KR20230111698A - Pulse current generating apparatus - Google Patents

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KR20230111698A
KR20230111698A KR1020220007312A KR20220007312A KR20230111698A KR 20230111698 A KR20230111698 A KR 20230111698A KR 1020220007312 A KR1020220007312 A KR 1020220007312A KR 20220007312 A KR20220007312 A KR 20220007312A KR 20230111698 A KR20230111698 A KR 20230111698A
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pulse current
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carbon nanotube
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KR1020220007312A
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박종후
압델 하피즈 아흐메드 마흐무드 아쉬라프
이합 무하마드
이춘구
아테프 타우픽 모하메드
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숭실대학교산학협력단
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    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 차동결합 전자기유도를 이용하여 1차측 전원을 2차측 펄스 전류로 변환하여 출력하기 위해, 자화인덕터부(20), 1차측 능동 스위칭부(30), 탄소나노튜브섬유 와이어로 권선된 차동결합 유도권선부(40), 2차측 스위칭부(50) 및 펄스 전류 출력부(600)를 포함하여 구성되어, 고주파 영역에서의 전력 손실을 최소화하는 펄스 전류 발생장치를 제공한다.An embodiment of the present invention includes a magnetization inductor unit 20, a primary active switching unit 30, a differential coupling induction winding unit 40 wound with carbon nanotube fiber wire, a secondary switching unit 50, and a pulse current output unit 600 to convert primary side power into secondary side pulse current and output using differential coupling electromagnetic induction to which carbon nanotube fiber winding is applied, resulting in power loss in a high frequency region. A pulse current generator that minimizes is provided.

Description

펄스 전류 발생장치{Pulse current generating apparatus}Pulse current generating apparatus {Pulse current generating apparatus}

본 발명은 펄스 전류 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소나노튜브섬유 권선을 사용하여 차동결합 전자기유도를 이용하여 1차측 전원을 2차측 펄스 전류로 변환하여 출력하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pulse current generator, and more particularly, to a pulse current generator to which a carbon nanotube fiber winding is applied, which converts a primary-side power supply into a secondary-side pulse current by using differential coupling electromagnetic induction and outputs the converted pulse current.

일반적으로, 펄스 전류는 반도체의 노광, 고주파 펄스 용접, 고주파 자기장 발생 장치, 전기 도금 또는 전기자동차의 시스템 구동 전원이나 배터리 충전 전원 등으로 널리 사용된다.In general, pulsed current is widely used as semiconductor exposure, high-frequency pulse welding, high-frequency magnetic field generator, electroplating, or a system driving power source or battery charging power source of an electric vehicle.

이 중 전기자동차의 충전 장치는 스위칭 회로와 구리, Litz 케이블 등이 권선되어 인덕터와 변압기의 기능을 동시에 수행하며 펄스 전류를 발생시키는 플라이백 변압기를 포함하여 구성되어, 펄스 전류에 의해 배터리를 충전하도록 구성될 수 있다.Among them, the charging device of an electric vehicle includes a flyback transformer that simultaneously performs the functions of an inductor and a transformer by winding a switching circuit and copper, Litz cable, etc. and generates a pulse current, and charges the battery by the pulse current. Can be configured.

이때, 플라이백 변압기의 결합계수를 높이기 위해 1차측 권선과 2차측 권선을 밀접시키면 인접한 도체를 통해 흐르는 전류에 의해 형성된 자속에 의한 자기적인 저항이 증가하는 근접 효과(Proximity effect) 및 도체 내부의 주전류에 의해 형성되는 자속으로 인해 저항이 증가하는 표피 효과(skin effect)에 의해서 저항이 커지며 전력손실이 커지는 문제가 발생한다.At this time, when the primary winding and the secondary winding are brought into close proximity to increase the coupling coefficient of the flyback transformer, a proximity effect in which magnetic resistance due to magnetic flux formed by a current flowing through an adjacent conductor increases and a skin effect in which resistance increases due to magnetic flux formed by the main current inside the conductor increases resistance and increases power loss.

이러한 플라이백 변압기의 권선에 구리 와이어나 Litz 케이블을 사용하게 되면 하중이 커서 전기자동차의 무게를 줄이는데 장애로 작용하며, 이에 따라, 충전 전력 대비 주행거리를 향상시키는 데 한계로 작용한다. 또한, 상기 구리나 Litz 케이블 등의 금속 와이어의 경우 장시간 사용시 부식이 발생하게 되므로, 일정기간 사용 후에는 교체해야 하는 문제가 있다.When a copper wire or Litz cable is used for the winding of such a flyback transformer, the load is large and acts as an obstacle to reducing the weight of an electric vehicle, thereby limiting the improvement of the mileage compared to the charging power. In addition, in the case of metal wires such as copper or Litz cables, corrosion occurs when used for a long time, so there is a problem in that they must be replaced after a certain period of use.

또한, 충전효율을 높이기 위해 고주파 스위칭을 수행하는 경우, 생성된 고주파 펄스 전류의 주파수에 따라 플라이백 변압기에 권선된 구리, Litz 케이블 등의 전선의 근접 효과 또는 표피 효과의 증가에 의해 저항 또한 급격히 증가하게 되어 큰 전력 손실(power loss)이 발생하는 문제점이 있다.In addition, when high-frequency switching is performed to increase charging efficiency, resistance also increases rapidly due to an increase in the proximity effect or skin effect of wires such as copper or Litz cable wound in the flyback transformer according to the frequency of the generated high-frequency pulse current, resulting in a large power loss.

대한민국 공개특허 10-2013-0088456호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0088456

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 고주파에서의 전력손실을 최소화하여 전기 에너지 발생 및 저장 효율이 뛰어나며, 최소화된 부식의 발생하며, 친환경적이며, 전기 자동차 등에 적용될 경우 하중을 줄여 소모 전력을 현저히 줄일 수 있도록 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.In order to solve the problems of the prior art described above, an embodiment of the present invention minimizes power loss at high frequency, has excellent electrical energy generation and storage efficiency, minimizes corrosion, is environmentally friendly, and when applied to an electric vehicle, etc. It is a task to solve the problem of providing a pulse current generator using carbon nanotube fiber windings that can significantly reduce power consumption by reducing load.

상술한 본 발명의 해결과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 펄스 전류 생성을 위한 유도기전력 발생을 위한 에너지를 저장하는 자화인덕터부; 상기 자화인턱부의 출력단자에 접속되어 상기 자화인덕터부와 상기 외부 전원 사이의 전류 경로를 능동적으로 온 또는 오프하는 스위칭 제어를 수행하는 1차측 능동 스위칭부; 상기 자화인덕터부와 병렬로 접속되고, 상기 자화인덕터의 출력 측에서 상기 1차측 능동 스위칭부의 입력단자에 출력단자가 접속되는 1차측 권선부와, 상기 1차측 권선부와 차동결합을 이루도록 권선된 2차측 권선부를 포함하는 차동결합 유도 권선부; 및 상기 차동결합 유도 권선부의 출력에서 일방향 펄스 전류를 생성하도록 상기 1차측 능동 스위칭부와 반대로 스위칭 동작되어 상기 2차측 권선부의 출력 측에서 펄스 전류를 생성하는 출력하는 2차측 스위칭부;를 포함하고, 상기 차동결합 유도 권선부의 1차측 권선부와 2차측 권선부는 탄소나노튜브섬유 와이어로 권선된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention for achieving the above-described problem of the present invention is a magnetizing inductor unit for receiving power from an external power source and storing energy for generating an induced electromotive force for generating a pulse current; a primary-side active switching unit that is connected to the output terminal of the magnetization inductor and performs switching control for actively turning on or off a current path between the magnetization inductor unit and the external power source; A differential coupling induction winding unit including a primary winding unit connected in parallel with the magnetizing inductor unit and having an output terminal connected to an input terminal of the primary active switching unit at an output side of the magnetization inductor unit, and a secondary winding unit wound to form a differential coupling with the primary winding unit; and a secondary side switching unit that performs a switching operation opposite to that of the primary side active switching unit to generate a one-way pulse current at the output of the differential coupling induction winding unit and generates a pulse current at the output side of the secondary side winding unit, wherein the primary winding unit and the secondary winding unit of the differential coupling induction winding unit are wound with carbon nanotube fiber wire.

상기 펄스 전류 발생 장치는, 상기 2차측 스위칭부와 상기 2차측 권선부에 직렬로 접속되어 생성된 펄스 전류를 출력하는 펄스 전류 출력부를 더 포함하여 구성될 수 있다.The pulse current generator may further include a pulse current output unit that is connected in series to the secondary switching unit and the secondary winding unit and outputs the generated pulse current.

상기 펄스 전류 출력부는, 병렬로 접속되는 캐패시터와 저항을 포함하여, 입력단자는 상기 2차측 스위칭부의 출력단자에 접속되고, 출력단자는 상기 2차측 권선부의 입력단자에 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.The pulse current output unit includes a capacitor and a resistor connected in parallel, and an input terminal is connected to an output terminal of the secondary switching unit, and an output terminal is configured to be connected to an input terminal of the secondary winding unit.

상기 차동결합 유도권선부는, 보빈을 중심으로 절연층을 매개로 하여 상기 1차측 권선부와 상기 2차측 권선부가 샌드위치 방식으로 권선되어 형성되는 것을 특징으로 한다.The differential coupling induction winding unit may be formed by winding the primary winding unit and the secondary winding unit in a sandwich manner around a bobbin with an insulating layer as a medium.

상기 차동결합 유도권선부에서, 상기 2차측 권선부는, 복수의 2차측 권선을 포함하고, 절연층을 매개로 상기 1차측 권선부와 함께 보빈에 순차적으로 적층되게 권취되는 것을 특징으로 한다.In the differentially coupled induction winding unit, the secondary winding unit includes a plurality of secondary winding units, and is sequentially wound on a bobbin together with the primary winding unit through an insulating layer.

상술한 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예의 펄스 전류 발생장치는, 고주파에서의 전력손실을 최소화하여 전기에너지 발생 및 저장 효율이 뛰어나며 기계적 강도를 개선하고 하중을 최소화하며, 부식의 발생을 최소화하며, 친환경적이며, 전기 자동차 등에 적용될 경우 하중을 줄일 수 있도록 하여 소모 전력을 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.The pulse current generator of one embodiment of the present invention having the above configuration minimizes power loss at high frequency, has excellent electrical energy generation and storage efficiency, improves mechanical strength, minimizes load, minimizes the occurrence of corrosion, is environmentally friendly, and when applied to an electric vehicle, etc., provides an effect of significantly reducing power consumption by reducing load.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전류 발생장치(1)의 기능 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 펄스 전류 발생장치(1)의 일 실시예의 회로도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브섬유 와이어에 사용되는 탄소나노튜브섬유의 구조와 단면을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 샌드위치 권선방식으로 권선된 도 1 및 도 2의 차동결합 유도권선부(40)의 단면의 일부를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선 및 2차측 권선들의 꼬임 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 근접 효과 시험기의 (a) 하드웨어 설정 사진과 (b) 3D CAD 모델과 (c) DUT(device-under-test)가 없는 2차원 단면 및 등가 회로 모델과 (d) DUT가 있는 2차원 단면 및 등가 회로 모델, 및 (e) 임피던스 측정을 모델 결과와 비교하여 기기의 대역폭을 확인한 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 펄스 전류 발생장치(1)의 탄소나노튜브섬유 와이어로 권선된 차동결합 유도권선부(40)와 구리, 납, Litz로 권선된 차동결합 유도권선부의 주파수(frequency)에 따른 전력 손실(power losses) 비교 그래프를 도시한다.
1 shows a functional block diagram of a pulse current generator 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a circuit diagram of one embodiment of the pulse current generator 1 of FIG. 1 .
3 shows the structure and cross section of a carbon nanotube fiber used in a carbon nanotube fiber wire according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a portion of a cross section of the differential coupling induction winding unit 40 of FIGS. 1 and 2 wound in a sandwich winding method according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a twisted coupling structure of primary side windings and secondary side windings of a differential coupling induction winding unit 40 according to another embodiment of the present invention.
6 is a picture of (a) hardware setup of a proximity effect tester, (b) a 3D CAD model, (c) a two-dimensional cross-section and equivalent circuit model without a device-under-test (DUT), and (d) a two-dimensional cross-section and equivalent circuit model with a DUT, and (e) a graph showing the bandwidth of the device by comparing the impedance measurement with the model result.
7 is a graph showing a comparison of power losses according to frequency of the differential coupling induction winding unit 40 wound with carbon nanotube fiber wire and the differential coupling induction winding unit wound with copper, lead, and Litz of the pulse current generator 1 of the present invention.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be applied with various changes and can have various forms, so specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and it should be understood that the present invention includes all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It should be understood that when an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to specify that the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof exist, but it should be understood that the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예의 설명에서 차동결합 유도권선부(40)의 1차측의 경우 자화인덕터부(20)를 통해 흐르는 전원 전류가 입력되는 단자를 입력단자로, 자화인덕터부(20)를 통해 흐르는 전원 전류가 출력되는 단자를 출력단자로 지시하여 설명한다. 또한, 상기 차동결합 유도권선부(40)의 2차측의 경우 생성된 펄스 전류가 입력되는 단자를 입력단자로, 펄스 전류가 출력되는 단자를 출력단자로 지시하여 설명한다.Referring to FIG. 1, in the description of the embodiment of the present invention, in the case of the primary side of the differentially coupled induction winding unit 40, the terminal to which the power supply current flowing through the magnetizing inductor unit 20 is input is designated as an input terminal, and the terminal to which the power supply current flowing through the magnetization inductor unit 20 is output is designated as an output terminal. In addition, in the case of the secondary side of the differential coupling induction winding unit 40, the terminal to which the generated pulse current is input is designated as the input terminal, and the terminal to which the pulse current is output is designated as the output terminal.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 펄스 전류 발생장치(1)의 기능 블록도이고, 도 2는 도 1의 펄스 전류 발생장치(1)의 일 실시예의 회로도이다.1 is a functional block diagram of a pulse current generator 1 of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram of an embodiment of the pulse current generator 1 of FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 전류 발생장치(1)는, 자화인덕터부(20), 1차측 능동 스위칭부(30), 차동결합 유도권선부(40), 2차측 스위칭부(50) 및 펄스 전류 출력부(60)를 포함할 수 있다. 펄스 전류 발생장치(1)는 펄스 전류의 발생을 위해 상기 스위칭부(30) 등의 스위칭을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 1 and 2, the pulse current generator 1 according to an embodiment of the present invention may include a magnetizing inductor unit 20, a primary side active switching unit 30, a differential coupling induction winding unit 40, a secondary side switching unit 50, and a pulse current output unit 60. The pulse current generator 1 may further include a control unit (not shown) for controlling switching of the switching unit 30 or the like to generate the pulse current.

상기 자화인덕터부(20)는 입력단자가 상기 전원부(10)의 일 단자에 결합되고, 출력단자는 상기 1차측 능동 스위칭부(30)의 입력단자와 상기 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선부(43)의 출력단자에 접속되도록 구성된다. 상기 자화인덕터부(20)는 도 1에서와 같이 접속되는 자화인덕터(LM)로 구성될 수 있다.The magnetizing inductor unit 20 has an input terminal coupled to one terminal of the power supply unit 10, and an output terminal connected to the input terminal of the primary active switching unit 30 and the output terminal of the primary side winding unit 43 of the differential coupling induction winding unit 40. The magnetizing inductor unit 20 may include a magnetizing inductor L M connected as shown in FIG. 1 .

상기 1차측 능동 스위칭부(30)는 입력단자가 상기 1차측 능동 스위칭부(30)와 상기 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선부(43)의 출력단자에 접속되고, 출력단자는 상기 전원부(10)의 음극 단자에 접속된다. 상술한 바와 같이, 접속되는 상기 1차측 능동 스위칭부(40)는 도 2와 같이, FET, MOSFET 등의 다양한 스위칭 소자로 구성될 수 있다.The primary active switching unit 30 has an input terminal connected to the primary active switching unit 30 and an output terminal of the primary winding unit 43 of the differential coupled induction winding unit 40, and an output terminal connected to the negative terminal of the power supply unit 10. As described above, the connected primary side active switching unit 40 may be composed of various switching elements such as FET and MOSFET, as shown in FIG. 2 .

상기 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선부(43)를 구성하는 1차측 권선(43-1) 및 2차측 권선부(44)를 구성하는 제1 내지 제n 2차측 권선(44-1~44-n)은 외주면이 절연된 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF Yarn wire)(42)로 구성될 수 있다. 그리고 도면에는 미도시되어 있으나, 상기 1차측 권선부(43) 또한 서로 다른 입력 전력을 가지는 탄소나노튜브 섬유 와이어로 구성되는 복수의 1차측 권선들을 포함하여 구성될 수도 있다.The first to nth secondary windings 44-1 to 44-n constituting the primary winding 43-1 constituting the primary winding 43 of the differential coupling induction winding 40 and the secondary winding 44 may be composed of a carbon nanotube fiber wire (CNTF Yarn wire) 42 having an insulated outer peripheral surface. Also, although not shown in the drawings, the primary winding unit 43 may also include a plurality of primary windings made of carbon nanotube fiber wires having different input powers.

도 3은 본 발명의 실시예의 탄소나노튜브섬유 와이어(42)의 구조를 나타내는 도면이다.Figure 3 is a view showing the structure of the carbon nanotube fiber wire 42 of the embodiment of the present invention.

도 3의 (a)는 CNT(CNT 필라멘트), (b)는 CNT 가닥의 일부, (c)는 CNT 가닥(CNT 섬유), (d)는 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF 원사, CNT 묶음)로 제작된 탄소나노튜브섬유 와이어(42)를 나타낸다. 즉, 본 발명의 상기 1차측 권선부(43) 및 2차측 권선부(44)를 구성하는 각각의 1차측 권선들 및 2차측 권선들은 외주면이 절연된 도 3의 (d)의 탄소나노튜브 섬유와이어로 구성될 수 있다.3, (a) is a CNT (CNT filament), (b) is a part of a CNT strand, (c) is a CNT strand (CNT fiber), and (d) is a carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn, CNT bundle). It shows a carbon nanotube fiber wire 42 made of. That is, each of the primary windings and the secondary windings constituting the primary winding part 43 and the secondary winding part 44 of the present invention are insulated on the outer circumferential surface of FIG. 3 (d). It can be composed of a carbon nanotube fiber wire.

다시 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 2차측 스위칭부(50)는 상기 차동결합 유도권선부(40)의 2차측 일 출력단자 측에 결합되어 상기 1차측 능동 스위칭부(30)가 온되는 경우 오프되고, 상기 1차측 능동 스위칭부(30)가 오프되는 경우 온되는 것에 의해, 1차측의 전원(10)의 전력을 전압가변함과 동시에 펄스 전류로 생성하여 출력하도록 구성된다. 상술한 구성의 상기 2차측 스위칭부(50)는 상기 1차측 능동 스위칭부(30)가 온되는 경우 오프되고, 상기 1차측 능동 스위칭부(30)가 오프되는 경우 온되도록 접속되는 다이오드(도 2의 D 참조) 등의 수동 스위칭 소자 또는 FET, MOFET 등의 능동 스위칭 소자로 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the secondary side switching unit 50 is coupled to the secondary day output terminal side of the differential coupling guidance wire 40 to turn off when the primary active switching unit 30 is on, and when the primary active switching unit 30 is off, the power of the power of the primary side is voltly variable. At the same time, it is configured to produce and output as a pulse current. The secondary-side switching unit 50 having the above-described configuration is turned off when the primary-side active switching unit 30 is turned on and connected to be turned on when the primary-side active switching unit 30 is turned off. It may be composed of a passive switching element such as a diode (see D in FIG.

상기 펄스 전류 출력부(60)는 입력단자가 상기 2차측 스위칭부(50)의 출력 단자에 접속되고, 출력단자가 상기 2차측 권선부(44)의 상기 2차측 스위칭부(50)가 접속된 단자의 반대측 단자에 접속되어 상기 2차측 권선부(44)와 공진되어 펄스 전류를 출력하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 펄스 전류 출력부(60)는 도 2와 같이, 병렬로 연결되어 상기 2차측 권선부(44) 및 상기 2차측 스위칭부(50)와 직렬로 접속되는 캐패시터와 저항(R0)을 포함하여 구성될 수 있다.The pulse current output unit 60 has an input terminal connected to the output terminal of the secondary switching unit 50, and an output terminal connected to a terminal opposite to the terminal to which the secondary switching unit 50 of the secondary winding unit 44 is connected, and is configured to resonate with the secondary winding unit 44 to output a pulse current. To this end, as shown in FIG. 2, the pulse current output unit 60 may include a capacitor and a resistor R0 connected in parallel to the secondary winding unit 44 and the secondary switching unit 50 and connected in series.

상술한 구성에서 상기 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 및 2차측 권선들은 결합계수를 높이기 위한 다양한 권선 방식으로 권선될 수 있다.In the above configuration, the primary and secondary windings of the differential coupling induction winding unit 40 may be wound in various winding methods to increase the coupling coefficient.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샌드위치 권선방식으로 권선된 도 1 및 도 2의 차동결합 유도권선부(40)를 도시한다. FIG. 4 shows the differentially coupled induction winding unit 40 of FIGS. 1 and 2 wound in a sandwich winding method according to another embodiment of the present invention.

상기 차동결합 유도권선부(40)는 외주면이 절연된 탄소나노튜브섬유 와이어를 권선들로 가지는 1차측 권선부(43)와 2차측 권선부(44) 및 상기 1차측 권선부(43)와 2차측 권선부(44)가 절연체(45)를 매개하여 권취되는 보빈(41, 도 4 참조)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 절연체(45)는 테플론 등이 포함될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. The differential coupling induction winding unit 40 may include a primary winding unit 43 and a secondary winding unit 44 having an outer circumferential surface of an insulated carbon nanotube fiber wire as windings, and a bobbin (41, see FIG. 4) in which the primary winding unit 43 and the secondary winding unit 44 are wound through an insulator 45. The insulator 45 may include Teflon or the like, but is not limited thereto.

상기 1차측 권선부(43)를 구성하는 1차측 권선(43-1)의 입력단자(전원부(10) 측 단자)는 상기 자화인덕터부(20)와 병렬로 상기 전원부(10)의 일측 단자(도 2의 경우, 직류 전원의 + 단자)에 접속되고, 1차측 권선(43-1)의 출력단자(1차측 능동 스위칭부(30) 측 단자)는 상기 자화인덕터부(20)와 병렬을 이루며 상기 1차측 능동 스위칭부(30)와는 직렬을 이루도록 상기 자화인덕터부(20)의 출력단자와 상기 1차측 능동 스위칭부(30)의 입력단자에 동시 접속된다.An input terminal (terminal on the power supply unit 10 side) of the primary winding 43-1 constituting the primary winding unit 43 is connected to one terminal of the power supply unit 10 (+ terminal of DC power in the case of FIG. 2) in parallel with the magnetizing inductor unit 20, and an output terminal (terminal on the primary active switching unit 30 side) of the primary winding 43-1 is connected to the magnetizing inductor unit 20 in parallel. The output terminal of the magnetizing inductor unit 20 and the input terminal of the primary-side active switching unit 30 are simultaneously connected so as to be in parallel with the turbo unit 20 and in series with the primary active switching unit 30.

도 4와 같이, 상기 차동결합 유도권선부(40)는 보빈(41)과, 절연체(45)를 개재하여 보빈(41)에 샌드위치 방식으로 순차적으로 권선되는 1차측 권선부(43) 및 2차측 권선부(44)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 4, the differential coupling induction winding unit 40 may include a primary winding unit 43 and a secondary winding unit 44 sequentially wound around the bobbin 41 in a sandwich manner with a bobbin 41 and an insulator 45 interposed therebetween.

상기 2차측 권선부(44)는 서로 다른 전압 및 전류를 가지는 가변된 다수의 펄스 전류를 출력하도록 2차측 권선(44-1~44-n)들이 다중으로 권선될 수 있다. 이때, 하나의 2차측 권선(44-1)이 권선된 경우에는 제1 2차 권선이라 칭할 수 있으며, 서로 다른 n개의 2차측 권선이 권선된 경우에는 각각의 2차측 권선들을 제1 내지 제n 2차 권선이라 칭할 수 있다. 각각의 2차측 권선은 1차측 권선과의 권선비에 따라 서로 다른 전압 및 전류 값을 가지는 가변된 펄스 전류를 출력하게 된다.In the secondary winding unit 44, the secondary windings 44-1 to 44-n may be multi-wound so as to output a plurality of variable pulse currents having different voltages and currents. In this case, when one secondary winding 44-1 is wound, it may be referred to as a first secondary winding, and when n different secondary windings are wound, each of the secondary windings may be referred to as first through n-th secondary windings. Each secondary winding outputs a variable pulse current having different voltage and current values according to a winding ratio with the primary winding.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선 및 2차측 권선들의 꼬임 결합 구조를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a twisted coupling structure of primary side windings and secondary side windings of a differential coupling induction winding unit 40 according to another embodiment of the present invention.

도 5와 같이, 상기 차동결합 유도권선부(40)에 권선되는 1차측 권선부(43)의 1차측 권선(43-1) 및 2차측 권선부(44)의 2차측 권선(44-1~44-n)들은 결합계수를 높이기 위해 트위스트(twist) 방식으로 꼬인 후 권선될 수 있다. 즉 2차측 권선부(44)의 다수의 펄스 전류를 출력하는 2차측 권선(44-1~44-n)들이 1차측 권선부(43)를 구성하는 1차측 권선(43-1)과 함께 다중으로 꼬인 후 보빈에 동시에 권선된 후 각각의 1차측 단자가 1차측의 자화인덕터부(20) 및 1차측 스위칭부(30)와 접속되고, 2차측 권선들의 단자들이 2차측 스위칭부(50) 및 펄스전류 출력부(60)의 단자들과 접속되도록 구성될 수도 있다.As shown in FIG. 5, the primary winding 43-1 of the primary winding unit 43 and the secondary windings 44-1 to 44-n of the secondary winding unit 44 wound on the differential coupling induction winding unit 40 may be twisted and then wound in a twist manner to increase the coupling coefficient. That is, after the secondary windings 44-1 to 44-n that output a plurality of pulse currents of the secondary winding unit 44 are multi-twisted together with the primary winding unit 43-1 constituting the primary winding unit 43, and then wound simultaneously on a bobbin, each primary terminal is connected to the primary magnetizing inductor unit 20 and the primary switching unit 30, and the secondary winding Terminals of the lines may be configured to be connected to terminals of the secondary side switching unit 50 and the pulse current output unit 60 .

상술한 바와 같은 권선 방식에 의해 상기 차동결합 유도권선부(40)는 1차측 권선부(43)와 2차측 권선부(44)들의 권선들의 결합계수가 높아지게 되어, 펄스 전류 발생 시 전력 손실을 최소화하고 효율을 높이게 된다.Due to the above-described winding method, the differential coupling induction winding unit 40 increases the coupling coefficient of the windings of the primary winding unit 43 and the secondary winding unit 44, thereby minimizing power loss and increasing efficiency.

상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 펄스 전류 발생장치(1)의 구동을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The driving of the pulse current generator 1 of the embodiment of the present invention having the above configuration will be described with reference to FIG. 2 as follows.

먼저, 전원부(10)와 자화인덕터부(20)에 직렬로 접속된 1차측 능동 스위칭부(30)가 스위칭 온으로 된다. 이에 의해, 전원부(10)의 전류가 자화인덕터부(20)와 1차측 능동 스위칭부(30)를 통해 흐르게 되어 자화인덕터부(20)에 차동결합 유도권선부(40)의 보빈(41)에 펄스 전류 생성을 위한 유도기전력 발생에 필요한 자기장 생성을 위한 에너지가 저장된다.First, the primary-side active switching unit 30 connected in series to the power supply unit 10 and the magnetizing inductor unit 20 is switched on. As a result, the current of the power supply unit 10 flows through the magnetizing inductor unit 20 and the primary side active switching unit 30, and energy for generating a magnetic field necessary for generating an induced electromotive force for generating a pulse current is stored in the bobbin 41 of the differential coupling induction winding unit 40 in the magnetizing inductor unit 20.

이때, 차동결합 유도권선부(40)의 2차측 권선부(44)에는 차동결합에 의해 역방향 전압이 인가되어, 2차측 스위칭부(50)를 구성하는 다이오드가 오프된다. 따라서 1차측 권선부(43)와 2차측 권선부(44)에는 전류가 흐르지 않게 된다.At this time, a reverse voltage is applied to the secondary side winding unit 44 of the differential coupling induction winding unit 40 by differential coupling, and the diode constituting the secondary side switching unit 50 is turned off. Accordingly, current does not flow through the primary winding unit 43 and the secondary winding unit 44 .

다음으로, 상기 1차측 능동 스위칭부(30)가 스위칭 오프된다. 이에 의해, 자화인덕터부(20)와 1차측 능동 스위칭부(30)를 통해 흐르던 전원부(10)의 전류가 차단된다. 그리고 자화인덕터부(20)에 저장된 인덕턴스에 의해 저장된 에너지에 의해 자화인덕터부(20)로부터 1차측 권선부(43)의 입력단자를 통한 루프 전류가 흐르게 되어 보빈(41)에 유도기전력 발생을 위한 자화에너지가 축적된다. 2차측 권선부(44)에는 2차측 스위칭부(50)를 기준으로 하는 순방향 전압이 인가되어 2차측 스위칭부(50)가 온으로 된다. 이에 의해, 차동결합 유도권선부(40)의 2차측 권선부(44)에 유도기전력이 발생하여 펄스 전류가 생성된다. 그리고 생성된 펄스 전류가 2차측 스위칭부(50)를 통해 펄스 전류 출력부(60)로 출력된다. 상술한 펄스 전류가 고주파수로 출력되도록 동작되는 때에 회로 내에 존재하는 여러 캐패시터 성분과 유도권선이 공진을 일으켜서 펄스전류 파형이 정확한 구형파가 아닌 정현파와 유사한 형태로 변형될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 스위칭부에서 발생하는 스위칭 손실을 저감하는 방법인 소프트 스위칭을 구현할 수도 있다. Next, the primary side active switching unit 30 is switched off. As a result, the current of the power supply unit 10 flowing through the magnetizing inductor unit 20 and the primary side active switching unit 30 is blocked. And, by the energy stored by the inductance stored in the magnetizing inductor part 20, the loop current flows from the magnetizing inductor part 20 through the input terminal of the primary side winding part 43, and the magnetization energy for generating the induced electromotive force is accumulated in the bobbin 41. A forward voltage based on the secondary switching unit 50 is applied to the secondary winding unit 44 so that the secondary switching unit 50 is turned on. As a result, an induced electromotive force is generated in the secondary side winding unit 44 of the differential coupling induction winding unit 40 to generate a pulse current. Then, the generated pulse current is output to the pulse current output unit 60 through the secondary side switching unit 50 . When the above-described pulse current is operated to be output at a high frequency, resonance occurs between various capacitor components and induction windings present in the circuit, so that the pulse current waveform may be transformed into a form similar to a sine wave rather than an accurate square wave. Soft switching, which is a method of reducing switching loss occurring in a switching unit, may be implemented using this characteristic.

상술한 구동 과정 중, 상기 차동결합 유도권선부(40)가 도 4와 같이, 샌드위치 방식 또는 도 5와 같이 트위스트(twist) 구조로 권선되는 것에 의해, 1차측 권선과 2차측 권선들의 간격이 밀접하게 가까워지게 된다. 이에 의해 결합계수가 99%까지 높아지게 되어 전압변동 효율을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.During the above-described driving process, the differential coupling induction winding unit 40 is wound in a sandwich method as shown in FIG. 4 or in a twisted structure as shown in FIG. 5, so that the distance between the primary winding and the secondary winding becomes close. As a result, the coupling coefficient is increased to 99%, so that the voltage fluctuation efficiency can be remarkably improved.

또한, 전술한 바와 같이, 상기 차동결합 유도권선부(40)를 구성하는 상기 1차측 권선부(43)와 2차측 권선부(44)는 탄소나노튜브섬유 와이어로 구성될 수 있다. In addition, as described above, the primary winding part 43 and the secondary winding part 44 constituting the differential coupling induction winding part 40 may be composed of carbon nanotube fiber wires.

일반적으로, 탄소나노튜브(CNT)의 경우, 기계적 강도가 높고 매우 가벼우며 (구리 대비 약 1/8) 전기전도도가 높고 인공적으로 생산이 가능하여 매장량이 한정되어 있는 구리와 같은 금속 자원에 비해 가격적으로 제어가 가능하다. In general, in the case of carbon nanotubes (CNTs), they have high mechanical strength, are very light (about 1/8 compared to copper), have high electrical conductivity, and can be artificially produced, so they can be controlled in price compared to metal resources such as copper, which have limited reserves.

또한, 상기 탄소나노튜브는 전도도 자체가 구리 대비 낮아서, 일반적인 자화소자의 권선으로 사용 시에는, 표피 효과의 감소에도 불구하고 전도 손실이 커서 경쟁력이 없었다. In addition, since the carbon nanotubes themselves have lower conductivity than copper, they are not competitive when used as windings of general magnetizing elements due to large conduction loss despite the reduced skin effect.

그러나 본원 발명자는 구리(Cu), 납(Pb), Litz 케이블 및 탄소나노튜브 와이어의 고주파 특성 변화를 연구하였는 바, 직류 전류를 포함하는 저주파 영역에서는 구리, 납, Litz 케이블 등이 탄소나노튜브섬유 와이어와 비교하여 저항이 현저히 낮았다, 그러나 고주파 펄스형 전류에서는 구리, 납, Litz 케이블 등의 저항이 증가하여 전력손실이 급격히 증가하는 반면에, 탄소나노튜브섬유로 제작한 와이어의 경우 저항 증가세가 크지 않아 전력 손실의 증가가 급격하지 않음을 확인하였다. 그리고 상기 연구 결과를 근거로 하여 발명자는 본 발명에서 고주파 성분이 매우 많은 펄스형 전류를 생성하는 펄스 전류 발생장치(1)의 차동결합 유도권선부(40)의 권선에 도 3 내지 도 5와 같이 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브섬유로 형성된 와이어를 적용하였다.However, the present inventors studied changes in high-frequency characteristics of copper (Cu), lead (Pb), Litz cables, and carbon nanotube wires. In the low-frequency range including direct current, copper, lead, and Litz cables had significantly lower resistance than carbon nanotube fiber wires. However, in high-frequency pulsed current, the resistance of copper, lead, and Litz cables increased, resulting in a rapid increase in power loss. On the other hand, in the case of a wire made of carbon nanotube fibers, the increase in resistance was not large, so the increase in power loss was not rapid. confirmed. Based on the above research results, the inventors of the present invention applied carbon nanotubes or wires made of carbon nanotube fibers as shown in FIGS.

상기 구성에서 상기 차동결합 유도권선부(40)는 자화인덕터부(20)와 1차측 능동 스위칭부(30) 및 2차측 스위칭부(50)와 함께 연동하여, 1차측과 2차측에 교대로 전류가 흐르는 일종의 자기적으로 결합된 복수 권선 단일코어 인덕터로 동작한다. 즉, 1차측과 2차측에 전기적인 반도체 스위치(1차측 스위칭부(30) 및 2차측 스위칭부(50))가 연결되어 있어서 전류값을 펄스 폭으로 제어하게 된다. 차동결합 유도권선부(40)의 권선을 감는 방법은 통상적으로 도 2의 도트 방향으로 차동결합으로 권선한다. 그리고 결합계수를 높이기 위하여 1차측 권선과 2차측 권선으로서 샌드위치 방식(interleaved 방식)의 층별로 감거나 도 5와 같이 꼬임 구조의 1차측 및 2차측 권선으로 감는다. 이때, 2차측은 꼭 하나의 권선만을 의미하는 것은 아니며, 1차측 권선이 도통이 되지 않는 시간에 전류를 흐르는 복수의 권선으로 권취될 수 있다. 필요 시 1차측 권선부 또한 다수의 1차측 권선들을 포함하여 구성될 수 있다. In the above configuration, the differential coupling induction winding unit 40 interlocks with the magnetizing inductor unit 20, the primary side active switching unit 30, and the secondary side switching unit 50, and operates as a kind of magnetically coupled multi-winding single-core inductor in which current flows alternately between the primary side and the secondary side. That is, electrical semiconductor switches (the primary side switching unit 30 and the secondary side switching unit 50) are connected to the primary side and the secondary side, so that the current value is controlled with a pulse width. As a method of winding the winding of the differential coupling induction winding unit 40, it is typically wound in a dot direction in FIG. 2 by differential coupling. In addition, in order to increase the coupling coefficient, the primary and secondary windings are wound by layers in a sandwich method (interleaved method) or wound with primary and secondary windings of a twisted structure as shown in FIG. 5. At this time, the secondary side does not necessarily mean only one winding, and may be wound with a plurality of windings flowing current during a time when the primary winding does not conduct. If necessary, the primary winding unit may also include a plurality of primary windings.

또한, 탄소나노튜브섬유(CNTF) 와이어에 사용되는 CNT는 도 3의 (a)의 왼쪽 도면과 같은 단일벽 CNT(SWCNT) 또는 도 3의 (a)의 오른쪽 도면과 같이 이중벽 CNT(MWCNT)로 구성될 수 있다. 개별 CNT의 평균 직경은 1.55 내지 1.86nm, 바람직하게는 1.76nm일 수 있고 평균 벽 수는 1.7 내지 2개, 바람직하게는 1.9개일 수 있다. 또한, CNT의 평균 길이는 11 내지 13μm, 바람직하게는 12μm 일 수 있다. 이러한 CNT는 개별 CNTF를 만들기 위해 클로로설폰산으로 도핑된다. 각 섬유는 고밀도로 축 방향으로 정렬된다. 이들 섬유의 단면의 일부가 도 3의 (b)에 도시되어 있다. 그리고 도 3의 (c)는 CNT 섬유의 단일 가닥을 보여준다. 이 섬유의 평균 직경은 7 내지 10μm, 바람직하게는 8.9μm일 수 있다. 도 3의 (d)는 직경 500 내지 520μm, 바람직하게는 510 μm의 CNT 섬유를 여러 가닥 엮어 만든 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF 원사(yarn))를 나타낸다.In addition, the CNT used in the carbon nanotube fiber (CNTF) wire may be a single-walled CNT (SWCNT) as shown on the left side of FIG. 3 (a) or a double-walled CNT (MWCNT) as shown on the right side of FIG. 3 (a). The average diameter of individual CNTs may be 1.55 to 1.86 nm, preferably 1.76 nm, and the average number of walls may be 1.7 to 2, preferably 1.9. In addition, the average length of the CNTs may be 11 to 13 μm, preferably 12 μm. These CNTs are doped with chlorosulfonic acid to make individual CNTFs. Each fiber is axially aligned with high density. A portion of the cross section of these fibers is shown in Fig. 3(b). And Figure 3 (c) shows a single strand of the CNT fiber. The average diameter of these fibers may be 7 to 10 μm, preferably 8.9 μm. 3(d) shows a carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn) made by weaving several strands of CNT fibers having a diameter of 500 to 520 μm, preferably 510 μm.

상기 CNTF 원사로 제조된 상기 탄소나노튜브섬유 와이어의 밀도, 선형 저항, 전도도, 파단력 및 강도는 각각 1.0g/cm3, 1.2Ω/m, 2.5Ms/m, 11kg 및 600MPa였다. 상기 탄소나노트브섬유 와이어를 직경 500 μm의 Cu 및 Pb 와이어와 각각 직경 300 μm의 세 가닥으로 구성된 Litz 케이블과 비교했다. Density, linear resistance, conductivity, breaking force and strength of the carbon nanotube fiber wire made of the CNTF yarn were 1.0 g/cm 3 , 1.2 Ω/m, 2.5 Ms/m, 11 kg, and 600 MPa, respectively. The carbon nanotube fiber wire was compared with a Litz cable composed of Cu and Pb wires with a diameter of 500 μm and three strands each with a diameter of 300 μm.

도 6은 근접 효과 시험기의 (a) 탄소나노튜브섬유 와이어가 권선된 하드웨어 설정 사진, (b) 3D CAD 모델, (c)는 시험권선(70, DUT: device-under-test)이 없는 2차원 단면 및 등가 회로 모델, (d)는 시험권선(70)이 있는 2차원 단면 및 등가 회로 모델, 및 (e)는 임피던스 측정을 모델 결과와 비교하여 기기의 대역폭을 확인한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 펄스 전류 발생장치(1)의 탄소나노튜브섬유 와이어로 권선된 차동결합 유도권선부(40)와 구리, 납, Litz 케이블로 권선된 차동결합 유도권선부의 주파수에 따른 전력 손실 비교 그래프이다. 도 7은 구리, 납, Litz 케이블과 탄소나노튜브섬유 와이어의 주파수에 따른 도체의 근접 효과에 따른 전력 손실을 비교한 그래프이다. 도 6을 이용하여 근접 효과를 시험하고 시뮬레이션을 수행한 후, 도 7 및 도 7의 그래프를 도출하였다.Figure 6 is a proximity effect tester (a) a photograph of the hardware setup in which carbon nanotube fiber wires are wound, (b) a 3D CAD model, (c) a two-dimensional cross-section and equivalent circuit model without a test winding (70, DUT: device-under-test), (d) a two-dimensional cross-section and equivalent circuit model with a test winding 70, and (e) is a graph confirming the bandwidth of the device by comparing the impedance measurement with the model result. 7 is a graph showing a comparison of power loss according to frequency between a differential coupling induction winding unit 40 wound with carbon nanotube fiber wire and a differential coupling induction winding unit wound with copper, lead, and Litz cable of the pulse current generator 1 of the present invention. 7 is a graph comparing power loss due to proximity effect of conductors according to frequencies of copper, lead, and Litz cables and carbon nanotube fiber wires. After testing the proximity effect using FIG. 6 and performing simulations, the graphs of FIGS. 7 and 7 were derived.

근접 효과 시험을 위한 하드웨어 기반 테스트 장비는 도 6의 (a) 및 (b)와 같이, 3D 프린팅으로 제작된 흰색 보빈(41)이 한 쌍의 E 코어(71)와 근접 효과 시험기(70)의 위치를 고정하도록 구성된다. 그리고 한 쌍의 보빈(41)에 시험 대상 소재의 시험권선(73)을 권취한 후 시험권선(73)을 이용해 한 쌍의 E 코어(71)에 자속을 인가하여 E 코어(71) 사이의 에어갭에 균일한 자기장을 형성한다. E 코어(71)는 권선의 근접 손실로 인한 작은 차이를 감지하기 위해 권선에 비해 상대적으로 손실을 최소화하도록 설계되는 것이 바람직하다. 시험권선(73)과 근접 측정 대상 도체를 에어 갭에 배치함으로써 와전류를 발생시킨다. 이때, 권선에서 생성된 손실 차이는 시험권선(73)의 근접 손실을 나타낸다. 근접 손실은 시험권선(73)을 에어 갭에 배치하기 전후의 손실 변화로부터 계산된다.The hardware-based test equipment for the proximity effect test is configured such that a white bobbin 41 manufactured by 3D printing is used to fix the position of a pair of E cores 71 and a proximity effect tester 70, as shown in (a) and (b) of FIG. After winding the test winding 73 of the material to be tested on a pair of bobbins 41, magnetic flux is applied to the pair of E cores 71 using the test windings 73 to form a uniform magnetic field in the air gap between the E cores 71. The E core 71 is preferably designed to minimize losses relative to the windings in order to detect small differences due to proximity losses in the windings. Eddy current is generated by arranging the test winding 73 and the conductor to be measured in an air gap. At this time, the loss difference generated in the winding represents the proximity loss of the test winding 73. The proximity loss is calculated from the change in loss before and after placing the test winding 73 in the air gap.

본 실험에서는 임피던스/이득 분석기(HP4194A)를 사용하여 측정 기기의 총 손실을 나타내는 등가 저항을 측정했다. 시험권선(73)이 없는 측정 임피던스(R0(Rwinding + Rcore)) 및 시험권선(73)이 있는 측정 임피던스(R(Rwinding + Rcore + RproxDUT))의 실제 부분은 각 경우의 장비의 총 전력 손실을 나타낸다. 여기서 Rwinding은 권선 저항, Rcore는 E 코어 저항, RproxDUT는 근접 저항이다. 시험권선(73, DUT)은 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF yarn), Cu 와이어, Pb 와이어 및 Litz 케이블일 수 있다.In this experiment, an impedance/gain analyzer (HP4194A) was used to measure the equivalent resistance representing the total loss of the measuring instrument. The real part of the measured impedance without test winding 73 (R 0 (Rwinding + Rcore)) and the measured impedance with test winding 73 (R(Rwinding + Rcore + RproxDUT)) represents the total power loss of the equipment in each case. where Rwinding is the winding resistance, Rcore is the E core resistance, and RproxDUT is the proximity resistance. The test winding 73 (DUT) may be a carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn), a Cu wire, a Pb wire, and a Litz cable.

시험권선(73, DUT)의 근접 효과에 의한 전력 손실(PDUT)은 다음의 식에 의해 계산된다.The power loss (P DUT ) due to the proximity effect of the test winding (73, DUT) is calculated by the following equation.

PDUT= 1/2(R-R0)2 P DUT = 1/2(RR 0 ) 2

도 6에서 빨간색 화살표는 자속의 방향을 나타낸다. 시험권선(73)은 E 코어(71) 사이의 공극 중앙에 위치한 주황색 원으로 표시된다. 검은색의 권선은 직경 1mm의 구리선이다. 도 6의 (c)에서 볼 수 있듯이 E-코어(71)는 2차 회로가 열린 상태로 외부 자속 발생기로 작동했지만 도 6의 (d)에서는 2차 회로가 시험권선(73, DUT)인 RproxDUT의 등가 근접 손실 저항을 가진다. 등가 회로 RLC 매개변수는 HP4194A 임피던스/이득 위상 분석기를 사용하여 얻었다. 도 6의 (e)는 RLC 매개변수를 사용하여 MATLAB 소프트웨어로 스케치하고 임피던스/이득 분석기(HP4194A)로 스케치한 기기의 임피던스 보데 플롯(Bode plot)을 보여준다. 보데 플롯은 목표 주파수 범위보다 충분히 높은 38.6MHz 공진 지점을 보여준다. 매우 높은 기생 공진 주파수로 잘 설계되어 목표 주파수 범위의 저항을 정확하게 측정할 수 있었다. 6, the red arrow indicates the direction of magnetic flux. The test winding 73 is indicated by an orange circle located in the center of the air gap between the E cores 71. The black winding is a copper wire with a diameter of 1 mm. As can be seen in (c) of FIG. 6, the E-core 71 operates as an external magnetic flux generator with the secondary circuit open, but in (d) of FIG. 6, the secondary circuit is the test winding 73 (DUT) RproxDUT. Equivalent circuit RLC parameters were obtained using the HP4194A Impedance/Gain Phase Analyzer. Figure 6(e) shows the impedance Bode plot of the device sketched with MATLAB software using RLC parameters and sketched with impedance/gain analyzer (HP4194A). The Bode plot shows a resonance point at 38.6 MHz well above the target frequency range. Well designed with a very high parasitic resonant frequency, it was possible to accurately measure the resistance in the target frequency range.

입력 AC 전류 값은 표피 효과 및 근접 효과에 영향을 미치지 않았다. 둘 다 인가 전류의 크기에 관계없이 도체의 특성과 주파수의 함수로 표피 깊이에 영향을 받았다. 적용된 전류는 4194A 네트워크 분석기에 의해 항상 0.5A로 고정되었다. Input AC current values did not affect skin effect and proximity effect. Both were affected by the conductor characteristics and skin depth as a function of frequency, regardless of the magnitude of the applied current. The applied current was always fixed at 0.5A by the 4194A network analyzer.

측정 결과는 도 7에 나와 있으며 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF yarn)를 포함한 다양한 재료의 와이어의 근접 전력 손실을 보여준다. 도 7에 개시된 주파수 범위는 1MHz에서 최대 10MHz로서 전체가 고주파수 영역을 나타낸다. 구리(Cu) 와이어의 근접 손실은 단면이 유사한 솔리드 와이어와 리츠 와이어 모두에 대해 측정되었다. 통상적으로 저주파수 영역에서 Cu는 테스트된 탄소나노튜브섬유 와이어(각각 58MS/m 및 2.5MS/m)에 비해 우수한 전도도를 보였으며, 직류를 포함하는 저주파 영역의 경우 Cu 와이어는 탄소나노튜브섬유 와이어보다 근접 손실이 낮았다. 그러나 도 7과 같이, MHz 범위의 고주파 영역에서는 두 경우 모두 Cu 와이어는 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF yarn)보다 근접 손실이 더 높았다. The measurement results are shown in FIG. 7 and show the proximity power loss of wires of various materials including carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn). The frequency range disclosed in FIG. 7 is from 1 MHz up to 10 MHz, indicating the entire high frequency region. Proximity loss of copper (Cu) wire was measured for both solid wire and litz wire with similar cross sections. In general, in the low frequency region, Cu showed superior conductivity compared to the tested carbon nanotube fiber wires (58 MS/m and 2.5 MS/m, respectively), and in the low frequency region including direct current, the Cu wire had lower proximity loss than the carbon nanotube fiber wire. However, as shown in FIG. 7, in the high frequency region of the MHz range, in both cases, the Cu wire had a higher proximity loss than the carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn).

또한 통상적으로 저주파수 영역에서 탄소나노튜브섬유 와이어의 전도성은 Pb의 전도성과 유사하다. 그러나 MHz 범위의 고주파 영역에서는 Pb 와이어의 근접 손실은 탄소나노튜브섬유 와이어 및 심지어 Cu 와이어의 근접 손실보다 높았다.In addition, the conductivity of the carbon nanotube fiber wire is generally similar to that of Pb in the low frequency region. However, in the high-frequency region of the MHz range, the proximity loss of the Pb wire was higher than that of the carbon nanotube fiber wire and even the Cu wire.

수 MHz의 주파수 범위에서 고용량 매크로 스케일 탄소나노튜브섬유 와이어(CNTF 원사)의 근접 효과를 실험과 COMSOL 시뮬레이션을 통해 분석했다. 결과는 동일한 단면적을 갖는 Cu, Pb 및 Litz 와이어의 결과와 비교되었다. The proximity effect of high-capacity macro-scale carbon nanotube fiber wire (CNTF yarn) in the frequency range of several MHz was analyzed through experiments and COMSOL simulations. The results were compared with those of Cu, Pb and Litz wires with the same cross-sectional area.

비교 결과, 탄소나노튜브섬유 와이어는 직류를 포함하는 저주파 영역에서는 Cu, Pb 및 Litz 케이블에 비해 높은 저항으로 인해 근접 손실이 크게 나타났으나, MHz의 주파수 범위의 고주파수 영역에서 Cu, Pb 및 Litz 케이블에 비해 훨씬 낮은 근접 손실을 갖는 것을 확인하였다. Cu는 탄소나노튜브섬유 와이어보다 우수한 전도도(23배 더 높음)를 가지는 것으로 밝혀졌다. Pb 와이어는 탄소나노튜브섬유 와이어의 전도성의 거의 두 배이다. 그러나 Pb는 Cu 와이어보다 근접 손실이 높고 Pb의 근접 손실은 탄소나노튜브섬유 와이어보다 거의 4배 높았다. 기존 도체의 경우 전도도가 낮을수록 근접 효과가 커진다.As a result of comparison, the carbon nanotube fiber wire showed a large proximity loss due to high resistance compared to Cu, Pb and Litz cables in the low frequency region including direct current, but Cu, Pb and Litz cables in the high frequency region of the MHz frequency range. It was confirmed to have much lower proximity loss than cables. Cu was found to have better conductivity (23 times higher) than carbon nanotube fiber wires. Pb wire has almost twice the conductivity of carbon nanotube fiber wire. However, the proximity loss of Pb is higher than that of Cu wire, and the proximity loss of Pb is almost 4 times higher than that of carbon nanotube fiber wire. For conventional conductors, the lower the conductivity, the greater the proximity effect.

그러나 고주파수 영역에서 탄소나노튜브섬유 와이어의 경우, 전도도가 23배 높은 Cu보다 근접 효과가 낮았다. 즉, 탄소나노튜브섬유 와이어의 특성으로 인해 수 MHz 이상의 고주파 영역에서 기존의 도체에 비해 근접 효과가 낮았다.However, in the case of the carbon nanotube fiber wire in the high frequency region, the proximity effect was lower than that of Cu, which had 23 times higher conductivity. That is, due to the characteristics of the carbon nanotube fiber wire, the proximity effect was lower than that of conventional conductors in a high-frequency region of several MHz or more.

본 발명의 발명자는 상술한 연구를 통해 탄소나노튜브섬유 와이어의 고주파 영역에서의 근접 효과 특성이 기존 도체에 비해 우수함을 확인하였다. 구체적으로, 거시적 규모의 탄소나노튜브섬유 와이어의 전도성은 구리보다 낮은 반면 탄소나노튜브섬유 와이어는 MHz 주파수 범위에서 몇 가지 이점을 가지는 것을 확인하였다. 탄소나노튜브섬유 와이어의 고주파에서의 표피 효과 및 근접 효과는 동일한 전도성을 가진 다른 도체에 비해 우수한 특성을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 우수한 고주파 특성으로 인해 탄소나노튜브섬유 와이어가 기존의 금속 와이어를 대체할 수 있게 된다.The inventors of the present invention confirmed through the above-mentioned research that the proximity effect characteristics of the carbon nanotube fiber wire in the high frequency region are superior to those of conventional conductors. Specifically, it was confirmed that the conductivity of the macroscopic carbon nanotube fiber wire is lower than that of copper, whereas the carbon nanotube fiber wire has several advantages in the MHz frequency range. It was confirmed that the skin effect and proximity effect of the carbon nanotube fiber wire at high frequency have excellent characteristics compared to other conductors having the same conductivity. Therefore, due to these excellent high-frequency characteristics, carbon nanotube fiber wires can replace conventional metal wires.

이에 따라 본 발명의 발명자는 상술한 구성의 본원 발명의 일 실시예의 펄스 전류 발생장치(1)는 차동결합 유도권선부(40)의 1차측 권선 및 2차측 권선에 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브섬유 와이어를 적용하였다.Accordingly, the inventors of the present invention apply carbon nanotubes or carbon nanotube fiber wires to the primary and secondary windings of the differential coupling induction winding unit 40 in the pulse current generator 1 of one embodiment of the present invention having the above-described configuration.

이에 의해, 본 발명의 일 실시예의 펄스 전류 발생장치(1)는 MHz 범위 고주파 영역에서 표피 효과 또는 근접 효과에 대한 영향이 감소되고, 구리 또는 Litz 케이블 등에 비해 전기전도도가 현저히 향상되어 펄스 전류 발생 장치(1)의 구동 중 전력손실이 최소화된다.As a result, the pulse current generator 1 of one embodiment of the present invention has a reduced effect on the skin effect or proximity effect in the MHz range high frequency region, and the electrical conductivity is significantly improved compared to copper or Litz cable. Power loss during operation of the pulse current generator 1 is minimized.

또한, 구리 또는 Litz 케이블 등의 부식과 달리 탄소나노튜브섬유 와이어의 경우 부식이 발생하지 않으며, 구리 또는 Litz 케이블 등에 비해 기계적 특성이 우수함은 물론 현저히 가벼워(무게가 구리의 약 1/8) 유지보수 시간 및 비용을 절감시킬 수 있도록 한다. 또한, 전기자동차의 전체 하중을 절감시키는 것에 의해 충전배터리의 충전전력 사용 효율 및 단위 전력당 주행 성능을 향상시킬 수 있도록 한다.In addition, unlike corrosion of copper or Litz cable, corrosion does not occur in the case of carbon nanotube fiber wire, and mechanical properties are superior to copper or Litz cable, etc., as well as significantly light (weight is about 1/8 of copper). Maintenance time and cost can be reduced. In addition, by reducing the total load of the electric vehicle, it is possible to improve the charging power use efficiency of the rechargeable battery and the driving performance per unit power.

또한, 탄소나노튜브섬유 와이어로 Cu 와이어 등을 대체하는 것에 의해 Cu 와이어 등의 제조를 위한 제련 등의 공정을 수행하지 않게 되어 환경친화적인 특징을 가진다.In addition, by replacing the Cu wire or the like with the carbon nanotube fiber wire, processes such as smelting for manufacturing the Cu wire or the like are not performed, which is environmentally friendly.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the technical idea of the present invention described above has been specifically described in a preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for explanation and not for limitation. In addition, those of ordinary skill in the technical field of the present invention will be able to understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (6)

외부 전원으로부터 전력을 공급받아 펄스 전류 생성을 위한 유도기전력 발생을 위한 에너지를 저장하는 자화인덕터부;
상기 자화인턱부의 출력단자에 접속되어 상기 자화인덕터부와 상기 외부 전원 사이의 전류 경로를 능동적으로 온 또는 오프하는 스위칭 제어를 수행하는 1차측 능동 스위칭부;
상기 자화인덕터부와 병렬로 접속되고, 상기 자화인덕터의 출력 측에서 상기 1차측 능동 스위칭부의 입력단자에 출력단자가 접속되는 1차측 권선부와, 상기 1차측 권선부와 차동결합을 이루도록 권선된 2차측 권선부를 포함하는 차동결합 유도 권선부; 및
상기 차동결합 유도 권선부의 출력에서 일방향 펄스 전류를 생성하도록 상기 1차측 능동 스위칭부와 반대로 스위칭 동작되어 상기 2차측 권선부의 출력 측에서 펄스 전류를 생성하는 출력하는 2차측 스위칭부;를 포함하고,
상기 차동결합 유도 권선부의 1차측 권선부와 2차측 권선부는 탄소나노튜브섬유 와이어로 권선된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
a magnetization inductor unit receiving power from an external power supply and storing energy for generating an induced electromotive force for generating a pulse current;
a primary-side active switching unit that is connected to the output terminal of the magnetization inductor and performs switching control for actively turning on or off a current path between the magnetization inductor unit and the external power source;
A differential coupling induction winding unit including a primary winding unit connected in parallel with the magnetizing inductor unit and having an output terminal connected to an input terminal of the primary active switching unit at an output side of the magnetization inductor unit, and a secondary winding unit wound to form a differential coupling with the primary winding unit; and
A secondary-side switching unit that performs a switching operation opposite to the primary-side active switching unit to generate a one-way pulse current at the output of the differential coupling induction winding unit and generates a pulse current at the output side of the secondary-side winding unit, and outputs it,
A pulse current generator using carbon nanotube fiber winding, characterized in that the primary winding part and the secondary winding part of the differential coupling induction winding part are wound with carbon nanotube fiber wire.
제 1항에 있어서,
상기 2차측 스위칭부와 상기 2차측 권선부에 직렬로 접속되어 생성된 펄스 전류를 출력하는 펄스 전류 출력부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
According to claim 1,
The pulse current generator using the carbon nanotube fiber winding, characterized in that it further comprises a pulse current output unit for outputting a pulse current generated by being connected in series to the secondary switching unit and the secondary winding unit.
제 2항에 있어서, 상기 펄스 전류 출력부는,
병렬로 접속되는 캐패시터와 저항을 포함하여 입력단자는. 상기 2차측 스위칭부의 출력단자에 접속되고, 출력단자는 상기 2차측 권선부의 입력단자에 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
The method of claim 2, wherein the pulse current output unit,
Input terminals, including capacitors and resistors connected in parallel. The pulse current generator using the carbon nanotube fiber winding, characterized in that connected to the output terminal of the secondary switching unit, and the output terminal is configured to be connected to the input terminal of the secondary winding unit.
제 1항에 있어서, 상기 차동결합 유도권선부는,
보빈을 중심으로 절연층을 매개로 하여 상기 1차측 권선부와 상기 2차측 권선부가 샌드위치 방식으로 권선되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
The method of claim 1, wherein the differential coupling induction winding unit,
A pulse current generator using carbon nanotube fiber winding, characterized in that the primary winding part and the secondary winding part are formed by winding in a sandwich method with an insulating layer centered on a bobbin.
제 1항에 있어서, 상기 차동결합 유도권선부에서, 상기 2차측 권선부는,
복수의 2차측 권선을 포함하고 절연층을 매개로 상기 1차측 권선부와 함께 보빈에 순차적으로 적층되게 권취되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
The method of claim 1, wherein in the differential coupling induction winding unit, the secondary side winding unit,
A pulse current generating device using carbon nanotube fiber winding, characterized in that it includes a plurality of secondary windings and is sequentially wound on a bobbin together with the primary winding part through an insulating layer.
제 1항에 있어서, 상기 차동결합 유도권선부에서,
상기 1차측 권선부와 상기 2차측 권선부는 트위스트 방식으로 꼬인 후 권선되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 권선을 적용한 펄스 전류 발생 장치.
The method of claim 1, wherein in the differential coupling induction winding unit,
Pulse current generator using carbon nanotube fiber winding, characterized in that the primary winding part and the secondary winding part are wound after being twisted in a twisted manner.
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