KR100256724B1 - 인쇄배선판에 형성된 1차 권선을 갖는 유도커플러 조립체 - Google Patents

인쇄배선판에 형성된 1차 권선을 갖는 유도커플러 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인쇄배선판 제조기법을 사용하되, 용이하고 일관성 있게 생산될 수 있는 단일구조의 일부로서 형성되는 안테나와 1차권선을 갖는 유도커플러를 제공한다. 상기 커플러는 인쇄배선판의 일부로서 형성되는 1차권선 및 안테나를 갖는다. 2개의 서로 결합하는 커플러 반쪽부재들을 갖는 커플러 하우징은 그 사이에서 중앙 마그네틱 코어와 인쇄배선판을 고정한다. 그리고, 상기 커플러 하우징은 1차권선의 선택된 인쇄회로층과 전원사이에 결합되는 케이블을 고정하여 에너지를 충전 커플러로 연결한다.

Description

인쇄배선판에 형성된 1차 권선을 갖는 유도커플러 조립체
본 발명은 유도커플러에 관한 것으로, 보다 상세히는 1차권선 및 안테나를 형성하는 인쇄배선판을 갖는 개선된 유도커플러에 관한 것이다.
본원 발명의 양수인은 전기자동차를 충전시키는데 사용되는 유도충전시스템을 설계하고 제조하고 있다. 상기 충전시스템은 전기자동차를 충전시키기 위하여 유도커플러가 삽입되는 충전포트를 사용한다. 상기 유도커플러는 트랜스포머의 1차 권선을 형성하고, 충전포트는 트랜스포머의 2차권선을 형성한다. 상기 충전시스템은 고주파수, 고전압의 AC 전원을 자동차의 추진밧테리를 충전시키는 트랜스포머에 연결한다.
상기 유도커플러내에서 사용되기 위해 개발된 종래의 1차권선은 복잡하고, 작업부하가 크며, 비싸고, 불량품이 발생하기 쉬운 제조공정을 가졌다. 상기 커플러의 안테나부는 다이폴(dipole)안테나를 형성하기 위하여 부가적인 외측 편조층(braid layer)을 갖추고, 트리밍되어 납땜되어 동축와이어를 사용하여 사전에 제작되었다. 이는 반복재생이 가능한 공정이 아니었고, 성능에 큰 편차를 초래하는 것이었다. 따라서, 제조하기 쉽고, 일정한 성능을 제공하는 커플러의 설계를 얻는 것이 당업계의 개선과제인 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기자동차의 추진밧테리를 충전시키기 위하여 사용되는 유도충전기 시스템에 사용되기 위한 개선된 유도커플러를 제공함에 있다. 그리고, 본 발명의 다른 목적은 1차권선 및 안테나를 형성하는 인쇄배선판을 갖는 개선된 유도커플러를 제공함에 있는 것이다.
제1도는 본 발명에 따라서 전기자동차의 추진 밧테리를 충전시키기 위해 사용되는 유도커플러를 사용한 유도충전시스템을 도시한 블록 다이어그램.
제2도는 본 발며에 따른 유도커플러의 사시도.
제3도는 제2도의 유도커플러의 측면도.
제4도는 제2도의 유도커플러의 분해도.
제5a-5g도는 제2도의 유도 커플러에 사용된 인쇄배선판 층들을 도시한 설명도.
제6도는 인쇄배선판의 층들이 4회전 권선을 형성하기 위하여 서로 부착되는 방식을 도시한 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 유도충전 시스템 13 : 전원
14 : 전원 케이블 15 : 충전포트
20 : 유도충전 커플러 22 : 플라스틱 커플러 하우징
23 : 핸들 24 : 중앙 마그네틱 코어
26 : 충전 케이블 33 : 마그네트
35 : 안테나 38a : 개구부
40 : 인쇄배선판
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 종래의 인쇄배선판(PWB) 제조기법을 사용하되, 용이하고 일관성 있게 생산될 수 있는 단일구조로 안테나와 1차권선을 조합함에 의해서 개선된 유도커플러를 제공하는 것이다. 상기 1차권선 및 안테나는 커플러의 인쇄배선판의 일부로서 형성된다. 결과적으로, 상기 유도커플러는 제조비용이 적게 들고, 사용되는 충전시스템의 전체성능을 개선한다.
상기 충전시스템의 충전포트에 연결되는 커플러는 전원이 유도커플링에 의해서 전달되는 매체인 것이다. 상기 커플러의 형상은 심미적으로 양호하고 기능이 우수하다. 상기 커플러는 종래의 구조보다 다소 두껍다. 상기 커플러는 1차권선과 통신 안테나, 연결되는 충전포트내의 스위치를 동작시키기 위해서 사용되는 마그네트, 및 상기 커플러의 외측에서 보여질 수 있는 페라이트 퍽(Puck)등을 형성하는 인쇄배선판을 감싸고 있다. 상기 퍽과 1차권선의 형상은 커플러가 특징적인 디스크형상을 가지도록 한다.
상기 커플러의 형상은 최종용도의 기능적 산물이다. 상기 내부구조는 종래의 커플러구조와는 다르며, 이는 상기 1차권선으로서 보다 비싼 부스바방식의 접힘식 회전과 나선형 가압회전방식과는 상반되는 인쇄배선판을 활용한다. 915MHz 밴드 반송파 안테나는 인쇄배선판의 일부로서 사용된다. 종래에는 동축케이블로서 제작되는 노동집약형의 분리형 다이폴 안테나가 사용되었다. 상기 인쇄배선판은 절연보전(insulation integrity), 전압 공간 유지, 및 화염저항성등에 대한 안전요구조건을 충족한다. 종래의 커플러들은 고전원 충전에 필요한 적절한 냉각효과를 제공하지 못하는 보다 얇은 구조를 갖는 것이었다.
본 발명의 커플로 구조는 본 발명의 양수인에 의해서 개발된 충전시스템에 사용되기 위한 표준 인터페이스로서 선택되었다. 이는 130KW의 전원 또는 그 이상까지 도달하는 충전능력을 제공하기 위하여 그 외피내에 커플러 구조를 수용할 수 있도록 보다 두꺼운 단면을 갖는다. 그리고, 접지 쉴드의 위치도 EMI 친화성을 개선시킨 1차권선의 전원리드선에 보다 가깝도록 외부접지쉴드의 종료위치를 이동시킴으로서 개선되었다.
본 발명은 본 발명의 양수인에 의해서 제조된 MagnechargeTM전기자동차 충전시스템용 유도커플링에 사용되기 위해 의도된 것이다. 상기 Magnecharge 전기자동차 충전시스템은 종래에는 그 구조가 너무 얇아서 보다 높은 충전율에 대해서는 사용될 수 없는 커플러구조를 사용하였고, 절연재로서 피복된 압입 나선형 구리구성에 기초한 1차권선을 갖는 것이었다.
본 발명은 종래의 커플러 구조에 비하여 재료 및 인건비측면에서 100달러이상을 절약할 수 있는 것이다.
보다 두꺼운 커플러 구조는 열교환기들이 보다 고전원의 충전레벨을 위하여 사용되는 충전기모델에 설치될 수 있도록 하여준다. 얇은 단면의 열교환기들은 커플러를 가로질러서 너무 높아서 현실성이 없는 압력강하를 초래한다. 보다 두꺼운 단면은 6.6KW의 전원출력 또는 그 이하를 제공하고, 1차권선을 냉각시키는 열교환기들을 필요로 하지 않는 보다 낮은 충전율의 충진모델에 적합하다. 그리고, EMI 차폐를 제공하기 위하여 충진포트내의 구리 핑거들을 접촉하는 유도플라스틱 띠를 베이스에 갖추어 양호한 접촉특성을 커플러의 일측상에서 갖는다. 이는 보다 두꺼운 커플러가 충진포트의 보다 큰슬롯 폭을 필요로 하여 복사 방사를 증가시킬 수 있기 때문에 필요한 것이다. 또한, 상기 커플러는 잠금 메카니즘에 결합되는 특징도 갖는다.
이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라서 유도충전커플러 20 또는 충전 프로브 20를 사용하는 유도충전 시스템 10을 나타낸 블록 다이어그램이다. 상기 유도충전시스템 10은 전원케이블 14을 통해서 유도충전커플러 20에 연결되는 전원 13으로 이루어진다. 상기 유도충전 커플러 20는 전기자동차 12(점선의 화살표로 도시)내에 위치된 충전포트 15로 삽입되도록 설계된다. 상기 유도충전커플러 20는 트랜스포머의 1차측을 포함하고, 상기 충전포트 15는 그 2차측을 포함한다. 일단 유도충전커플러 20가 충전포트 15로 삽입되면, 전원 13으로 부터 동력이 제어장치 16의 제어하에 전기 자동차 12의 추진 밧테리 11로 전달된다.
도 2 및 도 3은 각각 유도충전커플러 20의 사시도, 측면도 및, 분해도이다. 그리고 도 2와 도 3은 커플러 20의 특징적인 형상을 나타낸다. 상기 유도충전 커플러 20는 핸들 23을 제공하기 위하여 구성된 2개의 짝을 이루는 커플러 반쪽부재(halves)(22a)(22b)를 갖는 플라스틱 커플러 하우징을 포함한다. 상기 유도충전커플러 20는 예를 들면, 페라이트등으로 이루어지는 중앙 마그네트 코어 24 또는 퍽(puck) 24을 갖는다. 1차권선 25은 중앙 마그네틱 코어 주위에 배치되고, 인쇄배선판 40의 다수의 층으로서 형성된다. 상기 인쇄배선판 40의 상세 설명은 도 5 및 6와 관련하여 이하에서 기술될 것이다. 충전 케이블 26 또는 그 밖의 전류이송수단 26이 상기 1차권선 25과 전원 13에 연결되어 에너지를 충전커플러 20에 연결한다. 상기 충전 커플러 20는 동력을 밧테리 11에 전원 13으로 부터 연결하기 위하여 충전포트 15의 개구부내로 삽입되도록 설계되어 있다. 다수의 마그네트 33가 제공되며, 이는 충전커플러 20가 충전포트 15에 적절하게 삽입되는 지를 표시하기 위하여 사용되는 충전포트 15내의 근접스위치(미도시)를 동작시키도록 사용된다. 안테나 35는 충전시스템내의 제어전자기기와 전기자동차 12의 전자기기사이에서 통신신호를 연결하도록 사용된다. 상기 커플러 20는 개구부 38a와 충전포트 15내로 삽입되어 고정되도록 하는 커플러 멈춤돌기 38b를 포함한다.
상기 유도충전 커플러 20의 서로 짝을 이루는 커플러 반쪽부재 22a, 22b는 1차권선 25과 중앙 마그네틱 코어 24를 포위하고, 핸들 23내에 충전 케이블 26을 고정한다. 상기 핸들 23은 충전케이블 26의 외측 쉴딩 29에 접촉하는 다수의 접지 클립 28을 포함한다. 전도성의 플라스틱 띠 31가 상기 핸들 23과 1차권선 25사이에서 커플러 20의 외측부를 따라서 배치된다. 상기 전도성의 플라스틱 띠 31는 상기 커플러 20가 충전포트 15로 삽입되는 경우, 충전포트 15상의 금속피복된 전자방해(EMI) 핑거(미도시)에 접촉한다. 변형완화부재(a strain relief member) 32가 핸들 23을 빠져나오는 지점에서 충진케이블 26을 에워싸며, 2개의 서로 짝을 이루는 커플러 반쪽부재 22a, 22b에 의해서 고정된다.
상기 커플러 하우징 22은 삽입몰딩 프로세스에 의해서 제작될 수 있다. 첫째, 상기 전도성의 플라스틱 띠 31는 성형되어 전체 커플링 하우징 22을 제작하기 위한 몰드내로 삽입된다. 상기 커플러 20는 서로 접착되고 초음파 용접되거나 고온 플레이트 용접되는 2개의 반쪽부재 22a, 22b로서 제작된다. 상기 커플러 반쪽부재 22a, 22b의 내벽은 금속으로 피복되어 상기 커플러 20가 완전하게 차폐되고, 충전케이블 26의 차폐된 외측 쉴딩 29과 전도성의 플라스틱 띠 31에 내부적으로 연결될 수 있도록 하는 것이다. 상기 핸들 23내측의 접지 클립 28은 상기 2개의 커플러 반쪽부재 22a, 22b가 서로 접착제 또는 초음파 용접방법에 의해서 서로 결합된 후에 상기 케이블 쉴딩 29과 접촉한다. 상기 커플러 20의 전도성 플라스틱 띠 31는 외측 편조(outer braided) 29에 접지된다. 상기 커플러 20가 자동차내에 위치된 충전포트 15로 삽입되면, 전도성이 플라스틱 띠 31는 충전포트 15내의 EMI 핑거들과 접촉한다. 상기 핑거들은 자동차 12의 샤시 접지에 부착된다. 도 3에서는, 유도충전 커플러 20의 내부조립도를 나타낸다. 1차권선 25은 인쇄배선판 40의 형상으로, 숄더링이나 러그(lug)로서 나사조임하는 방식에 의해서 충전케이블 26에 고정된다. 상기 충전케이블 26의 일부인 동축 RF 케이블 26a는 피복이 제거되어 인쇄배선판 40의 일부인 안테나 35에 납땜연결된다. 상기 충전케이블 26의 외측 쟈켓은 후방으로 피복이 제거되어 외측 편조쉴드 29를 노출시킨다. 상기 쉴드 29는 커플러 20내로 삽입몰드되는 전도성 플라스틱 띠 31의 전도성 섬유내로 파고드는 접지 클립 28을 갖는 2개의 베릴륨(beryllium) 구리탭사이에서 협착(sandwiched)된다. 상기 페라이트 퍽 24은 서로 결합하는 구리 반쪽부재 22a, 22b내에 형성된 성형 스프링 핑거 36를 갖는 커플러 20의 중앙에 고정된다. 상기 커플러 20내에 배치된 2개의 마그네트 33는 커플러 20의 삽입시 충전포트 15내부의 근접스위치를 폐쇄시킨다. 상기 스위치는 커플러 20가 충전포트 15내로 삽입되는 전기 자동차에 신호를 송신한다.
상기 커플러 20는 본원 발명 양수인의 여러 특허 및 특허출원과 관련하여 기술된 여러 가지 특징을 갖추고 있다. 상기 커플러 20는 1995년 10월 10일 발행된 미국 특허 제5,506,498호의 "Electromagnetically Shielded Inductive Charging Apparatus"내에 기재된 바와 같은 전자 방해 차폐와, 1996년 4월 2일 발행된 미국특허 제5,506,489호의 "Inductive Coupler Having a Tactile Feel"에 기재된 바와 같은 촉감용 홈(tactile feel indents) 37 및, 미국특허 동시계속출원된 "Charger Locking Mechanism"내의 개구부 38a와 커플러 멈출돌기 38b를 갖는 잠금기구등을 위한 전도성의 플라스틱 띠 31를 사용한다. 상기 커플러는 표준결합 충전포트를 위한 표준두께로서 선택된 0.600 인치의 두께를 갖는다. 1995년 7월 18일자로 출원된 미국특허 제 5,434,493호의 "Fixed Core Inductive Charger"에서는 본 발명의 커플러 20가 사용될 수 있는 전형적인 고정식 유도충전포트 15를 기술하고 있다. 상기 커플러 20는 전도성 띠의 위치에 적립된 단턱(step)을 갖추어 상기 포트 15의 내측 전자방해 핑거들이 커플러 20의 전체표면에 걸쳐서 마찰되지 않도록 하고, 불필요한 마모를 최소화한다.
도 5a-5g는 도 2의 유도커플러 20내에 사용된 인쇄배선판 40의 층 41-47들을 위한 도면을 도시하고 있다. 이러한 방식의 도면들은 충전포트 15내에 위치된 2차회전을 위해서 사용될수도 있다. 도 6은 인쇄배선판 40의 층 41-47들이 서로 부착되어 4회전 1차권선 25을 형성하는 방식을 설명하고 있다. 이러한 공정은 단순히 판의 층들을 더하거나 감하므로서 회전수를 증가시키거나 감소시키도록 사용될 수 있다.
따라서, 하나의 인쇄배선판내로 집적된 1차권선과 안테나를 갖추고, 전기자동차의 추진밧테리를 충전시키기 위해 사용되는 유도충전 시스템에 사용가능한 개선된 유도커플러가 제공된 것이다. 상기에서 설명된 실시예는 본 발명의 기본원리 응용을 나타내는 여러 가지 특정 실시예중의 단지 일부를 설명하기 위한 것임을 알아야 한다. 명백한 것은, 여러 가지 다양한 다른 구성들이 당업계의 숙련된 자들에 의해서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이도 용이하게 안출될 수 있다는 것이다.

Claims (7)

  1. 전원과 전기자동차의 밧테리에 결합되는 전기자동차내의 충전포트를 갖추고, 상기 충전포트에 삽입되어 전원으로 부터 전기자동차의 밧테리를 충전하도록 동력을 연결하며, 중앙 마그네틱 코어; 상기 1차권선의 선택된 인쇄회로층과 전원사이에 연결되어 에너지를 연결하는 케이블;과, 핸들을 제공하기 위한 구조로 형성되는 2개의 서로 결합하는 커플러 반쪽부재들을 갖추고, 상기 커플러 반쪽부재들은 인쇄배선판을 포위하며, 중앙의 마그네틱 코어를 고정하고, 핸들내의 케이블을 고정하는 커플러 하우징;을 갖는 유도충전장치용 유도충전 커플러에 있어서, 상기 인쇄배선판은 중앙 마그네틱 코어의 주위에 배치되고, (a) 각각 사전에 결정된 인쇄회로패턴을 갖추어 1차권선을 형성하는 다수의 인쇄회로층과, (b)선택된 인쇄회로층상의 전기적 트레이스(trace)로서 형성된 안테나를 포함함을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 외측부분을 따라서 배치되고, 커플러가 내부로 삽입되는 경우 충전포트에 결합하는 전도성의 플라스틱 띠를 추가 포함하여 전자 방해를 감소시킴을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인쇄배선판은 케이블의 외측쉴딩에 결합하는 핸들내에 배치된 다수개의 접지 클립들을 추가 포함함을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접지클럽들은 주석도금된(tinned) 구리로서 이루어짐을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중앙 마그네트코어는 페라이트로 이루어짐을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  6. 제1항에 있어서, 상기 핸들을 빠져 나오는 지점에서 케이블을 감싸는 변형완화부재를 추가 포함하고, 2개의 서로 결합하는 커플러 반쪽부재들에 의해서 고정됨을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중앙 마그네틱 코어는 커플러내에서 상기 서로 결합하는 커플러 반쪽부재내에 형성된 성형스프링 핑거에서 고정됨을 특징으로 하는 유도충전 커플러.
KR1019970032682A 1996-07-15 1997-07-14 인쇄배선판에 형성된 1차 권선을 갖는 유도커플러 조립체 KR100256724B1 (ko)

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