KR101365521B1 - 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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Abstract

회전체의 요동에 영향을 받지 않는 것은 물론, 회전체의 간섭을 받지 않고 항상 무선으로 전력을 송수신할 수 있는, 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템이 소개된다.
본 발명의 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템은, 회전체(10); 상기 회전체(10)의 외주면에 결합된 수전코일(20); 상기 수전코일(20)과 연결된 전력 수신부(30); 및 상기 회전체(10) 근방에 설치되며 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40);을 포함한다.

Description

전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템 {ELECTROMAGNETIC COUPLED RESONANCE TYPE WIRELESSLY POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 회전체의 요동에 영향으로 받지 않는 것은 물론, 강철 재질의 회전체의 간섭을 받지 않으면서 전자기 감응 공명 방식으로 무선 전력을 전송할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 하이브리드 자동차 및 전기 자동차가 등장하면서, 무선 전력 송수신 방법에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기 자동차는 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는바, 배터리에 충전된 전기로 모터를 회전시켜 자동차를 구동시킨다. 이는 배터리의 무거운 중량, 충전에 소요되는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가, 최근 공해 문제의 심각성으로 다시 개발되어 상용화 단계에 이르고 있다.
또한, 하이브리드 자동차는 전기 모터와 내부 연소 엔진 모두를 사용하는 자동차인데, 이는 내연 엔진과 전기자동차의 배터리 엔진 모두를 장착하여 기존의 일반 차량에 비해 연비 및 유해가스 발생량을 줄인 자동차이다. 이러한 하이브리드 자동차 역시 전기에너지를 배터리에 충전시켜 사용함으로써 가솔린 연료 사용량을 부분적으로 대체하고 있는데, 가솔린 엔진과 전기 엔진의 장점만을 결합해 운전하면서 도로와 주변 환경에 걸맞게 자동으로 가솔린 엔진과 전기 엔진 변환이 가능하도록 설계되어 있다.
종래 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 배터리는 유선 플러그를 사용하여 케이블로 전력을 전달함으로써 충전한바, 이는 전기자동차를 주차장에 세우고 전력을 공급할 수 있는 유선 케이블을 자동차의 배터리 플러그에 연결하여 전기를 충전하는 방식이다.
이러한 방식은 반드시 사람이 케이블을 직접 연결시켜 주어야 하는 번거로움이 있는바, 이를 해결하기 위하여, 무선 전력 송수신 방법에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 오고 있는데, 이러한 무선 전력 송수신 방법은 크게 자계 커플링 방식, 전자계 방사 방식 및 유전체 공진기를 사용하는 자계 커플링 방식으로 나뉘어진다.
자계 커플링 방식은 코일을 여러 번 감아서 고주파수의 전류를 코일에 흘려주면 한 방향으로 강하게 자계가 유기되는데, 비슷한 주파수에서 공진하는 코일이 아주 근접하게 되면 커플링이 일어나면서 전력이 전송되는 방식인바, 이러한 자계 커플링 방식은 전송 효율이 아주 나빠서 아주 근접한 거리에서만 전력 전송이 가능하고, 각도가 조금만 틀어져도 전송이 어렵다는 단점이 있다.
전자계 방사 방식은, 모노 폴이나 혼 안테나 등 안테나를 이용하여 신간에 따라 변화하는 전계와 자계가 서로 영향을 주면서 방사가 일어나는 방식인데, 이러한 방식은 같은 주파수의 안테가나 있을 경우 입사파의 극 특성에 맞게 전력을 수신할 수는 있으나, 모든 방향으로 전력을 전송하므로 전력 전송 효율이 매우 낮고, 방사 전력이 증가되면 인체에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
유전체 공진기를 사용하는 자계 커플링 방식은 자계 커플링 방식보다 다소 먼 거리 전력 전송이 가능하고, 효율적인 무선 전력 전송 방식이지만, 비싼 유전체 공진기를 제작, 사용하여야 하고, 커플링 코일 공진기 방식에 비하여 전송 효율이 다소 떨어지는 단점이 있다.
이러한 단점들을 보완된 것이 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 송수신 방법이다.
한국공개특허 제10-2011-0068621호에는 "전자기감응공명에 의한 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 배터리를 자동으로 충전시키는 무선전력충전장치 및 그 방법"이 개시되어 있다.
이는, 주파수가 동일한 무선전력송수신 장치를 이용하여, 전자기 감응 공명에 의해 전력을 송수신함으로써, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차이 배터리를 자동 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
한편, 회전체 센서에 전력을 공급하는 방식은 크게 접촉식인 슬립링 방식과, 비접촉식인 인덕션 방식으로 나뉘어진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슬립링 방식은, 회전체(1)가 회전할 때, 전원 공급부(5)에서 공급되는 전력이 브러쉬(2)를 통하여 전도체 링(3)에 접촉함으로써 전력이 전달된다.
회전체(1)에는 전력 수신부(4)와 센서가 부착되어 있으며, 회전체(1) 회전시 전력 수신부(4) 및 센서도 함께 회전하게 된다. 전도체 링(3)은 센서에 전력을 전달하는 전력 수신부(4)와 연결되며, 결과적으로 전원 공급부(5)에서 공급된 전력은 브러쉬(2), 전도체 링(3)을 거쳐 전력 수신부(4)에 전력을 전달하게 되는 것이다.
그러나, 이러한 방식은 회전체가 상하로 불규칙하게 요동치는 움직이게 되면, 브러쉬(2)와 전도체 링(3)의 접촉이 불안정하게 되는바, 실질적으로 회전체에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인덕션 방식은 외부 고정 코일(7)이 외부 지지대에 고정 설치되어 있고, 내부 회전 코일(8)은 회전체에 절연체로 고정 설치되어 있는바, 회전체(9)가 회전하면 내부 회전 코일(8)이 함께 회전되는 구조이다.
인덕션 방식은, 회전체(9)가 회전할 때, 전원 공급부(6)에서 전력이 외부 고정 코일(7)로 공급되는바, 외부 고정 코일(7)로부터 내부 회전 코일(8)로 전력이 전송된다.
결과적으로, 전원 공급부(6)에서 공급되는 전력은 외부 고정 코일(7), 내부 회전 코일(8)을 거쳐 전력 수신부에 전력을 전달하게 되는 것이다. 이러한 방식은, 전력을 무선으로 전송하는 회부 고정 코일(7)과 내부 회전 코일(8) 간의 간격이 수 cm 이내여서 내부 회전 코일(8)이 고정되는 회전체(9)가 상하로 불규칙하게 수십 cm 이상 요동치며 움직일 경우, 내부 회전 코일(8)이 외부 고정 코일(7)에 부딪혀 파손되는 문제가 발생하므로, 실질적으로 회전체에 적용이 어렵다는 단점이 있다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
한국공개특허 제10-2011-0068621
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 회전체의 요동에 영향을 받지 않고, 회전체의 간섭을 받지 않는 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템은, 회전체; 상기 회전체의 외주면에 결합된 수전코일; 상기 수전코일과 연결된 전력 수신부; 및 상기 회전체 근방에 설치되며 전원 공급부로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일;을 포함한다.
상기 회전체는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고, 상기 송전코일의 지름은 상기 회전체 지름이 1/2 이하이고, 상기 수전코일의 지름은 상기 회전체 지름의 1/4 이하이며, 상기 수전코일은 상기 회전체의 원주 방향으로 120°간격을 두고 3개가 설치되고, 상기 송전코일은 60°간격을 두고 2개가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 회전체는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고, 상기 송전코일의 지름은 상기 회전체 지름이 1/2 이하이고, 상기 수전코일의 지름은 상기 회전체 지름의 1/4 이하이며, 상기 수전코일은 상기 회전체의 원주 방향으로 120°간격을 두고 3개가 설치되며, 상기 송전코일은 180°간격을 두고 2개가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 회전체는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고, 상기 송전코일의 지름은 상기 회전체 지름과 동일하고, 상기 수전코일의 지름은 상기 회전체 지름의 1/2 이하이며, 상기 수전코일은 상기 회전체의 원주 방향으로 180°간격을 두고 2개가 설치되며, 상기 송전코일은 1개 설치되는 것이 바람직하다.
상기 송전코일의 지름은 회전체 지름과 동일하거나 크고, 상기 수전코일의 지름은 상기 회전체 지름과 동일하거나 크며, 상기 수전코일 및 송전코일은 각각 1개가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 강철로 형성된 회전체가 수십 cm 상하로 요동치더라도 안정되게 무선으로 전력을 전송할 수 있는 이점이 있다.
나아가, 송전코일 및 수전코일을 적절히 배치함으로써, 회전체의 회전 방향에 관계없이 안정적으로 전력을 전송할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 회전체 센서에 전력을 공급하는 슬립링 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 회전체 센서에 전력을 공급하는 인덕션 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발며의 제1실시 예의 개략도,
도 5는 본 발명의 제2실시 예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 제3실시 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 제4실시 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템을 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템은, 회전체(10), 수전코일(20), 전력 수신부(30), 송전코일(40)을 포함한다.
회전체(10)는 강철 재질의 원통 형상으로 제조되며, 수전코일(20)은 회전체(10)의 외주면에 결합된다. 회전체(10)의 내부에는 전력 수신부(30)에 설치되는바, 이 전력 수신부(30)는 수전코일(20)과 연결된다.
회전체(10) 근방에는 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40)이 설치된다. 이러한 송전코일(40)은 지지대(50)에 고정된다.
전자기 감응 공명(ECR, Electromagnetic Coupled Resonance) 방식이란, 주파수 크기가 같은 두 물체 사이에서 한 쪽에 전기를 공급하면 동일한 자기장이 형성되면서 다른 쪽으로 전기가 전달되는 것을 의미한다. 이러한 현상은 마치 한쪽의 소리굽쇠를 때리면 근처에 있는 다른 소리굽쇠도 함께 울리는 현상과 매우 유사한다.
원통 형상으로, 강철 재질로 만들어진 회전체(10)는 전파를 차단하는 성질을 갖는 바, 외주면에 수전코일(20)이 1개 설치된 회전체(10)가 회전하여, 수전코일(20)과 송전코일(40)이 강철을 사이에 두고 위치하면, 송전코일(40)에서 수전코일(20)로 전파가 전달되지 않는 문제점이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수전코일(20)의 개수를 증가시키는 방법이 있으나, 수전코일(20)의 개수만을 증가시키면, 송전코일(40)이 이웃하는 수전코일(20) 사이에 위치하는 경우 전력 전송이 원활하게 일어나지 않는바, 송전코일(40)의 증가도 필요한다.
즉, 원활한 전력 전송을 위해서는, 수전코일(20)은 회전체(10)의 외주면에 복수 개 설치되는 것이 바람직하며, 송전코일(40) 역시 수전코일(20)이 설치된 회전체(10) 주위로 복수 개가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 지지대(50)에 송전코일(40)을 2개 고정하고, 회전체(10)에는 수전코일(20)을 3개 설치한다.
전원 공급부(S)에서 고주파 전력이 송전코일(40)로 공급되고, 송전코일(40)은 이 고주파 전력을 수전코일(20)로 전송하는바, 3개의 수전코일(20)로 전송된 전력은 전력 수신부(30)로 전달되어 직류 전원으로 변환되고, 최종적으로 직류전원은 회전체(10)에 붙어 있는 센서로 공급된다.
본 발명자는 지름이 87cm 인 회전체(10)의 외주면에 지름이 20cm 인 수전코일(20) 3개를 둘레 방향으로 120°간격으로 3개 설치하였고, 지름이 40cm인 송전코일(40)을 60°간격으로 2개 설치하였다.
일반적으로, 송전코일(40)과 수전코일(20)은 정확하게 마주보았을 때, 최대 전력이 송수신되며, 수전코일(20)이 회전하여 송전코일(40)과 멀어질 경우 전력 전달 효율은 감소하게 된다. 단수 개의 송전코일(40)과 수전코일(20)이 설치된 경우, 송전코일(40)과 수전코일(20)이 30°이상 어긋나게 되면 전력 전달이 매우 미약해져서 전력이 마치 끊어진 것과 동일한 현상이 발생된다.
이러한 전력 손실을 보정하기 위하여, 2개의 송전코일(40)을 60°간격으로 및 3개의 수전코일(20)을 120°간격으로 배치한 것인 바, 이러한 간격 및 개수는 경제성과 전력 송수신 효율을 동시에 최대한 만족하는 범위 내에서 결정된 것이며, 송전코일(40)의 지름은 상기 회전체(10) 지름이 1/2 이하이고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체(10) 지름의 1/4 이하로 형성될 때, 상기한 송전코일(40) 및 수전코일(20)의 개수 및 간격이 가장 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템은, 회전체(10)가 회전하더라도 항상 적어도 하나 이상의 송전코일(40)과 수전코일(20)이 회전체(10)의 간섭을 받지 않고 무선으로 전력을 송수신할 수 있으며, 특정 영역(A)에서 전력을 무선으로 송수신할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 송전코일(40)의 지름은 회전체(10) 지름이 1/2 이하이고, 수전코일(20)의 지름은 회전체(10) 지름의 1/4 이하일 때, 수전코일(20)은 회전체(10)의 원주 방향으로 120°간격을 두고 3개가 설치되며, 송전코일(40)은 180°간격을 두고 2개가 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 조건을 갖는 회전체(10), 수전코일(20) 및 송전코일(40)은, 회전체(10)가 회전하더라도 항상 적어도 하나 이상의 송전코일(40) 및 수전코일(20)이 회전체(10)의 간섭을 받지 않고 특정 영역(A)에서 무선으로 전력을 송수신할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 송전코일(40)의 지름은 회전체(10) 지름과 동일하고, 수전코일(20)의 지름은 회전체(10) 지름의 1/2 이하라면, 수전코일(20)은 회전체(10)의 원주 방향으로 180°간격을 두고 2개가 설치되는 것이 바람직한바, 이러한 조건을 갖는 회전체(10), 수전코일(20) 및 송전코일(40)은, 회전체(10)가 회전하더라도 항상 적어도 하나 이상의 송전코일(40) 및 수전코일(20)이 회전체(10)의 간섭을 받지 않고 특정 영역(A)에서 무선으로 전력을 송수신할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 송전코일(40)의 지름은 회전체(10) 지름과 동일하거나 크고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체(10) 지름과 동일하거나 크면, 송전코일(40) 및 수전코일(20)은 각각 1개만 설치되는 것이 바람직하고, 이러한 조건을 갖는 회전체(10), 수전코일(20) 및 송전코일(40)은, 회전체(10)가 회전하더라도 항상 적어도 하나 이상의 송전코일(40) 및 수전코일(20)이 회전체(10)의 간섭을 받지 않고 특정 영역(A)에서 무선으로 전력을 송수신할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 회전체 20 : 수전코일
30 : 전력 수신부 40 : 송전코일
50 : 지지대 S : 전원 공급부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 외주면에 결합된 수전코일(20);
    상기 수전코일(20)과 연결된 전력 수신부(30); 및
    상기 회전체(10) 근방에 설치되며 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40);을 포함하고
    상기 회전체(10)는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고,
    상기 송전코일(40)의 지름은 상기 회전체 지름이 1/2 이하이고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체(10) 지름의 1/4 이하이며,
    상기 수전코일(20)은 상기 회전체(10)의 원주 방향으로 120°간격을 두고 3개가 설치되고, 상기 송전코일(40)은 60°간격을 두고 2개가 설치되는 것을 특징으로 하는, 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템.
  3. 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 외주면에 결합된 수전코일(20);
    상기 수전코일(20)과 연결된 전력 수신부(30); 및
    상기 회전체(10) 근방에 설치되며 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40);을 포함하고,
    상기 회전체(10)는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고,
    상기 송전코일(40)의 지름은 상기 회전체(10) 지름이 1/2 이하이고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체(10) 지름의 1/4 이하이며,
    상기 수전코일(20)은 상기 회전체(10)의 원주 방향으로 120°간격을 두고 3개가 설치되며, 상기 송전코일(40)은 180°간격을 두고 2개가 설치되는 것을 특징으로 하는, 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템.
  4. 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 외주면에 결합된 수전코일(20);
    상기 수전코일(20)과 연결된 전력 수신부(30); 및
    상기 회전체(10) 근방에 설치되며 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40);을 포함하고,
    상기 회전체(10)는 강철 재질로 원통 형상으로 형성되고,
    상기 송전코일(40)의 지름은 상기 회전체(10) 지름과 동일하고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체 지름의 1/2 이하이며,
    상기 수전코일(20)은 상기 회전체(10)의 원주 방향으로 180°간격을 두고 2개가 설치되며, 상기 송전코일(40)은 1개 설치되는 것을 특징으로 하는, 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템.
  5. 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 외주면에 결합된 수전코일(20);
    상기 수전코일(20)과 연결된 전력 수신부(30); 및
    상기 회전체(10) 근방에 설치되며 전원 공급부(S)로부터 고주파 전력을 공급받아 상기 수전코일(20)에 전자기 감응 공명 방식으로 전력을 송신하는 송전코일(40);을 포함하고,
    상기 송전코일(40)의 지름은 회전체(10) 지름과 동일하거나 크고, 상기 수전코일(20)의 지름은 상기 회전체(10) 지름과 동일하거나 크며, 상기 수전코일(20) 및 송전코일(40)은 각각 1개가 설치되는 것을 특징으로 하는, 전자기 감응 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템.
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