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군 이동기지국시스템(MSAP) 통합전원제어장치 배터리 충전용 1.5kVA급 무선전력전송기기의 설계
Design of the 1.5kVA Class Wireless Power Transfer Device for Battery Charging of Integrated Power Control System in MSAP 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.3, 2020년, pp.413 - 420  

김진성 (국방기술품질원 지휘정찰기술팀) ,  김병준 (국방기술품질원) ,  박현정 (국방기술품질원) ,  서민성 (국방기술품질원)

초록
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군 전술정보통신체계(TICN: Tactical Information and Communication Network)는 이동기지국시스템(MSAP: Mobile Subscriber Access Point)을 활용하여 음성 및 데이터 등 실시간 멀티미디어 서비스를 제공한다. 이때 소용량 무선전송체계와 대용량 무선전송체계를 통해 외부전송로를 구성하게 된다. 각 무선전송체계의 통신기기들은 전술차량에 탑재되고 전술차량에 공급전원이 통합전원제어장치로 절체 될 때 전원차단을 예방하기 위해 2차전지가 사용된다. 본 논문은 이동기지국시스템 통합제어장치 배터리 충전용 무선전력전송기기를 장하분배법을 이용하여 기본 설계하고 공극에 의한 설계 변수인 1차 측 권선 수와 코어 재질선정을 FEM(Finite Elements Method) 해석을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The Tactical Information and Communication Network system provides real-time multimedia services such as voice and data by utilizing the Mobile Subscriber Access Point. At this time, an external transmission path is constructed through the Low Capacity Trunk Radio and the High Capacity Trunk Radio s...

주제어

#유한 요소법   #자기 유도 방식   #이동 기지국 시스템   #전술 정보 통신 체계   #무선 전력 전송  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 2차전지를 충전하기 위해서는 충전단자를 연결해서 충전하거나 배터리만 분리하여 전용충전기를 사용하여야하는 불편함이 있었다. 본 논문에서는 군 이동기지국시스템 통합전원제어장치의 2차전지를 별도의 충전단자를 사용하지 않고 무선으로 전력을 충전할 수 있는 무선전력전송기기를 설계하였다.
  • 전송방식으로는 자기유도방식(Inductive Power Transfer), 자기공명방식(Magnetic Resonance Coupling), 전자기파방식 등이 있다[3]. 본 논문에서는 수 cm까지 고효율로 무선전력전송을 할 수 있는 자기유도방식을 사용하여 기기를 설계하였다.
  • 본 연구는 군용 이동기지국시스템의 전술차량에 설치되는 통합전원제어장치 배터리 충전용 1.5[kVA]급 자기유도방식의 무선전력전송기기를 설계하고 FEM 해석을 통해 1차 측 권선 수를 검증하며 철심재질을 선정하였다. 그 결과 코어의 재질은 Electric steel 23PHD085가 적합함을 보였고 그에 따른 2차 측 권선은 기본설계대비 86turn이 증가됨을 확인하였다.

대상 데이터

  • 대상 재질은 일반 steel, Amorphous alloy, Electrical steel이며 각각의 B/H 곡선 Data를 활용하여 3D FEM 해석을 통해 적합성을 검토하였다.

데이터처리

  • 2차 측 자속밀도 상승을 위해 1차 측 권선의 수를 늘리는 것뿐만 아니라 코어 재질의 선택도 중요하다 하겠다. MSAP 통합제어장치 배터리 충전용 무선전력 전송기기에 맞는 코어 재질을 선택하기 위해 앞서 언급한 3종의 재질을 비교하였다[9-10]. 본 논문에서는 2차 측에 발생되는 자속밀도의 적합성만 고려하였다
  • 이는 2mm 공극을 가지는 무선전력전송기기의 특성상 정확한 자속밀도를 계산하기 위해 FEM 해석을 수행하였다. 무선전력전송기기의 해석은 축대칭이 불가하고 코어의 단면적에 따른 자속밀도 계산을 위해 3D 해석을 수행하였다. 해석의 목표는 2차 측 코어에 발생하는 자속밀도의 크기가 기준자속밀도로 설정한 1.
  • 2차 측으로 유기되는 전압을 계산하기 위해서는 2차 측 코어에 발생하는 자속의 크기를 계산해야 한다. 이는 2mm 공극을 가지는 무선전력전송기기의 특성상 정확한 자속밀도를 계산하기 위해 FEM 해석을 수행하였다. 무선전력전송기기의 해석은 축대칭이 불가하고 코어의 단면적에 따른 자속밀도 계산을 위해 3D 해석을 수행하였다.

이론/모형

  • 본 논문의 무선전력전송기기는 장하분배법(Loading Distribution Method)을 이용하여 설계하였다. 이는 전극에 감겨있는 권선의 턴 수와 그에 흐르는 전류의 관계를 전기장하(Electric loading)로, 이에 발생되는 자속을 자기장하(Magnetic loading)로 나누어 극 당전기용량과의 관계로 설계하는 방법이다[4-5].
  • 무선전력전송기기에 사용된 자기유도방식의 무선전력전송은 1차 측과 2차 측 두 개의 송ㆍ수신 코일을 근거리에 위치시켜 송신코일 즉 1차 측 코일에 흐르는 전류에 의한 자기장으로 수신코일 즉 2차 측 코일에 전류가 유도되는 방식을 의미한다. 통합전원제어장치의 2차전지는 지정된 위치에 사용되기 때문에 충전 효율이 높고 근거리에서 전력전송이 가능한 자기유도 방식을 적용하였다[4].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MSAP는 무엇을 이용하여 외부 전송로를 구성하는가? 전술정보통신체계(TICN: Tactical Information and Communication Network)에서 전술이동통신체계는 이동기지국시스템(MSAP: Mobile Subscriber Access Point)을 활용하여 전술다기능단말기(TMFT: Tactical Multi-Functional Terminal)로 음성 및 데이터 전송 등의 실시간 멀티미디어 서비스를 지원한다. MSAP는 이를 위해 기간망 교환접속체계인 소용량 무선전송체계(LCTR: Low Capacity Trunk Radio)와 대용량 무선전송체계(HCTS: High Capacity Trunk Radio)를 이용하여 외부 전송로를 구성한다[1-2]. 이때 통신용 기기들은 전술차량에 탑재되는데 기기 구동을 위한 전원은 통합전원제어장치를 통해 상전 및 자가발전기 전원을 제어한다.
전술정보통신체계에서 전술이동통신체계는 어떤 서비스를 지원하는가? 전술정보통신체계(TICN: Tactical Information and Communication Network)에서 전술이동통신체계는 이동기지국시스템(MSAP: Mobile Subscriber Access Point)을 활용하여 전술다기능단말기(TMFT: Tactical Multi-Functional Terminal)로 음성 및 데이터 전송 등의 실시간 멀티미디어 서비스를 지원한다. MSAP는 이를 위해 기간망 교환접속체계인 소용량 무선전송체계(LCTR: Low Capacity Trunk Radio)와 대용량 무선전송체계(HCTS: High Capacity Trunk Radio)를 이용하여 외부 전송로를 구성한다[1-2].
무선전력전송방식에는 무엇이 있는가? 무선전력전송(WPT: Wireless Power Transfer)기술은 전기에너지가 필요한 사물에 무선으로 전력을 공급하기 위한 에너지 전송기술이다. 전송방식으로는 자기유도방식(Inductive Power Transfer), 자기공명방식(Magnetic Resonance Coupling), 전자기파방식 등이 있다[3]. 본 논문에서는 수 cm까지 고효율로 무선전력전송을 할 수 있는 자기유도방식을 사용하여 기기를 설계하였다.
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참고문헌 (10)

  1. K. Park, "TICN System Requirement and Capability for Future Warfare Environment," Telecommunications Review, vol. 20, no. 2, 2010, pp. 196-206. 

  2. Y. Son, B. Bae, T. Shon, Y. Ko, K. J. Lim, and M. Yun, "Mutual Authentication Method between Wireless Mesh Enabled MSAPs in the Next-generation TICN," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, vol. 37, no. 5, 2012, pp. 385-394. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Y. Jung, "Technical Trend of Long-range Wireless Power Transfer," Journal of the Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers, vol. 22, no. 1, 2018, pp. 216-222. 

  4. J. S. Kim, Y. Lee, S. R. Kim, J. G. Lee, and G. S. Park, "Development of a Non-contact Electric Power Transferring System by Using an Inductive Coupling Method," Journal of the Korean Magnetics Society, vol. 22, no. 3, 2012, pp. 97-102. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Y. Lee, K. Lee, and G. S. Park, "A Study on Design of 1KVA Non-Contact Power Transmission Machine," The Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference, Jeju, Korea, July 2013, pp. 20-21. 

  6. J. Choi and S. Lee, "Parameter calculation using transformer equivalent circuit and FEM analysis of a high-capacity contactless power transfer system based on electromagnetic induction," Conference of the korean Society for Railway, Yongpyong, Korea, May 2013, pp. 145-150. 

  7. J. Na, D. Roh, and D. Kim, "Design of the L-band Rotary Joint in Ring Contact Type to Improve Signal Insertion Loss," Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 1, 2019, pp. 41-48. 

  8. C. Kim and S. Baek, "AA Study on the Design and Implementation of 2-phase BLDC Fan Motor with 1-horsepower Class for Air Conditioning," Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 4, 2018, pp. 757-764. 

  9. S. Kim, D. Kim, D. Lee, C. Gim, and Y. Kim "Analysis of Efficiency and Loss due to Number of Poles in Magnetic Gears," Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 5, 2018, pp. 1023-1028. 

  10. K. Lee, W. Cho, J. Back, and I. Choi, "Design and Verification of Disturbance Observer based Controller for Windturbine with Two Cooperative Generators," Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 2, 2017, pp. 301-308. 

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