KR102365766B1 - 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Abstract

무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치가 개시된다. 무선 전력 전송 장치는 제1 방향을 따라 구비된 제1 코일; 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 상기 제1 코일의 양 끝에 연결된 제2 코일; 및 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전압을 공급하는 전압원을 포함하고, 상기 전압원이 전압을 공급하면 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 전기장 및 자기장을 발생시킬 수 있다.

Description

자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치{WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE FOR TRANSMITTING POWER USING MAGNETIC FIELD AND ELECTRIC FIELD, AND WIRELESS POWER RECEIVING DEVICE FOR RECEIVING POWER FROM THE WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기장 및 전기장을 모두 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
본 발명은 무선 전력 수신에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기장 및 전기장을 모두 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전선을 사용하지 않고 전력을 전송하는 기술을 의미한다. 무선으로 전력을 전송하는 방식으로는 전자기파, 자기 유도, 자기 공진, 전기 공진 등 다양한 방식이 있다.
자기 공진 방식은 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치 간의 자기장의 결합에 따른 공진을 이용하여 전력을 전송한다. 그리고, 전기 공진 방식은 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치 간의 전기장의 결합에 따른 공진을 이용하여 전력을 전송한다.
종래의 무선 전력 전송 기술은 공간 복사량이 커서 간섭이 발생한다는 문제점을 갖고 있다. 또한, 종래의 무선 전력 전송 기술을 사용하면 공간 복사량을 높여야만 전력 전송 거리가 개선된다는 문제점도 갖고 있다. 따라서, 종래의 무선 전력 전송 기술의 공간 복사량을 감소시키고, 전력 전송 거리를 증가시킬 필요가 있다.
본 발명은 전기장 및 자기장을 모두 이용하여 전력을 전송함으로써 전력 전송 거리를 증가시키는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공한다.
본 발명은 전기장 및 자기장을 모두 이용하여 전력을 전송함으로써 공간 복사량을 줄이는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 제1 방향을 따라 구비된 제1 코일; 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 상기 제1 코일의 양 끝에 연결된 제2 코일; 및 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전압을 공급하는 전압원을 포함하고, 상기 전압원이 전압을 공급하면 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 전기장 및 자기장을 발생시킬 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고, 상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고, 상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 전압원은, 상기 제1 코일과 연결되고, 상기 제1 코일을 통해 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전압을 공급할 수 있다.
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 이격되고, 상기 제2 코일과 평행한 평면에 위치하는 전압 공급 루프를 포함하고, 상기 전압원은, 상기 전압 공급 루프에 연결되고, 상기 전압 공급 루프에 전압을 공급할 수 있다.
상기 전압 공급 루프는, 상기 전압원으로부터 전압을 공급받으면 자기장을 발생시켜 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 간접적으로 전압을 공급할 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 코일을 구성하는 도선 간의 간격이 다른 부분에 위치한 도선 간의 간격보다 상대적으로 넓은 영역인 갭(Gap) 영역을 포함할 수 있다.
상기 전압원은, 상기 갭 영역을 구성하는 도선과 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 제1 방향을 따라 구비된 제1 코일; 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 상기 제1 코일의 양 끝에 연결된 제2 코일; 및 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받는 부하을 포함하고, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하면 상기 부하에 전압을 공급할 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 복수 회 감긴 도선으로 구성되고, 상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고, 상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고, 상기 제2 코일은, 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다.
상기 부하는, 상기 제1 코일과 연결되고, 상기 제1 코일을 통해 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받을 수 있다.
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 이격되고, 상기 제2 코일과 평행한 평면에 위치하는 전압 수신 루프를 포함하고, 상기 부하는, 상기 전압 수신 루프에 연결되고, 상기 전압 수신 루프로부터 전압을 공급받을 수 있다.
상기 전압 수신 루프는, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 상기 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하여 자기장을 발생시키면, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받을 수 있다.
상기 제1 코일은, 상기 제1 코일을 구성하는 도선 간의 간격이 다른 부분에 위치한 도선 간의 간격보다 상대적으로 넓은 영역인 갭(Gap) 영역을 포함할 수 있다.
상기 부하는, 상기 갭 영역을 구성하는 도선과 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 전기장 및 자기장을 모두 이용하여 전력을 전송함으로써 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 전기장 및 자기장을 모두 이용하여 전력을 전송함으로써 공간 복사량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 4에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 6에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8에 도시된 코일의 전류세기 및 전하크기를 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 원형으로 감긴 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 사각형으로 감긴 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 사각형으로 감긴 무선 전력 전송 장치 및 연결부의 예시를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 S 파라미터 특성을 비교한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치의 실현 이득을 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 도 13의 무선 전력 전송 장치의 실현 이득을 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 전력 전성 효율을 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 도 13의 무선 전력 전송 장치 및 도 19의 무선 전력 전송 장치의 결합계수 및 결합 계수의 역수를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 19의 무선 전력 전송 장치의 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 부하 임피던스 및 전송 거리에 따른 도 17의 무선 전력 전송 장치의 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(110) 및 무선 전력 수신 장치(120)가 도시된다.
무선 전력 전송 장치(110)는 무선 전력 수신 장치(120)에 전력을 전송하는 장치이다. 무선 전력 전송 장치(110)는 전력을 전송하기 위해 전기장 및 자기장을 이용할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(110)는 코일 및 전압원을 포함한다.
무선 전력 수신 장치(120)는 무선 전력 전송 장치(110)로부터 전력을 수신하는 장치이다. 무선 전력 전송 장치(120)는 전력을 수신하기 위해 전기장 및 자기장을 이용할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(120)는 코일 및 부하를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(110)의 전압원이 코일에 전압을 공급하면, 무선 전력 전송 장치(110)의 코일은 전기장 및 자기장을 발생시킬 수 있다. 그러면, 무선 전력 전송 장치(110)의 코일 및 무선 전력 수신 장치(120)의 코일은 공진할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(110)는 공진을 통해 무선 전력 수신 장치(120)에 전력을 전송할 수 있다.
여기서, 공진은 자기장 결합에 따른 공진 및 전기장 결합에 따른 공진을 포함한다. 즉, 무선 전력 전송 장치(110) 및 무선 전력 수신 장치(120)는 서로 간의 공진을 통해 전력을 전송하거나 수신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 직접 급전 방식의 예시(210), 무선 전력 전송 장치(211), 무선 전력 수신 장치(212), 간접 급전 방식의 예시(220), 무선 전력 전송 장치(221) 및 무선 전력 수신 장치(222)이 도시된다.
직접 급전 방식의 예시(210) 및 간접 급전 방식의 예시(220)는 모두 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222) 간의 자기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시이다. 무선 전력 전송 장치(211, 221)은 자기장을 발생시켜 무선 전력 수신 장치(212, 222)과의 강한 결합력을 통해 전력을 전송한다. 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 젼력 수신 장치(212, 222)는 루프 구조이다.
구체적으로, 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222)에 커패시터가 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또는, 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222)에 자체적으로 커패시턴스를 발생시킬 수 있다. 도시된 C는 연결된 커패시터에 따른 커패시턴스 또는 자체적으로 발생된 커패시턴스를 나타낸다.
무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222) 각각은 자체 인덕턴스를 포함한다. 자체 인덕턴스는 L로 표현할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222)는 무선 전력 전송 장치(211, 221) 및 무선 전력 수신 장치(212, 222) 간의 상호 인덕턴스를 포함한다. 도시된 Lm은 상호 인덕턴스를 나타낸다.
무선 전력 수신 장치(212, 222)는 무선 전력 전송 장치(211, 221)와 동일한 공진 주파수를 갖는다. 무선 전력 전송 장치(211, 221)에 전압이 공급되면 무선 전력 수신 장치(212, 222)는 자기장 결합으로 인해 발생한 공진을 통해 전력을 수신한다.
간접 급전 방식의 예시(220)의 무선 전력 전송 장치(221)은 별도의 전압 공급 루프를 포함한다. 전압원은 전압 공급 루프에 연결된다. 전압 공급 루프에 전압이 공급됨에 따라 자기 유도를 통해 간접적으로 무선 전력 전송 장치(221) 전체에 전압이 공급된다. 또한, 무선 전력 수신 장치(222)는 부하와 연결된 별도의 전압 수신 루프를 포함한다. 전압 수신 루프는 수신한 전력을 자기 유도를 통해 수신할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 직접 급전 방식의 예시(210)의 등가 회로를 도시한다. 도 3을 참고하면, 제1 등가 회로(310) 및 제2 등가 회로(320)가 도시된다.
제1 등가 회로(310)에서 무선 전력 전송 장치(211)의 전압원의 전압은 Vs, 전압원의 임피던스는 Zs로 가정한다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(212)의 부하의 임피던스는 Zm으로 가정한다. 제1 등가 회로(310)의 상호 인덕턴스 Lm을 고려하여 변환한 등가 회로는 제2 등가 회로(320)이다.
무선 전력 전송 장치(211) 및 무선 전력 수신 장치(212)이 서로 대칭인 경우, 제2 등가 회로(320)의 자기장 분포는 경계면(T-T')을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다. 이는 경계면(T-T')을 기준으로 양측 회로의 전류의 절대치가 같은 값을 갖기 때문이다. 자기장 분포가 대칭을 이루게 되면, 제2 등가 회로(320)는 경계면(T-T')에서 개방(open)되거나 단락(short)될 수 있다.
개방(open) 또는 단락(short)에 따라 2가지 공진이 발생할 수 있다. 2가지 공진에 따른 공진주파수는 수학식 1 및 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00001
Figure 112017101525781-pat00002
수학식 1 및 수학식 2를 참고하면,
Figure 112017101525781-pat00003
는 제1 공진주파수를 나타내고,
Figure 112017101525781-pat00004
는 제2 공진 주파수를 나타낸다.
제1 공진주파수는 경계면(T-T')이 개방되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 제2 공진주파수는 경계면(T-T')이 단락되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 즉, 제1 공진주파수에서는 경계면(T-T')이 개방되는 효과가 발생한다. 그리고, 제2 공진주파수에서는 경계면(T-T')이 개방되는 효과가 발생한다.
수학식 1에 따르면, 제1 공진주파수는 자체 인덕턴스 L과 상호 인덕턴스 Lm의 합에 반비례 하는 것을 알 수 있다. 수학식 2에 따르면, 제2 공진주파수는 자체 인덕턴스 L과 상호 인덕턴스 Lm의 차에 반비례하는 것을 알 수 있다.
자기 결합량은 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수의 차이에 의해서 결정된다. 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수의 차이가 클수록 자기 결합량이 증가한다. 자기 결합량은 (fr2 2 - fr1 2) /(fr1 2 + fr2 2)로 나타낼 수 있다. 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수가 자체 인덕턴스와 상호 인덕턴스의 관계에 영향을 받으므로, 자기 결합량도 자체 인덕턴스와 상호 인덕턴스의 영향을 받는다. 구체적으로, 자기 결합량은 자체 인덕턴스에 대한 상호 인덕턴스의 비(Lm/L)에 의해 결정된다.
자기 결합량이 클수록 무선 전력 전송 장치(211)은 무선 전력 전송을 효율적으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 자기 결합량이 크면 전송 거리가 일정할 때 전력 전송 효율이 높을 수 있다. 또한, 자기 결합량이 크면, 전력 전송 효율이 일정한 값 이상인 전력 전송 거리가 증가할 수 있다. 따라서, 자기장을 이용하여 전력을 전송하는 경우 무선 전력 전송 장치(211)의 성능은 자기 결합량의 영향을 받는다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도면이다.
도 4를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)이 도신된다. 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 전기장을 이용하여 전력을 전송하고 수신할 수 있다. 구체적으로, 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 전기장을 결합하여 전력을 전송하고 수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(410)은 전기장을 발생시키는 다이폴 구조이다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(410)은 민더형 다이폴 구조일 수 있다. 무선 전력 수신 장치(420)은 무선 전력 전송 장치(410)에서 전압원 대신 부하를 포함하는 구조이다. 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 인덕터를 포함한다.
무선 전력 수신 장치(420)의 공진주파수는 무선 전력 전송 장치(410)의 공진주파수와 동일할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(420)은 무선 전력 전송 장치(410)과 공진하여 전력을 수신한다. 구체적으로, 무선 전력 수신 장치(420)은 부하를 통해 무선 전력 전송 장치(410)로부터 전력을 수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)의 인덕턴스는 각각 L/2+L/2로, L이다. 또한, 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 각각 자체 캐패시턴스(C)를 포함한다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 양 끝에 위치한 도선 간에 발생하는 상호 캐패시턴스(Cm)을 포함한다.
무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)에서 도선의 저항이 0이고, 도선의 인덕턴스 성분이 0이라고 가정한 등가 회로는 도 5와 같다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 4에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 제1 등가 회로(510) 및 제2 등가 회로(520)가 도시된다.
제1 등가 회로(510)에서 전압원의 전압은 Vs, 전압원의 임피던스는 Zs로 가정한다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(420)의 부하의 임피던스는 Zm으로 가정한다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)은 자체 인덕턴스 L을 포함한다. 제1 등가 회로(510)의 상호 캐패시턴스(Cm)을 고려하여 변환한 등가회로는 제2 등가 회로(520)이다.
무선 전력 전송 장치(410) 및 무선 전력 수신 장치(420)이 서로 대칭인 경우, 제2 등가 회로(520)의 전기장 분포는 경계면(T-T')을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다. 이는 경계면(T-T')을 기준으로 양측 회로의 전류의 절대치가 같은 값을 갖기 때문이다. 전기장 분포가 대칭을 이루게 되면, 제2 등가 회로(520)는 경계면(T-T')에서 개방(open)되거나 단락(short)될 수 있다.
개방(open) 또는 단락(short)에 따라 2가지 공진이 발생할 수 있다. 2가지 공진에 따른 공진주파수는 수학식 3 및 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00005
Figure 112017101525781-pat00006
수학식 3 및 수학식 4를 참고하면,
Figure 112017101525781-pat00007
는 제1 공진주파수를 나타내고,
Figure 112017101525781-pat00008
는 제2 공진 주파수를 나타낸다.
제1 공진주파수는 경계면(T-T')이 단락되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 제2 공진주파수는 경계면(T-T')이 개방되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 즉, 제1 공진주파수에서는 경계면(T-T')이 단락되는 효과가 발생한다. 그리고, 제2 공진주파수에서는 경계면(T-T')이 개방되는 효과가 발생한다.
수학식 3에 따르면, 제1 공진주파수는 자체 캐패시턴스 C와 상호 캐패시턴스 Cm의 합에 반비례하는 것을 알 수 있다. 수학식 4에 따르면, 제2 공진주파수는 자체 캐패시턴스 C과 상호 캐패시턴스 Cm의 차에 반비례하는 것을 알 수 있다.
전기 결합량은 자기 결합량과 같이 공진주파수의 차이에 의해서 결정된다. 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수의 차이가 클수록 전기 결합량이 증가한다. 전기 결합량은 (fr2 2 - fr1 2) /(fr1 2 + fr2 2)로 나타낼 수 있다. 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수가 자체 캐패시턴스 및 상호 캐피시턴스의 관계에 영향을 받으므로, 전기 결합량도 자체 캐패시턴스 및 상호 캐패시턴스의 영향을 받는다. 구체적으로, 전기 결합량은 자체 캐패시턴스에 대한 상호 캐패시턴스의 비(Cm/C)에 의해 결정된다.
전기 결합량이 클수록 무선 전력 전송 장치(410)은 무선 전력 전송을 효율적으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 전기 결합량이 크면 전송 거리가 일정할 때 전력 전송 효율이 높을 수 있다. 또한, 전기 결합량이 크면, 전력 전송 효율이 일정한 값 이상인 전력 전송 거리가 증가할 수 있다. 따라서, 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 경우 무선 전력 전송 장치(410)의 성능은 전기량의 영향을 받는다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 예시를 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)가 도시된다. 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)는 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하고 수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)는 도 2의 루프 구조와 도4의 다이폴 구조를 모두 포함한다. 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)의 각각의 중앙에 위치한 루프 구조의 도선은 자기장을 결합할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)의 각각의 양 끝에 위치한 다이폴 구조는 전기장을 결합할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)의 루프 구조는 상호 인덕턴스 Lm을 발생시킨다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)의 다이폴 구조는 상호 캐패시턴스 Cm을 발생시킨다.
무선 전력 수신 장치(620)의 공진주파수는 무선 전력 전송 장치(610)의 공진주파수와 동일할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(620)는 무선 전력 전송 장치(610)와 공진하여 전력을 수신한다. 구체적으로, 무선 전력 수신 장치(620)는 부하를 통해 무선 전력 전송 장치(610)로부터 전력을 수신할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)의 등가 회로는 도 7과 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 6에 도시된 예시의 등가 회로를 도시한 도면이다.
등가 회로에서, 전압원의 전압은 Vs, 전압원의 임피던스는 Zs로 가정한다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(620)의 부하의 임피던스는 Zm으로 가정한다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)는 각각 자체 인덕턴스 L 및 자체 캐패시턴스 C를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(610) 및 무선 전력 수신 장치(620)가 도 6과 같이 대칭인 경우, 경계면(T-T')을 기준으로 전기장의 분포 및 자기장의 분포가 서로 대칭일 수 있다. 전기장과 자기장은 에너지 형태로 존재하므로, 전기장과 자기장의 위상차는 90도를 이룰 수 있다.
경계면(T-T') 상단의 개방 또는 단락, 그리고 경계면(T-T') 하단의 개방 또는 단락에 따라 4가지 공진이 발생할 수 있다. 여기서, 경계면(T-T') 상단은 2Cm의 캐패시턴스들 사이의 경계면을 나타내며, 경계면(T-T') 하단은 2Lm 사이의 경계면을 나타낸다. 4가지 공진은 음의 결합 공진(negative coupled resonance) 및 양의 결합 공진(positive coupled resonance)로 나뉠 수 있다. 음의 결합 공진은 경계면(T-T') 상단 및 경계면(T-T') 하단이 모두 개방된 경우 및 모두 단락된 경우를 의미한다. 양의 결합 공진은 경계면(T-T') 상단이 개방되고, 경계면(T-T') 하단이 단락된 경우 및 경계면(T-T') 상단이 단락되고, 경계면(T-T') 하단이 개방된 경우를 의미한다.
음의 결합 공진에 따른 공진주파수는 수학식 5 및 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00009
Figure 112017101525781-pat00010
수학식 5 및 수학식 6을 참고하면,
Figure 112017101525781-pat00011
은 제1 공진주파수를 나타내고,
Figure 112017101525781-pat00012
는 제2 공진주파수를 나타낸다. 제1 공진주파수는 경계면(T-T') 상단 및 경계면(T-T') 하단이 모두 개방되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 제2 공진주파수는 경계면(T-T') 상단 및 경계면(T-T') 하단이 모두 단락되는 특성을 갖는 공진주파수이다.
양의 결합 공진에 따른 공진주파수는 수학식 7 및 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00013
Figure 112017101525781-pat00014
수학식 7 및 수학식 8을 참고하면,
Figure 112017101525781-pat00015
은 제1 공진주파수를 나타내고,
Figure 112017101525781-pat00016
는 제2 공진주파수를 나타낸다. 제1 공진주파수는 경계면(T-T') 상단이 단락되고, 경계면(T-T') 하단이 개방되는 특성을 갖는 공진주파수이다. 제2 공진주파수는 경계면(T-T') 상단이 개방되고 경계면(T-T') 하단이 단락되는 특성을 갖는 공진주파수이다.
음의 결합 공진에 따른 결합량과 양의 결합 공진에 따른 결합량은 서로 다를 수 있다. 자기장 결합에 의한 결합량을 KH= Lm/L이라고 하고, 전기장 결합에 의한 결합량을 KE = Cm/C라고 할 수 있다. 그러면, 음의 결합 공진의 결합량 및 양의 결합 공진의 결합량은 수학식 9 및 수학식 10으로 유도할 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00017
Figure 112017101525781-pat00018
수학식 9를 참고하면, 음의 결합 공진에 따른 결합량 KT를 알 수 있다. 그리고, 수학식 10을 참고하면, 양의 결합 공진에 따른 결합량 KT를 알 수 있다. 양의 결합 공진에 따른 결합량이 음의 결합 공진에 따른 결합량 보다 크다.
따라서, 양의 결합 공진을 이용하면 무선 전력 전송에서의 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 그리고, 양의 결합 공진을 이용하면 무선 전력 전송에서의 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 양의 결합 공진을 이용하면, 무선 전력 전송 장치(610)는 일정한 전력 전송 거리에서 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(610)는 전력 전송 효율이 일정할 때 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
수학식 9 및 수학식 10의 특성을 자세히 살펴보면, 수학식 11과 같은 관계를 도출할 수 있다.
Figure 112017101525781-pat00019
수학식 11을 참고하면, 양의 결합 공진에 따른 결합량은 전기장 결합에 따른 결합량 또는 자기장 결합에 따른 결합량보다 크거나 같은 것을 알 수 있다. 그리고, 음의 결합 공진에 따른 결합량은 전기장 결합에 따른 결합량 또는 자기장 결합에 따른 결합량보다 작거나 같은 것을 알 수 있다. 예를 들어, KH 및 KE의 크기가 유사하다면, 양의 결합 공진에 따른 결합량은 KH 또는 KE의 2배 정도가 될 수 있다.
반대로, 음의 결합 공진의 경우 자기장 결합 또는 전기장 결합을 이용하는 경우보다 결합량이 대폭 감소할 수 있다. 즉, 음의 결합 공진의 경우 무선 전력 전송 장치(610)의 전력 전송 성능이 대폭 감소할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(810) 및 기준 선분(811)이 도시된다. 무선 전력 전송 장치(810)는 원통형 코일 및 전압원을 포함한다. 기준 선분(811)은 원통형 코일의 길이를 나타내기 위한 선분이다.
원통형 코일은 자기장 결합을 주로 이용하는 코일보다 원통의 길이를 크게 하고, 코일이 감기는 턴 수를 높여 제작된 코일일 수 있다. 또한, 원통형 코일은 감기는 도선의 간격을 조절하여 제작될 수도 있다.
이러한 경우, 주위에 발생하는 전기장 에너지 및 자기장 에너지가 낮을 수 있으며, 원통형 코일의 중심에 존재하는 전기장 에너지 및 자기장 에너지가 낮을 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(810)의 공간 복사량이 증가하는 문제점을 가질 수 있다. 따라서, 코일의 턴 수와 원통의 길이 외에 코일의 구조도 변화시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8에 도시된 코일의 전류세기 및 전하크기를 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 실선은 기준 선분(811)을 기준으로 한 전류의 세기를 나타낸다. 그리고, 점선은 기준 선분(811)을 기준으로 한 전하의 크기를 나타낸다.
전류의 세기는 기준 선분(811)의 중심에서 큰 값을 갖고 기준 선분(811)의 양 끝에서 작아진다. 그리고, 전하의 크기는 기준 선분(811)의 중심에서 작은 값을 갖고, 기준 선분(811)의 양 끝에서 커진다.
이러한 전류의 세기 및 전하의 세기의 특성을 이용하여 코일을 구성할 수 있다. 구체적으로, 기준 선분(811)의 중심 부분에 자기장 결합이 강하게 발생하도록 코일이 구성될 수 있다. 그리고, 기준 선분(811)의 양 끝에 전기장 결합이 강하게 발생하도록 코일이 구성될 수 있다.
다시 말해서, 기준 선분(811)을 기준으로 코일을 전기장 결합 활용 영역(I) 및 자기장 결합 활용 영역(II)으로 구분할 수 있다. 그리고, 구분된 영역에 따라 코일을 제작하면 코일의 전기장 에너지 및 자기장 에너지를 높일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 도시한 도면이다.
도 10을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010) 및 무선 전력 수신 장치(1020)이 도시된다.
무선 전력 전송 장치(1010)는 제1 코일(1011), 제2 코일(1012) 및 전압원(1013)을 포함한다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(1020)는 제1 코일(1021), 제2 코일(1022) 및 부하(1023)을 포함한다.
여기서, 제1 코일(1011)과 제1 코일(1021)은 동일한 형태일 수 있다. 그리고, 제2 코일(1012)와 제2 코일(1022)도 동일한 형태일 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치(1010)와 무선 전력 수신 장치(1020)는 전압원(1013) 및 부하(1023)를 제외하고는 동일할 수 있다.
제1 코일(1011, 1021)은 제1 방향을 따라 구비된 코일이다. 구체적으로, 제1 코일(1011, 1021)은 제1 방향을 따라 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 코일(1011, 1021)은 원형 또는 사각형으로 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 제1 코일(1011, 1021)은 자기장 결합 활용 영역(II)에 따라 구비된 코일일 수 있다. 여기서, 제1 방향은 기준 선분(811)의 방향과 동일할 수 있다.
제2 코일(1012, 1022)는 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 제1 코일(1011, 1021)의 양 끝에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 코일(1012, 1022)는 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심을 향해 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 코일(1012, 1022)는 원형 또는 사각형으로 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 제2 코일(1012, 1022)는 전기장 결합 활용 영역(I)에 따라 구비된 코일일 수 있다.
전압원(1013)은 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)에 전압을 공급한다. 전압원(1013)이 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)에 전압을 공급하면, 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)이 전기장 및 자기장을 발생시킬 수 있다. 그러면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 전기장 및 자기장을 이용하여 무선 전력 수신 장치(1020)에 전력을 전송할 수 있다. 구체적으로, 무선 전력 전송 장치(1010)는 전기장 및 자기장을 이용한 공진을 통해 무선 전력 수신 장치(1020)에 전력을 전송할 수 있다.
그러면, 무선 전력 수신 장치(1020)는 무선 전력 전송 장치(1010)로부터 전력을 수신할 수 잇다. 구체적으로, 제1 코일(1021) 및 제2 코일(1022)은 무선 전력 전송 장치(1010)로부터 전력을 수신할 수 있다. 그러면, 부하(1023)은 제1 코일(1021) 및 제2 코일(1022)로부터 전압을 공급받을 수 있다. 여기서, 부하(1023) 전압이 인가되면 전류가 흐르는 부하로, 예를 들어 배터리와 같이 전력을 저장할 수 있는 장치일 수 있다.
이하에서 제1 코일(1011)에 대한 설명은 제1 코일(1021)에 대한 설명과 동일할 수 있다. 그리고, 제2 코일(1012)에 대한 설명은 제2 코일(1021)에 대한 설명과 동일할 수 있다.
이하의 도면에서 무선 전력 전송 장치(1010)에 대한 설명은 전압원(1013) 대신 부하(1023)가 구비된 점을 제외하면 무선 전력 수신 장치(1020)에 대한 설명과 동일할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 원형으로 감긴 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 11을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)에 대한 직접 급전 방식의 예시(1110) 및 간접 급전 방식의 예시(1120)가 도시된다.
직접 급전 방식의 예시(1110)를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 제1 코일(1011), 제2 코일(1012) 및 전압원(1013)을 포함한다. 제1 코일(1011)은 제1 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된다. 제1 코일(1011)의 도선들 간의 간격은 일정하게 설정될 수 있다.
제2 코일(1012)는 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된다. 제2 코일(1012)은 도시된 바와 같이 제1 코일(1011)의 양 끝에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 코일(1012)는 제1 코일의 중심을 향해 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 제2 코일(1012)의 도선의 원 형태는 도선이 감길수록 작아질 수 있다. 그리고, 전압원(1013)은 제1 코일(1011)과 연결되어 전압을 공급할 수 있다.
간접 급전 방식의 예시(1120)를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 제2 코일(1012)와 평행한 평면에 위치하는 전압 공급 루프를 포함한다. 전압원(1013)은 전압 공급 루프에 연결될 수 있다. 전압 공급 루프는 전압원(1013)으로부터 전압을 공급 받으면 자기장을 발생시켜 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)에 간접적으로 전압을 공급할 수 있다.
제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)은 타원형으로 구성될 수도 있다. 또한, 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)의 각 레이어의 도선들의 둘레가 다르게 구성될 수도 있다. 도시된 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)이 감긴 형태는 예시에 불과하고, 본 발명의 범위는 다양한 형태로 감긴 코일들도 포함한다.
직접 급전 방식의 예시(1110) 및 간접 급전 방식의 예시(1120)에 대한 설명은 무선 전력 수신 장치(1020)에도 동일하게 적용할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(1020)에는 전압원(1013) 대신 부하(1023)가 구비될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 사각형으로 감긴 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 12를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)에 대한 직접 급전 방식의 예시(1210) 및 간접 급전 방식의 예시(1220)가 도시된다. 도시된 코일들은 도 11과 달리 직육면체 형태로 구성될 수 있다.
직접 급전 방식의 예시(1210)를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 제1 코일(1011), 제2 코일(1012) 및 전압원(1013)를 포함한다. 제1 코일(1011)은 제1 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된다. 제1 코일(1011)의 도선들의 간격을 일정하게 설정될 수 있다.
제2 코일(1012)는 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된다. 제2 코일(1012)는 도시된 바와 같이 제1 코일(1011)의 양 끝에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 코일(1012)는 제1 코일의 중심을 향해 복수 회 감긴 도선으로 구성될 수 있다. 제2 코일(1012)의 도선의 사각 형태는 도선이 감길수록 작아질 수 있다. 그리고, 전압원(1013)은 제1 코일(1011)과 연결되어 전압을 공급할 수 있다.
간접 급전 방식의 예시(1220)를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 제2 코일(1012)와 평행한 평면에 위치하는 전압 공급 루프를 포함한다. 전압원(1013)은 전압 공급 루프에 연결될 수 있다. 전압 공급 루프는 전압원(1013)으로부터 전압을 공급 받으면 자기장을 발생시켜 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)에 간접적으로 공급할 수 있다.
제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)은 직사각형으로 구성될 수 있다. 또한, 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)은 사각형 외의 다른 다각형으로도 구성될 수 있다. 또한, 도시된 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)의 각 레이어의 도선들의 둘레가 다르게 구성될 수도 있다. 도시된 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)이 감긴 형태는 예시에 불과하고, 본 발명의 범위는 다양한 형태로 감긴 코일들도 포함한다.
이러한 형태의 제1 코일(1011), 제2 코일(1012) 및 전압원(1013)은 무선 전력 전송 장치(1010)의 내부가 사각형인 경우, 실장 공간을 최대한 활용할 수 있다.
직접 급전 방식의 예시(1210) 및 간접 급전 방식의 예시(1220)에 대한 설명은 무선 전력 수신 장치(1020)에도 동일하게 적용될 수 있다. 무선 전력 수신 장치(1020)에는 전압원(1013) 대신 부하(1023)가 구비될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코일이 사각형으로 감긴 무선 전력 전송 장치 및 연결부의 예시를 도시한 도면이다.
도 13을 참고하면, 도 12에 도시된 무선 전력 전송 장치(1010)를 조립식으로 구현한 구현 예시(1310)가 도시된다. 그리고, 도 13을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(1010)는 제1 코일(1011), 제2 코일(1012) 및 전압원(1013)을 포함하며, 제1 연결부(1301), 제2 연결부(1302), 제3 연결부(1303)가 도시된다.
제1 연결부(1301), 제2 연결부(1302) 및 제3 연결부(1303)는 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)를 구성하는 부품들이다. 제1 연결부(1301), 제2 연결부(1302) 및 제3 연결부(1303)는 구리, 알루미늄, 은 등의 금속 재질일 수 있다. 그리고, 제1 연결부(1301), 제2 연결부(1302) 및 제3 연결부(1303) 각각은 양 끝에 나사산을 포함할 수 있다.
제1 연결부(1301)은 제1 코일(1011) 및 제2 코일(1012)의 모서리들에 구비될 수 있다. 그리고, 제3 연결부(1303)는 제1 코일(1011)의 턴의 단수가 올라가거나 내려가는 부분에 구비될 수 있다. 그리고, 제2 연결부(1302)는 제1 연결부(1301) 또는 제3 연결부(1303)에 연결될 수 있다. 또한, 제2 연결부(1302)는 다른 제2 연결부(1302)에 연결될 수 있다.
도시된 제1 연결부(1301), 제2 연결부(1302) 및 제3 연결부(1303)을 이용하면 무선 전력 전송 장치(1010) 및 무선 전력 수신 장치(1020)를 조립식으로 구현할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 14를 참고하면, 단면 위치(1411), 단면 위치(1412), 전기장 분포(1410) 및 자기장 분포(1420)가 도시된다. 전기장 분포(1410) 및 자기장 분포(1420)는 무선 전력 전송 장치(810) 및 구현 예시(1310)의 전기장 및 자기장 분포를 표시한다.
비교를 위해, 무선 전력 전송 장치(810) 및 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 폭이 60cm이고, 턴 수가 14 턴 수로 동일하다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(810) 및 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 단면 위치(1411, 1412)에 위치한다.
무선 전력 전송 장치(810)는 단일 공진에서 복사 효율이 -13.2dB이다. 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 복사 효율은 -15.65db이다. 따라서, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 무선 전력 전송 장치(810)보다 복사 효율이 낮다. 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 공간 복사가 작아서 주변에 간섭과 관련된 영향을 덜 줄 수 있다.
전기장 분포(1410) 및 자기장 분포(1420)를 참고하면, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 무선 전력 전송 장치(810)보다 전기장 및 자기장이 모두 큰 것을 알 수 있다. 즉, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 무선 전력 전송 장치(810)보다 공간 복사량이 작음에도 전력 전송 거리가 길다
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 S 파라미터 특성을 비교한 도면이다.
도 15를 참고하면, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 입력 반사계수(1511) 및 투과 계수(1512), 무선 전력 전송 장치(810)의 입력 반사계수(1521) 및 투과 계수(1522)가 도시된다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(810)는 도 8과 달리 사각형을 도선이 감긴 형태이다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(810)의 코일이 감긴 턴 수는 12 턴 수이다. 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 제1 코일(1011)이 감긴 턴 수가 12 턴 수이다. 그리고, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 제2 코일이 감긴 턴 수가 5 턴 수이다.
도 15를 참고하면, 입력 반사계수(1511) 및 투과 계수(1512)로부터 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수의 차이를 알 수 있다. 그리고, 입력 반사계수(1521) 및 투과 계수(1522)로부터 무선 전력 전송 장치(810)의 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수의 차이를 알 수 있다.
즉, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 결합량이 무선 전력 전송 장치(810)의 결합량보다 크다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치의 실현 이득을 도시한 도면이다.
도 16을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(810)의 전송 거리가 코일의 폭과 동일할 때의 실현 이득(realized gain)이 도시된다. 구체적으로
Figure 112017101525781-pat00020
성분 이득(1610) 및
Figure 112017101525781-pat00021
성분 이득(1620)이 도시된다.
제1 공진주파수에서의 무선 전력 전송 장치(810)의 복사량은 제2 공진주파수에서의 무선 전력 전송 장치(810)의 복사량보다
Figure 112017101525781-pat00022
성분 이득(1610)이 18.6dB 감소된다. 그리고,
Figure 112017101525781-pat00023
성분 이득(1620)이 16.2dB 감소된다. 하지만, 제2 공진 주파수에서 무선 전력 전송 장치(810)는 TE/TM 기저모드 성분이 제거되지 않음을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 도 13의 무선 전력 전송 장치의 실현 이득을 도시한 도면이다.
도 17을 참고하면, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 전송 거리가 코일의 폭과 동일할 때 실현 이득이 도시된다. 구체적으로,
Figure 112017101525781-pat00024
성분 이득(1710) 및
Figure 112017101525781-pat00025
성분 이득(1720)이 도시된다.
제1 공진주파수에서의 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 복사량은 제2 공진주파수에서의 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 복사량보다
Figure 112017101525781-pat00026
성분 이득(1710)이 34dB 감소된다. 그리고,
Figure 112017101525781-pat00027
성분 이득(1620)이 22.2dB 감소된다.
그리고, 제2 공진주파수에서의 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)는 TE/TM 모드 성분이 제거됨을 알 수 있다. 따라서, 공간 복사량이 작은 제2 공진주파수에서 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)를 사용한다면 간섭을 최소화하는 전자파 환경을 조성할 수 있다. 그러면, 무선 전력 전송 장치(1010)의 전력 전송 중에 다른 통신 기기 또는 전자 장비의 오작동을 최소화할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 13의 무선 전력 전송 장치의 전력 전성 효율을 도시한 도면이다.
도 18을 참고하면, 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)의 전력 전송 효율(1801) 및 무선 전력 전송 장치(810)의 전력 전송 효율(1802)이 도시된다. 도 18은 코일의 폭을 W로 설정하고, 전송 거리를 W를 기준으로 표시한다.
전력 전송 효율(1801, 1802)는 각각 무선 전력 수신 장치(820)의 부하 임피던스 및 구현 예시(1310)의 무선 전력 수신 장치(1020)의 부하 임피던스를 모두 20옴일 때의 전력 전송 효율이다. 또한, 무선 전력 전송 장치(810), 무선 전력 수신 장치(820), 구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010) 및 무선 전력 수신 장치(1020)의 모든 도선을 완전 도체로 가정한다.
전력 전송 효율(1801)과 전력 전송 효율(1802)를 비교하면, 전력 전송 효율(1801)의 전송 거리에 따른 전송 효율이 전력 전송 효율(1802)보다 높은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 전력 전송 효율(1801)은 70% 이상의 전송 전력 효율을 유지하는 최대 전송 거리가 4.5 W가 되는 것을 알 수 있다.
구현 예시(1310)의 무선 전력 전송 장치(1010)를 구리, 알루미늄, 은 등의 금속으로 제작하면 내부 저항 손실로 인해 전송 거리가 전력 전송 효율(1801)보다 다소 짧아질 수도 있다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 예시를 도시한 도면이다.
도 19를 참고하면, 제1 구현 예시(1910) 및 제2 구현 예시(1920)가 도시된다. 제1 구현 예시(1901)는 무선 전력 전송 장치(1911), 제1 코일(1011), 제2 코일(1012), 전압원(1013) 및 갭 영역(1912)를 포함한다. 제2 구현 예시(1902)는 무선 전력 전송 장치(1921), 제1 코일(1011), 제2 코일(1012), 전압원(1013), 갭 영역(1922)를 포함한다.
갭 영역(1912, 1922)는 제1 코일(1011)을 구성하는 도선 간의 간격이 상대적으로 넓은 영역이다. 즉, 갭 영역(1912, 1922)은 제1 코일(1011)의 다른 부분에 위치한 도선 간의 간격보다 상대적으로 넓은 영역이다. 도 19에는 갭 영역(1912, 1922)가 각각 하나만 도시되었지만, 무선 전력 전송 장치(1911, 1921)은 복수의 갭 영역(1912, 1922)를 포함할 수 있다. 또한, 갭 영역(1912, 1922)은 제1 코일(1011)의 중심부에 위치하지 않을 수도 있다.
갭 영역(1912, 1922)이 무선 전력 전송 장치(1911, 1921)의 중심 지점에 위치한 경우, 내부에 저장되는 전기장 대비 외부에 저장되는 전기장 에너지가 증가한다. 그러면, 무선 전력 전송 장치(1911, 1921)의 자체 캐패시턴스는 줄어들고, 상호 캐패시턴스는 증가할 수 있다. 그러면, 수학식 7 및 수학식 8에 따른 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 차이가 증가한다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(1911, 1921)의 결합량이 증가할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 도 13의 무선 전력 전송 장치 및 도 19의 무선 전력 전송 장치의 결합계수 및 결합 계수의 역수를 도시한 도면이다.
도 20을 참고하면, 구현 예시(1310)의 결합 계수(2001), 제2 구현 예시(1920)의 결합 계수(2002), 구현 예시(1310)의 결합 계수의 역수(2003) 및 제2 구현 예시(1920)의 결합 계수 역수(2004)가 도시된다.
결합 계수(2001)와 결합 계수(2002)를 비교하면, 제2 구현 예시(1920)가 구현 예시(1310)보다 높은 결합 계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 갭 영역(1922)의 영향으로 제2 구현 예시(1920)의 결합량이 증가한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제2 구현 예시(1920)의 전력 전송 거리가 구현 예시(1310)의 전력 전송 거리보다 크다.
결합 계수의 역수(2003)과 결합 계수의 역수(2004)를 비교하면, 제2 구현 예시(1902)가 구현 예시(1310)보다 낮은 결합 계수의 역수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 결합 계수(2001, 2002)와 결합 계수의 역수(2003, 2004)가 서로 역수 관계에 있다는 점에서 유추할 수 있다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 무선 전력 전송 장치 및 도 19의 무선 전력 전송 장치의 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 21을 참고하면, 무선 전력 전송 장치(810)의 전력 전송 효율(2101) 및 무선 전력 전송 장치(1921)의 전력 전송 효율(2102)이 도시된다.
여기서, 무선 전력 수신 장치(820)의 부하 임피던스를 20옴으로 설정하였다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(1921)에 대응하는 무선 전력 수신 장치(미도시됨)의 부하 임피던스도 40옴으로 설정하였다. 그리고, 모든 도선에는 구리를 사용하였다.
전력 전송 효율(2101) 및 전력 전송 효율(2102)를 비교하면, 부하 임피던스가 40옴으로 2배 큼에도 불구하고 전력 전송 효율(2102)이 전력 전송 효율(2101)보다 더 좋은 전송 효율 특성을 가짐을 알 수 있다. 부하 임피던스를 높게 설정할 수 있으므로, 전력 전송 장치(1921)은 금속으로 제작된 경우 저항 손실을 감소시킬 수 있다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 부하 임피던스 및 전송 거리에 따른 도 17의 무선 전력 전송 장치의 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 22를 참고하면, 부하 임피던스 및 전송 거리에 따른 무선 전력 전송 장치(1921)의 전력 전송 효율을 나타낸다. 도시된 바를 참조하면, 부하 임피던스가 17옴인 경우, 무선 전력 전송 장치(1921)은 4W의 거리에서 70%의 전력 전송 효율을 가짐을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체로도 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 각종 기술들의 구현들은 디지털 전자 회로조직으로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 구현들은 데이터 처리 장치, 예를 들어 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 컴퓨터들의 동작에 의한 처리를 위해, 또는 이 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터 프로그램 제품, 즉 정보 캐리어, 예를 들어 기계 판독가능 저장 장치(컴퓨터 판독가능 매체) 또는 전파 신호에서 유형적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 상술한 컴퓨터 프로그램(들)과 같은 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 인터프리트된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적절한 다른 유닛으로서 포함하는 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에서 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 처리되도록 또는 다수의 사이트들에 걸쳐 분배되고 통신 네트워크에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 처리에 적절한 프로세서들은 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 다, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 다로부터 명령어들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 요소들은 명령어들을 실행하는 적어도 하나의 프로세서 및 명령어들 및 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하는 하나 이상의 대량 저장 장치들, 예를 들어 자기, 자기-광 디스크들, 또는 광 디스크들을 포함할 수 있거나, 이것들로부터 데이터를 수신하거나 이것들에 데이터를 전송하거나 또는 양쪽으로 되도록 결합될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 구체화하는데 적절한 정보 캐리어들은 예로서 반도체 메모리 장치들, 예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM, Read Only Memory), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 등을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로조직에 의해 보충되거나, 이에 포함될 수 있다.
또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 컴퓨터 저장매체 및 전송매체를 모두 포함할 수 있다.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110: 무선 전력 전송 장치
120: 무선 전력 수신 장치

Claims (18)

  1. 제1 방향을 따라 구비된 제1 코일;
    상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 상기 제1 코일의 양 끝에 연결된 제2 코일; 및
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전압을 공급하는 전압원
    을 포함하고,
    상기 제1 코일은, 무선 전력 전송 장치의 중심에서 제공되는 루프 구조를 가지며, 상호 인덕턴스를 발생시킴으로써 자기장을 형성하고
    상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 전송 장치의 양 쪽 끝 부분에서 제공되는 다이폴 구조를 가지며, 상호 캐패시턴스를 발생시킴으로써 전기장을 형성하는 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심 축을 기준으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심 축을 기준으로 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심 축을 기준으로 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압원은,
    상기 제1 코일과 연결되고, 상기 제1 코일을 통해 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전압을 공급하는,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 이격되고, 상기 제2 코일과 평행한 평면에 위치하는 전압 공급 루프를 포함하고,
    상기 전압원은,
    상기 전압 공급 루프에 연결되고, 상기 전압 공급 루프에 전압을 공급하는,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 공급 루프는,
    상기 전압원으로부터 전압을 공급받으면 자기장을 발생시켜 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 간접적으로 전압을 공급하는,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 코일을 구성하는 도선 간의 간격이 다른 부분에 위치한 도선 간의 간격보다 상대적으로 넓은 영역인 갭(Gap) 영역을 포함하는,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전압원은,
    상기 갭 영역을 구성하는 도선과 연결된,
    무선 전력 수신 장치에 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제1 방향을 따라 구비된 제1 코일;
    상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 구비되고, 상기 제1 코일의 양 끝에 연결된 제2 코일; 및
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받는 부하
    을 포함하고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하면 상기 부하에 전압을 공급하고,
    제1 코일은, 상기 무선 전력 전송 장치의 중심에서 제공되는 루프 구조를 가지며, 상호 인덕턴스를 발생시킴으로써 자기장을 형성하고
    상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 전송 장치의 양 쪽 끝 부분에서 제공되는 다이폴 구조를 가지며, 상호 캐패시턴스를 발생시킴으로써 전기장을 형성하는 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심 축을 기준으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 원형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심축을 기준으로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 사각형으로 복수 회 감긴 도선으로 구성되고,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일의 끝 부분에 연결되어 제2 방향을 따라 상기 제1 코일의 중심축을 기준으로 사각형의 형태로 복수 회 감긴 도선으로 구성된,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 부하는,
    상기 제1 코일과 연결되고, 상기 제1 코일을 통해 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받는,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 이격되고, 상기 제2 코일과 평행한 평면에 위치하는 전압 수신 루프를 포함하고,
    상기 부하는,
    상기 전압 수신 루프에 연결되고, 상기 전압 수신 루프로부터 전압을 공급받는,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전압 수신 루프는,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일이 상기 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하여 자기장을 발생시키면, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 전압을 공급받는,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 코일은,
    상기 제1 코일을 구성하는 도선 간의 간격이 다른 부분에 위치한 도선 간의 간격보다 상대적으로 넓은 영역인 갭(Gap) 영역을 포함하는,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 부하는,
    상기 갭 영역을 구성하는 도선과 연결된,
    무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치.
KR1020170133934A 2016-11-04 2017-10-16 자기장 및 전기장을 이용하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치 KR102365766B1 (ko)

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