KR101984822B1 - 무선 전자기장 수신기 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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KR101984822B1
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알렉산더 쥐. 체르노카로프
미하일 엔. 마쿠린
니콜라이 엔. 올리유닌
블라디미르 와이. 알히펜코프
김기영
유영호
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Abstract

케이블(cable) 없이 무선으로 전력을 전송하는 시스템 및 장치에 관한 것으로, 무선 전력 전송 시스템은 가변 자기장(variable magnetic field)을 생성하는 소스(source) 및 상기 소스로부터 에너지를 수신하는 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)를 포함할 수 있다. 무선 전자기적 수신기는 전자기장에 반응하는 제1 장치 및 기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하고, 상기 제1 장치와 연결되는 제2 장치를 포함할 수 있다. 상기 제2 장치는 상기 공진기와 기계적으로 연결되지 않는다.

Description

무선 전자기장 수신기 및 무선 전력 전송 시스템{WIRELESS ELECTROMAGNETIC RECEIVER AND WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM }
아래의 실시 예들은 무선 기술에 관련된 것으로, 특히 전선(cable) 없이 전력을 전송하는 시스템과 장치에 관한 것이다.
전자기적 무선 전력 전송(electromagnetic wireless power transfer) 시스템은 복사(radiative) 시스템과 비복사(non-radiative) 시스템으로 분류될 수 있다. 복사 전력 전송 시스템 (radiative power transfer systems)은 좁은 빔 전송기(narrow-beam transmitters)에 기초하고, 원거리 필드(far-field)에서 전자기적 복사(electromagnetic radiation)를 활용한다. 비복사 전력 전송 시스템(non-radiative power transfer systems)은 전자기적 유도(electromagnetic induction)에 기초하고, 근거리 필드(near-field)에서 비복사(non-radiative)를 사용한다.
공진 전력 전송(resonance power transfer) 기술이 제안 된 후로, 비복사 전력 전송 시스템(non-radiative power transfer system)에 대한 관심이 증가하였다. 무선 전력을 전송하는 대부분의 알려진 공진기 기반의 장치는 전자기적 공진기 구조에 기초한다.
공진 전력 전송 시스템에서 사용되는 공진기 구조의 경우, 비공진 시스템(non-resonance systems)에서도 사용될 수 있다. 예를 들면, 복사 시스템(radiative systems)에서도 사용될 수 있다.
전자기적 공진기(electromagnetic resonator) 구조의 결점은 높은 퀄리티 팩터(quality factor, Q-factor, Q)를 갖는 작은 사이즈의 민감한(sensitive) 전자기적 공진기의 공정과정이 복잡하다는 점에 있다. 다른 결점은 높은 Q-팩터(Q-factor)와 낮은 공진 주파수를 갖는 전자기적 공진기(electromagnetic resonator)의 생산이 복잡하다는 점에 있다. 전력 전송 과정(power transfer process)의 효율을 증가시키기 위해서는 가능한 높은 Q-factor를 만드는 것이 바람직하다.
일 측면에 있어서, 무선 전자기적 수신기는 전자기장(electromagnetic field)에 반응하는 제1 장치 및 기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하고, 상기 제1 장치와 연결되는(contact with) 제2 장치를 포함하고, 상기 제1 장치는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기이고, 상기 제2 장치는 상기 기계적 공진기의 발진에 기초하여 발생하는 기계적 에너지를 상기 전기적 파워로 변환하는 변환기이고, 상기 변환기(inductive transducer)는 상기 공진기와 기계적으로 연결되지 않을 수 있다.
상기 기계적 공진기는 상기 공진기의 공진 주파수에서의 외부 전자기장(electromagnetic field)에 의하여 동작할 수 있다.
상기 변환기는 상기 기계적 공진기의 퀄리티 팩터(Quality factor)를 유지할 수 있다.
상기 기계적 공진기는 2000보다 큰 퀄리티 팩터(Quality factor)를 갖는 자기변형(magnetostriction) 물질로 만들어질 수 있다.
상기 기계적 공진기는 자기변형(magnetostriction) 페라이트(ferrite)로 만들어질 수 있다.
상기 기계적 공진기는 기계적 공진 모드가 동작 주파수(working frequency)에서 수행되는 방식으로 선택된 형태를 가질 수 있다.
상기 기계적 공진기는 원통(cylinder) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 사각형(square)이 교차된 (cross-section) 바(bar) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 플레이트(plate) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 영구(permanent) 자석에 의하여 바이어스(biased) 되어 동작할 수 있다.
상기 영구(permanent) 자석은 마그네틱 세라믹(magnetic ceramics)으로 만들어질 수 있다.
상기 기계적(mechanical) 에너지의 변환기(transducer)는 상기 공진기 주의를 둘러싼 코일(coil)일 수 있다.
유도(inductive) 변환기(transducer)의 코일(coil) 끝은 부하(load)에 연결될 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전자기적 수신기는 가변 자기장(variable magnetic field)을 생성하는 소스(source) 및 상기 소스로부터 에너지를 수신하는 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)를 포함하고, 상기 무선 전자기적 수신기는 전자기장에 반응하는 제1 장치 및 기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하고, 상기 제1 장치와 연결되는 제2 장치를 포함하며, 상기 제1 장치는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기이고, 상기 제2 장치는 상기 기계적 공진기의 발진에 기초하여 발생하는 기계적 에너지를 상기 전기적 파워로 변환하는 변환기이고, 상기 변환기(inductive transducer)는 상기 공진기와 기계적으로 연결되지 않을 수 있다.
상기 기계적 공진기는 상기 공진기의 공진 주파수에서의 외부 전자기장(electromagnetic field)에 의하여 동작할 수 있다.
상기 변환기는 상기 기계적 공진기의 퀄리티 팩터(Quality factor)를 유지할 수 있다.
상기 기계적 공진기는 2000보다 큰 퀄리티 팩터(Quality factor)를 갖는 자기변형(magnetostriction) 물질로 만들어질 수 있다.
상기 기계적 공진기는 자기변형(magnetostriction) 페라이트(ferrite)로 만들어질 수 있다.
상기 기계적 공진기는 기계적 공진 모드가 동작 주파수(working frequency)에서 수행되는 방식으로 선택된 형태를 가지 수 있다.
상기 기계적 공진기는 원통(cylinder) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 사각형(square)이 교차된 (cross-section) 바(bar) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 플레이트(plate) 형태일 수 있다.
상기 기계적 공진기는 영구(permanent) 자석에 의하여 바이어스(biased) 되어 동작할 수 있다.
상기 영구(permanent) 자석은 마그네틱 세라믹(magnetic ceramics)으로 만들어질 수 있다.
상기 변환기(transducer)는 상기 공진기를 둘러싼 코일(coil)에 의해 수행될 수 있다.
상기 유도 변환기(transducer)을 둘러싼 코일(coil)은 부하(load)에 연결될 수 있다.
상기 소스는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 공진 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도일 수 있다.
상기 소스는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 비공진(non-resonant) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도일 수 있다.
상기 소스는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 먼 거리에 위치하며, 복사(radiating) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도일 수 있다.
제안된 발명에 의해 해결되는 주된 문제점은 제안된 무선 전력 전송 시스템에서 낮은 주파수 응용을 갖고, 작은 사이즈에 적합하고, 높은 Q-팩터(Q-factor)를 갖는 공진 기반 수신기의 발전이다.
상기 문제점을 해결하기 위해서 무선 전자기적 수신기의 개선된 설계는 제안되었고, 상기 수신기는 전자기장에 민감한 장치로 구성된다. 그리고 또 다른 장치는 기계적 에너지를 전기적 파워(electric power)로 전환함으로써 수행될 수 있다; 전자기장에 민감한 상기 장치의 특징을 갖는 상기 수신기는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기를 나타내는 특징을 갖는다. 제2 장치는 상기 공진기 발진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 유도 변환기(transducer)((변압기) transformer) 나타내는 특징을 갖고, 이때, 상기 변환기(transducer)는 공진기와 기계적으로 연결되지 않는다.
그러므로, 제안된 수신기는 상기 무선 전력 전송 시스템의 주요 요소의 기능을 충족하고, 어떤 전선(wires) 없이도 낮은 에너지 소모(consumption)로 전력을 공급할 수 있다. 제안된 설계의 특징은 높은 Q-팩터(Q-factor)기계적 고체 상태의(solid state) 공진기의 한 부분(piece)(내장된(integral))의 사용으로 이루어지고, 자기변형(magnetostriction) 현상의 방법으로 전자기적 전력을 수신할 수 있다.
제안된 발명에 따르면, 상기 고체 상태의(solid-state)기계적 공진기는 상기 공진기의 공진주파수(resonance frequency)에 매칭(matching) (상응(corresponding))되는 주파수에서 외부 전자기장에 의해 구동(drived)(동작(excited))된다.
상기 공진기의 높은 퀄리티 팩터(quality factor)를 보장할 수 있는 상기 변압기(transformer)(변환기(transfducer))의 설계는 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)의 효율적인 기능을 위해 필수적이다.
제안된 발명에 따르면, 고체 상태의(solid-state) 기계적 공진기는 가급적 2000이상의 높은 퀄리티 팩터(quality factor)를 갖는 자기변형 소재로 만들어진다.
제안된 발명에 따르면, 상기 고체 상태의(solid-state) 기계적 공진기는 가급적 자기변형 아철산염(magnetostrictive ferrite)으로 만들어진다.
제안된 발명에 따르면, 상기 고체 상태의(solid-state)기계적 공진기는 기계적 공진 모드는 동작 주파수에서 동작하는 방법으로 선택된 형태를 갖는다.
실시예 중의 하나에 따르면 상기 고체 상태의(solid-state) 기계적 공진기는 원기둥(cylinder) 형태를 갖는다.
또 다른 실시예에 따른면, 상기 고체 상태의(solid-state)기계적 공진기는 정사각형이 교차되어있는 바(bar) 형태를 갖는다.
또 다른 실시예에 따르면 상기 고체 상태의(solid-state)기계적 공진기는 접시 형태를 갖는다.
무선 전자기적 수신기의 효율적인 기능을 위해 상기 고체 상태의(solid-state) 기계적 공진기는 영구적인 자석(permanent magnet)에 의해 바이어스된다는데 의미가있다.
실시예 중 하나에 따르면, 상기 영구적 자석(permanent magnet)은 마그네틱 세라믹(magnetic ceramics)으로 만들어진다.
제안된 발명에 따르면, 상기 유도 변압기(transformer)는 공진기 주변을 둘러싼 코일(coil)을 나타낸다.
제안된 발명에 따르면, 상기 변압기(transformer)를 둘러싼 코일(coil)은 부하(load)에 연결된다.
무선 전자기적 수신기는 모든 알려진 아날로그 기반의 기계적 공진(mechanical resonance)과 비교해서 높은 퀄리티 팩터(quality factor)를 갖는 제안된 해결방안의 체계 내에서 발전하였다.
게다가 무선 전력 전송(wireless power transfer)을 위한 시스템의 발전에 의해 문제점 또한 해결된다. 상기 시스템은 아래와 같이 구성된다.
교류 자기장의 소스, 및 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)는 교류 자기장(alternating magnet field)의 소스(source)로부터 전력을 수신 할 수 있다. 상기 수신기(receiver)는 아래와 같이 구성된다.
전자기장(electromagnetic field)에 민감한 제1 장치와 기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하고, 여기에서 상기 수신기는 제1 장치는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기를 나타내고, 제2 장치는 상기 공진기 발진의 기계적 에너지를 전기적 파워(electric powe)로 변환하는 변압기(transformer)(변환기( transducer))를 나타내는 특징을 갖는다.
상기 무선 전자기장 수신기(wireless electromagnetic receiver)는 앞서 언급한 특징을 가질 수 있는 무선 전력 전송(wireless power transfer)을 위한 시스템의 한 부분으로 구성된다.
실시예 중 하나에 따르면, 가변(variable) (교류(alternating)) 자기장의 소스(source)는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 공진 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도이다.
또 다른 실시예에 따르면, 가변(variable) (교류(alternating)) 자기장의 소스(source)는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 비공진(non-resonant) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도인
제안된 발명의 세 번째 실시예에 따르면, 가변(variable) 자기장의 소스(source)는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 먼 거리에 위치하며, 복사(radiating) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도이다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 유도 에너지 변환기(transducer)(변압기 (transformer))와 원통 형태(cylinder-shaped)의 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기로된 수신기를 나타낸다.
도 3은 유도(inductive) 에너지 변환기(transducer)(변압기 (transformer))와 정사각형(square)이 교차된(cross-section) 바(bar) 형태의 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기반도체를 이용한(solid-state) 자기변형(magnetostrictive) 공진기로된 수신기를 나타낸다.
도 4은 제안하는 무선 전자기장 수신기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
제안된 발명의 더 나은 이해를 위해 상세한 내용은 일치하는 도면을 참조하여 아래에 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함한다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스(110)는 Variable SMPS(111), Power Amplifier(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함한다.
Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)(111)는 Power Supply로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성한다. Variable SMPS(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(116)는 Variable SMPS(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어부(114)로 전달한다. 또한, Power Detector(116)는 Power Amplifier(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
Power Amplifier(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, Power Amplifier(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 Power Amplifier(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(133)와 소스 공진기(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 Power Amplifier(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어부(114)는 는 Power Amplifier(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기(electromagnetic) 에너지(130)를 타겟 공진기(133)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달한다.
타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 통신부(124) 및 제어부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 Load에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
Power Detector(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 Load에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 제어부(114)는 Load의 필요전력과 Load에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 Battery type", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.
통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, Power Detector(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, 제어부(114)는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(131)의 Q-factor(QS)가 결정될 수 있다.
또한, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(133)의 Q-factor가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(131)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다.
통신을 통해, 소스(110)와 타겟(120)은 소스 공진기(131) 및 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟(120)으로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 큐-펙터 QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟(120)으로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 큐-펙터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112012063840918-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112012063840918-pat00002
는 대역폭,
Figure 112012063840918-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭을 나타낸다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012063840918-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112012063840918-pat00005
는 소스 공진기(131)에서의 반사계수,
Figure 112012063840918-pat00006
는 타겟 공진기(133)에서의 반사계수,
Figure 112012063840918-pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(131)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(133)의 임피던스, QS는 소스 공진기(131)의 Q-factor, QD는 타겟 공진기(133)의 Q-factor, QK는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 Q-factor이다.
상기 수학식 2를 참조하면, Q-factor는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 Q-factor는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012063840918-pat00008

도 1에서, 소스(110)는 타겟(120)의 웨이크-업을 위한 웨이크 업 전력을 무선으로 전송하고, 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호(configuration signal)를 브로드캐스트하고, 상기 구성 신호(configuration signal)의 수신 감도 값을 포함하는 서치 프레임을 상기 타겟(120)으로부터 수신하고, 상기 타겟(120)의 조인을 허락하고, 무선 전력 전송 네트워크에서 상기 타겟(120)을 식별하기 위한 식별자를 상기 타겟(120)으로 전송하고, 전력 제어를 통해 충전 전력을 생성하고, 상기 충전 전력을 무선으로 상기 타겟(120)에 전송할 수 있다.
또한, 타겟(120)은 복수의 소스 디바이스들 중 적어도 하나로부터 웨이크 업 전력을 수신하고, 상기 웨이크-업 전력을 사용하여 통신 기능을 활성화하고, 상기 복수의 소스 디바이스들 각각의 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호를 수신하고, 상기 구성 신호의 수신 감도에 기초하여 소스(110)를 선택하고, 상기 선택된 소스(110)로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
도 2는 유도 에너지 변환기(transducer)(변압기 (transformer))와 원통 형태(cylinder-shaped)의 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기로된 수신기를 나타낸다.
210 - 원통 형태(cylinder-shaped)의 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 공진기
220 - 영구적 자석(Permanent magnet).
230 - 동작하는 자기장(Exciting magnetic field).
240 - 부하(Load). 얇은 전도 레이어(conducting layers).
250 - 코일(coil).
도 3은 유도(inductive) 에너지 변환기(transducer)(변압기 (transformer))와 정사각형(square)이 교차된(cross-section) 바(bar) 형태의 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기로된 수신기를 나타낸다.
310 - 고체 상태의(solid-state) 바(bar) 형태의 자기변형 (magnetostrictive) 공진기.
320 - 영구적 자석(Permanent magnet)
330 - 동작하는 자기장(Exciting magnetic field)
340 - 부하(load).
350 - 코일(coil).
도 4은 제안하는 무선 전자기장 수신기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
410 - 교류 자기장(alternating magnetic field)의 소스(Source).
420 - 소스(source)(410)에의해 발생되는 동작하는 자기장(Exciting magnetic field).
430 - 무선 전자기장 수신기.( Wireless electromagnetic receiver).
제안하는 수신기(430)의 제1 기능적 부분은 영구적(permanent) 자석(220)으로된 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기 210 또는 310를 나타낸다 (도 2 and 도 3). 고체 상태의(solid-state)공진기(210 또는 310)는 높은 퀄리티 팩터(quality factor)( Q>2000)를 갖는 자기변형 물질(magnetostrictive material)로 만들어진다. 예를들어, 자기변형 아철산염(magnetostrictive ferrite)이 사용될 수 있다. 상기 공진기는 가급적 접시(plate), 원형(cylindrical) 또는 직사각형의 막대(rectangular rod)(바(bar)) 형태이어야 하고, 또는 그 밖에 다른 기하학 형태를 가질 수 있다. 공진기의 상기 기하학적 형태는 공진기의 동작 주파수(operating frequency) f에서 기계적 공진 모드(mechanical resonance mode)가 수행되기 위해 선택된다. 예를 들어, 세로방향(longitudinal)의 기계적 공진 모드(mechanical resonance mode)를 위해 하나의 단위(in one dimension)에서 공진기의 사이즈는 적어도 대략
Figure 112012063840918-pat00009
이어야한다. 여기서
Figure 112012063840918-pat00010
는 음속(sound velocity)이다. 상기 기계적 공진 모드(mechanical resonant mode)는 기계적 공진 모드가 수행될때 공진기에 저장된 기계적 에너지(mechanical energy)가 최대인 경우에 에너지 변환을 위해 적한한 방법이다. 상기 공진기(210)(도 2)는 공진기(210)의 선형(linearize) 동작과 공진기 물질의 필요한 자기변형(magnetostrictive) 특성을 보장하기위해 공진기로부터 짧은 거리에 위치한 영구적(permanent) 자석(220)에 의해 바이어스(biased) 된다. 영구적 자석(220)은 가급적 세라믹(ceramic) 물질로 만들어진다. 상기 자석은 시스템 효율면에서의 영향을 고려하지 않고 공진기 가까이에 놓일 수 있다. 상기 공진기(210)는 외부 가변 자기장(external variable magnet field)(230)에의해 동작된다. 상기 교류(alternating)(가변(variable)) 자기장 (230)은 자기변형 현상(magnetostriction phenomenon) 때문에 공진기(210)에서 기계적 발진(mechanical oscillations)을 발생시킨다. 공진 주파수(resonance frequency) f 에서 상기 발진의 크기는 공진기(210) 물질(material)의 퀄리티 팩터(quality factor) Q에 의존한다. Q-팩터(Q-factor)가 높을수록 더 큰 발진 크기(amplitude of oscillations)를 갖는다. 그러므로, 가장 높은 퀄리티 팩터(quality factor)의 보장이 요구된다. 또한, 발진의 크기(amplitude of oscillations)는 공진기(210) 물질(material)의 자기변형 성질에 의존한다. 그러므로 제안된 수신기를 위해 가급적 높은 효율의 자기변형 물질을 사용한다.
무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)(430)의 제2 기능적 부분은 전력(에너지) 변환기를 나타낸다. 제안된 발명에서 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기의 주변을 둘러싼 코일(coil)(250)을 나타내는 유도(inductive) 변압기(transformer)( 도 2 and 도 3)의 사용이 제안되었다. 상기 변압기(transformer)의 상기 구조는 공진기의 퀄리티 팩터(quality factor)가 감소하지 않는 것을 보장한다. 공진기 표면의 기계적 발진은 가변(variable) 기계적 장력(tension)을 발생 시키고, 이것은 다음으로 공진기 자화(magnetization)의 가변(variable) 요소를 발행시킨다. (역자기변형 효과). 가변(variable) 자화(magnetization)는 상기 코일(coil)(250)의 끝에서 전압 발진을 유도 한다. 상기 코일(coil)(250)의 끝은 부하(load)(240)와 연결되어있다.
상기 제안된 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)(430)는 무선 전력 전송(wireless power transfer)을 목적으로하는 시스템의 요소로써 사용될 수 있다.
무선 전력 전송(wireless power transfer)(도 4)의 상기 시스템은 아래와 같이 구성된다: 가변 자기장(variable magnet fields)의 소스(source)(410); 제안된 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)(430)는 소스(source)(410)로부터 전력을 수신한다. 상기 수신기(430)의 공진 주파수에 대응되는 교류(alternating) (가변(variable)) 자기장의 주파수는 소스 (source)(410)에 의해서 발생된다. 그러므로 가변 자기장의 다양한 소스의 사용이 가능하다.
- 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 공진 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도이고, 소스(source)에의해 제공된다. 이 경우에, 소스(source)와 수신기(receiver)는 전력 전송 공진 시스템에 기여한다.
- 비복사 비공진(Non-radiative non-resonance) 구조는 또한 소스(source)로부터 제공할 수 있다. 예를들어, 발진기에 연결된 코일(coil)과 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치함으로써 수행할 수 있다. 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도이다.
- 상기 소스(source)는 주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 먼 거리에 위치하며, 복사(radiating) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도이다.
제안하는 발명은 특히 어떤 케이블(cables) 또는 전선(wires)없이 저전력(low-power) 소형(compact) 장치를 위해 필요한 전력 공급을 허용하는 무선 전력 전송 시스템에서 수행할 수 있다. 제안된 해결방안은 바이로지컬 시스템(biological systems)과 같이 특별히 낮은 주파수(low frequencies) 영역에서의 사용을 선호하는 경우에 적합하다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (29)

  1. 전자기장(electromagnetic field)에 반응하는 제1 장치; 및
    기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하는 제2 장치를 포함하고,
    상기 제1 장치는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기이고, 상기 제1 장치는 상기 전자기장에 의해 자화되고 상기 자화를 기초로 상기 제1 장치의 표면에서 기계적 발진이 발생하며, 상기 기계적 발진을 기초로 상기 제1 장치에서 가변 장력이 발생하고, 상기 가변 장력을 기초로 가변 자화가 발생하고, 상기 가변 자화는 상기 제2 장치에 전압 발진을 유도하고, 상기 제1 장치의 크기는 상기 제1 장치의 공진 주파수와 반비례하고,
    상기 제2 장치는 상기 기계적 공진기의 발진에 기초하여 발생하는 기계적 에너지를 상기 전기적 파워로 변환하는 변환기이고, 상기 제2 장치는 상기 제1 장치의 일부를 감싸는,
    무선 전자기적 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    상기 공진기의 공진 주파수에서의 외부 전자기장(electromagnetic field)에 의하여 동작하는
    무선 전자기적 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는
    상기 기계적 공진기의 퀄리티 팩터(Quality factor)를 유지하는
    무선 전자기적 수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    2000보다 큰 퀄리티 팩터(Quality factor)를 갖는 자기변형(magnetostriction) 물질로 만들어진
    무선 전자기적 수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    자기변형(magnetostriction) 페라이트(ferrite)로 만들어진
    무선 전자기적 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    기계적 공진 모드가 동작 주파수(working frequency)에서 수행되는 방식으로 선택된 형태를 갖는
    무선 전자기적 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    원통(cylinder) 형태인
    무선 전자기적 수신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    사각형(square)이 교차된 (cross-section) 바(bar) 형태인
    무선 전자기적 수신기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    플레이트(plate) 형태인
    무선 전자기적 수신기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    영구(permanent) 자석에 의하여 바이어스(biased) 되어 동작하는
    무선 전자기적 수신기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 영구(permanent) 자석은
    마그네틱 세라믹(magnetic ceramics)으로 만들어진
    무선 전자기적 수신기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 공진기 주위를 둘러싼 코일(coil)인
    무선 전자기적 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변환기의 코일(coil) 끝은 부하(load)에 연결되는
    무선 전자기적 수신기.
  14. 가변 자기장(variable magnetic field)을 생성하는 소스(source); 및
    상기 소스로부터 에너지를 수신하는 무선 전자기적 수신기(wireless electromagnetic receiver)를 포함하고,
    상기 무선 전자기적 수신기는,
    전자기장(electromagnetic field)에 반응하는 제1 장치; 및
    기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 파워(electric power)로 변환하는 제2 장치를 포함하고,
    상기 제1 장치는 자기변형 물질로 만들어진 고체 상태의(integral solid-state) 기계적 공진기이고, 상기 제1 장치는 상기 전자기장에 의해 자화되고 상기 자화를 기초로 상기 제1 장치의 표면에서 기계적 발진이 발생하며, 상기 기계적 발진을 기초로 상기 제1 장치에서 가변 장력이 발생하고, 상기 가변 장력을 기초로 가변 자화가 발생하고, 상기 가변 자화는 상기 제2 장치에 전압 발진을 유도하고, 상기 제1 장치의 크기는 상기 제1 장치의 공진 주파수와 반비례하고,
    상기 제2 장치는 상기 기계적 공진기의 발진에 기초하여 발생하는 기계적 에너지를 상기 전기적 파워로 변환하는 변환기이고, 상기 제2 장치는 상기 제1 장치의 일부를 감싸는,
    무선 전력 전송 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    상기 공진기의 공진 주파수에서의 외부 전자기장(electromagnetic field)에 의하여 동작하는
    무선 전력 전송 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 기계적 공진기의 퀄리티 팩터(Quality factor)를 유지하는
    무선 전력 전송 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는 2000보다 큰 퀄리티 팩터(Quality factor)를 갖는 자기변형(magnetostriction) 물질로 만들어진
    무선 전력 전송 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    자기변형(magnetostriction) 페라이트(ferrite)로 만들어진
    무선 전력 전송 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    기계적 공진 모드가 동작 주파수(working frequency)에서 수행되는 방식으로 선택된 형태를 갖는
    무선 전력 전송 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    원통(cylinder) 형태인
    무선 전력 전송 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    사각형(square)이 교차된 (cross-section) 바(bar) 형태인
    무선 전력 전송 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    플레이트(plate) 형태인
    무선 전력 전송 시스템.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 공진기는
    영구(permanent) 자석에 의하여 바이어스(biased) 되어 동작하는
    무선 전력 전송 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 영구(permanent) 자석은
    마그네틱 세라믹(magnetic ceramics)으로 만들어진
    무선 전력 전송 시스템.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 공진기를 둘러싼 코일(coil)에 의해 수행되는
    무선 전력 전송 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 코일(coil)은 부하(load)에 연결되는
    무선 전력 전송 시스템.
  27. 제14항에 있어서,
    상기 소스는
    주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 공진 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도인
    무선 전력 전송 시스템.
  28. 제14항에 있어서,
    상기 소스는
    주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 가까운 거리에 위치하며, 비복사(non-radiating) 비공진(non-resonant) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도인
    무선 전력 전송 시스템.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 소스는
    주파수 f에서, 파장 길이(wave length) λ 보다 먼 거리에 위치하며, 복사(radiating) 구조를 가지고, 여기서, λ=c/f이고, c는 빛의 속도인
    무선 전력 전송 시스템.
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