KR101976613B1 - 무선전력 수신장치 - Google Patents

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KR101976613B1
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원도현
김양현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치에 구비된 송신 공진 코일로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신 공진 코일 및 상기 수신 공진 코일과 커플링되어 수신한 전력을 부하에 전달하는 수신 유도 코일을 포함하며, 상기 수신 공진 코일은 상기 송신 공진 코일의 일 측에 사용하고자 하는 충전 영역으로 기설정된 높이에 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력 수신장치{WIRELESS POWER RECEIVER}
본 발명은 무선전력 전송 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 무선전력 수신장치에 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 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.
현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
그러나, 종래에는 송신 측과 수신 측의 전력 전송 효율을 높이는데 한계가 있었다.
본 발명은 송신 공진 코일과 수신 공진 코일의 배치관계를 조절하여 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치에 구비된 송신 공진 코일로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신 공진 코일 및 상기 수신 공진 코일과 커플링되어 수신한 전력을 부하에 전달하는 수신 유도 코일을 포함하며, 상기 수신 공진 코일은 상기 송신 공진 코일의 일 측에 사용하고자 하는 충전 영역으로 기설정된 높이에 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일의 배치관계를 조절하여 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력 공급 장치(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선전력 수신장치(300)의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(400)의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(400)의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 제2 기판과의 수직거리에 따른 Q 값 및 전력전송 효율의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 0mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 19mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 9.5mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이다.
도 12는 도 9의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이다.
도 13 도 10의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이다.
도 14는 도 11의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이다.
도 15는 수신 공진 코일(510)의 높이에 따라 전력 전송 효율이 달라짐을 설명하기 위한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 송신 공진 코일(407)의 배치를 조절하여 전력 전송 효율을 높이기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 공진 코일(510)의 배치를 조절하여 전력 전송 효율을 높이기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선전력 전송 시스템은 전력 공급 장치(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(340)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 전력 공급 장치(100)는 무선전력 송신장치(200)에 포함될 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는 송신 유도 코일(210) 및 송신 공진 코일(220)을 포함할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류회로(330)를 포함할 수 있다.
전력 공급 장치(100)의 양단은 송신 유도 코일(210)의 양단과 연결된다.
송신 공진 코일(220)은 송신 유도 코일(210)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 공진 코일(310)은 수신 유도 코일(320)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 유도 코일(320)의 양단은 정류회로(330)의 양단과 연결되고, 부하(340)는 정류회로(330)의 양단에 연결된다. 일 실시 예에서 부하(340)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수 있다.
전력 공급 장치(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 무선전력 송신장치(200)로 전달된 전력은 공진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
이하에서는 보다 구체적으로 전력전송 과정을 설명한다.
전력 공급 장치(100)는 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성하여 무선전력 송신장치(200)에 전달한다.
송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 유도 결합되어 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)는 전력 공급 장치(100)로부터 공급받은 전력에 의해 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격 되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도된다.
그 후, 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
수신 공진 코일(310)은 송신 공진 코일(220)로부터 공진에 의해 전력을 수신한다. 수신된 전력으로 인해 수신 공진 코일(310)에는 교류 전류가 흐른다. 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 공진 코일(310)과 유도 결합된 수신 유도 코일(320)로 전달된다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류회로(330)를 통해 정류되어 부하(340)로 전달된다.
일 실시 예에서 송신 유도 코일(210), 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)은 원형, 타원형, 사각형 등과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
무선전력 송신장치(200)의 송신 공진 코일(220)은 자기장을 통해 무선전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일(310)에 전력을 전송할 수 있다.
구체적으로, 송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)은 공진 주파수에서 동작하도록 공진 결합되어 있다.
송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)의 공진 결합으로 인해, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율은 크게 향상될 수 있다.
무선전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 갖는다. 즉, 전력 전송 효율은 품질 지수 및 결합계수가 큰 값을 가질수록 향상될 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 무선전력 송신장치(200) 또는 무선전력 수신장치(300) 부근에 축척할 수 있는 에너지의 지표를 의미할 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있다. 품질 지수는 수식으로 Q=w*L/R 와 같이 표현될 수 있다. L은 코일의 인덕턴스이고, R은 코일자체에서 발생하는 전력손실량에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수(Quality Factor)는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있고, 품질지수가 클수록 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율이 향상될 수 있다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일 간 자기적 결합의 정도를 의미하는 것으로 0에서 1의 범위를 갖는다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일의 상대적인 위치나 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.
송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)의 양단이 캐패시터(C1)의 양단에 연결된 등가회로로 구성될 수 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)은 인턱터(L1)와 캐패시터(C1)가 병렬로 연결된 등가회로로 구성될 수 있다.
캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스가 조절됨에 따라 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 또한, 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 등가 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
정류회로(330)는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 변환된 직류 전력을 부하(340)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 정류회로(330)는 정류기와 평활 회로를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 정류기는 실리콘 정류기가 사용될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1)로 등가화 될 수 있다.
정류기는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환할 수 있다.
평활 회로는 정류기에서 변환된 직류 전력에 포함된 교류 성분을 제거하여 매끄러운 직류 전력을 출력할 수 있다. 일 실시 예에서 평활 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 정류 캐패시터(C5)가 사용될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
부하(340)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 부하(340)는 배터리를 의미할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 휴대폰, 노트북, 마우스 등 전력이 필요한 전자기기에 장착될 수 있다. 이에 따라, 수신 공진 코일(310) 및 수신 유도 코일(320)은 전자기기의 형태에 맞는 형상을 가질 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는 무선전력 수신장치(300)와 인밴드(In band) 또는 아웃 오브 밴드(out of band) 통신을 이용하여 정보를 교환할 수 있다.
인밴드(In band) 통신은 무선전력 전송에 사용되는 주파수를 갖는 신호를 이용하여 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 정보를 교환하는 통신을 의미할 수 있다. 무선전력 수신장치(300)는 스위치를 더 포함할 수 있고, 상기 스위치의 스위칭 동작을 통해 무선전력 송신장치(200)에서 송신되는 전력을 수신하거나, 수신하지 않을 수 있다. 이에 따라, 무선전력 송신장치(200)는 무선전력 송신장치(200)에서 소모되는 전력량을 검출하여 무선전력 수신장치(300)에 포함된 스위치의 온 또는 오프 신호를 인식할 수 있다.
구체적으로, 무선전력 수신장치(300)는 저항과 스위치를 이용해 저항에서 흡수하는 전력량을 변화시켜 무선전력 송신장치(200)에서 소모되는 전력을 변경시킬 수 있다. 무선전력 송신장치(200)는 상기 소모되는 전력의 변화를 감지하여 무선전력 수신장치(300)의 상태 정보를 획득할 수 있다. 스위치와 저항은 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에서 무선전력 수신장치(300)의 상태 정보는 무선전력 수신장치(300)의 현재 충전량, 충전량 추이에 대한 정보를 포함할 수 있다.
더 구체적으로 설명하면, 스위치가 개방되면, 저항이 흡수하는 전력은 0이 되고, 무선전력 송신장치(200)에서 소모되는 전력도 감소한다.
스위치가 단락되면, 저항이 흡수하는 전력은 0보다 크게 되고, 무선전력 송신장치(200)에서 소모되는 전력은 증가한다. 무선전력 수신장치에서 이와 같은 동작을 반복하면, 무선전력 송신장치(200)는 무선전력 송신장치(200)에서 소모되는 전력을 검출하여 무선전력 수신장치(300)와 디지털 통신을 수행할 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는 위와 같은 동작에 따라 무선전력 수신장치(300)의 상태 정보를 수신하고, 그에 적합한 전력을 송신할 수 있다.
이와는 반대로, 무선전력 송신장치(200) 측에 저항과 스위치를 구비하여 무선전력 송신장치(200)의 상태 정보를 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 것도 가능하다. 일 실시 예에서 무선전력 송신장치(200)의 상태 정보는 무선전력 송신장치(200)가 전송할 수 있는 최대공급 전력량, 무선전력 송신장치(200)가 전력을 제공하고 있는 무선전력 수신장치(300)의 개수 및 무선전력 송신장치(200)의 가용 전력량에 대한 정보를 포함할 수 있다.
다음으로, 아웃 오브 밴드 통신에 대해 설명한다.
아웃 오브 밴드 통신은 공진 주파수 대역이 아닌 별도의 주파수 대역을 이용하여 전력 전송에 필요한 정보를 교환하는 통신을 말한다. 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)는 아웃 오브 밴드 통신 모듈을 장착하여 전력 전송에 필요한 정보를 교환할 수 있다. 상기 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 전력 공급 장치에 장착될 수도 있다. 일 실시 예에서 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 블루투스, 지그비, 무선랜, NFC(Near Field Communication)와 같은 근거리 통신 방식을 사용할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(400)의 구조도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(400)는 수신 측이 무선전력 송신장치(400)의 위가 아닌 측면에 위치한 경우에 보다 효과적인 전력 전송을 수행할 수 있다.
도 5를 참고하면, 무선전력 송신장치(400)는 전원 연결부(401), 제1 기판(403), 송신 유도 코일(405), 송신 공진 코일(407), 제2 기판(409), 차폐부(411), 송신 회로부(413), 받침부(415), 지지대(417)를 포함한다.
전원 공급부(10)는 무선전력 송신장치(400)에 직류 전력을 공급할 수 있다.
전원 공급부(10)는 무선전력 송신장치(400)에 포함될 수도 있다.
전원 연결부(401)는 전원 공급부(10)에서 공급된 전원을 송신 유도 코일(405)로 전달할 수 있다. 일 실시 예에서 전원 연결부(401)는 후술할 송신 공진 코일(407)의 측면에 인접하게 배치될 수 있다.
일 실시 예에서 전원 연결부(401)는 제1 기판(403) 상에 배치될 수 있다. 이에 대해서는 도 7에서 상세히 설명한다.
제1 기판(403)은 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)일 수 있다.
송신 유도 코일(405)은 제1 기판(403) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에서 제1 기판(403)이 원형의 형태를 갖는 경우, 송신 유도 코일(405)은 제1 기판(403)의 외곽선을 따라 배치될 수 있다. 여기서, 제1 기판(403)이 원형의 형태를 갖는 것은 예시에 불과하고, 제1 기판(403)은 사각형 등 다각형의 형태를 포함할 수 있다. 제1 기판(403)의 형태에 따라 제1 기판(403) 상에 배치되는 송신 유도 코일(405)의 형태도 달라질 수 있다.
송신 유도 코일(405)은 하나의 도선이 복수 번 권선되고, 제1 기판(403) 상에 일정한 패턴을 형성하여 배치될 수 있다.
송신 유도 코일(405)은 전원 공급부(10)로부터 받은 전력을 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일(407)에 전달할 수 있다.
송신 유도 코일(405)은 제1 기판(403) 상의 급전선을 통해 송신 공진 코일(407)의 캐패시터(408)와 연결될 수 있다.
송신 공진 코일(407)은 송신 유도 코일(405)로부터 전자기 유도에 의해 전력을 전달받을 수 있다.
송신 공진 코일(407)은 송신 유도 코일(405)에 수직으로 배치될 수 있다. 송신 공진 코일(407)과 송신 유도 코일(405)은 소정의 수직거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
송신 유도 코일(405) 및 송신 공진 코일(407)에 대한 내용은 도 1에서 설명한 송신 유도 코일(210) 및 송신 공진 코일(220)의 내용을 모두 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에서 송신 공진 코일(407)은 하나의 도선이 복수 번 권선되어 적층된 구조를 가질 수 있다. 송신 공진 코일(407)은 소정의 지름을 갖는 원통형, 스파이럴형 등 다양한 형태를 포함할 수 있다.
송신 공진 코일(407)은 자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치(미도시)의 수신 공진 코일(미도시)에 전력을 전송할 수 있다.
받침부(415) 위에는 차폐부(411), 제2 기판(409), 송신 회로부(413)가 아래에서부터 위로 차례대로 배치될 수 있다.
송신 회로부(413)는 전원 공급부(10)로부터 공급된 전력을 통해 자기 공진을 위한 주파수를 가지는 전력으로 변환할 수 있다.
송신 회로부(413)는 직류 직류 변환기, 발진기, 교류전력 생성부 등을 포함할 수 있다.
직류 직류 변환기는 전원 공급부(10)로부터 받은 전원을 원하는 출력 전원으로 변환할 수 있다.
발진기는 자기 공진을 위한 주파수를 갖는 교류신호를 생성할 수 있다.
교류전력 생성부는 직류 직류 변환기로부터 수신한 직류전원과 발진기로부터 수신한 교류신호를 이용해 증폭된 교류전력을 출력할 수 있다. 출력된 교류전력은 송신 유도 코일(405)에 전달된다.
송신 회로부(413)는 제2 기판(409) 상에 배치될 수 있다. 송신 회로부(413)는 칩(Chip)형태일 수 있고, 복수의 칩으로 구성될 수 있다. 여기서, 제2 기판(409)은 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)일 수 있다. 일 실시 예에서 제2 기판(409)은 윗면이 개방된 원통형의 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
제2 기판(409)이 원통형인 경우, 제2 기판(409)의 밑면 위에 송신 회로부(413)가 배치될 수 있다.
이하에서는, 제2 기판(409)이 윗면이 개방된 원통형의 형상을 가지는 경우를 예로 들어 설명한다.
제2 기판(409)의 밑면 지름과 송신 공진 코일(407)이 형성하는 지름은 소정의 비율을 가질 수 있다. 일 실시 예에서 제2 기판(409)의 밑면 지름과 송신 공진 코일(407)이 형성하는 지름은 3:8의 비율을 가질 수 있다. 여기서, 송신 공진 코일(407)이 형성하는 지름은 송신 공진 코일(407)이 동축 나선형의 구조를 갖는 경우, 송신 공진 코일(407)의 중심을 관통한 가장 외곽에 배치된 도선의 일점과 타점 사이의 거리를 의미할 수 있다.
또한, 제2 기판(409)의 밑면과 송신 공진 코일(407)은 소정의 수직거리를 가지고, 배치될 수 있다. 일 실시 예에서 상기 수직거리는 바람직하게는 15mm 이상일 수 있다.
제2 기판(409)의 밑면 지름과 송신 공진 코일(407)이 형성하는 지름의 비율, 제2 기판(409)의 밑면과 송신 공진 코일(407)과의 수직거리는 품질 인자(Quality factor) 및 전력전송 효율과 연관된다. 품질 인자(Quality factor)는 무선전력 전송 시스템의 단위시간 당 에너지 손실의 역수로, Q값이 클수록 무선전력 전송 시스템의 성능이 좋은 것으로 평가된다. 전력전송 효율은 무선전력 송신장치(400)에서 전송하는 전력과 무선전력 수신장치가 수신하는 전력의 비율을 의미할 수 있다.
제2 기판(409)의 밑면 지름과 송신 공진 코일(407)이 형성하는 지름의 비율이 3:8인 상태에서 제2 기판(409)의 밑면과 송신 공진 코일(407)과의 수직거리가 변함에 따라 Q값 및 전력전송 효율은 달라질 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
받침부(415)는 차폐부(411), 제2 기판(409), 송신 회로부(413)를 수용할 수 있다. 일 실시 예에서 받침부(415)는 밑면이 소정의 지름을 갖는 원통형의 형상을 가질 수 있다.
적어도 하나 이상의 지지대(417)는 제1 기판(403)과 받침부(415)를 수직으로 연결할 수 있다.
차폐부(411)는 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속의 방향을 변경시킬 수 있다. 즉, 차폐부(411)는 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속의 방향을 무선전력 수신장치가 위치한 곳으로 변경시킬 수 있다. 이로 인해, 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속은 보다 집중적으로 무선전력 수신장치 측에 전달될 수 있다. 바람직하게, 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치(400)의 측면에 배치된 경우, 차폐부(411)는 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속의 방향을 변경시켜 무선전력 수신장치 측으로 자속을 전달할 수 있다.
차폐부(411)는 제2 기판(409)을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 즉, 차폐부(411)는 제2 기판(409)과 동일한 형상을 가질 수 있다.
차폐부(411)는 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속의 방향을 변경시켜 송신 회로부(413)의 오작동을 방지할 수 있다. 송신 공진 코일(407)에서 형성된 자속은 송신 회로부(413)에 전송되어, 송신 회로부(413)에 전달되어 영향을 끼칠 수 있기 때문에, 차폐부(411)는 이를 방지하여 송신 회로부(413)를 보호할 수 있다.
다음으로 도 9 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(500) 및 전력 전송 효율에 대해 설명한다.
또한, 이를 위해 도 1 내지 도 8의 내용에 결부시켜 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(500)는 수신 공진 코일(510), 수신 유도 코일(미도시)을 포함할 수 있다. 수신 공진 코일(510) 및 수신 유도 코일(미도시)은 각각 도 1 내지 도 4에서 설명한 수신 공진 코일(310) 및 수신 유도 코일(320)에 대응될 수 있다.
이하에서는, 무선전력 송신장치(400)의 송신 공진 코일(407)과 무선전력 수신장치(500)의 수신 공진 코일(510) 간 거리는 0mm이고, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 측면에 위치한 경우를 가정하여 설명한다.
또한, 송신 공진 코일(407)의 높이(H)는 19mm임을 가정한다. 물론, 19mm는 예시에 불과하다.
도 9는 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 0mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이고, 도 10은 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 19mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 높이의 9.5mm 지점에 위치한 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선을 보여주기 위한 도면이다.
먼저, 도 9 내지 도 11을 참조하면, 무선전력 송신장치(400)의 송신 공진 코일(407)과 무선전력 수신장치(500)의 수신 공진 코일(510)이 도시되어 있다.
또한, 도 9 내지 도 11에서, 각 전력 전송 효율의 비교를 위해 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510) 간 거리는 0mm로 일정하고, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 우 측면에 위치하는 것으로 가정한다.
또한, 도 9 내지 도 11에서, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선이 수신 공진 코일(510)을 관통하면, 수신 공진 코일(510)에 전력이 전송되는 것으로 볼 수 있고, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선이 수신 공진 코일(510)을 관통하지 않으면, 수신 공진 코일(510)에 전력이 전송되지 않는 것으로 볼 수 있다.
먼저, 도 9를 참조하면, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 우 측면에 위치하고, 송신 공진 코일(407) 높이의 0mm 지점에 위치한다.
이 때, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 복수의 자기력선 중 일부는 수신 공진 코일(510)을 관통하지만, 일부는 수신 공진 코일(510)을 관통하지 않을 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 것처럼, 자기력선(A) 및 자기력선(B)는 수신 공진 코일(510)을 관통하지 않는다.
마찬가지로, 도 10을 참조하면, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 우 측면에 위치하고, 송신 공진 코일(407) 높이의 19mm 지점에 위치하는 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 복수의 자기력선 중 일부는 수신 공진 코일(510)을 관통하지만, 일부는 수신 공진 코일(510)을 관통하지 않을 수 있다. 즉, 도 10에 도시된 것처럼, 자기력선(A) 및 자기력선(B)는 수신 공진 코일(510)을 관통하지 않는다.
반면, 도 11을 참조하면, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 우 측면에 위치하고, 송신 공진 코일(407) 높이의 9.5mm 지점에 위치하는 경우, 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선(A) 및 자기력선(B)는 모두 수신 공진 코일(510)을 관통한다.
즉, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407) 높이의 중간에 배치된 경우, 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기장을 가장 많이 수신할 수 있다. 이는, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407) 높이의 중간에 배치됨에 따라 송신 공진 코일(407)에서 발생하는 자기력선이 수신 공진 코일(510)에 더 많이 전달되기 때문이다.
이와 같이, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 일측면에 배치되고, 송신 공진 코일(407) 높이의 중간에 배치된 경우, 송신 공진 코일(407) 높이의 다른 지점에 배치된 경우에 비해 수신 공진 코일(510)에 관통되는 자기력선이 더 많아져 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
이는, 시뮬레이션 결과를 통해서도 확인될 수 있다.
시뮬레이션 결과는 도 12 내지 도 14를 참조하여 설명한다.
도 12는 도 9의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이고, 도 13 도 10의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이고, 도 14는 도 11의 배치에 따라 송신 공진 코일(407)에서 형성되는 자기장의 분포를 보여주기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 14에서 송신 공진 코일(407)의 주위에 형성된 자기장의 세기가 강할수록 색이 진하다.
도 12 및 도 13에 도시된 자기장의 분포를 도 14에 도시된 자기장의 분포와 비교해보면, 도 14의 경우, 즉, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407)의 중간 지점에 배치되었을 때, 자기장의 세기가 가장 강하게 나타남을 확인할 수 있다.
도 15는 수신 공진 코일(510)의 높이에 따라 전력 전송 효율이 달라짐을 설명하기 위한 그래프이다.
여기서도, 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510) 간의 거리는 0mm이고, 송신 공진 코일(407)의 높이는 수평면을 기준으로 19mm임을 가정한다.
또한, 도 15의 결과는 수신 공진 코일(510)은 수평면을 기준으로 0mm에서 25mm 사이에 배치된 경우에 따라 전력 전송 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
전력 전송 효율은 송신 공진 코일(407)에서 전송된 전력량 중 수신 공진 코일(510)이 수신한 전력량의 비율을 의미할 수 있다.
도 15를 참조하면, 수신 공진 코일(510)의 높이가 8.5mm 에서 10.5mm 범위를 갖는 경우, 전력 전송 효율이 53% 근처로 효율이 다른 수치 범위에 비해 좋음을 확인할 수 있다.
수신 공진 코일(510)의 높이가 증가할수록 전력 전송 효율이 증가한다. 그러다가, 수신 공진 코일(510)의 높이가 9.5mm인 경우, 전력 전송 효율이 대략 53% 정도로 최고 효율을 보임을 확인할 수 있다.
수신 공진 코일(510)의 높이가 9.5mm를 넘어가게 되면, 다시 전력 전송 효율이 감소한다.
결과적으로, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407) 높이의 중간 지점에 위치하는 경우, 전력 전송 효율이 최대가 됨을 확인할 수 있다. 즉, 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407) 높이의 중간 지점에 위치하는 경우, 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510)의 결합 정도를 나타내는 결합계수가 증가되어 전력 전송 효율이 극대화될 수 있다.
따라서, 수신 공진 코일(510)을 송신 공진 코일(407)의 중간 지점에 배치하는 것이 중요한데 이를 위한 방법을 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한다.
도 16 내지 도 17을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510) 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 방법을 설명한다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 송신 공진 코일(407)의 배치를 조절하여 전력 전송 효율을 높이기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 공진 코일(510)의 배치를 조절하여 전력 전송 효율을 높이기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 송신 높이 조절부(600), 송신 공진 코일(407), 수신 공진 코일(510)이 배치되어 있다.
송신 높이 조절부(600)는 송신 공진 코일(407), 수신 공진 코일(510)이 놓여있을 수 있는 책상, 패드 등일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
송신 높이 조절부(600)는 일정영역에 수용 홈을 포함하고, 상기 수용 홈에 는 송신 공진 코일(407)이 배치될 수 있다. 즉, 상기 수용 홈을 갖는 높이 조절부(600)로 인해 수신 공진 코일(510)이 송신 공진 코일(407) 높이의 중간 지점에 배치될 수 있다. 이를 통해, 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510) 간 전력 전송 효율이 최대화될 수 있다.
도 17을 참조하면, 송신 공진 코일(407), 수신 공진 코일(510), 수신 높이 조절부(700)이 배치되어 있다.
수신 높이 조절부(700)는 송신 공진 코일(407), 수신 공진 코일(510)이 놓여있을 수 있는 책상, 패드 등일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
수신 높이 조절부(700)는 일정영역에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부 상에 수신 공진 코일(510)이 배치될 수 있다. 즉, 수신 공진 코일(510)이 상기 돌출부 상에 배치됨에 따라 수신 공진 코일(510)은 송신 공진 코일(407)의 중간 지점에 배치될 수 있다. 이로 인해, 송신 공진 코일(407)과 수신 공진 코일(510) 간 전력 전송 효율이 최대화될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
100: 전력 공급 장치 200: 무선전력 송신장치
210: 송신 유도 코일 220: 송신 공진 코일
300: 무선전력 수신장치 310: 수신 공진 코일
320: 수신 유도 코일 330: 정류회로
400: 부하 401: 전원 연결부
403: 제1 기판 405: 송신 유도 코일
407: 송신 공진 코일 408: 커패시터
409: 제2 기판 411: 차폐부
413: 송신 회로부 415: 받침부
417: 지지대 500: 무선전력 수신장치
510: 수신 공진 코일 600: 송신 높이 조절부
700: 수신 높이 조절부

Claims (5)

  1. 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서,
    상기 무선전력 송신장치에 구비된 송신 공진 코일로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신 공진 코일; 및
    상기 수신 공진 코일과 커플링되어 수신한 전력을 부하에 전달하는 수신 유도 코일을 포함하며,
    상기 수신 공진 코일은,
    상기 송신 공진 코일의 측면에 위치하고, 상기 송신 공진 코일의 높이가 0mm인 지점으로부터 수직으로 이격되어 기 설정된 높이에 배치되고,
    상기 수신 공진 코일과 상기 송신 공진 코일 간 측면 이격거리는 0mm이고,
    상기 송신 공진 코일의 높이가 19mm인 경우 상기 기 설정된 높이는 8.5mm에서 10.5mm범위를 갖는 무선전력 수신장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신 공진 코일의 높이를 기 설정된 높이에 배치시키도록 하는 높이 조절부;를 더 포함하고,
    상기 높이 조절부는 상기 송신 공진 코일이 배치되는 바닥면으로부터 연장되는 상기 수신 공진 코일의 배치면을 포함하는 무선전력 수신장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신 유도 코일로부터 수신한 교류 전력을 정류하여 상기 부하에 전달하는 정류회로를 더 포함하는
    무선전력 수신장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011514781A (ja) * 2008-03-05 2011-05-06 クゥアルコム・インコーポレイテッド ワイヤレス電力デバイスのパッケージングおよび詳細

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3427663B2 (ja) * 1996-06-18 2003-07-22 凸版印刷株式会社 非接触ｉｃカード

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011514781A (ja) * 2008-03-05 2011-05-06 クゥアルコム・インコーポレイテッド ワイヤレス電力デバイスのパッケージングおよび詳細
WO2010042057A1 (en) 2008-10-10 2010-04-15 Milux Holding S.A. Charger for implant

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