KR101307811B1 - 분리배선을 위한 급전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 분리배선을 위한 급전모듈에 관한 것으로, 자기 차폐용 재료로 만들어진 본체, 이 본체 내를 지나가는 다수의 공통선용 파이프, 본체 내에 수용되면서 공통선용 파이프 위에 설치되는 급전코어 및, 공통선용 파이프 중 하나를 관통하며 해당 급전코어 상에서 권선되어 전기에너지의 공급에 따라 자기장을 형성하는 급전선을 포함하여서, 인버터의 전력공급 효율을 높여 인버터의 용량을 상당히 줄일 수 있으며, 궁극적으로 급전도로 또는 급전레일의 설치공정 및 비용을 대폭 절감하게 되는 효과가 있다.

Description

분리배선을 위한 급전모듈 {Power supply module for dividing line into segment}

본 발명의 실시예는 분리배선을 위한 급전모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 급전도로를 복수개의 급전세그먼트로 나누고 각 급전세그먼트마다 복수개의 급전선이 전력을 공급할 수 있도록 함으로써 인버터의 전력공급 효율을 높여 인버터의 용량을 가능한 줄일 수 있도록 된 분리배선을 구현하기 위한 급전모듈에 관한 것이다.

공해방지 및 석유에너지에 대한 의존도를 낮추기 위한 대안으로서, 전기만으로 구동하는 전기자동차와 전기 및 내연기관을 선택적으로 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되었다.

그러나 현재까지 개발된 전기자동차 및 (플러그인) 하이브리드 자동차는 배터리를 충전하기 위해 플러그 등을 이용하여 외부에 마련된 전원공급장치와 장시간 동안 접속하고 있어야 하고, 1 회의 충전만으로 운행할 수 있는 거리가 매우 제한적이라는 단점이 있다.

때문에, 최근에는 배터리를 이용한 전기자동차의 대안으로서 자기유도방식의 전기자동차가 부각되고 있다.

자기유도방식의 전기자동차는 전기를 공급하는 급전도로(또는 급전레일)가 필수적으로 필요하다. 이러한 방식의 전기자동차(또는 전기열차)가 운행에 필요한 전력을 충전하기 위해서는 급전도로 위를 주행하기만 하면 된다. 즉, 전기자동차는 급전도로 위를 주행하는 중에 급전선에 고주파의 전력이 공급되면 급전선과 전기자동차에 장치된 집전장치 사이의 전자기유도의 원리에 의해 주행에 필요한 전력을 공급받게 되는 것이다.

이러한 급전도로에 전력을 공급하기 위해서는 많은 수의 인버터가 구비되어야 하는데, 인버터는 용량에 따라 가격이 커지므로 가능한 하나의 인버터로 적은 용량의 전력을 공급할 수 있도록 효율적으로 급전선을 배선할 필요가 있다.

본 발명은 급전도로를 복수개의 급전세그먼트로 나누고 각 급전세그먼트마다 복수개의 급전선이 전력을 공급할 수 있도록 함으로써 인버터의 전력공급 효율을 높여 인버터의 용량을 가능한 줄일 수 있도록 된 분리배선을 구현하기 위한 급전모듈을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈은, 자기 차폐용 재료로 만들어지고, 바닥과 상기 바닥의 측방 양단에 직립하여 형성된 한 쌍의 길이방향 측벽을 갖춘 본체; 상기 본체 내에 설치된 복수의 고정브라켓; 상기 본체 내에서 상기 고정브라켓 상에 고정되어 상기 바닥과 이격된 채로 설치되는 급전코어; 상기 급전코어와 상기 바닥 사이의 공간을 지나가는 다수의 공통선용 파이프; 상기 공통선용 파이프를 관통하는 공통선; 상기 급전코어 상에 권선되어 있어 전기에너지의 공급에 따라 자기장을 형성하는 급전선; 및 상기 길이방향 측벽의 외측에 길이방향으로 연장하여 장착되고, 자기 차폐용 재료로 만들어지며, 냉매가 통과하도록 된 냉각관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 인버터의 전력공급 효율을 높여 인버터의 용량을 상당히 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 분리배선을 모듈화함으로써, 궁극적으로 급전도로 또는 급전레일의 설치공정 및 비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈이 적용될 수 있는 급전시스템의 한 예를 도시한 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 급전시스템의 전력공급 방식을 설명하기 위해 각 인버터와 급전선의 연결관계를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈이 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 급전모듈을 보다 상세히 도시한 사시도이다.

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.

참고로, 본 명세서에서 급전세그먼트는 급전도로(또는 급전레일)를 구성하는 단위 또는 길이를 지칭하는 용어로 사용된다. 또, 급전세그먼트는 다수의 급전모듈을 포함하는 용어로 사용된다. 명확히 하기 위해 예를 들어 설명하자면, 1 km의 급전도로(또는 급전레일)는 200 m의 길이를 갖는 5개의 급전세그먼트를 포함하며, 각 급전세그먼트는 20 m의 길이를 갖는 10개의 급전모듈을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈이 적용될 수 있는 급전시스템의 한 예를 도시한 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 급전시스템의 전력공급 방식을 설명하기 위해 각 인버터와 급전선의 연결관계를 나타낸 회로도이다.

급전도로(또는 급전레일)의 급전시스템은 N(여기서 N은 1 이상의 자연수) 개의 급전세그먼트(110 ~ 150) 및 인버터부(200)를 구비할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 N이 5인 예가 나타나 있다.

직류전원(300)은 가령 단상의 교류 전원을 인가받아 직류로 변환하여 출력함으로써 인버터부(200)에 직류를 공급할 수 있다.

인버터부(200)는 M(여기서 M은 1 이상의 자연수) 개의 인버터(201 ~ 210)를 구비하고, 각 인버터가 해당 급전선(401 ~ 410)에 대해 각각 전력을 공급할 수 있다. 이들 급전선은 공통선(400)을 구성한다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 제1인버터(201)는 제1급전선(401)에 전력을 공급하고, 제2인버터(202)는 제2급전선(402)에 전력을 공급하며, M번째 인버터는 M번째 급전선에 각각 전력을 공급한다. 도 2에는 M이 10인 예가 나타나 있다.

각 급전세그먼트(110 ~ 150)는 급전코어(505) 및 급전선을 포함한 M(여기서 M은 1 이상의 자연수) 개의 급전모듈(500)을 포함할 수 있다. 이들 급전모듈(500)은 실제로 수십 cm의 간격을 두고서 각 급전세그먼트(110 ~ 150) 내에 그 길이방향으로 정렬되어 있다.

급전선(401 ~ 410)은 해당 급전모듈(500)에 있는 급전코어(505)의 상부에 위치한다. 해당 급전모듈이 아닌 경우에는 급전코어(505)의 하부에 위치하여 급전모듈(500)을 지나간다. 각 급전선에 대응되는 해당 급전모듈(500)은 소정의 간격을 두고 급전세그먼트(110 ~ 150)마다 번갈아 배치된다.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1급전선(401)은 제1급전세그먼트(110)의 첫 번째 급전모듈, 제2급전세그먼트(120)의 첫 번째 급전모듈,...제5급전세그먼트(150)의 첫 번째 급전모듈에서 급전코어(505)의 상부에 위치하여 권선된다. 또한, 제1급전선(401)에는 하나 이상의 공진 캐패시터(450)가 연결될 수 있다.

제2급전선(402)은 제1급전세그먼트(110)의 두 번째 급전모듈, 제2급전세그먼트(120)의 두 번째 급전모듈,...제5급전세그먼트(150)의 두 번째 급전모듈에서 급전코어(505)의 상부에 위치하여 권선된다. 또한, 제2급전선(402)에는 하나 이상의 공진 캐패시터(450)가 연결될 수 있다.

마찬가지로 M번째 급전선은 제1급전세그먼트(110)의 M번째 급전모듈, 제2급전세그먼트(120)의 M번째 급전모듈,...제5급전세그먼트(150)의 M번째 급전모듈에서 급전코어(505)의 상부에 위치하여 권선되며, 이 급전선에 하나 이상의 공진 캐패시터(450)가 연결될 수 있다. 결국, 각 급전선은 각 급전세그먼트에서 해당 급전모듈 상의 급전코어에 위치함을 알 수 있다.

도 2에서, 급전코어(505) 상에 권선된 급전선(401 ~ 410)의 부분을 코일 형상으로 도시하였으나, 이는 자속이 발생하여 급전도로(또는 급전레일) 위를 주행하는 전기자동차(또는 전기열차)에 장착된 집전장치에 충전전력이 제공된다는 의미이며, 실제로는 도 3 또는 도 4와 같이 일직선상으로 배치될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않는다.

한편, 도 2에서는 제1급전선(401)의 A1과 A2 사이의 회로는 생략하여 도시한 것이며, 마찬가지로 다른 급전선들(402 ~ 410)도 각각 일부 회로는 생략하여 도시한 것이다.

도 1에는 한 쌍의 레일(600) 사이에 다수의 급전모듈(500)을 포함한 다수의 급전세그먼트(110 ~ 150)가 설치된 예가 나타나 있다. 전술한 바와 같이, 길이방향의 급전레일은 N 개의 급전세그먼트로 구성되고 각 급전세그먼트는 M 개의 급전모듈(500)로 구성되는데, 만일 급전세그먼트의 길이가 그 급전레일 상을 운행하는 전기열차(예컨대 고속열차)의 길이와 동일하고(예컨대 약 200 m) 10 개의 급전모듈(500)로 구성되며 각 급전선이 1 MW의 전력을 공급한다면, 하나의 전기열차에는 10 개의 급전선이 하나의 급전세그먼트에 위치하는 전기열차로 동시에 전력을 공급하게 됨으로써 10 MW의 전력을 공급하게 된다.

이와 같이 10 MW의 전력을 공급함에 있어서 하나의 급전선이 담당하는 경우에는 인버터의 용량이 대단히 증대되어야 할 뿐만 아니라, 급전선의 두께도 10 배의 전력을 감당할 정도로 증가해야 하는 문제가 있어 경제성이 떨어지게 된다. 이러한 전력공급의 효율은 예를 들어 고속열차의 길이가 하나의 급전세그먼트의 길이와 같도록 설계되는 경우에 더욱 증대될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈이 설치된 상태를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 급전모듈을 보다 상세히 도시한 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 급전모듈(500)은, 자기 차폐용 재료로 만들어지고 대략 'U'자의 홈통 모양으로서 바닥과 이 바닥의 측방 양단에 직립하여 형성된 한 쌍의 길이방향 측벽을 가진 본체(501), 이 본체(501) 내를 지나가는 다수의 공통선용 파이프(503), 본체(501) 내에 고정되면서 공통선용 파이프(503) 위에 설치되는 급전코어(505) 및, 공통선용 파이프(503)들 중 하나를 관통하며 해당 급전코어(505) 상에서 수직코어(505b, 505c)들 사이의 공간 내에 권선되어 전기에너지의 공급에 따라 자기장을 형성하는 급전선(도 3 및 도 4에서는 제1급전선(401)이 급전코어(505)의 상부에 위치하여 권선된 예를 나타냄)을 포함하고 있다.

본체(501)는 예컨대 알루미늄, 페라이트(ferrite) 등의 재료로 만들어져, 주변으로의 전자기장(이하 EMF라 함) 발생량을 경감할 수 있게 되어 있다. 급전도로 또는 급전레일에서는 일반적으로 EMF가 발생하게 되는데, 이러한 EMF는 그 주변을 지나는 사람들과 전자제품들에 나쁜 영향을 줄 수 있어서, 공통선(400) 및 급전선에서 나오는 EMF를 차단하기 위한 수단이 필요한 것이다.

이 본체(501)는 본 발명의 급전모듈(500)이 설치될 급전레일 내에 위치할 수 있다. 특히, 고속열차용으로 사용되는 경우에는 한 쌍의 레일(600)들 사이에서 침목(610) 상에 레일(600)의 길이방향과 평행하게 배치될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전기자동차를 위한 급전도로에서는 매설될 수 있다.

본체(501)의 위에는 별도의 덮개(미도시)가 덮어 씌워져, 미관의 향상과 보호 기능 등이 부가될 수 있게 하는 것이 좋다. 특히, 급전도로에 매설되는 경우에는 덮개가 반드시 필요하다. 또, 본체(501)는 도시되지 않은 접지와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 급전모듈(500)이 고속열차용으로 사용되는 경우에, 역사 내 플랫폼에 정차할 때에는 정차시간 동안의 급전으로 인해 많은 열이 발생할 우려가 있다. 이를 해소하기 위해 본체(501)의 길이방향 측벽의 외측에는 길이방향으로 뻗은 냉각관(507)이 추가로 장착될 수 있다. 이 냉각관(507)을 통과하는 냉매로는 물, 공기, 이산화탄소, 액화가스 등이 사용될 수 있다. 냉매는 외부에서 공급되게 하여도 된다. 더욱이, 냉각관(507)이 예컨대 알루미늄 등과 같은 자기 차폐용 재료로 만들어지면, 급전코어(505) 중 양측의 수직코어(505b)에서 차폐되지 못한 EMF를 저감시키는 역할을 한다. 또, 냉각관(507)은 양쪽 측면에서 접지의 기능도 담당함으로써, 안전성을 확보하게 된다.

다수의 공통선용 파이프(503)는 예컨대 알루미늄, 페라이트 등의 자기 차폐용 재료로 만들어져, 주변으로의 EMF 발생량을 경감할 수 있게 되어 있다. 공통선용 파이프(503)는 급전모듈(500)에 의해 구획되는 일정 길이 또는 임의의 길이 단위로 준비된다. 공통선용 파이프(503)는 길이방향으로 이웃한 다른 급전모듈(500)의 공통선용 파이프(503)와 연결될 수 있도록 별도의 커플링(미도시)을 포함할 수 있으며, 공통선용 파이프(503)가 열팽창에 의해 길이방향으로 팽창 또는 수축하는 점을 감안하여, 커플링 내에서 인접한 공통선용 파이프(503)들의 끝이 서로 접촉하지 않도록 간격을 두고 설치하는 것이 좋다.

급전코어(505)는 전체가 페라이트로 만들어진다. 페라이트로 된 급전코어(505)는 대체로 옆으로 누운 'E'자 단면을 가진 형태를 취하며, 급전도로 또는 급전레일의 길이방향을 따라 길게 배치된다. 이러한 급전코어(505)를 본체(501) 내에 고정시키기 위해 복수의 고정브라켓(509)이 본체(501) 내에 설치될 수 있다. 이들 고정브라켓(509)이 서로 소정의 간격을 두고 본체(501) 내에 접착 또는 고정되어, 급전코어(505)가 본체(501)의 바닥과 이격된 채로 본체(501)에 장착되게 된다.

급전코어(505)는 수평코어(505a)와, 이 수평코어(505a)의 양측 선단 주위에 위치된 한 쌍의 측면 수직코어(505b) 및 이들의 중간에 위치된 중간 수직코어(505c)를 구비한다. 중간 수직코어(505c)의 길이방향 길이가 측면 수직코어(505b)들의 길이방향 길이보다 다소 짧다. 그리고 수평코어(505a)와 수직코어(505b, 505c)들이 이루는 공간 사이로, 전기에너지를 공급하여 자기장을 형성하는 급전선(401)이 배치되어 권선된다.

급전선(401)은 전술한 바와 같이 해당 급전모듈(500)에 있는 급전코어(505)의 상부에 위치한다. 예를 들면, 인버터(201; 도 2 참조)에서 나오는 급전선(401)은 급전코어(505)의 중간 수직코어(505c)를 완전히 둘러싸도록 1 턴(turn)을 형성하고, 인버터(201)로 들어가는 급전선(401)은 급전코어(505)의 일측에 있는 측면 수직코어(505b)에 인접하여 지나가면서 2 턴을 형성하게 된다.

해당 급전모듈이 아닌 경우에는, 이들 급전선이 급전코어(505)의 하부에, 즉 급전코어(505)와 본체(501)의 바닥 사이에 형성된 공간 내에 위치하여 급전모듈(500)을 지나감으로써 공통선(400)을 구성한다. 해당 급전모듈은 소정의 간격을 두고 번갈아 배치되며, 급전세그먼트 당 하나의 해당 급전모듈이 있게 된다. 도 2를 참조로 하여 설명한 바와 같이, 각 급전선(401 ~ 410)은 각각의 인버터(201 ~ 210)에 연결되어 있어 각 인버터(201 ~ 210)로부터 전력을 공급받게 되어 있다.

각 급전선에는 하나 이상의 공진 캐패시터(450)가 연결될 수 있다. 당연히 공통선(400)도 마찬가지로 하나 이상의 공진 캐패시터(450)가 연결될 수 있다. 이때, 공진 캐패시터(450)는 공통선용 파이프(503)를 소정의 길이만큼 절단한 후 파이프의 절단된 단부 사이에서 공통선(400)에 연결하여 본체(501) 내에 설치된다.

공진 캐패시터(450)는 급전선마다 동일한 개수로 구비될 수 있으며, 공진 캐패시터(450)가 쌍을 이루어 급전선의 길이방향으로 동일한 지점에 서로 인접하여 위치하도록 할 수도 있다. 또한, 공진 캐패시터(450)를 설치함에 있어서, 그 편의를 위하여 급전선에 연결되는 공진 캐패시터(450)들은 용량이 서로 같도록 구성할 수 있다. 급전선의 길이로 인하여 급전선의 자체 인덕턴스 성분이 존재함은 물론 이러한 인덕턴스 성분으로 인하여 급전선을 따라 전압이 높아지는 현상이 발생할 수 있는데, 다수의 공진 캐패시터(450)가 설치됨으로써 급전선에서 인덕턴스로 인한 전압을 보상하여 이를 낮춰줄 수 있게 된다.

다수의 공진 캐패시터(450)가 설치되어야 할 경우에, 하나의 급전모듈 또는 하나의 급전세그먼트에 공진 캐패시터(450)들을 집중하여 설치하지 않고, 여러 급전모듈과 급전세그먼트들에 분산하여 설치하도록 한다. 이는 한 곳에 집중으로 설치하였을 때 내전압이 높게 걸려 공진 캐패시터(450) 혹은 급전선이 손상될 수도 있기 때문이다.

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.

본 명세서에서는, 본 발명의 급전모듈(500)이 급전레일에 설치된 예를 위주로 하여 설명되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 전기자동차를 위한 급전도로에서는 매설될 수 있다. 급전도로에 매설되는 경우에는 전술한 덮개와, 급전모듈(500)들의 사이를 밀폐하여 연결하는 별도의 연결부재가 요구될 수 있다.

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.

110 ~ 150: 급전세그먼트 200: 인버터부
300: 직류전원 400: 공통선
401 ~ 410: 급전선 450: 공진 캐패시터
500: 급전모듈 501: 본체
503: 공통선용 파이프 505: 급전코어
507: 냉각관 509: 고정브라켓
600: 레일

Claims (10)

1. 자기 차폐용 재료로 만들어지고, 바닥과 상기 바닥의 측방 양단에 직립하여 형성된 한 쌍의 길이방향 측벽을 갖춘 본체;
   상기 본체 내에 설치된 복수의 고정브라켓;
   상기 본체 내에서 상기 고정브라켓 상에 고정되어 상기 바닥과 이격된 채로 설치되는 급전코어;
   상기 급전코어와 상기 바닥 사이의 공간을 지나가는 다수의 공통선용 파이프;
   상기 공통선용 파이프를 관통하는 공통선;
   상기 급전코어 상에 권선되어 있어 전기에너지의 공급에 따라 자기장을 형성하는 급전선; 및
   상기 길이방향 측벽의 외측에 길이방향으로 연장하여 장착되고, 자기 차폐용 재료로 만들어지며, 냉매가 통과하도록 된 냉각관
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 본체의 위에는 별도의 덮개가 덮어 씌워지는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 공통선용 파이프는 자기 차폐용 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 급전코어는 수평코어와, 상기 수평코어의 양측 선단에 위치된 한 쌍의 측면 수직코어 및 상기 측면 수직코어들의 중간에 위치된 중간 수직코어를 구비하고, 상기 중간 수직코어의 길이방향 길이가 상기 측면 수직코어들의 길이방향 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 급전모듈.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 급전선 또는 상기 공통선에는 하나 이상의 공진 캐패시터가 연결되는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 급전모듈은 한 쌍의 레일들 사이에서 상기 레일의 길이방향과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 급전모듈.
    

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