KR20010032114A - 유도 전력 전송 픽업 제어 방법 - Google Patents

유도 전력 전송 픽업 제어 방법 Download PDF

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Abstract

공진 캐패시터(902)를 구비하고 있는 소결합형 유도 전력 변압기 시스템에 사용되는 2차 공진 픽업 코일(102)은 높은 Q를 가지며 부품을 파괴시킬 수 있는 큰 순환 전류를 지원할 수 있다. 전류 제한값, 즉 ″안전값″은 통상적인 작동 레벨을 다소 초과하는 소정의 공진 전류에서 포화 상태가 되도록 설계된 인덕터를 사용한다. 포화는 즉각적이며 수동적이다. 소결합형, 제어식 픽업 수단의 정전류 특성은, 포화 가능부가 결합 자속 및 누출 자속에 의해 공유되면, 포화 시에 전류원이 포화 인덕터에 종단되어, 공진으로부터의 디튜닝이 거의 발생하지 않는다. 또 다른 방식으로서, 외부 포화 가능 인덕터(1101, 1102)가 공진 회로(102, 902) 내에 도입되어, 시스템 주파수로부터 멀리 회로를 디튜닝시킬 수 있다. 또 다른 방식으로서, DC 전류가 권선을 통과하여 코어의 포화 가능부의 포화를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 전압 제한형 정전류 출력을 제공하는 페일 세이프 픽업이 제공된다.

Description

유도 전력 전송 픽업 제어 방법{CONTROL OF INDUCTIVE POWER TRANSFER PICKUPS}
유도 전력 전송 설비의 일반적인 구조를 살펴보면, 교류로 통전되는 (하나 이상의) 1차 도체가 마련되어 있고, 1차 도체를 둘러싸는 변화 자속(changing flux)을 인터셉트(intercept)하여 이 자속을 권선(windings)에 의해 전기적 에너지로 변환시키는 하나 이상의 2차 또는 픽업 장치가 마련되어 있다. 종종, 이들 픽업 장치는 이동이 가능하게 설계되어, 1차 도체의 옆을 따라 이동하거나, 때때로 (내부 에너지 축적이 가능하다면) 1차 도체로부터 멀리 이동한다.
공개된 문헌들 가운데에는, 적어도 두 가지의 서로 구별되는 그룹의 유도 전력 전송 시스템이 있다. 하나의 그룹은 1차 트랙웨이(trackway)에 대한 ″확산 변압기(spread-out transformer)″ 방식을 사용하며, 여기서는 트랙웨이의 전체 길이를 따라 일련의 철 적층 구조물(a series of iron laminations)이 사용되어, 수집된 자속으로 하여금 (때때로) 공진하는 픽업 권선을 횡단하게 하도록 사용된 자속 집속 수단을 포함하는 인접하는 적층 구조물 세트에 대한 자속의 결합도를 향상시킨다. 통전 주파수는 비교적 낮다 (메인 주파수로부터 약 5 ㎑까지). 종종, 1차 트랙웨이는 도로에 매립되고 상향으로 배치되어, 하향으로 배치되는 도로 차량 아래의 픽업과 연결된다. 이러한 방식은 밀결합(tight coupling)을 제공하며, 전력은 마치 본래 정전압원으로부터 도달하는 것처럼 제공된다. 이러한 방식을 따르는 유형의 예가 Bolger의 일련의 특허 명세서 (예를 들어, 미국 특허 제4,007,817호 또는 미국 특허 제4,800,328호의 도 1)에 예시되어 있다. Klontz 등 (미국 특허 제5,157,319호)은 또 다른 방식의 밀결합을 개시하고 있으며, 여기서는 1차 도체를 둘러싸는 2차측 동축 권선 변압기를 포함하고 있다.
본 발명은 1차 트랙웨이로서 페리 자성(ferrimagnetic)/강자성 재료가 없는 평행한 한 쌍의 도체로 형성된 연장 루프를 사용하며, 자속은 코어 (페리/강자성 재료를 포함함)를 통해 공진 픽업 코일의 권선에 결합된다. 이러한 결합을 소결합으로서 개시된다. 트랙의 일부 버전은 다량의 공진 소자들을 구비한다. 다수의 개시된 기술을 사용하면, 전력 전달은 픽업에서의 감결합(decoupling)에 의해 제어되며, 시스템은 픽업의 일부로서 공진 회로를 사용하므로, 발생하는 전류는 정전류원으로부터 유입되는 것처럼 보인다. 통전 주파수는 비교적 높으며 (10 - 30 ㎑), 일부 예에서는 1차 트랙웨이가 도로 내에 내장되지만, 다른 예에서는 1차 트랙웨이가 이송 레일 상에 장착되며, 자가 전력 공급 이송 장치 상의 픽업과 결합되도록 사이드웨이와 마주한다. 이러한 유형의 방식은 국제 특허 제WO92/17929호부터 개시되는 Boys ＆ Greem의 일련의 특허 명세서에 개시되어 있다.
변압기 등가 회로 면에서, 이들 두 개의 방식을 비교하기 위해, 도 14 및 도 15 및 종래의 변압기 (도 12 및 도 13)을 참조한다 (도 12 내지 도 17은 모두 종래 기술임). 도 12는 1차 권선(1201) 및 2차 권선(1202)를 구비하는 보편적인 밀결합형 변압기를 도시한다. 도 13은 변압기 등가 회로를 도시하며, 여기서 권선(1301)은 결합 자속 M을 나타내며, 권선(1302)은 1차 권선에 대한 누출 자속을 나타내며, 권선(1303)은 2차 권선에 대한 누출 자속을 나타낸다. M의 값은로부터 얻어지며, 여기서 k는 통상적으로 95% 이상이다. 도 14는 1차 도체(103, 104), 코어(300), 및 인덕터(1401)와 캐패시터(1402)를 포함하는 공진 회로를 구비하는 소결합형 유도 전력 전송 픽업을 도시한다. 도 15를 참조하면, 등가 인덕턴스(1504) M은 자속의 전력 결합 (공유) 성분을 나타내는 반면, 1503은 누출 자속 (주 공진 전류를 운반하는 동안에 픽업의 코어로부터 발산되는 자속과 같은)을 나타낸다. 공기 중에 1차 경로를 가지는 소결합 시스템의 경우, 인덕터 1503:1504의 비는 통상 0.7:0.3인 반면, Bolger의 철-코어 2차 장치를 구비하는 철-코어 시스템 및 기타 다른 경우, 그 비는 통상 0.2:0.8 정도이다. 도 15 및 도 17에서, 트랙웨이 [등가 인덕터(1501, 1502)를 구비하는 정전류원(1500)]는 정전류를 공급한다. 도 16은 권선(1601)이 공진 제어 가능 권선이며 정류기(1605)를 구비하는 권선(1602)이 유효 전력을 공급하는 일종의 유도 전력 전송 장치 - 배터리 충전용 정전류원과 같음 - 를 도시한다. 도 15의 변압기 등가 회로를 참조하면, 단락 회로 전류의 값은 (출력이 단락되면)이며, 여기서 M은 1504의 인덕턴스이다.
본 발명자들은 특허 출원 PCT/NZ97/00053의 목적인, 소결합형 유도 전력 전송을 사용하는 배터리 충전기를 창안하였다. 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 변압기 등가 형태의 배터리 충전기로부터의 실제적인 회로를 참조하면, 도면 부호 1705 및 1706은 실제 권선으로부터의 누출 인덕턴스를 나타내고, 1705는 공진/제어 권선의 다수의 권선에 대한 것이며, 1706은 전력 수집 권선에 대한 것이다. 도 17에서 L의 상대 비율은 1504 = 30%, 1503 = 65%, 1705 = c.5%, 1706= c.5%이다. 인덕터(1503, 1504) (= 95%)로부터 되돌아오는 것처럼 보이는 1차부의 임피던스는 단락 회로가 1708에 배치된다고 가정함으로써 다음의 식에 의해 도출될 수 있다.
공진 시에는 분모가 제로이므로, Z는 무한대이며, 이에 의해 소스가 전류원으로서 작동하는 근거를 제공한다. Bolger형 회로는 도 13과 등가이다. Bolger형 회로에서와 마찬가지로, 비 부하 전압은 전압원으로부터 구동되는 경우에 출력 임피던스 Z = L1303+ L1302에 의해 결정될 것이다. 회로가 전류원으로부터 구동되는 경우, 출력 임피던스는 Z = L1303+ L1301이다.
이러한 유형의 유도 전력 전송 시스템의 정전류 특성이 대개는 유리한 반면, 수집된 전류량이 제어되지 않는 상태에 픽업 코일이 놓일 위험이 있다. 완전한 정전류원은 전압 제한을 갖지 않을 것이다. 소결합 유도 전력 전송 시스템의 일부를 형성하는 공진 2차 회로에서 공진하는 비제어 전류는, 회로 Q가 크면 높은 레벨에 도달할 수 있으며, 예를 들어 공진 캐패시터 내의 반도체 또는 유전체의 과열 또는 파손 및 픽업 장치 내에서의 발열과 같은 기능 손실에 의해 부품 고장과 같은 다수의 나쁜 결과를 발생시킬 것이다. 2차 전류를 제어하는 통상적인 방법은, 전압 비교 회로에 의해 과전압 상태가 검출되면 공진 2차 권선에 대한 스위칭 작동을 능동적으로 발생시키는 능동 제어 장치에 의존하고 있다. 그러나, 재료의 고유 특성에 의존하는 수동 제한이 능동 제어 수단보다 안전할 수 있다. 능동 제어에 의존하면, 장치 상에 여러 가지 요소들이 함께 충돌할 때에 대처하지 못하여, 능동 제어가 가장 필요시 될 때에 그 기능을 발휘하지 못하게 된다. 소결합 (즉, 정전류) 유도 전력 전송을 사용하는 일부 시스템은, 극도의 신뢰성이 요구되는 상황에서 사용되고 있다. 이러한 시스템이 능동 제어에만 의존하여 순환 전류를 제어한다면, 능동 제어에 의한 기능이 결여되는 경우에 치명적인 파괴가 발생하기 쉽다.
미국 특허 제4,800,328호 (1989년 1월 24일)에서 Bolger 및 Ng는 포화 가능 픽업 코어를 제공함으로써 유도 전력 전송 장치에 정전압 변압기 원리를 적용하는 것에 대해 개시하고 있다. 이것은 제어 방식에 대한 응용이다. 적층된 철 코어는 단면적이 감소된 포화 가능부를 구비하고 있다. 통상적인 동작 조건 시, 코어는 가변 한도로 항상 포화되며, 픽업으로부터의 출력은 코어 내에 유지되는 자속의 양에 의해 제한된다. 아울러, 공진 주파수는 낮은 부하에서 전원 전압의 공진 주파수보다 낮게 설계되어, 코어가 포화될수록 공진 주파수가 시스템 주파수쪽으로 상승되게 하며, 결합도가 향상되고 더 많은 출력 (정전압과 유사한)이 사용될 수 있다. 이러한 유형의 코어는, 포화 시에 구동되면, 히스테리시스 손실로부터의 열을 방출하며, 수축 영역에 대한 냉각 장치가 마련되어 있지 않아, 온도에 대단히 민감한 출력 전압을 발생시킨다.
정의
유도 전력 전송에 대한 소결합이란, 1차 권선과 2차 권선을 실제로 결합한 자속의 비율이 결합 구조의 영역에 있는 총 자속 보다 현저히 적은 것을 의미한다.
페리 자성 특성은 페라이트 재료에서 발생하며, 페라이트 재료에서는 전체 페라이트 분자가 자성에 기여하게 된다. 이들은 강자성 특성과 유사하며, 투자율, 포화도, 히스테리시스 등이 페리 자성 재료에서 발생한다.
강자성 특성은 철, 니켈, 코발트, 가돌리늄 및 디스프로슘 및 그들의 합금에서 발생하며, 자성이 원자에 귀속한다. 본 출원에서 유용한 강자성 재료로는 분말 철, 규화 철(sintered iron), 비정질 철 와이어, 철의 적층 구조물, 실리콘 스틸, 입자 배향 스틸(grain-oriented steel)이 있으며, 이들이 단독으로 혹은 조합하여 사용된다.
포화는, 자기장의 함수와 같은 재료의 투자율의 변화로서 정의되는 페리/강자성 재료의 특성이며, 재료는 자속의 양을 운반하는 능력이 유한하여, 자기장이 올라갈수록 투자율이 떨어지게 된다. 포화는, 목욕 타월이 제한된 양의 물만을 흡수할 수 있으며, 그 후에는 나머지 물이 떨어지는 것과 유사한 개념이다.
목적
본 발명의 목적은 유도 전력 전송 픽업을 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 대중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
발명의 개시
본 발명의 제1 특징은, 소결합형 유도 전력 전송 시스템용 유도 전력 전송 픽업을 제어하는 장치에 있어서 - 상기 픽업은 시스템 주파수에서 교류 전류로 통전될 때에 1차 도체를 둘러싸는 자속으로부터 전류원의 형태로 전력을 수집하는 데에 사용 가능하고, 상기 픽업은 출력 전압 또는 출력 전류를 제어할 수 있는 능동 제어 수단을 포함하며, 상기 픽업은 시스템 주파수에서 공진하는 공진 회로임 -, 상기 픽업은 상기 픽업에서 순환하는 공진 전류의 양을 소정의 최대량 미만으로 제한할 수 있는 수동 수단을 포함하고, 상기 수동 수단은 코어를 구비하는 적어도 하나의 포화 가능 인덕터(saturable inductor)를 포함하며, 상기 코어의 적어도 일부는 소정의 자속 밀도로 포화될 수 있고, 상기 포화 가능 인덕터는 상기 공진 전류의 적어도 일부를 운반하도록 접속되어, 상기 코어 내의 포화 개시 시에 전력 수집의 효과를 감소시켜서 상기 공진 회로로 유입되는 전류의 양이 제한되게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치를 제공한다.
전술한 바와 같은 장치에서, 포화될 수 있는 코어는 페리 자성 재료를 포함한다.
전술한 바와 같은 장치에서, 포화될 수 있는 코어는 강자성 재료를 포함한다.
전술한 바와 같은 장치에서, 상기 적어도 하나의 포화 가능 인덕터는, 상기 코어의 포화 가능 부분이 결합 자속 및 누출 자속에 의해 공유되어, 상기 포화 개시가 상기 결합 자속의 양을 감소시키고 그에 따라 상기 전류원으로부터 상기 공진 회로로 들어가는 전류의 양을 감소시키게 하여, 상기 포화 개시가 최소량의 디튜닝(detuning)을 야기하도록 구성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 포화 가능 인덕터는 선택된 전류에서 혹은 선택된 전류 이상에서 상기 코어 내의 포화 개시를 나타내도록 선택되어, 상기 코어 내의 포화 개시가 상기 픽업의 공진 주파수를 변화시켜서 상기 픽업의 튜닝(tuning)이 상기 시스템 주파수로부터 벗어나게 함으로써, 상기 전력 수집의 효과를 감소시켜서 상기 공진 회로로 유입되는 전류의 양이 감소되게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 상기 적어도 하나의 포화 가능 인덕터는, 사용 시, 상기 코어의 포화 가능 부분이 결합 자속 및 누출 자속에 의해 공유되어, 상기 포화 개시가 상기 결합 자속의 양을 감소시키고 그에 따라 상기 전류원으로부터 상기 공진 회로로 들어가는 전류의 양을 감소시키게 하여, 상기 포화 개시가 최소량의 디튜닝을 야기하도록 구성되게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 자속을 인터셉트할 수 있는 코어는, 소정의 자속 밀도에서 포화 개시를 나타낼 수 있는 제한된 단면 영역을 가지는 포화 가능부를 포함하여, 그 재료가 적어도 부분적으로 포화되면 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 감소되게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 포화 개시가 발생할 수 있는 상기 소정의 자속 밀도는, 페리 자성 또는 강자성 재료의 범위로부터 알려진 포화 임계 특성을 가지는 재료를 선택하고 상기 코어의 자속 운반부 내의 상기 선택된 재료의 양을 사용함으로써 결정되어, 상기 재료가 적어도 부분적으로 포화되면 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 감소되게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 포화 개시에 도달하도록 요구되는 자속의 양은, 소정의 포화 개시를 갖는 상기 코어의 일부 상에서 권선되는 하나 또는 그 이상의 부가적인 권선을 통해 전류를 통과시킴으로써 제어되고, 상기 권선은 상기 코어의 포화 가능부 내에 자속을 발생시킬 수 있는 DC 전류를 운반할 수 있으며, 상기 DC 전류는 사용 시의 전력 픽업 조건에 응답하여 제어기에 의해 발생되어, 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 이에 의해 제어 가능하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 포화 가능 인덕터는 상기 자속을 인터셉트할 수 있는 인덕터로부터 물리적으로 분리되며, 상기 포화 가능 인덕터는 상기 공진 회로 내에 접속되어, 상기 포화 가능 인덕터가 전체 공진 전류의 적어도 일부를 운반하게 하고, 사용 시의 상기 포화 가능 인덕터의 적어도 부분적 포화의 개시에 의해 상기 픽업의 공진 주파수가 상기 시스템 주파수로부터 멀어지게 한다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 유도 전력 전송 시스템용 공진 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서, 상기 픽업 장치 내의 순환 공진 전류의 크기는 상기 장치의 상기 공진 회로 내에 포함된 인덕터의 포화 가능 코어 내에 도달되는 적어도 부분적 포화의 결과로서 원하는 크기 아래로 유지하도록 제한될 수 있고, 상기 제한 처리는 능동 제어 수단에 독립적으로 되어 있어서, 전압 제한이 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 유도 전력 픽업 장치 조작 방법이 제공된다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 유도 전력 전송 시스템용 공진 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서, 상기 픽업 장치 내의 순환 공진 전류의 크기는, 적어도 하나의 부가 권선을 통과하는 자화 전류에 의해 상기 장치의 공진 회로 내에 포함된 포화 가능 인덕터 내에 발생되는 포화의 결과로서 제어 가능하며,상기 자화 전류는 능동 제어 수단에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 유도 전력 픽업 장치 조작 방법이 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 공진 회로에 포함되며, 강자성 코어를 구비하며, 2차 픽업 인덕터를 구비하는 전력 픽업 장치 내의 전력량을 제어하는 장치에 있어서, 상기 장치는 코어의 물리적 특성 (자속의 비포화량에 대한 상온에서의 공기의 투자율보다 큰 투자율은 별도로 하고)을 사용하며, 상기 코어가 상기 픽업의 통상적인 사용을 벗어난 조건 하에서 동작할 때 전력의 픽업을 제한할 수 있는 방식으로 동작하도록 상기 물리적 특성이 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 픽업 장치내의 전력량 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 전술한 바와 같은 전력 픽업 장치 내의 전력량 제어 장치에 있어서, 상기 장치는 온도 상승 시에 투자율이 바람직하게는 반대로 감소되도록 선택된 재료의 적어도 일부를 그 자기 회로 내에 포함하는 강자성 코어를 포함하며, 상기 투자율은 퀴리 온도에서 실질적으로 1.0에 도달하여, 코어가 너무 높은 온도에 도달하는 경우, 코어의 투자율이 감소됨으로써, 공진 회로 내에 순환하는 전압을 제한하는 전력 픽업 장치 내의 전력량 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 제6 특징에 따르면, 유도 전력 전송 시스템용 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서, 상기 픽업 장치의 출력은 상기 장치 내의 강자성 픽업 코어의 통상적인 사용 시에 도달되는 포화의 결과로서 제어되는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유도 전력 전송 시스템용 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서, 픽업 장치 내의 잠재적으로 치명적인 순환 공진 전류가 장치 내의 강자성 픽업 코어 내에 도달되는 포화의 결과로서 제한되어, 인덕터의 인덕턴스가 변경되고 전송된 전력의 양이 감소되는 방법이 제공된다.
본 명세서에 예시 및 설명된 바람직한 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 사상 또는 범주를 제한하지 않는다.
본 발명은 유도 전력 전송에 관한 것으로서, 특히 유도 전력 전송용 소결합형(loosely coupled) 시스템에 관한 것이며, 본 발명은 특히 유도 전력 전송 시스템의 2차 픽업 코일에 흐르는 전류의 양을 제한하는 보호 수단에 관한 것이다.
도 1 (단면도: 도 5)은 종래 기술의 공진 픽업의 간단화된 다이어그램.
도 2 (단면도: 도 6)은 본 발명에 따른 공진 픽업의 제1 실시예를 도시한 도면.
도 3 (단면도: 도 7)은 본 발명에 따른 공진 픽업의 제2 실시예를 도시한 도면.
도 4 (단면도: 도 8)는 본 발명에 따른 공진 픽업의 제3 실시예를 도시한 도면.
도 9는 소정의 고정된 포화점을 가진, 본 발명에 따른 2차 픽업에 대한 간단화된 회로도.
도 10A는 본 발명에 따른 제어 가능 포화 2차 픽업의 간단화된 회로도.
도 10B는 픽업 장치의 포화점의 제어를 제공하는, 이중 코어형 픽업에 대한 도 10의 응용례를 도시한 도면.
도 10C는 유도된 전류의 상쇄를 포함하는, 단일 E 코어형 픽업에 대한 도 10의 응용례를 도시한 도면.
도 11은 픽업 인덕터로부터 분리된 포화 가능 인덕터를 구비한 픽업 회로에 대한 두 개의 간단화된 회로도.
도 12 및 도 13은 종래 기술의 변압기에 대한 종래의 변압기 회로 및 등가 변압기 회로를 도시한 도면.
도 14 및 도 15는 단일 유도 결합형 공진 픽업에 대한 종래의 변압기 회로 및 등가 변압기 회로를 도시한 도면.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 개별 제어 권선을 구비한 포화 가능 배터리 충전기에 대한 종래의 변압기 회로 및 등가 변압기 회로를 도시한 도면.
도 18은 개시 후의 짧은 주기에 걸쳐 배터리 충전의 2차 전압을 도시한, 샘플링 파형 디스플레이로부터 도출된 오실로그램.
도 19는 개시 후의 긴 주기에 걸쳐 배터리 충전의 2차 전압을 도시한, 샘플링 파형 디스플레이로부터 도출된 오실로그램.
본 발명은, 페리 자성 또는 강자성 코어를 사용하는 2차 인덕터를 픽업으로서 구비하는 전력 픽업 장치 내의 전력량을 제한하고, 소결합형 유도 전력 전송 시스템용 공진 회로부를 형성하는 수단을 제공한다. 본 발명은 이러한 유형들의 재료의 자기적 특성 중의 하나, 즉 포화 능력에 의존한다. 소결합형 공진 2차형 유도 전력 전송 시스템에서, 1차 도체로부터 수집된 자기장의 직접적인 영향이 아니라 자속과 같이 받은 전력량보다 픽업으로부터 도출되는 전력이 적은 임의의 주기 동안 고 Q 권선(102)을 순환하는 공진 전류의 결과 큰 자기장이 유도된다. 이것은 ″전류원의 전압 감도 제어″로서 간주될 수 있다. 일반적으로, 본 발명은 ″제어기에 대한 백업″ 또는 ″안전값″를 제공하며, 능동 제어 장치는 때때로 여러 가지 이유 중의 하나로 인해 고장날 수 있으므로, 공보 WO92/17929에 개시된 바와 같은 능동 제어 장치보다는 재료의 고유 성질에 의존하는 안전값을 갖는 것이 유용하다.
이하, ″워밍업(warmup)″ 또는 ″초기 과정″이 없는 수동 제어 수단에서, 포화가 최적화되는 개시 조건에 대한 보호 처리에 대해 설명한다.
본 발명을 통상적인 실시와 대조하는 것이 유용하다. 임의의 페리 자성/강자성 코어는 소정 레벨의 자속에서 포화 상태에 도달할 것이지만 (안전값이 없다면 보일러 중 어떤 것은 폭발할 것과 마찬가지로), 본 발명은 특히 소결합형 픽업으로부터의 최대 허용 출력을 결정하는 방법에 관한 것이므로, 코어가 그 최대 출력에서 포화되고 권선은 소정 최대값보다 큰 출력 전압 또는 전류를 전달할 수 없도록 권선 및 코어를 설계하는 것에 관한 것이다. 이것은 ″안전값″ 효과이다. 서로 다른 유도 전력 전송 어플리케이션들은 통상 작동 출력 대 최대 허용 출력의 비가 서로 다를 것이며, 배터리 충전기와 같은 ″안정성″ 어플리케이션은 축전지를 구비하지 않은 모터형 전달 장치에 공급되는 전력을 수반하는 어플리케이션 보다 1.0에 가까운 비를 가질 것이다.
본 발명에 따른 바람직한 능동 제어 수단은, 실제로, 유도 전력이 1차 도체로부터 2차 도체로 흐르면서 가로지르는 갭 내에 도체 질량을 나타내게 함으로써 부분적 감결합을 사용한다. 실제로, 도체 질량은 단락된 2차 픽업이다 (도 16의 1604 참조). 2차 권선을 단락시키는 것은 어떠한 경우에는 출력을 제로로 만들고, 단락은 정전류형 전원이라고 가정하면 유효한 작동이다. 이러한 제어 수단은 2차 픽업으로부터 나오는 전압의 양을 신속하게 감소시키며, 1차 경로로부터 발산되는 자속에 대해 ″자기적으로 반사적인″ 도전성 표면을 제공하여, 임의의 입사 자속으로 하여금 단락된 권선에 동일 자속 및 대향 자속을 유도하게 한다. 능동 제어는 비교기, 고상 스위치용 드라이버, 및 고상 스위치 그 자체를 통상적으로 포함하는 전자 회로를 수반하며, 그 자체가 전원을 필요로 하며, 미약하나마 한정된 ″세틀링(settling)″ 또는 ″워밍업″ 주기를 가진다. 이러한 방식으로 제어된 소결합형 픽업 회로는 정전류원과 유사하다.
유도 전력 픽업 코일의 물리적인 실시예는 다양한 형상을 취할 수 있으며 본 발명은 모든 페리 자성 또는 강자성 코어에 적용 가능하지만, 본 명세서에서는, 기본적인 예로서 공지된 ″E″ 코어를 사용한다. 종래의 페리 자성 픽업의 예를 도 1에 도시하며, 여기서 한 쌍의 1차 경로 도체(103, 104)가 단면도로 도시되며, 이에 인접하게 배치된 ″E″형 코어(100)가 정면도로 도시된다. 이 픽업은, 둘레에 픽업 코일(102)가 권선되어 있는 두꺼운 중앙 림(limb)(106) 및 한 쌍의 비권선 림(105, 105')을 구비하는 페라이트 코어(101)를 포함한다. 통상, 모든 자속은 중앙 림을 통과하여 중앙 림 둘레의 코일을 통과하는 반면, 비권선 림 각각은 자속의 절반만을 운반하므로, 비권선 림의 단면은 중앙 림(106)의 단면보다 작다. 도면에서는, 중앙 코어의 A-A'선에 따른 단면도를 우측에 도시한다. 공진 유도 전력 전송 2차 픽업의 작동예에서의 이러한 유형의 코어는 통상적인 작동 조건 하에서는 포화 상태를 나타내지 않지만, 제어되지 않는 상태로 남겨지면, 순환 (공진) 전류가 드로운 오프 전류(drawn-off current)의 약 20배 정도에까지 도달할 수 있다.
포화 효과가 결합을 파괴하고 순환 전류를 저감시키도록 사용될 수 있는 메카니즘이 적어도 두 개가 있다. 그 중 하나인 디튜닝(detuning) 메카니즘은, 포화 개시(onset of saturation)로 하여금 코어 투자율 및 2차 유도를 감소시키도록 하여, 픽업의 공진 주파수가 변화되고, 이전에 존재하는 시스템-와이드 공진 주파수로부터의 디튜닝에 의해 감결합이 발생한다. 다른 메카니즘은 감결합이 요구될 때 단락 회로 내의 정전류원을 종단시키는 것에 의존한다. 도 15의 등가 변압기 회로를 참조하면, 등가 회로의 공유 부분 M(1504)의 인덕턴스를 (포화에 의해) 감소시키는 것은 단락 회로 내에 1501, 1502를 통해 유입되는 정전류원을 종단시키는 효과를 가져오며, 그로 인해 1503을 통과하여 부하를 구동시키는 전류가 없어지게 된다. 단락에 의해 정전류원을 디스에이블(disable)시키는 이러한 방식에서는 전압이 무한적으로 (혹은 적어도 치명적인 고장이 발생할 때까지) 상승하기 쉬우므로, 이러한 방식은 개방 회로를 제공하는 데에 바람직하다. 제어 부재 시의 최대 출력이 예측 가능하므로, 필연적인 파손으로 인해 도체 또는 부품의 정격(ratings)을 초과하는 위험이 최소화될 수 있다. 이것은 코어 (도 10 참조)의 물리적 특성 및 권선의 권취수에 의해 주로 결정되므로, 부품 정격을 특정할 때에 알려진 최대값들이 사용될 수 있다.
이들 메카니즘은 동시에 작용할 수 있지만, M(1504)과 연관된 코어의 포화의 디튜닝 효과는 작다. 디튜닝은 유도 전력 전송 시스템 내의 다른 공진 회로에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 서로 다른 포화 가능 재료가 포화 가능 효과를 제공하는 옵션(option) 및 권선 아래에 코어의 포화 가능부를 위치시키는 것이 바람직하다.
한편 포화 가능부가 도 15 또는 도 17에서의 인덕터(1503)에 있다면, (누출 자속; 자속 수집 코어의 포화 가능 수집단을 나타냄) 정전류 입력이 여전히 부하에 대한 출력을 통해 싱크(sink)를 구하고자 해도 디튜닝 효과만이 발생하는 것이 분명할 것이며, 이것은 제1 옵션과 같이 유용하지 않다. 만일 포화 소자가 정류기를 공급하는 인덕터(1706) 내에 삽입되면, 포화는 거의 영향을 미치지 않을 것이다.
권선이 포화 가능 코어부를 둘러싸고 있는 시스템에 대한 전류 대 전압의 관계를 살펴보면, 밀결합이 존재하는 경우, 전압이 상승함에 따라 전류가 비교적 첨예하게 강하하는 부분을 포함한다 (아래의 ″예시″ 참조). 결합 전력은 M2에 비례한다. 이에 반해, 분리 포화 가능 인덕터 (후술함)를 사용하는 또 다른 방법에서는, 디튜닝이 지배적인 요소이므로 전압이 상승함에 따라 전류는 보다 점진적으로 떨어지게 된다. 그 방법은 다른 이점을 가진다.
예시
(출력을 제공하는 저 전압 회로 및 제어식 고 전압 튜닝형 공진 회로가 서로 밀결합되어 있는 국제 출원 제PCT/NZ97/00053호에 개시되어 있는 바와 같은) 배터리 충전 장치에서는, 인입된 전류가 약 210 A에서 포화점 쪽으로 감소됨에 따라, 포화가 개시되며, 예측값 (수학식 자체는 포화 항을 포함하지 않음)과 측정값 사이의 첨예한 편차의 개시에 의해 도시된 바와 같이 결합도가 첨예하게 감소된다.
여기서, 22는 결합된 권선들간의 권선비를 나타내며, VAC는 정류된 DC 전압을 초래하는 권선이 아닌 제어 권선의 보다 높은 전압을 나타내며, 0.004IDC요소는 권선으로부터의 누출 자속을 나타내며, 0.6 V는 다이오드의 순방향 전압 강하를 나타낸다. 첫 번째 항의 상수는 0.0409VAC로 감소된다.
아래의 표 1은 결과값을 나타내다.
IDC 측정된 VAC 측정된 VDC 계산된 VDC 불일치도;다이오드 강하 = 0.6V
0.6 .466 19.5 495.7
210 444 17.0 16.52 0.3
240 414 15.4 15.10 0.1
255 361 13.1 12.90 0.0
270 146 4.3 4.09 0.0
드로운 오프 전류가 저하됨에 따라 포화의 개시가 급격해짐에 주목한다 (이 예에서, 1차 전류는 일정하였다).
장치
다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 몇 가지 예시적인 구현 방법에 대해 개별적으로 혹은 통합적으로 설명한다. 예를 들어, 구현 방법 3은 안전값을 설정하는 것과 유사한 ″현장 조절(on-site adjustment)″과 같은 포화 이전에 최대 자속을 트리밍하도록 구현 방법 1 또는 2에 걸쳐서 적용될 수 있으며, 구현 방법 3은 전력 제어 수단으로서 사용될 수도 있다.
구현 방법 1:
전술한 바와 같이 픽업 코어의 ″자속 수집″ 영역을 보유하는 것은, 바람직하게는 공통 자속 경로 내의 소정 위치에서 코어의 단면적을 감소시킨다. 일반적으로, 공통 위치는 공진 2차 인덕터의 권선의 내측에 위치하게 된다. 도 2 및 도 6 참조. 코어에 네크(neck)부 (즉, 수축부)를 제공하는 것은 파손되기 쉬운 약한 부분을 만드는 것이긴 하지만, 이것은 간단한 방법이 될 수 있다. 냉각 수단이 제공되어 공간을 채울 수 있다. 구현 방법 1 및 2는 코어의 용량을 감소시켜서 높은 자속을 수용하는 두 가지 방법을 예시한다. 도 2는 강자성 코어의 단면(203)이 원래의 단면적(107)으로부터 감소되는 것을 도시하며, 특정 어플리케이션 내에서 상한값을 제공하는 실제적인 감소량은 경험적으로 또는 ″에지 효과″ 등을 고려하여 계산에 의해서 결정될 수 있다. 비자성, 비도체 공간(202)은 권선(102)을 위한 지지체로서 작용하도록 및/또는 코어(203)를 위치 고정하도록 마련될 수 있다. 도 2에서, 코어의 나머지 부분에서와 동일한 종류의 페라이트가 수축된 부분에서도 사용되는 것으로 도시한다.
구현 방법 2:
바람직하게는 공통 자속 경로 내의 소정 위치에 서로 다른 유형의 페라이트를 제공하며, 서로 다른 페라이트는 보다 용이하게 포화 가능한 특성을 가진다. 도 3에, 보다 용이하게 포화되는 종류의 페라이트 재료(302)를 코어의 공통부에 치환한 것을 도시한다. 그 단면 (도 7 참조)은 이 평면에서의 전체 코어가 이와 같이 치환된 재료로 만들어지는 것을 도시한다. 이러한 방식은, 용이하게 포화 가능한 양호한 페라이트, 특히 그 목적에 적합한 페라이트는 전체 자속 수집 코어로서의 일반적인 사용에는 적합하지 않을 수 있다는 이점을 가진다. B 및 H의 편위(excursions)는 코어 접근 포화도 면에서 크고 히스테리성 손실이 변환되어 가열되므로, 바람직한 코어 재료는 B-H 루프의 영역에 의해 표시된 바와 같은 작은 히스테리시스 루프를 가질 것이다. 이러한 방법의 이점은 물리적 구성에 있으며 코어 설계 시에 정확히 예측되는 픽업 특성에 있다. 코어의 한쪽 다리 혹은 양쪽 다리가 이러한 방식으로 변형될 수 있지만, 중앙 다리를 변형시키는 것은 대칭성을 유지해주며, 픽업 권선(102)에서의 전류로부터 발생하는 자속을 포함하여, 조합되는 누출 및 결합 자속을 운반하는 코어 부분을 변경시킬 수 있게 해준다.
구현 방법 3:
공진 회로에 대해 어떤 다른 곳에 접속된, 디튜닝 소자와 같은 개별 포화 가능 인덕터를 사용하면 다음과 같은 이점이 있다: 주 자속 수집 코어는 자속 수집이라는 그 1차적 목적면에서 최적화될 수 있으며, 포화 가능 인덕터는 제어 목적이라는 그 1차적 목적면에서 최적화될 수 있다.
구현 방법 4:
DC (통상적으로) 자화 전류를 사용하여, 페라이트 포화용 전기적 수단을 제공한다. 도 4는 능동 포화 레벨 설정 수단의 원리를 예시한다. 여기서, 권선(402, 403)은, DC (또는 AC) 전류를 운반함으로써, 하나의 제한값 또는 다른 제한값 쪽으로 코어 (또는 코어의 일 부분)의 B/H 곡선에 반영된 바와 같이, 코어에 의한 편위를 바이어싱함으로써, 코어의 포화에 영향을 미칠 수 있다 (도 10A, 10B, 10C에 상세히 도시함). 이러한 방식은 보호와 제어를 조합한 것이다. 선택적으로, 권선은 도 4의 코어의 일 측에만 예시적으로 도시한 서로 다른 페라이트의 블록(404)과 같은 보다 용이하게 포화 가능한 영역 상에 배치될 수 있다.
조합 구현 방식:
구현 방식 4 혹은 능동 제어 구현 방식은 전술한 구현 방식들로 조합되어, 순수 수동 시스템이 능동, 제어 가능 세팅을 백업할 수 있다. 이러한 ″페일 세이프(fail-safe)″ 방식은 일부 응용 장치에서는 필수적일 수 있다.
온도 상승 시에 특히 용이하게 포화되는 재료를 포함함으로써 또 다른 유형의 ″안전값″에 해당하는 과온 방지 기능을 포함할 수도 있다. 실질적으로, 모든 포화 가능 재료는 완전히 온도에 의존한다. 아울러, 선택된 재료의 퀴리 온도를 활용하여, 퀴리 온도 이상으로 온도가 상승했을 때에, 적어도 일부의 코어가 효과적으로 비자성 (투자율이 1.0이 되기 쉬운)이 되도록 할 수도 있다. 그러므로, 코어 혹은 둘레의 권선의 과열에 의해 순환 전력을 신뢰성있게 차단할 수 있게 된다. 다시, 이 재료를 권선 아래에 배치하는 것이 바람직하다 (1504와 같이). 이러한 방식의 문제점은, 물체의 가열을 수반하는 처리 시의 고유의 느린 응답 시간, 과도하게 역 바이어싱되는 정류기, 또는 전압 스트레스형 캐패시터에 적용하는 것과 같은 보다 신속한 파괴 처리의 보호가 불가능하다는 점이다.
이들 구현 방법은, 1차 도체 (자속원)(103, 104)로부터 전력 픽업 장치에 의해 수집된 전력량이 전력 픽업으로부터 도출된 전력량을 크게 초과하는 경우에 픽업의 코어 내의 강자성 특성의 손실 또는 포화 상태가 발생하는 경향이 있다. 포화가 발생하는 포인트는 설계, 재료 선택, 및/또는 외부 포화 수단에 의해 설정될 수 있다 (도 4, 도 10A, 10B, 10C 참조). 바람직하게, 전력 픽업 장치는 광대한 용량에서 자속 수집용으로 사용되는 강자성 코어의 부분을 보유한다. 도 1 내지 도 4에서, 이들은 세 개의 림의 단부들이다. 이들은 더 많은 자속을 포착하기 위해 1차 도체의 축선을 따라 연장될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 유도 픽업용 회로도를 도시한다. 여기서, 103, 104는 1차 도체이며, 102는 시스템 주파수에서의 캐패시터(902)를 구비하는 공진 회로의 2차 코일이다. 브리지 정류기(903)는 공진 회로로부터 예시적인 전력 조절기(904)를 통해 단자(906, 907)에 접속된 부하(905)로 흐르는 전력을 도출한다. 이 회로는 포화 가능 코어(300/302)의 포화도에 의존하여 픽업으로부터 얻을 수 잇는 피크 전압을 제한한다. 효과적으로, 브리지 정류기는 전압 제어형 전류원을 제공하며; 그 전압은 포화가 발생하는 레벨에 의존한다. 예시적인 전력 조절기는, 예를 들어, 선형 급수로 또는 션트 조절에 의해, 브리지 정류기(903)의 출력 양단으로부터 얻어진 입력 전압보다 적은 소정 전압에서 일정한, 조절된 출력 전압을 발생시키는 3 단자 선형 집적 회로일 수 있다.
도 10A는 다른 포화 가능 유도 픽업을 도시하며; 이 예에서 포화 가능 픽업(300/302) 상의 개별 권선(1001)을 제어 수단으로서 사용한다. 이 예에서, 블록(1002)은 제어기이며, 그러나 그 제어는 (1) 출력 전압을 기준 전압과 비교하고, 너무 높으면 (2) 수단(1003)을 통해 보다 큰 DC 전류를 통과시켜서 (유도된 AC가 인덕터(1001)로부터 제어기로 되돌아가는 것을 방지하기 위하여), 코어(300/302)가 포화되는 레벨이 인덕터에 의해 발생된 자속에 의해 감소되어 출력 전압이 강하되게 함으로써 행해진다. 이것은 선형 급수 또는 션트 조절기에 비해 비교적 효율적인 제어 방식이다. 이것은 능동 제어 형태이며, 안전값을 가지도록 설계되어야 하지만; 최대 출력은 포화 가능 코어가 권선(1001) 내의 제로 전류에서도 포화 가능하게 될 포인트에 설정된다. 상기한 설명에서, 설계자는 너무 높은 전류를 요하지 않으면서 높은 자속 밀도를 얻기 위하여 1001에서 권취수를 증가시킬 수도 있으므로, 수단(1003)은 권선(1001)으로부터의 유도 고전압 AC를 차단하도록 요구된다.
도 10B 및 도 10C는 고전압 AC를 상쇄시켜서 차단하는 방법을 도시한다. 도 10B에서, 코어(300)에 대해 권선(1001)에서 발생된 전압은 모사(replicated) 코어(300')에 대해 권선(1001')에서 발생된 반대 위상의 전압과 대향된다. 1004는 1002와 같은 제어 장치에 대한 커넥터를 나타낸다. 전력 권선(102)은 통상적인 방식으로 조절된다. 도 10C는 서로 다른 상쇄 수단을 도시하며, 여기서 각각의 권선(1001, 1001')은 주 권선(102) 아래의 코어(300)의 중앙 다리 내에 부가되기 쉬운 국부 포화를 일으킬 수 있는 정상 자속(steady flux)을 발생시키지만, 하나의 제어 권선에서 발생된 AC 전압은 다른 권선에서 발생된 반대 위상의 전압에 의해 상쇄된다 (103, 104는 주 도체의 단면을 나타내다). 잔여 필터링(1003)은 여전히 유용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 두 가지 예시적인 버전을 도시하고 있으며, 여기서 포화 가능 인덕터[(1101: 상부 버전) 또는 (1102: 하부 버전)]는 픽업 인덕터로부터 물리적 전기적으로 분리되어 있으며, 공진 회로 내에 포함되어 있다. 도시한 구성에서, 포화의 개시는 공진 회로(102, 902, 1101을 포함함)의 총 인덕턴스를 떨어뜨릴 것이며, 이에 의해 공진 주파수는 상승하게 되므로, 트랙(103, 104) 및 픽업간의 결합도가 저감될 것이다. 포화 가능부(1101)에 대한 픽업(102)의 인덕턴스비는, 포화가 픽업을 디튜닝시키기 위한 유효 수단이 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 픽업 소자(102)로부터 포화 가능 소자(1101)를 분리시키는 이점은 주어진 응용례를 위한 픽업의 설계를 최적화하는 기회를 포함한다. 픽업 장치의 대부분의 비용 및 중량은 픽업 인덕터 코어의 페라이트 부품에 포함되며, 코어를 최소한의 조건으로 최적화할 수 있게 하는 데에 유용하다. 또한, 픽업 코어 자체 내에 수축부와 같은 포화 가능 소자를 제공하는 것은 손상 위험율을 높일 수 있다. 아울러, 포화 가능 소자는, 절연되는 경우, 그 특성을 안정화시키기 위하여 강제적 공기 등에 의해 선택적으로 냉각될 수 있으며, 또한 포화 가능 소자는 도 10A에 예시한 바와 같은 능동 구동 제어 권선을 구비할 수 있다. 도 11은 서로 악영향을 미치지 않으면서 동일한 1차 경로(103, 104)로부터 하나 이상의 픽업 또는 전력 소비기를 구동시키는 통상적인 실시 형태를 도시한다.
1차 트랙 사양
현재의 많은 유도 전력 전송 시스템은 공통 시스템 주파수를 사용해야 하며, 1차 전원은 1차 경로 및 각종 소결합 2차 회로의 공진 주파수의 집합이 전원의 ″발진″ 주파수를 설정하는 자가 공진 모드(self-resonating mode)에서 작동한다. 모든 공진 회로 내의 가까이 유사한 공진 주파수는 결합도를 최대화하여, 주파수 호핑 또는 그 이외의 불안정성의 위험을 감소시킨다. 시스템-와이드 공진 주파수는 본 설비에서는 통상 10 내지 15 ㎑이다. 사용되고 있는 포화계 제어가 디튜닝을 발생시키면, 1차 전원 주파수의 변화는 동일한 1차 유도 경로에 따라 동작하는 다른 픽업들에 악영향을 미칠 수 있으므로, 1차 유도 경로에 전력을 공급하기 위해 사용된 전원은 주파수 고정형인 것이 바람직하다. 아울러, 전원이 디튜닝형 픽업 주파수를 ″추적(chase)″할 수 있으면, 제어는 효과가 없을 것이다. 그러므로, 주의깊은 코어 설계에 의해, 1503을 변경시키지 않으면서, 포화 시의 M (도 15에서의 1504)의 의존도를 최대화하도록 공유 인덕턴스를 조작하는 것이 바람직하다.
2차 조절 사양
소결합 시스템의 정전류 유도 전력 전송 픽업은, 공지 전류의 포화계 제한이 존재하면, 전압 제한형 정전류원이 된다. 시스템이 항상 포화시에 작동되면, 정전압원일 수 있다. 이것은, 예를 들어 포화 가능 코어에서의 손실로 인해서, 에너지 효율이 나쁘며, 손실로 인해 발생된 가열이 포화의 드리프트를 발생시키므로, 불안정하다.
예 1:
배터리 충전용 유도 전력 전송을 사용하는 장치에서, 포화형 코어 픽업 설계는, 단락 제어기가 ″개방″ 상태에 들어가는 시점에서 혹은 전력의 초기 접속 시에 발생할 전압 서지로부터 정류기 다이오드가 효과적으로 보호되도록 설계된다. 정전류원이 존재하므로, 전력 소비가 보다 천천히 상승하기 때문에, 충분한 전력을 즉각적으로 투입하면 전압 서지를 야기하게 된다. 정류기로부터 배터리로 흐르는 전류의 상승률은 직렬 인덕턴스에 의해 제한된다.
포화에 대한 설계 공정은, 작동 온도 범위의 하단부에서, 출력 전압이 사용된 정류기 다이오드의 피크 반전 전압 정격을 초과하기 전에, 포화시킬 코어를 제공하는 단계를 포함한다 (온도가 상승됨 따라 포화 시의 자속 밀도가 저감되므로″저온″이 특정된다). 이 응용례는 각각이 45 V의 피크 반전 전압 정격을 가지는 쇼트키 다이오드를 포함하는 브리지를 사용한다. 권취수는 이 예에서는 거의 1이며, 따라서 최대 허용 가능 자속은 권취수 당 90V를 제공하는 양 미만으로 설정된다 (직렬 접속된 두 다이오드에 대한 제한값). 실제로, 본 발명자가 제작한 시제품 변압기로부터 귄취수 당 26 V를 얻었다. 이러한 포화 응용은 순간적인 보호 능력을 제공하며, 재료 특성에 따라, 능동 장치의 종래의 활성화를 요하지 않는다.
이 예에서, 인입된 전류는 비교적 예측 가능하며, 포화가 발생하는 전압은 출력 전압보다 많이 소량으로만 설정될 수 있다 (광범위하게 변화되는 부하를 구비하는, 이동 차량과 같은 다른 응용 장치는 출력 및 포화 사이에 보다 큰 마진을 필요로 할 수 있다.
개시 (시간 A) 후에 배터리 충전기의 2차 전압을 도시한 샘플링된 파형 디스플레이로부터의 전압 (Y = 20 V/눈금) 대 시간 (X = c. 150 ㎲/눈금) 오실로그램을 나타내는 예시적인 측정값들을 도 18에 도시한다. 처음 세 개의 사이클 B, C, D의 피크는 연속적으로 상승하지만, 네 번째 피크(E)는 약간만 크며, 그 후의 피크(F, G, H)는 감소되는 것을 볼 수 있다. 여덟 번째 피크(I) 이후에, 진폭은 안정화되는 경향이 있다. 피크 D 내지 I간의 이러한 효과는 인가 전압의 3 사이클 직후의 포화 개시 및 전압 진폭의 제한을 반영한다. 세 번째 피크 이후의 피크는 동일한 비율로 계속 상승되며, 정류기는 파괴될 것이다 (12.9 ㎑ 전원; 수직 눈금 당 20 V).
또한, 제2 역효과는 포화 가능 코어에 의해 제어된다. 이것은, 공진 캐패시터 및 직렬 인덕터 (픽업 공진 인덕터가 아니라)를 포함하여 불감쇠 공진 회로를 형성하고 흐름상 반복되는 큰 편위를 겪는 회로의 추세이다. 정류기 및 배터리는 이 회로의 일부를 형성하지만, 제동 효과를 거의 없다. 도 19는 2차 출력의 파형 엔벨로프의 다이어그램이며 (여기서, A, D, K는 도 17에서와 동일한 점임), 공진 인덕터와 같은 포화 가능 인덕터를 포함하면 2차 전류 흐름 상의 서지를 효과적으로 제동할 수 있는 것을 도시한다.
변형
본 예는 ″E″형 코어에 대한 것이며, 본 명세서 내에서 언급한 바람직한 코어 재료에 대해 ″페라이트″라는 용어를 사용하고 있으나, 본 발명의 원리는 페리 자성 또는 강자성 재료로 만들어진 어떠한 코어의 재료 및 어떠한 구성에도 적용될 수 있다.
비교적 밀결합 유도 전력 전송 시스템의 경우, 포화에 의한 결합도의 조절은 덜 유용하지만, 디튜닝 특성은 활용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 원리는, 통상적으로 2차 공진이 사용되지 않는 포화에도 적용 가능하며, 이 경우에는 감결합이 가장 중요한 메카니즘이다.
효과
제안된 2차 전류 제한 수단은 수동적이며 재료의 벌크 특성(bulk properties)에 의존한다. 따라서, 본 발명은 매우 신뢰 가능한 페일 세이프 제어 특징을 가진다. 온도 상승, 기계적 충격, 파손 등은 포화 능력을 감소시킨다. 냉각만이 포화 능력을 증가시킬 수 있다. 능동 보호 회로가 적당히 활성화되었는 지의 여부에 상관없이 - 예 1에서와 같이 - 보조 부품의 정격 초과의 위험이 제어될 수 있다. 본 명세서 내에 개시한 바와 같이, 제어 수단으로서 포화도를 사용하는 것은 ″와트리스(wattless)″ 유형의 제어이다. 능동부가 고장나면, 수동 포화 제한이 이루어진다.
다음의 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서, 이상의 설명에 대해 다양한 변경 및 수정을 가할 수 있음은 자명하다.

Claims (9)

  1. 소결합형(loosely coupled) 유도 전력 전송 시스템용 유도 전력 전송 픽업을 제어하는 장치에 있어서 - 상기 픽업은 시스템 주파수에서 교류 전류로 통전될 때에 1차 도체를 둘러싸는 자속으로부터 전류원의 형태로 전력을 수집하는 데에 사용 가능하고, 상기 픽업은 출력 전압 또는 출력 전류를 제어할 수 있는 능동 제어 수단을 포함하며, 상기 픽업은 시스템 주파수에서 공진하는 공진 회로임 -,
    상기 픽업은 상기 픽업에서 순환하는 공진 전류의 양을 소정의 최대량 미만으로 제한할 수 있는 수동 수단을 포함하고,
    상기 수동 수단은 코어를 구비하는 적어도 하나의 포화 가능 인덕터(saturable inductor)를 포함하며,
    상기 코어의 적어도 일부는 소정의 자속 밀도로 포화될 수 있고,
    상기 포화 가능 인덕터는 상기 공진 전류의 적어도 일부를 운반하도록 접속되어, 상기 코어 내의 포화 개시 시에 전력 수집의 효과를 감소시켜서 상기 공진 회로로 유입되는 전류의 양이 제한되게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 포화 가능 인덕터는 선택된 전류에서 혹은 선택된 전류 이상에서 상기 코어 내의 포화 개시를 나타내도록 선택되어, 상기 코어 내의 포화 개시가 상기 픽업의 공진 주파수를 변화시켜서 상기 픽업의 튜닝(tuning)이 상기 시스템 주파수로부터 벗어나게 함으로써, 상기 전력 수집의 효과를 감소시켜서 상기 공진 회로로 유입되는 전류의 양이 감소되게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 포화 가능 인덕터는, 사용 시, 상기 코어의 포화 가능 부분이 결합 자속 및 누출 자속에 의해 공유되어, 상기 포화 개시가 상기 결합 자속의 양을 감소시키고 그에 따라 상기 전류원으로부터 상기 공진 회로로 들어가는 전류의 양을 감소시키게 하여, 상기 포화 개시가 최소량의 디튜닝(detuning)을 야기하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자속을 인터셉트할 수 있는 코어는, 소정의 자속 밀도에서 포화 개시를 나타낼 수 있는 제한된 단면 영역을 가지는 포화 가능부를 포함하여, 그 재료가 적어도 부분적으로 포화되면 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 감소되게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 포화 개시가 발생할 수 있는 상기 소정의 자속 밀도는, 페리 자성 또는 강자성 재료의 범위로부터 알려진 포화 임계 특성을 가지는 재료를 선택하고 상기 코어의 자속 운반부 내의 상기 선택된 재료의 양을 사용함으로써 결정되어, 상기 재료가 적어도 부분적으로 포화되면 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 감소되게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 포화 개시에 도달하도록 요구되는 자속의 양은, 소정의 포화 개시를 갖는 상기 코어의 일부 상에서 권선되는 하나 또는 그 이상의 부가적인 권선을 통해 전류를 통과시킴으로써 제어되고,
    상기 권선은 상기 코어의 포화 가능부 내에 자속을 발생시킬 수 있는 DC 전류를 운반할 수 있으며,
    상기 DC 전류는 사용 시의 전력 픽업 조건에 응답하여 제어기에 의해 발생되어, 상기 1차 도체와 상기 픽업 회로간의 결합 효율이 이에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 포화 가능 인덕터는 상기 자속을 인터셉트할 수 있는 인덕터로부터 물리적으로 분리되며,
    상기 포화 가능 인덕터는 상기 공진 회로 내에 접속되어, 상기 포화 가능 인덕터가 전체 공진 전류의 적어도 일부를 운반하게 하고, 사용 시의 상기 포화 가능 인덕터의 적어도 부분적 포화의 개시에 의해 상기 픽업의 공진 주파수가 상기 시스템 주파수로부터 멀어지게 하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전송 픽업용 제어 장치.
  8. 유도 전력 전송 시스템용 공진 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서,
    상기 픽업 장치 내의 순환 공진 전류의 크기는 상기 장치의 상기 공진 회로 내에 포함된 인덕터의 포화 가능 코어 내에 도달되는 적어도 부분적 포화의 결과로서 원하는 크기 아래로 유지하도록 제한될 수 있고,
    상기 제한 처리는 능동 제어 수단에 독립적으로 되어 있어서, 전압 제한이 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 유도 전력 픽업 장치 조작 방법.
  9. 유도 전력 전송 시스템용 공진 유도 전력 픽업 장치를 조작하는 방법에 있어서,
    상기 픽업 장치 내의 순환 공진 전류의 크기는, 적어도 하나의 부가 권선을 통과하는 자화 전류에 의해 상기 장치의 공진 회로 내에 포함된 포화 가능 인덕터 내에 발생되는 포화의 결과로서 제어 가능하며,
    상기 자화 전류는 능동 제어 수단에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 유도 전력 픽업 장치 조작 방법.
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