KR101816024B1 - 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 10Hz ~ 300MHz(중심주파수 20kHz ~ 50MHz)에 달하는 광대역의, Surge와 PCI(Pulse Current Injection, EMP 에너지가 공기 중으로 전파되어 선로에 유기되는 충격파)를 제거 하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하고자 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터에 관한 것이다.

Description

광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터{Load Coil for Surge and PIC Protector}

본 발명은 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 10Hz ~ 300MHz(중심주파수 20kHz ~ 50MHz)에 달하는 광대역의, Surge와 PCI(Pulse Current Injection, EMP 에너지가 공기 중으로 전파되어 선로에 유기되는 충격파)를 제거하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하고자 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터에 관한 것이다.

낙뢰 등에 의해 갑자기 큰 전류·전압이 발생하기도 하는데, 전력계통의 전원선, 통신선, 신호선, 랜선 등의 도체 선로(Line)를 따라 전달된다.

이러한 과도 이상 전압을 서지(Surge) 전압이라고 한다.

상세하게는 자연적인 현상에서 천둥 번개를 천둥은 소리에너지와 번개는 빛에너지로 소멸되지만 상당한 에너지는 전자기파(뇌파)가 되어 공기 중으로 전파된다.

이렇게 전파되어 날아온 뇌파는 각종 전기ㆍ전자ㆍ통신기기에 필수적인 전기선 또는 통신선 등 선로에 이르면 플레밍의 오른손법칙에 의거 유도현상이 일어나고 이 때 유도된 에너지를 뇌서지라고 한다.

뇌서지는 KS C IEC61000-4-5 KS규격에서 정의하며, 1.2us에 이르는 빠른 상승 시간을 가지며, 천천히 하강하면서 소멸되는데 그 반치 시간을 50us로 규정하고 Surge 발생원에 대한 내부저항을 2Ω으로 규정하고 있어 IEEE C62.41 규정에 따르면 통상 20kV수준의 높은 전압과 10kA에 달하는 큰 전류를 가지는 특징을 가지며 국내에서는 KS C IEC61643규격으로 제정하고 KS인증 제도를 시행하고 있다.

PCI는 MIL-STD-188-125-1 규격에서 정의하며, 대표적인 단펄스의 경우 20ns에 이르는 더 빠른 상승 시간을 가지며 천천히 하강하면서 소멸되는데 그 반치 시간을 500ns로 규정하고 전원선의 경우, PCI 발생원에 대한 내부저항을 20Ω, 부하임피던스를 2Ω으로 규정하고, 통신선로의 경우, PCI 발생원에 대한 내부저항을 100Ω, 부하임피던스를 50Ω으로 규정하고 있어 동 규정상 50kV의 높은 전압과 최대 2500A의 큰 전류를 가지는 특징이 있다.

부연 설명하자면, 자연적인 현상에서 낙뢰와 이로 인한 Surge, 전자기폭탄 또는 핵폭발 때 발생되는 전자기파 즉, EMP가 선로에 유도되면 PCI(Pulse Current Injection)로 유도되는 바, 이러한 고주파 펄스 에너지는 전기ㆍ통신장치에 치명적인 고장을 유발하게 되어 미군에서는 MIL-STD-188-125-1 등에 규격화되어 있다.

그런데, 상기한 규격의 시험설비를 참고하여 Surge나 PCI에너지를 전자분야 엔지니어 입장에서 단순화하여 보면 캐패시터에 충전된 에너지를 방전하면서 일정한 모양의 파형을 형성하기 위한 일정시간에 맞추어 방전한 것이고, 그 방전된 에너지가 전기ㆍ통신선로를 통해 장비에 유입되면 장비가 고장나는 원리일 뿐이다.

그렇다면, 콘덴서에서 방전된 에너지를 더 큰 콘덴서에 충전하여 분압을 하면 그 분압 지점에서 보면 전압을 크게 낮추는 효과가 있지만 전력이나 신호가 흐르는 선로에 콘덴서를 구비하면 전력이나 신호가 단락되어 사고로 이어지기는 심각한 문제로 인하여 종래 기술에서는 MOV와 같은 비선형 전압 제한소자를 사용하게 되는데, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 관한 비선형 소자는 그 주파수 특성이 떨어지고 리미트 전압이 높아 상기한 Filter 기술을 조합해서 적용했지만, 상기한 종래기술의 문제점을 해결하지는 못하였다.

종래기술에 의한 PCI Filter는 10Hz ~ 300MHz 의 PCI대역에 있어 중심주파수라 할 수 있는 20kHz ~ 50MHz 영역을 충족하는 Filter를 구현함에 있어 서로 다른 주파수 영역을 가지는 다단계 Filter를 직렬 접속하여 구현하였으나 상기에서 지적한 문제점으로 인해 만족한 성능을 충족시키기 어려웠다.

따라서, 본 발명에서는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)를 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체(100)를 포함하고 있는 리액터를 제공함으로써, 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 20kHz~50MHz에 달하는 광대역의 Surge와 PCI를 포함하는 10Hz ~ 300MHz의 PCI 전 대역을 제거하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘할 수 있게 되는 것이다.

(선행문헌) 대한민국 등록특허 제10-0978593호(2010.08.27)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 10Hz ~ 300MHz에 달하는 광대역의 Surge와 PCI를 제거하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하고자 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터를 제공하고자 하는 것이다.

즉, 하나의 리액터를 구성하는 자심코어체는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어를 적어도 2 개 이상 적층하며, 상기 자심코어체를 통해 전체적인 주파수 특성을 조절할 수 있게 됨으로써, 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 20kHz ~ 50MHz에 달하는 광대역의 Surge와 PCI를 제거하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터는,

서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)들을 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체(100)와,

내부 공간이 형성되어 있어 상기 내부 공간에 상기 자심코어체(100)를 위치시키기 위한 보빈부(200)와,

상기 보빈부(200)에 위치한 자심코어체(100)의 외면을 따라 권선되는 코일(300)을 포함한다.

상기와 같은 구성을 통해, 10Hz ~ 300MHz 범위 내의 광대역 Surge와 EMP의 PCI에 의한 고주파 펄스에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터를 제공하고자 한다.

이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터를 통해, 전기ㆍ통신 선로에 유도된 높은 전압과 큰 전류를 가지며 10Hz ~ 300MHz에 달하는 광대역의 Surge와 PCI를 제거하여 전기ㆍ전자ㆍ통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘하게 된다.

따라서, 모든 전기용품에 대해 낙뢰 서지와 PCI에너지에 의한 피해예방 능력을 크게 향상시킬 수 있으므로 전기ㆍ전자ㆍ통신 장비의 생존성을 보장하여 자연재해 감소는 물론, 고객의 요구에 부응하고 전기통신 및 가전산업의 안전성 확보에 크게 기여할 수 있는 기초를 마련할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 MIL-STD를 만족하는 리액터와 콘덴서를 활용한 PCI Filter 회로도.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 '일'자형의 자심코어(150)들이 적어도 2 개 이상 적층된 상태를 나타낸 예시도.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 'ㄷ'자형의 자심코어(150)들이 적어도 2 개 이상 적층된 상태를 나타낸 예시도.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 '일'자형의 자심코어(150)들에 의해 'ㄷ'자 형상을 이루는 것을 나타낸 예시도.
도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 '일'자형의 자심코어(150)들과 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 'ㄷ'자형의 자심코어(150)들에 의해 'ㅁ'자 형상을 이루는 것을 나타낸 예시도.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 보빈부(200)를 나타낸 정면도이며, 도 3b는 코일 권선을 나타낸 정면도이며, 도 3c는 적층된 자심코어체를 나타낸 정면도이며, 도 3d는 보빈부 내부 공간에 위치한 자심코어체에 코일 권선을 나타낸 정면도.
도 4a는 본 발명의 이실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 보빈부(200)를 나타낸 정면도.
도 4b는 본 발명의 이실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 일자형상 자심코어체를 각각 접속시켜 'ㄷ'자 형상을 이루는 예시도이며, 도 4c는 'ㄷ'자 형상 자심코어체를 나타낸 예시도이며, 도 4d는 물리적인 자기 폐루프를 가지는 리액터를 나타낸 예시도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터를 측정한 예시도.
도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 충방전 회로 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터가 일자 형상인 사진이며, 도 7은 'ㄷ'자 형상인 사진이며, 도 8은 'ㅁ'자 형상인 사진.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.

또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는, 본 발명에 의한 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

서지 등에 대한 보호 요구를 충족시키기 위해 KS C IEC 61643(서지보호장치 시험방법) 규격을 준수하면서도 EMP가 공기 중으로 전파되어 선로에 유기된 에너지 즉, PCI는 MIL-STD-188-125-1(미군규격 고주파 펄스전류 보호기준)에 보호 기준을 충족시킬 수 있는 고전압과 대전류 특성을 가지며 10Hz ~ 300MHz에 달하는 광대역의 Surge와 PCI를 제거에 적용하는 Filter Coil(리액터)은 특정 주파수 특성을 가지는 여러 개의 Coil과 콘덴서를 조합하여 활용하고 있으나 하나의 리액터로 광범위한 주파수에 대응하여 이를 해결하는 방안은 없다.

종래 기술로서 불가능한 이유는 상기한 Surge나 PCI파형을 주파수로 환산하면 그 원인을 찾아 볼 수 있다.

Surge 파형은 1.2/50us로 정의하고 있는 바, 주파수 F = 1/T이므로 1/1.2us = 833Khz가 되고 50us = 1/50us = 20kHz가 되는 바, 중심주파수는 20kHz ~ 833kHz가 함유되는 특성을 가지는 것이다.

또한, PCI 파형은 20ns/500ns로 정의하고 있어 주파수 F = 1/T이므로 1/20ns = 50Mhz가 되고 500ns = 1/500ns = 2MHz가 되는 바, 중심주파수는 2MHz ~ 50MHz가 함유되는 특성을 가지는 것이다.

그러나 전원에 사용되는 슈퍼배리어는 60Hz성분에 대하여 아무런 동작을 하지 않고 보존해야 하면서 에너지가 상대적으로 큰 중심주파수로 볼 때, 20kHz ~ 50MHz에 해당하는 Surge와 PCI성분을 중점적으로 억제를 해서 제거해야 한다.

이를 위하여 종래 기술을 적용하는 미군의 PCI Filter는 도 1에서 도는 바와 같이, 각각의 주파수 특성을 가지는 L1, L2, L3, L4,,,Ln의 Filter Coil을 다단계로 직렬 접속하고, 각각의 접속점에서 접지 간에 콘덴서를 접속하는 Filter를 구비하여 종합 특성이 10Hz ~ 300MHz에 이르게 하는 것이다.

그러나 이와 같은 다단계 코일을 직렬 접속하는 방식을 쓰더라도 20KHz ~ 20MHz에 달하는 Surge영역은 Filter로서 제거가 불가능하여 MOV 등 바리스터 소자를 사용하게 되는데, 이들 소자는 10Hz ~ 300MHz에 해당하는 Surge와 PCI성분을 최대한 억제하는데 한계가 있었다.

여기서, 본 발명의 응용범위에 있어 상기한 중심주파수 20kHz ~ 50MHz에 한정한다면 본 발명의 자심코어(150)를 구비하는 데에는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)를 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체(100)를 구성하는 것이 바람직하다.

그러나 본 발명은 Surge영역, PCI영역 또는 특정 주파수가 집중되는 전력트러블 해소 등 광범위한 응용 범위가 있을 수 있어 상기한 자심코어(150)를 구성하는 Core1, Core2,,, Core n의 성분이 동일해야 하는 경우가 있다. 따라서 본 발명에서 ‘서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)’란 상기한 경우를 포함하여 상기 바람직한 구성을 바탕으로 설명한다.

또한, 상기 Filter Coil들은 도 1과 같이 다수의 코일과 콘덴서를 조합하는 관계로 부피가 크고 유지보수가 용이하지 않은 문제가 있다.

이는 PCI에서도 에너지가 반드시 MIL-STD-188-125-1표준 파형으로 유입되지 않는 것이 현장의 실질적인 상황으로 표준적인 PCI 파형에 의거 설계된 각각의 Coil에 걸리는 과도전압이 그때 유입된 주파수 영역에 따라 큰 편차를 가지게 다단계로 연결된 상기 어느 하나의 Coil과 콘덴서로 구성된 Filter단에 PCI전압이 집중되는 현상이 발생하면 절연파괴 등 과도한 특성변화가 나타나 이를 찾아 교체해야 하는 등 신뢰성이 떨어지는 문제로 대두되는 현실이며, MIL-STD-188-125-1의 시험과정을 보더라도 Pulse주입 시험을 마치면 반드시 MOV이상여부를 점검하여 합격여부를 결정하도록 규정하고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 개시된 것이며, 본 발명에 의해 제조된 리액터는 60Hz 상용교류 성분에 대하여 최소한의 리액턴스를 가지면서도 적어도 Surge와 PCI의 합성 중심주파수인 20kHz ~ 50MHz의 영역에서는 최대의 리액턴스를 가지는 것을 특징으로 한다.

게다가 본 발명의 리액터가 적용될 슈퍼배리어는 약 10Hz ~ 300MHz에 이르는 광대역 특성을 가지므로 이 대역에 대하여 포화되지 않는 최대 리액턴스 확보가 가능할 것이다.

실제로 공심 코일을 적용하면 60Hz의 낮은 주파수부터 300MHz에 이르는 고주파 영역에 이르기까지 우수한 주파수 특성을 나타내 W = 1/2LI²에 해당하는 에너지를 저장하지만 원하는 리액턴스를 확보하기에는 동선을 많이 감아 저항이 커져야 하는 문제와 부피대비 리액턴스가 극히 작아 실제 활용에는 한계가 있다.

현재 규격화되어 당업계에서 50/60Hz 상용교류용 트랜스, 리액터로 널리 활용하는 규소강판 코어를 가지는 리액터는 최대 사용 주파수가 1kHz를 넘지 못하는 한계가 있다는 것은 당업자에게는 잘 알려진 기술이다.

또한, 고주파용 페라이트 코어를 가지는 리액터는 높은 주파수에서는 양호한 리액턴스가 보장되지만 60Hz 내지 20kHz 수준의 낮은 주파수에서는 인덕턴스 측정은 양호한 것으로 측정되지만 실제 Surge에너지를 인가하면 포화되어 W = 1/2LI²에 해당하는 에너지를 저장하지 못하여 즉시 콘덴서에서 방전한 에너지가 리액터에서 소멸되는 것을 실험적으로 오실로스코프에 나타나는 파형으로 확인할 수 있었다.

그러나, Surge와 PCI에 대한 대전류 실험결과, 20kHz이상의 고주파에서는 자기포화가 적어 안정적인 특성을 가지지만, 20kHz이하의 낮은 주파수 성분에 있어서 자기포화로 리액턴스 확보에 실패하였다.

그런데, 후술할 본 발명의 리액터를 통해 상기한 문제점을 해결할 수 있게 되어 1kHz를 넘어 20kHz는 물론 이를 상회하는 50MHz를 넘어 300MHz에 달하는 PCI 주파수에서도 보다 우수한 주파수 특성을 가지는 리액터를 제공할 수 있게 되었다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터의 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)를 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체를 나타낸 예시도이다.

도 2a를 설명하기에 앞서, 도 1에 도시한 종래 PCI Filter(100) 회로를 설명한다.

도 1은 종래의 MIL-STD를 만족하는 리액터와 콘덴서를 활용한 PCI Filter 회로를 나타낸 것으로서, 일반적으로 널리 공지된 PCI Filter회로이다.

구체적으로 설명하자면, L1, L2, L3,,, Ln이 직렬로 접속되어 있고, 각각의 접속점과 접지(G)간에는 C1 ~ Cn의 콘덴서가 각각 접속되어 구성되어 있다.

예를 들어, 2MHz ~ 50MHz의 넓은 PCI 중심주파수 대역에 5MHz 대역을 가지는 Filter 10단으로 구성한다면 2 ~ 7MHz, 7 ~ 12MHz,,, 46 ~ 50MHz 등의 각각의 대역으로 특화된 Filter를 직렬조합하여 접속한 것이라고 볼 수 있는 것이다.

일 예로 2 ~ 7MHz 주파수에 필터를 L1과 C1+C1이라 하면, 7 ~ 12MHz 영역의 필터는 L2와 C2+C2로 구성되는 것이다.

그러나, 이와 같은 다단계 코일을 직렬 접속하는 방식을 쓰더라도 20KHz ~ 2MHz에 달하는 Surge영역은 Filter로서 제거가 불가능하여 MOV 등 바리스터 소자를 사용하게 되는데, 이들 소자는 20kHz ~ 50MHz에 해당하는 Surge와 PCI 중심주파수 성분을 최대한 억제하는데 한계가 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 개선하고자 본 발명에서는 도 2a 내지 도 2d에 도시한 바와 같이, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)들을 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체(100)를 구성하게 된다.

서로 다른 자기 특성이란, 강자성 재료 혹은 반자성 재료의 함량, 배합비, 두께 등에 따라 주파수 특성이 달라지는 것을 의미한다.

예를 들어, KS C IEC60404에서 규정하는 대표적인 규소강 코어는 압연 방향에 따라 자기특성을 가지는 방향성 PN코어와 압연방향에 관계없이 균일한 자기특성을 가지는 무방향성 PNM코어가 있어 특성이 각기 다르며, 또한 각 코어는 0.25, 0.35mm, 0.5mm, 0.65mm 등으로 규격화되어 있는바, 두께에 따라서 각기 특성이 달라지는 특성을 가지고 있다.

또한, KS C IEC60424에서 규정하는 페라이트 코어는 자기 모멘트(Moment)를 가지고 있는 자성 재료 중 Fe, Ni, Co 등 강자성 재료가 아닌 Ni-Zn ferrite, Mn-Zn Ferrite 의 반자성 재료를 사용하는데, 그 재료의 배합 비율과 제조상 pore, 석출물, 내부응력 등에 따라 투자율과 주파수 특성이 무수히 달라지는 특성이 있다.

따라서, 본 발명에서 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어를 적어도 2개 이상 적층하여 자심코어체를 완성하게 되는 것이다.

예를 들어, 코어1은 강자성 재료로 구성하고, 코어2는 반자성재료로 구성하고, 코어3은 강자성 재료로 구성하는 것과 같이, 서로 다른 자기 특성을 가지는 자심코어를 2개 이상 적층하여 자심코어체를 구성하게 된다.

도 2a의 경우에는 물리적인 자기 폐루프를 구성하지 않으며, 적어도 2개 이상의 서로 다른 재질의 '일'자 형상의 자심코어(150)들을 적층하여 자심코어체(100)로 사용하는 것을 특징으로 한다.

도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)를 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2개 이상 'ㄷ'자 형상의 자심코어(150)를 적층한 예시도이다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 자심코어체(100)는 'ㄷ'자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 'ㄷ'자 형상을 가진 자심코어체(100)는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 'ㄷ' 자 형상의 자심코어(150)가 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일"자 형상의 자심코어들(150)이 적층된 코어부들(제1수평코어부(151), 제2수평코어부(152), 제1수직코어부(153))의 물리적 연결에 의해 'ㄷ'자 형상의 자심코어체(100)를 형성한 예시도이다.

도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 자심코어체(100)는,

서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제1수평코어부(151);

상기 제1수평코어부(151)의 일측면에 물리적으로 접속되며, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제1수직코어부(153);

상기 제1수직코어부(153)의 일측면에 물리적으로 접속되며, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제2수평코어부(152);를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의해, 상기 자심코어체(100)는 'ㄷ'자 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기한 제1수평코어부(151) 및 제2수평코어부(152)는 평행하게 일정거리 이격되어 있으며, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)들이 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체이다.

그리고, 상기한 제1수직코어부(153)도 마찬가지로 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)들이 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체이다.

이때, 상기 제1수직코어부(153)의 일측면에 제1수평코어부(151)를 접속시키며, 타측면에 제2수평코어부(152)를 접속시켜 전체적인 형상이 'ㄷ'자 형상을 이루도록 하는 것이다.

도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 '일'자형의 자심코어(150)들과 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 'ㄷ'자형의 자심코어(150)들에 의해 'ㅁ'자 형상을 이루는 것을 나타낸 예시도이다.

구체적으로, 자심코어체(100)가 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 코어부(제2수직코어부(155))와 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 'ㄷ"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 코어부(제3코어부(154))의 물리적 연결에 의해 'ㅁ'자 형상의 자심코어체(100)를 형성한 예시도이다.

도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 자심코어체(100)는,

서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 'ㄷ"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제3코어부(154);

서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제2수직코어부(155);를 포함하며,

상기 제3코어부(154))와 제2수직코어부(155))의 물리적 접속에 의해 상기 자심코어체(100)는 'ㅁ'자 형상을 이룸으로써 자기 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기한 제3코어부(154)는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 'ㄷ'자 형상의 자심코어(150)들이 적어도 2개 이상 적층된 자심코어체이다.

또한, 제2수직코어부(155)는 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적어도 2개 이상 적층된 자심코어체이다.

이때, 제3코어부의 일측면에 제2수직코어부(155)의 일측면을 접속시키며, 상기 제3코어부의 타측면에 제2수직코어부(155)의 타측면을 접속시켜 전체적인 형상이 'ㅁ'자 형상을 이루도록 함으로써, 자기 폐루프를 형성하도록 하는 것이다.

한편, 부가적인 양태에 따라, 상기 제3코어부(154)는,

강자성 재료로 구성되되, 제3코어부(154)를 구성하는 각각의 자심코어(150)를 서로 다른 자기 특성을 가지고 있도록 강자성 재료의 함량, 배합비 중 어느 하나 이상을 달리하여 적어도 2 개 이상 적층하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제2수직코어부(155)는,

반자성 재료로 구성되되, 제2수직코어부(155)를 구성하는 각각의 자심코어(150)를 서로 다른 자기 특성을 가지고 있도록 반자성 재료의 함량, 배합비 중 어느 하나 이상을 달리하여 적어도 2 개 이상 적층하는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 강자성 재료인 규소강을 제3코어부로 구성하고, 반자성 재료인 페라이트를 제2수직코어부로 구성하게 된다.

만약, 강자성 재료만으로 폐루프를 구성할 경우에 상용교류 50Hz ~ 60Hz 성분에 평소에도 철손이 발생하며, 부하가 조금만 증가해도 철심이 포화되어 손실로 나타나지만 폐루프상에 반자성 재료의 코어가 포함되면 폐루프(close Loop)상에 각각의 특성을 유지하면서도 상용 교류에 의한 손실을 막을 수 있는 특징이 있음을 실험을 통해 확인하였다.

상기 강자성 재료는 예를 들어 규소강, 순(純)철분, 철기 합금 분말(Fe-Al 합금, Fe-Si 합금, 센더스트, 파마로이 등) 및 아몰퍼스 분말, 또한 표면에 인산계 화성피막 등의 전기 절연 피막이 형성된 철분 등을 들 수 있다.

구체적으로, Fe-Si-Cr 계 합금, Fe-Ni 계 합금, Fe-Co 계 합금, Fe-V 계 합금, Fe-Al 계 합금, Fe-Si 계 합금, Fe-Si-Al 계 합금, 카르보닐철 및 순철을 들 수 있다.

강자성 재료는 1 종류의 재료로 구성되어 있어도 되고, 복수 종류의 재료로 구성되어 있어도 된다.

이들 강자성 분말은, 예를 들어 아토마이즈법 등에 의해 제조 가능하다.

또한, 일반적으로 투자율이 동일한 경우에 포화 자속 밀도가 크므로, 강자성 분말은, 예를 들어 상기 순철분, 철기 합금 분말 및 아몰퍼스 분말 등의 금속 재료인 것이 바람직하다.

이때, 상기 제3코어부는 강자성 분말을 압분 형성해서 얻게 되는 소정의 밀도 부재이다.

이 부재는, 자속 밀도―비투자율 특성을 갖고 있다.

상기한 강자성 재료에 의해 제조되는 제3코어부의 특성은 대한민국등록특허공보 제10-1320170호인 리액터에 상세히 설명하고 있다.

한편, 반자성 재료는 페라이트를 주로 이용하게 되며, 제2수직코어부를 페라이트로 구성하게 된다.

상기 페라이트 재료에 대한 조성물과 제조 방법은 대한민국등록특허공보 제10-1250673호인 고주파용 자성 재료와 제조방법, 대한민국등록특허공보 제10-0687179호인 페라이트 재료의 제조방법 및 페라이트 재료, 대한민국공개특허공보 10-2014-0082597인 자성 결정립계가 조절된 페라이트 코어 재료에 구체적으로 설명되어 있다.

따라서, 당업자들은 서로 다른 자기 특성을 가지고 있도록 강자성 재료 및 반자성 재료의 함량, 배합비를 적절히 조절하는지를 이해할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 자기 특성을 제공하는 자심코어를 제조할 수 있다는 사실을 알 수 있고, 대부분 부품화되어 있어 시중에서 손쉽게 구입할 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 보빈부(200)를 나타낸 정면도이며, 도 3b는 코일 권선을 나타낸 정면도이며, 도 3c는 적층된 자심코어체를 나타낸 정면도이며, 도 3d는 보빈부 내부 공간에 위치한 자심코어체에 코일 권선을 나타낸 정면도이다.

구체적으로, 도 3a는 '일'자 형상의 자심코어체(100)가 적용된 본 발명의 일실시예에 따른 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)의 보빈부(200)을 나타낸 정면도이고, 도 3b는 '일'자 형상의 자심코어체(100)가 적용된 본 발명의 일실시예에 따른 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)의 정면도이며, 도 3c는 '일'자 형상으로 적층된 자심코어체(100)를 나타낸 정면도이며, 도3d는 보빈부 내부 공간에 자심코어체(100)를 위치시킨 후, 자심코어체(100) 외주면에 권선된 코일 권선을 나타낸 정면도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 보빈부(200)는 내부 공간에 자심코어체(100)를 위치시키기 위한 프레임이며, 상기 내부 공간에 자심코어체(100)를 위치시키고, 상기 자심코어체의 외면에 코일을 권선하게 된다.

그리고, 도 3b와 같이, 자심코어체의 외면에는 L1과 L2의 2개 코일이 권선되는데, L1과 L2는 서로 반대 방향으로 권선함으로써, L1, L2를 입력으로 하는 Surge 에너지에 대하여 그 출력측 L1', L2'를 단락시켰을 때, 최대의 리액턴스가 되도록 하는 특징을 제공하게 된다.

구체적으로 설명하자면, 일반적인 종래 기술에 의한 상용 교류에 사용되는 리액터는 강자성체 자심 코어를 사용하기 때문에 도 3b와 같이 반대방향으로 권선을 하게 되면 상용교류 50Hz~ 60Hz 성분이 통과하면서 큰 손실이 발생하는 특징이 있다.

그러나, 본 발명에서는 강자성체만으로 폐루프가 형성되지 않도록 함으로써 상기한 문제를 해결하면서도, 리액턴스의 최소값과 최대값은 코어성분과 양, 코일의 권선수에 따르는 것이지만, 본 발명에서는 소정의 코어와 권선량으로 최대의 리액턴스를 구하는데 요점을 둔 것이다.

또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, '일'자 형태로 적층된 자심코어체(100)를 도 3d와 같이, 보빈부 내부 공간에 위치시킨 후, 코일 권선을 수행하게 되는데, L1과 L2는 서로 반대 방향으로 권선하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이는 상기한 바와 같은, 최대의 리액턴스가 되도록 하기 위한 것이다.

그리고, 도 3d와 같이 코일을 권선함으로써, 리액터를 완성하게 되며, 도 6과 같은 리액터를 제공하게 되는 것이다.

도 4a는 본 발명의 이실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 보빈부(200)를 나타낸 정면도이며, 도 4b는 본 발명의 이실시예에 따른 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터(1000)의 일자형상 자심코어체를 각각 접속시켜 'ㄷ'자 형상을 이루는 예시도이며, 도 4c는 'ㄷ'자 형상 자심코어체를 나타낸 예시도이며, 도 4d는 물리적인 자기 폐루프를 가지는 리액터를 나타낸 예시도이다.

도 4a는 물리적인 자기 폐루프를 가지지 않는 리액터를 나타낸 것으로서, 2개의 보빈부(200)를 구성하고 있으며, 해당 보빈부에 위치한 자심코어체(100)에 코일을 권선하는 구조이다.

이때, 코일인 L1과 L2는 서로 같은 방향으로 권선하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 설명하자면, 상기 'ㄷ'자 형상의 자심코어체(100)를 구성하는 자심코어(150) 중에서, 상측수평코어부(150A)와 하측수평코어부(150B)는 2개의 보빈부(200) 내측에 위치한 상태에서 코일(300)인 L1과 L2를 가지고 각각 권선되고, 자심코어(150)는 보빈부(200) 외측에 위치하며, 코일이 권선되지 않도록 한다.

이때, 코일인 L1과 L2는 서로 같은 방향(즉, 라인 간 평형)으로 권선하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 4a와 같은 물리적인 자기 폐루프를 가지지 않는 리액터를 완성하게 되면, 도 7과 같은 리액터를 제공하게 되는 것이다.

또한, L1과 L2를 서로 같은 방향으로 권선함으로써, 전체적인 특성은 도 3b에 나타난 바와 같은 역극성 특성을 가지는 특징을 제공한다.

역극성 권선은 라인에 불평형(unbalanced) 리액터를 구비할 수 있게 하는 것이고, 같은 방향으로 권선하는 것은 평형(balance)리액터를 구비하는 것으로서, balanced - unbalanced 에 대하여는 당업자들에게 일반적으로 널리 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

또한, 도 4d에 도시한 바와 같이, 도 4a에 도시된 자기 폐루프를 갖지 않는 리액터의 일측에 '일'자 형상의 제2수직코어부(155)을 접속시켜 'ㅁ'자 형상을 이루도록 하여 자기 폐루프를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 코일 L1과 L2는 도 4a와 같이 서로 같은 방향으로 권선하여 전체적인 자기 특성은 도3b에 도시된 권선에 따라 나타나는 자기 특성과는 반대의 역극성 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

이에 따른 리액터는 불평형(unbalanced)의 특성을 가지게 된다.

즉, 도 4d와 같은 물리적인 자기 폐루프를 가지는 리액터를 완성하게 되면, 도 8과 같은 리액터를 제공하게 되는 것이다.

지금까지의 설명한 본 발명의 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)는 전압 억제, 즉 서지 킬러로서의 효과를 갖는다.

또한, 자심코어체를 포화시키는 전압 또는 그 이상의 전압이 인가된 경우, 서지 에너지는 전류로서 코일에 흐르고, 자기 에너지로 변환되는 동시에 코일과 이 코일에 접속되는 전선의 저항 손실로서도 소비되므로 리액터는 서지 내량이 큰 특성을 갖게 되고, 반복성 있는 서지를 흡수하는데 효과적이다.

본 발명의 리액터의 특성을 좌우하는 일반적인 주요 파라미터는 자심코어의 단면적, 공극의 크기, 코일의 권선수 등이며, 이들 파라미터를 적절하게 설정하여 소망하는 자기 특성의 리액터를 실현할 수 있다.

다음은 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)가 적용된 슈퍼베리어가 서지나 PCI에 의한 고주파 펄스에너지를 소멸시키는 과정을 전기 회로적 관점에서 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5b와 같이, 본 발명의 리액터에 감긴 한 코일의 한 시작점 L1을 기준으로 끝점 L1', 본 발명의 리액터에 감긴 L1과 반대방향으로 감긴 다른 코일의 한 시작점 L2을 기준으로 끝점 L2'라 하면,

L1'와 L2'를 접속하고, L1과 L2에서 리액턴스를 측정하면 L1과 L2의 리액턴스(xL1,xL2)의 합의 리액턴스(xL, 1mH라 하면)를 알 수 있는데, 전 주파수 대역에서 평탄하게 측정된다.

만일, 특정 주파수에서 불평형이 나타나면 적층된 코어부에서 여러 특성의 코어를 변경해가면서 평탄도를 조절하면서 세팅을 할 수 있는 것이다.

한편, 도 5c는 서지 발생시 서지에 의해 발생한 고주파 펄스에너지를 소멸시키기 위한 본 발명의 리엑터를 회로적으로 나타난 도면으로, 도 5c의 좌측에 도시된 서지발생기는 KS C IEC61000-4-5에서 정의하는 전압파형 1.2/50us, 전류파형 8/20us의 표준 서지발생기를 회로적으로 나타낸 것이고 도 5c의 우측에에 도시된 회로는 본 발명의 리엑터를 회로적으로 나타낸 것이다.

이때, 도 5c의 서지발생기 대신 PCI발생기로 대체될 수 있으며 PCI발생기도 서지발생기와 유사한 원리이므로 별도의 설명은 생략하도록 한다.

D0를 통해 정류된 직류전압(서지에 의해 발생한 서지 전압을 의미함)이 수 내지 수십KΩ 고저항인 R0를 통해 C1에 충전되는데, R1은 2Ω으로 규정한 만큼 충전에 영향을 미치지 않는다.

상기와 같은 Surge 발생기의 출력에 본 발명의 리액터(L1, L2)와 의사부하를 직렬 접속한 리액터 충방전회로를 구비하여 SW1을 순간적으로 터치하여 온 시키면, C1에 충전된 에너지(서지에 의한 고주파 펄스 에너지를 의미함)는 청색으로 표기된 A와 A1의 경로를 따라 방전하게 되는데, 먼저 Surge 발생기의 내부에 구비된 파형 설정용 저항 R2의 경로를 통해 흐르는 방전에너지로 말미암아 리액터 충방전 회로의 임피던스에 관계없이 콘덴서 C1 용량이 15uF이라면 0.7(R1+R2) x C1 = 0.7 x (2+7) x 15uF = 약 95us의 방전시간을 가지는 것으로 규정상 1.2us의 상승시간과 50us의 하강시간의 반치값에 부합되는 표준 파형의 Surge를 발생하게 된다.

A경로를 따라 C1 -> SW1 -> L1 -> 의사부하 -> L2 -> R1의 경로로 방전한 에너지는 결국, L1, L2에 에너지를 축적하게 되는데, 이때 L1, L2 리액터에 저장되는 에너지 W = 1/2LI²가 되는 것이다.

여기서, C1은 방전을 종료하고 이미 SW1은 오픈되어 있으므로 L1, L2에 충전된 에너지(W = 1/2CV²)는 적색으로 표기된 B의 경로를 통해 방전하게 되는데, R2는 7Ω으로 규정함에 따라 방전시간은 L1, L2에 축적된 에너지량 즉, W = 1/2LI²이 R2와 의사부하 합산된 저항값 R0에 의해 전류와 방전시간이 정해지는 것이다.

상기한 공식과 원리는 이미 널리 알려진 기술이므로 상기한 정도의 설명만으로도 당업자들은 충분히 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 상기에서 이미 정해진 R2값은 7Ω으로, L1, L2는 1mH라 했을 때 축적된 에너지량 즉 W = 1/2LI²에 영향을 미칠 수 있는 요소는 I²인데 이는 의사부하(RL)의 값을 얼마로 정하느냐에 전류 I가 결정되고 I의 값에 따라 방전시간을 최대한 지연시킬 수 있는 것이다.

결국, 상기 광대역펄스에너지저장용리액터(1000)는 Surge와 EMP에 의한 PCI 에너지에 해당하는 폭넓은 주파수 대역에 대한 리액터의 조건에 부합되는 광대역 특성을 제공할 수 있는 것이다.

이를 통해, 본 발명의 리액터는 서지와 PCI에너지를 저장하는 능력을 크게 향상시킬 수 있으므로 낙뢰 및 서지와 PCI에도 생존성을 보장하여 자연재해 감소는 물론, 고객의 요구에 부응하고 전기통신 및 가전 산업뿐 아니라 군사시설 및 산업시설의 안전에 크게 기여할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 : 자심코어체
200 : 보빈부
300 : 코일

Claims (10)

1. 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터에 있어서,
   서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 자심코어(150)들을 적어도 2 개 이상 적층한 자심코어체(100)와,
   내부 공간이 형성되어 있어 상기 내부 공간에 상기 자심코어체(100)를 위치시키기 위한 보빈부(200)와,
   상기 보빈부(200)에 위치한 자심코어체(100)의 외면을 따라 권선되는 코일(300)을 포함하여 구성됨으로써, 10Hz ~ 300MHz 범위 내의 광대역 Surge와 EMP의 PCI에 의한 고주파 펄스에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터는,
   60Hz의 상용교류 성분에 대하여 최소 리액턴스를 가지며, 20kHz ~ 50MHz 범위에서는 최대 리액턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 자심코어(150)들은,
   '일'자 형상인 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 자심코어(150)들은,
   'ㄷ'자 형상인 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 자심코어체(100)는,
   서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제1수평코어부(151);
   상기 제1수평코어부(151)의 일측면에 물리적으로 접속되며, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제1수직코어부(153);
   상기 제1수직코어부(153)의 일측면에 물리적으로 접속되며, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일'자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제2수평코어부(152);를 포함하며,
   상기 제1수평코어부(151)와 제2수평코어부(152) 및 제1수직코어부(153)의 물리적 접속에 의해 상기 자심코어체(100)는 'ㄷ'자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 자심코어체(100)는,
   서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 'ㄷ"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제3코어부(154);
   서로 다른 자기 특성을 가지고 있는 적어도 2 개 이상의 '일"자 형상의 자심코어(150)들이 적층된 제2수직코어부(155);를 포함하며,
   상기 제3코어부(154))와 제2수직코어부(155))의 물리적 접속에 의해 상기 자심코어체(100)는 'ㅁ'자 형상을 이룸으로써 자기 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제3코어부(154)를 구성하는 자심코어(150)들은,
   강자성 재료로 구성되되, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있도록 강자성 재료의 함량, 배합비 중 어느 하나 이상을 달리하는 것을 특징으로 하며,
   상기 제2수직코어부(155)를 구성하는 자심코어(150)들은,
   반자성 재료로 구성되되, 서로 다른 자기 특성을 가지고 있도록 반자성 재료의 함량, 배합비 중 어느 하나 이상을 달리하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
8. 제 3항에 있어서,
   상기 자심코어(150)들에 코일(300)인 L1과 L2를 가지고 각각 권선하되, L1과 L2는 서로 반대방향으로 권선하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
9. 제 5항에 있어서,
   상기 제1수평코어부(151)와 제2수평코어부(152)에 코일(300)인 L1과 L2를 각각 권선하되, L1과 L2는 서로 반대방향으로 권선하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
   
10. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    'ㄷ'자 형상의 자심코어(150)들에,
    코일(300)인 L1과 L2를 각각 권선하되, L1과 L2는 서로 같은 방향으로 권선하는 것을 특징으로 하는 광대역의 고주파 펄스에너지 저장용 리액터.
    
    
    

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