KR20190063084A - 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈 - Google Patents

철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일 및 모듈에 관한 것으로; 철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력 전송을 위한 무선 급전 코일은 '凸 ' 형상의 코어의 외부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성하고, 무선 집전 코일은 '凹' 형상의 코어의 내부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성한 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일과 그 급집전 코일이 내부에 장착되는 급집전 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송용 급집전 코일 및 모듈이 적용된 철도차량용 반도체 변압기는 1차측과 2차측이 물리적으로 이격되어 있어 1차측의 고압과 2차측의 저압 사이의 절연이 용이하고, 반도체 변압기의 1차측과 2차측이 물리적으로 이격되어 있어 1차측과 2차측의 냉각 시스템을 분리할 수 있다.

Description

철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈 {Wireless power supply and pickup coil for solid-state transformer of railway vehicle and module thereof}
본 발명은 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량용 반도체 변압기에 적용되는 기존의 변압기를 대신하여 1차측과 2차측이 수 내지 수십cm 정도 이격 되어 전력 전송이 이루어지는 철도차량용 반도체 변압기에 사용할 수 있는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전기철도 차량의 주 전력 변환 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 주 변압기(1), AC/DC 컨버터(2), 모터 구동용 인버터(3)인 DC/AC 3상 인버터로 구성되어 있다.
이때, 주 변압기(1)는 60Hz, 25kV의 전압을 전차선을 통해 공급 받고, 이를 1kV~3kV 정도로 낮춰주는 역할을 하는 것으로 등록특허 제10-1621803호, 등록특허 제10-0881086호 등에 제안된 바 있다. 주 변압기의 출력 측에 연결된 AC/DC 컨버터는 수 kV 의 AC 전압을 일정 크기의 DC 전압으로 변환해 모터 구동용 인버터에 공급해줘 철도차량의 운행이 가능하게 한다.
이러한 주 변압기(1)와 AC/DC 컨버터(2)는 철도차량 내 전장품 중 가장 많은 하중을 차지하며, 경량화 필요성이 큰 부품이다. 특히, 주 변압기는 60Hz의 낮은 주파수에서 동작하기 때문에, 임피던스 매칭을 위해 필요한 인덕턴스의 값이 커 변압기 권선을 많이 감거나 철심 코어를 많이 사용해야 함에 따라 무게와 부피가 크며 상대적으로 전력 밀도가 낮다.
이에 따라 상용 주파수에서 동작하는 주 변압기(1)와 AC/DC 컨버터(2)의 경량화를 위해 많은 연구가 이뤄졌으며, 그 중 하나가 바로 반도체 소자를 이용해 변압기의 동작 주파수를 60Hz 보다 훨씬 높은 주파수인 수 kHz 에서 수십 kHz 까지 올려 변압기의 부피 및 무게를 줄이는 것이다. 즉, 도 2를 참고하면 기존의 60Hz에서 동작하는 주 변압기를 고주파에서 동작하는 고주파 변압기(4)로 바꾸고 반도체 소자를 이용해 저주파, 고전압의 입력 전력을 고주파 전압/전류로 변환하여 고주파 변압기를 거친 후 철도차량에 필요한 저전압 DC로 변환해 주는 장치를 반도체 변압기(Solid-state transformer) 또는 지능형 변압기(Intelligent transformer)라 한다.
여기서, 기존의 주 변압기뿐만 아니라 반도체 변압기에 사용되는 고주파 변압기로는 도 3에 도시된 바와 같이 코어타입(Core-type)이나 쉘타입(shell-type)의 형태로 많이 제작 하고 있다.
이러한 기존의 변압기 구조는 1차측 권선과 2차측 권선 간의 갭(gap)을 줄이고 자속 쇄교수(flux linkage)를 키울 수 있어 고효율 시스템에 적합하다. 하지만 25kV의 고압이 인가되는 철도차량의 경우 1차측과 2차측 권선 사이의 절연 문제가 있어 1차측과 2차측 권선 사이에 절연을 위한 이격 및 절연구조물을 배치하고, 절연유를 채우기 때문에, 상용 주파수 변압기의 경우 무게 및 부피가 커지는 단점이 있다.
이러한 문제는 기존의 상용주파수 변압기를 반도체 변압기로 대체한 경우에도 반도체 변압기에 사용하는 고주파 변압기가 기존의 변압기 구조를 그대로 적용하고 있으므로 동일한 문제가 존재한다.
다만, 고주파 변압기는 동작 주파수가 높기 때문에 작은 인덕턴스로도 전력 전달이 가능해, 변압기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있기는 하나, 절연 측면에서 보면 1차측과 2차측 권선 및 인접 변압기 사이에 확보해야 하는 절연 레벨은 동일하게 25kV 이상이기 때문에, 권선간에 충분한 절연이격이 요구되어 고주파 변압기의 부피가 증가하게 되며, 절연 및 냉각을 고려해 절연유 등의 기존 절연 방법을 그대로 사용한다면 변압기의 무게 및 부피를 줄이는데 효율적이지 않다.
참고문헌 1: 등록특허 제10-1621803호 참고문헌 2: 등록특허 제10-0881086호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량용 반도체 변압기에 적용되는 종래 코어타입(Core-type) 및 쉘타입(shell-type) 변압기를 대신하여 1차측과 2차측이 수 내지 수십cm 정도 이격 되어 전력 전송이 이루어지는 무선 전력 전송을 위해 철도차량용 반도체 변압기에 사용할 수 있는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일 및 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력 전송을 위한 급전 및 집전 코일에 있어서, 상기 무선 급전 코일은 '凸 ' 형상의 코어의 외부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성한 것이며, 상기 무선 집전 코일은 '凹' 형상의 코어의 내부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성한 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일을 제공한다.
이때, 상기 무선 급전 코일은 무선 집전 코일 내부에 삽입되는 구조인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 코어는 페라이트, 철심, 복합 물질 중에 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 코어는 두께 5 ~ 30mm, 폭(Width) 50 ~ 300mm, 길이(Length) 50 ~ 300mm, 높이(Height) 50 ~ 300 mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력 전송을 위한 급전 및 집전 모듈에 있어서, 상기 급전모듈은 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하는 무선 급전 코일이 제1함체 내부에 장착되고, 상기 집전모듈은 상기 무선 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 무선 집전 코일이 제2함체 내부에 장착되며, 상기 급전모듈과 집전모듈의 접하는 부분은 요철(凹凸) 형성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈도 제공한다.
이때, 상기 급전모듈의 제1함체는 절연재질로서 무선 급전 코일이 장착되는 '凸' 형상의 삽입돌부가 형성되고, 상기 집전모듈의 제2함체에는 무선 집전 코일이 장착되며 상기 돌출부가 삽입되는 '凹' 형상의 삽입홈부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 삽입홈부는 상기 제2함체에 돌출 형성된 돌기부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 무선 급전 코일은 무선 집전 코일 내부에 삽입되는 구조인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전모듈은 급전선의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 급전용 AC/DC 컨버터와, 상기 급전용 AC/DC 컨버터의 직류전원을 고주파 교류전원으로 변환하는 급전용 DC/AC 인버터와, 상기 급전용 DC/AC 인버터의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하는 무선 급전 코일을 포함하며; 상기 집전모듈은 상기 무선 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 무선 집전 코일과, 상기 무선 집전 코일로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 AC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 급전용 DC/AC 인버터는 공진형 인버터이고, 상기 집전용 AC/DC 컨버터는 공진형 컨버터인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전모듈과 집전모듈은 1:1로 대응되게 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈은 상기 복수의 급전모듈에 1:1로 대응되게 복수가 구비되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈의 무선 집전 코일은 상기 복수의 급전모듈에서 생성하는 자기장을 받기 위해서 확장된 하나의 무선 집전 코일로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈은 상기 복수의 급전모듈에 1:1로 대응되게 복수가 구비되되, 상기 집전모듈 별 무선 집전 코일간의 입출력단을 연속적으로 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송용 급집전 코일 및 모듈이 적용된 철도차량용 반도체 변압기는 다음과 같은 장점이 있다.
우선, 반도체 변압기의 1차측과 2차측이 물리적으로 이격되어 있어 1차측의 고압과 2차측의 저압 사이의 절연이 용이하고, 반도체 변압기의 1차측과 2차측이 물리적으로 이격되어 있어 1차측과 2차측의 냉각 시스템을 분리할 수 있다.
그리고, 무선 전력 전송 시스템의 경우 누설 인덕턴스(Leakage inductance)가 크기 때문에 별도의 인덕터를 추가할 필요가 없다.
아울러, 기존의 변압기는 1차측이나 2차측에 멀티-와인딩(multi-winding)으로 병렬 구성하기 위해서는 자속 쇄교를 위해 1차측이나 2차측에 사용되는 코일이 모두 하나의 코어에 감겨야 해 상호 인덕턴스(mutual-inductance)가 매우 크고, 각각의 와인딩(winding)에서 발생하는 자속의 불균형에 의해 코일 사이에 순환 전류(Circulation current)가 발생함에 반해 본 발명에 따른 반도체 변압기는 이러한 순환 전류(Circulation current)가 매우 작아 병렬 운전시 효율이 높다.
또한, 기존 변압기는 멀티-와인딩(multi-winding) 및 이를 이용한 병렬 운전으로 구성하게 되면 변압기의 1차측이 모두 동일한 코어에 감기게 되어 고주파 변압기의 모듈(module)화는 불가능했지만, 본 발명에서와 같이 무선 전력 전송 기술을 이용할 경우 병렬 운전 시 멀티-와인딩(multi-winding)이라 하더라도 와인딩(winding) 사이의 상호 자속 쇄교수(Mutual flux linkage)가 작아 각각의 와인딩(winding)을 모듈화가 가능해 고장 시 유지 보수 및 핫 스왑(hot swap)에 유리하다.
도 1은 종래 철도차량의 주전력 변환 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 3은 종래 코어타입(Core-type) 및 쉘타입(shell-type) 변압기를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 반도체 변압기의 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 도 5의 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 모듈의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 철도차량용 반도체 변압기용 급집전 모듈의 단면도이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 도 6의 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 도 6의 급집전 모듈들로 구성된 철도차량용 반도체 변압기의 전체 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 11은 도 10의 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 모듈의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12는 도 10의 철도차량용 반도체 변압기용 무선 급집전 코일의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 무선 전력 전송 코일을 구비한 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 무선 전력 전송 코일을 구비한 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 15는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 무선 전력 전송 코일을 구비한 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 무선 전력 전송 코일을 구비한 철도차량용 반도체 변압기의 구성도이다.
도 17은 본 발명의 400 kW급 무선전력 전송 시스템 기반 반도체 변압기의 시뮬레이션 회로도이다.
도 18은 도 17의 400kW급 무선 전력 전송 시스템 기반 반도체 변압기의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일 및 그 패키지를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 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 4를 참고하면, 본 발명에 따른 무선 급집전 코일 및 모듈을 이용한 무선 전력 급집전 방식의 철도차량용 반도체 변압기는 종래 반도체 변압기에 사용되는 DC/AC 인버터 및 AC/DC 컨버터를 무선 전력 전송을 위한 LC 공진형 Resonant tank를 구동할 수 있도록 공진형 인버터 및 공진형 컨버터로 대체하여 무선 전력 전송함으로서 1,2차측 사이의 절연이 용이하고 1,2차측의 냉각 시스템을 분리할 수 있으며 누설 인덕턴스(Leakage inductance)가 크기 때문에 별도의 인덕터를 추가할 필요가 없는 구조로서, 철도차량에 적용할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 급집전 방식의 철도차량용 반도체 변압기는 급전선(10)의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 급전용 AC/DC 컨버터(110)와, 상기 급전용 AC/DC 컨버터(110)의 직류전원을 고주파 교류전원으로 변환하는 급전용 DC/AC 인버터(120)와, 상기 급전용 DC/AC 인버터(120)의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하는 무선 급전 코일(130)과, 상기 무선 급전 코일(130)의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 무선 집전 코일(210)과, 상기 무선 집전 코일(210)로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 AC/DC 컨버터(220)로 구성된다.
물론, 이와 같은 집전용 AC/DC 컨버터(110)에 의해 변환된 직류전원은 모터(22) 제어를 위한 견인모터제어용 인버터(20)와, 철도차량 내 조명이나 에어컨 등의 보조부하(32)의 구동을 위한 보조전원장치(SIV)(30)에 전원을 공급할 수 있다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 반도체 변압기에 있어서 급전용 DC/AC 인버터(120) 및 집전용 AC/DC 컨버터(220)는 무선 전력 전송을 위한 LC 공진형 Resonant tank를 구동할 수 있도록 공진형 인버터 및 공진형 컨버터의 원리를 이용하며, 기존 반도체 변압기에서 사용되는 코어타입(Core-type) 및 쉘타입(shell-type) 변압기들은 1차측과 2차측이 최소 수 ~ 수십 ㎝ 완전히 이격되어 전력을 전송하는 무선 전력 전송 시스템의 무선 급전 코일(130)과 무선 집전 코일(210)로 대체한다.
이때, 본 발명에 따른 철도차량용 반도체 변압기는, 급전선(10)의 고전압 입력단에 직렬연결된 급전용 DC/AC 인버터(110) 및 집전용 AC/DC 컨버터(220)의 각 레벨(level) 마다 따로 공진형 무선 급전 코일(130)과 무선 집전 코일(210)을 가지고 있어 각 레벨(level)별 급전모듈(Transmitter module)과 집전모듈(Receiver module)로 완전히 따로 모듈화 및 패키징(packaging)이 가능하도록 구성할 수 있다.
도 5를 참고하면 무선 전력 전송을 위해 철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력시스템은 급전모듈(100)과 집전모듈(200)로 완전히 분리가 가능하다. 이때, 상기 급전모듈(100)은 급전용 AC/DC 컨버터(110), 급전용 DC/AC 인버터(120), 무선 급전 코일(130) 및 급전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(140)를 하나의 패키지(package)화된 모듈이며, 상기 집전모듈(200)은 무선 집전 코일(210), 집전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(230) 및 집전용 AC/DC 컨버터(220)를 하나의 패키지화된 모듈이다.
이 경우 각 레벨(level)별 급전모듈(100)과 집전모듈(200)은 1:1로 대응되며, 복수의 급전모듈(100)은 직렬로 연결되고, 복수의 집전모듈(200)은 병렬로 연결된다.
이러한 본 발명에 따른 철도차량용 반도체 변압기 구조에 사용가능한 급전모듈(100)과 집전모듈(200)의 일 예는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같다.
우선 급전모듈(100)과 집전모듈(200)은 도 6의 (a) 내지 (c)와 같이 구현할 수 있다. 이때, 상기 급전모듈(100)은 급전용 AC/DC 컨버터(110), 급전용 DC/AC 인버터(120), 무선 급전 코일(130) 및 급전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(140)를 하나의 제1함체(101) 내부에 장착된 구조이며, 상기 집전모듈(200)은 무선 집전 코일(210), 집전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(230) 및 집전용 AC/DC 컨버터(220)를 하나의 제2함체(201) 내부에 장착된다. 따라서, 급전모듈(100)과 집전모듈(200)은 서로 독립적인 구성으로 이루어진다.
이때, 급전모듈(100)의 무선 급전 코일(130)이 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210) 내부에 삽입되어 위치하도록 하기 위해 급전모듈(100)과 집전모듈(200)의 접하는 부분은 요철(凹凸) 형성으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면 상기 급전모듈(100)의 제1함체(101)는 절연재질로서 무선 급전 코일(130)이 장착되는 '凸' 형상의 삽입돌부(102)가 형성되고, 상기 집전모듈(200)의 제2함체(201)에는 무선 집전 코일(210)이 장착되며 상기 돌출부(130)가 삽입되는 '凹' 형상의 삽입홈부(202)가 형성된다. 이 경우 상기 삽입홈부(202)는 제2함체(201)에 돌출 형성된 돌기부(203)에 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의하면 도 7에 도시된 바와 같이 급전모듈(100)과 집전모듈(200)이 접하는 부분에는 무선 급전 코일(130)과 무선 집전 코일(210)이 요철 모양으로 구성되어 무선 급전 코일(130)이 무선 집전 코일(210) 내부에 삽입되는 구조로 조립될 수 있다.
이때, 도 8을 참고하면 상기 무선 급전 코일(130)은 '凸 ' 형상의 코어(131)의 외부면에 권선(132)을 절연상태로 감아서 형성한 것이며, 상기 무선 집전 코일(210)은 '凹' 형상의 코어(211)의 내부면에 권선(212)을 절연상태로 감아서 형성한 것이다.
상기 코어(131,211)는 두께 5 ~ 30mm의 페라이트, 철심 또는 복합 물질로 이루어지는 것으로, 폭(Width) 50 ~ 300mm, 길이(Length) 50 ~ 300mm, 높이(Height) 50 ~ 300 mm를 가지도록 제작될 수 있다.
이와 같은 복수의 급전모듈(100) 및 집전모듈(200)을 이용해 25kV 철도차량용 반도체 변압기를 구성하는 경우 도 9에 도시된 바와 같이 급전모듈(100) 및 집전모듈(200)을 1:1로 여러개 직렬 및 병렬 연결할 수 있다. 이와 같은 구성은 급전모듈(100) 및 집전모듈(200)을 완전 독립적으로 구성할 수 있어 철도차량용 반도체 변압기의 절연 시스템의 구성 및 냉각 시스템의 설계에 있어 매우 편리하다.
한편, 도 6 내지 도 9에서와 같이 급전모듈(100)과 집전모듈(200)을 1:1로 조립하는 구성 외에도 도 10에 도시된 바와 같이 급전모듈(100)과 집전모듈(200)을 N:1로 조립되게 할 수도 있다. 이는 무선 전력 전송 시스템을 이용하는 경우 무선 급전 코일(130)들 사이에 자기장의 상호결합(mutual coupling)이 거의 없어 무선 급전 코일(130) 사이의 순환 전류가 없고, 효율이 높기 때문이다.
이러한 구성에 적합한 무선 급전 코일(130) 및 무선 집전 코일(210)의 구성은 도 11에 도시된 바와 같다. 이에 의하면 급전모듈(100)의 무선 급전 코일(130)은 도 9와 동일한 배치 형태로 이루어지지만, 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210)은 급전모듈(100)에서 생성하는 자기장을 모두 받기 위해서 옆으로 확장된 하나의 무선 집전 코일(210a)로 이루어진다. 즉, 각 레벨(level)별 복수의 급전모듈(100)과 하나의 집전모듈(200) 대응되는 N:1의 대응구조로 이루어진다.
즉, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 집전모듈(200)의 제2함체(201)에는 무선 집전 코일(210)이 장착되며 각각의 급전모듈(100)의 돌출부(130)가 삽입되는 복수의 '凹' 형상의 삽입홈부(202)가 형성된다. 물론, 상기 제2함체(201)에는 하나의 무선 집전 코일(210a)이 설치된다.
이 경우 반도체 변압기의 레벨(level) 수에 따라 무선 급전 코일(130)의 개수는 변화 가능하며, 무선 집전 코일(210a)의 폭 역시 레벨(level) 수 및 무선 급전 코일(130)의 개수에 따라 변화한다.
또한, 상기 도 10에서 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210) 폭이 넓어지는 이유는 복수의 무선 급전 코일(130)이 만드는 자기장을 모두 받아 높은 전압을 출력하기 위함이다.
따라서, 폭이 넓은 단일의 광폭 무선 집전 코일(210a)을 대신하여 도 5에 도시된 바와 같이 집전모듈(200)를 복수의 무선 급전 코일(130)에 1:1로 대응되는 복수의 무선 집전 코일(210)을 그대로 이용하면서 무선 집전 코일(210)간의 입출력단을 연속적으로 직렬 연결하면 동일한 전압 및 전류 특성을 얻을 수 있다.
즉, 어느 하나의 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210)의 출력단을 인접한 다른 하나의 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210)의 입력단에 연결하는 방식으로 인접한 집전모듈(200)간 무선 집전 코일(210)을 연속적으로 연결할 수 있다.
이러한 시스템은 도 13을 참고하면 수신부 측의 무선 집전 코일(210)의 소형화, 집전용 AC/DC 컨버터(220) 및 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 무선 집전 코일(210)에 인가되는 높은 전압을 보상(compensation)하기 위한 집전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(230)의 연결에 유리하다.
한편, 본 발명은 수신부 측을 도 10과 도 13에 도시된 바와 같이 한 개의 시스템으로 구성하지 않고 레벨(level)이 많거나, 반도체 스위치의 전압 및 전류 용량이 작아 여러 개로 구성해야할 경우 도 14 및 도 15와 같이 구성할 수 있다.
즉, 복수의 급전모듈(100)을 하나의 그롭으로 하여 하나의 집전모듈(200)에 대응되게 구비하되, 복수의 집전모듈(200)을 통해 보다 많은 레벨(level)의 복수의 급전모듈(100)과 연결할 수 있다.
이 경우 집전모듈(200)별로 하나의 집전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(230)를 구비하거나 복수의 집전용 동조 콘덴서(Tuning capacitor)(230)를 적용할 수 있다.
이상의 본 발명은 무선 전력 전송 기술을 이용해 대용량의 2MVA 급 반도체 변압기를 제작시에 도 16에 도시된 바와 같이 총 25개의 급전모듈(100)을 직렬 연결하고, 총 5개의 집전모듈(200)을 병렬 연결할 수 있다.
이때, 사용되는 급전모듈(100)의 무선 급전 코일(130)과 집전모듈(200)의 무선 집전 코일(210)은 I-type 코일을 이용할 수 있다.
설계된 I-type 코일의 파라미터(parameter)는 다음의 (표-1)에 나타낸 바와 같다.
무선 급전 코일 무선 집전 코일
자기 인덕턴스
(Self-inductance)		 20 μH 44 μH
상호 인덕턴스
(Mutual-inductance)		 3 μH
위 파라메터를 이용해 도 16의 5개의 집전모듈(200) 중 하나인 400kW 급 시스템에 도 17에 도시된 바와 같이 회로 시뮬레이션을 진행한 결과는 도 18과 같다. 이에 의하면 최종 출력단에는 약 1800Vrms의 전압이 유기되고, 출력 파워는 약 400kW 정도임을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 급전선 20: 견인모터제어어용 인버터
22: 모터 30: 보조전원장치
32: 보조부하 100: 급전모듈
101: 제1함체 102: 삽입돌부
110: 급전용 AC/DC 컨버터 120: 급전용 DC/AC 인버터
130: 무선 급전 코일 140: 급전용 동조 콘덴서
200: 집전모듈 201: 제2함체
202: 삽입홈부 210: 무선 집전 코일
220: 집전용 AC/DC 컨버터 230: 집전용 동조 콘덴서

Claims (14)

  1. 철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력 전송을 위한 급전 및 집전 코일에 있어서,
    상기 무선 급전 코일은 '凸 ' 형상의 코어의 외부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성한 것이며, 상기 무선 집전 코일은 '凹' 형상의 코어의 내부면에 권선을 절연상태로 감아서 형성한 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무선 급전 코일은 무선 집전 코일 내부에 삽입되는 구조인 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코어는 페라이트, 철심, 복합 물질 중에 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 코어는 두께 5 ~ 30mm, 폭(Width) 50 ~ 300mm, 길이(Length) 50 ~ 300mm, 높이(Height) 50 ~ 300 mm인 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 코일.
  5. 철도차량용 반도체 변압기의 무선 전력 전송을 위한 급전 및 집전 모듈에 있어서,
    상기 급전모듈은 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하는 무선 급전 코일이 제1함체 내부에 장착되고, 상기 집전모듈은 상기 무선 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 무선 집전 코일이 제2함체 내부에 장착되며, 상기 급전모듈과 집전모듈의 접하는 부분은 요철(凹凸) 형성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈의 제1함체는 절연재질로서 무선 급전 코일이 장착되는 '凸' 형상의 삽입돌부가 형성되고, 상기 집전모듈의 제2함체에는 무선 집전 코일이 장착되며 상기 돌출부가 삽입되는 '凹' 형상의 삽입홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 삽입홈부는 상기 제2함체에 돌출 형성된 돌기부에 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 무선 급전 코일은 무선 집전 코일 내부에 삽입되는 구조인 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈은 급전선의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 급전용 AC/DC 컨버터와, 상기 급전용 AC/DC 컨버터의 직류전원을 고주파 교류전원으로 변환하는 급전용 DC/AC 인버터와, 상기 급전용 DC/AC 인버터의 고주파 교류전원에 의해서 전자기 유도 에너지를 발생하는 무선 급전 코일을 포함하며;
    상기 집전모듈은 상기 무선 급전 코일의 전자기 유도 에너지를 집전하여 전기에너지로 변환하는 무선 집전 코일과, 상기 무선 집전 코일로 유기되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 변환하는 집전용 AC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 급전용 DC/AC 인버터는 공진형 인버터이고, 상기 집전용 AC/DC 컨버터는 공진형 컨버터인 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈과 집전모듈은 1:1로 대응되게 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈은 상기 복수의 급전모듈에 1:1로 대응되게 복수가 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  13. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈의 무선 집전 코일은 상기 복수의 급전모듈에서 생성하는 자기장을 받기 위해서 확장된 하나의 무선 집전 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
  14. 제 5항에 있어서,
    상기 급전모듈은 복수가 구비되고, 상기 집전모듈은 상기 복수의 급전모듈에 1:1로 대응되게 복수가 구비되되, 상기 집전모듈 별 무선 집전 코일간의 입출력단을 연속적으로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 철도차량용 반도체 변압기용 무선 전력 전송 급집전 모듈.
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