KR101045585B1

KR101045585B1 - 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치

Info

Publication number: KR101045585B1
Application number: KR1020100094131A
Authority: KR
Inventors: 서남표; 김정호; 조동호; 변정건; 이희재; 최철승; 강덕수; 안승영
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-06-30

Abstract

본 발명의 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치는 공진주파수 f_r을 갖고 전력을 무선으로 전송하는 급전장치; 및 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛과 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛이 병렬로 연결되어 상기 급전장치로부터 전력을 무선으로 전송받는 집전장치를 포함하고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄된다. 본 발명에 의하면, 급전장치에서 집전장치로 자기 유도 방식의 무선전력 전송시 집전장치의 2차 코일이 커패시티브한 코일과 인덕티브한 코일의 2개의 코일이 병렬로 연결되면 각 코일에서 만들어지는 자기장 및 전기장의 위상이 180도 차를 가지게 되어 서로 상쇄되므로 집전장치의 2차 코일에서 자기장 및 전기장에 의한 전자기파가 발생되지 않음으로써 전자기기가 오동작되거나 인체에 영향을 미치지 않는 효과가 있다.

Description

전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치{WIRELESS POWER TRANSFER DEVICE FOR REDUCING ELECTROMAGNETIC WAVE LEAKAGE}

본 발명은 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급전장치에서 집전장치로 자기 유도 방식의 무선전력 전송시 집전장치의 2차 코일에서 자기장이나 전기장의 전자파를 발생시키지 않는 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치에 관한 것이다.

전자기기, 의료기기, 전기 자동차, 전차 등과 같이 전기를 동력원으로 구동 및 동작하는 기기들의 전력은 지금까지 전력선을 사용하여 전달받았다. 이러한 전력선의 사용은 기기의 이동성을 저해하거나 위치적 제약을 수반하였다.

이를 극복하기 위하여 무선전력 전송시스템의 개발이 이루어지고 있다. 특히, 대용량의 전력을 전달하기 위하여 전자기 유도방식의 무선전력 전송장치가 개발되어 있다.

도 1은 종래의 전자기 유도방식에 의한 무선전력 전송장치를 나타내는 도면으로서, 전자기 유도방식의 무선전력 전송장치는 도 1에서와 같이 급전측인 1차측 코일(10)에서는 C_S(11)와 L_S(13)에 의한 직렬 공진을 이용하여 특정 주파수의 전력을 공급하고, 집전측인 2차측 코일(30)에서 C_L(31)와 L_L(33)에 의한 직렬 공진(1차측의 공진 주파수와 일치시킴)을 이용하여 전력을 공급받는다.

이러한 종래의 전자기 유도방식에 의한 무선 전력 전송 장치는 변압기의 1차 코일과 2차 코일간의 전자기 유도현상을 이용하여 전력을 전달하는 것으로, 전력 전달시 1차 코일과 2차 코일에서 높은 전자파를 발생시킨다. 전자파는 전자기기의 오동작과 인체에 영향을 줄 수 있는 문제점이 있어 각 나라 별로 법규를 정하여 그 발생되는 자기장(Magnetic Field)이나 전기장(Electric Field)의 세기를 규제하고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급전장치에서 집전장치로 자기 유도 방식의 무선전력 전송시 집전장치의 2차 코일에서 자기장이나 전기장의 전자파를 발생시키지 않도록 한 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치의 일 측면에 따르면, 공진주파수 f_r을 갖고 전력을 무선으로 전송하는 급전장치; 및 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛과 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛이 병렬로 연결되어 상기 급전장치로부터 전력을 무선으로 전송받는 집전장치를 포함하고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄된다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공진주파수 f_r을 갖는 급전장치로부터 전력을 무선으로 전송받기 위한 집전장치의 일 측면에 따르면, 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛; 및 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛을 포함하고, 상기 제1 집전유닛과 상기 제2 집전유닛은 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄된다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도로의 길이 방향을 따라 설치되어 전력을 무선으로 전송하는 급전장치로부터 전력을 공급받는 전기 자동차의 일 측면에 따르면, 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1 을 갖는 제1 집전유닛; 및 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2를 갖는 제2 집전유닛을 포함하고, 상기 제1 집전유닛과 상기 제2 집전유닛은 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄된다.

본 발명에 의하면, 급전장치에서 집전장치로 자기 유도 방식의 무선전력 전송시 집전장치의 2차 코일이 커패시티브한 코일과 인덕티브한 코일의 2개의 코일이 병렬로 연결되면 각 코일에서 만들어지는 자기장 및 전기장의 위상이 180도 차를 가지게 되어 서로 상쇄되므로 집전장치의 2차 코일에서 자기장 및 전기장에 의한 전자기파가 발생되지 않음으로써 전자기기가 오동작되거나 인체에 영향을 미치지 않는 효과가 있다.

도 1은 종래의 전자기 유도방식에 의한 무선전력 전송장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치를 나타내는 도면.
도 3 및 도 4는 도 2에서 2차 코일의 서로 다른 케이블 구조를 나타내는 도면.
도 5는 도 2에서 무선전력전송장치의 전력 전달 회로를 나타내는 도면.
도 6은 도 5에서 L, C 직렬 회로의 주파수에 따른 임피던스 특성 변환을 나타내는 도면.
도 7은 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치를 적용한 전기자동차 시스템의 일예를 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치를 나타내는 도면이고, 도 3 및 도 4는 도 2에서 2차 코일의 서로 다른 케이블 구조를 나타내는 도면이며, 도 5는 도 2에서 무선전력전송장치의 전력 전달 회로를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에서 L, C 직렬 회로의 주파수에 따른 임피던스 특성 변환을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 급전장치(50)의 급전코어(51)에 배치된 1차 코일(53)에 전류가 흐르게 되면, 흐르는 전류에 의해 자기장 H-필드(H-Filed)가 발생되고, 발생된 H-필드에 자성물질에 의한 투자율이 곱해져 증폭된 자기장인 B-필드(B-Filed)가 생성된다. 여기서 자성물질로는 코발트, 니켈, 철 등의 금속성 자성물질이 사용되거나 페라이트(ferrite) 등의 비금속성 자성물질이 사용될 수 있다. 이와 같이 생성된 B-필드에 의해 집전장치(70)의 집전코어(71)에 감겨진 2차 코일(73)을 통해 집전장치(70)로 전력이 전달된다.

이러한 전자기 유도 방식의 무선전력 전송장치는 1차 코일(53)과 2차 코일(73)이 분리되면 전력 전달 능력이 현저히 감소하나, 1차 코일(53)과 2차 코일(73)의 감은 횟수를 증가시켜 그 전력 전달 능력을 증가시킬 수 있다. 그러나, 단순히 2차 코일(73)의 감은 횟수를 증가시켜 전력 전송 능력을 향상시킬 경우 2차 코일(73)에 높은 자기장과 전기장의 전자기파가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 전자기파는 인접 기기 및 인체에 영향을 주게 된다.

따라서, 본 발명은 도 2에서 유도 전류가 흐르는 2차 코일(73)을 도 3에 나타난 트위스트 페어 케이블(Twist Fair Cable)(90) 또는 도 4에 나타난 페어 케이블(Fair Cable)(110)을 사용하여 집전장치를 만들어 도 5에서와 같이 2개의 코일이 병렬로 연결된 2차 코일(70)을 사용하거나, 각각의 코일을 각각 감은 2개의 코일이 병렬로 연결된 2차 코일(70)을 사용한다.

도 5의 전력 전달 회로에 나타난 바와 같이, 병렬로 연결된 2차 코일(70)에 각각 사용되는 C_L1(75)과 C_L2(77)는 값이 다르게 선정된다. 도 6에서와 같이, 2차 코일(70)의 C_L1(75)은 L_L1(76)과 C_L1(75)에 의하여 생기는 공진 주파수 f_rL1가 1차 코일(50)의 C_S(55)와 L_S(57)에 의한 공진 주파수 f_r보다 약간 낮은 주파수를 갖는 커패시티브(Capacitive) 한 동작을 하는 값으로 선정된다. 2차 코일(70)의 C_L2(77)는 L_L2(78)과 C_L2(77) 에 의하여 생기는 공진 주파수 f_rL2가 1차 코일(50)의 C_S(55)와 L_S(57)에 의한 공진 주파수 f_r보다 약간 높은 주파수를 갖는 인덕티브(Inductive)한 동작을 하는 값으로 선정된다.

이와 같이 집전장치의 2차 코일(70)을 커패시티브한 코일과 인덕티브한 코일의 2개의 코일로 병렬로 만들면, 각 코일에서 만들어지는 자기장(Magnetic Field) 및 전기장(Electric Field)의 위상이 180도 차를 가지게 되어 서로 상쇄되므로 2차 코일(70)에서 자기장 및 전기장에 의한 전자기파가 발생되지 않게 된다.

도 7은 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치를 적용한 전기자동차 시스템의 일예를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 인버터(130)에서 도로를 따라 연장되는 급전장치(150)의 급전선으로 고주파 전압을 발생시키면 급전선에 고주파 전류가 인가되어 고주파 교류 자장에 의해 전기자동차의 집전장치(170)의 집전코일로 전압이 유기되어 배터리(190)를 충전하기 위한 전원이 공급된다. 배터리(190)는 집전장치(170)로부터 공급되는 전원에 의해 충전되고, 모터(210)는 집전장치(170) 또는 배터리(190)로부터 공급되는 전원에 의해 구동된다.

전기자동차의 집전장치(170)는 도 5 및 도 6에서 전술한 바와 같이, 급전장치(150)의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1 을 갖는 제1 집전유닛과, 급전장치(150)의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2를 갖는 제2 집전유닛을 포함하고, 제1 집전유닛과 상기 제2 집전유닛은 병렬로 연결되어 급전장치(150)로부터 전력을 무선으로 전송받는다. 급전장치(150)로부터 전력을 무선으로 전송받는 경우, 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도인 경우 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 상쇄된다.

이러한 전기자동차 시스템에서 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치의 작용에 대해 설명한다.

급전장치(150)의 급전코어에 배치된 1차 코일에 전류가 흐르게 되면, 흐르는 전류에 의해 자기장 H-필드(H-Filed)가 발생되고, 발생된 H-필드에 자성물질에 의한 투자율이 곱해져 증폭된 자기장인 B-필드(B-Filed)가 생성된다. 여기서 자성물질로는 코발트, 니켈, 철 등의 금속성 자성물질을 사용되거나, 페라이트(ferrite) 등의 비금속성 자성물질이 사용될 수 있다.

이와 같이 생성된 B-필드는 집전장치(170)의 집전코어에 감겨진 2차 코일로 전달되어 2차 코일에 유도 전류가 흐르게 된다. 유도 전류가 흐르는 2차 코일은 2개의 코일이 병렬로 연결된 트위스트 페어 케이블(Twist Fair Cable) 또는 페어 케이블(Fair Cable)이 사용된다.

2개의 코일에 각각 사용되는 커패시터 C_L1과 C_L2는 그 값이 서로 다르게 선정된다. C_L1은 1차 코일에 의한 공진 주파수 값보다 약간 낮은 주파수를 갖는 커패시티브(Capacitive) 한 동작을 하는 값으로 선정되고, C_L2는 1차 코일에 의한 공진 주파수 값보다 약간 높은 주파수를 갖는 인덕티브(Inductive)한 동작을 하는 값으로 선정된다.

집전장치(170)의 2차 코일이 커패시티브한 코일과 인덕티브한 코일의 2개의 코일이 병렬로 연결되면 각 코일에서 만들어지는 자기장(Magnetic Field) 및 전기장(Electric Field)의 위상이 180도 차를 가지게 되어 서로 상쇄되므로 2차 코일에서 자기장 및 전기장에 의한 전자기파가 발생되지 않게 된다.

한편, 자기 유도 방식에 의해 무선으로 전력을 공급받는 무선 전기 주전자의 경우에도 본 발명을 적용하면, 전기 주전자의 집전장치를 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛과, 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛이 병렬로 연결되도록 한다. 이와 같이 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도인 경우 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 상쇄된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

50 : 급전장치 51 : 급전코어
53 : 1차 코일 70 : 집전장치
71 : 집전코어 73 : 2차 코일

Claims

전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치로서,
직렬로 연결된 커패시터 C_S와 인덕터 L_S의 직렬공진에 의한 공진주파수 f_r을 갖고 전력을 무선으로 전송하는 급전장치; 및
상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 직렬로 연결된 인덕터 L_L1과 커패시터 C_L1의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛과 상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 직렬로 연결된 인덕터 L_L2과 커패시터 C_L2의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛이 병렬로 연결되어 상기 급전장치로부터 전력을 무선으로 전송받는 집전장치를 포함하고,
상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄되는 전자기파의 누설이 저감된 무선전력전송장치.
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직렬로 연결된 커패시터 C_S와 인덕터 L_S의 직렬공진에 의한 공진주파수 f_r을 갖는 급전장치로부터 전력을 무선으로 전송받기 위한 집전장치로서,
상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 직렬로 연결된 인덕터 L_L1과 커패시터 C_L1의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛; 및
상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 직렬로 연결된 인덕터 L_L2과 커패시터 C_L2의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛을 포함하고,
상기 제1 집전유닛과 상기 제2 집전유닛은 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄되는 집전장치.
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도로의 길이 방향을 따라 설치되어 직렬로 연결된 커패시터 C_S와 인덕터 L_S의 직렬공진에 의한 공진주파수 f_r을 갖고 전력을 무선으로 전송하는 급전장치로부터 전력을 공급받는 전기 자동차로서,
상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 작은 직렬로 연결된 인덕터 L_L1과 커패시터 C_L1의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL1을 갖는 제1 집전유닛; 및
상기 급전장치의 공진주파수 f_r보다 큰 직렬로 연결된 인덕터 L_L2과 커패시터 C_L2의 직렬공진에 의해 생기는 공진주파수 f_rL2을 갖는 제2 집전유닛을 포함하고,
상기 제1 집전유닛과 상기 제2 집전유닛은 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 각각 발생되는 전자기파의 위상이 180도의 차를 가지게 되어 각 유닛에서 발생되는 전자기파가 서로 상쇄되는 전기자동차.
삭제
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청구항 7에 있어서,
상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 집전된 전력에 의해 충전되는 배터리를 더 포함하는
것을 특징으로 하는 전기자동차.
청구항 10에 있어서,
상기 병렬로 연결된 제1 집전유닛과 제2 집전유닛에서 집전된 전력 또는 상기 배터리 전원에 의해 구동되는 모터를 더 포함하는
것을 특징으로 하는 전기자동차.