KR101833744B1 - 무선 전력 송수신용 코일 및 상기 코일을 사용한 송신기 및 수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송에서 사용되는 공진 코일 및 상기 공진 코일을 사용한 무선 전력 송신기 및 수신기에 관한 것으로서, 적은 수의 권선 및 짧은 길이의 와이어로도 자기 공진을 일으키기 위한 인덕턴스 및 캐패시턴스를 확보할 수 있는 구조를 제안한다.

Description

무선 전력 송수신용 코일 및 상기 코일을 사용한 송신기 및 수신기{A COIL FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND A TRANSMITTER AND RECEIVER FOR THE SAME}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 무선 전력 전송에서 사용되는 공진 코일 및 상기 공진 코일을 사용한 무선 전력 송신기 및 수신기에 관한 것으로서, 적은 수의 권선 및 짧은 길이의 와이어로도 자기 공진을 일으키기 위한 인덕턴스 및 캐패시턴스를 확보할 수 있는 구조를 제안한다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

이 중 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송은 일정한 인덕턴스 및 캐패시턴스 값을 갖는 회로끼리 공진을 일으켜 보다 먼거리로 전력을 전송할 수 있도록 한다. 이 때, 공진을 위해 필요한 인덕턴스와 캐패시턴스를 확보하기 위해서는 코일에 일정 횟수의 권선수가 확보되어야 하고, 그에 따라 일정 길이 이상의 와이어가 요구된다.

본 발명은 적은 권선수로도 필요한 인덕턴스 및 캐패시턴스를 확보할 수 있는 코일 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신용 공진 코일은, 강자성체 코어를 포함하는 제1 코일부; 및 상기 제1 코일부와 연결되어 무선으로 전력을 송수신하는 제2 코일부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 전력 소스와 연결되어 자기장을 형성하는 송신 코일 및, 상기 송신 코일과 커플링되어 전력을 송신하는 송신용 공진 코일을 포함하고, 상기 송신용 공진 코일은, 강자성체 코어를 포함하는 제1 코일부; 및 상기 제1 코일부와 연결되어 수신용 공진 코일로 전력을 송신하는 제2 코일부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는, 송신용 공진 코일로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신용 공진 코일; 및 상기 수신용 공진 코일가 수신한 전력을 수신하여 부하로 전달하는 수신 코일을 포함하고, 상기 수신용 공진 코일은, 상기 송신용 공진 코일로부터 전력을 수신하는 제2 코일부; 및 상기 제2 코일부와 연결되며, 강자성체 코어를 포함하는 제1 코일부를 포함한다.

본 발명에 따르면 적은 권선수로도 자기 공진에 필요한 인덕턴스 및 캐패시턴스를 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일(21)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(10)와 송신부(20)의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일(60)을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신용 공진 코일을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 토로이드 타입의 제1 코일부(80)의 구성을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 제2 코일부(90)를 스파이럴 타입으로 구성한 경우의 무선 전력 송수신용 공진 코일을 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.

전력 소스(10)에서 생성된 전력은 송신기(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 송신부(20)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 수신기(30)로 전달된다. 수신기(30)로 전달된 전력은 정류회로(40)를 거쳐 부하(50)로 전달된다. 부하(50)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(10)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.

송신기(20)는 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)로 구성된다. 송신 코일(21)은 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신기(20)와 공진 회로를 이루는 수신기(30)로 전달된다.

자기 공진에 의한 전력 전송은 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로간에 전력이 전송되는 현상으로써, 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전달할 수 있다.

수신기(30)는 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)로 구성된다. 송신용 공진 코일(22)에 의해 송신된 전력은 수신용 공진 코일(31)에 의해 수신되어 수신용 공진 코일(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신용 공진 코일(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일(32)로 전달된다. 수신코일(32)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 통해 정류되어 부하(50)로 전달된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일(21)의 등가 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신 코일(21)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다. 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신용 공진 코일(22), 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(10)와 송신부(20)의 등가회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1,L2)와 캐패시터(C1,C2)로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가회로를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3,L4)와 캐패시터(C3,C4)로 구성될 수 있다. 평활 회로(40)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력한다. 부하(50)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일(60)을 나타낸다. 솔레노이드 타입 코일은 코어(63) 상에 보빈(61)을 장착하고, 보빈(61)의 길이 방향으로 와이어(62)를 권선하여 형성된다. 코일(63)은 공기일 수도 있고, 강자성체일 수도 있다. 도 5의 솔레노이드 타입 코일에서 자체 인덕턴스(L)와 기생 캐패시턴스(C)는 아래와 같다.

[μH]

[F]

여기서 r은 솔레노이드의 반지름, N은 권선수, l은 솔레노이드의 길이, D는 솔레노이드의 직경이다. 위와 같이 솔레노이드 타입의 코일의 자체 인덕턴스와 기생 캐패시턴스를 확보하기 위해서는 일정 횟수의 권선수가 확보되어야 하고, 그에 따라 일정 길이 이상의 와이어가 요구된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신용 공진 코일을 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 송수신용 공진 코일(70)은 강자성체 코어를 포함하는 제1 코일부(80), 및 상기 제1 코일부(80)와 연결되어 무선으로 전력을 송수신하는 제2 코일부(90)로 구성될 수 있다.

공진 코일(70)은 도 1의 송신용 공진 코일(22) 또는 수신용 공진 코일(31)로 사용될 수 있다.

상기 제1 코일부(80)는 강자성체 코어를 포함하여 공진 코일(70)의 자체 인덕턴스와 기생 캐패시턴스를 확보해 주는 역할을 한다. 제2 코일부(90)는 무선 전력을 수신하거나 또는 송신하는 역할을 한다. 제1 코일부(80)는 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 확보하는 역할을 수행하기 때문에 부피는 작게 형성할 수 있다. 제2 코일부(90)는 바람직하게는 무선 전력 송수신 효율을 높이기 위해, 제1 코일부(80) 보다 부피가 크게 형성될 수 있다.

제1 코일부(80)는 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이 토로이드 타입 코일이지만, 솔레노이드 또는 스파이럴 타입 코일일 수도 있다.

제2 코일부(90)는 임의의 타입의 코일일 수 있으며, 도 6과 같이 솔레노이드 타입일 수도 있고, 도 8과 같이 스파이럴 타입일 수도 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 토로이드 타입의 제1 코일부(80)의 구성을 나타낸다. 토로이드 타입 코일의 자체 인덕턴스(L)는 아래와 같이 된다.

[H]

여기서, N은 권선수이고,

이고, a는 토로이드의 내부 반경, b는 토로이드의 외부 반경이다.

실험 결과 1.6MHz의 공진 주파수를 얻기 위해서 종래 솔레노이드 타입의 공진 구조에서는 26회의 권선수가 필요하였고, 이 때 필요한 와이어의 길이는 21m 였다. 본 발명에 따른 방식에서는 동일한 직경의 솔레노이드를 가정할 때, 제2 코일부(80)를 10회 권선수로 구성하여 8m의 와이어가 사용되고, 제1 코일부(70)에서는 35회의 권선수를 사용하여 0.7m의 와이어를 사용하여 1.6MHz의 공진 주파수를 얻을 수 있었다.

이는 토로이드와 같은 구조물에 높은 투자율을 가지는 코어를 사용하였기 때문에 더 적은 권선수 및 와이어 길이로 높은 인덕턴스 값을 가질 수 있기 때문이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 제2 코일부(90)를 스파이럴 타입으로 구성한 경우의 무선 전력 송수신용 공진 코일을 나타낸다.

스파이럴 타입 코일(94)은 코어(95)를 중심으로 안에서 밖으로 와이어를 권선하여 형성할 수 있다. 스파이럴 타입 코일(94)의 한쪽 끝은 제1 코일부(80)와 연결된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 전력 소스 20 : 송신기
21 : 송신 코일 22 : 송신용 공진 코일
30 : 수신기 31 : 수신용 공진 코일
32 : 수신 코일 40 : 정류회로
50 : 부하 60 : 솔레노이드 타입 코일
61 : 보빈 62 : 와이어
63 : 코어 70 : 무선 전력 송수신용 공진 코일
80 : 제1 코일부 81 : 토로이드 코어
82 : 와이어 90 : 제2 코일부
91 : 보빈 92 : 와이어
93 : 코어 94 : 스파이럴 타입 코일
95 : 코어

Claims (9)

1. 강자성체 코어를 포함하고, 토로이드 타입으로 권선된 제1 공진 코일;
   상기 제1 공진 코일의 일단과 연결되고, 상기 제1 공진 코일과 상이한 형태로 권선된 제2 공진 코일;을 포함하고,
   상기 제2 공진 코일의 부피는 상기 제1 공진 코일의 부피보다 크게 형성된 무선 전력 송수신용 공진 코일.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1공진 코일과 상기 제2 공진 코일은 상이한 코일 권선수를 가지는 무선 전력 송수신용 공진 코일
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 공진 코일의 권선수 10회이고,
   상기 제2 공진 코일의 권선수는 35회인 무선 전력 송수신용 공진 코일.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 공진 코일은 8m이고,
   상기 제2 공진 코일은 0.7m인 무선 전력 송수신용 공진 코일.
5. 전력 소스와 연결되어, 자기장을 형성하는 송신 코일,
   상기 송신 코일과 커플링되어 전력을 송신하는 송신 공진 코일을 포함하고,
   상기 송신 공진 코일은
   강자성체 코어를 포함하고, 토로이드 타입으로 권선된 제1 공진 코일'
   상기 제1 공진 코일의 일단과 연결되고, 상기 제1 공진 코일과 상이한 형태로 권선된 제2 공진 코일;을 포함하고
   상기 제1 공진 코일과 상기 제2 공진 코일은 상이한 권선수와 길이를 가지는 무선 전력 송신기.
6. 송신 공진 코일로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신 공진 코일;
   상기 수신 공진 코일이 수신한 전력을 부하에 전달하는 수신 코일;을 포함하고,
   상기 수신 공진 코일은
   강자성체 코어를 포함하고, 토로이드 타입으로 권선된 제1 공진 코일'
   상기 제1 공진 코일의 일단과 연결되고, 상기 제1 공진 코일과 상이한 형태로 권선된 제2 공진 코일;을 포함하고
   상기 제1 공진 코일과 상기 제2 공진 코일은 상이한 권선수와 길이를 가지는 무선 전력 수신기.
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