KR101931421B1 - 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다. 특정 조건 하에서 원하는 출력을 달성하기 위하여 본 발명의 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트를 구비한다. 본 발명에서 페라이트 시트는 워킹 코일보다 높은 포화 자속 밀도를 갖는다. 이와 같이 워킹 코일보다 높은 포화 자속 밀도를 갖는 페라이트 시트를 워킹 코일 하부에 배치함으로써 워킹 코일에서 발생하는 자속의 밀도가 증가하게 되어, 워킹 코일과 구동 대상 장치 간의 간격이 특정 크기 이상일 때에도 원하는 출력을 달성할 수 있다.

Description

유도 가열 및 무선 전력 전송 장치{INDUCTION HEATING AND WIRELESS POWER TRANSFERING DEVICE}
본 발명은 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
가정이나 식당에서 음식을 가열하기 위한 다양한 방식의 조리 기구들이 사용되고 있다. 종래에는 가스를 연료로 하는 가스 레인지가 널리 보급되어 사용되어 왔으나, 최근에는 가스를 이용하지 않고 전기를 이용하여 피가열 물체, 예컨대 냄비와 같은 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기 저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 피가열 물체에 전달함으로써 피가열 물체를 가열하는 방식이다. 그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열 물체에 와전류(eddy current)를 발생시켜 피가열 물체 자체가 가열되도록 하는 방식이다. 이와 같은 두 가지 가열 방식 중 유도 가열 방식을 이용하는 유도 가열 장치가 최근 널리 보급되고 있다.
한편, 최근에는 무선으로 전력을 공급하는 기술이 개발되어 많은 전자 장치에 적용되고 있다. 무선 전력 전송 기술이 적용된 전자 장치는 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고 충전 패드에 올려 놓는 것만으로도 배터리가 충전된다. 이러한 무선 전력 전송이 적용된 전자 장치는 유선 코드나 충전기가 필요하지 않으므로 휴대성이 향상되며 크기와 무게가 종래에 비해 감소하게 된다.
무선 전력 전송 기술은 크게 코일을 이용한 전자기 유도 방식과, 공진을 이용하는 공진 방식, 그리고 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사 방식 등이 있다. 이 중 전자기 유도 방식은 무선 전력을 송신하는 장치에 구비되는 1차 코일과 무선 전력을 수신하는 장치에 구비되는 2차 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 전력을 전송하는 기술이다.
전술한 바와 같은 유도 가열 장치의 유도 가열 방식은 전자기 유도에 의하여 피가열 물체를 가열한다는 점에서 전자기 유도에 의한 무선 전력 전송 기술과 원리가 동일하다. 이와 같은 원리를 이용하여 유도 가열 및 무선 전력 전송을 필요에 따라 선택적으로 수행할 수 있는 장치가 개발되고 있다. 특히 특정한 조건 하에서 원하는 출력을 달성하기 위한 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 특정한 조건 하에서 원하는 출력을 달성하기 위한 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 구동 대상 물체와 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 간의 간격이 특정 크기 이상일 때 구동 대상 물체에 충분한 전력을 전달할 수 있는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 특정 조건 하에서 원하는 출력을 달성하기 위하여 본 발명의 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트를 구비한다. 본 발명에서 페라이트 시트는 워킹 코일보다 높은 포화 자속 밀도를 갖는다. 이와 같이 워킹 코일보다 높은 포화 자속 밀도를 갖는 페라이트 시트를 워킹 코일 하부에 배치함으로써 워킹 코일에서 발생하는 자속의 밀도가 증가하게 되어, 워킹 코일과 구동 대상 장치 간의 간격이 특정 크기 이상일 때에도 원하는 출력을 달성할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 코일 베이스의 상부에 장착되며 반지름 방향으로 제1 회전 수만큼 감겨지는 제1 워킹 코일, 상기 코일 베이스의 상부에 장착되고 상기 제1 워킹 코일과 중심을 공유하며 반지름 방향으로 제2 회전 수만큼 감겨지는 제2 워킹 코일, 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 주변에 배치되는 하나 이상의 페라이트 시트, 스위칭 동작을 수행하여 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나에 전류를 인가하는 인버터부, 구동 모드에 따라서 상기 제1 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하거나 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하는 스위치부를 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 단면적은 800㎟ 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 총 포화 자속 밀도의 25% 보다 크도록 설정될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일은 구동 대상 장치와 20㎜ 이상의 간격을 갖도록 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 총 직경은 8인치 이하이고, 상기 제1 워킹 코일의 직경은 6인치 이하일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일은 구동 시 최대 3kW의 전력을 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 워킹 코일은 구동 시 최대 2kW의 전력을 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 회전 수 및 상기 제2 회전 수의 합은 20 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 페라이트 시트는 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 반지름 방향으로 배치되는 메인 페라이트 시트 및 상기 메인 페라이트 시트의 단부에서 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 반지름 방향에 수직인 방향으로 배치되는 보조 페라이트 시트를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 구동 모드가 무선 전력 전송 모드이면 상기 스위치부는 상기 제1 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하고, 상기 구동 모드가 유도 가열 모드이면 상기 스위치부는 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는, 코일 베이스의 상부에 장착되며 반지름 방향으로 제1 회전 수만큼 감겨지는 제1 워킹 코일, 상기 코일 베이스의 상부에 장착되고 상기 제1 워킹 코일과 중심을 공유하며 반지름 방향으로 제2 회전 수만큼 감겨지는 제2 워킹 코일, 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 주변에 배치되는 하나 이상의 페라이트 시트, 스위칭 동작을 수행하여 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나에 전류를 인가하는 인버터부, 구동 모드에 따라서 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나를 상기 인버터부와 연결하는 스위치부를 포함하고, 상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 특정한 조건 하에서 원하는 출력을 달성할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 구동 대상 물체와 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 간의 간격이 특정 크기 이상일 때 구동 대상 물체에 충분한 전력을 전달할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 테이블 하부에 설치되는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 및 구동 대상 장치의 예시를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 포함되는 워킹 코일 어셈블리의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일 어셈블리에 포함되는 코일 베이스의 상부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일 어셈블리에 포함되는 코일 베이스의 하부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치를 이용하여 가열되는 피가열 물체의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 테이블 하부에 설치되는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 및 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 의해 구동되는 구동 대상 장치의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트의 1개당 단면적의 변화에 따른 페라이트 시트의 포화 자속 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트의 총 단면적 변화에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 내부 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 테이블 하부에 설치되는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 및 구동 대상 장치의 예시를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)는 워킹 코일 어셈블리(10) 및 워킹 코일 어셈블리(10)를 수용하는 케이스(14)를 포함한다. 또한 케이스(14)에는 워킹 코일 어셈블리(10)에 장착된 워킹 코일을 구동하기 위한 구동 모듈(12)이 수용된다.
워킹 코일 어셈블리(10)는 구동 대상 장치(108)를 가열하거나 구동 대상 장치(110)에 전력을 전송하기 위한 워킹 코일을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 워킹 코일은 제1 워킹 코일 및 제2 워킹 코일을 포함한다. 제1 워킹 코일의 단부에는 두 개의 커넥터(10a, 10b)가 연결되고, 제2 워킹 코일의 단부에는 두 개의 커넥터(10c, 10d)가 연결된다. 각각의 커넥터(10a, 10b, 10c, 10d)는 구동 모듈(12)에 전기적으로 연결되며, 제1 워킹 코일 및 제2 워킹 코일은 커넥터(10a, 10b, 10c, 10d)를 통해 구동 모듈(12)로부터 전력을 공급받는다.
다시 도 1을 참조하면, 워킹 코일 어셈블리(10)는 케이스(14)에 수용되는 구동 모듈(12)과 커넥터(10a, 10b, 10c, 10d)를 통해 전기적으로 연결된다. 구동 모듈(12)은 입력 인터페이스(112)를 통해 사용자에 의해 입력되는 데이터 또는 구동 대상 장치(108, 110)로부터 무선으로 전송되는 데이터에 기초하여 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)의 구동 모드를 결정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)는 유도 가열 모드 및 무선 전력 전송 모드 중 어느 하나의 구동 모드로 동작할 수 있다.
예를 들어 사용자는 입력 인터페이스(112)를 통해 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)의 구동 모드를 직접 입력하여 선택할 수 있고, 사용자의 입력값은 유선 또는 무선 통신에 의하여 구동 모듈(12)로 전송될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 구동 대상 장치(108, 110)가 구동 모듈(12) 근처에 놓여질 경우 구동 대상 장치(108, 110)와 구동 모듈(12) 간의 무선 통신에 의하여 구동 대상 장치(108, 110)의 종류, 구동 모드와 같은 데이터가 구동 모듈(12)로 직접 전송될 수도 있다.
유도 가열 모드 및 무선 전력 전송 모드 중 어느 하나의 구동 모드가 결정되면, 구동 모듈(12)은 커넥터(10a, 10b, 10c, 10d)를 통해 워킹 코일 어셈블리(10)의 워킹 코일에 전력을 공급하여 구동 대상 장치(108, 110)를 가열하거나 구동 대상 장치(108, 110)에 전력을 전송한다. 이 때 구동 모듈(12)에 포함된 스위치부는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)의 구동 모드에 따라서 제1 워킹 코일 및 제2 워킹 코일을 인버터부와 선택적으로 연결할 수 있다.
도 1에 도시된 워킹 코일 어셈블리(10) 및 구동 모듈(12)을 수용하는 케이스(14)는 테이블(102)의 하단에 장착될 수 있다. 테이블(102)의 상단에는 워킹 코일 어셈블리(10)의 위치와 대응되도록 구동 영역(106)이 형성된다. 사용자가 구동 영역(106) 내 또는 구동 영역(106) 근처에 구동 대상 장치(108, 110)를 올려 놓으면 전술한 바와 같이 구동 모듈(12)에 의해 구동 모드가 결정되고, 결정된 구동 모드에 따라서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)가 구동된다.
한편, 테이블(102) 상에는 입력 인터페이스(112)가 구비될 수 있다. 입력 인터페이스(112)는 사용자가 원하는 가열 강도나 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치(104)의 구동 시간 등을 입력하기 위한 모듈로서, 물리적인 버튼이나 터치 패널 등으로 다양하게 구현될 수 있다. 실시예에 따라서 입력 인터페이스(112)의 위치 및 형태는 달라질 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 정류부(504), 필터부(506), 제1 워킹 코일(202), 제2 워킹 코일(204), 스위치부(508), 인버터부(514), 인버터 구동회로(510), 제어부(512)를 포함한다.
정류부(504)는 상용 전원(502)에 의해 공급되는 교류 전력을 정류하여 직류 전력으로 변환한다. 그리고 필터부(506)는 정류부(504)에 의해 정류된 직류 전력에 남아 있는 교류 성분을 제거한다. 정류부(504) 및 필터부(506)에 의해 정류된 직류 전력은 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204) 중 적어도 하나에 공급된다.
스위치부(508)는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드에 따라서 제1 워킹 코일(202)을 인버터부(514)에 포함되는 스위칭 소자(S1, S2)와 연결하거나 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결한다. 스위치부(508)의 동작은 제어부(512)의 제어 신호에 따라서 제어될 수 있다.
예를 들어 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드이면 스위치부(508)는 제1 워킹 코일(202)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수 있다. 이에 따라 무선 전력 전송 모드에서는 제1 워킹 코일(202)만이 구동되어 구동 대상 장치에 무선 전력을 전송한다.
다른 예로 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 유도 가열 모드이면 스위치부(508)는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수 있다. 이에 따라 유도 가열 모드에서는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)에 의하여 구동 대상 장치의 가열이 수행된다.
실시예에 따라서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드에 따라 스위치부(508)에 의해 스위칭 소자(S1, S2)와 연결되는 워킹 코일은 달라질 수 있다. 예를 들어 본 발명의 다른 실시예에서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드일 때 스위치부(508)는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수도 있다. 또 다른 예로 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 유도 가열 모드일 때 스위치부(508)는 제1 워킹 코일(202)만을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수도 있다. 이와 같이 스위치부(508)에 의하여 연결되는 워킹 코일의 종류에 따라서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 출력 전력이 달라질 수 있다.
제어부(512)는 입력 인터페이스 또는 구동 대상 장치로부터의 입력값에 따라서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드를 결정한다. 제어부(512)는 결정된 구동 모드에 따라서 전술한 바와 같은 스위치부(508)에 의한 워킹 코일의 연결 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(512)는 결정된 구동 모드에 따라서 유도 가열 또는 무선 전력 전송을 위한 제어 신호를 생성하여 출력한다. 인버터 구동회로(510)는 제어부(512)로부터 출력되는 제어 신호에 의하여 설정되는 주파수에 따라서 스위칭 신호를 출력하여 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 동작을 제어한다. 인버터부에 포함된 스위칭 소자(S1, S2)는 인버터 구동회로(510)에 의해 출력되는 스위칭 신호에 의하여 교대로 턴 온 및 턴 오프된다. 이와 같은 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 동작에 의하여 고주파의 교류 전류가 워킹 코일(202, 204)에 인가된다.
본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 유도 가열 모드일 경우, 워킹 코일(202, 204)에 인가되는 고주파의 교류 전류에 의하여 워킹 코일(202, 204)과 구동 대상 장치 사이에 와전류가 발생되어 구동 대상 장치가 가열된다. 또 다른 실시예에서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드일 경우 워킹 코일(202, 204)에 인가되는 고주파의 교류 전류에 의하여 워킹 코일(202, 204)에 발생하는 자기장에 의하여, 워킹 코일(202, 204)과 대응되는 구동 대상 장치의 제2 코일에 전류가 흐르게 된다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 2b에 도시된 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 기본적으로 도 2a에 도시된 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치와 동일한 구성을 갖는다. 다만, 도 2b에 도시된 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)은 도 2a 도시된 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)과 서로 반대의 위치를 갖는다.
도 2b와 같은 구성을 갖는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 스위치부(508)는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드일 때 제2 워킹 코일(204)만을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결하고, 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 유도 가열 모드일 때 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 스위치부(508)는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드일 때 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결하고, 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 유도 가열 모드일 때 제2 워킹 코일(204)만을 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수도 있다.
도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구성도이다.
도 2c에 도시된 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)은 도 2a 및 도 2b의 실시예와는 달리 서로 병렬로 연결된다. 또한 스위치부(508) 및 제1 워킹 코일(202)은 서로 직렬로 연결되고, 스위치부(518) 및 제2 워킹 코일(204)은 서로 직렬로 연결된다.
이와 같은 구성을 갖는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 제어부(512)는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드에 따라서 스위치부(508, 514)를 제어하여 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204) 중 적어도 하나를 선택적으로 스위칭 소자(S1, S2)와 연결할 수 있다.
예를 들어 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드 중 어느 하나로 결정되면, 제어부(512)는 스위치부(508)를 폐쇄하고 스위치부(518)을 개방하여 제1 워킹 코일(202)만이 스위칭 소자(S1, S2)와 연결되도록 제어할 수 있다. 또 다른 예로 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 구동 모드가 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드 중 어느 하나로 결정되면, 제어부(512)는 스위치부(508)를 개방하고 스위치부(518)을 폐쇄하여 제2 워킹 코일(204)만이 스위칭 소자(S1, S2)와 연결되도록 제어할 수 있다.
또한 실시예에 따라서 무선 전력 전송이나 유도 가열을 위하여 높은 출력이 요구될 경우, 제어부(512)는 스위치부(508, 518)를 모두 폐쇄하여 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)이 모두 스위칭 소자(S1, S2)와 연결되도록 제어할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 포함되는 워킹 코일 어셈블리의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일 어셈블리는 제1 워킹 코일(202), 제2 워킹 코일(204), 코일 베이스(206)를 포함한다.
제1 워킹 코일(202)은 코일 베이스(206)의 상부에 장착되며 반지름 방향으로 제1 회전 수만큼 감겨진다. 또한 제2 워킹 코일(204)은 코일 베이스(206)의 상부에 장착되고, 제1 워킹 코일(202)과 중심을 공유하며 반지름 방향으로 제2 회전 수만큼 감겨진다.
제1 워킹 코일(202)의 회전 수 및 제2 워킹 코일(204)의 회전 수는 실시예에 따라 달라질 수 있다. 그러나 제1 워킹 코일(202)의 회전 수 및 제2 워킹 코일(204)의 회전 수의 합은 코일 베이스(206)의 크기 및 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 규격에 따라 제한될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 워킹 코일(202)의 회전 수 및 제2 워킹 코일(204)의 회전 수의 합은 20 이상으로 설정될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 총 직경은 코일 베이스(206)의 크기 및 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 규격을 고려하여 8인치 이하로 형성될 수 있다. 특히 제1 워킹 코일(202)의 직경은 6인치 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)은 동시에 구동될 때 최대 3kW의 전력을 생성할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에서, 제1 워킹 코일(202)은 단독으로 구동될 때 최대 2kW의 전력을 생성할 수 있다. 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)이 생성하는 전력의 크기는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 회전 수에 따라 달라질 수 있다.
제1 워킹 코일(202)의 양단 및 제2 워킹 코일(204)의 양단은 각각 도 1와 같이 제1 워킹 코일(202)의 양단 및 제2 워킹 코일(204)의 외부로 연장된다. 제1 워킹 코일(202)의 양단에는 커넥터(204a, 204b)가 연결되고, 제2 워킹 코일(204)의 양단에는 커넥터(204c, 204d)가 연결된다. 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)은 커넥터(204a, 204b, 204c, 204d)를 통해 구동 모듈(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에 따라서 커넥터(204a, 204b, 204c, 204d)는 전도성의 연결 단자로 구현될 수도 있다.
코일 베이스(206)는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)을 수용하기 위한 구조체로서 비전도성 물질로 이루어진다. 코일 베이스(206)의 둘레에는 후술하는 보조 페라이트를 수용하기 위한 수용구(208a~208h)가 형성된다. 또한 코일 베이스(206)의 중앙에도 보조 페라이트 시트를 수용하기 위한 수용구(210a~210h)가 형성된다. 그리고 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)이 장착되는 영역의 하단에는 후술하는 메인 페라이트 시트를 수용하기 위한 수용구(212a~212h)가 형성된다.
참고로 본 명세서에서는 8개의 페라이트 시트(메인 페라이트 시트 및 보조 페라이트 시트)가 코일 베이스(206)에 장착되는 것으로 도시되어 있으나 페라이트 시트의 개수는 실시예에 따라서 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일 어셈블리에 포함되는 코일 베이스의 상부를 나타내는 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 베이스(206)의 둘레에 형성되는 수용구(208a~208h)에는 수용구(208a~208h)와 대응되는 형상을 갖는 보조 페라이트 시트(308a~308h)가 삽입될 수 있다. 마찬가지로, 코일 베이스(206)의 중앙에 형성되는 수용구(210a~210h)에도 수용구(210a~210h)와 대응되는 형상을 갖는 보조 페라이트 시트(310a~310h)가 삽입될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 보조 페라이트 시트(308a~308h, 310a~310h)는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 반지름 방향에 수직인 방향으로 배치될 수 있다. 또한 보조 페라이트 시트(308a~308h, 310a~310h)는 후술하는 메인 페라이트 시트의 단부에 각각 배치될 수 있다.
이와 같이 배치되는 보조 페라이트 시트는 메인 페라이트 시트와 동일하게 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)에 의하여 생성되는 자속의 밀도를 증가시키는 역할을 한다. 특히 본 발명에 따른 보조 페라이트 시트는 메인 페라이트 시트의 단면적이나 개수를 늘리지 않고도 워킹 코일 어셈블리에 포함되는 페라이트 시트의 총 단면적을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일 어셈블리에 포함되는 코일 베이스의 하부를 나타내는 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 코일 베이스의 하부에는 메인 페라이트 시트(414a~414h)를 수용하기 위한 수용구(412a~412h)가 형성된다. 메인 페라이트 시트는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 반지름 방향으로 배치된다. 참고로 메인 페라이트 시트 및 보조 페라이트 시트의 개수, 형상, 위치, 단면적 등은 실시예에 따라 달라질 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 코일 베이스의 상부에는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)이 장착되고, 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 주변에는 보조 페라이트 시트 및 메인 페라이트 시트가 장착된다. 본 발명에서 보조 페라이트 시트 및 메인 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 총 포화 자속 밀도보다 높게 설정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보조 페라이트 시트 및 메인 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)의 총 포화 자속 밀도의 25% 보다 크도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 보조 페라이트 시트 및 메인 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하로 설정될 수 있다. 이와 같은 총 포화 자속 밀도를 갖기 위하여, 보조 페라이트 시트 및 메인 페라이트 시트의 총 단면적은 800㎟ 이상으로 설정될 수 있다. 참고로 본 발명에서 페라이트 시트의 단면적은 제1 워킹 코일(202) 및 제2 워킹 코일(204)과 마주보는 페리이트 시트의 단면의 넓이를 의미한다.
도 6은 종래 기술에 따른 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치를 이용하여 가열되는 피가열 물체의 종단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에서 테이블 하부에 설치되는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치 및 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치에 의해 구동되는 구동 대상 장치의 종단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 유도 가열 장치는 유리 소재의 상판(604) 및 단열 소재의 하판(606)을 포함하며, 하판(606) 하부에는 워킹 코일(608) 및 페라이트 시트(610)가 배치된다. 이와 같이 구성되는 유도 가열 장치의 경우, 상판(604) 및 하판(606)의 두께(T1)가 약 8mm 정도로 매우 얇다. 따라서 하판(606) 아래에 배치되는 워킹 코일(608)과 피가열 물체(602) 간의 간격도 약 8mm로 매우 가깝다.
그러나 앞서 도 1을 통해 설명한 바와 같은 본 발명의 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 워킹 코일(706) 및 페라이트 시트(708)는 테이블(704)의 하부에 장착된다. 이 때 도 7에 도시된 바와 같이, 테이블(704)의 두께(T2)는 도 6의 상판(604) 및 하판(606)의 두께(T1)에 비해 훨씬 두꺼운 20mm 이상으로 형성될 수 있다. 또한 도 7과 같이 구동 대상 물체(602)와 테이블(702)에는 받침대(702)가 배치될 수도 있는데, 이 경우 받침대(702)의 두께(T3)까지 고려하면 구동 대상 물체(602)와 워킹 코일(706)의 간격은 25mm 이상이 될 수 있다.
도 7과 같이 워킹 코일(706)과 구동 대상 물체(602) 간의 간격이 종래에 비해 멀어질 경우, 워킹 코일(706)과 구동 대상 물체(602)의 자기 저항(magnetic reluctance)이 증가하게 되므로 같은 조건 하에서 워킹 코일(706)에 의해 생성되는 자속은 감소하게 된다.
따라서 도 7과 같은 조건 하에서 워킹 코일(706)에 의해 생성되는 전자기력을 도 6과 같이 유지하기 위해서는 워킹 코일(706)의 회전 수를 증가시키거나 워킹 코일에 흐르는 공진 전류의 크기를 증가시켜야 한다. 그러나 워킹 코일 어셈블리의 크기나 유도 가열 장치의 규격으로 인하여 워킹 코일(706)의 회전 수를 증가시키거나 공진 전류의 크기를 증가시키는 것에는 제약이 따른다.
따라서 본 발명에서는 도 7과 같이 워킹 코일(706)과 구동 대상 물체(602) 간의 간격이 20mm 이상으로 유지되는 상황에서 워킹 코일(706)의 회전 수나 워킹 코일(706)에 인가되는 공진 전류의 크기를 증가시키지 않고, 워킹 코일(706) 주변에 배치되는 페라이트 시트의 단면적을 증가시킴으로써 워킹 코일(706)의 자속 밀도를 증가시킨다. 이와 같은 구조에 의해서 본 발명에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 구동 대상 물체(602) 간의 간격이 20mm 이상으로 유지되는 상황에서 총 3kW 이상의 전력을 생성할 수 있다.
이와 같은 조건은 전술한 페라이트 시트의 구조 및 총 단면적에 의하여 달성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 워킹 코일 어셈블리는 종래와 같은 메인 페라이트 시트뿐만 아니라 워킹 코일의 반지름 방향에 수직으로 장착되는 보조 페라이트 시트를 포함한다. 이에 따라서 기존의 메인 페라이트 시트의 단면적이나 배치구조를 변형하지 않고도 페라이트 시트의 총 단면적을 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 메인 페라이트 시트 및 보조 페라이트 시트의 총 단면적은 800㎟ 이상으로 설정된다. 이와 같은 총 단면적을 갖는 본 발명의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하로 유지된다. 이와 같은 페라이트 시트의 총 단면적 및 총 포화 자속 밀도에 의하여 본 발명에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 구동 대상 장치와의 간격이 20mm 이상인 경우에도 최대 3kW의 전력을 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트의 1개당 단면적의 변화에 따른 페라이트 시트의 포화 자속 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다. 참고로 도 8에서 페라이트 1개는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 1개의 메인 페라이트 시트와 이 메인 페라이트 시트의 양단에 각각 수직으로 배치되는 2개의 보조 페라이트 시트를 포함한다. 또한 도 8의 그래프는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치와 구동 대상 장치 간의 간격이 25mm이고 워킹 코일이 3kW의 전력을 생산하는 조건 하에서 수행된 실험에 의한 것이다.
도 8에는 이와 같은 페라이트 시트(1개의 메인 페라이트 시트 및 2개의 보조 페라이트 시트)가 워킹 코일 하부에 각각 6개(802), 7개(804), 8개(806)일 때 페라이트 시트의 단면적 변화에 따른 포화 자속 밀도의 변화가 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 페라이트 시트의 단면적이 증가할 수록 페라이트 시트의 포화 자속 밀도는 감소하는 경향을 나타낸다.
도 3 내지 도 5에 도시된 실시예와 같이 총 8개의 페라이트 시트가 워킹 코일 주변에 배치되는 경우, 페라이트 시트에 의한 총 포화 자속 밀도가 350mT가 되기 위해서는 페라이트 시트 1개의 단면적이 100㎟가 되어야 한다. 이 경우 페라이트 시트의 총 단면적은 800㎟가 된다. 도 8에는 이와 같은 지점이 곡선(806) 상에 표시되어 있다. 예컨대 PL-13의 재질로 구성되는 페라이트 시트는 120℃에서 350mT의 포화 자속 밀도를 갖는다. 따라서 이와 같은 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도를 350mT로 유지할 경우 120℃의 구동 온도가 보장될 수 있다.
이와 같이 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도가 350mT 이하로 설정될 경우, 워킹 코일의 총 포화 자속 밀도는 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도보다 25% 이상 작도록 설정될 수 있다. 이러한 비율에 따라서 워킹 코일에서 발생하는 자속이 증가하고, 도 7과 같이 워킹 코일과 구동 대상 장치의 간격이 20mm 이상인 경우에도 워킹 코일에 의하여 최대 3kW의 전력 생성이 보장될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트의 총 단면적 변화에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 내부 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 참고로 도 9의 그래프는 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치와 구동 대상 장치 간의 간격이 25mm이고 워킹 코일이 3kW의 전력을 생산하는 조건 하에서 수행된 실험에 의한 것이다.
도 9에는 워킹 코일 하부에 장착되는 페라이트 시트의 총 단면적이 600㎟일 때(902), 페라이트 시트의 총 단면적이 600㎟이고 워킹 코일 주변에 냉각을 위한 소형 팬이 장착됐을 때(904), 페라이트 시트의 총 단면적이 720㎟일 때(906), 페라이트 시트의 총 단면적이 960㎟일 때(908) 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 시간에 따른 온도 변화가 나타나 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 페라이트 시트의 총 단면적이 600㎟일 때(902) 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 최고점(92)을 기점으로 과전류가 흐르게 되어 구동이 정지된다. 또한 페라이트 시트의 총 단면적이 600㎟이고 워킹 코일 주변에 냉각을 위한 소형 팬이 장착됐을 때(904) 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 6분 최고점(94)을 기점으로 과전류가 흐르게 되어 구동이 정지된다. 또한 도 9에 도시된 바와 같이, 페라이트 시트의 총 단면적이 720㎟일 때(906) 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 최고점(96)을 기점으로 과전류가 흐르게 되어 구동이 정지된다.
그러나 페라이트 시트의 총 단면적이 960㎟인 경우(908), 본 발명에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치는 도 9에 도시된 바와 같이 최고점(98)이 다른 조건에 비해 더 오랜 시간 이후에 나타나게 되므로 다른 조건에 비해서 더 오랜 시간 구동이 가능하다. 또한 페라이트 시트의 총 단면적이 960㎟인 경우(908) 다른 조건과는 달리 구동 과정에서 과전류에 의한 구동 에러도 발생하지 않는다.
결국 본 발명에 따른 페라이트 시트의 총 단면적을 800㎟으로 유지함으로써 특정 조건 하에서 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치의 안정적인 구동이 보장될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (11)

  1. 코일 베이스의 상부에 장착되며 반지름 방향으로 제1 회전 수만큼 감겨지는 제1 워킹 코일;
    상기 코일 베이스의 상부에 장착되고 상기 제1 워킹 코일과 중심을 공유하며 반지름 방향으로 제2 회전 수만큼 감겨지는 제2 워킹 코일;
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 주변에 배치되는 하나 이상의 페라이트 시트;
    스위칭 동작을 수행하여 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나에 전류를 인가하는 인버터부;
    구동 모드에 따라서 상기 제1 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하거나 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하는 스위치부를 포함하고,
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일은 구동 대상 장치와 20㎜ 이상의 간격을 갖도록 배치되고,
    상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하로 설정되어 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 구동 시 최대 3kW의 전력이 생성되는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 단면적은 800㎟ 이상인
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 총 포화 자속 밀도의 25% 보다 크도록 설정되는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 총 직경은 8인치 이하이고, 상기 제1 워킹 코일의 직경은 6인치 이하인
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 워킹 코일은 구동 시 최대 2kW의 전력을 생성할 수 있는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회전 수 및 상기 제2 회전 수의 합은 20 이상인
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 시트는
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 반지름 방향으로 배치되는 메인 페라이트 시트; 및
    상기 메인 페라이트 시트의 단부에서 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 반지름 방향에 수직인 방향으로 배치되는 보조 페라이트 시트를 포함하는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구동 모드가 무선 전력 전송 모드이면
    상기 스위치부는 상기 제1 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하고,
    상기 구동 모드가 유도 가열 모드이면
    상기 스위치부는 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일을 상기 인버터부와 연결하는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
  11. 코일 베이스의 상부에 장착되며 반지름 방향으로 제1 회전 수만큼 감겨지는 제1 워킹 코일;
    상기 코일 베이스의 상부에 장착되고 상기 제1 워킹 코일과 중심을 공유하며 반지름 방향으로 제2 회전 수만큼 감겨지는 제2 워킹 코일;
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 주변에 배치되는 하나 이상의 페라이트 시트;
    스위칭 동작을 수행하여 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나에 전류를 인가하는 인버터부;
    구동 모드에 따라서 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일 중 적어도 하나를 상기 인버터부와 연결하는 스위치부를 포함하고,
    상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일은 구동 대상 장치와 20㎜ 이상의 간격을 갖도록 배치되고,
    상기 하나 이상의 페라이트 시트의 총 포화 자속 밀도는 350mT 이하로 설정되어 상기 제1 워킹 코일 및 상기 제2 워킹 코일의 구동 시 최대 3kW의 전력이 생성되는
    유도 가열 및 무선 전력 전송 장치.
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