KR101403596B1 - 다이폴 코일을 가진 원격 전력 전송시스템 - Google Patents

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Abstract

제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및 상기 제1코일로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되, 상기 제1페라이트 코어에 생성되는 자속밀도의 크기에 근거하여 상기 제1페라이트 코어는 코어의 폭이나 두께보다 길이를 10배 이상 길게 한 막대 모양인 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치를 제공한다.

Description

다이폴 코일을 가진 원격 전력 전송시스템{Long Distance Inductive Power Transfer System Using Optimum Shaped Dipole Coils}
본 발명은 자기력선을 유도하여 전력을 전송하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극을 지닌 코일을 통해 자기력선을 유도하여 원격으로 전력을 전송하는 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
테슬라가 무선으로 전력을 전송하는 방법을 발명한 이래 무선 전력 전송 가능 거리를 연장하려는 노력은 긴 역사를 지니고 있다. 2007년 강하게 결합된 자기공명시스템(Strongly Coupled Magnetic Resonance System: CMRS)을 이용하여 2m 거리에서 코일간 전력 전송 효율이 60W에 45%를 전송하는 방법이 소개되었다.(A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol. 317, no. 5834, pp. 83-86, Jul. 2007) 이 방법에 따르면, 큰 자체공진 코일을 제1, 제2 코일로 배치하여 큰 자기장을 발생시켜 전송 가능 거리를 연장시켰다. 그러나 자체공진 코일에 큰 전류를 인가하려면 코일의 내부저항이 매우 작아야 한다. 이것은 코일이 높은 Q 인자를 지녀야 함을 의미한다. 이는 결과적으로 매우 두꺼운 도선을 사용한다는 것이다. 또한 이 경우 코일은 실제 전력이나 전류보다 Q배 큰 높은 무효전류나 전압을 지탱해야 하기 때문에 높은 Q 인자는 기본적으로 코일에 전압 스트레스를 초래한다. 예를 들어 Q=2500이라고 가정하면 400W를 전달 하기 위해서는 1MVA의 무효 전력을 견딜수 있는 코일이 필요하다. 이것이 높은 전력을 가지는 기기에서 CMRS가 좀처럼 사용되지 않는 이유이다. 게다가 코일의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 기생 캐패시턴스에 의해 정해지며, 이들 캐패시턴스와 인덕턴스는 온도나 습도, 사람의 접근과 같은 주변환경에 민감하게 반응하기 때문에 공진주파수를 일정하게 유지하는 것은 어려운 일이다.
또한 환형에 가까운 코일 형태는 CMRS에 있어서 필연적이다. CMRS는 공심 코일을 사용하고 공진 캐패시터로 코일 자체에서 생기는 스트레이(Stray) 내지 기생(Parasitic) 캐패시턴스를 이용해서 공진을 형성한다. 코일의 인덕턴스와 기생 캐패시턴스 값은 크기 어렵기 때문에 공진 주파수가 높은 값을 갖게 되어 일반적으로 10MHz보다 높은 경향이 있다. 이런 높은 구동 주파수 때문에 RF 전력 증폭기가 효율적인 스위치 변환기보다 자주 사용된다. 이렇듯 CMRS의 전송효율은 50cm거리, 60W의 전력전송에서 80%의 코일 간 전송효율을 지닐 정도로 크지만, 시스템 효율성은 주파수가 높기 때문에 인버터와 같은 높은 효율의 파워 소스를 사용할 수 없어 상당히 낮다.
본 발명의 주된 목적은 유도 전력 전송 시스템(Inductive Power Transfer System: IPTS)의 코어의 형상을 최적화하거나 기생 캐패시턴스를 최소화시켜 전송효율을 증대시키는 데에 있다.
본 실시예의 일측면에 의하면, 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및 상기 제1코일로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되, 상기 제1페라이트 코어는 코어의 폭이나 두께보다 길이를 10배 이상 길게 한 막대 모양인 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치를 제공한다.
본 실시예의 일측면에 의하면, 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 코일의 권취된 길이보다 길이가 긴 제1페라이트 코어와 상기 제1패라이트 코어에 권취되는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및 상기 제1코일 모듈의 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 길이보다 길이가 긴 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치를 제공한다.
본 실시예의 일측면에 의하면, 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및 상기 제1코일 모듈의 상기 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되, 상기 제1코일 모듈과 상기 제2코일 모듈 중 적어도 하나는 상기 페라이트 코어와 상기 코일 사이에 비자성 구조체를 삽입하여 상기 페라이트 코어와 상기 코일 사이에 공간을 부여하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치를 제공한다.
본 실시예의 일측면에 의하면, 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및 상기 제1코일 모듈의 상기 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되, 상기 제1코일과 상기 제2코일은 상기 제1페라이트 코어와 상기 제2페라이트 코어의 중심부에 각각 권취되어 있고, 상기 제1페라이트 코어와 상기 제2페라이트 코어는 상기 제1코일과 상기 제2코일에 의해 주어진 자속에 비례하여 단면적이 정해지도록 중심부분은 굵고 양끝단 부분은 가는 형상인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치를 제공한다.
본 실시예의 일측면에 의하면, 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터; 상기 인버터의 출력인 상기 교류전류를 인가받는, 제1페라이트 코어가 중심부분이 굵은 계단형을 가지고 제1코일의 권선영역 밖까지 연장된 형태를 지닌 제1코일 모듈과 상기 제1코일 모듈에 상기 교류전류가 흐를 때 생성되는 자기장에 의해 유도기전력이 생성되는 제2코일 모듈로 구성된 전력 전송 모듈; 및 상기 제2코일 모듈에 생성된 상기 유도기전력에 의해 생성된 교류전류를 직류전류로 변환하는 풀브리지 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템을 제공한다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따르면, 코일에서 유도되는 자기장의 제2코일 전송량이 증대되며 이를 통해 손실을 최소화하며 전력을 장거리 전송시킬 수 있다.
도 1은 제1코일 모듈과 제2코일 모듈의 투시도이다.
도 2는 제1코일 모듈과 제2코일 모듈 주변의 자기력선도이다.
도 3은 균등굵기의 페라이트 코어의 중앙 부위에 코일을 감은 코일 모듈의 자속밀도 그래프이다.
도 4는 계단형 코어와 균등굵기의 코어에서 자속밀도를 정규화하여 시뮬레이션한 결과의 그래프이다.
도 5는 코어의 길이와 각 코일간의 거리에 따라 제2코일의 중심을 지나는 자속밀도의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 각 코일 간의 거리와 코어의 길이에 따라 제2코일의 중심을 지나는 자속밀도의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 7은 코일 모듈에 발생하는 주된 기생 전기용량 두 가지를 도시한 평면도이다.
도 8은 기생 전기용량을 등치된 캐패시터들로 나타낸 코일 모듈의 회로도이다.
도 9는 페라이트 코어에서의 맴돌이 전류의 흐름을 도시한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예인 전력전송장치의 회로도이다.
도 11은 제1코일 모듈과 제2코일 모듈을 구현한 사진이다.
도 12는 20kHz에서 제1코일에 RMS 전류값 Ip를 변화시키며 다양한 거리에서 전력 전송량을 측정한 그래프이다.
도 13은 20kHz에서 제2코일에 출력된 전력값 Po에 따른 다양한 거리에서 전력 전송효율을 측정한 그래프이다.
도 14는 105kHz에서 제1코일에 RMS값이 Ip인 전류를 변화시키며 다양한 거리에서 전력 전송량을 측정한 그래프이다.
도 15는 105kHz에서 제2코일에 출력된 전력값 Po에 따른 다양한 거리에서 전력 전송효율을 측정한 그래프이다.
도 16은 휴대의 편의를 위해 판형 코어에 코일을 감은 투시도이다.
도 17은 판형 코어를 제2 코일 모듈에 사용한 IPTS이다.
도 18은 본 발명에서 전력을 전달하는 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 제1코일 모듈과 제2코일 모듈의 투시도이다. 제1코일(108)과 제2코일(109)을 제1, 제2페라이트 코어(107)에 나선형으로 감는다. 각 코일(106)은 리츠 와이어(Litz Wire)이며 지름은 5mm로 두어 교류 저항을 최소화하였다. 제1코일 모듈(101)에 흐르는 전류가 자기장을 유도하고 제2코일 모듈로 흘러들어간 자기장으로 인해 제2코일 모듈에 전위차가 유도된다.
장거리 전력 전송을 하기 위해서 강한 자기장을 생성하여야 한다. 그러나 코일 자체는 코일 내부 공간에 큰 자기저항이 발생하여 문제가 된다. 이 자기저항을 줄이기 위하여 긴 페라이트 코어(107)가 코일 내부에 삽입된다. 코어가 삽입된 코일은 그렇지 않은 코일에 비해 자기저항의 감소를 통해 대략 50배 정도 자속 밀도가 증가된다.
페라이트 코어(107)의 실용적인 내부 자속밀도는 약 300mT에서 제한된다. 실질적으로는 히스테리시스 손실을 막기 위하여 코일의 자속밀도는 선형성이 유지되는 구간인 200mT를 넘기지 않아야 한다.
이하 도 2 내지 도 6의 그래프는 ANSOFT MAXWELL v14.0으로 시뮬레이션된 값을 기초로 도시되었다.
도 2는 제1코일 모듈(101)과 제2코일 모듈(102) 주변의 자기력선도이다. 이를 보면 제1코일 모듈(101)에서 생성된 자기력선들이 효과적으로 제2코일 모듈(102)에 쇄교됨을 알 수 있다. 자기력선의 쇄교량을 늘리기 위해서는 더 긴 양극 코어가 사용되어야 한다. 이에 대한 자세한 실험 결과는 도 5에서 후술하겠다.
도 3은 균등 굵기의 페라이트 코어의 중앙 부위에 코일을 감은 코일 모듈의 자속밀도 그래프이다. 그래프에 나타난 바와 같이 자속밀도는 코어의 중앙부분에서 최대치를 나타낸다. 따라서 대부분의 히스테리시스 손실은 코어의 중앙 부분에서 발생한다. 자속밀도는 쇄교하는 총 자속량을 투과하는 수직면적으로 나눈 값이므로 가운데 부분의 단면적을 넓힌다면 자속밀도를 낮출 수 있다. 또한 코어의 양끝단은 가운데만큼 단면적이 넓을 필요가 없다. 본 그래프의 자속밀도를 통해 페라이트 코어의 자속밀도가 가능한 한 일정하게 분포되는 최적형상을 찾을 수 있다. 중앙부분을 굵게 하고 양단으로 갈수록 가늘도록 형상을 만들면 자속밀도가 균일하게 유도된다. 본 실시예에서는 제작과 정량분석의 편의를 위하여 계단형 코어으로 설명한다.
도 4는 계단형 코어와 균등굵기의 코어에서 자속밀도를 정규화하여 시뮬레이션한 결과의 그래프이다. 보이는 바와 같이 균등 굵기의 경우 계단형 코어(402)에 비하여 46.7% 높은 자속밀도를 지닌다.
코일의 자속은 일반적으로 [수학식 1]에 따라 유도된다.
Figure 112012061415936-pat00001
(Ø: 자속, L: 인덕턴스, I: 전류, N: 자기저항)
계단형 및 균등 굵기의 두 가지 경우 코일에 생성된 자속을 비교하기 위해 인덕턴스들은 시뮬레이션을 통해 계산되었다. 계단형의 경우 663μH이고 균등 굵기의 경우 643μH로 예상되었다. 인덕턴스에 큰 차이가 없으므로 계단형 코어(402)를 지닌 경우가 인덕턴스로 인해 특별히 더 많은 총 자기장을 생성하지는 않는다. 그러나 자기장이 투과하는 매체의 단면적을 조절하여 코어의 자속밀도의 최대치가 낮아졌으므로 [수학식1]을 참조하면 자속밀도 제한치(통상 200mT)까지 전류를 더 인가해 줄 수 있다. 따라서 계단형 코어(402)의 경우 동일한 페라이트로 만든 코어라면 전송된 전력은 생성된 자기장이나 유도된 전압의 제곱에 비례하므로 균등 굵기의 페라이트 코어(401)에 비해 215% (=1.4672) 만큼 많은 전력전송이 이루어진다.
도 5는 코어의 길이(lc: 103)와 각 코일 간의 거리에 따라 제2코일의 중심을 지나는 자속밀도의 크기를 나타낸 그래프이다. 이 그래프에서 비교의 편의를 위해 두 코어의 길이가 같다고 가정하였다.
페라이트 코어의 길이를 일반적인 코일 코어와 달리 권선영역 밖까지 늘인 경우 코일의 결속인자를 높여서 자기저항을 낮출 수 있다. 그래프에 나타난 바와 같이 모든 곡선은 단조 증가함수이므로 장거리 전송에 있어서 코어의 길이가 길수록 큰 자속밀도가 제2코일에서 측정된다. 제2코일에 유도된 전압은 그 권선을 지나는 자속밀도에 비례하므로 장거리 전송을 하기 위해서는 코어의 길이가 길어야 함을 알 수 있다.
도 6은 각 코일 간의 거리(y: 105)와 코어의 길이에 따라 제2코일의 중심을 지나는 자속밀도의 크기를 나타낸 그래프이다. 각각의 그래프의 기울기를 비교해 볼 때 긴 코어를 지닐수록 그래프는 위쪽에 존재하고 기울기의 절대값이 작아진다. 따라서 긴 코어는 더 높은 자기장을 유도할 뿐만 아니라 코일 간의 거리(y: 105)가 늘어날 때 자기장이 감소하는 양도 줄어든다는 것을 알 수 있다. 모든 범위의 거리에 대하여 코어의 길이(lc: 103)가 길수록 자속밀도가 느리게 감쇄함을 알 수 있다.
도 7은 페라이트 코어 코일에 발생하는 주된 기생 전기용량 두 가지를 도시한 평면도이다. 본 실시예에 따른 IPTS(Inductive Power Transfer System)의 제1, 제2코일은 공진구조를 지니고 있는데 이들 코일이 지닌 기생 전기용량은 공진 조건에 영향을 끼친다. 코일에서 인접하는 도선 사이에 생기는 도선 간 기생 캐패시턴스(Cw: 701)만 생성되는 것과 달리 페라이트 코어가 있는 경우 이에 추가하여 도선과 페라이트 코어 간 기생 전기용량(Cf: 702)도 생긴다. 일반적인 경우 페라이트 코어의 크기가 작으므로 Cf는 무시해도 좋을 정도의 크기를 가지지만, 본 실시예에 따른 IPTS의 경우 코일의 길이가 수 미터에 이르고 페라이트 코어의 길이는 십수미터에 이르기 때문에 상당한 크기가 된다. 이들 기생 전기용량들은 회로와 직렬과 병렬로 연결된 한 개씩의 캐패시터로 등치된 등가의 회로모델로 나타낼 수 있다.
도 8은 기생 전기용량을 등치된 캐패시터들로 나타낸 코일 모듈의 회로도이다. 이때 제1코일 모듈 전체의 임피던스 Z(803)는 [수학식2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012061415936-pat00002
(Cp: 기생 전기용량이 등치된 병렬 캐패시터 부분, Cs: 기생 전기용량이 등치된 직렬 캐패시터 부분, s: 라플라스변수, Ls: 인덕턴스, Z: 임피던스)
[수학식2]에 따라 병렬 연결 공진 주파수 ωp와 직렬 연결 공진 주파수 ωs는 [수학식 3]및 [수학식 4]와 같이 간략화될 수 있다.
Figure 112012061415936-pat00003
(Cp: 기생 전기용량가 등치된 병렬 캐패시터 부분, Cs: 기생 전기용량이 등치된 직렬 캐패시터 부분, Ls: 인덕턴스, ωs: 직렬 공진 주파수)
Figure 112012061415936-pat00004
(Cp: 기생 전기용량가 등치된 병렬 캐패시터 부분, Cs: 기생 전기용량이 등치된 직렬 캐패시터 부분, Ls: 인덕턴스, ωp: 병렬 공진 주파수)
직렬 공진 주파수 ωs 는 Cp와 Cs(802)의 합과 코일의 인덕턴스 Ls에 의해 정해진다. 병렬 공진 주파수 ωp 는 Ls와 Cp에 의해 정해진다. 제2코일에 유도된 전압을 높이려면 권선수를 늘리고 주파수를 수십 kHz까지 높여야 한다. 이러한 조건 하에서 제2코일의 자체 인덕턴스가 상당히 크고 공진 조건을 만족시키기 위해 Cs는 나노 F(패럿) 수준으로 낮아져야 한다. 직렬 공진 조건을 위해서는 ωp와 ωs는 충분히 달라야 한다. 이를 위해 Cp는 최소화되어야 한다. 직렬로 등치된 캐패시터 Cp를 이루는 Cf(702)를 최소화하기 위해 코일과 페라이트 코어 사이에 비자성 구조체인 아크릴 스페이서(705)를 삽입할 수 있다. Cw(701)를 최소화하기 위해 코일(703)을 선 사이의 공간을 충분히 두어 아크릴 스페이서(705)로 싸인 페라이트 코어(704)를 도7의 (b)와 같이 감는다. 이를 통해 Cp는 최소화될 수 있다.
더 높은 효율을 위해 제1, 제2 코일의 코어에서 발생하는 손실을 최소화해야한다. 히스테리시스 손실은 코일에 흐르는 전류의 양을 조절하여 코어에 인가되는 최대 자속밀도의 양을 조절하는 방법으로 조절될 수 있다.
도 9는 페라이트 코어에서의 맴돌이 전류의 흐름을 도시한 개념도이다. 크기가 큰 페라이트 코어를 사용한 경우 인가해주는 자속(902)을 변화시키면 상대적으로 큰 전도도와 전류의 크기 때문에 맴돌이 전류(901)가 생겨서 손실이 발생한다. 이를 최소화하기 위해 작은 크기(100mm×100mm×10mm)의 페라이트 블록들이 이용된다. 맴돌이 전류 손실을 줄이기 위해 각 블록들의 모든 접촉면은 절연 테이프(903)나 얇은 고밀도 폴리에틸렌 필름(High Density Polyethylene Film: HDPE)으로 절연된다. 도 9의 (a)와 (b)는 각각 길이방향으로는 절연 테이프(903)를, 길이의 수직방향으로는 HDPE(904)를 사용한 도면이다. 위에서 두 번째 도면들처럼 코어를 일체형으로 만들 때와 달리 위에서 첫 번째 도면들처럼 코어를 분할하고 절연하여 만들면 맴돌이 전류의 회전 폭이 좁아져서 국지적인 맴돌이 전류가 발생하지 않으므로 맴돌이 저항이 커지는 효과가 생긴다.
도 10 내지 15는 위에서 기술한 방법들을 활용한 IPTS가 장거리에서 실효성 있는 전송효율을 지니고 있음을 실험적으로 입증한 내용이다. 이하의 설명에서 제시하는 내용은 본 발명의 권리범위를 제한하지 않으며 산업상 이용가능성을 증명하기 위한 목적으로만 해석되어야 할 것이다.
제1, 제2코일을 보상해주기 위한 직렬 공진 캐패시터들(1006)은 수천 볼트에 달하는 높은 전압이 인가될 수 있어야 하고 작은 저항특성을 지녀야 한다. 고전압 세라믹 캐패시터와 필름 캐패시터가 공진 캐패시터로 가능할 것이나 본 제안에서는 세라믹 캐패시터가 온도에 민감하고 저항 특성이 높은 주파수에서 좋지 않아 필름 캐패시터를 사용하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예인 전력전송장치의 회로도이다. 제1코일(1002)과 직렬 공진 캐패시터 C1(1006)은 풀브리지 인버터(1001)로 구동된다. 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS)이 인버터(1001)에서 이루어지도록 하기 위해 C1(1006)과 제1코일(1002)의 공진 주파수는 인버터의 스위칭 주파수보다 10% 낮게 설정되었다. 풀브리지 정류기(1004)는 제2전압의 교류전압을 직류전압으로 변환시켜준다. 실제 부하와 등가 모델을 만들기 위해 저항 R1(1007)을 정류기(1004) 밖에 연결한 것으로 묘사했다.
도 11은 제1코일 모듈과 제2코일 모듈을 구현한 사진이다. 도 4와 도 7에서 설명한 것과 같이 코어는 각기 다른 길이의 판형 페라이트 코어를 절연 테이프와 교대로 적층하여 중앙부분이 굵은 페라이트 코어를 제작하였다. 이를 다시 스페이서 안에 넣고 스페이서 밖에 코일을 감아서 제1코일 모듈과 제2코일 모듈을 만들었다. 도 10에서 설계한 것과 같이 제1코일 모듈은 풀브리지 인버터와 연결되어 있고 제2코일 모듈은 풀브리지 정류기와 연결하였다. 실험은 20kHz와 105kHz의 주파수에 대하여 이루어졌다.
도 12는 20kHz에서 제1코일에 RMS 전류값 Ip(1005)를 변화시키며 다양한 거리에서 전력 전송량을 측정한 그래프이다. 제1코일 코어에서 자속밀도가 수렴되는 전류 값이 약 47Arms이므로 3m, 4m, 5m에서의 최대 전력 전송량은 각각 1,403W, 471W, 209W가 된다. 따라서 막대모양으로 구현된 IPTS에서 길이(3m)의 0.5배 내지 2배 사이의 거리에서 충분히 실효성 있는 전력이 전송된다.
도 13은 20kHz에서 제2코일에 출력된 전력값 Po에 따른 다양한 거리에서 전력 전송효율을 측정한 그래프이다. 100W가 출력될 때 3m,4m, 5m에서의 전송효율은 각각 36.9%, 18.7%, 9.2%가 된다. Ip가 증대됨에 따라 코일에서 전력 손실이 발생하므로 전력 전송 효율은 낮아진다.
도 14는 105kHz에서 제1코일에 RMS값이 Ip인 전류를 변화시키며 다양한 거리에서 전력 전송량을 측정한 그래프이다. 이 경우 자속밀도가 수렴하는 전력값을 측정하면 2m, 3m, 4m, 5m에서 각각 109W, 34.8W, 13.8W, 5.93W이다.
도 15는 105kHz에서 제2코일에 출력된 전력값 Po에 따른 다양한 거리에서 전력 전송효율을 측정한 그래프이다. 5W의 전력 전송량을 달성했을 때 2m, 3m, 4m, 5m에서 효율은 각각 46%, 31%, 15%, 6%이다.
높은 주파수를 적용하면 전체 시스템의 크기를 작게 만들 수 있으나 캐패시터 선정에 제약이 생기고 코어에서 발생하는 추가적인 손실과 기생 캐패시턴스의 영향이 커진다.
IPTS는 양 코일과 코어의 형상을 동일하게 택할 필요가 없다. 따라서 제1코일은 효율성을 위하여 대형화가 바람직하나 제2코일은 휴대의 편의를 위해 판형 페라이트 코어에 코일을 감은 형태(1601)를 지닐 수도 있다.
도 16은 휴대의 편의를 위해 판형 코어에 코일을 감은 투시도이다. 판형 페라이트 코어(1601)의 양면에 코일(1602)을 감으면 유도되는 전압의 크기는 작아지지만 제2코일 모듈의 크기를 작게 할 수 있다. 제2코일 모듈은 전력원으로 역할을 할 것이므로 이 전력원이 포함된 전자기기의 소형화를 달성할 수 있다.
도 17은 판형 코어를 제2 코일 모듈에 사용한 IPTS이다. 제1코일(1701)은 효율성을 위하여 지금까지 설명한 형태를 따랐으나 제2코일(1702)은 원하는 형태로 만들 수 있다.
도 18은 본 발명에서 전력을 전달하는 과정을 나타낸 순서도이다. 직류전류를 교류전류로 변환하는 단계(S1810)에서는 제1코일 모듈에 연결된 풀브리지 인버터에 직류전류를 인가하여 풀브리지 인버터에서 직류전류를 교류전류로 변환시킨다. 교류전류를 페라이트 코어가 중심이 굵은 계단형을 지니고 권선 영역 밖까지 연장된 형태를 가진 제1코일로 인가하는 단계(S1820)에서는 전류가 전달되어 코일에 전류가 흐른다. 제1코일에서 자기장을 발생시키는 단계(S1930)에서는 인가된 전류를 통해 코일에서 자기장을 발생시킨다. 자기장이 제2코일모듈에 전달되는 단계(S1840)에서는 자기장이 페라이트 코어를 통해 제2코일 모듈에 전달되며 제2코일 모듈에 전달된 자기장이 유도 기전력을 발생시키는 단계(S1850)에서는 제2코일에 전달된 자기장의 변화를 통해 유도 기전력이 발생한다. 유도 기전력에 의해 발생한 교류전류를 직류전류로 변환하는 단계(S1860)에서는 풀브리지 정류기에서 기전력으로 발생한 교류전류를 직류전류로 전환시켜서 전력을 전달한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 제1코일 모듈 102: 제2코일 모듈
103: 페라이트 코어의 길이 104: 코일의 길이
105: 코일 간 거리 106: 코일
107: 페라이트 코어 301: 코일 및 스페이서
302: 페라이트 코어 401: 균등 굵기 페라이트 코어
402: 계단형 페라이트 코어 403: 균등 굵기의 자속밀도 그래프
404: 계단형 페라이트심의 자속밀도 그래프
701: 도선 간 기생 캐패시턴스
702: 도선과 페라이트 코어 간 기생 캐피시턴스
703: 코일 704: 페라이트 코어
705: 스페이서
801: 기생 캐패시턴스의 병렬 연결 부분과 코일의 인덕턴스
802: 기생 캐패시턴스의 직렬 연결 부분
803: 임피던스 901: 맴돌이 전류
902: 자속 903: 절연 테이프
904: 고밀도 폴리에틸렌 필름 1001: 풀브리지 인버터
1002: 제1코일 1003: 제2코일
1004: 풀브리지 정류기 1005: 급전 전류
1006: 직렬 공진 캐패시터 1007: 실제 부하의 등가 저항
1601: 판형 페라이트 코어 1602: 코일
1701: 제1코일 1702: 제2코일

Claims (18)

  1. 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되,
    상기 제1페라이트 코어는 코어의 폭이나 두께보다 길이를 10배 이상 길게 한 막대 모양이고,
    상기 제1페라이트 코어에서 높은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 넓게 구성하고, 낮은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 좁게 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1페라이트 코어와 제2페라이트 코어가 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2페라이트 코어에서 높은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 넓게 구성하고, 낮은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 좁게 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1페라이트 코어 및 상기 제2페라이트 코어의 형상은 중앙부분이 굵고 양끝단으로 갈수록 가는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1페라이트 코어 및 상기 제2페라이트 코어의 형상은 상기 중앙 부분에서 상기 양끝단으로 갈수록 계단 형태로 단계적으로 가늘어지는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1페라이트 코어의 길이는 상기 제1코일의 권선영역보다 길게 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  8. 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되,
    상기 제1페라이트 코어는 코어의 폭이나 두께보다 길이를 10배 이상 길게 한 막대 모양이고,
    상기 제1코일 모듈은 상기 제1페라이트 코어와 상기 제1코일 사이에 비자성 부도성 구조체를 삽입하여 상기 제1페라이트 코어와 상기 제1코일 사이에 공간을 부여하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1코일 모듈은 상기 제1페라이트 코어에 상기 제1코일이 도선 굵기 이상의 간격을 두고 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 페라이트 코어 중 적어도 하나는 상호 절연된 복수의 페라이트 블록들로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 페라이트 블록들은,
    서로 이웃한 상기 페라이트 블록들 사이에 개재되는 절연 테이프 또는 고밀도 폴리에틸렌 필름(High Density Polyethylene Film)에 의해 절연되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  12. 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되,
    상기 제1페라이트 코어는 코어의 폭이나 두께보다 길이를 10배 이상 길게 한 막대 모양이고,
    상기 제2페라이트 코어는 판형 페라이트이고 상기 제2코일은 상기 제2 페라이트 코어의 면과 코일의 지름방향이 평행으로 위치하도록 배치한 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1코일 모듈에 캐패시터를 직렬로 연결하고 상기 캐패시터에 인버터가 직렬로 연결되고, 상기 제2코일 모듈에 캐패시터를 직렬로 연결하고 상기 제2코일 모듈에 연결된 캐패시터에 정류기가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  14. 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 코일의 권취된 길이보다 길이가 긴 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일 모듈의 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도 기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 길이보다 길이가 긴 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈
    을 포함하고,
    상기 제1페라이트 코어에서 높은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 넓게 구성하고, 낮은 자속밀도가 생성되는 부분은 단면적을 좁게 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  15. 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일 모듈의 상기 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되,
    상기 제1코일 모듈과 상기 제2코일 모듈 중 적어도 하나는 상기 페라이트 코어와 상기 코일 사이에 비자성 구조체를 삽입하여 상기 페라이트 코어와 상기 코일 사이에 공간을 부여하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  16. 제1페라이트 코어와 상기 제1페라이트 코어에 권취되고 교류 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 제1코일을 포함하는 제1코일 모듈; 및
    상기 제1코일 모듈의 상기 제1코일 모듈로부터 발생된 자기장을 통해 유도기전력을 형성하는 제2코일과 상기 제2코일이 권취된 제2페라이트 코어를 포함하는 제2코일 모듈을 포함하되,
    상기 제1코일과 상기 제2코일은 상기 제1페라이트 코어와 상기 제2페라이트 코어의 중심부에 각각 권취되어 있고, 상기 제1페라이트 코어와 상기 제2페라이트 코어는 상기 제1코일과 상기 제2코일에 의해 주어진 자속에 비례하여 단면적이 정해지도록 중심부분은 굵고 양끝단 부분은 가는 형상인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  17. 직류전류를 교류전류로 변환하는 풀브리지 인버터;
    상기 인버터의 출력인 상기 교류전류를 인가받는, 제1페라이트 코어가 중심부분이 굵은 계단형을 가지고 제1코일의 권선영역 밖까지 연장된 형태를 지닌 제1코일 모듈과 상기 제1코일 모듈에 상기 교류전류가 흐를 때 생성되는 자기장에 의해 유도기전력이 생성되는 제2코일 모듈을 포함하는 전력 전송 모듈; 및
    상기 제2코일 모듈에 생성된 상기 유도기전력에 의해 생성된 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1코일 모듈은 상기 제1페라이트 코어와 상기 제1코일 사이에 비자성 스페이서를 삽입하여 상기 제1페라이트 코어와 상기 제1코일 사이에 공간을 부여하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.














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