KR101232036B1 - 비접촉 전력전달 장치 및 자기유도 방식의 급전장치 - Google Patents

비접촉 전력전달 장치 및 자기유도 방식의 급전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 비접촉 전력전달 장치, 자기유도 방식의 급전장치 및 자기유도 방식의 집전장치와 이를 이용한 이동체에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 집전코어와, 상기 집전코어의 둘레에 감기는 집전케이블을 포함하는 집전장치를 포함하되, 급전부는, 받침부와, 상기 받침부의 중심부 및 상기 받침부의 둘레에 돌출부를 갖는 급전코어; 및 돌출된 상기 중심부를 중심으로 양측이 서로 다른 방향의 전류가 흐르도록 감기는 급전케이블;을 포함하고, 상기 집전장치는 상기 돌출부에 대향되는 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달 장치, 자기유도 방식의 급전장치 및 자기유도 방식의 집전장치와 이를 이용한 이동체를 제공한다.

Description

비접촉 전력전달 장치 및 자기유도 방식의 급전장치{Contactless Power Transfer Apparatus and Inductive Power Supply Apparatus}
본 발명의 실시예는 비접촉 전력전달 장치, 자기유도 방식의 급전장치 및 자기유도 방식의 집전장치와 이를 이용한 이동체에 관한 것이다. 더 상세하게는 전기차나 크레인 등 전기를 사용한 이동장치를 구동하기 위하여 배터리를 충전시키고자 하는 경우 전력전송장치와의 기계적 접촉 없이 전력을 전송할 수 있도록 하여 무접촉방식으로 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 충전에 있어서 편의성을 제공하고자 하는 비접촉 전력전달 장치, 자기유도 방식의 급전장치 및 자기유도 방식의 집전장치와 이를 이용한 이동체에 관한 것이다.
일반적으로 전기차나 크레인 등 전기를 사용한 이동장치를 구동하기 위해서는 탑재된 배터리를 충전해서 충전된 전력으로 운행한다. 이러한 이동장치의 전력 충전을 위하여 사람 또는 충전을 보조하는 기계장치가 직접 충전용 전선을 이동장치에 연결함으로써 충전을 하는 경우 불편함을 줄 뿐만 아니라 플러그를 손에 쥐고 이동장치에 연결하는 과정에서 사용자가 감전될 위험이 있는 문제가 있다. 이와 같이 충전용 전선을 이용하여 이동장치의 배터리를 충전시키는 방식은 사용자의 불편함을 초래하고 감전 위험이 있어, 무선으로 이동장치의 배터리를 충전할 수 있는 효율적인 전력전달 방식이 요구되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 전기차나 크레인 등 전기를 사용한 이동장치를 구동하기 위하여 배터리를 충전시키고자 하는 경우 전력전송장치와의 기계적 접촉 없이 전력을 전송할 수 있도록 하여 무접촉방식으로 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 충전에 있어서 편의성을 제공하고자 하려는 것이 목적이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 급전부 및 전력을 수신하는 집전부를 포함하되, 상기 급전부는, 전력을 공급하는 급전전원; 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어; 및 상기 급전전원과 전기적으로 연결되어 상기 급전코어의 주변에 권선되는 급전케이블을 포함하는 급전유닛을 적어도 하나 포함하고, 상기 집전부는, 상기 급전유닛과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받으며, 집전코어 및 상기 집전코어에 권선되는 집전케이블을 구비한 적어도 하나의 집전유닛; 상기 집전유닛으로부터 공급되는 전력을 변환하기 위한 집전회로; 상기 집전유닛을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동부; 및 상기 구동부의 위치와 이동을 제어하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치를 제공한다.
상기 제어부는, 상기 집전유닛이 상기 급전유닛 중 어느 하나로부터 최대의 전력을 전달받을 수 있는 위치에 위치하도록 제어하기 위한 제어신호를 발생하여 상기 구동부에 제공할 수 있다.
상기 구동부는 상기 제어신호에 따라 상기 집전유닛을 각각 직교하는 x, y, z 축 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 집전부는, 상기 집전유닛의 위치를 감지하기 위한 센서를 추가로 구비할 수 있다.
상기 센서는 상기 급전유닛에서 발생한 자속의 세기를 측정하기 위한 자속감지 센서일 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전유닛은 가로방향으로 적어도 하나, 세로방향으로 적어도 하나 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전유닛은 MxN(M, N은 자연수)의 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전유닛은 지면과 평행한 방향으로 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전유닛은 지면에 매립되어 있고 상부는 상기 집전유닛과 자기결합하도록 노출될 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전유닛은 콘크리트에 매립되어 있고 상기 급전유닛의 하부에는 상기 급전유닛이 견고하게 유지되도록 하는 보강재가 설치될 수 있다.
상기 보강재는 철근일 수 있다.
상기 집전회로는 상기 집전유닛의 출력을 직류로 변환될 수 있다.
상기 집전부는, 상기 집전회로의 직류 출력을 저장하는 배터리를 추가로 포함할 수 있다.
상기 급전전원은 인버터일 수 있다.
상기 급전코어는 중앙부에 상부도 돌출된 중심코어와 상기 중심코어로부터 방사 위치에 배치된 복수개의 주변코어를 포함할 수 있다.
상기 중심코어와 상기 주변코어는 상기 중심코어와 상기 주변코어의 각 하부가 공통으로 연결되는 받침부를 통하여 서로 연결될 수 있다.
상기 급전케이블은 상기 중심코어를 중심으로 복수 턴(Turn) 권선되되 상기 주변코어 내측에 배치될 수 있다.
상기 급전케이블은 상기 중심코어를 중심으로 좌우측을 지나가도록 설치되되 상기 좌우측 급전케이블의 전류의 방향은 서로 반대일 수 있다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 급전유닛으로부터 자기유도 방식으로 전력을 수신하는 집전장치에 있어서, 상기 급전유닛과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받으며, 집전코어; 및 상기 집전코어에 권선되는 집전케이블을 구비한 집전유닛; 상기 집전유닛으로부터 출력되는 전력을 변환하기 위한 집전회로; 상기 집전유닛을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동부; 및 상기 구동부의 위치와 이동을 제어하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 집전장치를 제공한다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 전력을 공급하는 급전전원; 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어; 및 상기 급전전원과 전기적으로 연결되어 상기 급전코어의 주변에 권선되는 급전케이블을 포함하는 급전유닛을 적어도 하나 포함하고, 상기 적어도 하나의 급전유닛은 가로방향으로 적어도 하나, 세로방향으로 적어도 하나 배치되는 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치를 제공한다.
상기 센서는 거리센서를 추가로 장착할 수 있다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 상기의 집전장치를 포함하는 이동체를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전기차나 크레인 등 전기를 사용한 이동장치를 구동하기 위하여 배터리를 충전시키고자 하는 경우 전력전송장치와의 기계적 접촉 없이 전력을 전송할 수 있도록 하여 무접촉방식으로 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 충전에 있어서 편의성을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 전력전달장치(100)를 예시한 도면이다.
도 2는 도 1의 급전부(100a) 및 집전부(100b)를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 A-A'을 따라 자른 경우 급전유닛(110) 및 집전유닛(120)의 단면의 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 집전코어(122)의 다양한 모양 및 집전코어(122)에 집전케이블(124)이 집전코어(122)에 권선되는 다양한 형태를 예시한 도면이다.
도 5는 콘크리트에 매설된 급전유닛(110)의 형상을 상세히 도시한 도면이다.
도 6은 급전케이블(114)을 도 2와 다른 방법으로 설치한 경우를 예시한 도면이다.
도 7은 급전코어(112)의 하부에 보강재가 설치된 경우를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 집전지원장치를 크레인에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전지원장치를 전기차에 적용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 전력전달장치(100)를 예시한 도면이다.
도 1에 예시하듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 전력전달장치(100)는 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 급전부(100a) 및 전력을 수신하는 집전부(100b)를 포함한다.
여기서, 급전부(100a)는 전력을 공급하는 급전전원(116), 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어(112) 및 급전전원(116)과 전기적으로 연결되어 급전코어(112)의 주변에 권선되는 급전케이블(114)을 포함하는 급전유닛(110)을 적어도 하나 포함한다.
집전부(100b)는 급전유닛(110)과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받으며, 집전코어(122) 및 집전코어(122)에 권선되는 집전케이블(124)을 구비한 적어도 하나의 집전유닛(120), 집전유닛(120)으로부터 공급되는 전력을 변환하기 위한 집전회로(130), 집전유닛(120)을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동부(140) 및 구동부(140)의 위치와 이동을 제어하기 위한 제어부(150)를 구비한다. 도 1에서는 편의상 집전유닛(120)을 하나만 도시하였다.
도 1에서는 편의상 급전유닛(110)을 하나만 도시하였으며, 급전코어(112), 급전케이블(114), 집전코어(122), 집전케이블(124)의 모습은 후술하는 도 2의 A-A'에서 자른 단면을 도시한 것이다.
여기에서, 집전부(100b)는 집전유닛(120)의 위치를 감지하기 위한 센서를 추가로 구비할 수 있으며, 집전부(100b)는 집전회로(130)의 직류 출력을 저장하는 배터리(170)를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 급전부(100a) 및 집전부(100b)를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에서 A-A'을 따라 자른 경우 급전유닛(110) 및 집전유닛(120)의 단면의 모습을 도시한 도면이다. 참고로, 도 2에서는 설명의 편의상, 구동부(140), 제어부(150) 및 센서(160) 등은 표시를 생략하였다.
적어도 하나의 급전유닛(110)은 가로방향으로 적어도 하나, 세로방향으로 적어도 하나 배치될 수 있으며, 도 2 및 도 3은, m x n(m, n은 자연수)의 매트릭스 형상으로 가로방향으로 하나 이상(예컨대 m개), 세로방향으로 하나 이상(예컨대 n개)의 급전유닛(110)을 갖는 급전부(100a)와, 집전코어(122)와 집전코어(122)의 둘레에 감기는 집전케이블(124)을 포함하는 집전유닛(120)의 위치관계를 도시한 것이다.
여기서 급전유닛(110)은, 받침부(112a)와 받침부(112a)의 중심부에 돌출된 중심코어(112b) 및 받침부(112a)의 둘레에 돌출된 주변코어(112c)를 구비하는 급전코어(112)와, 돌출된 중심코어(112b)를 중심으로 권선되는 급전케이블(114)을 포함한다. 도 2의 경우는 급전케이블(114)이 돌출된 중심코어(112b)에 감긴 경우를 예시한 것이다. 도 2에서 급전케이블(114)이 돌출된 중심코어(112b)와 일정거리 이격을 두고 감긴 형태로 도시하였으나, 실제로는 자기저항을 최소화하기 위해 급전케이블(114)이 돌출된 중심코어(112b)에 밀착된 형태로 감길 수 있다.
또한, 집전유닛(120)은 급전코어(112)의 돌출부(112b, 112c)에 대향되는 방향에 위치할 수 있다.
한편, 적어도 하나의 급전유닛(110)은 지면과 평행한 방향으로 배치될 수 있으며, 또한, 급전유닛(110)은 지면에 매립되어 있을 수도 있으며, 이 경우 급전유닛(110)의 상부는 집전유닛(120)과 자기결합할 수 있도록 노출될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 아스팔트(지면) 위에 콘크리트를 매입하고 매입된 콘크리트 안에 급전유닛(110)를 설치할 수 있으며, 집전유닛(120)를 구비한 차량이 복수의 급전유닛(110)를 구비하는 급전부(100a)가 매설된 아스팔트 위를 지나가다가 충전하기 위하여 정차하고 차량에 구비된 집전유닛(120)을 급전유닛(110) 중의 하나에 접근시켜 충전할 수 있다.
집전유닛(120)은 급전유닛(110)과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받는다. 즉, 급전유닛(110)에는 급전전원으로 사용되는 급전인버터(116)에 의해 전원이 공급되어 각 급전유닛(110)에 자속이 발생하며, 집전유닛(120)을 급전유닛(110) 중의 하나에 접근시키면 급전유닛(110)에 의해 발생된 자속에 집전코어(122)에 쇄교하며, 쇄교 자속에 의해 집전케이블(124)에 유도기전력이 발생한다.
집전케이블(124)에 발생된 유도기전력은 공진 캐패시터, 저역필터 및 정류기 등을 포함하는 집전회로(130)를 거쳐 직류로 변환되어 차량에 비치된 배터리(170)에 충전할 수 있다.
여기서 급전유닛(110)은 도로에 매설되거나 도로 표면에 설치된 것일 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않으며, 급전유닛(110)이 벽면에 설치되거나 천장에 설치되는 등 다양한 위치에 설치될 수 있다.
한편, 집전코어(122)의 길이 방향이 급전코어(112)의 돌출부가 돌출되는 방향과 수직하는 방향이 되도록 집전코어(122)가 설치될 수 있으며, 집전코어(122) 또한 급전유닛(110) 방향으로 돌출부를 가질 수 있다.
도 4는 집전코어(122)의 다양한 모양 및 집전코어(122)에 집전케이블(124)이 집전코어(122)에 권선되는 다양한 형태를 예시한 도면이다.
도 4의 (a)와 같이 집전코어(122)가 플랫(Flat)한 형태를 가질 수도 있고, 도 4의 (b), (c)와 같이 집전코어(122)가 급전유닛(110) 방향으로 돌출부(122a)를 가질 수도 있다.
한편, 집전케이블(124)이 집전코어(122)에 감기는 모양은 도 4의 (a), (b)와 같이 플랫한 부분에 감길 수도 있으나, 도 4의 (c)처럼 돌출부(122a)에 감길 수도 있다.
도 5는 콘크리트에 매설된 급전유닛(110)의 형상을 상세히 도시한 도면이다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같은 각 급전유닛(110)은 도 5의 (b)와 같은 급전코어(112)를 가질 수 있다. 급전코어(112)의 받침부(112a)의 형상은 반드시 원형은 아니며, 사각형 혹은 다른 형상을 가질 수 있으며, 받침부(112a)의 바닥도 반드시 평평한 판 형태가 아닌 다양한 형태가 될 수 있으며 돌출된 주변돌출부(112c)의 밑부분 사이를 연결할 수 있는 구조일 수 있다. 또한 도 3의 (c)와 같이 각 급전유닛(110)은 중앙부에 돌출된 중심코어(112b)를 중심으로 받침부(112a)가 별 모양으로 방사상으로 뻗어있고 방사상으로 뻗은 단부에 돌출된 주변코어(112c)가 위치한 형태일 수 있다. 즉, 도 5의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 급전코어(112)는 원형의 받침부(112a), 받침부(112a)의 원주 선단에 배치되어 상향 돌출되는 3개 이상의 주변코어(112c), 및 받침부(112a)의 중앙부에 상향 돌출된 중심코어(112b)를 포함할 수 있다.
참고로, 도 1 내지 도 4의 (a)에 도시한 ⊙ 및 ⓧ의 표시는 어느 순간의 전류가 흘러가는 방향(ⓧ) 및 흘러나오는 방향(⊙)을 의미하며, 급전인버터(116)로부터 연결된 급전선로 및 급전케이블(114)은 외부의 충격으로부터 보호하기 위하여 유리섬유 등의 재질의 피복으로 둘러쌓인 형태로 제작될 수 있다.
또한, 급전코어(112)는 중앙부에 상부도 돌출된 중심코어(112b)와 중심코어(112b)로부터 방사 위치에 배치된 복수개의 주변코어(112c)를 포함할 수 있다. 그리고, 중심코어(112b)와 주변코어(112c)는 중심코어(112b)와 주변코어(112c)의 각 하부가 공통으로 연결되는 받침부(112a)를 통하여 서로 연결될 수 있다.
여기서, 급전케이블(114)은 중심코어(112b)를 중심으로 복수 턴(Turn) 권선되되 주변코어(112b) 내측에 배치될 수 있다.
도 6은 급전케이블(114)을 도 2와 다른 방법으로 설치한 경우를 예시한 도면이다. 도 6에 도시하듯이, 급전케이블(114)이 하나의 받침부(112a)의 중심코어(112b)에 직접 감기지 않고, 다른 받침부(112a)의 중심코어(112b) 전부를 한꺼번에 감는 형태가 되도록 설치한 경우를 예시한 것이다. 즉, 급전케이블(114)은 중심코어(112b)를 중심으로 좌우측을 지나가도록 설치되되 중심코어(112b)의 좌우측 급전케이블(114)의 전류의 방향은 서로 반대이도록 할 수 있다. 여기서 도면에서는 급전케이블(114)의 수가 하나인 경우를 예시하였으나 급전케이블(114)이 복수개일 수도 있다.
도 7은 급전코어(112)의 하부에 보강재가 설치된 경우를 예시한 도면이다. 도 7에서와 같이 급전유닛(110)은 콘크리트에 매립되어 있고 급전유닛(110)의 하부에는 급전유닛이 견고하게 유지되도록 하는 보강재가 설치될 수 있으며, 보강재로는 철근(118)이 사용될 수 있다.
도 7에 도시하듯이 급전코어(112) 하부에 설치된 철근(118)은 지반의 침하에 의해 급전유닛(110) 또는 급전코어(112)가 파손되는 것을 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 여기서 사용되는 철근(118)의 형상은 무관하며 급전유닛(110)에 가해지는 하중을 지지할 수 있는 것이면 사용 가능하다.
이하 도 1 내지 도 5를 함께 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 센서(160)는 집전유닛(120)에 장착될 수 있는데, 장착되는 위치는 급전유닛(110)에 대향되는 위치에 장착될 수 있다. 여기서, 센서(160)로는 자속의 존재 밀 세기를 감지하는 자속감지센서를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되지는 않으며 다양한 센서를 사용할 수 있다. 또한 센서(160)의 구성요소는 하나의 센서가 아닌 복수개의 센서를 사용할 수도 있다.
센서(160)는 집전유닛(120)에 접근된 급전유닛(110)가 어느정도 근접했는지에 대한 정보를 감지하여 감지정보를 발생한다. 예를 들어, 센서(160)로는 센서는 급전유닛(110)에서 발생한 자속의 세기를 측정하기 위한 자속감지 센서를 사용할 수 있다. 자속감지 센서를 사용할 경우 센서(160)가 감지할 수 있는 급전유닛(110)에 대한 정보는 급전유닛(110)에서 발생되는 자계의 세기일 수 있다.
집전유닛(120)은 급전유닛(110)에서 발생한 자속이 집전코어(122)에 쇄교됨으로 인하여 집전코어(122)에 감긴 집전케이블(124)에 유도기전력이 발생하고 발생된 유도기전력은 집전회로(130)를 통하여 배터리(170)에 충전가능한 전력원으로 변환될 수 있다.
제어부(150)는 센서(160)에서 발생한 급전유닛(110)의 근접여부에 대한 감지정보를 수신한다. 제어부(150)는 집전유닛(120)이 급전유닛(110) 중 어느 하나로부터 최대의 전력을 전달받을 수 있는 위치에 위치하도록 제어하기 위한 제어신호를 발생하여 구동부(140)에 제공한다.
제어부(150)는 급전유닛(110)의 근접여부에 대한 정보를 수신하여 집전유닛(120)이 급전유닛(110)으로부터 전력 수신이 용이한 위치에 놓이도록 제어하는 구동신호를 발생한다. 즉, 집전코어(122)의 중심부가 급전유닛(110)의 자계가 가장 강한 위치에 놓이도록 제어한다.
제어부(150)는 구동부(140)로 구동신호를 보내어 모터와 같은 구동장치를 사용하여 구동부(140) 내의 액츄에이터(예를 들어, 도 1에서와 같은 기어)를 움직임으로써 집전유닛(120)의 위치를 조절한다. 이때, 제어부(150)는 액츄에이터에 연결된 집전유닛(120)의 위치가 이동되도록 구동신호를 발생함에 있어서 센서(160)로부터 감지된 자계의 크기가 커지는 방향으로 집전유닛(120)을 이동시키다가 자계의 크기가 더 이상 커지지 않는 지점에 이르렀을 때 구동신호의 발생을 중단함으로써 집전유닛(120)의 위치를 충전이 가능한 정위치에 위치시킬 수 있다. 이때, 구동부(140)는 구동신호를 수신하여 집전유닛(120)의 위치가 서로 직교하는 x축, y축, z축 방향으로 위치되도록 하는 액츄에이터와, 구동신호에 따라 액츄에이터를 구동하는 구동장치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 구동부(140)는 3개의 모터와 3개의 기어를 포함할 수 있으며, 제어부(150)에 의해 발생되는 신호에 따라 각 모터(제1모터, 제2모터, 제3모터)가 구동되어 각 기어(제1기어, 제2기어, 제3기어)를 각각 상하(z축 방향), 좌우(x축 방향), 전후(y축 방향)로 움직임으로써 집전유닛(120)을 급전유닛(110)의 자계가 가장 강한 중앙부분에 근접하도록 위치시킬 수 있다. 만일, 집전부(110a)를 장착한 차량이 급전부(100a)가 매설되어 있는 장소에 정차하여 충전하고자 하는 경우, 제어부(150)는 제3모터에 의해 제3기어가 구동되어 z축 방향으로 아래쪽으로 움직여 집전유닛(120)이 급전유닛(110)에 접근하도록 제3모터를 제어한다. 이때 제3모터를 제어함에 있어서 센서(160)로 급전유닛(110)과의 이격거리를 감지하는 초음파센서와 같은 거리센서를 추가로 장착하여 급전유닛(110)과의 z축 방향의 거리를 감지함으로써 집전유닛(120)과 급전유닛(110) 사이의 거리가 원하는 거리가 되도록 z축 방향(즉, 상하 방향)으로 접근된 거리를 제어할 수 있다. 이와 같이 제어부(150)의 제어에 의해 z축 방향으로 집전유닛(120)의 위치가 결정된 후, 제어부(150)는 x축 방향 및 y축 방향의 위치를 제어할 수 있다. 참고로, x축, y축, z축 방향은 서로 직교한다.
제어부(150)는 구동신호를 발생하여 z축 방향으로 집전유닛(120)을 위치시킨 후에 제2모터가 구동되도록 구동신호를 발생하여 제2기어를 움직임으로써 x축 방향으로 집전유닛(120)의 위치를 제어한다. 제어부(150)는 x축 방향으로 집전유닛(120)의 위치를 제어함에 있어서 센서(160)에 포힘되는 자속감지센서로부터 자계의 세기를 감지하고 x축의 어느 한 방향인 제1방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하다가 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 약해지고 있으면 제1방향과 반대되는 x축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생한다. 제어부(150)는 제1방향과 반대되는 x축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하다가 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 강해지는 경우에는 계속하여 제1방향과 반대되는 x축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하며, 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 약해지는 순간에는 집전유닛(120)의 x축 움직임이 정지하도록 구동신호를 발생한다.
제어부(150)는 구동신호를 발생하여 z축 및 x축 방향으로 집전유닛(120)을 위치시킨 후에 제1모터가 구동되도록 구동신호를 발생하여 제1기어를 움직임으로써 y축 방향으로 집전유닛(120)의 위치를 제어한다. 제어부(150)는 y축 방향으로 집전유닛(120)의 위치를 제어함에 있어서 센서(160)에 포함되는 자속감지센서로부터 자계의 세기를 감지하고 y축의 어느 한 방향인 제2방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하다가 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 약해지고 있으면 제2방향과 반대되는 y축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생한다. 제어부(150)는 제2방향과 반대되는 y축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하다가 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 강해지는 경우에는 계속하여 제2방향과 반대되는 y축 방향으로 집전유닛(120)이 움직이도록 구동신호를 발생하며, 자속감지센서로부터 감지한 자계의 세기가 약해지는 순간에는 집전유닛(120)의 y축 움직임이 정지하도록 구동신호를 발생한다. 이와 같이 제어부(150)는 구동부(140)가 집전유닛(120)의 x축, y축, z축 각각에 대하여 그 위치를 이동할 수 있도록 구동신호를 발생할 수 있다.
제어부(150)의 구동신호를 발생에 의해 집전유닛(120)이 급전유닛(110)의 자계가 가장 강한 중앙부분에 근접하도록 위치하면, 급전유닛(110)에 의해 발생된 자속이 집전유닛(120)에 쇄교함으로써 집전유닛(120) 내의 집전케이블(124)에 유도기전력이 발생하고, 발생된 유도기전력은 집전회로(130)에 의해 배터리(170)에 충전가능하도록 변환되어 충전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기유도 방식의 집전장치는 급전유닛(110)과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받으며, 집전코어(122); 및 집전코어(122)에 권선되는 집전케이블(124)을 구비한 집전유닛(120), 집전유닛(120)으로부터 출력되는 전력을 변환하기 위한 집전회로(130), 집전유닛(120)을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동부(140) 및 구동부(140)의 위치와 이동을 제어하기 위한 제어부(150)를 포함한다. 여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전장치는 집전유닛(120)의 위치를 감지하기 위한 센서(160)를 추가로 구비할 수 있으며, 집전회로(130)의 직류 출력을 저장하는 배터리(170)도 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 집전유닛(120), 집전회로(130), 구동부(140), 구동부(140), 센서(160), 배터리(170) 등에 대한 사항은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 전력전달장치(100)의 설명에서 언급하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기유도 방식의 집전장치는 전력을 공급하는 급전전원(116), 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어(112) 및 급전전원(116)과 전기적으로 연결되어 급전코어(112)의 주변에 권선되는 급전케이블(116)을 포함하는 급전유닛(110)을 적어도 하나 포함하고, 적어도 하나의 급전유닛(110)은 가로방향으로 적어도 하나, 세로방향으로 적어도 하나 배치된다. 여기서, 급전전원(116), 급전코어(112), 급전케이블(116) 등에 대한 사항은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 전력전달장치(100)의 설명에서 언급하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 집전부(100b)를 크레인에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전장치를 전기차에 적용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 8 및 도 9에 예시한 바와 같이, 급전유닛(110)에 의해 발생된 자속으로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 집전장치에 유도되는 기전력을 배터리(170)에 충전하고 배터리(170)에 충전된 기전력을 이용하여 이동체(크레인 또는 전기차)를 구동하도록 할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 본 발명의 이동체는 크레인, 전기차를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않고 전기열차, 전기 오토바이, 로봇 등과 같이 배터리(170)를 이용하여 엔진을 구동하여 주행하다가 정차하여 충전할 수 있는 다양한 이동장치에 적용될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 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, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기차 등의 이동체가 정차하여 배터리를 충전시키고자 하는 경우 전력전송장치와의 기계적 접촉 없이 전력을 전송할 수 있도록 하여 무접촉방식으로 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 충전에 있어서 편의성과 안전성을 제공하는 효과를 발생하는 유용한 발명이다.

Claims (36)

  1. 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 급전부 및 전력을 수신하는 집전부를 포함하되,
    상기 급전부는,
    전력을 공급하는 급전전원; 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어; 및 상기 급전전원과 전기적으로 연결되어 상기 급전코어의 주변에 권선되는 급전케이블을 포함하는 급전유닛을 복수개 포함하되,
    복수개의 상기 급전유닛은 MxN(M, N은 2 이상의 자연수)의 매트릭스 형태로 배치되고,
    상기 급전코어는, 원형의 받침부, 상기 받침부의 원주 선단에 배치되어 상향 돌출되는 3개 이상의 주변코어, 및 상기 받침부의 중앙부에 상향 돌출된 중심코어를 포함하고, 상기 급전케이블은 상기 중심코어를 중심으로 복수 턴(Turn) 권선되되 상기 주변코어 내측에 배치되고,
    상기 집전부는,
    상기 급전유닛과 자기적으로 커플링되어 전력을 전달받으며, 집전코어 및 상기 집전코어에 권선되는 집전케이블을 구비한 적어도 하나의 집전유닛; 상기 집전유닛으로부터 공급되는 전력을 변환하기 위한 집전회로; 상기 집전유닛을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동부; 및 상기 구동부의 위치와 이동을 제어하여 상기 집전유닛이 상기 MxN의 매트릭스 형태의 급전유닛 중 어느 하나로부터 최대의 전력을 전달받을 수 있는 위치에 위치하도록 제어하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제어부에서 발생한 제어신호에 따라 상기 집전유닛을 각각 직교하는 x, y, z 축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 집전부는,
    상기 급전유닛에서 발생한 자속의 세기를 측정하기 위한 자속감지 센서를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 급전유닛은 지면과 평행한 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급전유닛은 지면에 매립되어 있고 상부는 상기 집전유닛과 자기결합하도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 급전유닛은 콘크리트에 매립되어 있고 상기 급전유닛의 하부에는 상기 급전유닛이 견고하게 유지되도록 하는 보강재가 설치된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보강재는 철근인 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 집전회로는 상기 집전유닛의 출력을 직류로 변환하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 집전부는,
    상기 집전회로의 직류 출력을 저장하는 배터리를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전달장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
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  26. 전력을 공급하는 급전전원; 자속의 경로를 제공하기 위한 급전코어; 및 상기 급전전원과 전기적으로 연결되어 상기 급전코어의 주변에 권선되는 급전케이블을 포함하는 급전유닛을 적어도 하나 포함하고,
    상기 적어도 하나의 급전유닛은 가로방향으로 적어도 하나, 세로방향으로 적어도 하나 배치되고,
    상기 급전코어는, 원형의 받침부, 상기 받침부의 원주 선단에 배치되어 상향 돌출되는 3개 이상의 주변코어, 및 상기 받침부의 중앙부에 상향 돌출된 중심코어를 포함하고,
    상기 급전케이블은 상기 중심코어를 중심으로 복수 턴(Turn) 권선되되 상기 주변코어 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전유닛은 MxN(M, N은 2 이상의 자연수)의 매트릭스 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전유닛은 지면과 평행한 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전유닛은 지면에 매립되어 있고 상부는 집전유닛과 자기결합하도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전유닛은 콘크리트에 매립되어 있고 상기 급전유닛의 하부에는 상기 급전유닛이 견고하게 유지되도록 하는 보강재가 설치된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 급전장치.
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