KR102098643B1 - 무선 전력 송수신 장치 및 방법 - Google Patents

무선 전력 송수신 장치 및 방법 Download PDF

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KR102098643B1
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김기영
니콜라이 엔. 올류닌
알렉산더 쥐. 체르노칼로프
미하일 엔. 마쿠린
블라디미르 와이. 아르키펜코프
송금수
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Abstract

무선 전력 송수신 장치 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치는 자기장에 의하여 여기(excite)되는 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일일 포함할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다.

Description

무선 전력 송수신 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSCEIVING WIRELESS POWER}
아래의 실시 예들은 무선 전력 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치와 전력을 공급받는 무선 전력 수신 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치는, 자기장에 의하여 여기(excite)되는 적어도 하나의 자기변형 공진기(magnetostrictive resonator); 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질(soft magnetic material); 및 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 상기 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일(transducing coil)을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환 코일은, 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환(conversion)할 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 로드(rod) 형태일 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는, 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치하고, 상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 상기 적어도 하나의 연자성체 물질의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 고 투과율 페라이트 로드(high-permeability ferrite rod)일 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 일렬로(in a line) 얼라인(align)될 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는, 관(tube) 모양의 로드 형태이고, 자기변형 페라이트 물질(magnetostrictive ferrite material)로 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는, 원형 잔류 자화(circular remanent magnetization)를 갖고, 상기 자기장에 의하여 여기됨에 따라, 비틀림 진동 방식(torsional vibrational mode)으로 진동할 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 원통형의(cylindrical) 디멘션을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은, 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는, 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치는, 자기장에 의하여 여기(excite)되는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들; 및 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환 코일은, 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 로드 형태일 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기는, 원형 잔류 자화를 갖고, 상기 자기장에 의하여 여기됨에 따라, 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리내에서, 일렬로 얼라인될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리내에서, 평행하여 얼라인될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은, 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치의 매칭 방법은, 상기 무선 전력 전송 장치가 상기 무선 전력 수신 장치에 전송하는 전력의 크기를 측정하는 단계; 및 상기 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록, 상기 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일을 포함하는 무선 전력 수신 장치의 매칭 방법은. 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력 전송 장치로부터 수신하는 전력의 크기를 측정하는 단계; 및 상기 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록, 상기 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다. 무선 전력 송수신 장치는 전력 전송부 및 전력 수신부를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 송수신 장치는 무선 전력 전송 장치 또는 무선 전력 수신 장치를 의미할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치(110)는 적어도 하나의 자기변형 공진기(magnetostrictive resonator)(111), 하나의 연자성체 물질(soft magnetic material)(112) 및 적어도 하나의 변환 코일(transducing coil)(113)을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 솔리드 스테이트(solid-state) 자기 변형 공진기일 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111) 및 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 로드(rod) 형태일 수 있고, 원통형의(cylindrical) 디멘션을 가질 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 관(tube) 모양의 로드 형태일 수 있고, 자기변형 페라이트 물질로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 고 투과율 페라이트 로드(high-permeability ferrite rod)일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 자기장에 의하여 여기(excite)될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 외부의 영구 자석에 의하여 바이어싱(biasing)되거나, 원형 잔류 자화(circular remanent magnetization)를 가질 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 진동할 수 있다. 예를 들어, 로드 형태의 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다.
적어도 하나의 변환 코일(113)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 이에 따라, 적어도 하나의 변환 코일(113)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)에서 발생되는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
적어도 하나의 변환 코일(113)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(111) 또는 적어도 하나의 연자성체 물질(112)의 주변에 위치할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 변환 코일(113)과 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)는 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있고, 적어도 하나의 변환 코일(113)과 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은, 적어도 하나의 연자성체 물질(112)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)의 주변에 위치할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111) 및 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(111)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있고, 일렬로 얼라인(align)될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기(111) 및 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다. 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 자기장 집중기(magnetic field concentrator)의 역할을 수행할 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기(111) 및 적어도 하나의 연자성체 물질(112)이 근접한 위치에 존재함에 따라, 적어도 하나의 연자성체 물질(112)은 마그네틱 플럭스(magnetic flux)를 집중시킬 수 있고, 자기 회로(magnetic circuit)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 공진기내의 자기장의 크기가 증가될 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부의 커플링(또는, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 커플링이 증가될 수 있으며, 무선 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 일 실시예에 따른 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부(또는, 무선 전력 수신 장치)(120)는 적어도 하나의 자기변형 공진기(121), 적어도 하나의 연자성체 물질(122), 적어도 하나의 변환 코일(123)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부(또는, 무선 전력 전송 장치)는 LC 공진기(130)를 포함할 수 있다. LC 공진기(130)는 코일 권선(coil windings)(131), 페라이트 코어(ferrite core)(132), 매칭 권선(matching windings)(133), 캐패시터(134)를 포함할 수 있다. 코일 권선(131)은 LC 공진기(130)의 인덕턴스를 형성할 수 있다. 캐패시터(134)의 공진 주파수는 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)의 공진 주파수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 페라이트 코어(132)의 크기는 45×20×3 mm일 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 송신부 사이의 거리(또는, 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 송신 장치 사이의 거리)는 약 2cm일 수 있으며, 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)의 길이는 1cm일 수 있고, 지름은 3.5mm일 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(123)은 자기변형 공진기의 주변에 위치할 수 있다.
LC 공진기(130)는 페라이트 코어(132) 주위의 매칭 권선(133)을 이용하는 발전기(generator)에 의하여 여기될 수 있다. LC 공진기(130)가 여기됨에 따라, LC 공진기(130)는 자기장을 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 연자성체 물질(122)은 자기장 집중기의 역할을 수행할 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)는 LC 공진기(130)로부터 생성된 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)는 LC 공진기(130)로부터 생성된 교번 자기장(alternating magnetic field)에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)는 진동할 수 있다. 예를 들어, 로드 형태의 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(123)은 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
적어도 하나의 자기변형 공진기(121) 및 적어도 하나의 연자성체 물질(122)은 근접한 위치에 존재함에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기(121)를 여기시키는 자기장의 크기는 상당히 증가할 수 있다. 이에 따라, 공진기내의 자기장의 크기가 증가될 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부의 커플링(또는, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 커플링)이 증가될 수 있으며, 무선 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치(210)는 제1 자기변형 공진기(211), 제2 자기변형 공진기(212) 및 적어도 하나의 변환 코일(transducing coil)(213)을 포함할 수 있다.
제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 솔리드 스테이트 자기 변형 공진기일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 로드(rod) 형태일 수 있고, 원통형의(cylindrical) 디멘션을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 관(tube) 모양의 로드 형태일 수 있고, 자기변형 페라이트 물질로 구성될 수 있다. 또한, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다. 자기변형 공진기의 개수가 증가됨에 따라, 커플링된 자기변형 공진기의 개수 역시 증가될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 효율은 증가될 수 있다.
제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 외부의 영구 자석에 의하여 바이어싱 되거나, 원형 잔류 자화를 가질 수 있다. 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 진동할 수 있다. 예를 들어, 로드 형태의 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다.
적어도 하나의 변환 코일(213)은 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(213)은 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)의 주변에 위치할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 변환 코일(213)과 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다. 이 때, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 일렬로 얼라인될 수 있다. 예를 들어, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)는 1mm 미만의 거리에서 일렬로 얼라인될 수 있다. 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)가 일렬로 얼라인됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212)의 자기 소거(demagnetization)의 효과는 감소될 수 있다. 자기 소거의 효과가 감소되었다는 것은, 제1 자기변형 공진기(211) 및 제2 자기변형 공진기(212) 주변의 자기장의 크기가 증가된다는 것을 의미할 수 있다. 이에 따라, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부의 커플링(또는, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 커플링)이 증가될 수 있으며, 무선 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 일 실시예에 따른 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부(또는, 무선 전력 수신 장치)(220)는 제1 자기변형 공진기(221), 제2 자기변형 공진기(222), 적어도 하나의 변환 코일(223)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부(또는, 무선 전력 전송 장치)는 LC 공진기(230)를 포함할 수 있다. LC 공진기(230)는 코일 권선 (231), 페라이트 코어 (232), 매칭 권선(233), 캐패시터(234)를 포함할 수 있다. 코일 권선(231)은 LC 공진기(230)의 인덕턴스를 형성할 수 있다. 캐패시터(234)의 공진 주파수는 적어도 하나의 자기변형 공진기(221)의 공진 주파수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 페라이트 코어(232)의 크기는 45×20×3 mm일 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 송신부 사이의 거리(또는, 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 송신 장치 사이의 거리)는 약 2cm일 수 있으며, 적어도 하나의 자기변형 공진기(221)의 길이는 1cm일 수 있고, 지름은 3.5mm일 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(223)은 자기변형 공진기의 주변에 위치할 수 있다.
LC 공진기(230)는 페라이트 코어(232) 주위의 매칭 권선(233)을 이용하는 발전기에 의하여 여기될 수 있다. LC 공진기(230)가 여기됨에 따라, LC 공진기(230)는 자기장을 발생시킬 수 있다. 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)는 LC 공진기(230)로부터 생성된 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 예를 들어, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)는 LC 공진기(230)로부터 생성된 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)는 진동할 수 있다. 예를 들어, 로드 형태의 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(223)은 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 자기변형 공진기의 개수가 증가됨에 따라, 커플링된 자기변형 공진기의 개수 역시 증가될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 효율은 증가될 수 있다.
제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)가 일렬로 얼라인됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)의 자기 소거의 효과는 감소될 수 있고, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222) 주변의 자기장의 크기는 증가될 수 있다. 자기장의 크기가 증가됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(221) 및 제2 자기변형 공진기(222)의 여기는 보다 활성화될 수 있다. 이에 따라, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부의 커플링(또는, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 커플링)이 증가될 수 있으며, 무선 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치(310)는 제1 자기변형 공진기(311), 제2 자기변형 공진기(312) 및 적어도 하나의 변환 코일(313)을 포함할 수 있다.
제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 솔리드 스테이트 자기 변형 공진기일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 로드 형태일 수 있고, 원통형의 디멘션을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 관 모양의 로드 형태일 수 있고, 자기변형 페라이트 물질로 구성될 수 있다. 또한, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 외부의 영구 자석에 의하여 바이어싱 되거나, 원형 잔류 자화를 가질 수 있다. 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 진동할 수 있다. 일 실시예에서, 로드 형태의 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다.
적어도 하나의 변환 코일(313)은 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(313)은 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)의 주변에 위치할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 변환 코일(313)과 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다. 이 때, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)는 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312) 사이의 에너지 교환이, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)에서의 에너지 소멸보다 빠르도록, 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312)의 커플링이 강한 거리내에서, 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다. 제1 자기변형 공진기(311) 및 제2 자기변형 공진기(312) 사이에 강한 커플링이 발생됨에 따라, 무선 전력 전송 효율은 증가될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 일 실시예에 따른 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부(또는, 무선 전력 수신 장치)(320)는 제1 자기변형 공진기(321), 제2 자기변형 공진기(322), 적어도 하나의 변환 코일(323)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부(또는, 무선 전력 전송 장치)는 LC 공진기(330)를 포함할 수 있다. LC 공진기(330)는 코일 권선(331), 페라이트 코어 (332), 매칭 권선(333), 캐패시터(334)를 포함할 수 있다. 코일 권선(331)은 LC 공진기(330)의 인덕턴스를 형성할 수 있다. 캐패시터(334)의 공진 주파수는 적어도 하나의 자기변형 공진기(321)의 공진 주파수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 페라이트 코어(332)의 크기는 45×20×3 mm일 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 송신부 사이의 거리(또는, 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 송신 장치 사이의 거리)는 약 2cm일 수 있으며, 적어도 하나의 자기변형 공진기(321)의 길이는 1cm일 수 있고, 지름은 3.5mm일 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(323)은 자기변형 공진기의 주변에 위치할 수 있다.
LC 공진기(330)는 페라이트 코어(332) 주위의 매칭 권선(333)을 이용하는 발전기에 의하여 여기될 수 있다. LC 공진기(330)가 여기됨에 따라, LC 공진기(330)는 자기장을 발생시킬 수 있다. 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 LC 공진기(330)로부터 생성된 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 LC 공진기(330)로부터 생성된 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 진동할 수 있다. 예를 들어, 로드 형태의 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)가 여기됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일(323)은 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 자기변형 공진기의 개수가 증가됨에 따라, 커플링된 자기변형 공진기의 개수 역시 증가될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 효율은 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322) 사이의 에너지 교환이, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)에서의 에너지 소멸보다 빠를 정도로, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)의 커플링이 강한 거리내에서, 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다. 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322) 사이에 강한 커플링이 발생됨에 따라, 제1 자기변형 공진기(321) 및 제2 자기변형 공진기(322)는 하나의 공진기와 같이 동작할 수 있다. 이에 따라, 공진기내의 자기장의 크기가 증가될 수 있고, 제1 무선 전력 송수신 장치의 전력 전송부 및 제2 무선 전력 송수신 장치의 전력 수신부의 커플링(또는, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 커플링)이 증가될 수 있으며, 무선 전력 전송 효율이 증가될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치(이하, 제1 무선 전력 송수신 장치)(410)는 전력 전송부(420), 전력 수신부(430) 및 매칭부(440)를 포함할 수 있다. 제1 무선 전력 송수신 장치(410)는 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)와 무선 전력을 송수신할 수 있다. 전력 전송부(420) 및 전력 수신부(430)는 적어도 하나의 자기변형 공진기, 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질 및 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
전력 전송부(420) 및 전력 수신부(430)에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 연자성체 물질은 로드 형태일 수 있고, 원통형의 디멘션을 가질 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 관 모양의 로드 형태일 수 있고, 자기변형 페라이트 물질로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 연자성체 물질은 고 투과율 페라이트 로드일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 연자성체 물질은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에서 위치할 수 있고, 일렬로 얼라인될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 연자성체 물질은 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다.
적어도 하나의 변환 코일과 적어도 하나의 자기변형 공진기는 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있고, 적어도 하나의 변환 코일과 적어도 하나의 연자성체 물질은, 적어도 하나의 연자성체 물질의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 무선 전력 송수신 장치(410)가 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)에 전력을 전송할 경우, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 변환 코일 내에 존재하는 전류에 의하여 생성되는 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다.
적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 연자성체 물질이 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내의 근접한 위치에 존재함에 따라, 적어도 하나의 연자성체 물질은 마그네틱 플럭스를 집중시킬 수 있다. 마그네틱 플럭스가 집중됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기가 보다 활성화될 수 있고, 이로 인해 적어도 하나의 자기변형 공진기는 진동을 더 많이 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 제2 무선 전력 송수신 장치에 포함된 공진기와의 공진을 통하여 적어도 하나의 변환 코일에 의해 변환된 전기적 에너지를 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 무선 전력 송수신 장치(410)가 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)로부터 전력을 수신하는 경우, 전력 수신부(430)에 포함된 적어도 하나의 자기 변형 공진기는 제1 무선 전력 송수신 장치(410)에 의해 생성되는 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 전력 수신부(430)는 적어도 하나의 변환 코일로부터 변환된 전기적 에너지를 제1 무선 전력 송수신 장치(410)의 부하단(미도시)에 전달할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 전력 전송부(420) 및 전력 수신부(430)는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들 및 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
매칭부(440)는 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)를 매칭할 수 있다. 매칭부(440)는 전력 전송부(420) 및 전력 수신부(430)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기의 마그네틱 플럭스를 조절함으로써 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)을 매칭할 수 있고, 마그네틱 플럭스는 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치에 따라 조절될 수 있다. 이에 따라, 매칭부(440)는 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치를 이용하여 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)를 매칭할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 무선 전력 송수신 장치(410)가 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)에 전력을 전송할 경우, 매칭부(440)는 전력 전송부(420)이 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)에 전송하는 전력의 크기를 측정할 수 있다. 매칭부(440)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록 전력 전송부(420)에 포함된 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 전송부(420)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)를 매칭할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 무선 전력 송수신 장치(410)가 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)로부터 전력을 수신하는 경우, 매칭부(440)는 전력 수신부(430)가 제2 무선 전력 수신 장치(미도시)로부터 수신하는 전력의 크기를 측정할 수 있다. 매칭부(440)는 매칭부(440)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록 적어도 전력 수신부(430)에 포함된 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 수신부(430)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)를 매칭할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(510)는 전력 전송부(511) 및 매칭부(512)를 포함할 수 있고, 무선 전력 수신 장치(520)는 전력 수신부(521) 및 매칭부(522)를 포함할 수 있다.
전력 전송부(511) 및 전력 수신부(521)는 적어도 하나의 자기변형 공진기, 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질 및 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 전송부(511) 및 전력 수신부(521)는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들 및 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 전송부(511)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기는 변환 코일 내에 존재하는 전류에 의하여 생성되는 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 전력 수신부(521)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기와의 공진을 통하여 적어도 하나의 변환 코일에 의해 변환된 전기적 에너지를 전송할 수 있다.
매칭부(512)는 전력 전송부(511)가 제2 무선 전력 송수신 장치(520)에 전송하는 전력의 크기를 측정할 수 있다. 매칭부(512)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록 전력 전송부(511)에 포함된 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 전송부(511)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 제1 무선 전력 송수신 장치(510) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(520)를 매칭할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 수신부(521)에 포함된 적어도 하나의 자기 변형 공진기는 전력 전송부(511)에 포함된 자기변형 공진기에 의해 생성되는 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 전력 수신부(521)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 전력 수신부(521)는 적어도 하나의 변환 코일로부터 변환된 전기적 에너지를 제2 무선 전력 송수신 장치(520)의 부하단(미도시)에 전달할 수 있다.
매칭부(522)는 전력 수신부(521)가 제1 무선 전력 수신 장치(미도시)로부터 수신하는 전력의 크기를 측정할 수 있다. 매칭부(522)는 매칭부(522)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록 전력 수신부(521)에 포함된 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 수신부(521)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 제1 무선 전력 송수신 장치(410) 및 제2 무선 전력 송수신 장치(미도시)를 매칭할 수 있다.
도 5b는 도 5a의 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 보다 구체적으로 나타낸 것이다.
도 5b를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(550)는 가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply: Variable SMPS)(551), 전력 증폭기(Power Amplifier)(552), 매칭부(554), 송신 제어부(555) 및 통신부(556)를 포함할 수 있다.
가변 SMPS(551)는 전력 공급기(Power Supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 직류(DC) 전압을 생성한다. 가변 SMPS(Variable SMPS)(551)는 일정한 레벨의 직류 전압을 출력하거나 송신 제어부(Tx Control Logic)(555)의 제어에 따라 직류 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
가변 SMPS(551)는 Class-E 타입의 전력 증폭기(Power Amplifier)(552)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기(Power Amplifier)(552)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하도록 한다.
가변 SMPS(551) 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 가변 직류-직류(Variable 직류-직류) 변환기를 사용해야 한다. 상용 SMPS와 가변 직류-직류 변환기는 Class-E 타입의 전력 증폭기(Power Amplifier)(552)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기(552)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다.
전력 검출기(Power Detector)(557)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(551)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 송신 제어부(555)로 전달할 수 있다. 또한, 전력 검출기(557)는 전력 증폭기(552)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
전력 증폭기(Power Amplifier)(552)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류(AC) 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 전력 증폭기(Power Amplifier)(552)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(Power Amplifier)(552)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 무선 전력 수신 장치들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
수 킬로와트(KW)~수십 킬로와트에 해당하는 대 전력을 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 공진 주파수를 이용하여 전송하는 경우에는 전력 증폭기(552)가 사용되지 않을 수 있다. 대신에 가변 SMPS(551) 또는 대전력 전원으로부터 전력이 전력 전송부(553)로 전달될 수 있다. 이 경우, 전력 증폭기(552) 대신 인버터(inverter)가 사용될 수 있다. 인버터는 대전력 전원으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 인버터는 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써 전력을 변환할 수 있다. 예를 들어, 인버터는 소스 공진기의 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 공진 주파수를 이용하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류 전압으로 변환할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 무선 전력 수신 장치(560)의 디바이스 부하에서 소비되는 수 밀리와트(mW)~수십 킬로와트(KW)의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에서, "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 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 무선 전력 전송 장치(550)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
송신 제어부(555)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 전력 수신부(561)와 전력 전송부 (553) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 송신 제어부(555)는 반사파의 포락선(envelop) 또는 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭부(554)는 전력 전송부(553)가 무선 전력 수신 장치(560)에 전송하는 전력의 크기를 측정할 수 있다. 매칭부(554)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록 전력 전송부(553)에 포함된 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 전송부(553)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 무선 전력 전송 장치(550) 및 무선 전력 수신 장치(560)를 매칭할 수 있다.
송신 제어부(555)는 전력 전송부(553) 또는 전력 증폭기(552)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio: VSWR)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 송신 제어부(555)는 상기 전압정재파비(VSWR)가 기 설정된 값보다 커지면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹 주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 기준 공진 주파수 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 송신 제어부(555)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 송신 제어부(555)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 송신 제어부(555)는 전력 증폭기(552)를 제어함으로써, 무선 전력 수신 장치(560)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 통신부(556)는 인-밴드 통신을 통해 무선 전력 수신 장치(560)과 다양한 데이터(570)를 전송할 수 있다. 또한, 송신 제어부(555)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 무선 전력 수신 장치(560)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
송신 제어부(555)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드(in-band) 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(555)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 송신 제어부(555)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(555)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
송신 제어부(555)는 무선 전력 전송 장치(550)의 온도변화, 무선 전력 수신 장치(560)의 배터리 상태, 수신 전력량의 변화, 또는 무선 전력 수신 장치(560)의 온도 변화를 고려하여 무선 전력 수신 장치(560)로 전송할 초기 무선 전력을 결정할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(550)는 온도 변화를 감지하기 위한 온도 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(560)의 배터리 상태, 수신 전력량의 변화, 또는 무선 전력 수신 장치(560)의 온도 변화에 대한 정보는 통신을 통해 무선 전력 수신 장치(560)으로부터 수신할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신 장치(560)의 온도 변화는 무선 전력 수신 장치(560)으로부터 수신된 데이터에 기초하여 검출될 수 있다.
이때, 송신 제어부(555)는 무선 전력 전송 장치(550)의 온도의 변화에 따라 전력 증폭기(552)로 공급되는 전압의 조정 량이 저장된 룩업-테이블을 참조하여, 무선 전력 전송 장치(550)의 온도 변화에 따라 전력 증폭기(552)로 공급되는 전압을 조정할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(550)의 온도가 상승한 경우, 송신 제어부(555)는 전력 증폭기(552)로 공급되는 전압을 낮출 수 있다.
한편, 통신부(556)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(556)는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(556)는 아웃-밴드 통신을 통해 무선 전력 수신 장치(560)과 데이터(570)를 전송할 수 있다.
전력 전송부(553)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 전력 수신부(561)로 전달(transferring)한다. 전력 전송부(553) 는 적어도 하나의 자기변형 공진기, 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질 및 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 전송부(553)는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들 및 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
전력 전송부(553)에서, 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 연자성체 물질은 로드 형태일 수 있고, 원통형의 디멘션을 가질 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 관 모양의 로드 형태일 수 있고, 자기변형 페라이트 물질로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 연자성체 물질은 고 투과율 페라이트 로드일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 연자성체 물질은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에서 위치할 수 있고, 일렬로 얼라인될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 연자성체 물질은 이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일과 적어도 하나의 자기변형 공진기는 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있고, 적어도 하나의 변환 코일과 적어도 하나의 연자성체 물질은, 적어도 하나의 연자성체 물질의 길이보다 작은 거리 내에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 전송부(553)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기는 변환 코일 내에 존재하는 전류에 의하여 생성되는 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 전력 수신부(561)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기와의 공진을 통하여, 적어도 하나의 변환 코일에 의해 변환된 전기적 에너지를 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(560)는 매칭부(562), 정류기(563), 직류-직류 변환기(564), 통신부(565) 및 수신 제어부(Rx Control Logic)(566)를 포함할 수 있다.
전력 수신부(561)는 전력 전송부(553)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 또한, 전력 수신부(561)는 인-밴드 통신을 통해 무선 전력 전송 장치(550)로부터 다양한 데이터(570)를 수신할 수 있다.
전력 수신부(561)는 적어도 하나의 자기변형 공진기, 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질 및 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 수신부(561)는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들 및 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 자기 변형 공진기는 전력 전송부(553)에 의해 생성되는 교번 자기장에 의하여 여기될 수 있다. 적어도 하나의 자기변형 공진기는 원형 자화 전류를 가질 수 있고, 적어도 하나의 자기변형 공진기가 여기됨에 따라, 적어도 하나의 자기변형 공진기는 비틀림 진동 방식으로 진동할 수 있다. 적어도 하나의 변환 코일은 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 진동을 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
매칭부(562)는 무선 전력 전송 장치(550) 및 무선 전력 수신 장치(560)를 매칭할 수 있다. 매칭부(562)는 전력 수신부(561)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기의 마그네틱 플럭스를 조절함으로써 무선 전력 전송 장치(550) 및 무선 전력 수신 장치(560)을 매칭할 수 있고, 마그테틱 플럭스는 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치에 따라 조절될 수 있다. 이에 따라, 매칭부(562)는 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록, 전력 수신부(561)에 포함된 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 전력 수신부(561)에 포함된 적어도 하나의 자기변형 공진기와 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하여 무선 전력 전송 장치(550) 및 무선 전력 수신 장치(560)를 매칭할 수 있다.
정류기(563)는 교류 전압을 정류함으로써, 직류 전압을 생성한다. 정류기(563)는 전력 수신부(561)에 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
직류-직류 변환기(564)는 정류기(563)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(564)는 정류기(563)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
전력 검출기(Power Detector)(568)는 직류-직류 변환기(564)의 입력단(567)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(567)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 수신 제어부(Rx Control Logic)(555)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 무선 전력 전송 장치(550)의 송신 제어부(555)는 부하(Load)의 필요전력과 부하(Load)에 전달되는 전력을 고려하여, 무선 전력 전송 장치(550)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(565)를 통해 계산된 출력단의 전력이 무선 전력 전송 장치(550)로 전달되면, 무선 전력 전송 장치(550)는 전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(565)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 수신 제어부(566)는 전력 수신부(561)과 정류기(563) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류기(563)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 수신 제어부(566)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 수신 제어부(566)는 매칭부(562)를 통하여 전력 수신부(561)의 임피던스를 조정함으로써, 무선 전력 전송 장치(550)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 수신 제어부(566)는 전력 수신부(561)의 임피던스를 증가시킴으로써, 무선 전력 전송 장치(550)의 송신 제어부(555)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 무선 전력 전송 장치(550)의 송신 제어부(555)는 제1 값(예를 들어, 이진수 "0") 또는 제2 값(예를 들어, 이진수 "1")을 검출할 수 있다.
한편, 통신부(565)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(565)는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(565)는 아웃-밴드 통신을 통해 무선 전력 전송 장치(550)와 데이터(570)를 송수신 할 수 있다.
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 (22)

  1. 자기장에 의하여 여기(excite)되는 적어도 하나의 자기변형 공진기(magnetostrictive resonator);
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 적어도 하나의 연자성체 물질(soft magnetic material); 및
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 또는 상기 적어도 하나의 연자성체 물질의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일(transducing coil)
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 변환 코일은,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환(conversion)하고,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    로드(rod) 형태인,
    무선 전력 송수신 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치하고,
    상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    상기 적어도 하나의 연자성체 물질의 길이보다 작은 거리 내에 위치하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    고 투과율 페라이트 로드(high-permeability ferrite rod)인,
    무선 전력 송수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    일렬로(in a line) 얼라인(align)되는,
    무선 전력 송수신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는,
    관(tube) 모양의 로드 형태이고, 자기변형 페라이트 물질(magnetostrictive ferrite material)로 구성되는,
    무선 전력 송수신 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는,
    원형 잔류 자화(circular remanent magnetization)를 갖고, 상기 자기장에 의하여 여기됨에 따라, 비틀림 진동 방식(torsional vibrational mode)으로 진동하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    원통형의(cylindrical) 디멘션을 갖는,
    무선 전력 송수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기 및 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은,
    이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치하는
    무선 전력 송수신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기변형 공진기는,
    동일한 공진 주파수를 갖는,
    무선 전력 송수신 장치.
  12. 자기장에 의하여 여기(excite)되는 적어도 두 개의 자기변형 공진기들; 및
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 주변에 위치하는 적어도 하나의 변환 코일
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 변환 코일은,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 여기에 의하여 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고,
    상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리 내에 위치하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    로드 형태인,
    무선 전력 송수신 장치.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기는,
    원형 잔류 자화를 갖고, 상기 자기장에 의하여 여기됨에 따라, 비틀림 진동 방식으로 진동하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리내에서, 일렬로 얼라인되는,
    무선 전력 송수신 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들의 길이보다 작은 거리내에서, 평행하여 얼라인되는,
    무선 전력 송수신 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    이 차원 배열 또는 삼 차원 배열로 서로 평행하게 위치하는
    무선 전력 송수신 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 자기변형 공진기들은,
    동일한 공진 주파수를 갖는,
    무선 전력 송수신 장치.
  20. 제1 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치의 매칭 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치가 무선 전력 수신 장치에 전송하는 전력의 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록, 상기 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 상기 제1 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 무선 전력 전송 장치는 상기 제1 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 제2 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질을 더 포함하고,
    상기 제1 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은 상기 제1 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치하고,
    상기 제1 자기변형 공진기 및 상기 제2 자기변형 공진기 각각은 상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 제1 자기변형 공진기 및 상기 제2 자기변형 공진기 각각의 길이보다 작은 거리 내에 위치하는,
    무선 전력 전송 장치의 매칭 방법.
  21. 제1 자기변형 공진기 및 적어도 하나의 변환 코일을 포함하는 무선 전력 수신 장치의 매칭 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 전송 장치로부터 수신하는 전력의 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 측정되는 전력의 크기가 최대가 되도록, 상기 적어도 하나의 변환 코일의 턴수 또는 상기 제1 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 변환 코일의 상대적인 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 무선 전력 전송 장치는 상기 제1 자기변형 공진기의 주변에 위치하는 제2 자기변형 공진기 또는 적어도 하나의 연자성체 물질을 더 포함하고,
    상기 제1 자기변형 공진기와 상기 적어도 하나의 연자성체 물질은 상기 제1 자기변형 공진기의 길이보다 작은 거리 내에 위치하고,
    상기 제1 자기변형 공진기 및 상기 제2 자기변형 공진기 각각은 상기 적어도 하나의 변환 코일과 상기 제1 자기변형 공진기 및 상기 제2 자기변형 공진기 각각의 길이보다 작은 거리 내에 위치하는,
    무선 전력 수신 장치의 매칭 방법.
  22. 제20항 및 제21항 중 어느 하나의 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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