KR101446866B1

KR101446866B1 - 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치

Info

Publication number: KR101446866B1
Application number: KR1020130041761A
Authority: KR
Inventors: 정윤도; 김현기
Original assignee: 정윤도; 김현기
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-06

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송장치는, 절연체로 된 커버를 포함하며, 내부에 액체질소가 채워져있는 냉각용기와, 상기 냉각용기 내에 위치하는 초전도 수신코일과, 상기 냉각용기 밖에서 상기 커버에 인접해서 위치하는 상전도 송신코일과, 고주파 전류를 상기 상전도 송신코일에 인가하는 고주파 전원장치와, 상기 냉각용기 내에서 상기 초전도 수신코일에 연결되어 상기 초전도 수신코일에서 유도 발생되는 전류를 저장하기 위한 전류저장수단을 구비한다. 커버의 재질은 유리, 그리고 냉각용기의 재질은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)인 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면 구리선재를 사용하는 종래 방식보다 Q값이 대폭 향상된다. 또한, 고효율 전류전송이 가능해지고 접촉저항에 의한 에너지 손실이 없으므로, 스마트 그리드용 에너지 저장장치, 자기부상열차, 초전도 전원장치 등 다양한 초전도 전력기기에 적용이 가능하다.

Description

고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치 {Contactless Power Transfer Apparatus Using High Temperature Superconducting Magnet}

본 발명은 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상전도 코일을 통해 무선으로 전송된 전류를 초전도 수신코일로 수신하여 마그넷에 저장하거나, 초전도 전송코일을 통해 상전도 수신코일로 무선으로 전력을 전송하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치에 관한 것이다.

무선전력전송기술은 송신 코일과 수신 코일을 사용하여 무선으로 전력을 전송하는 기술으로서, 송신 코일에 고주파의 전기장을 걸어주면 주위에 자기장이 발생하고 반대로 코일 주변에 자기장을 걸어주면 코일에 전기가 흐르는 원리를 이용한 것이다.

무선전력전송기술은 무선전력전송 방식의 코일형태에 따라 유도형(예: 특허공개 제10-2011-0098306호 등)과 자기공명형(예: 특허공개 제10-2012-0082993호, 특허공개 제10-2011-0062841호 등)으로 나눌 수 있다. 자기공명 방식은 전원코일, 송신코일, 수신코일, 부하코일로 구성되며 전송거리 1~2m 이내에서 전송전력 수백 와트(W)의 전송이 가능하다. 유도 방식은 송신코일과 수신코일로 구성되며 전송거리가 짧은 반면(20~30cm) 전송전력은 수십 kW가 가능하다.

이때 공진 송수신 코일의 공진기 Q(quality factor) 값이 클 때 전송효율을 향상시킬 수 있으며, 송수신코일간의 임피던스 매칭을 나타내는 결합계수 k도 전송거리와 전송효율에 영향을 주게 된다.

공진기의 Q 값은 Q = 2πfL/R 에 의해 정해지므로(R :코일 저항, f :주파수, L :코일 자기인덕턴스), 코일의 저항값이 낮을 수록, 그리고 코일의 자기인덕턴스가 높을 수록 높은 Q 값을 얻을 수 있다.

무선전력전송에서는 일반적으로 송수신 코일로 구리선재를 사용하고 있다. 구리선재는 그 특성상 Q 값이 10⁴을 넘지 못한다. 또한 무선전력전송 기술에서 전압 전송 시에 전송되는 전압의 크기(수십[V]~수백[V])에 비해 전류전송 시의 전송되는 전류의 크기(수 [mA]~수 [A])가 상대적으로 작다. 이는 저항성분이 큰 구리선재(상전도선재)를 사용하기 때문에 발생하는 본질적인 특성이다.

이와 같은 기술상의 제약 때문에, 무선전력전송은 현재 무선커피포트, 휴대폰 등의 전자기기의 무선충전장치(특허공개 제10-2012-0068412호, 특허공개 제10-2012-0133081호 등) 등에 제한적으로 활용되고 있지만, 전기자동차의 무선충전, 전기열차의 무선충전 등과 같이 무선전력전송기술을 다양한 전력기기에 적용하기 위해서는 전류전송율을 증대시켜야 한다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 다양한 전력기기에 적용 가능한 무선전력전송장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 전류전송율이 높은 무선전력전송장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송장치는, 절연체로 된 커버를 포함하며, 내부에 액체질소가 채워져있는 냉각용기와, 상기 냉각용기 내에 위치하는 초전도 수신코일과, 상기 냉각용기 밖에서 상기 커버에 인접해서 위치하는 상전도 송신코일과, 고주파 전류를 상기 상전도 송신코일에 인가하는 고주파 전원장치와, 상기 냉각용기 내에서 상기 초전도 수신코일에 연결되어 상기 초전도 수신코일에서 유도 발생되는 전류를 저장하기 위한 전류저장수단을 구비한다.

상기 커버의 재질은 유리인 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각용기의 재질은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)인 것이 바람직하다. 초전도 수신코일은 적층코어에 감겨져있을 수 있다.

상기 상전도 송신코일에 연결되는 전선의 재질은 상전도 선재가 사용된다. 또한, 초전도 수신코일에 연결되는 전선의 재질은 초전도 선재가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는 초전도 수신코일에 연결되는 전선은 상전도 선재가 사용될 수도 있다.

상기 전류저장수단은, 애노드가 초전도 수신코일의 한쪽 단자에 연결되어 초전도 수신코일로부터 출력되는 교류 전류를 반파 정류하기 위한 다이오드와, 상기 다이오드의 캐소드 측에 연결된 제1 초전도 스위치와, 상기 제1 초전도 스위치와 상기 초전도 수신코일의 다른쪽 단자 사이에 연결된 제2 초전도 스위치와, 제2 초전도 스위치 양단에 병렬로 연결된 초전도 마그넷을 구비할 수 있다.

본 발명은 또한 자기공명방식의 무선전력전송장치에도 사용될 수 있다. 이 경우에 상기 고주파 전원장치에는 상전도 전원코일이 연결되고, 상기 상전도 송신코일은 상기 상전도 전원코일에 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 초전도 수신코일에는 초전도 부하코일이 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 전류저장수단은 상기 초전도 부하코일에 연결된다.

본 발명에 따르면 초전도 코일 및 초전도 선재를 사용하므로, 구리선재를 사용하는 종래 방식보다 Q값이 대폭 향상된다. 즉, 구리선재를 활용한 Q값은 10⁴미만이지만, 초전도 선재의 경우 Q값이 10¹¹미만으로서, Q값이 대폭 향상된다. 또한, 상전도 코일을 사용한 무선전력전송기술에서는 저효율 전류전송의 한계가 있지만, 본 발명에 따르면 초전도 선재를 활용하여 고효율 전류전송이 가능해지므로, 대용량 에너지 저장장치의 구현이 가능하다. 또한, 무선전력전송방식을 채용하므로, 접촉저항에 의한 에너지 손실이 없어서, 상온에서 극저온으로 에너지 손실을 최소화하여 전송이 가능해진다. 따라서, 스마트 그리드용 에너지 저장장치, 자기부상열차, 초전도 전원장치 등 다양한 초전도 전력기기에 적용이 가능하다.

도 1 및 도 2는 상전도 송신코일과 초전도 수신코일을 사용한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송장치의 구성을 보여주는 개념 블록도로서, 도 1은 자기공명방식, 도 2는 유도방식을 보여주고 있다.
도 3은 도 1의 무선전력전송장치를 사용하여 전류를 저장할 수 있는 무선전력전송 및 저장장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 무선전력전송장치를 전기자동차 충전장치에 적용한 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 상전도 수신코일에 전달된 교류 전류를 직접 부하에 전달하는 경우의 회로도의 일예이다.
도 6은 상전도 수신코일에 전달된 교류 전류를 정류하여 부하에 전달하는 경우의 회로도의 일예이다.

구리선재를 사용한 무선전력전송장치에서의 Q 값의 한계를 극복하기 위하여 본 발명에서는 고온 초전도 선재(BISCCO, YBCO, Coated Conductor, MgB₂, GdBCO 등)를 사용하여 무선전력전송장치를 구현하였다.

초전도 선재의 경우에는 선재의 저항값이 매우 작아서 10⁷~10¹¹정도의 Q factor 값을 얻을 수 있으므로 전송효율을 크게 높일 수 있다(초전도 선재 저항값은 R=10^-12 내지 10^-15[Ωm]임). 또한 초전도 선재는 고자장 상태에서도 전류밀도가 높은 값을 안정적으로 유지할 수 있어 코일의 적층을 통해 임피던스 값을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 안정적으로 유지할 수 있어 기존의 상전도 선재(3~5 A/mm²) 보다 고온 초전도 선재(2000~20000 A/mm²)의 경우가 전류전송효율을 크게 향상시킬 수 있다.

그런데, 초전도 선재는 극저온에서 그 성질을 나타내므로 반드시 냉각용기가 필요하다. 초전도 선재는 냉각온도에 따라 저온 초전도 선재(냉각온도 9~20 K)와 고온 초전도 선재(냉각온도 90~150 K)로 구분된다. 저온 초전도 선재에 비해 고온 초전도 선재는 냉각온도가 상대적으로 높아 냉각용기의 용이성 때문에 적용이 쉽고 다양하게 활용된다. 종래에는 냉각용기로 주로 스테인레스 용기를 사용하고 있다. 그러나, 스테인레스 용기를 사용하면 무선전력전송을 위한 전자기장이 스테인레스 용기에 의해 차폐되어 버리기 때문에 효율적인 전력전송을 달성하기가 어렵다.

본 발명에서는 이러한 점을 해결하기 위하여 FRP(Fiber Reinforced Plastics)와 유리를 활용한 냉각용기를 통해 이를 해결한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에서는 상전도 코일, 예를 들면 구리 코일을 사용하여 전력을 전송하고 초전도 코일을 사용하여 전력을 수신한다. 도 1 및 도 2에 이러한 경우의 구성이 도시되어 있으며. 도 1은 자기공명방식, 도 2는 유도방식을 보여주고 있다.

본 발명의 장치는 절연체, 예를 들면 유리, 콘크리트, 아스팔트 등으로 된 커버(140)를 포함하며, 내부에 액체질소(180)가 채워져있는 냉각용기(150)를 사용하여 초전도 코일을 냉각시킨다. 냉각용기(150)의 재질을 FRP인 것이 바람직하다. 냉각용기(150) 안에는 초전도 수신코일(160)이 위치하고 있다. 초전도 수신코일(160)은 냉각용기(150) 안에 채워져 있는 액체질소(180)에 의해 극저온으로 유지되어 초전도 특성을 유지하게 된다.

자기공명방식의 경우에는 냉각용기(150) 밖에 상전도 전원코일(120)이 위치한다. 상전도 전원코일(120)은 고주파 전원장치(110)에 연결되어 있어서, 고주파 전원장치(110)로부터 고주파 전류를 공급받는다. 또한, 상전도 전원코일(120) 및 유리 커버(140)에 인접해서 상전도 송신코일(130)이 위치한다. 상전도 송신코일(130)은 상전도 전원코일(120)로부터 무선으로 전력을 공급받고 이를 다시 무선으로 초전도 수신코일(160)로 전송한다. 초전도 수신코일(160)은 수신된 전력을 다시 무선으로 초전도 부하코일(170)로 전달한다.

한편, 유도방식의 경우에는 유리 커버(140)에 인접해서 위치하는 상전도 송신코일(130)이 직접 고주파 전원장치(110)에 연결되어 있어서, 고주파 전원장치(110)로부터 고주파 전류를 공급받는다. 또한, 초전도 수신코일(160)은 수신된 전력을 초전도 부하코일(170)을 거치지 않고 직접 부하에 전력을 전달한다.

한편, 도 1 및 도 2에서는 상전도 송신코일(130)과 초전도 수신코일(160)이 코어 없이 사용되는 경우를 보여주고 있으나, 상전도 송신코일(130) 및/또는 초전도 수신코일(160)은 적층코어에 감겨져 있을 수도 있다.

실시예에 따라서는 초전도 수신코일(160) 또는 초전도 부하코일(170)에 연결되어 초전도 코일에서 유도 발생되는 전류를 저장하기 위한 전류저장수단이 냉각용기(150) 내에 위치할 수 있다. 도 3에 이러한 경우의 예가 도시되어 있다.

도 3의 전류저장수단은 초전도 수신코일(160)로부터 출력되는 교류 전류를 반파 정류하기 위한 다이오드(191)를 거쳐서 제1 및 제2 초전도 스위치(193, 195)를 연결하고, 제2 초전도 스위치(195)에 병렬로 초전도 마그넷(197)을 연결한 것이다. 2개의 초전도 스위치(193, 195)를 번갈아가면서 스위칭 동작을 시키면, 제1 초전도 스위치(193)가 온 상태이고 제2 초전도 스위치(195)가 오프인 상태에서는 초전도 수신코일(160)로부터 출력되는 플러스 전류가 초전도 마그넷(197)에 충전되고, 제1 초전도 스위치(193)가 오프 상태이고 제2 초전도 스위치(195)가 온인 상태에서는 초전도 마그넷(197)을 통해 흐르던 (즉, 충전되어 있던) 전류가 계속 제2 초전도 스위치(195)를 통해 흐르는 동작을 반복하게 되면서, 초전도 마그넷(197)에 충전전류를 계속 펌핑하게 된다. 이러한 구성에서는 입력전류가 4 내지 5 A일 때 충전전류는 50 A 이상이 가능하다.

또한, 실시예에 따라서는 냉각용기(150) 바깥에서 초전도 수신코일(160) 또는 초전도 부하코일(170)에 부하가 연결될 수도 있다. 이러한 부하의 예로서는, 자기공명영상장치(MRI), 자기부상열차, 전력기기의 차단기, 에너지 저장장치의 SMES(초전도 마그넷 에너지 저장장치) 등을 들 수 있다.

이상의 설명에서, 상전도 송신코일에 연결되는 전선의 재질은 상전도 선재가 사용된다. 또한, 초전도 수신코일에 연결되는 전선의 재질은 초전도 선재 또는 상전도 선재가 사용될 수 있다.

이상, 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상에 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

예를 들면, 이상의 설명에서는 주로 유도방식의 무선전력전송장치의 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 또한 자기공명방식의 무선전력전송장치에도 사용될 수 있다. 이 경우에 상기 고주파 전원장치에는 상전도 전원코일이 연결되고, 상기 상전도 송신코일은 상기 상전도 전원코일에 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 초전도 수신코일에는 초전도 부하코일이 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 전류저장수단은 상기 초전도 부하코일에 연결된다.

또한, 상기 고주파 전원장치에는 초전도 전원코일이 연결되고, 상기 초전도 송신코일은 상기 초전도 전원코일에 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 상전도 수신코일에는 상전도 부하코일이 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 부하는 상기 상전도 부하코일에 연결될 수 있다.

110 고주파 전원장치, 120 상전도 전원코일,
130 상전도 송신코일, 140 커버,
150 냉각용기, 160 초전도 수신코일,
170 초전도 부하코일, 180 액체질소.

Claims

절연체로 된 커버를 포함하며, 내부에 액체질소가 채워져있는 냉각용기,
상기 냉각용기 내에 위치하는 초전도 수신코일,
상기 냉각용기 밖에서 상기 커버에 인접해서 위치하는 상전도 송신코일,
고주파 전류를 상기 상전도 송신코일에 인가하는 고주파 전원장치
을 구비하며,
상기 상전도 송신코일에 연결되는 전선의 재질은 상전도 선재이며,
상기 초전도 수신코일에 연결되는 전선의 재질은 초전도 선재인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 커버의 재질은 유리인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
제2항에 있어서,
상기 냉각용기의 재질은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
제3항에 있어서,
상기 초전도 수신코일은 적층코어에 감겨져있는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 상전도 송신코일과 상기 초전도 수신코일에 연결되는 전선의 재질은 상전도 선재인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각용기 내에서 상기 초전도 수신코일에 연결되어 상기 초전도 수신코일에서 유도 발생되는 전류를 저장하기 위한 전류저장수단
를 더 구비하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
절연체로 된 커버를 포함하며, 내부에 액체질소가 채워져있는 냉각용기,
상기 냉각용기 내에 위치하는 초전도 수신코일,
상기 냉각용기 밖에서 상기 커버에 인접해서 위치하는 상전도 송신코일,
고주파 전류를 상기 상전도 송신코일에 인가하는 고주파 전원장치, 및
상기 냉각용기 내에서 상기 초전도 수신코일에 연결되어 상기 초전도 수신코일에서 유도 발생되는 전류를 저장하기 위한 전류저장수단
을 구비하며,
상기 전류저장수단은,
애노드가 초전도 수신코일의 한쪽 단자에 연결되어 초전도 수신코일로부터 출력되는 교류 전류를 반파 정류하기 위한 다이오드와,
상기 다이오드의 캐소드 측에 연결된 제1 초전도 스위치와,
상기 제1 초전도 스위치와 상기 초전도 수신코일의 다른쪽 단자 사이에 연결된 제2 초전도 스위치와,
제2 초전도 스위치 양단에 병렬로 연결된 초전도 마그넷
을 구비하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.
제8항에 있어서,
상기 고주파 전원장치에는 상전도 전원코일이 연결되고, 상기 상전도 송신코일은 상기 상전도 전원코일에 전자기적으로 결합되도록 연결되며,
상기 초전도 수신코일에는 초전도 부하코일이 전자기적으로 결합되도록 연결되며, 상기 전류저장수단은 상기 초전도 부하코일에 연결되는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치.