KR101294465B1 - 무선전력 중계 장치, 무선전력 중계기, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법 - Google Patents

무선전력 중계 장치, 무선전력 중계기, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법 Download PDF

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Abstract

무선전력 송신장치에서 제공되는 전력을 무선전력 수신장치에 전달하는 무선전력 중계 장치는 상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함한다.

Description

무선전력 중계 장치, 무선전력 중계기, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법{WIRELESS POWER RELAY APPARATUS, WIRELESS POWER REPEATER, WIRELESS POWER TRANSMITTING SYSTEM AND METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}
본 발명은 무선전력 중계 장치, 무선전력 중계기, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 무선전력 송신장치(또는 무선전력 중계장치)와 무선전력 수신장치에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
그러나, 무선전력 송신장치(또는 무선전력 중계장치)는 무선전력 수신장치가 놓여있지 않은 곳에서도 자기장을 발생시켜 전력 전송의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식은 송신 측 (또는 중계 측)에서 발생하는 자기장으로 인해 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있다.
이와 관련한 선행특허문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2007-0055086호(발명의 명칭: 다수의 충전 셀을 구비한 무선 충전 장치 및 그 제어 방법)이 있다.
본 발명은 무선전력 중계 장치 및 무선전력 수신 장치 간 전력 전송 효율을 높이고, 인체에 유해한 자기장의 발생을 최소화하는 무선전력 중계장치, 무선전력 중계기, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치에서 제공되는 전력을 무선전력 수신장치에 전달하는 무선전력 중계 장치는 상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서 제공되는 전력을 무선전력 수신장치에 전달하는 무선전력 중계기는 기판에 순차적으로 배치된 복수의 무선전력 중계 장치들을 포함하고, 상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나는, 상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함한다.
자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 외부에 연결된 AC전원으로부터 전력을 공급받고, 송신용 공진 코일과 커플링되어 전달되는 전력을 비방사 방식으로 무선전력 중계 장치에 전달하는 무선전력 송신 장치와 기판에 순차적으로 배치된 복수의 무선전력 중계장치들을 포함하며, 상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나는, 상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 중계 장치를 이용한 무선전력 전송 방법에 있어서, 상기 무선전력 중계 장치는 상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부와 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양 및 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함하고, 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 공진 주파수가 조절되는 단계; 상기 공진 주파수가 조절됨에 따라 상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수와 매칭되는 단계; 및 상기 매칭된 공진 주파수에서 자기 공진 결합에 의해 무선전력 수신장치로 전력이 전달되는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 무선전력 중계장치의 구조가 변형됨에 따라 전력전송 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 송신부 또는 중계부에서 발생하는 자기장을 차단하여 인체의 유해성을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스와 송신부의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일, 수신 코일, 평활 회로 및 부하의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 발명인 무선전력 전송 시스템을 나타내는 구성예들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 중계장치의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선전력 중계 장치의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선전력 중계 장치의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선전력 중계 장치의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
전력 소스(10)에서 생성된 전력은 송신부(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 송신부(20)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 수신부(30)로 전달된다. 수신부(30)로 전달된 전력은 정류회로(40)를 거쳐 부하(50)로 전달된다. 부하(50)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(10)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.
송신부(20)는 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)로 구성된다. 송신 코일(21)은 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신부(20)와 공진 회로를 이루는 수신부(30)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
수신부(30)는 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)로 구성된다. 송신용 공진 코일(22)에 의해 송신된 전력은 수신용 공진 코일(31)에 의해 수신되어 수신용 공진 코일(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신용 공진 코일(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일(32)로 전달된다. 수신코일(32)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 통해 정류되어 부하(50)로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일(21)의 등가 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신 코일(21)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다. 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신용 공진 코일(22), 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(10)와 송신부(20)의 등가회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1,C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가회로를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3,L4)와 캐패시터(C3,C4)로 구성될 수 있다. 평활 회로(40)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력한다. 부하(50)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 블록도이고, 도 6은 무선전력 전송 시스템의 제1,2 구성예이다.
도 5를 참조하면, 무선전력 전송시스템은 무선전력 송신장치(100), 무선전력 중계장치(200)를 포함하고, 무선전력 중계장치(200)를 통해 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전달한다.
무선전력 송신장치(100)는 송신 코일과 송신용 공진 코일을 포함할 수 있다. 송신 코일은 외부에 연결된 AC 전원과 연결되며, AC 전원에 의해 교류 전류가 흐른다. 송신 코일에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 무선전력 송신장치(100)와 공진 회로를 이루는 무선전력 중계장치(200)로 전달된다. 즉, 무선전력 송신장치(100)는 외부에 연결된 AC 전원로부터 전력을 공급받고, 송신용 공진 코일과 커플링되어 전달되는 전력을 비방사 방식으로 무선전력 중계장치(200)에 전달한다.
무선전력 중계장치(200)는 무선전력 송신장치(100)로부터 수신한 전력을 무선전력 수신장치(300)로 전송할 수 있다. 전송과정은 무선전력 송신장치(100)와 무선 전력 중계 장치(200)간 전력 전달과정과 동일하다.
무선전력 중계장치(200)는 무선전력 송신장치(100)로부터 전력을 수신하는 동시에 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전달하는 중계역할을 할 수 있다.
도 6은 본 발명인 무선전력 전송 시스템을 나타내는 구성예들이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 복수의 무선전력 중계장치(200)들은 기판에 순차적으로 배치되어 무선전력 중계기를 구성할 수 있다. 복수의 무선전력 중계장치(200)들 중 적어도 하나는 중계부(210) 및 제1 차폐부(230)를 포함한다.
중계부(210)는 무선전력 중계 장치(200)의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 중계부(210)로부터 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 자기장의 양 및 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절될 수 있다.
무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)들 상면에 위치하면, 무선전력 수신장치(300)에 의해 압력이 가해진 무선전력 중계장치(200)들의 형상이 압축 변형된다. 압축 변형된 무선전력 중계장치(200)들은 중계부(210)에서 발생된 자기장을 효율적으로 차단하는 구조를 가진다.
또한, 동시에 압축 변형된 무선전력 중계장치(200)들과 무선전력 수신장치(300)는 공진 주파수가 일치하도록 조절되고, 공진 주파수의 매칭이 일어나 자기 공진에 의한 전력 전송이 효율적으로 이루어 진다.
무선전력 수신장치(300)는 무선전력 중계기 상에 위치하는 마우스, 휴대폰, 리모콘 등과 같은 전자기기를 의미할 수 있다. 무선전력 수신장치(300)는 무선 전력 중계 장치(200)로부터 수신한 전력을 정류하여 사용할 수 있도록 정류회로를 포함한다.
도 6의 (b)는 무선전력 중계장치(200)가 무선전력 송신장치(100)의 역할을 대체한 실시예를 나타내는 무선전력 전송 시스템의 구성예이다.
무선전력 중계장치(200)는 별도의 무선전력 송신장치(100)와 자기공진에 의한 전력 전송을 수신하지 않고, 전력 소스(10)를 통해 전력을 수신한다.
무선전력 중계장치(200)는 수신한 전력을 무선전력 수신장치(300)에 전송한다. 기타 무선전력 중계장치(200)의 다른 동작은 위에서 설명한 바와 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 중계 장치의 블록도이다. 무선전력 중계 장치(200)는 중계부(210), 제1 차폐부(230)를 포함한다.
중계부(210)는 중계 코일(211), 중계 캐패시터(212)를 포함한다.
중계부(210)는 무선전력 송신장치(100)로부터 수신한 전력을 무선전력 수신장치(300)로 전송할 수 있다. 중계 코일(211)은 무선전력 송신장치(100)의 송신용 공진 코일과 자기 공진하여 전력을 수신한다.
제1 차폐부(230)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 중계부(210)로부터 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 자기장의 양 및 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절될 수 있다.
제1 차폐부(230)는 원통형 또는 원추형의 스프링 구조일 수 있다.
제1 차폐부(230)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해진 경우, 제1 차폐부(230)가 압축 변형됨에 따라 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 자기장의 양은 압력이 가해지지 않은 경우에 비하여 많을 수 있다.
무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해진 경우는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 무선전력 수신장치(300)가 위치한 경우를 포함할 수 있다.
무선전력 중계장치(200)의 상면에 무선전력 수신장치(300)가 위치한 경우, 제1 차폐부(230)가 압축 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수는 조절될 수 있다. 제1 차폐부(230)의 압축 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하게 되고, 공진 주파수의 매칭이 이루어져 전력 전송이 가능해진다.
구체적으로, 제1 차폐부(230)의 물리적인 형상을 변형시켜 스프링 구조의 제1 차폐부(230) 자체 간격이 조정되고, 그에 따라 자기 인덕턴스 값이 조정되어 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절될 수 있다.
제1 차폐부(230)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해지지 않은 경우, 이완 변형되어 중계부(210)에서 발생된 자기장을 차단할 수 있다.
무선전력 중계장치(200)는 제2 차폐부(220)를 더 포함할 수 있다.
제2 차폐부(220)는 제1 차폐부(230)와 연결되고, 중계부(210)를 수용하는 형상일 수 있고, 원통형 또는 육면체형 중 어느 하나의 형상일 수 있다.
제1 차폐부(230) 및 제2 차폐부(220)는 중계부(210)에서 발생된 자기장을 차단하기 위한 페라이트를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선전력 중계장치의 구성도이다.
무선전력 중계장치(200)는 중계부(210), 제1 차폐부(230), 제2 차폐부(220)를 포함한다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1 차폐부(230)는 원추형의 스프링 구조를 가지고, 제2 차폐부(220)는 제1 차폐부(230)와 연결되고, 중계부(210)를 수용하는 원통의 형상을 가진다. 화살표의 방향은 자기장의 형성되는 방향을 나타내고, 화살표의 두께는 자기장의 세기를 나타낸다.
도 8의 (a)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해지지 않은 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 이완 변형된 상태이고, 이완 변형된 구조를 가짐에 따라 도 8의 (a)에 도시된 자속선의 방향처럼, 중계부(210)에서 발생된 자기장 중 위쪽으로 향하는 일부 자기장을 차단할 수 있다.
제2 차폐부(230)는 중계부(210)에서 발생된 자기장 중 좌, 우측 면으로 향하는 자기장을 차단할 수 있다.
이와 같이 무선전력 중계장치(200)는 상면에 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 경우, 중계부(210)에서 발생된 자기장을 효과적으로 차단하여 인체의 유해성을 방지할 수 있다.
도 8의 (b)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해진 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있는 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 압력에 의해 압축 변형되고, 압축 변형된 구조를 가짐에 따라 간격이 밀집된 형상을 가진다. 도 8의 (b)에 도시된 자속선을 참조하면, 도 8의 (a)의 자속선과 비교하여, 중계부(210)에서 발생된 자기장은 세기가 커진 상태로 위쪽을 향한다.
그에 따라, 중계부(210)는 무선전력 수신장치(300)에 자기장을 집중적으로 전달하여 효율적인 전력 전송이 가능해진다. 동시에, 무선전력 중계장치(200)는 압축 변형된 제1 차폐부(230) 및 원통형의 제2 차폐부(220)를 통해 중계부(210)의 좌, 우로 누출되는 자기장을 차단할 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에 위치한 경우, 제1 차폐부(230)는 압축 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값에 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 압축 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하게 되고, 공진주파수의 매칭이 이루어져 전력 전송이 가능해진다.
구체적으로, 제1 차폐부(230)의 물리적인 형상을 변형시켜 스프링 구조의 제1 차폐부(230) 자체 간격이 조정되고, 그에 따라 자기 인덕턴스 값이 조정되어 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절될 수 있다.
공진 주파수는 제1 차폐부(230)가 압축 변형이 완료된 상태에서 주파수 매칭이 이루어지도록 미리 설정될 수 있다.
반대로, 도 8의 (a)에 도시한 대로 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에서 제거된 경우, 제1 차폐부(230)는 이완 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값의 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 이완 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값 변화에 따라 공진 주파수의 천이가 발생한다. 그에 따라 공진 주파수의 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하지 않게 되고, 공진 주파수의 매칭은 이루어 지지 않는다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선전력 중계장치의 구성도이다.
무선전력 중계장치(200)는 중계부(210), 제1 차폐부(230), 제2 차폐부(220)를 포함한다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1 차폐부(230)는 원통형의 스프링 구조를 가지고, 제2 차폐부(220)는 제1 차폐부(230)와 연결되고, 중계부(210)를 수용하는 원통의 형상을 가진다. 화살표의 방향은 자기장의 유동을 나타내고, 화살표의 두께는 자기장의 세기를 나타낸다.
도 9의 (a)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해지지 않은 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 이완 변형된 상태이고, 이완 변형된 구조를 가짐에 따라 도 9의 (a)에 도시된 자속선의 방향처럼, 중계부(210)에서 발생된 자기장 중 위쪽으로 향하는 자기장을 차단할 수 있다.
제2 차폐부(230)는 중계부(210)에서 발생된 자기장 중 좌, 우측 면으로 향하는 자기장을 차단할 수 있다.
이와 같이 무선전력 중계장치(200)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 경우, 중계부(210)에서 발생된 자기장을 효과적으로 차단하여 인체의 유해성을 방지할 수 있다.
도 9의 (b)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해진 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있는 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 압력에 의해 압축 변형되고, 압축 변형된 구조를 가짐에 따라 간격이 밀집된 형상을 갖게 된다. 도 9의 (b)에 도시된 자속선을 참조하면, 도 9의 (a)의 자속선과 비교하여, 중계부(210)에서 발생된 자기장은 세기가 커진 상태로 위쪽을 향한다.
그에 따라, 중계부(210)는 무선전력 수신장치(300)에 집중적으로 자기장을 전달하여 효율적인 전력 전송이 가능해진다. 동시에, 무선전력 중계장치(200)는 압축 변형된 제1 차폐부(230) 및 원통형의 제2 차폐부(220)를 통해 중계부(210)의 좌, 우로 누출되는 자기장을 차단할 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에 위치한 경우, 제1 차폐부(230)는 압축 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값에 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 압축 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하게 되고, 공진 주파수의 매칭이 이루어져 전력 전송이 가능해진다.
구체적으로, 제1 차폐부(230)의 물리적인 형상을 변형시켜 스프링 구조의 제1 차폐부(230) 자체 간격이 조정되고, 그에 따라 자기 인덕턴스 값이 조정되어 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절될 수 있다.
반대로, 도 9의 (a)에 도시한 대로 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에서 제거된 경우, 제1 차폐부(230)는 이완 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값의 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 이완 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값 변화에 따라 공진 주파수의 천이가 발생한다. 그에 따라 공진 주파수의 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하지 않게 되고, 공진 주파수의 매칭은 이루어 지지 않는다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선전력 중계장치의 구성도이다.
무선전력 중계장치(200)는 중계부(210), 제1 차폐부(230)를 포함한다.
도 10의 (a) 및(b)를 참조하면, 제1 차폐부(230)는 원추형의 스프링 구조를 가지고, 중계부(210)를 수용하는 형상을 가진다. 화살표의 방향은 자기장의 유동을 나타내고, 화살표의 두께는 자기장의 세기를 나타낸다.
도 10의 (a)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해지지 않은 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 이완 변형된 상태이고, 이완 변형된 구조를 가짐에 따라 도 10의 (a)에 도시된 자속선의 방향처럼, 중계부(210)에서 발생된 자기장 중 위쪽으로 향하는 자기장을 차단할 수 있다.
이와 같이 무선전력 중계장치(200)는 상면에 무선전력 수신장치(300)가 놓여있지 않은 경우, 중계부(210)에서 발생된 자기장을 효과적으로 차단하여 인체의 유해성을 방지할 수 있다.
도 10의 (b)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 압력이 가해진 상태를 도시한 것으로, 무선전력 수신장치(300)가 놓여있는 상태의 무선전력 중계장치(200)의 구조를 나타낸다. 이 때, 제1 차폐부(230)는 압력에 의해 압축 변형되고, 압축 변형된 구조를 가짐에 따라 간격이 밀집된 형상을 갖게 된다. 도 9의 (b)에 도시된 자속선을 참조하면, 도 10의 (a)의 자속선과 비교하여, 중계부(210)에서 발생된 자기장은 세기가 커진 상태로 위쪽을 향한다.
그에 따라, 중계부(210)는 무선전력 수신장치(300)에 집중적으로 자기장을 전달하여 효율적인 전력 전송이 가능해진다. 동시에, 무선전력 중계장치(200)는 압축 변형된 제1 차폐부(230)를 통해 외부로 누출되는 자기장을 차단할 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에 위치한 경우, 제1 차폐부(230)는 압축 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값에 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 압축 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하게 되고, 공진 주파수의 매칭이 이루어져 전력 전송이 가능해진다.
반대로, 도 10의 (a)에 도시한 대로 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 중계장치(200)의 상면에서 제거된 경우, 제1 차폐부(230)는 이완 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값의 변화가 생겨 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절된다.
제1 차폐부(230)의 이완 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값 변화에 따라 공진 주파수의 천이가 발생한다. 그에 따라 공진 주파수의 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수는 일치하지 않게 되고, 공진 주파수의 매칭은 이루어 지지 않는다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 방법은 무선전력 중계장치(200)를 이용한다.
무선전력 중계장치(200)는 중계부(210) 및 제1 차폐부(230)를 포함한다. 중계부(210)는 무선전력 송신장치(100)와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일(211) 및 중계 커패시터(212)를 포함하고, 제1 차폐부(230)는 무선전력 중계장치(200)의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 중계부(210)로부터 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 자기장의 양이 조절될 수 있다.
제1 차폐부(230)는 원통형 또는 원추형의 스프링 구조일 수 있다.
무선전력 중계장치(200)의 상면에 무선전력 수신장치(300)가 위치함에 따라 제1 차폐부(230)에는 압력이 가해진다(S11). 가해진 압력에 따라 제1 차폐부(230)는 압축 변형된다(S12). 제1 차폐부(230)는 원통형 또는 원추형의 스프링 구조일 수 있고, 페라이트를 포함한 자성체일 수 있다.
제1 차폐부(230)가 압축 변형되면서 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수는 조절된다(S13). 구체적으로, 제1 차폐부(230)가 압력에 의해 압축 변형되면, 스프링 형상의 감겨진 원형 사이 간격이 줄어들 수 있고, 그에 따라 무선전력 중계장치(200)의 자기 인덕턴스 값을 변화시켜 무선전력 중계장치(200)의 공진 주파수가 조절될 수 있다.
제1 차폐부(230)의 압축 변형이 완료되면, 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 공진 주파수 매칭이 일어날 수 있다(S14). 공진 주파수의 매칭은 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 주파수가 일치되는 것으로, 매칭된 주파수에서 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 자기 공진 현상이 일어나 전력전송이 이루어진다.
공진 주파수는 제1 차폐부(230)가 압축 변형이 완료된 상태에서 주파수 매칭이 이루어지도록 미리 설정될 수 있다.
무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 공진 주파수가 매칭되면, 무선전력 중계장치(200)는 자기 공진 결합에 의해 무선전력 수신장치(300)로 전력을 전달한다(S15).
이와 같은 무선전력 전송 방법에 따라 무선전력 중계장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 공진 주파수를 매칭시켜 자기공진에 의한 전력 전송을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
10 : 전력 소스
20 : 송신부
21 : 송신 코일
22 : 송신용 공진 코일
30 : 수신부
31 : 수신용 공진 코일
32 : 수신 코일
40 : 정류회로
50 : 부하
100 : 무선전력 송신장치 200 : 무선전력 중계장치
210 : 중계부 220 : 제2 차폐부
230 : 제1 차폐부 300 : 무선전력 수신장치

Claims (28)

  1. 무선전력 송신장치에서 제공되는 전력을 무선전력 수신장치에 전달하는 무선전력 중계 장치로서,
    상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함하는 무선전력 중계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지는 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형됨에 따라 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양은 압력이 가해지지 않은 경우에 비하여 많은 무선전력 중계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지지 않은 경우, 제1 차폐부는 이완 변형되어 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절되는 무선전력 중계 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 차폐부는
    원통형 또는 원추형의 스프링 구조인 무선전력 중계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 연결되고, 상기 중계부를 수용하는 형상을 가진 제2 차폐부를 더 포함하는 무선전력 중계 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 차폐부는
    원통형, 육면체형 중 어느 하나의 형상을 포함하는 무선전력 중계 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해진 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 상기 제1 차폐부의 자기인덕턴스 값이 변함에 따라 상기 무선전력 중계 장치의 공진 주파수가 조절되는 무선전력 중계 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 차폐부는 페라이트를 포함하는 무선전력 중계 장치.
  9. 무선전력 송신장치에서 제공되는 전력을 무선전력 수신장치에 전달하는 무선전력 중계기로서,
    상기 무선전력 중계기는
    기판에 순차적으로 배치된 복수의 무선전력 중계 장치들을 포함하고,
    상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나는,
    상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함하는 무선전력 중계기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지는 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형됨에 따라 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양은 압력이 가해지지 않은 경우에 비하여 많은 무선전력 중계기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지지 않은 경우, 제1 차폐부는 이완 변형되어 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절되는 무선전력 중계기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 차폐부는
    원통형 또는 원추형의 스프링 구조인 무선전력 중계기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 연결되고, 상기 중계부를 수용하는 형상을 가진 제2 차폐부를 더 포함하는 무선전력 중계기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 차폐부는
    원통형, 육면체형 중 어느 하나의 형상을 포함하는 무선전력 중계기.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해진 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 상기 제1 차폐부의 자기인덕턴스 값이 변함에 따라 상기 무선전력 중계 장치의 공진 주파수가 조절되는 무선전력 중계기.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제1 차폐부는 페라이트를 포함하는 무선전력 중계기.
  17. 자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템으로서,
    외부에 연결된 AC전원으로부터 전력을 공급받고, 송신용 공진 코일과 커플링되어 전달되는 전력을 비방사 방식으로 무선전력 중계 장치에 전달하는 무선전력 송신 장치와
    기판에 순차적으로 배치된 복수의 무선전력 중계장치들을 포함하며,
    상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나는,
    상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부; 및
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지는 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형됨에 따라 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양은 압력이 가해지지 않은 경우에 비하여 많은 무선전력 전송 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 압력이 가해지지 않은 경우, 제1 차폐부는 이완 변형되어 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절되는 무선전력 전송 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 차폐부는
    원통형 또는 원추형의 스프링 구조인 무선전력 전송 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나는,
    상기 제1 차폐부와 연결되고, 상기 중계부를 수용하는 형상을 가진 제2 차폐부를 더 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 차폐부는
    원통형, 육면체형 중 어느 하나의 형상을 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 무선전력 중계 장치들 중 적어도 하나 이상의 상면에 압력이 가해진 경우, 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 상기 제1 차폐부의 자기인덕턴스 값이 변함에 따라 상기 무선전력 중계 장치의 공진 주파수가 조절되는 무선전력 전송 시스템.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 제1 차폐부는 페라이트를 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  25. 무선전력 중계 장치를 이용한 무선전력 전송 방법에 있어서,
    상기 무선전력 중계 장치는
    상기 무선전력 송신장치와 자기 공진하도록 구성된 중계 코일 및 중계 커패시터를 포함하는 중계부와 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 따라 형상이 변형되어 상기 중계부로부터 상기 무선전력 수신장치에 전달되는 자기장의 양 및 외부에 누출되는 자기장의 양이 조절되는 제1 차폐부를 포함하고,
    상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 공진 주파수가 조절되는 단계;
    상기 공진 주파수가 조절됨에 따라 상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수와 매칭되는 단계; 및
    상기 매칭된 공진 주파수에서 자기 공진 결합에 의해 무선전력 수신장치로 전력이 전달되는 단계를 포함하는 무선전력 전송 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 무선전력 중계 장치의 상면에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 차폐부가 압축 변형되면서 공진 주파수를 조절되는 단계는
    상기 제1 차폐부의 자기인덕턴스 값이 변화됨에 따라 공진 주파수가 조절되는 단계를 포함하는 무선전력 전송 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 제1 차폐부는
    원통형 또는 원추형의 스프링 구조인 무선전력 전송 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 제1 차폐부는
    페라이트를 포함하는 무선전력 전송 방법.
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