KR102241145B1

KR102241145B1 - 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일

Info

Publication number: KR102241145B1
Application number: KR1020190132904A
Authority: KR
Inventors: 이승환; 이재홍
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-19

Abstract

본 발명은 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일에 관한 것으로, 중전압 배전 계통에 직접 공진형 인버터/컨버터를 멀티레벨로 연결하여 출력 변압기 없이 온라인 무선전력전송이 가능해, 고압 계통에 별도의 변전 없이 설치가 가능하고, 각 급전용 컨버터가 부담하는 전압이 감소되므로 급전용 컨버터에 사용되는 소자들을 저렴한 저압용 소자로 교체가 가능하고, 급전용 컨버터와 여자 코일을 모듈화가 가능해 유지보수에 유리하며, 각 여자 코일 사이의 전기적 자기적 결합이 없어 순환전류가 발생하지 않으며, 계통전압이 바뀔 시 컨버터를 새로 설계할 필요 없이 모듈의 개수를 조정할 수 있고, 여자 코일이 급전 선로에 설치되더라도 여자 코일은 집전 코일에 유도되는 전압에 크게 영향을 끼치지 않는 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일을 제공한다.

Description

온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일 {ON-LINE WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND WIRELESS POWER TRANSMISSION COIL THEREOF}

본 발명은 온라인 무선 전력 전송 시스템을 구성시 필요한 입력 측 변전설비와 출력 측 변압기에 의해 발생하는 고비용, 부피 및 무게, 그리고 변압기 순환전류에 의한 손실 및 발열 문제 등을 해결가능한 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일에 관한 것이다.

최근 철도차량 분야에서 무선 전력 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 등록특허 제10-1535284호, 등록특허 제10-1569189호 등을 통해 다양한 시스템이 제안되고 있다.

이와 같은 온라인 무선 전력 전송시스템은 일반적으로 수 m 이상의 급전선로를 지면에 매설하고, 급전선로에서 수 ~ 수십㎝ 떨어진 픽업은 급전 선로에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 유도되는 전압 전류를 이용해 무선으로 전력을 전달받는다.

도 1은 종래의 대용량 온라인 무선전력전송 시스템의 구성도이다. 이에 의하면 기존의 수백 kW 이상의 대용량 온라인 무선전력전송 시스템은 22.9kV 혹은 25kV의 중전압(Medium voltage) 레벨의 배전 전압을 변전소를 통해 380V, 440V, 750V 또는 1.5kV 등의 수백V 혹은 수kV 정도(Low voltage)의 단상 혹은 3상 전압으로 낮춰 공진형 인버터(1)에 공급한다.

이때, 무선 전력 전송에 필요한 전류의 주파수는 10 kHz 이상으로 높아 인버터(1)에 고속 스위칭(switching)이 필요하기 때문에 입력 변압기를 통해 일단 전압을 낮추고, 1200V, 1700V 등의 낮은 전압 정격을 가지지만 고속 스위칭이 가능한 전력 반도체를 사용하는 시스템이 일반적이다.

이러한 인버터(1)는 낮은 공급 전압을 이용해 대용량의 전기를 공급하기 위해 도시된 바와 같이 여러 모듈을 병렬 연결해 큰 전류를 공급하도록 구성한다. 또한, 급전 선로 측의 임피던스와 맞추기 위해 각 인버터 모듈의 출력에 변압기(2)의 1차 측을 연결하고, 변압기의 2차 측을 직렬 연결해 급전 선로 임피던스와 매칭 되도록 한다.

이러한 인버터(1)는 출력에 연결된 집전 장치가 움직일 때도 실시간으로 전력을 공급 하기 위해 수 미터 이상의 급전 코일(3)를 연결하고, 전력 전송에 필요한 급전 전류를 흘려 자기장을 발생시킨다. 발생한 자기장은 철도나 전기 차량 등의 이동 장치에 설치된 집전 코일(4)에 자기 유도 현상에 의해 전압을 발생시켜 전력을 보낸다. 이러한 온라인 무선급전 시스템은 차량이 움직일 때도 전력을 무선으로 공급할 수 있도록 급전 선로를 수 미터 이상 (수백 미터까지) 설치한다.

이처럼 1차 측이 병렬 연결된 온라인 무선 전력 전송 시스템에서는 계통 전압인 25kV의 Medium voltage(MV) 에서 수 kV 이하의 Low Voltage(LV)로 낮추기 위해 변전소(5) 등이 별도로 필요하고 MW 급 이상의 대용량 전력 전송을 위해서는 낮은 입력 전압으로 인해 인버터(1)가 부담해야 되는 전류도 수kA 급으로 커지는 문제가 발생한다.

또한, 이 경우 임피던스 매칭(impedance matching)을 위해 출력 변압기가 별도로 또 필요하다. 별도의 변전소와 출력 변압기는 시스템의 부피와 가격을 대폭 상승시키는 요인이다.

이와는 달리 도 2와 같이 높은 입력 전압에 인버터 모듈을 직렬연결하고 직렬 연결된 인버터(6)의 최종 양 끝단에 급전 선로를 설치하는 경우도 있다. 하지만 이는 각 모듈의 출력을 직렬 연결하는 경우 한 개의 모듈에 고장이 발생하면, 전체 시스템의 구동이 불가하다.

또한, 급전 선로 및 선로 튜닝용 캐패시터에 입력 전압인 중전압이 모두 인가되기 때문에 코일 및 캐패시터의 내전압 설계가 중요하고 절연 파괴의 가능성이 크다.

한편, 입력 전압이 전부 급전 선로에 걸리는 문제를 해결하기 위해 도 3에서와 같이 입력측은 직렬연결하고, 인버터(7) 출력에 변압기(8)를 연결해 변압기(8)의 2차 측을 병렬 연결하는 구조도 있을 수 있다. 하지만 이 경우 병렬 연결된 변압기(8)들의 2차 측 전압 불평형으로 인해 변압기(8)에 순환 전류가 발생하고, 이러한 순환 전류는 변압기의 손실 및 발열 문제를 발생시킨다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-1535284호 참고문헌 2: 등록특허 제10-1569189호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 온라인 무선 전력 전송 시스템을 구성하는데 있어 필요한 입력 측 변전설비와 출력 측 변압기에 의해 발생하는 고비용, 부피 및 무게, 그리고 변압기 순환전류에 의한 손실 및 발열 문제 등을 해결할 수 있도록 개선된 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

급전선의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 복수의 급전용 컨버터와, 상기 복수의 급전용 컨버터와 일대일로 연결되어 상기 급전용 컨버터에서 출력되는 직류전원을 고주파 교류 전원으로 변환하는 복수의 급전용 인버터와, 상기 복수의 급전용 인버터의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하도록 상기 복수의 급전용 인버터의 출력단에 일대일로 연결되는 복수의 여자 코일과, 상기 여자 코일들과 자기결합되도록 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전 코일과, 상기 집전 코일로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 시스템을 제공한다.

이때, 상기 급전용 컨버터는 복수의 컨버터가 멀티레벨(multi-level)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 급전용 컨버터와 급전용 인버터 및 여자 코일로 모듈화하여 복수의 여자 모듈(Excitation module)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 급전용 컨버터는 복수의 급전용 인버터에 각각 1:1로 연결되며, 상기 급전용 인버터는 공진형 인버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은;

전자기 유도 에너지를 발생하도록 상기 복수의 급전용 인버터의 출력단에 일대일로 연결되는 복수의 여자 코일과, 상기 여자 코일들과 자기결합되도록 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 코일도 제공한다.

이때, 상기 급전 코일의 일부 구간에 복수의 여자 코일이 설치되며, 상기 여자 코일은 여자 코일에 흐르는 전류로 생성된 자기장이 상기 급전 코일과 쇄교하도록 급전 코일에 근접 배치되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 여자 코일은 수용공간이 형성된 여자 코어를 관통하여 권취되고 상기 수용공간에는 상기 급전 코일이 관통되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 여자 코어는 속이 빈 수용공간을 갖는 직육면체 모양의 페라이트 코어(Ferrite core)로 이루어지며, 상기 수용공간의 하부를 감싸도록 상기 여자 코일이 감기는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 집전 코일은 상측에는 자기장이 퍼지지 않도록 집전 코일의 상측에 집전 플레이트가 구비되며, 상기 집전 플레이트는 페라이트 플레이트(Ferrite plate)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 중전압 배전 계통에 직접 공진형 인버터/컨버터를 멀티레벨로 연결하여 출력 변압기 없이 온라인 무선전력전송이 가능하다.

특히, 본 발명은 25kV의 멀티레벨의 컨버터가 전압을 나눠서 부담하므로 고압 계통에 별도의 변전 없이 설치가 가능하고, 각 급전용 컨버터가 부담하는 전압이 감소되므로 급전용 컨버터에 사용되는 소자들을 저렴한 저압용 소자로 교체가 가능하며, 급전용 컨버터와 여자 코일 등을 모듈화가 가능해 유지보수에 유리하고, 각 여자 코일 사이의 전기적 자기적 결합이 없어 순환전류가 발생하지 않으며, 계통전압이 바뀌더라도 급전용 컨버터를 새로 설계할 필요 없이 모듈 개수만 간단히 조정할 수 있으며, 여자 코일이 급전 선로에 설치되더라도 여자 코일은 집전 코일에 유도되는 전압에 크게 영향을 끼치지 않는 장점이 있다.

도 1은 종래 일반적인 대용량 온라인 무선전력전송 시스템의 구성도이다.
도 2는 일반적인 무선전력전송용 멀티레벨 인터버를 도시한 구성도이다.
도 3은 2차 측이 병렬 연결된 변압기를 가지는 멀티레벨 온라인 무선전력전송시스템의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템을 간단히 모식화한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템에 적용된 코일을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 여자 코일 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 급전 코일 형상을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 자기적으로 강하게 결합된 여자 코일과 급전 코일의 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 집전 코일을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템의 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 집전 코일이 여자 코일 위에 있지 않을 때의 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 집전 코일이 여자 코일 위에 있을 때의 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템의 등가 회로도이다.
도 16은 본 발명의 집전 코일이 여자 코일 위에 위치하지 않았을 때 집전 코일에 유도되는 전압 파형도이다.
도 17은 본 발명의 집전 코일이 여자 코일 위에 위치했을 때 집전 코일에 유도되는 전압 파형도이다.

이하, 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템 및 그 무선전력전송 코일을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템은 중전압 배전 계통에 직접 공진형 인버터/컨버터를 멀티레벨로 연결하여 출력 변압기 없이 온라인 무선전력전송을 가능하도록 해주는 시스템으로, 철도차량 및 HVDC 시스템에 적용 가능하다.

이와 같은 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템은 급전선(L)의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 멀티레벨(multi-level)로 연결되는 복수의 급전용 컨버터(10)와, 상기 복수의 급전용 컨버터(10)와 일대일로 연결되어 상기 급전용 컨버터(10)에서 출력되는 직류전원을 고주파 교류 전원으로 변환하는 복수의 급전용 인버터(20)와, 상기 복수의 급전용 인버터(20)의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하도록 상기 복수의 급전용 인버터(20)의 출력단에 일대일로 연결되는 복수의 여자(excitation) 코일(30)과, 상기 여자 코일(30)들과 자기결합되도록 배치되는 급전 코일(40)과, 상기 급전 코일(40)의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전 코일(50)과, 상기 집전 코일(50)로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 컨버터(60)로 구성된다.

물론, 상기 집전용 컨버터(60)에 의해 변환된 직류전원은 모터(72) 제어를 위한 견인모터제어용 인버터(70)와, 철도차량(T) 내 조명이나 에어컨 등의 보조부하(82)의 구동을 위한 보조전원장치(SIV)(80)에 전원을 공급할 수 있다.

일 예로 이러한 구성은 25kV의 계통에서 바로 멀티레벨 공진형 컨버터로 연결되고, 각 공진형 컨버터에는 각각 여자 코일(30)이 연결되어 자기장을 발생시켜 선로에 설치된 급전 코일(40)에 전압을 유도시키며, 급전 코일(40)의 유도된 전압은 급전 코일(40) 전체에 다시 자기장을 발생시켜 철도차량(T)에 설치된 집전 코일(50)이 급전 코일(40) 위에 위치해 있을 경우 집전 코일(50)에 전압을 유도하는 방식으로 전력을 계통에서 철도차량까지 전송한다.

이하 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 셜명한다.

우선 본 발명은 중전압 배전 계통 측에 변전소를 없애기 위해 직접 멀티레벨(multi-level)로 구성되는 급전용 컨버터(10)를 이용해 60Hz의 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환해 전력을 공급 받는다.

이때, 상기 급전용 컨버터(10)는 복수의 컨버터가 멀티레벨(multi-level)로 구성이 되어 있기 때문에 각 컨버터가 22.9 kV 또는 25 kV의 배전 전압을 나눠서 부담하게 된다.

이러한 급전용 컨버터(10)에서 직류(DC)로 변환된 전원은 급전용 인버터(20)로 입력되어 고주파 교류 전원으로 변환된다.

이때, 상기 급전용 컨버터(10)는 복수가 멀티레벨(multi-level)로 구성되는 구조로서, 복수의 급전용 컨버터(10)는 복수의 급전용 인버터(20)에 각각 1:1로 연결되며, 상기 급전용 인버터(20)는 공진형 인버터로 구성된다.

그리고, 복수의 급전용 인버터(20)의 각각의 출력단에는 여자 코일(30)들이 연결된다.

이러한 여자 코일(30)은 종래기술과 가장 큰 차이점으로서, 복수의 여자 코일(30)은 급전 코일(40)과 매우 가까이 위치시켜 강한 자기결합(strong magnetic coupling)이 되도록 설계한다. 이때, 상기 여자 코일(30)과 급전 코일(40)은 자기적 결합을 이용해 전력을 전달하고 전기적으로는 절연돼 있다.

이러한 구성에 의하면 급전용 인버터(20)를 이용해 다수의 여자 코일(30)에 동일한 크기와 동일한 위상의 전류를 흘려주면 여자 코일(30)들에 자기장이 생기고, 이러한 자기장은 급전 코일(40)과 강한 자기 커플링이 되어있어 급전 코일(40)에 자기장들의 합에 해당하는 만큼의 전자기 유도 에너지인 유기전압을 발생시킨다.

이러한 급전 코일(40)은 폐루프로 만들어 놓으면 유기된 전압으로 인해 급전 코일(40)에 전류가 흐르고 이 전류는 다시 자기장을 만들게 된다. 이때 급전 코일(40)을 운전주파수와 동일한 주파수에서 공진할 수 있도록 캐패시터(41) 등을 이용해 튜닝해 놓으면 약하게 결합(loosely coupled)된 철도 차량(T) 등의 집전 코일(50)에 높은 효율로 전력전달 할 수 있을 정도로 큰 자기장이 다시 발생해 1차 측에서 2차 측으로의 전력 전송이 가능해진다. 물론, 상기 여자 코일(30)에는 임피던스 매칭을 위해 캐패시터와 인덕터가 직렬 혹은 병렬로 연결 가능하다.

이러한 급전 코일(40)은 선로에 수십 ~ 수백m 길이로 길게 설치하여 구성하지만, 여자 코일(30)의 크기는 작으므로 수m 정도의 일부 구간에만 설치된다. 아울러 상기 급전 코일(40)과 집전 코일(50) 사이에는 수 cm 이상 이격시켜 급전 코일(40)과 집전 코일(50)은 서로 자기적으로 약하게 결합되어 있다. 이에 급전 코일(40)의 전자기 유도 에너지는 집전 코일(50)에서 집전되며 이러한 집전된 고주파 교류전원은 집전용 컨버터(60)에서 직류전원으로 변환되어 견인모터제어용 인버터(70)로 공급되어 모터(72)를 제어하거나, 보조전원장치(SIV)(80)로 공급되어 철도차량(T) 내 조명이나 에어컨 등의 보조부하(82)을 구동하는데 사용된다.

이러한 본 발명의 온라인 무선전력전송 시스템은 도 5에서와 같이 간단히 도식화할 수 있다. 이에 의하면 급전용 컨버터(10)와 급전용 인버터(20) 및 여자 코일(30)로 모듈화하여 복수의 여자 모듈(Excitation module)(12)로 구성할 수 있으며, 이러한 여자 모듈(Excitation module)(12)의 입력단에는 변전소가 필요 없고 출력단에 변압기가 필요없다.

아울러, 본 발명의 멀티레벨로 구성된 온라인 무선전력전송 시스템에서 계통과 직접 연결된 급전용 컨버터(10)와 급전용 인버터(20) 및 여자 코일(30)을 하나로 묶어 모듈화하는데 유리하며 이 경우 유지보수 역시 원활하다. 배전 계통에 수 ~ 수십 개의 여자 모듈(Excitation module)(12)을 직렬 연결하게 되면 25kV의 전압을 각 모듈이 분담하기 때문에 저전압용 소자들을 급전용 컨버터(10)에 사용할 수 있다.

그리고, 이러한 구성은 여자 코일(30)과 급전 코일(40) 간에는 강한 자기결합(strong magnetic coupling)이 존재하지만, 여자 코일(30) 간에는 결합(coupling)이 거의 존재하지 않아, 여자 코일(30) 간에 전기적, 자기적으로 영향을 주지 않고 따라서 순환 전류가 존재 하지 않는다. 아울러, 복수의 여자 모듈(Excitation module)(12)를 사용하면 많은 수의 레벨이 존재하고 서로 간에 영향이 거의 없기 때문에 몇 개의 모듈에서 고장이 발생해도 운전이 가능하다.

그리고, 여자 코일(30)과 급전 코일(40)과 전기적으로 절연되어 있어 안전하다.

이하에서는 본 발명의 온라인 멀티레벨 무선전력전송 시스템의 코일 구조에 관해 구체적으로 설명한다. 도 6 및 도 7에는 Finite Element Analysis simulation tool인 ANSYS HFSS으로 만든 축소화된 여자 코일(30)과 급전 코일(Transmitter coil)(40) 및 집전 코일(Receiver coil)(50)이 도시된다. 이에 의하면 급전 코일(40)의 일부 구간에 복수의 여자 코일(30)를 설치하고, 이러한 여자 코일(30)은 여자 코일(30)에 흐르는 전류로 생성된 자기장이 급전 코일(40)과 쇄교하도록 급전 코일(40)에 근접 배치된다.

이때, 상기 각각의 여자 코일(30)은 여자 코어(32)에 관통되는 수용공간(32a)에 권취되고 상기 수용공간(32a)에는 상기 급전 코일(40)이 관통되며, 상기 집전 코일(50)은 여자 코어(32)에 권취된 상태로 철도차량 등에 설치된다.

도 8에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 여자 코일(30)이 확대 도시되어 있다. 이에 의하면 일 예로 여자 코어(32)는 속이 빈 수용공간(32a)을 갖는 직육면체 모양의 페라이트 코어(Ferrite core)로 이루어지며, 이러한 페라이트 코어에 수용공간(32a)의 하부를 감싸도록 여자 코일(30)이 4턴(turn)이 감겨진다. 이러한 여자 코어(32)는 에어갭(Air-gap)(32b)이 형성된다.

그리고, 도 9에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 급전 코일(40)의 형상이 도시된다. 이러한 급전 코일(40)은 길이가 수십m 이상이지만, 예를 들어 시뮬레이션에서는 길이를 2m로 축소한다. 도시된 바에 의하면 병렬 연결된 한 쌍의 급전 코일(40)이 1턴(turn)이 감겨진다.

이와 같은 여자 코일(30)과 급전 코일(40)은 도 10에 도시된 바와 같이 자기적으로 강하게 결합된 상태를 이루게 된다. 즉, 여자 코일(30)이 권취된 여자 코어(32)의 수용공간(32a)에 급전 코일(40)이 통과하도록 위치하므로 여자 코일(30)과 급전 코일(40)은 자기적으로 강하게 결합된다.

그리고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전 코일의 형상이 도시된다. 이에 의하면 집전 코일(50)은 철도차량의 바닥면에 설치되며, 찰도차량의 내부로 자기장이 퍼지지 않도록 집전 플레이트(52)로 집전 코일(50)의 상측을 덮게 된다.

이때, 상기 집전 플레이트(52)는 사각판 모양의 페라이트 플레이트(Ferrite plate)로 이루어지며, 집전 플레이트(52)의 하부에 집전 코일(50)이 구비되며, 이러한 집전 코일(50)은 급전 코일(40)과 일정거리 이격되게 구비된다. 일 예로 상기 집전 코일(50)은 급전 코일(40)의 상측 7cm 위에 위치하게 되며 두 코일은 자기적으로 약하게 결합된다.

그리고, 도 12는 본 발명에 따른 온라인 무선전력전송 시스템의 자기장 분포를 도시한 도면이다. 이에 의하면 여자 코일(30)과 급전 코일(40)을 감싼 여자 코어(32)의 수용공간(32a)에는 자기장이 강하게 분포된다. 여자 코일(30)은 강한 자기장을 발생시키고 급전 코일(40)은 여자 코일(30)에서 발생한 자기장에 의해 전압이 유도되어 급전 코일(40) 전체 구간에 균일한 자기장을 발생시킨다. 집전 코일(50)이 급전 코일 구간 위에 있을 때 급전 코일(40)이 발생시킨 자기장에 의해 집전 코일(50)에 유도 전압이 발생하게 된다.

그러나, 여자 코일(30)은 급전 선로의 일부 구간에 설치되므로 집전 코일(50)이 여자 코일(30)의 상측에 위치할 경우 여자 코일(30)에서 발생한 자기장에 의해 집전 코일(50)에도 전압이 유도되어 급전 코일(40)이 유도한 전압과 더해져 집전 코일에 유도된 전압이 더 커질 수가 있다. 도 6의 여자 코일(30)을 덮고 있는 여자 코어(32)의 구조는 집전 코일(50)의 위치와 상관없이 일정한 전압이 집전 코일(50)에 유도될 수 있도록 설계되었다.

즉, 여자 코일(30)이 없는 구간에서 급전 코일(40)이 집전 코일(50)에 유도하는 전압과 여자 코일(30)이 설치된 구간에서 여자 코일(30)과 급전 코일(40)이 집전 코일(50)에 유도하는 전압의 합이 같도록 설계하였다. 여자 코일(30)의 여자 코어(32) 윗면은 페라이트(Ferrite)로 가로막혀 있으나 끝부분에 에어갭(Air-gap)(32b)의 홈이 있어 일부분은 트여있다. 이 에어갭(Air-gap)(32b)의 길이에 따라 여자 코일(30)의 자기인덕턴스와, 여자 코일(30)과 집전 코일(50)간의 자기적 결합이 변하게 된다. 에어갭(Air-gap)(32b)을 0.1 mm 단위로 매우 정밀하게 조정을 하면 집전 코일(50)에 유도되는 전압이 급전 코일(40) 전 구간에서 일정하도록 만들 수 있다. 시뮬레이션(Simulation)을 통해 에어갭(Air-gap)(32b)이 0.5 mm 일 경우 집전 코일(50)에 일정한 전압이 유도되는 것을 확인하였다.

도 13 및 도 14는 집전 코일(50)의 위치에 따른 무선 전력전송 시스템의 자기장 분포도가 나타나 있다. 이에 의하면 집전 코일(50)이 여자 코일(30) 위에 있을 때나 있지 않을 때 자기장의 분포가 유사함을 확인할 수 있다.

그리고, 도 15에는 온라인 무선전력전송 시스템의 등가회로도가 나타나 있으며 ANSYS CIRCUIT simulation tool을 이용하여 집전 코일의 위치에 따른 집전 코일에 유도되는 전압을 측정하였다.

그리고, 도 16은 집전 코일(50)이 여자 코일(30) 위에 위치하지 않았을 때의 집전 코일(50)에 유도되는 전압 파형도이고, 도 17은 집전 코일(50)이 여자 코일(30) 위에 위치했을 때의 집전 코일(50)에 유도되는 전압 파형도이다. 이에 의하면 집전 코일(50)이 여자 코일(30) 위에 있거나 있지 않은 경우 모두 집전 코일(50)에 유도되는 전압에는 차이가 없었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 급전용 컨버터 20: 급전용 인버터
30: 여자 코일 40: 급전 코일
50: 집전 코일 60: 집전용 컨버터
70: 견인모터제어용 인버터 72: 모터
80: 보조전원장치(SIV) 82: 보조부하
L: 급전선 T: 철도차량

Claims

급전선의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 복수의 급전용 컨버터와, 상기 복수의 급전용 컨버터와 일대일로 연결되어 상기 급전용 컨버터에서 출력되는 직류전원을 고주파 교류 전원으로 변환하는 복수의 급전용 인버터와, 상기 복수의 급전용 인버터의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하도록 상기 복수의 급전용 인버터의 출력단에 일대일로 연결되는 복수의 여자 코일과, 상기 여자 코일들과 자기결합되도록 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전 코일과, 상기 집전 코일로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 컨버터를 포함하고,
상기 급전용 컨버터와 급전용 인버터 및 여자 코일로 모듈화하여 복수의 여자 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 급전용 컨버터는 복수의 컨버터가 멀티레벨로 구성되는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 급전용 컨버터는 복수의 급전용 인버터에 각각 1:1로 연결되며, 상기 급전용 인버터는 공진형 인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 시스템.
전자기 유도 에너지를 발생하도록 복수의 급전용 인버터의 출력단에 일대일로 연결되는 복수의 여자 코일과, 상기 여자 코일들과 자기결합되도록 배치되는 급전 코일과, 상기 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 집전 코일로 이루어지고,
상기 급전 코일의 일부 구간에 복수의 여자 코일이 설치되며, 상기 여자 코일은 여자 코일에 흐르는 전류로 생성된 자기장이 상기 급전 코일과 쇄교하도록 급전 코일에 근접 배치되는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 코일.
삭제
제 5항에 있어서,
상기 여자 코일은 수용공간이 형성된 여자 코어를 관통하여 권취되고 상기 수용공간에는 상기 급전 코일이 관통되는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 코일.
제 7항에 있어서,
상기 여자 코어는 속이 빈 수용공간을 갖는 직육면체 모양의 페라이트 코어(Ferrite core)로 이루어지며, 상기 수용공간의 하부를 감싸도록 상기 여자 코일이 감기는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 코일.
제 5항에 있어서,
상기 집전 코일은 상측에는 자기장이 퍼지지 않도록 집전 코일의 상측에 집전 플레이트가 구비되며, 상기 집전 플레이트는 페라이트 플레이트(Ferrite plate)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온라인 무선전력전송 코일.