KR101038350B1 - 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치 - Google Patents

전기자동차용 비접촉식 전력전송장치 Download PDF

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조정구
송두익
손호섭
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Abstract

본 발명은 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치, 특히 차량의 배터리에 충전하는 시간을 확보하고 기존 차량의 배터리에 전력전송을 실시간으로 간편하게 할 수 있는 것인 바, 본 발명은 차량이 주행하는 도로를 따라 순차적으로 일정깊이 매설되되, 바(bar) 형태로 이루어진 몸체가 도로의 양측부를 향해 매설되는 복수 개의 급전코어(110)와, 차량의 주행방향을 따라 각각의 급전코어(110)를 잇는 형태로 연장되어 급전코어(110)에 감겨진 급전코일(120)을 포함하는 급전장치(100); 급전장치(100)와 비접촉으로 연동하여 도로상을 주행하는 차량의 배터리에 전력을 충전하도록 차량 하부의 일정위치에 급전장치(100)와 일정거리 이격된 상태로 마주하여 배치되되, 급전코어(110)와 대응되도록 플레이트 형태의 몸체로 이루어진 집전코어(210)와, 차량의 주행방향을 따라 상기 집전코어(210)에 감겨진 집전코일(220)을 포함하는 집전장치(200);를 포함하여 구성되며, 집전장치(200)가 탑재된 차량이 도로를 주행하는 경우 급전장치(100)로부터 자기유도에 의해 집전장치(200)에 전력을 전송하도록 구성된다.

Description

전기자동차용 비접촉식 전력전송장치 {NON-CONTACT TYPE INDUCTIVE POWER TRANSFER DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치에 관한 것으로, 상세하게 급전코일과 급전코일이 감겨질 급전코어로 이루어지는 급전장치를 차량이 주행하는 방향의 도로를 따라 일정깊이 매설하고 집전코일과 집전코일이 감겨진 집전장치로 이루어지는 집전장치를 차량 하부의 일정위치에 급전장치와 이격되게 부착하여 차량이 주행하는 경우 급전장치에 대해 집전장치에 발생되는 자기유도에 의해 주행하는 차량에 실시간으로 유도된 전력을 전송하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치에 관한 것이다.
최근 기후변환협약 등 대기오염 문제가 전 세계적으로 대두됨에 따라서 매연을 많이 발생시키는 화석연료를 사용하는 일반 엔진 자동차를 대신하여 전기를 배터리에 저장하였다가 사용하는 전기자동차에 대한 연구개발 및 상용화가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 배터리 충전방식의 전기자동차는 과도한 배터리 용량과 이로 인한 차량의 무게나 부피, 비용증가, 긴 충전시간 또는 낮은 충전효율, 배터리 수명단축 등의 문제점이 있었다.
전기자동차는 가솔린 자동차가 발명되기 전부터 실용화되었으나, 가솔린 자동차가 발달됨에 따라 자동차로서의 가속성능, 등판성능, 주행성능, 최고속도 등의 성능면에서 떨어지기 때문에 점차 자취를 감추었다. 그러나, 최근 자동차의 소음이나 배출가스 등의 공해문제와 에너지문제로 인하여 장래의 새로운 교통수단으로 적용하는데 목표를 두고 세계 각국에서 적극적으로 연구개발되고 있다.
이러한 전기자동차는 크게, 전기에 의해 구동되어 전기 자동차를 운행시키기 위한 전기모터와, 그 전기모터에 전기를 공급하는 배터리로 구성된다. 즉, 전기모터와 배터리가 일반 자동차의 엔진과 연료를 대치하는 것이다.
그런데, 전기자동차를 운행시키는 전기모터는 전기에너지를 과도하게 소모하므로 1회 충전으로 운행할 수 있는 거리는 일반 자동차에 비해 상당히 짧고 배터리를 충전하는 시간은 일반 연료를 급유하는 시간에 비하여 매우 길어 배터리를 자주 충전하여야 하는 번거로움과 배터리를 충전하기 위하여 전기에너지를 공급하는 케이블의 커넥터를 전기자동차의 커넥터에 접속시키는 과정이 매우 번거롭다는 여러 가지 문제점들이 산재해 있다.
또한, 배터리를 충전하는 시간은 일반 연료를 급유하는 시간에 비하여 상당히 길어 충전하기 위해서는 적어도 몇 시간 동안 전기자동차를 운행할 수 없다는 문제점도 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 차량에 전력을 공급하는 시간을 확보하고 기존 차량에 전력전송을 실시간으로 간편하게 할 수 있는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 구현이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 도로 및 차량에 비접촉식으로 간편하게 설치하여 실시간으로 차량에 전력을 전송할 수 있는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 제공함에 있고,
본 발명의 또 다른 목적은 도로에 매설되는 급전장치의 설치 폭을 최대한 줄이고 급전장치와 연동하는 차량 하부에 장착된 집전장치의 배치구조를 개선하여 설치비용을 효율적으로 절감할 수 있는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 제공함에 있으며,
본 발명의 또 다른 목적은 도로에 매설되는 급전장치와 차량 하부에 부착되는 집전장치 사이의 이격공간을 크게 하며, 매설된 급전장치의 가로 폭을 줄이고 급전장치와 대응되도록 차량 하부에 부착되는 집전장치의 가로 폭도 줄임으로써 설치작업을 간소화함은 물론 차량의 주행중에 자기유도에 의해 발생되는 인체에 유해한 전자기장(EMP;electromagnetic field)의 세기를 일정수치 이하로 경감할 수 있는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치는 차량이 주행하는 도로를 따라 순차적으로 일정깊이 매설되되, 바(bar) 형태로 이루어진 몸체가 도로의 양측부를 향해 매설되는 복수 개의 급전코어와, 차량의 주행방향을 따라 각각의 급전코어를 잇는 형태로 연장되어 급전코어에 감겨진 급전코일을 포함하는 급전장치; 급전장치와 비접촉으로 연동하여 도로상을 주행하는 차량에 전력을 전송하도록 차량 하부의 일정위치에 급전장치와 일정거리 이격된 상태로 마주하여 배치되되, 급전코어와 대응되도록 플레이트 형태의 몸체로 이루어진 집전코어와, 차량의 주행방향을 따라 상기 집전코어에 감겨진 집전코일을 포함하는 집전장치;를 포함하여 구성되며, 집전장치가 탑재된 차량이 도로를 주행하는 경우 급전장치로부터 자기유도에 의해 집전장치에 전력을 전송하도록 구성된다.
급전코어에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부가 형성되고, 집전코어에는 급전코어에 대응되도록 양단부가 하방으로 절곡된 외곽리브가 형성되며, 급전코어는 몸체의 중앙부에 양단부에 형성된 외곽돌출부와 동일한 방향으로 중앙돌출부가 형성되고, 집전코어는 몸체의 중앙부에 급전코어의 중앙돌출부와 대응되도록 중앙리브가 형성된다.
급전코어는 차량이 진행하는 도로의 주행방향에 대해 순차적으로 비스듬히 일정각도(θ) 기울어진 상태로 매설되며, 일정각도 기울어져 매설된 급전코어와 대응되도록 집전코어는 몸체가 마름모꼴로 기울어지게 형성됨이 바람직하다.
급전코어는 중앙부가 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 돌출되도록 꺽인 상태로 배치되며, 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 중앙부가 돌출된 급전코어에 대응되도록 집전코어는 중앙부의 전방이 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 돌출되고 전방의 돌출된 부분에 대응하여 중앙부의 후방은 도로의 주행방향으로 함입된다.
급전코어와 집전코어의 몸체 중앙부에 돌출형성된 각각의 중앙돌출부와 중앙리브에는 급전코일 및 집전코일이 각각 감겨져 단상 변압기 구조를 이루고, 중앙돌출부와 중앙리브 각각의 단면적은 외곽돌출부와 외곽리브 각각의 단면적보다 2배 넓게 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에서는 급전코어와 집전코어에 상호 대응되도록 형성된 각각의 외곽돌출부와 외곽리브 및 각각의 중앙돌출부에는 급전코일 및 집전코일이 각각 감겨져 삼상 변압기 구조를 이루고, 중앙돌출부와 중앙리브 각각의 단면적은 상기 외곽돌출부와 외곽리브 각각의 단면적과 동일하게 형성된된다.
또한, 급전코어와 집전코어에는 인접부위와 전기적으로 절연되도록 절연제인 에폭시, 니스, 우레탄 중 어느 하나로 코팅됨이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치는,
첫째, 기존 도로 및 차량에 비접촉식으로 간편하게 설치하여 실시간으로 차량의 배터리에 전력을 전송할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 도로에 매설되는 급전장치의 설치 폭을 최대한 줄이고 급전장치와 연동하는 차량 하부에 장착된 집전장치의 배치구조를 개선하여 설치비용을 효율적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 도로에 매설되는 급전장치의 배치구조와 급전장치와 이격된 상태로 비접촉식으로 연동하도록 차량 하부에 장착되는 집전장치의 구조를 여러 형태로 개선함에 따라 차체의 높이가 제각각인 차량 하부에 장착되는 집전장치와 비접촉식으로 연동하는 급전장치 사이의 일정거리 이상을 확보할 수 있게 되고, 그에 따라 도로에 매설되는 급전장치의 가로 폭을 확보함과 동시에 급전장치가 매설되는 가로방향의 트랙 폭을 획기적으로 줄임으로써 매설을 위한 설치공사비용을 절감하여 경제적으로 매우 유리한 효과가 있다.
넷째, 도로에 매설되는 급전장치와 차량 하부에 부착되는 집전장치 사이의 이격공간을 크게 하며, 매설된 급전장치의 가로 폭을 줄이고 급전장치와 대응되도록 차량 하부에 부착되는 집전장치의 가로 폭도 줄임으로써 설치작업을 간소화함은 물론 차량의 주행중에 자기유도에 의해 발생되는 전자기장(EMP;electromagnetic field)의 세기를 일정수치 이하로 경감하여 차량의 측면으로 유출되는 인체에 유해한 전자기파의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 장점도 있다.
[도 1]은 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 사시도,
[도 2]는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 평면도,
[도 3]은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 4]는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 5]는 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 평면도,
[도 6]은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 설치과정을 설명하기 위한 개략적인 구성도,
[도 7]은 본 발명의 제4실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치을 도시한 평면도,
[도 8]은 본 발명의 제4실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 설치과정을 설명하기 위한 개략적인 구성도,
[도 9]는 본 발명의 제5실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 10]은 본 발명의 제6실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 11]은 본 발명의 제7실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 12]는 본 발명의 제8실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 13]은 본 발명의 제9실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 14]는 본 발명의 제10실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도,
[도 15]은 본 발명의 제11실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
[도 1]은 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 사시도이고, [도 2]는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 평면도를 나타낸다.
[도 1] 및 [도 2]에서 보는 바와 같이, 차량에 장착된 배터리에 전력을 충전하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 작동원리 및 배치구조에 대해 상세하게 설명하면, 비접촉식 전력전송장치는 일종의 변압기로서 [도 1]과 같이 변압기의 1차철심코어에 대응되는 바(bar) 형태의 E형 급전코어(110)와 급전코일(120)을 차량이 주행하는 도로의 트랙을 따라서 순차적으로 길게 매설하고 변압기의 2차철심코어에 대응되는 플레이트 형태의 E형 집전코어(210)와 집전코일(220)을 차량 하부의 일정위치에 부착하여 차량이 도로의 트랙을 따라 주행하는 경우 변압기의 원리인 자기유도에 의해 급전코어(110)로부터 집전코어(210)의 집전코일(220)에 유도전류가 발생되며, 이렇게 차량의 주행에 따라 발생된 유도전류는 차량에 유도되어 주행중의 차량에 실시간을 전력을 전송하게 된다.
[도 3]은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, 본 발명에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치는 차량이 주행하는 도로를 따라 순차적으로 일정깊이 매설되되, 바(bar) 형태로 이루어진 몸체가 도로의 양측부를 향해 매설되는 복수 개의 급전코어(110)와, 차량의 주행방향을 따라 각각의 급전코어(110)를 잇는 형태로 연장되어 급전코어(110)에 감겨진 급전코일(120)을 포함하는 급전장치(100); 급전장치(100)와 비접촉으로 연동하여 도로상을 주행하는 차량에 전력을 전송하도록 차량 하부의 일정위치에 급전장치(100)와 일정거리 이격된 상태로 마주하여 배치되되, 급전코어(110)와 대응되도록 플레이트 형태의 몸체로 이루어진 집전코어(210)와, 차량의 주행방향을 따라 상기 집전코어(210)에 감겨진 집전코일(220)을 포함하는 집전장치(200);를 포함하여 구성되며, 집전장치(200)가 탑재된 차량이 도로를 주행하는 경우 급전장치(100)로부터 자기유도에 의해 집전장치(200)에 전력을 전송하도록 구성된다.
급전코어(110)에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부(111)가 형성되고, 집전코어(210)에는 급전코어(110)에 대응되도록 양단부가 하방으로 절곡된 외곽리브(211)가 형성된다.
급전코어(110)는 몸체의 중앙부에 양단부에 형성된 외곽돌출부(111)와 동일한 방향으로 중앙돌출부(112)가 형성되고, 집전코어(210)는 몸체의 중앙부에 급전코어(110)의 중앙돌출부(112)와 대응되도록 중앙리브(212)가 형성된다.
급전코어(110)와 집전코어(210)의 몸체 중앙부에 돌출형성된 각각의 중앙돌출부(112)와 중앙리브(212)에는 급전코일(120) 및 집전코일(220)이 각각 감겨져 단상 변압기를 구성하고, 중앙돌출부(112)와 중앙리브(212) 각각의 단면적은 외곽돌출부(111)와 외곽리브(211) 각각의 단면적보다 2배 넓게 형성된다.
급전코어(110)와 집전코어(210)에 상호 대응되도록 형성된 각각의 외곽돌출부(111)와 외곽리브(211) 및 각각의 중앙돌출부(112)에는 급전코일(120) 및 집전코일(220)이 각각 감겨져 3상 변압기 구조를 이루고, 중앙돌출부(112)와 중앙리브(212) 각각의 단면적은 상기 외곽돌출부(111)와 외곽리브(211) 각각의 단면적과 동일하게 형성된다.
[도 3]에서 보는 바와 같이, 급전코어(110)는 일체형으로 사용을 할 수도 있고, 급전코어의 양을 줄이고 비용을 절감하기 위해 [도 1]과 같이 바(bar) 형태의 코어를 일정간격을 두고 순차적으로 배치하여 구성될 수도 있다.
전기자동차와 같이 급전장치(100)와 집전장치(200)의 사이가 일정거리 이상 이격됨을 필요로 하는 경우, 효율적으로 전력을 전달하기 위해서는 급전트랙 폭(W5)이 급전코어(100)와 집전코어(200)의 갭(G)보다 훨씬 커야 한다. 이렇게 급전트랙 폭(W5)이 급전코어(110)와 집전코어(210)의 갭(G)보다 훨씬 커야 급전코어(110)를 통해 생성된 자속(flux)이 급전코어(110) 자체에서 회전하는 누설자속(leakage flux)의 발생량을 줄일 수 있게 된다.
차량이 도로를 따라 주행하는 경우 급전장치(100)와 집전장치(200) 사이에서 자기유도에 의해 유도되는 쇄교자속과 그로 인한 유도전류의 생성과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
1차 권선인 급전코일(120)에 의해서 발생된 자속(flux)이 [도 3]과 같이 2차 권선에 유도전류를 생성하는 집전코일(220)을 거치지 않고 급전코어(110) 자체적으로 돌아가는 누설자속(leakage flux)이 있고, 1차 권선인 급전코일(120)에 의해서 발생된 자속(flux)이 급전코어(110)의 외곽돌출부(111)와 이 외곽돌출부(111)에 갭(G)에 의해 일정거리 이격되어 인접하는 집전코어(210)의 외곽리브(211)를 거쳐 다시 반대방향에 위치하는 집전코어(210)의 외곽리브(211)와 이 외곽리브(211)에 갭(G)에 의해 일정거리 이격되어 인접하는 급전코어(110)의 외곽돌출부(111)를 통해 급전코어(110)로 돌아오는 쇄교자속(linkage flux)이 있다.
누설자속은 전력전달에 전혀 기여하지 못하는 반면 쇄교자속은 집전코어(210)에 감겨진 2차 권선인 집전코일(220)에 유도전류를 생성하여 차량의 배터리를 통해 온전히 전력전달에 기여한다.
누설자속을 발생시키는 경로에 대응되는 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 갭(G)은 급전코어 몸체 폭(W3)인 창폭이 되고 쇄교자속을 발생시키는 경로에 대응되는 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 갭(G)은 누설자속을 발생시키는 경로에 대응되는 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 갭(G)보다 2배 더 크게 배치되어야 한다.
자속은 자기저항이 적은 쪽으로 흐르게 되어 있는데, 급전코어(110) 및 집전코어(210)의 자기저항은 공기에 비해서 매우 낮아 무시할 수 있다고 보면, 효율적인 전력전달을 위해서는 급전코어 몸체 폭(W3)인 창폭이 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 갭(G)보다 2배 더 크게 형성되어야 한다.
급전코어 몸체 폭(W3)인 창폭이 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 갭(G)보다 2배 이하로 형성되는 경우에는 [도 3]에서 보는 바와 같이, 누설자속(M0)이 많아지고 쇄교자속은 약해지고 집전코어(210)를 통한 집전코일(220)에 유도되는 전류가 약해져 차량에 전력의 유도는 거의 이루어지지 않게 된다.
따라서, 전체 급전트랙 폭(W5)은 다음과 같이 형성됨이 바람직하다.
급전트랙 폭( W5 ) 〉(갭(G)×2 + 외곽돌출부 폭( W1 )×2)×2
예를 들어 20cm의 공극이 필요하다면 외곽돌출부 폭(W1)을 무시해도 최소한 80cm 이상의 급전트랙 폭(W5)이 필요하고 원활한 전력전달을 위해서는 100cm 정도가 필요하다.
[도 4]는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, 본 실시예에 의한 급전코어를 사용하는 경우에 급전트랙 폭(W5)은 다음과 같이 형성됨이 바람직하다.
급전트랙 폭( W5 ) 〉(갭(G)×2 + 외곽돌출부 폭( W1 )×2)
[도 5]는 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 평면도로서, 급전코어(110)는 차량이 진행하는 도로의 주행방향에 대해 순차적으로 비스듬히 경사지게 일정각도 기울어진 상태로 매설되며, 일정각도 비스듬히 경사지게 매설된 급전코어(110)와 대응되도록 집전코어(210)는 몸체가 마름모꼴로 기울어지게 형성된다.
급전코어 폭(W4)의 변동없이 도로의 트랙을 따라 차량이 주행하는 방향에 대해 급전코어(110)를 일정한 경사각(θ)을 갖도록 비스듬히 경사지게 배치함으로써 급전트랙 폭(W5)을 획기적으로 줄이게 되는데, 이는 동일한 효과의 쇄교자속을 형성하기 위한 급전코어 폭(W4)을 유지함에도 불구하고 급전코어(110)를 도로에 매설하기 위해 도로를 파헤치는 급전트랙 폭(W5)이 획기적으로 줄어들어 설치비용, 설치공사기간 등 경제적으로 매우 유리하게 된다.
[도 6]은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 설치과정을 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 차량 주행방향에 수직인 급전코어(110)와 집전코어(210)의 경우에 급전코일(120)에 교류전류를 흘려 발생하는 1차자속(M1)이 주로 급전코어(110)를 따라서 흐르게 되고 급전코어(110)의 일단부에 형성된 외곽돌출부(111)로부터 이 외곽돌출부(111)와 집전코어(210)의 일단부에 형성된 외곽리브(211) 사이의 갭(G)을 거쳐서 집전코어(210)를 따라서 흐르게 된다.
여기서, 급전코어(110)와 집전코어(210)의 각도를 차량진행방향과 비스듬하게 일정각도 틀게 되면 급전코일(120)에 의해서 발생되는 1차자속(M1)의 대부분이 급전코일(120)의 수직방향으로 흐르지 않고 급전코어(110)와 집전코어(210)를 따라서 흐르게 된다.
급전코일(120)에 전류가 흐르면 급전코일(120)과 수직으로 1차자속(M1)이 흐르지만 상술한 바와 같이 1차자속(M1)은 자기저항이 큰 공기 중으로 흐르기 보다는 자가저하이 상대적으로 훨씬 작은 집전코어(210)를 따라서 흐르게 되기 때문이다.
따라서, 급전코어(110)와 집전코어(210)를 비스듬히 기울어지게 배치하더라도 같은 갭(G)을 통해 흐르는 자속밀도는 떨어지지 않아 집전코일(220)에 유도되는 전류의 양도 일정한 수준을 유지할 수 있게 된다.
바(bar) 형태의 급전코어(110) 단면은 원형, 직사각형, 다각형 등 여러 형태로 형성될 수 있다. 급전코어(110)의 배치간격은 급전코어 폭(W4)의 2~30배 정도로 배치됨이 바람직하다.
집전코어(210)는 하나의 평판형으로 사용할 수도 있고, 바 형태로 일정간격으로 이격되게 배치하여 급전코어(110)와 같은 각도로 배열시킬 수도 있다.
급전코일(120)인 급전선은 [도 5]에서 편의상 2 턴(turn)을 도시하였지만, 여러 가지 턴 수도 가능하다.
본 실시예에서는 급전트랙 폭(W5)이 급전코어(110)의 각도에 따라서 다음과 같이 줄어들게 된다.
급전트랙 폭( W5 ) = 급전코어 폭( W4 ) × cos θ
예를 들어서 급전코어(110)의 각도를 45°로 틀게 되면 급전트랙 폭(W5)은 70%정도로 줄어들게 되고, 60°로 틀면 50%로 줄어들게 된다. 이론적으로는 90°까지 경사지게 비스듬히 배치할 수 있겠지만 바람직하게는 60~80°도 정도로 경사각(θ)을 갖도록 비스듬히 배치한다.
[도 7]은 본 발명의 제4실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치을 도시한 평면도로서, 급전코어(110)는 중앙부가 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 돌출되도록 꺽인 상태로 배치되며, 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 중앙부가 돌출된 급전코어(110)에 대응되도록 집전코어(210)는 중앙부의 전방이 차량이 진행하는 도로의 주행방향으로 돌출되고 전방의 돌출된 부분에 대응하여 중앙부의 후방은 도로의 주행방향으로 함입된다.
[도 8]은 본 발명의 제4실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치의 설치과정을 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 급전코일(120)에 교류전류를 흘려 발생되는 자속은 급전코어(110)의 외곽돌출부(111)를 통해 집전코어(210)를 거친 후, 급전코어(110)의 중앙돌출부(112)를 통해 좌우 독립적으로 흐르게 된다.
따라서, 급전코어(110)가 차량의 주행방향을 따라 전방으로 돌출되는 형태로 형성되는 경우에도 급전코어(110)와 집전코어(210) 사이의 자기유도에 의한 전력전달에는 아무런 영향을 미치지 않게 된다. 다만, 급전트랙 폭(W5)이 작아져 설치공사가 간소화된다는 장점이 있다.
본 실시예에 의한 집전코어(210)의 차량 진행방향 길이는 다음과 같다.
집전코어전체길이 ( L3 )= 집전코어측부길이 ( L2 )+ 1/2× 집전코어 폭( L1 )× sin θ 2
[도 5]의 제3실시예에 의한 집전코어(210)의 차량 진행방향 길이는 다음과 같다.
집전코어전체길이 ( L3 )= 집전코어측부길이 ( L2 )+ 집전코어 폭( L1 )× sin θ 2
여기서, 집전코어전체길이(L3)는 차량 주행방향으로 후방으로부터 전방에 이르는 전체길이를 나타내고, 집전코어측부길이(L2)는 차량 주행방향으로 집전코어의 측부 후단부에서 측부 전단부에 이르는 길이를 나타내며, 집전코어 폭(L1)은 차량의 주행방향에 대해 집전코어의 좌측부에 우측부에 이르는 길이를 나타내고, θ2는 차량의 주행방향으로 집전코어의 전방이 돌출되고 후방이 전방의 돌출된 정도에 따라 함입되어 수평방향에 대해 집전코어가 중앙전방으로 꺽인 경사각을 나타낸다.
결국 집전코어(210)의 각도가 일정하게 틀어지면 급전트랙을 모듈화 할 경우에 급전장치(100) 및 집전장치(200)의 길이가 짧아지기 때문에 취급하기 용이해지는 장점도 있다.
[도 9]는 본 발명의 제5실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치을 도시한 측단면도로서, 누설자속을 줄일 수 있는 급전코일(110) 및 집전코일(210)의 권선구조를 나타낸다.
[도 9]에서는 각 외곽돌출부(111)와 외곽리브(211)의 갭(G;gap)보다 급전코어 몸체 폭과 집전코어 몸체 폭이 충분히 길어 누설자속을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
이렇게 급전코어 몸체 폭과 집전코어 몸체 폭이 충분히 긴 경우 급전코어(110)와 집전코어(220)를 통한 자속(flux)이 원활하게 통하도록 급전코어(110)의 양단부에 대칭되게 절곡된 한 쌍의 외곽돌출부(111)에 급전코일(120)을 감고, 집전코어(210)의 양단부에 대칭되게 절곡된 한 쌍의 외곽리브(211)에 집전코일(220)을 감아 상호 급전코일(120)에 인가된 전원이 자기유도로 집전코일(220)에 유도되는 구조로 이루어진다.
[도 9]와 같이, 급전코어(110)에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부(111)가 형성되고 각각의 외곽도출부(111)에 급전코일(120)이 각각 감기며, 이렇게 감긴 각각의 급전코일(120)에 대응되게 집전장치(200)에 집전코일(220)이 구비되어 급전장치(100)와 집전장치(200)가 단상 변압기를 구성한다.
급전코어(110)와 집전코어(210)의 양단부에 한 쌍의 급전코일(120)과 집전코일(220)을 구성하고, 각각의 집전코일(220)에 유기되는 전원의 위상이 동일한 경우 하나의 도체선로에 접속시키는 결선방식에 따라 단상 변압기를 구성할 수 있다.
[도 10]은 본 발명의 제6실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치을 도시한 측단면도로서, 3상인 경우의 급전장치(100)와 집전장치(200)의 단면을 나타낸다. 단상 급전코일(120)의 경우에 급전코어(110)의 중앙돌출부(112)에 하나의 권선으로 급전코일(120)이 감겨지게 배치되지만 3상으로 배치되는 급전코일(120)의 경우에는 급전코어(110)의 중앙돌출부(112) 및 양단의 외곽돌출부(111)에 각각 급전코일(120)이 감겨서 3개의 권선으로 구성된다. 3상 집전장치(200)도 마찬가지로 집전코어(210)의 중앙리브(212) 및 양단의 외곽리브(211)에 각각 집전코일(220)이 감겨서 3개의 권선으로 구성된다.
3상 급전코일(120)에 교류전류를 흘려주면 3상 집전장치(200)의 집전코일(220)에 3상의 교류전류가 유도되어 비접촉식으로 차량에 전력이 전송된다.
[도 11]은 본 발명의 제7실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, 급전코어(110)와 집전코어(210)에 각각의 몸체가 수평의 일자형으로 구성됨을 나타낸다.
급전코어(110) 및 집전코어(210)가 단순한 일자형으로 형성되어도 제1실시예 내지 제6실시예와 마찬가지로 동일한 원리로 자기유도에 의해 차량의 배터리에 전력이 충전된다.
급전코어(110)와 집전코어(210)의 형상은 여러 가지 형태로 가능하며, 또한 급전코어(110)와 집전코어(210)는 상호 비대칭적인 구조로 배치될 수도 있다.
[도 12]는 본 발명의 제8실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, [도 10]의 제6실시예와 동일하게 급전코일(120) 및 집전코일(220)이 3상으로 구성된다.
본 실시예는 차량이 도로의 급전트랙으로부터 일정거리 측방향으로 이탈되는 경우, 제6실시예에 대응되는 외곽돌출부(111)와 외곽리브(211) 사이의 갭(G)이 비스듬히 이격되어 급전코어(110)의 1차자속이 집전코어(210)에 2차쇄교자속(M2)으로 전이가 제대로 되지 않는 경우를 방지하는 배치구조이다.
[도 13]은 본 발명의 제9실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, 본 실시예에서는 일자형 급전코어(110) 및 집전코어(210)를 취급하기 편리하도록 일정 수량을 묶어서 콘크리트와 같은 물질로 몰딩함으로써 급전코일(120)인 급전선을 간편하게 배치할 수 있도록 홈이 형성된 급전코어(110) 모듈을 구성할 수 있다.
[도 14] 및 [도 15]는 본 발명의 제10실시예 및 제1실시예에 따른 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치를 도시한 측단면도로서, 집전코어(210)의 외곽리브(211)와 중앙리브(212)의 하단부 형태를 여러 형태로 변형하여 급전코어(110)로부터 쇄교되는 자속의 흐름을 원활하게 하여 집전코어(210)에 감겨진 집전코일(220)에 전류의 유도가 원활하기 위함이다.
급전코어(110)와 집전코어(210)에는 인접부위와 전기적으로 절연되도록 절연제인 에폭시, 니스, 우레탄 중 어느 하나로 코팅된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 급전장치 110 : 급전코어 111 : 외곽돌출부
112 : 중앙돌출부 120 : 급전코일 200 : 집전장치
210 : 집전코어 211 : 외곽리브 212 : 중앙리브
220 : 집전코일 θ,θ2 : 경사각 G : 갭(gap)
W1 : 외곽돌출부 폭 W2 : 중앙돌출부 폭 W3 : 급전코어 몸체 폭
W4 : 급전코어 폭 W5 : 급전트랙 폭 L1 : 집전코어 폭
L2 : 집전코어측부길이 L3 : 집전코어전체길이 M1 : 1차자속
M2 : 2차쇄교자속 M0 : 누설자속

Claims (10)

  1. 집전장치(200)가 탑재된 차량이 주행하는 도로를 따라 순차적으로 일정깊이 매설되는 급전장치(100)로부터 자기유도에 의해 상기 집전장치(200)에 전력을 전송할 수 있도록 바(bar) 형태로 이루어진 몸체가 차량이 주행하는 도로의 진행방향에 대해 순차적으로 비스듬히 경사지게 일정각도 기울어진 상태로 매설되는 복수 개의 급전코어(110)와, 차량의 주행방향을 따라 각각의 상기 급전코어(110)를 잇는 형태로 연장되어 급전코어(110)에 감겨진 급전코일(120)을 포함하는 급전장치(100)로 구성되는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전장치(200)는
    상기 급전장치(100)와 비접촉으로 연동하여 도로상을 주행하는 차량에 전력을 전송하도록 차량 하부의 일정위치에 상기 급전장치(100)와 일정거리 이격된 상태로 마주하여 배치되며, 상기 급전코어(110)에 대응하여 같은 각도로 기울어진 마름모꼴 플레이트(plate)형의 집전코어(210)와, 차량의 주행방향을 따라 상기 집전코어(210)에 감겨진 집전코일(220)을 포함하여 구성되는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  3. 집전장치(200)가 탑재된 차량이 주행하는 도로를 따라 순차적으로 일정깊이 매설되는 급전장치(100)로부터 자기유도에 의해 상기 집전장치(200)에 전력을 전송할 수 있도록 바(bar) 형태로 이루어진 몸체의 중앙부가 도로의 진행방향으로 돌출되도록 꺾인 상태로 매설되는 복수 개의 급전코어(110)와, 도로의 진행방향을 따라 각각의 상기 급전코어(110)를 잇는 형태로 연장되어 급전코어(110)에 감겨진 급전코일(120)을 포함하는 급전장치(100)로 구성되는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 집전장치(200)는
    상기 급전장치(100)와 비접촉으로 연동하여 도로를 주행하는 차량에 전력을 전송하도록 차량 하부의 일정위치에 상기 급전장치(100)와 일정거리 이격된 상태로 마주하여 배치되며, 상기 급전코어(110)에 대응하여 중앙부의 전방이 차량의 주행방향으로 돌출되고 전방의 돌출된 부분에 대응하여 중앙부의 후방은 차량의 주행방향으로 함입된 플레이트(plate)형의 집전코어(210)와, 차량의 주행방향을 따라 상기 집전코어(210)에 감겨진 집전코일(220)을 포함하여 구성되는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전코어(110)에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부(111)가 형성되고 각각의 상기 외곽도출부(111)에 상기 급전코일(120)이 각각 감기며, 이렇게 감긴 각각의 상기 급전코일(120)에 대응되게 상기 집전장치(200)에 집전코일(220)이 구비되어 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 단상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 집전코어(210)에는 상기 급전코어(110)에 대응되도록 양단부가 하방으로 절곡된 외곽리브(211)가 형성되고 상기 급전코일(120)에 대응되게 각각의 외곽리브(211)에 집전코일(220)이 각각 감겨 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 단상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 급전코어(110)에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부(111)와 중앙부에 상방 돌출된 중앙돌출부(112)가 형성되고 이 중앙돌출부(112)의 단면적은 상기 외곽돌출부(111)의 2배로 형성되며 상기 중앙돌출부(112)에 급전코일(120)이 감기고 이 급전코일(120)에 대응되게 상기 집전장치(200)에 집전코일(220)이 구비되어 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 단상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  8. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 집전코어(210)에는 상기 급전코어(110)에 대응되도록 양단부가 하방으로 절곡된 외곽리브(211)와 중앙부에 하방 돌출된 중앙리브(212)가 형성되고 상기 급전코일(120)에 대응되게 중앙리브(212)에 상기 집전코일(220)이 감겨 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 단상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  9. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 급전코어(110)에는 양단부가 상방으로 절곡된 외곽돌출부(111)와 중앙부에 상방 돌출된 중앙돌출부(112)가 형성되고 각각의 외곽돌출부(111), 중앙돌출부(112)에 각각 상기 급전코일(120)이 감기고 이렇게 감겨진 각각의 상기 급전코일(120)에 대응되게 상기 집전장치(200)에 집전코일(220)이 구비되어 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 3상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
  10. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 집전코어(210)에는 상기 급전코어(110)에 대응이 되도록 양단부가 하방으로 절곡된 외곽리브(211)와 중앙부에 하방 돌출된 중앙리브(212)가 형성되고 상기 급전코일(120)에 대응되게 각각의 상기 외곽리브(211), 상기 중앙리브(212)에 상기 집전코일(220)이 감겨 상기 급전장치(100)와 상기 집전장치(200)가 3상 변압기를 구성하는 전기자동차용 비접촉식 전력전송장치.
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