KR20210137050A - 자동차를 충전하기 위해 공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하는 장치 - Google Patents

자동차를 충전하기 위해 공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하는 장치 Download PDF

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니콜라스 라베
가에탄 디디에르
데니스 네테르
줄리엔 폰트차스타그네르
노우레디네 타코라베트
하미드레자 잔디
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발레오 에뀝망 엘렉뜨리끄 모떼르
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Abstract

공진 유도 결합을 통해 수신기 또는 송신기 공진 회로(1)에 비접촉 전력 전송을 수행하는 수신기 또는 송신기 공진 회로(2)는 제 1 커패시턴스(C1) 및 제 1 권선(E1)을 포함하고, 제 1 권선(E1)은 인덕턴스(L1) 및 제 1 저항(R1)을 포함하며, 송신기 공진 회로(2)는, 값 C2'의 제 2 커패시턴스(C2) 및 제 2 권선(E2)을 포함하고, 제 2 권선(E2)은 값 L2'의 제 2 인덕턴스(L2) 및 값 R2'의 제 2 저항(R2)을 포함하며, 송신기 공진 회로(2)는 ω2=1/V(L2'×C2')의 고유 각 주파수(natural angular frequency) 및 f2=ω2/(2π)의 고유 주파수를 갖고, 제 2 인덕턴스(L2)는 사전 결정된 방식으로 변경된다.

Description

자동차를 충전하기 위해 공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하는 장치
본 발명은 자동차 또는 전력을 이용해서 추진되는 임의의 타입의 차량을 충전 또는 재충전하기 위해, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 송신기 또는 수신기, 공진 회로 및 장치에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 자동차 또는 전기 에너지 저장 장치가 마련된 기타 개체가 정지되어 있을 때(이 경우에 정적 충전이라고 함) 또는 움직일 때(이 경우 동적 충전이라고 함), 3 내지 10kW의 전력을 비접촉식 전송을 통해 공급하는 것이 기술적으로 가능하다. 이러한 비접촉 전송을 통한 공급은, 자기식으로 결합되며 동일한 주파수로 동조되어 있는, 서로 이격되어 있는 전기 회로들을 통해서 달성된다. 자기식으로 결합된 회로는 각각 적어도 하나의 공진 LC 요소를 포함하며, L 및 C는 각각 인덕턴스와 커패시턴스를 나타낸다.
이러한 타입의 솔루션에서의 문제는 만족스러운 전력 레벨, 구체적으로 수 kW를 전송하기 위해서는, 각 공진 회로의 시험 주파수(working frequency) 및 고유 주파수와 관련해서, 높은 주파수로, 특히 85kHz 이상에서 동작해야 한다는 것이다. 또한, 이러한 타입의 솔루션에서는, 소스에 위치된 공진 요소와 부하에 위치된 공진 요소 사이의 거리가 작아야 한다.
이러한 높은 주파수 레벨에서의 동작을 위해서는 주로, 단면이 매우 작은 예를 들어 직경이 0.07mm 이하인 연자성체 및 리츠선과 같은 고가의 부품을 사용해야 한다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 적어도 부분적으로 완화시키는 것이다.
이를 위해서, 본 발명의 제 1 대상은
공진 유도 결합을 통해 제 2 공진 회로, 특히 송신기 또는 수신기로의 비접촉 전력 전송을 수행하는 제 1 공진 회로, 특히 송신기 또는 수신기에 관한 것으로, 제 2 공진 회로는 제 1 커패시턴스 및 제 1 권선을 포함하고, 제 1 권선은 인덕턴스 및 제 1 저항을 포함하며,
- 제 1 공진 회로는, 값 C2'의 제 2 커패시턴스 및 제 2 권선을 포함하고,
- 제 2 권선은 값 L2'의 제 2 인덕턴스 및 값 R2'의 제 2 저항을 포함하며,
- 제 1 공진 회로는 ω2=1/√(Leq×C2')의 고유 각 주파수(natural angular frequency) 및 f2=ω2/(2π)의 고유 주파수를 갖고, Leq는 제 1 공진 회로의 등가 인덕턴스이며,
- 등가 인덕턴스 특히 제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값 Leq은 사전 결정된 방식으로 변경된다.
본 발명을 통해서, 제 1 공진 회로 특히 송신기가 제 2 공진 회로 특히 수신기에 자기적으로 결합될 때, 제 1 공진 회로 특히 송신기가 제 2 공진 회로 특히 수신기에 전달하는 전기 스트라이크 전류의 진폭을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, Leq는 L2'와 동일하다. ω2=1/√(L2'×C2')이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 제 1 공진 회로는 송신기 공진 회로이고, 제 2 공진 회로는 수신기 공진 회로이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 제 1 공진 회로는 수신기 공진 회로이고, 제 2 공진 회로는 송신기 공진 회로이다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스는 자기 회로를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스의 인덕턴스 값은 제 2 인덕턴스의 자기 회로의 릴럭턴스(reluctance)의 변동을 통해 변경된다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스의 자기 회로는 제 2 권선에 대해서 이동 가능한 적어도 하나의 부분을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스의 자기 회로는 제 2 권선에 대해서 고정된 적어도 하나의 부분을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 고정 부분 및 이동 가능한 부분은 페로자성 또는 페리자성 재료를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 이동 가능한 부분은 돌출부가 다른 돌출부에 교대로 대향해서 위치되거나 두 돌출부 사이에 위치되는 방식으로, 움직이도록 설정된다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스의 자기 회로의 이동 가능한 부분은 전기 모터에 의해 구동된다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스는 일체로 이루어진다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스는 특히 실질적으로 평평한 형상의 솔레노이드를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스의 인덕턴스 값은, 사전 결정된 주파수에서, 평균값 L2moy 부근에서의 사전 결정된 인덕턴스 변동 진폭 hL을 갖고 변경되며, 이로써 고유 각 주파수는 평균값 ω2moy 부근에서의 사전 결정된 각 주파수 변동 진폭 hω을 갖고 변경되게 되며, ω2moy=1/√(L2moy×C2')이다.
따라서, 본 발명을 통해서, 제 1 공진 회로, 특히 송신기의 전류 및 전압의 진폭을, 더 낮은 주파수에서 및/또는 더 먼 거리에서 동작할 수 있게 하기에 충분히 높은 증폭 이득으로, 증폭시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 사전 결정된 주파수는, 특히 송신기인 제 1 공진 회로를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시키도록 선택된다.
따라서, 본 발명을 통해서, 증폭 이득을 도입함으로써, 종래 기술에서 매우 낮은 레벨의 주파수를 사용함에도 불구하고, 송신기 공진 회로와 수신기 공진 회로 사이에서, 만족스러운 레벨의 전력을 비접촉 방식을 사용해서 전송할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 제 2 커패시턴스는 실질적으로 일정한 값을 갖는다.
일 구현예에 따르면, 제 1 공진 회로 및/또는 제 2 공진 회로는 1kW 내지 500kW, 특히 1kW 내지 150kW에 포함된 전력을 전송하도록 배열된다.
일 구현예에 따르면, 제 1 공진 회로, 특히 송신기 또는 수신기는 제 2 공진 회로, 특히 송신기 또는 수신기에 동조되도록 배열된다. 결과적으로, 제 1 공진 회로 및 송신기인 제 2 공진 회로는 실질적으로 동일한 고유 주파수를 갖는다.
일 구현예에 따르면, 사전 결정된 주파수는 허용 오차 내에서 특히 송신기인 제 1 공진 회로의 고유 주파수의 2배와 동일하다.
이러한 사전 결정된 주파수는, 특히 송신기인 제 1 공진 회로를 흐르는 전류의 진폭을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
일 구현예에 따르면, 허용 오차 ε은 ε=√(((1/2)×hL×ω2moy)2-(R2'/L2')2)이다.
따라서, 사전 결정된 주파수는 (2×f2)-ε와 (2×f2)+ε 사이이다.
일 구현예에 따르면, 각 주파수의 사전 결정된 변동의 진폭은 2×(R2'/L2')×√(L2'×C2')보다 엄격하게 크다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스는, 그 사이에 갭이 있는 회전자와 고정자를 포함하는 가변 자기 릴럭턴스(variable-magnetic-reluctance) 어셈블리에 의해 형성되고,
고정자는 솔레노이드 및 복수의 고정자 암을 포함하고, 솔레노이드에 전류가 흐를 때 고정자 암이 모두 함께 단일 자극(magnetic pole)을 형성하고 - 자극은 특히 갭의 측면에서 고려되는 것임 - ,
회전자는 복수의 회전자 암을 포함하고, 솔레노이드에 전류가 흐를 때 복수의 회전자 암은 단일 자극을 형성하고, 특히 자극은 갭의 측면에서 고려되는 것이다.
일 구현예에 따르면, 2개의 인접한 회전자 암의 쌍은 비자성 세그먼트에 의해 분리된다.
일 구현예에 따르면, 2개의 인접한 고정자 암의 쌍은 비자성 세그먼트에 의해 분리된다
일 구현예에 따르면, 고정자 암의 수는 회전자 암의 수와 동일하다.
변형예로서, 고정자 암의 수는 회전자 암의 수와 상이하다.
일 구현예에 따르면, 각각의 고정자 암은 회전자의 회전축에 대해 반경 방향으로 연장되고, 특히 고정자가 연장되는 반경 방향에 대해 직교 방향으로 적층된, 라미네이트된(laminated) 자기 시트의 번들을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 적층은 회전자의 회전 축에 대해 직교 방향으로 적층된다.
변형예로서, 적층은 회전자의 회전축에 평행한 방향으로 수행된다.
일 구현예에 따르면, 각각의 회전자 암은 회전자의 회전축에 대해 반경 방향으로 연장되고, 특히 회전자가 연장되는 반경 방향에 대해 직교 방향으로 적층된, 라미네이트된 자기 시트의 번들을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 스택은 회전자의 회전 축에 대해 직교 방향으로 적층된다.
변형예로서, 적층은 회전자의 회전축에 평행한 방향으로 수행된다.
일 구현예에 따르면, 회전자는 비자성 샤프트를 포함한다.
이로써, 자속이 축 방향으로 샤프트를 통과하지 않고 회전자 암만을 통과하게 된다.
일 구현예에 따르면, 각각의 회전자 암은 특히 회전자의 회전축의 측면에 방사형으로 배치된 돌출 세그먼트를 포함한다.
이로써, 회전자 암이 샤프트에 단단히 고정되고, 외부 자기 소스에 의해 생성된 자속을 채널링함으로써 자속 누출을 제한할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 솔레노이드는 평평한 턴(turn), 또는 동심으로 연장하고 및/또는 축방향으로 연장하는 복수의 턴을 포함하며, 이 턴은 특히 리츠선이 없다.
일 구현예에 따르면, 솔레노이드는, 턴에 흐르는 교류가 3kHz보다 엄격하게 낮게 되도록, 배열된다.
일 구현예에 따르면, 턴은 리츠선을 포함하고, 이 리츠선의 단면은 0.2mm보다 엄격하게 크고, 특히 0.3mm보다 엄격하게 큰 직경을 갖는다.
이로써, 선의 수를 줄일 수 있으며, 따라서 솔레노이드의 구현을 상당히 단순화시킨다.
일 구현예에 따르면, 회전자는 특히 사전 결정된 속도(Ω)로 회전될 수 있도록 모터에 연결되며, 이 속도는 회전/초로 표현되고, Ω=((2×f2)±ε)/(N)이며, N은 고정자 암의 수이다.
일 구현예에 따르면, 제 2 커패시턴스는 특히 적어도 900μF의 폴리프로필렌 커패시터를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 제 2 인덕턴스는 전기적으로 병렬로 접속된 솔레노이드와 전자 전압 인버터에 의해 형성된다.
일 구현예에 따르면, 전자 전압 인버터는 전력 구성요소, 예를 들어 적어도 2개의 암을 형성하는 IGBT를 포함한다.
일 구현예에 따르면, 전자 전압 인버터는 DC 제어 전압을 이용해서 제어되는 AC 전압을 전달한다.
일 구현예에 따르면, DC 제어 전압은 공진 유도 결합을 통해 전송되는 전력 이상의 전력을 전달할 수 있는 전원 공급 장치에 의해 제공된다.
일 구현예에 따르면, 제 1 공진 회로는 제 2 인덕턴스와 직렬로 접속된 값 L2f'의 제어 인덕턴스를 더 포함한다.
제어 인덕턴스(L2f)의 인덕턴스 값 L2f'은 사전 결정된 방식으로 변경된다.
본 발명의 한 측면에 따르면, Leq는 L2'+L2f'와 동일하다. ω2=1/√((L2'+L2f')×C2')이다.
일 구현예에 따르면, 제어 인덕턴스는 특히 제어 인덕턴스의 전기적 거동 및 인덕턴스 L2f'의 값을 에뮬레이트하도록 배열된 전자 전압 인버터에 의해 형성된다.
본 발명을 통해서, 제 1 공진 회로가 제 2 공진 회로에 자기적으로 결합될 때, 제 1 공진 회로 특히 송신기가 제 2 공진 회로 특히 수신기에 전달하는 전기 스트라이크 전류의 진폭을 증가시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 전자 전압 인버터는 AC 전압이 전달될 때 거치는 2개의 접속 단자를 가지며, 이들 2개의 연결 단자는 제어 인덕턴스가 에뮬레이트되는 2개의 단자이다.
일 구현예에 따르면, 제어 인덕턴스의 인덕턴스 값 L2f'은, L2moy에 대한 시간의 함수로서 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 사인파형으로 변경되고, 이로써 제 2 공진 회로를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
변형예에 따르면, 제어 인덕턴스의 인덕턴스 값 L2f'은, (ω2moy)2에 대한 시간의 함수로서 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 고유 각 주파수 ω2의 제곱이 사인파형으로 변경되고, 이로써 제 2 공진 회로를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
환언하면, 후자의 변형예에 따르면 제어 인덕턴스의 인덕턴스 값 L2f'는 1/(C2'×(ω2))에 따라서 시간의 함수로 변경되며, (ω2)2는 (ω2moy)2에 대한 시간의 함수로서 사인파로 변경된다.
본 발명의 다른 대상은 특히 전기 전력을 이용해서 자동차를 충전 또는 재충전하기 위해, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 장치로서,
전원, 특히 AC 전원과,
제 1 커패시턴스 및 제 1 권선을 포함하는 수신기 공진 회로를 형성하는 제 2 공진 회로 - 제 1 권선은 인덕턴스 및 제 1 저항을 포함함 - 와,
전술한 바와 같은 제 1 공진 회로 - 송신기 제 1 공진 회로는 전원에 의해 전력이 공급됨 -
를 포함한다. 제 1 공진 회로는 송신기 공진 회로를 형성한다.
본 발명의 다른 대상은 전기 전력을 이용해서 자동차를 충전 또는 재충전하기 위해, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 장치로서,
전원, 특히 AC 전원과,
제 1 커패시턴스 및 제 1 권선을 포함하는 송신기 공진 회로를 형성하는 제 2 공진 회로 - 제 1 권선은 인덕턴스 및 제 1 저항을 포함하고, 제 2 공진 회로는 전원에 의해 전력이 공급됨 - 와,
수신기 공진 회로를 형성하는, 전술한 바와 같은 제 1 공진 회로
를 포함한다.
본 발명의 또 다른 대상은 자동차를 비접촉식으로 충전 또는 재충전하는 어셈블리로서,
전술한 바와 같은 공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하는 장치와,
제 1 공진 회로와 제 2 공진 회로 중 수신 회로를 구성하는 공진 회로에 전기적으로 접속되어, 제 1 공진 회로와 제 2 공진 회로 중 송신기 공진 회로를 구성하는 공진 회로에 의해 생성된 자기장의 변화에 의해 생성되는 전류를 정류하는 정류기와,
정류기에 의해 충전되는 전기 에너지를 저장하는 장치
를 포함한다.
이하 설명을 읽고 첨부 도면을 참조함으로써 본 발명을 더 잘 이해할 것이다. 이들 도면은 단지 예시의 목적으로 제공되는 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른, 자동차를 비접촉 충전 또는 재충전하는 어셈블리의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 가변 자기 릴럭턴스 어셈블리의 개략도이다.
도 4는 단면 A-A를 따른 도 3의 어셈블리의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제 2 인덕턴스의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하기 위한 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제어 인덕턴스의 개략도이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자동차(30)는, 자동차(30)의 전기 견인 모터(도시 생략) 및 온보드 네트워크에 전력을 공급하기 위해서, 전기 에너지를 저장할 장치(20), 특히 배터리(20)를 포함한다. 자동차(30)의 배터리(20)는 예를 들어 48V 또는 300V의 공칭 전압을 가지며, 공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하기 위한 장치(100)를 사용해서 비접촉으로 충전 또는 재충전될 수 있다.
도 1의 예에서, 공진 유도 결합을 통해 무접촉으로 전력을 전송하는 장치(100)는 정류기(12)에 전력을 전달하는 AC 전원(10)을 포함하고, 정류기(12)는 인버터(13)에 전기적으로 접속되어, 소스(10)의 주파수보다 높은 주파수로 제 1 공진 회로(여기서는 송신기 회로(2)를 형성함)에 AC 전력을 전달한다. 변형예로서, 전원(10)이 직접 사용 가능한 주파수에서 동작할 수도 있으며, 이 경우 정류기(12) 및 인버터(13)는 필요하지 않다. 도 1의 예에서, 권선 E0은 전원(10)에 대한 유선 접속을 통해 전력이 공급된다. 이후, 이 권선 E0은 유도 결합을 통해 송신기 공진 회로(2)에 전원을 공급한다.
변형예(도시 생략)으로서, AC 전원(10)은 AC를 이용해서 송신기 공진 회로(2)에 직접 전력을 공급할 수도 있다.
도 1의 예에서, 수신기 공진 회로(1)를 형성하는 제 2 공진 회로는 제 1 커패시턴스(C1) 및 제 1 권선(E1)을 포함한다.
공진 유도 결합을 통해 비접촉으로 전력을 전송하는 장치(100)는 제 2 커패시턴스(C2) 및 제 2 권선(E2)을 포함하는 송신기 공진 회로(2)를 더 포함한다.
수신기 공진 회로(1)가 송신기 공진 회로(2)에 자기적으로 결합되면, 공진 유도 결합을 통해서 전력이 송신기 공진 회로(2)에 비접촉으로 전송된다. 이 자기 결합은 제 1 권선(E1)과 제 2 권선(E2)이 서로 근접해 있을 때 발생한다. 이 예에서, 이러한 자기 결합은 제 1 권선(E1)과 제 2 권선(E2)이 실질적으로 10cm 내지 1m에 포함된 거리에 있을 때 발생한다. 다른 예에서, 성능이 저하되더라도 거리가 1m 내지 10m에 포함될 때 결합이 발생한다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 전원(10)은 전송 코일(L0)과 직렬로 저항(R0)에 접속된다. 구체적으로, 도 1에 도시된 권선(E0)은 전송 코일(L0)과 직렬로 기생 저항(R0)을 포함한다. 도 2에서, 정류기(12) 및 인버터(13)는 간략하게 하기 위해서 도시되지 않았다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 수신기 공진 회로(1)는 RLC 회로로 구성된다. 구체적으로, 수신기 공진 회로(1)는 제 1 저항(R1) 및 제 1 커패시턴스(C1)와 직렬로 제 1 인덕턴스(L1)를 포함한다. 구체적으로, 도 1에 도시된 제 1 권선(E1)은 제 1 인덕턴스(L1)와 직렬인 기생 저항(R1)을 포함한다.
전송 코일(L0)은 제 1 인덕턴스(L1)에 자기적으로 결합된다.
송신기 공진 회로(2)는 RLC 회로로 구성된다. 구체적으로, 송신기 공진 회로(2)는 제 2 저항(R2) 및 제 2 커패시턴스(C2)와 직렬로 제 2 인덕턴스(L2)를 포함한다. 구체적으로, 도 1에 도시된 제 2 권선(E2)은 제 1 인덕턴스(L2)와 직렬로 기생 저항(R2)을 포함한다.
제 2 커패시턴스(C2)는 적어도 900μF의 폴리프로필렌 커패시터를 포함한다.
도시된 예에서, 수신기 공진 회로(1) 및 송신기 공진 회로(2)는 동조된다. 따라서, 송신기 공진 회로 및 수신기 공진 회로는 실질적으로 동일한 고유 주파수를 갖는다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 수신 코일(L3)은, 도 1의 정류기(11) 및 배터리(20)에 의해 형성되는 부하와 직렬로 기생 저항을 개략적으로 나타내는 저항(R3)에 전기적으로 접속된다.
도 1에 도시된 권선(E3)은 수신 코일(L3)과 직렬로 기생 저항을 포함한다.
수신 코일(L3)은 제 2 인덕턴스(L2)에 자기적으로 결합된다.
도 1 및 도 2의 예에서, 송신기 공진 회로(2) 및 전송 코일(L0)은 지상에 위치되는 반면, 수신기 공진 회로(1) 및 수신 코일(L3)은 차량에 위치된다.
도 1 및 도 2의 예에서, 제 2 커패시턴스는 값 C2'를 갖고, 제 2 인덕턴스는 값 L2'를 가지며, 제 2 저항은 값 R2'를 갖는다. 또한, 송신기 공진 회로(2)는 ω2=1/√(Leq×C2')의 고유 각 주파수 및 f2=ω2/(2π)의 고유 주파수를 갖는다.
제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값은 사전 결정된 방식으로 변경된다.
보다 상세하게는, 제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값은, 사전 결정된 주파수에서, 평균값 L2moy 부근에서의 사전 결정된 인덕턴스 변동 진폭 hL을 갖고 변경되며, 이로써 고유 각 주파수는 평균값 ω2moy 부근에서의 사전 결정된 각 주파수 변동 진폭 hω을 갖고 변경되게 되며, ω2moy=1/√(L2moy×C2')이다.
사전 결정된 주파수는, 송신기 공진 회로(2)를 흐르는 AC 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시키도록 선택된다.
제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값 L2'은 L2moy 부근에서의 시간의 함수로서 약 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 사인파형으로 변경되고, 이로써 수신기 공진 회로(1)를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
변형예에 따르면, 제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값 L2f'은, (ω2moy)2 부근에서의 시간의 함수로서 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 고유 각 주파수 ω2의 제곱이 사인파형으로 변경되고, 이로써 수신기 공진 회로(1)를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
환언하면, 이 변형예에 따르면, 제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값 L2'는 1/(C2'×(ω2))에 따라서 시간의 함수로 변경되며, (ω2)2는 (ω2moy)2에 대한 시간의 함수로서 사인파로 변경된다.
제 2 커패시턴스(C2)는 실질적으로 일정한 값을 갖는다. "실질적으로 일정한 값"이란, 온도 또는 마모 또는 기타 물리적 요인과 관련된 변동을 제외한 이 정전용량의 값을 의미한다.
사전 결정된 주파수는 허용 오차 ε 내에서 송신기 공진 회로(2)의 고유 주파수의 2배와 동일하다. 허용 오차 ε은 ε=√(((1/2)×hL×ω2moy)2-(R2'/L2')2)이다.
따라서, 사전 결정된 주파수는 (2×f2)-ε와 (2×f2)+ε 사이로 구성된다.
이러한 사전 결정된 주파수는 송신기 공진 회로(2)를 흐르는 전류의 진폭을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
일 구현예에 따르면, 각 주파수의 사전 결정된 변동 hω의 진폭은 2×(R2'/L2')×√(L2'×C2')보다 엄격하게 크다.
제 2 인덕턴스(L2)의 일 실시예가 도 5를 참조하여 설명된다.
제 2 인덕턴스(L2)는 여기서 전기적으로 병렬로 접속된 솔레노이드(5)와 전자 전압 인버터(9)에 의해 형성된다.
전자 전압 인버터(9)는 전력 구성요소, 구체적으로 적어도 2개의 암을 형성하는 IGBT를 포함한다.
전자 전압 인버터(9)는 DC 제어 전압 VDC을 이용해서 제어되는 AC 전압을 전달한다.
DC 제어 전압 VDC은 공진 유도 결합을 통해 전송되는 전력 이상의 전력을 전달할 수 있는 전원 공급 장치에 의해 제공된다.
도 5의 예에서, 솔레노이드(5)는 평평한 턴, 또는 동심으로 연장하고 및/또는 축방향으로 연장하는 복수의 턴을 포함한다. 솔레노이드(5)는 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 고정자(3)를 사용해서 생성될 수 있으며, 회전자(6)는 없거나 정지 상태로 유지된다.
도 6 및 도 7의 예에서, 송신기 공진 회로(2)는 제 2 인덕턴스(R2) 및 제 2 커패시턴스(C2)와 직렬로 접속된 값 L2f'의 제어 인덕턴스(L2f)를 더 포함한다. Leq=L2'+L2f'이다.
제 2 커패시턴스는 값 C2'을 갖고, 제어 인덕턴스는 값 L2f'을 가지며, 제 2 저항은 값 R2'를 갖는다. 또한, 송신기 공진 회로(2)는 ω2=1/√×((L2'+L2f')×C2')의 고유 각 주파수(natural angular frequency) 및 f2=ω2/(2π)의 고유 주파수를 갖는다.
제어 인덕턴스(L2f)의 인덕턴스 값 L2f'은 사전 결정된 방식으로 변경된다.
보다 정확하게는, 제어 인덕턴스(L2f)의 인덕턴스 값은 사전 결정된 주파수에서, 평균값 L2moy 부근에서의 사전 결정된 인덕턴스 변동 진폭 hL을 갖고 변경되며, 이로써 고유 각 주파수는 평균값 ω2moy 부근에서의 사전 결정된 각 주파수 변동 진폭 hω을 갖고 변경되게 되며, ω2moy=1/√(L2moy×C2')이다.
사전 결정된 주파수는 수신기 공진 회로(1)를 흐르는 AC 전류의 진폭을 지수적으로 증가시키도록 선택된다.
제어 인덕턴스(L2f)의 인덕턴스 값 L2f'은, L2moy 부근에서의 시간의 함수로서 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 사인파형으로 변경되고, 이로써 수신기 공진 회로(1)를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
변형예에 따르면, 제어 인덕턴스(L2f)의 인덕턴스 값 L2f'은, (ω2moy)2 부근에서의 시간의 함수로서 2×ω2moy와 같은 각 주파수로 고유 각 주파수 ω2의 제곱이 사인파형으로 변경되고, 이로써 수신기 공진 회로(1)를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
환언하면, 후자의 변형예에 따르면 제어 인덕턴스의 인덕턴스 값 L2f'는 1/(C2'×(ω2))에 따라서 시간의 함수로 변경되며, (ω2)2는 (ω2moy)2 부근에서의 시간의 함수로서 사인파로 변경된다.
제 2 커패시턴스(C2)는 실질적으로 일정한 값을 갖는다. "실질적으로 일정한 값"이란, 온도 또는 마모 또는 기타 물리적 요인과 관련된 변동을 제외한 이 정전용량의 값을 의미한다.
사전 결정된 주파수는 허용 오차 ε 내에서 송신기 공진 회로(2)의 고유 주파수의 2배와 동일하다. 이 허용 오차 ε은 ε=√(((1/2)×hL×ω2moy)2-(R2'/L2')2)이다.
따라서, 사전 결정된 주파수는 (2×f2)-ε와 (2×f2)+ε 사이로 구성된다.
이러한 사전 결정된 주파수는 송신기 공진 회로(2)를 흐르는 전류의 진폭을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
일 구현예에 따르면, 각 주파수의 사전 결정된 변동 hω의 진폭은 2×(R2'/(L2'+L2f'))×√(L2'+L2f')×C2')보다 엄격하게 크다.
제어 인덕턴스(L2f)의 일 예시적인 실시예가 도 6을 참조해서 설명된다.
여기서 제어 인덕턴스(L2f)는 전자 전압 인버터(9)에 의해 형성된다.
전자 전압 인버터(9)는 전력 구성요소, 특히 적어도 2개의 암을 형성하는 IGBT를 포함한다.
전자 전압 인버터(9)는 DC 제어 전압 VDC을 이용해서 제어되는 AC 전압을 전달한다.
DC 제어 전압 VDC은 공진 유도 결합을 통해 전송되는 전력 이상의 전력을 전달할 수 있는 전원 공급 장치에 의해 제공된다.
AC 전압이 전달될 때 거치는 단자는, 제어 인덕턴스(L2f)를 형성하는 단자로, 전자 전압 인버터(9)에 의해 에뮬레이트된다.
제 2 인덕턴스(L2)의 일 실시예가 도 3 및 도 4를 참조해서 설명된다.
제 2 인덕턴스(L2)는, 그 사이에 갭이 있는 회전자(6)와 고정자(3)를 포함하는 가변 자기 릴럭턴스(variable-magnetic-reluctance) 어셈블리에 의해 형성된다. 고정자(3)는 솔레노이드(5) 및 복수의 고정자 암(4)을 포함하고, 솔레노이드(5)에 전류가 흐를 때 고정자 암(4)이 모두 함께 단일 자극을 형성한다. 자극은 갭의 측면에서 고려되는 것이다. 회전자(6)는 복수의 회전자 암(7)을 포함하고, 솔레노이드(5)에 전류가 흐를 때 복수의 회전자 암(7)은 단일 자극을 형성한다. 자극은 갭의 측면에서 고려되는 것이다.
따라서, 솔레노이드(5)는 권선을 형성한다. 고정자는 고정된 부분을 형성하고, 회전자는 권선에 대해 이동 가능한는 부분을 형성하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 인접하는 회전자 암(7)의 쌍은 비자성 세그먼트에 의해 분리되고, 2개의 인접하는 고정자 암(4)의 쌍은 비자성 세그먼트에 의해 분리된다. 이 예에서, 고정자 암(4)의 수는 회전자 암(7)의 수와 동일하다. 본 예에서, 이 수는 12이다.
따라서, 고정자(3)는 모두 동일한 극성을 갖는 복수의 돌출부를 포함하며, 이 극성은 북쪽 또는 남쪽 방향의 의미에서 솔레노이드(5)를 흐르는 전류의 위상에 따라 달라진다. 또한, 회전자(6)는 모두 동일한 극성을 갖는 복수의 돌출부를 포함하며, 이 극성은 북쪽 또는 남쪽 방향의 의미에서 솔레노이드(5)를 흐르는 전류의 위상에 따라 달라진다. 고정자(3) 및 회전자(6)는 각각 동일한 수의 자성 돌출부를 가지며, 이들은 자성 물질 없이 분리된다.
각각의 고정자 암(4)은 회전자의 회전축(X)에 대해 반경 방향으로 연장되고, 고정자 암(4)이 연장되는 반경 방향에 대해 직교 방향으로 적층된 라미네이트된(laminated) 자기 시트의 번들을 포함한다. 해당 예시에서, 적층은 회전자(6)의 회전축 X에 대해 직교 방향으로 적층된다.
각각의 회전자 암(7)은 회전자의 회전축(X)에 대해 반경 방향으로 연장되고, 특히 회전자 암(7)이 연장되는 반경 방향에 대해 직교 방향으로 적층된, 라미네이트된 자기 시트의 번들을 포함한다. 해당 예시에서, 적층은 회전자의 회전축 X에 대해 직교 방향으로 적층된다.
회전자(6)는 비자성 물질로 이루어진 샤프트(8)를 포함한다. 이로써, 자속이 축 방향으로 샤프트(8)를 통과하지 않고 회전자 암(7)만을 통과하게 된다.
해당 예시에서, 회전자(6)의 비자성 샤프트(8)는, 상기 샤프트(8)에서 바람직하지 않은 유도 전류의 형성을 방지하기 위해, 연자성체가 라미네이트되거나 이것으로 형성되는 일은 없다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 회전자 암(7)은 특히 회전자(6)의 회전축(X)의 측면에 방사상으로 배치된 돌출 세그먼트를 포함한다. 이로써 회전자(6)를 형성하는 어셈블리를 제자리에 기계적으로 더 잘 고정시키면서 자속을 채널링할 수 있다.
도 3의 예에서, 솔레노이드(5)는 동심으로 연장되는 복수의 턴을 포함한다. 도 4의 예에서, 솔레노이드(5)는 축 방향으로 연장되는 복수의 턴을 포함할 수 있다. 변형예(도시 생략)로서, 솔레노이드(5)는 단일의 평평한 턴을 포함할 수 있다.
이 턴은 리츠선이 없다. 변형예로서, 턴은 리츠선을 포함하고, 이 리츠선의 단면은 0.2mm보다 엄격하게 크고, 특히 0.3mm보다 엄격하게 큰 직경을 갖는다.
솔레노이드(5)는, 이를 구성하고 있는 턴을 흐르는 AC 전류가 3kHz보다 엄격하게 낮은 주파수를 갖도록 배열된다.
전기 모터(도시 생략)는 샤프트(8)에 연결되어서, 회전자(6)가 사전 결정된 속도(Ω)로 회전될 수 있게 구도될 수 있게 하며, 이 속도는 회전/초로 표시되고, Ω=((2×f0)±ε)/(N)이며, N은 고정자 암(4)의 수이다. 이 사전 결정된 속도는 정상 상태, 즉 과도 전기-기계적 영역의 끝에서 측정된다.
물론, 위의 설명은 단지 예로서 제공된 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 다양한 요소를 다른 등가물로 대체한다고 해서, 상기 범위로부터 벗어나는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 다양한 특징, 변형 및/또는 실시예는 서로 호환되지 않거나 상호 배타적이지 않은 한, 다양한 조합으로 서로 연관될 수 있다.

Claims (13)

  1. 공진 유도 결합을 통해 제 2 공진 회로(1), 특히 송신기 또는 수신기에 비접촉 전력 전송을 수행하는 제 1 공진 회로(2), 특히 송신기 또는 수신기로서 - 상기 제 2 공진 회로(1)는 제 1 커패시턴스(C1) 및 제 1 권선(E1)을 포함하고, 상기 제 1 권선(E1)은 인덕턴스(L1) 및 제 1 저항(R1)을 포함함 - ,
    상기 제 1 공진 회로는, 값 C2'의 제 2 커패시턴스(C2) 및 제 2 권선(E2)을 포함하고 - 상기 제 2 권선(E2)은 값 L2'의 제 2 인덕턴스(L2) 및 값 R2'의 제 2 저항(R2)을 포함함 - ,
    상기 제 1 공진 회로는 ω2=1/√(Leq×C2')의 고유 각 주파수(natural angular frequency) 및 f2=ω2/(2π)의 고유 주파수를 갖고 - 상기 Leq는 상기 제 1 공진 회로의 등가 인덕턴스임 - ,
    상기 등가 인덕턴스 특히, 제 2 인덕턴스(L2)의 인덕턴스 값 Leq은 사전 결정된 방식으로 변경되는
    제 1 공진 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Leq=L2'인 경우, 상기 제 2 인덕턴스(L2)의 값은, 사전 결정된 주파수에서, 평균값 L2moy 부근에서의 사전 결정된 인덕턴스 변동 진폭 hL을 갖고 변경되며, 이로써 상기 고유 각 주파수는 평균값 ω2moy 부근에서의 사전 결정된 각 주파수 변동 진폭 hω을 갖고 변경되게 되며, ω2moy=1/√(L2moy×C2')인
    제 1 공진 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 주파수는, 송신기 공진 회로(2)를 흐르는 전류의 진폭을 기하급수적으로 증가시키도록 선택되는
    제 1 공진 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공진 회로는 상기 제 2 공진 회로에 동조되도록 배열되는
    제 1 공진 회로.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 주파수는 허용 오차 ε 내에서 송신기 공진 회로(2)의 상기 고유 주파수의 2배와 같고, 특히 상기 허용 오차 ε은 ε=√(((1/2)×hL×ω2moy)2-(R2'/L2')2)인
    제 1 공진 회로.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 주파수의 상기 사전 결정된 변동의 진폭은 2×(R2'/L2')×√(L2'×C2')보다 현저히 큰
    제 1 공진 회로.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인덕턴스(L2)는, 그 사이에 갭이 있는 회전자(6)와 고정자(3)를 포함하는 가변 자기 릴럭턴스(variable-magnetic-reluctance) 어셈블리에 의해 형성되고,
    상기 고정자(3)는 솔레노이드(5) 및 복수의 고정자 암(4)을 포함하고 - 상기 솔레노이드(5)에 전류가 흐를 때 상기 고정자 암(4)이 모두 함께 단일 자극(magnetic pole)을 형성하고, 특히 상기 자극은 상기 갭의 측면에서 고려됨 - ,
    상기 회전자(6)는 복수의 회전자 암(7)을 포함하는 - 상기 솔레노이드(5)에 전류가 흐를 때 상기 복수의 회전자 암(7)은 단일 자극을 형성하고, 특히 상기 자극은 상기 갭의 측면에서 고려됨 -
    제 1 공진 회로.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인덕턴스(L2)는, 전기적으로 병렬 접속된 솔레노이드(5)와 전자 전압 인버터(9)에 의해 형성되는
    제 1 공진 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    수신기 공진 회로(2)는 상기 제 2 인덕턴스(L2)와 직렬로 접속된, 값 L2f'의 제어 인덕턴스(L2f)를 더 포함하고, Leq는 L2'+L2f'인
    제 1 공진 회로.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 인덕턴스는 특히, 상기 제어 인덕턴스의 전기적 거동 및 상기 인덕턴스의 값 L2f'을 에뮬레이트하도록 배열된 전자 전압 인버터(9)에 의해 형성되는
    제 1 공진 회로.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인덕턴스(L2)는 자기 회로를 포함하고,
    상기 자기 회로는 상기 제 2 권선(E2)에 대해서 이동 가능한 적어도 하나의 부분을 포함하고, 상기 이동 가능한 부분은 특히 전기 모터에 의해 구동되는
    제 1 공진 회로.
  12. 전기 전력을 이용해서 자동차를 충전 또는 재충전하기 위해, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 장치(100)로서,
    전원(10), 특히 AC 전원과,
    제 1 커패시턴스(C1) 및 제 1 권선(E1)을 포함하는 수신기 공진 회로(1)를 형성하는 제 2 공진 회로 - 상기 제 1 권선(E1)은 인덕턴스(L1) 및 제 1 저항(R1)을 포함함 - 와,
    송신기 공진 회로(2)를 형성하는, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 공진 회로 - 상기 송신기 공진 회로(2)는 상기 전원(10)에 의해 전력이 공급됨 -
    를 포함하는 장치(100).
  13. 전기 전력을 이용해서 자동차를 충전 또는 재충전하기 위해, 공진 유도 결합을 통해 전력을 비접촉으로 전송하는 장치(100)로서,
    전원(10), 특히 AC 전원과,
    제 1 커패시턴스 및 제 1 권선을 포함하는 송신기 공진 회로를 형성하는 제 2 공진 회로 - 상기 제 1 권선(E1)은 인덕턴스 및 제 1 저항을 포함하고, 상기 제 2 공진 회로는 상기 전원에 의해 전력이 공급됨 - 와,
    수신기 공진 회로를 형성하는, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 공진 회로
    를 포함하는 장치(100).
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