KR20120028310A

KR20120028310A - 다중부하병렬 자기회로에서 공유 자속을 이용하는 전자기장치 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR20120028310A
Application number: KR1020117027804A
Authority: KR
Inventors: 리차드 델라코나
Original assignee: 버드 파워 서플라이, 아이엔시.
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2012-03-22
Also published as: EP2427957A1; CN102439834B; US20100283571A1; TW201044424A; EP2427957B1; IL216088A0; EP2427957A4; CN102439834A; US7847664B2; JP5559312B2; WO2010129595A1; CA2760926A1; TWI417910B; IL216088A; SG175897A1; JP2012526514A

Abstract

본 발명은 자속을 풀처럼 공유하여 입력 AC 전력을 줄이는 병렬 다중부하회로에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 2개 이상의 2차회로들에 하나의 1차코일이 자기결합되어 있다. 2차회로마다 2차코일이 있고, 각각의 2차코일은 동축으로 감기고 선형으로 정렬되며 2개의 제어코일들과 직렬로 연결되며, 제어코일들은 서로 반대방향으로 감겨있다. 2차코일들은 부하마다 다른 출력전압을 내도록 감길 수 있다. 2차회로 각각의 직렬 코일들은 배터리 및 부하와는 병렬로 배치된다. 배터리의 양극 단자를 향해 전류가 흐르도록 다이오드를 배치한다. 배터리는 등가 요소로서의 커패시터 회로로 대체될 수 있다. 1차코일과 2차회로내의 직렬 코일들은 병렬로 배열되므로, 병렬 자기회로를 가로지르는 자속을 공유할 수 있다.

Description

다중부하병렬 자기회로에서 공유 자속을 이용하는 전자기장치 및 그 작동방법{Electromagnetic Apparatus Using Shared Flux in a Multi-Load Parallel Magnetic Circuit and Method of Operation}

본 발명은 DC 부하용의 전류 드라이버와 같은 전자기 유도장치에 관한 것으로, 구체적으로는 자속을 풀처럼 공유하여 입력 AC 전력을 줄이는 병렬 다중부하회로에 관한 것이다.

Bruhn의 미국특허출원 2009/85408에 소개된 장치와 방법은 전원장치와 표적장치 사이에서 무선으로 에너지와 데이터를 전송하는 장치와 방법에 관한 것으로, 전원장치측의 1차코일과 표적장치측의 2차코일 사이에 전압을 유도하고, 공진회로는 1~2차 회로 모두로부터 절연되도록 배열되었다.

Tanaka의 미국특허출원 2009/58190에 소개된 전력수신장치는 전력전송장치로부터 비접촉으로 반송파를 받아 전력을 구할 수 있으며, 반송파 수신부에 달린 통신 안테나에서 유도결합 작용을 하고 중간 탭은 없으며, 이 안테나가 반송파를 받아 유도전압을 일으키고, 처리부에서는 유도전압을 기초로 구동전압을 생성하며 이렇게 생성된 구동전압을 이용헤 데이터를 처리하고, 임피던스 변환부에서는 반송파 수신부와 처리부 사이의 임피던스를 변환한다.

Cook의 미국특허출원 2009/58189에서는 1MHz 미만의 저주파로 전력을 전송하는 방법을 소개한다. 전력은 여러 방법으로 전송되는데, 각각의 구조에는 Litz 와이어와 같은 표준 와이어가 포함된다. 인덕터는 페라이트 코어를 사용할 수 있다. 수동 리피터도 사용될 수 있다.

Cook의 미국특허출원 2009/51224는 무선 발전/충전 안테나 시스템을 소개한다. 이 안테나는 하이 큐 루프 안테나로서, 1차부와 2차부 사이의 결합을 이용한다.

Yoda의 미국특허출원 2009/21219에 소개된 것은 비접촉 전력전송 시스템의 전력수신기에 제공된 전력수신 제어기의 전력수신측 제어회로가 전력수신기의 동작을 제어하고, 전원제어신호 출력단자는 충전제어기에 전원제어신호를 공급하며, 전원제어신호는 배터리로의 전력공급을 제어한다. 전력수신측의 제어회로는 전원제어신호가 출력되는 타이밍을 조절한다. 충전제어기의 동작은 전원제어신호를 이용해 강제적으로 제어된다.

Jin의 미국특허출원 2008/231120에 소개된 비접촉 전력전송시스템은 전력전송기에 1차코일이 있고 전력수신기에 2차코일이 있으며, 1, 2차 코일들은 서로 전자기적으로 결합되고, 전력전송기는 전력수신기에 전력을 공급하며, 2차코일은 자기물질을 함유하고, 전력전송기는 1차코일에 전력을 공급하는 공급부와 1차코일로의 공급직후의 1차코일의 자체인덕턴스 변화를 감지하는 감지부를 가지며, 공급직후의 공급부의 공급동작은 감지부의 감지 결과에 의해 정해진다.

Kuennen의 미국특허출원 2008/191638은 부하에 유도방식으로 전력을 공급하는 밸러스트 회로를 소개한다. 밸러스트 회로는 오실레이터, 드라이버, 스위칭회로, 공진탱크회로 및 전류감지회로를 포함한다. 전류감지회로는 오실레이터에 전류 피드백신호를 공급하고, 이 신호는 공진탱크회로의 전류를 나타낸다. 전류 피드백신호는 밸러스트 회로의 주파수를 구동하여, 밸러스트회로의 공진을 찾는다. 밸러스트회로는 공진탱크회로에 유도결합하는 전류제한회로를 갖는 것이 좋다. 전류제한회로는 밸러스트회로의 전류가 임계값보다 크거나 일정 범위를 벗어날 때 밸러스트회로를 정지시킨다.

Baarman의 미국특허출원 2008/157603에 소개된 유도전력공급시스템은 고유의 식별 주파수를 이용해 원격 장치를 식별한다. 이 시스템은 원격 장치에 여러가지 주파수로 전력을 유도공급할 수 있는 탱크회로와 AIPS, 및 탱크회로에서의 원격 장치의 임피던스를 감지하는 센서를 포함한다. 이 시스템은 다수의 원격 장치들을 더 포함하는데, 장치마다 고유 공진주파수를 갖는다. 작동 시, AIPS는 원격 장치가 식별 주파수에 응답해 공진을 일으킬 때까지 다수의 고유 식별주파수로 원격장치에 전력을 걸어주어 유도 전기장내에 있는 원격 장치의 타입을 식별할 수 있다. AIPS의 컨트롤러는 공진이 생겼을 때를 인식한다. 원격장치가 결정되면, AIPS는 메모리로부터 원격장치의 작동변수들을 가져와 효과적인 동작을 보장하면서도 고장상태를 알아차리는데 도움을 준다.

Gohara의 미국특허출원 2002/117896에서는, 차체의 슬라이딩 도어측의 2개 부재들 사이의 상호유도에 의해 전력을 공급한다. 또, 각각 다르게 유도된 전자기력들이 2차측의 공급코일에 일어나도록 하고, 2차측의 공급고일들 각각에 전력을 공급한다. 또, 제1 저장부재와 제2 저장부재가 각각 2차측 공급코일들에 연결되고 공급코일들 사이에 정류기가 있어서, 부하에 맞는 전력이 공급된다.

Scheckel의 미국특허 5349173에 소개된 장치는 데이터와 에너지를 무접촉으로 전송하는 것으로, 고정부에 있는 코일이 데이터와 에너지를 전송하고, 에너지 전송을 위해 오실레이터가 적어도 하나의 코일에 연결된다. 가동부의 코일은 데이터와 에너지 전송을 위한 것으로, 적어도 하나의 정류기가 적어도 하나의 코일의 하류에 연결되며, 적어도 하나의 충전 커패시터는 펄스형 작동전압을 공급하기 위해 적어도 하나의 정류기에 연결된다. 한쌍의 코일은 에너지 전송에 사용되고, 한쌍의 코일은 데이터 전송에 사용된다. 가동부의 코일들은 고정부의 코일들과 마음대로 연결된다. 가동부에는 고정부로 데이터를 전송하기 위한 장치가 배치되는데, 가동부의 코일들 중의 하나를 통해 받은 에너지의 일부분을 가동부의 다른 코일을 통해 복귀시킨다.

Fell의 WO 2009/27674에 소개된 유도전력전송 시스템은 1차부와 2차부가 분리되어 있으며, 1차부는 하나의 전력전송면과 2개 이상의 필드 제너레이터를 갖고, 각각의 제너레이터는 전자기장을 일으킨다. 필드 제너레이터들은 전력전송면에 대해 서로 다른 위치에 있고, 2차장치의 전력수신기에 2차코일이 있다. 이 시스템은 전력전송면에 대해 전력수신기의 위치와 방향을 결정하는 수단과, 필드 제너레이터가 서로 반대 방향으로 작동하여 2차코일에 자속을 흐르게 하여 2차장치에 전력을 공급하도록 필드제너레이터를 제어하는 제어수단을 갖는데, 세번째 제너레이터는 모든 필드 제너레이터들이 동시에 작동하지 않도록 한다.

이상 설명한 장치들은 모두 유도 방식으로, 비접촉 데이터/에너지 전송하거나 무선으로 전력을 전송하는 시스템이다. 그러나, 종래의 기술은 병렬 자기회로에서 자속을 공유하는 수단에 대한 개념이 없다.

본 발명의 주목적은 종래에는 없던 장점을 갖는 장치와 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 1차측에서의 입력전력을 줄이면서 다수의 가변적인 부하들의 전류 요건들은 충족하는 자속공유 유도회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 부하의 구성에 따라 입력전력 요건들을 크게 줄일 수 있는 자속공유 유도회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 코일들을 병렬로 설치한 자속공유 유도회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 인접 제어코일들을 동축으로 감아 2차코일들을 제어하는 자속공유 유도회로를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적 달성을 위해, 본 발명의 장치는 2개 이상의 2차회로들에 하나의 1차코일이 자기결합되어 있다. 2차회로마다 2차코일이 있고, 각각의 2차코일은 동축으로 감기고 선형으로 정렬되며 2개의 제어코일들과 직렬로 연결되며, 제어코일들은 서로 반대방향으로 감겨있다. 2차코일들은 부하마다 다른 출력전압을 내도록 감길 수 있다. 2차회로 각각의 직렬 코일들은 배터리 및 부하와는 병렬로 배치된다. 배터리의 양극 단자를 향해 전류가 흐르도록 다이오드를 배치한다. 배터리는 등가 요소로서의 커패시터 회로로 대체될 수 있다. 1차코일과 2차회로내의 직렬 코일들은 병렬로 배열되므로, 병렬 자기회로를 가로지르는 자속을 공유할 수 있다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 회로도;
도 2는 자화물질 코어에 코일이 감겨있는 상태의 측면도;
도 3은 도 2의 구조의 평면도.

이하의 설명은 예를 든 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아님을 알아야 한다.

도 1은 본 발명의 개략적인 회로도로서, 1차코이(P)이 2차회로(A,B,C)와 페라이트 구조의 자기회로(F)를 공유하는데, 2차회로들은 구조에 있어서는 기본적으로 동일하지만 각 요소의 값과 부하에 있어서는 동일하지 않으며, 이에 대해서는 후술한다. 도 1에 도시된 2차회로(A,B,C)가 3개인 것은 예를 든 것일 뿐이고, 그 갯수에 있어서는 제한이 없다.

1차코이(P)은 교류전류원에 의해 가동된다. 페라이트 회로(F)의 코어(10)에 1차코일(P)과 3개의 2차코일 어셈블리들(20)이 제각기 감기는데, 2차코일 어셈블리들(20)은 2차회로(A,B,C)에 각각 유도전류를 공급한다(도 3 참조). 1차코일(P)은 전자석으로 작용하여, 어떤 순간에도 N극과 S극을 갖는다. 이들 극은 2차코일 어셈블리(20)의 코어를 가로지르는 것처럼 보이는데, 이는 도 2와 같이 페라이트 단부 구조(30)를 통해 1차코일의 2개 극이 1차코일(P)의 코일과 병렬이면서 코어(10)와 일체이기 때문이다.

2차코일 어셈블리(20) 각각은 1개의 2차코일(S)과 2개의 제어코일(C1,C2)을 갖는데, 이들 제어코일은 형태와 권선수 등은 동일하지만 권선 방향은 서로 정반대이다. 공통의 코어(10)에 모두 3개의 코일이 감겨서 동일한 자속을 공유하고 직렬 선형 시퀀스로 연결된다. 또, 도시된 바와 같이, 제어코일 각각에서 저항(R)이 분기된다.

3개의 2차회로 중의 2차회로(A)를 예로 들면, 코일 어셈블리(20)의 3개의 코일인 C1, S, C2가 배터리(Bat) 및 부하(L)와 모두 병렬로 연결된다. 다이오드(D)는 코일 어셈블리(20)를 배터리(Bat)와 부하(L)에 연결한다. 전술한 바와 같이, 다른 2차회로(B,C)도 동일한 구성을 갖는다. AC 사이클의 절반 동안, 배터리(Bat)의 양극 단자와 부하(L)는 제어코일(C1)에 연결된 저항(R)과 다이오드(D)의 직렬연결부로부터 전류를 받는다. 나머지 절반 사이클 동안에는 다이오드(D)때문에 전류가 흐르지 않는다.

배터리(Bat)는 로드(L)에 일정한 DC 전압을 공급한다. 배터리(Bat)의 전류 드레인은 부하(L)의 임피던스의 변화에 좌우된다. 코일(C1,S,C2)은 AC 사이클 중에서 전기가 흐르는 절반의 사이클 동안 배터리 드레인을 순간적으로 보충한다.

배터리(Bat)가 완전히 충전되면, 저항(R)에 흐르는 전류가 증가하여 제어회로(C1)의 자속이 증가하는데, 이는 공통의 자속풀의 자속이 2차코일(S)에 흘러 배터리(Bat)의 전류흐름을 방해하는 것과는 반대이다. 이 경우, 2차코일(S)의 자기장이 전부나 일부 붕괴되어, 역방향 전류를 일으키고, 이때문에 생긴 자속은 1차코일(P)의 코어(10)의 자속에 추가된다. 이렇게 되면 1차코일(P)의 전류가 제한되어, 1차코일(P)과 2차회로(A,B,C)를 갖는 시스템 전체에 필요한 AC 전력이 각각 별도로 구동될 경우의 3개의 2차회로들에 필요한 전체 전력보다 작아진다.

Claims

자화물질로 이루어지고 AC 전압으로 구동되는 1차코어에 감긴 하나의 1차코일; 및
자화물질로 된 2차코어에 코일 어셈블리가 감겨있는 2개 이상의 2차회로;를 포함하고,
상기 1차코어와 2차코어가 병렬 자기회로처럼 배열되며;
상기 코일 어셈블리마다 공통의 2차코어에 2개의 제어코일들과 직렬로 하나의 2차코일이 감겨있고, 상기 제어코일들은 2차코일의 양쪽에 하나씩 위치하며 서로 반대 방향으로 감겨있으며, 제어회로 각각에서 저항이 분기되고;
2차회로 각각에서 병렬연결되어 있는 배터리-부하와 상기 코일 어셈블리 사이에 다이오드가 배치되는 것을 특징으로하는 전자기회로.
병렬 부하들을 갖는 회로에 대한 에너지 절감방법에 있어서:
a) 자화물질로 된 1차코어에 감긴 1차코일에 AC 전압을 공급하는 단계;
b) 자화물질로 된 공통의 2차코어에 한쌍의 제어코일들과 직렬로 2차코일이 감겨있는 코일 어셈블리를 갖고, 상기 제어코일들은 2차코일의 양쪽에 하나씩 위치하며 서로 반대 방향으로 감겨있으며, 제어회로 각각에서 저항이 분기되어있는 2개 이상의 2차회로에 전압을 유도하는 단계;
c) 상기 1차코어와 2차코어들이 병렬 자기회로처럼 배열되는 단계; 및
d) 각각의 코일 어셈블리로부터 다이오드를 통해 배터리와 부하에 전류가 흐르는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감방법.