직류 조작용 유극 전자석 및 이것을 사용한 전자 접촉기

직류 조작용 유극 전자석 및 이것을 사용한 전자 접촉기{DC-OPERATED POLARIZED ELECTROMAGNET AND ELECTROMAGNETIC CONTACTOR USING SAME}

본 발명은, 외측 요크 및 내측 요크 사이에 영구 자석을 삽입한 직류 조작용 유극 전자석 및 이것을 사용한 전자 접촉기에 관한 것이다.

이 종류의 직류 조작용 유극 전자석을 구비한 전자 접촉기로는, 예컨대 특허문헌 1에 기재되어 있는 전자 접촉기가 알려져 있다.

이 전자 접촉기에 적용되어 있는 유극 전자석은, 도 10에 나타낸 바와 같이, 외측 요크(101) 및 내측 요크(102) 사이에 영구 자석(103)을 삽입함과 함께, 원통형의 여자 코일(104)을 삽입 관통하는 플런저(105)의 축방향 양끝에 제1 전기자(106) 및 제2 전기자(107)를 형성하고, 제1 전기자(106)를 내측 요크(102)의 대향판부(102a)의 한쪽에 대향하도록 배치하고, 제2 전기자(107)를 외측 요크(101)의 외측에 대향하도록 배치한 구성을 갖는다.

그런데, 상기 종래의 유극 전자석은, 여자 코일(104)에 통전하여 영구 자석(103)과 역극성이 되도록 여자함으로써, 제1 전기자(106) 및 제2 전기자(107)와 외측 요크(101)의 좌우단 판부(101a 및 101b) 사이에 흡인력이 작용하고, 이것과 동시에 좌측의 제1 전기자(106)와 내측 요크(102)의 대향판부(102a) 사이에 반발력이 작용한다. 이 때문에, 플런저(105)가 좌측으로 움직여 전기자(106 및 107)가 외측 요크(101)의 좌우단 판부(101a 및 101b)에 흡착된다.

이때, 일반적으로, 유극 전자석을 소형화하는 요구에 부응하기 위해, 플런저(105)의 단면적에 대하여 외측 요크(101)의 최소폭에서의 단면적을 좁게 설정하지 않을 수 없다. 이 때문에, 플런저(105)의 자기 저항에 대하여 외측 요크(101)의 자기 저항이 커지고, 여자 코일(104)의 통전에 의해 생기는 자속은 플런저(105) 내에 집중하고, 외측 요크(101)를 통과하는 자속은 적어진다. 따라서, 직류 조작용 유극 전자석의 전자석 효율이 저하된다.

그 결과, 직류 조작용 유극 전자석을 사용한 직류 조작형 전자 접촉기는, 유극 전자석의 채용으로 소형이 진행되었지만, 필요한 조작력을 얻기 위한 여자 코일의 권선량을 적게 할 수는 없고, 교류 조작형 전자 접촉기에 비하면 아직 대형이고, 제조 비용도 크다고 하는 미해결의 과제가 있다.

따라서, 본 발명은, 상기 종래예의 미해결 과제에 착안하여 이루어진 것으로, 플런저와 외측 요크 사이의 자속 밀도를 균일화하여 전자석 효율을 향상시킬 수 있는 직류 조작용 유극 전자석 및 이것을 사용한 전자 접촉기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직류 조작용 유극 전자석의 일양태는, 여자 코일을 감은 중심 개구를 갖는 스풀과, 이 스풀의 중심 개구에 삽입 관통되고, 중심 개구로부터 돌출된 양끝에 제1 및 제2 전기자를 개별적으로 부착한 플런저와, 제1 전기자를 흡인하도록 스풀의 대향측면을 둘러싸는 외측 요크와, 제2 전기자를 흡인하도록 상기 외측 요크의 내측에 배치된 내측 요크와, 외측 요크와 내측 요크 사이에 배치된 영구 자석을 구비하고 있다. 그리고, 외측 요크의 두께를 내측 요크의 두께보다 두껍게 하여 자기 저항을 저하시키고, 플런저에서의 집중 자속을 외측 요크에 분산시키도록 하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 전자 접촉기의 일양태는, 전술한 직류 조작용 유극 전자석의 플런저로 가동 접촉자를 유지하는 가동 접촉자 홀더를 가동시키도록 구성되어 있다.

본 발명에 의하면, 영구 자석을 사이에 끼운 외측 요크와 내측 요크에서, 외측 요크의 두께를 내측 요크의 두께에 비교하여 두껍게 함으로써, 외측 요크의 자기 저항을 작게 한다. 이것에 의해, 여자 코일을 여자했을 때에 발생하는 자속이 플런저 내에 집중하는 것을 억제하여 외측 요크측으로 분산시킬 수 있고, 전자석 효율을 향상시켜 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 전자 접촉기의 구성도, 전술한 소형화가 가능한 직류 조작용 유극 전자석을 채용함으로써 소형화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직류 조작용 유극 전자석의 일실시형태를 나타내는 외관 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 확대 측면도이다.
도 4는 외측 요크의 요크 반체를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전자 접촉기를 나타내는 외관 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 접촉기의 정면도이다.
도 7은 도 6의 제1 프레임 및 제2 프레임을 제거한 상태의 사시도이다.
도 8은 도 6의 Ⅷ-Ⅷ선 상의 단면도이다.
도 9는 도 6의 Ⅸ-Ⅸ선 상의 단면도이다.
도 10은 종래예를 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 일실시형태에 관해 도면을 수반하여 설명한다.

본 발명에 따른 직류 조작용 유극 전자석(10)은, 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 스풀(11)과, 플런저(21)와, 외측 요크(31)와, 내측 요크(41)와, 영구 자석(51)을 구비하고 있다.

스풀(11)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중심 개구(12)를 갖는 원통부(13)와, 이 원통부(13)의 축방향 단부, 즉 상하 단부에 각각 반경 방향으로 돌출된 플랜지부(14 및 15)를 갖는다. 그리고, 원통부(13)의 외주측에 있어서의 플랜지부(14 및 15) 사이에 여자 코일(16)이 감겨 있다. 또한, 여자 코일(16)에 통전하기 위한 코일 단자(17)가 장착되어 있다.

플런저(21)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 스풀(11)의 중심 개구(12) 내에 삽입 관통되는 원기둥형의 막대형상부(22)와, 이 막대형상부(22)의 중심 개구(12)로부터 돌출된 축방향 양단부에 반경 방향으로 돌출 형성된 제1 전기자(23) 및 제2 전기자(24)로 구성되어 있다.

외측 요크(31)는, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 스풀(11)을 사이에 두고 대향하는 좌우 한쌍의 요크 반체(半體)(32A 및 32B)로 구성되어 있다. 각 요크 반체(32A 및 32B)의 각각은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 스풀(11)의 대향측면을 따라서 상하로 연장되는 중앙판부(33)와, 이 중앙판부(33)의 상하 단부로부터 스풀(11)의 플랜지부(14 및 15)를 따라서 내측으로 연장되는 대향판부(34 및 35)를 가지며 측면에서 볼 때 U자형으로 형성되어 있다.

내측 요크(41)는, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 내측에 소정 간격을 유지하여 배치된 요크 반체(42A 및 42B)로 구성되어 있다. 각 요크 반체(42A 및 42B)의 각각은, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 중앙판부(33)에 대향하는 수직판부(43)와, 이 수직판부(43)의 하단측으로부터 스풀(11)의 플랜지부(15)의 하면측에 형성된 반경 방향으로 연장되는 홈(15a) 내에 배치되는 수평판부(44)로 L자형으로 형성되어 있다.

영구 자석(51)은, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)에서의 중앙판부(33)와, 이것에 대향하는 내측 요크(41)의 요크 반체(42A 및 42B)에서의 수직판부(43) 사이에 각각 삽입되어 배치되어 있다. 이들 영구 자석(51)은, 외측이 N극에 착자(着磁)되고, 내측이 S극에 착자되어 있다.

그리고, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 각각은, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상측의 대향판부(34)가 스풀(11)의 플랜지부(14)의 상단면과 대향하여 배치되고, 하측의 대향판부(35)가 스풀(11)의 플랜지부(15)의 하측으로 소정 거리를 유지하여 배치되어 있다. 요크 반체(32A 및 32B)의 대향판부(34)에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 플런저(21)의 막대형상부(22)를 삽입 관통하는 반원형상의 절결(36)이 형성되어 있다.

그리고, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 두께 to는 예컨대 3.2 mm로 설정되고, 내측 요크(41)의 요크 반체(42A 및 42B)의 두께 ti는 예컨대 1 mm로 설정되어 있다. 따라서, 외측 요크(31)를 구성하는 요크 반체(32A 및 32B)의 두께 to는, 내측 요크(41)를 구성하는 요크 반체(42A 및 42B)의 두께 ti의 약 3배로 형성되어 있다.

이와 같이, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 두께 to를 내측 요크(41)의 요크 반체(42A 및 42B)의 두께 ti에 대하여 약 3배로 설정함으로써, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 자기 저항을 요크 반체(42A 및 42B)의 자기 저항에 비교하여 작게 할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 여자 코일(16)에 통전하여 영구 자석(51)의 착자 방향과 역방향이 되는 자속을 형성한 경우에, 영구 자석(51)의 착자 방향과 역방향으로 자속이 통과하는 역류 자속을 억제할 수 있다.

또한, 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)의 최소폭, 즉 중앙판부(33)와 그 상하 단부의 대향판부(34 및 35) 사이의 연결 위치에 형성된 잘록한 부분(37)의 폭이 16 mm로 설정되고, 최소폭이 되는 잘록한 부분(37)의 단면적이 51.2 mm ² 로 설정되어 있다. 이 최소폭에서의 단면적은, 전술한 종래예에 있어서의 동일 두께의 외측 요크(101)의 최소폭에서의 단면적 30.1 mm ² 에 대하여 약 1.7배로 되어 있다.

이와 같이, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 두께 및 폭을 조정하여, 최소폭에서의 단면적을 종래예에 비교하여 크게 설정함으로써, 각 요크 반체(32A 및 32B)에서의 자기 저항을 도 10에 나타내는 종래예에 비교하여 작게 하는 것이 가능해진다.

또한, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)를 순철과 같이 비투자율이 200,000 정도가 되는 통상의 철재, 예컨대 SPCC의 비투자율 5,000에 대하여 충분히 크고, 자기 저항이 작은 자성 재료를 적용함으로써, 요크 반체(32A 및 32B)의 자기 저항을 더욱 작게 할 수 있다.

이와 같이, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 자기 저항을 작게 함으로써, 후술하는 바와 같이, 여자 코일(16)에 통전한 경우에, 플런저(21)에 생기는 집중 자속을 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B)에 분산시킬 수 있고, 플런저(21)와 외측 요크(31)의 요크 반체(32A 및 32B) 사이에서 자속 밀도 밸런스의 최적화를 도모할 수 있다.

다음으로, 상기 제1 실시형태의 동작을 설명한다.

지금, 코일 단자(17)에 직류 전력이 공급되지 않은 여자 코일(16)의 비통전 상태에서는, 영구 자석(51)의 자속이 내측 요크(41)의 각 요크 반체(42A 및 42B)를 통하여 수평판부(44)에 전달되기 때문에, 플런저(21)에 형성한 제2 전기자(24)를 흡인한다. 이 때문에, 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 플런저(21)의 제2 전기자(24)가 내측 요크(41)의 각 요크 반체(42A 및 42B)의 수평판부(44)에 흡착되어, 제1 전기자(23)가 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 대향판부(34)로부터 상측으로 이격된 비여자 위치가 된다.

이 비여자 위치로부터 코일 단자(17)에 직류 전력을 공급하여 여자 코일(16)을 통전 상태로 하면, 여자 코일(16)이 영구 자석(51)과는 역극성으로 여자된다. 이것에 의해, 플런저(21)에 그 하단측으로부터 상단측으로 향하는 자속이 흐른다. 이 자속은, 플런저(21)의 상단측에 근접하는 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 상측의 대향판부(34)로부터 중앙판부(33)를 거쳐 하측의 대향판부(35)로 흐른다. 이 때문에, 플런저(21)에 형성된 제1 전기자(23) 및 제2 전기자(24)와 외측 요크(31)의 상하의 대향판부(34 및 35) 사이에 흡인력이 작용한다. 이것과 동시에, 하측의 제2 전기자(24)와 내측 요크(41)의 각 요크 반체(42A 및 42B)의 수평판부(44) 사이에 반발력이 발생한다.

이 때문에, 플런저(21)가 하측으로 이동하여, 제1 전기자(23) 및 제2 전기자(24)가 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 대향판부(35)측에 흡착되는 여자 위치가 된다.

이와 같이, 여자 코일(16)이 통전 상태가 되어 여자 상태가 되면, 플런저(21)에 하측으로부터 상측으로 향하는 자속이 흐르지만, 이 자속은, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 자기 저항이 작게 설정되어 있기 때문에, 요크 반체(32A 및 32B)측으로도 흐르게 되고, 플런저(21)에 형성되는 집중 자속이 요크 반체(32A 및 32B)에 분산되어 자속 밀도 밸런스가 최적화된다.

이 때문에, 전자석 효율이 향상되게 되고, 플런저(21)로 동일한 조작력을 얻고자 한 경우에, 스풀(11)에 감기는 여자 코일(16)의 권취수를 적게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 직류 조작용 유극 전자석(10)을 소형화하는 것이 가능해지고, 교류 조작용 전자석과 동등한 조작력을 얻기 위한 구성을 교류 조작용 전자석과 동등한 크기로 하여 저비용화를 실현할 수 있다.

또한, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 대향판부(34 및 35)의 플런저(21)의 제1 전기자(23) 및 제2 전기자(24)와 대향하는 면적이 중앙판부(33)에 비교하여 크게 설정되어 있기 때문에, 자기 저항이 작아지고, 양자간의 자속의 전달을 양호하게 행할 수 있다.

또한, 외측 요크(31)의 두께 to가 내측 요크(41)의 두께 ti에 대하여 약 3배로 설정되어 있고, 외측 요크(31)의 자기 저항이 내측 요크(41)의 자기 저항에 비교하여 작게 설정되어 있기 때문에, 여자 코일(16)을 여자 상태로 했을 때의, 영구 자석(51)과는 역극성의 자속이 영구 자석(51)을 역류하는 것을 확실하게 저지할 수 있다.

또한, 외측 요크(31)를 형성하는 자성체의 자기 저항이 내측 요크(41)를 형성하는 자성체의 자기 저항에 대하여 작게 설정되어 있기 때문에, 상기와 같이 영구 자석(51)과는 역극성의 자속이 영구 자석(51)을 역류하는 것을 확실하게 저지할 수 있다.

또, 상기 제1 실시형태에 있어서는, 외측 요크(31)의 각 요크 반체(32A 및 32B)의 대향판부(34 및 35)의 폭을 중앙판부(33)의 폭보다 넓게 설정한 경우에 관해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서는, 중앙판부(33)와 대향판부(34 및 35)의 폭을 동일한 폭으로 설정하는 것도 가능하며, 즉 최소폭에서의 단면적을 크게 유지할 수 있으면 되는 것이다.

또한, 상기 제1 실시형태에 있어서는, 외측 요크(31)의 두께 to를 3.2 mm, 내측 요크(41)의 두께 ti를 1 mm로 설정한 경우에 관해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 외측 요크(31)의 두께 to 및 내측 요크(41)의 두께 ti는 임의로 설정할 수 있고, 즉 외측 요크(31)의 두께 to를 내측 요크(41)의 두께 ti에 대하여 크게 설정하여 플런저(21)와 외측 요크(31) 사이의 자속 밀도 밸런스를 최적화할 수 있으면 되는 것이다.

다음으로, 전술한 직류 조작용 유극 전자석(10)을 사용한 본 발명에 따른 전자 접촉기를 제2 실시형태로 하여 도 5∼도 9를 수반하여 설명한다.

이 제2 실시형태에 있어서의 전자 접촉기(60)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 서로 연결되는 제1 프레임(61A)과 제2 프레임(61B)으로 구성되어 있다.

제1 프레임(61A)에는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 전술한 제1 실시형태에서 설명한 직류 조작용 유극 전자석(10)이 내장되고, 제1 실시형태와의 대응 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세 설명은 이것을 생략한다.

제2 프레임(61B)에는, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 전단의 예컨대 상단측에 삼상 교류 전원에 접속되는 주회로 전원측 단자(62a) 및 보조 단자(63a)가 형성되고, 전단의 하단측에 삼상 전동 모터 등의 삼상 부하에 접속되는 주회로 부하측 단자(62b) 및 보조 단자(63b)가 형성되어 있다.

또한, 제2 프레임(61B)에는, 직류 조작용 유극 전자석(10)에 의해 온ㆍ오프 구동되는 접점 기구(64)가 내장되어 있다.

이 접점 기구(64)는, 주회로 전원측 단자(62a) 및 보조 단자(63a)에 개별적으로 접속된 제1 고정 접촉자(도시하지 않음) 및 주회로 부하측 단자(62b) 및 보조 단자(63b)에 개별적으로 접속된 제2 고정 접촉자(도시하지 않음)와, 제1 고정 접촉자 및 제2 고정 접촉자 사이에 접촉 분리 가능하게 배치된 가동 접촉자(65)를 유지하는 가동 접촉자 홀더(66)를 구비하고 있다.

가동 접촉자 홀더(66)는, 도 7∼도 9에 나타낸 바와 같이, 직류 조작용 유극 전자석(10)의 플런저(21)에 연결되어 있다. 즉, 플런저(21)에 형성하고 제1 전기자(23)의 상면에 있는 연결 스프링(67)이 체결부(68)에 고정되어 있다. 이 연결 스프링(67)은, 중앙의 평탄판부(67a)와, 이 평탄판부(67a)의 좌우 양단부에 형성된 위에 볼록형상이 되는 만곡판부(67b 및 67c)로 구성되어 있다.

한편, 가동 접촉자 홀더(66)의 후단부면에는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 플런저(21)의 연결 스프링(67)을 고정하는 체결부(68)가 삽입 관통되는 공간부(66a)와, 이 공간부(66a)의 좌우 양측에 형성된 연결 스프링(67)의 만곡판부(67b 및 67c)를 삽입 유지하는 스프링 수납부(66b 및 66c)가 형성되어 있다.

그리고, 제1 전기자(23)의 상면에 고정된 연결 스프링(67)의 만곡판부(67b 및 67c)를 가동 접촉자 홀더(66)의 스프링 수납부(66b 및 66c) 내에 삽입하여 유지시킴으로써, 플런저(21)와 가동 접촉자 홀더(66)가 일체화되어 있다.

다음으로, 상기 제2 실시형태의 동작을 설명한다. 직류 조작용 유극 전자석(10)의 여자 코일(16)이 비통전 상태이자, 플런저(21)가 비여자 위치에 있는 상태에서는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 가동 접촉자 홀더(66)가 제2 프레임(61B)의 전단 내측에 맞닿아, 가동 접촉자(65)가 한쌍의 고정 접촉자(도시하지 않음)로부터 전방으로 이격되어 있다. 이 상태에서는, 각 상의 주회로 전원측 단자(62a)와 주회로 부하측 단자(62b)가 전기적으로 차단된 개극 위치가 된다.

이 상태로부터 직류 조작용 유극 전자석(10)의 여자 코일(16)에 통전하여 여자 상태로 함으로써, 플런저(21)가 후방으로 이동되고, 이것과 동시에 연결 스프링(67)으로 연결되어 있는 가동 접촉자 홀더(66)도 후방으로 이동한다. 이 때문에, 각 상의 가동 접촉자(65)가 각 상의 한쌍의 고정 접촉자에 접촉하여 주회로 전원측 단자(62a) 및 주회로 부하측 단자(62b)가 가동 접촉자(65)를 통해 전기적으로 접속되는 폐극 상태가 된다.

이와 같이, 제2 실시형태에 의하면, 전술한 제1 실시형태에서 설명한 직류 조작용 유극 전자석(10)에 의해 가동 접촉자 홀더(66)를 가동시키기 때문에, 직류 조작용 유극 전자석(10)을 동일한 조작력을 발생시키는 통상의 교류 조작용 전자석과 동등하게 소형화할 수 있기 때문에, 이 직류 조작용 유극 전자석(10)을 수납하는 제1 프레임(61A)의 높이를 단축할 수 있다. 따라서, 전자 접촉기(60) 전체의 높이를 단축할 수 있고, 전자 접촉기(60)를 소형화할 수 있다.

또한, 직류 조작용 유극 전자석(10)을 동등한 조작력을 발생시키는 교류 조작용 전자석과 동등한 크기로 소형화할 수 있는 것에 의해, 제1 프레임(61A) 및 제2 프레임(61B)의 구성으로 직류 조작용 유극 전자석(10) 및 교류 조작용 전자석을 수납하는 것이 가능해지고, 제1 프레임(61A) 및 제2 프레임(61B)을 공통화하는 것이 가능해진다.

10 : 직류 조작용 유극 전자석 11 : 스풀
12 : 중심 개구 13 : 원통부
14, 15 : 플랜지부 16 : 여자 코일
21 : 플런저 22 : 막대형상부
23 : 제1 전기자 24 : 제2 전기자
31 : 외측 요크 32A, 32B : 요크 반체
33 : 중앙판부 34, 35 : 대향판부
41 : 내측 요크 42A, 42B : 요크 반체
43 : 수직판부 44 : 수평판부
51 : 영구 자석 60 : 전자 접촉기
61A : 제1 프레임 61B : 제2 프레임
62a : 주회로 전원측 단자 62b : 주회로 부하측 단자
63a, 63b : 보조 단자 65 : 가동 접촉자
66 : 가동 접촉자 홀더 66a : 공간부
66b, 66c : 스프링 수납부 67 : 연결 스프링