KR102162859B1 - 다중기기의 자유 위치 무선 충전을 위한 무선 전력 송신 및 수신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일면에 따른 무선 전력 송신 장치는, 적어도 하나의 수신 코일로의 무선 전력 전송을 위한 충전 영역을 형성하는 메인 코일부, 및 상기 충전 영역에서 상기 적어도 하나의 수신 코일과의 상호 인덕턴스가 미리 정해진 범위 내에 있도록 상기 충전 영역에서의 상호 인덕턴스를 균등화하기 위한 균등화 코일부를 포함하는 송신 코일부; 및 소스로부터의 전력을 상기 송신 코일부로 전달하는 인피던스 매칭부를 포함할 수 있다.

Description

다중기기의 자유 위치 무선 충전을 위한 무선 전력 송신 및 수신 장치 {Wireless Power Transmitter and Receiver for Free Positioning Charging of Multiple Devices}

본 발명은 근거리 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치에 관한 것으로서, 특히, 무선 전력 송수신 장치 사이가 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 구조를 이용한 근거리 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치에 관한 것이다.

도 1은 송수신기의 각각의 공진코일을 사용한 일반적인 전자기 유도 방식 무선 전력전송 시스템의 등가회로이다. 송신 코일(Tx coil)의 자기 인덕턴스 L₁, 저항은 R₁, 공진을 위한 정전용량은 C₁이고, 수신 코일(Rx coil)의 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 공진을 위한 정전용량은 C₂일 때, 교류 소스 신호(Vs)를 받는 송신 코일(Tx coil)의 전력이 상호 인덕턴스 M₁₂에 따른 자기장 결합에 따라 수신 코일(Rx coil)에 연결된 부하(임피던스 Z_L)로 전력이 전달될 수 있다. 송신 코일(Tx coil)을 포함한 송전부는 전력 송신을 위한 송신기 장치에 구비되며, 수신 코일(Rx coil)을 포함한 수전부는 스마트폰, 아이패드 등 전력을 사용하는 각종 전자기기에 구비되고, 송전부에 가까이 전자기기를 위치시켜 놓고 전자기기의 수신 코일(Rx coil)을 통해서 부하(예, 배터리, 동작 회로 등)에 무선으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.

그런데, 이와 같은 무선 전력전송 시스템에서, 위와 같은 송수신 코일들(Tx coil, Rx coil) 사이의 자기장 결합의 세기는 송수신 코일 구조, 기하학적 배치 및 위치, 송수신 코일 사이의 거리에 따라서 달라진다. 다양한 환경의 변화에 따라, 송수신 코일 사이의 자기장 결합 세기가 변경될 경우 무선전력전송 시스템의 최적 전력전달 조건이 변경되어, 최대 전력전달 조건을 만족하기 위해 송신기 또는 수신기 측에 추가적인 임피던스 정합회로 또는 최적 전력전달 조건 제어를 위하여 전류 전압 센싱 회로 등 복잡성이 요구된다. 특히, 평판형 송신기를 사용할 경우, 평판 위에 놓여진 수신기의 위치에 따라 최적 임피던스 정합을 시켜주어야 하기 때문에, 송신기와 수신기 사이의 자유로운 위치(Free positioning)에서의 무선 전력 전송을 지원하기가 어려운 문제점이 있다. 또한, 위치마다 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스가 다르거나, 다중기기가 서로 다른 위치에 놓여 전력을 수신하게 되면 송신기측에서는 개별 기기마다 다른 임피던스 정합의 어려움이 있어서 다중기기에 동시에 전력 전송을 지원할 수 없는 문제점이 있다.

송수신기 간의 최대 전력 전달을 위한 종래의 무선 전력전송 기술과 관련하여, 다양한 문헌들이 존재하지만 그 중 다음과 같은 4가지 문헌들을 소개한다.

(1) A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science, vol. 317, pp. 83-86, July 2007.

(2) J. Park, Y. Tak, Y. Kim, Y. Kim, S. Nam, "Investigation of adaptive matching methods for near-field wireless power transfer", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, pp. 1769-1773, May 2011.

(3) W.S. Lee, H.L. Lee, K.S. Oh, and J.W. Yu, "Uniform magnetic field distribution of a spatially structured resonant coil for wireless power transfer" Applied physics Letters 100, 2012.

(4) W. S. Lee, W. I. Son, K. S. Oh, and J. W. Yu, "Contactless energy transfer systems using antiparallel resonant loops" IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 60, No. 1, January 2013.

위의 문헌(1)에서는 송수신 공진 코일에 추가적으로 송수신 커플링 코일을 사용하여 거리의 변동에 따라 달라지는 최대 전력전달 조건을 만족하도록 하였지만, 이 방법은 추가된 송수신 결합 코일을 물리적으로 움직여야 하기 때문에 제한된 공간을 이용한 경우에는 적용이 어려운 문제점이 있다.

위의 문헌(2)에서는 송수신 공진 코일의 거리에 따라, 최대 전력 전달을 위하여 최적 주파수를 트래킹하는 방법으로서 거리에 따라 커플링이 달라지면서 나타나는 송수신 투과 특성의 분할(Splitting) 현상을 이용하는 구성을 개시하지만, 근거리 무선전력전송을 위한 주파수가 고정된 경우 이러한 주파수 트래킹 방법을 사용하기는 어려운 문제점이 있다.

위의 문헌(3)에서는 사각 코일의 모양을 휘게하여 코일의 일정 높이에서 균일한 자기장 분포를 갖도록 하는 구조를 제안하였지만, 이 구조는 기계적으로 코일의 모양을 변경해야 하는 단점이 있다. 또한, 수신기가 균일 자기장을 갖지 않으면, 균일 상호 인덕턴스 또는 균일 성능 지수를 갖지 못하는 단점이 있다.

위의 문헌 (4)는 전류 방향이 반대로 동작하는 직렬 연결된 두 개의 루프 코일을 활용하여 송수신 코일의 거리에 따라 변화되는 상호 인덕턴스를 유지하는 방법을 개시한다. 이는 송수신 코일의 중심축이 일치된 경우에 대해서만 가능하지만, 평판형 송신기 위에서 수신기의 Free positioning이 어렵고, 또한 송신기 위에 놓인 복수의 수신 기기에 대한 무선 충전이 어렵다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 무선 전력 송수신 장치 사이가 균일한 성능 지수(Figure of merit: FoM), 즉, 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 구조를 적용함으로써, 기존과 같이 복잡한 적응형 임피던스 정합회로나 제어 회로를 별도로 사용하지 않고도 간단한 임피던스 정합 회로만을 사용하여 수신기의 충전 위치에 상관없이 일정한 효율을 가지게 할 수 있으며, 복수 개의 전자기기로의 무선 전력 전송에서도 임피던스 정합의 어려움 없이 동시에 전력 전송이 가능한 근거리 무선 전력 송신 및 수신 장치를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일면에 따른 무선 전력 송신 장치는, 적어도 하나의 수신 코일로의 무선 전력 전송을 위한 충전 영역을 형성하는 메인 코일부, 및 상기 충전 영역에서 상기 적어도 하나의 수신 코일과의 상호 인덕턴스가 미리 정해진 범위 내에 있도록 상기 충전 영역에서의 상호 인덕턴스를 균등화하기 위한 균등화 코일부를 포함하는 송신 코일부; 및 소스로부터의 전력을 상기 송신 코일부로 전달하는 인피던스 매칭부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 메인 코일부는 제 1 방향으로 전류가 흐르도록 중심축 방향으로 적어도 1회 감겨진 제 1 코일부를 포함하고, 상기 균등화 코일부는, 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며 상기 제 1 방향과 역방향인 제 2 방향으로 전류가 흐르도록 적어도 1회 감겨진 제 2 코일부; 및 상기 제 2 코일부 또는 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며, 상기 제 1 방향으로 전류가 흐르는 적어도 1개의 루프를 가지도록 적어도 1회 감겨진 제 3 코일부;중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 코일부는 적어도 2 개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬 연결된 각각의 도선은 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 제 3 코일부는 적어도 2개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 각각의 도선 중 적어도 어느 하나는 상기 제 1 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

여기서, 상기 제 3 코일부의 상기 병렬로 연결된 각각의 병렬 도선 중 다른 적어도 어느 하나는 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 메인 코일부는 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부 또는 상기 제 3 코일부 사이에 배치되며, 상기 제 1 코일과 중심축이 동일하고 상기 제 1 방향으로 전류가 흐르도록 적어도 1회 감겨진 제 4 코일부를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 메인 코일부와 균등화 코일부의 중심축이 일치하고, 상기 균등화 코일부는 상기 메인 코일부의 일단으로부터 연장 형성될 수 있다.

또한, 상기 균등화 코일부는 상기 충전 영역의 중심부에서의 자기장을 증가시켜, 상기 메인 코일부에 의하여 형성되는 충전 영역에서 보다 상호 인덕턴스의 균일성을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 송신 코일부 및 상기 임피던스 매칭부를 기반으로 하여 상기 충전 영역에 위치한 상기 적어도 하나의 수신 코일과 미리 정해진 범위의 상호 인덕턴스에 따라 전력을 송신하고, 상기 상호 인덕턴스를 기반으로 하여 상기 적어도 하나의 수신 코일의 위치 변경에 따른 임피던스 매칭을 변경하지 않고 전력을 송신 할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 무선 전력 송신 장치는, 다수 개의 코일부를 포함하고, 상기 다수 개의 코일부 중 적어도 어느 하나의 코일부는 다른 코일부에서 흐르는 전류 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르는 송신 코일부; 및 소스와 상기 송신 코일부의 사이에 구비되는 임피던스 매칭부를 포함하고, 상기 송신 코일부 및 상기 임피던스 매칭부를 기반으로 하여, 충전 영역에 위치한 적어도 하나의 수신 코일로 미리 정해진 범위의 상호 인덕턴스에 따라 전력을 송신할 수 있다.

여기서, 상기 송신 코일부는, 제 1 방향으로 전류가 흐르도록 중심축 방향으로 적어도 1회 감겨진 제 1 코일부; 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며 상기 제 1 방향과 역방향인 제 2 방향으로 전류가 흐르도록 적어도 1회 감겨진 제 2 코일부; 및 상기 제 2 코일부 또는 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며, 상기 제 1 방향으로 전류가 흐르는 적어도 1개의 루프를 가지도록 적어도 1회 감겨진 제 3 코일부;중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 코일부는 적어도 2 개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬 연결된 각각의 도선은 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 제 3 코일부는 적어도 2개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 각각의 도선 중 적어도 어느 하나는 상기 제 1 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 다수 개의 코일부는 중심축이 일치하며, 상기 제 2 코일부는 상기 제 1 코일부로부터 연장 형성되고, 상기 제 3 코일부는 상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부 중 적어도 어느 하나로부터 연장 형성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또다른 측면에 따른 무선 전력 수신 장치는, 다수 개의 코일부를 포함하고, 상기 다수 개의 코일부 중 적어도 어느 하나의 코일부는 다른 코일부에서 흐르는 전류 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르는 수신 코일부; 및 부하와 상기 수신 코일부의 사이에 구비되는 임피던스 매칭부를 포함하고, 상기 수신 코일부 및 상기 임피던스 매칭부를 기반으로 하여, 충전 영역에 위치한 적어도 하나의 송신 코일로부터 미리 정해진 범위의 상호 인덕턴스에 따라 전력을 수신할 수 있다.

여기서, 상기 수신 코일부는, 제 1 방향으로 전류가 흐르도록 중심축 방향으로 적어도 1회 감겨진 제 1 코일부; 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며 상기 제 1 방향과 역방향인 제 2 방향으로 전류가 흐르도록 적어도 1회 감겨진 제 2 코일부; 및 상기 제 2 코일부 또는 상기 제 1 코일부보다 작은 반경을 가지며, 상기 제 1 방향으로 전류가 흐르는 적어도 1개의 루프를 가지도록 적어도 1회 감겨진 제 3 코일부;중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 코일부는 적어도 2 개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬 연결된 각각의 도선은 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 제 3 코일부는 적어도 2개의 도선이 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 각각의 도선 중 적어도 어느 하나는 상기 제 1 방향으로 전류가 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 근거리 무선 전력 송신 및 수신 장치에 따르면, 송수신 장치 간의 위치의 변경에 따라 적응형 임피던스 정합 회로를 사용하지 않아도 되기 때문에 시스템의 복잡도가 낮아지며, 가격 또한 저렴하다.

또한, 단일 코일을 이용하여 별도의 추가적인 회로 없이 20% 이내의 균일 상호 인덕턴스를 갖는 무선 전력 전송 거리 또는 유효 무선 충전 범위 내에서 수신기와 송신기의 배치가 자유로운 Free positioning 이 가능하다.

그리고, 균일 상호 인덕턴스를 갖는 무선 전력 전송 거리 내에서 일정한 상호 인덕턴스를 갖기 때문에 복수개의 기기에서 동시에 무선 전력을 수신하여 각 기기의 동작을 위한 전력 제공이나 충전이 가능하다.

도 1은 송수신기의 각각의 공진코일을 사용한 일반적인 전자기 유도 방식 무선 전력전송 시스템의 등가회로이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 성능 지수(FOM)에 따른 송수신 최대 전력전달 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템에서 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스(M₁₂)에 대한 계산 결과의 일례이다.
도 5는 전기적으로 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 하는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 구조의 예이다.
도 6은 도 5의 구조를 갖도록 실제 제작된 코일의 예시다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 실제 제작된 수신 코일의 예시다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스 측정 결과이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 구성을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 구체적인 구성을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 구성을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 구체적인 구성을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.
도 20은 도 11과 도 15의 구조를 결합한 경우의 예시이다.
도 21은 도 5의 제안된 코일 구조와 도 5의 구조에서 N₃와 N₄를 제거하거나 N₄만을 제거한 구조의 자기장 변화를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 2와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은, 교류 소스 신호(Vs)를 받는 송신기(Transmitter)의 송신 (공진) 코일(Tx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₁, 저항은 R₁, 공진을 위한 정전용량은 C₁)이, 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 공진을 위한 정전용량은 C₂)로 상호 인덕턴스 M₁₂ 따른 전자기 유도 또는 자기장 결합으로 최대의 전력을 전송할 수 있도록, 송수신기에 임피던스 매칭을 위한 매칭 유닛(Tx matching unit, Rx matching unit)을 구비한다.

최대 전력 전달을 위하여, 송신기의 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)은 송신 코일(Tx coil)로 바라보는 임피던스를 입력 임피던스(Z_in)(소스에서 바라보는 임피던스)와 매칭시켜서 송신되는 소스 신호의 반사를 최소화(제거)하여야 하고, 부하(임피던스 Z_L)에 대한 임피던스 매칭 효과를 얻기 위한 수신기의 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)은 수신 코일(Rx coil)에서 부하 쪽으로 바라보는 임피던스의 공액 매칭(conjugate matching) 조건이 성립되어야 한다.

이때 매칭 유닛(Tx matching unit, Rx matching unit)에 의한 전도 저항 손실이 없을 경우, 최대 전력전달 효율 η(전송한 전력에 대한 부하에 전달된 전력의 비율)는 잘 알려져 있는 전자기학적 이론을 근거로 [수학식1]과 같이 유도 될 수 있다.

[수학식1]

여기서 FOM은 송수신 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FoM)를 말한다. 본 발명에서 제안된 하기하는 바와 같은 코일을 사용할 경우 [수학식1]의 R₁을 R_p로 변경하면 FOM과 최대 전력전달 효율 η를 구할 수 있다. 여기서, f_r은 송수신 코일(송신코일과 수신코일)의 공진 주파수이며, R₁은 송신 코일의 저항, R₂는 수신 코일의 저항, M₁₂은 송수신 코일의 상호 인덕턴스이다. [수학식1]에서 송수신 코일의 저항은 송수신 코일의 위치 변경 등에 거의 변동이 없기 때문에 시스템의 효율 η과 성능 지수 FoM는 M₁₂에 따라 달라진다.

본 발명에서, 송신기(Transmitter)는 스마트폰, 아이패드 등 전력을 사용하는 각종 전자기기에 장착된 위와 같은 수신기(Receiver)로 최대 전력 전달 효율로 무선 전력을 공급할 수 있으며, 무선 전력 송신기(Transmitter)에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하(예, 배터리, 기기 동작 회로 등)를 갖는 수신기(Receiver)로의 전력 전송에 있어서, 송신기(Transmitter)의 송신 코일(Tx coil)과 수신기(Receiver)의 수신 코일(Rx coil) 중 어느 하나 이상에 본 발명의 제안된 코일 구조물이 적용될 수 있는, 해당 송수신기 간의 위치의 변경에 따라 적응형 임피던스 정합 회로를 사용하지 않아도, 하기하는 바와 같이 위와 같은 원리에 따라 20% 이내의 성능 지수 FOM또는 균일 상호 인덕턴스 M₁₂를 갖는 무선 전력 전송 거리 내에서 간단하고 저렴하게 자유로운 Free positioning 에 적응하여 최대 전력 전달 효율로 무선 전력을 공급할 수 있다. 이와 같은 균일 상호 인덕턴스를 갖는 무선 전력 전송 거리 내에서 일정한 상호 인덕턴스를 갖기 때문에 복수개의 기기에서 동시에 무선 전력을 수신하여 배터리를 충전하거나 기기를 작동시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 성능 지수(FOM)에 따른 송수신 최대 전력전달 효율(η)을 나타내는 그래프이다. 여기서 최대 전력전달효율(η)은 송수신 매칭 유닛(Tx matching unit, Rx matching unit)에서 위와 같은 최대 전력전달 조건을 만족한 경우로서, 도 3과 같이 성능 지수(FoM)가 증가할수록 효율(η)이 증가하며, 성능지수(FOM)가 낮을수록 성능 지수의 변화에 따라 최대 전력전송 효율(η)의 변화가 더 큼을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템에서 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스(M₁₂)에 대한 계산 결과의 일례이다.

도 4의 (a)와 같이 송신 코일(Tx coil)과 수신 코일(Rx coil)은 중심이 일치되도록 나란하게 배치되어 있고, 반경이 10cm인 각 코일의 두께는 매우 가는 필라멘트리(filamentary) 코일로 가정하며, 단일 턴수로 가정한다. 단위는 모두 cm이다. 도 4의 (b)는 수신 코일(Rx coil)의 중심이 도면에서 y 방향으로 평행하게 이동 거리(rho)에 따라 변화되는 상호인덕턴스 값을 나타낸다. 이러한 송수신 구성은 일반적으로 송신기 위에 수신기를 올려 놓고(예, 도면에서 두 코일의 중심이 일치할 때 5cm 거리) 무선 충전하는 구조의 예가 될 수 있다. 그림에서처럼 두 코일의 중심이 일치할 때(y=0) 가장 큰 상호인덕턴스 값을 나타내며, rho가 증가할수록 점점 줄어들며 중심간 차이가 약 17cm근처에서는 상호인덕턴스 값이 0을 나타낸다. 즉, 두 코일의 상대적인 수평적 위치 변화(한 코일을 코일면에 수평으로 이동)에 따라 두 코일의 중심 간 거리가 달라지고 자기장이 커플링되는 면적이 바뀌어 상호 인덕턴스가 변화된다. 이러한 이유로 수신기가 송신기의 실제 충전 영역에서 움직일 때, 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스가 변화되며 이로 인해 최적 전력 전달 조건이 변경되어, 위치에 따라 최대 전력전달 효율(η)을 얻기 위해서는 송수신 매칭 유닛(Tx matching unit, Rx matching unit)에서 최대 전력전달 조건을 만족하도록 설계하여야 한다.

도 5는 전기적으로 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 하는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 구조의 예이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 하기 위한 코일 구조는 동일 중심으로부터 반경이 서로 다른(r₁, r₂, r₃, r₄) 4개의 부분(N₁, N₂, N₃, N₄)으로 이루어진다.

가장 외곽의 코일부 N₁은 입력 전류(I₀)를 받는 한쪽 끝단에서 시작되어 최외곽 반경 r₁(예, 아래 [표1]의 6.5cm 참조)으로부터 1회 이상(예, 3회) 등간격(p₁)(예, 아래 [표1]의 1.5mm 참조)으로 감긴 루프 코일(들)로 이루어지는 부분으로서, N₁의 각 루프 코일은 입력 전류와 동일한 전류 방향을 갖는다. 여기서 코일부 N₁으로 감긴 루프 코일들은 등간격인 것으로 예를 들어 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니고 비등간격으로 감길 수도 있다. 이하 다른 코일들 N₂, N₃, N₄ 각각도 복수회 감긴 코일로 이루어질 수 있으며 이때 등간격 또는 비등간격으로 감기는 형태일 수 있다.

코일부 N₁의 끝에 연결되어 연장되는 코일부 N₂은 코일부 N₁의 가장 안쪽 코일의 반경보다 작은 반경 r₂(예, 아래 [표1]의 6cm 참조)를 갖도록 감긴 단일 루프 코일인 것이 바람직하다(경우에 따라 복수 가능). 코일부 N₂의 루프 코일(들)은 코일부 N₁의 코일들 중 가장 안쪽 코일로부터 일정 간격을 가지며 이 간격은 코일부 N₁의 코일들의 간격(p₁)과 다른 것이 바람직하다(경우에 따라 동일 간격 가능).

코일부 N₂의 끝에 연결되는 코일부 N₃은 반경 r₂ 안쪽에 그 보다 작은 최외곽 반경 r₃(예, 아래 [표1]의 5.5cm 참조)를 갖도록 감긴 코일로서, 두 개의 코일이 일정 간격(예, 아래 [표1]의 5mm 참조)으로 병렬 연결된 코일(경우에 따라 3가닥 이상의 병렬 연결 형태 가능하며 그 코일들 사이의 간격은 비균등)이며, 코일부 N₁, N₂의 코일들과는 전류 방향이 반대가 되도록 단일회 또는 복수회 형성된다.

다시 코일부 N₃의 끝(두 개의 연결된 코일의 끝)에 연결되는 코일부 N₄은 코일부 N₃의 안쪽 코일의 반경보다 작은 반경 r₄(예, 아래 [표1]의 4.5cm 참조)를 갖도록 감긴 코일로서, 두 개의 코일이 일정 간격(예, 아래 [표1]의 15mm 참조)으로 병렬 연결된 코일(경우에 따라 3가닥 이상의 병렬 연결 형태 가능하며 그 코일들 사이의 간격은 비균등)이며, 코일부 N₁, N₂의 코일들과 전류 방향이 동일하도록 단일회 또는 복수회 형성된다. 코일부 N₄의 끝단(두 개의 연결된 코일의 끝)과 코일부 N₁이 시작되는 부분 사이, 또는 코일부 N₄의 끝단이나 코일부 N₁이 시작되는 부분 중 어느 한쪽 등 적절한 위치에 도 6과 같이 공진 주파수 및 임피던스 정합을 위해 커패시터(Cp)가 연결될 수 있다.

도 5에서 코일부 N₁에 인가되는 입력 전류(I₀)는 코일부 N₃ 의 병렬 코일에서 aI₀와 (1-a)I₀ 분배되어 흐르며, 마찬가지로 코일부 N₄ 의 병렬 코일에서 βI₀와 (1-β)I₀ 분배되어 흐르게 된다. a와 β는 양수 또는 음수도 가능하며, 절대값의 크기는 2보다 작다.

이와 같이 제안된 본 발명의 코일 구조에서 동심 원형 형태의 각 코일부를 구성한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 사각형, 육각형 등 필요에 따라 다양한 동심 다각형 형태로 각 코일부를 구성할 수도 있다. 또한, 각 코일부를 도 6과 같이 구리선 등 금속 도체 와이어로 구성한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 인쇄회로기판 공정이나 반도체 공정 등 필요에 따라 다양한 공정 기술로 각 코일부의 패턴을 형성하는 것도 가능하다. 이와 같은 인쇄회로기판 공정이나 반도체 공정 등을 이용하는 경우에 해당 인쇄회로기판 또는 반도체 기판 등 해당 기판의 양면 등 다층에 4개의 코일부(N₁, N₂, N₃, N₄)를 적절히 분산 배치되도록 형성할 수 있으며, 이때 각 층에 형성된 코일부 간의 연결은 비아(via) 홀 등을 통하여 연결되도록 할 수 있다.

또한, 이와 같은 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄)의 배치에 있어서 도 5, 도 6과 같이 예시적으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄)의 배치는 어느 위치 이든 상관이 없다. 또한, 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄) 중 생략되는 부분이 있을 수 있으며, 이때 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝 사이에 각 코일 부분이 적절히 연결될 수 있고, 코일(N₄)은 도 5, 도 6과 같이 중심부(가장 안쪽 영역)가 아니라 최외곽부에 배치하는 것도 가능하다.

[표1]

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 실제 제작된 수신 코일(Rx coil)의 예시다. 수신 코일(Rx coil)은 인쇄회로기판 공정을 통하여 제작될 수 있으며, 공진 주파수(f_r)는 6.78 MHz가 되도록 하였다. 이외에도 수신 코일(Rx coil) 역시 가는 구리선이나, 반도체 공정 등 위와 같은 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 이와 같은 수신 코일(Rx coil)은 하나의 예시적인 것이며, 도 5, 도 6과 같은 본 발명의 코일 구조물 형태를 수신 코일(Rx coil)에 적용할 수도 있다. 즉, 송신 코일(Tx coil)과 수신 코일(Rx coil)을 모두 도 5, 도 6과 같은 본 발명의 코일 구조물 형태로 할 수도 있고, 송신 코일(Tx coil)만 도 5, 도 6과 같은 본 발명의 코일 구조물 형태로 할 수도 있으며, 수신 코일(Rx coil)만을 도 5, 도 6과 같은 본 발명의 코일 구조물 형태로 할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송수신 코일 사이의 상호 인덕턴스(M₁₂) 측정 결과이다.

송신 코일(Tx coil)과 수신 코일(Rx coil)은 모두 6.78MHz의 공진 주파수를 갖도록 도 6과 같이, 코일부 N₄의 끝단(두 개의 연결된 코일의 끝)과 코일부 N₁이 시작되는 부분 사이, 또는 코일부 N₄의 끝단이나 코일부 N₁이 시작되는 부분 중 어느 한쪽 등 적절한 위치에 도 6과 같이 추가적으로 6.78 MHz공진 주파수를 위해 커패시터(Cp)가 연결될 수 있다.

도 8에서 그래프 a와 b는 도 6의 구조에서 N₃과 N₄ 코일부를 제외한 N₁과 N₂ 코일부만을 사용한 기존 형태의 코일 구조를 갖는 송신 코일과 도 7과 같은 구조의 수신 코일 사이의 상호 인덕턴스로서 case 1(도 4와 같은 좌표에서 수신 코일의 중심을 y 방향으로 이동시킴)과 case 2(도 4와 같은 좌표에서 수신 코일의 중심을 x 방향으로 이동시킴) 경우에 대한 것이다. 도 8에서 그래프 c와 d 는 도 6과 같은 구조의 송신 코일과 도 7과 같은 구조의 수신 코일 사이의 상호 인덕턴스로서 case 1(도 4와 같은 좌표에서 수신 코일의 중심을 코일면에 수평인 y 방향으로 이동시킴)과 case 2(도 4와 같은 좌표에서 수신 코일의 중심을 코일면에 수평인 x 방향으로 이동시킴) 경우에 대한 것이다.

도 8과 같이 그래프a 의 유색으로 처리된 부분인 충전 영역(charging zone)에서 두 코일 사이의 중심과 중심 사이의 거리 ρ(rho)가 변화되면 상호 인덕턴스 변화는 매우 크지만(예를 들어, (최대 상호인덕턴스-최소 상호인덕턴스)/최대상호인덕턴스>0.2), 두 코일 사이의 중심과 중심 간의 차이가 4cm 이내의 충전 영역(charging zone)에서 그래프c에서는 상호 인덕턴스의 변화가 매우 작다(예를 들어, (최대 상호인덕턴스-최소 상호인덕턴스)/최대상호인덕턴스<0.2). 모든 경우에 대해서 충전 영역(charging zone)을 벗어나면 상호 인덕턴스 값이 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 구성을 나타낸다.

도 5와 같이 본 발명의 일실시예에 따라 균일한 상호 인덕턴스를 갖도록 하기 위한, 반경이 서로 다른(r₁, r₂, r₃, r₄) 4개의 부분(N₁, N₂, N₃, N₄)으로 이루어진 본 발명에서 제안된 코일의 양끝단은, 송신기의 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)의 양끝단에 연결되어 송신 코일(Tx coil)로 사용될 수 있으며, 이때 송신 코일(Tx coil)인 제안된 코일은 전체적으로 저항 R_p 와 인덕턴스 L_p 로 등가화될 수 있으며, 송신 코일(Tx coil)인 제안된 코일의 한쪽 끝단과 송신기의 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)의 한쪽 끝단 사이에 커패시터 C_p가 연결될 수 있다. C_p는 공진 주파수 및 임피던스 정합을 위해 사용되며, 이외에도 코일부 N₄의 끝단과 코일부 N₁이 시작되는 부분 사이 등 다양한 형태로 커패시터 C_p가 연결될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 구체적인 구성을 나타낸다.

도 10과 같이, 송신기(Transmitter)에서는 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스) 양단에 소스 코일(source coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_s, 저항은 R_s)이 연결되고 소스 코일(source coil)의 어느 한쪽 끝에 커패시터 C_s이 연결될 수 있으며, 소스 코일(source coil)과 자기 결합(magnetic coupling)으로 이격된 송신 (공진) 코일(Tx coil)인, 커패시터 C_p 를 구비한 제안된 코일(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_p, 저항은 R_p)를 구비한다.

소스 코일(source coil)과 송신 (공진) 코일(Tx coil)은 직접 연결되지 않고 이격되어 자기장으로 결합되며, 소스 코일(source coil)과 송신 (공진) 코일(Tx coil) 사이의 상호 인덕턴스 M₁을 조절하여 임피던스 정합을 시킴으로써 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)으로 기능하도록 한다. 또한, 교류 소스 신호(Vs) 한쪽 끝 단과 소스 코일(source coil) 한쪽 끝 단 사이의 커패시터 C_S는 소스 코일(source coil)의 송신 (공진) 코일(Tx coil)과의 공진을 위해 사용될 수 있으며, 이는 반드시 필요한 것은 아니다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 11과 같이, 송신기(Transmitter)에서는 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스) 양단에 트랜스포머 1차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_s1, 저항은 R_s1)을 연결하고 트랜스포머 2차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_T1, 저항은 R_T1) 양단에 송신 (공진) 코일(Tx coil)인, 커패시터 C_p 가 양단에 구비된 제안된 코일(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_p, 저항은 R_p)를 구비한다. 여기서 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)으로 기능하는 트랜스포머는 공심(air core) 구조에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있고, 페라이트 코어와 같이 자성 재질을 포함한 재료에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 12와 같이, 송신기(Transmitter)에서는 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스) 양단에, 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)으로 기능하는 커패시터 C_m1가 연결되고, 이와 병렬로 커패시터 C_p 를 갖는 제안된 코일(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_p, 저항은 R_p)을 송신 (공진) 코일(Tx coil)로 구비할 수도 있다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 송신기(Transmitter)에 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용한 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 13과 같이, 송신기(Transmitter)에서는 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스) 양단에, 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)으로 기능하는 인덕터 L_m1가 연결되고, 이와 병렬로 커패시터 C_p 를 갖는 제안된 코일(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_p, 저항은 R_p)을 송신 (공진) 코일(Tx coil)로 구비할 수도 있다.

이와 같은 임피던스 매칭을 위한 도 10 내지 도 13의 방법 이외에도 코일, 트랜스포머, 커패시터, 인덕터 등의 다양한 결합을 이용하는 정합 회로가 사용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 구성을 나타낸다. 위에서도 기술한 바와 같이 이하에서 언급하는 수신 (공진) 코일(Rx coil)에 대하여, 도 7과 같은 코일 구조 또는 도 5와 같이 제안된 코일 구조를 적용할 수 있다.

도 14와 같이, 수신기(Receiver)에서는 송신 (공진) 코일(Tx coil)과 상호 인덕턴스 M₁₂ 로 커플링되는 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂)과 이의 양끝단에 연결되는 임피던스 매칭을 위한 매칭 유닛(Rx matching unit)을 구비하며, 매칭 유닛(Rx matching unit) 양단에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 부하(임피던스 Z_L)는 배터리 충전이나 기기의 동작을 위한 회로일 수 있다. C₂는 수신 코일(Rx coil)의 공진 주파수 조절과 임피던스 정합을 위해 사용된다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 구체적인 구성을 나타낸다.

도 15와 같이, 수신기(Receiver)에서는 수신 자기 공진 코일(self resonant coil)인 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂), 이와 자기 커플링으로 결합된 부하 코일(Load coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_L, 저항은 R_L)을 구비하며, 부하 코일(Load coil)의 어느 한쪽 끝에 커패시터 C_L이 연결될 수 있으며, 부하 코일(Load coil) 양단(또는 커패시터 C_L을 거친 양단)에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 부하 코일(Load coil)의 한쪽 끝 단과 부하(임피던스 Z_L)의 한쪽 끝 단 사이의 커패시터 C_L는 소스 코일(source coil)의 부하 코일(Load coil)의 공진 주파수 또는 임피던스 정합을 위해 사용될 수 있으며, 이는 반드시 필요한 것은 아니고 경우에 따라 제거될 수 있다. 여기서, 수신 (공진) 코일(Rx coil)과 부하 코일(Load coil) 사이의 상호 인덕턴스 M_L을 조절하여 임피던스 정합을 시킴으로써 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하도록 할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 16과 같이, 수신기(Receiver)에서는 수신 자기 공진 코일(self resonant coil)인 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂) 양단에 트랜스포머 1차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_T2, 저항은 R_T2)을 연결하고 트랜스포머 2차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_L2, 저항은 R_L2) 양단(또는 커패시터 C_L2을 거친 양단)에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 트랜스포머 2차측 한쪽 끝단과 부하(임피던스 Z_L)의 한쪽 끝단 사이의 커패시터 C_L2는 임피던스 정합을 위해 사용될 수 있으며, 이는 반드시 필요한 것은 아니고 경우에 따라 제거될 수 있다. 여기서, 여기서 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하는 트랜스포머는 공심(air core) 구조에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있고, 페라이트 코어와 같이 자성 재질을 포함한 재료에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있다.

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 17과 같이, 수신기(Receiver)에서는 수신 자기 공진 코일(self resonant coil)인 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂) 양단에, 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하는 인덕터 L_m2가 연결되고, 인덕터 L_m2의 양단(또는 커패시터 C_m을 거친 양단)에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 인덕터 L_m2의 한쪽 끝단과 부하(임피던스 Z_L) 의 한쪽 끝단 사이의 커패시터 C_m는 임피던스 정합을 위해 사용될 수 있으며, 이는 반드시 필요한 것은 아니고 경우에 따라 제거될 수 있다.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 18과 같이, 수신기(Receiver)에서는 수신 자기 공진 코일(self resonant coil)인 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂) 양단에, 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하는 커패시터 C_m가 연결되고, 커패시터 C_m의 양단에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 수신기(Receiver)의 또 다른 구체적인 구성을 나타낸다.

도 19와 같이, 수신기(Receiver)에서는 수신 자기 공진 코일(self resonant coil)인 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂) 양단에, 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하는 인덕터 L_m2가 연결되고, 인덕터 L_m2의 양단에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 이는 도 17에서 커패시터 C_m을 제거한 경우이다.

도 20은 도 11과 도 15의 구조를 결합한 경우의 예시이다.

도 20과 같이, 송신기(Transmitter)에서는 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스) 양단에 트랜스포머 1차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_s1, 저항은 R_s1)을 연결하고 트랜스포머 2차측(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_T1, 저항은 R_T1) 양단에 송신 (공진) 코일(Tx coil)인, 커패시터 C_p 가 양단에 구비된 제안된 코일(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_p, 저항은 R_p)를 구비한다. 여기서 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)으로 기능하는 트랜스포머는 공심(air core) 구조에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있고, 페라이트 코어와 같이 자성 재질을 포함한 재료에 1차측 및 2차측 코일이 감긴 구조일 수도 있다.

또한, 수신기(Receiver)에서는 송신 (공진) 코일(Tx coil)과 상호 인덕턴스 M₁₂ 로 커플링되는 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L₂, 저항은 R₂, 정전용량은 C₂)과, 이와 자기 커플링으로 결합된 부하 코일(Load coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L_L, 저항은 R_L)을 구비하며, 부하 코일(Load coil)의 어느 한쪽 끝에 커패시터 C_L이 연결될 수 있으며, 부하 코일(Load coil) 양단(또는 커패시터 C_L을 거친 양단)에 부하(임피던스 Z_L)가 연결되어 전력을 소모하는 구조를 이룬다. 부하 코일(Load coil)과 부하(임피던스 Z_L) 사이의 커패시터 C_L는 소스 코일(source coil)의 부하 코일(Load coil)의 공진 주파수 또는 임피던스 정합을 위해 사용될 수 있으며, 이는 반드시 필요한 것은 아니고 경우에 따라 제거될 수 있다. 여기서, 수신 (공진) 코일(Rx coil)과 부하 코일(Load coil) 사이의 상호 인덕턴스 M_L을 조절하여 임피던스 정합을 시킴으로써 임피던스 매칭 유닛(Rx matching unit)으로 기능하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 근거리 무선 전력전송 시스템에서는, 도 8과 같이 단일 코일을 이용하여 별도의 추가적인 회로 없이 20% 이내의 균일 상호 인덕턴스를 갖는 무선 전력 전송 거리 내에서 수신기와 송신기의 배치가, 상대적으로 중심이 수평적으로 위치 변동할 수 있도록(일정 거리 내에서 수직적 위치 변화도 허용함) 자유로운 Free positioning 이 가능하며, 상대적인 중심 위치가 수평적으로 다르게 놓인(일정 거리 내에서 수직적 위치 변화도 허용함) 복수개의 기기에서 각 수신 코일로 동시에 무선으로 전력을 수신하여 각 기기의 동작을 위한 전력 제공이나 충전이 가능하도록 하였다. 이와 같이 송수신기 간의 위치의 변경에 따라 적응형 임피던스 정합 회로를 사용하지 않아도 되기 때문에 시스템의 복잡도가 낮아지며, 가격 또한 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다.

*균일 상호 인덕턴스를 갖는 코일 구조는 다양한 형태가 존재할 수 있으며, 특히 본 발명에서 제안한 도 5와 같은 코일 구조는 직렬로 연결된 여러 개의 코일을 사용하며, 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄,)은 등간격 또는 비등간격으로 연결될 수 있으며, 복수개의 코일이 병렬로 연결된 구조도 있으며, 이와 같은 병렬로 연결된 구조는 입력 전류 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르는 코일일 수도 있고, 입력 전류 방향과 같은 방향으로 전류가 흐르는 코일일 수도 있다. 이와 같은 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄)의 배치에 있어서 도 5, 도 6과 같이 예시적으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄)의 배치는 어느 위치 이든 상관이 없다.

이와 같은 코일 구조를 통하여 적어도 자기장이 약한 부분(제안된 코일 구조에서는 중심부)의 자기장은 증가시켜, 전체적으로 코일 구조체 주변(중심으로부터 일정 거리 이내)에서 일정 범위, 예를 들어, (최대 상호인덕턴스-최소 상호인덕턴스)/최대상호인덕턴스<0.2를 만족하도록 상호 인덕턴스를 유지할 수 있게 된다. 이는 코일의 모양의 변경으로 이루어지는 것이 아니라, 코일의 배치를 조정하여 얻어지는 것이다. 이는 도 21과 같이, 시뮬레이션 결과를 통하여 확인되었다. 즉, 도 21은 각 코일 구조(H₁, H₂, H₃)로부터 1cm 높이에서 자기장(H_z)에 대한 시뮬레이션 결과로서, 그래프 H₃는 도 5의 구조에서 N₃, N₄를 제거하였을 때의 결과이며, 그래프 H₂는 도 5의 구조에서 N₄를 제거하였을 때의 결과이며, 그래프 H₁은 도 5의 구조 그대로이다. 도 21에서 알 수 있는 바와 같이, H₂와 H₃는 중심(radial displacement = rho = 0)의 자기장과 y 방향으로 평행하게 이동 거리 5cm 근처에서의 자기장 차이가 매우 크지만, H₁의 경우는 중심에서의 자기장이 매우 크게 나오며 y 방향으로 평행하게 이동한 위치에 따라 자기장이 감소하였다가 증가하는 형태로 나타남을 알 수 있다. 도 21과 같이 자기장이 중심부보다 약한 부분인 주변부의 자기장이 H₂나 H₃ 에서 보다 H₁의 경우는 감소될 수 있으나, 이는 예시적인 것이고, 각 코일(N₁, N₂, N₃, N₄,)의 배치 상태나 코일의 감은 수 등에 따라 주변부의 자기장은 증가 또는 감소될 수 있다.

이와 같은 균일 상호 인덕턴스를 갖는 코일 구조를 활용하여, 송수신기의 상호 위치가 변경되더라고 일정한 상호 인덕턴스 또는 성능 지수를 갖기 때문에, 미리 정해진 상호 인덕턴스에 적합한 임피던스 정합 회로를 송수신기에 구성하면 된다. 즉, 송수신기 위치에 따라 적합한 임피던스 매칭을 변경할 필요가 없다. 도 9 내지 도 20과 같이 임피던스 정합 회로는 다양한 구성이 존재한다.

또한, 상대적인 중심 위치가 수평적으로 다르게 놓인(일정 거리 내에서 수직적 위치 변화도 허용함) 복수 기기 각각의 수신기에서 각 수신 코일(Rx coil)로 동시에 무선으로 전력을 수신하는 경우와 같이, 다중 부하가 있을 때에는 송신기 측의 입력 임피던스(Z_in)가 그 수신 코일(Rx coil)의 수량 및 위치에 따라 달라질 수 있지만, 본 발명과 같이 균일 상호 인덕턴스를 갖는 송신 코일(Tx coil)의 적용으로 임피던스 매칭을 용이하게 구현할 수 있다.

예를 들어, 이와 같은 다중 부하에 대해서는 입력 임피던스(Z_in)가 수신기(Receiver) 또는 수신 코일(Rx coil)의 수량에 따라 변경되기 때문에, 송신기(Transmitter)에서 입력 임피던스(Z_in) 센싱 회로(도면에서 표시하지 않음)를 통하여 그 수량의 따른 부하의 변동을 센싱하고, 다중 부하(수신기(Receiver) 또는 수신 코일(Rx coil))의 각 위치에는 상관없이 단지 그 수량에 따라 입력 임피던스(Z_in)를 조절하여 임피던스 매칭이 이루어지도록 간단하게 구현이 가능하다.

또한, 도10과 같이 별도의 송신 코일을 삽입하여, 최대 부하 개수 및 그 이하에서도 항상 높은 효율을 갖도록 송신 코일을 적절하게 설계하여 다중 기기에 대한 임피던스 정합을 시켜줄 수 있다.

종래와 같이 균일 상호 인덕턴스를 갖지 않는 기존의 비균일 상호 인덕턴스 구조에서는 개별 수신기에 의한 상호 인덕턴스가 제각각 다르고 상호 인덕턴스의 변화가 크기 때문에　하나의 송신기로 복수의 부하를 지원할 수가 없는 문제가 있으나, 본 발명과 같이 입력 임피던스(Z_in) 센싱 회로(도면에서 표시하지 않음)를 통하여 수량에 따른 부하량 변동을 간단히 센싱하고 그에 맞게 입력 임피던스가 조절되도록 송신기의 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)의 저항값, 인덕턴스값, 또는 커패시턴스값을 제어하여 임피던스 매칭이 이루어지도록 함으로써 최대 전력전달 효율(η)로 무선 전력의 송수신이 가능하게 할 수 있다. 임피던스 매칭 유닛(Tx matching unit)의 저항값, 인덕턴스값, 또는 커패시턴스값 등의 제어는 별도의 저항, 인덕터, 커패시터 등이 회로 상에 추가되거나 제거되도록 스위칭 수단(예, MOSFET, BJT, SCR, Thyrister 등)을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 충전 영역에 위치하는 하나 이상의 대상 코일로 무선 전력을 전송하기 위한 코일 구조물로서,
   한쪽 끝에서 다른 쪽 끝 사이에, 상기 한쪽 끝에서 인가되는 입력 전류의 방향으로 전류가 흐르는 하나 이상의 코일부를 포함하되,
   상기 하나 이상의 코일부는,
   상기 입력 전류의 방향으로 전류가 흐르도록 2가닥 이상으로 분할되어 병렬 연결된 병렬 코일이 동일 평면 상에서 단일회 또는 복수회 중심 방향으로 동심을 이루도록 감긴 제1코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코일 구조물의 중심부의 자기장은 상대적으로 증가시켜 상기 충전 영역 내에서 상기 하나 이상의 대상 코일과의 상호 인덕턴스의 균일성을 가지며,
   이때 상기 충전 영역에서는 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
   (최대상호인덕턴스 - 최소상호인덕턴스)/최대상호인덕턴스 < 0.2,
   여기서, 최대상호인덕턴스는 상기 충전 영역에서의 상호 인덕턴스 최대치를 의미하며, 상기 최소상호인덕턴스는 상기 충전 영역에서의 상호 인덕턴스의 최소치를 의미한다.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 대상 코일은, 상대적으로 중심이 수평적으로 위치 변동 가능한 하나의 코일, 또는 상대적인 중심 위치가 수평적으로 다르게 놓인 복수의 코일인 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 코일 구조물을 이루는 하나 이상의 코일부는 인쇄회로기판 공정 또는 반도체 공정을 이용하여 형성되며, 다층에 분산 배치되어 형성된 코일들이 비아(via) 홀을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코일 구조물의 각 코일부가 동심 원형, 또는 동심 다각형으로 감긴 형태인 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1코일부는 3가닥 이상의 코일이 병렬 연결되어 구성되며, 이때 상기 3가닥 이상의 코일 사이의 간격은 비균등한 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
7. 제1항에 있어서,
   상기 하나 이상의 코일부는,
   상기 제1코일부와 중심이 일치하고, 상기 입력 전류의 방향으로 전류가 흐르도록 1가닥 이상의 코일이 동심을 이루어 감긴 제2코일부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 구조물.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 코일부는,
   상기 2가닥 이상으로 분할되어 병렬 연결된 병렬 코일에서 입력 전류(I₀)가 aI₀와 (1-a)I₀로 분배되어 흐르며,
   여기서, 상기 a는 양수 또는 음수이고 절대값의 크기는 2보다 작은 것을 특징으로 하는 코일 구조물.

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