KR102238992B1 - 다지점 균일 자장 전력 전송 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 전원단자를 통해 교류전원을 출력하는 전원 출력부, 무선전력 충전을 위한 자기장 신호를 출력하는 충전 플레이트, 제1 전원단자에 연결되고 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제1 회전코일 및 제1 회전코일에 연결되고 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제2 회전코일을 포함하고, 제1 회전코일과 제2 회전코일은 서로 이격되어 충전 플레이트에 설치되는 전력 전송 장치에 관한 것이다.

Description

다지점 균일 자장 전력 전송 장치{POWER TRANSMISSION APPARATUS HAVING EVEN MAGNETIC FIELD AT MULTIPLE POINTS}

본 발명은 다지점 균일 자장 전력 전송 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 충전 플레이트 전체 영역 내에서 균일하게 자기공진 방식을 통해 무선전력 송출이 가능하고 제공되는 구조에 따라 저렴한 비용으로 내구성을 가지는 다지점 균일 자장 전력 전송 장치에 관한 것이다.

드론(drone)이 레저용뿐 아니라 산업용으로 널리 활용되고 있다. 예를 들어, 드론은 순찰용, 고압선 등에서의 화재 감시 등을 위해 활용되고 있고 나아가 물류 이동에 활용되거나 활용 예정되고 있다.

드론의 비행가능 시간은 구비된 배터리 제약과 구비된 모터 제어에 소비되는 전력량으로 인해 극히 제한된다. 드론은 배터리 용량과 모터 전력소비량에 따라 대략 15분에서 30분 이내의 비행가능 시간을 가진다. 이와 같이, 드론이 레저용뿐 아니라 산업용으로 유용하게 사용하기 위해서는 충전 시스템의 구비가 필수적이다.

산업용에 활용되는 드론은 작업자, 관리자 등의 관여 없이 자율 동작하도록 구성되어 작업자의 관리나 관여 없이 동작하는 무선충전 시스템의 구성이 필수적이다. 이와 같이 드론의 착륙 장소로 활용되는 충전 스테이션은 무인으로 자동 동작하여야 한다.

무선충전 시스템의 무선충전 방식은 자기유도 방식과 자기공진 방식으로 나눌 수 있다. 자기유도 방식은 구현이 간단하고 효율이 높으나 수 밀리미터(mm) 이내에서만 무선충전 가능하여 드론의 무선충전 시스템에 활용하기에는 한계가 존재한다.

드론은 바디(body)와 다리로 구성되고 바디 내에 충전 시스템을 내장할 수 있고 다리와 바디 사이에 일정한 거리를 가지는 구조로 되어 자기유도 방식으로 무선전력을 드론에서 수신하는 것이 용이치 않다.

자기공진 방식은 수 센티미터에서 최대 수 미터 이내까지 무선전력 전송이 가능하여 드론의 무선충전 시스템 방식으로 적합한 방식이다. 자기공진 방식을 통해 수십 센티미터 거리의 드론의 바디 내의 충전 시스템에 무선전력을 송출 가능하다.

한편, 드론은 GPS 센서를 구비하여 충전 스테이션의 GPS 위치에 착륙할 수 있다. GPS 센서의 오차를 반영하여 충전 스테이션이 구성될 필요가 있다. 즉, 충전 스테이션은 일반적으로 알려진 +/-20 센티미터 이상의 GPS 센서 오차를 반영하여 충전 스테이션의 착륙 플레이트의 사이즈를 크게 만들 필요가 존재한다.

착륙 플레이트를 크게 만드는 경우, 충전 스테이션의 송신 코일의 위치와 드론 바디에 위치하는 수신 코일의 위치가 서로 달라 무선전력 전송이 불가능할 수 있다. 자기공진 방식의 송실 코일과 수신 코일의 상호 위치가 일정범위 내인 경우에는 상호 간의 자기 공진을 통해 무선전력 전송이 가능하나 상호 위치가 일정범위 내를 벗어나면 무선전력 전송이 불가능해 지는 문제가 발생한다.

이와 같이, 드론의 충전 스테이션의 착륙 플레이트 내의 모든 위치에서 균일한 자기장 신호의 송출이 가능한 다지점 균일 자장 전력 전송 장치가 필요하다.

또한, GPS 오차를 반영하여 구성되는 착륙 플레이트 내의 모든 위치에서 균일 레벨의 자기장 신호의 송출을 위해서는 착륙 플레이트 내에 송신 코일을 촘촘하게 스파이럴 형상으로 감아 구성할 수 있다.

이 경우, 송신 코일의 양을 많이 사용하여 충전 스테이션의 제작 비용이 올라가는 문제가 발생한다.

따라서, 송신 코일의 양을 줄여 충전 스테이션의 제작 비용을 줄이고 충전 플레이트 내의 모든 위치에서 균일하게 무선전력 충전을 위한 자기장 신호를 송출 가능한 다지점 균일 자장 전력 전송 장치가 필요하다.

등록특허 10-1294581, 2013년08월07일

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 충전 플레이트 내의 모든 위치에서 균일한 자기장 신호를 송출하여 충전 플레이트의 임의 지점에서 무선전력 충전이 가능한 다지점 균일 자장 전력 전송 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 충전 플레이트의 모든 위치에서 균일한 자기장 신호를 송출하면서도 소비되는 송신 코일의 양을 줄여 그 제작비용을 줄일 수 있는 다지점 균일 자장 전력 전송 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 충전 플레이트의 사이즈가 커짐에도 다량의 송신 코일 사용을 지양하고 그 송신 코일에 고주파수의 고전압 인가가 이루어짐에도 구조화된 송신 코일의 배치 구조를 통해 송신 코일의 파손을 없애거나 줄일 수 있는 다지점 균일 자장 전력 전송 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 전력 전송 장치는 제1 전원단자를 통해 교류전원을 출력하는 전원 출력부, 무선전력 충전을 위한 자기장 신호를 출력하는 충전 플레이트, 제1 전원단자에 연결되고 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제1 회전코일 및 제1 회전코일에 연결되고 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제2 회전코일을 포함하고, 제1 회전코일과 제2 회전코일은 서로 이격되어 충전 플레이트에 설치된다.

상기한 전력 전송 장치에 있어서, 제1 회전코일은 충전 플레이트 상의 전원 출력부에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 회전코일에 연결되는 제2 지점까지 전원 와이어를 복수 회 회전하여 구성되고, 제2 회전코일은 제1 회전코일의 설치 위치로부터 설정된 간격 이상으로 이격되어 제1 회전코일에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 지점까지 전원 와이어를 복수 회 회전하여 구성되며, 전원 와이어는 리츠 와이어이다.

상기한 전력 전송 장치에 있어서, 제2 회전코일에 연결되어 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제3 회전코일을 더 포함하며, 제3 회전코일은 제2 회전코일의 설치 위치로부터 설정된 간격 이상으로 이격되어 제2 회전코일에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 지점까지 리츠 와이어를 복수 회 회전하여 구성된다.

상기한 전력 전송 장치에 있어서, 제1 회전코일, 제2 회전코일 및 제3 회전코일을 구성하고 회전코일 내에서 복수 회 각각 회전하는 리츠 와이어는 서로 연결되어 제1 전원단자에 전기적으로 연결되고, 제2 회전코일은 제1 회전코일과 지정된 간격 이상으로 이격되어 제1 회전코일 외곽의 충전 플레이트 위치에 설치되고, 제3 회전코일은 제2 회전코일과 지정된 간격 이상으로 이격되어 제2 회전코일 외곽의 충전 플레이트 위치에 설치된다.

상기한 전력 전송 장치에 있어서, 제2 회전코일의 길이는 제1 회전코일의 길이와 동일하거나 지정된 범위내의 길이를 가지고, 제3 회전코일의 길이는 제2 회전코일의 길이와 동일하거나 지정된 범위내의 길이를 가지며, 제2 회전코일의 제1 설치 지점과 제1 회전코일의 대응 지점 사이의 거리와 제2 회전코일의 제2 설치 지점과 제1 회전코일의 대응 지점 사이의 거리는 서로 상이하고, 제1 회전코일의 평균 곡률은 제2 회전코일의 평균 곡률보다 크고 제2 회전코일의 평균 곡률은 제3 회전코일의 평균 곡률보다 크다.

상기와 같은 본 발명에 따른 다지점 균일 자장 전력 전송 장치는 충전 플레이트 내의 모든 위치에서 균일한 자기장 신호를 송출하여 충전 플레이트의 임의 지점에서 무선전력 충전이 가능한 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 다지점 균일 자장 전력 전송 장치는 충전 플레이트의 모든 위치에서 균일한 자기장 신호를 송출하면서도 소비되는 송신 코일의 양을 줄여 그 제작비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 다지점 균일 자장 전력 전송 장치는 충전 플레이트의 사이즈가 커짐에도 다량의 송신 코일 사용을 지양하고 그 송신 코일에 고주파수의 고전압 인가가 이루어짐에도 구조화된 송신 코일의 배치 구조를 통해 송신 코일의 파손을 없애거나 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 전력 전송 장치를 포함하는 예시적인 무선전력충전 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 전력 전송 장치의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 3은 무선전력 전송부의 회전코일의 충전 플레이트에서의 예시적인 배치도를 도시한 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 전력 전송 장치(100)를 포함하는 예시적인 무선전력충전 시스템을 도시하는 도면이다.

도 1에 따르면 무선전력충전 시스템은 전력 전송 장치(100) 및 전력 수신 장치(200)를 포함한다.

도 1을 통해 무선전력충전 시스템을 간단히 살펴보면, 전력 전송 장치(100)는 무선전력을 송출한다. 본 발명에 따른 전력 전송 장치(100)는 자기공진 방식에 따른 무선전력을 송출할 수 있다. 전력 전송 장치(100)는 충전 플레이트(110)를 구비하여(포함하여) 충전 플레이트(110) 내부에 구비된 코일(송신코일)에 의해 생성되는 자기장 신호를 충전 플레이트(110)를 통해 외부로 출력할 수 있다.

전력 수신 장치(200)는 무선전력을 수신하고 바람직하게는 수신된 무선전력을 이용하여 내부의 부하에 전원을 공급한다. 전력 수신 장치(200)는 전력 전송 장치(100)의 충전 플레이트(110)로부터의 자기장 신호에 공진하여 집전하기 위한 코일을 구비하여 코일(수신코일)로부터 집전되는 전원으로 내부 부하에 전원을 공급할 수 있다. 부하는 전력 수신 장치(200)의 블록들에 전원을 공급하기 위한 배터리일 수 있다. 또는, 부하는 전력 수신 장치(200)에서 특정 기능을 수행하기 위한 회로, 칩셋, 모터 등일 수 있다.

이와 같이, 전력 수신 장치(200)는 공진 코일을 구비하여 무선전력을 수신하고 이를 내부 배터리 등에 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 무선전력충전 시스템은 드론의 무인 충전 시스템일 수 있다. 이 경우, 전력 전송 장치(100)는 드론(전력 수신 장치(200))의 착륙장으로 이용되고 착륙에 따라 드론(전력 수신 장치(200))의 배터리를 충전하기 위한 충전 스테이션일 수 있다.

본 발명에 따른 충전 스테이션(전력 전송 장치(100))은 드론(전력 수신 장치(200))의 GPS 오차를 반영한 착륙장 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 충전 스테이션(전력 전송 장치(100))은 1m*1m 크기(또는, 2m*2m)를 가지는 정사각형 형상의 충전 플레이트(110)를 가질 수 있다. 착륙장으로 이용되는 충전 플레이트(110)는 1m*1m 이상 크기를 가지는 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가질 수 있고 이 크기는 GPS 오차를 커버하고 드론(전력 수신 장치(200))의 크기를 반영하여 구성될 수 있다.

드론(전력 수신 장치(200))은 GPS 오차에 따라 충전 플레이트(110) 상의 임의의 지점에 착륙할 수 있다. 본 발명에 따라 구성되는 충전 스테이션(전력 전송 장치(100))은 충전 플레이트(110) 상의 임의 지점에서 균일한 자기장 신호를 송출할 수 있도록 구비된 송신 코일의 배치 구조를 가진다. 이에 따라, 드론(전력 수신 장치(200))은 착륙한 임의 지점에서 균일한 자기장 신호를 수신하여 내부 배터리를 충전할 수 있다.

드론(전력 수신 장치(200))은 몸체(바디)와 안전한 착륙과 몸체를 보호하기 위한 하나 이상의 다리를 구비한다. 바람직하게는 드론(전력 수신 장치(200))은 몸체 내에 수신 코일과 배터리를 구비하고 몸체로부터 수십 센티미터 거리의 충전 스테이션으로부터의 무선전력을 수신하고 몸체 내의 배터리를 집전되는 전력으로 충전한다.

이와 같은 드론(전력 수신 장치(200))의 구조 특성으로 인해, 자기공진 방식에 따라 일정한 거리에서도 충전 가능한 무선전력 충전 시스템이 바람직하게 이용된다. 송신 코일과 수신 코일의 접촉(적어도 수 밀리미터 이내의 접촉)에 따라 무선전력을 송수신하는 자기유도 방식의 무선전력 충전 시스템은 드론 충전 적용에 한계가 존재한다.

도 2는 전력 전송 장치(100)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.

도 2의 블록도는 무선 전력 송출을 위해 구성되는 회로(와 제어) 블록도를 나타낸다. 도 2에 따르면, 전력 전송 장치(100)는 전원소스(120), 전원 변환부(130), 전원 출력부(140), 무선전력 전송부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.

여기서, 전력 전송 장치(100)는 도 2에 표시되는 일부 블록을 생략할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)의 구성 등은 설계 예에 따라 생략될 수 있다. 또는, 전력 전송 장치(100)는 도 2에 도시되지 않은 다른 블록을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 장치(100)는 스피커, LED 등의 출력 인터페이스를 포함하여 각종 상태를 이미지 신호나 소리 신호로 출력하고 버튼 등과 같은 입력 인터페이스를 포함하여 사용자 등으로부터의 제어 입력을 수신할 수 있다.

도 2를 통해, 무선 전력 송출과 관련된 전력 전송 장치(100)의 블록들을 구체적으로 살펴보면, 전원소스(120)는 무선전력 송출에 이용되는 전원 소스를 전력 전송 장치(100) 내에 공급한다. 전원소스(120)는 외부로부터 공급되는 220V, 110V 교류전원을 포함하거나 직류전원을 저장하는 내장 배터리를 포함할 수 있다. 전원소스(120)가 외부의 교류전원인 경우에 전원소스(120)는 콘센트를 포함하여 외부 교류전원을 수신하고 이를 내부에 공급할 수 있다.

전원 변환부(130)는 전원소스(120)로부터의 전원을 제어부(160) 및/또는 전원 출력부(140)에서 이용될 전원으로 변환한다. 전원 변환부(130)는 (하나 이상의) 평활 회로를 포함하여 전원소스(120)의 교류전원을 지정된 레벨의 직류전원으로 변환할 수 있다. 또는, 전원 변환부(130)는 하나 이상의 DC-DC 변환기를 포함하여 내장 배터리로부터의 직류전원을 지정된 레벨의 직류전원으로 변환할 수 있다.

전원 출력부(140)는 두 개의 전원단자를 구비하고 두 전원단자를 통해 무선전력 전송용 교류전원을 출력한다. 전원 출력부(140)는 전원 변환부(130)로부터 출력되는 전원을 무선전력 전송부(150)의 회전코일(151 내지 155)에 인가될 교류전원으로 생성하여 출력할 수 있도록 구성된다.

전원 출력부(140)의 하나의 전원단자(이하 "제1 전원단자"라고도 함)와 다른 하나의 전원단자(이하 "제2 전원단자"라고도 함)는 전원 와이어를 통해 서로 연결되어 무선전력 충전에 이용되는 교류전원을 출력 가능하다.

전원 출력부(140)는 전원 변환부(130)로부터의 지정 레벨의 직류전원을 회전코일(151, 153, 155)에 인가되는 교류전원으로 변환하기 위한 전원 변환 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어. 전원 출력부(140)는 전원 변환부(130)로부터의 직류전원 또는 전원소스(120)로부터의 교류전원을 20kHz 이상의 주파수(예를 들어, 20kHz, 130kHz 등)를 가지고 지정된 전압을 가지는 교류전원(예를 들어, 1000V, 1500V, 2000V 등)으로 변환 생성하여 이를 무선전력 전송부(150)로 출력할 수 있도록 구성된다.

이와 같이, 전원 출력부(140)는 무선전력 전송을 위한 자기장 신호를 생성하기 위해 높은 주파수(20kHz 이상에서 200kHz 이하 등)를 가지고 고압(1000V 이상 2000V 이하 등)의 교류전원을 무선전력 전송부(150)로 출력한다.

무선전력 전송부(150)는 전원 출력부(140)로부터 공급받은 교류전원을 이용하여 전력 수신 장치(200)의 충전에 이용될 무선전력을 송출한다. 무선전력 전송부(150)는 다수의 송신코일을 구비하여 송신코일을 통해 무선전력 충전에 이용될 자기장 신호를 외부로 송출할 수 있도록 구성된다. 무선전력 전송부(150)는 자기공진 방식에 따른 무선전력 송신이 가능하도록 구성된다.

본 발명에 따른, 무선전력 전송부(150)는 적어도 두 개 이상의 회전코일(151, 153, 155)을 포함하고 회전코일들(151, 153, 155)은 전원 와이어를 통해 서로 연결(도 2 참조)된다.

즉, 무선전력 전송부(150)의 하나의 회전코일(151)은 전원 출력부(140)의 제1 전원단자(141)에 연결된다. 이 회전코일(151)은 내부에 단일의 전원 와이어를 이용하여 이 전원 와이어가 다수 회에 걸쳐 회전하도록 구성되고 다른 인접하는 회전코일(153)에 동일한 전원 와이어를 통해 연결된다. 마지막 회전코일(155)의 전원 와이어는 전원 출력부(140)의 제2 전원단자(143)에 연결될 수 있다.

도 3의 예와 같이, 무선전력 전송부(150)는 3개의 회전코일(151, 153, 155)을 가질(포함할) 수 있다. 회전코일(151, 153, 155)은 충전 플레이트(110) 상에 설치되고 각각의 회전코일(151, 153, 155)은 내부에 전원 와이어가 회전하여 서로 중첩하도록 구성된다.

예를 들어, 회전코일(151, 153, 155) 각각은 전원 와이어가 내부에 2회 이상 회전(예를 들어, 3회나 4회 등 )되어 단일 코일을 구성할 수 있다. 이에 따라, 하나의 회전코일(151, 153, 155) 내에는 동일한 방향으로 흐르는 전원 와이어가 중첩 배치되고 그에 따라 인덕턴스가 증가되어 전원 와이어의 비 중첩 또는 분리 대비 자기장 신호가 증가된다. 회전코일(151, 153, 155)은 절연물질로 랩핑(wrapping) 구성되어 랩핑 피복 내에서 전원 와이어가 중첩되어 인덕턴스 증가에 따른 자기장 신호를 출력 가능하다.

이에 따라, 적은 양의 전원 와이어를 사용하면서도 전력 수신 장치(200)(예를 들어, 드론)를 충전시키기 위한 충분한 크기의 인덕턴스를 확보 가능하다.

회전코일들(151, 153, 155)을 구성하는 전원 와이어는 서로 연결된 하나의 와이어(선)로 구성된다. 즉, 회전코일들(151, 153, 155)은 서로 이어진 단일의 전원 와이어를 통해 서로 연결되어 전원 출력부(140)로부터 출력되는 교류전원에 따라 회전코일(151, 153, 155)내의 전원 와이어의 중첩에 따라 유도되는 인덕턴스에 따른 자기장 신호를 충전 플레이트(110) 외부로 송출 가능하도록 구성된다.

하나의 회전코일(이하 "제1 회전코일"이라함)은 전원 출력부(140)의 제1 전원 단자에 연결되어 전원 출력부(140)의 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성한다. 제1 회전코일(151)은 충전 플레이트(110)의 평면상의 최 내측에 위치하고 충전 플레이트(110) 상에서 회전하는 형상을 가지고 구성된다. 제1 회전코일(151)은 복수 회 전원 와이어를 회전(및 중첩)시켜 구성되고 절연물질로 랩핑되어 하나의 단일 회전코일로 구성될 수 있다.

다른 하나의 회전코일(이하 "제2 회전코일"이라함)은 제1 회전코일(151)에 연결되어 전원 출력부(140)의 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성한다. 제2 회전코일(153)은 충전 플레이트(110) 상에서 제1 회전코일(151) 외측에 위치하고 충전 플레이트(110) 상의 제1 회전코일(151) 외측에서 회전하는 형상을 가지고 구성된다. 제2 회전코일(153)은 복수 회 전원 와이어를 회전시켜 구성되고 절연물질로 랩핑되어 구성될 수 있다.

또 다른 하나의 회전코일(이하 "제3 회전코일"이라함)은 제2 회전코일(153)에 연결되어 전원 출력부(140)의 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성한다. 제3 회전코일(155)은 충전 플레이트(110) 상에서 제2 회전코일(153) 외측에 위치하고 충전 플레이트(110) 상의 제2 회전코일(153) 외측에서 회전하는 형상을 가지고 구성된다. 제3 회전코일(155)은 복수 회 전원 와이어를 회전시켜 구성되고 절연물질로 랩핑되어 구성될 수 있다.

이와 같이, 무선전력 전송부(150)는 두 개 이상의 회전코일(151, 153, 155)을 가지고 각각의 회전 코일은 내부에 전원 와이어가 서로 중첩되도록 전원 와이어를 복수 회 회전시켜 구성된다. 무선전력 전송부(150)의 회전코일(151, 153, 155)을 구성하는 전원 와이어는 제1 전원단자(141) 및 제2 전원단자(143)을 통해 서로 전기적으로 연결된다.

도 3은 무선전력 전송부(150)의 회전코일(151, 153, 155)의 충전 플레이트(110)에서의 예시적인 배치도를 도시한 도면이다.

도 3의 예와 같이, 무선전력 전송부(150)는 제1 회전코일(151), 제2 회전코일(153) 및 제3 회전코일(155)을 포함할 수 있다. 도 3의 예와 달리, 무선전력 전송부(150)는 충전 플레이트(110)의 크기 등에 따라 두 개의 회전코일(151, 153) 또는 4개 이상의 회전코일을 가질 수 있다.

도 3의 충전 플레이트(110)는 예를 들어, 1미터*1미터 크기를 가질 수 있다. 충전 플레이트(110)는 내부에는 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)을 가지고 표면에는 나무, 고무, 플라스틱 등의 절연 재질로 내부의 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)을 보호하거나 격리할 수 있다.

제1 회전코일(151)은 전원 출력부(140)의 제1 전원단자(141)에 전원 와이어를 통해 연결된다. 제1 회전코일(151)은 제1 지점(전원 와이어의 인입 지점)을 통해 전원 출력부(140)의 제1 전원단자(141)에 전원 와이어를 통해 전기적으로 연결된다.

제1 회전코일(151)은 제1 지점에서(으로부터) 충전 플레이트(110) 상에서 회전하는 형태를 가진다. 제1 회전코일(151)은 피복, 절연 테이프 등으로 랩핑되고 랩핑 내부에는 동일한 회전방향(예를 들어, 모든 중첩 전원 와이어가 동일한 시계 방향 또는 반시계 반향으로 회전)으로 회전하는 다수의 전원 와이어가 중첩되어 구성될 수 있다. 이에 따라, 다수의 전원 와이어간 인덕턴스 증가로 크게 증가된 자기장 신호를 출력 가능하다.

제1 회전코일(151)은 적어도 제1 지점부터 제2 회전코일(153)에 연결되는 제2 지점(전원 와이어의 인출 지점)까지 서로 연결된(단일의) 전원 와이어로 복수 회 회전하여 구성된다. 예를 들어, 제1 회전코일(151)이 4 미터 길이를 가지고, 4개의 전원 와이어가 동일한 위치에서 중첩되는 경우, 제1 회전코일(151)은 그 4배(4번의 회전수)인 16미터 길이를 가지는 전원 와이어를 이용하여 구성될 수 있다.

제2 회전코일(153)은 제1 회전코일(151)에 전원 와이어를 통해 연결된다. 예를 들어, 제2 회전코일(153)의 제1 지점은 제1 회전코일(151)의 제2 지점에 전원 와이어를 통해 전기적으로 연결되고 제1 지점에서(으로부터) 충전 플레이트(110) 상에서 회전하는 형태를 가져 증가된 자기장 신호를 출력 가능하다. 제2 회전코일(153)은 적어도 제1 지점부터 제3 회전코일(155)에 연결되는 제2 지점(전원 와이어의 인출 지점)까지 서로 연결된(단일의) 전원 와이어로 복수 회 동일 방향(예를 들어, 모든 중첩 전원 와이어가 동일한 시계 방향 또는 반시계 반향으로 회전)으로 회전하여 구성될 수 있다.

제2 회전코일(153)은 제1 회전코일(151)의 설치 위치로부터 설정된 간격 이상으로 이격되어 제1 회전코일(151) 외곽의 충전 플레이트(110) 상에 설치된다. 예를 들어, 제2 회전코일(153)은 제1 회전코일(151)로부터 충전 플레이트(110)의 크기에 따라 적어도 지정된 거리(예를 들어, 5 센티미터, 10 센티미터 등) 이상의 거리를 가지고 설치될 수 있다. 이와 같이, 적어도 제2 회전코일(153)과 제1 회전코일(151)은 이격되어 분리 구성된다.

제3 회전코일(155)은 제2 회전코일(153)에 전원 와이어를 통해 연결된다. 예를 들어, 제3 회전코일(155)의 제1 지점은 제2 회전코일(153)의 제2 지점에 전원 와이어를 통해 전기적으로 연결되고 제1 지점부터 제2 지점까지 충전 플레이트(110) 상에서 회전하는 형태를 가져 증가된 자기장 신호를 출력 가능하다. 제3 회전코일(155)은 적어도 제1 지점부터 전원 출력부(140)의 제2 전원단자(143)에 연결되는 제2 지점(전원 와이어의 인출 지점)까지 서로 연결된(단일의) 전원 와이어로 복수 회 동일 방향(예를 들어, 모든 중첩 전원 와이어가 동일한 시계 방향 또는 반시계 반향으로 회전)으로 회전하여 구성될 수 있다.

여기서, 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)의 내부 전원 와이어의 회전 방향은 모두 동일할 수 있다. 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)에 다수의 전원 와이어가 동일한 방향으로 랩핑되어 전원 와이어간 결합도가 높아지고 이에 따라 분리된 다수의 전원 와이어보다 더 높은 인덕턴스 유도와 그에 따른 자기장 신호를 생성할 수 있다.

제3 회전코일(155)은 제2 회전코일(153)의 설치 위치로부터 설정된 간격 이상으로 이격되어 제2 회전코일(153) 외곽의 충전 플레이트(110) 상에 설치된다. 예를 들어, 제3 회전코일(155)은 충전 플레이트(110)의 크기에 따라 적어도 지정된 거리(예를 들어, 5 센티미터 등) 이상의 거리를 가지고 설치될 수 있다. 이와 같이, 적어도 제3 회전코일(155)과 제2 회전코일(153)은 서로 이격되어 분리 구성된다.

여기서, 각 회전코일(151, 153, 155)의 제1 지점과 제2 지점은 동일한 위치이거나 인접하는 위치일 수 있다. 그리고 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(153)을 전기적으로 연결하는 전원 와이어는 리츠(Litz) 와이어 일 수 있다. 리츠 와이어는 다수의 동-전선 다발(예를 들어, 32, 64, 128, 256 가닥 등)을 가지고 유입되는 교류전원에 의해 전선 표면에 전류가 흐르고 전선 내부에서 인덕턴스가 발생하여 이로부터 자기장 신호를 생성한다. 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(153)은 동일한 방향으로 회전되고 서로 중첩되는 복수의 리츠 와이어로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른, 전력 전송 장치(100)는 서로 일정한 거리 이상으로 이격된 회전코일(151, 153)을 적어도 두 개 이상 포함한다. 각각의 회전코일(151, 153, 155)은 리츠 와이어가 복수 회(복수 회의 회전수에 따라) 중첩되어 증가된 자기장 신호를 출력 가능하다.

전력 전송 장치(100)는 다수의 회전코일(151, 153, 155)을 가짐으로써 회전코일을 구성하는 전원 와이어의 중첩에 따른 문제점을 줄일 수 있다. 즉, 회전코일 (151, 153, 155) 내에 여러 번 리츠 와이어를 감아 리츠 와이어간의 결합도에 따라 인덕턴스 증가를 가져올 수 있는 반면 회전코일(151, 153, 155)을 여러 개 둠으로써 회전코일 내에 인가되는 교류전원에 따른 내압 문제점을 여러 회전코일(151, 153, 155)로 분산시킬 수 있다.

하나의 회전코일에 수많은 리츠 와이어를 중첩 시키는 것으로 가정할 수 있으나, 이 경우 충전 플레이트(110) 상에 균일한 자기장 신호를 출력하는 것이 불가능하다. 그에 따라 GPS 센서의 오차에 따라 충전 플레이트(110)의 임의 위치에서는 무선전력 충전이 불가능하다.

대안으로, 충전 플레이트(110)의 모든 위치에서 설정된 임계치 이상의 자기장 신호를 출력하기 위해 하나의 회전코일에 수많은 리츠 와이어를 감을 수(랩핑) 있다. 예를 들어, 단일의 회전코일에 본 발명에 따른 4회보다 3배 이상인 12회 리츠 와이어를 회전시켜 회전코일의 구성을 가정할 수 있다.

이 경우, 12회 감긴 리츠 와이어는 인가되는 교류전원 사이에 충돌이 발생할 수 있다. 특히, 20kHz 이상이면서 1000V 이상의 고 주파수의 고전압 교류전원을 중첩하는 리츠 와이어에 인가하는 경우, 다수(12회)의 중첩하는 리츠 와이어 사이의 전압 차(1000V 등)에 따라 절연이 파괴되거나 스파크 등이 발생하게 된다. 즉, 리츠 와이어에 대한 내압 설계 이상의 한계 상황이 발생하여 쇼트, 융착, 스파크 등의 문제점이 발생한다. 이러한 내압 관련 문제점은 수많은 실험과 분석을 통해 발견되었다.

본 발명에 따른, 전력 전송 장치(100)는 복수의 회전코일(151, 153, 155)을 가지고 각각의 회전코일들(151, 153, 155)은 서로 이격된다. 또한, 회전코일(151, 153, 155)은 단일 회전코일(앞의 예에서 12회) 대비 적은 회전수로 구성될 수 있다. 그에 따라, 각 회전코일(151, 153, 155)의 중첩되는 리츠 와이어는 상대적으로 낮은 한계 상황이 발생한다. 예를 들어, 20kHz, 1000V 교류전원이 인가되고 4개의 회전코일이 연결된 경우 하나의 회전코일은 250V 내압에 견딜 수 있도록 설계되면 된다. 그에 따라, 특수 설계된 리츠 와이어의 구비 없이 기존의 리츠 와이어를 이용하여 무선전력 송출이 가능한 전력 전송 장치(100)를 구성할 수 있다.

제1 회전코일(151), 제2 회전코일(153) 및 제3 회전코일(155)을 구성하고 회전코일 각각 내에서 복수 회 회전하도록 구성되는 리츠 와이어는 서로 연결되어 전원 출력부(140)의 제1 전원단자(141)와 제2 전원단자(143)에 전기적으로 연결된다.

도 3의 예와 같이, 제1 회전코일(151), 제2 회전코일(153) 및 제3 회전코일(155)은 그 길이가 동일하거나 지정된 범위 내의 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 회전코일(151)은 충전 플레이트(110)의 크기에 따라 설정되는 제1 길이를 가질 수 있다. 제1 길이는 충전 플레이트(110)의 외곽 4변의 총 길이와 동일하거나 일정 비율(예를 들어, 90% 등) 내의 길이를 가질 수 있다.

제2 회전코일(153)의 길이는 제1 회전코일(151)의 제1 길이와 동일하거나 일정한 범위(예를 들어, +/-105% 이내) 내인 제2 길이를 가질 수 있다. 또한, 제3 회전코일(155)의 길이는 제2 회전코일(153)의 길이와 동일하거나 일정한 범위(예를 들어, +/-105% 이내) 내인 제3 길이를 가질 수 있다.

도 3은 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)의 그 길이가 서로 동일한 경우의 예를 나타내는 데, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 회전코일(151)과 제2 회전코일(153)은 서로 설정된 간격 이상의 거리를 가지고, 전원홀(111)의 중심으로부터 외측 방향으로의 특정 직선에서 만나는 제1 회전코일(151)의 지점과 제2 회전코일(153)의 대응 지점 사이의 거리(d1(a))는 전원홀(111)의 중심으로부터 외측 방향으로의 다른 특정 직선에서 만나는 제1 회전코일(151)의 지점과 제2 회전코일(153)의 대응 지점 사이의 거리(d1(b))와 서로 다르도록 구성된다.

또한, 제2 회전코일(153)과 제3 회전코일(155)은 서로 설정된 간격 이상의 거리를 가지고, 전원홀(111)의 중심으로부터 외측 방향으로의 특정 직선에서 만나는 제2 회전코일(153)의 지점과 제3 회전코일(155)의 대응 지점 사이의 거리(d2(a))는 전원홀(111)의 중심으로부터 외측 방향으로의 다른 특정 직선에서 만나는 제2 회전코일(153)의 지점과 제3 회전코일(155)의 대응 지점 사이의 거리(d1(b))와 서로 다르다.

제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)은 동일한 길이를 가지거나 설정된 비율(범위)(예를 들어, 인접하는 회전코일과 5% 이내 등)내의 길이를 가지도록 바람직하게 설계된다.

그에 따라, 내측에 위치하는 제1 회전코일(151)에서의 평균 곡률(curvature)(예를 들어, 제1 회전코일(151)의 지정된 간격(예를 들어, 5Cm, 10Cm 등)에 떨어진 위치들에서 각각 측정한 곡률값의 평균)은 제1 회전코일(151) 외측에 위치하여 설치되는 제2 회전코일(153)의 평균 곡률(예를 들어, 제2 회전코일(153)의 동일한 지정된 간격에 떨어진 위치들에서 각각 측정한 곡률값의 평균)보다 크도록 구성된다. 더 높은 평균 곡률을 가지는 제1 회전코일(151)은 더 많은 휨을 가져 설치된 위치 영역 내에서 자기장 신호의 편차를 줄이면서 균일한 자기장 신호를 송출 가능하다.

또한, 제2 회전코일(153)에서의 평균 곡률(curvature)(예를 들어, 제2 회전코일(153)의 지정된 간격(예를 들어, 1Cm 등)에 떨어진 위치들에서 각각 측정한 곡률값의 평균)은 제2 회전코일(153) 외측에 위치하여 설치되는 제3 회전코일(155)의 평균 곡률(예를 들어, 제3 회전코일(155)의 동일한 지정된 간격에 떨어진 위치들에서 각각 측정한 곡률값의 평균)보다 크도록 구성된다. 더 높은 평균 곡률을 가지는 제2 회전코일(153)은 제3 회전코일(155) 대비 더 많은 휨을 가져 설치된 위치 내에서 자기장 신호의 편차를 줄이면서 균일한 자기장 신호를 송출 가능하다.

바람직하게, 제2 회전코일(153)과 제3 회전코일(155) 사이에 설정되는 최소 간격은 제1 회전코일(151) 및 제2 회전코일(153) 사이에 설정되는 최소 간격보다 작도록 구성된다. 이에 따라, 내측에 위치하는 제1 회전코일(151)은 곡률에 의해 균일한 자기장 신호를 출력가능하고 외측의 넓은 영역에 위치하는 제2 회전코일(153)과 제3 회전코일(155)은 서로 간의 간격과 상대적인 그 곡률에 의해 균일한 자기장 신호를 출력 가능하다. 제1 회전코일(151) 내지 제3 회전코일(155)은 충전 플레이트(110) 상에 다수의 고정 수단을 이용하여 고정되어 지정되거나 설정되는 평균 곡률을 가질 수 있도록 배치된다.

다시 도 2를 통해 전력 전송 장치(100)를 살펴보면, 제어부(160)는 전력 전송 장치(100)를 제어한다. 제어부(160)는 마이컴, 프로세서, CPU, MPU, 중앙처리장치 및/또는 제어를 위한 회로를 포함하여 전원 출력부(140)를 제어하여 충전을 위한 무선전력을 송출하거나 무선전력 송출을 차단할 수 있다.

전력 전송 장치(100)는 충전 플레이트(110)를 더 포함할 수 있다. 충전 플레이트(110)는 전력 수신 장치(200)를 무선충전하기 위한 영역으로 이용되고 예를 들어, 드론의 착륙 장소로 이용될 수 있다.

충전 플레이트(110)의 표면은 나무, 플라스틱, 고무 등과 같은 절연 재질로 구성되고 내부의 회전코일들(151, 153, 155)을 보호하고 무선전력 충전을 위한 회전코일(151, 153, 155)로부터의 자기장 신호를 외부로 출력할 수 있도록 구성된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100 : 전력 전송 장치
110 : 충전 플레이트
111 : 전원홀
120 : 전원소스
130 : 전원 변환부
140 : 전원 출력부
141 : 제1 전원단자 143 : 제2 전원단자
150 : 무선전력 전송부
151 : 제1 회전코일 153 : 제2 회전코일
155 : 제3 회전코일
160 : 제어부
200 : 전력 수신 장치

Claims (5)

1. 자기공진 방식에 따른 무선전력을 송출하는 전력 전송 장치로서,
   제1 전원단자 및 제2 전원단자를 통해 20kHz 이상 200kHz 이하의 주파수를 가지고 1000V 이상에서 2000V 이하에서의 지정된 전압을 가지는 교류전원을 출력하는 전원 출력부;
   무선전력 충전을 위한 자기장 신호를 출력하는 충전 플레이트;
   상기 제1 전원단자에 연결되고 상기 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제1 회전코일로서, 상기 제1 회전코일은 상기 충전 플레이트 상의 상기 전원 출력부에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 지점까지 단일의 리츠 와이어를 동일 방향으로 복수 회 회전하여 절연물질의 랩핑 피복 내에 상기 리츠 와이어가 서로 중첩하도록 구성되는, 제1 회전코일;
   상기 제1 회전코일에 연결되고 상기 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제2 회전코일로서, 상기 제2 회전코일은 상기 제1 회전코일의 외측에 상기 제1 회전코일의 상기 충전 플레이트 상의 설치 위치로부터 제1 간격 이상으로 이격되어 상기 제1 회전코일에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 지점까지 단일의 리츠 와이어를 상기 동일 방향으로 복수 회 회전하여 절연물질의 랩핑 피복 내에 상기 리츠 와이어가 서로 중첩하도록 구성되는, 제2 회전코일; 및
   상기 제2 회전코일 및 상기 제2 전원단자에 연결되어 상기 교류전원으로부터 자기장 신호를 생성하는 제3 회전코일로서, 상기 제3 회전코일은 상기 제2 회전코일의 외측에 상기 제2 회전코일의 상기 충전 플레이트 상의 설치 위치로부터 제2 간격 이상으로 이격되어 상기 제2 회전코일에 연결되는 제1 지점으로부터 제2 지점까지 단일의 리츠 와이어를 상기 동일 방향으로 복수 회 회전하여 절연물질의 랩핑 피복 내에 상기 리츠 와이어가 서로 중첩하도록 구성되는, 제3 회전코일;을 포함하고,
   상기 제2 회전코일의 길이는 상기 제1 회전코일의 길이와 동일하거나 상기 제1 회전코일의 길이로부터 5% 범위 내의 길이를 가지고,
   상기 제3 회전코일의 길이는 상기 제2 회전코일의 길이와 동일하거나 상기 제2 회전코일의 길이로부터 상기 5% 범위 내의 길이를 가지고,
   상기 제1 회전코일의 길이는 상기 충전 플레이트의 크기에 따라 설정되고,
   상기 충전 플레이트에 설치되는 상기 제1 회전코일의 평균 곡률은 상기 충전 플레이트의 상기 제1 회전코일 외측에 설치되는 상기 제2 회전코일의 평균 곡률보다 크고,
   상기 제2 회전코일의 평균 곡률은 상기 충전 플레이트의 상기 제2 회전코일 외측에 설치되고 상기 충전 플레이트의 외곽 4변에 인접하는 상기 제3 회전코일의 평균 곡률보다 크고,
   상기 제3 회전코일과 상기 제2 회전코일 사이의 최소 간격인 상기 제2 간격은 상기 제2 회전코일과 상기 제1 회전코일 사이의 최소 간격인 상기 제1 간격보다 작고,
   상기 제2 회전코일의 제1 설치 지점과 상기 제1 회전코일의 대응 지점 사이의 상기 제1 간격 이상의 거리와 상기 제2 회전코일의 제2 설치 지점과 상기 제1 회전코일의 대응 지점 사이의 상기 제1 간격 이상의 거리는 서로 상이하고,
   상기 제1 회전코일, 상기 제2 회전코일 및 상기 제3 회전코일 각각은 복수 회 회전된 상기 리츠 와이어를 절연물질의 피복으로 랩핑한 단일의 회전코일로 구성되어 표면이 절연재질로 구성되는 상기 충전 플레이트 내부에 설치되며,
   직사각형 형상의 상기 충전 플레이트는 드론의 착륙장으로 이용되는,
   전력 전송 장치.
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