Improved magnetic mirror models (IM3) for mono and dual coils with finite width and infinite permeability are proposed in this paper. By introducing a mirror current, which is located at the same distance from a source current but has smaller magnitude than the source current, the magnetic flux density of the mono and dual coils can be determined of closed form. The ratio of mirror current and source current is identified as a function of the width of core plate and the distance between source current and core plate, which was rigor-ously derived from finite-element method (FEM) simulations. Applying the proposed IM3 to the mono and dual coils used for wireless electric vehicles, the magnetic flux density over an open core plate is analyzed and its maximum points of the plate are found, which is crucial for designing the coils to avoid local magnetic saturation. Furthermore, the magnetic flux density when a pick-up core plate is positioned over a primary core plate is also analyzed by introducing successive mirror currents. The proposed magnetic mirror models were extensively verified by experiments including site tests showing quite promising practical usefulness.
A magnetic cable that can prevent the arcs and electric shocks and safely deliver the high frequency AC electric power in the flammable or harsh workplaces is firstly proposed in this paper. By introducing cancel shields for reducing the leakage flux, the proposed magnetic cable can transfer the power over the long dis-tance by minimizing the losses of the magnetic flux. The proposed magnetic cable is thoroughly analyzed by introducing a new magnetic resistance circuit model. Various types of cancel shields such as a cancel coil, a cancel copper plate, and a cancel copper pipe for reducing the leakage flux between the magnetic cables are also proposed for practical applications. The magnetic cable with a cancel aluminum pipe was implemented for experiments. The output power and efficiency of a prototype magnetic cable with 1.5 m length and 5 cm gap were measured as 353.8 W and 68 %, where the source current and switching frequency were selected as 10 A and 20 kHz, respectively. The proposed magnetic cable and equivalent circuit were fully analyzed and verified by the finite-element method (FEM) simulations and experiments with a good agreement.
본 논문에서 유한크기의 자기코어를 사용하는 무선전력전달 시스템의 자기장을 해석할 수 있는 자기 거울 모델을 제안하였다. 또한, 아크나 스파크로 인한 전기화재 및 감전으로 인한 인사사고와 같은 전기사고를 원천적으로 예방하기 위해 기존의 구리선이 아닌 자기코어를 사용하는 자기케이블을 제안하였다.
1장에서는 이 논문에 대한 소개로써 무선전력전달 기술의 필요성 및 현재 가장 널리 연구되고 있는 두 가지 기술에 대해 간단히 소개하였다. 또한, 상용화에 성공한 무선전력전달 시스템 중 하나인 온라인 전기자동차에 대한 개념 및 개발한 급집전 코일에 대해 간략히 소개하였다.
2 장에서는 유한 폭, 무한 길이, 무한 투자율의 자기코어를 사용하는 무선전력 전기자동차의 자기장을 해석할 수 있는 자기 거울 모델을 제안하였다. 무선전력 전기자동차를 포함하여 많은 무선전력전달 시스템은 출력전력 및 전체 효율을 증가시킬 목적으로 자기코어를 많이 사용하고 있다. 그러나 기존의 자기장 해석 모델은 오직 이상적인 조건 즉, 무한 폭, 무한길이, 무한 투자율의 자기코어를 사용하는 경우에만 적용할 수 있어 무선전력전달 시스템을 설계하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 기존의 자기장 해석 모델을 개선하여 유한크기의 자기코어를 사용하는 무선전력전달 시스템의 자기장을 해석할 수 있는 새로운 자기장 해석 모델을 제안하였다. 또한, 제안한 모델을 유한요소해석 시뮬레이션과 실험을 통해 증명하였다.
3장에서는 전기사고를 예방하기 위해 기존의 구리선이 아닌 자기코어를 사용하는 자기케이블을 제안하였다. 전기는 인류에 많은 편리함을 가져다 주었지만 전기사고로 인해 국내에서만 매년 수백 명의 사람이 다치거나 목숨을 잃는 등 사실 굉장히 위험한 것 중 하나이다. 이러한 전기사고를 예방하기 위해 아크, 스파크, 감전 등의 위험이 전혀 없는 자기케이블을 설계할 수 있는 방법을 제안하였다. 또한, 제안한 자기케이블을 유한요소해석 시뮬레이션과 실험을 통해 증명하였다.
4장에서는 제안한 자기장 해석 모델과 자기케이블의 연구 결과를 간략히 요약하였고 차후 연구 과제를 제시하였다.
이 논문을 통해, 무선전력전달 시스템에서 사용하는 모노, 듀얼 코일을 설계하는 것이 가능하게 되었고, 설계한 시스템의 출력전력 및 효율 등을 쉽게 예측할 수 있게 되었다. 또한, 제안한 자기케이블을 사용함으로써 저 전력 바이오 임플란트 소자에서부터 전기기차, 산업 장비와 같은 고 전력기기들까지 전기사고 없이 안전하게 전기를 전송할 수 있게 되었다.