KR101048465B1 - 고압 3상 케이블 - Google Patents

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Abstract

케이블에서 발생하는 자기장으로 인한 노이즈 발생을 최소화하도록 한 고압 3상 케이블이 제시된다. 제시된 고압 3상 케이블은, 중심에 배치된 제1도선; 제1도선을 동축으로 감싸는 제1코어; 제1코어를 동축으로 감싸는 제2도선; 제2도선을 동축으로 감싸는 제2코어; 및 제2코어를 동축으로 감싸는 제3도선을 포함한다. 이러한 본 발명에 따르면, 또한, 고압 3상 케이블은 3개의 도선을 절연체 및 코어를 사이에 두고 동축형태로 구성함으로써, 각 도선에서 생성되는 자기장이 상쇄되어 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화할 수 있다.

Description

고압 3상 케이블{Three phase cable of high voltage}
본 발명은 고압 3상 케이블에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기자동차 등의 고전압 체계의 자동차에 사용되는 고압 3상 케이블에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기자동차, 수소 자동차 등의 고전압 체계의 자동차에서는 고전압으로 구동하는 동력(또는 보조)용 모터를 구비한다. 고전압 체계의 자동차는 모터를 구동시키기 위한 모터 구동용 인버터 장치를 구비한다. 모터 구동용 인버터 장치는 모터 고전압을 사용하기 때문에 대부분 3상 케이블로 연결된다.
도 1은 종래의 모터 구동용 인버터 장치의 구성도이다. 도 1의 모터 구동용 인버터 장치는, 교류로 입력되는 전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(10), 정류부(10)를 통해 변환된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 모터(30)에 교류전류를 공급하는 인버터(20), 인버터(20)의 스위칭을 제어함으로써 모터(30)를 구동하는 마이컴(40)으로 구성된다. 그리고, 인버터(20)와 모터(30)는 3상 케이블(50)로 서 로 연결되어 있다.
도 2 및 도 3은 종래의 3상 케이블을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 3상 케이블(50)은 제1실드 케이블(51)과 제2실드 케이블(52) 및 제3실드 케이블(52)이 내장된 긴 원통 모양의 절연부재(54)와, 절연부재(54)의 외부를 감싸는 피복(55)으로 구성된다.
절연부재(54)에 내장되는 제1실드 케이블(51)과 제2실드 케이블(52) 및 제3실드 케이블(53)은 각각 전력을 전송하기 위한 도체부분인 도선(51a, 52a, 53a)과, 도선을 절연하기 위한 제1절연체(51b, 52b, 53b)와, 케이블 외부로 누설전류가 흐르는 것을 차단하는 코어(51c, 52c, 53c), 및 코어(51c, 52c, 53c)를 절연하기 위한 제2절연체(51d, 52d, 53d)를 구비한다. 이때, 제1실드 케이블(51)과 제2실드 케이블(52) 및 제3실드 케이블(53)은 각각 도선(51a, 52a, 53a), 제1절연체(51b, 52b, 53b), 코어(51c, 52c, 53c), 제2절연체(51d, 52d, 53d)가 내부로부터 외부로 동심원을 이루면서 구성되어 있다.
여기서, 제1실드 케이블(51)은 제2실드 케이블(52) 및 제3실드 케이블(53)의 전류 흐름 방향(예컨대, 도 3의 a 방향)과 반대 방향(예컨대, 도 3의 b 방향)으로 전류가 흐른다. 물론, 제2실드 케이블(52) 또는 제3실드 케이블(53)이 각각 다른 실드 케이블의 전류 흐름 방향과 반대 방향으로 전류가 흐를 수도 있다.
종래의 3상 케이블(50)은 도선(51a, 52a, 53a)에 전류가 인가되면 실드 케이스를 중심으로 발생하는 자기장(즉, 노이즈)이 생성된다. 즉, 종래의 3상 케이 블(50)은 초기에는 도선(51a, 52a, 53a)에 큰 전류가 흐르고 시간이 지나면서 전류가 일정하게 흐르게 된다. 이러한 시간 변화량에 따른 전류의 변화량(di/dt)의 차이에 의해 노이즈(즉, 자장 노이즈)가 발생한다. 하지만, 종래의 3상 케이블(50)은 자기장의 특성으로 인해 외부로 자기장이 형성되는 것을 차단하지 못한다. 그리하면, 종래의 3상 케이블(50)은 자기장으로 인한 노이즈가 발생하는 문제점이 있다.
이때, 자기장으로 인한 노이즈는 엘리베이터와 같이 강전에서는 그 영향이 미미하여 문제가 발생하지 않지만 고전압 체계의 자동차에서는 3상 케이블(50)의 주변에 설치된 ECU에 영향을 끼쳐 컨트롤러의 오작동 등이 발생하거나, 통신선로에 영향을 끼쳐 신호를 감쇄 또는 왜곡시키는 원인이 된다.
또한, 종래의 3상 케이블(50)은 각각의 실드 케이블(51, 52, 53) 내에서 발생한 자장 노이즈는 해당하는 각각의 코어(51c, 52c, 53c)에 전기유도되어 맴돌이 전류(eddy current)를 발생시킨다. 이러한 맴돌이 전류에 의해 각각의 실드 케이블(51, 52, 53)에서의 전류 손실이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 그 목적은 케이블에서 발생하는 자기장으로 인한 노이즈 발생을 최소화하도록 한 고압 3상 케이블을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 3상 케이블은, 중심에 배치된 제1도선; 제1도선을 동축으로 감싸는 제1코어; 제1코어를 동축으로 감싸는 제2도선; 제2도선을 동축으로 감싸는 제2코어; 및 제2코어를 동축으로 감싸는 제3도선을 포함한다.
제1코어 및 제2코어 중에서 적어도 하나는, 중심부에 구멍을 갖는 링 형태로 형성된 복수 개의 원형판을 케이블의 길이 방향으로 성층하여 구성된다.
복수의 원형판 각각은 다른 원형판과 절연된다.
제1코어 및 제2코어 중에서 적어도 하나는 스프링 형태로 형성된다.
제1도선과 제2도선 및 제3도선 중에서 적어도 하나는 편조선으로 형성된다.
다르게는, 고압 3상 케이블은 중심에 배치된 제1도선; 제1도선를 동축으로 감싸는 제2도선; 및 제2도선을 동축으로 감싸는 제3도선을 포함하되, 제1도선과 제2도선 및 제3도선은 서로 절연된다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 고압 3상 케이블은 도선을 절연하는 절연체의 외주면에 코어를 구성함으로써, 도선에서 발생하는 누설전류가 고압 3상 케이블의 외부로 방출되는 것을 최소화하는 것이 가능하다.
또한, 고압 3상 케이블은 3개의 도선을 절연체 및 코어를 사이에 두고 동축형태로 구성함으로써, 각 도선에서 생성되는 자기장이 상쇄되어 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화할 수 있다.
부수적으로, 고압 3상 케이블은 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화함으로써, 케이블 주변에 설치된 장치들의 오작동 및 신호 감쇄 또는 왜곡의 발생을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 고압 3상 케이블을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 부분 단면 사시도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 제1코어와 제2코어 및 제3코어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고압 3상 케이블(100)은 제1도선(101), 제1코어(103), 제2도선(105), 제2코어(107), 제3도선(109)을 포함한다.
제1도선(101)은 고압 3상 케이블(100)의 중심에 형성된다. 제1도선(101)은 고압 3상 케이블(100)의 유연성을 보장하기 위해 편조선(또는, 연선)으로 형성된다. 여기서, 제1도선(101)은 구리 또는 알루미늄 등의 전도성 재질로 형성된다.
이때, 제1도선(101)의 외주면에는 제1절연체(102)이 형성된다. 즉, 제1도선(101)은 제1코어(103)와의 절연을 위해 외주면에 제1절연체(102)이 형성된다. 여기서, 제1절연체(102)은 절연성능을 장기간 안정화시키고 유전손실이 적으며 내열성 등이 있도록 하기 위해 폴리에틸렌 등과 같은 재료를 사용하여 구성된다.
제1코어(103)는 제1도선(101)에서 누전되는 누설전류를 차단하기 위해 제1도선(101)의 외주면에 형성된 제1절연체(102)의 외주면을 따라 형성된다. 즉, 제1코어(103)는 제1도선(101)의 전류 흐름에 따라 생성되는 자기장에 의해 내부에 맴돌이전류가 형성된다. 그에 따라, 제1코어(103)는 제1도선(101)에서 누전되는 누설전류가 외부로 방출되는 것을 차단한다.
제1코어(103)는 도 5에 도시된 바와 같이, 저항을 높이고 전류의 흐름을 낮추기 위해서 박리 된 원형판(120)을 고압 3상 케이블(100)의 길이 방향으로 성층하여 형성된다. 여기서, 제1코어(103)를 구성하는 원형판(120)은 중심부에 구멍을 갖는 링 형태로 형성되며, 다른 원형판(120)과의 절연을 위해 절연 코팅 등의 방법으로 절연된다.
다르게는, 제1코어(103)는 도 6에 도시된 바와 같이, 저항을 높이고 전류의 흐름을 낮추기 위해서 스프링 형태로 형성될 수도 있다. 여기서, 제1코어(103)를 구성하는 스프링은 상술한 원형판과 같이 절연을 위해 절연 코팅되거나, 스프링에 형성되는 에어 갭으로 절연된다.
이때, 제1코어(103)의 외주면에는 제2절연체(104)이 형성된다. 즉, 제1코어(103)는 후술할 제2도선(105)과의 절연을 위해 외주면에 제2절연체(104)이 형성된다. 여기서, 제2절연체(104)은 절연성능을 장기간 안정화시키고 유전손실이 적으며 내열성 등이 있도록 하기 위해 폴리에틸렌 등과 같은 재료를 사용하여 구성된다.
제2도선(105)은 제1코어(103)의 외주면에 형성된 제2절연체(104)의 외주면을 따라 형성된다. 제2도선(105)은 제1도선(101)과 같이 고압 3상 케이블(100)의 유연성을 보장하기 위해 편조선(또는, 연선)으로 형성되고, 구리 또는 알루미늄 등의 전도성 재질이 사용된다. 여기서, 제2도선(105)의 전류 흐름 방향은 제1도선(101)의 전류 흐름 방향과 반대 방향이다.
이때, 제2도선(105)의 외주면에는 제3절연체(106)이 형성된다. 즉, 제2도선(105)은 제2코어(107)와의 절연을 위해 외주면에 제3절연체(106)이 형성된다. 여기서, 제3절연체(106)은 절연성능을 장기간 안정화시키고 유전손실이 적으며 내열성 등이 있도록 하기 위해 폴리에틸렌 등과 같은 재료를 사용하여 구성된다.
제2코어(107)는 제2도선(105)에서 누전되는 누설전류를 차단하기 위해 제2도선(105)의 외주면에 형성된 제3절연체(106)의 외주면을 따라 형성된다. 즉, 제2코어(107)는 제2도선(105)의 전류 흐름에 따라 생성되는 자기장에 의해 내부에 맴돌이전류가 형성된다. 그에 따라, 제2코어(107)는 제2도선(105)에서 누전되는 누설전류가 외부로 방출되는 것을 차단한다.
제2코어(107)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1코어(103)와 같이 저항을 높이고 전류의 흐름을 낮추기 위해서 박리 된 원형판(120)을 고압 3상 케이블(100)의 길이 방향으로 성층하여 형성된다. 여기서, 제2코어(107)를 구성하는 원형판(120)은 중심부에 구멍을 갖는 링 형태로 형성되며, 다른 원형판(120)과의 절연을 위해 절연 코팅 등의 방법으로 절연된다.
다르게는, 제2코어(107)는 도 6에 도시된 바와 같이, 저항을 높이고 전류의 흐름을 낮추기 위해서 스프링 형태로 형성될 수도 있다. 여기서, 제2코어(107)를 구성하는 스프링은 상술한 원형판(120)과 같이 절연을 위해 절연 코팅되거나, 스프링에 형성되는 에어 갭으로 절연된다.
이때, 제2코어(107)의 외주면에는 제4절연체(108)이 형성된다. 즉, 제2코 어(107)는 후술할 제3도선(109)과의 절연을 위해 외주면에 제4절연체(108)이 형성된다. 여기서, 제4절연체(108)은 절연성능을 장기간 안정화시키고 유전손실이 적으며 내열성 등이 있도록 하기 위해 폴리에틸렌 등과 같은 재료를 사용하여 구성된다.
제3도선(109)은 제2코어(107)의 외주면에 형성된 제4절연체(108)의 외주면을 따라 형성된다. 제3도선(109)은 제1도선(101) 및 제2도선(105)과 같이 고압 3상 케이블(100)의 유연성을 보장하기 위해 편조선(또는, 연선)으로 형성되고, 구리 또는 알루미늄 등의 전도성 재질이 사용된다. 여기서, 제3도선(109)의 전류 흐름 방향은 제1도선(101)의 전류 흐름 방향과 반대 방향이고, 제2도선(105)의 전류 흐름 방향과는 동일한 방향이다.
제3도선(109)의 외주면에는 제5절연체(110)이 형성된다. 즉, 제3도선(109)은 고압 3상 케이블(100)의 외부에 위치하는 도체와의 절연을 위해 외주면에 제5절연체(110)가 형성된다. 여기서, 제5절연체(110)은 절연성능을 장기간 안정화시키고 유전손실이 적으며 내열성 등이 있도록 하기 위해 폴리에틸렌 등과 같은 재료를 사용하여 구성된다.
이때, 제5절연체(110)의 외주면에는 고압 3상 케이블(100)을 보호하기 위한 피복(111)이 형성된다. 피복(111)은 고압 3상 케이블(100)의 전장 노이즈를 제거하기 위해 형성된다. 여기서, 피복(111)은 플리에틸렌, 플리비닐 클로라이드, 폴리우레탄 및 고무 등과 같은 열가소성 코팅제 등으로 형성된다.
이상에서, 코어(103, 107)를 포함하는 고압 3상 케이블을 예로 들어 설명하였으나, 중심에 배치된 제1도선(101)과, 제1도선(101)을 동축으로 감싸는 제2도선(105), 및 제2도선(105)을 동축으로 감싸는 제3도선(109)으로 고압 3상 케이블을 구성할 수도 있다. 이때, 고압 3상 케이블의 제1도선(101)과 제2도선(105) 및 제3도선(109)은 서로 절연된다. 물론, 상술한 절연체(102, 104, 106, 108, 110)가 각각의 도선(101, 105, 109)의 외주면에 형성될 수도 있다. 이처럼, 고압 3상 케이블은 절연체를 사이에 두고 3개의 도선을 동축형태로 구성함으로써, 각 도선에서 생성되는 자기장이 상쇄되어 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화할 수 있다. 부수적으로, 고압 3상 케이블은 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화함으로써, 케이블 주변에 설치된 장치들의 오작동 및 신호 감쇄 또는 왜곡의 발생을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 누설전류 차단 작용을 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도선(예컨대, 제1도선(101) 및 제2도선(105))은 전류가 흐름에 따라 전류 흐름 방향에 따라 도선의 주변에 자기장이 방출된다. 즉, 도선은 전류가 흐름에 따라 누설전류가 발생하게 되는 것이다. 여기서, 누설전류는 엘리베이터 등과 같이 강전에서는 큰 문제가 되지 않지만 인버터(20), 하이브리드 자동차 등에서는 주변의 장치가 오작동을 일으키는 원인이 된다.
그에 따라, 고압 3상 케이블(100)에는 누설전류가 외부로 방출되는 것을 최 소화하기 위해 제1코어(103) 및 제2코어(107)가 설치된다. 도선에서 누설되는 누설전류를 차단하기 위해서는 제1코어(103) 및 제2코어(107)의 내부에는 맴돌이전류가 형성되어야 한다. 따라서, 제1코어(103) 및 제2코어(107)는 강자성체 재질로 이루어짐이 바람직하다. 예를 들어, 코어(예컨대, 제1코어(103) 및 제2코어(107))는 규소강이라고 불리는 Fe-Si합금 등으로 이루어진다. 물론, Fe-Si합금 대신에 페라이트(ferrite)를 사용할 수도 있다.
제1코어(103) 및 제2코어(107)는 중공(中空)된 원형판(120)으로 형성된 누설전류를 차단하는 효율이 높은 장점이 있다. 하지만, 원형판(120)으로 형성된 코어는 스프링보다 제작이 어렵다. 반면, 스프링은 중공된 원형판(120)에 비해 누설전류를 차단하는 효율은 낮지만 제작이 용이한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 노이즈 차단 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 노이즈 차단 작용을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 고압 3상 케이블(100)의 제1도선(101)은 a방향으로 전류가 흐르고, 제2도선(105) 및 제3도선(109)은 각각 b방향으로 전류가 흐르는 것으로 한다.
제1도선(101)에서 a방향으로 전류가 흐름에 따라 제1도선(101)의 주변에는 c방향의 자기장이 형성된다. 즉, 제1도선(101)에서 a방향으로 전류가 흐르면, 오른나사의 법칙에 따라 제1도선(101)을 중심으로 c방향의 자기장이 형성된다.
제2도선(105) 및 제3도선(109)에서 b방향으로 전류가 흐름에 따라, 제2도선(105) 및 제3도선(109)의 주변에는 d방향의 자기장이 형성된다. 즉, 제2도선(105) 및 제3도선(109)에서 b방향으로 전류가 흐르면, 오른나사의 법칙에 따라 제2도선(105) 및 제3도선(109)을 중심으로 d방향의 자기장이 형성된다.
제1도선(101)에서 형성된 c방향의 자기장은 제2도선(105) 및 제3도선(109)에서 형성된 d방향의 자기장에 의해 상쇄된다. 그에 따라, 고압 3상 케이블(100)에서 발생하는 자기장(또는, 자기장 노이즈)이 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블과 종래의 고압 3상 케이블에서 3상 공급 전류에 따른 방사량을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블에서 3상 공급 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 종래의 고압 3상 케이블에서 3상 공급 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, 3상으로 전송되는 전류의 특성은 각 도선들(예컨대, 제1도선(101), 제2도선(105), 제3도선(109))의 전류 합을 구하면 '0'이라는 특성이 있다. 이때, 종래의 고압 3상 케이블을 쓸 경우에는 이 특성이 도움이 되지 않지만 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블(triaxial cable)로 구성하게 되면 방사되는 전자기파를 줄일 수 있다.
(본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블)
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고압 3상 케이블에서 제1도선(101)에 흐르는 전류는 I1이라 하고, 이에 의해 발생하는 자기장을 B1으로 정의한다. 제2도선(105)에 흐르는 전류를 I2이라 하고, 이에 의해 발생하는 자기장은 B2로 정의한다. 제3도선(109)에 에 흐르는 전류를 I3이라, I3에 의해 발생하는 자기장은 B3으로 정의한다.
Figure 112009014840718-pat00001
이때, 각 전류에 의해 발생하는 자기장은 상기한 수학식 1의 암페어의 주회법칙(Ampere's circuital law)에 의해 결정된다. 암페어의 주회법칙은 전류가 흐르는 주위에 발생하는 자기장을 적분하면 내부에 흐르는 전류의 양이 결정된다는 것으로 역으로 내부에 흐르는 전류를 알면 주변에 발생하는 자기장을 구하는 데에 사용할 수 있다.
수학식 1을 이용하면 제1도선(101)에서 r1만큼 거리가 떨어진 지점의 자기장의 크기를 구할 수 있다. 거리가 r1만큼 떨어진 지점에서 I1에 이해 발생하는 자기장의 크기는 모두 같으므로 이를 적분 경로로 지정하면 암페어의 주회법칙은 아래 의 수학식 2와 같이 표현되고, 자기장 B1의 크기는 수학식 3에 표시된 바와 같다.
Figure 112009014840718-pat00002
Figure 112009014840718-pat00003
수학식 1을 이용하면 제2도선(105)에서 r2만큼 거리가 떨어진 지점의 자기장의 크기를 구할 수 있다. 거리가 r2만큼 떨어진 지점에서 I2에 이해 발생하는 자기장의 크기는 모두 같으므로 이를 적분 경로로 지정하면 암페어의 주회법칙은 아래의 수학식 4와 같이 표현되고, 자기장 B2의 크기는 수학식 5에 표시된 바와 같다.
Figure 112009014840718-pat00004
Figure 112009014840718-pat00005
수학식 1을 이용하면 제3도선(109)에서 r3만큼 거리가 떨어진 지점의 자기장 의 크기를 구할 수 있다. 거리가 r3만큼 떨어진 지점에서 I3에 이해 발생하는 자기장의 크기는 모두 같으므로 이를 적분 경로로 지정하면 암페어의 주회법칙은 아래의 수학식 6과 같이 표현되고, 자기장 B3의 크기는 수학식 7에 표시된 바와 같다.
Figure 112009014840718-pat00006
Figure 112009014840718-pat00007
제1도선(101)과 제2도선(105) 및 제3도선(109)에 의해 발생하는 자기장의 합은 하기의 수학식 8에 표시된 바와 같다. 이때, 고압 3상 케이블에서 r만큼 떨어진 곳의 자기장의 크기 Btotal는 B1, B2, B3를 더함으로써 구해진다. 고압 3상 케이블은 전류가 동축을 통해 흐르고 있으므로 r1, r2, r3의 크기가 모두 같은 r이 된다.
Figure 112009014840718-pat00008
이때, 3상으로 흐르는 전류는 합은 '0'이므로 자기장의 합(Btotal)도 '0'이 됩니다. 따라서, 고압 3상 케이블에 흐르는 전류는 모두 동축을 통해 자기장이 형성되고 전류의 합은 '0'이 되기 때문에 자기장의 크기 또한 '0'이 됩니다. 그리하면, 본 발명에 따른 고압 3상 케이블은 각 도선에서 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장이 상쇄되어 자기장으로 인한 노이즈가 발생을 최소화할 수 있다.
(종래의 고압 3상 케이블)
도 9에 도시된 바와 같이, 각 도선에 흐르는 전류를 I1, I2, I3라 하고 각각 r1, r2, r3 만큼 떨어져 있다고 할 때 암페어의 주회법칙에 의해 자기장 B1, B2, B3는 상술한 수학식 1 내지 수학식 7에 표시된 바와 같다.
임의의 지점 P에서 각 도선까지의 거리가 각각 r1, r2, r3일 때, 3개의 도선에서 떨어진 한 지점 P에서의 자기장 총합(Btotal)은 하기의 수학식 9에 표시된 바와 같다.
Figure 112009014840718-pat00009
따라서, 종래의 고압 3상 케이블은 각 전류가 같은 지점을 통해서 흐르지 않고 있으므로 각 도선에서의 전류의 합(
Figure 112009014840718-pat00010
)이 '0'이라 해도 자기장 총합(Btotal)은 '0'이 되지않는다. 그리하면, 종래의 고압 3상 케이블은 각 도선에서 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장이 상쇄되지 못하여 자기장으로 인한 노이즈가 발생한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블과 종래의 고압 3상 케이블에서 노이즈 전류에 따른의 방사량을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블 및 종래의 고압 3상 케이블에서 노이즈 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)는 3개의 개별 도선으로 구성된 종래의 고압 3상 케이블이고, 도 10의 (b)는 본 발명에 따른 고압 3상 케이블이다. 두 케이블 모두 가운데 도선에 전압원으로 표시되는 노이즈를 인가하면 나머지 두 도선에서 반대되는 방향으로 전류가 유도된다. 예를 들어, 종래의 고압 3상 케이블의 경우에서 가운데 도선으로 전류가 반시계 방향으로 흐르게 되면 암페어의 법칙(Ampere's Law)에 의해 폐회로 내부에서는 지면에서 올라오는 방향으로 자기장이 형성된다. 그에 따라, 안쪽의 폐회로와 바깥쪽의 폐회로에서는 이러한 자기장의 변화에 반하는 유도자기장을 만들게 되어 유도 기전력이 생성된다. 유도 기전력은 저항을 통해 전류를 형성하고 이 전류에 의해 원래 생성되었던 자기장의 반대 방향으로 유도 자기장이 생성되어 전체의 자기장의 세기는 감소한다.
여기서, 유도되는 기전력의 크기는 하기의 수학식 10에 표시된 바와 같다.
Figure 112009014840718-pat00011
이때, 종래의 고압 3상 케이블보다 본 발명의 고압 3상 케이블의 자속이 더 크기 때문에, 유도되는 기전력은 본 발명의 고압 3상 케이블이 더 크다. 따라서, 유도되는 전류가 더 크게 되고 그 결과 자기장을 방해하는 유도 자기장의 크기가 커지게 되어 종래의 고압 3상 케이블보다 본 발명의 고압 3상 케이블의 경우가 전체 자기장의 크기가 작게 되어 노이즈가 더 잘 제거된다.
부수적으로, 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블은 방사량 조절을 할 수 있는 유전 물질을 활용할 수 있다. 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 방사량 조절을 설명하기 위한 도면이다.
고압 3상 케이블은 상호유도계수(Mutual inductance)가 클수록 앞서 노이즈 전류에 반대되는 전류를 더 많이 생성하여 노이즈 전류를 줄인다. 고압 3상 케이블의 도선들(예컨대, 제1도선(101), 제2도선(105), 제3도선(109))간의 상호유도계수는 개별적으로 떨어진 종래의 고압 3상 케이블의 상호유도계수보다 크며, 이는 상호유도계수의 식으로부터 구할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 전류 I1에 의해 흐르는 루프가 있고 여기에 자기장이 B1이라 하고, 전류 I2가 의해 흐르는 루프가 있고 여기에 B1 중 일부가 통과한다고 할 때 두 도선 사이의 상호유도계수는 하기의 수학식 11과 같이 정의된다.
Figure 112009014840718-pat00012
여기서, Λ12는 쇄교자속(flux linkage)으로 이는 전류 I1에 의해서 전류 I2가 흐르는 전류 경로를 통과하는 자속을 의미한다. N2는 루프가 한 개이므로 1이 된다. 일반적으로 두 루프가 멀리 떨어지면 B1 중 일부만 I2의 경로에 도착하게 되므로 상호유도계수는 작아지고, 두 루프가 가까이 붙으면 B1의 대부분이 I2의 경로에 도착하게 되므로 상호유도계수는 커진다. 본 발명에 따른 고압 3상 케이블의 경우에는 루프의 경로가 정확히 일치하므로 상호유도계수는 자기 인덕턴스(self inductance)와 거의 일치하게 되어 가장 큰 값을 가진다.
하지만, 종래의 고압 3상 케이블의 경우에는 도선 간에 있는 간격을 통하여 자속이 세어 나가게 되므로 상호유도계수는 10분의 1, 100분이 1도 되지 않는다. 물론, 종래의 고압 3상 케이블의 상호유도계수는 세 도선의 가까운 정도에 따라 달라진다.
I1에 의해 발생하는 자속은 하기의 수학식 12와 같이 투자율(permeability ;μ)에 비례한다.
Figure 112009014840718-pat00013
도 12에 도시된 바와 같이, 절연체별로 투자율에 차이가 있다. 따라서, 같은 고압 3상 케이블이라도 내부에 사용하는 절연체의 투자율에 따라 상호유도계수를 증가시킬 수 있다. 즉, 상호유도계수가 높을수록 노이즈에 강해지며, 고압 3상 케이블은 같은 전류 경로를 갖기 때문에 상호유도계수가 높다. 그리고 투자율이 높은 물질을 사용하면 상호유도계수를 추가로 높이는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 고압 3상 케이블은 도선을 절연하는 절연체의 외주면에 코어를 구성함으로써, 도선에서 발생하는 누설전류가 고압 3상 케이블의 외부로 방출되는 것을 최소화하는 것이 가능하다.
또한, 고압 3상 케이블은 3개의 도선을 절연체 및 코어를 사이에 두고 동축형태로 구성함으로써, 각 도선에서 생성되는 자기장이 상쇄되어 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화할 수 있다.
부수적으로, 고압 3상 케이블은 자기장에 의해 노이즈 발생을 최소화함으로써, 케이블 주변에 설치된 장치들의 오작동 및 신호 감쇄 또는 왜곡의 발생을 최소화할 수 있다.
도 13은 본 발명의 고압 3상 케이블의 접촉 감지 시스템의 구성도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 고압 3상 케이블(100)의 접촉 감지 시스템(200)은 접촉 감지부(210), 전원 차단신호 전송부(220) 및 전원 차단부(230)를 포함한다. 여기서, 정류부(10), 인버터(20), 모터(30) 및 마이컴(40)의 동작원리는 도 1에서 살펴본 바와 같으므로 상세한 설명을 생략한다.
접촉 감지부(210)는 고압 3상 케이블(100)에 인체가 접촉되면 이를 즉각적으 로 감지한다. 고압 3상 케이블(100)은 도 4 내지 도 12를 이용하여 설명한 고압 3상 케이블(100)이다. 고압 3상 케이블(100)의 최외부는 피복(111)되어 있지만 약간의 전압(대략 5V 정도)이 흐른다. 따라서, 고압 3상 케이블(100)에 인체가 접촉하게 되면 인체 내의 전류가 접촉 감지부(210)를 통해 접지로 바이패스된다. 그로 인해, 접촉 감지부(210)는 인체가 접촉하였음을 알게 되고 그에 상응하는 신호(즉, 접촉 감지신호)를 출력한다.
전원 차단신호 전송부(220)는 접촉 감지부(210)로부터 접촉 감지신호(예컨대, 소정치의 전류)를 입력받으면 전원 차단신호를 생성하여 전원 차단부(230)에게로 출력한다.
전원 차단부(230)는 전원 차단신호 전송부(220)의 전원 차단신호에 근거하여 전원을 차단한다. 만약, 전원 차단이 필요하지 않은 경우에는 그 역할을 하지 않고 상용전원으로부터 정류부(10)로 전원이 공급되게 한다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
도 1은 종래의 모터 구동용 인버터 장치의 구성도.
도 2 및 도 3은 종래의 3상 케이블을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 부분 단면 사시도.
도 5 및 도 6은 도 4의 제1코어와 제2코어 및 제3코어를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 노이즈 차단 작용을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블에서 3상 공급 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면.
도 9는 종래의 고압 3상 케이블에서 3상 공급 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블 및 종래의 고압 3상 케이블에서 노이즈 전류에 따른의 방사량을 설명하기 위한 도면.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고압 3상 케이블의 방사량 조절을 설명하기 위한 도면.
도 13은 본 발명의 고압 3상 케이블의 접촉 감지 시스템의 구성도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 정류부 20: 인버터
30: 모터 40: 마이컴
51: 제1실드 케이블 52: 제2실드 케이블
53: 제3실드 케이블 54: 절연부재
55: 피복 100: 고압 3상 케이블
101: 제1도선 102: 제1절연체
103: 제1코어 104: 제2절연체
105: 제2도선 106: 제3절연체
107: 제2코어 108: 제4절연체
109: 제3도선 110: 제5절연체
111: 피복 120: 원형판
200: 접촉 감지 시스템 210: 접촉 감지부
220: 전원 차단신호 전송부 230: 전원 차단부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 중심에 배치된 제1도선;
    상기 제1도선을 동축으로 감싸는 제1코어;
    상기 제1코어를 동축으로 감싸는 제2도선;
    상기 제2도선을 동축으로 감싸는 제2코어; 및
    상기 제2코어를 동축으로 감싸는 제3도선을 포함하되,
    상기 제1코어 및 제2코어 중에서 적어도 하나는,
    중심부에 구멍을 갖는 링 형태로 형성된 복수 개의 원형판을 케이블의 길이 방향으로 성층하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 3상 케이블.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 원형판 각각은 다른 원형판과 절연된 것을 특징으로 하는 고압 3상 케이블.
  4. 중심에 배치된 제1도선;
    상기 제1도선을 동축으로 감싸는 제1코어;
    상기 제1코어를 동축으로 감싸는 제2도선;
    상기 제2도선을 동축으로 감싸는 제2코어; 및
    상기 제2코어를 동축으로 감싸는 제3도선을 포함하되,
    상기 제1코어 및 제2코어 중에서 적어도 하나는 스프링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 3상 케이블.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4중에 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1도선과 제2도선 및 제3도선 중에서 적어도 하나는 편조선으로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 3상 케이블.
  6. 삭제
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