KR20170080497A - 전기 에너지를 시프팅 장치의 이동 시스템에 비접촉 방식으로 전달하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 에너지를 시프팅 장치(shifting device)의 제1시스템(바람직하게는 고정식)으로부터 제1시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 시프팅 장치의 제2시스템으로, 비접촉 방식에 의해 유도 전달하기 위한 에너지 전달 장치(1)에 관한 것으로, 상기 장치는 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)로 구성된 전기 회로를 포함하고, 1차 코어(10)는 제1시스템에 배치되는 한편, 1차 코일(100)이 권선되며, 2차 코어(20)는 제2시스템에 배치되는 한편, 2차 코일(200)이 권선된다. 2차 코어(20)는 이동 경로(X)를 따라 1차 코어(10)에 대해 이동 가능하도록 배치되는 한편, 바람직하게는 시프팅 장치의 이동 경로에 평행하게 연장되며, 1차 코어(10)는 이동 경로의 적어도 전체 길이(L)를 따라 연장된다. 1차 코어(10)는 1차 코어(10)의 전체 종방향 길이(L10)를 따라 제공되는 적어도 하나의 1차 코어 갭(30a)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 뽄 발명에서는 또한, 이러한 에너지 전달 장치(1)를 포함하는 시프팅 장치, 특히 리니어 시프팅 장치 및 이러한 장치(1)의 구동 방법이 제공된다.

Description

전기 에너지를 시프팅 장치의 이동 시스템에 비접촉 방식으로 전달하기 위한 장치 {Device for the Contact-Free Transfer of Electrical Energy into a Moving System of a Shifting Device}

본 발명은 바람직하게는 시프팅 장치의 제1시스템(바람직하게는 고정식)에서 나온 전기 에너지를 비접촉 방식에 의해, 제1시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 시프팅 장치의 제2시스템으로 유도 전달하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 에너지 전달 장치를 포함하는 리니어 시프팅 장치뿐만 아니라 에너지 전달 장치의 구동 방법에 관한 것이다.

기본적으로 시프팅 장치(shifting device), 특히 1차원 또는 다차원 또는 1축식 또는 다축식의 예컨대, 소위 X 또는 XY 테이블이라고도 불리는 리니어 시프팅 장치는 각각 하나 또는 다수의 1축 리니어 가이드 시스템으로 구성되며, 이에 의해 목표물을 종종 고정확도로 하나 또는 다수의 방향으로 이동 및 위치시킨다. 예컨대, 매우 단순히 변형된 1차원 또는 1축 시프팅 장치는 각각 가이드 레일(guide rail)로 구성되며, 레일 상에 가이드 캐리지(guide carriage)가 가이드됨으로써 종방향으로 시프트 가능하도록 구성된다. 가이드 레일은 시프팅 장치의 소위 고정 시스템을 형성하는 반면, 종방향으로 시프트 가능하도록 배치된 가이드 캐리지는 제1시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 제2시스템을 제공한다. 전기 에너지가 공급되어야 하는 측정 시스템, 구동 장치, 제어조절 장치 등과 같은 다양한 장치는 가이드 캐리지, 즉 이동 가능식 제2시스템에 배치될 수 있다. 전통적으로, 이러한 목적을 위해 케이블식 에너지 전달 장치가 사용되는데, 이러한 경우, 예컨대 플렉시블 케이블 룸(cable loom)에 의해 제1시스템(고정식)의 에너지원을 이동 가능식 제2시스템에 있는 소비자에 연결하도록 구성된다. 이와 같이, 플렉시블한 디자인의 케이블 룸에 의해 이동 가능식 제2시스템의 상대적 이동이 가능하도록 구성된다. 그러나, 이러한 케이블 룸은 종종 단점을 드러내는데, 예컨대 고정밀도의 위치 설정이 필요한 반도체 기술 분야와 같이, 고정 시스템으로부터 정확하게 위치해야 할 제2시스템으로 기계적 간섭, 예컨대 진동이 전달될 수 있기 때문이다.

이러한 문제점을 피하기 위해, 종래 기술은 무케이블식 또는 소위 비접촉식의 에너지 전달 장치를 제안하고 있는데, 이 경우 전기 에너지는 종종 변압기 원리에 따라 유도 전달된다. 예컨대, 일본특허 공개공보 제 6,204,043호에 이러한 장치가 공지되어 있는데, 여기서는 비접촉식으로 에너지 전달이 가능한 리니어 시프팅 장치를 개시하고 있다. 상기 시스템은 1차 코어 및 2차 코어로 구성되며, 각각의 코어는 E자 형태로 제공되는 한편, 이들은 서로 대향 배치되도록 구성되는데, 2차 코어는 1차 코어에 대해 1차 코어의 종축선을 따라 이동될 수 있다. 에너지 전달의 목적으로, 1차 권선 또는 2차 권선이 양쪽 E형 코어의 중앙 웹에 각각 부착된다. 1차 코일 내부에서 자기 유도(self-induction)의 상승을 피하기 위해, 1차 코어는 종축선을 따라 주기적으로 분할되는데, 이 때 비자성 및 비전도성 재료로 구성된 충진부가 자기 전도성 코어부들의 사이로 유입된다. 필요한 만큼 자기 유도의 감소에 도달하기 위해서는 2차 코어의 길이를, 종방향 이동 경로에서 충진부 및 자기전도성 코어부의 길이의 합의 정수배에 해당토록 구성하는 것이 필수적이다.

일본특허 공개공보 제 6,204,043호에 공지된 기술의 경우에는, 1차 코어의 분할식 구성에 의해, 장치 전체의 전달 가능한 에너지가 제한된다. 또한, 시프팅 방향을 따라 필요한 2차 코어의 최소 길이는 제2시스템의 총 이동 중량을 증가시키므로, 시프팅 시스템의 역학에 불리한 영향을 미칠 수 있다.

독일특허 공개공보 제 19545220호에서는 서로에 대해 선형적으로 이동 가능하고, 차량 부품들 사이에 배치되도록 구성된 비접촉식 신호 전달 장치를 개시하고 있다. 이러한 장치(변환기)는 상호 이동 가능하도록 가이드되고 E형 프로파일을 포함하는 포트 코어 레일(pot core rail)을 포함한다. 변환기의 1차 권선 및 2차 권선은 각각 E형 프로파일의 중간 교차 레그에서 권선되도록 구성된다. 유도 에너지 전달의 발생 기능을 하는 에어 갭(air gap)이 E형 프로파일 레일들의 사이에 제공되는데, 이들은 서로에 대해 이동 가능하도록 구성된다. 공지된 장치의 경우, 포트 코어들에는 다수의 노치들(notch)이 제공됨으로써 와전류(eddy current)가 생성되는데, 노치들은 포트 코어의 종방향에 서로 평행하게 배치되는 한편, 포트 코어의 종방향에 수직으로 배치된다.

독일특허 공개공보 제 19545220호에 공지된 기술의 경우에는, 에어 갭이 비교적 크기 때문에 이로 인해 자기장이 약화될 수 있다. 따라서, 자석은 에너지 전달과 장치의 크기 및 중량 증가에 맞추어 더 크게 선택되어야 한다.

본 발명의 목적은 시프팅 장치용 비접촉식 유도 에너지 전달 장치를 제공하는 것으로, 이에 의해 종래기술에서 공지된 장치와 비교하여 현저히 개선된 에너지 전달 효과를 갖는 한편, 바람직하게는 시프팅 장치의 동력학적 특성의 향상에 기여하도록 구성된다.

이러한 목적은 청구항 제 1항에 따른 에너지 전달 장치, 제 14항에 따른 시프팅 장치 및 제 15항에 따른 방법에 의해 구현된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 종속항들에 기술된다.

본 발명에 따른, 전기 에너지를 비접촉 방식으로 유도 전달하기 위한 장치는 자기 회로를 포함하며, 자기 회로는 시프팅 장치의 제1시스템(바람직하게는 고정식)에 배치되는 1차 코어 및 제1시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 제2시스템에 배치되는 2차 코어를 포함하는데, 1차 코어 또는 2차 코어 상에는 1차 코일 또는 2차 코일이 각각 권선되도록 구성된다. 2차 코일이 권선된 2차 코어는 이동 경로를 따라 1차 코일이 권선된 1차 코어에 대해 시프트 가능하게 배치되며, 바람직하게는 시프팅 장치의 이동 경로에 평행하게 연장되고, 1차 코어는 2차 코어의 이동 경로의 적어도 전체 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 장치에서는, 1차 코어가 적어도 하나의 1차 코어 갭을 포함하는데, 이 갭은 1차 코어의 전체 종방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

종래 기술로부터 공지된 해결책과는 대조적으로, 본 발명에서는 적어도 하나의 1차 코어 갭, 1차 코어나 1차 코어 레그 내의 에어 갭에 의해 와전류 손실을 최소화할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 본 발명에 따른 장치를 리니어 시스템 또는 선형 시프팅 장치용 에너지 전달에 적합하게 사용 가능하다. 공개된 실시예가 있지만, 상기 장치는 전자기적 호환성 면에서 약간의 영향을 미치거나 또는 일체 불리한 영향을 미치지 않도록 구성된다. 상기 장치는 시프팅 불가능하도록 배치된 정적인 해결방안에 필적하는 에너지 밀도를 가진다. 또한, 수센티미터 범위의 크기로 구성된 코어들(1차 코어 및/또는 2차 코어)에 예컨대, 수킬로와트 범위의 매우 큰 전력이 전달 가능하도록 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 2차 코어는 적어도 하나의 2차 코어 갭을 포함하는데, 이 갭은 2차 코어의 전체 종방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로 추가 개발된 장치의 경우, 1차 코어 갭 및 2차 코어 갭에 의해 1차 코어 및 2차 코어에서 발생한 와전류 손실을 서로 보완되도록 구성된다.

또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 1차 코어 갭 및 2차 코어 갭의 크기는 1차 코어 또는 2차 코어의 전체 종방향을 따라 각각 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하로 구성된다.

1차 코일 및/또는 2차 코일은 최대 50A의 교류 전류로 구동되도록 디자인될 수 있다. 또한, 1차 코일 및 2차 코일은 100 kHz와 500 kHz 사이, 특히 200 kHz와 400 kHz 사이의 교류 전류/교류 전압 주파수로 구동되도록 구성될 수 있다.

100 kHz와 500 kHz 사이의 구동 주파수를 갖는 경우, 1차 코어 갭 및/또는 2차 코어 갭은 자속 밀도가 감소되더라도 유리한 방식으로 이용될 수 있다. 장치의 자속 밀도는 예컨대, 0.05 T의 범위에 있도록 구성된다.

또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 1차 코어는 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함하도록 구성되는데, 이러한 구성은 1차 코어가 비자성 재료로 구성된 충진부에 의해 분할되고 차단되는 종래 기술과는 확연히 구별된다.

종래 기술로부터 공지된 장치의 경우에는, 자기 회로가 비자성 충진부의 크기에 따라 시프팅 방향을 따라 1차측과 2차측 사이에 배치되는데, 2차 코어 용적 중 상당 부분이 효과적으로 사용되지 않는 것으로 파악되고 있다. 1차측과 2차측 사이의 자기 결합(magnetic coupling)으로 인해, 에너지 전달 능력은 전체적으로 좋지 않은 방향으로 감소한다. 반면, 2차 코어 용적의 사용되지 않은 부분으로 인해 이동 질량이 불필요하게 증가되는데, 이는 결국 시프팅 시스템의 역학에 불리한 영향을 미칠 수 있다.

또한, 1차측과 2차측 사이의 큰 자기 결합으로 인해, 종래 기술에서 필수적인 것으로 간주되는 1차 코어에서의 자기 유도 최소화가 불필요하게 되므로, 매우 큰 전력을 유도 방식으로 전달할 수 있는 것으로 파악되었다. 본 발명에 따른 1차 코어는 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함하도록 구성되는데, 이에 따라 비자성 충전부가 완전히 불필요하게 되므로, 1차측과 2차측 사이에 배치된 자기 회로의 자속에 의해 침투된 단면적, 그리고 이로 인한 자기 결합 및 전달 가능 전력은 종래 기술에 비교하여 적어도 2배 크다.

따라서, 1차 코어를 균질의 또는 일체형의 자기 전도성 재료로만 구성할 필요는 없으며, 반면 1차 코어를 다수의 세그먼트, 즉 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개의 세그먼트로도 구성 가능한데, 이 때 하나의 또는 다수의 자기 전도성 재료는 예컨대 1차 코어의 종방향으로 나열되며, 이들은 서로 직접 접촉하여 배치되도록 구성된다. 예컨대, 1차 코어를 20mm 길이의 페라이트부로 구성할 수도 있다.

또한, 2차 코어의 경우에도 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다는 것은 당연하다. 또한, 2차 코어의 경우에도 균질의 또는 일체형의 자기 전도성 재료로 구성할 수도 있거나 또는 다수의 세그먼트로도 구성할 수도 있다. 전술한 바람직한 실시예의 1차 코어는 또한, 2차 코어의 경우에서도 유사하게 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 이동 경로의 방향에 있는 2차 코어의 종방향 길이는 종래 기술과 비교하여 감소됨에도 불구하고, 적어도 동일한 전력을 제1시스템으로부터 제2시스템으로 전달할 수 있도록 구성된다. 제2시스템의 이동 질량은 이를 통해 바람직한 방식으로 감소되며, 이는 전체적으로 시프팅 장치의 동적 특성의 개선에 기여한다. 이에 따라, 이동 경로의 방향에 있는 2차 코어의 종방향 길이를 80mm 이하, 특히 40mm 이하, 바람직하게는 20mm 이하로 구성할 수 있다.

그러나 본 발명에 따르면, 이동 경로의 방향에 있는 2차 코어의 종방향 길이는, 전술한 바와 같이 적어도 2차 코어의 이동 경로의 전체 길이를 따라 연장되는 1차 코어의 대응되는 종방향 길이보다 항상 짧도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 1차 코어는 적어도 2차 코어의 이동 경로의 총 길이에 적어도 2차 코어의 이동 경로의 방향에 있는 2차코어의 종방향 길이를 더한 길이로 연장될 수 있다. 따라서, 동일한 자기 결합으로도 동일한 에너지 전달 효과가 2차 코어의 이동 경로의 전체 길이를 따라 구현될 수 있다. 바람직하게는, 1차 코어는 2차 코어의 이동 경로보다 적어도 길게 제공되는 한편 상대적 크기를 갖도록 배치됨에 따라, 1차 코어가 측정치의 적어도 절반, 바람직하게는 2차 코어의 이동 경로의 양단부에 있는 2차 코어의 종방향 전체 측정 길이만큼 돌출되도록 구성된다.

이동 경로를 따라 1차 코어에 대한 2차 코어의 시프팅을 실현하기 위해, 1차 코어와 2차 코어는 서로 대향하도록 배치되는 한편, 에어 갭을 통해 서로 이격되도록 구성된다. 이에 따라, 바람직하게는 에어 갭은 특히, 이동 경로의 전체 길이를 따라 바람직하게는 1mm 이하, 0.5mm 이하, 0.2mm 이하, 0.15mm 이하, 특히 바람직하게는 0.1mm 이하로 제공될 수 있다. 특히, 에어 갭이 이동 경로의 전체 길이를 따라 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.

에어 갭을 종종 이동 경로의 전체 길이를 따라 일정하게 고정밀도로 유지할 수 있도록 하기 위해, 이동 경로를 따라 1차 코어에 대해 2차 코어를 안내하기 위한 가이드 장치를 구비한 에너지 전달 장치가 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제공될 수 있다. 예컨대, 2차 코어는 시프팅 장치의 이동 가능식 제2시스템 상에 직접 배치될 수 있으며, 제2시스템에 동반되거나 시프팅 장치의 가이드 시스템에 동반될 수도 있다. 그러나 대안적인 실시예에서, 분리식 가이드 시스템, 예컨대 리니어 가이드를 구비한 2차 코어의 제공도 또한 가능하며, 이러한 가이드에 의해 2차 코어가 1차 코어에 대해 이동 경로를 따라 안내됨으로써 시프팅될 수 있도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 1차 코어 및 2차 코어는 E형 코어로 제공되며, 이들은 서로 대향 배치되고, 2차 코어의 이동 경로에 대해 직각으로 교차하는 E형 단면을 포함하도록 구성된다. 바람직하게는, 1차 코일 또는 2차 코일은 각각 E형 코어의 각 중심 레그 주위에 권선되도록 구성된다. 그러나, 예컨대 이른바 U형 코어, C형 코어, ER형 코어 또는 EFD형 코어 등과 같이 다른 단면 형상을 가진 1차 코어나 2차 코어도 제공 가능하다는 것은 또한 당연하다.

또한, 1차 코어 또는 2차 코어와 같은 E형 코어의 중심 레그의 크기가 각각 E형 코어의 베이스를 따라 E형 코어의 두 측면 레그의 대응 치수보다 적어도 1.5배, 바람직하게는 2배 클 때, 자기 결합 및 이에 따른 에너지 또는 동력 전달 효과도 증가될 수 있는데, 그 이유는 자속에 의해 침투된 단면적이 이를 통해 증가하는 한편, 1차측과 2차측 사이의 자기 결합도 이를 통해 따라서 증가하기 때문이다.

특히 바람직하게는, 1차 코어 및/또는 2차 코어는 특히 철과 같은 강자성 재료 또는 N87 페라이트와 같은 자성 재료를 포함한다.

1차 코일 및/또는 2차 코일은 적어도 5개의 권선, 특히 적어도 7개의 권선, 바람직하게는 10개의 권선을 갖도록 디자인될 수 있다. 특히, 권선에는 예컨대 2mm 단면의 구리선과 같은 구리선을 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서는 에너지 전달 장치의 구동 방법이 제공되며, 이 때 1차 코일은 최대 50A의 와전류로 구동되도록 구성된다. 1차 코일은 100 kHz와 500 kHz 사이, 특히 200 kHz와 500 kHz 사이 범위의 교류 전류/교류 전압 주파수로 구동되도록 하는 방법이 더 제공될 수 있다. 특히, 이러한 고주파(예컨대, 수 kHz에서 시작하는)의 경우에, 1차 코어 및 2차 코어는 바람직하게는 페라이트로 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태는 시프팅 장치, 특히 리니어 시프팅 장치에 관한 것으로, 본 시프팅 장치는 시프팅 장치의 제1시스템(고정식)으로부터 제2시스템으로 전기 에너지를 비접촉 방식에 의해 유도 전달하기 위한 적어도 하나의 장치를 포함한다.

예컨대, 시프팅 장치는 예컨대, XY 시프팅 테이블 또는 XYZ 시프팅 테이블과 같은 1차원 또는 다차원 또는 1축 또는 다축을 가진 리니어 가이드식 시프팅 장치로 구성될 수 있다. 다차원 또는 다축식 시프팅 장치의 경우, 본 발명에 따른 에너지 전달 장치는 바람직하게는 매 축마다 제공됨으로써, 예컨대 서로에 대해 이동 가능한 축상 스테이지 사이에 배치된 고정식 실험 시스템으로부터의 스테이지 내의 전기 에너지를 전달할 수 있도록 구성된다. 예컨대, XY 크로스 테이블의 경우와 같이 전기 에너지를 최상부 Y축 스테이지상의 전기 소비자에게 공급하기 위해, 실험 시스템에 대해 고정된 X축의 시스템 사이의 전기 에너지를 X축의 이동 시스템으로 전달하기 위한 제1에너지 전달 장치가 제공될 수 있다. 그런 다음 X축의 이동 시스템은 이에 고정된 Y축의 시스템과 상응하며, 이로부터 전기 에너지는 본 발명에 따른 제2에너지 전달 장치를 통해 Y축의 이동 시스템으로 전달될 수 있다. 이에 따라, X축의 이동 시스템 내 또는 이에 고정된 Y축의 시스템 내의 에너지가 전기 전도체 예컨대, 케이블을 통해, 제1에너지 전달 장치의 2차측/2차 코일로부터 제2에너지 전달 장치의 1차측/1차 코일로 전달될 수 있도록 구성된다.

본 발명에 따라, 종래기술에서 공지된 장치와 비교하여 현저히 개선된 에너지 전달 효과를 갖는 한편, 바람직하게는 시프팅 장치의 동력학적 특성의 향상에 기여하도록 구성된 시프팅 장치용 비접촉식 유도 에너지 전달 장치가 제공된다.

본 발명의 보다 상세한 내용, 특히 제안된 장치의 예시적인 실시예는 첨부 된 도면과 함께 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 전달 장치(1차 코일 및 2차 코일이 없는)의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 사시도를 도시한다
도 2는 도 1의 에너지 전달 장치의 단면을 도시한다.

도 1 및 2는 본 발명에 따른 에너지 전달 장치(1)의 예시적인 실시예를 도시하며, 이에 의해 시프팅 장치(도시되지 않음)의 제1시스템(바람직하게는 고정식)으로부터 시프팅 장치의 제2시스템으로 전기 에너지를 유도 전달하도록 구성되는데, 본 장치는 비접촉식 또는 무케이블 방식에 의해 이러한 단부로 이동된다. 도 1의 예시적인 실시예는 리니어 가이드식 에너지 전달 장치(1)를 도시하고 있는데, 구체적으로 본 장치는 전기 에너지를 고정 시스템으로부터 리니어 가이드 장치의 이동 시스템으로 전달하도록 구성된다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 에너지 전달 장치(1)는 고정 파트와 이동 파트로 구성되는데, 즉 리니어 가이드 장치의 제1시스템에 고정되는 1차 코어(10) 및 1차 코어에 대해 이동 가능하고 리니어 가이드 장치의 제2시스템에 배치되는 2차 코어(20)로 구성된다. 구체적으로, 본 실시예에서의 2차 코어(20)는 이동 경로(X)를 따라 리니어 가이드 장치의 제2시스템에 평행하게 이동할 수 있다. 특히, 2차 코어는 제2시스템, 예컨대 리니어 가이드 장치의 시프팅 테이블(도시되지 않음) 상에 직접 배치될 수 있는데, 이와 같이 2차 코어는 이동 축선을 따라 리니어 가이드 장치의 시프팅 테이블이 동반 제공되도록 구성된다.

그러나 또한, 2차 코어(20)를 별도의 가이드 장치(도시되지 않음)에 의해 종방향 축선을 따라 1차 코어(10)에 대해 이동하도록 구성할 수도 있다. 이러한 목적을 위해, 2차 코어를 위한 별도의 가이드 장치로 하여금 자체 구동 장치를 보유하도록 구성할 수도 있다. 또한, 2차 코어(20)가 1차 코어(10)에 대해 이동시, 리니어 가이드 장치의 이동 경로에 평행하게 이동하도록 구성하는 것은 필수 조건이 아니다. 따라서, 원칙적으로 2차 코어(20)의 이동 경로는 코스 및/또는 위치에 대해 시프팅 장치나 리니어 가이드 장치의 이동 경로로부터 벗어날 수도 있다. 그러나, 2차 코어(20)의 이동 경로(X)는 항상 1차 코어(10)의 종방향 축선의 코스와 실질적으로 상응하도록 구성된다. 한편, 2차 코어(20)의 이동 경로(X)는 바람직하게는 시프팅 장치나 리니어 가이드 장치의 이동 경로에 평행하게 연장되도록 구성된다.

1차 코일(100)(도 1에 도시되지 않음)은 1차 코어(10) 상에 권선되고 2차 코일(200)은 2차 코어(20) 상에 권선된다. 1차 코일(100) 및 2차 코일(200)은 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20) 상에 각각 권선됨으로써, 각 코어에 고정 연결되도록 구성된다. 즉, 1차 코일(100) 또는 2차 코일(200)은 각각 각 코어에 대해 이동하지 못하도록 구성된다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)는 각각 이른바, E형 코어로 제공되는데, 이들은 2차 코어(20)의 이동 경로(X)에 대한 직각 방향에서 볼 때 E자형 단면을 갖는다. E자 형상을 가진 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)는 각각 베이스(14, 24), 중앙 레그(12, 22) 및 2개의 측면 레그(11, 13; 21, 23)를 갖도록 구성된다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)는 각각 E자형 단면의 개방면이 서로 대향하도록(즉, 두 E형 코어의 베이스[14, 24]가 서로 멀리 떨어지도록) 배치됨으로써, 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)의 각 측면 레그(11, 21 또는 13, 21)와 중앙 레그(12, 22)가 서로 대향하여 매칭되도록 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 1차 코일(100) 및 2차 코일(200)은 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20)의 중앙 레그(12, 22) 주위에서 각각 권선되는데, 두 코일의 권선은 측면 레그(11, 13; 21, 23)와 중앙 레그(12, 22) 사이의 종방향 함몰부로 각각 연장되는 한편, 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20) 단부의 측면을(중앙 레그의 대향 측면 상에 있는 각각의 다른 종방향 함몰부로) 각각 "돌아 나오도록" 구성된다.

1차 코일(100) 및 2차 코일(200)의 권선은 바람직하게는 구리선, 예컨대 약 2mm 직경의 구리선으로 구성된다. 1차 코일(100) 및 2차 코일(200)은 바람직하게는 최대 50A의 전류로 구동될 수 있도록 디자인된다. 1차 코일(100) 및/또는 2차 코일(200)은 바람직하게는 적어도 5개의 권선, 특히 적어도 7개의 권선, 바람직하게는 10개의 권선을 구비함으로써, 충분히 높은 자기장을 형성할 수 있도록 구성된다.

시프팅 장치 또는 리니어 가이드 장치의 전체 이동 경로를 따라 전기 에너지를 이동식 제2시스템으로 전달할 수 있도록, 1차 코어(10)는 적어도 2차 코어(20)의 이동 경로(X)의 전체 길이(L)를 따라 연장된다. 그러나, 1차 코어는 바람직하게는 이동 경로(X)의 방향에서 볼 때, 적어도 이동 경로(X)의 총 길이(L)에 2차 코어(20)의 종방향 길이(L20)를 더한 길이를 따라 연장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 코어(10)의 종방향 길이는 2차 코어(20)의 종방향 길이(L20) 보다 항상 크며, 일반적으로는 현저히 크도록 구성된다. 이에 따라, 1차 코일(100)도 또한 2차 코일(200)에 비해 현저히 길거나 또는 길어지도록 구성되는데, 왜냐하면 1차 코일(100)의 권선이 1차 코어(10)의 전체 길이를 따라 연장되기 때문이다.

에너지 전달 장치(1)의 이동 질량을 가능한 작게 유지하기 위해, 이동 경로(X)의 방향에서 볼 때, 2차 코어(20)의 종방향 길이(L20)는 80mm 이하, 특히 40mm 이하, 특히 바람직하게는 20mm 이하로 구성된다. 한편, 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20)의 너비, 즉 이동 경로(X)에 대해 수직/직각 방향에서 양 코어의 길이는 본 실시예의 경우 약 65mm로 구성된다.

1차 코어(10)는 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함할 수 있는데, 종래 기술과 달리 본 발명에 따른 1차 코어는 비자성 충전부에 의해 주기적으로 차단된다. 2차 코어(20)는 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 1차 코어(10) 및/또는 2차 코어(20)는 일체로 제조되거나 또는 다수의 파트로 제조될 수 있는데, 이들 다수의 파트는 서로 직접 접촉하도록 구성된다.

특히 바람직하게는, 1차 코어(10) 및/또는 2차 코어(20)는 특히 철과 같은 강자성 재료 또는 N87 페라이트와 같은 자성 재료를 포함한다.

본 발명에 따른 예시적인 실시예의 에너지 전달 장치(1)의 경우, 에너지 전달 장치(1)의 1차측과 2차측, 즉 1차 코어(10)와 2차 코어(20) 사이의 자기 결합을 증가시키기 위해, E형 코어의 각 베이스(14, 24)를 따라 E형 1차 또는 2차 코어(10, 20)의 중앙 레그(12, 22)의 너비부(B12, B22)가 각 E형 코어의 두 측면 레그(11, 13; 21, 23)의 대응 너비부(B11, B13; B21, B23) 보다 적어도 2배 크도록 구성된다.

1차 코어(10)에 대한 2차 코어(20)의 이동 가능성으로 인해, 양 코어(10, 20) 사이에는 에어 갭(30)이 필연적으로 제공된다. 그럼에도 불구하고, 자기 결합을 충분히 크게 유지하려면, 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 에너지 전달 장치(1)의 경우, 에어 갭(30)이 바람직하게는 이동 경로(X)의 전체 길이(L)를 따라 0.5mm 작거나, 특히 바람직하게는 0.1mm 작도록 구성된다. 이러한 에어 갭을 일정하게 유지하기 위해, 2차 코어(20)는 전체 이동 경로(X)를 따라 가능한 한 안정적으로 가이드되는 것이 바람직하다. 전체 이동 경로(X)를 따라 에어 갭(30)을 전술한 크기로 일정하게 유지하기 위해, 당연히 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)의 대향 표면은 상호 평탄하게 구성된다.

서로에 대해 이동 가능한 파트들, 즉 1차 코어(10)와 2차 코어(20) 사이에 배치된 에어 갭(30) 외에도, 1차 코어(10)는 1차 코어 갭(30a)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 2차 코어(20)도 또한 2차 코어 갭(30b)을 포함한다.

예시적인 실시예에 따르면, 1차 코어 갭(30a) 또는 2차 코어 갭(30b)은 각각 중앙 레그(12, 22)에 제공된다. 예컨대, 1차 코어(10)의 중앙 레그(12)는 제1중앙 레그부(12a)와 제2중앙 레그부(12b)로 세분화된다. 두 레그부(12a, 12b)는 적절한 지지 재료에 의해 서로 연결되며, 1차 코어 갭(30a)은 1차 코어(10)의 각 레그(12)의 전체 단면으로 연장되지 않고, 각 레그(12)에 슬릿(slit)으로 제공되는데, 이러한 슬릿은 1차 코어(10)의 종방향 길이(L10)의 방향으로 연장되는 한편, 전체 종방향 길이(L10)를 따라 제공된다. 2차 코어 갭(30b)의 경우도 2차 코어(20)의 중앙 레그(22)의 제1 및 제2중앙 레그부(22a, 22b)에 대해 동일하게 적용된다.

전체 에너지 전달 장치(1), 특히 1차 코일(100) 및/또는 2차 코일(200)은 100 kHz와 500 kHz 사이, 특히 200 kHz와 450 kHz 사이 범위의 교류 전류/교류 전압 주파수로 구동되도록 추가로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 예시적인 실시예에서는, 이동 가능한 파트들 사이에 배치된 에어 갭(30) 외에도, 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20)의 레그 중 적어도 한 곳에 추가의 에어 갭(30a, 30b)이 각각 제공되며, 이들은 0.2mm 미만 또는 0.1mm 미만의 작은 갭 너비를 갖도록 구성된다. 1차 코어 갭(30a) 또는 2차 코어 갭(30b)은 각각의 전체 종방향 길이(L10, L20)를 따라 각각 제공된다.

이러한 에너지 전달 시스템이 개방 구조로 제공되고 100 kHz 이상의 주파수에서 구동한다 하더라도, 전자파 간섭의 생성은 아주 작거나 거의 없도록 구성된다. 본 발명에 따른 시스템은 고정식 시스템과 비슷한 에너지 밀도를 가지며, 킬로와트 범위의 전력을 전달할 수 있도록 구성된다.

Claims (15)

1. 전기 에너지를 시프팅 장치(shifting device)의 제1시스템(바람직하게는 고정식)으로부터 제1시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 시프팅 장치의 제2시스템으로, 비접촉 방식에 의해 유도 전달하기 위한 에너지 전달 장치(1)에 있어서,
   상기 장치는 1차 코어(10) 및 2차 코어(20)로 구성된 전기 회로를 포함하고, 1차 코어(10)는 제1시스템에 배치되는 한편, 1차 코일(100)이 권선되며, 2차 코어(20)는 제2시스템에 배치되는 한편, 2차 코일(200)이 권선되고, 2차 코어(20)는 이동 경로(X)를 따라 1차 코어(10)에 대해 이동 가능하도록 배치되는 한편, 바람직하게는 시프팅 장치의 이동 경로에 평행하게 연장되며, 1차 코어(10)는 이동 경로의 적어도 전체 길이(L)를 따라 연장되고,
   1차 코어(10)는 1차 코어(10)의 전체 종방향 길이(L10)를 따라 제공되는 적어도 하나의 1차 코어 갭(30a)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   2차 코어(20)는 2차 코어(20)의 전체 종방향 길이(L20)을 따라 제공되는 적어도 하나의 2차 코어 갭(30b)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
   적어도 하나의 1차 코어 갭(30a) 및/또는 적어도 하나의 2차 코어 갭(30b)은 1차 코어(10)의 전체 종방향 길이(L10) 또는 2차 코어(20)의 전체 종방향 길이(L20)를 따라 각각 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하로 구성되는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
4. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
   1차 코일(100) 및/또는 2차 코일(200)은 최대 50A의 교류 전류 및/또는 100 kHz와 500 kHz 사이, 특히 200 kHz와 450 kHz 사이 범위의 교류 전류/교류 전압 주파수로 구동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
5. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
   1차 코어(10)는 자기 전도성 재료를 배타적으로 포함하거나 또는 자기 전도성 재료만을 포함하는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   2차 코어(20)의 종방향 길이(L20)는 이동 경로(X)의 방향에서 볼 때, 80mm 이하, 40mm 이하 또는 20mm 이하인 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
7. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
   1차 코어(10)는 이동 경로(X)의 방향에서 볼 때, 적어도 이동 경로(X)의 전체 길이(L)에 2차 코어(20)의 종방향 길이(L20)를 더한 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
8. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
   1차 코어(10) 및 2차 코어(20)는 서로 대향하도록 배치되는 한편, 에어 갭(air gap, 30)을 통해 서로 이격되도록 구성되며, 에어 갭(30)은 이동 경로의 전체 길이(L)를 따라 바람직하게는 1mm 이하, 0.5mm 이하, 0.2mm 이하, 0.15mm 이하 또는 0.1mm 이하로 구성되는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
9. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
   1차 코어(10) 및 2차 코어(20)는 서로 대향 배치된 E형 코어로 제공되며, 이들 코어는 2차 코어(20)의 이동 경로(X)에 직각으로 교차하는 E형 단면을 포함하고, 1차 코일(100) 또는 2차 코일(200)은 각각 바람직하게는 각 E형 코어의 중앙 레그(12, 22) 주위에 권선되는 것을 특징으로 하는
   에너지 전달 장치.
   
10. 제 8항에 있어서,
    E형 코어로 제공되는 1차 코어(10) 또는 2차 코어(20)의 중앙 레그(12, 22)의 너비부 길이(B12, B22)는, 각각 E형 코어의 베이스(14, 24)를 따라 E형 코어의 두 측면 레그(11, 13; 21, 23)의 대응 너비부 길이(B11, B13; B21, B23) 보다 적어도 1.5배, 바람직하게는 적어도 2배로 크도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    에너지 전달 장치.
    
11. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1차 코어(10) 및/또는 2차 코어(20)는 철과 같은 장자성 재료 또는 페라이트와 같은 자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    에너지 전달 장치.
    
12. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(1)는 이동 경로(X)를 따라 1차 코어(10)에 대해 2차 코어(20)를 가이드 하기 위한 가이드 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    에너지 전달 장치.
    
13. 전술항 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1차 코일(100) 및/또는 2차 코일(200)은 적어도 5개의 권선, 특히 적어도 7개의 권선, 바람직하게는 10개의 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는
    에너지 전달 장치.
    
14. 전술한 항 중 어느 한 항에 따라 전기 에너지를 비접촉 방식에 의해 유도 전달하기 위한 적어도 하나의 에너지 전달 장치(1)를 포함하는 시프팅 장치, 특히 리니어 시프팅 장치(linear shifting device)에 있어서,
    상기 시프팅 장치는 고정 시스템 및 고정 시스템에 대해 이동 가능하도록 구성된 제2시스템을 포함하는
    시프팅 장치.
    
15. 전술한 항 중 어느 한 항에 따라 전기 에너지를 비접촉 방식에 의해 유도 전달하기 위한 장치(1)의 구동 방법에 있어서,
    1차 코일(100)은 최대 50A의 교류 전류에서 구동되고 및/또는 1차 코일(100)은 100 kHz와 500 kHz 사이, 특히 200 kHz와 450 kHz 사이 범위의 교류 전류/교류 전압 주파수로 구동되는 것을 특징으로 하는
    에너지 전달 장치의 구동 방법.

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