KR101948276B1 - 유도 전력 전송 장치 - Google Patents

Abstract

자속을 수신하거나 발생시키기 위한 자속 패드. 상기 패드는 자기 투과성 코어(14)와 관련된 2개의 폴 영역들(11, 12)을 포함한다. 코일들(17)은 상기 폴 영역들을 정의한다. 상기 패드는 상기 패드의 표면 위의 상당한 높이에서 사용가능한 자속이 생성될 수 있게 한다.

Description

유도 전력 전송 장치{INDUCTIVE POWER TRANSFER APPARATUS}

본 발명은 자속(magnetic flux) 발생 또는 수신 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유도 전력 전송(inductive power transfer, IPT) 시스템을 이용한 전력 전송을 위한 장치로서 패드(pad)와 같이 초박형의(low profile) 실질적으로 평면인 장치에 적용되는 것이지만, 오직 이것에만 한정되는 것은 아니다.

IPT 시스템들과, 유도 전력 전송을 위해 1차(primary) 또는 2차 권선들(secondary windings)로 구성될 수 있는 하나 이상의 권선들을 포함하는 패드(pad)의 사용은 국제 특허 출원 공개 WO 2008/140333에서 소개되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에서 참조로서 포함된다. IPT 전력 전송 패드의 하나의 특정 응용예는 전기 차량 충전(electric vehicle charging)이다. IPT 전력 전송 패드는 차량에서 전력 "픽업(pick-up)" 장치(예컨대, IPT 시스템의 2차측 권선)로서, 그리고 차고 바닥과 같이 정지된 위치에서 전력이 공급되는 "충전 패드(charging pad)"(예컨대, 1차측 권선)로서 모두 사용된다.

전기 차량들을 유도 충전하기 위한 픽업들의 개발에 있어서, 다소 중요한 문제는 차량 아래에서 이용할 수 있는 간극(clearance)이다. 종래의 픽업 회로들을 이용하는 경우 충분한 양의 전력은 아마도 100 ㎜의 거리까지 제공될 수 있지만, 이 때 결합 계수(coupling factor)는 너무 작게 되어서 실용적이지 않게 된다.

전형적인 전기 차량을 밤새 충전하는 데 필요한 전력이 약 2.0 kW라는 점은 일반적으로 인정되며, 따라서 야간 충전 모드에서는 약 24 kWH가 전송될 수 있다. 이는 최신 전기 차량들로 100 ㎞ 넘게 달리기에 충분한 에너지이며, 아이들을 학교에 데려다 주고, 심부름을 하고, 근거리 통근 등과 같은 업무들에 사용되는 소형차에 이상적이다.

유도 결합 충전기(inductively coupled charger)는 보통 원형인 2개의 전력 패드들을 이용하고, 도 1에 도시된 바와 같이 25 ㎜ 두께와 400 ㎜ 직경의 치수를 가질 수 있다. 하지만, 이와 같은 유도 충전기를 이용하기 위해서는 차량이 충전 패드 위에 비교적 정확히 위치되어야만 하고(전형적으로 완전 정렬되는 경우의 50 ㎜ 이내로), 차량의 전력 패드와 지면의 전력 패드 사이의 격차(separation)는 세밀하게 제어되어야만 한다. 원칙적으로, 유도 전력 전송은 0 ㎜ 내지 100 ㎜의 수직 간격들에서 이루어질 수 있지만, 만일 시스템이 100 ㎜로 설정된다면 120 ㎜에서는 상당히 많은 전력 감소가 생길 것이고 50 ㎜ 미만에서는 동작 불능일 것이다. 이런 현상들은 패드들 사이의 거리가 변함에 따라 전력 패드들의 자체 인덕턴스(self inductance) 및 상호 인덕턴스(mutual inductance) 모두가 큰 폭으로 변하기 때문에 발생한다. 도 2에서 자체 인덕턴스 및 상호 인덕턴스가 도 1의 구성을 가지는 2개의 동일한 원형 패드들에 대한 격차의 함수로서 도시되어 있다. 따라서, 100 ㎜에서 전력 패드 수신기 또는 픽업은 500 W의 정격 출력에 대해 100 V의 픽업 전압과 5.0 A의 단락 전류(short circuit current)를 가질 수 있다. 만일 IPT 시스템 전자 회로가 4의 Q 인자(Q factor)로 동작한다면, 적절한 배터리 전압에서 필요한 전력을 만들어내는 데 있어서 극복해야할 난제들이 여전히 존재한다고 하더라도 2kW가 배터리로 전송될 수 있다.

픽업 패드(예컨대, 차량에 장착된 전력 패드)에서 유도된 전압은 격차에 매우 민감해서(도 2에 도시된 상호 인덕턴스의 변화에 해당함) 120 ㎜에서 대략 40%만큼 감소되는 반면 50 ㎜에서는 2배만큼 증가된다. 전력의 감소는 차량이 평상시에 완전히 충전되지 않는다는 것을 의미하지만, 더욱 도전적인 상황은 더 작은 격차에서는 전송된 전력이 매우 높아서 회로의 컴포넌트들에 과부하가 걸릴 수 있다는 것이다. 또한, 격차가 감소됨에 따라 픽업 코일의 자체 인덕턴스도 또한 변하므로 회로는 전력 공급 장치(power supply)에 추가 스트레스를 가하도록 오프-주파수로 동작한다. 격차가 더욱 작아질수록 1차측에서 튜닝되지 않은(non-tuned) 픽업에 의해 유발되는 전력 공급 장치에 대한 스트레스를 견딜 수 없으며 시스템은 셧-다운(shut down)되어야 한다. 실제로 40 내지 100 ㎜의 격차로 동작하는 것은 실현가능하지만 더 넓은 범위의 격차는 무척 곤란하다.

40 내지 100 ㎜의 격차 범위는 상당히 작다. 만일 차량이 비교적 높은 지면 간극을 가진다면, 차량의 전력 패드가 내려지든지 아니면 지면의 전력 패드가 올려져야 한다. 이를 위한 자동 시스템들은 충전 시스템의 신뢰도(reliability)를 떨어뜨린다. 대체가능한 것으로, 지면의 패드가 올려져 고정된 플랫폼에 위치될 수 있지만 이러한 패드는 차가 충전되지 않고 있을 때 걸려 넘어질 위험이 있으며 이런 상황은 일반적으로 차고에서나 차량 및 보행자들과 관련된 다른 위치에서 방지되어야 한다.

도 1의 주지의 전력 패드 구성은 전형적으로 8개의 페라이트 바(ferrite bar)(2)와 코일(3)이 들어있는 알루미늄 케이스(aluminium case)(1)를 포함한다. 코일의 전류는 페라이트 바에서 자속을 유발하고 이 자속은 코일을 포함하여 반-타원형(semi-elliptical shape)으로 생각될 수 있는 경로로 페라이트 바에서 시작하여 바의 다른 끝으로 전파하는 자속선들(flux lines)을 가진다. 단일 바에 대한 자속선들(4)이 도 3에 도시되어 있다. 자속선들은 위쪽 방향으로 페라이트를 떠나, 바의 다른 끝부분으로 전파하여 직각으로 들어간다. 견고한 알루미늄 백킹 플레이트(backing plate)(1)가 자속이 패드의 뒷면으로 나가는 것을 방지하기 때문에 어떠한 자속도 패드의 뒷면으로 나가지 않는다. 실제 패드에서는 8개의 바들이 도 4에서 단면으로 대략적으로 도시된 자속 패턴(flux pattern)을 보여준다. 실제 자속 패턴의 시뮬레이션(simulation)이 도 4a에 도시되어 있다.

도 4a로부터 정점에서는 자속선들이 본질적으로 수평이라는 것을 볼 수 있다. 그러므로, 1차 패드와 2차 패드 사이의 가능한 최대 격차를 구하기 위해 수평 자속을 검출하는 것이 유리할 것이다. 하지만, 수평 자속은 여전히 패드에 비교적 가까이 있고(패드로부터 패드 직경의 약 4분의 1만큼 확장됨) 전력 패드의 바로 중심(center)에서는 수평 자속이 전혀 존재하지 않는다. 따라서, 중심에서 최대 자속 밀도가 이상적일 것이지만, 바로 그 지점(중심)에서는 실제 사용가능한 수평 자속 성분이 0(zero)이다.

본 발명의 목적은 유도 전력 전송을 위한 개선된 장치나 방법, 즉 개선된 IPT 전력 전송 패드를 제공하거나 또는 적어도 그 유용한 대안을 제공하는 것이다.

한 양상에 따라, 본 발명은 전면과 후면을 가지고 상기 전면 너머의 공간에서 또는 그 공간으로부터 자속(magnetic flux)을 발생시키거나 수신하기 위한 자속 패드(magnetic flux pad)를 제공하며, 상기 패드는 자속을 송신하거나 수신하기 위한 2개의 폴 영역들(pole areas)과, 자기 투과성 코어(magnetically permeable core)와, 상기 코어와 자기적으로 관련된 2개의 코일들을 포함하며, 상기 자속은 상기 폴 영역들 중 일 폴 영역에서 상기 패드로 들어가고 상기 폴 영역들 중 타 폴 영역에서 상기 패드를 나간다.

한 실시예에서, 상기 코일들은 평면 코일들(flat coils)이고, 각각의 코일은 상기 폴 영역들 중 한 폴 영역을 정의한다.

상기 코일들은 나선형으로 감긴 코일들일 수 있다.

한 실시예에서, 상기 코일들은 상기 코어에서 상기 패드의 상기 전면에 가장 가까운 한 편에 위치하고, 상기 코일들 및 상기 코어는 함께 상기 패드에서 자속 경로를 형성한다.

상기 코어는 페라이트(ferrite)와 같은 자기 투과성 물질의 막대기들(lengths)을 포함할 수 있다.

한 실시예에서, 상기 코일들의 턴들은 상기 폴 영역들 사이에 퍼져 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 코일들의 턴들은 상기 패드의 끝부분들에서의 영역들과 같은, 상기 폴 영역들 사이의 영역 밖의 영역들에 집중된다. 상기 코일들은 각각 비대칭일 수 있고, 코일의 권선들의 조합(combination)은 상기 패드의 주변부에서보다 상기 폴 영역들 사이에서 더 넓다.

한 실시예에서, 상기 코일들은 상기 폴 영역들 사이의 영역에서 서로에 바로 인접하여 위치한다. 상기 코일들은 상기 폴 영역들 사이의 영역에서 서로 접촉할 수 있다.

상기 코일들은 상기 폴 영역들 및 상기 폴 영역들 사이의 자속 파이프(flux pipe)를 제공하도록 형성될 수 있다. 상기 코일들은 또한 실질적으로 동일한 평면에 있을 수 있다.

추가의 양상에서, 본 발명은 전면과 후면을 가지고 패드의 상기 전면 너머의 공간에서 자속을 발생시키기 위한 자속 패드를 제공하며, 상기 패드는 자속을 송신하거나 수신하기 위한 2개의 폴 영역들과, 자기 투과성 코어와, 상기 코어와 관련되고 상기 코어에서 상기 패드의 상기 전면에 인접한 한 편에서 제공되는 2개의 코일들을 포함하며, 상기 패드는 상기 패드의 상기 후면에서는 본질적으로 어떠한 자속도 존재하지 않는 상태로 본질적으로 각각의 자속선이 상기 폴 영역들 중 한 폴 영역에서 시작하고, 상기 폴 영역들 중 상기 제2 폴 영역으로 아치(arch)를 이루고, 상기 코어를 통하여 그 자신에 합류하도록 상기 공간에서 아치형 자속을 만든다.

또 다른 양상에서, 본 발명은 전면과 후면을 가지고 패드의 상기 전면 너머의 공간으로부터 자속을 수신하기 위한 자속 패드를 제공하며, 상기 패드는 자속을 송신하거나 수신하기 위한 2개의 폴 영역들과, 자기 투과성 코어와, 상기 코어와 관련되고 상기 코어에서 상기 패드의 상기 전면에 인접한 한 편에서 제공되고 수평 자속 성분을 수신하도록 되어 있는 2개의 코일들과, 그리고 상기 코어와 자기적으로 관련되고 수직 자속 성분을 수신하도록 되어 있는 추가 코일을 포함한다.

추가의 양상에서, 본 발명은 전술한 설명들 중 어느 하나에 따른 자속 패드를 포함하는 IPT 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 또한 전술한 설명들에 따른 송신기 패드 및 수신기 패드를 포함할 수 있다.

상기 IPT 시스템은 전기 차량에 전력을 공급할 수 있다.

다른 추가의 양상에서, 본 발명은

상대적으로 높은 투자율(magnetic permeability)을 가지고 2개의 끝부분들을 가지는 자속 운반 부재와, 상기 자속 운반 부재와 전자기적으로 관련되는 2개의 권선들을 포함하는 IPT 전력 전송 자속 송신기 또는 수신기를 제공하며, 상기 자속 운반 부재는 2개의 자속 송신 또는 수신 영역들을 가지고, 한 영역은 각각의 끝부분에 인접하여 제공되고, 자속은 실질적으로 상기 송신 또는 수신 영역들에서만 또는 그 영역들에 인접해서만 상기 자속 운반 부재를 나가거나 상기 자속 운반 부재로 들어온다.

본 발명의 추가 양상들이 다음의 설명으로부터 자명하게 될 것이다.

하나 이상의 실시예들이 아래에서 첨부된 도면들과 관련하여 예로서 서술된다.
도 1은 주지 형태의 IPT 전력 전송 패드의 일부의 사시도이다.
도 2는 도 1과 같은 패드의 높이 변위에 대하여 인덕턴스 측정 및 자속 쇄교 효율(flux linkage efficiency)의 그래프이다.
도 3은 자속선들을 도시한 도 1의 패드의 일부의 도식적인 단면도이다.
도 4는 도 1의 패드의 평면도 및 자속선들을 도시한 단면도이다.
도 4a는 도 1의 패드의 자기장(자속선들에 의해 표시됨)의 컴퓨터 시뮬레이션의 단면도이다.
도 5a는 패드 형태로 제공될 수 있는 유도 전력 전송 장치의 한 실시예의 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 장치의 측면도이다.
도 5c는 도 5b의 도면에서 자속선들을 또한 도시한 것이다.
도 5d는 도 5a-5c에 따른 패드를 사용함으로써 발생되는 자속선들을 예시하는 패드 단면의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 6은 중심을 포함하는 유도 전력 전송 장치의 추가 실시예, 즉 직각 코일(quadrature coil)에 대한 전기 배선도를 도식적으로 예시한 것이다.
도 7a는 자속 송신기와 자속 수신기(자속 송신기의 위쪽으로 향함)를 아래에서 본 등각투영도(isometric view)이다.
도 7b는 도 7a의 배치를 위에서 본 등각투영도이다.
도 8a는 송신기와 수신기가 그들 사이에 200 ㎜ 격차로 정렬될 때 도 7a 및 7b의 배치의 시뮬레이션에 의거한 자속선들을 도시한 것이다.
도 8b는 송신기와 수신기가 X축 방향으로 오정렬될 때 도 7a 및 7b의 배치의 시뮬레이션에 의거한 자속선들을 도시한 것이다.
도 9는 도 7a 및 7b의 배치에 대하여 전력 대 X축 방향의 변위의 도면이다.
도 10은 도 7a 및 7b의 배치에 대하여 전력 대 Y축 방향의 변위의 도면이다.
도 11은 앞의 도면들의 패드 코일에 대한 권선 배치를 예시한 도면이다.
도 12는 앞의 도면들에 따른 패드 구성에 대하여 포머(former) 또는 지지 플레이트(support plate)의 평면도이다.
도 13은 도 12의 포머의 등각투영도이다.
도 14는 도 12 및 13에 도시된 포머의 뒤쪽에 부착하도록 되어 있는 백킹 플레이트의 등각투영도이다.

이제 IPT 전력 전송 장치에 있어서 새로운 개념이 개시된다. 본 출원서에서 서술된 실시예들은 자속 송신 및 수신 장치에 관한 것이다. 이들은 보통(반드시 필수적인 것은 아님) 별개의 유닛 형태로 제공되고, 편의상 전력 전송 패드들로서 지칭되는데, 다시 말해 이들 패드는 휴대가능할 수 있는 배치이고, 전형적으로 3차원에 대하여 2개의 차원으로 더 큰 크기를 가져서 하나의 패드는 지표면(예컨대, 차고 바닥)에 그리고 다른 패드는 차량에 제공되는 전기 차량 충전과 같은 응용예들에서 이용될 수 있는 배치이다. 하지만, 개시된 주요 내용은 또한 예컨대 도로와 같은 영구적인 구조들을 포함하여 다른 배치들로 제공될 수 있고, 반드시 패드의 형태를 취할 필요는 없다. 유사한 도면 부호들은 전체 설명을 통하여 유사한 요소들을 가리킨다.

도 5a의 배치를 보면, 폴 영역들(pole areas)(11, 12)을 포함하는 2개의 분리된 자속 송신기/수신기 영역들을 연결하기 위하여 신규한 "자속 파이프(flux pipe)"를 사용하는 패드가 도시되어 있으며, 이는 일반적으로 10으로 표시된다. 자속 파이프는 이상적으로는 어떠한 자속도 빠져나오지 않는 높은 자속 밀도의 일반적으로 길쭉한 영역을 제공한다. 이 실시예에서 자속 파이프(10)는 자속이 코어 안에 있도록 끌어당기는 페라이트와 같은 자기 투과성 물질(magnetically permeable material)을 포함하는 코어(14)를 가진다. 전기 회로의 경우, 전도체들의 전도도(conductivity) 사이에 큰 차이가 존재하지만(전형적으로 구리의 경우 5.6×10⁷이고 공기의 경우 10¹⁴ 크기임), 이런 상황은 자기장의 경우에 적용되지 않으며 페라이트와 공기 간의 투자율(permeability)의 차이는 단지 10,000:1 이하의 크기일 뿐이다. 따라서, 자기 회로에서는 공기 중에 누설 자속(leakage flux)이 항상 존재하고 이는 최선의 결과를 얻도록 제어되어야 한다.

평면 코일들(flat coils) 또는 권선들(17)이 자속 파이프를 제공하는 코어(14) 위에 위치한다. 코일들(17)을 통과하여 지나가는 자속 파이프를 통한 직선 경로는 존재하지 않는다. 대신에, 코일들(17)의 배치가 의미하는 바는 영역들(11 또는 12) 중 하나를 통하여 패드로 들어가는 자속은 관련 코일(17)을 통하여 코어(14) 안으로 전파하여 코어를 따라 전파하며, 그런 다음 다른 영역(12 또는 11)을 통하여 패드를 빠져나오고, 완전한 곡선형 자속 경로를 형성하도록 공기를 통하여 제1 영역(11 또는 12)으로 되돌아가는 경로를 완성한다는 것이다. 이렇게 형성된 자속 경로는 본질적으로 완전히 패드 전면 위에 있으며 전면 너머 공간으로 확장된다. 코일(17)의 배치가 또한 의미하는 바는 패드의 후면을 넘어 확장되는 자속은 본질적으로 존재하지 않는다는 것이다. 따라서, 권선들(17)의 방향은 자속 경로가 패드 전면의 앞에 있는 공간으로 곡선을 그리며 나가는 것을 보장해주며, 코어(14)의 윗면에 걸쳐 퍼져있는 또는 분산된 유형의 코일들(17)은 패드 중심의 자속이 주로 코어 내로 제한되는 것을 보장해준다. 코일들(17)은 또한 일정 간격을 두고 떨어진 폴 영역들을 정의하므로 자속은 그 폴 영역들을 통해 패드 안으로 및 밖으로 유도되고 패드 전면 위의 상당한 거리에서 상당한 수평 자속 성분을 제공하도록 패드 전면 너머의 공간에서 아치형 루프(arch shaped loop)를 형성한다.

바람직한 실시예에서, 2개의 코일들(17)이 서로에 대해 아주 근접하여 존재한다. 코일들(17)은 나선형으로 감긴다. 도 5a 내지 5c에서 예시된 도식적인 실시예에서, 코일들(17)은 아르키메데스 나선(Archimedean spiral)의 형태를 취하며, 중심선(17A)을 따라 접촉해 있다. 코어(14)를 포함하는 자속 파이프(10)는 코일들(17)의 끝부분까지 확장된다. 코일들(17)은 실질적으로 평면이고 코어(14)의 한편에 있는 실질적으로 동일한 평면에 배치된다. 코어(14)의 실제 길이는 결정적이지 않다(한 실시예에서, 그 길이는 코일들(17)의 중심선을 포함하고 각각의 코일의 중간에 있는 구멍을 지나 적어도 A로 표시된 위치까지 확장되어야 함). 코어(14)는 코일(17) 아래에서 B 위치까지 또는 훨씬 더 멀리 확장될 수도 있다. 코일들(17)의 구멍들은 폴 영역들(11, 12)을 정의하며, 패드를 위한 자속 수신기/송신기 영역으로서 기능한다.

한 실시예에서, 코어(14)는 스트립들(strips) 또는 막대기들(lengths)로 된 페라이트 바들로 만들어진다(도 5a-c에서는 도시되어 있지 않지만 도 7a 및 7b에서 예시됨). 스트립들 사이에 에어갭(air-gap)들이 있을 수 있으며, 이는 제조를 간단하게 한다. 이상적인 자속 경로들(20)이 도 5c에 도시되어 있으며 오직 코어(14)의 한편에만 존재하는데 이는 이상적인 상황이다. 원칙적으로, 패드의 후면 밖으로(즉, 코어(14)에서 코일들(17)이 장착된 편의 맞은 편에서) 확장되는 자속은 이상적으로는 존재하지 않으며, 그러므로 알루미늄 차단막(screen)이나 다른 자속을 밀어내는 부재(flux repelling member)는 필요치 않다. 하지만, 실제로는 코어(14)를 포함하는 페라이트 바들의 오류와 불완전함으로 인해 반드시 들어있는 작은 누설 자속들이 유발될 수 있기 때문에 일부 실시예들에서는 광 차단막(light screen)이 사용될 수 있다.

도 5d는 도 5a-5c의 패드 구성이 자기장을 발생시키는 데 사용될 때 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 보이는 바와 같이, 자속 경로는 패드 전면 너머의 공간을 통하여 일반적으로 아치형을 따른다.

바로 위에서 서술된 배치에 따른 유도 전력 전송 패드들은 누설 자속이 매우 작기 때문에 사용하기에 매우 용이하다. 그 패드들은 성능 손실 없이 금속성 물체들에 아주 가까이 위치될 수 있으며, 배선들 등을 연결함으로써 크게 영향을 받지 않는다.

제2 실시예

추가 실시예에서 주목할 수 있는 바는 차량에 수평으로 장착된 수신기 또는 픽업 패드에서 코일들의 배치가 예를 들어 자속 발생기(수평으로 놓여진 송신기 패드)에 대하여 세로 방향인(즉, 코어(14)에 평행한 방향을 가지고 도면과 관련하여 X-축 방향인) 제1 방향의 자속에 대하여 픽업 패드를 민감하도록 만든다는 것이다. 오정렬에 대하여 수신기의 자기 결합(magnetic coupling)을 개선하기 위하여, 정지된 송신기에 대하여 바람직하게는 수직인 자속의 제2 성분에 민감한 "제2(second)" 코일이 배치될 수 있다.

도 6은 수직 성분에 민감한 추가 코일을 만들기 위해 역위상으로(out of phase) 연결된 바깥쪽의 2개의 코일들(17)과 이제 중간에 위치된 "수평" 자속에 민감한 코일(22)을 갖는 수신기 패드의 추가 실시예의 전기 회로도를 도시한 것이다.

도 5a-5c의 수신 패드에 대하여, 추가의 평면 코일(22)이 도 7a 및 7b에 도시된 하나의 적합한 배치를 가지고 코일(22)이 자기장의 수직 성분에 민감하도록 자속 파이프 위에 위치될 수 있다. 원래의 픽업 구조에서와 같이, 이 추가적인 코일은 단지 코어(14)의 한 편에서만 존재하므로 송신기 쪽을 향하는 수신기의 한 편에서 모든 자속선들을 이상적으로 유지할 수 있다.

도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 단지 수신기만이 중간 또는 직각 코일(22)을 갖도록 수정된다. 이 제2 코일은 Y-방향(코어(14)에 수직인 수평 가로 방향)이 아니라 X-방향(즉, 수평 세로 방향)으로 오정렬에 특히 민감하다. 이는 Y-방향으로 오정렬에 민감하지만 그 구조 때문에 X-방향 움직임에 덜 민감한 원래의 수신기를 보완해 준다. 양 수신기 코일들의 출력 조합은 수신기가 명목상 이상적 위치에 위치되도록 수신기의 민감도를 향상시키고 그럼에도 요구되는 전력을 결합시킨다. 도 7a 및 7b는 또한 코어(24)를 포함하는 간격을 둔 페라이트 로드(rod) 또는 바들(24)의 배치를 도시한 것이다.

한 예로서, 도 8b 및 8a에서 어떤 형태의 보상 없이 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같은 패드 설계를 이용한 자속선들이 일부 오정렬이 없는 상태와 있는 상태로 도시되어 있다. 여기서 송신기 패드와 수신기 패드는 수신기 패드에서 제2 "수직 자속" 코일(즉, 도 7a 및 7b의 코일(22))을 부가한 것을 제외하고 동일하다. 송신기 및 수신기 패드들 모두는 길이 588 ㎜와 폭 406 ㎜를 가지고 수직으로 200 ㎜만큼 분리되어 있다. 송신기 패드 코일의 전류는 20 kHz에서 23 암페어이다. 주목할만하게도 대부분의 자속은 송신기 패드와 수신기 패드 사이에 존재하는 반면 이 영역 밖에는 아주 작은 누설 자속이 존재하는 것으로 도시되어 있다. 도 8a에서 이들 자속선들은 제1 수신기 코일과 결합하는 반면, 도 8b에서 대부분의 자속선들은 제2 수신 코일(즉, 도 7a 및 7b의 코일(22))과 결합함으로써 픽업의 출력 전력 용량을 향상시킨다.

도 9 및 10에서, 오정렬이 있는 상태와 없는 상태에서 수신기 패드 코일의 출력으로부터 발생되는 VA가 또한 도시되어 있다. 도 9에서, 수신기 패드가 X 방향으로 오정렬될 때(송신기 패드 위에서 중심에 위치된 이상적인 위치에 대하여) 도 7a 및 7b에 도시된 패드들의 자기 시뮬레이션으로부터 수신기 코일들의 전체 및 개별 VA 기여도가 도시되어 있다. 도 9에서, 곡선(26)은 코일(22)의 VA 기여도를 나타내고, 곡선(28)은 코일의 조합된 VA 기여도를 나타내며, 나머지 곡선은 코일들(17, 22)로부터의 총합을 나타낸다. 언급된 바와 같이, 제2 코일(22)은 실질적으로 출력을 향상시키므로 0 X-옵셋에서 2KW 출력이 요구된다면 요구되는 전자적 튜닝은 VA 출력을 약 3.2만큼 부스트시켜야 한다. 140 ㎜ X-옵셋에서는 코일(22) 없이 요구되는 전자적 부스트(Q)가 (요구되는 튜닝의 민감도로 인해 실제로는 어려운) 17배를 초과하는 반면 코일(22)이 있는 상태에서는 약 4.8의 유효 부스트가 요구되며 이는 쉽게 달성된다.

수신기가 X 방향으로 0 옵셋을 가지고 위치될 때 코일(22)은 Y 방향으로 민감할 것으로 예상되지 않는다. 이는 도 10에 도시된 자기 시뮬레이션에서 검증되며, 이 경우에 코일(22)로부터 전체 전력에 아무런 기여가 없는 것으로 도시되어 있다. 하지만 코일들(17)의 출력 조합은 당연히 이 방향으로 민감하기 때문에 필수적인 것은 아니다. Y 방향으로 140 ㎜ 옵셋에서, 약 5.5의 전자적 튜닝(Q)으로 2KW 출력이 가능하다.

제3 실시예

이제 도 11을 넘어가면, 코일들(17)에 대한 권선 배치가 도식적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 코일들(17)의 개개의 턴(turn)은 패드의 끝부분들에 비해 패드의 중심에 더 가까이에 있는 각각의 권선의 끝부분에서 퍼져있다. 따라서, 코일들(17)은 각각 비대칭이고, 코일의 권선들의 조합은 패드의 주변부에서보다 폴 영역들 사이에서 더 넓다. 이 실시예는 폴 영역들(11, 12)이 더 크게 분리될 수 있게 한다(따라서 패드 전면 너머로 자속이 더 크게 확장될 수 있음). 폴 영역들(11, 12) 사이의 간격은 폴 영역들에 대해서는 좁은 모서리로 감기고 폴 영역들 사이의 중간 자속 파이프 영역에 대해서는 넓은 모서리로 감기는 타원형이나 직사각형 단면의 리츠선(litz wire)을 사용함으로써 더 넓게 만들어질 수 있다.

대체가능한 것으로, 코일들이 원형 전선으로 감긴다면 폴 영역들(11, 12) 사이의 간격은 폴 영역들 사이의 자속 파이프 부분의 권선들 사이에 갭들을 사용하여 더 크게 될 수 있다. 하지만, 개개의 권선들의 갭은 자속이 누설될 수 있는 구멍을 남길 수 있어서 자속 파이프의 효율성을 떨어뜨리기 때문에 자속 파이프 부분 위의 개개의 권선들의 갭은 조심스럽게 다루어져야 한다는 사실을 발견하였다. 권선들이 일정한 간격을 유지하는 것이 바람직하고, 만일 갭들이 존재한다면 자속 손실들을 최소로 유지하기 위해 갭들은 전형적으로 한 전선 직경의 절반 미만이어야 한다는 사실을 발견하였다. 실제로, 이 기술이 선택되는 것은 단순한 원형 전선이 편리하기 때문이라는 사실을 발견하였다.

또 다른 실시예에서, 권선들(17)의 형태는 폴 영역이 더 크게 분리되는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 코일들(17)은 각각 삼각형의 꼭지점이 패드의 중심을 향하도록 대략 삼각형으로 감길 수 있다.

이제 도 12를 보면, 도 11의 권선 레이아웃을 포함하는 패드를 제공하기 위한 포머(former) 또는 지지 플레이트(support plate)(30)가 평면도로 도시되어 있다. 포머(30)는 예를 들어 플라스틱과 같은 임의의 비-투과성 물질로 구성될 수 있다. 포머(30)는 코일들(17)(미도시됨) 중 하나를 형성하고 지지하기 위한 제1 일반 영역(32)과 코일들(17) 중 다른 것을 형성하고 지지하기 위한 제2 영역(38)을 포함한다. 오목한 부분들(depressions)(34)은 페라이트 바들 또는 다른 투과성 부재들을 위치시키고 지지하기 위해 제공된다. 홈들(grooves)(36)은 코일들(17)의 턴들을 구성하는 개개 선들을 받아들이고 턴들이 정확한 간격을 가지는 것을 보장해 준다. 명료함을 위해, 포머(30)의 등각투영도가 도 13에 도시되어 있다.

도 14는 포머(30)의 후면에 위치하도록 되어 있는, 즉 포머에서 코일들(17)이 위치한 편의 반대 편에 있고 패드의 후면과 인접한 편에 위치하도록 되어 있는 백킹 플레이트(backing plate)(40)를 도시한 것이다. 백킹 플레이트(40)는 예를 들어 알루미늄과 같은 자속을 밀어내는 물질로 구성될 수 있다. 평면 코일(17)의 설계와 코어(14) 상의 그 위치가 자속이 실질적으로 패드 전면의 앞에 있는 공간으로 향하도록 하기 때문에, 그것은 자속이 사용되는 패드의 후면으로 나가는 것을 방지하기 위해 필요한 것은 아니다. 하지만, 플레이트(40)는 패드에 추가적인 구조적 지지를 제공할 수 있다. 플레이트(40)는 또한 패드가 예를 들어 자기 투과성 물질에 인접하여 사용되도록 장착되어야 할 때 패드의 자기적 성질의 어떠한 변화(예컨대 인덕턴스의 변화)도 방지하는 역할을 할 수 있다.

포머(30)의 치수는 대략 790㎜ × 600㎜ × 25㎜이고, 이러한 포머로부터 구성되는 패드는 아주 유사한 치수들을 가질 것이다.

추가의 실제적인 고려사항들

실제로, 신중할 것은 패드의 단자들에서의 전압이 위험한 레벨들에 도달하지 않도록 보장해 주는 것이다. 그러므로, 일부 실시예들에서, 패드 단자들에서 바라본 인덕턴스를 낮추기 위해 커패시턴스가 패드 내부에서 권선들과 직렬로 부가될 수 있고, 그러므로 이들 단자에서의 전압을 적합한 한계치들(예컨대, 300-400V) 내에 있도록 제어할 수 있다. 이것이 없는 경우 단자 전압은 수 KV일 수 있으며 이는 바람직하지 않고 잠재적으로 위험하다. 커패시턴스는 장치 내의 거의 임의의 편리한 장소에서 권선들과 직렬로 위치될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서 하나 이상의 커패시터들이 패드 하우징 내부의 단자 점들에서 권선들과 직렬로 위치될 수 있고, 다른 실시예들에서 단일 코일 상의 내부 전압들이 너무 높은 경우에 권선을 직렬 커패시턴스를 갖는 적합한 부분들로 나눔으로써 커패시터들이 권선들을 따라 분산될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 본 명세서에서 패드로 지칭되는 초박형 장치를 제공하며, 이는 장치로부터 상당한 거리에서 유용한 자속을 발생시키는 데 사용될 수 있는 자속 발생기로서 사용될 수 있다. 장치는 또한 자속을 수신하여 수신된 자기장으로부터 전기 에너지를 만드는 자속 수신기로서 사용될 수 있다. 상당한 거리를 넘어 자속을 발생시키거나 수신하는 패드의 능력은 특히 전기 차량을 충전하거나 동력을 공급하는 데 유용하다.

위에서 그리고 아래에서 인용된 모든 응용들, 특허들, 문헌들의 전체 개시는 만약에 있다면 본 명세서에서 참조로서 포함된다.

본 명세서에서 선행 기술에 대한 참조는 이러한 선행 기술이 전세계 어느 국가에서나 당해 기술분야에서 보통의 일반적 지식의 일부분을 형성한다는 점을 인정하거나 어떤 형태로든 시사하는 것으로 여겨져서는 안 된다.

전술한 설명에 있어서 주지의 균등물들을 가지는 컴포넌트들이나 완성물에 대해 언급되었지만, 이러한 균등물들은 마치 개별적으로 제시된 것처럼 본 명세서에 포함된다.

본 명세서에서 서술된 현재의 바람직한 실시예들에 대해 다양한 변화들과 수정들이 당해 기술 분야의 기술자들에게 자명할 것이라는 점을 유의해야 한다. 이러한 변화들과 수정들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 그 수반된 장점들을 축소시키지 않고서 이루어질 수 있다. 그러므로 이러한 변화들과 수정들은 본 발명 안에 포함되도록 의도하는 바이다.

Claims (34)

1. 전면과 후면을 가지는 자속 패드(magnetic flux pad)로서, 상기 자속 패드는 상기 전면 너머의 공간에서 자속을 발생시키거나 또는 상기 공간으로부터 자속을 수신하기 위한 것이며, 상기 자속 패드는,
   상기 자속 패드의 전면에 가장 가까운 일 측면을 가지는 자기 투과성 코어(magnetically permeable core); 및
   상기 자기 투과성 코어의 상기 일 측면 상에 있는 2개의 평평하고 동일 평면인 코일들, 상기 코일들은 상기 자기 투과성 코어와 자기적으로 연관되고 그리고 상기 코일들 각각은 자속을 수신 혹은 전송하기 위한 해당 폴 영역을 정의하며;
   를 포함하며,
   상기 자속은 상기 폴 영역들 중 하나의 폴 영역에서 상기 자속 패드로 들어가고 다른 하나의 폴 영역으로부터 상기 자속 패드를 빠져나오며, 그리고 상기 자속은 상기 폴 영역들 사이에서 상기 패드의 전면 너머의 공간에서 아치를 형성하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 자기 투과성 코어는 자기 투과성 물질의 막대기들(lengths)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
3. 제1항에 있어서,
   상기 자기 투과성 코어는 페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
4. 제3항에 있어서,
   상기 자기 투과성 코어는 상기 폴 영역들 둘다를 지나서 연장되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
5. 제3항에 있어서,
   상기 자기 투과성 코어는 각 코일의 외부 에지까지 연장되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
6. 제1항에 있어서,
   상기 코일들은 나선형으로 감긴 코일들인 것을 특징으로 하는 자속 패드.
7. 제1항에 있어서,
   상기 코일들은 서로 비대칭인 것을 특징으로 하는 자속 패드.
8. 제7항에 있어서,
   상기 코일의 권선들의 조합은 상기 자속 패드의 주변부에서보다 상기 폴 영역들 사이에서 더 넓은 것을 특징으로 하는 자속 패드.
9. 제8항에 있어서,
   상기 코일들은 하나의 권선의 직경의 절반 미만인 에어 갭들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
10. 제5항에 있어서,
    상기 코일들은 좁은 모서리 및 넓은 모서리를 갖는 타원형 또는 직사각형 단면의 권선을 포함하며, 상기 권선은 상기 폴 영역들 사이에서 넓은 모서리로 감기고, 상기 자속 패드의 주변부에서는 좁은 모서리로 감기는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
11. 제5항에 있어서,
    상기 코일들은 상기 폴 영역들 사이의 영역에서 서로에 바로 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
12. 제1항에 있어서,
    상기 자속 패드의 상기 후면에 전도성 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
13. 제1항에 있어서,
    비-투과성 물질인 포머(former)를 더 포함하고, 상기 포머는 상기 코일들 중 하나를 형성 및 지지하기 위한 제 1 영역, 상기 코일들 중 다른 하나를 형성 및 지지하기 위한 제 2 영역, 및 상기 자기 투과성 코어를 위치시키고 지지하기 위한 오목부들(depressions)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
14. 제1항에 있어서,
    상기 자기 투과성 코어와 자기적으로 연관되며 그리고 수직 자속 성분을 수신하도록 된 추가 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
15. 제1항에 따른 자속 패드를 포함하는 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 IPT 시스템은 전기 자동차에 전력을 공급하기 위한 것임을 특징으로 하는 IPT 시스템.
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