KR101210436B1 - 비접촉식 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비접촉식 전원 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비접촉식 전원 공급 장치는 인접하는 1차측 자성체들마다 상호 반대방향으로 교번적으로 권선된 1차 코일들로 이루어진 1차 코일 세그먼트 및 상기 1차 코일 세그먼트로 1차측 전원을 공급하는 고주파 전원부를 포함하는 1차측 전원장치 및 상기 1차 코일 세그먼트와의 전자기 유도에 따라 교류전력을 전달받기 위한 2차 코일, 상기 2차 코일이 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 전력 변환부 및 상기 직류전력을 저장하기 위한 전력 저장부를 포함하는 2차측 전원장치를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 보행형 로봇의 중량을 저감하고 운용시간을 획기적으로 늘릴 수 있고, 제조비용을 저감할 수 있는 비접촉식 전원 공급장치가 제공되는 효과가 있다.

Description

비접촉식 전원 공급 장치{CONTACTLESS POWER SUPPLY APPARATUS}
본 발명은 비접촉식 전원 공급 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보행형 로봇의 중량을 저감하고 운용시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 비접촉식 전원 공급 장치에 관한 것이다.
기존에 적용되고 있는 근력지원 로봇이나 보행형 로봇의 경우 로봇 외측에 장착된 고용량 배터리를 통해 전원을 공급함으로써, 배터리부의 중량이 로봇 시스템의 부하로 작용한다는 문제점이 있다.
또한, 로봇의 운용 시간을 늘리기 위해서는 배터리의 전류용량을 증가시켜야하기 때문에 전체 시스템 중량이 결과적으로 증가할 수밖에 없어 고 에너지 밀도를 가진 고가의 배터리를 적용해야 하며, 이에 따라 제조비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 보행형 로봇의 중량을 저감하고 운용시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 비접촉식 전원 공급장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 보행형 로봇의 제조비용을 저감하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 비접촉식 전원 공급 장치는 인접하는 1차측 자성체들마다 상호 반대방향으로 교번적으로 권선된 1차 코일들로 이루어진 1차 코일 세그먼트 및 상기 1차 코일 세그먼트로 1차측 전원을 공급하는 고주파 전원부를 포함하는 1차측 전원장치 및 상기 1차 코일 세그먼트와의 전자기 유도에 따라 교류전력을 전달받기 위한 2차 코일, 상기 2차 코일이 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 전력 변환부 및 상기 직류전력을 저장하기 위한 전력 저장부를 포함하는 2차측 전원장치를 포함하여 구성된다.
상기 1차측 전원장치는 바닥에 설치되어 있고, 상기 2차측 전원장치는 상기 바닥을 보행하는 보행형 로봇의 족부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 1차측 전원장치는 상기 1차 코일 세그먼트의 상부에 설치되어 상기 1차 코일 세그먼트를 보호하기 위한 비자성체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 1차 코일 세그먼트는 전선 또는 버스바(bus bar)를 매개로 상기 고주파 전원부에 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 2차 코일의 권선 방향은 상기 1차 코일들의 권선 방향과 직각을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 보행형 로봇의 중량을 저감하고 운용시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 비접촉식 전원 공급장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 보행형 로봇의 제조비용이 저감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치를 회로적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치의 단면도이다.
도 4는 1차 코일 세그먼트의 연결 및 배치 구조의 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 1차 코일 세그먼트와 2차 코일이 정렬되지 않는 경우 자속(Magnetic Flux)의 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 1차 코일 세그먼트와 2차 코일이 정렬되는 경우 자속의 분포와 전자기 유도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 1차 코일 세그먼트와 2차 코일간의 정렬의 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치를 회로적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비접촉식 전원 공급 장치는 1차측 전원장치(10) 및 2차측 전원장치(20)로 이루어진다. 후술하겠지만, 2차측 전원장치(20)는 전자기 유도를 통하여 1차측 전원장치(10)로부터 전력을 전달받는다.
이하에서는 1차측 전원장치(10)는 바닥에 설치되어 있고, 2차측 전원장치(20)는 바닥을 보행하는 보행형 로봇의 족부에 설치되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다. 여기서 바닥은 예를 들어, 공장 등의 각종 시설의 바닥일 수 있다.
1차측 전원정치는 1차 코일 세그먼트(100), 고주파 전원부(110), 비자성체(120) 및 버스바(bus bar, 130)를 포함하여 구성된다.
1차 코일 세그먼트(100)는 1차측 자성체들(102, 104, 106, 108)과 이 1차측 자성체들(102, 104, 106, 108)에 권선되어 있는 1차 코일들(101, 103, 105, 107)의 배열로 이루어진다.
1차 코일 세그먼트(100)를 구성하는 인접하는 1차측 자성체들(102, 104, 106, 108)에는 1차 코일들(101, 103, 105, 107)이 상호 반대방향으로 교번적으로 권선되어 있다. 이를 1차 코일 세그먼트(100)의 연결 및 배치 구조의 예를 나타낸 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 1차측 자성체 102에 권선된 1차 코일 101의 권선 방향과 1차측 자성체 104에 권선된 1차 코일 103의 권선 방향은 서로 반대 방향인 것을 알 수 있다. 이러한 권선 방향에 의하여 1차측 자성체 102가 N극으로 작용하는 경우 1차측 자성체 104는 S극으로 작용하며, 1차 코일 101에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속의 방향과 1차 코일 103에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속의 방향은 서로 반대가 된다.
고주파 전원부(110)는 1차 코일 세그먼트(100)로 고주파의 교류 전원인 1차측 전원을 공급하기 위한 수단이다. 예를 들어, 고주파 전원부(110)에서 발생되는 전력은 단상의 형태를 가지며 주파수는 수백 Hz ~ 수 kHz까지 변조된다.
비자성체(120)는 1차 코일 세그먼트(100)의 상부에 설치되어 1차 코일 세그먼트(100)를 보호하기 위한 수단이다.
버스바(130)는 1차 코일 세그먼트(100)와 고주파 전원부(110)를 전기적으로 연결하여 고주파 전원부(110)로부터 1차 코일 세그먼트(100)를 구성하는 각각의 1차 코일로 고주파 전원이 공급되도록 하기 위한 수단이다. 버스바(130)를 대체하여 전선을 사용할 수도 있다.
1차 코일 세그먼트(100)는 전선 또는 버스바(bus bar, 130)를 매개로 고주파 전원부(110)에 병렬 연결되는 것이 바람직하다.
2차측 전원장치(20)는 2차 코일(201), 전력 변환부(220) 및 전력 저장부(230)를 포함하여 구성된다. 앞에서도 설명하였지만, 2차측 전원장치(20)의 구성요소중 적어도 2차 코일(201)과 2차측 자성체(202)는 보행형 로봇의 족부에 설치된다.
2차 코일(201)은 1차 코일 세그먼트(100)와의 전자기 유도에 따라 교류전력을 전달받기 위한 수단이며, 2차 코일(201)의 권선 방향은 1차 코일들의 권선 방향과 직각을 이루는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 5와 도 6을 참조하여 2차 코일(201)이 1차 코일 세그먼트(100)로부터 전자기 유도에 따른 교류 전력을 전달받는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 1차 코일 세그먼트와 2차 코일이 정렬되지 않는 경우 자속(Magnetic Flux)의 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 1차 코일 세그먼트로 1차측 전원이 공급되면 이에 따른 자속은 생성되어 있으나, 2차 코일이 설치되어 있는 로봇의 족부가 1차 코일 세그먼트에 정렬되지 않기 때문에, 2차 코일로의 전자기 유도는 발생되지 않는다.
도 6은 1차 코일 세그먼트와 2차 코일이 정렬되는 경우 자속의 분포와 전자기 유도를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 1차 코일 세그먼트와 2차 코일간의 정렬의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6과 도 7을 참조하면, 1차 코일 세그먼트로 1차측 전원이 공급되어 이에 따른 자속이 생성되어 있는 상태에서 2차 코일이 설치되어 있는 로봇의 족부가 1차 코일 세그먼트에 정렬되면, 1차 코일 세그먼트에 생성되어 있는 자속이 2차측 자성체(202)를 통하여 흐르기 때문에 이 2차측 자성체(202)에 권선되어 있는 2차 코일에 전자기 유도에 의한 전류가 생성된다.
이러한 과정을 통하여 2차 코일은 1차 코일 세그먼트로부터 교류전력을 전달받는다.
전력 변환부(220)는 2차 코일(201)이 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 수단이며, 전력 저장부(230)는 직류전력을 저장하기 위한 수단이다. 이 전력 저장부(230)는 2차전지 또는 울트라 커패시터일 수 있다. 또한, 이 전력 변환부(220)와 전력 저장부(230)도 공간적인 마진이 있는 경우 로봇의 족부에 설치될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 로봇의 중량을 저감하고 운용시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 비접촉식 전원 공급장치가 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 시설 내에서 운용되는 인 하우스(in house) 용도의 보행형 로봇은 비접촉의 형태로 전원을 지속적으로 공급받을 수 있고, 로봇의 보행 위치에 독립적으로 전원 공급이 가능하기 때문에 로봇의 운용 시간을 사용자가 원하는 만큼 늘릴 수 있고, 2차전지의 에너지 용량을 최적화하여 로봇의 중량을 소형화하는 것이 가능하다. 또한, 2차 전지의 중량 한도로 인해 제한되었던 전원의 출력 밀도 한계를 증대시켜, 적용된 액츄에이터의 출력을 증대시킬 수 있으므로 로봇에서 발생되는 힘 또는 토크 한계치를 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 1차측 전원장치
20: 2차측 전원장치
100: 1차 코일 세그먼트
101, 103, 105, 107: 1차 코일
102, 104, 106, 108: 1차측 자성체
110: 고주파 전원부
120: 비자성체
130: 버스바(bus bar)
201: 2차 코일
202: 2차측 자성체
220: 전력 변환부
230: 전력 저장부

Claims (5)

  1. 비접촉식 전원 공급 장치에 있어서,
    인접하는 1차측 자성체들마다 상호 반대방향으로 교번적으로 권선된 1차 코일들로 이루어진 1차 코일 세그먼트, 상기 1차 코일 세그먼트로 1차측 전원을 공급하는 고주파 전원부 및 상기 1차 코일 세그먼트의 상부에 설치되어 상기 1차 코일 세그먼트를 보호하기 위한 비자성체를 포함하는 1차측 전원장치; 및
    상기 1차 코일 세그먼트와의 전자기 유도에 따라 교류전력을 전달받기 위한 2차 코일, 상기 2차 코일이 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 전력 변환부 및 상기 직류전력을 저장하기 위한 전력 저장부를 포함하는 2차측 전원장치를 포함하고,
    상기 1차측 전원장치는 바닥에 설치되어 있고,
    상기 2차측 전원장치는 상기 바닥을 보행하는 보행형 로봇의 족부에 설치되어 있고,
    상기 1차 코일 세그먼트는 전선 또는 버스바(bus bar)를 매개로 상기 고주파 전원부에 병렬 연결되어 있고,
    상기 2차 코일의 권선 방향은 상기 1차 코일들의 권선 방향과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 전원 공급 장치.
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