KR20160008173A - 전력 전송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 공급 전류를 운반하는 케이블로부터 전력을 유도에 의해 픽업하기 위한 전송 픽업 회로를 포함하는 전력 전송 시스템에 관한 것이다. 전력 전송 시스템은 변압기에 대해 병렬 접속된 제1 용량성 모듈 및 케이블에 대한 유도 결합을 제공하기 위한 변압기의 2차 권선을 포함하는 제1 회로를 포함한다. 전송 픽업 회로는 제1 회로에 대해 병렬 접속된 제2 회로를 더 포함하고 제2 유도성 모듈 및 부하에 전력을 전달하기 위한 수단을 포함하며, 이 수단은 제2 유도성 모듈과 직렬이다.

Description

전력 전송 시스템{POWER TRANSFER SYSTEM}

본 발명은 교류 공급 전류를 운반하는 케이블로부터 유도에 의해 전력을 픽업하기 위한 전송 픽업 회로(transfer pick-up circuit)를 포함하는 전력 전송 시스템에 관한 것이다.

제US8,093,758호는 유도 결합 전력 전송(ICPT)을 위한 전력 전송 시스템을 기술한다. 이것은 공진 변환기를 포함하는 전원 장치로부터 교류 전류를 공급받는 1차 전도성 경로를 갖는 회로를 기술한다. 이것은 또한 변환기를 이용하여 제1 회로에 2차 회로를 유도 결합하는 것을 기술한다. 2차 회로는 권선(winding) 및 커패시터를 포함함으로써 커패시터가 권선에 대해 병렬 접속된다. 권선은 유도성 요소(inductive element)를 형성한다. 부하(load)는 유도성 요소 및 커패시터에 대해 병렬이다. 제어된 쇼팅 스위치(shorting switch)가 픽업을 결합해제하도록 사용되고 그에 따라 1차 전도성 경로로의 임피던스를 조절한다. 쇼트가 없으면, 2차 회로가 공진할 것이다. 제어된 쇼팅 스위치는 유도성 커패시터 및 유도성 요소에 대해 병렬이다. 제어된 쇼팅 스위치가 커다란 전도 손실을 발생시키기 때문에, 1차 경로 내의 전류의 주파수 변화를 가능하게 하도록 제US8,093,758호는 유도성 요소 및 커패시터에 대해 병렬인 가변 인덕터 또는 가변 커패시터의 사용을 기술한다. 전력 전송 시스템은 부하의 조건을 감지하기 위한 감지 수단 및 감지된 부하 조건에 의존하여 2차 회로로의 전력 전송을 제어하도록 2차 회로의 효율적인 커패시턴스 또는 인덕턴스를 변화시킴으로써 감지 수단에 의해 감지되는 부하 조건에 응답하여 2차 회로를 선택적으로 튜닝하거나 디튜닝(de-tune)하기 위한 제어 수단을 포함한다. 제어 수단은 인덕터 또는 커패시터를 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 적절한 드라이버를 구비함에 따라 가변성을 가지는 두 개의 스위치들을 포함한다. 감지 수단은 공진 회로 내의 전압 위상을 감지한다. 제어 수단은 2차 회로로 전압 제로 크로싱 후 사전결정된 기간에 가변 인덕터를 접속시키거나 가변 커패시터를 접속차단하기 위한 스위칭 수단을 구동하도록 채택된다. 그에 따라 제어 수단은 부하가 작고 2차 회로를 통해 전달될 높은 전력을 필요로 하지 않을 때 공진 주파수가 공진(트랙 주파수)으로부터 멀리 디튜닝되도록 가변 인덕턴스 또는 가변 커패시터를 변경시킨다. 2차 회로는 부하가 증가할 때 트랙 주파수를 향해 튜닝되고 증가된 부하로부터의 수요를 만족시키도록 높은 전력 전송이 요구된다.

제US8,093,758호에 기술된 바와 같은 전력 전송 시스템의 단점은 비교적 값비싼 제어기가 필요하며 부하로의 출력 전압이 감지되어야만 한다는 점이다. 또한, 스위치는 픽업 회로 내의 노이즈를 발생시키며 따라서 스위칭할 때 1차 경로 상의 노이즈를 발생시킨다. 이러한 노이즈는 케이블에 결합된 다른 픽업의 기능을 방해할 수 있거나 또는 교류 전류가 산출되지 않고 의도된 채로 남아있다는 점에서 전원 장치가 이러한 노이즈에 대해 양호할 것을 요구할 수 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제들 중 하나 이상을 개선하거나 또는 적어도 교류 전력 전송 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명의 실시예에 따라 교류 공급 전류를 운반하는 케이블로부터 유도에 의해 전력을 픽업하기 위한 전송 픽업 회로를 포함하는 전력 전송 시스템에 의해 도달되며, 이러한 전력 전송 시스템은

- 케이블에 대한 유도 결합을 제공하기 위한 변압기의 2차 권선을 포함하는 제1 회로 및 변압기에 대해 병렬 접속된 제1 용량성 모듈을 포함하되;

- 전송 픽업 회로가 제1 회로에 대해 병렬 접속되고 제2 유도성 모듈을 포함하는 제2 회로 및 제2 유도성 모듈과 직렬이고 부하에 전력을 전송하기 위한 수단을 포함함으로써 특징지어진다.

2차 권선, 제1 용량성 모듈, 제2 유도성 모듈, 수단 및 존재한다면 부하가 함께 전송 픽업 회로를 형성한다. 전송 픽업 회로는 공진 회로, 즉 교류 공급 전류의 주파수에 의존하여 공진할 수 있는 회로이다.

제2 유도성 모듈, 제1 용량성 모듈 및 변압기의 2차 권선이 함께 케이블의 방향으로의 노이즈에 대한 저역 통과 필터를 형성한다. 따라서. 부하 또는 수단으로부터의 노이즈가 필터링된다. 따라서 케이블 상의 교류 공급 전류의 소스가 매우 양호해야만 할 필요가 없으며 케이블에 결합된 다른 유도 결합 전력 전송 픽업 회로들이 최적으로 기능할 수 있다.

바람직하게는 교류 공급 전류가 케이블 주파수에서 교번하고(alternate), 제1 회로가 케이블 주파수 아래인 제1 공진 주파수 주변의 제1 주파수 범위 내의 제1 공진을 가지고, 전력 전송 시스템이 사용시에 제2 회로가 무한히 높은 임피던스를 형성하도록 배치되며, 변압기는 케이블 주파수에서 포화되지 않는다.

2차 권선은 이상적인 변압기 권선 및 이상적인 변압기 권선에 대해 병렬인 자기화 인덕턴스로서 모델링될 수 있다. 이상적인 변압기 권선은 제로 임피던스를 가지며, 즉 이상적인 변압기의 인덕턴스, 저항 및 커패시턴스가 0이다.

전송 픽업 회로에서, 제2 회로가 제1 회로에 대해 병렬이다. 제1 회로에 대해 병렬인 제2 회로를 배치함으로써, 제2 회로의 임피던스가 제1 회로의 임피던스에 대해 병렬이다. 따라서, 제2 회로의 임피던스가 제1 회로의 임피던스에 비교하여 높은 경우에, 제1 회로의 양상이 우세하게 된다. 또한, 만약 제2 회로가 사용 중에 유한히 높은 임피던스를 형성하면, 제2 회로가 효율적으로 아무 역할을 하지 않는다.

실제로, 회로들의 공진 피크가 유한히 작은 폭을 가지지 않지만 주파수 범위 내의 공진을 가진다. 이러한 실시예에서, 제1 주파수 범위는 공진이 최대에 도달하는 제1 공진 주파수 주변이다. 제1 공진 주파수는 케이블 주파수 아래이며, 이는 케이블 주파수에서 공진이 자신의 최대에 있지 않음을 의미한다.

또한, 변압기는 제한된 최대 전력 전송을 가지며, 그 위에서 변압기가 포화된다. 따라서, 적어도 포화 주파수 범위 위에서 전달 픽업 회로가 변압기로 하여금 포화되게 할 것이다. 따라서, 실제로 제2 회로가 케이블 주파수에서 무한한 부하를 형성할 때, 전송 픽업 회로는 변압기가 포화될 때보다 케이블로부터 더 적은 에너지를 픽업할 것이다. 다시 말하면, 케이블로부터의 전송 픽업 회로의 결합해제가 존재한다.

이러한 결합해제는 몇몇 상황에서 바람직할 수 있다. 제2 회로가 부하에 전력을 전송하기 위한 수단을 포함하기 때문에, 제2 회로의 임피던스는 부하의 임피던스에 의존한다(그리고 따라서 부하의 존재에도 의존한다). 또한, 제2 회로의 저항은 부하의 저항 상승과 함께 상승한다. 제2 회로가 부하의 존재에 의해서만 닫히는 경우(즉, 부하가 존재하지 않으면 개방되는 경우), 제2 회로의 저항은 접속된 부하가 존재하지 않을 때 최대에 도달한다. 부하를 스위칭 오프하는 것은 동일한 효과를 가질 수 있다. 제2 회로의 높은 임피던스에서의 결합해제와 조합하여, 이것은 특히 접속된 부하가 존재하지 않을 때 부하의 높은 임피던스에서 결합해제가 존재한다는 것을 의미한다. 이것은 예를 들어 부하가 존재하지 않을 때 또는 부하가 스위칭 오프 되었을 때 그리고 실제로 전력 손실이 최소인 것이 요구되는 상황에서 비교적 낮은 전력 손실이 존재한다는 것을 의미한다.

이러한 결합해제를 획득하기 위해서, 제어기가 요구되지 않는다. 제어기가 요구되지 않기 때문에, 전력 전송 픽업이 비교적 저렴하고 신뢰가능하다. 대신, 결합에서의 차이가 부하 자신의 임피던스에 의존하는 전송 픽업 회로의 서로 다른 공진 속성들에 의해 획득된다.

본 출원인은 변압기의 자기 인덕턴스가 유도성 모듈의 자기 인덕턴스로부터 분리되기 때문에, 부하가 제2 유도성 모듈과 직렬에 있지 않고 제1 회로에 대해 병렬일 수 있는 상황에 비교하여 부하에 전력을 전달하는 능력을 악화시키지 않고 제1 공진 주파수와 케이블 주파수 사이의 차이를 증가시키도록 바람직하게 더 많은 자유도를 가질 수 있음을 인식하였다.

바람직한 실시예에서, 제2 회로가 제2 유도성 모듈과 직렬로 배치되고 상기 수단과 병렬로 배치되는 제2 용량성 모듈을 포함하고, 실제로 부하 임피던스가 무한히 높은 경우 제2 용량성 모듈 및 제2 유도성 모듈이 제2 공진 주파수 둘레의 제2 주파수 범위 내의 제2 공진을 갖도록 배치되고, 실제로 부하가 무한히 높은 경우 전송 픽업 회로의 임피던스가 케이블 주파수에서 제1 회로의 임피던스보다 낮도록 제2 공진이 배치된다.

제2 회로 내에 용량성 회로를 구비함으로써, 부하의 무한히 높은 임피던스를 갖는 경우조차도 제2 회로가 전송 픽업 회로 내에서 역할을 수행한다. 또한, 제2 회로는 제2 공진을 가진다. 제2 회로가 제2 유도성 모듈과 직렬인 제2 용량성 모듈을 구비하기 때문에, 제2 공진 주파수에서 최소값을 갖는 공진에서 제2 회로의 임피던스가 낮다. 제2 회로가 제1 회로에 대해 병렬이기 때문에, 제2 회로의 낮은 임피던스는 전송 픽업 회로의 임피던스를 낮게 한다.

이 실시예에서 전송 픽업 회로가 제1 회로보다 더 낮은 임피던스를 가지기 때문에, 케이블로부터 픽업된 전력은 사용시에 부하가 무한히 높은 임피던스를 형성할 때 케이블 주파수에서 추가로 감소된다.

부하의 임피던스가 낮아지면, 케이블 주파수에서 부하가 제2 용량성 모듈에 대해 더욱 우세해지고, 직렬 공진을 효율적으로 약화시킨다. 이것은 전력이 부하에 전송되는 것을 가능하게 한다. 부하 임피던스가 0에 접근하는 경우에, 제2 용량성 모듈이 완전히 바이패스되고 제2 용량성 모듈을 구비하거나 구비하지 않은 회로의 양상이 동일해진다.

바람직하게는, 실제로 부하 임피던스가 무한히 높은 경우 케이블 주파수에서 제2 회로의 임피던스가 제1 회로의 임피던스보다 더 낮다.

제2 회로의 임피던스가 제1 회로의 임피던스보다 낮기 때문에, 전송 픽업 회로의 임피던스가 뚜렷하게 감소된다.

바람직한 실시예에서, 바람직하게는 수단이 정류기의 출력 측으로부터 부하를 공급하도록 배치된 정류기 및 부하에 대해 병렬 배치된 정류기의 출력 측에 접속된 용량성 저장소 모듈을 포함한다.

수단이 제2 용량성 모듈에 대해 병렬이고 정류기의 출력 측으로부터 부하를 공급하도록 배치되기 때문에, 증가하는 부하 저항이 여전히 제2 회로의 증가된 저항으로 이어진다.

용량성 저장소 모듈이 부하에 대해 병렬이고 정류기 뒤에 있기 때문에, 부하를 위한 에너지의 저장소가 존재하며 따라서 전압 및 전류 내의 정류기의 출력 측 상에 존재할 수 있는 물결(ripple)이 스무스-아웃(smooth out)된다.

바람직하게는, 수단은 부하 및 용량성 저장소 모듈과 직렬 배치되는 제3 유도성 모듈을 포함한다.

용량성 저장소 모듈은 정류기의 출력 측 상의 교류 전압이 문턱값에 도달할 때 로딩한다. 따라서 이것은 정류기의 출력 측 상의 교류 전압의 상단에서 로딩한다. 이러한 로딩 특징은 공진 전송 픽업 회로의 공진을 방해할 수 있다. 제3 유도성 모듈의 인덕턴스의 장점은 공진 회로가 비교적 균등하게 로딩되며 2차 공진 회로가 덜 방해받는다는 것이다.

바람직하게는, 교류 공급 전류를 제공하기 위한 소스를 포함하고, 소스는 케이블 주파수를 변화시키도록 배치된다.

소스가 케이블 주파수를 변화시킬 수 있기 때문에, 케이블 상의 전력 전송 픽업의 임피던스가 케이블에 결합된 유도 결합된 전력 전송 픽업의 수를 수용하도록 변경될 수 있다. 또한, 주파수들 사이의 스위칭이 케이블에 결합된 유도 결합된 전력 전송 픽업에 대한 신호로서 사용될 수 있다.

이제 본 발명의 실시예들이 상응하는 심볼이 상응하는 부분을 나타내는 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 오직 예시적인 방식으로 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 전송 시스템에 따른 유도 결합된 전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 2a는 도 1의 유도 결합된 전력 전송 시스템의 전기 회로 표현을 도시한 도면,
도 2b는 도 1의 유도 결합된 전력 전송 시스템의 전기 회로 표현을 도시한 도면,
도 3은 부하가 도 2b의 전송 픽업 회로 내의 공칭값(nominal value)에 있을 때 서로 다른 주파수에서 케이블로부터 픽업되는 전력을 도시한 도면,
도 4는 부하가 도 2b의 전송 픽업 회로의 공칭값에 있을 때 서로 다른 주파수에서의 최대 1차 변압기 전압을 도시한 도면,
도 5는 서로 다른 주파수에서 도 2b의 전송 픽업 회로에 대한 부하로서 무한히 높은 임피던스를 갖는 케이블로부터 픽업된 전력을 도시한 도면,
도 6은 서로 다른 주파수에서 도 2b의 전송 픽업 회로에 대한 부하로서 무한히 높은 임피던스를 갖는 최대 1차 변압기 전압을 도시한 도면,
도 7은 도 1의 유도 결합 전력 전송 시스템의 전기 회로 표현을 도시한 도면,
도 8은 부하가 도 7의 전송 픽업 회로 내의 공칭값에 있을 때 서로 다른 주파수에서 케이블로부터 픽업된 전력을 도시한 도면,
도 9는 부하가 도 7의 전송 픽업 회로 내의 공칭값에 있을 때 서로 다른 주파수에서 최대 1차 변압기 전압을 도시한 도면,
도 10은 서로 다른 주파수에서 도 7의 전송 픽업 회로에 대한 부하로서 무한히 높은 임피던스를 갖는 케이블로부터 픽업된 전력을 도시한 도면,
도 11은 서로 다른 주파수에서 도 7의 전송 픽업 회로에 대한 부하로서 무한히 높은 임피던스를 갖는 1차 변압기 전압 위인 최대 전압을 도시한 도면,
도 12는 도 1의 유도 결합된 전력 전송 시스템의 대안적인 세부사항을 도시한 도면.

전송 회로 내에 용량성 모듈이 없는 예

본 발명의 실시예에 따른 예시에서, 전원 장치(1)가 전류 소스를 이용하여 케이블(2)에 교류 전류를 공급하도록 배치된다. 이것이 도 1에 도시되었다. 페라이트 요소(4)를 포함하는 전력 전송 픽업(3)이 케이블 부근에 배치되었다(도 2a 및 도 2b). 전력 전송 픽업은 페라이트 요소(4) 주변의 2차 권선(17)을 더 포함한다. 페라이트 요소(4)는 변압기의 코어를 형성하며 적어도 부분적으로 2차 권선 내에 있다. 전력 전송 픽업(3)은 케이블(2)과 전력 전송 픽업(3) 사이에 유도 결합이 존재하도록 배치된다.

도 2a는 전력 전송 픽업(3)의 전기 회로 도면을 도시한다. 전력 전송 픽업(3)은 제1 용량성 모듈(7)을 더 포함한다. 제1 용량성 모듈(7)은 2차 권선(17)에 대해 병렬 접속되고 제1 용량성 모듈과 2차 권선은 함께 제1 회로(8)를 형성한다.

전기 회로 도면을 이용하여 본 발명을 설명하기 위해, 2차 권선이 이상적인 변압기의 2차 부분(5) 및 이상적인 변압기의 2차 부분(5)에 대해 병렬인 제1 유도성 모듈(6)로서 모델링될 수 있다. 제1 유도성 모듈(6)은 변압기의 인덕턴스의 자기화를 표현한다. 도 2b는 이러한 모델을 이용하여 전력 전송 픽업의 전기 회로 도면을 도시한다. 전력 전송 픽업은 제1 회로(8)에 대해 병렬 접속된 제2 회로(9)를 더 포함한다. 제2 회로(9)는 제2 유도성 모듈(10)을 포함한다.

도 2a 및 도 2b에 제2 유도성 모듈(10)과 직렬인 접속 수단(16)을 통해 제2 회로(9)에 접속되는 부하를 갖는 회로도가 도시되었다. 접속 수단(16)은 플러그를 위한 리셉터클(receptacle)들의 쌍에 의해 형성된다.

부하는 스위칭 가능한 백열전구이다. 백열전구는 요구에 따라 스위치 온 및 오프되고, 이것은 부하가 달라질 수 있음을 의미한다. 백열전구는 저항성이다. 백열전구가 오프 될 때, 백열전구의 저항은 대단히 높다. 백열전구가 온 될 때, 저항은 공칭값이다. 부하는 플러그에 의해 접속 수단에 접속된다. 이것은 백열전구의 빠르고 용이한 교환을 가능하게 한다.

제1 회로 및 제2 회로는 함께 저항성인 전송 픽업 회로를 형성한다. 본 발명을 설명하기 위한 목적 및 전송 픽업 회로 내의 구성요소들에 대한 값들의 선택을 위해, 몇몇 서로 다른 상황들이 기술될 것이다.

제1 용량성 모듈(7)은 약 64㎋의 값을 갖는 커패시턴스 Cp를 구비한다. 제2 유도성 모듈(10)은 820μH의 인덕턴스 Ls를 갖는 코일이다. 제1 유도성 모듈(6)은 1944μH의 값 Lp를 가지며, 즉 변압기의 제2 권선이 1944μH의 인덕턴스를 가진다.

이러한 값들은 전송 픽업 회로의 공진 주파수(

)가 부하가 쇼트되었을 때(즉, 0 임피던스를 가질 때) 26㎑의 케이블 주파수에 가깝게 배치하도록 선택되었다. 따라서 이 값들은 다음 식을 이용하여 선택된다:

당업자가 인식하는 바와 같이, 모든 값들이 커패시터, 코일 및 변압기에 쉽게 이용가능하지는 않으며, 그에 따라 공진 주파수(

)가 정확한 케이블 주파수로부터 약간 벗어날 수 있다. 이러한 예에서, 64㎋의 커패시턴스 값을 갖는 커패시터가 쉽게 이용가능하지 않다(즉, 이러한 값을 갖는 커패시터가 디폴트에 의해 생산되지 않는다). 따라서 제1 용량성 모듈(7)은 디폴트 값인 값 56㎋ 및 8.2㎋을 가지고 병렬 접속된 두 개의 커패시터들을 포함한다. 또한 전형적으로 커패시터, 코일 및 변압기 상에 큰 생산 오차가 존재한다. 예를 들어, 생산 오차로 인해 커패시터들의 값은 50%, 10%, 5%, 또는 1%만큼 달라질 수 있으며, 코일의 인덕턴스는 20% 또는 10%만큼 달라질 수 있다. 또한, 공진이 최대인 주파수 주변의 주파수 범위 내에서 공진이 발생한다.

이러한 경우 구성요소들의 공칭값들에 따른 결합된 공진 주파수는 약 26.197㎑의 값을 가지며, 즉 이것은 케이블 주파수로부터 1%보다 적게 벗어난다.

교류 전류는 전원 장치(1)의 전류 소스에 의해 공급된다. 부하에 전달되는 전력(부하 전력)이 도 3에서 주파수들의 범위에 대해 도시되었다. 도 3은 부하 전력이 선택된 값들에 대해 최대에 있거나 또는 최대에 가깝다는 것을 나타낸다.

전술된 값들은 부하가 사용 중에 의도된 바와 같은 값을 가지는, 즉 공칭값을 가지는 상황에 대해 선택된다. 이러한 경우에서 이것은 약 61Ω이다.

그러나 Lp, Ls 및 Cp에 대한 값들은 공칭값을 무시함으로써 선택된다. 부하의 임피던스가 아직 (정확하게) 알려지지 않은 회로를 설계하는 것이 유용하다. 전송 픽업을 설계할 때 백열전구에 대한 임피던스 값은 (전송 픽업 회로의 공진 주파수에 있는) 피크의 최대값을 Cp 또는 Lp 또는 Ls의 값들을 변화시킴으로써 케이블 주파수에 최대한 가깝게 배치하도록 사용될 수 있다. 이것은 다음의 식을 따라 소정의 부하 임피던스(Z_load)에 대해 0인 허수 부분을 갖도록 전송 픽업 회로의 복소 임피던스에 대한 식을 풀어 수행되며:

이때 Z는 임피던스를 나타내도록 사용되고

는 허수 부분을 나타내도록 사용된다.

도 4는 도 3과 동일한 상황에 대해 케이블 주파수의 함수로서 (도면에서 Vpeak로 지칭된) 최대 1차 변압기 전압을 나타낸다. 최대 1차 변압기 전압은 전력 전송 픽업에서 케이블에 의해 경험되는 최대 전압 강하이다. 전압 강하는 전류가 교류 전류이기 때문에 시간에 따라 달라진다. 교류 전류가 전류 소스에 의해 공급되기 때문에, 케이블에 의해 경험되는 전압 강하는 케이블로부터 픽업된 전력에 대응한다.

부하가 무한히 높은 임피던스를 갖는 경우에서, 전력 전송 회로에 의해 픽업되는 전력이 케이블 내의 교류 전류의 서로 다른 주파수에서 정점에 도달한다. 도 5에서 부하가 무한히 높은 임피던스를 갖는 상황이 도시되었다. 부하가 무한히 높은 임피던스를 가질 때 케이블로부터 픽업되는 전력의 양상은 부하가 무한 임피던스를 가질 때의 양상에 근접한다. 도 6이 이러한 상황에 대한 최대 1차 변압기 전압을 도시한다.

1차 변압기 전압은 변압기의 코어(4)에 의해 5.0V로 제한된다. 코어(4)가 페라이트로부터 제조되기 때문에, 이것은 0.3 내지 0.5 테슬라(Tesla)의 자속 밀도에서 포화된다. 자속 밀도는 다음에 의해 결정되며:

이때

는 변압기에 대한 피크 전압이고,

는 코어의 효율적인 단면적이고, N은 권선의 수이며, f는 주파수이다.

만약 부하가 무한히 높은 임피던스를 가진다면, 제2 회로 또한 무한히 높은 임피던스를 가지며 효율적으로 제2 회로가 공진 전송 픽업 회로의 양상에 관련되지 않는다. 전송 픽업 회로의 공진은 약 15㎑의 주파수에서 최대인 공진을 갖는 제1 회로에 의해 결정된다. 전력 전송 회로 내의 다른 공진 주파수들과 구별하기 위해서, 이러한 공진 주파수는 제1 공진 주파수로서 추가로 지칭될 것이다.

제1 공진 주파수(

), 제1 유도성 모듈의 자기화 인덕턴스 및 제1 용량성 모듈의 커패시턴스 사이의 관계가 다음에 의해 주어진다:

이러한 식은 또한 제1 유도성 모듈의 자기화 인덕턴스 및 제1 용량성 모듈의 커패시턴스에 대한 값들을 선택하도록 사용된다.

이러한 제1 공진 주파수에서, 코어(4)가 포화된다. 코어가 포화되었기 때문에, 전력 전송 픽업에 의해 픽업된 전력이 제한되고 최대 1차 변압기 전압이 제한된다.

위에서 주어진 주파수들뿐 아니라 도 3 및 5 또는 도 4 및 6의 비교로부터 로부터 분명한 바와 같이, 공칭 임피던스를 갖는 부하를 포함하는 전송 픽업 회로(제1 회로(8) 및 제2 회로(9)를 결합한 회로)의 공진 주파수가 제1 공진 주파수보다 케이블 주파수에 더 가깝다.

전송 회로 내에 용량성 모듈을 갖는 예

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예에서, 전력 전송 회로가 전술된 바와 같지만, 제2 회로는 부하에 전력을 전달하기 위한 수단(16)에 대해 병렬인 제2 용량성 모듈(11)을 추가로 포함한다. 제2 용량성 모듈(11)은 또한 제2 유도성 모듈(10)과 직렬이다. 제2 용량성 모듈(11)은 커패시턴스에 대한 값 Cs을 가진다. 수단(16)에 접속된 부하가 존재하지 않는 경우, 전송 픽업 회로의 나머지로부터 개별적으로 받아들여져, 제2 회로는 다음에 의해 결정된 제2 공진 주파수(

)에서 최대(즉, 최대 임피던스)인 공진을 가진다:

이 예에서, 공칭값 Cs는 44nF이고, 약 26,496㎑의 제2 회로의 제2 공진 주파수(

)에 대한 값으로 이어진다. 이것이 케이블 주파수로부터 2%보다 적은 정도로 벗어나지만, 쉽게 이용가능한 구성요소들이 사용될 수 있다. 제2 용량성 모듈(11)은 쉽게 이용가능한 구성요소들인 값들 22㎋ 및 22㎋을 가지고 병렬 접속된 두 개의 커패시터들을 포함한다. 당업자는 본 발명의 다른 예들에서 제2 용량성 모듈 내에 단일의 쉽게 이용가능한 커패시터를 사용하는 것이 가능할 수 있음을 이해할 것이다.

도 8은 부하가 공칭 임피던스인 상황에 대한 서로 다른 케이블 주파수들에 있어서 이러한 실시예에 대한 부하로 전달되는 전력을 도시한다. 이전의 예에서와 같이, 이러한 공칭 부하 임피던스는 약 61Ω이다. 이러한 도 8은 제2 용량성 모듈을 갖는 상황 및 갖지 않는 상황을 포함하기 위해 도 3과 비교되어야만 한다. 비교로부터 제2 용량성 모듈(11)을 갖는 전송 픽업 회로의 양상이 제2 용량성 모듈(11)이 없는 전송 픽업 회로의 양상과 유사하다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.

또한, 도 9는 제2 용량성 모듈(11)의 이러한 용량 값에 대한 최대 1차 변압기 전압을 도시한다. 도 9는 제2 용량성 모듈을 갖는 상황과 갖지 않는 상황을 비교하기 위해 도 4와 비교되어야만 한다. 비교로부터 제2 용량성 모듈(11)을 갖는 전송 픽업 회로의 양상이 제2 용량성 모듈(11)이 없는 전송 픽업 회로의 양상과 유사하다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 제2 용량성 모듈(11)의 존재의 장점은 도 10 및 11에 도시되었다.

도 11은 부하가 매우 높을 때 전송 픽업 회로의 양상을 도시한다. 이러한 양상은 부하가 존재하지 않는 (즉, 무한 임피던스를 갖는) 상황에 근사한다. 이러한 경우에서, 케이블 주파수의 함수로서 최대 1차 변압기 전압의 형태로 양상이 도시되었다. 여기에서, 제2 용량성 모듈(11)이 없는 상황에서와 같이, 코어(4)가 주파수 범위 내에 포화되었지만 케이블 주파수에 있지 않을 때 최대 1차 변압기 전압이 클립(clip)한다. 앞서 논의된 바와 같이, 제2 회로가 케이블 주파수에서 제2 공진 주파수를 가진다(즉, 시장에서 입수가능한 것과 같이 디폴트 값을 갖는 구성요소들의 사용을 가능하게 하도록 최대한 벗어난다). 제2 회로가 직렬 회로이기 때문에, 제2 회로는 제2 공진 주파수에서 (제1 회로에 대해 병렬인) 쇼트를 형성한다. 케이블 주파수는 정확히 제2 공진 주파수가 아니지만, 케이블 주파수에서, 제2 회로의 임피던스는 여전히 낮다. 제2 용량성 모듈의 장점은 26㎑의 케이블 주파수에서 전송 픽업 회로가 제1 회로가 형성할 수 있는 것보다 더 낮은 케이블에 대한 임피던스를 형성한다는 것이다. 이러한 예에서 제2 회로의 임피던스가 매우 낮고 제1 회로의 임피던스보다 훨씬 더 낮기 때문에 최대 1차 변압기 전압조차도 무시할 수 있다. 이것은 도 10의 26㎑의 케이블 주파수에서 무시할 수 있는 케이블로부터 픽업된 전력에 대응한다. 이것은 제2 용량성 모듈(11)의 존재로 인해 그리고 이러한 케이블 주파수에서의 제1 유도성 모듈, 제2 유도성 모듈, 제1 용량성 모듈 및 제2 용량성 모듈의 값을 이용하여, 전력 전송 픽업에 접속된 부하가 존재하지 않는다면(또는 부하가 스위치 오프되었다면) 케이블(2)로부터 픽업된 전력이 존재하지 않으며 파워 전송 픽업(3)은 이것이 결합되는 유도 결합된 파워 전송 시스템에 영향을 미치지 않을 것임을 의미한다.

도 11과 같이, 도 10은 부하가 케이블 주파수의 함수로서 부하에 전달되는 전력의 형태로 존재하지 않을 때 부하가 양상의 근사로서 매우 높은 경우의 전달 픽업 회로의 양상을 나타낸다. 이제 전송 픽업 회로가 케이블 주파수 위에 있는 제3 공진 주파수를 갖는다.

정류기를 가지는 예

다른 실시예(도 12)에서, 제1 용량성 모듈(7)이 서로에 대해 병렬 접속된 두 개의 커패시터들(71, 72)을 포함하고, 이때 하나의 커패시터(71)는 33㎋의 값을 가지고 다른 커패시터(72)는 100㎋의 값을 가진다.

실시예에서, 제2 용량성 모듈(11) 또한 서로에 대해 병렬 접속된 두 개의 커패시터들(111, 112)을 포함한다. 하나의 커패시터(111)는 4.7㎋의 값을 가지고 다른 커패시터는 56㎋의 값을 가진다.

2차 권선의 자기화 인덕턴스(Cp)는 847μH의 자기화 인덕턴스(Cp)를 가지고 제2 인덕턴스 모듈의 인덕턴스는 1000μH의 값을 가진다.

이러한 값들을 이용하여 전송 픽업 회로는 케이블 주파수가 20㎑와 21㎑ 사이에서 스위칭할 때 케이블로부터 전력을 픽업하도록 배치된다. 이것은 케이블 주파수가 상한(upper limit) 주파수인 21㎑를 가지고 20㎑ 내지 21㎑의 케이블 주파수 범위 내에 있음을 의미한다. 의도된 부하의 임피던스는 이 예에서 220Ω이다. 전송 픽업 회로의 공진 주파수는 케이블 주파수 범위 내에 있다. 의도된 임피던스를 갖는 부하가 접속되었을 때, 공진 주파수는 또한 케이블 주파수 범위 내에 있다.

전력 전송 픽업은 정류기 회로(13)를 더 포함한다. 정류기는 자신의 출력 측에서 단일 방향의 (그러나 여전히 변화하는) 전압을 제공하도록 배치된다.

출력 측 상에는 47㎌의 커패시터(14)가 존재한다. 부하(12)는 커패시터에 대해 병렬 접속된다. 커패시터(14) 및 부하(12)는 820μH의 인덕터(15)와 직렬인 정류기(13)에 접속된다.

본 발명의 특정 실시예들이 기술되었지만, 여전히 본 발명의 내용에 따라 기술된 것과 다르게, 그러나 여전히 본 발명의 가르침에 따라 실시될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 전력 전송 시스템은 하나보다 많은 전력 전송 픽업을 포함할 수 있고 스위칭 모드 전력 공급, 저항 및 LED-램프와 같은 서로 다른 성질의 부하들의 조합에 전력을 공급할 수 있다. 부하는 또한 센서일 수 있다. 센서는 또한 전력 전송 픽업을 통해 케이블(2)에 접속된 다른 구성요소들로 통신할 수 있다. 또한 제2 유도성 모듈은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 또한, 정류기는 반파장 정류기일 수 있다. 또한, 제2 공진 주파수는 부하가 유한 임피던스를 가질 때 제2 회로의 임피던스가 적어도 10, 20, 50 또는 100의 인자만큼 제1 회로의 임피던스보다 더 작도록 케이블 주파수로부터 벗어날 수 있다.

Claims (7)

1. 교류 공급 전류를 운반하는 케이블로부터 유도에 의해 전력을 픽업하기 위한 전송 픽업 회로(transfer pick-up circuit)를 포함하는 전력 전송 시스템으로서,
   상기 케이블에 대한 유도 결합을 제공하기 위한 변압기의 2차 권선(winding), 및 상기 변압기와 병렬 접속된 제1 용량성 모듈을 포함하는 제1 회로를 포함하되;
   상기 전송 픽업 회로는
   상기 제1 회로와 병렬 접속되고, 제2 유도성 모듈, 및 상기 제2 유도성 모듈과 직렬이고 부하(load)에 전력을 전송하기 위한 수단을 포함하는 제2 회로를 포함함으로써 특징지어지는, 전력 전송 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교류 공급 전류는 케이블 주파수에서 교번하고(alternate);
   상기 제1 회로는 상기 케이블 주파수 아래인 제1 공진 주파수 주변의 제1 주파수 범위 내의 제1 공진을 가지며, 상기 전력 전송 시스템은 사용시에 상기 제2 회로가 무한히 높은 임피던스를 형성하도록 배치되고, 상기 변압기는 상기 케이블 주파수에서 포화되지 않는, 전력 전송 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2 회로는 상기 제2 유도성 모듈과 직렬로 배치되고 상기 수단과 병렬로 배치되는 제2 용량성 모듈을 포함하고,
   상기 제2 용량성 모듈 및 상기 제2 유도성 모듈은 실제로 부하 임피던스가 무한히 높은 경우 제2 공진 주파수 둘레의 제2 주파수 범위 내의 제2 공진을 갖도록 배치되고, 실제로 상기 부하가 무한히 높은 경우 상기 전송 픽업 회로의 임피던스가 상기 케이블 주파수에서 상기 제1 회로의 임피던스보다 낮도록 상기 제2 공진이 배치되는, 전력 전송 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 케이블 주파수에서 상기 제2 회로의 임피던스는 실제로 상기 부하 임피던스가 무한히 높은 경우 상기 제1 회로의 임피던스보다 더 낮은, 전력 전송 시스템.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 수단은 정류기의 출력 측으로부터 상기 부하를 공급하도록 배치된 상기 정류기, 및 상기 부하와 병렬 배치된 상기 정류기의 상기 출력 측에 접속된 용량성 저장소 모듈을 포함하는, 전력 전송 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 수단은 상기 부하 및 상기 용량성 저장소 모듈과 직렬 배치되는 제3 유도성 모듈을 포함하는, 전력 전송 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 교류 공급 전류를 제공하기 위한 소스를 포함하고, 상기 소스는 상기 케이블 주파수를 변화시키도록 배치되는, 전력 전송 시스템.

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