KR101846180B1 - 솔레노이드 타입 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동일한 권선수 및 와이어 길이로 보다 높은 인덕턴스와 캐패시턴스를 확보할 수 있는 코일 구조에 관한 것이다.

Description

솔레노이드 타입 코일{A SOLENOID TYPE COIL}

본 발명은 솔레노이드 타입 코일에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 동일한 권선수 및 와이어 길이로 보다 높은 인덕턴스와 캐패시턴스를 확보할 수 있는 코일 구조에 관한 것이다.

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.

이들 무선 전력 전송 기술에서 필수적으로 사용되는 것은 자기장을 일으키기 위한 코일이다.

무선 전력 전송 기술에서 사용되는 솔레노이드 타입의 공진코일의 공진주파수는 자체 인덕턴스 성분과 기생성분의 캐패시턴스로 결정된다. 코일의 권선 수가 증가할수록 자체 인덕턴스 성분과 기생 캐패시턴스 성분이 증가하기 때문에, 공진코일에서 일정 공진주파수를 구현하기 위해서는 일정 길이의 코일이 필요하다.

이 때 충분한 인덕턴스와 캐패시턴스를 확보하기 위해서는 일정 길이의 코일에 의해 권선수를 확보해야 한다.

본 발명은 적은 길이의 코일을 이용하여 동일한 인덕턴스와 캐패시턴스를 확보할 수 있는 코일 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 회로는, 막대형 보빈; 및 상기 보빈 상에 두개 이상의 층으로 소정 횟수 권선된 와이어를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 전력 소스와 연결되어 자기장을 형성하는 송신 코일부와 상기 송신 코일부와 커플링되어 전력을 송신하는 송신용 공진 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부 또는 송신용 공진 코일부는 각각, 막대형 보빈; 및 상기 보빈 상에 두개 이상의 층으로 소정 횟수 권선된 와이어를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는, 송신용 공진 코일부로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신용 공진 코일부; 및 상기 수신용 공진 코일부가 수신한 전력을 수신하여 부하로 전달하는 수신 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부 또는 송신용 공진 코일부는 각각, 막대형 보빈; 및 상기 보빈 상에 두개 이상의 층으로 소정 횟수 권선된 와이어를 포함한다.

본 발명에 따르면 기생성분의 캐패시턴스 성분을 인위적으로 증가시킴으로써, 일정 공진주파수를 구현하기 위해서 종래 보다 더 짧은 길이의 코일로 일정 공진주파수를 구현할 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 종래의 솔레노이드 타입 코일을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일의 측면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일의 단면도를 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보아 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.

도 5에 도시된 솔레노이드 타입 코일의 자체 인덕턴스(L)와 기생 캐패시턴스(C)는 아래 (식 1) 및 (식 2)로 나타낼 수 있다.

[μH] (식 1)

[Farads] (식 2)

여기서, l은 솔레노이드 코일의 길이, r은 솔레노이드의 반지름, D는 솔레노이드의 직경, N은 권선수이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일은 막대형 보빈(41), 및 상기 보빈(41) 상에 두 층 이상으로 소정 횟수 권선된 와이어(42)로 구성된다. 보빈(41)을 관통하여 코어(43)가 삽입될 수 있으며, 코어(43)는 공기일 수도 있고, 자속을 강화시키기 위해 페라이트 코어가 삽입될 수도 있다.

도 7은 도 6에 도시된 솔레노이드 타입 코일의 단면도를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 보빈(41) 내에 코어(43)가 삽입되고, 보빈(41) 위에 와이어(42)가 두 층 이상으로 권선된다.

도 6 및 도 7에 도시된 코일은 도 1의 송신 코일(21), 송신용 공진 코일(22), 수신 코일(31) 또는 수신용 공진 코일(32)로 사용될 수 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 코일 구조에서는 종래의 도 5와 같이 단층으로 권선되는 솔레노이드 타입의 코일에 비해, 권선수가 동일할 경우, 자체 인덕턴스 성분은 동일하지만 기생 캐패시턴스 값은 증가한다. 와이어 간 간격이 가까워지는 효과가 있기 때문이다.

실제 실험 결과 1.6MHz의 공진 주파수를 얻기 위해서 도 5에 도시된 종래 방식의 경우 26회의 권선 수로, 코일 높이는 31.2mm가 되었으나, 도 6 및 도 7에 도시된 이중 구조의 경우에는 22회의 권선 수가 필요하고, 11회 권선 수가 중첩되는 것이므로 코일 높이는 13.2mm가 되었다.

도 6 및 도 7에 도시된 구조는 종래의 감는 방식보다 더 적은 권선 수로 동일한 공진주파수를 형성할 수 있어, 더 짧은 전선을 사용할 수 있고 따라서, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 코일의 두께가 2배로 증가하더라도, 코일의 높이는 2배 이하로 증가한다. 코일의 높이가 낮을 필요가 있는 응용 분야에 적용할 수 있을 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
41 : 보빈
42 : 와이어
43 : 코어

Claims (5)

1. 막대형 보빈; 및
   이중 구조로 중첩되어 권선되며 상기 보빈 상에 소정 횟수 권선된 와이어를 포함하는 무선 전력 전송 회로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보빈에는 내부를 관통하는 홀이 형성된 무선 전력 전송 회로.
3. 제1항에 있어서,
   상기 보빈에는 내부를 관통하는 홀이 형성되어 있고, 상기 홀에 삽입된 강자성체를 더 포함하는 무선 전력 전송 회로.
4. 전력 소스와 연결되어 자기장을 형성하는 송신 코일부와 상기 송신 코일부와 커플링되어 전력을 송신하는 송신용 공진 코일부를 포함하고,
   상기 송신 코일부 또는 송신용 공진 코일부는 각각,
   막대형 보빈; 및
   이중 구조로 중첩되어 권선되며 상기 보빈 상에 소정 횟수 권선된 와이어를 포함하는 무선 전력 송신기.
5. 송신용 공진 코일부로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신용 공진 코일부; 및
   상기 수신용 공진 코일부가 수신한 전력을 수신하여 부하로 전달하는 수신 코일부를 포함하고,
   상기 수신 코일부 또는 수신용 공진 코일부는 각각,
   막대형 보빈; 및
   이중 구조로 중첩되어 권선되며 상기 보빈 상에 소정 횟수 권선된 와이어를 포함하는 무선 전력 수신기.

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