KR101595774B1 - 무선 전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈 - Google Patents

무선 전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈 Download PDF

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KR101595774B1 KR1020140128628A KR20140128628A KR101595774B1 KR 101595774 B1 KR101595774 B1 KR 101595774B1 KR 1020140128628 A KR1020140128628 A KR 1020140128628A KR 20140128628 A KR20140128628 A KR 20140128628A KR 101595774 B1 KR101595774 B1 KR 101595774B1
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이은수
손영훈
정석용
최보환
김지훈
원유진
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Abstract

무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈을 개시한다.
코어의 무지향성 특성과 아몰포스 및 규소강판 코어의 고주파 고자속밀도 특성을 결합하여 자기장을 3 방향으로 모두 송수신할 수 있도록 하는 새로운 형태의 복합형 코일 모듈을 제공한다.

Description

무선 전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈{Composite Coil Module for Transmitting Wireless Power}
본 실시예는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
자기유도방식의 무선 전력 송수신 기술에서는 주로 페라이트 코어를 사용한다. 페라이트 코어는 동작주파수가 높지 않고 자기포화 자속밀도가 약 0.3 T(테슬라) 수준으로 낮다는 단점이 있다. 따라서, 페라이트 코어의 단점을 보완하고자 기존 페라이트 코어 대신 페라이트 코어보다 우수한 동작주파수 및 자기포화 자속밀도 특성(1.5 T 수준)을 갖는 아몰포스 또는 규소강판 등을 무선 전력 송수신용 코어로 사용할 수 있다.
하지만, 아몰포스와 규소강판은 자기장에 대해 단방향성 특성을 가지므로, 한 방향으로만 자기장을 송수신한다는 단점이 있다. 다시 말해, 아몰포스와 규소강판을 사용하여 다이폴 형태의 무선전력 전송 송수신 코일을 구현할 경우 y축 성분의 자기장은 수신할 수 있으나 x축 성분(전면부)의 자기장을 수신하지 못하는 단점이 있다.
본 실시예는 페라이트 코어의 무지향성 특성과 아몰포스 및 규소강판 코어의 고주파 고자속밀도 특성을 결합하여 자기장을 3 방향으로 모두 송수신할 수 있도록 하는 새로운 형태의 복합형 코일 모듈을 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 코어에 권취되는 권선; 상기 권선에 전류가 인가되면 자기장을 발생하는 플레이트(Plate) 형태의 복수의 코어를 포함하며, 상기 코어가 적층 형태로 배치되는 제 1 코어; 및 상기 권선에 상기 전류가 인가되면 상기 제 1 코어와 상이한 자속밀도(Magnetic Flux Density)를 갖는 자기장을 발생하며, 상기 제 1 코어의 일측에 결합되는 제 2 코어를 포함하며, 상기 권선은 상기 제 1 코어에만 권취되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 코어의 무지향성 특성과 아몰포스 및 규소강판 코어의 고주파 고자속밀도 특성을 결합하여 자기장을 3 방향으로 모두 송수신할 수 있도록 하는 새로운 형태의 복합형 코일 모듈을 제공하는 효과가 있다.
본 실시예에 의하면, 무선충전방식의 특정 존 내에서 무선 충전하기 위해, 송수신 장치의 코어 부분을 고주파에서 동작 가능하면서 소형/경량화한 복합형 코일 모듈을 제공하는 효과가 있다.
본 실시예에 의하면, 수직방향으로 들어온 자기장(Magnetic Field)을 전방향 코어(페라이트 코어)가 수신한 후 방향성을 갖는 단방향 코어(규소 강판 및 아몰포스)로 전달함으로써, 단방향 코어에 수직으로 자기장이 입사하여 큰 와전류가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 실시예에 의하면, 초박형으로 적층된 단방향 코어를 고주파 무선전력용 다이폴(Dipole) 코일에 적용이 가능하며, 전방향 코어만 사용할 경우에 비해 부피, 무게, 비용 등을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 다이폴 구조가 적용된 복합형 코일 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 복합형 코일 모듈의 복합 코어 구간을 나타낸 확대도이다.
도 3a, 도 3b는 본 실시예에 따른 최적화된 자기 쌍극자 형태를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 자기 쌍극자 형태의 코일간의 자기장 특성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 다이폴(Dipole) 구조가 적용된 복합형 코일 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 다이폴 구조가 적용된 복합형 코일 모듈(100)은 제 1 코어(110), 제 2 코어(120), 스페이서(Spacer)(130) 및 권선(140)을 포함한다.
제 1 코어(110)는 권취된 권선(140)에 전류가 인가되면 자기장을 발생한다. 제 1 코어(110)는 플레이트(Plate) 형태의 복수의 코어를 포함한다. 제 1 코어(110)는 끝단이 직사각형으로 구현된 막대 형상으로 구현될 수 있다. 제 1 코어(110)는 플레이트 형상의 복수의 코어가 적층 형태로 배치되는 구조를 갖는다. 제 1 코어(110)는 단방향성을 갖는 규소 강판(Silicon Steel Plate)으로 형성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전 방향성을 갖는 페라이트 코어(Ferrite Core) 또는 아몰포스(Amorphous) 코어로 형성될 수 있다. 제 1 코어(110)는 플레이트 형상의 복수의 코어 사이에 절연층(210)을 포함한다.
제 1 코어(110)는 자속밀도에 따른 단면적을 갖는 '제 N-1 플레이트(N은 2 이상의 자연수)', '제 N 플레이트'를 포함한다. '제 N 플레이트'는 '제 N-1 플레이트'와 적어도 두 개 이상 층이 적층되는 형태로 배치된다. '제N 플레이트'는 '제N-1 플레이트'의 중앙을 기준으로 'N-1 플레이트'보다 짧은 길이를 갖는 형태로 적층된다.
제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)(또는 스페이서(130))에 권취된 권선(140)에 전류가 인가되면 제 1 코어(110)와 상이한 자속밀도(Magnetic Flux Density)를 갖는 자기장을 발생한다. 여기서, 제 2 코어(120)와 제 1 코어(110)가 상이한 자속밀도를 갖는 자기장을 발생하는 것은 제 1 코어(110)와 제 2 코어(120)를 실질적으로 통과하는 자기장의 크기가 서로 다르다는 것을 의미한다. 제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)의 일측에 결합된다. 제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)의 중앙을 기준으로 양 끝단에 결합된다. 제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)의 적층 구조 중 최하단에 위치한 코어와는 미결합된다. 제 2 코어(120)는 페라이트 코어로 형성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 아몰포스 코어로 형성될 수 있다. 제 2 코어(120)는 '┗', '┛', '┎', '┒' 중 적어도 하나 이상의 형상으로 구현된다.
제 1 코어(110) 및 제 2 코어(120)의 최대 결합 구간은 제 1 코어(110)의 총길이의 절반 이하로 구현된다. 제 1 코어(110) 및 제 2 코어(120)는 동일 평면상에 놓이도록 구현된다. 제 1 코어(110)는 단방향성(규서 강판 코어) 또는 전방향성(Omni-Directional)을 갖는 코어(페라이트 코어, 아몰포스 코어)로 형성될 수 있으며, 제 2 코어(120) 보다 큰 자속 밀도를 갖는 코어로 형성될 수 있다. 제 2 코어(120)는 전방향성을 갖는 코어(페라이트 코어, 아몰포스 코어)로 형성될 수 있으며, 제 1 코어(110) 보다 작은 자속 밀도를 갖는 코어로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 코어(110)는 제 2 코어(120)에서 발생하는 자기장의 자속 밀도 보다 큰 자속 밀도를 갖는 자기장을 발생시키며, 제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)에서 발생하는 자기장의 자속 밀도 보다 작은 자속 밀도를 갖는 자기장을 발생시킨다.
스페이서(130)는 제 1 코어(110)의 일부를 덮어 씌우는 형태로 구현된다. 스페이서(130)의 외측에 권선(140)이 나선형으로 권취된다. 본 실시예에서의 복합형 코일 모듈(100)은 반드시 스페이서(130)를 필요로 하는 것은 아니며, 권선(140)은 제 1 코어(110)에 직접 권취되어 전류를 인가할 수 있다.
권선(140)은 제 1 코어(110)에 나선형으로 권취되거나 제 1 코어(110) 외부에 스페이서(130)가 존재하는 경우, 스페이서(130)에 외측에 권취된다. 권선(140)은 리츠 와이어(Litz Wire)가 적용되어 교류 저항을 최소화할 수 있다.
도 1에 도시된 코일 모듈은 고주파 무선전력 전달용에 적합한 복합형 코일 모듈(100)이다.
복합 코어('제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)')로 구현된 복합형 코일 모듈(100)은 스텝 구조(즉, 제 1 코어(110)의 중앙을 기준으로부터 양끝까지 계단형으로된 구조)를 갖는다. 스텝 구조는 복합 코어('제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)')로 인해 단일 코어 보다 소형화/경량화할 수 있으므로, 단일 코어 대비 최적화된 구조로 구현할 수 있다. 본 실시예에 따른 복합 코어('제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)') 구조는 송신 장치 및 수신 장치에 모두 적용될 수 있다.
①. 도 1에 도시된 바와 같이, 복합형 코일 모듈(100)은 수직 방향으로 들어온 자기장(Magnetic Field)을 페라이트 코어(무극성인)인 제 2 코어(120)가 수신하여 방향성이 있는 적층 형태의 규소 강판인 제 1 코어(110)로 전달함으로써, 제 1 코어(110)에 수직으로 자기장이 입사되어 큰 와전류가 발행하는 것을 방지한다.
②. '제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)'로 구현된 복합 코어 구간은 필요시 '제 1 코어 총 길이 / 2'이하가 될 수 있다. 또한, '제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)'의 결합(와전류 감소로 인한 효율 증대)으로 인해 복합형 코일 모듈(100)의 길이(y축 방향)를 늘리지 않더라도 제 1 코어(110) 및 제 2 코어(120)의 폭(z측 방향)을 줄어들게 구현할 수 있으므로, 페라이트 코어인 제 2 코어(120)만 사용한 경우에 비해 부피, 무게, 비용 등을 절감할 수 있다.
본 실시예에 따른 고주파 무선전력 전달용 복합형 코일 모듈(100)의 구조는 다음과 같다. 본 실시예에 따른 복합형 코일 모듈(100)은 적층 규소 강판인 제 1 코어(110)를 기초로 중간(중앙)으로부터 양끝까지 계단형으로된 구조이다. 각 계단에 고주파 페라이트 코어인 제 2 코어(120)가 삽입된 형태이다. '제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)'로 구현된 복합 코어 구간은 필요시 제 1 코어(110)의 길이 절반까지 늘릴 수 있다. 적층 규소 강판인 제 1 코어(110)는 고주파 페라이트인 제 2 코어(120)에 비해 전자기 특성이 양호하여 자기 히스테리시스(Hysteresis) 손실이 극히 적다. 또한, 제 1 코어(110)의 포화 자속밀도(Bmax)는 약 0.3 T의 포화 자속밀도(Bmax)를 갖는 고주파 페라이트인 제 2 코어(120)에 비해 약 10배 이상 높다. 제 2 코어(120)는 전방향 동작인데 반해, 제 1 코어(110)는 단방향 동작임으로, 본 실시예에 따른 다이폴 코어 구조의 단방향 코어를 y축의 자기장방향으로 설계한다.
본 실시예에 따른 복합형 코일 모듈(100)은 전력 전달 장치에 적용될 수 있다. 이하, 복합형 코일 모듈(100)이 전력 전달 장치에 적용된 실시예에 대해 설명한다. 복합형 코일 모듈(100)은 '송신 코일 모듈' 및 '수신 코일 모듈'로 구분되어 전력 전달 장치에 포함될 수 있다.
'송신 코일 모듈'은 전력 전달 장치의 '송신단'에 포함된다. '송신 코일 모듈'의 일단은 제1 공진 캐패시터(C1)의 일단에 직렬로 연결되며, '송신 코일 모듈'의 타단은 인버터의 출력측 타단에 직렬로 연결된다. 제1 공진 캐패시터(C1)의 타단은 인버터의 출력측 일단에 직렬로 연결된다. '송신단'은 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS)이 인버터에서 이루어지도록 하기 위해 제1 공진 캐패시터(C1)과 '송신 코일 모듈'의 공진 주파수를 인버터의 스위칭 주파수보다 낮게(예컨대, 약 10 %) 설정될 수 있다.
'수신 코일 모듈'은 전력 전달 장치의 '수신단'에 포함되며, '송신 코일 모듈'과 '수신 코일 모듈'의 상호 작용에 의해 '수신 코일 모듈'에 유도 기전력이 형성된다. '수신 코일 모듈'의 일단은 제 2 공진 캐패시터(C2)의 일단과 직렬로 연결되며, '수신 코일 모듈'의 타단은 정류기의 타단과 직렬로 연결된다. 제 2 공진 캐패시터(C2)의 타단은 정류기의 일단에 직렬로 연결된다. 정류기의 출력측 양단에 정류형 캐패시터(Cdc), 부하 저항(R1)이 병렬로 연결된다. '수신단'의 정류기는 '수신 코일 모듈'로부터 수신한 교류전압을 직류전압으로 변환시킨다.
도 2는 본 실시예에 따른 복합형 코일 모듈의 복합 코어 구간을 나타낸 확대도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 코어(110) 내의 플레이트 형상의 복수 개의 코어가 적층된 형태에서 각 계단 구조의 끝 부분에 부착된 고주파 페라이트인 제 2 코어(120)는 3방향(x축, y축, z축 방향)으로 자기장을 받아서 y축으로 자기장을 집중하여 적층 규소 강판인 제 2 코어(120)에 넘겨주는 역할을 수행한다.
다시 말해, 제 2 코어(무극성)(120)는 수직방향으로 들어온 자기장을 방향성을 갖는 적층 규소 강판인 제 1 코어(110)로 전달함으로써, 규소 강판인 제 1 코어(110)에 수직으로 자기장이 입사하여 큰 와전류가 발생하는 것을 방지한다.
제 1 코어(110)와 제 2 코어(120)의 결합으로 초박형 적층 규소 강판인 제 1 코어(110)를 고주파 무선전력용 다이폴 코일 모듈에 적용이 가능하며, 기존의 페라이트 코어만 사용할 경우에 비해 부피, 무게, 비용 등을 대폭 절감할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 '┛' 형상의 제 2 코어(120)는 제 1 코어(110)가 적층됨에 따라, 제 2 코어(120) 역시 적층되는 구조를 갖는다. 다만, 도 2를 기준으로 '┛' 형상의 제 2 코어(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 코어(120)끼리 밀착될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 2 코어(120) 간에 기 설정된 거리만큼 이격되어 설치될 수 있다.
도 3a, 도 3b는 본 실시예에 따른 최적화된 자기 쌍극자 형태를 나타낸 예시도이다.
도 3a는 휴대성 증대를 위해 권선을 포함한 직사각형 코어로 이루어진 '수신 코일 모듈'을 나타낸다. 직사각형 형태의 코어에 권선을 포함시키는 경우 전압의 크기는 작아지지만 '수신 코일 모듈'의 크기를 작게 구현할 수 있다. '수신 코일 모듈'은 전력원으로 역할을 하므로 전력원이 포함된 전자기기의 소형화를 달성할 수 있다.
'송신 코일 모듈'로부터 광범위한 원거리로 자기장을 가장 균등하게 보낼 수 있는 최적화된 코일 모듈 형상은 도 3a와 같은 자기쌍극자 형태의 송신 코일 모듈로 구현할 수 있다. 일반적인 송신 코일 모듈 구조인 환형 구조의 경우 자기장은 'x축' 방향의 거리에 따라 x3에 반비례하나, 다이폴 구조의 송신 코일 모듈을 사용할 경우 'x축' 방향의 거리에 약 'x ~ x2'에 반비례하므로 본 실시예에 대한 와이파워존(Wi-Power Zone)에 가장 적합이다. 본 실시예에 따른 다이폴 구조의 '송신 코일 모듈'에 의해 발생하는 자기장은 도 4에 도시된 바와 같이 y축 방향의 자기장이 매우 강하므로, y축 성분의 자기장을 수신하는 것이 중요하다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 복합형 코일 모듈(100)은 동일한 형태로 '송신 코일 모듈' 또는 '수신 코일 모듈'로 구현될 수 있다. '송신 코일 모듈'은 권선(140)에 전류가 인가되면 자기장을 유도하고 '수신 코일 모듈'로 흘러들어간 자기장으로 인해 '수신 코일 모듈'에 전위차가 유도된다.
도 4는 본 실시예에 따른 자기 쌍극자 형태의 코일 모듈간의 자기장 특성을 나타낸 도면이다.
도 4는 '송신 코일 모듈(Primary Coil)'과 '수신 코일 모듈(Secondary Coil)' 주변의 자기력선도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, '송신 코일 모듈'에서 생성된 자기력선들이 효과적으로 '수신 코일 모듈'에 쇄교됨을 알 수 있다. 자기력선의 쇄교량을 늘리기 위해서는 더 긴 쌍극자 형태의 코어가 사용되어야 한다. 또한, 본 실시예에 따른 제 1 코어(110) + 제 2 코어(120)의 결합으로 구현된 '송신 코일 모듈(Primary Coil)'과 '수신 코일 모듈(Secondary Coil)'는 페라이트 코어인 제 2 코어(120)로 인해 y축의 자기장 뿐만 아니라 x축 및 z축의 자기장도 함께(즉, 3방향) 모아서 y축 방향으로 제 1 코어(110)로 전달하게 되므로, 더 많은 쇄교자속량을 만들 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 복합형 코일 모듈 110: 제 1 코어
120: 제 2 코어 130: 스페이서
140: 권선 210: 절연층

Claims (10)

  1. 코어에 권취되는 권선;
    상기 권선에 전류가 인가되면 자기장을 발생하는 플레이트(Plate) 형태의 복수의 코어를 포함하며, 상기 코어가 적층 형태로 배치되는 제 1 코어; 및
    상기 권선에 상기 전류가 인가되면 상기 제 1 코어와 상이한 자속밀도(Magnetic Flux Density)를 갖는 자기장을 발생하며, 상기 제 1 코어의 일측에 결합되는 제 2 코어
    를 포함하며, 상기 권선은 상기 제 1 코어에만 권취되며, 상기 제 1 코어 및 상기 제 2 코어의 최대 결합 구간은 상기 제 1 코어의 총길이의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코어는 상기 제 2 코어에서 발생하는 자기장의 자속 밀도 보다 큰 자속 밀도를 갖는 자기장을 발생시키며, 복수의 상기 코어 사이에 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 코어는,
    상기 제 1 코어의 중앙을 기준으로 양 끝단에 결합되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 코어는,
    상기 제 1 코어의 적층 구조 중 최하단에 위치한 코어와는 미결합되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 코어는 상기 제 1 코어에서 발생하는 자기장의 자속 밀도 보다 작은 자속 밀도를 갖는 자기장을 발생시키며, '┗', '┛', '┎', '┒' 중 적어도 하나 이상의 형상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코어는,
    자속밀도에 따른 단면적을 갖는 제 N-1 플레이트(N은 2 이상의 자연수), 제 N 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 N 플레이트는,
    상기 제 N-1 플레이트와 적어도 두 개 이상 층이 적층되는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 N 플레이트는,
    상기 제N-1 플레이트의 중앙을 기준으로 상기 N-1 플레이트보다 짧은 길이를 갖는 형태로 적층되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코어 및 상기 제 2 코어는 동일 평면상에 놓이도록 구현되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전달을 위한 복합형 코일 모듈.
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