KR101379747B1

KR101379747B1 - 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로

Info

Publication number: KR101379747B1
Application number: KR1020120053945A
Authority: KR
Inventors: 조정구; 민병덕; 송두익; 손호섭; 최치영
Original assignee: (주)그린파워
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-04-02
Also published as: WO2013176410A1; KR20130130277A

Abstract

본 발명은 급전트랙을 따라 움직이는 이동체에 무선으로 전력을 공급해주는 무선 전력전송장치에서 이동체에 장착이 되고 유도선로에서 발생하는 자속에 의해 기전력이 유기되는 픽업코일과 픽업코일에 유기된 고주파 교류 기전력에 의해 이동체에 전력을 공급해주는 2차측의 보호회로에 관한 것이다. 무선 전력전송장치는 일반적으로 유도선로에 고주파 전력을 공급하는 1차측 인버터와 이동체에 장착이 되는 픽업코일, 공진회로 및 정류부로 구성되는 2차측 장치간에 거리가 멀고 별도의 통신장치가 없이는 2차측 장치의 상태를 알 수 없기 때문에 2차측 회로에 과전압, 과전류, 과열 등의 오류가 발생할 경우에 1차측 인버터를 차단할 적절한 방법이 없는 것이 문제이다. 본 발명에서는 이 문제를 해결하기 위해서 2차측 장치에 오류가 발생할 경우에 이것을 감지하여, 자성체 감열선을 이용하고 감열선을 유도가열 함으로서 픽업코일 양단을 빠르게 단락시킴으로서 정류기 입력을 완전히 차단할 수 있는 2차측 보호회로를 제공한다.

Description

무선 전력전송장치의 2차측 보호회로 {Protection Circuit for Wireless Power Transfer Apparatus}

본 발명은 일반적으로 보호회로에 관한 것으로, 특히 급전트랙을 따라 움직이는 이동체에 무선으로 전력을 공급하는 무선 전력전송장치에서 이동체에 장착이 되고 유도선로에서 발생하는 자속에 의해 기전력이 유기되는 픽업코일과 이 픽업코일에 유기된 고주파 교류 기전력에 의해 이동체에 전력을 공급해주는 2차측 장치에 대한 보호회로에 관한 것이다.

트랙을 따라 움직이는 이송대차에 비접촉으로 전력을 전달하는 무선 전력전송장치는 기계적인 접촉이 없어서 분진이 생기지 않으며 작업속도를 빠르게 할 수 있는 장점 때문에 최근들어 반도체, LCD 제조라인 등과 같은 클린룸 환경에서 널리 사용되고 있다.

무선 전력전송장치는 유도선로에 고주파 전류를 흘려주기 위한 1차측 인버터, 유도선로에서 발생되는 고주파 자속으로부터 유도 기전력을 얻는 2차측 픽업코일(pickup coil), 픽업코일의 인덕턴스와 소정 주파수로 공진하는 공진 캐패시터, 픽업코일에 유기된 전압을 정류하는 정류기, 선택적으로는 그 정류된 DC 전압을 일정하게 제어하는 레귤레이터(regulator)를 포함한다.

반도체, LCD, 자동차, 등의 제조라인에는 무선 전력전송장치로부터 전력을 제공받아 움직이는 수많은 종류의 이송대차들이 운용하고 있고 한시라도 전력공급이 중단되면 막대한 손실로 이어지기 때문에 무선 전력전송장치의 무한 신뢰성을 요구하고 있는 실정이다.

무선 전력전송장치는 일반적으로 유도선로에 고주파 전력을 공급하는 1차측 인버터와 이동체에 장착되는 2차측 장치 간에 거리가 멀고 별도의 통신장치가 없어 1차측에서 2차측 장치의 상태를 알 수 없다. 그에 따라 2차측 장치에 과전압, 과전류, 과열 등의 오류가 발생할 경우에 1차측 인버터를 차단하지 못해 2차측에 화재 등의 사고가 발생할 수가 있다.

특히 하나의 유도선로에 여러 대의 이동체를 올려 운용하는 경우가 많기 때문에 통신수단에 의해 2차측의 오류를 검출하여 1차측 인버터를 차단하는 방식은 그다지 적절한 방법이 되지 못한다. 하나의 이동체에서 오류가 발생했다고 해서 해당 유도선로에 전력을 공급하는 인버터를 차단하게 되면 다른 이동체도 모두 멈춰야 하기 때문에 손실이 크기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 2차측 장치에 자체적으로 차단기능을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 2차측 장치에 자체 차단기능을 구비하려면 2차측의 입력단, 구체적으로는 2차측 픽업코일의 출력단을 차단시켜야 하는데, 픽업코일에 유기된 기전력의 형태가 전압원이 아니고 전류원이기 때문에 입력단을 오픈시키기가 어려운 문제가 있다. 만일 입력단을 강제로 오픈시킨다면 고전압에 의한 아크(arc) 발생 등 추가적인 폐해가 생길 수 있다.

그에 따라 단순한 차단기나 기계적인 스위치류 등으로는 차단하기 어렵고, 전류가 영(zero)이 되는 시점에서 반도체 스위치를 오프(off)하여 차단할 수는 있겠으나 입력단을 차단하고 나면 반도체 스위치 구동을 위한 전원이 없어져서 반도체 스위치가 구동을 멈춤으로 인해서 반도체 스위치도 사용이 어렵다. 전류원이기 때문에 퓨즈에 의한 차단도 불가능하다.

한 가지 방법은 감열선을 사용하는 방법이다. 감열선은 2개의 탄성을 갖는 도선을 각각 소정온도에서 녹는 절연체로 피복하고 이들 절연체로 피복된 2개의 도선을 꼬아서 형성한다. 이렇게 구성된 감열선은 일정 이상의 열을 받으면 절연체 피복이 녹아서 두 개의 도선이 단락이 된다.

이러한 감열선을 2차측 장치에서 픽업코일이나 공진회로, 정류부 등의 발열 가능성이 있는 부품에 취부하고 2개의 도선은 픽업코일 양단에 연결한다. 운행 중에 부품에서 이상 발열이 발생하면 감열선의 두 도선은 절연체 피복이 녹아서 단락되고, 이는 다시 픽업코일의 양단을 단락시킴으로서 정류부의 입력단을 차단시킬 수가 있다. 픽업코일이 단락되면 공진회로를 구성하는 공진 캐패시터가 분리되어 전류가 거의 흐르지 않게 되는 것이다. 이 방법의 문제점은 2차측 장치의 발열부품에서 감열선 외부 피복으로 외부 피복에서 감열선 도선에 피복된 절연체로 열이 전달이 되어 절연체가 녹기 때문에 시간이 많이 걸려서 보통 수분 정도의 지연시간이 생기는 문제가 있다. 심지어 경우에 따라서는 화재로부터 완벽하게 보호가 안 될 수도 있다.

1. 과열 보호기능을 구비한 무접점 전력전송 시스템 및 방법(특허출원 10-2013-0032065호)
2. 전자 장치, 무선 전력 전송장치 및 그것의 전력 전송 방법(특허출원 10-2009-0046747호)

본 발명은 상기한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력전송장치에서 2차측 장치에 과전압, 과전류, 과열 등의 오류가 발생하여 안전에 위협이 예상되는 경우에 2차측 전원 입력단을 신속하게 차단하는 보호회로를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로는 감열선을 이용하여 픽업코일 양단을 단락시키되 빠르게 동작시킬 수 있도록 감열선의 도선을 자성체 소재로 구성하고 감열선에 코일을 감아 구성하였다. 이를 통해 도선을 유도가열하면 감열선에 권선된 도선의 온도가 즉시 빠르게 상승하여 이 온도에 의해 도선에 피복된 절연체가 신속히 녹게 되므로 감열선이 속응적으로 단락된다. 이러한 방식으로 감열선을 단락시켜 2차측 장치의 전력입력단인 픽업코일 출력단을 단락함으로서 정류부의 입력이 차단되는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로를 제공한다.

일반 감열선을 이용한 보호회로는 단순히 외부에서 열전달에 의해서 감열선의 절연체 피복이 녹는 방식이어서 피복이 충분히 녹기 위해서는 수 분 정도의 시간이 소요되므로 보호회로 동작시간이 너무 느린 단점이 있는 반면에, 본 발명에 따른 보호회로 구성을 사용하게 되면 수 초 이내에 동작하기 때문에 화재 등의 위험을 원천적으로 차단할 수 있다.

또한, 일반 감열선을 이용한 보호회로는 단순히 과열보호만 가능한 반면에 본 발명에 따른 보호회로는 설계 목적에 따라 과전압, 과전류, 과열, 센싱범위 초과 등과 같은 다양한 오류를 감지해서 감열선을 유도가열시키기 때문에 다양한 오류에 대해서 보호가 되는 장점이 있다.

[도 1]은 일반적인 무선 전력전송장치의 개념도,
[도 2]는 [도 1]의 급전트랙과 이동체에 장착이 된 픽업코일의 결합 단면도,
[도 3]은 픽업코일, 직렬 공진회로, 정류부, 레귤레이터로 구성되는 무선 전력전송장치 2차측 전력회로,
[도 4]는 픽업코일, 병렬 공진회로, 정류부, 레귤레이터로 구성되는 무선 전력전송장치 2차측 전력회로,
[도 5]는 본 발명에서 차단회로를 직렬 공진방식 2차측 전력회로에 적용한 보호회로 실시예,
[도 6]은 본 발명에서 차단회로를 병렬 공진방식 2차측 전력회로에 적용한 보호회로 실시예,
[도 7]은 [도 5]의 차단회로에서 픽업코일의 기전력을 유도가열 전원으로 활용한 보호회로 실시예,
[도 8]은 [도 7]에서 공진 캐패시터를 직렬로 삽입한 보호회로 실시예,
[도 9]는 [도 5]의 차단회로에서 직렬 공진회로의 기전력을 유도가열 전원으로 활용한 보호회로 실시예,
[도 10]은 [도 5]의 차단회로에서 직렬 공진회로에 직렬로 변압기를 추가하고 전체 직렬회로를 단락시킬 수 있는 스위치와 변압기 2차측과 직렬로 연결된 스위치를 포함하여 픽업의 기전력을 유도가열 전원으로 활용한 보호회로 실시예,
[도 11]은 [도 6]의 차단회로에서 병렬 공진회로에 직렬로 변압기를 삽입하여 픽업의 기전력을 유도가열 전원으로 활용한 보호회로 실시예,
[도 12]는 [도 5]의 차단회로에서 직렬 공진회로에 직렬로 변압기를 추가하고 변압기 2차측과 직렬로 연결된 스위치를 포함하여 픽업의 기전력을 유도가열 전원으로 활용한 보호회로 실시예,
[도 13]은 [도 5]의 차단회로에서 유도가열 코일에 인가되는 유도가열 전원장치를 단속하는 스위치를 보조감열선으로 구현한 보호회로 실시예,
[도 14]는 [도 12]의 차단회로에서 유도가열 코일에 인가되는 유도가열 전원장치를 단속하는 스위치를 보조감열선으로 구현하고, 전압 클램프소자의 발열에 의해서 보조감열선이 동작하도록 구성한 보호회로 실시예,
[도 15]는 [도 13]의 차단회로에서 전압클램프소자가 정류기 후단에 위치한 경우의 보호회로 실시예,
[도 16]은 [도 12] 내지 [도 14]의 차단회로에서 유도가열 코일에 인가되는 유도가열 전원장치를 단속하는 스위치를 보조감열선으로 구현하고, 전압 클램프소자를 설치하여 부품의 과열이나 정류부의 과전압에 반응하여 동작하도록 구성한 보호회로 실시예,
[도 17]은 본 발명에 따른 차단회로에서 전압 클램프소자를 스위치로 활용하도록 구성한 보호회로 실시예,
[도 18]은 본 발명에서 차단회로가 작동하였을 때 유도가열 코일에 흐르는 전류의 양을 통제하기 위한 임피던스를 추가하여 구성한 보호회로 실시예.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[도 1]은 트랙을 따라 움직이는 이송대차에 일반적으로 사용되고 있는 무선 전력전송장치의 개념도이고, [도 2]는 [도 1]에서 이송대차에 장착된 픽업코일과 급전트랙의 단면을 보여준다. [도 3]과 [도 4]는 이와 같은 무선 전력전송장치에서 2차측 전력회로를 보여준다.

무선 전력전송장치 1차측의 구성은 유도선로(2)를 포함하는 급전트랙과 유도선로에 고주파 전류를 흘려주는 인버터(1)로 구성된다. 무선 전력전송장치 2차측은 급전트랙을 따라 움직이는 이송대차에 장착된다. 무선 전력전송장치 2차측의 일반적인 구성은 [도 2]를 참조하면 자성코어(3)에 2차권선이 감겨져있고 급전트랙과 일정 공극(air gap)을 유지하도록 픽업코일(11)이 설치되어 있다. 그리고 픽업코일(11)과 공진을 일으키도록 연결되는 공진 캐패시터(12, 13), 픽업코일(11)의 고주파 출력을 DC로 변환해주는 정류기(14), DC 필터(15, 18)를 추가로 구비하며, 구현 예에 따라서는 출력전압을 일정하게 제어해주는 레귤레이터(16)를 포함하여 이루어진다.

공진 캐패시터는 [도 3]과 같이 픽업코일(11)과 직렬로 연결되어 직렬공진 회로를 구성할 수도 있고, [도 4]와 같이 픽업코일(11)과 병렬로 연결되어 병렬공진 회로를 구성할 수도 있다. 직렬공진 회로인 경우에는 다이오드 정류기(14)의 출력단이 캐패시터(15) 필터로 구성되고, 병렬공진 회로인 경우에는 다이오드 정류기(14)의 출력단이 인덕터(18) 필터로 구성된다.

본 발명은 이와 같은 무선 전력전송장치에서 2차측 보호회로에 관한 것으로 설명의 편이상 2차측에 국한해서 설명한다. [도 5]는 본 발명에서 직렬공진형 2차측 전력회로에 대한 보호회로를 나타내며, [도 6]은 병렬공진형 2차측 전력회로에 대한 보호회로를 나타낸다.

2차측 보호회로의 구성을 살펴보면, 먼저 자성체 소재로 구성된 두 개의 도선(22)을 각각 소정온도에서 녹는 절연체로 피복한 후 서로 꼬아서 감열선(21)을 형성한다. 그리고, 감열선(21)을 유도가열 하기 위해서 감열선(21) 위에 유도가열 코일(25)을 감고, 이 유도가열 코일(25)의 양단에 유도가열 단속 수단(24)을 구비한 유도가열 전원장치(23)를 연결한다. 그리고, 감열선(21)의 두 개의 도선(22)을 픽업코일(11)의 양단에 각각 접속한다.

픽업코일, 공진회로, 정류부 등에서 과전압, 과전류, 과열 등의 오류가 발생할 경우에 이것을 감지하여 유도가열 전원장치(23)를 켜면 유도가열 코일(25)에 의해 감열선(21)이 유도가열되어 급속히 온도가 올라가고 이로 인해서 절연체가 녹아서 두 도선(22)이 단락된다. 이렇게 단락된 두 도선(22)이 픽업코일(11)의 양단을 단락시킴으로서 정류부(14)의 입력단을 차단함으로서 2차측을 완벽하게 보호할 수 있게 된다. 픽업코일(11)의 출력단을 단락시키면 공진회로(12, 13)나 정류부(14)에는 더 이상 에너지가 공급되지 않기 때문에 확실하게 차단된다. 또한, 픽업코일(11) 자체도 공진회로(12, 13)가 분리됨으로 인해 소량의 전류만 흐르게 되어 안전하게 보호될 수 있다.

종래기술에 따른 일반 감열선은 반드시 비자성체로 구성하였다. 이는 일반 감열선이 회로 보호를 위해 픽업코일(11)과 정류회로(14)를 비롯하여 이동체의 각 주요부품에 걸쳐 널리 취부되는데, 감열선을 자성체로 구성하게 되면 픽업코일(11)과 정류회로(14) 근방의 고주파 전력에 의해 감열선의 자성체가 자체 발열하는 문제가 있기 때문이다. 즉, 정작 이동체의 각 부품에서는 열이 조금밖에 발생하지 않았음에도 불구하고 감열선의 자체 발열에 의해 감열선이 단락되어 버리는 것이다. 이와 같은 현상을 방지하기 위해서 종래기술의 일반 감열선은 비자성체로 구성하는 것이 당연하면서 필수적인 것으로 인식되어 왔다. 감열선의 내부 발열은 최소로 유지하면서 이동체의 각 부품으로부터 전달되는 외부 발열로 피복을 녹여 회로 보호를 달성하는 구조이다.

반면, 본 발명에서는 감열선(21)을 반드시 자성체로 구성한다. 본 발명에서는 유도가열 코일(25)에서 제공되는 교류 전류에 의해 감열선(21)이 유도 가열되는 내부 발열 방식이다. 즉, 본 발명에서는 감열선(21)이 유도 가열되어야 하므로 감열선(21)이 자성체로 구성됨이 필수 요소이며, 종래기술에서처럼 비자성체로 구성하여서는 전혀 동작할 수 없다.

이처럼 감열선(21)을 자성체로 구성하는 것은 종래기술과 비교하여 상당한 산업적 의미를 갖는다. 종래기술에서 감열선으로 사용하는 비자성체 소재는 주로 인청동을 사용하며 소재 가격도 고가이고 특수 주문 형태로 생산이 되어 구하기도 힘든 문제점이 있었다. 반면, 본 발명에서 감열선(21)으로 사용하는 자성체 소재는 철(Fe)로 이루어져 가격도 저렴하고 소방 감열선으로 널리 사용이 되기 때문에 구하기도 쉬운 장점이 있다. 이처럼 감열선(21)을 비자성체가 아닌 자성체로 구성함으로써 본 발명에서는 산업적으로 상당한 장점을 얻을 수 있다.

한편, 감열선(21)의 자성체 물성은 유도가열 전원장치(23)의 동작 조건과 유도가열 코일(25)의 권선 정도를 기준으로 적절히 설정한다. 종래기술에서는 외부 발열로 감열선 피복을 녹이는 방식이므로 외부 환경에 따라 영향을 많이 받게 되어 조건 설정이 까다롭고 경우에 따라서는 제대로 동작하지 않을 수도 있다. 하지만, 본 발명은 피복 내부의 감열선(21) 자체에서 일어나는 내부 발열로 감열선 피복을 녹이는 방식이므로 외부 환경에 의해 영향을 전혀 받지 않으며 순수하게 유도가열 조건을 기준으로 자성체 물성을 선택하면 된다. 또한, [도 5]와 [도 6]에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 도선(22)을 이용하여 감열선(21)을 픽업코일(11)과 정류회로(14)와는 다소 이격된 위치에 배치하여 정상 상황에서의 감열선 단락을 방지하는 것이 바람직하다.

[도 7]은 유도가열 전원장치를 별도로 달지 않고 픽업코일(11)의 기전력을 이용할 수 있도록 감열선(21)에 감긴 유도가열 코일(25)의 양단을 픽업코일(11)의 양단에 연결하되 유도가열 스위치(24)를 유도가열 코일(25)과 직렬로 삽입하여 구성한다. 오류가 발생하면 이를 감지해서 유도가열 스위치(24)를 켜면 유도가열 코일(25)에 고주파 전류가 흐르고 감열선(21)의 두 도선(22)이 유도가열에 의해 단락되면 본 발명에 따른 보호회로가 작동하는 것이다.

[도 8]은 [도 7]과 마찬가지로 감열선(21)에 감긴 유도가열 코일(25)의 양단을 픽업코일(11)의 양단에 연결하되 유도가열 스위치(24)와 공진 캐패시터(27)를 유도가열 코일(25)과 모두 직렬로 삽입하여 구성한다. 캐패시터(27)는 2차측으로 전력이 전송되는 동안에는 픽업코일(11)과 공진을 일으키는 요소이며, [도 7]의 구성에 비해 더 많은 전류를 흘릴 수 있어 오류가 발생하면 감열선(21)의 작동속도를 더 빠르게 만들 수 있는 장점이 있다.

[도 9]는 [도 7]의 구성에서 감열선(11)에 감긴 유도가열 코일(25)의 양단을 픽업코일(11)의 양단에 연결하는 대신에 직렬공진 캐패시터(12)까지 포함하여 연결하되 유도가열 스위치(24)를 유도가열 코일(25)과 직렬로 삽입한 것이다. 이러한 구성을 통해서도 단순히 픽업코일(11) 양단에 유도가열 코일(25)을 연결한 [도 7]의 구성에 비해 더 많은 전류를 흘릴 수 있어 오류가 발생하면 감열선(21)의 작동속도를 더 빠르게 만들 수 있는 장점이 있다. 다만, 정류부의 입력단이 단락이 된 경우에는 유도가열 코일에 에너지를 줄 수 없는 단점이 있다.

[도 10]은 2차측이 직렬공진 회로를 포함하여 구성될 때, 감열선(21)에 감긴 유도가열 코일(25)을 변압기(28)를 통해서 직렬공진 회로에 직렬로 삽입하고, 변압기(28)를 포함한 직렬공진 회로를 단락시킬 수 있는 변압기 스위치(29)와 변압기(28)의 2차측과 유도가열 코일(25) 사이에 유도가열 스위치(24)를 직렬로 삽입하여 구성한 것이다. 이러한 구성에서 2개의 스위치(24, 29)를 동시에 켜면 유도가열 코일(25)에 고주파 전류를 흘려줄 수 있고 이를 통해 감열선(21)을 작동시켜 보호회로를 동작시킬 수 있다.

[도 11]은 2차측이 병렬공진 회로를 포함하여 구성될 때, 감열선(21)에 감긴 유도가열 코일(25)을 변압기(28)를 통해서 병렬공진 회로에 직렬로 삽입하고, 변압기(28)의 2차측과 유도가열 코일(25) 사이에 유도가열 스위치(24)를 직렬로 삽입하여 구성한 것이다. 이러한 구성을 통해서 유도가열 스위치(24)를 켜면 유도가열 코일(25)에 고주파 전류를 흘려줄 수 있고 이를 통해 감열선(21)을 작동시켜 보호회로를 동작시킬 수 있다.

[도 12]는 2차측이 직렬공진 회로를 포함하여 구성될 때, 직렬 공진회로와 직렬로 변압기(28)의 1차권선을 연결하여 폐회로를 구성한 상태에서 유도가열 코일(25)의 일단을 유도가열 스위치(24)를 통해서 직렬공진 회로의 일단에 연결하고 유도가열 코일(25)의 타단은 변압기(28)의 2차권선의 일단과 직렬로 연결하며, 변압기(28)의 2차권선의 타단은 직렬공진 회로의 타단과 연결하여 구성한 것이다. 이러한 구성을 통해서 유도가열 스위치(24)를 켜면 직렬공진 회로에서 발생하는 기전력이 유도가열 코일(25)에 고주파 전류를 흘려줄 수 있고 이를 통해 감열선(21)을 작동시켜 보호회로를 동작시킬 수 있다. 정류부의 입력단이 단락이 된 경우에도 공진전류가 변압기를 통해서 유도가열 코일에 흘릴 수가 있어서 보호회로가 작동되는 장점을 갖는다.

[도 13]는 전술한 감열선(21)과 기본적으로 동일한 구조로 이루어지되 감열선(21)보다는 가늘고 구부러지기 쉬운 소용량의 보조감열선(30)을 활용하는 구성을 나타낸다. 보조감열선(30)을 픽업코일(11)과 공진회로와 정류부 내의 여러 부품에 취부하고, 보조감열선(30)의 두 개의 도선을 유도가열 전원장치(23)와 직렬로 연결하여, 각 부품에서 과열이 발생할 경우에 보조감열선(30)이 하나의 스위치처럼 단락이 되어 별도의 과열센서나 구동회로가 없이 유도가열 전원장치(23)가 유도가열 코일(25)에 인가되어 유도가열이 되도록 한다.

대용량의 무선 전력전송장치의 경우에는 픽업코일(11)을 단락할 경우에 단락전류가 많이 흐르기 때문에 충분히 굵은 두께의 감열선을 사용해야 한다. 하지만 두께가 굵은 감열선은 유연성이 없어서 이동체의 각종 부품에 꼼꼼하게 취부하기가 매우 곤란하고, 그 결과로 2차측 보호기능도 저하되는 문제가 있다. 그러나, [도 13]에서와 같이 가늘고 구부러기지 쉬운 소재로 만들어진 유연성 보조감열선(30)을 각종 부품에 취부하여 과열을 감지하는 구성에서는 보조감열선(30)은 픽업코일(11) 양단을 직접 단락시키지 않고 대용량의 주 감열선(21)을 유도가열하기 위한 일종의 스위치로만 활용한다. 픽업코일(11) 양단을 단락시키는 역할은 대용량 주 감열선(21)이 담당함으로서 대용량의 2차측 전력회로에서도 2차측 보호기능의 신뢰도가 유지되는 장점을 갖는다.

[도 14]은 [도 13]에서 2차측의 입력전압이 미리 설정된 소정의 전압 이상이 되면 소정의 전압으로 클램프해주는 양방향 클램프소자(32)를 정류기 입력 양단에 연결한 구성을 개시한다. 양방향 클램프가 가능하도록 클램프소자(32)를 서로 마주보게 직렬로 연결하여 구성하여 정류부의 과전압을 양방향으로 클램프하고, 보조감열선(30)을 이 양방향 클램프소자(32)에 취부한다. 보조감열선(30)의 두 도선(31)을 유도가열 전원장치(23)와 유도가열 코일(25)과 모두 직렬로 연결하여 폐회로를 구성하였다.

이러한 구성에서는 2차측 장치에 문제가 발생하여 정류부에 과전압이 발생하면 클램프소자(32)가 클램프 동작을 하게 되며, 이때 클램프소자(32)에도 과열이 발생한다. 클램프소자(32)에 취부된 보조감열선(30)이 하나의 스위치처럼 단락되어 별도의 과전압 센서나 단속 스위치가 없이 유도가열 전원장치가 유도가열 코일(25)에 인가되어 유도가열이 되도록 한다.

[도 15]는 [도 14]를 변형한 구성으로서 정류기 출력단에 단방향 클램프소자(33)를 사용할 구성을 개시한다. [도 15]에 개시된 보호회로 구성의 동작원리는 [도 14]를 참조하여 전술한 것과 유사하다. 이러한 구성에서는 단방향 클램프소자(33)가 소손이 되어 단락되는 경우가 있고 이때 출력 필터 캐패시터(15)를 방전시킬 수 있는 만큼 단방향 클램프소자(33)와 출력 필터 캐패시터 사이에 다이오드(34)를 삽입하는 것이 바람직하다.

[도 16]는 [도 13]과 [도 14]의 구성을 결합하여 이루어진 보호회로로서 보조감열선(30)이 전압 클램프소자(32)와 각종 부품에 동시에 연결이 되어 정류부에 과전압이 발생하거나 가종 부품에서 과열이 발생할 경우에 모두 보호가 되는 것을 특징으로 한다.

[도 17]은 본 발명에 따른 차단회로에서 전압 클램프소자(37)를 스위치로 활용하도록 구성한 보호회로 실시예이다. 2차측의 픽업코일(11)에 과전압이 발생하면 전압 클램프소자(37)는 일차적으로 당해 전압을 미리 설정한 소정의 전압으로 클램프를 시도한다. 그러나, 과전압의 지속 시간이 수십 ㎲ 단위를 넘어서게 되면 전압 클램프소자(37)는 장애가 발생하여 그 양단이 단락되는 현상이 발생하는데, 본 실시예는 이러한 현상을 이용하여 전압 클램프소자(37)를 일종의 스위치로 활용하는 것이다. 전압 클램프소자(37)가 단락됨에 따라 유도가열 코일(25)에 전류가 흐르게 되고, 그에 따라 감열선(21)의 피복이 녹아 단락되면서 2차측에 대한 보호기능이 달성된다. 전압 클램프소자(37)는 이전의 실시예에서 이상 상태를 감지하는 구성요소와 유도가열 코일(25)을 온/오프 스위칭하는 구성요소를 일체로 구성한 것에 해당된다.

[도 17]은 변압기(28)를 사용하는 구성을 도시하였으나, 그와는 상이한 방식의 구성, 예컨대 픽업코일(11)의 기전력을 이용하거나 혹은 유도가열 전원(23)을 별도로 사용하는 방식에 대해서도 마찬가지로 전압 클램프소자(37)를 스위치로 활용하도록 구성할 수 있다.

[도 18]은 본 발명에서 차단회로가 작동하였을 때 유도가열 코일(25)에 흐르는 전류의 양을 통제하기 위한 임피던스(36)를 추가하여 구성한 보호회로 실시예를 도시한 것이다. [도 5] 내지 [도 17]에 개시된 보호회로를 살펴보면, 개념적으로는 스위치(24)가 동작하여 온(ON)으로 되면 유도가열 코일(25)이 동작하여 감열선(21)의 피복을 녹여 단락시키는 방식으로 되어있다. 즉, 유도가열 코일(25)을 통해 전류가 흐르게 되는데, 그 전류량을 통제하여 유도가열 코일(25)을 보호하기 위해 폐회로 상에 임피던스(36)을 삽입하는 것이 바람직하다. 임피던스(36)는 커패시턴스(C), 저항(R), 인덕턴스(L)를 활용하여 구성하는데, 구체적인 값은 설계의 목적에 따라 적절하게 설정한다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

1 : 고주파 인버터 2 : 급전선로
3 : 픽업코어 4 : 이동체 취부면
11 : 픽업코일 12 : 직렬공진 캐패시터
13 : 병렬공진 캐패시터 14 : 다이오드 정류회로
15 : 필터 캐패시터 16 : 전력변환기
17 : 출력단 필터 캐패시터 18 : 필터 인덕터
21 : 감열선 22 : 감열선의 도선
23 : 유도가열 전원 24 : 유도가열 스위치
25 : 유도가열 코일 26 : 제어기
27 : 캐패시터 28 : 변압기
29 : 변압기 스위치 30 : 보조감열선
31 : 보조감열선의 도선 32 : AC 전압 클램프소자
33 : DC 전압 클램프소자 34 : 다이오드
36 : 임피던스 37 : 클램프소자(스위치)
M : 자속

Claims

고주파전류가 흐르는 유도선로를 따라 이동하는 이동체에 상기 유도선로에서 발생하는 자속에 의해 기전력이 유기되는 픽업코일이 설치되고 상기 픽업코일과 공진을 일으키는 공진 소자 및 상기 픽업코일에 유기된 고주파 교류 기전력을 직류로 변환해주는 정류부를 거쳐 이동체 부하에 전력을 공급해주는 무선 전력전송장치에서 2차측을 보호하기 위한 회로로서,
유도 가열이 가능한 자성체 소재로 구성된 도선을 소정의 온도에서 녹는 절연체로 피복하고 이들 절연체로 피복된 한 쌍의 도선을 꼬아서 형성하며 상기 한 쌍의 도선의 각 단부가 상기 픽업코일의 양단에 접속된 감열선(21);
상기 감열선의 상기 자성체 소재의 도선을 유도 가열하기 위해서 상기 감열선 위에 권선된 유도가열 코일(25);
상기 유도가열 코일의 양단에 연결되어 상기 감열선을 유도 가열하기 위한 교류 전력을 제공하고 온/오프 단속 수단을 구비한 유도가열 전원수단;
상기 무선 전력전송장치의 2차측에서 발생하는 과전압, 과전류, 과열 중의 하나 이상을 포함하는 이상현상을 감지하고 그에 따라 상기 유도가열 전원수단의 온/오프 단속수단을 제어하는 이상 감지수단;
을 포함하여 구성되어,
상기 이상 감지수단이 상기 무선 전력전송장치의 2차측에서 발생하는 이상현상을 감지하여 상기 유도가열 전원수단을 켜면 상기 유도가열 코일에 의해 상기 감열선의 자성체 소재의 도선이 유도가열되어 상기 피복의 절연체가 녹아 상기 두 도선이 단락됨에 따라 상기 픽업코일의 양단이 단락됨으로써 상기 정류부 입력단을 차단하여 상기 무선 전력전송장치의 2차측을 보호하도록 구성된 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 1에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은 상기 픽업코일의 양단에 형성되는 기전력을 상기 유도가열 코일의 양단으로 제공함으로써 상기 교류 전력을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 2에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은,
상기 유도가열 코일의 양단을 상기 픽업코일의 양단에 연결하고, 상기 온/오프 단속 수단을 상기 유도가열 코일과 상기 픽업코일에 직렬 연결함으로써 상기 픽업코일의 양단에 형성되는 기전력을 상기 유도가열 코일의 양단에 제공하도록 하며,
상기 온/오프 단속 수단, 상기 유도가열 코일, 상기 픽업코일을 잇는 폐회로에 직렬 삽입된 캐패시터(27)를 더 구비함으로써 상기 온/오프 단속 수단이 켜질 때 상기 픽업코일(11)과 상기 직렬 삽입된 캐패시터(27)가 공진을 일으켜 상기 픽업코일의 기전력이 상기 유도가열 코일에 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 2에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은 상기 픽업코일과 공진 캐패시터(12)가 직렬로 연결되어 구성되는 직렬 공진회로 양단을 상기 유도가열 코일의 양단으로 제공함으로써 상기 픽업코일의 기전력이 상기 유도가열 코일에 인가되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 2에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은, 상기 픽업코일과 공진 캐패시터가 구성하는 공진회로에 직렬로 1차권선이 삽입되어 폐회로를 구성하고 2차 권선은 상기 유도가열 코일 및 상기 온/오프 단속 수단과 직렬 연결되어 폐회로를 구성하는 변압기(28);를 더 포함하여 구성되고,
상기 이상 감지수단이 상기 무선 전력전송장치의 2차측에서 이상현상을 감지함에 따라 상기 온/오프 단속 수단을 켜면 상기 픽업코일에 유기된 기전력이 상기 변압기를 통해 상기 유도가열 코일에 인가되어 상기 감열선을 단락시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 5에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은, 상기 공진회로가 직렬 공진회로를 구성할 때에 상기 정류부의 입력단 양단에 연결되어 상기 이상 감지수단의 제어에 의해 온/오프 제어되는 변압기 스위치(29);를 더 포함하여 구성되고,
상기 이상 감지수단이 상기 무선 전력전송장치의 2차측에서 이상현상을 감지함에 따라 상기 온/오프 단속 수단과 상기 변압기 스위치를 모두 켜는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 4에 있어서,
상기 유도가열 전원수단은, 상기 픽업코일과 공진 캐패시터가 직렬 공진회로를 구성할 때에 직렬 공진회로의 양단을 유도가열코일에 직접 인가하는 대신에 변압기(28)의 1차권선이 직렬 공진회로와 직렬로 삽입되어 폐회로를 이룬 상태에서, 직렬 공진회로의 양단이 상기 변압기의 1-2차권선과 상기 온/오프 단속 수단을 거쳐서 유도가열코일의 양단에 연결되며,
상기 이상 감지수단이 상기 무선 전력전송장치의 2차측에서 이상현상을 감지함에 따라 상기 온/오프 단속 수단을 켜면 픽업코일의 유도기전력이 상기 유도가열 코일에 인가되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 1에 있어서,
상기 이상 감지수단은, 상기 감열선(21)과 동일한 구조로 이루어지되 상기 감열선보다 가늘고 구부러지기 쉬운 도선으로 이루어지며 상기 무선 전력전송장치의 2차측에 취부되고 한 쌍의 도선(31)이 상기 유도가열 전원수단과 직렬 연결된 보조감열선(30);을 포함하여 구성되어,
상기 2차측에서 과열이 발생하는 경우에 상기 보조감열선의 절연체 피복이 녹아 단락되어 상기 유도가열 전원수단의 온/오프 단속수단을 제공함으로써 상기 유도가열 코일에 상기 교류 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 8에 있어서,
상기 이상 감지수단은, 상기 정류부의 양단에 연결되어 소정의 전압보다 높은 전압이 상기 정류부 양단에 인가될 경우에 전압을 클램프하는 클램프소자(32);를 더 포함하여 구성되고,
상기 보조감열선(30)은 상기 클램프소자에 취부되어 상기 정류부의 양단에 과전압이 발생하면 상기 클램프소자가 전압 클램프 동작을 수행하면서 발열함에 따라 상기 보조감열선이 단락되어 상기 감열선(21)을 유도가열 시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.
청구항 4 또는 청구항 7에 있어서,
상기 이상 감지수단은, 상기 픽업코일과 상기 유도가열 코일을 직렬 연결하여 양단의 전압이 소정 이상 인가된 상태가 일정 시간 이상 유지되는 경우에 단락되는 제 2 클램프소자(37);를 더 포함하여 구성되고,
상기 유도가열 전원수단의 상기 온/오프 단속 수단은 상기 제 2 클램프소자와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송장치의 2차측 보호회로.