KR102588494B1 - 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입력되는 교류 전력을 적절하게 다른 전력의 교류로 변환하여 출력할 수 있도록 된 전력변환장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력변환장치는 입력되는 교류 전력을 원하는 출력 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치에 있어서, 봉 형상의 코어 부재와. 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 입력 코일부재 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 출력 코일부재를 구비하고, 상기 입력 코일부재와 출력 코일부재의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 입력 또는 출력 코일부재와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 입력 코일부재는 교류 입력에 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

전력변환장치{Power Converting Apparatus}
본 발명은 입력되는 교류 전력을 적절하게 다른 전력의 교류로 변환하여 출력할 수 있도록 된 전력변환장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력변환장치라 하면, 직류를 다른 전력의 직류 또는 교류로 변환하거나, 교류를 다른 전력의 교류 또는 직류로 변환하는 장치를 말한다. 특히 이 중에서는 입력되는 1차측 교류를 다른 전력의 2차측 교류로 변환하는 교류-교류 전력변환장치는 변압기 등을 포함하는 송배전 설비와 각종 전기 및 전자 기기를 위한 전력공급장치에 폭넓게 사용된다.
종래의 교류-교류 전력변환장치는 대부분 전력변환을 위해 트랜스포머(transformer) 등의 자성 디바이스를 구비한다. 이들 자성 디바이스는 예컨대 페라이트로 구성됨과 더불어 코일이 권취되는 코어나 보빈을 구비하고, 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비를 이용하여 전력변환을 실행하게 된다. 이러한 전력변환장치에 대해서는 대한민국 등록특허 10-1133294(명칭: 트랜스포머), 등록특허 10-1141337(명칭: 트랜스포머 및 이를 구비하는 평판 디스플레이 장치), 등록특허 10-1388891(명칭: 트랜스포머와 이를 구비하는 파워 모듈), 등록특허 10-1259778(명칭: 3상 고주파 트랜스포머), 등록특허 10-1392045(명칭: 고전압용 트랜스포머 구조체), 공개특허 10-2015-0026761(명칭: 트랜스포머 및 이를 포함하는 전원공급장치), 등록특허 10-1611886(명칭: 센터탭 트랜스포머), 등록특허 10-1623499(명칭: 전력변환 회로용 자성 부품), 등록특허 10-1594400(명칭: 트랜스포머용 보빈 및 이를 포함하는 트랜스포머), 공개특허 10-2016-0126141(명칭: 보빈구조를 갖는 트랜스포머), 대한민국 등록특허 10-1913746호(명칭: 주파수 및 전압 조정이 가능한 교류전력 발생기) 등에 개시되어 있다.
상기한 종래의 전력변환장치는 코일에 전류가 흐를 때 발생되는 코어나 보빈에서의 열생성 및 열축적에 의해 화재 등이 발생하는 위험을 방지하기 위하여 추가적으로 방열판 등의 기구물이 요구되고, 이에 따라 전력변환장치의 크기 및 무게가 증가되는 문제가 있게 된다. 또한, 종래의 전력변환장치는 그 발생되는 열에 상당하는 에너지 손실이 발생하여 전력변환 효율이 낮아지는 문제가 있게 된다.
본 발명은 고효율로 교류-교류 전력변환을 실행할 수 있도록 된 전력변환장치를 제공함에 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 전력변환장치는 입력되는 교류 전력을 원하는 출력 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치에 있어서,
봉 형상의 코어 부재와,
전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 입력 코일부재 및,
전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제2 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 출력 코일부재를 구비하고,
상기 입력 코일부재와 출력 코일부재의 사이에는 자극편이 구비되며,
상기 입력 또는 출력 코일부재와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
상기 입력 코일부재는 교류 입력에 결합되고,
상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 하며,
상기 열처리는 코어 부재 또는 자극편을 고체 연료와 함께 가마에 넣고, 고체연료를 연소시켜 코어 부재 또는 자극편을 일정 온도 이상으로 가열하며, 코어 부재 또는 자극편을 연소된 고체 연료와 함께 자연 냉각시켜 실행하는 것을 특징으로 하며,
상기 입력 코일부재와 출력 코일부재가 코어부재(40)를 매개로 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하고,
상기 코어 부재의 중앙 부분에는 길이 방향을 따라 중공이 구비되는 것을 특징으로 하고,
상기 열처리 시에는 코어 부재와 자극편을 백탄과 함께 가마에 넣고, 백탄을 연소시켜 코어 부재와 자극편을 1000~1300도 이상으로 가열하고, 코어 부재와 자극편을 그대로 함께 상온에서 방치하여, 백탄이 자연적으로 연소 및 소화되고, 이후 코어부재 및 자극편이 백탄과 함께 자연적으로 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치가 제공된다.
또한, 상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입력 코일부재와 출력 코일부재는 복수개 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입력 코일부재와 출력 코일부재는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 입력 코일부재는 하나의 교류 입력에 대해 직렬 또는 병렬로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 입력코일부재 중 적어도 하나는 다른 교류 입력에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 출력 코일부재는 각 출력이 출력단에 대해 직렬 또는 병렬로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입력 코일부재로 공급되는 교류 입력을 단속하기 위한 스위칭 수단이 추가로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 전력변환장치의 구성이 간단하고 제조가 매우 용이하여 제조비용을 대폭 절감할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 의하면 전력변환장치에 열이 생성되는 것을 최소화 하여 전력 변환효율을 제고할 수 있고, 간단한 구조로 다양한 교류 전력을 생성할 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 구성을 효율적으로 설명하기 위한 것이다. 도면에서 일부 구성은 본 발명의 효율적인 이해를 위해 간략화되거나 과장되게 묘사될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 전력변환장치의 외관 형상을 개략적으로 나타낸 정면도.
도 5는 도 4에 나타낸 전력변환장치의 분리 사시도.
도 6은 순철의 냉각시간에 따른 탈자화 시간 특성을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에서 코어 부재(40)와 자극편(80)을 열처리하는 경우의 시간에 따른 냉각 특성곡선을 나타낸 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만 이하에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 구현 예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시 예의 예시는 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도이다. 도면에서, 전력변환장치는 복수개의 코일부재(10, 20)를 구비한다. 여기서 코일부재(10)는 외부로부터의 교류 입력이 결합되고, 코일부재(20)로부터는 전력변환된 교류가 출력된다. 이하에서는 외부에서 입력되는 교류가 결합되는 코일부재(10)를 1차측 또는 입력 코일부재라 지칭하고, 전력변환된 교류가 출력되는 코일부재(20)를 2차측 또는 출력 코일부재라 지칭하기로 한다.
입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)는 각각 절연재가 피복된 전도성 선로(11, 21)가 권취되어 구성된다. 여기서 전도성 선로서로는 예컨대 예컨대 폴리우레탄(Polyurethane) 동선, 폴리에스테르(Polyester) 동선, 폴리아미드이미드(PAI:Polyamide imide) 동선, 폴리에스테르이미드(Polyester imide) 동선 등이 바람직하게 채용될 수 있다. 입력 코일부재(10)에는 외부로부터 입력되는 교류를 결합하기 위한 입력단(12)이 구비되고, 출력 코일부재(20)에는 유도 전류, 즉 출력 코일부재(20)에서 생성되는 전류를 인출하기 위한 출력단(22)이 구비된다, 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)의 권선비는 입력 전압과 출력 전압에 따라 적절하게 설정될 것이다.
코일부재(10,20)는 전체적으로 중앙 부분에 중공부(13, 23)가 구비된 원기둥 형상으로 이루어진다. 이때 코일부재(10, 20)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 코일부재(10, 20)는 타원 형상이나 다각형 형상으로 구성될 수 있다. 코일부재(10, 20)는 중공부(13, 23)가 상호 정합되도록 수직 방향 또는 수평 방향으로 배치된다. 코일부재(10, 20)는 상호간에 누설전류나 스파크가 발생되지 않는 범위 내에서 최대한 근접된 위치에 배치된다. 코일부재(10, 20)의 배치 위치는 특정되지 않는다. 예를 들어 코일부재(10, 20)를 수직 방향으로 배치하는 경우에 입력 코일부재(10)를 출력 코일부재(20)의 상측 또는 하측에 배치할 수 있다. 또한, 코일부재(10, 20)를 수평 방향으로 배치하는 경우에 입력 코일부재(10)를 출력 코일부재(20)의 좌측 또는 우측에 배치할 수 있다. 입력 코일부재(10)는 출력 코일부재(20)의 일측에 적절하게 배치된다.
상기한 구성에서, 입력 코일부재(10)의 입력단(12)으로 교류가 공급되면 선로(11)를 통해 제1 방향의 전류와 그 역방향인 제2 방향의 전류가 일정한 시간 간격을 갖고 교번적으로 흐르게 된다. 그리고 입력 코일부재(10)에서는 선로(11)의 권취 방향에 대응하여 전류의 진행방향과 수직 방향으로 제1 및 제2 자기장이 교번적으로 형성된다. 제1 자기장과 제2 자기장은 상호 대향하는 방향을 갖게 된다. 자기장이 형성되는 방향은 앙페어의 (오른손 방향 나사) 법칙(Ampere's right hand screw rules)으로 정의할 수 있다.
입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기장은 출력 코일부재(20)의 선로(21)에 대해 수직방향으로 쇄교된다. 그리고 출력 코일부재(20)의 선로(21)에는 자기장의 방향과 선로(21)의 권취 방향에 상응하여 일정 방향으로 전류 흐름이 발생된다. 이때 유도 전류의 크기는 자기장의 세기와 그 변화량에 상응하게 될 것이다. 제1 자기장과 제2 자기장이 교번할 때마다 출력 코일부재(20)의 선로(21)에는 제1 및 제2 유도 전류가 생성되고, 제1 및 제2 유도 전류의 흐름 방향은 상호 역방향으로 설정된다. 출력 코일부재(20)의 출력단(22)으로부터 인출되는 교류 전원의 주파수는 입력 코일부재(10)의 입력단(12)으로 공급되는 전류의 주파수와 동등하게 설정된다.
또한, 도면에 나타내지는 않았으나, 입력 코일부재(10)의 입력단(12)에는 입력되는 교류를 단속하기 위한 스위칭 수단과, 이 스위칭 수단을 적절하게 구동하여 입력 코일부재(10)로 공급되는 교류 입력의 듀티비를 제어하기 위한 예컨대 PWM(Pulse Width Modulation) 제어수단이 구비될 수 있다. 스위칭 수단과 PWM 제어수단은 출력 코일부재(20)로부터 출력되는 교류 전력을 적절하게 제어하기 위해 채용된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도이다. 또한, 도 2에서 상술한 도 1과 실질적으로 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 예의 전력변환장치는 하나의 출력 코일부재(20)에 대해여 복수, 본 예에서는 2개의 입력 코일부재(10)를 채용한 것이다. 본 실시 예에 있어서는 출력 코일부재(20)의 일측에 제1 입력 코일부재(10-1)가 배치되면서 출력 코일부재(20)의 타측에 제2 입력 코일부재(10-2)가 배치된다. 상기 실시 예와 마찬가지로 제1 및 제1 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 출력 코일부재(20)와 최대한 인접한 위치에 배치된다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예에서, 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 출력 코일부재(20)의 일측 또는 타측에 모두 설치될 수 있다.
제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 도 1에서의 입력 코일부재(10)와 동일한 구성으로 이루어진다. 다만, 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 선로(11)의 권선수가 서로 다르게 설정될 수 있다. 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 교류 입력에 대해 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있고, 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)에 각각 별개의 교류 입력이 결합될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)는 각각 별개의 스위칭 수단에 의해 독립적으로 구동될 수 있다. 본 실시 예의 전력변환장치는 교류 입력에 대해 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)를 다양한 방식으로 결합 및 구동하여 출력 코일부재(20)로부터 다양한 교류 전력을 출력할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 전력변환장치를 나타낸 구성도이다. 또한, 도 3에서 상술한 도 1 및 도 2와 실질적으로 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 예의 전력변환장치는 하나의 입력 코일부재(10)에 대하여 복수, 본 예에서는 2개의 출력 코일부재(20-1, 20-2)를 채용한 것이다. 본 실시 예에 있어서는 입력 코일부재(10)의 일측에 제1 출력 코일부재(20-1)가 배치되면서 입력 코일부재(10)의 타측에 제2 출력 코일부재(20-2)가 배치된다. 상기 실시 예와 마찬가지로 제1 및 제1 출력 코일부재(20-1, 20-2)는 입력 코일부재(10)와 최대한 인접한 위치에 배치된다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예에서, 제1 및 제2 출력 코일부재(20-1, 20-2)는 입력 코일부재(10)의 일측 또는 타측에 모두 설치될 수 있다.
제1 및 제2 출력 코일부재(20-1, 20-2)는 도 1에서의 출력 코일부재(20)와 동일한 구성으로 이루어진다. 다만, 제1 및 제2 출력 코일부재(20-1, 20-2)는 선로(21)의 권선수가 서로 다르게 설정되어, 제1 출력 코일부재(20-1)와 제2 출력 코일부재(20-2)가 서로 다른 교류 전력을 출력할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예에서 제1 및 제2 출력 코일부재(20-1, 20-2)의 출력단(22-1, 22-2)은 상호 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있다. 본 실시 예의 전력변환장치는 하나의 입력 코일부재(10)에 대해 복수의 출력 코일부재(20)를 배치하여 출력 코일부재(20)로부터 다양한 교류 전력을 출력할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 전력변환장치의 외관 형상을 개략적으로 나타낸 정면도이고, 도 5는 그 분리 사시도이다. 또한, 본 실시 예는 전력변환장치가 2개의 입력 코일부재(10-1, 10-2)와 3개의 출력 코일부재(20-1~20-3)를 구비하는 경우를 예로 들어 나타내었으나, 본 실시 예는 도 1 내지 도 3의 구성에 대해서도 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
도 4,5에서 전력변환장치는 베이스 부재(30)와, 이 베이스 부재(30)의 중앙 부분에 결합되는 봉 형상의 코어 부재(40)를 구비한다. 코어 부재(40)의 외주면은 입력 코일부재(10-1, 10-2)와 출력 코일부재(20-1, 20-2, 20-3)의 중공부(13, 23) 형상과 대응하는 형상으로 이루어져, 코어 부재(40)와 입력 코일부재(10-1, 10-2) 및 출력 코일부재(20-1, 20-2, 20-3)가 전체적으로 최대한 근접하게 배치될 수 있도록 구성된다. 그리고 코어 부재(40)는 바람직하게 길이 방향으로 중공(41)이 구비된다. 이 중공(41)은 코어 부재(40)의 내측을 통해 공기가 원활하게 유동될 수 있도록 함으로써 코어 부재(40)에 부적절하게 열 에너지가 축적되는 것을 방지하기 위한 것이다.
코어 부재(40)에는 그 외주면을 따라 입력 코일부재(10-1, 10-2)와 출력 코일부재(20-1, 20-2, 20-3)가 교번적으로 삽입되어 적층 또는 결합된다. 본 실시 예에서는 도 2의 실시 예와 마찬가지로 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)의 내측, 즉 그 사이 공간에 제1 출력 코일부재(20-1)가 배치되고, 도 3의 실시 예와 마찬가지로 제1 입력 코일부재(10-1)의 양측에 제1 및 제2 출력 코일부재(20-1, 20-2)가 배치되면서 제2 입력 코일부재(10-2)의 양측에 제1 및 제3 출력 코일부재(20-1, 20-3)가 배치된다.
본 실시 예에서 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)의 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)은 교류 입력에 대해 병렬 또는 직렬로 결선될 수 있다. 또한, 보다 높은 교류 전력을 출력하기 위해 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)에는 각각 별도의 교류 입력이 결합될 수 있다.
제1 내지 제3 출력 코일부재(20-1~20-3)의 각 출력은 출력단(22a, 22b)에 대해 직렬 또는 병렬로 결합된다. 도면에는 그 일례로서 제1 내지 제3 출력 코일부재(20-1~20-2)의 각 출력이 연결선(201, 202)을 통해 직렬로 결합되어, 제1 내지 제3 출력 코일부재(20-1~20-2)가 전체적으로는 하나의 출력 코일부재로서 작용하는 경우를 나타낸 것이다. 또한, 본 실시 예에서 제1 내지 제3 출력 코일부재(20-1~20-3)는 각각의 출력이 개별적으로 출력단을 구성하여, 본 전력변환장치를 통해 다수의 교류 출력이 생성되도록 구현할 수 있다, 또한, 이 경우 각각의 출력 코일부재(20-1~20-3)는 그 권선수를 달리하여 상이한 다수의 교류 출력을 생성하도록 구현될 수 있다. 본 실시 예에서 제1 및 제2 입력 코일부재(10-1, 10-2)의 입력 교류에 대한 결선과, 제1 내지 제2 출력 코일부재(20-1~20-3)의 출력단에 대한 결선은 특정한 방식에 한정되지 않고 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 바림직한 구현 예에서 입력 코일부재(10-1, 10-2)와 출력 코일부재(20-1~20-3)의 내주면에는 각각 절연재(130, 230)가 피복된다. 이 절연재(130, 230)는 입력 코일부재(10-1, 10-2) 및 출력 코일부재(20-1~20-3)와 이들의 중공부(13, 23)를 통해서 삽입되는 코어 부재(40) 사이의 보다 확실한 절연을 위해서 채용된다.
입력 코일부재(10-1, 10-2)와 출력 코일부재(20-1~20-3)의 사이, 보다 바람직하게는 각 코일부재(10, 20)의 사이에는 각각 자극편(80)이 구비된다. 또한, 바람직하게는 최상측 및 최하측에 설치되는 코일부재, 즉 본 실시 예에서 제2 출력 코일부재(20-2)의 상측과 제3 출력 코일부재(20-3)의 하측에도 각각 자극편(80)이 구비된다. 그리고, 자극편(80)과 코일부재(10, 20)의 사이에는 각각 절연판(90)이 구비된다. 이때, 바람직하게 자극편(80)의 횡단면 형상 및 크기는 코일부재(10, 20)의 그것과 동일하게 설정된다. 또한, 도면에 구체적으로 나타내지는 않았으나 절연판(90)의 횡단면 형상 및 크기는 안정적인 절연을 위해 코일부재(10, 20)의 그것보다 크게 설정된다
절연판(90)의 재질은 특정한 것에 한정되지 않는다. 입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기장을 출력 코일부재(20)에 가장 유효하게 작용시키기 위해서는 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)의 이격 거리를 최소한으로 축소하거나 바람직하게는 이들을 밀착시킬 필요가 있다. 절연판(90)은 입력 코일부재(10) 또는 출력 코일부재(20)와 자극편(80)의 사이, 또는 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20) 사이에 누설전류가 발생되거나 스파크가 발생되는 것을 방지하여 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)를 최대한 근접시킬 수 있도록 하게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현 예에서, 절연판(90)의 재질로서는 예컨대 PET(Polyethylene terephthalate) 등과 같이 탄성계수가 높고 내충격성이 우수한 재질이 채용된다. 코어 부재(40)와 자극편(80)은 입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기장의 자로를 제공하여, 입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기장이 출력 코일부재(20)를 전체적으로 쇄교하면서 순환하도록 한다. 입력 코일부재(10)에는 교류가 공급되므로 입력 코일부재(10)는 상호 대향하는 방향을 갖는 제1 자기장과 제2 자기장을 교번적으로 생성하게 된다. 따라서 이러한 제1 및 제2 자기장이 코어 부재(40)와 자극편(80)을 통해서 순환할 때 코어 부재(40)와 자극편(80)은 자화 및 탈자화가 교번적이면서도 반복적으로 이루어지게 된다. 그리고 이러한 자화 및 탈자화는 코어 부재(40), 특히 자극편(80)에 충격을 주어 자극편(80)에 미세한 떨림이나 진동 등을 유발할 수 있다. 코어 부재(40)와 자극편(80)에 진동 등이 발생되면 이를 통해서 순환하게 되는 자로에 순간적인 변형이나 왜곡이 발생하여 출력 코일부재(20)에 쇄교되는 자기장에 변화가 발생하게 되고, 이는 결과적으로 출력 코일부재(20)에서 생성되는 유도 전류에 원하지 않는 변화를 발생시킬 수 있다. 절연판(90)은 고탄성으로 자극편(80)의 떨림이나 진동을 잡아주어 이를 최소화함으로써 출력 코일부재(20)를 통해 생성되는 교류 전류의 흐름이 불필요하게 왜곡되는 것을 방지하게 된다.
상기한 바와 같이, 코어 부재(40)와 자극편(80)은 입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기장의 원활한 흐름을 위해서 제공된다. 코어 부재(40) 및/또는 자극편(80)의 재질로서는 강자성 물질, 바람직하게는 투자율이 높으면서 보자력은 낮은 규소강이 채용될 수 있다. 다만, 규소강은 전기전도도가 비교적 낮고 외부로부터 가해지는 빛이나 열에 의해 내부 저항값이 용이하게 증가된다. 코어 부재(40)와 자극편(80)은 이들을 통해 자로가 형성될 때, 자기장의 변동에 상응하여 자체적으로 전류의 흐름이 발생될 수 있는데, 이때 코어 부재(40)와 자극편(80)의 전기전도도에 반비례하여 열이 발생된다. 즉, 입력 코일부재(10)에서 생성되는 자기 에너지가 열에너지로 손실되는 문제가 발생한다.
본 발명의 다른 바람직한 구현 예에서, 코어 부재(40) 및/또는 자극편(80)의 재질로서는 순철, 보다 바람직하게는 열처리된 순철이 채용된다. 순철은 투자율이 높고 전기전도도가 우수한 반면에 보자력이 비교적 높다. 코어 부재(40)와 자극편(80)에는 입력 코일부재(10)에서 생성되는 제1 및 제2 자기장이 교번적으로 가해지므로 그 재질로서는 가급적 빠른 탈자화 시간, 즉 낮은 보자력을 갖는 것이 요구된다. 본 발명자가 연구한 바에 따르면, 순철을 일정 온도 이상으로 가열한 후 서서히 냉각시키게 되면 그 냉각 시간에 대응하여 탈자화 시간(demagnetization time)이 단축된다. 도 6은 순철의 냉각시간에 따른 탈자화 시간 특성을 나타낸 그래프이다. 연구 결과, 일정 온도 이상으로 가열된 순철의 온도를 10시간 이상 충분한 시간 동안 점진적으로 냉각시키게 되면 그 탈자화 시간을 1/450(초) 이하로 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 이와 더불어 순철의 냉각시간을 지연시키게 되면 투자율과 전기전도도가 보다 향상되는 부수적인 효과가 얻어진다.
본 발명에서는 우선 순철을 이용하여 코어 부재(40)와 자극편(80)을 제조한 후 열처리를 실행한다. 열처리는 예컨대 흑탄이나 백탄 등의 고체 연료, 바람직하게는 백탄을 사용하여 실행한다. 즉, 열처리 시에는 코어 부재(40)와 자극편(80)을 백탄과 함께 가마에 넣고, 백탄을 연소시켜 코어 부재(40)와 자극편(80)을 1000~1300도 이상으로 가열한다. 그리고 코어 부재(40)와 자극편(80)을 그대로 함께 상온에서 방치하여, 백탄이 자연적으로 연소 및 소화되고, 이후 코어부재(40) 및 자극편(80)이 백탄과 함께 자연적으로 냉각되도록 하게 된다. 이와 같이 하게 되면, 백탄이 연소 및 소화되는 과정에서 코어 부재(40) 및 자극편(80)의 온도가 서서히 강하되고, 이후 백탄의 잠열에 의해 코어 부재(40) 및 자극편(80)이 상온으로 냉각될 때까지 상당한 시간이 소요된다. 도 7은 상기한 방법을 통해 열처리되는 코어 부재(40)와 자극편(80)의 시간에 따른 냉각 특성곡선을 나타낸 그래프이다. 그리고 열처리가 종료된 후에는 코어 부재(40) 및 자극편(80)으로부터 백탄 재 등의 불순물을 제거하고, 최종적으로 오일 등으로 녹방지 처리를 실행하게 된다.
도 4 및 도 5에서, 전력변환장치를 조립하는 경우에는 우선 베이스 부재(30)에 코어 부재(40)를 체결한다. 이어 코어 부재(40)의 외측에 자극편(80)과 절연판(90)을 삽입하면서 순차적으로 출력 코일부재(20-1~20-3)와 입력 코일부재(10-1, 10-2)를 교번하여 적층하고, 이후 덮개(60)와 체결 부재(70)를 결합하게 된다. 그리고 최종적으로 연결선(201, 202)을 이용하여 제1 내지 제3 출력 코일부재(20-1~20-3) 사이에 결선을 실행함으로써 전력변환장치를 완성하게 된다.
상기한 전력변환장치는 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)가 코어부재(40)를 매개로 적층된 구조로 이루어진다. 따라서 전력변환장치의 구조가 단순함은 물로 그 제조공정 및 제조비용이 대폭 절감된다. 또한, 본 발명의 전력변환장치는 입력 코일부재(10)에 대해 입력 교류를 결선하는 방식과 교류 출력단(22a, 22b)에 대해 출력 코일부재(20)을 결선하는 방식을 변경하거나, 또는 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)의 권선수를 적절하게 조정하는 방법을 통해 매우 다양한 교류 전력을 생성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 있어서는 코어부재(40)와 자극편(80)의 채용을 통해 자로의 원활한 흐름을 구현하고, 절연판(90)의 채용을 통해 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)를 안정적이면서 근접하게 배치하게 되므로 전체적인 전력 변환 효율을 제고할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명에 따른 실시 예를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5의 실시 예에 있어서는 1차측 코일, 즉 입력 코일부재(10)의 개수를 2개로 하고, 2차측 코일, 즉 출력 코일부재(20)의 개수를 3개로 한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 입력 코일부재(10)와 출력 코일부재(20)의 수효는 특정되지 않고 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에서 전력변환장치를 구현하기 위해 채용되는 베이스 부재(30)와 덮개(60) 및 체결부재(70)의 구성 및 결합 구조는 전력변환장치를 구성하는 하나의 구조 예를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명은 이러한 구조 및 구성 예에 한정되지 않는다. 본 발명은 코어 부재(40)와 여기에 결합되는 입력 코일부재(10) 및 출력 코일부재(20)의 구성 및 결합 구조를 통해 그 기술적 효과를 제공할 수 있고, 이들의 설치를 위해 채용되는 구조와 구성은 필수적인 것이 아님을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
10: 입력 코일부재, 20: 출력 코일부재,
30: 베이스 부재, 40: 코어 부재,
60: 덮개, 70: 체결부재,
80: 자극편, 90: 절연판.

Claims (9)

  1. 입력되는 교류 전력을 원하는 출력 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치에 있어서,
    봉 형상의 코어 부재와,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 입력 코일부재 및,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제2 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 출력 코일부재를 구비하고,
    상기 입력 코일부재와 출력 코일부재의 사이에는 자극편이 구비되며,
    상기 입력 또는 출력 코일부재와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
    상기 입력 코일부재는 교류 입력에 결합되고,
    상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 하며,
    상기 열처리는 코어 부재 또는 자극편을 고체 연료와 함께 가마에 넣고, 고체연료를 연소시켜 코어 부재 또는 자극편을 일정 온도 이상으로 가열하며, 코어 부재 또는 자극편을 연소된 고체 연료와 함께 자연 냉각시켜 실행하는 것을 특징으로 하되,
    상기 입력 코일부재와 출력 코일부재가 코어부재(40)를 매개로 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하고,
    상기 코어 부재의 중앙 부분에는 길이 방향을 따라 중공이 구비되는 것을 특징으로 하고,
    상기 열처리 시에는 코어 부재와 자극편을 백탄과 함께 가마에 넣고, 백탄을 연소시켜 코어 부재와 자극편을 1000~1300도 이상으로 가열하고, 코어 부재와 자극편을 그대로 함께 상온에서 방치하여, 백탄이 자연적으로 연소 및 소화되고, 이후 코어부재 및 자극편이 백탄과 함께 자연적으로 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입력 코일부재와 출력 코일부재는 복수개 구비되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입력 코일부재와 출력 코일부재는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 입력 코일부재는 하나의 교류 입력에 대해 직렬 또는 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 입력코일부재 중 적어도 하나는 다른 교류 입력에 결합되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 출력 코일부재는 각 출력이 출력단에 대해 직렬 또는 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 입력 코일부재로 공급되는 교류 입력을 단속하기 위한 스위칭 수단이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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