KR100978593B1 - 복합 코어 비선형 리액터 및 유도 수전 회로 - Google Patents

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Abstract

복합 코어 비선형 리액터로서, 고투자율 재료로 이루어지고, 연속한 환형 자기 경로를 형성하는 제1 코어 부재와, 고투자율 재료로 이루어지고, 공극에 의해서 국부 파단된 환형 자기 경로를 형성하는 제2 코어 부재와, 도전율 및 열전도율이 높은 저투자율 재료로 이루어지고, 상기 제1 코어 부재와 상기 제2 코어 부재 사이에 끼워져 이들과 일체화되는 자기 차폐판 및, 코일 권선을 구비하고, 상기 제1 코어 부재의 환형 자기 경로와 상기 제2 코어 부재의 환형 자기 경로는 상기 자기 차폐판을 사이에 두고 나란히 배치되어 있고, 상기 코일 권선은 양쪽의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 감겨 있다.

Description

복합 코어 비선형 리액터 및 유도 수전 회로{COMPOSITE CORE NONLINEAR REACTOR AND INDUCTION POWER RECEIVING CIRCUIT}
본 발명은 교류 전원 시스템의 조정 및 제어의 목적으로 이용되는 복합 코어 비선형 리액터에 관한 것이며, 또한 이 리액터를 이용한 유도 수전 회로에도 관계 있는 것이다.
일본 특허 공개 제10-70856호 공보에는, 가포화 리액터를 이용한 정전압 유도 급전 장치에 관한 발명이 개시되어 있다. 이것은 궤도를 따라서 주행하는 차량의 구동 전력을, 전자기 유도를 이용하여 비접촉으로 궤도 측에서부터 차량으로 공급하는 장치이다. 차량에 탑재되는 유도 수전 회로는 기본 구성으로서, 궤도측 설비로부터 발생하는 교번 자계(10 ㎑ 정도의 일정 주파수) 안에 배치되어 유도 기전력을 발생하는 수전 코일과, 이 수전 코일에 접속되어 자계 주파수에 동조하는 공진 회로를 형성하는 공진 커패시터와, 공진 회로로부터 추출한 교류 전력을 직류화하여 모터 등의 부하에 공급하는 변환기를 구비하고 있다.
이 유도 수전 회로에 있어서는, 부하가 전력을 거의 소비하지 않는 경우("경부하 상태"라고 한다), 어떤 제한 요인이 작용하지 않는 한, 수전 코일의 유기 전력이 제한 없이 증가하여 회로가 파괴된다. 이 때문에, 상기 선행 기술에서는 수전 코일과 커패시터로 형성된 공진 회로에 가포화 리액터를 병렬 접속함으로써 전압의 비정상 상승을 규제하는, 즉 정전압화하는 구성을 채용하고 있다.
발명자들은 상기와 같은 목적에 적합한 비선형 리액터가 구비하여야 하는 다양한 특성에 관해서 연구를 계속하였다. 10 ㎑ 이상의 고주파 영역에서 사용하는 가포화 리액터의 경우, 고저항의 특성을 나타내는 페라이트로 코어를 구성하면, 고주파 자계에 의해서 생기는 와전류 손실 발열이 작은 이점이 있다. 그러나, 페라이트는 온도에 따라서 자기 특성(포화 자속 밀도)이 크게 변화하므로, 리액터가 사용되는 환경의 온도 변화가 큰 경우에는 가포화 리액터에 의해서 제공되는 전술의 정전압 특성이 안정하지 않는다는 문제점이 있다.
아몰퍼스 합금 연자성 재료와 나노결정 연자성 재료는 온도 변화에 대해서 안정한 자기 특성을 나타내므로, 이러한 재료로 구성된 코어를 갖는 가포화 리액터를 이용하면, 리액터를 사용하는 환경의 온도 변화가 크더라도 정전압 특성이 안정하다는 이점이 있다. 그러나, 이 스트립형 자성 재료를 감아서 코어를 구성하면, 코일에 급격한 펄스 전류가 흐른 경우에는 스트립 면에 와전류를 발생하기 쉽고, 이것에 의해서 코어 자체가 크게 발열하는 문제가 있다.
어느 코어 재료인 경우에도, 정전압 유지를 위해서 상기 유도 수전 회로에 가포화 리액터를 접속한 구성에서는, 정전압 유지 작용을 만들어내는 동작 모드에서 10 ㎑ 이상의 고주파의 각 반파의 피크 부근에서 코어가 자기 포화하고, 그에 따라서, 코어에 감긴 코일에 급격한 펄스 전류가 흐르게 된다(이것에 의해서 전압 상승이 규제된다). 주지하는 바와 같이, 이러한 급격한 고주파 펄스 전류는 주변에 유해한 전자기 방해(EMI)를 제공하는 심각한 문제를 안고 있다.
본 발명은 전술한 기술 과제를 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 급격한 펄스 전류를 발생하지 않으면서 전류 상승을 안정하게 억제할 수 있고, 발열과 EMI 문제를 경감할 수 있는 복합 코어 비선형 리액터를 제공하는데 있고, 또한, 이러한 리액터를 이용한 유도 수전 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 한 형태는 복합 코어 비선형 리액터로서, 고투자율 재료로 이루어지고, 연속한 환형 자기 경로를 형성하는 제1 코어 부재와, 고투자율 재료로 이루어지고, 공극에 의해서 국부 파단된 환형 자기 경로를 형성하는 제2 코어 부재와, 도전율 및 열전도율이 높은 저투자율 재료로 이루어지고, 상기 제1 코어 부재와 상기 제2 코어 부재 사이에 삽입되어 이들과 일체화되는 자기 차폐판과, 코일을 구비하고, 상기 제1 코어 부재의 환형 자기 경로와 상기 제2 코어 부재의 환형 자기 경로가 상기 자기 차폐판을 사이에 두고 나란히 배치되어 있고, 상기 코일은 양쪽의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 감겨 있는 것이다.
본 발명의 다른 형태는 복합 코어 비선형 리액터로서, 고투자율 재료로 이루어지고, 각각 연속한 환형 자기 경로를 형성하는 2개의 제1 코어 부재와, 고투자율 재료로 이루어지고, 공극에 의해서 국부 파단된 환형 자기 경로를 형성하는 제2 코어 부재와, 도전율 및 열전도율이 높은 저투자율 재료로 이루어지고, 상기 제2 코어 부재의 양측에 배치되며, 상기 제1 코어 부재와 상기 제2 코어 부재 사이에 삽입되어 이들과 일체화되는 2개의 자기 차폐판과, 코일을 구비하고, 상기 2개의 제1 코어 부재의 각각의 환형 자기 경로와 상기 제2 코어 부재의 환형 자기 경로가 상기 2개의 자기 차폐판을 사이에 두고 3중열(triple-in-line)로 나란히 배치되어 있고, 상기 코일은 이들 3중열의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 감겨 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 형태는 공진 회로에서부터 부하로 전력을 공급하는 유도 수전 회로로서, 소정 주파수의 교번 자계 안에 배치되어 유도 기전력을 발생하는 수전 코일과, 수전 코일에 접속되어 자계 주파수에 동조하는 공진 회로를 형성하는 공진 커패시터를 구비하고, 상기 형태들 중 하나의 형태에 따른 복합 코어 비선형 리액터의 코일이 공진 커패시터에 병렬 접속되어 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 코어 비선형 리액터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 코어 비선형 리액터(코일은 생략)의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 코어 비선형 리액터(코일은 생략)의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 복합 코어 비선형 리액터를 합체한 유도 수전 회로의 회로도이다.
본 발명에 따른 복합 코어 비선형 리액터의 기본적인 실시예를 도 1에 도시하고 있다. 이 실시예에서는 공극이 없는 제1 코어 부재(1)와, 공극(3)이 있는 제2 코어 부재(2) 모두는 아몰퍼스 합금 연자성 재료 또는 나노결정 연자성 재료의 스트립형 재료를 롤 형태로 조밀하게 감은 환형 코어이다. 제2 코어 부재(2)는 도시하는 바와 같이 환형의 일부를 파단하여 공극(3)을 마련하고 있다.
자기 차폐판(4)의 재료로서는 알루미늄, 동 또는 SUS304 등이 적합하다. 도 1에 도시한 실시예의 자기 차폐판(4)은 브라켓을 겸하여 L자형으로 절곡되어 있고, 그의 주면은 코어 부재(1, 2)의 외경보다 크고, 코어 부재(1, 2)의 내경과 거의 같은 구멍이 나 있다. 제1 코어 부재(1)와 제2 코어 부재(2) 모두가 이 구멍 위치에 맞추어지도록, 제1 코어 부재(1)와 제2 코어 부재(2)가 자기 차폐판(4)의 양면에 각각 접합되고, 제1 코어 부재(1)와 제2 코어 부재(2)의 환형 자기 경로가 자기 차폐판(4)을 사이에 두고 나란히 배치되어 있다. 코일(5)은 이들 2개의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 자기 차폐판(4)의 구멍을 통해서 코어 부재(1, 2)에 감겨 있다.
스트립형 재료를 조밀하게 감아서 구성한 코어 부재(1, 2)의 경우에는, 환형의 양측 평면 부분은 스트립형 재료의 측면 엣지를 집적한 면이고, 이들 면은 효율 좋은 열전도도를 가진다. 이들 면은 자기 차폐판(4)에 접합된다. 그러나, 이들을 접합하는 경우에, 이들은 코어 부재(1, 2)에서 발생한 열을 가능한 한 효율 좋게 자기 차폐판(4)에 전달하도록 열결합이 조밀해지도록 접합되어야 한다. 이러한 접합이 전기적으로 절연되도록 양자간에 실리콘 등으로 만든 절연 시트를 삽입시키거나, 에폭시 등의 절연 도장을 도포한다. 이 전기 절연에 의해서, 자기 차폐판(4)은 와전류를 흘리는 경로가 되지 않는 것이다.
실시예의 자기 차폐판(4)은 이 복합 코어 비선형 리액터 자체의 고정 브라켓으로서 사용 가능한 형태로 되어 있고, 코일(5)에서 발생하는 기자력의 영향으로부터 주위 구조물(주로 철재류의 것)을 멀게 하므로 자기 차폐판(4)의 브라켓 기능은 효과적이며, 또한 브라켓 부분은 방열에도 효과적으로 기여한다.
이상과 같이 구성된 도 1의 복합 코어 비선형 리액터를, 예컨대 도 4에 도시하는 유도 수전 회로에 집적한다. 도 4에 도시하는 유도 수전 회로는 10 ㎑ 정도의 일정 주파수의 교번 자계 안에 배치되고 유도 기전력을 발생하는 수전 코일(41)과, 수전 코일(41)에 접속되어 자계 주파수에 동조하는 공진 회로를 형성하는 공진 커패시터(42)와, 공진 회로로부터 추출한 교류 전력을 직류화하여 모터 등의 부하(45)에 공급하는 변환기(43)를 구비하고 있다. 본 발명에 따른 복합 코어 비선형 리액터(44)를, 보다 구체적으로 본 발명에 따른 복합 코어 비선형 리액터(44)의 코일(5)을 공진 커패시터(42)와 병렬로 접속하고 있다.
도 4에 도시한 응용예를 염두에 두고, 본 발명의 복합 코어 비선형 리액터의 작용에 관하여 설명한다.
공극이 없는 제1 코어 부재(1)는 당연히, 공극(3)이 있는 제2 코어 부재(2)보다 자기 저항이 상당히 적다. 따라서, 제1 코어 부재(1)가 자기 포화하지 않은 영역에서, 코일(5)에 흐르는 전류에 의한 자화력은 오로지 제1 코어 부재(1)에 자속을 생기게 한다. 이 상태에서는 리액터(44)는 큰 인덕턴스값을 나타낸다. 제1 코어 부재(1)의 자속 밀도가 포화하면, 코일 전류에 의해서 발생한 자화력이 제2 코어 부재(2)에서 자속을 생기게 한다. 제1 코어 부재(1)가 자기 포화하면, 이것으로부터 생기는 인덕턴스는 거의 제로로 된다. 그러나, 동시에 제2 코어 부재(2)에서도 자속이 생기기 때문에, 리액터(44) 자체의 인덕턴스는 어느 정도의 값을 유지하게 된다. 따라서, 제1 코어 부재(1)가 자기 포화하더라도 리액터(44)에 흐르는 펄스 전류는 그다지 급격하고 과대하게 되지 않는다. 즉, 부드럽게 전압 억제 작용이 작동하게 되어, 급격하고 과대한 펄스 전류로부터 생기는 와전류에 의한 발열과 전자 방해의 문제가 경감된다. 또한, 제2 코어 부재(2)의 공극(3)으로부터 자속이 주위로 누출하지만, 이러한 자속은 자기 차폐판(4)에 의해서, 제1 코어 부재(1)로 들어가 와전류 손실이 발생하는 것은 방지되고 있다.
이제까지의 설명으로 명확한 바와 같이, 본 발명의 복합 코어 비선형 리액터는 전압 억제, 즉 서지 킬러로서의 효과를 갖는다. 또한, 제1 코어 부재(1)를 포화시키는 전압 또는 그 이상의 전압이 인가된 경우, 서지 에너지는 전류로서 코일(5)에 흐르고, 자기 에너지로 변환되는 동시에, 코일(5)과 이 코일(5)에 접속되는 전선의 저항 손실로서도 소비되므로, 리액터는 서지 내량이 큰 특성을 갖게 되고, 또한 반복성 있는 서지를 흡수하는데 효과적이다.
또한, 자기 차폐판(4)은 코어 부재(1, 2)에서 생긴 열을 신속하게 방열시키고 과열로부터 보호하는 역할도 하고 있다. 이 방열 역할을 강화시키기 위해서는 자기 차폐판(4)을 크게 하여 코어 부재(1, 2)의 외측에 돌출하여 넓어지는 부분(방열 핀 부분)을 크게 한다. 도 2에 도시한 실시예(코일은 생략)에서 나타낸 바와 같이, 코어 부재(1, 2)의 외면측에 각각 자기 차폐판(4a, 4b)을 일체적으로 접합하 면, 자계의 절연과 방열 모두에 대해서 효과적이다.
본 발명의 복합 코어 비선형 리액터의 특성을 좌우하는 주요한 파라미터는 제1 코어 부재(1)의 단면적, 제2 코어 부재(2)의 단면적, 공극(3)의 크기, 코일(5)의 권선수 등이며, 이들 파라미터를 적절하게 설정하여 소망하는 비선형 특성의 리액터를 실현할 수 있다. 따라서, 이와 같이 하기 위한 구성의 변화를 도 3에 도시한 실시예에 나타내고 있으며, 여기서, 코일은 생략되어 있다. 이 예에서는, 단면적이 큰 제2 코어 부재(2)의 양측에 단면적이 작은 2개의 제1 코어 부재(1a, 1b)를 3중열로 나란히 배치하고 있다. 도면 부호 4a 내지 4d는 전술한 것과 동일한 자기 차폐판이다.
이상 설명한 본 발명의 실시예에 의하면, 유도 수전 회로의 전압 억제를 위해서 복수 개의 복합 코어 비선형 리액터를 통합하는 등의 응용에 있어서, 안정한 전압 레벨에서 서지 내량도 크고, 또한 부드럽게 전압 억제 작용이 작동하므로, 급격하고 과대한 펄스 전류로부터 생기는 전자기 방해 문제가 경감된다. 또한, 리액터가 가열되기 어려우므로, 실장 설계가 용이해지고, 그 결과, 장치의 소형화에 기여한다.

Claims (7)

  1. 복합 코어 비선형 리액터로서,
    고투자율 재료로 이루어지고, 연속한 환형 자기 경로를 형성하는 제1 코어 부재와,
    고투자율 재료로 이루어지고, 공극에 의해서 국부 파단된 환형 자기 경로를 형성하는 제2 코어 부재와,
    높은 도전율과 높은 열전도율을 갖는 저투자율 재료로 이루어지고, 상기 제1 코어 부재와 상기 제2 코어 부재 사이에 삽입되어 이들과 일체화되는 자기 차폐판과,
    코일을 구비하고,
    상기 제1 코어 부재의 환형 자기 경로와 상기 제2 코어 부재의 환형 자기 경로는 상기 자기 차폐판을 사이에 두고 나란히 배치되어 있고, 상기 코일은 양쪽의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 감겨 있는 것인, 복합 코어 비선형 리액터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 코어 부재 및 상기 제2 코어 부재 모두의 외면측에 상기 자기 차폐판이 일체적으로 접합된 것인, 복합 코어 비선형 리액터.
  3. 복합 코어 비선형 리액터로서,
    고투자율 재료로 이루어지고, 각각 연속한 환형 자기 경로를 형성하는 2개의 제1 코어 부재들과,
    고투자율 재료로 이루어지고, 공극에 의해서 국부 파단된 환형 자기 경로를 형성하는 제2 코어 부재와,
    높은 도전율과 높은 열전도율을 갖는 저투자율 재료로 이루어지고, 상기 제2 코어 부재의 양측에 각각 배치되며, 각각이 상기 제1 코어 부재들과 상기 제2 코어 부재 사이에 삽입되어 이들과 일체화되는 2개의 자기 차폐판들과,
    코일을 구비하고,
    상기 2개의 제1 코어 부재들의 각각의 환형 자기 경로와 상기 제2 코어 부재의 환형 자기 경로는 상기 2개의 자기 차폐판들을 사이에 두고 3중열로 나란히 배치되어 있고, 상기 코일은 상기 3중열의 환형 자기 경로에 공통으로 쇄교하도록 감겨 있는 것인, 복합 코어 비선형 리액터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2개의 제1 코어 부재들의 외면측의 각각에 일체적으로 접합된 자기 차폐판을 더 포함하는 복합 코어 비선형 리액터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 차폐판은 상기 제1 코어 부재 및 상기 제2 코어 부재의 외형 형상의 외측으로 돌출하여 넓어지는 외형 형상을 가지는 방열 핀 부분을 일체적으로 구비하고 있는 것인, 복합 코어 비선형 리액터.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 차폐판과 상기 코어 부재들은 전기적으로 절연된 상태로 접합되어 있는 것인, 복합 코어 비선형 리액터.
  7. 공진 회로에서부터 부하로 전력을 공급하는 유도 수전 회로로서,
    미리 결정된 주파수의 교번 자계 안에 배치되어 유도 기전력을 발생하는 수전 코일과,
    수전 코일에 접속되어 자계의 주파수에 동조하는 공진 회로를 형성하는 공진 커패시터
    를 구비하고,
    청구항 제1항 내지 제4항 중 어느 한 청구항에 따른 복합 코어 비선형 리액터의 코일이 상기 공진 커패시터에 병렬 접속되어 있는 것인, 유도 수전 회로.
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