KR101278399B1 - 무선 전력 공급 시스템 - Google Patents

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KR101278399B1
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후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

무선 전력 공급 시스템은 송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)을 포함한다. 송전 공진 코일(1)은 정해진 공진 주파수 특성을 갖고, 무선으로 전력을 송출한다. 수전 공진 코일(2)은 송전 공진 코일(1)과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 공진 주파수의 동조에 의해 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 무선으로 전력을 수전한다. 중계 공진 코일(3)은 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 이들과의 사이에서 공진 주파수가 동조하여 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 송전 공진 코일(1)로부터의 전력을 수전 공진 코일(2)에 무선으로 중계한다.

Description

무선 전력 공급 시스템{WIRELESS POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 소위 자기장 공명 모드에 의해 무선으로 전력을 공급하는 무선 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
무선에 의한 전력 공급 기술로서는, 전자 유도나 전파를 이용한 것 대신에, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 자기장 공명 모드를 이용한 기술이 최근 제안되고 있다. 이 자기장 공명 모드에 의한 무선 전력 공급 기술에서는, 예컨대 송전(送電) 장치에 공진 각 주파수(ω1)를 갖는 공진기를 설치하고, 수전(受電) 장치에 공진 각 주파수(ω2)를 갖는 공진기를 설치한다. 공진기로서는, 코일과 콘덴서를 접속한 공진 회로가 적용된다. 이들 공진 각 주파수(ω1, ω2)를 동조(同調)시켜, 공진기의 사이즈나 배치를 적당히 조정하면, 송전 장치와 수전 장치 사이에 자기장 공명 모드에 의한 에너지 전송 가능한 자기장 결합 상태가 발생하고, 송전 장치의 공진기로부터 수전 장치의 공진기로 무선에 의해 전력이 전달된다. 이러한 무선 전력 공급 기술에 따르면, 전력의 이용 효율(에너지 전송 효율)이 수십% 정도가 되어 장치 간의 이격 거리도 비교적 크게 잡을 수 있어, 송전 장치에 대하여 수전 장치를 수십 ㎝ 이상 떼어놓을 수 있다.
일본 특허 공표 제2009-501510호 공보
그러나, 상기 자기장 공명 모드를 이용한 무선 전력 공급 기술에서는, 전자 유도에 의한 경우와 마찬가지로 코일에 지향성이 있기 때문에, 송전 장치와 수전 장치의 위치 관계에 따라서는 전력 공급이 곤란해진다는 난점이 있었다. 예컨대, 송전측 코일의 코일축과 수전측 코일의 코일축이 교차형, 평행형, 또는 트위스트형의 위치 관계가 되는 경우에 대해서 생각한다. 이 경우, 송전측 코일로부터 나와 수전측 코일을 빠져나가는 자력선의 수직 성분은 동축의 경우보다도 필연적으로 작아지고, 그것에 따라 자기장의 강도도 작아지게 된다. 이에 따라, 코일축이 어긋난 송전 장치와 수전 장치의 사이에서는 자기장 공명 모드에 의한 자기장 결합 상태가 약해져 거의 전력이 전달되지 않거나 또는 전혀 전력이 전달되지 않는 상태가 된다.
본 발명은 상기한 사정을 기초로 고안된 것이다. 본 발명은 송전측으로부터의 전력을 중계하여 효율적으로 수전측에 전달할 수 있는 무선 전력 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 다음의 기술적 수단을 강구하고 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 무선 전력 공급 시스템이 제공된다. 무선 전력 공급 시스템은 송전(送電) 공진 코일, 수전(受電) 공진 코일, 및 하나 또는 복수의 중계 공진 코일을 포함한다. 송전 공진 코일은 공진 주파수 특성을 갖고, 무선으로 전력을 송출한다. 수전 공진 코일은 송전 공진 코일과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 공진 주파수의 동조에 의해 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 무선으로 전력을 수전한다. 중계 공진 코일은 송전 공진 코일 및 수전 공진 코일과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 이들과의 사이에서 공진 주파수가 동조하여 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 송전 공진 코일로부터의 전력을 수전 공진 코일에 무선으로 중계한다. 송전 공진 코일로부터 나와 수전 공진 코일을 직접 빠져나가는 자력선이 수전 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 α라고 한다. 송전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일로부터 나와 중계 공진 코일을 빠져나가는 자력선이 이 중계 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 β0이라고 한다. 중계 공진 코일로부터 나와 수전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일을 빠져나가는 자력선이, 이 수전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 β1이라고 한다. 그러한 경우, 중계 공진 코일은 0°≤β0<α≤90°와 0°≤β1<α≤90°가 되도록 배치된다.
본 발명의 기타 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이하에서 이루어지는 상세한 설명에 의해 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 일 실시형태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 무선 전력 공급 시스템의 변형예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 구성 요소가 되는 공진 코일의 평면도이다.
도 4는 중계 공진 코일을 이용한 경우의 유효성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 중계 공진 코일을 이용한 경우의 유효성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 중계 공진 코일을 이용한 경우의 유효성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 다른 실시형태를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 실시예 1을 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 7의 무선 전력 공급 시스템의 주요부를 확대해 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 실시예 2를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 실시예 3을 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 일 실시형태를 나타내고 있다. 본 실시형태의 무선 전력 공급 시스템은 송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)을 기본적인 구성 요소로서 구비한다. 무선 전력 공급 시스템에는, 예컨대 수전 공진 코일(2)의 위치 자세를 제어하는 자세 제어 장치(4)가 포함된다.
송전 공진 코일(1)은 양단이 개방된 코일이다. 송전 공진 코일(1)은 Q값을 높이기 위해서 전기 회로와 접속되지 않는다. Q값이란, 공진의 샤프성(sharpness)을 나타내는 지표로서, 코일의 순 저항과 방사 저항에 의해 결정되고, 이들의 값이 작을수록 큰 Q값을 얻을 수 있다. 송전 공진 코일(1)은 부유 용량을 갖는 콘덴서를 갖는다. 이에 따라, 송전 공진 코일(1)은 LC 공진 회로가 된다. LC 공진 회로로서의 송전 공진 코일(1)의 공진 주파수(f)는 인덕턴스:L과 콘덴서의 용량:C로부터 이하의 식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112011069958362-pct00001
송전 공진 코일(1)은 도시하지 않은 전력 공급 코일로부터 전자 유도에 의해 전력이 공급된다. 전력 공급 코일은 송전 공진 코일(1)에 대하여 전자 유도에 의해 전력을 공급할 수 있을 정도의 근거리에 배치된다. 전력 공급 코일은 도시하지 않는 전원에 발진 회로를 통해 접속된다. 발진 회로는 송전 공진 코일(1)의 공진 주파수에 따른 정해진 주파수의 교류 전력을 전력 공급 코일에 전달한다. 이러한 전력 공급 코일로부터 송전 공진 코일(1)로의 전력 공급에 있어서는, 자기장 공명에 따르지 않고 전자 유도가 주로 이용되기 때문에, 공진 주파수를 고려하지 않아도 된다. 따라서, 전력 공급 코일에 대해서는, 발진 회로의 주파수가 변화하는 것을 고려하지 않아도 된다. 이에 따라, 전자 유도에 의한 전력 공급 코일을 이용하는 경우는 발진 회로의 설계 자유도를 향상시키는 것이 가능하다.
송전 공진 코일(1)의 등가 회로를 고려한 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 송전 공진 코일(1)에는, 공심(空芯)형 코일부(10)와, 이 코일부(10)에 대하여 직렬로 접속된 콘덴서(11)가 포함된다. 송전 공진 코일(1)은 코일부(10)의 인덕턴스를 L, 콘덴서(11)의 용량(부유 용량)을 C라 하고, 발진 회로로부터 공급되는 교류 전력의 주파수를 f라고 할 경우, 이 교류 전력의 주파수(f)가 상기 수학식 1의 주파수가 되면 공진 상태가 된다. 이 주파수(f)가 공진 주파수가 된다. 공진 상태에서는, 콘덴서(11) 내부의 전압에 의한 전기장으로부터, 코일부(10)에 흐르는 전류에 의한 자유 공간의 자기장으로 에너지가 주기적으로 교환된다. 공진 상태의 송전 공진 코일(1)에 대하여 동일한 공진 주파수(f)를 갖는 공진 코일[본 실시형태에서는 중계 공진 코일(3)]을 후술하는 조건에 따른 자세로 근접시키면, 송전 공진 코일(1)로부터의 자기장에 의해 공진 코일이 공명한다. 이러한 자기장에 의한 공명 현상을 자기장 공명 모드라 칭한다. 자기장 공명 모드에서는, 송전 공진 코일(1)의 전력이 근접한 공진 코일에 무선으로 전달된다.
또한, 여기서 말하는 동일한 공진 주파수(f)란, 완전한 동일을 의미하는 것은 아니다. 시뮬레이션 등에 있어서는, 복수의 공진 회로의 공진 주파수가 일치하는 일은 있어도, 현실에서는 복수의 공진 회로의 공진 주파수가 일치하는 일은 없다. 따라서, 동일한 공진 주파수(f)란, 실질적으로 동일한 주파수를 나타낸다. 이 실질적으로 동일한 범위는 Q값에 의해 결정된다. 이 실질적으로 동일한 범위는, Q값이 높으면 높을수록 좁아지고, 그 반대로 Q값이 낮으면 넓어진다. 실질적으로 동일한 범위의 기준으로서는, 공진점의 값이 반(半)값이 되는 주파수 범위이다. 또는, 실질적으로 동일한 범위는 목표로 하는 효율을 달성하는 주파수 범위이다. 다르게 표현하면, 실질적으로 동일한 범위는 코일을 떼어놓은 위치 관계에서, 전자 유도보다도 높은 효율로 전력을 전송할 수 있는 주파수 범위이다. 한편, 이러한 주파수의 동일한 범위는 설명할 필요도 없고, 당업자의 상식의 범위 내에서 결정되는 사항이다. 그러나, 종종 당업자의 상식을 갖지 않는 기술자가 참조하는 경우가 있다. 상기한 설명은 이러한 경우를 고려하여 기재하는 것으로서, 이 설명에 의해 발명의 확대를 제한하는 것은 아니다.
수전 공진 코일(2)은 양단이 개방된 코일이다. 수전 공진 코일(2)은 송전 공진 코일(1)과 마찬가지로 Q값을 높이기 위해서 전기 회로와 접속되지 않는다. 수전 공진 코일(2)은 송전 공진 코일(1)과 마찬가지로 LC 공진 회로가 된다. 수전 공진 코일(2)은 도시하지 않은 전력 추출 코일을 통해 전자 유도에 의해 전력이 추출된다. 수전 공진 코일(2)과 전력 추출 코일은 전자 유도에 의해 전력을 추출할 수 있을 정도의 근거리에 배치된다. 전력 추출 코일은 전력을 소비할 부하 디바이스, 예컨대 자세 제어 장치(4) 또는 도시하지 않은 전자 기기나 배터리에 접속된다. 전력 추출 코일과 부하 사이에는, 추출된 전력을 부하에서 소비할 전력으로 변환하는 출력 회로(도시 생략)가 접속된다. 출력 회로는 부하가 자세 제어 장치나 전자 기기인 경우에는 전압을 변환하는 회로이다. 예컨대, 출력 회로로서는, 트랜스포머 또는 AC-DC 컨버터가 적용된다. 출력 회로는 부하가 배터리의 경우에는 교류를 직류로 변환하는 회로이다. 예컨대, 출력 회로로서는, 정류 회로 또는 충전량을 감시하는 충전 회로가 적용된다. 부하가 히터나 전구와 같이 교류로 동작 가능한 경우에는, 부하에 접속되는 배선이 출력 회로가 된다. 수전 공진 코일(2)의 등가 회로를 고려하면, 이 수전 공진 코일(2)도 송전 공진 코일(1)과 동일한 구성으로서, 코일부 및 콘덴서를 포함한다. 수전 공진 코일(2)의 공진 주파수는 송전 공진 코일(1)의 공진 주파수(f)와 일치한다. 이러한 수전 공진 코일(2)은 이것에 근접한 공진 코일[본 실시형태에서는 중계 공진 코일(3)]과 공진 주파수가 동조됨으로써 자기장 공명 모드를 발생시키고, 그 공진 코일로부터의 전력을 무선으로 수전한다. 수전 공진 코일(2)에 의해 수전된 전력은 예컨대 정류 회로를 경유하여 부하 디바이스에 유선으로 공급된다.
중계 공진 코일(3)은 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2) 사이에서 자기장이 효과적으로 작용하는 위치에, 후술하는 조건에 따른 자세로 배치된다. 이 중계 공진 코일(3)은 외부의 전원이나 부하 디바이스에 접속되지 않고, 회로 구성으로서는 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)과 동일한 구성으로서, 코일부 및 콘덴서를 포함한다. 중계 공진 코일(3)의 공진 주파수도 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)의 공진 주파수(f)와 일치한다. 이러한 중계 공진 코일(3)은 다음에 설명하는 바와 같은 자세로 근접한 2개의 공진 코일[본 실시형태에서는 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2)]과 공진 주파수가 동조됨으로써 자기장 공명 모드를 발생시킨다. 이에 따라, 중계 공진 코일(3)은 송전측의 공진 코일로부터의 전력을 무선으로 수전하여, 그 전력을 수전측의 공진 코일에 무선으로 전달하도록 중계한다.
이러한 자기장 공명 모드를 이용한 무선 전력 공급 기술에서는, 코일 간의 거리가 송전 공진 코일(1) 또는 수전 공진 코일(2)의 반경을 초과하여도, 고효율로 전력을 무선으로 공급할 수 있다. 그 때문에, 전자 유도에서는 발생할 수 없었던 불감대가 발생하게 된다. 이 불감대는 단순히 거리에 따라 결정되는 것이 아니라, 송전 공진 코일(1) 또는 수전 공진 코일(2)의 자세에도 영향을 받는다. 즉, 자기장 공명 모드를 이용한 무선 전력 공급 기술에서는, 코일 간의 거리가 코일의 반경을 초과하여도 전력 공급이 가능하기 때문에, 코일의 자세도 고려해야 한다. 그 때, 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)에 대해서는, 서로 코일축이 동축이 되는 위치에 배치하지 않아도 된다. 극단적인 예로서는, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2)을 동일 평면에 배치하여도, 자기장 공명 모드에 의한 무선 전력 공급이 가능하다. 이와 같이, 자기장 공명 모드를 이용한 무선 전력 공급 기술에 따르면, 전자 유도에 의한 전력 공급 기술에서는 생각할 수 없을 정도의 코일 배치의 다양성을 갖는다. 이에 따라, 중계 공진 코일(3)은 코일의 자세에 의한 에너지 전송 효율의 저하를 개선하기 위해서 설치된 것이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 송전 공진 코일(1)은 코일부(10)의 중심을 수직으로 관통하는 코일축(C1)을 가지며, 이 코일축(C1)이 움직이지 않도록 고정 배치된다. 송전 공진 코일(1)로부터 나오는 자력선(L1)은 코일축(C1)을 똑바로 통과하는 것보다 코일축(C1)으로부터 멀어질수록 크게 만곡된다.
수전 공진 코일(2)은 코일부의 중심을 수직으로 관통하는 코일축(C2)을 가지며, 이 코일축(C2)의 방향이 변화되도록 자세 제어 장치(4)에 의해 자세가 제어된다. 도 1에서는, 일례로서 코일축(C2)이 코일축(C1)과 평행해지도록 수전 공진 코일(2)이 정지해 있다. 도 2에서는, 코일축(C2)이 코일축(C1)에 대하여 수직으로 교차하도록 수전 공진 코일(2)이 정지해 있다.
중계 공진 코일(3)은 코일부의 중심을 수직으로 관통하는 코일축(C3)을 가지며, 이 코일축(C3)이 송전 공진 코일(1)의 코일축(C1)과 일치하도록 고정 배치된다. 중계 공진 코일(3)로부터 나오는 자력선(L3)도 코일축(C3)을 똑바로 통과하는 것보다 코일축(C3)으로부터 멀어질수록 크게 만곡된다. 이러한 중계 공진 코일(3)의 배치 위치 및 자세는 다음과 같이 설정된다.
송전 공진 코일(1)로부터 나와 수전 공진 코일(2)의 중심을 직접 빠져나가는 자력선(L1)이 수전 공진 코일(2)의 코일축(C2)과 교차하는 각을 교차각 α라 한다. 송전 공진 코일(1)로부터 나와 중계 공진 코일(3)의 중심을 빠져나가는 자력선(L1)이 이 중계 공진 코일(3)의 코일축(C3)과 교차하는 각을 교차각 β0이라고 한다. 중계 공진 코일(3)로부터 나와 수전 공진 코일(2)의 중심을 빠져나가는 자력선(L3)이 이 수전 공진 코일(2)의 코일축(C2)과 교차하는 각을 교차각 β1이라고 한다. 이 경우, 중계 공진 코일(3)은 수전 공진 코일(2)이 어느 위치에 있더라도, 0°≤β0<α≤90°와 0°≤β1<α≤90°가 되는 설정 범위 내에 배치된다. 도 1 및 도 2의 경우에는, 특히, α≒90°, β0=0°, β1≪α이다.
이러한 교차각 α, β0, β1의 범위 내에 있는 위치에 중계 공진 코일(3)을 배치함으로써, 송전 공진 코일(1)과 중계 공진 코일(3)의 사이와, 중계 공진 코일(3)과 수전 공진 코일(2)의 사이에는 자기장 공명 모드에 의한 에너지 전송 효율이 향상된다. 이것은 각 코일(1∼3)에 흐르는 전류의 방향에 대하여 자기장의 작용 방향이 수직에 가까울수록 코일을 횡단하는 자속이 증가하여 큰 전류가 흐르기 쉽기 때문이며, 자기장 공명을 발생시키는 에너지가 증가하기 때문이다. 즉, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2)의 사이에서는, 자기장 공명 모드에 의한 에너지 전송 효율이 낮은 상황에서도, 중계 공진 코일(3)을 사이에 둠으로써 그 송전측과 수전측에 비교적 강한 자기장 공명 모드를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 송전 공진 코일(1)로부터 송출된 전력은 중계 공진 코일(3)을 통해 수전 공진 코일(2)에 효율적으로 무선으로 전달된다.
또한, 송전 공진 코일 및 수전 공진 코일은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 서로 코일축이 평행하게 위치가 어긋난 상태나 수직으로 교차한 상태뿐만 아니라, 예컨대 코일축의 교차각이 예각이 되는 교차형의 위치 관계나 트위스트형의 위치 관계에 있어도 된다. 이 경우, 코일축에 대한 자력선의 교차각이 앞서 설정한 범위 내가 되도록 중계 공진 코일을 배치하면 된다. 이에 따라, 자기장의 작용 방향이 코일에 흐르는 전류의 방향에 대하여 보다 수직에 가까워지기 때문에, 자기장 공명 모드에 의한 에너지 전송 효율을 향상시킬 수 있고, 중계 공진 코일을 통해 효율적으로 전력을 전달할 수 있다.
중계 공진 코일(3)의 유효성에 대해서는, 다음과 같이 시뮬레이션하였다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 시뮬레이션에서는, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2)과의 중간 위치에 중계 공진 코일(3)을 배치하고, 모든 코일축이 일치하도록 배열한 경우와, 중계 공진 코일을 배치하지 않는 경우를 비교 검토하였다.
중계 공진 코일(3)을 이용한 경우, 송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)의 진폭 초기 응답 특성은 결합 모드 이론에 기초해 다음 복소 해석에 의한 연립 미분 방정식을 풀어서 구할 수 있다. 이하의 수학식에서 나타내는 「z」는 에너지 진폭, 「ω」은 고유 각 주파수, 「Γ」는 물체 고유의 에너지 손실에 관한 계수, 「κ」는 코일 간의 결합 계수이며, 첨자는 각 코일 또는 코일 사이를 나타낸다.
Figure 112011069958362-pct00002
송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)의 진폭 초기값에 관하여, z1(0)=1, z2(0)=0, z3(0)=0이라고 할 경우, 진폭 초기 응답 특성으로서는 상기 수학식 2로부터 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같은 파형을 얻었다.
한편, 중계 공진 코일을 이용하지 않는 경우, 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)의 진폭 초기 응답 특성은 상기와 같은 연립 미분 방정식을 풀어서 구할 수 있다.
Figure 112011069958362-pct00003
진폭 초기값에 관하여, z1(0)=1, z2(0)=0이라고 할 경우, 진폭 초기 응답 특성으로서는 상기 수학식 3으로부터 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같은 파형을 얻었다. 이 도 5의 (b)에 도시한 파형과 도 5의 (a)의 파형을 비교함으로써, 중계 공진 코일을 이용하지 않는 경우에는, 수전 공진 코일(2)의 진폭이 작아지고, 자기장 공명 모드가 약해진다고 생각된다.
중계 공진 코일(3)을 이용한 경우에 있어서의 진폭의 정상 특성은 상기와 마찬가지로 결합 모드 이론에 기초해 다음의 복소 해석에 의한 연립 미분 방정식을 풀어서 구할 수 있다.
Figure 112011069958362-pct00004
상기 수학식 4에서의 「Гw」는 수전 공진 코일(2)로부터 후단의 부하 등으로 추출되는 전력량에 관한 계수이다. 송전 공진 코일(1)의 진폭 정상값에 대해서, a1(t)=A1=1이라고 할 경우, 정상 특성으로서는 상기 수학식 4로부터 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같은 파형을 얻었다. 이 정상 특성을 나타내는 파형에 따르면, 중계 공진 코일(3)을 이용한 경우, 거의 진폭의 손실이 없는 공진 상태에서 자기장 공명 모드가 발생한다고 생각된다.
한편, 중계 공진 코일을 이용하지 않는 경우, 진폭의 정상 특성은 상기와 같은 연립 미분 방정식을 풀어서 구할 수 있다.
Figure 112011069958362-pct00005
이 경우, 진폭의 정상 특성으로서는, 상기 수학식 5로부터 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같은 파형을 얻었다. 이 도 6의 (b)에 도시한 파형과 도 6의 (a)의 파형을 비교함으로써, 중계 공진 코일을 이용하지 않는 경우의 정상 특성으로서도, 수전 공진 코일(2)의 진폭이 작아지고, 자기장 공명 모드가 약해진다고 생각된다.
상기 시뮬레이션 결과에 따르면, 중계 공진 코일(3)을 이용한 경우, 비교적 강한 자기장 공명 모드가 발생하여 송전측에서 수전측으로 보다 효율적으로 전력이 전달되는 것이 밝혀졌다.
따라서, 본 실시형태의 무선 전력 공급 시스템에 따르면, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2) 사이에 직접적인 작용에 의한 자기장 공명 모드를 발생시키기 어려운 코일의 배치 상황에서도, 전술한 바와 같이 적절한 위치 및 자세로 중계 공진 코일(3)을 배치하면 된다. 이에 따라, 중계 공진 코일(3)을 통해 강한 자기장 공명 모드를 확실하게 발생시킬 수 있고, 송전 공진 코일(1)로부터 수전 공진 코일(2)로 효율적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 도 7에 도시하는 무선 전력 공급 시스템에서는, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2) 사이에 복수의 중계 공진 코일(3A∼3C)을 배치한다. 이들 중계 공진 코일(3A∼3C)은 코일축에 대한 자력선의 교차각이 전술한 범위를 만족시키도록 배치된다. 이러한 배치에 의해 복수의 중계 공진 코일(3A∼3C)에 있어서의 코일 간에도 강한 자기장 공명 모드를 확실하게 발생시킬 수 있고, 송전 공진 코일(1)로부터 수전 공진 코일(2)로 효율적으로 전력을 전달할 수 있다. 복수의 중계 공진 코일(3A∼3C)을 이용한 경우에는, 그 개수를 가능한 한 많게 함으로써 보다 멀리 효율적으로 전력을 무선으로 전달할 수 있다.
실시예 1
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템을 자동차의 전동 도어 미러에 적용한 실시예 1을 나타내고 있다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 무선 전력 공급 시스템은 자동차(M)의 도어 패널(DP) 내측으로부터 전동 도어 미러(D)로 무선으로 전력을 공급하도록 되어 있다. 구체적으로는, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전동 도어 미러(D)는 예컨대 스테이지(S)의 회전축(S1) 주위로 회전 가능하게 부착된다. 전동 도어 미러(D)는 내부에 장착된 자세 제어 장치(4)에 의해 개폐 동작된다. 전동 도어 미러(D)에는, 수전 공진 코일(2), 미러(100), 및 미러(100)의 각도를 조정하는 미러 각도 조정 장치(110)가 설치된다. 중계 공진 코일(3)은 스테이지(S)에 고정된다. 전동 도어 미러(D) 부근이 되는 자동차(M)의 도어 패널(DP) 내측에는, 송전 공진 코일(1)이 설치된다. 송전 공진 코일(1)은 도시하지 않은 차재 배터리에 발진 회로를 통해 접속되고, 이 차재 배터리의 에너지를 전력으로서 송출한다. 수전 공진 코일(2)은 전원 회로를 통해 미러 각도 조정 장치(110)에 접속된다. 미러 각도 조정 장치(110)는, 예컨대 도시하지 않은 무선 통신 수단을 통해 미러(100)를 조정하는 지시를 차체측에서 수신하여, 수전 공진 코일(2)로부터 공급되는 전력을 소스로 하여 동작한다. 또한, 이 예에서 도시하는 바와 같이 송전 공진 코일(1)을 도어 패널(DP)의 내부에 설치하는 경우, 도어 패널(DP)은 자력선을 통과시키는 재료이다. 이에 따라, 송전 공진 코일(1)로부터 송출되는 자력선(L1)은 도어 패널(DP)을 투과하여 중계 공진 코일(3)을 횡단한다. 그 때문에, 전동 도어 미러(D)는 내부에 케이블이 인입되지 않고서 방진성 및 방수성을 높일 수 있다. 중계 공진 코일(3)로부터 송출되는 자력선(L3)은 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전동 도어 미러(D)의 자세에 관계없이 수전 공진 코일(2)을 횡단한다. 이와 같이, 중계 공진 코일(3)은 수전 공진 코일(2)을 횡단하는 자속 밀도의 거리에 의한 저하뿐만 아니라, 수전 공진 코일(2)을 횡단하는 자속 밀도의 자세에 의한 저하를 개선한다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)의 코일축의 방향은 전동 도어 미러(D)가 개폐 동작할 때에 변화한다. 이와 같이 코일축이 변화하여도, 송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3)은 이들의 코일축에 대한 자력선의 교차각이 전술한 실시형태에서 설정한 범위를 만족시키도록 배치되어 있다. 그 때문에, 전동 도어 미러(D)가 개방 상태 및 폐쇄 상태의 어느 상태여도, 미러 각도 조정 장치(110)에 대하여 구동용 전력이 효율적으로 무선으로 전달되고, 이 전력을 기초로 미러(100)의 각도를 조정할 수 있다. 또한, 수전 공진 코일(2)은 전동 도어 미러(D)의 자세에 관계없이 자세 제어 장치(4)에 전력을 공급할 수 있다.
도 9의 (c)는 실시예 1의 변형예이다. 이 변형예의 송전 공진 코일(1)은 도어 패널의 내부가 아니라, 스테이지(S)를 통해 전동 도어 미러(D)를 고정시켜 두는 차체측의 고정부(F)에 설치된다. 이러한 위치에 배치된 송전 공진 코일(1)은 도어 패널의 재질에 관계없이 중계 공진 코일(3)에 자력선을 송출할 수 있다. 이와 같이 송전 공진 코일(1)을 배치한 경우에도, 송전 공진 코일(1)과 중계 공진 코일(3) 사이를 구획하는 것이 가능해진다.
도 9에 나타낸 실시예에서는, 전동 도어 미러(D)의 자세가 변화하여도, 중계 공진 코일(3)과 수전 공진 코일(2) 사이에 자기장 공명 모드를 항상 유지한다. 한편, 중계 공진 코일(3)은 부분적으로 이용될 수도 있다. 예컨대, 전동 도어 미러(D)가 개방된 자세, 또는 폐쇄된 자세 중 어느 한 자세인 경우에만, 중계 공진 코일(3)이 기능하도록 배치하여도 좋다. 이러한 배치는, 한쪽 자세에서는 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2) 사이에 자기장 공명 모드가 작용하고, 다른 쪽 자세에서는, 이들 코일 사이에 자기장 공명 모드가 작용하지 않는 상황 또는 효율이 뒤떨어지는 상황이 되는 경우에 적합하다. 이러한 중계 공진 코일(3)의 배치를 채용하는 경우, 다른 쪽 자세에서는, 중계 공진 코일(3)에 의한 자기장 공명 모드가 효율적으로 작용하는 위치에 이 중계 공진 코일(3)을 배치하는 것이 바람직하다. 기타, 전동 도어 미러(D)가 개방된 자세 및 폐쇄된 자세 중 어느 한 자세인 경우에서도, 송전 공진 코일(1)과 수전 공진 코일(2) 사이에 직접 자기장 공명 모드가 작용하고, 그 중간 자세가 될 때에 중계 공진 코일(3)이 기능하도록 하여도 좋다. 이와 같이, 무선 전력 공급 시스템으로서는, 중계 공진 코일(3)이 항상 기능하도록 이것을 배치할 필요는 없고, 중계 공진 코일(3)이 기능할 수 있는 상황이 되면 자연히 그 효과를 발휘한다. 또한, 전동 도어 미러에 후장착으로 옵션인 차외 촬상 장치가 장비되는 경우에는, 그 차외 촬상 장치와 수전 공진 코일을 접속하고, 차외 촬상 장치에 무선으로 전력을 공급하도록 하여도 좋다.
실시예 2
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템을 복수의 노트북 PC(20∼22)와 이들이 놓여지는 책상(30)에 적용한 실시예 2를 나타내고 있다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 책상(30)에는, 송전 공진 코일(1)이 내장되어 있고, 이 송전 공진 코일(1)의 주변이 되는 책상(30)의 상면에 복수의 노트북 PC(20~ 22)가 놓여진다. 송전 공진 코일(1)은 도시하지 않은 전원에 발진 회로를 통해 접속된다. 노트북 PC(20∼22)에는 수전 공진 코일(2)이 내장되어 있다. 이들 노트북 PC(20∼22) 중 하나의 노트북 PC(20)는 송전 공진 코일(1)의 바로 위쪽에 놓여진 상태라고 한다.
이 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 노트북 PC(20)에 무선으로 전력을 공급할 때에는, 송전 공진 코일(1)로부터 수전 공진 코일(2)로 직접적으로 전력이 무선으로 전달되고, 이 수전 공진 코일(2)을 통해 수전된 전력이 노트북 PC(20)의 배터리에 축적된다. 한편, 예컨대 노트북 PC(20)의 배터리에 대해서 충전 완료되면, 이 노트북 PC(20)의 배터리와 수전 공진 코일(2)과의 접속이 해제되고, 수전 공진 코일(2)이 중계 공진 코일(3)로서 기능한다. 즉, 노트북 PC(20)의 중계 공진 코일(3)은 그 양측에 배치된 노트북 PC(21, 22)의 수전 공진 코일(2)에 대하여, 이들 코일축에 대한 자력선의 교차각이 전술한 실시형태에서 설정한 범위를 만족시키도록 배치된 상태가 된다. 이에 따라, 노트북 PC(21, 22)의 수전 공진 코일(2)에는, 송전 공진 코일(1)의 바로 위쪽에 위치하는 노트북 PC(20)의 중계 공진 코일(3)을 통해 효율적으로 무선으로 전력이 공급된다. 따라서, 송전 공진 코일(1)로부터의 전력을 직접 수전하기 어려운 위치에 있는 노트북 PC(21, 22)에서도, 노트북 PC(20)의 중계 공진 코일(3) 및 수전 공진 코일(2)을 통해 수전한 전력을 배터리에 축적할 수 있다.
또한, 이와 같이 무선 전력 공급 시스템을 복수의 전자 기기에 적용하는 경우에는, 이들 전자 기기가 소재하는 방의 천장, 바닥, 또는 벽에 송전 공진 코일을 설치하여도 좋다.
실시예 3
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템을 자동차의 차외 촬상 장치에 적용한 실시예 3을 나타내고 있다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 차외 촬상 장치(30, 31)는, 예컨대 자동차(M)의 차체 외부 전방 및 차체 외부 후방에 설치된다. 자동차(M)의 차내에는 차외 촬상 장치(30, 31)로부터의 영상을 표시할 수 있는 내비게이션 장치(N)가 설치된다. 차외 촬상 장치(30, 31)와 내비게이션 장치(N)는 도시하지 않은 무선 통신 수단을 통해 영상 신호나 제어 신호를 송수신할 수 있다. 내비게이션 장치(N)에는, 도시하지 않은 발진 회로를 통해 전력이 공급되도록 송전 공진 코일(1)이 설치된다. 내비게이션 장치(N)는 송전 공진 코일(1)로부터 무선으로 전력을 송출한다. 차외 촬상 장치(30, 31)에는, 도시하지 않은 전원 회로를 통해 내부 회로에 전력이 공급되도록 수전 공진 코일(2)이 설치된다. 차외 촬상 장치(30, 31)는 수전 공진 코일(2)로부터의 전력을 소스로 하여 구동된다. 중계 공진 코일(3A∼3E)은 전방의 차외 촬상 장치(30)의 수전 공진 코일(2)과 송전 공진 코일(1) 사이 및 후방의 차외 촬상 장치(31)의 수전 공진 코일(2)과 송전 공진 코일(1) 사이가 되는 차체 적부(適部)에 설치된다. 이러한 송전 공진 코일(1), 수전 공진 코일(2) 및 중계 공진 코일(3A∼3E)도 이들의 코일축에 대한 자력선의 교차각이 전술한 실시형태에서 설정한 범위를 만족시키도록 배치된다. 이에 따라, 송전 공진 코일(1) 및 수전 공진 코일(2)이 비교적 거리를 크게 두고 배치된 상태에서도, 복수의 중계 공진 코일(3A∼3E)을 통해 효율적으로 무선으로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 무선 전력 공급 시스템을 복수의 장치에 적용하는 경우, 한쪽 장치에 대한 전력 공급에서는, 이것에 관여하는 코일의 공진 주파수를 예컨대 f1로 하는 한편, 다른 쪽 장치에 대해서는, 이것에 관여하는 코일의 공진 주파수를 상기와는 상이한 f2로 하여도 좋다. 이와 같이 코일의 공진 주파수를 가변 제어한 경우에는, 예컨대 개개의 장치마다 전력을 공급할 수 있어 불필요한 전력 소비를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
상기 실시형태에 나타내는 구성은 어디까지나 일례에 불과하고, 사양에 따라 적절하게 설계 변경하는 것이 가능하다.
공진 코일의 코일 권취 수 및 콘덴서의 접속 수 등은 시스템의 사양에 따라 적절히 설정할 수 있다.
공진 코일의 코일부에 어느 정도의 부유 용량이 존재하면, 특별히 콘덴서를 설치하지 않아도 원하는 공진 주파수 특성을 얻을 수 있다.
중계 공진 코일에는, 보조적으로 전력을 공급하도록 하여도 된다.
본 발명에 따른 무선 전력 공급 시스템은 자동차 및 전자 기기에 한해서 적용되는 것이 아니라, 전력을 필요로 하는 각종 장치 또는 설비에 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 공진 주파수 특성을 갖고, 무선으로 전력을 송출하는 송전(送電) 공진 코일과,
    상기 송전 공진 코일과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 공진 주파수의 동조에 의해 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 무선으로 전력을 수전하는 수전(受電) 공진 코일과,
    상기 송전 공진 코일 및 수전 공진 코일과 동일한 공진 주파수 특성을 갖고, 이들과의 사이에서 공진 주파수가 동조하여 자기장 공명 모드가 발생함으로써, 상기 송전 공진 코일로부터의 전력을 상기 수전 공진 코일에 무선으로 중계하는 하나 또는 복수의 중계 공진 코일을 포함하고,
    상기 송전 공진 코일로부터 나와 상기 수전 공진 코일을 직접 빠져나가는 자력선이 상기 수전 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 α, 상기 송전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일로부터 나와 상기 중계 공진 코일을 빠져나가는 자력선이 이 중계 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 β0, 상기 중계 공진 코일로부터 나와 상기 수전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일을 빠져나가는 자력선이 이 수전 공진 코일 또는 다른 중계 공진 코일의 코일축과 교차하는 각을 교차각 β1이라고 할 경우,
    상기 중계 공진 코일은 0°≤β0<α≤90°와 0°≤β1<α≤90°가 되도록 배치되고,
    상기 송전 공진 코일, 상기 수전 공진 코일 및 상기 중계 공진 코일 중 적어도 어느 하나를 자세 제어하여, 그 코일축의 방향을 변화시키는 자세 제어 장치를 포함하는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송전 공진 코일 및 상기 수전 공진 코일은 이들의 코일축이 서로 교차형이나 평행형 또는 트위스트형의 위치 관계를 이루도록 배치되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수전 공진 코일 및 상기 중계 공진 코일은 상기 자세 제어 장치에 의해 동작하는 자동차의 전동 도어 미러에 설치되고, 상기 송전 공진 코일은 상기 자동차의 차체 적부(適部)에 설치되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수전 공진 코일은 복수의 전자 기기에 설치되고, 상기 송전 공진 코일은 상기 복수의 전자 기기를 놓을 수 있는 책상이나, 또는 이들 복수의 전자 기기가 소재하는 방의 천장, 바닥, 또는 벽에 설치되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 전자 기기 중 적어도 어느 하나의 상기 수전 공진 코일은 상기 중계 공진 코일로서 겸용되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 송전 공진 코일 및 상기 중계 공진 코일은 자동차의 차체 적부에 설치되고, 상기 수전 공진 코일은 상기 자동차의 차체 외부에 설치된 차외 촬상 장치에 설치되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전 공진 코일, 상기 수전 공진 코일 및 상기 중계 공진 코일에는 콘덴서가 포함되는 것인 무선 전력 공급 시스템.
  8. 삭제
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