KR101485345B1 - 무선전력전송 시스템에서 다중 루프를 갖는 코일의 자기장 조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송수신 코일 사이의 근거리 자기 결합을 이용하는 무선전력전송 시스템에 있어서, 다중 루프를 갖는 코일을 송수신 코일로 사용하여 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 -기하학적 및 전기적으로 조절하여 원하는 코일의 자기장을 얻을 수 있으며 - 필요한 영역에는 더 큰 자기장의 형성도 가능하고, 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스를 균일하게 만들어, 송수신기 간의 자유 위치(Free positioning) 무선 전력 전송과 다중기기에 동시 무선 전력 전송이 가능한, 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 조절하는 방법에 관한 것이다.

Description

무선전력전송 시스템에서 다중 루프를 갖는 코일의 자기장 조절 방법 {Method of Adjusting Magnetic Field of Multi-loop Coil in Wireless Power Transfer System}

본 발명은 근거리 자기 결합을 이용한 무선전력전송에 있어, 다중 루프를 갖는 코일을 사용하여 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 선행 문헌으로서 다음과 같이 3가지를 밝혀 둔다.

(1) W.S. Lee, H.L. Lee, K.S. Oh, and J.W. Yu, "Uniform magnetic field distribution of a spatially structured resonant coil for wireless power transfer" Applied physics Letters 100, 2012.

(2) W. S. Lee, W. I. Son, K. S. Oh, and J. W. Yu, "Contactless energy transfer systems using antiparallel resonant loops" IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 60, No. 1, January 2013.

(3) X. Liu and S. Y. Hui, “Optimal design of a Hybrid winding structure for planar contactless battery charging platform”IEEE Transactions on power electronics, 2008.

위의 문헌 (1)에서는 사각 코일의 모양을 휘게하여 코일의 일정 높이에서 균일한 자기장 분포를 갖도록 하는 구조를 제안하였지만, 이 구조는 기계적으로 코일의 모양을 변경해야 하는 단점이 있다. 또한, 수신기가 균일 자기장을 갖지 않으면, 균일 상호 인덕턴스 또는 균일 성능 지수를 갖지 못하는 단점이 있다.

위의 문헌 (2)는 전류 방향이 반대로 동작하는 직렬 연결된 두 개의 루프 코일을 활용하여 송수신 코일의 거리에 따라 변화되는 상호 인덕턴스를 유지하는 방법을 개시한다. 이는 송수신 코일의 중심축이 일치된 경우에 대해서만 가능하지만, 평판형 송신기 위에서 수신기의 Free positioning이 어렵고, 또한 송신기 위에 놓인 복수의 수신 기기에 대한 무선 충전이 어렵다.

위의 문헌 (3)은 멀티루프를 갖는 코일과 스파이럴 모양의 코일을 합쳐서 균일한 자기장을 얻는 구조이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 송수신 코일 사이의 근거리 자기 결합을 이용하는 무선전력전송 시스템에 있어서, 다중 루프를 갖는 코일을 송수신 코일로 사용하여 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 -기하학적 및 전기적으로 조절하여 원하는 코일의 자기장을 얻을 수 있으며 - 필요한 영역에는 더 큰 자기장의 형성도 가능하고, 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스를 균일하게 만들어, 송수신기 간의 자유 위치(Free positioning) 무선 전력 전송과 다중기기에 동시 무선 전력 전송이 가능한, 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 조절하는 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 상대 코일과의 무선 전력 송수신을 위한 다중 루프 코일에 있어서, 각 루프에 동일 방향의 전류가 흐르는 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 하나 이상의 병렬 루프를 포함하며, 인접 루프와의 자기장 간섭에 의해 상기 병렬 루프를 이루는 내부 루프와 외부 루프에 전류가 반대로 흐르는 현상을 이용하여 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 다중 루프 코일은, 단일 루프를 복수회 감은 다발형 코일을 2 개 이상 포함한 루프 코일들 중, 2개의 다발형 코일에 서로 다른 소스로부터 전류를 인가하되, 상기 2개의 다발형 코일에 전류의 위상이나 크기를 다르게 인가하여, 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 상대 코일과의 평면간 특정 거리 이내 및 중심 간 특정 래디알(radial) 거리 이내인 상기 유효 영역 내의 자유 위치에서 상기 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

하나의 소스로부터 전류를 인가 받도록 상기 인접 루프와 상기 병렬 루프가 연결되어 있는 경우에, 상기 내부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류 보다 더 큰 전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.

상기 내부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류와 같은 방향으로 전류가 흐르고 상기 외부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류와 반대 방향의 전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.

상기 병렬 루프와 상기 인접 루프가 분리되어 서로 다른 소스로부터 전류를 인가 받을 수 있다.

상기 병렬 루프와 상기 인접 루프를 이루는 루프들은 두개 이상의 서로 다른 평면에 배치된 부분을 포함할 수 있다.

상기 다중 루프 코일은 무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일에 적용될 수 있다.

상기 송신기가 상기 유효 영역 내의 자유 위치에 놓인 하나의 전자 기기 또는 다중 기기에 대하여 임피던스 매칭을 통해 상기 송신 코일로 전력을 전송하고 해당 기기의 상기 수신 코일에서 이를 수신하여 축전지를 충전하거나 기기를 동작시킬 수 있다.

상기 송신기가 상기 송신 코일에 연결된 상기 임피던스 매칭을 위한 복수의 커패시터를 포함할 수 있다.

상기 송신기가 상기 송신 코일과 커플링되는 상기 임피던스 매칭을 위한 커플링 코일을 포함할 수 있다.

상기 다중 루프 코일에 포함된 하나 이상의 코일이 원형, 사각형, 또는 다른 다각형으로 코일을 감은 형태일 수 있다.

상기 다중 루프 코일에 포함된 하나 이상의 코일이 금속 도체 와이어 또는 인쇄회로기판 공정 또는 반도체 공정을 이용하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 송수신 코일 간의 무선 전력 송수신을 위한 방법에 있어서, 무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일이, 각 루프에 동일 방향의 전류가 흐르는 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 하나 이상의 병렬 루프와 그에 인접한 인접 루프를 포함하는 다중 루프 코일을 이용하여, 상기 복수의 루프에 전류를 인가하여, 상기 인접 루프와의 자기장 간섭에 의해 상기 병렬 루프를 이루는 내부 루프와 외부 루프에 전류가 반대로 흐르는 현상에 따라 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 가지면서, 상기 상대 코일과 무선 전력을 송수신하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 송수신 코일 간의 무선 전력 송수신을 위한 방법에 있어서, 무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일이, 단일 루프를 복수회 감은 다발형 코일을 2 개 이상 포함하는 다중 루프 코일을 이용하여, 상기 다중 루프 코일 중 2개의 다발형 코일에 서로 다른 소스로부터 전류를 인가하되, 상기 2개의 다발형 코일에 전류의 위상이나 크기를 다르게 인가하여, 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 가지면서, 상기 상대 코일과 무선 전력을 송수신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템에 있어서 송수신용 다중 루프 코일에 의한 자기장의 세기를 조절하는 방법에 따르면, 근접 효과에 따라 만들어지는 자기장의 크기를 조정할 수 있어 코일로부터 원하는 임의의 자기장 분포를 만들 수 있고 필요한 영역에는 더 큰 자기장의 형성도 가능하다.

또한, 송수신 코일 사이의 균일 상호 인덕턴스를 갖도록 본 발명의 송수신용 다중 루프 코일을 설계할 수 있다.

그리고, 본 발명의 송수신용 다중 루프 코일을 송신기에 적용하여 무선 전력 전송하는 경우, 송수신기 간의 자유 위치(Free positioning)에서 전력 제공이나 충전이 가능할 수 있도록 하며, 최적 매칭이 동시에 이루어지도록 설계된 복수의 수신기로 동시에 전력 제공이나 충전이 가능하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬로 연결된 루프를 갖는 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 다중 루프 코일의 각 루프에서의 전류 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 도 1의 다중 루프 코일을 송신 코일로 이용하고 일반적인 평판형 스파이럴 코일을 수신 코일로 이용한 경우, 송수신 코일의 (수)평면간 거리(예, 높이 D=12, 18, 24mm)에 따른 상호 인덕턴스 계산 결과의 그래프이다.
도 4는 두 개의 소스를 이용한 급전 방식을 이용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1 또는 도 4의 다중 루프 코일의 각 루프의 기하학적 높이를 조절하여 전체 코일의 자기장의 세기를 조절하는 방법을 설명하기 위한 다중 루프 코일의 단면도이다.
도 6은 균일 상호 인덕턴스를 얻기 위해 복수개의 코일에 다중 소스를 이용하여 구현한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다중 루프 코일들을 이용한 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 두 개의 수신기로 동시에 무선 전력 전송을 위한 본 발명의 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 두 개의 수신기로 동시에 무선 전력 전송을 위하여 송신기에 추가적인 커플링 코일을 사용한 본 발명의 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬로 연결된 루프를 갖는 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 루프 코일은, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 및 연속적으로 연결된 복수의 단일 루프(3,4,5,6)를 포함한다. 이와 같은 루프들은 최초 시작 부분에서 전류(I)를 입력받아 최종단으로 입력 전류(I)만큼 출력하도록, 한 루프의 종단 부분과 다른 루프의 시작 부분이 서로 연결된다.

여기서, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 및 복수의 단일 루프(3,4,5,6)의 위치는 동일 중심에 대하여 반경이 점점 커지도록 배치된 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2) 또는 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)가 최외곽에 배치되거나 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)와 제2 병렬 루프(2-1, 2-2) 사이에 복수의 단일 루프(3,4,5,6)가 배치될 수도 있고, 기타 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 및 복수의 단일 루프(3,4,5,6)의 가능한 모든 배치 구조로 실시하는 것이 가능하다.

또한, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 및 복수의 단일 루프(3,4,5,6)은 동일 중심에 대하여 서로 다른 반경을 갖도록 구성된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며 어느 루프는 중심이 다를 수도 있고, 어느 루프는 반경이 서로 같을 수도 있다.

또한, 단일 루프(3,4,5,6)는 한가닥 코일선으로 루프를 형성한 것으로서 그 루프 수를 4개인 경우로 예시하였으나 이는 설명을 위한 것일 뿐 하나의 단일 루프일 수도 있고 복수로 하는 경우 2개 이상인 모든 경우가 포함될 수 있다.

또한, 병렬 루프는 양끝이 일정 간격 이격되어 연결된 2 가닥 이상(3,4,..가닥 가능)의 코일선으로 루프를 형성한 것으로서, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)를 예시하였으나 다른 병렬 루프가 더 포함될 수도 있고, 경우에 따라서는 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2) 중 어느 하나만으로 구성될 수도 있다.

또한, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 복수의 단일 루프(3,4,5,6)에는 시계 방향으로 전류(I)가 흐르도록 한 것을 예로 들어 설명하지만, 전류(I)가 반시계 방향으로 흐르는 경우에도 하기하는 바와 같은 원리가 동일하게 적용될 수 있다.

위와 같은 원리는 하기의 다른 실시예들(도 4, 도 6)에서도 동일하게 적용됨을 밝혀 둔다.

도 1에서, 단일 루프(3,4,5,6)에 전류(I)가 흐를 때, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)의 내부 루프(1-1)의 전류 I_{1 - 1}와 외부 루프(1-2)의 전류 I_{1 -2}의 합이 전류(I)가 되며, 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)의 내부 루프(2-1)의 전류 I_{2 - 1}와 외부 루프(2-2)의 전류 I_{2 -2}의 합이 전류(I)가 된다.

그러나, 병렬 루프에 있어서, 다른 루프 수와 병렬 루프 사이의 간격 조정을 통하여 내부 루프(1-1)의 전류 I_{1 - 1}와 외부 루프(1-2)의 전류 I_{1 -2}는 서로 반대 방향으로 흐르는 서로 다른 전류를 가지며, 내부 루프(2-1)의 전류 I_{2 - 1}와 외부 루프(2-2)의 전류 I_{2 -2}도 서로 다른 전류를 가진다.

도 2는 도 1의 다중 루프 코일의 각 루프에서의 전류 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 2의 전류 분포의 시뮬레이션 결과는 Ansys사의 Maxwell 2D프로그램을 이용하여 나타낸 결과이다.

본 시뮬레이션에서는 각 루프의 직경은 0.64mm 구리선을 사용하였다. 루프 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 3, 4, 5, 6번 루프의 반경은 각각 46, 60, 75, 78, 81, 84, 87, 90mm 이다. 이 때 각 루프에 흐르는 전류는 1.116×I(루프 1-1), -0.116×I(루프 1-2), 0.912×I(루프 2-1), 0.088×I(루프 2-2), I (루프 3, 4, 5, 6)임을 확인하였다.

즉, 단일 루프만 있을 경우(예, 루프 6 등), 표피 효과 때문에 도선 내부의 전류는 무시되고 외곽으로 전류가 몰려 있으나, 다중 루프가 되면 근접 효과로 인해 외곽과 한쪽 영역으로 전류가 몰려서 흐르게 된다. 특히, 루프가 병렬로 구현되는 경우에도 관련 특성이 발견된다. 또한, 도선에 양의 전류와 음의 전류가 영역을 나누어 혼합되어 흐러거나(예, 루프 2-2), 1-2의 루프와 같이 음의 방향 전류가 도선의 외곽 일부분으로만 흐르게 된다.

이와 같은 시뮬레이션 결과에서처럼, 루프1-1에는 입력 전류(I)보다 더 많은 전류가 흐르고, 루프1-2에는 입력 전류(I)와 반대 방향의 전류가 흐른다. 그러나, 루프 1-1과 1-2에 흐르는 전류의 합은 I로 동일하다. 이러한 현상은 주로 턴(turn) 수가 많은 인접 단일 루프(3, 4, 5, 6)에서 발생되는 자기장 간섭의 영향으로 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)의 각 루프에 흐르는 전류의 크기와 방향이 바뀌게 되는 원리에 의한 것이다. 다만, 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)의 내부 루프(2-1)와 외부 루프(2-2)에는 이와 같은 영향이 덜 반영된 것을 위의 결과를 통해 알 수 있다. 이러한 특징은 다중 루프를 갖는 코일에서 인접한 루프들 사이의 자기장의 상호 간섭 효과인 근접 효과 때문이다.

따라서, 병렬 루프들의 반경이나 전류의 크기 등을 조정하면, 다양한 조합의 전류 분포를 얻을 수 있다. 예를 들어, 전류의 크기뿐만 아니라 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)와 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)의 이격 거리, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)의 내부 루프(1-1)와 외부 루프(1-2)의 이격 거리, 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)의 내부 루프(2-1)와 외부 루프(2-2) 이격 거리, 단일 루프들(3,4,5,6)의 이격거리 등에 따라, 다양한 전류 분포를 얻을 수 있다.

특히, 도 1과 같은 병렬 루프들을 갖는 본 발명의 다중 루프 코일을 사용하여, 본 발명의 다중 루프 코일(예, 송신 코일)의 (수)평면과 다른 상대 코일(예, 수신 코일)의 (수)평면간 특정 거리 이내 및 이러한 두 코일의 중심 간 특정 래디알(radial) 거리 이내의, 유효 영역 내에서는 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 다중 루프 코일 중 내부에 배치된 병렬 루프 등 적절한 루프를 이용하여 상대 코일과의 상호 인덕턴스를 증가 시킬 수도 있다.

도 3은 도 1의 다중 루프 코일을 송신 코일로 이용하고 일반적인 평판형 스파이럴 코일을 수신 코일로 이용한 경우, 송수신 코일의 (수)평면간 거리(예, 높이 D=12, 18, 24mm)에 따른 상호 인덕턴스 계산 결과의 그래프이다.

도 3은, 도 2에서 예시된 본 발명의 다중 루프 코일을 송신 코일로 사용하고, 수신 코일은 10턴을 갖고 직경이 50mm인 패턴형 스파이럴(spiral) 코일을 사용하여, 송수신 코일의 (수)평면간 거리(예, 높이 D=12, 18, 24mm)에서 수신 코일을 이동하면서 두 코일의 중심 간 래디알 거리(ρ)(어느 한 (수)평면에 중심을 투영했을 때 중심 간 거리)에 따라 계산한 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스를 나타낸다.

도 3에서, D=12mm의 경우 래디알 거리(ρ) 0~65mm 범위내에서 약간의 상호 인덕턴스 변화가 있으나, 일정 오차 범위에서 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 유효 영역이 존재함을 알 수 있다. 다른 높이에서도 래디알 거리(ρ)가 좀 달라 질 수 있으나 일정 오차 범위에서 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 유효 영역이 존재한다. 이와 같이, 본 발명의 다중 루프 코일을 사용하는 경우 송신 코일과 수신 코일 사이의 (수)평면간 거리가 특정 범위에서 변경되더라도 일정 오차 범위 내에서는 균일한 상호 인덕턴스를 가짐을 알 수 있다. 이는 병렬 루프에서 내부 루프와 외부 루프에서의 전류의 방향과 크기가 달라 자기장이 증가하였다가 감소하고 다시 외곽 단일 루프에서 자기장이 증가하는 원리에 기인한다.

여기서 본 발명의 다중 루프 코일을 송신 코일로 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나 본 발명의 다중 루프 코일은 수신 코일로도 적용되어 동일한 원리로 송수신 코일 간 유효 영역 내에서 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 할 수 있다. 즉, 송수신 코일 간 (수)평면간 특정 거리 이내 및 두 코일의 중심 간 특정 래디알(radial) 거리(ρ) 이내의, 유효 영역 내에서는 균일한 상호 인덕턴스를 갖게 되며, 여기서 두 코일의 (수)평면간 특정 거리는 두 코일이 평행하게 놓인 경우 만을 의미하는 것은 아니며 두 코일은 위와 같은 (수)평면간 특정 거리 내에서 두 (수)평면이 기울어져 배치된 경우를 포함한다.

도 4는 두 개의 소스를 이용한 급전 방식을 이용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

여기서는 도 1과 같은 본 발명의 다중 루프 코일의 구조에서, 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)와 복수의 단일 루프(3,4,5,6)만을 연결하여 해당 연결 구조에 제1 소스(source1)로 전류를 인가하고, 제1 병렬 루프(1-1, 1-2)에 별도의 제2 소스(source2)로 전류를 인가하는 구조를 나타낸다. 여기서 제1 소스와 제2 소스의 전류(또는 전압) 크기, 및 위상이 모두 같을 수도 있고, 어느 하나 이상 서로 다를 수도 있다.

이 경우 도 4의 다중 루프 코일 구조는 도 1의 구조와 유사하게 동작될 수 있다. 즉, 루프 1-1과 1-2의 루프에 흐르는 전류는, 제2 소스의 입력 전류의 방향과 크기, 위상, 및 제1 소스에 의해 전류가 인가된 제2 병렬 루프(2-1, 2-2)와 복수의 단일 루프(3,4,5,6)에 의해 형성되는 루프들 간의 관계(루프 간 간격 등)에 의해 결정된다. 제1 소스 와 제2 소스의 입력 전류의 방향과 크기를 적절히 조절함으로써 도 3과 같이 유효 영역 내에서의 균일한 상호 인덕턴스를 얻을 수 있으며, 또한, 제2 소스의 전류를 증가시키는 방법 등에 의해 다중 루프 코일의 안쪽 자기장 세기를 증가시킬 수도 있다.

도 5는 도 1 또는 도 4의 다중 루프 코일의 각 루프의 기하학적 높이를 조절하여 전체 코일의 자기장의 세기를 조절하는 방법을 설명하기 위한 다중 루프 코일의 중심으로부터 외곽까지 자른 경우의 단면도이다.

제1 병렬 루프(1-1, 1-2), 제2 병렬 루프(2-1, 2-2), 복수의 단일 루프(3,4,5,6)는 모두 같은 평면상에 배치될 수도 있지만, 도 5와 같이 물리적으로 각 루프가 높이가 다르도록 2 이상의 서로 다른 평면상에 배치되는 부분을 포함할 수도 있다.

이때, 본 발명의 다중 루프 코일의 각각의 개별 루프와 상대 수신 코일 사이의 거리가 가까울수록 상호 인덕턴스는 증가하고, 멀수록 상호 인덕턴스는 감소하고, 그 이유는 전체 상호 인덕턴스는 각 루프에서 발생된 자기장에 의해 수신기 측 수신 코일에 유기되는 양과 비례하기 때문에, 이를 이용하여 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 다양한 유효 영역의 설정이나 다중 루프 코일의 위치별 자기장 세기의 설정 등 다양한 설계가 가능해진다.

도 6은 균일 상호 인덕턴스를 얻기 위해 복수개의 코일에 다중 소스를 이용하여 구현한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 루프 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 루프 코일은, 다발형태의 복수의 단일 루프(단일 루프를 복수회 감은 다발 코일) 두 개를 배치하되 평균 반경이 큰 다발 루프의 안쪽 동일 중심 상에 평균 반경이 작은 다발 루프를 배치한 구조를 나타낸다. 경우에 따라 동일 중심 상에 배치하지 않을 수도 있다.

각 다발 코일에는 도 4와 같이 서로 다른 제1 소스, 제2 소스에 의해 전류를 인가하며, 제1 소스, 제2 소스가 인가하는 전류 크기 또는 위상(방향)을 조정하면 두 개 코일에 의한 자기장의 세기는 다양하게 변화 시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 소스와 제2 소스의 위상이 반대일 경우 내부와 외부에 흐르는 전류의 위상이 반대가 되어 자기장의 세기를 감소시킨다. 따라서, 제1 소스와 제2 소스의 전류 크기와 위상 조절을 통하여 제안된 코일과 전력을 수신하는 다른 상대 코일 사이의 상호 인덕턴스를 유효 영역에서 균일하게 할 수 있다. 즉, 여기서도 내부 다발 루프와 외부 다발 루프에서의 전류의 방향과 크기가 달라 자기장이 증가하였다가 감소할 수 있으며 다시 외부 다발 루프에 인접한 다른 병렬 또는 단일 루프(들)에서 자기장이 증가하는 원리가 이용될 수 있다.

이러한 다발 코일은 경우에 따라 3개 이상 배치되고 각 소스의 전류 크기 또는 위상(방향)을 조정하는 방법으로 다양한 실시가 가능함을 밝혀 둔다.

위에서 기술한 바와 같은 도 1, 도 4에서는 각 코일이 원형으로 감긴 구조를 나타냈으나, 각 코일(일부 또는 전부)은 원형 이외에 사각형, 육각형 등 필요에 따라 다양한 다각형 형태로 코일을 감은 구조를 포함할 수 있다. 또한 도 6 에서는 각 코일이 사각형으로 감긴 구조를 나타냈으나, 각 코일은 사각형 이외에 원형, 육각형 등 필요에 따라 다양한 다각형 형태로 코일을 감은 구조를 포함할 수 있다. 또한, 도 1, 도 4, 도 6의 구조를 혼합 배치하여 실시할 수도 있다.

또한, 이와 같이 제안된 본 발명의 코일 구조에서 각 코일(일부 또는 전부)은 구리선, 리츠(litz)선, 다른 금속 도체 와이어 등으로 구성할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 인쇄회로기판 공정이나 반도체 공정 등 필요에 따라 다양한 공정 기술로 각 코일의 패턴을 형성하는 것도 가능하다. 이와 같은 인쇄회로기판 공정이나 반도체 공정 등을 이용하는 경우에 해당 인쇄회로기판 또는 반도체 기판 등 해당 기판의 양면 등 다층에 각 코일을 기하학적으로 적절히 분산 배치되도록 형성할 수 있으며, 이때 각 층에 형성된 코일 간의 연결은 비아(via) 홀 등을 통하여 연결되도록 할 수 있다.

이하, 위와 같은 본 발명의 다중 루프 코일들을 송신 코일로 사용하는 무선전력전송 시스템에 대하여 더 설명하지만, 이와 같은 무선전력전송 시스템에서 본 발명의 다중 루프 코일들은 수신기의 수신 코일로도 적용되거나 송수신 코일에 모두 적용될 수도 있음을 밝혀 둔다.

도 7은 본 발명의 제안된 다중 루프 코일들을 이용한 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 무선전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에서 제안된 본 발명의 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)은, 교류 전원 소스(Vin)에 결합된 임피던스 매칭부 등을 포함한 송신 회로(10)에 연결되어 자기장을 발생할 수 있다. 본 발명의 무선전력전송 시스템의 수신기(Receiver)는 제안된 송신기의 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 자기 결합되는 수신 코일(R_rx, L_rx) (송수신 상호 인덕턴스(M)), 임피던스 매칭부, 정류회로와 정전압 회로 등을 포함한 수신 회로(20), 및 부하(Z_L1)를 포함할 수 있다. 수신기(Receiver)는 부하(Z_L1)인 축전지를 충전하기 위한 충전 장치 등 전자 기기에 포함될 수 있으며, 이외에도 다른 각종 전자 기기에 내장되어 해당 기기의 동작에 필요한 부하(Z_L1)인 전력 소비 회로에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 장치로서 이용될 수도 있다.

제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)은 손실 저항(R_tx)과 자기 인덕턴스(L_tx)가 포함된 등가 모델로 나타내었으며, 수신 코일(R_rx, L_rx)은 손실 저항(R_rx)과 자기 인덕턴스(L_rx)가 포함된 등가 모델로 나타내었다. 수신 코일(R_rx, L_rx)은 위에서도 기술한 바와 같이 평판형 스파이럴 코일 등 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 자기 결합되는 다양한 형태의 코일일 수 있으며, 경우에 따라서는 본 발명의 다중 루프 코일을 적용할 수도 있다.

다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 수신 코일(R_rx, L_rx)은 효과적인 무선 전력 전달을 위하여 공진 주파수에서 공진되는 것이 바람직하며, 공진 조건을 맞추기 위하여 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 수신 코일(R_rx, L_rx)에 존재하는 자기 커패시턴스(Self capacitance)를 이용할 수도 있고, 추가적으로 각 코일의 적절한 위치에 집중 커패시터를 연결할 수도 있다.

이에 따라 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)로부터 수신 코일(R_rx, L_rx)로 무선으로 전력이 전송될 수 있으며, 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)에 의해 유효 영역 내에서의 균일한 상호 인덕턴스를 얻을 수 있으므로, 이러한 유효 영역 내에서 수신 코일(R_rx, L_rx)은 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)에 대한 상대적인 자유 위치(Free positioning)에서 전력을 수신할 수 있다. 수신기(Receiver)는 수신 회로(20)를 통해 필요한 전원을 발생시켜 축전지를 충전시키거나 해당 기기의 전력 소비회로에 전력을 공급하여 기기를 동작시킬 수 있다.

도 8은 두 개의 수신기로 동시에 무선 전력 전송을 위한 본 발명의 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 도 7과 유사한 구성을 갖는 송신기(Transmitter)와 수신기들(Receiver1, Receiver2)을 나타내었으며, 다만 송신기(Transmitter)가 2개의 수신기들(Receiver1, Receiver2)로 하나 또는 동시에 자유 위치(Free postioning) 무선 전력 전송을 위해 송신회로(10)의 임피던스 매칭부가 커패시터들 Cta, Ctb를 가지며, 그림에서 커패시터 Ctx는 제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)의 분포 커패시턴스 또는 별도로 연결된 집중 커패시터일 수 있다.

수신기들(Receiver1, Receiver2)에 의한 2개의 부하를 고려한 전력 전송을 위하여 이에 맞도록 송신기(Transmitter)측에서 임피던스 매칭이 필요하다.

위에서 기술한 바와 같이, 유효 영역 내에서의 균일한 상호 인덕턴스에 의하여, 제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 각 수신기(Receiver1/Receiver2)의 수신 코일(R_rx1, L_rx1/ R_rx2, L_rx2) 간의 각각의 상호 인덕턴스(Ma, Mb)는 수신 코일이 유사할 경우 Ma=Mb이다.

따라서, 각 수신기(Receiver1/Receiver2)의 부하가 동일한 경우나 다를 경우에도 마찬가지 이며, 송신기(Transmitter)측에서 보는 각 수신기(Receiver1/Receiver2) 측의 임피던스의 전체 합을 고려하여 Cta, Ctb, Ctx를 미리 선택 또는 자동 조정함으로써 송신기(Transmitter)측에서의 임피던스 매칭이 이루어지도록 할 수 있다.

여기서, 2개의 수신기들(Receiver1, Receiver2)에 대하여 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며 더 많은 유사 수신기들로 전력을 전송하는 경우에도 본 발명의 원리가 유사하게 적용되며, 이와 같이 다수의 수신기들이 송신기(Transmitter)로부터 전력을 전송받는 경우에, 송신기(Transmitter)측에서 보는 각 수신기의 임피던스의 전체 합을 고려하여 Cta, Ctb, Ctx를 미리 선택 또는 자동 조정함으로써 송신기(Transmitter)측에서의 임피던스 매칭이 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같은 송신기(Transmitter)측에서의 임피던스 매칭은 Ma=Mb 등 송수신 코일간의 상호 인덕턴스가 동일한 경우뿐만 아니라 각 수신기와의 상호 인덕턴스가 서로 다른 경우에도 해당 상호 인덕턴스들을 고려하여 수행될 수도 있다.

예를 들어, 이와 같은 송수신 코일간의 상호 인덕턴스, 송신기(Transmitter)측에서 보는 각 수신기의 임피던스 등은 미리 예정된 범위의 값을 갖는 것으로 가정될 수도 있으나 소정의 제어 회로에 의해 자동 측정될 수도 있으며, 이에 따라 제어 회로는 임피던스 매칭을 위하여 Cta, Ctb, Ctx를 자동 조정할 수도 있다.

이에 따라 복수의 수신기들 중 하나 또는 2 이상의 수신기들에 대하여, 송신기(Transmitter)는 최적의 전력 송신이 가능하며, 수신기(들)은 수신 회로(들)(21/22)를 통해 필요한 전원을 발생시켜 축전지를 충전시키거나 해당 기기의 전력 소비회로에 전력을 공급하여 기기를 동작시킬 수 있다.

도 9는 두 개의 수신기로 동시에 무선 전력 전송을 위하여 송신기에 추가적인 커플링 코일(C_tc, L_tc)을 사용한 본 발명의 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 도 8과 유사한 구성을 갖는 송신기(Transmitter)와 수신기들(Receiver1, Receiver2)을 나타내었으며, 다만 송신기(Transmitter)가 2개의 수신기들(Receiver1, Receiver2)로 동시에 무선 전력 전송을 위해 송신회로(10)에 제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)(수신 코일과 공진되는 코일 가능)과 상호 인덕턴스(Mc)로 커플링되는 커플링 코일(C_tc, L_tc)을 사용한 구조를 나타낸다. 그림에서 커패시터 Ctx는 제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)의 분포 커패시턴스 또는 별도로 연결된 집중 커패시터일 수 있다.

제안된 다중 루프 코일(R_tx, L_tx)과 각 수신기(Receiver1/Receiver2)의 수신 코일(R_rx1, L_rx1/ R_rx2, L_rx2) 간의 각각의 상호 인덕턴스(Ma, Mb)의 관계는 도 8에서 설명한 바와 유사하며, 여기서는 수신 코일(R_rx1, L_rx1/ R_rx2, L_rx2)과 커플링 코일(C_tc, L_tc) 간의 상호 인덕턴스(M1, M2)를 더 고려하여, 송신기(Transmitter)측에서 Ctc, Ltc, Ctx를 조정하는 적절한 임피던스 매칭이 이루어질 수 있다.

여기서도, 이와 같은 수신 코일(R_rx1, L_rx1/ R_rx2, L_rx2)과 커플링 코일(C_tc, L_tc) 간의 상호 인덕턴스(M1, M2), 송수신 코일간의 상호 인덕턴스(Ma, Mb), 송신기(Transmitter)측에서 보는 각 수신기의 임피던스 등은 미리 예정된 범위의 값을 갖는 것으로 가정되어, 복수의 수신기들 중 하나 또는 2 이상의 수신기들에 대하여, 해당 부하에 따라 Ctc, Ltc, Ctx를 미리 선택하여 전력 전송이 이루어지도록 할 수도 있으나, 소정의 제어 회로에 의해 이와 같은 값들이 자동 측정될 수도 있으며, 이에 따라 제어 회로는 임피던스 매칭을 위하여 Ctc, Ltc, Ctx를 자동 조정할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

제1 병렬 루프(1-1, 1-2)
제2 병렬 루프(2-1, 2-2)
단일 루프(3,4,5,6)

Claims (15)

1. 상대 코일과의 무선 전력 송수신을 위한 다중 루프 코일에 있어서,
   각 루프에 동일 방향의 전류가 흐르는 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 하나 이상의 병렬 루프를 포함하며,
   인접 루프와의 자기장 간섭에 의해 상기 병렬 루프를 이루는 내부 루프와 외부 루프에 전류가 반대로 흐르는 현상을 이용하여 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
2. 단일 루프를 복수회 감은 다발형 코일을 2 개 이상 포함한 루프 코일들 중,
   2개의 다발형 코일에 서로 다른 소스로부터 전류를 인가하되, 상기 2개의 다발형 코일에 전류의 위상이나 크기를 다르게 인가하여,
   상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 상대 코일과의 평면간 특정 거리 이내 및 중심 간 특정 래디알(radial) 거리 이내인 상기 유효 영역 내의 자유 위치에서 상기 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
4. 제1항에 있어서,
   하나의 소스로부터 전류를 인가 받도록 상기 인접 루프와 상기 병렬 루프가 연결되어 있는 경우에, 상기 내부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류 보다 더 큰 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
5. 제4항에 있어서,
   상기 내부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류와 같은 방향으로 전류가 흐르고 상기 외부 루프에는 상기 소스로부터 인가 받는 전류와 반대 방향의 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
6. 제1항에 있어서,
   상기 병렬 루프와 상기 인접 루프가 분리되어 서로 다른 소스로부터 전류를 인가 받는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
7. 제1항에 있어서,
   상기 병렬 루프와 상기 인접 루프를 이루는 루프들은 두개 이상의 서로 다른 평면에 배치된 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
8. 제1항에 있어서,
   상기 다중 루프 코일은 무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일에 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
9. 제8항에 있어서,
   상기 송신기가 상기 유효 영역 내의 자유 위치에 놓인 하나의 전자 기기 또는 다중 기기에 대하여 임피던스 매칭을 통해 상기 송신 코일로 전력을 전송하고 해당 기기의 상기 수신 코일에서 이를 수신하여 축전지를 충전하거나 기기를 동작시키는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
10. 제9항에 있어서,
    상기 송신기가 상기 송신 코일에 연결된 상기 임피던스 매칭을 위한 복수의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
11. 제9항에 있어서,
    상기 송신기가 상기 송신 코일과 커플링되는 상기 임피던스 매칭을 위한 커플링 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다중 루프 코일에 포함된 하나 이상의 코일이 원형, 사각형, 또는 다른 다각형으로 코일을 감은 형태인 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다중 루프 코일에 포함된 하나 이상의 코일이 금속 도체 와이어 또는 인쇄회로기판 공정 또는 반도체 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 루프 코일.
14. 송수신 코일 간의 무선 전력 송수신을 위한 방법에 있어서,
    무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일이, 각 루프에 동일 방향의 전류가 흐르는 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 하나 이상의 병렬 루프와 그에 인접한 인접 루프를 포함하는 다중 루프 코일을 이용하여,
    상기 복수의 루프에 전류를 인가하여,
    상기 인접 루프와의 자기장 간섭에 의해 상기 병렬 루프를 이루는 내부 루프와 외부 루프에 전류가 반대로 흐르는 현상에 따라 상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 가지면서, 상기 상대 코일과 무선 전력을 송수신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신을 위한 방법.
15. 송수신 코일 간의 무선 전력 송수신을 위한 방법에 있어서,
    무선 전력 송신기의 송신 코일 또는 무선 전력 수신기의 수신 코일이, 단일 루프를 복수회 감은 다발형 코일을 2 개 이상 포함하는 다중 루프 코일을 이용하여,
    상기 다중 루프 코일 중 2개의 다발형 코일에 서로 다른 소스로부터 전류를 인가하되, 상기 2개의 다발형 코일에 전류의 위상이나 크기를 다르게 인가하여,
    상대 코일과의 유효 영역에서 오차 범위의 균일한 상호 인덕턴스를 가지면서, 상기 상대 코일과 무선 전력을 송수신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신을 위한 방법.

Images