KR102168934B1 - Wireless power transfer device for quench detection system for high field superconducting magnet - Google Patents

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박광명
남석호
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수원과학대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a wireless power transfer device for a quench detection system of a high field superconducting magnet to transfer power to the quench detection system in a wireless scheme in a state wherein strong field generated from the high field superconducting magnet is applied thereto. In the wireless power transfer device, a transmitter transfers power to a receiver in a wireless scheme. The transmitter includes: an AC/DC converter to convert AC voltage into DC voltage; a driver to modulate a pulse of the DC voltage from the AC/DC converter; and a transmission coil. The receiver includes: a reception coil magnetically coupled with the transmission coil; a rectifier connected with the reception coil to convert AC power into DC power; and a voltage current conditioner to condition output power of the rectifier (51) suitably for a system load (200). The transmission coil and the reception coil configure a magnetically coupled air-core transformer without using a core. Accordingly, the present invention provides the wireless power transfer device for the quench detection system of the high field superconducting magnet for preventing the occurrence of a problem due to a high field without taking up a wide space.

Description

초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치 {Wireless power transfer device for quench detection system for high field superconducting magnet}{Wireless power transfer device for quench detection system for high field superconducting magnet}

본 발명은 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고자장 마그넷에서 발생하는 강한 자장이 인가되는 조건에서 고장 검출 시스템에 무선으로 전력을 전송하는 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra high magnetic field superconducting magnet, and more particularly, an ultra high magnetic field superconducting device that wirelessly transmits power to a fault detection system under a condition where a strong magnetic field generated from the high magnetic field magnet is applied. It relates to a wireless power transmission device for a magnet failure detection system.

초전도 마그넷 시스템은 극저온(예를 들면, 4.2K = -268.8°C)에서 동작하는 시스템으로 극저온을 유지하기위해 액체 핼륨, 냉동기 등을 이용하며 냉각온도를 유지하기위해 고진공의 냉각용기가 필수적으로 필요하다. 핵융합 초전도 마그넷 시스템에는 대전력의 전류, 예를 들면 50kA 이상의 전류를 인가하게 되며, 인가전원의 절연저항이 100 메가오옴 이상이어야 한다. 초전도 코일의 접합 부분 등에서 초전도 현상이 깨지는 고장(Quench 현상)이 발생하게 되면, 저항값이 올라가면서 대전류에 의해 전압 강하가 발생하게 된다. 이로 인하여 열이 발생하게 되어 냉각용기의 온도가 급격히 상승된다. 온도가 상승하면 압력이 상승되어 폭발 등의 사고가 발생하게 되므로, 가능한 빨리 초전도 마그넷의 고장 검출을 하여 사고를 예방하는 기술은 초전도 마그넷 시스템에서 반드시 필요한 기술이다. Superconducting magnet system is a system that operates at cryogenic temperatures (e.g., 4.2K = -268.8°C), and uses liquid helium, a freezer, etc. to maintain cryogenic temperatures, and a high-vacuum cooling container is essential to maintain the cooling temperature. Do. A high-power current, for example, 50kA or more is applied to the fusion superconducting magnet system, and the insulation resistance of the applied power source must be 100 megaohms or more. When a failure (Quench phenomenon) in which the superconducting phenomenon is broken occurs at the junction of the superconducting coil, the resistance value increases and a voltage drop occurs due to a large current. As a result, heat is generated and the temperature of the cooling container rises rapidly. When the temperature rises, the pressure rises and an accident such as an explosion occurs. Therefore, a technology to prevent an accident by detecting a failure of a superconducting magnet as soon as possible is a necessary technology in a superconducting magnet system.

예를 들면, 1980년대 후반부터 국제원자력기구(IAEA)의 지원 하에 한국, 미국, 유럽연합, 일본, 러시아, 중국, 인도의 공동협력 과제로 진행되고 있는 핵융합 에너지 연구 프로젝트인 국제핵융합로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)는 1억°C 이상의 초고온 플라즈마 생성(가열)을 위해 초전도 마그넷이 반드시 필요한 구조이며, 초고온의 플라즈마를 안정적으로 용기에 담기 위해 고자장의 마그넷이 필요하다. ITER 마그넷 시스템은 초전도 코일을 적용하고 있어 15MA의 강한 전류를 인가하며, 56kV DC의 전압이 인가되고 10T 이상의 자장이 발생된다. For example, since the late 1980s, ITER, a nuclear fusion energy research project under the support of the International Atomic Energy Agency (IAEA), has been underway as a joint cooperation project between Korea, the United States, the European Union, Japan, Russia, China, and India. International Thermonuclear Experimental Reactor) is a structure that requires a superconducting magnet to generate (heat) ultra-high temperature plasma of more than 100 million °C, and a high magnetic field magnet is required to stably contain the ultra-high temperature plasma in a container. The ITER magnet system applies a superconducting coil, so it applies a strong current of 15MA, a voltage of 56kV DC is applied, and a magnetic field of 10T or more is generated.

이와 같은 초대형 초전도 자석에서는, 운전 중에 ??치가 발생하게 되면 초전도 마그넷이 상전도로 전이되면서 마그넷의 온도가 상승하게 되며, 온도 상승으로 냉동기의 냉매(액체 핼륨)가 기화되어 엄청난 압력이 발생하여 냉동기 시스템이 폭발하게 된다. 이를 방지하기 위하여 미국특허 제10,037,835호에서는 ??치 보호 구조의 초전도 케이블을 제안하고 있지만, 사용하는 케이블에 관계없이 초전도 마그넷 시스템의 고장(quench)을 실시간으로 채크하는 ??치 감지 시스템(quench detection system)이 필수적으로 필요하다. In such an extra-large superconducting magnet, when ??chi is generated during operation, the superconducting magnet is transferred to normal conduction and the temperature of the magnet rises, and the refrigerant (liquid helium) of the refrigerator is evaporated due to the temperature increase, and a tremendous pressure is generated. This will explode. In order to prevent this, U.S. Patent No. 10,037,835 proposes a superconducting cable with a structure of protection against teeth, but a quench detection system that detects a quench of a superconducting magnet system in real time regardless of the cable used. system) is essential.

일반적인 ??치 감지 시스템에서는 마그넷 층별로 신호선을 연결하여 높은 전압신호를 감지한다. ITER 마그넷의 경우에 신호선은 수백개가 필요하다. ??치가 발생되는 초기 전압은 통상 100mV~500mV로써 측정값이 매우 낮지만, 초전도 코일의 전위는 국제핵융합로(ITER) 기준으로 최대 56kV 정도가 발생 할 수 있다. 센서 신호들은 광케이블을 통해서 전송된다. 하지만 이러한 광소자와 고압 신호 처리기를 위해서는 DC 전원을 공급하여야 한다. 또한, 56kV에 대한 절연 성능을 제공하여야 한다.In a general ??value detection system, a high voltage signal is detected by connecting signal lines for each magnet layer. In the case of ITER magnet, hundreds of signal lines are required. The initial voltage at which the ?value is generated is usually 100mV~500mV, and the measured value is very low, but the potential of the superconducting coil can be up to 56kV based on the International Fusion Reactor (ITER) standard. Sensor signals are transmitted through optical cables. However, DC power must be supplied for these optical devices and high voltage signal processors. In addition, it must provide insulation performance for 56kV.

고전력 고전압 DC-DC 변환에는 일반적으로 변압기가 사용된다. 그런데 ITER 마그넷 시스템의 경우에는 10T 정도의 고자장이 발생되므로 변압기의 철심코어 또는 페라이트 코어가 포화되어 사용할 수 없다. 따라서, 변압기를 최대한 마그넷과 먼 곳에, 예를 들면 20m 이상 떨어진 곳에 설치해야만 하지만, 이로 인하여 추가 공간이 필요하여 비용이 많이 들고, 제어 시스템과 멀리 떨어져 있어야 해서 운용상에 현실적이 어려움이 많다. 또한, 변압기는 부피와 무게가 많이 나가므로 설치에 제한이 있고, 기계적 인력이 발생하고 방사능에 의한 절연 특성 변화로 안정된 운전이 어렵다. Transformers are generally used for high power high voltage DC-DC conversion. However, in the case of the ITER magnet system, a high magnetic field of about 10T is generated, so the iron core or ferrite core of the transformer is saturated and cannot be used. Therefore, the transformer must be installed as far as possible from the magnet, for example, at a distance of 20m or more, but this requires an additional space and is expensive, and it must be far from the control system, making it difficult to operate. In addition, since the transformer has a large volume and weight, installation is limited, and a stable operation is difficult due to a mechanical attraction and a change in insulation characteristics due to radiation.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 종래 기술에 비하여 추가 공간이 필요하지 않으면서도 높은 자기장에 의한 문제가 발생되지 않는 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 종래 기술에 비하여 부피와 무게가 상대적으로 적게 나가는 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치를 제공하는 것이다. The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet that does not require an additional space compared to the prior art and does not cause a problem due to a high magnetic field. do. Another object of the present invention is to provide a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet that has a relatively small volume and weight compared to the prior art.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송장치는, 송신부에서 수신부로 무선전력전송을 한다. 송신부는, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 변환기; AC/DC 변환기로부터의 직류 전압을 펄스 변조하는 구동기; 송신 코일을 포함한다. 수신부는, 상기 수신 코일과 자기적으로 결합되어 있는 수신 코일; 상기 수신 코일에 연결되어 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 정류기(51)의 출력 전력을 시스템 부하(200)에 맞게 컨디셔닝해주는 전압전류 컨디셔너(voltage current conditioner)를 포함한다. 상기 송신 코일과 수신 코일은 코어를 사용하지 않고 자기 결합되는 공심 변압기(air-core transformer)를 형성한다.A wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention performs wireless power transmission from a transmitter to a receiver. The transmission unit includes an AC/DC converter for converting an AC voltage into a DC voltage; A driver for pulse-modulating the DC voltage from the AC/DC converter; It includes a transmitting coil. The receiving unit includes: a receiving coil magnetically coupled to the receiving coil; A rectifier connected to the receiving coil to convert AC power into DC power; It includes a voltage current conditioner for conditioning the output power of the rectifier 51 to fit the system load 200. The transmitting coil and the receiving coil form an air-core transformer magnetically coupled without using a core.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송장치는, 송신부에 배치되는 1차측 제어기; 송신부에서 바라보는 부하를 변화시킴으로써 1차측 제어기와 통신하는 2차측 제어기; 상기 부하 변화를 감지하는 V/I 감지기를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 2차측 제어기에서 1차측 제어기로 전송되는 정보에는 수신부에서 수신한 전력에 관한 정보가 포함된다. A wireless power transmission device according to an embodiment of the present invention includes: a primary side controller disposed in a transmission unit; A secondary controller that communicates with the primary controller by changing the load viewed from the transmitter; It may further include a V / I detector for detecting the load change. In one embodiment, the information transmitted from the secondary-side controller to the primary-side controller includes information on the power received by the receiver.

일 실시예에서, 상기 1차측 제어기와 2차측 제어기는 와이어리스 파워 컨소시엄(Wireless Power Consortium, WPC) Qi v1.1 통신 프로토콜에 따라 통신한다.In one embodiment, the primary-side controller and the secondary-side controller communicate according to the Wireless Power Consortium (WPC) Qi v1.1 communication protocol.

일 실시예에서, 송수신 코일간의 안정적인 LC공진을 유지하기 위해 송신코일단에 임피던스 매칭 회로가 더 구비될 수 있다.In one embodiment, an impedance matching circuit may be further provided at the end of the transmission coil to maintain stable LC resonance between the transmission and reception coils.

일 실시예에서, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일은 각각 자기장에 영향을 받지 않는 재질로 된 속이 빈 원통에 감겨서 구성된다.In one embodiment, the transmitting coil and the receiving coil are each wound around a hollow cylinder made of a material that is not affected by a magnetic field.

초전도 마그넷에는 DC 전원이 공급되며 발생자기장의 형태도 DC 형태인데, 본 발명의 무선 송수신기에는 예를 들면 100kH~370kHz의 고주파 전력이 전송되므로 송수신기는 초전도 마그넷에서 발생하는 자기장에 전혀 영향을 받지 않는다. 또한, 무선으로 전원을 공급하므로 50kV의 전압에도 절연이 가능하다.DC power is supplied to the superconducting magnet and the form of the generated magnetic field is also in DC form.Since, for example, high-frequency power of 100 kH to 370 kHz is transmitted to the wireless transceiver of the present invention, the transceiver is not affected at all by the magnetic field generated by the superconducting magnet. In addition, since power is supplied wirelessly, insulation is possible even at a voltage of 50kV.

이와 같이 본 발명에 따르면, 추가 공간이 필요하지 않으면서도 높은 자기장에 의한 문제가 발생되지 않는 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치가 제공된다. 또한, 철심 코어 또는 페라이트 코어를 사용하지 않으므로 종래 기술에 비하여 부피와 무게가 상대적으로 적게 나간다. As described above, according to the present invention, there is provided a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet that does not require an additional space and does not cause a problem due to a high magnetic field. In addition, since the iron core or ferrite core is not used, the volume and weight are relatively small compared to the prior art.

도 1은 본 발명의 무선전력전송장치를 사용한 고자장 ITER 마그넷용 ??치 감지 시스템의 한가지 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 무선전력전송장치의 일 실시예에 따른 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 무선전력전송장치의 성능 실험을 위한 실험 회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 4는 송신 코일 및 수신 코일 사이의 거리가 5cm일 때와 10cm일 때의 실험 결과를 보여주는 사진이다.
도 5는 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리에 따른 전송전력 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리에 따른 전송효율을 보여주는 그래프이다.
1 is a conceptual diagram showing one configuration of a ?-value detection system for a high magnetic field ITER magnet using a wireless power transmission device of the present invention.
2 is a block diagram showing the configuration of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram showing the configuration of an experimental circuit for a performance experiment of the wireless power transmission device of the present invention.
4 is a photograph showing experimental results when the distance between the transmitting coil and the receiving coil is 5 cm and 10 cm.
5 is a graph showing a result of measuring transmission power according to a distance between a transmitting coil and a receiving coil.
6 is a graph showing transmission efficiency according to a distance between a transmitting coil and a receiving coil.

도 1은 본 발명의 무선전력전송장치를 사용한 고자장 ITER 마그넷용 ??치 감지 시스템의 한가지 구성을 보여주는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram showing one configuration of a ?-value detection system for a high magnetic field ITER magnet using a wireless power transmission device of the present invention.

??치 감지부(200)는 복수의 신호선들을 통해 마그넷 전압 신호를 받아서 ??치 발생 여부를 판단한다. 감지 결과는 광학 변환기(210)에서 광 신호로 변환되어 중앙 제어 시스템으로 전송된다. ??치 감지부(200) 및 광학 변환기(210)에서 사용되는 전력은 HVSC(High Voltage Signal Conditioner) 디바이스(50)에서 제공된다.The ??-value detection unit 200 determines whether ??-value is generated by receiving a magnet voltage signal through a plurality of signal lines. The detection result is converted into an optical signal by the optical converter 210 and transmitted to the central control system. Electric power used by the ?-value detector 200 and the optical converter 210 is provided by the HVSC (High Voltage Signal Conditioner) device 50.

DC-DC 변환기로 사용되는 HVSC 디바이스(50)로의 전력 전송 방법으로는 두 가지 종류가 있을 수 있다. 첫번째 종류는 자기 결합(magnetic coupling)(전기 변압기)이고 두번째 종류는 고주파 정전 결합(capacitive coupling) 에너지 전송이다. 자기 결합을 사용하는 변압기는 구성이 간단하지만 초전도 마그넷의 거대 자기장에 의해 포화되기 쉽다. 본 발명에서는 HVSC로의 무선 전력 공급을 전기 변압기처럼 송신 코일과 수신 코일로 구현하되, 철심 코어 또는 페라이트 코어는 사용하지 않는다. 즉, 상기 송신 코일과 수신 코일은 코어를 사용하지 않고 자기 결합되는 공심 변압기(air-core transformer)를 형성한다.There may be two types of power transmission methods to the HVSC device 50 used as a DC-DC converter. The first type is magnetic coupling (electrical transformer) and the second type is high-frequency capacitive coupling energy transmission. Transformers using magnetic coupling are simple to construct, but are likely to be saturated by the huge magnetic field of the superconducting magnet. In the present invention, wireless power supply to the HVSC is implemented with a transmitting coil and a receiving coil like an electric transformer, but the iron core or ferrite core is not used. That is, the transmitting coil and the receiving coil form an air-core transformer that is magnetically coupled without using a core.

DC-DC 변환기로 사용되는 HVSC 디바이스(50)의 입력부는 보호시스템을 통해 초전도선재로 권선된 마그넷에 단자의 형태로 전기적으로 연결되어 있다. 대전력이 인가된 마그넷과 연결된 보호시스템의 단자는 초전도 마그넷과 동일한 높은 전위를 갖게 되므로 센서를 구동하는 전원과는 절연되어야 한다. The input part of the HVSC device 50 used as a DC-DC converter is electrically connected in the form of a terminal to a magnet wound with a superconducting wire through a protection system. Since the terminal of the protection system connected to the magnet to which the high power is applied has the same high potential as the superconducting magnet, it must be insulated from the power source driving the sensor.

도 2는 본 발명의 무선전력전송장치의 일 실시예에 따른 구성을 보여주는 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2의 무선전력전송장치는 자기적으로 커플링되어 있는 송신 및 수신 코일(60)을 구비한다. 본 발명에서는 송신 코일(1차측 코일)과 수신 코일(2차측 코일)과의 커플링을 위한 철심 코어 또는 페라이트 코어가 사용되지 않으며 공기를 통해 커플링된다. 이 커플링된 인덕터, 즉 공심 변압기(air-core transformer)(60)를 통해 송신부에서 수신부로 전력이 전송된다. 전달되는 전력량은 2차측에서 1차측으로의 피드백(에러신호) 통신에 의해 제어될 수 있다. 수신부는 송신부에서 바라보는 부하를 변화시킴으로써 송신부와 통신할 수 있다. 이 부하 변화는 충전 모듈 내의 프로세서에 의해 측정되고 해석되는 송신측 코일 전류의 변화를 야기한다. 이 통신은 모두 디지털 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 수신부에서 송신부로 패킷이 전송된다. 차동 2상 인코딩(differential bi-phase encoding)이 패킷 전송에 사용될 수 있으며, 예를 들면 2 kbps의 비트레이트로 동작될 수 있다. ID 및 인증 패킷, 에러 패킷, 제어 패킷, 종단 전력 패킷(end power packet), 전력 사용 패킷 등 다양한 종류의 통신 패킷이 정의될 수 있다. 수신부가 송신부에게 자신을 인증하면 송신부는 계속해서 전력을 제공한다. 수신부는 통신 패킷을 사용하여 전력 전송에 대한 제어를 유지하게 된다. The wireless power transmission device of FIG. 2 includes a transmitting and receiving coil 60 that is magnetically coupled. In the present invention, an iron core or ferrite core for coupling a transmission coil (primary side coil) and a receiving coil (secondary side coil) is not used, and is coupled through air. Power is transmitted from the transmitter to the receiver through the coupled inductor, that is, an air-core transformer (60). The amount of transmitted power can be controlled by feedback (error signal) communication from the secondary side to the primary side. The receiver can communicate with the transmitter by changing the load viewed by the transmitter. This load change causes a change in the transmitting coil current that is measured and interpreted by the processor in the charging module. All of this communication can be done digitally. For example, packets are transmitted from the receiving unit to the transmitting unit. Differential bi-phase encoding can be used for packet transmission and can be operated at a bit rate of 2 kbps, for example. Various types of communication packets such as ID and authentication packets, error packets, control packets, end power packets, and power usage packets may be defined. When the receiver authenticates itself to the transmitter, the transmitter continues to provide power. The receiver maintains control of power transmission using communication packets.

교류 전압은 AC/DC 변환기(10)에서 직류 전압으로 변환되고, 변환된 직류 전압은 DC/DC 변환을 위해 구동기(20)에서 펄스 변조된다. 구동기(20)는 예를 들면 100kH~370kHz의 주파수를 갖는 펄스로 직류 전압을 변조한다. 구동기(20)로부터의 펄스 전력 신호는 송신 및 수신 코일(60)을 통해 무선으로 HVSC 디바이스(50)로 전달된다. HVSC 디바이스(50)는 송신 및 수신 코일(60)을 통해 수신한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류기(51)와, 정류기(51)의 출력 전력을 시스템 부하(200)에 맞게 컨디셔닝해주는 전압전류 컨디셔너(Voltage Current Conditioner)(52), 그리고 HVSC 디바이스(50)의 동작을 제어하는 2차측 제어기(53)를 구비한다. HVSC 디바이스(50)는 단일 칩으로 구성될 수 있다. HVSC 디바이스(50)는 바람직하게는 와이어리스 파워 컨소시엄(Wireless Power Consortium, WPC) Qi v1.1 통신 프로토콜에 호환되는 디지털 제어 기능을 제공한다. HVSC 디바이스(50)는 1차측 제어기(30), 디지털 컨트롤러를 포함하는 V/I 감지기(40)와 함께 무선 전력 공급 솔루션을 위한 완전한 무접촉 전력 전송 시스템을 가능하게 한다.The AC voltage is converted into a DC voltage in the AC/DC converter 10, and the converted DC voltage is pulse-modulated in the driver 20 for DC/DC conversion. The driver 20 modulates the DC voltage with a pulse having a frequency of, for example, 100 kH to 370 kHz. The pulsed power signal from the driver 20 is transmitted wirelessly to the HVSC device 50 via the transmit and receive coil 60. The HVSC device 50 includes a rectifier 51 for converting AC power received through the transmitting and receiving coils 60 into DC power, and a voltage for conditioning the output power of the rectifier 51 according to the system load 200 A voltage current conditioner (52) and a secondary side controller (53) for controlling the operation of the HVSC device (50) are provided. The HVSC device 50 may be configured as a single chip. The HVSC device 50 preferably provides digital control functions compatible with the Wireless Power Consortium (WPC) Qi v1.1 communication protocol. The HVSC device 50 enables a complete contactless power transfer system for a wireless power supply solution with a primary side controller 30 and a V/I detector 40 including a digital controller.

2차측 제어기(53)에서 1차측 제어기(30)로 피드백 경로가 형성되어 Qi v1.1 통신 프로토콜을 사용한 전력전송 프로세스가 제어된다. 1차측에서 2차측으로 전달되는 전력량은 2차측 제어기(53)에서 1차측 제어기(30)로의 피드백(에러신호) 통신에 의해 제어될 수 있다. 2차측 제어기(53)는 전압전류 컨디셔너(52)를 제어하여 송신부에서 바라보는 부하를 변화시킴으로써 송신부와 통신할 수 있다.A feedback path is formed from the secondary side controller 53 to the primary side controller 30 to control the power transfer process using the Qi v1.1 communication protocol. The amount of power transferred from the primary side to the secondary side can be controlled by feedback (error signal) communication from the secondary side controller 53 to the primary side controller 30. The secondary side controller 53 can communicate with the transmission unit by controlling the voltage and current conditioner 52 to change the load viewed from the transmission unit.

V/I 감지기는 저저항 동기 정류기(low-resistance synchronous rectifier), 낮은 전압감쇄 레귤레이터(low drop-out regulator), 디지털 제어모듈, 및 정밀한 V/I 정보를 통합제어하여, 부하 변화를 감지하고 2차측 (수신기) 제어기로부터의 V/I 정보를 획득하고, 1차측(송신기)의 전압 및 전류를 감지하고 제어함으로써 고효율 및 저전력소모를 달성한다. V/I 감지기는 또한 장치가 수신한 전력량이 WPC v1.1 표준에 설정된 제한값 범위 이내인지 계산하는 디지털 컨트롤러를 포함하며, 이러한 정보를 1차측 (송신기) 제어기로 전송하여 송신부가 자기 인터페이스(magnetic interface) 내에 외부 물체가 존재하는지를 판단하도록 함으로써 자기장 내에 높은 안정도를 제공할 수 있도록 한다The V/I detector integrates and controls a low-resistance synchronous rectifier, a low drop-out regulator, a digital control module, and precise V/I information to detect load changes and 2 High efficiency and low power consumption are achieved by acquiring V/I information from the secondary side (receiver) controller and sensing and controlling the voltage and current of the primary side (transmitter). The V/I detector also includes a digital controller that calculates whether the amount of power received by the device is within the limits set in the WPC v1.1 standard, and transmits this information to the primary side (transmitter) controller, whereby the transmitter is equipped with a magnetic interface. ), it is possible to provide high stability in the magnetic field by determining whether there is an external object within

송수신 코일간의 안정적인 LC공진을 유지하기 위해 송신코일단에 임피던스 매칭 회로가 더 구비될 수 있다. 임피던스 매칭 회로는 예를 들면 도 7 및 도 8과 같이 구성할 수 있다. 도 7은 송신 코일과 수신 코일 간의 임피던스 매칭 회로가 삽입된 구성을 보여주며, 도 8은 도 7의 등가회로도이다. In order to maintain stable LC resonance between the transmitting and receiving coils, an impedance matching circuit may be further provided at the end of the transmitting coil. The impedance matching circuit may be configured as shown in FIGS. 7 and 8, for example. 7 shows a configuration in which an impedance matching circuit between a transmitting coil and a receiving coil is inserted, and FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of FIG. 7.

도 7 및 도 8에서 Vs는 구동부(20)로부터의 출력 전압을 나타낸다. 도 7 및 도 8의 임피던스 매칭회로에서 LC 공진은 2개의 가변 인덕턴스 L값의 조율을 통해 구현될 수 있다. 도 9는 Lx1 값의 변화범위에 따른 공진 주파수 범위를 보여주는 그래프이며, 표 1은 구동부의 구동 주파수가 370kHz인 경우의 도 8의 회로의 각 구성요소의 인덕턴스와 커패시턴스의 예를 보여준다. In FIGS. 7 and 8, Vs denotes an output voltage from the driver 20. In the impedance matching circuit of FIGS. 7 and 8, the LC resonance may be implemented by tuning two variable inductance L values. 9 is a graph showing a range of a resonance frequency according to a range of change of Lx1 value, and Table 1 shows an example of inductance and capacitance of each component of the circuit of FIG. 8 when the driving frequency of the driver is 370 kHz.

Figure 112019050878013-pat00001
Figure 112019050878013-pat00001

< 실험 데이터 ><Experimental data>

도 3은 본 발명의 무선전력전송장치의 성능 실험을 위한 실험 회로의 구성을 보여준다. 표 2의 구성을 갖는 코일과 부하로 도 3의 회로를 구성하여 송신 코일 및 수신 코일 사이의 거리에 따른 전송 전력을 측정하였다. 송신 코일과 수신 코일은 속이 빈 원통에 감겨있으며 마그넷 코어는 사용하지 않는다. 원통의 재질로는 자기장의 영향을 받지 않는 아크릴, 유리, FRP 등을 사용할 수 있다.3 shows a configuration of an experimental circuit for a performance experiment of the wireless power transmission device of the present invention. By configuring the circuit of FIG. 3 with a coil and a load having the configuration of Table 2, the transmission power according to the distance between the transmitting coil and the receiving coil was measured. The transmitting coil and receiving coil are wound around a hollow cylinder, and a magnet core is not used. As the material of the cylinder, acrylic, glass, FRP, etc., which are not affected by magnetic fields, can be used.

Figure 112019050878013-pat00002
Figure 112019050878013-pat00002

예를 들어, 구동부에서 구동하는 펄스의 주파수가 100kHz인 경우에는 권선코일의 직경 30cm, 송수신코일의 길이 약 10m (10턴), LC공진을 위한 C:80nF 정도로 구성한다. 구동부에서 구동하는 펄스의 주파수가 370kHz인 경우에는, 권선코일의 직경 30cm, 송수신코일의 길이 4m정도 (4턴), LC공진을 위한 C: 25nF 정도로 구성한다. For example, if the frequency of the pulse driven by the driver is 100 kHz, the diameter of the winding coil is 30 cm, the length of the transmission/reception coil is about 10 m (10 turns), and the C:80 nF for LC resonance is configured. When the frequency of the pulse driven by the driver is 370 kHz, the diameter of the winding coil is 30 cm, the length of the transmission/reception coil is about 4 m (4 turns), and the C for LC resonance is about 25 nF.

전력 전달률을 공정하게 비교하기 위하여 거리 변화에 따라 전력 반사율은 5% 이하로 유지하였다. 100KHz 150W의 RF 입력 전력으로 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 공진 코일, HTS(High Temperature Superconducting) 마그넷 및 영구자석의 규격은 표 1과 같다. 도 4는 거리가 5cm일 때와 10cm일 때의 실험 결과를 보여주는 사진이다. 거리가 늘어나면 확실히 전송전력이 빠르게 감소한다. 일반적으로, 공진선의 열 커플된 손실(thermal coupled loss)는 AC 자기장에서 AC 충전 동안의 자기화 손실(magnetization loss)과 트랜스포트 전류 손실(transport current loss)의 합인 AC 손실에 의해 야기된다. 공진 커플링 코일은 또한 공진 커플된 코일에서의 LC 공진 조건에 따라 열 손실을 야기할 수 있다. 송신 코일 및 수신 코일의 LC 공진은 소스 공진 회로(source resonance circuit)를 형성하고 공진 커플링 코일은 공진방식을 적용하므로 비방사 자기장(non-radiative magnetic field)이 발생된다. In order to compare the power transfer rate fairly, the power reflectance was maintained at 5% or less according to the distance change. The experiment was conducted with an RF input power of 100KHz 150W. Table 1 shows the specifications of the resonance coil, HTS (High Temperature Superconducting) magnet and permanent magnet used in the experiment. 4 is a photograph showing experimental results when the distance is 5 cm and 10 cm. As the distance increases, the transmission power certainly decreases rapidly. In general, a thermally coupled loss of a resonance line is caused by an AC loss, which is the sum of a magnetization loss and a transport current loss during AC charging in an AC magnetic field. The resonant coupling coil can also cause heat loss depending on the LC resonant conditions in the resonantly coupled coil. The LC resonance of the transmitting coil and the receiving coil forms a source resonance circuit, and the resonance coupling coil applies a resonance method, so a non-radiative magnetic field is generated.

도 5는 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리에 따른 전송전력 측정결과를 보여준다. 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리가 50mm를 넘어서면 송신 코일과 수신 코일 사이에 강한 공진 커플링이 유지되었음에도 전송 전력이 빠르게 감소한다. 5 shows a result of measuring transmission power according to the distance between the transmitting coil and the receiving coil. When the distance between the transmitting coil and the receiving coil exceeds 50mm, the transmit power rapidly decreases even though strong resonance coupling between the transmitting coil and the receiving coil is maintained.

도 6은 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리에 따른 전송효율을 보여준다. 전송효율은 입력 전력이 100W 이상일 때 대폭 향상되고, 150W까지 서서히 증가함을 알 수 있다. 즉, 이는 강한 공진 결합을 유지하는데에는 최소한의 입력 전력이 필요하다는 점을 고려해야 함을 의미한다.6 shows transmission efficiency according to the distance between the transmitting coil and the receiving coil. It can be seen that the transmission efficiency is greatly improved when the input power is 100W or more, and gradually increases to 150W. In other words, this means that it must be considered that a minimum input power is required to maintain a strong resonance coupling.

이상, 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하드웨어로서 또는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. In the above, although the present invention has been described with reference to several examples, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, even though it has been described that all the components constituting the embodiments of the present invention are combined into one or operated in combination. That is, within the scope of the object of the present invention, all the constituent elements may be selectively combined and operated in one or more. In addition, some or all of the components may be selectively combined and implemented as hardware or a computer program.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10 AC/DC 변환기,
20 구동기,
30 1차측 제어기,
40 V/I 감지기,
50 HVSC 디바이스,
60 공심 변압기.
10 AC/DC converter,
20 actuator,
30 primary side controller,
40 V/I sensor,
50 HVSC devices,
60 air core transformer.

Claims (6)

송신부에서 수신부로의 무선전력전송을 위한 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치로서,
상기 송신부는,
교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 변환기;
AC/DC 변환기로부터의 직류 전압을 펄스 변조하는 구동기;
송신 코일을 포함하며,
상기 수신부는,
상기 송신 코일과 자기적으로 결합되어 있는 수신 코일;
상기 수신 코일에 연결되어 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기;
정류기(51)의 출력 전력을 시스템 부하(200)에 맞게 컨디셔닝해주는 전압전류 컨디셔너(voltage current conditioner)
를 포함하며,
상기 송신 코일과 상기 수신 코일은 각각 아크릴, 유리, 또는 FRP 재질의 속이 빈 원통에 감겨있으며,
상기 송신 코일과 수신 코일은 코어를 사용하지 않고 자기 결합되는 공심 변압기(air-core transformer)를 형성하는,
초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치.
As a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet for wireless power transmission from the transmitter to the receiver,
The transmission unit,
AC/DC converter for converting AC voltage to DC voltage;
A driver for pulse-modulating the DC voltage from the AC/DC converter;
It includes a transmitting coil,
The receiving unit,
A receiving coil magnetically coupled to the transmitting coil;
A rectifier connected to the receiving coil to convert AC power into DC power;
A voltage current conditioner that conditions the output power of the rectifier 51 according to the system load 200
Including,
The transmitting coil and the receiving coil are each wound around a hollow cylinder made of acrylic, glass, or FRP material,
The transmitting coil and the receiving coil form an air-core transformer magnetically coupled without using a core,
A wireless power transmission device for a fault detection system of a superconducting magnet in an ultra-high magnetic field.
제1항에 있어서,
송신부에 배치되는 1차측 제어기;
송신부에서 바라보는 부하를 변화시킴으로써 1차측 제어기와 통신하는 2차측 제어기;
상기 부하 변화를 감지하는 V/I 감지기;
를 더 포함하는 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치.
The method of claim 1,
A primary side controller disposed in the transmission unit;
A secondary controller that communicates with the primary controller by changing the load viewed from the transmitter;
A V/I detector that detects the load change;
A wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet further comprising a.
제2항에 있어서,
상기 2차측 제어기에서 1차측 제어기로 전송되는 정보에는 수신부에서 수신한 전력에 관한 정보가 포함되는, 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치.
The method of claim 2,
The information transmitted from the secondary-side controller to the primary-side controller includes information on the power received by the receiving unit, a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet.
제3항에 있어서,
상기 1차측 제어기와 2차측 제어기는 와이어리스 파워 컨소시엄(Wireless Power Consortium, WPC) Qi v1.1 통신 프로토콜에 따라 통신하는, 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치.
The method of claim 3,
The primary-side controller and the secondary-side controller communicate with each other according to a Wireless Power Consortium (WPC) Qi v1.1 communication protocol, a wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet.
제1항에 있어서,
송수신 코일간의 안정적인 LC공진을 유지하기 위해 송신코일단에 임피던스 매칭 회로가 더 구비되는, 초고자장 초전도 마그넷의 고장 검출 시스템용 무선전력전송장치.
The method of claim 1,
A wireless power transmission device for a fault detection system of an ultra-high magnetic field superconducting magnet, further equipped with an impedance matching circuit at the end of the transmitting coil to maintain stable LC resonance between the transmitting and receiving coils.
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