KR20110034314A - 전기자동차용 급전장치 및 집전장치 - Google Patents

Abstract

비접촉방식의 전기자동차용 급전장치와 집전장치가 제공된다. 급전 장치는 도로의 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 도로의 진행방향과 수직을 이루는 방향으로 배치된 복수 개의 자극을 구비하고, 도로 진행방향에 수직인 폭을 매우 작게 한 급전코어와 도로의 진행방향을 따라 서로 이웃하는 상기 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선을 포함한다. 집전 장치는 급전 장치로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받을 수 있다.

본 발명에 의하면, 도로면과 집전장치 사이의 공극간격을 크게 하고 자동차 운행방향의 좌우 치우침인 조향편차의 허용폭을 충분히 허용하면서도, 급전선로의 폭과 집전모듈의 폭을 줄이고 전자기장(EMF, electromagnetic field)의 발생량을 대폭 경감시키며, 특히 급전선로의 폭을 현격히 줄임으로써 도로 설치 비용을 크게 절감할 수 있다.

전기자동차, 비접촉 전력전달, I형, 격자형, 모노레일, 듀얼레일, 급전장치, 집전장치

Description

전기자동차용 급전장치 및 집전장치{POWER SUPPLY AND COLLECTOR DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 비접촉방식의 전기자동차용 급전장치와 집전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도로 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치된 복수 개의 자극을 구비하고 도로 진행방향에 수직인 폭을 매우 작게 한 급전코어 및 도로 진행방향을 따라 서로 이웃하는 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선을 구비하는 급전장치와, 이로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받을 수 있는 전기자동차에 설치되는 집전장치에 관한 것이다.

기존의 배터리 전기자동차의 가장 큰 문제점이었던 과도한 배터리 용량과 이로 인한 차량 무게나 부피, 비용의 증가, 긴 충전시간 또는 대용량 충전시설과 낮은 충전효율, 배터리 수명단축 등의 문제를 해결하기 위해 자기유도를 이용한 비접촉 전력전달 방식이 제안되고 있다. 특히 주행중에도 도로바닥으로부터 전력을 전달받아 차량에 필요한 에너지를 공급하고 배터리 충전도 할 수 있는 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle)가 KAIST 주도로 개발되고 있다.

코어의 형상이나 급전선의 구조를 어떻게 하느냐에 따라 자력선의 분포가 달 라지는데, 온라인 전기자동차에서는 집전장치와 도로표면과의 간격, 즉 공극간격(air gap)을 크게 하더라도 전력을 잘 전달할 수 있는 구조가 필요하다. 또한 온라인 전기자동차가 일반도로를 자유롭게 주행할 수 있게 하려면 차량이 도로 중앙에서 벗어나 좌우로 어느 정도 움직이더라도 원활히 집전이 될 수 있어야 한다.

도 1은 이러한 목적에 사용되기 위해 고안된 종래의 E형 전기자동차용 급전장치(110)와 집전장치(120)의 구조를 나타내고 있다. 급전장치는 도로를 따라 연장되는 급전선(113)과 급전코어(111)로 구성되며, 급전코어(111)에는 자극(magnetic pole)(112)이 도로의 진행방향에 수직으로 세워진 방향으로 3개 구비된다. 집전장치(120)는 통상 차량 하부에 부착되며 집전선(123)과 집전코어(121)로 구성되고, 도로의 길이방향과 직각으로 역시 3개의 자극(122)을 갖는다. 이러한 자극과 자력선 분포는 도로의 길이방향으로는 어디나 동일하여, 주행 중에라도 집전장치에 유기되는 전압은 정차중인 경우나 동일한 특성이 있다.

미국 버클리대학을 중심으로 구성된 PATH팀은 1988년부터 이러한 원리에 기반하여 비접촉 전력전달 기술을 개발하여 공극간격을 2~3인치(약 5~7.5cm) 띄울 수 있었으며, 차량의 좌우방향으로는 15cm 정도 편차가 있어도 전력을 전달할 수 있었다. 캐나다에 본사를 두고 있는 독일의 Bombardier사는 전철의 궤도차량에 비접촉 전력전달기술을 적용하여 공극간격을 약 6cm 정도 띄운 것으로 알려져 있다. 이 경우는 좌우 조향이 불필요하여 좌우방향 편차가 없기 때문에, 급전장치를 약 15m 길이로 짧게 함으로써 시스템 전력효율을 92% 이상으로 올린 것으로 알려져 있다.

도 2는 공극간격이 커져도 자기저항이 줄어들 수 있는 초박형 급전/집전장치이다. 급전선이 한 개(212)인 모노레일의 경우의 정면도(210)와 평면도(220), 그리고 급전선이 두 개(231, 232)인 듀얼레일의 경우의 정면도(230)와 평면도(240)가 도시되어 있다. 이러한 방식으로 KAIST는 2009년 6월과 8월에 일반도로를 주행하는 전기버스와 승용차(SUV)에 부착하여, 공극간격을 16cm 이상 크게 하면서 시스템 전력효율 70% 이상을 달성한 바 있다. 급전장치의 도로매설 깊이까지 고려하면 약 20cm의 공극간격을 달성한 것으로 집전장치의 좌우편차 허용폭도 20~40cm에 달해, 실용화에 근접한 것으로 평가된다.

그런데, 이 방식의 문제점은 급전레일 폭이 원하는 공극간격의 약 2배 이상이 되어야 한다는 것이다. 급전레일 폭이 30cm이하로 줄어들게 되면 급전장치(211)의 한쪽 자극에서 나온 자장(214)이 다른 자극으로 곧바로 들어가기가 쉬워져서 집전장치(213)를 경유하지 않게 되어 전력전달이 잘 이뤄지지 않는다. 따라서, 원하는 공극간격이 25cm이면 급전레일 폭은 50cm 정도가 되어야 한다. 즉, 모노레일(210, 220)의 경우에는 급전장치의 폭이 급전레일의 폭과 같은 50cm이지만, 듀얼레일(230, 240)의 경우에는 급전장치의 폭이 급전레일의 2배인 100cm나 된다. 이와 같이 급전장치의 폭이 지나치게 커지면, 코어의 재료비와 도로 공사비용도 증가하고 차량 측면방향의 전자기장(EMF)의 세기도 커져서 허용기준치(20kHz 대에서 62.5mG 이하)를 만족시키기 쉽지 않게 된다.

이 방식의 또다른 문제점은 공극간격이 커지면 집전장치의 폭도 따라서 커져 야 한다는 점이다. 집전장치의 폭은 급전장치의 폭보다 좌우로 공극간격만큼 더 커져야 함은 물론 차량 좌우방향 조향편차 허용치만큼 추가되어야 한다. 예컨대, 공극간격이 25cm이고 조향편차가 30cm라면, 듀얼레일의 집전장치 폭은 25cm(공극) x 2배 x 2(듀얼) + 25cm(공극) x 2(좌/우) + 30cm(조향편차) x 2(좌/우) = 210cm에 달하게 된다. 이는 통상적인 버스의 전장 폭에 해당하며, 승용차의 경우에는 이 조건을 만족할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 도로면과 집전장치 사이의 공극간격을 크게 하고 자동차의 운행방향의 좌우 치우침인 조향편차의 허용폭을 충분히 허용하면서도, 급전선로의 폭과 집전모듈의 폭을 줄이고 전자기장(EMF, electromagnetic field)의 발생량을 대폭 경감시킬 수 있는 전기자동차용 급전장치 및 집전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기자동차에 자기유도방식으로 전력을 공급하는 급전장치는, 도로 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치된 복수 개의 자극을 구비하고, 도로 진행방향에 수직인 폭이 상기 자극간 간격의 2분의 1 이하인 급전코어; 및 도로 진행방향을 따라 서로 이웃하는 상기 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선을 포함한다.

상기 급전선의 길이를 최소화하도록 자극의 일단부와 이웃하는 자극의 반대편 단부를 대각선으로 연결할 수 있다.

상기 급전선은, 자극이 없는 부분에서는 도로의 진행방향과 평행하게 설치되고, 자극 주위에서는 자극의 좌우측 중 일측을 두르도록 설치될 수 있다.

상기 급전선은 도로 진행방향과 평행하게 일직선으로 설치되고, 상기 자극은 도로 진행방향으로 상기 급전선의 좌측과 우측에 교대로 설치될 수 있다.

상기 자극은 도로 진행방향과 평행한 반원기둥 형태의 홈을 구비하고, 상기 급전선은 도로진행방향과 평행하게 일직선으로 상기 홈을 통과하도록 설치될 수 있다.

상기 자극은, 도로진행방향에 수직한 단면의 형태가, 상부 및 하부에 급전선을 수용하는 두개의 공간을 구비하는 'S'자형이고, 상기 급전선은 상기 공간을 도로진행방향으로 통과할 수 있다.

도로진행방향으로 설치된 일자형의 자기차폐 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기자동차에 자기유도방식으로 전력을 공급하는 급전장치는, 하나 이상의 자극 및 전후 양단에 코어연결부를 구비한 다수의 급전코어 모듈이 도로 진행방향을 따라 연결되어 이루어진 급전코어; 및 도로 진행방향을 따라 서로 이웃하는 상기 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선을 포함한다.

상기 급전코어는, 도로 진행방향에 수직인 폭이 상기 자극간 간격의 2분의 1 이하인 것일 수 있다.

바람직하게, 상기 급전코어는, 열 팽창 및 열 수축을 수용할 수 있도록, 일정간격 이격된 상태로 상기 코어연결부에 의해 체결되어 있는 것이 좋다.

상기 급전코어는, 상부 또는 하부에 유리섬유보강 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)이 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 급전장치로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받는 전기자동차용 집전장치는, 전기자동차 하단에 급전장치와 일정간격 이격되고 도로의 진행방향과 수직을 이루는 방향으로 설치되는 두 개 이상의 집전코어;급전장치의 자극(magnetic pole) 간격만큼 이격되도록 상기 집전코어를 연결하는 코어연결부재; 및 상기 각 집전코어 또는 코어연결부재 주위에 감겨진 집전선을 포함한다.

상기 집전코어는 평판(plate)형 또는 격자(lattice)형일 수 있다.

도로진행방향으로 집전전압의 실효치가 가변되는 것을 상쇄시킬 수 있도록 복수의 집전장치간 간격을 자극간격의 n 분의 1로 하는 것이 바람직하다.

집전코어 주위에 루프형의 자기차폐 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 I형 급전장치는, 도로 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치된 복수 개의 자극과, 이웃하는 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선에 의해 공극간격을 상당히 크게 만들 수 있다. 본 발명에서 공극간격을 키우기 위해서는 자극간격을 늘리면 되는데, 도 2의 경우처럼 급전장치의 폭을 늘릴 필요가 없고, 특히 급전장치의 폭을 현격히 줄임으로써 도로에 설치하는 비용을 크게 절감할 수 있다.

또한 본 발명의 I형 급전장치는 조향편차를 크게 허용하는 효과가 있다. 즉, 집전장치의 폭을 급전장치에 비해 크게 해주면 차량이 좌우방향으로 치우치더라도, 즉 조향편차가 커지더라도 자기회로의 저항이 일정하게 유지되는 한 전달되는 전력에 큰 변화가 없게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 I형 급전장치는 도로 측면에서 관측되는 전자기장(EMF) 발생량이 도 2의 실시예의 경우에 비해 현저하게 줄어들게 되는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 I형(I shape slim type) 급전장치의 일 실시예를 나타내는 도면으로서, 급전선로의 폭(315)을 매우 작게, 즉, 자극(312)간 간격의 2분의 1 이하로 한 경우의 일 실시예이다. 자극간 간격이란 자극의 중심간 간격을 의미하며, 급전선로의 폭이란, 도면에서 보는 바와 같이, 급전선을 포함하는 급전코어가 도로진행방향에 수직인 방향으로 차지하는 길이를 의미하며, 이하 모든 도면에서 그와 같은 의미로 사용된다. 도로 위에서 바라본 평면도(310) 및 도로 옆에서 바라본 단면의 모양인 측면도(350)가 도시되어 있다.

I형'이라는 명칭을 사용한 이유는 급전장치를 도로진행방향에 수직인 단면으 로 자른 단면을 나타내는 정면도의 형상이 'I'자형이기 때문이다. 본 도면에는 정면도가 도시되지 아니하였으나, 도 8을 참조하면, 정면도(830)에서 급전장치(831)의 형태가 'I'자형인 것이 명백히 도시되어 있고, 본 도면인 도 3 및 이후의 도면은, 실시예에 따라 약간의 형상차이는 있으나, 이와 같은 'I형'의 급전장치를 도시하고 있다.

급전코어(311)의 각 자극(magnetic pole)(312)에 자력선(316)이 N극, S극이 교대로 발생할 수 있도록 급전코어(311) 위에 급전선(313, 314)이 구비되며, 급전선이 1개이면 모노레일, 2개이면 듀얼레일에 해당한다. 본 발명에서, 급전코어(311)의 자극(312) 끝부분은 도로표면으로 노출되지 않고 도로내부에 완전히 매설된다.

본 도면인 도 3은 듀얼레일의 일실시예이다. 듀얼레일의 경우, 두 급전선에는 서로 반대방향의 전류가 흐르게 된다.

도 3은 듀얼레일이면서 급전선의 길이를 최소화한 형태를 예시하고 있다. 급전선로의 폭(315)은 10cm 이하로 줄어들 수 있는데, 이렇게 하더라도 공극간격은 20cm이상으로 하는데 아무런 문제가 없다. 측면에서 보면 급전선의 가설방향이 도로 진행방향과 거의 같아서 급전선과 급전코어가 도로진행방향으로 거의 같이 매설되는 형태를 가진다. 그런데, 이렇게 급전선로의 폭이 줄어들더라도 전달되는 전력이 급전선로의 폭에 정비례하여 감소하지는 않는다. 급전선로의 면적 감소보다 전력감소가 작다면 그만큼 비용 대 효과의 측면에서는 유리해진다.

도 4는 I형 급전장치에서 자극(412) 주위를 제외하고는 2개의 급전선을 도로진행방향으로 나란히 배열(413, 414)된 상태를 나타내는 도면이다. 이러한 배열에 의하여 두 급전선(413, 414)에 의한 측면방향 전자기장(EMF) 발생이 최대한 억제되게 된다. 이렇게 하면 급전선(413, 414)과 급전코어(411)가 자극(412) 주위를 제외하고는 완전히 도로진행방향으로 나란히 배열되는 구조가 된다. 본 도면의 경우는 자극(412)이 사각형인 경우의 실시예를 나타낸다.

도 5는 I형 급전장치에서 급전선(513, 514)이 굽혀지기 쉽도록 자극(512)의 형태를 둥글게 한 경우의 실시예를 나타내는 도면이다.

도 6은 I형 급전장치에서 자극의 급전선(613, 614)이 전혀 굽혀질 필요가 없도록 자극(612)의 위치를 도로진행방향으로 급전선(613, 614)의 좌우에 교대로 배치한 경우를 나타내는 도면이다. 이렇게 하면 2개의 급전선(613, 614)이 상하로만 간격을 가지게 되고, 도로진행방향으로 도로와 수직한 면에서, 같은 평면 안에 나란히 되는 구조가 된다.

도 7은 급전선이 지나기 위한 반원기둥형의 홈(703)이 구비된 자극(702)의 구조를 나타내는 도면이다. 원형 케이블을 이용하여 전류가 도로진행방향(Go)(705)으로 흐르는 급전선(704)과 그 반대방향(Return)(707)으로 전류가 흐르는 급전선(706)이 도시되어 있다.

급전선(704, 706) 주변으로 자극(702)의 반원기둥형의 홈(703)이 지나도록 하여 자극(702)이 급전코어(701)의 정중앙에 위치하도록 하였으면서도, 2개의 급전선(704, 706)이 급전코어(701)와 완전히 나란하게 상하로만 겹치도록 한 구조가 된다. 이렇게 하면 급전선로 폭이 급전선의 직경에 급전코어의 두께의 2배 만큼만 더한 크기로, 아주 얇게 만드는 것도 가능하다. 예를 들어 급전선의 직경이 2cm, 코어의 두께가 1cm라면 급전선로의 폭은 총 4cm 밖에 되지 않는다. 초박형 I형(ultra slim I type) 급전장치가 되는 것이다.

도 8은 I형 집전장치에서 자극(magnetic pole)(812)의 면적을 넓히기 위해 도로진행방향으로 자극(812)을 길게 한 경우의 실시예를 나타내는 도면이다. 이렇게 하면 도로진행방향에 수직인 단면으로 자른 단면을 나타내는 정면도(830)에서 보는 바와 같이 급전장치(831)에서 나온 자속(832)이 공극간격(833)의 2배 이상 넓은 집전모듈의 폭(816)에 의해 집속이 되어 자기회로 저항이 줄어들게 된다. 즉, 급전선로의 폭(834)이 좁더라도 도로진행방향으로 자극의 크기를 크게 해주면 원활히 전력전달이 이루어질 수 있다. 여기서 집전모듈이란 집전코어와 그에 포함된 집전선 및 전자장치를 포함하는 용어로 사용하기로 한다.

추가적으로 전력전달 효율을 더 높이기 위해 필요한 경우 급전선로의 폭을 10~20cm 정도로 다소 더 넓힐 수도 있다. 하지만, 앞서 언급한 것처럼 급전선로의 폭을 넓히는 데 따른 전력전달 용량 증가는 크지 않으며, 코어의 포화 자속밀도를 낮추는데 유효할 뿐이다. 물론, 이러한 형상으로 급전장치를 변형시키더라도 도 6 이나 도 7에서와 같이 급전선이 굽혀지지 않고 일직선을 유지하도록 급전코어를 변형시켜주는 것도 가능하다(미도시). 또한 급전코어의 끝부분과 중간부분을 다양하게 변형시킴으로써 자기력선의 분포를 개선하는 것도 가능하다(미도시).

한편, 도 8에는 도로진행방향을 따라 자극 간격과 동일한 간격으로 배치된 집전장치(815)가 도시되어 있다. I형 급전장치에 대응되는 집전장치(815)는 도로진행방향과 수직하게 판(plate)형의 집전코어(815.1, 815.2)가 배열되어 있고 이러한 집전코어(815.1, 815.2)를 연결하는 코어 연결부재(815.3)가 있는 것이 특징이다. 집전코어(815.1, 815.2) 주위 또는 코어 연결부재(815.3) 등 자기경로상에 집전선을 감아서 위치시킬 수 있는데, 본 도면과 같이 2개의 집전코어(815.1, 815.2)를 둘 수도 있고, 3개의 집전코어를 둘 수도 있다(미도시). 집전코어를 많이 둘수록 더욱 많은 전력을 집전할 수 있다. 온라인 전기자동차에서는 최대 차량의 전장 길이만큼 집전장치를 여러 개 둘 수 있다. 한편, 3개의 집전코어를 배열한 경우, 집전선을 3개 두지 않고 중앙에 1개만 두고 전후에는 집전코어만 있는 형태로 할 수도 있다. 이렇게 하면 전후의 집전코어는 자기회로 역할만 하고 전력을 직접 전달하지는 않는다.

도 9는 집전장치(915)에서 집전코어(915.1)를 격자(lattice)형으로 구성한 경우의 실시예를 나타내는 도면이다. 이와 같이 하면 집전코어(915.1)의 무게를 감소시킬 수 있고 냉각에 유리하며 기계적으로 견고한 구조로 제작하는데 유리할 수 있다. 여기서 창살의 간격은 공극간격(921)의 1/2 이하로 충분히 작기만 하면 전기 적 성능에는 큰 영향이 없다.

도 10은 I형 급전장치 위로 집전장치가 지날 때 좌표별 집전전압의 실효치의 변화를 나타내는 도면이다. 도로진행방향(x 축)으로는 매 자극간격마다 집전전압이 0으로 떨어지는 것이 반복된다. 최대한 집전전압 실효치가 평탄한 부분이 많도록 설계하는 것이 중요한데, 이렇게 해야 집전전압 실효치의 평균값이 높아지게 되어 전력전달량이 많아지게 된다. 이러한 집전전압의 변동은 온라인 전기자동차의 집전장치에 포함되어 있는 레귤레이터에 의해 완충될 수 있어 실용적으로는 큰 문제가 되지 않을 수 있다. 다수의 집전장치를 사용할 경우 자극간격의 1/2 또는 1/3만큼 어긋나게 배치하고 각 집전장치의 최대 전압을 레귤레이터에서 선택하거나 각 집전장치의 전압의 평균을 취하도록 하면, 이러한 집전전압 변동을 없앨 수 있다. 도 9에서 두 집전장치(915, 916)는 자극간격(922)의 1/2만큼 서로 어긋나있는 경우를 예시하고 있다. 이렇게 하면 한쪽 집전장치의 전압이 최소일 때 다른 한쪽은 최대가 된다.

한편, 도로좌우방향(y 축)으로 집전장치가 이동할 때, 즉 조향편차가 있는 경우에도 편차가 커지면 집전전압 실효치가 감소한다. 조향편차가 작을 경우, 집전전압 실효치가 거의 감소하지 않도록 하려면 집전모듈의 폭을 충분히 크게 하면 되나, 너무 클 경우에는 집전장치의 누설 인덕턴스가 너무 커져서 집전효율을 떨어뜨릴 수 있으므로 적절한 조정(trade-off)이 필요하다.

도 11은 급전장치를 굽어진 도로에 시공하기 편리하도록 자극간격의 크기로 모듈화한 급전코어 모듈을 나타내는 도면이다. 각 급전코어 모듈의 평면도(1110) 및 측면도(1120)가 도시되어 있다. 급전코어 모듈의 양쪽 끝면에는 자기회로적으로 접촉면적이 넓으면서 기계적으로 간편히 체결가능한 암수구조의 연결부재(1111, 1112)를 구비한다. 이와같이 구성해주면 급전코어 모듈을 현장에서 결합하면서 좌우방향으로 굽어진 도로를 따라 약간씩만 각도를 틀어주면 된다. 급전코어 모듈이 연결부재(1111, 1112)에 의해 결합된 형태의 평면도(1130) 및 측면도(1140)가 도시되어 있다. 또한 본 도면에 도시되지는 아니하였으나, 동일한 원리로 경사면 등 상하방향으로 굽어진 도로에 대해서도 시공가능한 코어모듈을 구성할 수 있다.

도 12는 급전장치의 온도변화에 따른 팽창 수축 문제에 대처하도록 한 구조의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 급전장치가 열 수축된 경우의 평면도(1210), 측면도(1230) 및 그때의 급전코어 길이(1211)가 도시되어 있고, 또한 열 팽창된 경우의 평면도(1220), 측면도(1240) 및 그때의 급전코어 길이(1221), 그리고 정면도(1250)가 도시되어 있다.

도로는 통상 -20~+80도씨 정도의 변화를 견딜 수 있어야 하는데, 급전장치를 구성하는 자기재료나 케이블, FRP나 PVC관 등 케이블 보호기구, 아스팔트나 시멘트 등이 열팽창을 하고 또한 열팽창계수가 다른 것을 감안해야 한다. 또한 이 과정에서 방수 특성이 양호하게 유지되어야 한다.

따라서 각 구조물은 도로진행방향으로 일정하게 단절되며 그 접속면이 방수 가 유지되도록 하는 것이 중요하다. 도 12는 급전코어(1231) 간에 도로진행방향으로 동일한 자성재료로 된 연결부재(1232)를 구비한 경우의 예를 보이고 있다. 또한 유리섬유보강 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)(1233)를 단절하여 체결하되 그 체결부위를 O-링 처리(1234)한 경우를 보이고 있다. FRP나 PVC관의 체결에는 수축튜브나 본드 접속 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한 매번 신축성 있는 연결부재로 체결할 필요는 없으며 수 미터 내지 수십 미터 단위로 한 번씩 신축적인 연결부재를 사용할 수도 있다. 다만, 일반적으로 케이블은 유연성이 있으므로 통상 별도로 이러한 조치가 불필요하다.

도 13은 I형 급전장치의 시공방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

우선 도로에 'T'자형 홈(1301)을 판 후(S1301), 급전코어(1302)를 FRP 판(1303) 위에 붙인다(1302). 급전선(1304)을 급전코어에 감고(S1303), 우산형(umbrella type)의 FRP 관(1305)을 씌워서 추가적인 방수가 되도록 한다(S1304). 이후 이를 T형 홈(1301)에 넣고(S1305) 아스콘(1305)으로 상부를 포장한다(S1306).

도 14는 I형 급전장치의 시공방법의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

우선 도로에 '1'자형 홈(1401)을 판 후(S1401), 홈 바닥에 일정간격으로 배수구(1402)를 판다(S1402). 급전선(1404)을 급전코어(1403)에 감고(S1403), 'ㅁ'자형 FRP 관(1405)에 넣어서 완전히 방수가 되도록 한다(S1404)). 이후 이를 1자형 홈에 넣고(S1405), 아스콘(1406)으로 상부를 포장한다(S1406).

도 15는 급전코어와 급전선을 매우 얇게 할 수 있는 'S'자형 급전코어를 나타내는 도면이다.

왼쪽 도면(1510)은 원형 케이블을 이용하여 전류가 도로진행방향으로 흐르는(Go) 급전선(1511)들과 그 반대방향으로 전류가 흐르는(Return) 급전선(1512)들을 S자형 급전코어의 각각 위와 아래쪽 부분에 위치하도록 한 구조로서, 급전선로의 폭(1513)은 급전선(1511, 1512)의 직경과 급전코어(1511)의 두께에 FRP(1514) 2개의 두께에 의해 결정된다. 통상적으로 케이블의 직경이 3cm, 급전코어의 두께가 1cm 내외, FRP의 두께가 0.5cm 이므로 급전선로의 폭이 5cm에 불과하게 된다.

오른쪽 도면(1520)은 판형 급전선(1521, 1522)을 이용하여 더욱 두께를 줄이면서 S형 급전코어(1501)와 보다 더 일체화가 되도록 한 경우인데, 이렇게 하면 더욱 두께가 줄어들어 급전선로의 폭이 3cm 내외에 불과할 수도 있다.

이렇게 초박형의 I형 급전장치를 구성하면, 도로에 가는 홈만 파고 곧바로 묻어버려도 되며, 아스콘 포장이 불필요할 수도 있어서 도로 공사비용도 획기적으로 줄어든다. 또한 10~25cm 정도인 급전장치의 높이에 비해 급전선로의 폭이 작아지면 S형상으로 인한 자체 누설 자속도 그만큼 감사하는 효과가 있다.

도 16은 I형의 급전장치와 집전장치의 자기차폐 방법을 나타내는 도면이다.

I형 집전장치는 차폭에 비해 크기가 절반 정도로 줄어들 수 있어서 자기차폐를 할 공간적 여유가 생긴다는 점이 특징이다. 따라서 도 16과 같이 루프형의 자기 차폐 재료(1601)로 주변을 감싸면 누설자속이 자기차폐 루프(1601)를 따라 자기 접지(magnetic ground)되므로 자기차폐 효과를 발휘하게 된다. 자기차폐는 측면을 따라서만 이루어질 수도 있으나 윗면을 덮으면서 이뤄질 수도 있다.

I형 급전장치의 경우 일정간격으로 자극이 교번하게 되어 측면방향에 대한 전자기장(EMF)이 발생하므로, 도 16과 같이 길이방향으로 1자형의 자기차폐선(1602)을 구비하게 되면 길이방향으로 자기 접지가 이뤄져서 자기차폐 효과가 발휘된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 전기자동차용 급전장치와 집전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 2는 초박형의 모노레일 및 듀얼레일 급전/집전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 3은 I형(I shape slim type) 급전장치의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 4는 I형 급전장치에서 자극 주위를 제외하고는 2개의 급전선을 도로진행방향으로 나란히 배열된 상태를 나타내는 도면.

도 5는 I형 급전장치에서 급전선이 굽혀지기 쉽도록 자극의 형태를 둥글게 한 경우의 실시예를 나타내는 도면.

도 6은 I형 급전장치에서 자극의 급전선이 전혀 굽혀질 필요가 없도록 자극의 위치를 도로진행방향으로 급전선의 좌우에 교대로 배치한 경우를 나타내는 도면.

도 7은 급전선이 지나기 위한 반원기둥형의 홈이 구비된 자극의 구조를 나타내는 도면.

도 8은 I형 집전장치에서 자극(magnetic pole)의 면적을 넓히기 위해 도로진행방향으로 자극을 길게 한 경우의 실시예를 나타내는 도면.

도 9는 집전장치에서 집전코어를 격자(lattice)형으로 구성한 경우의 실시예를 나타내는 도면.

도 10은 I형 급전장치 위로 집전장치가 지날 때 좌표별 집전전압의 실효치의 변화를 나타내는 도면.

도 11은 급전장치를 굽어진 도로에 시공하기 편리하도록 자극간격의 크기로 모듈화한 급전코어 모듈을 나타내는 도면.

도 12는 급전장치의 온도변화에 따른 팽창 수축 문제에 대처하도록 한 구조의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 13은 I형 급전장치의 시공방법의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 14는 I형 급전장치의 시공방법의 다른 실시예를 나타내는 도면.

도 15는 급전코어와 급전선을 매우 얇게 할 수 있는 'S'자형 급전코어를 나타내는 도면.

도 16은 I형의 급전장치와 집전장치의 자기차폐 방법을 나타내는 도면.

Claims (15)

1. 전기자동차에 자기유도방식으로 전력을 공급하는 급전장치로서,

   도로 진행방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치된 복수 개의 자극을 구비하고, 도로 진행방향에 수직인 폭이 상기 자극간 간격의 2분의 1 이하인 급전코어; 및

   도로 진행방향을 따라 서로 이웃하는 상기 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선

   을 포함하는 전기자동차용 급전장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 급전선의 길이를 최소화하도록 자극의 일단부와 이웃하는 자극의 반대편 단부를 대각선으로 연결한 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 급전선은,

   자극이 없는 부분에서는 도로의 진행방향과 평행하게 설치되고,

   자극 주위에서는 자극의 좌우측 중 일측을 두르도록 설치되는 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 급전선은 도로 진행방향과 평행하게 일직선으로 설치되고,

   상기 자극은 도로 진행방향으로 상기 급전선의 좌측과 우측에 교대로 설치되는 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 자극은 도로 진행방향과 평행한 반원기둥 형태의 홈을 구비하고,

   상기 급전선은 도로진행방향과 평행하게 일직선으로 상기 홈을 통과하도록 설치되는 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 자극은,

   도로진행방향에 수직한 단면의 형태가, 상부 및 하부에 급전선을 수용하는 두개의 공간을 구비하는 'S'자형이고,

   상기 급전선은 상기 공간을 도로진행방향으로 통과하는 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   도로진행방향으로 설치된 일자형의 자기차폐 부재를 더 포함하는 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
8. 전기자동차에 자기유도방식으로 전력을 공급하는 급전장치로서,

   하나 이상의 자극 및 전후 양단에 코어연결부를 구비한 다수의 급전코어 모듈이 도로 진행방향을 따라 연결되어 이루어진 급전코어; 및

   도로 진행방향을 따라 서로 이웃하는 상기 급전코어의 자극이 다른 극성을 갖도록 배치되는 급전선

   을 포함하는 전기자동차용 급전장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 급전코어는,

   도로 진행방향에 수직인 폭이 상기 자극간 간격의 2분의 1 이하인 것

   을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 급전코어는,

    열 팽창 및 열 수축을 수용할 수 있도록, 일정간격 이격된 상태로 상기 코어연결부에 의해 체결되어 있는 것

    을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
11. 청구항 8에 있어서,

    상기 급전코어는,

    상부 또는 하부에 유리섬유보강 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)이 설치된 것

    을 특징으로 하는 전기자동차용 급전장치.
12. 청구항 1에 기재된 급전장치로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받는 전기자동차용 집전장치로서,

    전기자동차 하단에 급전장치와 일정간격 이격되고 도로의 진행방향과 수직을 이루는 방향으로 설치되는 두 개 이상의 집전코어;

    급전장치의 자극(magnetic pole) 간격만큼 이격되도록 상기 집전코어를 연결하는 코어연결부재; 및

    상기 각 집전코어 또는 코어연결부재 주위에 감겨진 집전선

    을 포함하는 전기자동차용 집전장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 집전코어는 평판(plate)형 또는 격자(lattice)형인 것

    을 특징으로 하는 전기자동차용 집전장치.
14. 청구항 12에 있어서,

    도로진행방향으로 집전전압의 실효치가 가변되는 것을 상쇄시킬 수 있도록 복수의 집전장치간 간격을 자극간격의 n 분의 1로 한 것

    을 특징으로 하는 전기자동차용 집전장치.
15. 청구항 12에 있어서,

    집전코어 주위에 루프형의 자기차폐 부재를 더 포함하는 것

    을 특징으로 하는 전기자동차용 집전장치.

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