KR20160031663A - 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈에 관한 것으로; 열차 선로의 레일들 사이에 장착되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부에 고정되는 코어고정용 플레이트, 상기 코어고정용 플레이트의 상부에 설치되는 케이블 고정용 튜브 및 마그네틱코어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 급전모듈을 구성하는 베이스 플레이트의 상부에 위치하는 코어고정용 플레이트의 높낮이를 조정함으로써 케이블 고정용 튜브의 균일한 평탄도를 일정하게 유지시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템용 급전모듈 {Power supply module for wireless power transmission systems}

본 발명은 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차에 비접촉식으로 필요한 대전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 시스템용 급전선로의 설치시 평탄도를 유지할 수 있도록 설치되는 급전모듈에 관한 것이다.

최근 자동차의 급격한 증가와 도로 교통의 정체 등 타 육상교통 수단이 한계에 이르면서, 전기철도에 대한 수요가 나날이 증가하고 확장되는 추세이다.

한편, 전기철도에 대한 수요 증가로 인한 공급이 확대됨에 따라 대량 대중교통 수단으로서 전기철도의 안전성과 신뢰성에 대한 확보가 더 절실히 요구되고 있다.

이와 같은 전기철도의 급전 시스템은 차량의 운행 동력으로서 필요한 교류 25,000V 또는 직류 1,500V의 전기에너지를 선로를 따라 설치된 가공차선(혹은, '트롤리선' 이라고 함) 또는 제3궤조로부터 전력을 공급받아 그 운행 및 제어에 사용하고 있으며, 그 예로 접촉식 급전 방식을 갖는 판토그라프는 등록특허 제10-0531749호, 등록특허 제10-0858370호 등을 통해 다양한 형태가 제안된 바 있다.

상기 가공차선을 통해 전력을 공급받기 위해서는 차량에 탑재한 팬토그라프를 이용하여 접촉에 의해 전력을 공급받으며, 제3궤조의 경우에는 레일 측면 또는 레일 사이에 제3궤조를 설치하고 변전소로부터 전력을 공급하며 열차에 부착된 급전슈를 통해 접촉에 의해 전력을 공급받는다.

그런데, 이와 같은 종래의 가공차선을 이용하는 접촉식 급전시스템은 급전을 위한 접촉에 의한 유지보수 비용 발생, 도심지 내 전차선이 거미줄처럼 연결되어 도시 미관의 침해, 전차선에 의한 사고 발생의 위험이 존재한다.

또한, 종래의 가공차선은 폭우, 강풍 등 날씨의 영향을 받아 운영시간 축소 및 고객 불편이 자주 발생하고, 레일을 귀선전류 궤환루프로 이용해야하며, 가공차선과의 이격거리 확보를 위한 터널 단면적이 증가하고, 고속운행시에 판토그라프의 공기저항 급상승에 의한 에너지 효율의 저감이 발생한다.

아울러, 종래의 제3궤조를 이용하는 접촉식 급전시스템은 승객 접촉 및 침수에 의한 감전사고의 발생 우려가 매우 높다.

한편, 이상의 종래 접촉식 급전 시스템의 문제점을 해결하기 위한 무선 급전시스템이 제안된 바 있으며, 대용량 무선급전 시스템의 일반적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같다. 이에 의하면 지상의 전원배전반(1)으로부터 공급되는 전력은 인버터(2)에서 고주파 전류를 생성하여 급전선로(3)에 공급하고 급전선로(3)를 흐르는 고주파 전류는 급전 선로에 고주파 자기장을 형성한다. 이와 같이 급전 선로(3)에 형성된 고주파 자기장은 차상의 집전모듈(4)에 부착되어 있는 코일(도체)과 쇄교하여 집전모듈(4)의 코일에 유도기전력을 발생시키고 발생된 유도기전력을 정류기를 통하여 직류성분으로 평활한 후 양질의 전력을 차량(5)에 공급한다.

이 경우 무선전력전송 시스템의 급전선로에는 높은 주파수의 고전류가 흐르고 선로의 길이에 따라서 급전선로의 인덕턴스가 증가하는 특성이 있다.

이와같은 특성은 아래 식(1)으로 표현된다.

v = 2πfLi ---------------- (1)

이때, v는 선로 전압, f는 주파수, L은 선로 인덕턴스, i는 선로 전류이다.

예를 들어, L = 2.5μH/m 인 경우 급전선로 길이가 150 m인 경우 선로 인덕턴스 L = 375 μH이고, 선로 전류 i = 350 A_s, f = 60 kHz인 경우에 선로 전압 v = 50kV의 고압이 발생하게 된다.

이 경우 50 kV의 내압을 견디기 위해서는 선로용 cable 에 특수한 절연처리를 필요로 하며 이러한 절연 처리는 시스템의 단가를 향상시키는 요인으로 작용하여 경제성에 치명적인 단점으로 작용한다. 따라서, 무선전력전송용 급전선로는 내압을 낮출 수 있는 설계를 포함해야 한다.

또한, 무선전력전송 시스템에서 급전선로(3)와 집전모듈(4) 간의 공극은 전체 시스템의 효율 및 집전모듈(4)에 유기되는 유기기전력에 직접적인 영향을 미치는 인자이기 때문에 일정공극을 유지하는 것이 매우 중요하다.

따라서, 급전선로(3)와 집전모듈(4) 간 일정공극 유지를 위해서는 급전선로(3)의 평탄도 유지가 매우 중요하다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-0531749호 참고문헌 2: 등록특허 제10-0858370호

따라서, 본 발명은 이러한 점들에 착안한 것으로서, 본 발명은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차에 비접촉식 무선전력 전송 기술을 적용하여 열차에서 필요로 하는 수백 KW 급의 대용량 전력을 균일하게 공급할 수 있도록 급전선로와 집전모듈간의 공극을 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

열차 선로의 레일들 사이에 장착되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부에 고정되는 코어고정용 플레이트, 상기 코어고정용 플레이트의 상부에 설치되는 케이블 고정용 튜브 및 마그네틱코어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈을 제공한다.

그리고, 상기 케이블 고정용 튜브의 균일한 평탄도를 유지하기 위해 상기 코어고정용 플레이트의 높이를 조절하는 높이조절수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 베이스 플레이트는 판상의 제1몸체 전후측 테두리에 제1결합공이 형성되고, 몸체의 양측에 형성되는 제1고정공이 형성되며; 상기 코어고정용 플레이트에는 판상의 제2몸체 전후측 테두리에는 상기 베이스 플레이트의 제1결합공에 대응되는 제2결합공이 형성되고, 제2몸체의 양측에는 상기 베이스 플레이트의 제1고정공에 대응되는 제2고정공이 형성되며; 상기 제1결합공과 제2결합공에는 체결수단이 관통 체결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 높이조절수단은 상기 베이스 플레이트의 측면에 형성되는 제1고정공과 상기 코어고정용 플레이트의 측면에 형성되는 제2고정공을 관통하며 하단은 지면에 고정되는 앵커볼트와, 상기 앵커볼트의 상단에 체결되는 조정너트로 구성되는 앵커볼트 어셈블리인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 앵커볼트는 하단 지면에 고정시 지면에서 분리 이탈되는 것을 방지하기 위해 지지턱이 형성되는 쐐기부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 코어고정용 플레이트의 상측에는 덮개가 고정되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 덮개는 양측에 지지부가 절곡형성되고, 상기 지지부에는 상기 베이스 플레이트의 제3고정공이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 급전모듈을 구성하는 베이스 플레이트의 상부에 위치하는 코어고정용 플레이트의 높낮이를 조정함으로써 케이블 고정용 튜브의 평탄도를 균일하게 유지시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있다.

또한, 이와 같은 급전모듈의 조립 구조는 대용량 무선급전 시스템의 급전선로에 다양하게 적용 가능하고, 모듈화된 급전모듈의 구성에 의해 유지보수의 효율성이 확보됨은 물론 시공 및 유지보수도 편리하다.

도 1은 일반적인 대용량 무선 급전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 베이스 플레이트를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 튜브 고정 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 덮개를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 앵커볼트 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 최저 및 최고 높이 설정시를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 덮개를 씌우기 전 설치 상태를 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈의 덮개를 씌운 후 설치 상태를 촬영한 사진이다.

본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2 내지 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈(100)은 전기에너지를 추진동력으로 활용하는 열차에 비접촉식 무선전력 전송 기술을 적용하여 열차에서 필요로 하는 수백 KW 급의 대용량 전력을 균일하게 공급할 수 있도록 급전선로와 차량에 설치되는 집전모듈 간의 공극을 일정하게 유지시켜 줄 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈(100)은 크게 열차가 주행하는 선로의 레일들 사이의 중앙부분에 장착되는 베이스 플레이트(110)와, 상기 베이스 플레이트(110)의 상부에 일체로 고정되는 코어고정용 플레이트(120), 상기 코어고정용 플레이트(120)의 상부에 설치되는 케이블 고정용 튜브(130) 및 마그네틱코어(140)로 구성된다.

구리고, 상기 케이블 고정용 튜브(130)의 균일한 평탄도를 유지하기 위해 상기 코어고정용 플레이트(120)의 높이를 조절하는 높이조절수단이 구비된다.

물론, 상기 코어고정용 플레이트(120)의 상측에는 덮개(160)가 고정되어 상기 케이블 고정용 튜브(130) 및 마그네틱코어(140)를 보호한다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 베이스 플레이트(110)는 열차가 주행하는 선로의 레일들 사이에 설치되는 것으로, 판상의 제1몸체(111) 전후측 테두리에 제1결합공(112)이 형성되고, 제1몸체(111)의 양측에 형성되는 제1고정공(113)이 형성된다.

이때, 상기 제1결합공(112)은 제1몸체(111) 전후측 테두리에 복수가 일정 간격을 유지하며 형성되며, 상기 제1고정공(113)은 복수가 상기 선로의 길이방향으로 장공 형태로 형성될 수 있다.

이와 같은 베이스 플레이트(110)의 제1결합공(112)은 코어고정용 플레이트(120)의 고정을 위해 형성된 것으로, 상기 베이스 플레이트(110)의 상측에 코어고정용 플레이트(120)가 일체로 장착된다.

상기 코어고정용 플레이트(120)는 판상의 제2몸체(121) 전후측 테두리에는 상기 베이스 플레이트(110)의 제1결합공(112)에 대응되는 제2결합공(122)이 형성되고, 제2몸체(121)의 양측에는 상기 베이스 플레이트(110)의 제1고정공(113)에 대응되는 제2고정공(123)이 형성된다.

따라서, 상기 베이스 플레이트(110)의 상면에 코어고정용 플레이트(120)를 밀착시키고 제1결합공(112)과 제2결합공(122)에 볼트 및 너트 등의 체결수단을 관통 체결하여 코어고정용 플레이트(120)를 베이스 플레이트(110)의 상면에 일체로 고정한다.

이와 같은 코어고정용 플레이트(120)에는 급전선로를 고정하는 고정용 튜브(130)와, 자기장의 분포밀도를 접전모듈에 집중시키기 위한 선로용 마그네틱 코어(140)가 설치된다.

이때, 상기 급전선로는 표피효과를 고려하여 여러 가닥의 소선으로 이루어진 급전 케이블을 사용함이 바람직하다.

한편, 상기 코어고정용 플레이트(120)에 설치되는 케이블 고정용 튜브(130)의 균일한 평탄도를 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 높이조절수단이 사용된다. 상기 높이조절수단은 앵커볼트 어셈블리(150)를 이용하여 코어고정용 플레이트(120)와 베이스 플레이트(110)로 구성되는 단위 급전모듈(100) 별로 높이조정을 수행한다.

이때, 상기 앵커볼트 어셈블리(150)는 앵커볼트(151)와 조정너트(152)로 구성된다.

상기 앵커볼트(151)는 상기 베이스 플레이트(110)의 제1고정공(112)을 관통하며 하단을 선로의 지면에 고정한 상태로 상기 베이스 플레이트(110)의 제1고정공(112) 및 그에 대응되는 상기 코어고정용 플레이트(120)의 제2고정공(122)을 관통하며, 상기 앵커볼트(151)의 상단에 조정너트(152)를 나사 체결한다.

이때, 상기 앵커볼트(151)의 하단에는 지면에 고정시 지면에서 분리 이탈되는 것을 방지하기 위해 지지턱(153)이 형성되는 쐐기부(154)가 형성된다.

이와 같은 구조에 의하면 조정너트(152)를 조여줌으로써 선로의 지면이 고르지 않더라도 단위 모듈별로 코어 고정용 플레이트(120)의 높이를 조정할 수 있어 급전선로의 길이가 길더라도 전체 선로의 균일한 평탄도를 유지하는 것이 가능하다.

이와 같은 평탄화 작업이 끝나면 마지막으로 덮개(160)를 씌워서 급전선로 구축작업을 마무리한다.

즉, 상기 코어고정용 플레이트(120)가 설치된 상태에서 제1 및 제2 고정용 튜브(130)와 선로용 마그네틱 코어(140)를 외부의 물리적 충격이나 날씨 변화 등으로 인한 파손 및 손상을 방지하기 위해 상기 코어고정용 플레이트(120)의 상부에는 덮개(160)가 장착된다.

이때, 상기 덮개(160)는 양측에 지지부(162)가 절곡형성되고, 상기 지지부(161)에는 상기 베이스 플레이트(110)의 제1고정공(112)에 대응되는 제3고정공(162)이 형성된다.

따라서, 상기 제3고정공(163)으로 평탄도 유지를 위한 앵커볼트(151)의 타단부를 관통시켜 일체로 코어고정용 플레이트(120)의 상부에 덮개(160)를 일체로 고정함으로써 고정용 튜브(130)와 선로용 마그네틱 코어(140)를 외부 환경으로 부터 보호할 수 있다.

한편, 도 6의 (a) 및 (b)는 단위 급전모듈(100)을 연속적으로 설치시, 코어 고정용 플레이트(120) 별로 높이를 최대한 낮게 한 경우와 높게 한 경우를 도시한 도면이다. 이와 같이 코어 고정용 플레이트(120)를 급전모듈(100) 별로 높이 조절할 수 있어 급전모듈(100)내에 설치되는 급전선로의 길이가 길더라도 전체 선로의 균일한 평탄도를 유지할 수 있다.

이때, 실제 급전선로를 구축한 모습은 덮개를 쉬우기 전에는 도 7에 도시된 바와 같고, 덮개를 쉬운 후에는 도 8에 도시된 바와 같다.

이와 같은 급전선로의 평탄도 유지를 위한 모듈화된 구성품에 의한 선로 지지방식을 적용하여, 모듈화 방식에 의한 선로 지지로 선로길이에 대한 제한이 없고, 마그네틱 코어 지지부에 유연성을 부여하는 경우 코어 위치의 변경이 자유로우며, 덮개(160)를 도입하여 선로 내부의 기밀 유지가 가능하고, 단위 모듈의 높낮이 조정을 통한 평탄도 유지도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예들과 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

100: 급전모듈 110: 베이스 플레이트
120: 코어고정용 플레이트 130: 케이블 고정용 튜브
140: 마그네틱코어 150: 앵커볼트 어셈블리
160: 덮개

Claims (7)

1. 열차 선로의 레일들 사이에 장착되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부에 고정되는 코어고정용 플레이트, 상기 코어고정용 플레이트의 상부에 설치되는 케이블 고정용 튜브 및 마그네틱코어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 케이블 고정용 튜브의 균일한 평탄도를 유지하기 위해 상기 코어고정용 플레이트의 높이를 조절하는 높이조절수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 베이스 플레이트는 판상의 제1몸체 전후측 테두리에 제1결합공이 형성되고, 몸체의 양측에 형성되는 제1고정공이 형성되며; 상기 코어고정용 플레이트에는 판상의 제2몸체 전후측 테두리에는 상기 베이스 플레이트의 제1결합공에 대응되는 제2결합공이 형성되고, 제2몸체의 양측에는 상기 베이스 플레이트의 제1고정공에 대응되는 제2고정공이 형성되며; 상기 제1결합공과 제2결합공에는 체결수단이 관통 체결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 높이조절수단은 상기 베이스 플레이트의 측면에 형성되는 제1고정공과 상기 코어고정용 플레이트의 측면에 형성되는 제2고정공을 관통하며 하단은 지면에 고정되는 앵커볼트와, 상기 앵커볼트의 상단에 체결되는 조정너트로 구성되는 앵커볼트 어셈블리인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 앵커볼트는 하단에 지면에 고정시 지면에서 분리 이탈되는 것을 방지하기 위해 지지턱이 형성되는 쐐기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 코어고정용 플레이트의 상측에는 덮개가 고정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 덮개는 양측에 지지부가 절곡형성되고, 상기 지지부에는 상기 베이스 플레이트의 제3고정공이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템용 급전모듈.

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