KR101634650B1 - 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법 및 장치 - Google Patents

대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법 및 장치 Download PDF

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KR101634650B1
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이승환
이병송
이준호
김명룡
이수길
박찬배
백제훈
김재희
정신명
이경표
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 전력 전달 효율을 극대화하기 위한 급전 코일과 집전 코일의 설계에 관한 것으로서, 특히 발생되는 자기장으로부터 EMF를 고려하여 인체 안정성을 향상시키는 기술에 관한 것이다. 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법에 있어서, 최적화하고자 하는 급전 코일의 길이, 턴수 및 전류를 설정하는 (a)단계; (a)단계에서 설정된 조건에서 급전 코일의 자기장을 측정하는 (b)단계; (b)단계에서 측정된 자기장의 값을, 급전 코일의 일단에서 자기장이 계측된 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00130
과 급전 코일의 타단에서 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00131
의 관계식으로 나타내는 (c)단계; 및 (c)단계의 관계식이 6.25μT 보다 작게 되는
Figure 112015052641884-pat00132
Figure 112015052641884-pat00133
조건으로, 급전 코일의 폭을 산출하는 (d)단계를 포함하고, (d)단계는 인체의 안정성을 만족하는 급전 코일의 폭을 최대 값으로 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 급집전 시스템 설계에 있어 인체에 노출되는 자기장을 측정하여 급집전 코일의 파라미터를 설계하여 인체 안정성을 만족시키고, ferrite 등의 soft magnetism 물질을 사용하지 않아 경량 및 저가의 시스템을 제공하는 이점이 있다.

Description

대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법 및 장치{DESIGN METHODS AND APPARATUS FOR OPTIMIZED NON-CONTACT HIGH-POWER SUPPLY COIL AND PICK-UP COIL}
본 발명은 전력 전달 효율을 극대화하기 위한 급전 코일과 집전 코일의 설계에 관한 것으로서, 특히 급집전 코일에서 발생되는 자기장으로부터 EMF를 고려한 인체 안정성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
대전력 무선 급집전 시스템은 열차가 비접촉 방식으로 전력을 공급받기 때문에, 급전장치의 마모가 없어 유지보수 비용의 절감의 효과가 있고, 전신주 등 전차선 설비가 필요하지 않아 철도부지 소요 면적이 줄어서 건설비를 낮출 수 있다. 대전력 무선 급집전 시스템은 기존의 대전력을 공급할 수 있는 전원장치와 이를 60kHz의 고주파로 변환하는 인버터, 변환된 고주파 전력을 자기장의 형태로 변환해주는 급전장치, 급전장치에서 나온 자기장을 다시 고주파의 전력으로 바꾸어주는 집전장치, 집전장치로부터 수집된 고주파 전력을 사용 가능한 DC 전력으로 변환하는 정류기 및 레귤레이터 등으로 구성된다.
기존의 버스 등에서 사용되는 대전력 무선 급집전 시스템은 10 ~ 20cm 정도의 거리에 100kW이하의 전력을 전송하기 위해 20kHz에서 동작하는 급집전 시스템을 이용하였다. 또한 효율 증대를 위해 ferrite 혹은 metal-based amorphous core 등의 soft magnetism 재료를 급집전 코일에 적용하여 급전 코일과 집전 코일 간의 flux linkage를 개선시키는데 사용하였다.
이와 관련 종래 문헌으로, 한국공개특허 제2011-0135334호(비접촉 급전장치)는 전력 전달 효율을 극대화하기 위한 급전장치, 집전장치에 관한 것이다. 종래 기술은 ferrite 코어를 이용하여 전자기 상호 유도작용을 이용하는 기술이다.
그러나, 종래 기술은 자기장의 인체 안정성이 설계 단계에서 고려되지 않아, EMF 인체 안전 규정(IEC 62110)을 만족시키지 못한다. 따라서 제작이 완료된 후 인체 안정성을 만족하기 위해 추가적으로 옆면에 자기장 shield 용 판을 덧대야 하는 문제점이 있다.
또한 종래 기술은 100kW 이상의 무선 급집전 시스템의 설계에 있어 ferrite 등의 soft magnetism 물질을 사용하는 경우 가격이 비싸고, 무게가 무거워 지는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2011-0135334호
본 발명은 대전력 무선 급집전 시스템의 설계에 있어 자기장의 측정을 통해 EMF 인체 안전 규정(IEC 62110)을 만족시키는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 경량 및 저가의 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법에 있어서, 최적화하고자 하는 급전 코일의 길이, 턴수 및 전류를 설정하는 (a)단계; (a)단계에서 설정된 조건에서 급전 코일의 자기장을 측정하는 (b)단계; (b)단계에서 측정된 자기장의 값을, 급전 코일의 일단에서 자기장이 계측된 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00001
과 급전 코일의 타단에서 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00002
의 관계식으로 나타내는 (c)단계; 및 (c)단계의 관계식이 6.25μT 보다 작게 되는
Figure 112015052641884-pat00003
Figure 112015052641884-pat00004
조건으로, 급전 코일의 폭을 산출하는 (d)단계를 포함하고, (d)단계는 인체의 안정성을 만족하는 급전 코일의 폭을 최대 값으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, (d)단계 이후, 급전 코일의 길이, 턴수, 전류 및 폭을 이용하여 급전 코일의 인덕턴스와 저항을 구하는 (e)단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, (e)단계 이후, 집전 코일에서 필요한 유도 직류 전압을 설정하고, 유도 전압, 유도 전류 및 상호 인덕턴스를 산출하는 (f)단계; 집전 코일의 길이 및 턴수를 설정하고 집전 코일에 흐르는 전류를 이용하여, (a)단계 내지 (d)단계의 급전 코일의 폭을 구하는 방식과 같이 집전 코일의 폭을 구하는 (g)단계; 및 집전 코일의 폭과 (f)단계에서의 상호 인덕턴스를 이용하여 집전 코일의 길이를 산출하는 (h)단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, (h)단계 이후, (h)단계까지의 급전 코일과 집전 코일을 나타내는 설계된 코일의 결합 계수를 산출하고, 결합 계수로부터 설계된 코일의 동작 임피던스를 산출하는 (i)단계; 상기 집전 코일의 유도 전력, 유도 전류 및 유도 전압을 이용하여 등가 부하 저항값을 산출하는 (j)단계; 등가 부하 저항값을 동작 임피던스와 비교하여 설계된 코일의 안정된 운전을 나타내는 동작 안정성을 판단하는 (k)단계; 및 설계된 코일의 전력 전송 효율을 산출하여 효율성을 판단하는 (l)단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, (k)단계는, 설계된 코일이 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우, 집전 코일의 턴수를 기 설정된 집전 코일의 최대 턴수와 비교하는 (kk)단계; 및 (kk)단계에서 집전 코일의 턴수가 기 설정된 집전 코일의 최대 턴수보다 작은 경우, 집전 코일의 턴수를 증가시켜 다시 (g)단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, (kk)단계는, (kk)단계에서 집전 코일의 턴수가 기 설정된 집전 코일의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 급전 코일의 전류를 기 설정된 급전 코일의 최대 전류와 비교하는 (kkk)단계; 및 (kkk)단계에서 급전 코일의 전류가 기 설정된 급전 코일의 최대 전류보다 작은 경우, 급전 코일의 전류를 증가시켜 다시 (a)단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, (kkk)단계는, (kkk)단계에서 급전 코일의 전류가 기 설정된 급전 코일의 최대 전류보다 크거나 같은 경우, 급전 코일의 턴수를 기 설정된 급전 코일의 최대 턴수와 비교하는 (kkkk)단계; 및 급전 코일의 턴수가 기 설정된 급전 코일의 최대 턴수보다 작은 경우, 급전 코일의 턴수를 증가시켜 다시 (a)단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, (kkkk)단계는, 급전 코일의 턴수가 기 설정된 급전 코일의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 집전 코일의 개수를 증가시켜 동작 안정성과 효율성을 만족시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, (l)단계는, 설계된 코일이 상기 효율성을 만족하지 못하는 경우, (kk)단계의 설계된 코일이 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우와 같이 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 장치에 있어서, 지정된 위치에서 최적화하고자 하는 급전 코일과 집전 코일의 자기장의 세기를 측정하는 센서부; 센서부의 측정값을 이용하여, 급전 코일과 집전 코일의 길이, 폭, 인덕턴스 및 저항값을 나타내는 파라미터를 산출하는 레퍼런스부; 센서부의 자기장의 세기가 인체의 안정성을 만족하는 6.25μT 보다 작게 되도록 파라미터를 산출하는 제어부; 및 제어부에서 산출된 상기 파라미터를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 레퍼런스부는 파라미터를 산출하는 수식을 저장하는 메모리; 및 수식을 통해 파라미터를 계산하는 연산기를 포함하며, 센서부에서 측정된 자기장의 세기를 기준으로, 수식을 통해 단계적으로 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게 제어부는, 산출된 파라미터가 급집전 코일의 전력 전달 효율성과 동작 주파수에서의 안정된 운전을 나타내는 동작 안정성을 만족하는지 판단하고, 만족하지 않는 경우 파라미터를 보정하여 다시 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 급집전 시스템 설계에 있어 인체에 노출되는 자기장을 측정하여 급집전 코일의 파라미터를 설계하여 인체 안정성을 만족하는 이점이 있다.
또한 본 발명은, ferrite 등의 soft magnetism 물질을 사용하지 않아 경량 및 저가의 시스템을 제공하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 급집전 코일의 최적화 설계 장치의 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인체 안정성을 만족하도록 급집전 코일의 폭을 설계하는 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급집전 코일의 최적화 설계 방법을 순서도에 따라 나타낸 모습이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집전 코일 2대를 병렬 연결하여 설계한 모습이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인체 안정성과 전력 전달 효율성을 만족하는 급집전 코일의 파라미터를 나타낸 모습이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)의 모습을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 계통(10), 고주파 공진형 변압기(30), 센서부(901), 레퍼런스부(903), 제어부(905) 및 출력부(907)로 구성될 수 있다.
계통(10)은 차체(90)를 움직이게 하는 전력을 공급할 수 있다. 계통(10)은 본 발명의 실시예에 따른 60kHz, 300kW 급의 정격 출력을 갖는 전력을 공급할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 차체(90)를 움직일 수 급전 코일(50)에 전력을 공급하는 모든 수단을 포함할 수 있다.
고주파 공진형 변압기(30)는 계통(10)에서 전력을 인가 받아 급전 코일(50)에 대용량의 전류를 흘려줄 수 있다. 고주파 공진형 변압기(30)는 대용량의 전류를 흘려주어 시간에 따라 변하는 자기장을 생성하고, 집전 코일(70) 측에 전자기 유도 현상을 발생시켜 전압 및 전류를 유도시킬 수 있다. 집전 코일(70)은 유도된 전압 및 전류를 차체(90)의 부하에 전달하여 차체(90)를 구동시킬 수 있다.
센서부(901)는 지정된 위치에서 최적화하고자 하는 급전 코일(50)과 집전 코일(70)의 자기장의 세기를 측정할 수 있다. 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 IEC 62110 규정에 따라 시험품인 차체(90)의 최외곽에서 수평으로 20cm 떨어진 위치에서 지상으로부터 50cm, 100cm, 150cm에서 자기장의 세기를 측정하여 인체 안정성을 판별한다. 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 IEC 62110 규정을 만족하기 위해 위의 세 위치에서 각각 6.25μT 이하여야 한다. 자기장의 세기는 거리에 반비례하기 때문에, 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 지상으로부터 가장 가까운 50cm 지역에서 6.25μT를 만족시킨다면 위의 세 위치에서 인체 안정성을 만족시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서 센서부(901)는 지상으로부터 가장 가까운 50cm 지역에 설치되어 급집전 코일의 자기장을 측정할 수 있다.
레퍼런스부(903)는 센서부(901)의 측정값을 이용하여, 급전 코일(50)과 집전 코일(70)의 길이, 폭, 인덕턴스 및 저항값을 나타내는 파라미터를 산출할 수 있다. 레퍼런스부(903)는 파라미터를 산출하는 수식을 저장하는 메모리와 수식을 통해 파라미터를 계산하는 연산기를 포함할 수 있다. 레퍼런스부(903)는 센서부(901)에서 측정된 자기장의 세기를 기준으로, 수식을 통해 단계적으로 상기 파라미터를 산출할 수 있다.
본 명세서에서는 최적화되어 설계되는 급전 코일(50)과 집전 코일(70)의 길이, 턴수, 전류, 폭, 인덕턴스 및 저항값을 파라미터라고 정의한다. 본 발명의 실시예에서 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 인체 안정성을 만족시키는 급집전 코일의 자기장을 측정하여 최적화된 파라미터를 산출할 수 있다.
제어부(905)는 센서부(901)의 자기장의 세기가 인체의 안정성을 만족하는 6.25μT 보다 작게 되도록 파라미터를 산출할 수 있다. 제어부(905)는 산출된 파라미터가, 급집전 코일의 전력 전달 효율성과 동작 주파수에서의 안정된 운전을 나타내는 동작 안정성을 만족하는지 판단할 수 있다. 제어부(905)는 파라미터가 동작 안정성을 만족하지 않는 경우, 파라미터를 보정하여 레퍼런스부(903)에서 다시 최적화된 파라미터를 산출할 수 있게 할 수 있다.
출력부(907)는 제어부(905)에서 산출된 파라미터를 출력할 수 있다. 출력부(907)는 제어부(905)에서 산출된 최적화된 파라미터를 출력부(907)는 컴퓨터나 디스플레이로 출력하여, 급집전 코일의 구체화된 설계 값을 제공할 수 있다.
이하에서는, 상술한 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)를 이용한 급집전 코일의 최적화 설계 방법에 관하여 후술한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인체 안정성을 만족하도록 급집전 코일의 폭을 설계하는 모습이다. 도 2를 참조하면, 센서부(901)는 측정 위치에서 급전 코일(50)과 집전 코일(70)의 자기장의 세기를 측정한다. 본 발명의 실시예에서는 센서부(901)에서 자기장의 세기를 측정하여 인체 안전성을 만족하는 급전 코일(50)의 폭을 산출하는 것을 시작으로 급집전 코일의 파라미터를 산출할 수 있다. 센서부(901)에서 인체 안전성을 만족하는 급전 코일(50)의 폭을 산출하는 과정을 도 3의 순서도와 병행하여 후술한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급집전 코일의 최적화 설계 방법을 순서도에 따라 나타낸 모습이다. 도 3을 참조하면 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 급전 코일(50)의 폭을 이용하여 급전 코일(50)의 파라미터를 구하고, 이후 집전 코일(70)의 파라미터를 산출하여 안정성과 효율성을 계산할 수 있다. 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 안정성과 효율성을 만족하지 않는 경우 급집전 코일의 파라미터를 보정하여 다시 최적화 설계를 할 수 있다.
센서부(901)는 최적화하고자 하는 급전 코일(50)의 길이, 턴수 및 전류를 설정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 급전 코일(50)의 길이는 10m, 턴수는 1 및 전류는 100Arms 로 설정할 수 있다(S1단계). 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 차체(90)의 폭을 2.4m, 동작 주파수를 60kHz, 필요한 유도 직류 전압을 750V, 유도 전력을 300kW 및 급집전 코일 간의 간격을 7cm로 설정할 수 있다.
센서부(901)는 설정된 조건에서 상기 급전 코일(50)의 자기장을 측정할 수 있다. 센서부(901)는 측정된 자기장의 값을, 급전 코일(50)의 일단에서 자기장이 계측된 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00005
과 급전 코일(50)의 타단에서 측정 지점까지의 거리인
Figure 112015052641884-pat00006
의 관계식으로 [수학식1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015052641884-pat00007
(
Figure 112015052641884-pat00008
: 자기장의 세기,
Figure 112015052641884-pat00009
: 급전 코일의 턴수,
Figure 112015052641884-pat00010
: 급전 코일의 유전율,
Figure 112015052641884-pat00011
: 급전 코일의 전류,
Figure 112015052641884-pat00012
: 집전 코일의 전류,
Figure 112015052641884-pat00013
: 급전코일의 오른쪽 끝에서 측정 위치까지의 거리,
Figure 112015052641884-pat00014
: 급전코일의 왼쪽 끝에서 측정 위치까지의 거리)
레퍼런스부(903)는 센서부(901)의 측정된 자기장의 세기를 이용하여 [수학식 1]에서 관계식이 6.25μT 보다 작게 되는 상기
Figure 112015052641884-pat00015
Figure 112015052641884-pat00016
조건으로, 급전 코일(50)의 폭을 산출할 수 있다. 센서부(901)는 차체(90)에서 20cm, 지상으로부터 50cm 지점에 설치될 수 있다. 레퍼런스부(903)는 [수학식 1]을 이용하여 인체의 안정성을 만족하는 급전 코일(50)의 폭을 최대 값으로 산출할 수 있다. 레퍼런스부(903)는
Figure 112015052641884-pat00017
Figure 112015052641884-pat00018
를 변화시켜가며 급전 코일(50)의 폭을 산출할 수 있다. 레퍼런스부(903)는 급전 코일(50)의 폭을 산출하기 위해 먼저
Figure 112015052641884-pat00019
을 설정하여, [수학식 1]을 만족하는
Figure 112015052641884-pat00020
를 구한다.
Figure 112015052641884-pat00021
와 지상으로부터의 높이 50cm를 이용하여 급전 코일(50)의 왼쪽 끝에서 측정 위치의 지상 지점까지의 거리를 피타고라스 정리를 이용하여 구하고, 마찬가지로
Figure 112015052641884-pat00022
과 지상으로부터의 높이 50cm를 이용하여 급전 코일(50)의 오른쪽 끝에서 측정 위치의 지상 지점까지의 거리를 피타고라스 정리를 이용하여 구할 수 있고, 그 차이를 계산하면 급전 코일(50)의 폭을 산출할 수 있다. 이와 같은 방법으로
Figure 112015052641884-pat00023
,
Figure 112015052641884-pat00024
의 설정 값을 변경하며 최대 폭이 나오는 값을 찾을 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 급전 코일(50)의 최대 폭이 72cm로 설정될 수 있다(S2단계).
급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 급전 코일(50)의 인덕턴스와 저항값을 계산하고, 이 값으로부터 유도되는 집전 코일(70)의 파라미터를 계산할 수 있다. 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 레퍼런스부(903)에서 산출된 급전 코일(50)의 길이, 턴수, 전류 및 폭을 이용하여 하기 [수학식 2]를 만족하는 상기 급전 코일(50)의 인덕턴스를 구할 수 있고, 하기 [수학식 3]을 만족하는 급전 코일(50)의 저항값을 구할 수 있다(S3단계). 본 발명에 실시예에 따른 인덕턴스는 20μH 및 저항은 5mΩ으로 설계할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015052641884-pat00025
Figure 112015052641884-pat00026
Figure 112015052641884-pat00027
(여기서,
Figure 112015052641884-pat00028
: 급전 코일의 폭,
Figure 112015052641884-pat00029
: 상기 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
Figure 112015052641884-pat00030
-
Figure 112015052641884-pat00031
: 상기 급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서의 거리,
Figure 112015052641884-pat00032
: 코일의 내부 면적(길이×폭),
Figure 112015052641884-pat00033
: 상기 급전 코일에 흐르는 전류)
[수학식 3]
Figure 112015052641884-pat00034
(여기서,
Figure 112015052641884-pat00035
: 운전 주파수에서의 상기 급전 코일의 저항 값,
Figure 112015052641884-pat00036
: 상기 급전 코일의 길이,
Figure 112015052641884-pat00037
: 도체의 conductivity,
Figure 112015052641884-pat00038
: 동작 주파수에서의 상기 급전 코일의 전류의 표면 깊이(skin-depth),
Figure 112015052641884-pat00039
: 상기 급전 코일의 단면의 반경)
레퍼런스부(903)에서는 집전 코일(70)에서 필요한 유도 직류 전압을 설정하고, 하기 [수학식 4]를 이용하여 유도 전압, 유도 전류 및 상호 인덕턴스를 산출할 수 있다(S4단계, S5단계). 본 발명에 실시예에 따는
Figure 112015052641884-pat00040
는 750V,
Figure 112015052641884-pat00041
는 675Vrms,
Figure 112015052641884-pat00042
는 18μH 및
Figure 112015052641884-pat00043
는 440Arms로 설계할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015052641884-pat00044
Figure 112015052641884-pat00045
Figure 112015052641884-pat00046
(여기서,
Figure 112015052641884-pat00047
: 필요한 유도 직류 전압,
Figure 112015052641884-pat00048
: 유도 전압,
Figure 112015052641884-pat00049
: 유도 전류,
Figure 112015052641884-pat00050
: 상기 집전 코일의 유도 전력,
Figure 112015052641884-pat00051
: 필요한 상호 인덕턴스,
Figure 112015052641884-pat00052
: 동작 주파수,
Figure 112015052641884-pat00053
: 상기 급전 코일에 흐르는 전류)
레퍼런스부(903)는 (a)단계 내지 (d)단계의 급전 코일(50)의 폭을 구하는 방식과 같이 집전 코일(70)의 길이 및 턴수를 설정하고(S6단계), 집전 코일(70)에 흐르는 전류를 이용하여, 집전 코일(70)의 폭을 구할 수 있다(S7단계).
레퍼런스부(903)는 집전 코일(70)의 폭과 상호 인덕턴스를 하기 [수학식 5]에 대입하여 집전 코일(70)의 길이를 산출할 수 있다(S8 단계).
[수학식 5]
Figure 112015052641884-pat00054
Figure 112015052641884-pat00055
Figure 112015052641884-pat00056
Figure 112015052641884-pat00057
(여기서,
Figure 112015052641884-pat00058
: 필요한 상호 인덕턴스,
Figure 112015052641884-pat00059
: 자기장 쇄교자속,
Figure 112015052641884-pat00060
: 상호 자기장세기
Figure 112015052641884-pat00061
: 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
Figure 112015052641884-pat00062
: 급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
Figure 112015052641884-pat00063
: 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 각도,
Figure 112015052641884-pat00064
:급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 각도,
Figure 112015052641884-pat00065
: 집전 코일의 내부 면적,
Figure 112015052641884-pat00066
: 상기 집전 코일의 폭,
Figure 112015052641884-pat00067
: 상기 집전 코일의 길이,
Figure 112015052641884-pat00068
: 급전 코일에 흐르는 전류,
Figure 112015052641884-pat00069
Figure 112015052641884-pat00070
: 급집전 코일의 턴수)
레퍼런스부(903)는 집전 코일(70)의 길이, 턴수, 전류 및 폭을 이용하여 S4단계의 급전 코일(50)의 인덕턴스와 저항값을 계산하는 방식과 같이 집전 코일(70)의 인덕턴스와 저항값을 계산할 수 있다(S9단계). 본 발명의 실시예에 따른 인덕턴스 110μH, 저항 29mΩ으로 설계할 수 있다.
레퍼런스부(903)는 급전 코일(50)과 집전 코일(70)을 나타내는 설계된 코일의 결합 계수를 [수학식 6]을 이용하여 산출할 수 있다(S10단계). 본 발명의 실시예에 따는 결합계수 0.5Ω으로 설계할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015052641884-pat00071
(
Figure 112015052641884-pat00072
: 필요한 상호 인덕턴스,
Figure 112015052641884-pat00073
: 결합계수,
Figure 112015052641884-pat00074
: 급전 코일의 인덕턴스,,
Figure 112015052641884-pat00075
: 집전 코일의 인덕턴스)
레퍼런스부(903)는 급집전 코일의 파라미터를 산출할 수 있고, 본 명세서에서는 산출된 파라미터를 적용하여 설계된 급집전 코일을 설계된 코일이라고 한다.
레퍼런스부(903)는 결합 계수로부터 설계된 코일의 동작 임피던스를 산출할 수 있다. 정확히 말하면 급전 코일(50)로부터 유도되는 집전 코일(70)의 동작주파수에서의 임피던스를 말한다. 레퍼런스부(903)는 집전 코일(70)의 유도 전력, 유도 전류 및 유도 전압을 이용하여 등가 부하 저항값을 산출할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따는
Figure 112015052641884-pat00076
은 1.52Ω으로 설계할 수 있다.
제어부(905)는 레퍼런스부(903)에서 산출된 파라미터가 안정성과 효율성을 만족하는지 판단할 수 있다. 제어부(905)는 안정성을 판단하기 위해 하기 [수학식 7]과 같이 등가 부하 저항값을 동작 임피던스와 비교할 수 있다(S11단계). 본 발명의 실시예에서 급집전 코일의 안정성은, 논문(Design methodologies for low flux density, high efficiency, kW level wireless power transfer systems with large air gaps, University of Wisconsin-Madison, 2013 by Seung-Hwan Lee)을 참조하였고, 제어부(905)의 안정성 판단은 하기 [수학식 7]을 이용함을 알 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112015052641884-pat00077
(
Figure 112015052641884-pat00078
:등가 부하 저항값,
Figure 112015052641884-pat00079
: 결합 계수,
Figure 112015052641884-pat00080
:동작 주파수,
Figure 112015052641884-pat00081
: 집전 코일의 인덕턴스)
등가 부하 저항값이 계산된 임피던스 보다 더 작으면, bifurcation 현상에 의해서 설계된 코일은 정상적으로 동작하기 어려울 수 있다. 설계된 코일은 원래의 동작 주파수에서는 동작하지 못하고, 매우 높은 주파수에서 운전되거나 동작이 되지 않을 수 있으므로, 설계된 코일은 안정성을 만족해야 한다.
제어부(905)는 설계된 코일의 파라미터가 안정성을 만족하는 경우 효율성을 판단하기 위해 설계된 코일의 전력 전송 효율을 산출할 수 있다. 급집전 코일의 인덕턴스와 저항값을 이용하여 하기 [수학식 8]과 같이 전력 전송 효율을 산출할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제어부(905)는 전력 전송 효율이 96% 이상을 만족하는지 판단하여 파라미터의 안정성을 판단할 수 있다.(S12단계)
[수학식 8]
Figure 112015052641884-pat00082
(
Figure 112015052641884-pat00083
:전력 전송 효율,
Figure 112015052641884-pat00084
:급집전 코일간의 변환비(
Figure 112015052641884-pat00085
),
Figure 112015052641884-pat00086
:급전 코일의 저항값,
Figure 112015052641884-pat00087
:집전 코일의 저항값,
Figure 112015052641884-pat00088
: 등가 부하 저항값)
제어부(905)는 설계된 코일의 파라미터가 안정성을 만족하지 못하는 경우와 효율성을 만족하지 못하는 경우에, 동일한 보정 절차를 수행하여 다시 파라미터를 산출할 수 있다.
제어부(905)는 설계된 코일이 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우, 집전 코일(70)의 턴수를 기 설정된 상기 집전 코일(70)의 최대 턴수와 비교할 수 있다.(S13단계) 본 발명의 실시예에서는 집전 코일(70)의 최대 턴수를 20으로 설정할 수 있다.
제어부(905)는 집전 코일(70)의 턴수가 기 설정된 집전 코일(70)의 최대 턴수보다 작은 경우, 집전 코일(70)의 턴수를 증가시킬 수 있다.(S14단계) 레퍼런스부(903)는 제어부(905)의 신호에 따라 다시 S6단계부터 파라미터를 산출할 수 있다.
제어부(905)는 집전 코일(70)의 턴수가 기 설정된 집전 코일(70)의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 급전 코일(50)의 전류를 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 전류와 비교할 수 있다.(S15단계) 본 발명의 실시예에서 급전 코일(50)의 전류는 100Arms에서 500Arms까지 변경시킬 수 있다.
제어부(905)는 급전 코일(50)의 전류가 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 전류보다 작은 경우, 급전 코일(50)의 전류를 증가시킬 수 있다(S15단계). 레퍼런스부(903)는 제어부(905)의 신호에 따라 다시 S2단계부터 파라미터를 산출할 수 있다(S16단계).
제어부(905)는 급전 코일(50)의 전류가 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 전류보다 크거나 같은 경우, 급전 코일(50)의 턴수를 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 턴수와 비교할 수 있다(S17단계). 본 발명의 실시예에서는 급전 코일(50)의 최대 턴수는 4턴을 설정할 수 있다.
제어부(905)는 급전 코일(50)의 턴수가 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 턴수보다 작은 경우, 급전 코일(50)의 턴수를 증가시킬 수 있다(S18단계). 레퍼런스부(903)는 제어부(905)의 보정에 따라 급전 코일(50)의 턴수를 증가시켜 다시 S2단계부터 파라미터를 산출할 수 있다.
제어부(905)는 급전 코일(50)의 턴수가 기 설정된 급전 코일(50)의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 집전 코일(70)의 개수를 증가시켜 동작 안정성과 효율성을 만족시킬 수 있다(S19단계). 제어부(905)는 급집전 코일의 턴수와 전류를 보정하여 안정성과 효율성을 만족시키지 못한다면 집전 코일(70)의 개수를 n개로 증가시켜 병렬로 연결하면, 집전 코일(70)에 유도되는 유도전력은 1/n의 전력으로 분배될 수 있다. 이 경우 집전 코일(70)에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다. 레퍼런스부(903)는 전류의 감소에 따라 자기장의 크기가 감소하여 인체 안정성을 만족시킬 수 있는 집전 코일(70)의 파라미터를 산출할 수 있다. 산출된 파라미터는 유도 전력의 분배로 각 코일의 손실 또한 감소시켜 전력 전달 효율도 상승시켜 효율성을 만족시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집전 코일(70) 2대를 병렬 연결하여 설계한 모습이다. 도 4를 참조하면, 집전 코일(70)을 병렬로 연결하여 집전 코일(70)에서 원하는 유도 전력을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 300kW의 출력을 얻기 위해 150kW 2대를 병렬로 연결하였다.
제어부(905)는 설계된 코일의 파라미터가 안정성을 만족하나 효율성을 만족하지 못하는 경우 설계된 코일이 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우와 같이 S13단계 내지 S19단계를 수행할 수 있다. 제어부(905)는 보정 단계를 통해 최적화된 급집전 코일을 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인체 안정성과 전력 전달 효율성을 만족하는 급집전 코일의 파라미터를 나타낸 모습이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 출력부(907)는 급전 코일(50)과 집전 코일(70)을 Case 1 내지 Case 3으로 구분하여 파라미터를 출력할 수 있다. 급전 코일(50)의 길이는 집전 코일(70)의 길이보다 길어야 하며, 급전 코일(50)의 길이는 설계값보다 더 길어질 수 있다. 급집전 코일의 폭은 사용되는 전선 피복의 두께, 종류 및 턴수에 따라 달라질 수 있으며, 설계에 있어서 오차 범위도 수용할 수 있다. 본 명세서에서는 설계에 있어서 오차 범위를 설계 마진이라고 한다.
Case 1을 살펴보면, 급전 코일(50)의 폭 마진은 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내임을 감안하여 18cm ± 3cm가 될 수 있다. 급전 코일(50)의 길이 마진은 총 길이를 4m 이상으로 설계할 수 있다. 급전 코일(50)의 길이는 집전 코일(70)의 길이보다 길어야 하며, 급전 코일(50)의 길이는 설계값보다 더 길어질 수 있다. 급전 코일(50)의 정격 전류 마진은 400Arms ± 50Arms로 설계할 수 있으며, 급전 코일(50)의 정격 전력은 300kW ± 50kW로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 폭 마진은 급전 코일(50)과 동일하게 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내 임을 감안하고, 집전 코일(70)은 2턴이기 때문에 총 6cm까지 증가 가능한바 16cm ± 6cm로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 길이 마진은 3.9m ± 0.8m로 설계할 수 있으며, 집전 코일(70)의 정격 전류 마진은 220Arms ± 50Arms로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 정격 전압 마진은 750V ± 100Vrms로 설계할 수 있으며, 집전 코일 정격 전력 마진은 150kW ± 50kW로 설계할 수 있다.
Case 2의 경우, Case 1에서 전술한 바와 동일한 방식으로 설계가 가능하며, 구체적인 설계값을 살펴보면 다음과 같다. 급전 코일(50)의 폭 마진은, 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내임을 감안하고, 2턴이기 때문에 총 6cm까지 변경 가능한바 12cm ± 6cm로 설계할 수 있다. 급전 코일(50)의 길이 마진은 총 길이 4m 이상, 정격 전류 마진은 300Arms ± 50Arms, 정격 전력은 300kW ± 50kW로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 폭 마진은, 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내, 3턴이기 때문에 총 9cm까지 변경 가능한바 11cm ± 9cm로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 길이 마진은 3.4m ± 0.7m, 정격 전류는 220Arms ± 50Arms, 정격 전압은 750V ± 100Vrms, 정격 전력은 150kW ± 50kW로 설계할 수 있다.
Case 3의 경우, Case 1에서 전술한 바와 동일한 방식으로 설계가 가능하며, 구체적인 설계값을 살펴보면 다음과 같다. 급전 코일(50)의 폭 마진은 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내, 2턴이기 때문에 총 12cm까지 변경 가능한바 12cm ± 6cm로 설계 가능하고, 급전 코일(50)의 길이 마진은 총 길이 4m 이상, 정격 전류 마진은 300Arms ± 50Arms, 정격 전력은 300kW ± 50kW로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 폭 마진은 대전류용 전선 직경이 대략 3cm 이내, 4턴이기 때문에 총 12cm까지 변경 가능한바 8cm ± 12cm로 설계할 수 있다. 집전 코일(70)의 길이 마진은 2.4m ± 0.5m, 정격 전류는 220Arms ± 50Arms, 정격 전압은 750V ± 100Vrms, 정격 전력은 150kW ± 50kW로 설계할 수 있다. Case 1 내지 Case 3에서 급집전 코일간 거리 마진은 7cm ± 3cm로 설계할 수 있다.
출력부(907)는, 레퍼런스에서 계산된 파라미터를 제어부(905)에서 판단하고, 안정성과 효율성을 만족하는 파라미터를 출력한다. 본 발명의 실시예에서 출력부(907)는 세가지 Case를 출력하고, 급집전 코일의 최적화 설계 장치(1)는 세가지 조합 중 하나를 선택하게 되면, 안정성과 효율성을 만족할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 급집전 코일의 최적화 설계 장치
10 : 계통 30 : 고주파 공진형 변압기
50 : 급전 코일 70 : 집전 코일
90 : 차체
901 : 센서부 903 : 레퍼런스부
905 : 제어부 907 : 출력부

Claims (12)

  1. 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 방법에 있어서,
    (a) 최적화하고자 하는 급전 코일의 길이, 턴수 및 전류를 설정하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 설정된 조건에서 상기 급전 코일의 자기장을 측정하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 측정된 자기장의 값을, 상기 급전 코일의 일단에서 자기장이 계측된 측정 지점까지의 거리인
    Figure 112015052641884-pat00089
    과 상기 급전 코일의 타단에서 상기 측정 지점까지의 거리인
    Figure 112015052641884-pat00090
    의 관계식으로 나타내는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계의 관계식이 6.25μT 보다 작게 되는 상기
    Figure 112015052641884-pat00091
    Figure 112015052641884-pat00092
    조건으로, 상기 급전 코일의 폭을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 (d)단계는 인체의 안정성을 만족하는 상기 급전 코일의 폭을 최대 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계 이후,
    (e) 상기 급전 코일의 길이, 턴수, 전류 및 폭을 이용하여 하기 [수학식]을 만족하는 상기 급전 코일의 인덕턴스와 저항을 구하는 단계를 더 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
    [수학식]
    Figure 112015052641884-pat00093

    Figure 112015052641884-pat00094

    Figure 112015052641884-pat00095

    (여기서,
    Figure 112015052641884-pat00096
    : 급전 코일의 폭,
    Figure 112015052641884-pat00097
    : 상기 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
    Figure 112015052641884-pat00098
    -
    Figure 112015052641884-pat00099
    : 상기 급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서의 거리, A : 코일의 내부 면적(길이×폭), I : 상기 급전 코일에 흐르전류)
    Figure 112015052641884-pat00100

    (여기서,
    Figure 112015052641884-pat00101
    : 운전 주파수에서의 상기 급전 코일의 저항 값, l : 상기 급전 코일의 길이, σ : 도체의 conductivity, δ: 동작 주파수에서의 상기 급전 코일의 전류의 표면 깊이(skin-depth),
    Figure 112015052641884-pat00102
    : 상기 급전 코일의 단면의 반경)
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (e)단계 이후,
    (f) 상기 집전 코일에서 필요한 유도 직류 전압을 설정하고, 하기 [수학식]을 이용하여 유도 전압, 유도 전류 및 상호 인덕턴스를 산출하는 단계;
    [수학식]
    Figure 112015052641884-pat00103

    Figure 112015052641884-pat00104

    Figure 112015052641884-pat00105

    (여기서,
    Figure 112015052641884-pat00106
    : 필요한 유도 직류 전압,
    Figure 112015052641884-pat00107
    : 유도 전압,
    Figure 112015052641884-pat00108
    : 유도 전류,
    Figure 112015052641884-pat00109
    : 상기 집전 코일의 유도 전력,
    Figure 112015052641884-pat00110
    : 필요한 상호 인덕턴스,
    Figure 112015052641884-pat00111
    : 동작 주파수,
    Figure 112015052641884-pat00112
    : 상기 급전 코일에 흐르는 전류)

    (g) 상기 집전 코일의 길이 및 턴수를 설정하고 상기 집전 코일에 흐르는 전류를 이용하여, 상기 (a)단계 내지 상기 (d)단계의 상기 급전 코일의 폭을 구하는 방식과 같이 상기 집전 코일의 폭을 구하는 단계; 및
    (h) 상기 집전 코일의 폭과 상기 (f)단계에서의 상기 상호 인덕턴스를 하기 [수학식]에 대입하여 상기 집전 코일의 길이를 산출하는 단계를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
    [수학식]
    Figure 112015052641884-pat00113

    Figure 112015052641884-pat00114

    Figure 112015052641884-pat00115

    Figure 112015052641884-pat00116

    (여기서,
    Figure 112015052641884-pat00117
    : 필요한 상호 인덕턴스,
    Figure 112015052641884-pat00118
    :상호 자기장 포텐셜,
    Figure 112015052641884-pat00119
    : 상호 자기장세기
    Figure 112015052641884-pat00120
    : 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
    Figure 112015052641884-pat00121
    : 급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 거리,
    Figure 112015052641884-pat00122
    : 급전 코일의 왼쪽 (혹은 오른쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 각도,
    Figure 112015052641884-pat00123
    :급전 코일의 오른쪽 (혹은 왼쪽) 턴에서 H-field를 계산하는 위치까지의 각도,
    Figure 112015052641884-pat00124
    : 집전 코일의 내부 면적,
    Figure 112015052641884-pat00125
    : 상기 집전 코일의 폭,
    Figure 112015052641884-pat00126
    : 상기 집전 코일의 길이,
    Figure 112015052641884-pat00127
    : 급전 코일에 흐르는 전류,
    Figure 112015052641884-pat00128
    Figure 112015052641884-pat00129
    : 급집전 코일의 턴수)
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (h)단계 이후,
    (i) 상기 (h)단계까지의 상기 급전 코일과 상기 집전 코일을 나타내는 설계된 코일의 결합 계수를 산출하고, 상기 결합 계수로부터 상기 설계된 코일의 동작 임피던스를 산출하는 단계;
    (j) 상기 집전 코일의 유도 전력, 유도 전류 및 유도 전압을 이용하여 등가 부하 저항값을 산출하는 단계;
    (k) 상기 등가 부하 저항값을 상기 동작 임피던스와 비교하여 상기 설계된 코일의 안정된 운전을 나타내는 동작 안정성을 판단하는 단계; 및
    (l) 상기 설계된 코일의 전력 전송 효율을 산출하여 효율성을 판단하는 단계를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (k)단계는,
    (kk) 상기 설계된 코일이 상기 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우, 상기 집전 코일의 턴수를 기 설정된 상기 집전 코일의 최대 턴수와 비교하는 단계; 및
    상기 (kk)단계에서 상기 집전 코일의 턴수가 기 설정된 상기 집전 코일의 최대 턴수보다 작은 경우, 상기 집전 코일의 턴수를 증가시켜 다시 상기 (g)단계를 수행하는 단계를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (kk)단계는,
    (kkk) 상기 (kk)단계에서 상기 집전 코일의 턴수가 기 설정된 상기 집전 코일의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 상기 급전 코일의 전류를 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 전류와 비교하는 단계; 및
    상기 (kkk)단계에서 상기 급전 코일의 전류가 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 전류보다 작은 경우, 상기 급전 코일의 전류를 증가시켜 다시 상기 (a)단계를 수행하는 단계를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (kkk)단계는,
    (kkkk) 상기 (kkk)단계에서 상기 급전 코일의 전류가 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 전류보다 크거나 같은 경우, 상기 급전 코일의 턴수를 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 턴수와 비교하는 단계;
    상기 급전 코일의 턴수가 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 턴수보다 작은 경우, 상기 급전 코일의 턴수를 증가시켜 다시 상기 (a)단계를 수행하는 단계를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (kkkk)단계는,
    상기 급전 코일의 턴수가 기 설정된 상기 급전 코일의 최대 턴수보다 크거나 같은 경우, 상기 집전 코일의 개수를 증가시켜 상기 동작 안정성과 상기 효율성을 만족시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (l)단계는,
    상기 설계된 코일이 상기 효율성을 만족하지 못하는 경우, 상기 (kk)단계의 상기 설계된 코일이 상기 동작 안정성을 만족하지 못하는 경우와 같이 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급집전 코일의 최적화 설계 방법.
  10. 대전력의 무선 급전을 위한 급집전 코일의 최적화 설계 장치에 있어서,
    지정된 위치에서 최적화하고자 하는 급전 코일과 집전 코일의 자기장의 세기를 측정하는 센서부;
    상기 센서부의 측정값을 이용하여, 상기 급전 코일과 상기 집전 코일의 길이, 폭, 인덕턴스 및 저항값을 나타내는 파라미터를 산출하는 레퍼런스부;
    상기 센서부의 자기장의 세기가 인체의 안정성을 만족하는 6.25μT 보다 작게 되도록 상기 파라미터를 산출하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 산출된 상기 파라미터를 출력하는 출력부를 포함하는 급집전 코일의 최적화 설계 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 레퍼런스부는,
    상기 파라미터를 산출하는 수식을 저장하는 메모리; 및
    상기 수식을 통해 파라미터를 계산하는 연산기를 포함하며,
    상기 센서부에서 측정된 자기장의 세기를 기준으로, 상기 수식을 통해 단계적으로 상기 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 급집전 코일의 최적화 설계 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 상기 파라미터가, 상기 급집전 코일의 전력 전달 효율성과 동작 주파수에서의 안정된 운전을 나타내는 동작 안정성을 만족하는지 판단하고,
    만족하지 않는 경우 상기 파라미터를 보정하여 다시 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 급집전 코일의 최적화 설계 장치.
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철도차량용 무선전력전송 시스템의 지상권선 방식에 따른 특성 비교 연구(2014년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집, 정신명 외9명, 2014.10월 발행) *

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