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KR20020093101A - 1차 권선과 2차 권선사이의 상호 자기 인덕턴스의 용량성병렬 보상을 가지는 유도성 커플링 시스템 - Google Patents

1차 권선과 2차 권선사이의 상호 자기 인덕턴스의 용량성병렬 보상을 가지는 유도성 커플링 시스템 Download PDF

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KR20020093101A
KR20020093101A KR1020027014569A KR20027014569A KR20020093101A KR 20020093101 A KR20020093101 A KR 20020093101A KR 1020027014569 A KR1020027014569 A KR 1020027014569A KR 20027014569 A KR20027014569 A KR 20027014569A KR 20020093101 A KR20020093101 A KR 20020093101A
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KR
South Korea
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yoke
primary
winding
coupling system
inductive coupling
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KR1020027014569A
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빌헬무스 헤이. 엠. 에떼스
요르헤 엘. 뒤아르떼
요하네스 엘. 에프. 반데르벤
Original Assignee
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

유도성 커플링 시스템의 성능을 개선하기 위해, 1차 권선(4)과 2차 권선(8)사이의 자기적 커플링은, 요크사이의 에어갭(18)근처에 조립체의 1차 요크(2) 및/또는 2차 요크(6)상에 보조 권선(26,28)을 추가함으로써 개선된다. 커패시터(30,32)는 보조 권선(26,28)에 연결되고, 이 커패시터는 보조 권선의 인덕턴스와 함께 1차 AC 전압의 동작 주파수에서 공진한다. 그 결과 자기 조립체의 크기를 증가시키지 않고도 1차 및 2차 권선(4,8)사이의 자기적 커플링이 개선된다.

Description

1차 권선과 2차 권선사이의 상호 자기 인덕턴스의 용량성 병렬 보상을 가지는 유도성 커플링 시스템{INDUCTIVE COUPLING SYSTEM WITH CAPACITIVE PARALLEL COMPENSATION OF THE MUTUAL SELF-INDUCTANCE BETWEEN THE PRIMARY AND THE SECONDARY WINDINGS}
이러한 유도성 커플링 시스템은, 고주파수에서 동작하는 DC-DC 변환기의 일부를 형성하거나 형성하지 않는, 그리고 변압기 코어의 1차 및 2차 요크가 서로에 대해 고정되게(rigidly) 배치되고 서로 기계적으로 통합된, 변압기로 알려져 있다. 메인 전압(mains voltage)이 DC-DC 변환기에 의해 메인 전압과 직접적인 전기적 접촉을 하지 않는 저 동작 전압으로 변환되는 소위 "전원 플러그"가 그 예이다.
이러한 유도성 커플링 시스템은 또한 전기 치솔, 면도기 및 이동 전화 같은 재충전가능한 전기 제품을 위한 비접촉 유도성 충전 시스템으로부터도 알려져 있다. 이 경우, 1차 및 2차 요크는 분리될 수 있어서, 1차 요크는 소위 "스탠드(stand)"에 수용되고 2차 요크는 상기 재충전가능한 전기 제품에 수용된다. 재충전가능한 전기 제품은 사용후 다시 스탠드에 위치되어, 1차 및 2차 요크가 서로에 대해 위치됨으로써 이러한 요크 및 그 권선들이 다시 변압기를 형성한다.
전술한 두 경우 모두에서, 요크의 말단면 사이의 비교적 큰 에어 갭(air gap)으로 인해 커플링 시스템의 1차 부분과 2차 부분사이의 불완전한 자기적 커플링이 야기된다. 고정된 변압기의 경우, 비용과 크기의 허용 오차(tolerance)가 이러한 큰 에어갭을 야기할 수 있고, 유도성 충전 시스템의 경우, 주 원인은 스탠드 및 전기 제품의 설계의 본질이다. 큰 에어갭으로 인한 결과는 1차 요크의 말단면으로부터 나오는 자계선(magnetic field line)의 실질적인 부분이 대응하는 2차 요크의 말단면에 의해 검출되지 않는다는 것이다. 이것은 1차 권선을 통하는 주요한 무효 전류(wattless current) 및 1차 권선과 1차 권선을 구동시키는 전자 부품에서의 손실을 야기한다.
요크사이의 자기적 커플링을 증가시키기 위해서 요크의 크기를 증가시키는 것이 해결책이 될 수 있으나, 이것은 한편으로 비용을 증가시키고 다른 한편으로는 설계의 자유에 한계를 가져온다.
본 발명은, AC 공급 전압(Vp)를 연결하기 위한 1차 권선(4)이 제공된 1차 요크(yoke)(2) 및 2차 권선(8)이 제공된 2차 요크(6)를 가지는 자화가능한 코어를 포함하는 유도성 커플링 시스템에 관한 것이고, 상기 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는 1차 요크(2)와 2차 요크(6)사이의 자기 에너지 전달을 위한 대응하는 말단면(10,14;12,16)을 가진다.
도 1 은 종래의 유도성 커플링 시스템의 개략도,
도 2 는 종래의 유도성 커플링 시스템의 전기적 등가 회로도,
도 3 은 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템의 전기적 등가 회로도,
도 4 는 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템의 제 1 실시예의 개략도,
도 5 는 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템의 제 2 실시예의 개략도,
도 6 는 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템의 제 3 실시예의 개략도,
도 7 는 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템의 제 4 실시예의 개략도,
도 8 은 본 발명에 따른 유도성 커플링 시스템이 제공된 재충전가능한 전기 제품 및 스탠드의 결합에 대한 간략화된 전기 다이어그램,
도 9 는 도 8 의 결합의 입면도(elevation)이다.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 커플링 시스템의 1차 부분과 2차 부분사이의 개선된 자기적 커플링을 보여주는 유도성 커플링 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 전반부에 언급된 유도성 커플링은, 상기 유도성 커플링 시스템이 1차 AC 전압의 주파수에서 커플링 시스템의 상호 자기-인덕턴스의 용량성 병렬 보상을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 유도성 커플링 시스템의 등가 모델에 있어서, 1차 부분과 2차 부분사이의 자기적 커플링은 상호 자기-인덕턴스에 의해 표현된다. 빈약한 자기적 커플링은 1차 누설 인덕턴스에 비해 낮은 값의 상호 자기-인덕턴스를 나타낸다. 용량성 병렬 보상은, 상호 자기-인덕턴스에 병렬로 연결되고 상호 자기-인덕턴스와 함께 1차 AC 전압의 주파수에서 공진하는 병렬 공진 회로를 형성하는, 커패시턴스를 제공한다. 병렬 공진의 경우, 병렬 회로의 임피던스는 높고, 어떠한 무효 전류도 더이상 이 병렬 회로로부터 그리고 이 병렬 회로로 거의 흐르지 않는다. 이러한 방식으로 에어갭의 방해 영향은 상당히 감소될 수 있고, 요크 자체의 크기를 변화시키지 않고도 결과적으로 거의 모든 자기 에너지가 여전히 커플링 시스템의 1차 부분으로부터 2차 부분으로 흐를것이다.
용량성 병렬 보상은 전술한 말단면 중 적어도 하나의 근처에 배치된 보조 권선의 형태로 구현되는 것이 바람직하고, 이러한 보조 권선에는 1차 AC 전압의 주파수에서 보조 권선과 공진하는 커패시터가 연결된다.
이러한 유도성 커플링 시스템의 요크상에 하나 이상의 보조 권선을 배치하기 위해, 종속항에 기재된 것과 같은 여러 유익한 구성들도 가능하고, 여기서 요크는 U자형이거나 E자형일 수 있다.
본 발명은 이하 첨부 도면을 참고하여 더 상세히 설명될 것이다.
도면에서 동일한 구성 요소들에 대해서는 동일한 도면 부호가 주어졌다.
도 1 은 종래의 유도성 커플링 시스템의 개략도이다. 본 시스템은, 1차 AC 전압(Vp)이 연결될 수 있는 1차 권선(4)이 제공된 1차 요크(2) 및 2차 AC 전압(Vs)를 추출하기 위한 2차 권선(8)이 제공된 2차 요크(6)을 가지는 자화가능한 코어를 포함한다. 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는 예를 들면 U자형이고, 1차 권선(4) 및 2차 권선(8)은 모두 각 요크의 중앙부상에 배치된다. 1차 요크(2)는 대응하는 말단면(14,16)의 반대편에 위치하는 2개의 말단면(10,12)을 가지고, 에어갭(18)은 대응하는 말단면사이에 배치된다.
1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는, 예를 들면 또한 파워 플러그 라고도 불리는메인 전압 어댑터를 위한 변압기에서와 같이, 서로에 대해 고정되어 위치될 수 있다. 그러나 대안적으로 요크는 분리가능하여서, 1차 요크는 재충전가능한 전기 제품이 위치하는 충전 디바이스 또는 스탠드에 수용될 수 있다. 2차 요크는 재충전가능한 전기 제품에 수용되고, 2차 요크의 말단면은 스탠드에 장착될 때 1차 요크의 말단면 반대편에 위치하게 될 것이다. 재충전가능한 전기 제품 및 스탠드 모두다 하우징을 가지고, 이러한 하우징에 대해서, 강도 및 안전에 대한 이유로, 스탠드내의 1차 요크의 말단면과 재충전가능한 전기 제품의 2차 요크의 말단면사이의 거리를 최소화하기 위해 너무 작은 벽 두께를 사용할 수는 없다. 이러한 결과 비교적 큰 에어갭(18)이 발생한다.
비교적 큰 에어갭(18)은 1차 요크(2)와 2차 요크(6) 사이에 빈약한 자기적 커플링을 야기하고, 이는 1차 요크(2)에서 생성된 자계선의 주요 부분이 2차 요크(6)에 의해 검출될 수 없기 때문이다. 이것은 1차 권선(4)을 통하는 무효 전류를 야기하고, 이에 의해 1차 권선 그 자체 및 1차 권선의 구동 전자 부품에서의 큰 옴 손실(ohmic losses)이 발생한다. 이 모든 것은 시스템의 효율성 및 비용에 불리한 영항를 미친다. 효율성은 요크의 크기 및 이에 따라 또한 말단면의 크기를 증가시킴으로써 개선되지만, 이것은 또한 더 높은 비용 및 설계 자유의 감소를 야기한다.
도 2 는 1차 누설 인덕턴스(Lsp), 2차 누설 인덕턴스(Lss), 및 누설 인덕턴스들의 교차점(22)과 공통 교차점(24)사이에 존재하는 상호 자기-인덕턴스(Lm)를 가지는, 도 1 에 따른 유도성 커플링 시스템의 전기적 등가 회로도를 도시한다.만족스런 전달은, 1차 누설 인덕턴스(Lsp)와 2차 누설 인덕턴스(Lss)에 비해 예를 들면 상호 자기-인덕턴스(Lm)의, 교차점(22,24) 사이의 최대 임피던스를 필요로 한다.
이것은 최소 크기의 에어갭 및/또는 큰 요크 크기로 달성될 수는 없기 때문에, 도 3 에 도시된 바와 같이, 교차점(22,24) 사이의 높은 임피던스는 상호 자기-인덕턴스(Lm)에 병렬로 연결된 커패시턴스(Cm)에 의해 달성된다. 교차점(22,24)사이의 매우 높은 임피던스는, 상호 자기-인덕턴스(Lm)와 상호 커패시턴스(Cm)의 병렬 공진이 일어나는 주파수에서 시스템이 구동된다는 점에서 획득될 수 있다.
도 4 는 상호 자기-인덕턴스의 용량성 병렬 보상을 가지는 유도성 커플링 시스템의 제 1 실시예를 도시한다. 이를 위해, 2개의 보조 권선(26,28)이 에어갭(18)근처에서 1차 요크(2)의 말단면(10,12) 근처에 제공된다. 커패시터(30,32)는 이러한 2개의 보조 권선(26,28)에 연결되고, 이 커패시터는 보조 권선의 자기-인덕턴스와 함께 1차 AC 전압(Vp)의 주파수에서 공진한다. 이 결과, 음의 릴럭턴스(reluctance)가 에어갭의 양의 릴럭턴스와 직렬로 연결된다. 공진이 발생하면, 이러한 2개의 릴럭턴스는 동일하여서, 서로 상쇄된다. 이러한 효과는 만약 단지 하나의 보조 권선과 하나의 커패시터가 1차 요크(2) 또는 2차 요크(6)상에 배치될 때 이미 달성됨을 이해하여야 한다.
도 5 는 제 2 요크(6)에도 보조 권선 (34,36) 및 이에 연결된 커패시터(38,40)가 제공된 제 2 실시예를 도시한다. 이것도 에어갭의 자기 임피던스의 추가적인 감소를 야기한다.
도 6 은 1차 권선(4) 및 2차 권선(8)이 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)의 서로 반대편 렉(leg)상에 배치되고, 보조 권선 (26,36) 및 그와 연관된 커패시터(30,40)이 요크의 서로 다른 반대편 렉상에 배치된, 수정된 실시예를 도시한다.
도 4, 5, 및 6에 도시된 U자형의 요크는 C자형이거나 이 목적에 적절한 임의의 다른 2-렉의 형태일 수도 있다. C자형의 1차 요크와 U자형의 2차 요크의 조합 또는 그역의 조합도 또한 가능하다. 요크의 말단면은 사각형 또는 원형일수 있고, 임의의 다른 형상을 가질 수도 있다. 또한 1차 요크 및 2차 요크의 말단면의 형상을 서로 다르게 하는 것도 가능하다.
도 7 은 3-렉의 E자형 요크를 포함하는 수정된 실시예를 도시한다. 1차 권선(50)은 1차 요크(54)의 중앙 렉(52)상에 배치되고, 2개의 외측 렉(56,58)의 말단은 보조 권선(60,62)을 수반하고, 이들 보조 권선에는 각각 커패시터(64,66)가 연결된다. 보조 권선(72)이 2차 요크(70)의 중앙 렉(68)의 말단상에 배치되고, 이러한 보조 권선(72)에는 커패시터(74)가 연결된다. 2차 권선은 2개의 서브 권선(76,78)으로 분할되고, 이 서브 권선은 2차 요크(70)의 외측 렉(80,82)상에 배치된다.
도 8 은 재충전가능한 전기 제품(90) 및 스탠드(92)의 결합에 대한 간략화된 전기 다이어그램을 도시한다. 모두 도 4 에 도시된 바와 같이, 2차 요크(6) 및 2차 권선(8)은 재충전가능한 전기 제품(90)에 존재하고, 보조 권선(26,28) 및 이와 관련된 커패시터(30,32) 뿐 아니라 1차 요크(2) 및 1차 권선(4)은 스탠드(92)에 존재한다. 그러나 도 5,6 및 7에 도시된 수정된 실시예도 이를 위해 동등하게 잘 사용될 수 있다. 게다가 스탠드(92)는 본질적으로 1차 권선(4)을 구동시키는 것으로 알려진 구동 전자부(94)를 포함한다. 상기 구동 전자부(94)는 메인 전압(96)을 DC 전압으로 변환하고, 이 DC 전압은 발진기 회로에 의해 1차 권선(4)이 구동되는 AC 전압으로 변환된다. 또한 재충전가능한 전기 제품(90)은 2차 권선(8)에 직렬로 연결된 정류기(98) 및 재충전가능한 배터리(100)을 포함한다. 재충전가능한 배터리(100)는 재충전가능한 전기 제품의 유형에 따른 유형의 부하(102)에 전력을 공급한다. 재충전가능한 전기 제품(90)은 예를 들면 도 9 에 도시된 바와 같이 전기 면도기일 수 있고, 이 전기 면도기는 배터리(100)를 재충전하기 위한 스탠드(92)의 적절한 공간(104)에 위치할 수 있다. 스탠드(92)의 1차 요크(2)와 재충전가능한 전기 제품(90)의 2차 요크(6)는 스탠드(92)와 전기 제품(90)의 하우징내에 위치하고, 이로써 2개의 요크사이의 자기적 커플링을 가능하게하기 위해 스탠드(92)의 공간(104)에 전기 제품(90)이 위치될 때 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)의 말단면이 서로 마주보게 된다. 이 경우, 2차 AC 전압은 2차 권선(8)에 걸쳐 사용가능하게 되고, 이 2차 권선의 전압에 의해 정류기(98)을 통해 배터리가 충전된다. 전기 면도기의 경우에, 부하(102)는 예를 들면 셰이빙 헤드(106)를 위한 구동 모터(미도시됨) 및 모터를 위한 온/오프 스위치(미도시됨)를 포함한다. 스탠드(92) 및 재충전가능한 전기 제품(90)은 함께, 접촉하도록 고정된 충전 디바이스의 경우에서 처럼, 방수가 되고 먼지와 부식에 영향을 받지 않기 때문에 전술한 전기 면도기에 아주 적절한 비접촉 유도성 충전 시스템을 형성한다. 보조 권선 및 커패시터에 의한 상호 자기-인덕턴스의 용량성 병렬 보상의 사용은, 요크(2,6)의 크기를 증가시킬 필요 없이 재충전가능한 배터리(100)을 위한 더 높은 충전 전류를 가능하게 한다. 이러한 비접촉 충전 시스템은 전기 면도기에 제한되는 것은 아니고, 전기 칫솔, 이동 전화, 전기 드릴등과 같은 다른 재충전가능한 전기 제품에도 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
전술한 바와 같이 본 발명은, AC 공급 전압(Vp)를 연결하기 위한 1차 권선이 제공된 1차 요크(yoke) 및 2차 권선이 제공된 2차 요크를 가지는 자화가능한 코어를 포함하는 유도성 커플링 시스템에 사용가능하다.

Claims (9)

1차 AC 전압(Vp)를 연결하기 위한 1차 권선(4)이 제공된 1차 요크(2) 및 2차 권선(8)이 제공된 2차 요크(6)를 가지는 자화가능한 코어를 포함하고, 상기 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는 상기 1차 요크(2)와 2차 요크(6)사이의 자기 에너지 전달을 위한 대응하는 말단면(10,14;12,16)을 가지는, 유도성 커플링 시스템에 있어서,
상기 유도성 커플링 시스템은, 상기 1차 AC 전압(Vp)의 주파수에서 상기 커플링 시스템의 상호 자기-인덕턴스(Lm)의 용량성 병렬 보상을 위한 수단(Cm)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 용량성 병렬 보상을 위한 수단은 상기 말단면의 적어도 하나(10) 근처에 배치된 보조 권선(26)을 포함하고, 상기 보조 권선에는 상기 1차 AC 전압(Vp)의 주파수에서 상기 보조 권선과 공진하는 커패시터(30)가 연결되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는 2-렉(2-legged)이고, 상기 1차 권선(4)은 1차 요크(2)의 중앙 부분에 배치되고, 상기 보조 권선(26,28) 및 상기 커패시터(30,32)는 상기 1차 요크(2)의 두 말단면 각각(10,12)의 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 2차 권선(8)은 상기 2차 요크(6)의 중앙 부분에 배치되고, 상기 보조 권선(34,36) 및 상기 커패시터(38,40)는 상기 2차 요크(6)의 두 말단면 각각(14,16)의 근처에 추가적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 1차 요크(2) 및 2차 요크(6)는 2-렉이고, 상기 1차 권선(4)은 1차 요크(2)의 하나의 렉(leg)상에 배치되고 상기 보조 권선(26) 및 상기 커패시터(30)는 상기 1차 요크(2)의 다른 하나의 렉의 말단면(10) 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 2차 권선(8)은 상기 2차 요크(6)의 하나의 렉상에 배치되고, 상기 보조 권선(36) 및 상기 커패시터(40)는 상기 2차 요크(6)의 다른 하나의 렉의 말단면(16) 근처에 추가적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 1차 요크(54) 및 상기 2차 요크(70)는 중앙 렉(52;68) 및 2개의 외측 렉(56,58;80,82)을 가지는 E자형이고, 상기 1차 권선(50)은 상기 1차 요크(54)의 중앙 렉(52)상에 배치되고, 상기 보조 권선(60;62) 및 상기 커패시터(64;66)는 상기 1차 요크(54)의 2개의 외측 렉(56;58)의 두 말단면 각각의 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
제 7 항에 있어서, 상기 2차 권선은 상기 2차 요크(70)의 2개의 외측 렉(80;82)상의 부분(76;78)에 배치되고, 상기 보조 권선(72) 및 상기 커패시터(74)는 상기 2차 요크(70)의 중앙 렉(68)의 말단면 근처에 추가적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 커플링 시스템.
재충전가능한 전기 제품(90)내의 재충전가능한 배터리(100)를 재충전시키기 위해 스탠드(stand)(92)에 상기 재충전가능한 전기 제품(90)을 위치시키기 위한, 재충전가능한 전기 제품(90)과 스탠드(92)의 결합에 있어서,
상기 결합에는 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 기재된 유도성 커플링 시스템이 제공되고, 상기 1차 요크(2) 및 상기 1차 권선(4)은 상기 스탠드(92)에 수용되고, 상기 2차 요크(6) 및 상기 2차 권선(8)은 상기 재충전가능한 전기 제품(90)에 수용되는 것을 특징으로 하는, 재충전가능한 전기 제품과 스탠드의 결합.
KR1020027014569A 2001-03-02 2002-02-01 1차 권선과 2차 권선 사이의 상호 자기 인덕턴스의 용량성 병렬 보상을 가지는 유도성 커플링 시스템, 및 재충전가능한 전기 제품과 스탠드의 결합 Expired - Lifetime KR100888465B1 (ko)

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