KR101369176B1

KR101369176B1 - 고속 철도용 급집전 장치 및 공진 튜닝 방법

Info

Publication number: KR101369176B1
Application number: KR1020120087771A
Authority: KR
Inventors: 조동호; 정구호; 송보윤; 신승용; 이석환; 신재규; 김양수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-03-06
Also published as: KR20140021366A

Abstract

고속 철도용 급집전 장치 및 공진 튜닝 방법을 개시한다.
고속 철도용 급집전 장치는 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서, 한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및 상기 공통선로의 복수 개의 지점에 상기 공통선로와 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈을 포함하고, 상기 공통선로에는 기생 인덕턴스를 보상하기 위하여 상기 교류전원의 주파수에서 공진이 일어나도록 설정된 공통선로 보상 캐패시터가 연결된다.

Description

고속 철도용 급집전 장치 및 공진 튜닝 방법{High Power Charging And Pick-up Apparatus And Resonance Tuning Method for Same}

본 실시예는 고속 철도용 급집전 장치 및 공진 튜닝 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 급전시에 급전이 이루어지지 않는 부분에서 손실되는 소모전력을 저감하는 방법 및 구조에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

도 1은 기존의 고출력 집전 및 급전 장치을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다. 자기장을 발생시키는 인덕턴스 사이에서는 접촉 없이 전력을 전송할 수 있다는 점에 착안하여 인덕턴스를 집전장치로 가진 운송매체의 이동경로를 따라 급전모듈을 막대(BAR) 형태로 배치하여 연속적인 급전이 가능하도록 구성하고 있다. 기본적인 구성은 급전모듈(110)과 급전모듈(110)에 전력을 공급하는 공통선로(120)를 포함하는 급전 모듈(100)과, 배터리(130)와 집전유닛(140)으로 이루어진 집전 장치(150)를 포함한다.

자기장은 거리의 제곱에 반비례하여 감쇠하므로 실제로 급전이 일어나는 부분은 급전모듈과 픽업이 가까이 존재하는 부분에 한정된다. 따라서 기존의 출력 장치은 실제로 급전되는 극히 좁은 구간을 위해 전체 구간에 전력을 공급하기 때문에 불필요하게 소모되는 전력이 많다는 문제가 있다. 따라서 급전이 일어나는 부분에 선택적으로 전력이 집중될 수 있는 기술이 필요하다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예는, 급전이 일어나는 구간에 전력 공급을 집중하는 수단을 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서, 한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및 상기 공통선로의 복수 개의 지점에 상기 공통선로와 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서, 한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및 상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되, 상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈을 포함하고, 상기 급전모듈은 페라이트 코어에 권취되는 것을 특징으로 하는 급전장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서, 한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및 상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되, 상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈을 포함하고, 상기 급전모듈은 하나 이상의 원형코일 쌍을 반복적으로 배치하는 형태인 것을 특징으로 하는 급전장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서, 한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및 상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되, 상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈을 포함하고, 상기 급전모듈은 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나도록 보상해주는 캐패시턴스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 급집전시스템에 있어서, 교류 전원을 공급하는 인버터; 상기 인버터에 각각 연결된 한 쌍의 공통선로; 상기 공통선로에 병렬로 연결된 복수 개의 급전모듈; 및 상기 급전모듈에 근접한 경우 자기적으로 커플링되어 상기 전력을 집전하기 위한 집전모듈을 내부에 포함하는 픽업을 포함하는 것을 특징으로 하는 급집전 시스템을 제공한다.

삭제

본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 급전 시스템에 있어서, 인버터를 통해 특정 주파수의 교류 전원을 공급하되 상기 인버터에 연결되어 상기 전원을 공급받는 한 쌍의 공통 선로에 복수 개의 급전모듈을 병렬로 연결하고 상기 인버터가 생성하는 주파수는 집전장치와의 거리가 가까울 때의 상기 급전모듈의 공진주파수인 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템을 제공한다.

본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 전력을 무선으로 공급하는 급전 장치에 있어서, 전력을 공급하는 한 쌍의 공통 선로의 복수개의 지점에 급전 코일을 병렬로 연결하되, 집전장치와의 거리가 변함에 따라 달라지는 상호 인덕턴스를 보상하기 위하여 급전이 일어나는 시점에 공진이 일어나는 캐패시턴스를 가진 캐패시터가 연결된 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 픽업이 가까이 존재하는 급전 구간에 전력이 집중되고 나머지 구간에는 무효전력만이 공급되므로 무의미하게 손실되는 전력을 줄일 수 있다.

도 1은 기존의 고출력 집전 및 급전 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 실시예의 비급전시의 급전모듈부의 회로도이다.
도 3은 본 실시예의 급전시의 급전모듈부와 픽업의 회로도이다.
도 4는 본 실시예의 비급전시 급전모듈 시스템의 회로도이다.
도 5는 본 실시예의 급전시 급전모듈 시스템과 픽업의 모듈도이다.
도 6은 본 실시예의 급전시 급전 모듈과 픽업의 예시도이다.
도 7은 본 실시예의 시뮬레이션 대상으로서 구현한 회로의 회로도이다.
도 8은 도 7의 회로에서 측정된 각각의 전류값을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

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.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

자속의 쇄교를 통해 전력을 전송함에 있어서, 공진이 일어나는 경우 무효전력이 0이 되므로 유효전력이 극대화되어 전력 전송비율을 높일 수 있다. 따라서 전력 전송장치를 분절적으로 배치하고 주된 전송이 이루어지는 구간에 한하여 공진을 일으키고 나머지 구간에는 전류가 흐르지 않도록 구성할 수 있다면 전력 손실을 줄일 수 있다.

급전측에서 볼 때 급전이 일어나는 근접접근시 상호 인덕턴스가 생성되어 공진주파수의 값이 변화하게 되므로(멀어진 경우 누설 자계가 커져서 상호 인덕턴스가 급격히 감소하므로) 급전기를 병렬로 연결하여 구획을 나누어 배치하면 선별적으로 공진이 일어나도록 할 수 있어 스위치 등의 추가구성 없이 전력 손실을 줄일 수 있다. 이하 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 실시예의 비급전시의 급전모듈부의 회로도이다. 급전모듈부는 급전모듈부 캐패시터(Cinv: 202)와 입력부 코일(Linv: 203)의 직렬연결로 구성되어 있고 입력전압(Vinv)에 대하여 입력전류(Iinv: 204)가 흐른다. 실제 회로에서는 코일과 캐패시터, 도선에 해당하는 저항이 존재하므로 본 회로도와 달리 유효전력이 손실되지만 본 회로의 고유주파수와 입력전압의 고유주파수가 크게 다르다면 무효전력이 극대화되어 전류의 크기가 감소하므로, 무부하 손실전력 역시 감소한다.

도 3은 본 실시예의 급전시의 급전모듈부와 픽업의 회로도이다. 본 회로에서도 위상에 변화를 주지 않는 저항은 생략했다. 현재 픽업은 하나의 기구에 2개 이상의 코일이 있는 구조를 택하고 있기 때문에 본 실시예에서는 2개의 코일을 지닌 구조로 묘사하였다. 급전모듈부(301)는 급전부 캐패시터(Cinv: 304)와 급전부 코일(Linv: 306)의 직렬연결로 구성되어 있고 급전전압(Vinv)에 대하여 급전전류(Iinv: 305)가 흐른다. 이에 유도되는 픽업부의 두개의 코일회로를 P1부(302), P2부(303)라고 하면, 이에 유도되는 P1부(302)는 제1 캐패시터(Cp1: 308)와 제1 코일(Lp1: 309)의 직렬연결로 구성되어 있고 P1전류(Ip1: 307)가 흐르며 Vp1전압이 출력된다. 이와 함께 유도되는 P2부(303)는 제2 캐패시터(Ip2: 311)와 제2 코일(Lp2: 312)의 직렬연결로 구성되어 있고 P2전류(Ip2: 310)이 흐르며 Vp2전압이 출력된다.

이때 입출력 전압과 전류의 관계식은 [수학식 1]과 같이 3원 2차 미분방정식의 형태로 나타난다.

(V_inv: 급전전압, I_inv: 급전부 전류, C_inv: 급전부 캐패시턴스, L_inv: 급전부 인덕턴스, V_p1: P1부 출력전압, I_p1: P1부 전류, C_p1: P1부의 캐패시턴스, L_p1: P1부의 인덕턴스, V_p2: P2부 출력전압, I_p2: P2부 전류, C_p2: P2부 캐패시턴스, L_p2: P2부 인덕턴스, M_Ip1: 급전부와 P1부간의 상호인덕턴스, M_Ip2: 급전부와 P2부간의 상호인덕턴스, M_p1p2: P1부와 P2부간의 상호인덕턴스)

픽업부(P1, P2회로)가 완전 보상되어 있다고 가정하고 위 방정식을 급전모듈의 입력전압과 입력전류에 관해서 풀어보면 주파수 영역에서의 부하는 저항과 리엑턴스의 합에 옴의 법칙을 적용한 형태로 나타난다. 급전모듈부의 입력전압과 입력전류의 관계식은 [수학식 2]와 같다.

이 중 공진과 관계가 있는 리엑턴스 부분을 보면 [수학식 3]과 같다.

즉 급전모듈부의 공진은 상호 인덕턴스와 픽업부에 흐르는 전류의 함수에 의해 결정된다.

다시 말하면 픽업부에 흐르는 전류에 의해 급전모듈부에 유도전압이 생기고 그에 따라 급전모듈부의 실효 L값이 감소하는 효과가 생성되어 공진점이 변화되는 현상이 발생한다. 따라서 급전모듈부의 공진을 2차측에 정격 전류가 흐를 때를 기준으로 완전 공진 상태로 보상해 주면 급전이 일어나는 시점의 동작에서 선택적으로 최대 에너지가 전달된다.

도 4는 본 실시예의 비급전시 급전모듈 시스템의 회로도이다. 인버터(401)와 한쌍의 공통선로(403)가 연결되어 있는데 공통선로는 픽업의 주행경로를 따라 평행하게 배치한다. 이때 후술할 급전모듈(404)이 병렬로 연결될 수만 있다면 반드시 평행할 필요는 없다. 급전모듈(404)은 공통선로(403) 사이에 반복해서 병렬로 연결한다. 이때 급전모듈(404)은 픽업이 지나가는 동안 지속적으로 전력을 전송해야 하기 때문에 공통 선로와 평행 방향으로 상당한 길이를 가지는 것이 바람직하다. 각 공통선로에는 공통선로에서 생성되는 기생 인덕턴스를 공진값으로 보상해주기 위한 공통선로 보상 캐패시터(405)를 연결할 수 있고 각 급전모듈에는 급전모듈이 급전시 공진값으로 보상해 주기 위한 급전모듈 보상 캐패시터(406)를 연결할 수 있다.

여기서 보상이란 리엑턴스를 0으로 만드는 캐패시턴스 값을 추가로 공급해주는 것을 말한다.

위와 같이 회로를 구성한 경우 픽업과 근접한 경우 전력이 전송되는, 반복되는 영역을 특정할 수 있는데, 이를 이하 급전 모듈(402)이라고 한다. 급전 모듈은 공통선로 구간과 공통선로 보상 캐패시터(405), 급전모듈 보상 캐패시터(406)와 하나의 급전모듈(404)을 포함한다. 이러한 각 모듈은 픽업과 근접한지 여부에 따라 상호 인덕턴스의 크기가 달라지므로 급전모듈의 임피던스가 달라진다. 이하 픽업과 최대한 근접한 경우 공진 주파수가 20kHz로 픽업이 멀리 떨어져 있거나 없는 경우 공진 주파수가 15kHz인 경우에 대하여 설명한다. 물론 이는 본 발명의 효과와 용이 실시 여부를 확인하기 위해 시뮬레이션에 사용된 설정치일 뿐 공진 주파수간 차이가 클수록 본 발명의 효과는 커지므로 설정치에 한정하여 권리범위를 해석하여서는 안 될 것이다.

이 경우 도 4에서 설명한 각 급전 모듈(402)들의 공진 주파수는 15kHz로 동일하게 주어진다.

도 5는 본 실시예의 급전시 급전모듈 시스템과 픽업의 모듈도이다. 도 4의 회로도에서 특정 급전모듈의 상부에 픽업이 존재하여 상호인덕턴스의 값이 극대화되어 공진이 일어나는 시점의 회로를 도시하였다. 이때 특정 급전모듈의 임피던스는 공진점이 20kHz로 이동하므로 입력전력을 20kHz로 급전한 경우 유효전력이 극대화된다. 반면에 급전이 이루어지지 않는 급전모듈의 경우 상호인덕턴스의 값이 무시할 만큼 작기 때문에 공진주파수는 기존의 15kHz로 유지된다. 병렬연결이므로 동일한 20kHz의 입력 전력이 주어진 경우 공진이 일어나지 않기 때문에 픽업이 존재하지 않는 비급전 급전모듈의 무효전력이 커진다. 따라서 급전이 이루어지지 않는 급전모듈에서 흐르는 전류의 양이 감소되며, 손실되는 유효전력의 크기도 작아진다.

위와 같은 방식으로 공진보상이 이루어진 경우 픽업의 위치에 따라 급전모듈의 공진주파수가 변동이 일어나는 것을 이용하여 급전이 일어나는 구간의 급전 모듈에 선택적으로 유효전력을 집중시키고 나머지 급전모듈에서 소모되는 무부하 손실량을 줄일 수 있다.

도 6은 본 실시예의 급전시 급전 모듈과 픽업의 예시도이다. 급전모듈은 도 5에서 설명한 바와 같이 급전전원으로부터 전력을 인가받아 주파수에 맞는 교류전압으로 변환하는 인버터로 구성된 급전부(601), 공통 선로구간, 급전모듈로 구성된다. 여기서는 공진주파수에 맞게 인덕턴스를 보상해주는 캐패시터들을 생략하였다. 본 실시예에서 급전모듈은 병렬로 연결되어 일정 구간별로 자기장을 공급해주기 위한 것으로 본 예시도의 묘사에 한정될 필요는 없다. 급전모듈은 페라이트 코어를 권취한 형태일 수 있으며, 원형코일 쌍의 반복적인 배치일 수도 있다. 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

이하 일실시예로서 도 6을 참조하여 픽업의 구현방법에 대해 설명한다. 픽업의 집전장치는 자속이 유기되는 집전 코어 및 집전 코어에 권취되는 집전 케이블을 포함하며 급전모듈과 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 유닛을 이용하여 급전모듈로부터 형성된 유도 기전력을 공급받는다. 이러한 집전장치는 바람직하게는 픽업의 하부에 구현되되 급전장치의 위치에 대응되게 구현된다.

집전코어는 급전모듈과 자속에 의해 자기적으로 커플링되며 구비된 집전 케이블을 통해 급전모듈로부터 유도 기전력을 전달받는다. 집전 유닛은 집전 코어 및 집전 코어에 권취되는 집전 케이블을 구비한다. 집전 회로는 집전 유닛으로부터 출력되는 유도 기전력을 직류로 변환한다. 배터리는 집전회로에 의해 변환된 직류를 저장한다.

집전장치의 각 모듈에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에 따른 집전 장치는 집전 코어(610), 집전 케이블(620, 622, 624, 626), 집전 회로(630) 및 배터리(650)를 포함하여 구성할 수 있다. 집전 코어(610)는 소정의 폭과 길이를 갖는 집전 본체와, 집전 본체를 집전 코어(610)의 폭 방향 좌측 단부 및 우측 단부에 각각 동일한 방향으로 돌출된 집전 돌출부(614,615)를 구비하고 집전 픽업의 불요자장을 상쇄하기 위한 전선 권취방법으로 각 코일의 권취 방향을 코어의 각 돌출부(614,615)에 한쪽은 시계방향으로 다른 쪽은 반시계 방향으로 권취하도록 설계되어질 수 있다. 또한, 집전 돌출부의 돌출방향은 집전 코어(610)의 폭방향 및 집전 코어(610)의 길이 방향 모두에 수직하며 집전 본체를 길이 방향에 수직하게 절단한 단면의 형상이 '∩' 형상을 하도록 한다. 이때, 집전 돌출부(614,615)는 급전 돌출부와 서로 대향된 방향으로 돌출된다. 집전 케이블(620, 622, 624, 626)은 집전 코어(610)의 집전 돌출부(614,615)에 권취될 수 있으며, 경우에 따라서는 집전 본체(612)에 권취될 수도 있다.

집전회로(630)는 제1 케이블(620)과 제2 케이블(622)을 한쌍으로 연결하는 제1 정류기, 제3 케이블(624)과 제4 케이블(626)을 한쌍으로 연결하는 제2 정류기, 제1 정류기와 제2 정류기와 연결되는 전압조절부를 포함한다. 이러한 제1 정류기와 제2 정류기는 집전유닛으로부터 교류 전력을 직류 전류로 변환한 후 전압조절기로 공급하는 장치를 말한다. 한편, 제1 정류기 또는 제2 정류기는 교류 전력에서 직류진력을 얻기 위해 정류작용에 중점을 두고 만들어진 전기적인 회로소자 또는 장치를 말하며, 한 방향으로만 전류를 통과시키는 기능을 가진다. 한편, 전압조절부는 변동이 있는 각종 입력을 필요한 평활성과 레벨로 변환하여 출력하는 장치를 말한다.

위와 같은 구성을 통하여 자속의 급격한 변화가 제공되는 구간에 자속의 변화를 유기하는 인덕턴스를 배치하고 여기서 생성된 기전력을 통해 생성된 전류를 정류하여 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 배터리 및 픽업의 전원으로 사용하는 집전장치를 제작하여 사용할 수 있다. 본 픽업의 일 실시예는 주로 급전부에 특징이 있는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 될 것이다. 당업자에게 자명한 영역에 대하여 변용되어 실시될 수 있다.

급전모듈은 철로 하부에 구현될 수 있으나 본 발명의 특징상 급전시 높은 상호 인덕턴스가 유도될수록 급전이 일어나는 급전모듈과 급전이 일어나지 않는 급전 모듈 간의 공진점의 차이가 커져서 효율이 높아지므로 열차의 하단에 가까이 구현하는 것이 바람직하다. 일반적으로 고속철도의 공극(Air Gap)은 9cm 이하로 구현될 수 있다.

도 7은 본 실시예의 시뮬레이션 대상으로서 구현한 회로의 회로도이다. 본 시뮬레이션은 매틀랩(Matlab)을 통해 측정되었으며 회로도는 이해의 용이성을 위하여 측정 대상 회로를 대상으로 설명한다. 회로는 도 4의 회로와 같게 구성하였다. 따라서 인버터에 한 쌍의 공통 선로가 평행하게 연결하고 이들 사이에 한개의 급전 인덕턴스와 보상 캐패시터로 구성된 세그먼트들을 병렬로 연결하였다. 이때 보상 캐패시터는 공진이 일어나는 동안 20kHz의 공진점을 가지도록 보상하였고 공진이 일어나지 않는 경우 15kHz의 공진점을 갖는다. 급전시 공진점에 맞는 전력을 공급해야 하므로 인버터는 20kHz의 주파수로 50V의 사각파를 입력하였다. 공통선로의 보상 캐패시터는 기생 인덕턴스의 영향을 제거하기 위해 20kHz의 공진점에 해당 되도록 보상하는 캐패시턴스로 선택하였다.

이때 픽업의 위치에 따라 공진이 선택적으로 일어나므로 입력 전류와 공진이 일어나지 않는 세그먼트 ＃1, 공진이 일어나는 세그먼트 ＃2에서 각각의 세그먼트에 흐르는 전류를 측정하여 본 발명의 효과인 병렬 연결된 급전모듈에 대한 선택적인 전력집중을 확인하였다.

도 8은 도 7의 회로에서 측정된 각각의 전류값을 나타낸 그래프이다. 푸른색으로 표시된 그래프는 세그먼트 ＃1에서 측정된 전류(810)이다. 입력전류가 20kHz이지만 공진점이 15kHz이므로 전류가 거의 흐르지 않는다. 붉은색으로 표시된 그래프는 세그먼트 ＃2에서 측정된 전류(820)이다. 회로에서 유일하게 공진이 일어나고 있는 공통 선로의 연결점이기 때문에 대부분의 입력 전압에 따른 전류가 흐르게 된다. 노란색으로 표시된 그래프는 인버터에서 입력해준 전압에 따라 측정된 전원전류(830)이다.

본 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있듯이 이동하는 픽업으로 인해 자기결합이 선택적으로 일어나면 공진점이 변하고 각 세그먼트들에 자기 결합이 일어난 구간의 공진점으로 전압을 인가해주면 선택적으로 전류량을 집중시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 상호인덕턴스를 주어진 것으로 보고 최적화를 추구하는 기술분야의 일반적인 접근법과 달리 집전부가 이동할 때 급전부에 주어지는 상호인덕턴스가 변한다는 사실을 장애의 요소가 아닌 이용의 대상으로 보고 접근한 발명이다. 따라서 구체적인 실시예를 묘사하기보다 원리를 명확하게 서술하여 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 작성되었다. 따라서 병렬 연결을 통해 분절적인 급전구간을 설정하여 구간별 유효전력의 크기를 다르게 구성한다는 발명의 기술적 사상이 넓게 보호될 수 있도록 해석되어야 할 것이다. 예를들어 급전모듈 보상 캐패시터는 본 발명의 핵심적인 구성요소이지만 급전시 공진을 일으키기 위한 구성요소이므로 인덕터만으로 급전시 공진이 일어나도록 구성한다면 본 발명의 실시를 위하여 바람직하게는 생략될 수 있어야 한다. 또한 공통선로 보상 캐패시터는 필수 구성요소가 아니다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

601: 급전부 610: 집전 코어
614: 집전 돌출부 620: 제1 케이블
622: 제2 케이블 630: 집전 회로
650: 배터리 810: 비급전시 전류 그래프
820: 급전시 전류 그래프 830: 전원전류

Claims

전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서,
한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및
상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되,
상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈
을 포함하고, 상기 공통선로에는 기생 인덕턴스를 보상하기 위하여 상기 교류전원의 주파수에서 공진이 일어나도록 설정된 공통선로 보상 캐패시터가 연결된것을 특징으로 하는 급전 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 공통선로 보상 캐패시터는 상기 공통선로에 직렬로 복수개가 연결된 것을 특징으로 하는 급전 장치.
제1항에 있어서,
상기 공통선로 보상 캐패시터는 상기 급전모듈과 이웃한 급전모듈을 연결하는 상기 공통선로에 연결된 것을 특징으로 하는 급전장치.
제1항에 있어서,
상기 교류전원은 인버터를 통해 인가되되,
상기 교류전원의 주파수는 급전이 일어날 때의 상기 급전모듈의 공진주파수인 것을 특징으로 하는 급전장치.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서,
한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및
상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되,
상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈
을 포함하고, 상기 급전모듈은 페라이트 코어에 권취되는 것을 특징으로 하는 급전장치.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서,
한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및
상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되,
상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈
을 포함하고, 상기 급전모듈은 하나 이상의 원형코일 쌍을 반복적으로 배치하는 형태인 것을 특징으로 하는 급전장치.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하기 위한 급전장치에 있어서,
한 쌍의 도선이 평행하게 배치되어 일단에서 교류전원을 인가받는 공통선로; 및
상기 한 쌍의 도선에 각각 연결되되,
상기 공통선로의 복수 개의 지점에 서로 병렬로 연결되어, 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나는 임피던스를 가지고 상기 전력을 전달하는 복수 개의 급전모듈
을 포함하고, 상기 급전모듈은 상기 전력을 공급할 때 집전장치와 공진이 일어나도록 보상해주는 캐패시턴스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
제1항에 있어서,
상기 공통선로는 상기 운송수단의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 급전장치.
제1항에 있어서,
상기 공통선로는 지하에 매설된 것을 특징으로 하는 급전장치.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 급집전시스템에 있어서,
교류 전원을 공급하는 인버터;
상기 인버터에 각각 연결된 한 쌍의 공통선로;
상기 공통선로에 병렬로 연결된 복수 개의 급전모듈; 및
상기 급전모듈에 근접한 경우 자기적으로 커플링되어 상기 전력을 집전하기 위한 집전모듈을 내부에 포함하는 픽업
을 포함하는 것을 특징으로 하는 급집전 시스템.
제11항에 있어서,
상기 급전모듈에 보상 캐패시터가 직렬로 연결되되,
상기 보상 캐패시터의 캐패시턴스는, 급전이 일어나는 시점의 상호인덕턴스를 기준으로 급전모듈의 리액턴스를 보상하여 공진이 일어나는 크기의 캐패시턴스인 것을 특징으로 하는 급집전 시스템.
제11항에 있어서,
상기 인버터가 공급하는 교류전원은 급전이 일어날 때의 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 급집전 시스템.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 급전 시스템에 있어서,
인버터를 통해 특정 주파수의 교류 전원을 공급하되
상기 인버터에 연결되어 상기 전원을 공급받는 한 쌍의 공통 선로에 복수 개의 급전모듈을 병렬로 연결하고 상기 인버터가 생성하는 주파수는 집전장치와의 거리가 가까울 때의 상기 급전모듈의 공진주파수인 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.
제14항에 있어서,
상기 급전모듈에는 집전장치가 근접했을 때 공진이 일어나도록 리액턴스를 보상하는 크기의 캐패시턴스를 지닌 보상 캐패시터가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.
전기로 구동되는 운송수단에 전자기 유도 원리를 이용하여 전력을 무선으로 공급하는 급전 장치에 있어서,
전력을 공급하는 한 쌍의 공통 선로의 복수개의 지점에 급전 코일을 병렬로 연결하되,
집전장치와의 거리가 변함에 따라 달라지는 상호 인덕턴스를 보상하기 위하여 급전이 일어나는 시점에 공진이 일어나는 캐패시턴스를 가진 캐패시터가 연결된 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.
제16항에 있어서,
상기 급전 코일은 상기 운송수단의 하부에 근접하도록 돌출된 형태인 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.