이 서로 연결된다. 상기 공동(HR)에는 가스, 예를 들어 비활성 가스가 포함되어 있으며, 특히 이것은 접점이 폐쇄될 때 전기 아크를 가능한 신속하게 억제하고, 전극 및 접촉 스탬프(KS) 재료를 보호하기 위한 것이다.

도 6은 각각 정지 지점(RP)에 있는 제4 스토퍼(A4)를 구비한 마그네틱 전기자(MA)의 실시 형태 및 제3 스토퍼(A3)를 구비한 접촉기(SCH)의 실시 형태를 도시하고 있다. 상기 정지 지점(RP)에 있는 마그네틱 전기자(MA)와 가이드 장치(FUE)의 위치는 상기 제3 스토퍼(A3)를 통해 결정된다.

도 7은 각각 중간 지점(MP)에 있는 제4 스토퍼(A4)를 구비한 마그네틱 전기자(MA)와 제3 스토퍼(A3)를 구비한 접촉기(SCH)의 실시 형태를 도시하고 있다. 이러한 지점은 상기 제2 스프링 요소(F2)가 활성화되는 이동 경로의 토크를 나타낸다.

도 8은 각각 최종 지점(EP)에 있는 제4 스토퍼(A4)를 구비한 마그네틱 전기자(MA)와 제3 스토퍼(A3)를 구비한 접촉기(SCH)의 실시 형태를 도시하고 있다. 상기 최종 지점(EP)에 있는 마그네틱 전기자(MA) 및 가이드 장치(FUE)의 위치는 상기 제2 스토퍼(A2)를 통해 결정된다.

도 6, 7 및 도 8에서 다음과 같은 사실을 알 수 있다: h1의 정해진 값을 탄성률의 비율과 무관하게 달성하고, 스프링 장력을 분리시키기 위해, 상기 원통형 섹션(ZA)은 지름에 대해 계단 형태의 단으로 형성된 제4 메커니컬 스토퍼(A4)를 구비한다. 이로 인해, 상기 접촉기(SCH)의 중간 지점에 도달할 때까지 활성화 단계가 진행되는 동안 상기 제2 스프링 요소(F2)와 제1 스프링 요소(F1)가 분리된다. 특히, 제1 스토퍼(A1)와 제4 스토퍼(A4)의 메커니컬 스토퍼는 전술한 스프링(F1, F2)을 분리시킨다.

복잡하게 구성된 마그네틱 전기자에도 불구하고 더욱 개선된 전기적 성능을 갖춘 접촉기가 제공되며, 이러한 접촉기는 기하학적 치수를 유지할 수 있고, 이로써 기존의 외부 회로 환경에 용이하게 내장될 수 있다.

상기 마그네틱 전기자, 접촉기, 상기 접촉기 전환을 위한 방법과 관련된 어떠한 것도 전술한 실시 형태에 제한되지 않는다. 추가된 스토퍼, 초기 장력, 특히 제2 스프링 요소의 초기 장력을 위한 장치 및 상기 접촉기의 전극 부하를 감소하기 위한 또 다른 조치를 포함하는 마그네틱 전기자는 본 발명에 따른 대상에 해당한다.

A1: 제1 메커니컬 스토퍼
A2: 제2 메커니컬 스토퍼
A3: 제3 메커니컬 스토퍼
A4: 제4 메커니컬 스토퍼
B: 부시
EL1: 제1 전극
EL2: 제2 전극
EP: 최종 지점
F1: 제1 스프링 요소
F2: 제2 스프링 요소
FTA: 공차 보정용 스프링 요소
FUE: 가이드 장치
h: 정지 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때의 구간 길이
h1: 정지 지점으로부터 중간 지점으로 전환할 때의 구간 길이
h2: 중간 지점으로부터 최종 지점으로 전환할 때의 구간 길이
HR: 공동
IM: 절연 재료
J: 요크
KS: 접촉 스탬프
M: 자화물질
MA: 마그네틱 전기자
MP: 중간 지점
RP: 정지 지점
SCH: 접촉기
ZA: 원통형 섹션
ZA1: 제1 서브 섹션
ZA2: 제2 서브 섹션

Claims

- 제1 강성(k1)을 갖는 제1 스프링 요소(F1),
- 제2 강성(k2)을 갖는 제2 스프링 요소(F2),
- 정지 지점(RP), 최종 지점(EP) 및 정지 지점(RP)과 최종 지점(EP) 사이의 중간 지점(MP)을 포함하고,
- 상기 제1 스프링 요소(F1)는 상기 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로 전환할 때 탄력적으로 변형되지 않고, 상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환할 때 탄력적으로 변형되도록 제공되며,
- 상기 제2 스프링 요소(F2)는 상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환할 때 탄력적으로 변형되지 않고, 상기 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로 전환할 때 탄력적으로 변형되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항에 있어서,
상기 제1 스프링 요소(F1)와 상기 제2 스프링 요소(F2)는 직렬로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제2항에 있어서,
상기 제1 스프링 요소(F1)와 제2 스프링 요소(F2) 사이에 제공된 부시(B)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제3항에 있어서,
- 상기 제1 스프링 요소(F1), 상기 부시(B) 및 상기 제2 스프링 요소(F2)가 동 축으로 감싸고 있는 원통형 섹션(ZA)을 더 포함하며,
- 상기 부시(B)쪽을 향하는 상기 제1 스프링 요소(F1)의 단부는 상기 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로 전환시 상대적으로 상기 원통형 섹션(ZA)쪽으로 이동하는 것이 아니라, 상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환시 상대적으로 상기 원통형 섹션(ZA)쪽으로 이동하도록 제공되며,
- 상기 부시(B)와 상기 부시(B)쪽을 향하는 상기 제2 스프링 요소(F2)의 단부는 상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환시 상대적으로 상기 원통형 섹션(ZA)쪽으로 이동하는 것이 아니라, 상기 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로 전환시 상대적으로 상기 원통형 섹션(ZA)쪽으로 이동하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 정지 지점(RP)으로부터 상기 최종 지점(EP)으로의 전환은 1.5mm 내지 2.5mm 길이의 구간(h = h1 + h2)만큼 이동한 것에 대응하고,
- 상기 정지 지점(EP)으로부터 중간 지점(MP)으로의 전환은 구간(h1)만큼 이동한 것에 대응하고,
- 상기 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로의 전환은 구간(h2)만큼 이동한 것에 대응하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로의 전환은 구간(h1)만큼 이동한 것에 대응하며, 상기 구간의 간격은 정지 지점(RP)으로부터 최종 지점(EP)으로 이동한 구간(h = h1 + h2)의 0.4배 내지 0.6배인 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
3.3 ≤ k2/k1 ≤ 3.6인 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
0.5 N/mm ≤ k1 ≤ 0.9 N/mm 및 2.3 N/mm ≤ k2 ≤ 2.7 N/mm인 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
- 원통형 섹션(ZA)을 포함하고,
- 접촉 스탬프(KS) 및 자성물질(M)을 더 포함하며,
- 상기 접촉 스탬프(KS)는 도전성 물질을 포함하고, 상기 최종 지점(EP)에서 두 개의 전기 접점(EL1, EL2)을 연결하기 위해 제공되고,
- 상기 자화물질(M)은 철, 코발트 및/또는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 원통형 섹션(ZA)은 제1 지름을 갖는 제1 서브 섹션(ZA1), 제2 지름을 갖는 제2 서브 섹션(ZA2) 및 두 개의 상기 서브 섹션(ZA1, ZA2) 사이에 계단 형태의 단(step)을 구비하며,
- 두 개의 상기 서브 섹션(ZA1, ZA2) 사이에 제공된 계단 형태의 단은 제4 스토퍼(A4)를 나타내고,
- 상기 제4 스토퍼(A4)는 상기 부시(B)를 위한 스토퍼인 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제10항에 있어서,
- 상기 부시(B)는 정지 지점(RP)으로부터 중간 지점(MP)으로 전환할 때 상기 제4 스토퍼(A4)와 접촉하고,
- 상기 부시(B)는 중간 지점(MP)으로부터 최종 지점(EP)으로 전환할 때 상기 제4 스토퍼(A4)와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
제11항에 있어서,
- 상기 부시(B)는 적어도 한 지점(RP, MP, EP)에서 두 개의 스프링(F1, F2)을 분리시키는 것을 특징으로 하는 마그네틱 전기자.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 두 개의 스프링 요소(F1, F2) 사이에 제공된 부시(B)를 구비한 마그네틱 전기자(MA),
- 요크(J), 및
- 메커니컬 스토퍼(A1)를 구비한 가이드 장치(FUE)
를 포함하고,
- 상기 마그네틱 전기자(MA)와 요크(J)는 전자기 액추에이터를 형성하며, 상기 전자기 액추에이터는 상기 마그네틱 전기자(MA)를 요크(J) 및 가이드 장치(FUE) 쪽으로 이동시키기 위해 제공되며,
- 상기 부시(B)는 정지 지점(RP)과 중간 지점(MP) 사이의 지점에서 상기 메커니컬 스토퍼(A1)와 접촉하지 않고,
- 상기 부시(B)는 중간 지점(MP)과 최종 지점(EP) 사이의 지점에서 상기 제1 메커니컬 스토퍼(A1)와 접촉하는 것을 특징으로 하는 접촉기.
제13항에 있어서,
- 상기 가이드 장치(FUE)는 제3 스토퍼(A3)를 포함하고,
- 상기 제3 스토퍼(A3)는 상기 마그네틱 전기자(MA)의 이동을 제한하며,
- 상기 정지 지점(RP)에 있는 상기 마그네틱 전기자(MA)는 상기 제3 스토퍼(A3)와 접촉하는 것을 특징으로 하는 접촉기.
전자석, 접촉 스탬프(KS) 및 제1 스프링 요소(F1)와 제2 스프링 요소(F2)를 구비한 전자기 접촉기(SCH)를 전환하기 위한 방법에 있어서,
- 정지 지점(RP)에서 상기 전자석이 활성화되는 단계,
- 중간 지점(MP)에 이르기까지 상기 제1 스프링 요소(F1)의 복원력에 대해 반대 방향으로 상기 접촉 스탬프(KS)가 가속화되는 단계; 및
- 최종 지점(EP)에 이르기까지 상기 제2 스프링 요소(F2)의 복원력에 대해 반대 방향으로 상기 접촉 스탬프(KS)가 이동하는 단계
를 포함하는 방법.