KR101801998B1 - 확장된 구역에서 유도전력 전송을 하는 시스템과 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 확장된 구역에서 전력을 전송하는 유도전력전송 시스템에 관한 것으로, 유도전력 트랜스미터와 유도전력 리시버 중의 적어도 하나를 갖추고, 여러 모드로 작동한다. 여러 모드에서, 유도전력 트랜스미터가 확장된 구역에서 유도전력 리시버에 전력을 공급할 수 있다. 유도전력 트랜스미터가 적어도 하나의 2차인덕터와 유도결합하는 적어도 하나의 1차인덕터, 및 상기 1차인덕터에 구동주파수로 진동 전압을 공급하는 적어도 하나의 드라이버를 포함한다. 유도전력 리시버는 수신회로와 전기부하에 연결되는 적어도 하나의 2차인덕터를 가지며, 2차인덕터는 상기 1차인덕터와 유도결합하여 전기부하에 전력을 공급한다.

Description

확장된 구역에서 유도전력 전송을 하는 시스템과 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TRANSFERING POWER INDUCTIVELY OVER AN EXTENDED REGION}

본 발명은 확장된 구역에서 전력을 전송하는 유도전력전송 시스템에 관한 것이다.

기존에 알려진 유도결합은 유선연결 없이 전원에서 전기부하에 에너지를 전송하는 기술이다. 전원에 유선 연결된 1차코일에 진동 전압이 걸리면, 진동 자기장이 생긴다. 진동자기장은 1차코일 부근의 2차코일에 진동전류를 유도한다. 이런 식으로, 2개의 코일을 전선으로 연결하지 않고도 전자기유도에 의해 1차코일에서 2차코일로 에너지가 전송된다. 1차코일에서 2차코일로 전기에너지가 전송될 때, 이들 코일쌍은 유도결합되었다고 한다. 이런 2차코일에 유선으로 직렬연결된 전기부하는 2차코일이 유도결합되었을 때 1차코일에 유선연결된 전원으로부터 에너지를 끌어당긴다.

유도방식 전력 아울렛은 번잡한 전선들을 최소화하면서 무선으로 전력을 전송하기 때문에 일반 전선 소켓보다 더 바람직하다.

2차인덕터에 유도된 전압의 강도와 유도전송 범위(거리)는 모두 1차인덕터에 공급된 전압의 진동주파수에 의해 좌우된다. 진동주파수가 시스템의 공진주파수와 일치할 때 유도전압의 강도가 최고로 된다. 공진주파수 f_R은 시스템의 인덕턴스 L과 용량 C에 의해 결정되어 f _R =1/2π√LC 이다.

에너지전달 효율은 시스템의 공진주파수, 전송주파수, 1차와 2차 코일들 사이의 간격과 정렬상태를 포함한 여러 변수들에 의해 결정된다.

본 발명은 코일간격이 넓어도 전력을 전송할 수 있고 상황변화에 적응할 수 있는 유도전력전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 요약

본 발명은 유도전력 트랜스미터와 유도전력 리시버 중의 적어도 하나를 갖추고, 여러 모드로 작동하는 유도전력전송 시스템을 제공한다. 여러 모드에서, 유도전력 트랜스미터가 확장된 구역에서 유도전력 리시버에 전력을 공급할 수 있다.

유도전력 트랜스미터가 적어도 하나의 2차인덕터와 유도결합하는 적어도 하나의 1차인덕터, 및 상기 1차인덕터에 구동주파수로 진동 전압을 공급하는 적어도 하나의 드라이버를 포함한다. 유도전력 리시버는 수신회로와 전기부하에 연결되는 적어도 하나의 2차인덕터를 가지며, 2차인덕터는 상기 1차인덕터와 유도결합하여 전기부하에 전력을 공급한다.

이런 유도전력전송 시스템은 무엇보다도 아래와 같은 수단들을 더 포함할 수 있다:

- 유도전력전송 시스템이 제1 모드로 작동할 때 2차인덕터를 1차인덕터에 정렬시키는 정렬기구;

- 유도전력전송 시스템이 제2 모드로 작동할 때 상기 구동주파수를 수신회로의 공진주파수에 일치시키는 공진튜너;

- 도전모드, 리피터모드 및 전송모드 중의 적어도 하나로 작동하는 다수의 보조코일들을 갖는 보조코일 배열; 및

- 유도전력전송 시스템의 고유주파수를 결정하는 공진감지 배열.

또, 유도전력전송 시스템이 제1 모드와 제2 모드 사이로 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함할 수 있다.

또, 유도전력전송 시스템이 2차인덕터와 1차인덕터의 간격을 감시하는 근접센서를 더 포함할 수 있다.

또, 유도전력전송 시스템이 1차인덕터와 2차인덕터 중의 적어도 하나의 위치를 감시하는 위치센서를 더 포함할 수 있다.

또, 공진튜너가 수신회로에 선택적으로 연결되는 적어도 하나의 커패시터나 인덕터를 가질 수 있다.

또, 상기 유도전력 트랜스미터가 수신회로와 공진하는 구동주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 유도전력 트랜스미터에 보내는 피드백 기구를 공진튜너가 가질 수 있다.

또, 정렬기구가 1차인덕터의 자속을 2차인덕터로 안내하는 적어도 하나의 자속가이드를 가질 수 있다. 이런 자속가이드는 1차인덕터에 연결된 제1 페라이트 코어와, 2차인덕터에 연결된 제2 페라이트 코어를 가질 수 있다. 또는, 자속가이드가 자기실드를 더 가질 수 있다.

또, 정렬기구가 2차인덕터와 1차인덕터 중의 적어도 하나를 움직이는 적어도 하나의 액튜에이터를 가질 수 있다.

본 발명은 또한 2개 이상의 모드로 동작하는 유도전력 트랜스미터도 제공한다. 이런 유도전력 트랜스미터는 전기부하에 전력을 공급하기 위해 전기부하에 연결된 2차인덕터에 유도결합하는 하나 이상의 1차인덕터; 1차인덕터에 진동 전압을 공급하는 하나 이상의 드라이버; 트랜스미터가 제1 모드에 있을 때 1차인덕터에 2차인덕터를 정렬시키는 하나 이상의 정렬기구; 및 트랜스미터가 제2 모드로 동작할 때 2차인덕터와 연결된 수신회로의 공진주파수와 일치되도록 상기 진동 전압의 구동주파수를 선택하는 하나 이상의 공진튜너를 포함할 수 있다.

본 발명의 유도전력 트랜스미터는 제1 및 제2 모드들 사이로 유도전력 트랜스미터를 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함할 수 있다.

드라이버는 제1 모드에서는 1차인덕터를 비공진 모드로 구동할 수 있다.

또, 본 발명의 유도전력 트랜스미터는 도전모드, 리피터모드 및 전송모드 중의 적어도 하나로 동작하는 다수의 보조코일을 갖춘 보조코일 배열을 더 포함할 수 있다.

또, 본 발명의 유도전력 트랜스미터는 유도전력전송 시스템의 고유주파수를 결정하도록 동작하는 공진감지 배열이나 보조코일 배열 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 이상 설명한 유도전력 트랜스미터를 갖는 전기기기도 제공한다.

본 발명은 또한, 2개 이상의 모드로 작동하는 유도전력 리시버를 제공한다. 이런 유도전력 리시버는 전기부하에 연결되고, 상기 전기부하에 전력을 공급하도록 적어도 하나의 유도전력 트랜스미터의 1차인덕터와 유도결합하는 하나 이상의 2차인덕터; 유도전력 리시버가 제1 모드로 동작할 때 1차인덕터에 2차인덕터를 정렬시키는 하나 이상의 정렬기구; 및 유도전력 리시버가 제2 모드로 동작할 때 원격 1차인덕터의 전송주파수에 일치하도록 선택된 공진주파수로 수신회로를 튜닝하는 하나 이상의 공진튜너를 포함할 수 있다.

본 발명의 유도전력 리시버는 제1 및 제2 모드들 사이에서 유도전력 리시버를 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 유도전력 리시버는 또한 모드셀렉터가 1차인덕터의 위치에 관한 데이터에 따른 작동모드를 선택하도록 할 수 있다.

본 발명의 유도전력 리시버는 또한 1차인덕터와 2차인덕터의 간격을 감시하는 근접센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 유도전력 리시버는 또한 1차인덕터의 위치를 감시하는 위치센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 공진튜너는 수신회로에 선택적으로 연결되는 하나 이상의 커패시터나 인덕터를 가질 수 있다.

이런 공진튜너는 유도전력 트랜스미터가 수신회로와 공진하는 구동주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 유도전력 트랜스미터에 보내는 피드백 기구를 가질 수 있다.

또, 정렬기구는 1차인덕터의 자속을 2차인덕터에 안내하는 하나 이상의 자속가이드를 가질 수 있다.

또, 정렬기구가 2차인덕터와 1차인덕터 중의 적어도 하나를 움직이기 위한 하나 이상의 액튜에이터를 가질 수 있다.

본 발명은 이상 설명한 유도전력 리시버를 갖춘 전기기기도 제공한다.

이상 설명한 유도전력 리시버에 있어서: 상기 보조코일 배열이, 하나 이상의 보조코일; 보조코일의 작동모드를 선택하는 하나 이상의 컨트롤러; 및 도전모드 블록, 리피터모드 블록 및 전송모드 블록 중의 적어도 하나에 보조코일을 선택적으로 연결하는 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 하나 이상의 전기부하에 유도전력을 전송하는 방법도 제공한다. 이 방법은, 드라이버와 1차코일을 갖춘 유도전력 트랜스미터를 구하는 단계; 전기부하에 연결된 2차코일을 갖고, 상기 1차코일과 2차코일 사이에 타이트한 결합을 하는 제1 모드와 루스한 결합을 하는 제2 모드를 포함한 2개 이상의 모드로 동작하는 유도전력 리시버를 구하는 단계; 드라이버가 1차인덕터에 진동 전압을 공급하는 단계; 및 유도전력 리시버의 작동모드를 선택하는 단계;를 포함한다.

본 발명은 또한, 하나 이상의 유도전력 트랜스미터가 하나 이상의 유도전력 리시버에 결합되어 있는 유도전력전송 시스템의 교정방법도 제공한다. 이 방법은 (a) 유도전력전송 시스템의 공진주파수를 결정하는 단계; 및 (b) 공진주파수와는 다르게 작동주파수를 선택하는 단계;를 포함한다.

이 방법 중의 (a) 단계는, (a1) 샘플링 구동주파수로 진동하는 구동전압을 상기 유도전력 트랜스미터에 공급하는 단계; (a2) 상기 구동전압의 출력반응을 기록하는 단계; (a3) 샘플링 구동주파수를 증분하는 단계; (a4) 상기 a1~3 단계들을 여러번 반복하는 단계; 및 (a5) 다수의 이산 샘플링 구동주파수들의 출력전압 반응을 기록해, 시스템의 특성반응 프로필을 구하는 단계;를 포함할 수 있다.

이 방법에서, 특성반응 프로필이 하나의 공진피크와 다수의 고조파 피크들을 가질 수 있다.

또, 상기 (a) 단계가, (a6) 상기 공진피크의 구동주파수를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 (a) 단계가 (a7) n차 고조파 피크의 구동주파수를 확인하는 단계; 및 (a8) n차 고조파의 공진주파수를 (n+1)로 나누는 단계;를 더 포함할 수 있다.

이때 n=2 또는 3이 바람직하다.

상기 (b) 단계가 공진주파수에 척도인자를 곱한 값에 해당하는 주파수를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이런 척도인자는 50~90% 또는 110~150%가 좋다.

본 발명은 또한, 하나 이상의 1차코일이 드라이버를 통해 전원에 유선연결되어 있는 하나 이상의 유도전력 아울렛을 갖추고; 상기 드라이버는 1차코일에 구동전압을 공급하며, 이런 구동전압은 유도결합의 공진주파수와는 다른 전송주파수로 진동하고; 상기 1차코일은 전기부하에 유선연결된 하나 이상의 2차코일과 유도결합을 형성하며, 상기 2차코일은 유도전력 리시버에 연결되고; 상기 유도전력전송 시스템이 유도결합의 공진주파수를 자체결정하는 유도전력전송 시스템도 제공한다.

본 발명의 유도전력전송 시스템에서, 정렬기구는 표적구역내에 있는 2차인덕터에 유도전력 트랜스미터의 1차인덕터를 정렬시키는 정렬시스템을 갖고; 정렬시스템이 제1 경로를 따라 1차인덕터를 움직이는 제1 액튜에이터와, 제2 경로를 따라 2차인덕터를 움직이는 제2 액튜에이터를 가질 수 있다.

이런 제1 액튜에이터와 제2 액튜에이터 중의 적어도 하나가 스테퍼모터나, 압전소자를 포함할 수 있다.

또, 1차인덕터가 제1 액튜에이터에 결합되고 제1 액튜에이터는 제2 액튜에이터에 결합되거나, 1차인덕터가 제1 액튜에이터와 제2 액튜에이터에 직접 결합될 수 있다. 또한, 제1 경로와 제2 경로는 서로 직교하는 것이 좋다.

또, 제1 액튜에이터와 제2 액튜에이터가 서로 근접하는 것이 좋다.

또, 제1 액튜에이터와 제2 액튜에이터 중의 적어도 하나가 관련 경로를 따라 조금씩(증분) 스테핑하고, 이런 증분이 저해상도 증분에서부터 고해상도 증분까지 선택되도록 하면 바람직하다.

또, 유도전력전송 시스템이 2차인덕터에 대한 1차인덕터의 근접을 표시하는 근접센서를 더 포함할 수 있다. 이런 근접센서는 전압모니터, 전력모니터, 전류모니터 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.

또, 유도전력전송 시스템은 근접센서로부터 감지신호를 받고 제1 및 제2 액튜에이터들의 움직임을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 이런 컨트롤러는 1차인덕터와 2차인덕터가 정렬하도록 액튜에이터들의 움직임을 안내하는 프로세서를 더 포함할 수 있다. 이런 프로세서는 아래의 단계에 맞춰 액튜에이터에 보낼 작동신호를 선택하도록 하는 것이 좋다.

(a) 근접센서로부터 감지신호 수신;

(b) 제 액튜에이터에 작동신호를 보내 제1 경로를 따라 한 눈금씩 1차인덕터를 전진;

(c) 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신;

(d1) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, b~c 단계를 반복;

(d2) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제1 액튜에이터에 역작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 후진;

(e) 제2 액튜에이터에 작동신호를 보내 제2 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 전진;

(f) 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신;

(g1) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, e~f 단계를 반복;

(g2) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제2 액튜에이터에 역작동신호를 보내, 제2 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 후진.

이 방법에서, 컨트롤러는 1차인덕터를 더 작은 한 눈금씩 움직이도록 하는 고해상도 작동신호와, 더 큰 한 눈금씩 1차인덕터를 움직이도록 하는 저해상도 작동신호를 보낼 수 있다.

또, 본 발명의 프로세서는 아래 단계들을 실행할 수 있다:

(h) 고해상도 작동신호를 제1 액튜에이터에 보내, 제1 경로를 따라 작은 한 눈금씩 1차인덕터를 전진;

(i) 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신;

(j1) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, h~i 단계를 반복;

(j2) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제1 액튜에이터에 역 고해상도 작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 후진;

(k) 제2 액튜에이터에 고해상도 작동신호를 보내 제2 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 전진;

(l) 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신;

(m1) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, k~l 단계를 반복;

(m2) 새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제2 액튜에이터에 역 고해상도 작동신호를 보내, 제2 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 후진.

본 발명은 또한, 유도전력전송 시스템의 1차인덕터를 표적구역내 2차인덕터에 정렬시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 1차인덕터를 제1 경로를 따라 움직이는 제1 액튜에이터를 제공하는 단계; 2차인덕터를 제2 경로를 따라 움직이는 제2 액튜에이터를 제공하는 단계; 2차인덕터에 대한 1차인덕터의 근접도를 표시하는 근접센서를 제공하는 단계; 근접센서로부터 감지신호를 받고, 제1 및 제2 액튜에이터들의 움직임을 제어하는 컨트롤러를 제공하는 단계; 및 1차인덕터가 2차인덕터와 정렬되도록 상기 컨트롤러가 제1 및 제2 액튜에이터들 중의 적어도 하나에 작동신호를 보내는 단계;를 포함한다.

이런 방법에서, 컨트롤러가 작동신호를 보내는 단계는 아래 단계들을 포함할 수 있다:

컨트롤러가 근접센서로부터 감지신호를 수신하는 단계;

컨트롤러가 제1 작동기에 작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 전진시키는 단계;

컨트롤러가 근접센서로부터 새로운 감지신호를 수신하는 단계;

새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전 신호때보다 2차인덕터에 더 가까운 것을 나타내면, 컨트롤러가 작동신호를 보내고 새로운 감지신호를 수신하는 상기 단계들을 반복하는 단계;

새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전 신호때보다 2차인덕터에서 더 멀어진 것을 나타내면, 제1 액튜에이터에 역 작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 후진시키는 단계;

컨트롤러가 작동신호를 제2 액튜에이터에 보내, 제2 경로를 따라 한 눈금씩 1차인덕터를 전진시키는 단계;

컨트롤러가 근접센서로부터 새로운 감지신호를 수신하는 단계;

새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전 신호때보다 2차인덕터에 더 가까운 것을 나타내면, 컨트롤러가 작동신호를 보내고 새로운 감지신호를 받는 상기 단계들을 반복하는 단계; 및

새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전 신호때보다 2차인덕터에서 더 멀어진 것을 나타내면, 제2 액튜에이터에 역 작동신호를 보내, 제2 경로를 따라 1차인덕터를 한 눈금씩 후진시키는 단계.

이때, 본 발명의 정렬방법은 아래 단계들을 더 포함할 수 있다:

상기 컨트롤러가 제1 액튜에이터에 고해상도 작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 작은 한 눈금씩 1차인덕터를 전진시키는 단계;

컨트롤러가 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신하는 단계;

새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, 컨트롤러가 고해상도 작동신호를 보내고 새로운 감지신호를 수신하는 상기 단계들을 반복하는 단계;

새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제1 액튜에이터에 역 고해상도 작동신호를 보내, 제1 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 후진시키는 단계;

컨트롤러가 제2 액튜에이터에 고해상도 작동신호를 보내 제2 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 전진시키는 단계;

컨트롤러가 근접센서로부터 새로운 감지신호 수신하는 단계;

새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에 더 가깝다는 것을 표시하면, 컨트롤러가 작동신호를 보내고 새로운 감지신호를 수신하는 상기 단계들을 반복하는 단계;

새로운 감지신호가 이전 신호때보다 1차인덕터가 2차인덕터에서 더 멀어졌음을 표시하면, 제2 액튜에이터에 역 고해상도 작동신호를 보내, 제2 경로를 따라 1차인덕터를 작은 한 눈금씩 후진시키는 단계.

본 발명은 이상 설명한 유도전력 리시버를 설치한 전기기기에 관한 것이기도 하다. 이런 전기기기는 전화기, 미디어 플레이어, PDA, 워크맨, 휴대용 음악 재생기, 휴대용 DVD 플레이어, 이동통신기, 스탠딩 램프, 비디오 리코더, DVD 플레이어, 세절기, 선풍기, 복사기, 컴퓨터, 요리기기, 냉장고, 냉동고, 세척기, 건조기, 중장비, 데스크램프, 조명기, 무선전화기, 스피커, 스피커폰, 전화회의장비, 전자연필, 전기 스테이플러, 디스플레이 기기, 전자앨범, VDU, 프로젝터, 텔레비전, 비디오 플레이어, 뮤직센터, 계산기, 스캐너, 팩스기계, 열판, 보온머그컵, 휴대폰, 헤어드라이어, 면도기, 히터, 왁스용해기, 헤어컬러, 체중계, 조명, 라디오, 에그비터, 제빵기, 믹서, 주서기, 녹즙기, 음식물처리기, 전기칼, 토스터, 와플메이커, 전기 바베큐그릴, 슬로쿠커, 핫플레이트, 튀김기름냄비, 전기 후라이팬, 칼갈이, 살균기, 솥, 주전자, CD 플레이어, 전기 깡통따개, 팝콘기, 자석 믹서로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 유도전력 리시버에서, 수신회로가 유도결합 트랜스미터에 연결된 1차인덕터와 유도결합하는 2차인덕터; 수신회로의 출력 전압을 조절하는 조절기; 및 1차인덕터의 전류가 평활한 판사인파 형상을 갖도록 2차인덕터의 단자들에 연결되는 커패시터;를 포함할 수 있다. 이런 조절기는 스텝다운 DC/DC 컨버터나 O-링 다이오드를 포함할 수 있다.

도 1은 유도전력 트랜스미터(200)에서 확장된 영역을 거쳐 유도전력 리시버에 유도전력을 전달하는 유도전력전송 시스템(100)의 블록도이다.
도 2는 하나 이상의 전기부하에 전력을 유도전달하는 방법의 순서도이다.
도 3은 유도방식으로 구현된 플랫폼(10)의 사시도이다.
도 4는 2차인덕터(320)에 연결되는 공진튜너(322)의 회로도이다.
도 5는 비공진 주파수로 전력을 전달하는 유도전력전송 시스템(101)의 주요 요소들을 보여주는 블록도이다.
도 6은 유도전력전송 시스템의 작동전압의 크기가 전달주파수에 따라 어떻게 변하는지를 보여주는 그래프이다.
도 7은 유도전력 아울렛에서 전력을 끌어오는 랩탑컴퓨터의 사시도이다.
도 8은 유도전력전송 시스템의 확장된 주파수 프로필을 것을 보여주는 그래프이다.
도 9는 적절한 비공진 작동주파수를 선택하기 위해 이상 설명한 유도전력전송 시스템을 교정하는 방법의 순서도이다.
도 10은 다른 유도전력전송 시스템(1700)의 개략적 사시도이다.
도 11은 자동정렬 시스템(100)을 갖춘 유도전력 아울렛(200)의 주요 요소들을 보여주는 블록도이다.
도 12는 1차인덕터(1220)가 X-Y 테이블(1180)에 결합되어 있는 포지셔닝 시스템(1150)의 사시도이다.
도 13은 다른 포지셔닝 시스템(2150)을 이용하는 두번째 예의 사시도이다.
도 14는 이런 포지셔닝 시스템을 이용해 유도전력전송 시스템을 정렬시키는 과정의 일반 단계들을 보여주는 순서도이다.
도 15A~B는 각각 1차인덕터의 거친 포지셔닝(501)과 정밀 포지셔닝(550)를 제어하는 방법의 순서도이다.
도 16A는 보조코일 배열(800)의 개략도이다.
도 16B는 도전모드의 보조코일 회로(842)의 회로도이고, 도 16C는 리피터 모드의 보조코일 회로(844)의 회로도이며, 도 16D는 전송모드의 보조코일 회로(846)의 회로도이다.
도 16E는 1차인덕터(220)와 보조코일(820)에 대한 2차코일(320)의 가능한 위치(A,B)를 보여주는 도면이다.
도 16F는 보조코일(820)을 여러 모드들 사이에서 스위칭하는 보조코일 회로(848)의 블록도이다.
도 17A~B는 유도전력 리시버와 유도전력 아울렛 사이에 신호를 보내는데 송신 시스템을 사용하는 유도전력전송 시스템의 블록도이다.
도 18은 유도전력전송 시스템(102)의 전력수신회로의 주요 전기요소들의 블록도이다.
도 19는 2차인덕터의 출력전압을 작동주파수로 바꾸는 방법을 보여주는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 기본 실시예에 따른 유도전력전송 시스템(5100)의 회로도이다.
도 21은 전력조절방법의 순서도이다.
도 22는 리시버측 레귤레이터(7350)를 갖는 일정 주파수의 유도전력전송 시스템(7100)의 주요 전기요소를 나타낸 블록도이다.
도 23A~B는 다른 기본 유도전력전송 시스템의 회로도이다.

도 1은 유도전력 트랜스미터(200)에서 확장된 영역을 거쳐 유도전력 리시버에 유도전력을 전달하는 유도전력전송 시스템(100)의 블록도이다.

유도전력 트랜스미터(200)는 1차인덕터(240), 드라이버(230) 및 포지셔닝 기구(210)를 갖는데, 포지셔닝 기구는 없을 수도 있다. 유도전력 트랜스미터(200)는 전기선 소켓, 변압기, 파워팩, 솔라패널 등의 전원(240)에 연결된다. 드라이버(230)는 소정의 구동주파수에서 1차인덕터(220)에 가변 전압을 제공해, 1차인덕터(220) 주변에 진동 자기장을 일으킨다. 이런 진동자기장을 이용해 부근의 유도전력 리시버(300)의 2차인덕터(320)에 전압을 유도한다.

유도전력 리시버(300)의 2차인덕터(320)는 수신회로(310)를 통해 전기부하(340)에 유선연결된다. 2차인덕터(320)가 1차인덕터(220)에 생긴 진동자기장 안으로 들어가면, 진동 유도전압이 생긴다.

유도전력 리시버(300)가 유도전력 트랜스미터(200)로부터 전력을 받는 전력수신 거리는 진동자기장의 강도와 크기, 1차인덕터의 크기와 위치, 전력전송 주파수, 수신회로(310)의 공진주파수, 전력전송 효율 등을 포함한 여러 인자들에 의해 결정된다.

이상 설명한 유도전력전송 시스템(100)의 특징은 전력수신거리를 넓혀 더 큰 영역에서 유도전력전송을 효과적으로 하는데 있다. 특히, 이 시스템(100)은 타이트 결합모드와 루스 결합모드와 같은 여러 작동모드를 갖는데, 타이트 결합모드는 단거리에서 효율적인 유도전력전송을 하는 모드로서 1차인덕터(220)가 2차인덕터(320)에 정렬되고, 루스 결합모드는 긴 거리에서 효율적인 유도전력전송을 하는 모드이다.

시스템(100)의 트랜스미터측 특징은 유도리시버(300)에 전력을 유도전달하기에 좀더 적절한 위치로 1차인덕터(220)를 움직이기 위한 포지셔닝 기구(210)에 있다. 예컨대, 유도전력전송 시스템(100)이 타이트 결합모드에서 동작할 때, 포지셔닝 기구(210)를 정렬기구(500)의 일부분으로 사용해 1차인덕터(220)를 2차인덕터(320)에 정렬한다. 따라서, 1차인덕터(220)를 표적으로 움직이는 액튜에이터가 필요할 수 있다. 다양한 포지셔닝 시스템을 유도전력전송 시스템에 사용할 수 있는데, 이에 대해서는 도 11~15를 참조하여 후술한다. 유도전력전송 시스템(100)이루스 결합모드에서 동작할 때, 포지셔닝 기구(210)를 사용해 예컨대 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320) 사이에 효율을 개선시키는 시야선을 제공하기에 더 좋게 전력을 전달하도록 1차인덕터(220)를 재배치한다.

시스템(100)의 리시버측 특징은 수신회로(310)인데, 수신회로는 전기부하(340)에 맞는 형태로 출력전압을 조절하는 레귤레이터(330)를 갖는다. 여러 시스템에 의하면, 레귤레이터(330)는 정류회로, 전압제어회로, 전류제어회로 등을 포함할 수 있다. 또, 유도전력 리시버(300)가 조건에 맞게 수신회로(310)의 공진주파수를 조절하는 공진튜너(322)를 더 가질 수도 있다. 이런 시스템에 대해서는 도 4에서 설명한다.

유도전력전송 시스템(100)이 통신채널(700)과 정렬기구(500)를 더 가질 수 있다. 통신채널(700)은 유도전력 리시버(300)와 유도전력 트랜스미터(200) 사이의 통신을 위한 것이다. 리시버와 트랜스미터 사이에서, 상대위치, ID, 전기부하(340)를 위한 작동전압이나 전류나 온도나 전력, 작동중에 전기부하(340)에 공급되는 측정전압이나 전류나 온도나 전력, 작동중에 전기부하(340)가 받는 측정전압이나 전류나 온도나 전력과 같은 작동에 필요한 작동변수에 관한 데이터를 주고받을 수 있다. 또, 통신채널(700)은 구동전압이나 전류나 주파수와 같은 작동변수들을 조절하도록 드라이버(230)에 지시하는 피드백신호를 리시버(300)에서 트랜스미터(200)로 보낼 수 있다.

단거리에서 암호화된 광신호를 포토트랜지스터에 보내는 LED와 같은 각종 통신채널(700)을 시스템에 사용할 수 있다. 설명의 편의상, LED와 같은 광학 트랜스미터를 2차부(300)에 설치하고, 2차부와 전력아울렛(200) 둘다의 케이싱에 침투할 수 있는 종류와 강도를 갖는 전자기파를 송신하도록 한다. 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광학 레지스터와 같은 광학 리시버를 파워아울렛(200)에 설치하여 전자기파를 받을 수 있다.

트랜스미터와 리시버를 정렬하기 어려운 시스템에서는, 광학 시그널링을 이용하고, 압전소자로 전송되는 초음파 신호나 블루투스와 같은 무선신호를 이용하는 다른 통신채널을 사용할 수 있다. 한편, 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320) 자체도 전류나 전압 변조, 주파수변조 등을 이용해 통신신호를 전달할 수 있다.

1차인덕터(220)와 2차인덕터(320)를 정렬하는 정렬기구(500)를 설치한다. 정렬기구는 유도전력전송 시스템(100)이 타이트 결합모드에서 동작할 때 사용한다. 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320)의 정렬상태가 좋으면 에너지 전달효율이 개선되고 주변으로의 전자기파 방출이 줄어든다.

정렬기구(500)는 도 11~15에서 설명할 포지셔닝 기구(210), 2차인덕터(320)를 1차인덕터(220)에 고정하는 정렬 자석, 비주얼 표시, 오디오 표시, 촉각 표시 등을 갖는다. 정렬기구는 미국특허출원 12/524,987에서 찾아볼 수 있다.

정렬기구(500)는 자속가이드(600)를 더 가질 수 있다. 자속가이드(600)는 1차인덕터(220)의 자속을 2차인덕터(320)로 향하도록 하고, 타이트 결합모드로 동작할 때 주변으로 자속이 누설되는 것을 줄인다. 자속가이드(600)는 강자성체 코어와 자기실드를 갖는다. 강자성체 코어는 1차인덕터로부터 2차인덕터로 자속을 안내하기 위한 것이다.

설명의 편의상, 두께 20미크론 정도의 시트를 웨이퍼로 절단하고 비정질 강자성체로 이루어진 강자성체 코어를 예로들어 설명한다. 강자성체 코어는 2개의 비정질 강자성체 웨이퍼로 구성될 수 있다. 첫번째 웨이퍼는 1차인덕터(220)에 접착되고, 그 위에 2차인덕터를 접착한다. 2장의 웨이퍼는 1차인덕터에서 2차인덕터로 자속을 안내하는 강자성체 코어 역할을 한다. 1차인덕터(220)에 생긴 진동 자기장으로 인해 웨어퍼 내부에 와전류가 축적되는 것을 막기위해 강자성체 웨이퍼에 반경방향으로 슬릿을 형성할 수도 있다. 웨이퍼의 단면이 원형이면, 슬릿이 원주부에서 직경방향으로 안쪽으로 뻗을 수 있다.

주변으로의 자속누설을 막기위해 자기실드를 설치한다. 자기실드는 얇은 비정질 강자성체 시트로 제작되고, 접착절연층에 의해 인쇄회로기판에 접착된다.

유도리시버(300)를 도전면이나 도체가 들어있는 장치에 설치할 때 자기실드가 특히 중요하다. 따라서, 예컨대 유도전력 리시버(300)를 컴퓨터나 휴대폰과 같은 전기장치에 설치할 때, 자기실드에 의해 전기장치의 금속성분에 자속이 누설되어 가열하는 것이 방지된다.

비정질 강자성체 시트의 두께는 20㎛ 정도이다. 이 시트의 양쪽면에 폴리머 층을 입히면, 시트의 두께가 약 60㎛로 된다. 따라서, 유도장치에서 자속을 안내하는데 사용되는 다른 페라이트 요소와는 달리, 비정질 강자성체를 사용하면 자속을 극히 효과적으로 안내할 수 있다. 얇은 자기 가이드 때문에 유도전력 리시버가 유연해지고 방해가 되지 않는다. 이런 특징은 유도리시버를 설치하는 장치의 디자인과 제조에 아주 중요하다. 비정질 강자성체로 자기가이드를 제조하는 여러 방법 중에서도 특히 프린팅, 스탬핑, 커팅, 비정질 강자성체 마이크로와이어 피복이 바람직하다.

자속가이드(600)를 유도전력전송 시스템에 함께 사용할 수도 있다.

따라서, 유도전력전송 시스템(100)이 타이트 결합모드에서 작동할 때, 유도전력 리시버(300)가 유도전력 트랜스미터(200)에 정렬되어 있으면, 자속선들이 폐쇄되어 주변으로의 자기장 방출이 가능한한 줄어든다.

앞서 설명한 것처럼, 이상 설명한 유도전력전송 시스템(100)은 타이트나 루스 결합모드와 같은 여러 모드로 동작하도록 구성되는 것을 큰 특징으로 한다. 따라서, 트랜스미터측의 모드셀렉터(234) 및/또는 리시버측 모드셀렉터(324)를 사용해 유도전력전송 시스템의 작동모드를 변환할 수 있다.

각종 멀티모드 유도전력전송 시스템(100)에 따르면, 모드셀렉터(234,324)는 수동식이거나 자동식이다. 또, 자동 모드트리거(3050)를 설치해 유도전력 트랜스미터(200)와 리시버(300)의 상대적 위치들을 감시하고 적절한 결합모드를 선택할 수 있다. 이런 모드트리거(3050)는 위치센서(3052)나 근접센서(3054)와 같은 센서를 가질 수 있다.

도 2는 하나 이상의 전기부하에 전력을 유도전달하는 방법의 순서도이다. 이 방법은 드라이버와 1차인덕터를 갖는 유도전력 트랜스미터를 구하는 단계(i); 전기부하에 연결된 2차인덕터를 갖는 유도전력 리시버를 구하고, 이 유도전력 리시버는 타이트와 루스 결합모드를 포함해 2개 이상의 모드로 동작하는 단계(ⅱ); 가능한 드라이버를 통해 1차인덕터에 진동 전압을 공급하는 단계(ⅲ); 및 유도전력 리시버의 작동모드를 선택하는 단계(ⅳ)를 갖는다.

도 3은 유도방식으로 구현된 플랫폼(10)의 사시도이다. 테이블이나 유도매트 형태인 플랫폼(10)에는 다수의 유도전력 트랜스미터(20a~c)가 내장되어 있다. 유도전력 트랜스미터(20a~c)는 각종 전기장치에 설치된 유도전력 리시버(32a~c)에 유도전력을 전달한다. 내장된 유도전력 리시버(32a)가 첫번째 유도전력 트랜스미터(20a)와 정렬되도록 컴퓨터(30a)가 위치하므로, 첫번째 유도전력 트랜스미터(20a)는 타이트 결합모드로 동작할 수 있다. 탁상등(30b)은 내장된 유도전력 리시버(32b)가 두번째 유도전력 트랜스미터(20b)와 정렬되도록 위치하므로, 두번째 유도전력 트랜스미터도 타이트 결합모드로 동작할 수 있다. 따라서, 전자기파 누설이 거의 없이 효과적으로 컴퓨터(30a)와 탁상등(30b)에 전력을 공급할 수 있다.

세번째 유도전력 트랜스미터(20c)를 쓸 수 있고 유도전력 리시버(32c)를 내장한 전화기(30c)가 플랫폼 위에 있지만, 전화기의 유도전력 리시버(32c)는 트랜스미터(20c)와는 정렬되지 않았다. 지금까지 설명한 유도전력전송 시스템에서는 유도전력 트랜스미터(20c)가 정렬되지 않은 유도전력 리시버(32c)와 루스하게 결합되어 있어 전화기(30c)가 원격으로 충전될 수 있다.

따라서, 도 1로 돌아가, 유도전력 트랜스미터(200)의 구동주파수를 수신회로(310)의 공진주파수와 일치하도록 동작하는 하나 이상의 공진튜너(322)를 유도전력전송 시스템(100)에 설치할 수 있다.

유도결합 2차인덕터에 유도된 전압의 강도는 1차인덕터에 공급된 전압의 진동주파수에 따라 변한다. 진동주파수가 시스템의 공진주파수와 같을 때 유도전압의 강도가 가장 세다. 시스템의 공진주파수 f _R 은 시스템의 인덕턴스 L과 커패시턴스 C에 의해 결정되어 f _R =1/2π√LC 이다. 인덕턴스 L과 커패시턴스 C의 값은 1차인덕터의 인덕턴스, 2차인덕터의 인덕턴스, 양쪽의 간격, 시스템의 형상, 상호 인덕턴스, 송수신회로의 커패시턴스와 같은 여러 변수에 의해 좌우된다. 몇몇 변수는 유도전력전송 시스템에서 가변적일 수 있으므로, 고유 공진주파수 f _R 의 결정과 튜닝을 하는 것이 바람직할 수 있다.

리시버측 공진튜너(322)는 공진주파수 f _R 를 바꿀 수 있도록 수신회로(310)에 선택적으로 연결될 수 있는 다수의 커패시터들이나 하나의 가변 커패시터를 가질 수 있다. 또, 리시버측 공진튜너(322)가 공진주파수 f _R 를 유도전력 트랜스미터의 구동주파수에 일치되게 바꾸도록 수신회로(310)에 선택적으로 연결될 수 있는 다수의 인덕터나 하나의 가변 인덕터를 가질 수 있다.

리시버측 공진튜너

도 4는 2차인덕터(320)에 연결되는 공진튜너(322)의 회로도이다. 공진튜너(322)는 컨트롤러(323), 다수의 커패시터(C_1-n) 및 다수의 스위치(S_1-n)를 갖는다.

컨트롤러(323)은 스위치(S_1-n)를 조작해 커패시터(C_1-n)를 2차인덕터(320)에 선택적으로 연결하여 수신회로의 고유 공진주파수를 조절한다.

컨트롤러(323)은 원하는 전력공급효율을 얻기위해 수신회로를 튜닝하는 알고리즘을 실행하는 프로세서를 구비할 수 있다. 특히, 루스 결합모드에서는 컨트롤러가 공진주파수가 1차인덕터(220)의 구동주파수와 일치하도록 수신회로를 튜닝한다. 한편, 타이트 결합모드처럼 공진전송이 불필요할 때는, 컨트롤러가 1차인덕터의 구동주파수 범위보다 높거나 낮은 주파수로 수신회로를 튜닝할 수 있다.

원하는 튜닝을 하기 위해 각종 듀티사이클에 맞게, 용량값이 다른 여러 한 커패시터(C_1-n) 를 수신회로에 병렬이나 직렬로 연결할 수도 있다. 한편, 용량값이 비슷한 여러 커패시터들을 설치하고 필요에 따라 회로에 선택적으로 연결할 수도 있다. 또, 이런 커패시터 집단을 이용해 회로를 필요한 공진에 더 가깝게 튜닝하여 일정한 구동주파수로 유도전력전송을 조절할 수도 있다. 또, 이런 리시버측의 전력조절과 더불어 주파수변조도 이용할 수 있다.

또다른 시스템에서는 트랜스미터측 공진튜너를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 유도전력 트랜스미터(200)의 드라이버(230)가 유도전력 리시버(300)의 수신회로(310)와 공진하는 구동주파수를 선택하기 위한 주파수 셀렉터(232)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 원하는 주파수를 표시하는 신호를 보내기 위한 통신채널을 사용할 수도 있다.

공진 수신회로에 전력을 전달하는 것이 공진 전력전송의 특징이다. 따라서, 유도전력 아울렛에서 특정 유도전력 리시버나 리시버 세트에 전력을 공급하도록 구동주파수를 선택하는 것이 좋다. 이때문에 루스 결합모드에서는 공진 전력전송이 필요한 곳에 제공된다.

그러나, 시스템이 타이트 결합모드에 있을 때는, 비공진 전력전송이 바람직할 수 있다. 타이트 결합모드에서의 비공진 전력전송의 장점은, 2차 전력수신기가 옆으로 움직이면 2차인덕터(320)와 1차인덕터(220) 사이의 정렬상태가 바뀐다는 것이다. 이때문에, 코일쌍의 결합 인덕턴스가 바뀌어, 시스템의 공진주파수가 바뀐다. 유도전력 트랜스미터(200)가 시스템의 공진주파수로 전력을 전달하면, 아무리 작은 측면방향 움직임에도 유도되는 전력의 크기가 크게 줄어든다. 유도전력 트랜스미터(200)가 공진그래프의 기울기가 훨씬 더 작은 곳에서 비공진 주파수로 전력을 전달하면, 시스템은 측면방향 이동과 같은 변수에 훨씬 더 큰 여유를 가질 수 있다. 비공진 전달의 다른 장점은, 송신주파수를 이용해 전력전송을 조절할 수 있다는 것이다. 여러가지 비공진 유도전력전송 시스템이 미국특허출원 12/883,457에 소개된 시스템에 사용될 수 있다.

주파수 선택

유도전력전송 시스템은 유도결합의 공진주파수로 전력을 전달하거나, 비공진 주파수로 전력을 전달한다. 어떤 경우에도, 시스템의 고유 공진주파수를 아는 것이 유용하다. 원하는 주파수로의 전달을 유지하기 위해 튜닝기를 채택할 수 있다.

유도전력전송 시스템은 사전에 공진주파수를 결정하는 엄격한 사양에 따라 제작된다. 그러나, 이런 엄격한 사양은 제조과정상의 허용오차에 제한을 둘 수 밖에 없다. 따라서, 제조공정상의 많은 제품들이 품질관리에서 거부되곤 한다. 이런 제한 때문에 상당한 오버헤드가 부과되어, 제조비를 크게 높이곤 한다. 따라서, 특정 공진주파수를 갖는 시스템들은 경제적으로 대량생산하기가 아주 어렵다.

후술하는 실시예는 작동중의 자체 공진주파수를 감지할 수 있는 유도전력전송 시스템에 관한 것이다.

비공진 작동

도 5는 비공진 주파수로 전력을 전달하는 유도전력전송 시스템(101)의 주요 요소들을 보여주는 블록도이다. 유도전력전송 시스템(101)은 원격 2차 유닛(300)에 전력을 공급하는 유도전력 아울렛(200)을 포함한다. 유도전력 아울렛(200)의 1차 유도코일(220)은 드라이버(230)를 통해 전원(240)에 유선연결된다. 드라이버(230)는 1차 유도코일(220)에 진동 구동전압을 공급한다.

2차유닛(300)의 2차 유도코일(320)은 전기부하(340)에 유선연결되고, 전기부하는 1차 유도코일(220)에 유도결합된다. 전기부하(340)는 전원(240)에서 전력을 끌어온다. 2차유닛(300)과 관련된 트랜스미터(1022)와 유도전력 아울렛(200)에 관련된 리시버(1024) 사이에 통신채널(1020)이 배치된다. 통신채널(1020)은 피드백신호(S)를 드라이버(230)에 공급한다.

어떤 경우에는, 공급전압의 급격한 증가를 감지하는 전압피크 디텍터(1040)를 설치한다. 전압피크 디텍터(1040)는 2차유닛(200)의 제거, 전력배출구의 도입, 단락회로 등과 같은 불규칙성을 감지하는데 사용된다.

도 6은 유도전력전송 시스템의 작동전압의 크기가 전달주파수에 따라 어떻게 변하는지를 보여주는 그래프이다. 전달주파수가 시스템의 공진주파수(f_R)와 같을 때 전력이 최대이고, 이런 최대 크기가 공진피크(2)임을 알 수 있다. 공진피크(2) 양쪽 부분(4a,4b)에서 그래프의 기울기가 최대이다. 이렇게 공진주파수 부근에서 동작하는 유도전달시스템에서는 주파수가 약간만 변해도 유도전압이 크게 변한다. 마찬가지로, 시스템의 공진주파수가 조금만 변해도 유도전압이 크게 변한다. 이런 이유로 종래의 공진 유도전달 시스템은 주변환경의 작은 변화나 유도코일들 사이의 정렬상태 변화에 아주 민감한 것이 보통이다.

드라이버(230)는 유도결합의 공진주파수와는 크게 다른 전송주파수로 진동하는 구동전압을 전달하는 것을 특징으로 한다. 이런 전달주파수는 주파수-진폭 그래프의 기울기가 작은 유사선형 구역(6,8)에 있도록 선택하는 것이 좋다.

측면 이동에 대한 감도

이제 비공진 주파수로 동작하는 예의 장점에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 도면에서 랩탑컴퓨터(340)는 유도전력 트랜스미터(200)로부터 2차전력 리시버(300)를 통해 전력을 끌어온다. 2차전력 리시버(300) 안의 2차 유도코일(320)은 유도전력 트랜스미터(200)내의 1차 유도코일(220)와 정렬된다. 2차전력 리시버(300)를 측면으로 이동시키면 2개 유도코일(320,220) 사이의 정렬상태가 변한다. 그 결과, 코일쌍의 결합 인덕턴스가 바뀌고, 이는 시스템의 공진주파수를 바꾼다.

유도전력 트랜스미터(200)가 시스템의 공진주파수로 전력을 전송하면, 아무리 작은 측면 이동에도 유도된 전압의 크기가 크게 줄어든다. 공진시스템을 고려해, 비공진 유도전력 트랜스미터(200)는 도 6의 공진피크(2) 양옆의 6이나 8 영역의 주파수로 전력을 전송하는데, 이 영역에서는 공진그래프의 기울기가 훨씬 완만하다. 따라서, 시스템은 측면 이동과 같은 변수에 대해 훨씬 더 큰 여유를 갖는다.

전송 가드

시스템의 고유 공진주파수 이상의 주파수로 전송하는 유도전력 트랜스미터(아울렛)의 다른 특징은, 시스템의 공진주파수가 어떤 이유로 높아질 때 전송전압이 급격히 높아진다는 것이다. 유도전력 트랜스미터(200)의 전송전압을 감시하기 위해 도 5의 피크디텍터(1040)를 사용해 공진주파수의 증가를 표시하는 전송전압의 큰 증가를 감지하도록 하는 것이 바람직하다.

유도시스템의 공진공식 f _R =1/2π√LC에 의하면, 시스템의 인덕턴스 L이나 용량 C가 증가하면 공진주파수가 높아지고 피크디텍터(1040)가 이를 감지한다.

피크디텍터(1040)의 사용에 대해 도 7에서 다시 참조한다. 데스크탑 환경에서, 페이퍼클립, 금속자, 금속케이싱 스테이플러, 홀펀치, 기타 금속물체와 같은 도체가 유도전력 트랜스미터(200)와 2차 전력리시버(300) 사이에 있을 수 있다. 1차코일(220)에서 생긴 진동 자기장 때문에 도체에 와전류가 생기면서 도체를 가열하므로, 1차코일(220)의 전력이 누설되는셈이다. 이런 전력누설은 낭비이기도 하지만 위험하기도 하다. 이와같은 전력누설은 시스템의 인덕턴스(L)를 낮춰, 공진주파수를 증가시킨다.

시스템의 인덕턴스(L)는 2차코일(220)을 없애거나 단락회로가 생겨도 감소된다. 유도전력 아울렛에 유선연결된 피크디텍터(1040)는 전송전압의 대폭증가와 같은 시나리오를 감지한다. 필요하다면, 피크디텍터(1040)가 이런 전력전압 증가를 감지할 경우 전력전송 시스템을 정지하고 경고를 발하거나 사용자와 시스템을 보호하도록 조치할 수도 있다.

비공진 작동주파수를 이용한 전력조절

비공진 전송의 다른 장점은, 전력전송을 조절하는데 전송주파수를 이용할 수 있다는 것이다. 기존의 유도전력전송 시스템은 일반적으로 전송전압의 듀티사이클을 이용해 전력전송을 조절했다. 종래의 시스템과 달리, 본 발명에서는 시스템의 공진주파수와는 다른 주파수로 전송하기 때문에, 드라이버(230)가 전송주파수를 조절해 전력전송을 조절할 수 있다.

이런 조절에 대해 도 6에 도시되었다. 본 발명에서는 전송주파수를 낮은 주파수값 f_L과 높은 주파수값 f_U 사이의 대략 선형 곡선구간(8)에 오도록 선택한다. 시스템의 공진주파수 f_R보다 높은 전송주파수 f_t에서 생기는 유도전압은 V_t이다. 전송주파수를 공진주파수 f_R에 가깝도록 조절하면 유도전압이 증가한다. 반대로, 전송주파수를 공진주파수 f_R에서 멀어지게 조절하면 유도전압이 감소한다. 예컨대, 전송주파수를 δf만큼 바꾸면 유도전압은 δV만큼 변한다.

이상과 같은 이유로, 시스템의 작동주파수는 진폭 그래프의 대략선형 구간(6,8) 안에 있는 비교적 좁은 주파수범위에서 선택하는 것이 좋다(도 6 참조). 따라서, 기존에 알고있던 공진시스템의 고유주파수 f_R에 의해 작동주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어, 공진주파수 f_R를 알고있으면, f_R에 척도인자(scaling factor)를 곱해 표적주파수 범위를 결정할 수 있다. 경우에 따라서는, 시스템의 고유 공진주파수 f_R의 50~90% 범위나 110~160% 범위나 다른 범위에서 최적의 작동주파수를 선택할 수도 있다.

고유주파수 결정

경우에 따라서는 시스템의 고유주파수 f_R과 같은 변수들을 엄격하게 제한하는 것이 편리할 수 있다. 그러나, 이런 제한은 제조과정의 허용오차를 제한하므로 경제적으로 항상 바람직한 것은 아니다.

유도전력 아울렛 모듈과 유도전력 리시버 모듈을 둘다 채택하는 것이 무선 유도전력전송 시스템의 특징이다. 이 시스템의 공진은 양쪽 모듈의 조합에 의해 결정된다. 제각기 특성이 다르고 각각 다른 고유주파수로 유도결합을 하는 다수의 유도전력 리시버 모듈들에 하나의 유도전력 아울렛 모듈을 결합할 수 있다. 따라서, 유도전력 아울렛의 제조과정 중에 유도결합을 위한 고유 공진주파수를 예측하는 것은 실제로는 불가능하거나 아주 한정된다.

또, 유도결합의 고유 공진주파수가 안정적이지 못하면, 유도전력전송 시스템, 그중에서도 유도전력 리시버나 유도전력 아울렛이나 그 둘다의 특성이 시간에 따라 요동할 수 있다. 이렇게 되면, 시스템의 수명 내내, 시스템의 고유주파수가 크게 변한다.

이런 이유로, 다른 유도전력전송 시스템은 작동 전에 고유주파수를 결정하는 공진검색 구성을 채택할 수 있다. 일단 시스템의 고유주파수가 결정되면, 고유주파수와 관련되어 규정된 범위에서 작동주파수를 선택한다. 예를 들어, 루스 결합모드로 동작하는 시스템은 고유 공진주파수에 가까운 좁은 대역에서 작동주파수를 선택할 수 있다. 한편, 타이트 결합모드로 동작하는 시스템에서는 고유 공진주파수보다 높거나 낮은 주파수대역에서 비공진 주파수를 선택할 수 있다.

도 8은 유도전력전송 시스템의 확장된 주파수 프로필을 것을 보여주는 그래프이다. 이 프로필은 유도전력전송 시스템의 작동전압의 진폭이 전송주파수에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 진폭피크(2)는 시스템의 공진주파수 f_R에서 형성된다. 또, 다른 더 작은 고조파 피크(12,22)는 공진주파수 f_R의 2배 및 3배의 주파수 2f_R과 3f_R에서 생긴다.

유도전력전송 시스템의 공진주파수를 결정하기 위해, 작동전압의 진폭을 다양한 주파수에서 샘플링하여 그 형상을 결정할 수도 있다. 공진주파수는 진폭이 피크인 주파수를 선택하여 결정된다.

샘플링은 예상되는 피크값 부근의 구간(3)에서 분산된 여러 주파수값을 선택한 다음 각각의 주파수에서의 작동전압의 진폭을 측정하여 이루어진다.

분산된 샘플 주파수들은 예상되는 공진주파수 f_R 부근의 구간(3)에서 선택되고 메인 공진피크(2)를 결정하는데 사용되지만, 예상되는 공진주파수의 수배수 부근의 구간(12,23)에서 선택한 주파수들에서의 작동전압의 진폭을 샌플랭하면 공진 결정의 정확도가 더 개선된다.

예를 들어, 1차 고조파피크(12)가 생기는 실제 주파수를 결정하기 위해 예상 공진주파수의 2배인 2f_R 부근의 주파수 구간(13)에서 샘플링 주파수들을 선택할 수 있다. 또, 2차 고조파피크(22)가 생기는 실제 주파수를 결정하기 위해 예상 공진주파수의 3배인 3f_R 부근의 주파수 구간(23)에서 샘플링 주파수들을 선택할 수 있다. 실제 샘플링 주파수들은 더 높은 차수의 고조파 공진피크들 둘레의 구간에서 선택될 수 있다.

예컨대 3f_R의 값이 결정되면, 측정된 값을 3으로 나누어 공진주파수 f_R을 결정한다. 마찬가지로, nf_R의 값이 결정되면, 측정된 값을 n으로 나누어 공진주파수 f_R를 결정한다.

제한된 수의 샘플 주파수들에 대해 선택된 샘플 값 세트를 이용해 다른 주파수들의 값을 외삽법으로 구할 수도 있다. 한편, 공진주파수를 구하는데 내삽법, 랜덤샘플링 등의 다른 기법을 이용할 수도 있다.

도 9는 적절한 비공진 작동주파수를 선택하기 위해 이상 설명한 유도전력전송 시스템을 교정하는 방법의 순서도이다. 이 방법은 아래 단계들을 포함한다:

유도전력전송 시스템을 제공하는 단계(1510);

시스템의 공진주파수를 결정하는 단계(1520); 및

전력의 유도전송을 위한 작동전압을 선택하는 단계(1530).

앞에서 지적한대로, 공진주파수 결정단계(1520)는 샘플링 주파수에서 구동전압을 공급하는 단계(1521); 샘플링 주파수에 대한 출력 전압 반응을 기록하는 단계(1522); 샘플링 주파수를 증분하는 단계(1523); 및 유도전력전송 시스템에 대한 특성 반응 프로필을 구하기 위해 이들 단계를 반복하는 단계(1524)를 포함한 몇개 하위단계들로 이루어질 수 있다.

도 8에서 설명한대로, 특성반응 프로필은 일반적으로 하나의 공진피크와 여러개의 고조파 피크들을 가지며, 공진주파수는 공진피크의 구동주파수를 확인하여 발견된다(1525). 한편, n차 고조파피크에서의 구동주파수를 확인하고(1526), 이 값을 (n+1)로 나누어(1527) 구동주파수를 찾기도 한다.

구동주파수 f_R이 결정되면, 작동주파수를 선택한다. 일반적으로, 비공진 작동주파수는 결정된 공진주파수에 척도인자를 곱해 선택한다. 척도인자는 쉽게 결정된다. 어떤 경우에는 척도인자가 50~90%이고, 어떤 경우에는 11~150%이지만, 필요에 따라 그 범위가 다를 수도 있다.

유도전력전송을 위한 작동전압을 선택하는 단계에서 고유 공진주파수보다 높거나 낮은 비공진 주파수를 선택할 수도 있다. 또는, 유도전력전송을 위한 작동전압을 선택하는 단계에서 결정된 공진주파수에 가까운 범위에서 작동주파수를 선택할 수도 있다.

도 10은 다른 유도전력전송 시스템(1700)의 개략적 사시도이다. 유도전력 트랜스미터(1800) 안에 다수의 1차인덕터(1820)가 행렬형태로 배열되어 있다. 유도전력 리시버(1900) 안에있는 2차인덕터(1920)는 루스/타이트 결합모드에서 1차인덕터(1820)로부터 유도전력을 받는다. 이런 유도전력 리시버(1900)는 보통 전기부하(도시 안됨)에 연결된다.

예컨대, 제1 유도전력 리시버(1900A)의 2차인덕터(1920A)는 1차인덕터(1820b)와 정렬된 다음 정렬 자석(1620,1630)에 의해 이곳에 고정된다. 따라서, 제1 유도전력 리시버는 타이트 결합모드에서 작동하고, 필요하다면 비공진 주파수로 동작할 수 있다.

제2 유도전력 리시버(1900B)의 2차인덕터(1920B)는 1차인덕터(1820) 중의 어떤 것과도 정렬되지는 않지만, 2개의 1차인덕터(1820l,1820k) 사이에 위치한다. 제2 유도전력 리시버(1900B)가 공진주파수를 행렬내 인덕터들 중의 적어도 하나의 구동주파수로 튜닝되도록 루스 결합모드로 스위칭되는 것이 듀얼모드 유도전력전송 시스템의 특징이다.

가변형 코일

정렬 및 효율

유도결합에 의한 전송효율을 높이려면, 2차인덕터를 1차인덕터에 정확히 정렬하는 것이 도움이 된다. 사용자가 비주얼마킹이나 오디오신호나 촉감표시를 사용해 이런 정렬을 하는데 도움을 주는 다양한 방법들이 제시되었다. 예를 들어, 사용자에게 촉감으로 알려주고, 일단 정렬된 다음엔 1차인덕터에 2차인덕터를 고정하는데 도움을 주는데 자석 못과 앵커를 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 유도결합을 하기 전에 사용자가 유도전력 리시버를 유도전력 아울렛에 정렬할 필요가 있다.

사용자가 넓은 표면의 아무곳에나 유도전력 리시버를 놓아도 자동적으로 정렬이 이루어지도록 하면 굉장히 편리할 것이다. 1차인덕터를 2차인덕터에 자동으로 정렬하는 포지셔닝 메커니즘을 소개한다.

범용 정렬 시스템

도 11은 자동정렬 시스템(100)을 갖춘 유도전력 아울렛(200)의 주요 요소들을 보여주는 블록도이다. 유도전력 아울렛(200)은 유도전력 리시버(300)에 전력을 유도방식으로 공급한다.

유도전력 리시버(300)는 리츠와이어 코일과 같이 전기부하(340)에 연결되어 전력을 공급하는 2차인덕터(320)를 포함한다. 설명의 편의상 이 블록도에는 다수의 전기요소들이 빠졌지만, 유도전력 리시버에 정류기, 피드백 기구 등의 추가 요소들이 있을 수 있다.

유도전력 아울렛(200)은 1차인덕터(220), 드라이버(230) 및 정렬시스템(100)을 갖는다. 1차인덕터(220)에 유도결합되는 드라이버(230)는 전원(240)에서 전력을 받아 1차인덕터에 진동 전압을 공급한다. 구동용 전자장치는 AC-AC 컨버터나 DC-AC 컨버터용의 스위치를 갖춰 고주파 진동전압 출력이 생기도록 한다.

1차인덕터(220)는 확장된 표적영역(210)내에 있는 유도전력 리시버(300)의 2차인덕터(320)와 유도결합하여 유도전력전송이 일어나도록 한다. 따라서, 1차인덕터(220)는 리트와이어와 같은 코일, 가급적 2차인덕터(320)와 비슷한 치수의 코일일 수 있다. 유도결합과 에너지전송의 효율은 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320)의 치수를 일치시켜 그 사이에 양호한 정렬을 하면 개선될 수 있다.

효율성 추구

표적영역(210)내 어떤 곳에 있는 2차인덕터(320)에도 1차인덕터(220)를 정렬하여 효율성을 추가하는 것이 정렬시스템(100)의 특징이다. 정렬시스템(100)은 근접센서(120)와 포지셔닝 기구(150)를 갖는다.

근접센서(120)는 유도전력 리시버(300)의 존재를 감지하고, 최고효율 위치에 대한 1차인덕터(220)의 근접도를 나타내는 센서신호를 프로세서(130)에 보낸다. 근접센서(120)의 예로는 전압모니터, 전력모니터, 전류모니터 등이 있다. 후술하는 유도통신채널이 있으면, 2차인덕터(320)에서 1차인덕터(220)에 전송된 피드백신호의 전력을 결정해 전력전송 효율을 감시할 수 있다.

유도통신채널은 1차인덕터(220)에서 2차인덕터(320)로의 무정전 유도전력전송과 동시에 2차인덕터(320)에서 1차인덕터(220)로 신호를 전송하기 위한 것이다. 이런 통신채널은 드라이버(230)에 피드백신호를 제공한다. 유도통신채널은 2차인덕터(320)에 연결된 송신회로와, 1차인덕터(220)에 연결된 수신회로를 포함한다.

송신회로는 2차인덕터(320)에 연결되었을 때 시스템의 공진주파수를 높이는 전기요소를 하나이상 포함할 수 있다. 송신회로는 전기요소를 2차인덕터(320)에 선택적으로 연결할 수 있다. 따라서, 수신회로는 전송전압의 급증을 감지하는 피크전압 디텍터를 포함할 수 있다. 전압전송 주파수가 시스템의 공진주파수보다 높은 시스템에서, 이런 전송전압의 급증은 공진주파수의 증가에 의해 일어나고, 이는 전기요소가 2차인덕터(320)에 연결되었음을 나타낸다. 따라서, 송신회로는 신호펄스를 수신회로에 보내는데 사용되고, 암호화된 신호가 이런 펄스로 구성될 수 있다.

어떤 경우에는, 송신회로가 입력신호로 비트율 신호를 변조하는 변조기를 가질 수 있다. 전기요소는 변조된 신호에 맞춰 2차인덕터(320)에 연결될 수 있다. 수신회로는 변조된 신호를 복조하는 복조기를 가질 수도 있다. 예컨대 피크전압 디텍터가 비트율 신호와 1차전압의 진폭을 연관시켜 출력신호를 내기 위해 코릴레이터에 연결될 수 있다.

한편, 다른 유도통신채널을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 송신회로가 보조부하를 2차인덕터에 선택적으로 연결하여 진폭변조된 전송전압을 공급해 피드백신호를 암호화하도록 할 수도 있다.

이런 유도통신채널이 있으면, 피드백신호가 시스템의 공진주파수에 크게 의존하게 된다. 시스템의 공진주파수가 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320) 사이의 정렬도에 의해 결정되므로, 1차인덕터(220)에 연결된 수신회로 자체가 근접센서(120) 역할을 하기도 한다.

정렬 기구의 작동

포지셔닝 기구(150)는 컨트롤러(130), 하나 이상의 작동기구(140,160) 및 모바일 플랫폼(180)을 갖고, 1차인덕터(220)가 모바일 플랫폼(180)에 설치된다. 컨트롤러(130)는 근접센서(120)로부터 감지신호를 받고 모바일 플랫폼(180)의 동작을 제어하도록 작동신호를 보내, 1차인덕터(220)를 제어한다.

일반적으로 작동기구(140,160)는 2개 사용한다. 첫번째 작동기구(140)는 제1 경로를 따라 1차인덕터(220)를 움직이고, 두번째 작동기구(160)는 제2 경로를 따라 1차인덕터의 동작을 제어하기 위한 것이다. 이때문에 1차인덕터(220)는 2개의 경로로 정의된 영역내의 어떤 위치로도 움직일 수 있다. 3차원 정도로 더큰 범위의 동작을 위해 액동기구를 더 추가할 수도 있다.

컨트롤러(130)는 센서신호에 응답해 각각의 작동기구(140,160)에 작동신호를 선택적으로 보내 모바일 플랫폼(180)을 움직여 1차인덕터(220)를 2차인덕터(320)에 정렬시킬 수 있다.

X-Y 테이블

도 12는 1차인덕터(1220)가 X-Y 테이블(1180)에 결합되어 있는 포지셔닝 시스템(1150)의 사시도이다. X-Y 테이블(1180)에는, 제1 궤도쌍(1146a~b)과 제2 궤도쌍(1166a~b)으로 이루어진 직교 경로들을 따라 2차인덕터(1220)를 구동시키는 제1 및 제2 작동기구(1140,1160)가 있다. 1차인덕터는 제1 궤도쌍(1146a~b)에 결합되고, 이들 궤도는 제2 궤도쌍(1166a~b)에 결합된 지지대(1168)에 설치된다.

본 실시예의 제1 작동기구(1140)은 제1 액튜에이터(1142), 피니언 구동축(1144) 및 랙(1148)을 갖고, 제2 인덕터(1220)가 랙에 설치된다. 제2 작동기구(1160)은 제2 액튜에이터(1162), 리드스크루 축(1164) 및 리드넛을 갖고, 리드넛은 지지대(1168)에 결합된다.

제1 액튜에이터(1142)와 제2 액튜에이터(1162)는 제1 및 제2 작동기구들을 각각 증분구동하는 스테퍼 모터이다. 뒤에 자세히 설명하겠지만, 스테퍼모터(1142,1162)는 각각 1차인덕터(1220)를 다양한 크기로 조금씩 움직여 다수의 활성화 신호에 응답할 수 있다.

곡선경로

도 13은 다른 포지셔닝 시스템(2150)을 이용하는 두번째 예의 사시도이다. 이 포지셔닝 시스템(2150)은 제1 곡선궤도(2146)와 제2 곡선궤도(2166)로 이루어진 곡선경로들을 따라 2차인덕터(2220)를 구동하는 제1 및 제2 작동기구(2140,2160)를 갖는다.

1차인덕터(2220)는 제1 곡선궤도(2146)를 제2 곡선궤도(2166)에 결합하는 결합핀(2180)에 설치된다. 제1 작동기구(2140)의 제1 스테퍼모터 액튜에이터(2142)는 제1 변속기(2144)를 통해 제1 곡선궤도(2146)에 연결되고 제1 축(Ax)를 중심으로 제1 곡선궤도를 회전시킨다. 제2 작동기구(2160)의 제2 스테퍼모터 액튜에이터(2162)는 제2 변속기(2164)를 통해 제2 곡선궤도(2166)에 연결되고 제2 축(Ay)를 중심으로 제2 곡선궤도를 회전시킨다. 제1 및 제2 액튜에이터(2142,2162)에 작동신호를 보내 컨트롤러(도시 안됨)가 곡선궤도(2146,2166)의 움직임으로 이루어진 범위내의 어느곳에도 1차인덕터(1120)를 배치할 수 있다.

이상 설명한 포지셔닝 기구(2150)의 기계식 배열에 의하면, 스테퍼모터 액튜에이터들(1142,1162,2142,2162)는 장치의 한쪽에 서로 가깝게 배치된다. 이런 배열에서는 액튜에이터를 제어장치에 연결하기가 특히 편리하다. 이상 스테퍼모터만을 예로들어 설명했지만, 필요하다면 다른 모터나 압전요소나 솔레노이드 방식 등의 다른 액튜에이터도 사용할 수 있다.

정렬방법

도 14는 이런 포지셔닝 시스템을 이용해 유도전력전송 시스템을 정렬시키는 과정의 일반 단계들을 보여주는 순서도이다. 유도전력 아울렛에 정렬시스템이 배치되고(402), 표적구역 내부의 유도전력 아울렛의 전송면에 유도전력 리시버가 위치하며(404), 포지셔닝 시스템의 근접센서가 2차인덕터를 감지하고(406), 컨트롤러가 2차인덕터의 영역 안으로 1차인덕터를 배치하기 위한 거친 포지셔닝 과정을 개시하며(408), 컨트롤러가 이어서 2차인덕터에 1차인덕터가 정렬되도록 정밀 포지셔닝 과정을 개시하고(410), 1차인덕터가 2차인덕터에 정렬되면 1차인덕터가 유도전력전송을 시작한다(412).

1차인덕터의 거친 및 정밀 포지셔닝을 위해, 포지셔닝 시스템은 저해상도와 고해상도 양쪽으로 동작할 수 있다. 거친 포지셔닝 동안, 컨트롤러는 1차인덕터를 크게 움직이도록 액튜에이터에 명령하는 저해상 작동신호를 작동기구에 보낸다. 마찬가지로, 마찬가지로, 정밀 포지셔닝 동안, 컨트롤러는 1차인덕터를 조금씩 움직이도록 액튜에이터에 명령하는 고해상 작동신호를 작동기구에 보낸다. 컨트롤러의 프로세서는 근접신호로부터 받은 센서신호에 따라 어떤 작동신호를 어떤 액튜에이터에 보낼지 선택한다.

도 15A~B는 각각 1차인덕터의 거친 포지셔닝(501)과 정밀 포지셔닝(550)를 제어하는 방법의 순서도이다. 도 15A의 경우, 2차인덕터가 표적구역에 있을 때, 거친 포지셔닝 과정이 다음과 같이 진행된다:

- 근접센서가 초기 감지신호(S0)를 감지해 컨트롤러(502)에 전송(502);

- 저해상도 작동신호(Lx)가 제1 액튜에이터로 전송(504);

- 제1 액튜에이터가 제1 경로를 따라 작은눈금 하나씩 1차인덕터를 전진(506);

- 근접센서가 새로운 감지신호(S1)를 감지해 컨트롤러로 보냄(508);

- 프로세서가 S1과 S0를 비교(510);

- S1>S0이면, 1차인덕터가 처음보다 2차인덕터에 더가까이 정렬되었음을 나타내므로, 504~510 단계를 반복;

- Sn<Sn-1이면, 1차인덕터가 이전보다 2차인덕터에 더멀리 정렬되었음을 나타내므로, 역저해상도 작동신호 -Lx를 제1 액튜에이터에 전송(512);

- 제1 액튜에이터가 제1 경로를 따라 큰눈금 하나씩 1차인덕터를 후진(514);

- 제2 액튜에이터에 저해상도 작동신호 Ly를 전송(516);

- 제2 액튜에이터가 제2 경로를 따라 큰눈금 하나씩 1차인덕터를 전진(518);

- 근접센서가 새로운 감지신호(Sn)를 감지해 컨트롤러에 전송(520);

- 프로세서가 Sn과 Sn-1을 비교(522);

- 새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전보다 2차인덕터에 더 멀리 정렬되었음을 나타낼 때까지 516~522 단계를 반복;

- Sn<Sn-1이면 역 저해상도 작동신호 -Ly를 제2 액튜에이터에 전송(524);

- 제2 액튜에이터가 제2 경로를 따라 큰눈금 하나씩 1차인덕터를 후진(526);

- 매회 반복해도 정렬상태의 눈에 띄는 개선이 이루어지지 않을 때까지 거친 포지셔닝 과정을 여러번 반복할 수 있음(528);

- 거친 포지셔닝 과정이 끝나면 고해상도 포지셔닝을 개시(530).

도 15B의 경우, 거친 포지셔닝 과정(500)에 이은 고해상도 포지셔닝 과정(550)의 각 단계들이 다음과 같이 진행된다:

- 제1 액튜에이터에 고해상도 작동신호 Hx 전송(552);

- 제1 액튜에이터가 제1 경로를 따라 작은눈금 하나씩 1차인덕터를 전진(554);

- 근접센서가 새로운 감지신호(Sn)를 감지해 컨트롤러로 보냄(556);

- 프로세서가 Sn과 Sn-1을 비교(558);

- 새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전보다 2차인덕터에서 더 멀리 정렬되었음을 나타낼 때까지 552~558 단계들을 반복;

- Sn<Sn-1이면, 역고해상도 작동신호 -Hx를 제2 액튜에이터에 전송(560);

- 제1 액튜에이터가 제1 경로를 따라 작은눈금 하나씩 1차인덕터를 후진(562);

- 제2 액튜에이터에 고해상도 작동신호 Hy를 전송(564);

- 제2 액튜에이터가 제2 경로를 따라 작은눈금 하나씩 1차인덕터를 전진(566);

- 근접센서가 새로운 감지신호(Sn)를 감지해 컨트롤러에 전송(568);

- 프로세서가 Sn과 Sn-1을 비교(570);

- 새로운 감지신호가 1차인덕터가 이전보다 2차인덕터에 더 멀리 정렬되었음을 나타낼 때까지 564~570 단계들을 반복;

- Sn<Sn-1이면 역 고해상도 작동신호 -Hy를 제2 액튜에이터에 전송(572);

- 제2 액튜에이터가 제2 경로를 따라 작은눈금 하나씩 1차인덕터를 후진(574);

- 매회 반복해도 정렬상태의 눈에 띄는 개선이 이루어지지 않을 때까지 정밀 포지셔닝 과정을 여러번 반복할 수 있음(576).

당업자라면 알 수 있는 다른 포지셔닝 알고리즘을 본 시스템에 적용할 수도 있다. 예컨대, 감지신호가 상승하는한 경로를 따라 1눈금씩 1차인덕터를 스테핑하는 액튜에이터에 의해 주어진 경로를 따라 정확한 포지셔닝이 이루어질 수 있는데; 일단 감지신호가 강하하면, 액튜에이터는 경로를 따라 반눈금씩 1차인덕터를 후진시키고; 새로운 감지신호에 따라, 액튜에이터가 1/4 눈금 1차인덕터를 전진/후진 시키고; 8번째, 16번째 크기의 눈금 등등을 이용해 과정을 반복할 수 있다.

보조코일

보조코일 배열(800)을 사용해 범위를 넓힌 또다른 유도전력전송 시스템도 있다. 도 1로 돌아가, 유도전력 트랜스미터(200)의 드라이버(230)는 1차인덕터(220)에, 보통은 1차코일에 가변전압을 공급하여, 1차인덕터 부근에 진동 자기장을 일으킨다. 유도전력 리시버(300)의 2차인덕터(320), 보통은 2차코일이 이런 자기장 안에 놓이면, 진동 유도전압이 생성된다.

유도전력 리시버(300)가 유도전력 트랜스미터(200)로부터 전력을 받을 수 있는 수신범위는 진동 자기장의 강도와 범위에 의해 정해진다. 서로 정렬되지 않은 1차인덕터(220)와 2차인덕터(320)가 정렬되지 않아도 이들 인덕터(220,320) 사이에 보조코일을 두면 1차인덕터에서 2차인덕터로의 전력전송 효율이 개선된다는 놀라운 사실이 발견되었다. 따라서, 유도전력 트랜스미터(200)의 전력수신범위를 넓힐 수 있다.

보조코일 모드

도 16A는 보조코일 배열(800)의 개략도이다. 보조코일 배열(800)은 6개의 보조코일(820A~F)이 1차코일(220) 둘레에 배치된 구성이다. 이런 6각형 배열에서 보조코일(820A~F) 각각의 축은 1차코일(220)의 축과는 물론 서로로부터도 반경 길이만큼 어긋나있다. 한편, 필요에 따라서는 다른 기하학적 형상을 취할 수도 있다. 보조코일(820)은 아래와 같은 여러 모드로 동작한다. 가능한 보조코일 모드로는 (ⅰ) 도전모드, (ⅱ) 리피터 모드, (ⅲ) 전송모드 또는 (ⅳ) 대기모드가 있다.

도 16B는 도전모드의 보조코일 회로(842)의 회로도이고, 도 16C는 리피터 모드의 보조코일 회로(844)의 회로도이며, 도 16D는 전송모드의 보조코일 회로(846)의 회로도이다.

도전모드

도 16B의 도전모드에서, 보조코일(820)의 양 단자(822,824)를 저항(도시 안됨)을 통해 도전되게 연결한다. 이런 구성에서, 보조코일은 판도체처럼 기능한다. 2차인덕터(320)를 1차인덕터(220)에서 옆으로 움직이면, 판도체로 1차인덕터의 "노출부"를 가렸을 때 에너지 전달효율이 상승한다는 사실이 밝혀졌다. 이런 현상은 도체가 있어 시스템의 고유 공진주파수에 변화가 생기거나 자속선이 2차인덕터(320)에 좀더 효과적으로 안내되는 것과 관련된다.

이런 현상 때문에, 1차인덕터(220)와 비정렬 2차인덕터(320) 사이의 유도전력전송이 도전모드에서 1차인덕터(220)의 노출부를 덮는 보조코일(820) 부분을 작동시켜 개선된다. 도 16A의 경우, 2차인덕터(320)가 Q 지점에 중심이 있으면, 보조코일(820A~C)이 도전모드로 동작하기 때문에 에너지전달 효율이 개선된다.

리피터 모드

도 16C의 리피터 모드에서, 보조코일(820)의 양 단자(822,824)가 커패시터(862)를 통해 연결된다. 2차전압이 보조코일에 유도되고, 보조코일은 1차인덕터와 같은 주파수를 갖는 자체 진동 자기장을 일으킨다. 2차인덕터(320)와 1차인덕터(220) 사이에 리피터 모드의 보조코일을 두면, 에너지전달 효율이 크게 향상된다. 도8A의 경우, 2차인덕터(320)를 Q 지점에 중심을 두면, 보조코일(820E)이리피터 모드로 동작하기 때문에 에너지전달 효율이 개선된다.

또, 하나 이상의 보조코일을 리피터 모드로 사용하면, 전력수신거리가 1차인덕터 위로 수직으로 확장된다. 일련의 리피터들을 디딤돌처럼 사용하면 1차인덕터(220)의 범위를 더 확장할 수 있다.

도전모드와 리피터 모드에서는, 보조코일을 전원에 연결하고 2차인덕터가 1차인덕터로부터만 전력을 끌어올 필요가 없다.

전송모드

도 16D의 전송모드에서는, 보조코일(820)의 양 단자(822,824)가 전원(240)에 연결된 구동회로(864)에 연결되어 보조코일에 진동전압을 걸어준다. 따라서, 전송모드에서는 보조코일(820)이 2차인덕터(320)에 전력을 전송하는 추가 1차코일 역할을 한다.

구동회로(864)는 1차인덕터(220)와는 독립적으로 보조코일(820)를 구동한다. 따라서, 보조코일(820)에 공급된 구동전압의 위상이 1차인덕터(220)에 공급된 전압과는 다르다. 보조코일(820)과 1차인덕터(220) 사이의 위상차는 2차코일(320)의 배치에 따라 선택될 수 있다.

1차인덕터(220)와 보조코일(820) 사이의 조절에 대해 도 16E를 참조하여 설명하겠는데, 이 도면은 1차인덕터(220)와 보조코일(820)에 대한 2차코일(320)의 가능한 위치(A,B)를 보여준다. 보조코일(820)은 1차인덕터(220)로부터 반경 거리만큼 둔다.

2차인덕터(320)가 1차인덕터(220)와 정렬되면, 구동회로(864)가 정지하고 보조회로(820)는 대기모드에 있다. 마찬가지로, 2차인덕터(320)가 보조코일(820)과 정렬되면, 1차인덕터(220)의 연결이 끊어지고 구동회로(864)가 작동되어 보조코일(820)이 전송용 1차코일 역할만 한다.

2차인덕터(320)가 1차인덕터(220)와 보조코일(820)의 중간지점 A에 있으면, 보조코일(820)이 1차인덕터(220)와 같은 위상을 가져 2차인덕터로의 에너지전달이 개선됨이 밝혀졌다. 1차인덕터(220)와 보조코일(820)이 겹치는 구간(880)에서 반대 방향으로 흐르는 전류들이 기생코일을 형성하여, 자속선을 닫는다. 그 결과, 2차인덕터의 유도전압이 증가한다.

2차인덕터(320)가 보조코일(820)과만 겹치도록 B 위치에 있으면, 1차인덕터(220)와 보조코일(820)의 구동전압이 반대위상을 갖도록 보조코일(820)이 180도 위상차로 동작하여 2차인덕터(220)로의 에너지전달이 크게 개선됨이 밝혀졌다. 1차인덕터(220)와 보조코일(820)이 겹치는 구간(880)에 흐르는 추가 전류가 진동 자기장을 강화하여 2차인덕터(320)에 더 큰 유도전압을 일으키도록 한다.

설명의 편의상 도16E에는 2개의 코일(220,820)만을 예로 들었지만, 삼각형, 사각형, 육각형 등등의 형상으로 코일배열을 다양하게 확장할 수 있다.

다수의 모드

보조코일이 위의 모드들 중의 적어도 하나로 작동할 수 있다. 필요하다면, 보조코일을 하나 이상의 모드에서 선택적으로 동작하도록 구성할 수 있다. 도 16F는 보조코일(820)을 여러 모드들 사이에서 스위칭하는 보조코일 회로(848)의 블록도이다.

보조코일 회로(848)는 하나 이상의 보조코일(820), 하나 이상의 컨트롤러(852), 도전모드 블록(854), 리피터모드 블록(856), 전송모드 블록(858) 및 하나 이상의 스위치(851)를 갖는다. 컨트롤러는 도전모드 블록(854)나 리피터모드 블록(856)이나 전송모드 블록(858)에 보조코일을 선택적으로 연결하도록 스위치(851)에 명령한다.

도전모드 블록(854)은 도 16B와 같은 회로와, 추가 저항요소를 포함할 수 있다. 리피터모드 블록(856)은 도 16C와 같은 회로를 가질 수 있다. 전송모드 블록(858)은 도 16D와 같은 회로를 가질 수 있다.

2차인덕터(320)의 위치를 알면, 컨트롤러(852)는 이 위치에 맞게 보조코일(820)의 작동모드를 선택할 수 있다. 또, 보조코일 회로(848)가 볼륨센서, 자기센서와 같은 2차인덕터 감지기(853)를 더 가질 수 있다. 이 감지기(853)는 2차인덕터(320)의 위치를 컨트롤러에 알려준다.

보조코일이 여러개인 보조코일 배열의 용도에 대해 도 16A를 참조해 설명한다. 보조코일들(820A~F)은 작동모드가 조화를 이루도록 공통의 컨트롤러에 연결된다. 따라서, 2차인덕터(320)의 중심이 Q에 있으면, 보조코일(820A~C)는 도전모드로, 보조코일(820D~F)은 리피터모드로 동작한다. 한편, 보조코일(820E)이 전송모드로 동작하고 그 구동전압은 1차인덕터(220)의 구동전압과 정반대 위상을 갖도록 할 수도 있다. 필요하다면 다른 모드들을 조합하여, 2차인덕터(320)의 위치에 맞게 선택할 수 있다.

이런 보조코일 배열은 작동주파수가 일정한 1차인덕터(220)를 이용해 2차인덕터(320)에 대한 에너지전달 효율을 개선할 수 있다.

따라서, 보조코일에 적당한 작동모드를 선택하는 방법에 대해 설명한다. 이 방법은, 1차인덕터를 구하는 단계; 보조코일 배열을 구하는 단계; 1차인덕터에 대한 2차인덕터의 위치를 감지하는 단계; 도전모드, 리피터모드, 전송모드로부터 적어도 하나의 보조코일의 작동모드를 선택하는 단계; 선택된 작동모드로 보조코일을 작동시키는 단계;를 포함한다. 전송모드가 선택되면, 이 방법에 1차인덕터와 보조코일의 전송주파수의 위상차를 선택하는 단계를 추가할 수 있다.

일정한 작동주파수

도17A는 유도전력전송 시스템(102)의 주요 요소를 나타낸 블록도이다. 전력전송의 조절을 유도전력 리시버(300)내의 레귤레이터(350)가 일부 담당하는 것이 특징이다.

유도전력 트랜스미터(200)의 1차인덕터(220)는 드라이버(230)를 통해 전원(240)에 연결된다. 드라이버(230)는 스위치나 인버터와 같이 1차인덕터(220)에 진동전압을 공급하는 전자요소를 갖는 것이 보통이다. 1차인덕터(220)의 진동전압은 진동 자기장을 일으킨다.

유도전력 리시버(300)의 2차인덕터(320)는 정류기(331)를 거쳐 전기부하(340)에 유선연결된다. 2차인덕터(320)는 1차인덕터(220)의 진동 자기장 안에 놓였을 때 2차전압을 유도하도록 구성된다. 2차전압은 전기부하(340)를 작동시키는데 사용된다. 2차인덕터(320)에 유도된 2차전압은 교류전류(AC)를 일으킨다. 전기부하(340)에 전기화학전지의 충전과 같은 직류전류(DC)가 필요하면, AC를 DC로 변환하는 정류기(331)를 사용한다. 배전망 전기출력에 사용되는 유도전력 어댑터(1300c)와 같이 AC 출력이 필요하면, 인버터나 AC-AC 컨버터 등을 더 배치할 수 있다.

리시버측 레귤레이터(350)는 2차인덕터(320)에 생긴 출력전압을 직접 감시해 전기부하에 필요한 작동전압과 비교한다. 레귤레이터(350)는 유도전력전송 시스템(102)의 공진주파수를 조절해 감시된 출력전압을 전기부하(340)에 필요한 작동전압에 가깝게 한다. 또는, 레귤레이터(350)가 온도나 전류와 같은 작동변수들을 추가로 감시할 수도 있다.

도 17B는 유도전력 리시버(300')와 유도전력 아울렛(200') 사이에 신호를 보내는데 송신 시스템(400)을 사용하는 유도전력전송 시스템(102')의 블록도이다. 송신시스템(400)은 유도전력 리시버(300')와 관련된 발신기(420), 및 유도전력 아울렛(200')과 관련된 신호디텍터(440)를 갖는다. 광학, 유도, 초음파 발신기와 관련 디텍터는 물론, 미국특허출원 US12/497,088, US12/563,544에 소개된 코일-투-코일 송신시스템과 같은 다양한 송신시스템들을 사용할 수도 있다.

리시버측 레귤레이터(350)은 유도전력 트랜스미터(200')에 작동변수들을 보내기 위해 송신시스템(400)을 이용한다. 트랜스미터측 레귤레이터(250)은 신호디텍터(440)로부터 피드백 신호를 받고, 1차인덕터(220)로의 구동전압을 조절한다. 대개 리시버측 레귤레이터(350)는 트랜스미터측 레귤레이터(250)에 어떤 신호도 보내지 않고 정밀 조절을 하고, 트랜스미터측 레귤레이터(250)는 원칙적으로 거친 조절에 사용된다.

또, 송신시스템이 전력리시버(300')의 존재를 확인하거나, ID 신호를 보내거나, 필요한 전력전송 변수들을 보내는 등의 각종 기능들을 위해 다른 신호들을 보내는 역할을 할 수도 있다. 이 기능은 특히 전력값이 여럿인 경우 유리하다.

도 18은 유도전력전송 시스템(102)의 전력수신회로의 주요 전기요소들의 블록도이다. 유도전력전송 시스템(102)은 유도전력 트랜스미터(200)와 유도전력 리시버(300)를 갖는다. 전력은 유도전력 트랜스미터(200)와 연결된 1차인덕터(220)에서 유도전력 리시버(300)에 연결된 2차인덕터(320)로 유도에 의해 공급된다. 2차인덕터(320)에 유도된 전압은 정류기(331)에서 정류되어, 출력전압 Vout이 전기부하(340)에 공급된다.

특히, 리시버측 레귤레이터(350)는 유도전력전송을 제어하기 위한 것이다. 리시버측 레귤레이터(350)는 비교기(352), 스위치(354) 및 공진조절기(356)를 포함한다. 비교기(352)는 감시된 출력전압 Vout을 전기부하에 필요한 작동전압을 나타내는 값을 갖는 기준전압 Vref와 비교한다. 스위치(354)는 감시된 출력전압 Vout과 기준전압 Vref의 차이가 임계값을 넘을 때 전력수신회로에 공진조절기(356)를 연결한다.

공진조절기(356)는 전력수신회로에 도입되었을 때 유도전력전달 시스템(102)의 고유 공진주파수가 바뀌도록 선택된다. 이런 공진조절기(356)의 일례인 커패시터는 유도전력전송 시스템(102)의 고유 공진주파수를 높이도록 2차인덕터(220)와 병렬로 수신회로에 선택적으로 연결될 수 있다. 도시되지 않은 다른 공진조절기(356)가 고유 공진주파수를 낮추도록 2차인덕터(220)와 직렬로 선택적으로 연결된 커패시터, 고유공진주파수를 높이도록 2차인덕터(220)에 연결된 보조 인덕터 등을 가질 수도 있다.

도 19는 2차인덕터의 출력전압을 작동주파수로 바꾸는 방법을 보여주는 그래프이다. 작동주파수가 시스템의 공진주파수 f_R, f_R'과 같을 때 출력전압이 최고로 된다. 실선(A)은 공진조절기가 연결되지 않은 수신회로의 전압곡선이고, 점선(B)은 시스템의 공진주파수가 f_R에서 f_R'로 높아지도록 공진조절기가 연결된 수신회로의 전압곡선이다. 이런 증가는 예컨대 도 18에 도시된 2차인덕터(320)에 커패시터를 병렬연결하면 된다.

공진주파수를 적극적으로 찾는데 공진조절기를 사용하는 종래의 시스템과는 대조적으로, 전송주파수 f_t가 시스템의 공진주파수 f_R과는 다른 것이 본 실시예의 특징이다. 전송주파수 f_t가 시스템의 공진주파수 f_R보다 크면, 시스템의 공진주파수를 높여 출력전압 Vt를 높일 수 있다. 따라서, 도 18의 병렬 커패시터(356)와 같은 공진증가요소를 수신회로에 배치하면, Vt의 출력전압이 도 높은 값 Vt'의 전압으로 상승할 수 있다. 리시버측 레귤레이터는 감시된 출력전압 Vout이 필요한 작동전압 Vreq 밑으로 강하할 때마다 공진증가요소를 연결한다.

출력전압 Vout이 필요한 작동전압 Vreq보다 높아지면 출력전압을 낮추는 요소도 있을 수 있다. 이런 전압감소요소는 공진감소요소나, 출력전압과 부하의 연결을 단속적으로 끊는 스위치가 있을 수 있다.

이상 설명한 실시예들은 시스템의 공진주파수 f_t보다 높은 전송주파수 f_R로 동작하는 유도전력전송 시스템에 관한 것이다. 한편, 시스템의 공진주파수보다 전송주파수가 더 낮을 수도 있다. 작동주파수가 공진주파수 f_R보다 낮으면, 레귤레이터는 출력전압을 높이기 위해 수신회로에 공진감소요소를 배치하고, 출력전압을 낮추기 위해 수신회로에 공진증가요소를 배치한다.

도 20은 본 발명의 기본 실시예에 따른 유도전력전송 시스템(5100)의 회로도이다. 유도전력전송 시스템(5100)은 유도전력 트랜스미터(5200)와 유도전력 리시버(5300)를 갖는다. 유도전력 트랜스미터(5200)는 1차인덕터(5220)와 드라이버(5230)를 갖는다. 유도전력 리시버(5300)는 2차인덕터(5320), 정류기(5330) 및 리시버측 레귤레이터(5350)를 갖는다.

리시버측 레귤레이터(5350)는 비교기(5352), 스위치(5354) 및 커패시터(5356)를 갖는다. 비교기(5352)는 정류기(5330)의 출력신호 Vout를 기준값과 비교한다. 스위치(5354)는 AC 스위치 역할을 하도록 소스끼리 연결되어 있는 한쌍의 전력 MOSFET(M5,M6)로 이루어진다. 비교기(5352)의 출력은 디지털신호로 변환되고, 디지털신호는 전력 MOSFET의 게이트신호에 통신하여 스위치(5354)를 제어한다. 커패시터(5356)는 시스템의 고유 공진주파수를 높여 출력전압을 높이기 위해 2차인덕터(5320)와 병렬로 선택적으로 연결된다.

도 21은 전력조절방법의 순서도이다. 이 방법을 이루는 단계는: (a) 유도전력전송 시스템의 제1 공진주파수와 크게 다른 전송주파수로 1차인덕터를 구동하는 단계; (b) 수신회로와 관련된 2차인덕터에 2차전압을 유도하는 단계; (c) 수신회로의 출력전압을 감시하는 단계; (d) 출력전압을 제1 기준전압과 비교하는 단계; (e) 출력전압이 제1 기준값 밑으로 떨어지면, 유도전력전송 시스템의 공진주파수가 전송주파수와 비슷해지도록 공진조절기를 수신회로에 연결하는 단계; (f)출력전압이 제2 기준값보다 높아지면, 수신회로와 2차인덕터의 연결을 끊는 단계; (g) 출력전압이 제1 기준값에 도달하면 수신회로와 공진조절기의 연결을 끊는 단계; (h) 출력전압이 제2 기준값에 도달하면 수신회로와 2차인덕터를 재연결하는 단계;를 포함한다.

도 22는 리시버측 레귤레이터(7350)를 갖는 일정 주파수의 유도전력전송 시스템(7100)의 주요 전기요소를 나타낸 블록도이다. 유도전력 트랜스미터(7200)와 유도전력 리시버(7300)를 갖는 유도전력전송 시스템(7100)은 일정한 주파수로 작동한다. 작동주파수를 리시버(7300)의 고유주파수로 선택할 수 있다.

유도전력 리시버(7300)는 2차인덕터(7320), 스텝다운 DC/DC 컨버터(7532) 및 O링 다이오드(7354)를 갖는다. 2차인덕터(7320)는 스텝다운 DC/DC 컨버터(7352)에 연결되고, 이 컨버터는 일정한 전압출력을 유지하며, 이런 전압출력은 O링 다이오드(7354)에 의해 더 안정된다.

유도전력 트랜스미터(7200)는 1차인덕터(7220), 드라이버(7230) 및 작동기(7250)를 갖는다. 작동기(7250)는 홀스위치(7252), 퍽(리시버) 식별기(7254) 및 충전종료 컨트롤러(7256)를 갖는다. 홀스위치(7252)는 리시버(7300)와 관련된 자기요소의 존재를 감지하고 퍽 식별기(7254)에 신호를 보내며, 이 유닛은 작동신호를 드라이버(7230)에 보낸다. 충전종료 컨트롤러(7256)는 리시버에 아무런 전력이 필요치 않을 때 드라이버(7230)를 정지시킨다. 이런 요소들을 위한 별도의 유닛들이 확인되어도, 여러 기능을 갖는 하나의 마이크로컨트롤러를 배치할 수 있다. 예를 들어, 하나의 마이크로컨트롤러가 퍽을 식별하고 충전종료를 제어함은 물론, 작동주파수로 드라이버에 펄스신호를 공급할 수 있다.

드라이버(7230)는 EMC 필터(7232), 돌입전류 유닛(7234) 및 컨버터(7236)를 갖는다. 퍽 식별기(7254)의 작동신호가 돌입전류 유닛(7234)를 작동시켜 1차인덕터(7220)로의 전압을 0에서부터 입력전압값까지 서서히 높이는 소프트 스타트를 시작하도록 하는 것이 드라이버의 특징이다.

도 23A~B는 다른 기본 유도전력전송 시스템의 회로도이다. 유도전력전송 시스템(8100)은 유도전력 트랜스미터(8200)와 유도전력 리시버(8300)를 갖는다. 유도전력 트랜스미터(8200)는 1차인덕터(8220), 돌입전류 유닛(8234) 및 드라이버(8230)를 갖는다. 유도전력 리시버(8300)는 2차인덕터(8320), 커패시터(8310), 정류기(8330) 및 리시버측 레귤레이터(8350)를 갖는다. 리시버측 레귤레이터(8350)는 스텝다운 DC/DC 컨버터(8352)와 O링 다이오드(8354)를 갖는다.

커패시터(8310)는 2차인덕터(8320)에 병렬로 연결되고, 1차인덕터(8220)를 통과하는 1차전류에 반사인파 형상을 부여한다. 1차인덕터(8220)의 반사인파 형상은 급격한 스위치이 없는 부드러운 곡선을 이룬다. 따라서, 계단형 신호곡선과 관련되는 EMI(less electromagnetic interference)가 생성된다. 따라서, 유도전력전송 시스템(8100)은 계단형 곡선을 갖는 시스템보다 전반적으로 효율이 좋다. 또, 1차인덕터(8220)과 2차인덕터(8320)의 권선수도 줄어든다.

Claims (60)

1. 유도전력 트랜스미터와 유도전력 리시버 중의 적어도 하나를 갖추고, 여러 모드로 작동하는 유도전력전송 시스템에 있어서:
   상기 유도전력 트랜스미터가 적어도 하나의 2차인덕터와 유도결합하는 적어도 하나의 1차인덕터, 및 상기 1차인덕터에 구동주파수로 진동 전압을 공급하는 적어도 하나의 드라이버를 포함하고;
   상기 유도전력 리시버가 수신회로와 전기부하에 연결되는 적어도 하나의 2차인덕터를 가지며, 상기 2차인덕터는 상기 1차인덕터와 유도결합하여 전기부하에 전력을 공급하고;
   유도전력전송 시스템이 제1 모드로 작동할 때 2차인덕터를 1차인덕터에 정렬시키는 정렬기구;
   유도전력전송 시스템이 제2 모드로 작동할 때 상기 구동주파수를 수신회로의 공진주파수에 일치시키는 공진튜너;
   도전모드, 리피터모드 및 전송모드 중의 적어도 하나로 작동하는 다수의 보조코일들을 갖는 보조코일 배열; 및
   유도전력전송 시스템의 고유주파수를 결정하는 공진감지 배열;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
2. 제1항에 있어서, 유도전력전송 시스템을 제1 모드와 제2 모드 사이로 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 2차인덕터와 1차인덕터의 간격을 감시하는 근접센서와, 1차인덕터의 위치를 감시하는 위치센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 공진튜너가 수신회로에 선택적으로 연결되는 커패시터와 인덕터 중의 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 유도전력 트랜스미터가 수신회로와 공진하는 구동주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 유도전력 트랜스미터에 보내는 피드백 기구를 상기 공진튜너가 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 정렬기구가 2차인덕터와 1차인덕터 중의 적어도 하나를 움직이는 적어도 하나의 액튜에이터를 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
7. 2개 이상의 모드로 동작하는 유도전력 트랜스미터를 갖추고, 다수의 모드로 동작하는 유도전력전송 시스템에 있어서:
   상기 트랜스미터가,
   전기부하에 전력을 공급하기 위해 전기부하에 연결된 2차인덕터에 유도결합하는 하나 이상의 1차인덕터;
   상기 1차인덕터에 진동 전압을 공급하는 하나 이상의 드라이버;
   상기 트랜스미터가 제1 모드에 있을 때 1차인덕터에 2차인덕터를 정렬시키는 하나 이상의 정렬기구; 및
   상기 트랜스미터가 제2 모드로 동작할 때 2차인덕터와 연결된 수신회로의 공진주파수와 일치되도록 상기 진동 전압의 구동주파수를 선택하는 하나 이상의 공진튜너;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모드들 사이로 유도전력 트랜스미터를 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
9. 제7항에 있어서, 상기 드라이버가 제1 모드에서는 1차인덕터를 비공진 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
10. 제7항에 있어서, 유도전력전송 시스템의 고유주파수를 결정하도록 동작하는 공진감지 배열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
11. 제7항에 있어서, 도전모드, 리피터모드 및 전송모드 중의 적어도 하나로 동작하는 다수의 보조코일을 갖춘 보조코일 배열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 보조코일 배열이,
    하나 이상의 보조코일;
    보조코일의 작동모드를 선택하는 하나 이상의 컨트롤러; 및
    도전모드 블록, 리피터모드 블록 및 전송모드 블록 중의 적어도 하나에 상기 보조코일을 선택적으로 연결하는 하나 이상의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
13. 2개 이상의 모드로 동작하는 유도전력 리시버를 갖추고, 다수의 모드로 동작하는 유도전력전송 시스템에 있어서:
    상기 리시버가,
    전기부하에 연결되고, 상기 전기부하에 전력을 공급하도록 적어도 하나의 유도전력 트랜스미터의 1차인덕터와 유도결합하는 하나 이상의 2차인덕터;
    상기 유도전력 리시버가 제1 모드로 동작할 때 1차인덕터에 2차인덕터를 정렬시키는 하나 이상의 정렬기구; 및
    상기 유도전력 리시버가 제2 모드로 동작할 때 원격 1차인덕터의 전송주파수에 일치하도록 선택된 공진주파수로 수신회로를 튜닝하는 하나 이상의 공진튜너;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모드들 사이에서 유도전력 리시버를 스위칭하는 모드셀렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 모드셀렉터가 1차인덕터의 위치에 관한 데이터에 따른 작동모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
16. 제13항에 있어서, 상기 1차인덕터와 2차인덕터의 간격을 감시하는 근접센서와, 1차인덕터의 위치를 감시하는 위치센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
17. 제13항에 있어서, 상기 공진튜너가 수신회로에 선택적으로 연결되는 커패시터와 인덕터 중의 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
18. 제13항에 있어서, 상기 공진튜너가 유도전력 트랜스미터가 수신회로와 공진하는 구동주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 유도전력 트랜스미터에 보내는 피드백 기구를 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
19. 제13항에 있어서, 상기 정렬기구가 2차인덕터와 1차인덕터 중의 적어도 하나를 움직이기 위한 하나 이상의 액튜에이터를 갖는 것을 특징으로 하는 유도전력전송 시스템.
20. 제13항의 유도전력전송 시스템을 갖는 전기기기.
    
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