KR101482599B1 - coreless pickup device - Google Patents

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KR101482599B1
KR101482599B1 KR1020130097084A KR20130097084A KR101482599B1 KR 101482599 B1 KR101482599 B1 KR 101482599B1 KR 1020130097084 A KR1020130097084 A KR 1020130097084A KR 20130097084 A KR20130097084 A KR 20130097084A KR 101482599 B1 KR101482599 B1 KR 101482599B1
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KR1020130097084A
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정상훈
윤우열
김당오
이자현
조동호
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한국과학기술원
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    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/005—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles without mechanical contact between the collector and the power supply line
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)

Abstract

The coreless pickup device of the present invention incudes a first current collecting coil wound to form a hollow par of an air state in a center part; a second current collecting coil which is arranged with a preset distance in one direction of the first current collecting part and is wound to form a hollow part of an air state in the center part; and a third current collecting coil which is arranged with a preset distance in the other direction of the first current collecting coil and is wound to form a hollow part of an air state in the center part. According to the present invention, a current collecting core is used as the current collecting device of an air-core state in the current collecting device of a wireless charge system, and also, on the compensation for the output reduction of the current collecting device of an air-core state due to the current collecting core removal, the resonance frequency of the current collecting device is increased, thereby maintaining the output of the current collecting device and reducing the volume, weight, and price of the current collecting device.

Description

공심코어 집전장치{coreless pickup device}A coreless pickup device

본 발명은 공심코어 집전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 하부에 설치되어 급전장치로부터 무선으로 전력을 공급받는 공심코어 집전장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an eccentric core power collector, and more particularly, to an eccentric core power collector provided at a lower portion of a vehicle and supplied with power from a power feeder.

공해방지 및 석유에너지에 대한 의존도를 낮추기 위한 대안으로서, 전기만으로 구동하는 전기자동차와 전기 및 내연기관을 선택적으로 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되었다.As an alternative to pollution prevention and reliance on petroleum energy, hybrid cars have been developed that selectively use electricity-driven electric vehicles and electric and internal combustion engines.

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.However, the electric vehicles and plug-in hybrid vehicles developed so far must be connected to an external power supply device for a long time by using a plug or the like in order to charge the battery, and the distance that can be operated by only one charge is very limited .

때문에, 최근에는 배터리를 이용한 전기자동차의 대안으로서 자기유도방식의 전기자동차가 부각되고 있다.Therefore, in recent years, as an alternative to an electric vehicle using a battery, a magnetic induction type electric vehicle has been highlighted.

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.A self-induction type electric vehicle essentially requires a feed path (or a feed rail) for supplying electricity. In order to charge the electric power required for the electric vehicle (or electric train) of this type, it is sufficient to travel on the power supply road. That is, when electric power of high frequency is supplied to the feeder line while the vehicle runs on the feeder road, electric power is supplied to the electric vehicle by the principle of electromagnetic induction between the feeder cable and the current collector installed in the electric vehicle.

이러한 종래 무선충전 시스템 기술의 집전장치는 투자율이 높은 자성체 재료의 코어를 사용하여 급전장치에서 송신하는 자속을 최대한 손실 없이 받아들여 집전장치 한 대당 충분한 용량을 확보해 왔다. 구체적으로 종래의 무선충전 시스템에서는 상대 투자율 3200의 페라이트(ferrite) PL-13이란 재료를 사용해 왔다. 그러나, 이러한 높은 투자율이 있는 반면, 4,900 kg/㎥ 이란 높은 밀도를 가져 집전장치의 무게 및 가격 상승의 요인이 된다. 즉, 코어 재료를 페라이트(ferrite) PL-13을 계속 사용한다면 집전장치의 무게, 부피, 가격 등의 측면에서 최적화를 하는데 그 한계가 있다. 상용화 차량에 적용하기 위해서는 집전장치의 이러한 면들에 대한 감소 및 최적화가 더욱 필요하다.Such a current collecting device of the conventional wireless charging system technology has used a core of a magnetic material having a high magnetic permeability and has received a magnetic flux transmitted from a power feeding device as much as possible to secure a sufficient capacity per one power collecting device. Specifically, in the conventional wireless charging system, a ferrite PL-13 having a relative permeability of 3200 has been used. However, while this high magnetic permeability exists, 4,900 kg / m3 is a high density, which causes the weight and cost of the current collector to increase. That is, if the ferrite PL-13 is continuously used as the core material, there is a limit to optimize the current collector in terms of weight, volume, and price. Reduction and optimization of these aspects of the current collector is further needed for application in commercial vehicles.

결국, 차량에 집전장치를 설치해야 한다는 점에 있어 집전장치의 무게 및 가격이 높다면 차량의 성능 및 비용 면에서 좋지 못하다. 특히 100 kW 수준의 대형 차량에 적용하는 경우는 큰 문제가 되지 않을 수도 있으나 MW 단위의 철도 차량에 적용하는 경우 자성체 코어를 제거한 가볍고 저렴한 집전장치가 반드시 필요하다.As a result, if the weight and the price of the power collecting device are high in terms of installing the power collecting device in the vehicle, the performance and the cost of the vehicle are not good. Especially, it is not a big problem when applied to a large-sized vehicle of 100 kW level. However, when applied to a railway vehicle of MW unit, a lightweight and inexpensive current collector with a magnetic core removed is indispensable.

KRKR 10-057341110-0573411 B1B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기존 무선충전 시스템의 집전장치에서 페라이트(ferrite) PL-13 재료의 집전코어를 제거한 공심(air-core) 상태의 집전장치를 사용하고, 집전장치의 공진주파수를 증가시켜 집전코어 제거로 인한 출력 저감을 보상할 수 있도록 한 공심코어 집전장치를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a power collecting device of an existing wireless charging system, which uses an air-core power collecting device in which a power collecting core of a ferrite PL- And it is an object of the present invention to provide an eccentric core power collector capable of compensating an output reduction due to removal of a current collector core by increasing the resonance frequency of the device.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공심코어 집전장치의 일 측면에 따르면, 중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제1 집전코일; 상기 제1 집전코일의 일측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제2 집전코일; 및 상기 제1 집전코일의 타측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제3 집전코일을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an eccentric-core power collector comprising: a first current-collecting coil wound around a center to form an air-flow passage; A second current-collecting coil disposed at a predetermined distance in one direction of the first current-collecting coil and wound to form an air-state passage in the center; And a third current-collecting coil which is disposed at a predetermined interval in the other direction of the first current-collecting coil and is wound so as to form an air-state passage in the center.

본 발명에 의하면, 기존 무선충전 시스템의 집전장치에서 집전코어를 공심(air-core) 상태의 집전장치를 사용하고, 집전코어 제거로 인한 공심(air-core) 상태의 집전장치의 출력 저감에 대한 보상을 집전장치의 공진주파수를 상승시킴으로써 집전장치의 출력을 유지하면서 집전장치의 부피, 무게, 가격을 줄일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, in a current collector of a conventional wireless charging system, a current collector in an air-core state is used, and a current collector in an air- By increasing the resonance frequency of the current collector by compensating, it is possible to reduce the volume, weight, and cost of the current collector while maintaining the output of the current collector.

또한, 추후 무선충전 전기차량이 상용화되고 그 산업이 활성화되어 집전코어가 제거된 공심(air-core) 상태의 집전장치를 사용할 경우 집전장치의 제조 원가를 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.Further, if the electric power-driven electric vehicle is commercialized and the industry is activated to use the air-core current collector in which the current collector core is removed, manufacturing cost of the current collector device can be greatly reduced.

도 1은 기존 집전장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공심코어 집전장치를 나타내는 도면.
도 3은 도 2에서 공심코어 집전장치의 코일 권선의 일예를 나타내는 도면.
도 4는 공심코어 집전 시뮬레이션의 일예를 나타내는 도면.
도 5는 도 4에서 공진주파수 변화에 따른 공심코어 집전장치의 출력피크전압의 일예를 나타내는 도면.
도 6은 도 4에서 공진 주파수 45 kHz 사용시 공심코어 집전장치의 출력 시뮬레이션 결과의 일예를 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
2 is a view showing an eccentric core current collector according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a view showing an example of a coil winding of an eccentric core current collector in Fig. 2;
4 is a diagram showing an example of an eccentric core collector current simulation.
5 is a diagram showing an example of an output peak voltage of an eccentric core power collector according to a change in resonance frequency in Fig.
6 is a diagram showing an example of the output simulation result of the eccentric core current collector when the resonant frequency is 45 kHz in Fig.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

도 1은 기존 집전장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공심코어 집전장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에서 공심코어 집전장치의 코일 권선의 일예를 나타내는 도면이며, 도 4는 공심코어 집전 시뮬레이션의 일예를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에서 공진주파수 변화에 따른 공심코어 집전장치의 출력피크전압의 일예를 나타내는 도면이며, 도 6은 도 4에서 공진 주파수 45 kHz 사용시 공심코어 집전장치의 출력 시뮬레이션 결과의 일예를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view showing an eccentric core current collector according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view showing an example of a coil winding of the eccentric core current collector in FIG. 4 is a diagram showing an example of an output peak voltage of an eccentric core collector according to a change in resonance frequency in Fig. 4, Fig. 6 is a graph showing an example of an output peak voltage in resonance And shows an example of the output simulation result of the eccentric core current collector when the frequency is 45 kHz.

도시된 바와 같이, 기존 집전장치는 도 1에 나타난 바와 같이 W자 형상의 페라이트(ferrite) 재질을 갖는 집전코어(10)와, W자 형상의 집전코어(10)의 좌측단부와 중앙부와 우측단부에 각각 배치되는 집전코일(20)로 구성된다. 이러한 구조에서 집전코어의 장점은 높은 투자율로 인해 높은 밀도의 자속이 형성될 수 있으며, 급전선로에서 생성된 자속의 경로 및 형상화에 유리하다. 그러나, 밀도가 4900 ㎏/㎥ 으로 집전장치의 무게 상승 및 가격 상승에 기여한다.As shown in FIG. 1, the conventional current collector includes a current collector core 10 having a ferrite material having a W shape, a current collector 10 having a left end portion, a central portion, and a right end portion of the W- Respectively. The advantage of the current collecting core in this structure is that a high density magnetic flux can be formed due to a high magnetic permeability and is advantageous for forming a path and shape of the magnetic flux generated in the feed line. However, the density of 4900 kg / m < 3 > contributes to the weight increase and the price increase of the current collector.

본 발명의 공심코어 집전장치는 도 2에 나타난 바와 같이 도 1에서 전술한 기존의 W자 형상의 집전코어(10)가 없는 에어(air) 상태의 집전코일(30)이 차량의 하부에 설치되어 급전장치로부터 무선으로 전력을 공급받는다.2, the air core power collector of the present invention is provided with a current collector coil 30 in an air state without the conventional W-shaped power collector core 10 described above with reference to FIG. 1, And power is supplied from the power feeding device wirelessly.

집전코일(30)은 중앙에 위치한 직사각형 형상의 제1 집전코일(31)과, 제1 집전코일(31)의 좌측에 위치한 직사각형 형상의 제2 집전코일(32)과, 제1 집전코일(31)의 우측에 위치한 직사각형 형상의 제3 집전코일(33)을 포함한다.The current collecting coil 30 includes a first current collecting coil 31 having a rectangular shape at the center and a second current collecting coil 32 having a rectangular shape located on the left side of the first current collecting coil 31, And a third collector coil 33 having a rectangular shape and located on the right side of the second collector coil 33.

제1 집전코일(31)은 중앙 내부에 에어(air) 상태의 통공부가 형성되도록 직사각형 형상으로 권선된다.The first current-collecting coil 31 is wound in a rectangular shape so as to form an air passage in the center thereof.

제2 집전코일(32)은 제1 집전코일(31)의 일측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어(air) 상태의 통공부가 형성되도록 직사각형 형상으로 권선된다.The second current-collecting coils 32 are arranged at predetermined intervals in the direction of one side of the first current-collecting coil 31, and are wound in a rectangular shape so as to form an air passage in the center.

제3 집전코일(33)은 제1 집전코일(31)의 타측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어(air) 상태의 통공부가 형성되도록 직사각형 형상으로 권선된다.The third current-collecting coils 33 are arranged at predetermined intervals in the other direction of the first current-collecting coil 31, and are wound in a rectangular shape so as to form an air passage in the center.

제1 집전코일(31)과 제2 집전코일(32) 및 제3 집전코일(33)은 상호간에 소정 간격으로 이격되어 배치되고, 이격된 사이의 공간은 에어(air) 상태가 유지된다.The first current-collecting coil 31, the second current-collecting coil 32, and the third current-collecting coil 33 are spaced apart from each other by a predetermined distance, and a space between the first and second current-collecting coils 32 and 33 is kept air.

이러한 공심코어 집전장치의 코일 권선은 도 3에 나타난 바와 같이 제1 집전코일(31)은 일방향으로 권선되고, 제2 집전코일(32)과 제 3 집전코일(33)은 각각 제1 집전코일(31)의 권선 방향과 반대 방향으로 권선된다. 예를 들어, 제1 집전코일(31)은 시계 방향으로 권선되고, 제2 집전코일(32)과 제 3 집전코일(33)은 시계 반대 방향으로 권선될 수 있다.3, the first current-collecting coil 31 is wound in one direction, and the second current-collecting coil 32 and the third current-collecting coil 33 are wound on the first current-collecting coil 31 in the direction opposite to the winding direction. For example, the first current-collecting coil 31 may be wound in a clockwise direction, and the second current-collecting coil 32 and the third current-collecting coil 33 may be wound in a counterclockwise direction.

이러한 구조를 갖는 본 발명의 공심코어 집전장치는 기존의 집전코어를 제거함으로써 집전장치의 가격, 부피 및 무게를 줄일 수 있으며, 집전코어 제거로 인한 공심코어 집전장치의 출력 저감은 사용 공진주파수를 상승시켜 집전장치 코일에 유도되는 전압을 상승시킴으로써 필요한 출력이 유지될 수 있도록 한다.The eccentric core current collector of the present invention having such a structure can reduce the price, volume, and weight of the current collector by removing the current collector core, and the output reduction of the eccentric core current collector due to the removal of the current collector core increases the used resonant frequency So that the required output can be maintained by raising the voltage induced in the current collector coil.

한편, 도 4에 나타난 바와 같이, W자 형상의 급전코어(primary core)(40)와, W자 형상의 급전코어(40)의 내부에 전력선 코일(power line coil)(50)이 배치된 구조의 급전장치와, 급전장치의 상부 방향으로 전기자동차의 하부면에 설치되는 본 발명의 집전코일(pickup coil)(30)이 배치된 공심코어 집전 시뮬레이션 모델에서, 집전코어를 제거하여 생기는 출력의 저감을 공진주파수 상승으로 보상하여 필요한 출력을 유지하는 동시에 집전장치의 부피, 무게, 가격을 줄일 수 있게 된다.4, a W-shaped primary core 40 and a structure in which a power line coil 50 is disposed inside a W-shaped power feeding core 40 In the eccentric core power collecting simulation model in which the pickup coil 30 of the present invention installed on the lower surface of the electric vehicle in the upper direction of the power feeding device is disposed, The resonance frequency can be compensated for by increasing the resonance frequency to maintain the necessary output, and the volume, weight, and cost of the current collector can be reduced.

즉, 이러한 시뮬레이션 모델은 페라이트(ferrite) PL-13 코어가 있을 경우 공진주파수 20 kHz에서 유도전압 2,000 ~ 2,500 Vpeak 수준의 집전장치에서, 코어를 제거하고 주파수에 따라 그 출력을 본 것이다. 이러한 시뮬레이션 모델의 결과는 도 5의 공진주파수(resonance frequency) 변화에 따른 공심코어 집전장치의 출력피크전압을 나타내는 그래프에 나타난 바와 같이, 공진주파수를 45 kHz 수준으로 상승시키면 페라이트(ferrite) PL-13 코어 없이도 필요 출력을 유지할 수 있게 된다.That is, in the case of the ferrite PL-13 core, the simulation model removes the core from the collector device having the induced voltage of 20 kHz to 2,000 to 2,500 V peak, and the output is obtained according to the frequency. As shown in the graph of the output peak voltage of the eccentric core current collector according to the resonance frequency change of FIG. 5, when the resonance frequency is raised to 45 kHz, the result of the simulation model is that the ferrite PL- The required output can be maintained without the core.

도 6에 나타난 바와 같이, 45 kHz 공진주파수 사용시 공심코어 집전장치 출력 시뮬레이션 결과에 의하면 2.25 kVpeak 전압이 유도됨을 알 수 있다. 이러한 시뮬레이션 결과에서와 같이 공진주파수는 특정 값에 고정할 필요 없이 사양에 맞추어 증가시킬 수 있고 이에 코어 제거가 가능함을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, when the resonance frequency of 45 kHz is used, it can be seen that a voltage of 2.25 kV peak is derived from the output simulation of the eccentric core collector device. As shown in the simulation results, the resonance frequency can be increased according to the specifications without fixing to a specific value, and it is possible to remove the core.

결론적으로, 기존 집전장치의 코어를 제거하여 집전장치의 무게, 가격, 부피를 감소시킬 수 있으며, 코어를 제거한 공심(air-core) 상태를 만들 경우 유도 전압 감소로 인해 출력이 감소하지만 코어 제거로 인한 출력 감소를 증가된 공진주파수로 보상할 수 있다.
As a result, it is possible to reduce the weight, cost and volume of the current collector by removing the core of the current collector, and when the core is removed, the output decreases due to the decrease in induced voltage. However, Can be compensated with increased resonance frequency.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

30 : 에어(air) 상태의 집전코일
40 : 급전코어
50 : 전력선 코일30: current collecting coil in an air state
40: power supply core
50: Power line coil

Claims (3)

차량의 하부에 설치되어 급전장치로부터 무선으로 전력을 공급받는 공심코어 집전장치로서,
중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제1 집전코일;
상기 제1 집전코일의 일측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제2 집전코일; 및
상기 제1 집전코일의 타측 방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 중앙 내부에 에어 상태의 통공부가 형성되도록 권선되는 제3 집전코일을 포함하고,
상기 제1 집전코일은 일방향으로 권선되고, 상기 제2 집전코일과 상기 제 3 집전코일은 각각 상기 제1 집전코일의 권선 방향과 반대 방향으로 권선되며, 상기 제1 집전코일과 상기 제2 집전코일 및 상기 제3 집전코일에 유도되는 전압은 공진주파수 상승에 의해 상승되는 공심코어 집전장치.1. An eccentric core power collector installed at a lower portion of a vehicle and supplied with electric power from a power feeding device by radio,
A first current-collecting coil wound around the center so as to form an air-flow passage;
A second current-collecting coil disposed at a predetermined distance in one direction of the first current-collecting coil and wound to form an air-state passage in the center; And
And a third current-collecting coil which is disposed at a predetermined distance in the other direction of the first current-collecting coil and is wound so as to form an air-
Wherein the first current-collecting coil is wound in one direction, the second current-collecting coil and the third current-collecting coil are respectively wound in a direction opposite to the winding direction of the first current-collecting coil, and the first current- And a voltage induced in the third current-collecting coil is raised by a resonance frequency rise. 삭제delete 삭제delete
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