KR20150102299A - Ipt를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 emf 상쇄장치 - Google Patents

Ipt를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 emf 상쇄장치 Download PDF

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KR20150102299A
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Abstract

본 발명은 EMF 상쇄장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 반대되는 방향으로 상쇄코일을 되감아 주거나 또는 코일 위에 특정 부재를 더함으로써, 급전장치 또는 집전장치 측에서 발생하는 EMF를 상쇄시키는, IPT를 이용한 무선 전력전달 장치에 있어서 EMF 상쇄장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 집전코일 또는 급전코일을 적절히 배치하고 각각에 별개의 EMF 상쇄코일을 감아주어 각각의 위상에 맞게 독립적으로 EMF 상쇄가을 더하거나 EMF를 센싱할 필요없이 급전장치 또는 집전장치 주변에 발생하여 외부로 유출되는 EMF를 상쇄시킬 수 있는 상쇄자기장을 형성하며, 상쇄코일 또는 메인코일의 상부에 특정 부재를 더함으로써 외부로 유출되는 EMF의 상쇄를 최대화되도록 할 수 있다.

Description

IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치 {EMF cancel devices for Wireless power transfer system using Inductive Power Transfer}
본 발명은 EMF 상쇄장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 반대되는 방향으로 상쇄코일을 되감아 주거나 또는 코일 위에 특정 부재를 더함으로써, 급전장치 또는 집전장치 측에서 발생하는 EMF를 상쇄시키는, IPT를 이용한 무선 전력전달 장치에 있어서 EMF 상쇄장치에 관한 것이다.
주행 중인 OLEV(On-line Electric Vehicle, 무선 전기자동차)에 자기유도방식으로 전력을 공급하는 무선 전력전달 시스템(Wireless power transfer system)에 있어서, 급전선로는 급전장치만 동작시킬 경우, 기준 측정 위치에서 측정하더라도 우수한 EMF 차단 특성을 나타낸다. 그러나 급전장치와 더불어 집전장치를 배치하고 집전장치에서 소비 전력을 발생시킬 경우에는 급전선로 주변에서의 EMF가 급격하게 증가된다. 이때 발생하는 EMF의 세기는 집전코일의 소비 전류량에 비례해서 증가하게 되며, 집전장치에서 부하에 전력을 전달해 줄 경우 집전장치 주변에서의 EMF가 매우 크게 나타나는 문제점이 있다. 이러한 EMF는 주변 전자기기의 오작동을 유발할 수 있고 인체에 영향을 줄 수도 있어서, 국제적으로 적용되는 ICNIRP 가이드 라인을 제정하여 집전장치 주변에서 발생되는 자기장이나 전기장의 세기를 규제하고 있다. 이에, 이러한 전자파 중 전력전달에 기여하지 못하고 외부로 유출되는 EMF를 차폐시키기 위해, 별도의 루프형태 차폐코일을 부가하는 방법, 급전장치로 I자형을 이용하고 외부로 유출되는 EMF를 상쇄시키는 방향으로 전류의 방향을 유도하는 방법 등 다양한 방법이 제안되고 있다.
그러나 EMF를 상쇄시키는 방향으로 전류의 방향을 유도하는 방법 등 제안되고 있는 다양한 방법에 의해서도, 외부로 유출되는 EMF를 적절히 차폐하지는 못한다는 문제가 있었다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 루프형태의 차폐코일을 별도로 추가하는 종래의 능동상쇄(active cancel)방법의 경우에, 실질적으로 상쇄코일의 개수와 위치가 제한(전력 전달을 위한 전자결합(magnetic coupling)에 영향을 미치지 않도록)되었는데, 이 때문에 전력전달에 기여하지 못하고 외부로 유출되는 EMF가 존재할 수밖에 없다는 문제점, 즉, 효과적으로 외부로 유출되는 EMF를 상쇄시킬 수 없다는 문제점이 있었다. 또한, 기존의 능동상쇄 방식은 상쇄코일에 별도의 전류를 흘려 EMF를 형성하기 위한 추가적인 전원을 사용하여야 하고, 유도되는 급전장치 및 집전장치의 자기장(Bm1+Bm2)을 센싱(sensing)한 후 적절한 상쇄자기장(Bc)을 가하기 때문에 응답이 느리고 시스템의 구성이 복잡하다는 단점이 있었다. 또, 자기장이 공간, 위상, 전류 세기의 함수이기 때문에 유도되는 자기장(Bm1+Bm2)을 상쇄시키는 적절한 상쇄자기장(Bc), 즉 상쇄를 위하여 크기가 같고 반대 위상을 갖는 자기장을 발생시킬 수 있는 시스템을 구현하기가 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서,
집전코일 또는 급전코일을 적절히 배치하고 각각에 별개의 EMF 상쇄코일을 감아주어 각각의 위상에 맞게 독립적으로 EMF 상쇄가 이루어지도록 함으로써 외부로 유출되는 EMF의 상쇄효과를 최대화되도록 하는데 그 목적이 있다.
또, 추가적인 전원을 더하거나 EMF를 센싱할 필요없이 급전장치 또는 집전장치 주변에 발생하여 외부로 유출되는 EMF를 상쇄시킬 수 있는 상쇄자기장을 형성하는데 그 목적이 있다.
또한, 상쇄코일 또는 메인코일의 상부에 특정 부재를 더함으로써 외부로 유출되는 EMF의 상쇄를 최대화되도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치는,
자기 유도식 전력전달 방식(Inductive Power Transfer, IPT)를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 상기 급전장치는 상기 무선 전력전달 모듈의 진행 경로를 따라 설치되며 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 상기 집전장치는 상기 급전장치로부터 자기유도식 전력전달 방식으로 전력을 공급받고 다양한 형상으로 형성되며, 상기 급전장치 또는 집전장치는 일정 방향으로 흐르는 전류를 형성하는 하나 이상의 메인코일(main coil) 및 상기 메인코일과 반대 방향으로 감거나 권취되는 하나 이상의 상쇄코일을 구비하되, (수식1)을 만족하도록 설계된다.
상기 다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 U자 형상의 급전장치는, 상기 급전장치의 중심으로부터 양끝 방향으로 이격되어 각각 배치되되, 상기 무선 전력전달 모듈의 진행방향과 역방향으로 전류 방향이 형성되는 2개의 메인코일 및 U자형 급전장치의 외부에서 급전장치와 인접하여 각각 배치되되, 메인코일의 전류방향과 반대방향의 전류를 형성하도록 배치되는 2개의 상쇄코일로 구성되고, 상기 집전장치는 중심부에 상하로 복수 번 권취되는 1개의 메인코일 및 메인코일과 이격되어 상기 집전장치의 양 끝 부분에 배치되되 상하로 복수 번 권취되는 1개의 상쇄코일을 구비할 수 있다.
상기 다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 W자 형상의 급전장치는, W형상의 중심부를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감되, 시계 방향으로 흐르는 전류를 형성하는 1개의 1턴 메인코일로 구성되고, 상기 집전장치는 집전장치의 중심부를 기준으로 상기 급전장치의 메인코일에 대응하는 집전장치의 위치에 루프형태로 복수 번 감긴 1개의 메인코일 및 상기 집전장치의 메인코일과 이격되되 상기 집전장치의 양 끝 가장자리에 루프형태로 배치되는 1개의 상쇄코일을 구비할 수 있다.
상기 무선 전력전달 모듈 중 메인코일이 루프형상으로 형성되며 정차 중 충전되는 경우에 포함되는 급전장치 및 집전장치는, 직사각형 또는 원형의 1개이며 복수 번 감긴 메인코일을 구비하고, 각각 독립적으로 1개의 상쇄코일을 포함할 수 있다.
IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 I자 형상의 급전장치는, X축 방향으로 극성이 바뀌되 상기 하나의 급전장치와 이에 이웃한 급전장치 사이에 엇갈려서 복수 번 감긴 메인코일로 구성되고, 상기 집전장치는 복수 개의 복수 턴 메인코일 및 각각의 메인코일과 이격되어 상기 집전장치의 양 끝 가장자리에 배치되는 복수 개의 복수 턴 상쇄코일을 구비하되, 상기 상쇄코일이 서로 인접하는 부분은 상기 집전코어보다 높은 위치에 배치되도록 구성된다.
IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 다양한 형상으로 형성되는 집전장치 중 복수 개의 집전코일을 이용하는 집전장치를 사용하는 경우, 상기 무선 전력전달 모듈에 포함되는 집전장치에 연결되는 상기 메인코일 및 상쇄코일로 이루어진 각각의 집전코일을 AC측에서 직렬로 연결하고, 코일들을 직렬로 바로 연결하여 1개의 정류기에 연결된다.
IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 다양한 형상으로 형성되는 집전장치 중 복수 개의 집전코일을 이용하는 집전장치를 사용하는 경우, 상기 무선 전력전달 모듈에 포함되는 집전장치에 연결되는 상기 메인코일 및 상쇄코일로 이루어진 각각의 집전코일 간의 연결을 DC측에서 형성하고, 각 메인코일 및 상쇄코일 쌍을 각각의 정류기에 연결된다.
IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 상기 급전장치 또는 집전장치는, 상기 상쇄코일의 상부에 상기 상쇄코일이 다양한 형상의 부재로 덮이도록 부가된다.
IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서, 상기 급전장치 또는 집전장치는, 상기 메인코일의 상부에 상기 메인코일이 덮이도록 도전성 금속의 커버가 부가된다.
본 발명에 의하면, 집전코일 또는 급전코일을 적절히 배치하고 각각에 별개의 EMF 상쇄코일을 감아주어 각각의 위상에 맞게 독립적으로 EMF 상쇄가 이루어지도록 함으로써 외부로 유출되는 EMF의 상쇄효과를 최대화되도록 하고, 추가적인 전원을 더하거나 EMF를 센싱할 필요없이 급전장치 또는 집전장치 주변에 발생하여 외부로 유출되는 EMF를 상쇄시킬 수 있는 상쇄자기장을 형성하며, 상쇄코일 또는 메인코일의 상부에 특정 부재를 더함으로써 외부로 유출되는 EMF의 상쇄를 최대화되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 실시예에 따라 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 회로에서 상쇄코일을 배치하여 상쇄자기장을 형성하는 방법을 도시한 회로도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 회로에서 능동 상쇄코일을 배치하여 상쇄자기장을 형성하는 방법을 도시한 회로도
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 U자형 급전장치와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치의 사시도와 정면도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 W자형 급전장치와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치의 사시도와 정면도
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 I자형 급전장치와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치의 사시도와 정면도
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따라 무선 전력전달 모듈이 정차 중 충전하는 시스템의 사시도 및 정면도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 I자 형상의 급전장치를 사용하는 경우 집전장치에 정류기를 연결하는 것을 도시한 회로도
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 급전장치 또는 집전장치에 평판코어를 배치하여 능동 EMF 상쇄코일에서 발생하는 EMF의 세기를 증폭시켜 능동 EMF 상쇄효과를 증대시키는 방법을 나타내는 평면도
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 급전장치 또는 집전장치에서 알루미늄 커버를 이용한 수동 EMF 상쇄코일의 평면도
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 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.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 OLEV(Online Electric Vehicle)에 이용되는 급전장치(1) 및 집전장치(2)를 활용하여, IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치에 대해 설명한다. 또한, IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템을 적용하는 OLEV 등의 장치를 무선 전력전달 모듈이라 하며, 본 발명에 의한 설명을 위해서 OLEV와 무선 전력전달 모듈은 혼용하여 사용할 수 있다. 또, 자극은 급전코어(12) 또는 집전코어(22)의 일부로서 자기장이 나오고 들어가는 부분을 의미하며, 이하에서 급전코어(12) 또는 집전코어(22)라는 용어는 본 도면의 급전코어(12) 또는 집전코어(22) 및 자극을 일체로 하여 칭하는 용어로 쓸 수 있다. 또한, 이하의 설명에서 권취는 특정 물체의 둘레를 롤처럼 마는(감는) 것을 의미하며, 루프는 평면 등에 배치되어 고리 모양과 유사한 형상이 나타나도록 감아서 형성되는 것을 의미한다. 예컨대, 루프 형상은 평판에서 평판의 넓은 면인 평면에 놓여 평면과 나란하게 배치되되, 특정 지점을 중심으로 동일한 중심을 갖도록 동심원과 유사하게 구비될 수 있다.
본 발명에서, 급전장치(1)는 도로에 매설되어 설치되며, 급전코어(12)에 전류가 흐름으로써 유도되는 자기장을 발생시키기 위한 급전선(급전코일)을 포함한다. 이때, 급전장치(1)는 OLEV의 진행경로에 수직으로 자른 단면을 나타내는 정면도의 형상에 따라 U형, W형, I형 등으로 구분될 수 있다. 다만, OLEV 이외의 다른 무선 전력전달 모듈에 급전장치(1)가 구비되는 경우, 급전장치(1)의 형상은 이에 한정되지 아니하고 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
집전장치(2)는 OLEV의 하부 면에 부착되어 구비되며 급전장치(1)와 일정간격 이격되어 설치된다. 이때, 집전장치(2)는 평판형의 집전코어(22), 집전코어(22)가 권취되거나 또는 집전코어(22) 하부에 루프형태로 감겨지고 OLEV의 베터리와 연결되어 OLEV의 주행 중에 베터리를 충전하기 위한 전원을 공급하는 집전코일 및 집전 중 발생하여 외부로 유출되는 EMF를 상쇄하기 위해 집전코일 주변에 집전코일과 반대 방향의 전류를 형성하도록 감겨진 EMF 상쇄코일(21, EMF cancel coil)을 포함할 수 있다. 이와 같이 집전코일에 형성된 전류방향과 반대방향의 전류를 상쇄코일(21)에 흐르게 하는 방식을 능동상쇄(active cancel)방식이라 하며, 이때 사용되는 코일을 능동 상쇄코일(21, active cancel coil)이라 한다. 이러한 방식으로 집전 중 발생하여 외부로 유출되는 EMF를 감소시킬 수 있다. 한편, OLEV 이외의 다른 무선 전력전달 모듈에 집전장치(2)가 구비되는 경우, 집전장치(2)의 형상은 평판에 한정되지 아니하고 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 회로에서 능동 상쇄코일(11, 21)을 배치하여 상쇄자기장을 형성하는 방법을 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 급전장치의 메인코일(10, main coil)과 집전장치의 메인코일(20) 각각에 회로도와 같이 반대방향으로 상쇄코일(11, 21, cancel coil)을 구비한다. 이때, 각각의 상쇄코일(11, 21)에 흐르는 전류의 세기는 각각의 메인코일(10, 20)에 흐르는 전류의 세기와 동일하기 때문에, 메인자기장(Bm)과 상쇄자기장(Bc)에 흐르는 전류의 세기는 동일하고 위상은 반대 방향이 된다. 따라서, 메인자기장(Bm)을 상쇄시키는 상쇄자기장(Bc)을 발생시키는 데에 별도의 복잡한 조작이 요구되지 않는다. 즉, 추가적인 전원을 포함하거나, EMF를 센싱할 필요가 없이 급전장치(1)의 메인자기장(Bm1)과 집전장치(2)의 메인자기장(Bm2)을 상쇄시킬 수 있는 급전측 상쇄자기장(Bc1)과 집전측 상쇄자기장(Bc2)을 각각 생성할 수 있게 된다.
이하, 전술한 능동 상쇄코일(11, 21)을 배치한 능동 상쇄회로에 대한 이론을 좀 더 상세히 설명하면, 능동상쇄를 위해서는 Bt의 크기가 Bref 미만이 되도록 설계해야 한다. 즉,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
(수식1)
과 같은 식을 만족하여야 한다.
특히, 공진방식의 WPTS(Wireless power transfer system)은 공진조건에서 Bm1 과 Bm2 의 위상차가 π/2 이므로, 다음과 같은 식으로 표현된다.
Figure pat00003
,
Figure pat00004
(수식2)
또한, B2
Figure pat00005
B1 인 경우에는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
(수식3)
이는 B1 이나 B2 중 큰 값이 Bref 보다 3dB만큼 작으면(
Figure pat00007
B1
Figure pat00008
Bref), Bt는 항상 Bref보다 작음을 의미한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 U자형 급전장치(1)와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치(2)의 사시도와 정면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, OLEV에 전력을 공급하는 시스템으로서, U자 모형의 긴 코어와 이에 배치된 코일을 구비하는 급전장치(1) 및 U자형 코어와 비교하여 폭이 넓은 평판에 코일이 권취(턴, turn)된 집전장치(2)를 구비한다. 이때, U자형 급전장치(1)에는 급전장치(1)의 중심으로부터 양끝으로 이격되어 병렬로 각각 배치되되, OLEV의 진행방향과 역방향으로 전류 방향이 형성되는 2가닥의 메인코일(10) 및 U자형 급전장치(1)의 외부에서 급전장치(1)와 인접하여 각각 배치되되, 메인코일(10)의 전류방향과 반대방향으로 전류를 형성하도록 배치되는 2가닥의 상쇄코일(11)로 구성된다.
집전장치(2)는 집전코어(22)의 중심부에 상하로 복수 번 권취되는 1개의 메인코일(20), 메인코일(20)과 이격되어 평판의 양 끝 부분에 배치되되 평판의 상하로 복수 번 권취되는 1개의 상쇄코일(21)을 포함한다. 여기서, 급전장치(1)나 집전장치(2)에 구비된 상쇄코일(11, 21)에 의해 급전장치(1)와 집전장치(2)의 전체 자기 결합(total magnetic coupling)이 줄어드는 것을 방지하기 위해서, 급전장치의 메인코일(10)과 상쇄코일(11) 및 집전장치의 메인코일(20)과 상쇄코일(21) 간의 간격을 각각 충분히 형성한다. 이때, 메인코일(10, 20)과 상쇄코일(11, 21) 간의 충분한 거리를 위한 최적의 거리는 실험적으로 결정하며, 예컨대 I형 급전장치(1)의 경우 메인코일(10)로부터 상쇄코일(11)까지의 거리가 약 20cm 이격되도록 설정한다. 이때, 상쇄코일(11, 21)의 정확한 위치와 코일을 권취하는(턴, turn)수는 전술한 수식 (3)을 만족하도록, 즉
Figure pat00009
B1
Figure pat00010
Bref 를 만족하도록 설정한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 W자형 급전장치(1)와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치(2)의 사시도와 정면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, OLEV에 전력을 공급하는 시스템으로서, W자 모형의 긴 코어와 이에 권취된 코일로 구성된 급전장치(1) 및 급전장치(1)의 코어와 비교하여 폭이 넓은 평판에 코일이 루프형태로 감긴 집전장치(2)를 구비한다. 이때, W자형 급전장치(1)는 1개의 1턴(turn) 메인코일(10)로 구성된다. 즉, W형상의 중심부를 시계방향 또는 반시계 방향으로 권취하되, 시계 방향의 전류가 형성되도록 마련된다. 이때, 급전장치(1)에 상쇄코일(11)을 구비하지 않는 이유는, 급전장치(1)에서 발생하는 EMF는 1/(거리)2 으로 감소하여 ICNIRP guide line 허용 범위 이내의 값을 갖기 때문이다.
집전장치(2)는 루프형태로 복수 번 감긴 1개의 메인코일(20), 메인코일(20)과 이격되어 평판의 양 끝(가장자리)에 배치되도록 루프형태로 감긴 1개의 상쇄코일(21)을 포함한다. 한편, 메인코일(20)과 상쇄코일(21)은 별도로 구성되는 것이 아니라, 시계방향으로 감긴 메인코일(20)과 연이어서 시계반대 방향으로 감기도록 루프형태로 감겨진 상쇄코일(21)을 구성하는 방법 또는 그와 반대 방향으로 감는 방식을 이용한 루프형태의 코일로 형성된다. 이하에서는 구분 및 설명의 편의를 위해 메인코일(10, 20)과 상쇄코일(11, 21)이 별도로 구비된 것과 같이 설명할 수 있으며, 또한 이하에서 설명하는 메인코일(10, 20)과 상쇄코일(11, 21)의 구성은 이와 동일 또는 유사하다. 또, 급전장치(1)나 집전장치(2)에 구비된 상쇄코일(11, 21)에 의해 급전장치(1)와 집전장치(2)의 전체 자기 결합(total magnetic coupling)이 줄어드는 것을 방지하기 위해서, 상쇄코일(11, 21)의 정확한 위치와 코일을 감거나 또는 권취하는(턴, turn)수는 전술한 수식 (3)을 만족하도록 결정하며, 이는 전술한 바와 동일하다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라 OLEV에 자기유도 방식으로 전력을 공급하는 I자형 급전장치(1)와 이로부터 집전하는 OLEV에 설치된 집전장치(2) 및 급전장치(1)의 사시도와 정면도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, OLEV에 전력을 공급하는 시스템으로서, I자 모형의 복수 개의 긴 코어와 이에 권취된 코일로 구성된 급전장치(1)들 및 I자형 급전장치(1)의 코어와 비교하여 폭이 넓은 평판에 코일이 루프형태로 감긴 집전장치(2)를 구비한다. 이때, I자형 급전장치(1)에는 1개의 복수 턴 메인코일(10)을 포함한다. 여기서 급전장치(1)는 자기장(B1)의 극성이 X축 방향(무선 전력전달 모듈의 진행방향과 나란한 방향)에 따라 바뀌기 때문에, 발생(전력전달에 기여하지 못하고 외부(Y축 방향)로 유출)되는 EMF가 매우 낮으므로 상쇄코일(11)을 필요로 하지 않는다. 다시 말하면, 급전장치(1)에 권취되는 메인코일(10)이 하나의 급전장치(1)와 이에 이웃한 급전장치(1) 사이에서 엇갈려 복수 번 감기는 형태로 배치되므로, 급전코어(12)에 있어서 외부(Y축 방향)로 유출되는 자기장은 상쇄된다. 여기서, I자형 급전장치(1)는 각 자극에 자력선이 N극 및 S극이 교대로 발생할 수 있도록 급전코어(12) 위에 급전선(급전코일)을 구비한다. 즉, 하나의 급전장치(1)와 이에 이웃한 다른 급전장치(1)의 사이를 연결하는 급전선이 한 번은 급전코어(12)를 시계방향으로 감고, 다음 번에는 급전코어(12)를 반시계 방향으로 감도록 교차하여 형성된다.
집전장치(2)는 복수 개의 복수 턴 메인코일(20) 및 각각의 메인코일(20)과 이격되고 평판의 양 끝(가장자리)에 배치되는 복수 개의 복수 턴 상쇄코일(21)을 포함한다. 다만, 이 경우에는 도 1을 기반으로 설명한 바와 같이, 실질적으로 상쇄코일(21)의 개수와 위치가 제한(전력 전달을 위한 전자결합(magnetic coupling)에 영향을 미치지 않도록)되었는데, 이는 외부로 유출되는 잔류 EMF가 존재할 수밖에 없게 하였다. 따라서 이하에서는 이를 개선한 방법을 제안한다. 이에, 자기 자속 쇄교(magnetic linkage flux, 자기 자속 중첩)가 줄어들어 유도자기장의 세기가 줄어들 수 있으므로, 이를 개선하기 위해 한쪽 부분(상쇄코일(21)이 서로 인접한 부분, 측정지점(3))은 집전코어(22)보다 높은 위치에 배치되도록 구성한다. 여기서, 급전장치(1)나 집전장치(2)에 구비된 상쇄코일(11, 21)에 의해 급전장치(1)와 집전장치(2)의 전체 자기 결합(total magnetic coupling)이 줄어드는 것을 방지하기 위해서, 상쇄코일(11, 21)의 정확한 위치와 코일을 감거나 또는 권취하는(턴, turn)수는 전술한 수식 (3)을 만족하도록 결정하며, 이는 전술한 바와 동일하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따라 무선 전력전달 모듈이 정차 중 충전하는 시스템의 사시도 및 정면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 무선 전력전달 모듈이 정차(또는 주차) 중 충전하는 시스템은 급전장치(1)와 집전장치(2)가 동일 또는 유사한 루프형태로 감긴 직사각형 또는 원형 형상의 메인코일(10, 20)이 포함된다. 이때, 급전장치(1)와 집전장치(2)는 각각에서 발생하는 EMF값을 완화시키기 위해서, 1개의 복수 턴 메인코일(10, 20)을 포함하는 급전장치(1) 및 집전장치(2)가 각각 독립적으로 1개의 상쇄코일(11, 21)을 구비한다.
여기서, 급전장치(1) 또는 집전장치(2)에 구비된 상쇄코일(11, 21)에 의해 급전장치(1) 및 집전장치(2)의 전체 자기 결합(total magnetic coupling)이 줄어드는 것을 방지하기 위해서, 상쇄코일(11, 21)의 정확한 위치와 코일을 감거나 또는 권취하는 (턴, turn)수는 전술한 수식 (3)을 만족하도록 결정하며, 이는 전술한 바와 동일하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 I자 형상의 급전장치(1)를 사용하는 경우 집전장치(2)에 정류기(30)를 연결하는 것을 도시한 회로도이다.
도 7을 참조하면, 집전장치(2)에 정류기(30)를 연결함으로써, 배터리 충전을 위한 직류 전류를 형성할 수 있다. 이때, 집전장치(2)에 연결되는 메인코일(20)과 상쇄코일(21)은 정류기(30)에 두 가지 방법으로 연결될 수 있다. 먼저, 도 7의 좌측 그림과 같이, 코일의 양 끝단을 AC측(정류기(30) 통과 이전)에 연결하고, 코일들을 직렬로 바로 연결하여 1개의 정류기(30)에 연결하는 방법이 있다. 이 경우, 회로에 걸리는 전류는 동일하다. 즉, IL += IL -=IL이다.
다음으로, 도 7의 우측 그림에서 보는 바와 같이, 코일 간의 연결을 DC측(정류기(30) 통과 이후, DC 전류가 흐르는 곳)에서 구성하고, 각 코일 쌍을 각각의 정류기(30)에 연결할 수 있다. 즉, 코일 쌍을 각각 정류기(30)에 연결한 후 정류기(30) 후단을 직렬로 연결한다. 이 경우, 정류된 DC전류들은 같고, DC출력 전압은 더해진다. 즉,
Figure pat00011
IL +
Figure pat00012
=
Figure pat00013
IL -
Figure pat00014
이며, IL + 와 IL - 의 위상은 반대이다. 여기서, 도 7의 우측 그림과 같이 회로를 구성하되 코일과 정류기(30)를 2개로 나누어서 정류기(30)에 걸리는 전압을 줄임으로써 정류기(30)의 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있기 때문에 도 7의 우측 그림과 같은 연결을 사용한다. 또한, 여기서는 본 발명에 따른 일실시예에 의해 I자 형상의 급전장치(1)를 사용하는 경우 집전장치(2)에 정류기(30)를 연결하는 것에 대해서만 설명하였으나, 그 외에도 다양한 형상으로 형성되는 집전장치(2) 중 복수 개의 집전코일을 포함하는 집전장치(2)를 사용하는 경우에는 상기의 설명한 바가 동일하게 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 급전장치(1) 또는 집전장치(2)에 평판코어를 배치하여 능동 EMF 상쇄코일(11, 21)에서 발생하는 EMF의 세기를 증폭시켜 능동 EMF 상쇄효과를 증대시키는 방법을 나타내는 평면도이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 급전장치(1) 또는 집전장치(2)에서 알루미늄 커버(200)를 이용한 수동 EMF 상쇄코일(11, 21)의 평면도이다.
30A이상의 큰 로드(load) 전류가 흐르는 경우에, 큰 로드 전류로 인하여 큰 값의 EMF가 발생하여 능동 EMF 상쇄방법 만으로 충분한 EMF 상쇄의 효과를 얻을 수 없게 된다. 이에, 이하에서는 전술한 능동상쇄(active cancel)방식과 병행하여 사용할 수 있는 2가지의 방법을 제안한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상쇄코일(11, 21)에 평판(plate)형상의 부재를 부가하여 상쇄코일(11, 21)을 덮음으로써, EMF 상쇄의 효과를 증대시킬 수 있다. 즉, 평판형상의 부재를 능동상쇄 방식을 구성하는 상쇄코일(11, 21)의 상부 면에 부가하고, 예컨대 평판의 중심을 원점(기준)이라고 하면, 평판 하부에 존재하는 코일을 통해 발생하는 상쇄자기장이 원점을 기준으로 대칭되는 위치에 코일이 배치되는 것과 동일한 효과가 되며, 이로써 상쇄 자기장의 세기가 커지는 결과를 얻을 수 있다. 이러한 현상을 자기거울 현상(Magnetic mirror concept)이라고 하고, 이를 이용하여 상쇄 자기장의 효과를 확대시킬 수 있다. 따라서, 상쇄코일(11, 21) 위에 덮이는 평판의 폭을 증가시킴에 따라 EMF 상쇄의 효과는 더욱 증가된다. 다만, 이는 이론적인 결과로서, 코어의 폭이 무한하다고 가정할 때 자기거울 현상과 관련된 이론이 동일하게 적용되나, 폭이 좁으면 그 효과가 작아진다. 한편, 여기서 평판 형상의 부재로는 일반적으로 페라이트 코어(ferrite core)를 사용하나, 이에 한정되지 아니하고 도전성이 낮고 투자율이 높은 성질을 포함하여, 페라이트 코어와 유사한 기능을 할 수 있는 것이라면 어느 것이나 대체하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 평판 형상을 제안하였으나 이에 한정되지 아니하고, 상쇄코일(11, 21)을 덮을 수 있는 형상이라면 다양하게 변경이 가능하다.
도 9를 참조하면, 메인코일(10, 20) 위에 커버(200)를 씌움으로써 EMF를 상쇄시킬 수 있다. 이때에는, 상쇄코일(11, 21)이 존재하는 경우에도 상쇄코일(11, 21)은 그대로 외부로 노출시킨 상태에서, 메인코일(10, 20)만을 커버(200)로 덮는다. 여기서 메인코일(10, 20) 위에 덮이는 커버(200)의 부재로, 일반적으로 알루미늄을 사용하나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 알루미늄과 같이 도전성을 띄는 금속으로서, 시간에 따라 변하는 교류 전류가 투과하면 금속내부에서 와류전류(맴돌이 전류, eddy current)가 발생하고, 이러한 와류전류가 서로에게 역방향의 전류를 생성한다. 이에, 전력전달에 기여하는 EMF에 대응되는 역 EMF(reverse EMF)가 형성되고, 이러한 방식으로 외부로 유출되는 EMF를 차폐시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 결국, 알루미늄과 같이 도전성을 띄면서 교류전류의 투과에 따라 와류전류를 발생시킬 수 있는 부재라면 어떠한 재료라도 사용될 수 있다. 한편, 메인코일(10, 20)에 흐르는 전류를 생성하기 위해 고주파가 사용되는 경우라면, 본 발명의 실시예와 같이 알루미늄 덮개(100)를 사용하여 메인코일(10, 20)을 덮음으로서, 차폐의 효과를 더욱 높일 수 있다.
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 변경이 가능함은 물론이다.
1: 급전장치 2: 집전장치
3: 측정지점
10: 급전장치의 메인코일(main coil)
11: 급전장치의 상쇄코일(cancel coil)
12: 급전코어
20: 집전장치의 메인코일(main coil)
21: 집전장치의 상쇄코일(cancel coil)
22: 집전코어
30: 정류기
100: 페라이트 코어 덮개 200: 알루미늄 커버

Claims (9)

  1. 자기 유도식 전력전달 방식(Inductive Power Transfer, IPT)를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    상기 급전장치는 상기 무선 전력전달 모듈의 진행 경로를 따라 설치되며 다양한 형상으로 제조될 수 있으며,
    상기 집전장치는 상기 급전장치로부터 자기유도식 전력전달 방식으로 전력을 공급받고 다양한 형상으로 형성되며,
    상기 급전장치 또는 집전장치는 일정 방향으로 흐르는 전류를 형성하는 하나 이상의 메인코일(main coil) 및 상기 메인코일과 반대 방향으로 감거나 권취되는 하나 이상의 상쇄코일을 구비하되,
    Figure pat00015
    ,
    Figure pat00016

    와 같은 수식을 만족하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 U자 형상의 급전장치는,
    상기 급전장치의 중심으로부터 양끝 방향으로 이격되어 각각 배치되되, 상기 무선 전력전달 모듈의 진행방향과 역방향으로 전류 방향이 형성되는 2개의 메인코일 및 U자형 급전장치의 외부에서 급전장치와 인접하여 각각 배치되되, 메인코일의 전류방향과 반대방향의 전류를 형성하도록 배치되는 2개의 상쇄코일로 구성되고,
    상기 집전장치는 중심부에 상하로 복수 번 권취되는 1개의 메인코일 및 메인코일과 이격되어 상기 집전장치의 양 끝 부분에 배치되되 상하로 복수 번 권취되는 1개의 상쇄코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 W자 형상의 급전장치는,
    W형상의 중심부를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감되, 시계 방향으로 흐르는 전류를 형성하는 1개의 1턴 메인코일로 구성되고,
    상기 집전장치는 집전장치의 중심부를 기준으로 상기 급전장치의 메인코일에 대응하는 집전장치의 위치에 루프형태로 복수 번 감긴 1개의 메인코일 및 상기 집전장치의 메인코일과 이격되되 상기 집전장치의 양 끝 가장자리에 루프형태로 배치되는 1개의 상쇄코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선 전력전달 모듈 중 메인코일이 루프형상으로 형성되며 정차 중 충전되는 경우에 포함되는 급전장치 및 집전장치는,
    직사각형 또는 원형의 1개이며 복수 번 감긴 메인코일을 구비하고, 각각 독립적으로 1개의 상쇄코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  5. IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    다양한 형상으로 형성되는 급전장치 중 I자 형상의 급전장치는,
    X축 방향으로 극성이 바뀌되 상기 하나의 급전장치와 이에 이웃한 급전장치 사이에 엇갈려서 복수 번 감긴 메인코일로 구성되고,
    상기 집전장치는 복수 개의 복수 턴 메인코일 및 각각의 메인코일과 이격되어 상기 집전장치의 양 끝 가장자리에 배치되는 복수 개의 복수 턴 상쇄코일을 구비하되, 상기 상쇄코일이 서로 인접하는 부분은 상기 집전코어보다 높은 위치에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  6. IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    다양한 형상으로 형성되는 집전장치 중 복수 개의 집전코일을 이용하는 집전장치를 사용하는 경우,
    상기 무선 전력전달 모듈에 포함되는 집전장치에 연결되는 상기 메인코일 및 상쇄코일로 이루어진 각각의 집전코일을 AC측에서 직렬로 연결하고, 코일들을 직렬로 바로 연결하여 1개의 정류기에 연결하는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  7. IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    다양한 형상으로 형성되는 집전장치 중 복수 개의 집전코일을 이용하는 집전장치를 사용하는 경우,
    상기 무선 전력전달 모듈에 포함되는 집전장치에 연결되는 상기 메인코일 및 상쇄코일로 이루어진 각각의 집전코일 간의 연결을 DC측에서 형성하고, 각 메인코일 및 상쇄코일 쌍을 각각의 정류기에 연결하는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  8. IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    상기 급전장치 또는 집전장치는,
    상기 상쇄코일의 상부에 상기 상쇄코일이 다양한 형상의 부재로 덮이도록 부가되는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
  9. IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 포함되며 급전장치 및 집전장치를 포함하는 무선 전력전달 모듈에 있어서,
    상기 급전장치 또는 집전장치는,
    상기 메인코일의 상부에 상기 메인코일이 덮이도록 도전성 금속의 커버가 부가되는 것을 특징으로 하는 IPT를 이용한 무선 전력전달 시스템에 있어서 EMF 상쇄장치.
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