KR102559302B1 - Antenna apparatus andwireless poser transmission and reception system comprising the same - Google Patents
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Abstract
실시예의 안테나 장치는 코일과, 상기 코일의 적어도 일부를 감싸는 내측 코일, 상기 내측 코일과 연결되어 상기 내측 코일과 이격 배치된 외측 코일을 포함하는 차폐 코일부를 포함할 수 있다.
실시예는 이중 루프의 차폐 코일을 형성함으로써, 전력전송 효율이 감소하는 것을 방지하면서, 누설 자기장을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.The antenna device of the embodiment may include a shielding coil unit including a coil, an inner coil surrounding at least a portion of the coil, and an outer coil connected to the inner coil and spaced apart from the inner coil.
The embodiment has an effect of effectively removing a leakage magnetic field while preventing a decrease in power transmission efficiency by forming a shielding coil of a double loop.
Description
실시예는 무선 전력을 송수신하는 무선 전력 송수신 시스템에 관한 것이다.The embodiment relates to a wireless power transmission and reception system for transmitting and receiving wireless power.
일반적으로, 사용되고 있는 대부분의 전기 장치는 전선(Cable)과 같은 물체를 통해 직접적인 연결이 요구되어 사용자의 전기장치 사용에 제약을 발생시키게 된다. 이에 대해, 휴대폰 충전에서부터 TV와 같은 가전제품, 그리고 전기자동차 및 전기 철도와 같이 고전력 (High Power)을 사용하는 장치 등에 대해 무선으로 전기에너지를 공급할 수 있는 무선전력전송 기술을 적용하는 사례가 증가하고 있다.In general, most electrical devices in use require direct connection through an object such as a cable, which causes restrictions on the use of electrical devices by users. In this regard, cases of applying wireless power transmission technology that can wirelessly supply electric energy to devices that use high power such as mobile phone charging, home appliances such as TVs, and electric vehicles and electric railways are increasing.
무선충전 기술은 전기에너지를 공급하는 장치와 전기에너지를 사용하는 장치가 전선과 같은 물질을 통해 직접적으로 연결되지 않더라도 전기에너지를 공급할 수 있다. 이에 따라, 전기에너지를 사용하는 장치에 전기에너지를 공급함에 있어 사용자에 대한 사용 제약 및 편리성을 향상시킬 수 있다는 측면에서 많은 주목을 받고 있다.Wireless charging technology can supply electrical energy even if a device that supplies electrical energy and a device that uses electrical energy are not directly connected through a material such as a wire. Accordingly, in supplying electrical energy to a device that uses electrical energy, it has received a lot of attention in terms of improving use restrictions and convenience for users.
다양한 종류의 무선전력전송 기술 중 자기유도 방식을 원리로 하는 무선전력전송 기술이 전력 전송의 효율 및 높은 전력 전송 용량을 제공할 수 있다는 장점에 기반하여 가장 많이 활용되고 있다.Among various types of wireless power transmission technologies, wireless power transmission technology based on the principle of magnetic induction is most widely used based on the advantages of providing power transmission efficiency and high power transmission capacity.
자기유도 방식 무선 전력 전송 기술은 특정 주파수를 가지는 교류 전류가 코일에 인가되면, 코일에서 자기장이 발생하게 되고, 발생한 자기장에 노출되어 있는 코일이 자기 유도 법칙에 의해 전기에너지를 전달받게 된다. 이에 따라 두 코일 사이에 직접적인 전기적 연결 없이 자기 유도 결합에 의해 전기에너지가 공급될 수 있다.In the magnetic induction wireless power transmission technology, when an alternating current having a specific frequency is applied to a coil, a magnetic field is generated in the coil, and the coil exposed to the generated magnetic field receives electric energy according to the law of magnetic induction. Accordingly, electrical energy may be supplied by magnetic induction coupling without a direct electrical connection between the two coils.
자기유도 방식의 무선전력전송은 장치가 동작하는 중에 높은 밀도의 자기장을 발생시켜 전기에너지를 전송하게 되며, 이 과정에서 장치 주변에 누설자기장이 발생하게 된다. 무선전력전송 장치 주변에 발생하는 누설자기장에 사람이 노출될 경우, 인체에 부정적인 영향을 미치게 되므로 이러한 누설자기장에 따른 인체 영향의 저감이 요구된다. In the magnetic induction type wireless power transmission, a high density magnetic field is generated to transmit electric energy while the device is operating, and in this process, a leakage magnetic field is generated around the device. When a person is exposed to a leaky magnetic field generated around a wireless power transmission device, it has a negative effect on the human body, so it is required to reduce the effect on the human body due to the leaked magnetic field.
누설자기장 저감을 위해 알루미늄과 같은 물질로 외함을 구성하거나, 누설자기장을 상쇄할 수 있는 상쇄 자기장을 발생시키는 등 다양한 종류의 차폐 방법이 적용될 수 있다. 하지만, 종래 제시된 차폐방법은 무선전력전송 효율이 저하되는 영향을 미치는 문제가 있었다. To reduce the leakage magnetic field, various types of shielding methods may be applied, such as configuring an enclosure with a material such as aluminum or generating an offset magnetic field capable of canceling the leakage magnetic field. However, the conventionally proposed shielding method has a problem in that the efficiency of wireless power transmission is lowered.
무선전력전송 효율의 감소는 공급된 전기에너지에 손실이 발생하게 됨을 의미하며, 이 경우 에너지의 불필요한 낭비를 발생시키게 되며, 이러한 효율의 감소는 높은 전력을 사용하는 장치일수록 더욱 큰 낭비를 발생시키게 된다. 즉, 같은 비율의 효율 감소라 하더라도 휴대폰과 같은 저전력 장치 대비 전기자동차와 같은 고전력장치에서는 더욱 큰 전기에너지의 손실이 발생될 수 있다.Reduction in wireless power transmission efficiency means loss of supplied electrical energy, and in this case, unnecessary waste of energy occurs. That is, even if the efficiency decreases at the same rate, a greater loss of electric energy may occur in a high-power device such as an electric vehicle compared to a low-power device such as a mobile phone.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 전력전송 효율 감소가 발생하지 않으며, 누설자기장을 효과적으로 제거할 수 있는 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 전력 송수신 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the embodiment is to provide an antenna device capable of effectively removing a leakage magnetic field without reducing power transmission efficiency and a wireless power transmission/reception system including the same.
실시예의 안테나 장치는 코일과, 상기 코일의 적어도 일부를 감싸는 내측 코일, 상기 내측 코일과 연결되어 상기 내측 코일과 이격 배치된 외측 코일을 포함하는 차폐 코일부를 포함할 수 있다.The antenna device of the embodiment may include a shielding coil unit including a coil, an inner coil surrounding at least a portion of the coil, and an outer coil connected to the inner coil and spaced apart from the inner coil.
상기 내측 코일의 위상은 상기 코일에서 발생되는 자기장과 동위상을 가지고, 상기 외측 코일의 위상은 상기 코일에서 누설되는 자기장과 역위상을 가질 수 있다.A phase of the inner coil may have the same phase as a magnetic field generated from the coil, and a phase of the outer coil may have a reverse phase from a magnetic field leaked from the coil.
상기 외측 코일의 턴 수는 상기 내측 코일과 외측 코일 사이의 반지름 정보 및 상기 내측 코일의 턴 수 대비 외측 코일의 턴 수 정보를 이용하여 결정될 수 있다.The number of turns of the outer coil may be determined using information about a radius between the inner and outer coils and information on the number of turns of the outer coil compared to the number of turns of the inner coil.
상기 내측 코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 코일에 흐르는 전류의 방향과 대응되고, 상기 외측 코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 코일에 흐르는 전류의 방향과 반대 방향일 수 있다.A direction of the current flowing in the inner coil may correspond to a direction of the current flowing in the coil, and a direction of the current flowing in the outer coil may be opposite to a direction of the current flowing in the coil.
상기 코일은 나선형으로 이루어지고, 상기 내측 코일은 상기 코일의 외측을 감싸도록 배치될 수 있다.The coil may be formed in a spiral shape, and the inner coil may be disposed to surround an outer side of the coil.
상기 내측 코일은 상기 코일의 내측에 배치된 제1 내측코일을 더 포함할 수 있다.The inner coil may further include a first inner coil disposed inside the coil.
상기 코일은 나선형으로 이루어지고, 상기 내측 코일은 방사상으로 배치된 코일 사이에 배치될 수 있다.The coil may be formed in a spiral shape, and the inner coil may be disposed between radially disposed coils.
또한, 실시예에 따른 무선전력 송수신 장치는 급전 코일 및 상기 급전 코일의 적어도 일부를 감싸도록 배치된 제1 내측코일, 상기 제1 내측코일과 연결되어 상기 제1 내측코일과 이격 배치된 제1 외측코일을 포함하는 급전 차폐코일을 포함하는 급전 코일부와, 집전 코일 및 상기 집전 코일의 적어도 일부를 감싸도록 배치된 제2 내측코일, 상기 제2 내측코일과 연결되어 상기 제2 내측코일과 이격 배치된 제2 외측코일을 포함하는 집전 차폐코일을 포함하는 집전 코일부를 포함할 수 있다.In addition, the wireless power transmitting and receiving device according to the embodiment includes a power feeding coil unit including a power feeding coil and a power feeding shielding coil including a first inner coil arranged to surround at least a portion of the power feed coil, a first outer coil connected to the first inner coil and spaced apart from the first inner coil, a power collecting coil and a second inner coil arranged to surround at least a portion of the power collecting coil, and the second inner coil connected to the second inner coil. and a current collecting coil unit including a current collecting shielding coil including a second outer coil disposed spaced apart from the second outer coil.
상기 제1 내측코일의 위상은 상기 급전 코일에서 발생되는 자기장과 동위상을 가지고, 상기 제1 외측코일의 위상은 상기 급전 코일에서 누설되는 자기장과 역위상을 가질 수 있다.A phase of the first inner coil may have the same phase as a magnetic field generated from the power supply coil, and a phase of the first outer coil may have a reverse phase with a magnetic field leaked from the power supply coil.
상기 제1 외측코일의 턴 수는 상기 제1 내측코일과 제1 외측코일 사이의 반지름 정보 및 상기 제1 내측코일의 턴 수 대비 외측 코일의 턴 수 정보를 이용하여 결정할 수 있다.The number of turns of the first outer coil may be determined using information about a radius between the first inner coil and the first outer coil and information on the number of turns of the outer coil compared to the number of turns of the first inner coil.
상기 제1 내측코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 급전 코일에 흐르는 전류의 방향과 대응되고, 상기 제1 외측코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 급전 코일에 흐르는 전류의 방향과 반대 방향일 수 있다.A direction of the current flowing in the first inner coil may correspond to a direction of the current flowing in the feeding coil, and a direction of the current flowing in the first outer coil may be opposite to a direction of the current flowing in the feeding coil.
실시예는 이중 루프의 차폐 코일을 형성함으로써, 전력전송 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.The embodiment has an effect of preventing power transmission efficiency from decreasing by forming a double loop shielding coil.
또한, 실시예는 이중 루프의 차폐 코일을 형성함으로써, 누설 자기장을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.In addition, the embodiment has an effect of effectively removing a leakage magnetic field by forming a double loop shielding coil.
도 1은 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 안테나 장치를 나타낸 개략 사시도이다.
도 3은 실시예에 따른 안테나 장치에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 안테나 장치에 흐르는 전류에 따른 자기장의 발생을 나타낸 도면이다.
도 5는 차폐 코일의 공진 주파수 결정 예시를 나타낸 그래프이다.
도 6은 차폐 코일의 자기장 위상 벡터도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 상호 인덕턴스에 따른 자기장의 발생 예시를 나타낸 도면이다.
도 8은 외부 자기장의 위상에 따른 실제 인덕턴스의 예시를 나타낸 도면이다.
도 9는 차폐 코일의 영향을 포함하는 2-코일 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 10은 p지점에 대한 코일의 기하 거리를 도식화한 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 누설 자기장의 측정 지점을 나타낸 도면이다.
도 12는 실시예에 따른 차폐 코일이 미적용되었을 경우의 급전 코일과 집전 코일의 전류를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예에 따른 차폐 코일이 적용되었을 경우의 급전 코일과 집전 코일의 전류를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예에 따른 차폐 코일이 미적용되었을 경우의 공급 전력 및 부하에 도달한 전력을 비교한 그래프이다.
도 15는 실시예에 따른 차폐 코일이 적용되었을 경우의 공급 전력 및 부하에 도달한 전력을 비교한 그래프이다.
도 16은 차폐 코일 적용 유무에 따른 효율을 비교한 그래프이다.
도 17은 실시예에 따른 차폐 코일 적용 유무에 따른 차폐 효과에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 주변 전자장치에 대한 영향 정도를 확인하기 위한 전자기 간섭 (Electromagnetic interference: EMI)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19 내지 도 21은 실시예에 따른 안테나 장치의 변형 예들을 나타낸 도면이다.1 is a block diagram illustrating a wireless power transmission and reception system according to an embodiment.
2 is a schematic perspective view illustrating the antenna device of FIG. 1;
3 is a diagram illustrating current flowing through an antenna device according to an embodiment.
4 is a diagram illustrating the generation of a magnetic field according to a current flowing through an antenna device according to an embodiment.
5 is a graph showing an example of determining a resonant frequency of a shielding coil.
6 is a graph showing a magnetic field phase vector diagram of a shielding coil.
7 is a diagram showing an example of generation of a magnetic field according to mutual inductance.
8 is a diagram showing an example of actual inductance according to the phase of an external magnetic field.
9 is a circuit diagram showing a 2-coil equivalent circuit including the effect of a shielding coil.
FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic view of a geometric distance of a coil with respect to a point p.
11 is a diagram illustrating measurement points of a leakage magnetic field.
12 is a graph showing currents of a power feeding coil and a collecting coil when a shielding coil according to an embodiment is not applied.
13 is a graph showing currents of a power feeding coil and a collecting coil when a shielding coil according to an embodiment is applied.
14 is a graph comparing supply power and power reaching a load when a shielding coil according to an embodiment is not applied.
15 is a graph comparing supply power and power reaching a load when a shielding coil according to an embodiment is applied.
16 is a graph comparing efficiency according to whether or not a shielding coil is applied.
17 is a graph showing simulation results of a shielding effect according to the presence or absence of a shielding coil according to an embodiment.
18 is a graph showing simulation results for electromagnetic interference (EMI) to check the degree of influence on peripheral electronic devices.
19 to 21 are diagrams illustrating modified examples of an antenna device according to an embodiment.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 안테나 장치를 나타낸 개략 사시도이고, 도 3은 실시예에 따른 안테나 장치에 흐르는 전류를 나타낸 도면이고, 도 4는 실시예에 따른 안테나 장치에 흐르는 전류에 따른 자기장의 발생을 나타낸 도면이고, 도 5는 차폐 코일의 공진 주파수 결정 예시를 나타낸 그래프이고, 도 6은 차폐 코일의 자기장 위상 벡터도를 나타낸 그래프이고, 도 7은 상호 인덕턴스에 따른 자기장의 발생 예시를 나타낸 도면이고, 도 8은 외부 자기장의 위상에 따른 실제 인덕턴스의 예시를 나타낸 도면이고, 도 9는 차폐 코일의 영향을 포함하는 2-코일 등가회로를 나타낸 회로도이고, 도 10은 p지점에 대한 코일의 기하 거리를 도식화한 모습을 나타낸 도면이고, 도 11은 누설 자기장의 측정 지점을 나타낸 도면이고, 도 12는 실시예에 따른 차폐 코일이 미적용되었을 경우의 급전 코일과 집전 코일의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 13은 실시예에 따른 차폐 코일이 적용되었을 경우의 급전 코일과 집전 코일의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 14는 실시예에 따른 차폐 코일이 미적용되었을 경우의 공급 전력 및 부하에 도달한 전력을 비교한 그래프이고, 도 15는 실시예에 따른 차폐 코일이 적용되었을 경우의 공급 전력 및 부하에 도달한 전력을 비교한 그래프이고, 도 16은 차폐 코일 적용 유무에 따른 효율을 비교한 그래프이고, 도 17은 실시예에 따른 차폐 코일 적용 유무에 따른 차폐 효과에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이고, 도 18은 주변 전자장치에 대한 영향 정도를 확인하기 위한 전자기 간섭 (Electromagnetic interference: EMI)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram showing a wireless power transmission and reception system according to an embodiment, FIG. 2 is a schematic perspective view showing the antenna device of FIG. 1, FIG. 3 is a diagram showing current flowing through the antenna device according to the embodiment, FIG. 4 is a diagram showing the generation of a magnetic field according to the current flowing through the antenna device according to the embodiment, FIG. 5 is a graph showing an example of determining a resonance frequency of a shielding coil, FIG. It is a diagram showing an example of the generation of a magnetic field according to the inductance, FIG. 8 is a diagram showing an example of the actual inductance according to the phase of the external magnetic field, FIG. 9 is a circuit diagram showing a 2-coil equivalent circuit including the effect of the shielding coil, FIG. 10 is a diagram showing the geometric distance of the coil with respect to the point p, FIG. 13 is a graph showing the current of the feeding coil and the current collecting coil when the shielding coil according to the embodiment is applied, FIG. 14 is a graph comparing power supplied and power reached at load when the shielding coil according to the embodiment is not applied, and FIG. 15 is a graph comparing power supplied and power reached at load when the shielding coil according to the embodiment is applied, and FIG. 17 is a graph showing simulation results for shielding effects according to the presence or absence of a shielding coil according to an embodiment, and FIG. 18 is a graph showing simulation results for electromagnetic interference (EMI) to confirm the degree of influence on nearby electronic devices.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 무선전력 송수신 시스템(1000)은 전원부(100), 무선전력 송신기(200), 안테나 장치(300, 400), 무선전력 수신기(500) 및 부하단(600)을 포함할 수 있다. 여기서, 안테나 장치는 급전 코일부(300) 또는 집전 코일부(400) 중 어느 하나이거나 둘을 모두 포함할 수 있다. 실시예에서는 무선전력 송신기(200)와 안테나 장치의 급전 코일부(300)를 별도의 구성으로 나누어 설명하였으나, 전력 송신기(200)와 급전 코일부(300)는 하나의 구성으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 1, a wireless power transmission and reception system 1000 according to an embodiment may include a
무선전력 송신기(200)는 전원부(100)에 연결되며, 전원부(100)로부터 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 전원부(100)는 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성할 수 있다. The
무선전력 전송은 전자기 유도(Electromagnetic induction) 방식 또는 공진(Resonance) 방식을 이용하여 전력을 송수신할 수 있다. Wireless power transmission may transmit and receive power using an electromagnetic induction method or a resonance method.
무선전력 송신기(200)는 전력변환을 위한 인버터, 커페시터 및 정류기 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The
무선전력 송신기(200)는 상용 전원을 공급 받아 무선전력 송수신 시스템(1000)의 동작 주파수로 변환하여 급전 코일부(300)에 공급하고, 급전 코일부(300)에는 동작 주파수에 따른 시변 자계(Time-Varying Magnetic Field)가 생성될 수 있다. 이때, 집전 코일부(400)에 급전 코일부(300)에서 발생되는 시변 자계에 노출되며 이 과정에서 자기유도 결합이 발생되어 전기 에너지가 전송될 수 있다.The
무선전력 수신기(500)는 수신한 전력을 변환하여 부하단(500)에 공급할 수 있다. 부하단(500)은 자동차, 기차, 휴대 전화, 또는 컴퓨터 그 자체 또는 그에 포함되어 전기 에너지를 저장하거나 소모하는 배터리일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The wireless power receiver 500 may convert the received power and supply it to the load stage 500. The load stage 500 may be a car, a train, a mobile phone, or a computer itself or a battery included therein to store or consume electrical energy, but is not limited thereto.
급전 코일부(300)와 집전 코일부(400)가 자기장 결합을 통해 효과적으로 전기 에너지를 공급하기 위해 무선전력 송수신 시스템(1000)의 동작 주파수에 대해 공진 현상이 발생할 수 있도록 커패시터를 활용하여 공진 회로를 구성할 수 있다.In order to effectively supply electric energy through magnetic field coupling between the power
한편, 전력을 송수신하는 급전 코일부(300)와 집전 코일부(400)를 포함하는 안테나 장치는 코일에서 전력 효율이 감소되는 현상 및 누설되는 자기장을 차폐하기 위한 차폐 수단이 구비될 수 있다. 여기서, 차폐 수단은 차폐 코일일 수 있다.On the other hand, the antenna device including the power
도 2에 도시된 바와 같이, 안테나 장치의 급전 코일부(300)는 급전 코일(310)과, 상기 급전 코일(310)에 인접하게 배치된 급전 차폐코일(320)을 포함할 수 있다. 여기서, 급전 차폐코일(320)은 이중 루프를 가지도록 설계될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the power
급전 코일(310)은 나선형으로 형성될 수 있다. 이와 다르게, 급전 코일(310)은 다각, 타원 형상 등 다양하게 형성될 수 있다.The
급전 차폐코일(320)은 급전 코일(310)을 감싸도록 배치될 수 있다. 급전 차폐코일(320)은 제1 내측코일(322)과 제1 외측코일(324)을 포함할 수 있다. 제1 내측코일(322)은 급전 코일(310)의 외측을 감싸도록 배치될 수 있다. 제1 외측코일(324)은 제1 내측코일(322)과 이격 배치될 수 있다. 제1 외측코일(322)과 제1 내측코일(324) 사이에는 그 일단이 연결되도록 연결 코일(326)이 형성될 수 있다.The power
제1 내측코일(322)은 급전 코일(310)에서 집전 코일(410)로 전달되는 자기장과 같은 자기장 벡터를 가지는 보조장을 발생시켜 무선전력 전송 효율이 저하되는 현상을 방지할 수 있다. 제1 외측코일(324)은 급전 코일(310)로부터 발생한 누설 자기장을 상쇄시키는 차폐 자기장을 발생시킬 수 있다. The first
급전 차폐코일(320)은 이중 루프로 형성됨으로써 효율 저하의 방지 및 누설 자기장의 저감을 위해 동작될 수 있어 결과적으로 효율 저하 없이 차폐가 이루어질 수 있다.Since the power
안테나 장치의 집전 코일부(400)는 집전 코일(410)과, 상기 집전 코일(410)에 인접하게 배치된 집전 차폐코일(420)을 포함할 수 있다. 여기서, 집전 차폐코일(420)은 이중 루프를 가지도록 설계될 수 있다.The collecting
집전 코일(410)은 나선형의 형상으로 형성될 수 있으나, 그 형상은 한정되지 않는다.The
집전 차폐코일(420)은 집전 코일(410)과 인접하게 배치될 수 있다. 집전 차폐코일(420)은 제2 내측코일(422)과 제2 외측코일(424)을 포함할 수 있다. 제2 내측코일(422)은 집전 코일(410)의 외측을 감싸도록 배치될 수 있다. 제2 외측코일(424)은 제2 내측코일(422)과 이격 배치될 수 있다. 제2 외측코일(424)과 제2 내측코일(422) 사이에 그 일단이 연결되도록 연결 코일(426)이 배치될 수 있다.The current
도 3에 도시된 바와 같이, 전류 IWPT가 발생할 때, 제1 내측코일(322)에 흐르는 전류는 ISH-in 으로서 급전 코일(310)의 전류 IWPT와 같은 방향으로 발생하게 된다. 또한, 제1 외측코일(326)은 제1 내측코일(322)에 대해 반대 방향으로 감겨있는 역권선(reverse turn)으로 설계되므로 제1 내측코일(322)의 전류 대비 반대 방향의 전류가 발생할 수 있다.As shown in FIG. 3 , when the current I WPT is generated, the current flowing through the first
도 4에 도시된 바와 같이, 급전 코일(310)에 인접하게 배치된 제1 내측코일(322)에서는 무선전력전송과 자기장 동위상을 가지며 합성되고, 제1 외측코일(326)에서는 누설 자기장에 대해 역위상(180도 차이)을 가지게 되므로 결과적으로 제1 내측코일(322)은 무선전력전송의 위상이 보존되며 제1 외측코일(324)에서는 누설 자기장이 차폐되는 원리로 동작하게 된다. 집전 차폐코일(420)도 위와 마찬가지로 동작될 수 있다.As shown in FIG. 4, the first
앞서 설명한 차폐 코일의 동작을 위해서는 급전 코일(310)과 급전 차폐코일(320)의 제1 내측코일(322)은 동위상의 자기장이 발생되어야 한다. 이를 위해 커패시터를 조절함으로써, 달성할 수 있다.For the above-described operation of the shielding coil, the
도 5에 도시된 바와 같이, 동작 주파수에 대해 제1 내측코일(322)이 더욱 높은 공진 주파수를 가지도록 설계하여 급전 코일(310)에 대해 동위상의 전류가 발생하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 전류에 따라 발생하게 되는 자기장 또는 동위상의 자기장 벡터를 발생시킬 수 있도록 제어할 수 있다. As shown in FIG. 5 , by designing the first
마찬가지 방법으로, 동작 주파수에 대해 제2 내측코일(422)이 더욱 높은 공진 주파수를 가지도록 설계하여 집전 코일(410)에 대해 동위상의 전류가 발생하도록 제어할 수 있다.In the same way, the second
도 6에 도시된 바와 같이, BTX와 BRX는 급전 코일(310, TX)과 집전 코일(410, RX)에서 발생하는 자기장의 의미하며, BTS-in과 BTS-out는 급전 차폐코일(320)의 제1 내측코일(322)과 제1 외측코일(324)에서 발생하는 자기장을 의미할 수 있다. As shown in FIG. 6, B TX and B RX mean magnetic fields generated by the power supply coil 310 (TX) and the power collecting coil 410 (RX), and B TS-in and B TS-out may mean magnetic fields generated by the first
도 6을 통해 보면, 급전 차폐코일(320)과 집전 차폐코일(420)의 제1 내측코일(322) 및 제2 내측코일(422)에서 발생하는 자기장 BTS-in과 BRS-in은 급전 코일(310)에서의 자기장 BTX와 집전 코일(410)에서의 자기장 BRX에 대해 서로 같은 방향으로 발생하는 것을 알 수 있다.6, it can be seen that the magnetic fields B TS-in and B RS-in generated in the first
또한, 급전 차폐코일(320)과 집전 차폐코일(420)의 제1 외측코일(324)과 제2 외측코일(424)에서 발생하는 자기장 BTS-out과 BRS-out은 BTX, BRX, BTS-in, BRS-in에 대해 역위상을 가지는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the magnetic fields B TS-out and B RS-out generated from the first
이러한 자기장 벡터의 관계를 통해 차폐 코일(320, 420)의 내측 코일에서는 무선전력전송을 보조해주고 차폐 코일(320, 420)의 외측 코일에서는 누설 자기장을 상쇄하게 됨을 알 수 있다.Through the relationship between the magnetic field vectors, it can be seen that the inner coils of the shielding coils 320 and 420 assist wireless power transmission, and the outer coils of the shielding coils 320 and 420 cancel the leakage magnetic field.
결합계수 조건에 따른 차폐 코일의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 여기서, 차폐 코일은 급전 차폐코일과 집전 차폐코일을 통칭하는 단어로 사용될 수 있다.The operation of the shielding coil according to the coupling coefficient condition is as follows. Here, the shielding coil may be used as a general term for a power feeding shielding coil and a current collecting shielding coil.
차폐 코일이 외측 코일로만 이루어질 경우, 외측 코일에서 자기장이 발생하기 위한 에너지는 무선전력전송 코일로부터 공급받게 되며, 이는 수학식 1과 같이 무선전력전송 코일과 차폐 코일과의 상호 인덕턴스에 의해 결정될 수 있다.When the shielding coil is made of only the outer coil, energy for generating a magnetic field in the outer coil is supplied from the wireless power transmission coil, which can be determined by mutual inductance between the wireless power transmission coil and the shielding coil as shown in
[수학식 1][Equation 1]
여기서, iX는 임의의 무선전력전송 코일을 의미하며, iS는 임의의 차폐 코일을 의미할 수 있다. 즉, 임의의 무선전력전송 코일과 임의의 차폐 코일에 대한 상호 인덕턴스 MiSiX는 두 코일간 결합 계수 kiXiS 와 두 코일의 인덕턴스 LiX, LiS에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.Here, iX means an arbitrary wireless power transmission coil, and iS may mean an arbitrary shielding coil. That is, it can be seen that the mutual inductance M iSiX of an arbitrary wireless power transmission coil and an arbitrary shielding coil is determined by the coupling coefficient k iXiS between the two coils and the inductances L iX and L iS of the two coils.
실시예에서 사용되는 차폐 코일은 내측 코일과 외측 코일에 구조이므로, 수학식 1은 수학식 2와 같이 내측 코일과의 상호 인덕턴스와 외측 코일과의 상호 인덕턴스의 총 합에 의해 최종 인덕턴스가 결정될 수 있다.Since the shielding coil used in the embodiment has a structure of an inner coil and an outer coil, the final inductance of
[수학식 2][Equation 2]
수학식 2에 대해 상호 인덕턴스 조건은 도 3 내지 도 5와 같다. 각각의 조건은 각기 다른 차폐 코일의 동작으로 이어질 수 있다.Mutual inductance conditions for
[수학식 3][Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
수학식 3은 차폐 코일 내측 코일에 대한 상호 인덕턴스와 외측 코일에 대한 상호 인덕턴스의 크기가 같은 경우를 의미하며, 이 경우 차폐 코일의 내측 코일와 외측 코일은 서로 반대 방향의 자기장이 발생하므로 임의의 무선전력전송 코일과의 상호 인덕턴스는 0으로 수렴하게 된다.
수학식 4의 경우, 차폐 코일의 내측 코일보다 외측 코일과의 상호 인덕턴스가 큰 경우를 의미하며, 이 경우 차폐 코일의 외측 코일이 임의의 무선전력전송 코일과 동위상의 자기장을 발생시키고 내측 코일에서는 역위상의 자기장이 발생하게 되어 도 7a와 같이 차페 코일의 바깥족 영역에서의 자기장이 증가하게 되고 차폐 코일 안쪽 영역에서 차폐가 이루어지게 된다.In the case of
차폐 코일의 내측 코일와 외측 코일의 권수비 (ratio of turns)가 1:1로 동일하며, 차폐 코일의 내측 코일이 외측 코일 대비 무선전력전송 코일과 인접해 있는 경우 이러한 조건이 성립하기 어렵지만, 차폐 코일의 내측 코일과 외측 코일의 권수비에서 외측 코일이 많은 권수를 가지도록 설계하는 경우에는 낮은 결합계수에서도 높은 인덕턴스를 가질 수 있으므로 이러한 동작 조건이 발생하는 것을 주의해야 한다.The ratio of turns between the inner coil and the outer coil of the shielding coil is equal to 1:1, and if the inner coil of the shielding coil is adjacent to the wireless power transmission coil relative to the outer coil, it is difficult to achieve this condition. However, when the outer coil is designed to have a large number of turns in the turn ratio between the inner coil and the outer coil of the shielded coil, care must be taken that these operating conditions occur because they may have high inductance even at a low coupling coefficient.
수학식 5의 경우, 차폐 코일의 내측 코일이 외측 코일보다 상호 인덕턴스가 큰 경우를 의미하며, 이 경우 차폐 코일의 내측 코일에서 임의의 무선전력전송 코일과 동위상의 자기장이 발생하고 외측 코일에서는 역위상의 자기장이 발생하게 되어 도 7b와 같이, 차폐 코일 안쪽 영역에서의 자기장이 증가하게 되고 차폐 코일 바깥쪽 영역에서 차폐가 이루어지게 된다.In the case of
여기서, 도 7b의 조건이 실시예에 해당하는 차폐 코일의 정상 동작이며, 이 경우 조화 영역에 의해 차폐 코일에 의한 손실이 방지되고, 차폐 동작이 발생하게 된다.Here, the condition of FIG. 7B is the normal operation of the shielding coil corresponding to the embodiment, and in this case, loss due to the shielding coil is prevented by the harmonized region, and the shielding operation occurs.
무선전력 효율의 보전에 대해 살펴보면 아래와 같다. 이하에서 설명하는 품질인자는 무선전력 전송에 있어 동작 주파수로부터 전기적 응답의 최대 크기(Peak value)와 대역폭(band)를 결정하는 지표를 의미할 수 있다.The preservation of wireless power efficiency is as follows. The quality factor described below may mean an index for determining a peak value and a bandwidth of an electrical response from an operating frequency in wireless power transmission.
낮은 품질 인자를 가지는 무선전력 송수신 시스템은 동작 주파수로부터 넓은 대역폭이 형성되어, 무선전력전송 과정 중 발생하는 다양한 동작 조건의 변화에 따른 동작 성능의 변화에 대해 강건한(robust) 동작이 가능하지만, 무선전력 송수신 효율의 최대치가 높은 품질 인자를 가지는 시스템 대비 낮은 단점이 있다.The wireless power transmission/reception system with a low quality factor has a wide bandwidth from the operating frequency, and thus can operate robustly against changes in operating performance due to changes in various operating conditions occurring during the wireless power transmission process. However, there is a disadvantage that the maximum value of the wireless power transmission/reception efficiency is lower than that of a system having a high quality factor.
반대로, 높은 품질 인자를 가지는 무선전력 송수신 시스템은 무선전력전송 효율의 최대치가 증가하게 되며, 이상적인 동작 조건에서 낮은 품질 인자를 가지는 무선전력전송 대비 높은 전력 전송 효율의 확보가 가능하지만, 중심 주파수로부터의 대역폭이 작아져 너무 높은 품질 인자를 가지도록 설계된 무선전력 송수신 시스템은 동작의 강건성(Robustness)이 낮은 품질 인자를 가지는 무선전력 송수신 시스템 대비 불안정할 수 있다.Conversely, a wireless power transmission/reception system having a high quality factor increases the maximum value of wireless power transmission efficiency, and under ideal operating conditions, it is possible to secure higher power transmission efficiency compared to wireless power transmission having a low quality factor. However, a wireless power transmission/reception system designed to have a too high quality factor due to a small bandwidth from the center frequency may be unstable compared to a wireless power transmission/reception system having a low quality factor in terms of operational robustness.
이러한 무선전력전송의 품질 인자는 최대 전력 전송 조건(maximum power transfer condition)을 결정하는 지표로도 활용될 수 있다.Such a quality factor of wireless power transmission can also be used as an index for determining a maximum power transfer condition.
무선전력전송의 품질 인자에 따라서 전력을 송수신하는 두 코일이 어느 정도의 자기장 결합을 가지느냐에 따라 전력 전송량이 결정되므로, 품질 인자는 무조건 높고 낮음을 추구하는 것이 아닌 적절한 품질 인자를 가지도록 설계될 수 있다.Since the amount of power transmission is determined according to the degree of magnetic field coupling between the two coils that transmit and receive power according to the quality factor of wireless power transmission, the quality factor can be designed to have an appropriate quality factor rather than unconditionally pursuing high or low.
즉, 무선전력전송 코일의 품질 인자는 전력 전송 효율과 밀접하게 관련될 수 있다. 코일의 품질 인자 (Q-factor)는 수학식 6과 같고 이에 따른 코일 간 전력 전송 효율(coil-to-coil efficiency: )는 수학식 7과 같을 수 있다. That is, the quality factor of the wireless power transmission coil may be closely related to power transmission efficiency. The quality factor (Q-factor) of the coil is as shown in
[수학식 6][Equation 6]
[수학식 7][Equation 7]
품질 인자에 대한 수학식 6을 살펴보면, 동작 주파수 w가 동일할 때 품질 인자 Qix가 증가하기 위해서는 임의의 무선전력전송 코일에 존재하는 내부 저항 Rix가 작아지거나, 혹은 코일의 인덕턴스 Lix가 증가해야 함을 알 수 있다.Looking at
코일의 내부 저항은 코일의 단위 길이에 따라 선형적으로 증가하는 요소로서, 권수(the number of turns)가 증가할수록 내부 저항 또한 함께 증가하게 된다.The internal resistance of a coil is a factor that increases linearly with the unit length of the coil, and as the number of turns increases, the internal resistance also increases.
즉, 특정 권수로 설계된 무선전력전송 코일의 품질 인자는 설계 변수가 정해진 후 품질 인자의 변동이 발생하지 않아 수학식 과 같이 주어진 조건에서 코일 간 전력 전송 효율이 결정되게 된다.That is, the quality factor of the wireless power transmission coil designed with a specific number of turns does not change the quality factor after the design variable is set, so that the power transmission efficiency between coils is determined under given conditions as in the equation.
하지만, 주변에 자기장을 발생시키는 코일이 인접해 있을 경우 무선전력전송 코일의 자기 인덕턴스(self inductance)와 함께 외부 자기장과의 상호 인덕턴스에 의해 실제 인덕턴스가 결정되게 된다.However, when a coil generating a magnetic field is nearby, the actual inductance is determined by the self inductance of the wireless power transmission coil and the mutual inductance with the external magnetic field.
이 때 외부 자기장이 무선전력전송 코일에 대해 미치는 영향은 수학식 8과 같이 정의될 수 있으며, 자기장에 대해 역위상 혹은 동위상을 가지는 도 8과 같은 예시의 경우에서 각각 수학식 9 및 수학식 10과 같이 정의될 수 있다..At this time, the effect of the external magnetic field on the wireless power transmission coil may be defined as in Equation 8, and in the case of the example shown in FIG.
[수학식 8][Equation 8]
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
실시예에 따른 차폐 코일은 급전 코일과 집전 코일 각각에 설치되고, 발생하는 자기장 또한 급전 코일과 집전 코일에 대해 차폐 코일 내측 코일의 영역에서 동위상으로 발생하므로 결과적으로 급전 혹은 집전 코일의 실제 인덕턴스를 증가시키는 영향을 주게 된다.The shielding coil according to the embodiment is installed in each of the feeding coil and the collecting coil, and the generated magnetic field is also generated in the same phase with respect to the feeding coil and the collecting coil in the region of the inner coil of the shielding coil. As a result, the actual inductance of the feeding or collecting coil is increased.
또한, 급전 차폐 코일은 급전 코일에 종속적으로 동작하고 집전 차폐 코일은 집전 코일에 종속적으로 동작하므로, 각 무선전력전송 코일에 대응하는 차폐 코일은 각 대응 코일에 대해 동위상으로서 환산되며 이 경우 총 4개의 코일로 구성된 무선전력 송수신 시스템은 도 9와 같이 2개의 코일로 구성된 등가 회로로서 치환될 수 있다.In addition, since the power feeding shielding coil operates dependently on the power supply coil and the current collecting shielding coil operates dependently on the current collecting coil, the shielding coil corresponding to each wireless power transmission coil is converted as the same phase with respect to each corresponding coil. In this case, a wireless power transmission/reception system composed of a total of four coils can be replaced as an equivalent circuit composed of two coils as shown in FIG.
이 경우, 급전 코일과 집전 코일의 실제 인덕턴스는 수학식 11 및 수학식 12와 같으며, 이에 따른 품질 인자는 수학식 13 및 수학식 14로 표현될 수 있다.In this case, the actual inductances of the power feeding coil and the collecting coil are as shown in
[수학식 11][Equation 11]
[수학식 12][Equation 12]
[수학식 13][Equation 13]
[수학식 14][Equation 14]
즉, 차폐 코일의 상호 인덕턴스 영향을 포함하는 위 품질 인자를 차폐 코일을 포함하지 않는 경우의 품질 인자와 비교 시 도 9에서와 같이, 동위상에 해당하는 MTX 및 MRX에 해당하는 상호 인덕턴스가 추가되며, 실제 급전 및 집전 코일의 권수는 증가하지 않았으므로 동일한 내부 저항을 가지게 되므로 결과적으로 품질 인자가 향상되게 된다.That is, when the above quality factor including the effect of the mutual inductance of the shielding coil is compared with the quality factor when the shielding coil is not included, as shown in FIG. 9, the mutual inductance corresponding to MTX and M RX corresponding to the same phase is added, and since the actual number of turns of the power supply and collector coils does not increase, they have the same internal resistance, so the quality factor is improved as a result.
이러한 영향에 기반하여 급전 코일과 집전 코일은 더욱 높은 품질 인자를 가지게 되며, 결과적으로 코일 간 전력 전송 효율이 상승하게 되는 결과로 이어지게 될 수 있다.Based on these influences, the power supply coil and the collector coil have higher quality factors, and as a result, power transmission efficiency between coils may increase.
이 때, 각 급전 및 집전 코일의 실제 인덕턴스가 변화하게 되므로, 급전 코일 및 집전 코일에 대한 공진 커패시터를 실제 인덕턴스에 맞게 변경해야 하며, 실제 인덕턴스에 따른 커패시턴스 결정 방법은 수학식 15와 같을 수 있다.At this time, since the actual inductance of each feeding and collecting coil changes, the resonant capacitors for the feeding and collecting coils must be changed to match the actual inductance, and the method for determining the capacitance according to the actual inductance is as shown in
[수학식 15][Equation 15]
앞선 4 코일에 대한 등가회로에서 확인한 바와 같이 급전 코일 및 집전 코일에 대한 각각의 차폐 코일 또한 내부 저항을 가지고 있으므로 결과적으로 전기에너지를 소모하게 되며, 차폐 코일의 손실을 포함하는 무선전력 송수신 시스템의 전체 효율은 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.As confirmed in the equivalent circuit for the previous four coils, each shielding coil for the power supply coil and the power collector coil also has internal resistance, so as a result, electrical energy is consumed.
[수학식 16][Equation 16]
즉, 수학식 16을 통해 차폐 코일을 적용할 경우 급전 차폐코일로부터 발생하는 손실 와 집전 차폐 코일로부터 발생하는 손실 가 추가됨을 알 수 있다.That is, when the shielding coil is applied through
하지만, 품질 인자의 향상을 통해 얻게 되는 전력 전송 효율의 증가가 차폐 코일에서 추가적으로 발생하는 손실 대비 크기 때문에 결과적으로 차폐 코일이 적용되었음에도 효율 저하가 발생하지 않거나 설계 방법에 따라 효율이 증가할 수 있다.However, since the increase in power transmission efficiency obtained through the improvement of the quality factor is greater than the loss additionally generated by the shielding coil, as a result, even if the shielding coil is applied, the efficiency may not decrease or the efficiency may increase depending on the design method.
이하에서는 차폐 성능을 결정하는 방식에 대해 설명한다.Hereinafter, a method for determining shielding performance will be described.
실시예의 차폐 코일을 포함하는 무선전력 송수신 시스템의 전체 코일에 대한 도식화는 도 10과 같이 나타낼 수 있다.A diagram of the entire coil of the wireless power transmission and reception system including the shielding coil of the embodiment may be shown as shown in FIG. 10 .
특정 지점 p에서의 자기장을 산출하는 것을 가정할 경우, 코일의 중심 축으로부터 p 지점까지의 기하 거리 (geometric distance)를 기반으로 자기장의 강도를 산출할 수 있다.Assuming that the magnetic field at a specific point p is calculated, the strength of the magnetic field can be calculated based on a geometric distance from the central axis of the coil to the point p.
모든 코일은 동일한 중심축 (coaxial)을 가지며 p 지점에 대한 기하 거리는 x, y, z축으로 대변되는 Cartesian coordinate상에서 산출될 수 있다.All coils have the same coaxial axis, and the geometric distance to point p can be calculated on Cartesian coordinates represented by x, y, and z axes.
급전 코일(TX)과 급전 차폐 코일(TS)이 동평면(coplanar)상에 위치하고, 집전 코일 (RX)과 집전 차폐 코일 (RS)이 동평면(coplanar)상에 위치하므로 기하 거리 상에서의 p 지점에 대한 각각의 기하 거리는 수학식 17 및 수학식 18과 같이 산출될 수 있다.Since the power supply coil (TX) and the power supply shielding coil (TS) are located on a coplanar plane, and the current collector coil (RX) and the current collector shield coil (RS) are located on a coplanar plane, each geometric distance for point p on the geometric distance can be calculated as in
[수학식 17][Equation 17]
[수학식 18][Equation 18]
이 때 하나의 코일에서 발생하는 총 자기장의 밀도는 코일의 전체 길이에 대한 폐곡면 적분을 통해 수학식 19와 같이 계산할 수 있다.At this time, the density of the total magnetic field generated in one coil can be calculated as shown in Equation 19 through the integral of the closed surface over the entire length of the coil.
수학식 19에 대해, B는 자속 밀도 (magnetic flux density), i는 급전 코일 (TX), 집전 코일 (RX), 급전 차폐 코일 (TS), 집전 차폐 코일 (RS)에 대한 임의의 변수를 의미하며, n은 코일이 다수의 권수를 가질 경우 각 권수에 대한 수를 의미할 수 있다.In Equation 19, B is the magnetic flux density, i means an arbitrary variable for the power supply coil (TX), power collector coil (RX), power supply shield coil (TS), and power collector shield coil (RS), and n is the coil. If it has a plurality of turns, it may mean the number for each turn.
예를 들어, 코일의 권수가 10턴으로 구성되어 있을 경우 첫 번째 턴에서부터 10번째 턴 까지 각 턴에서 발생하는 자기장을 각각 폐곡면 적분하여 그 값을 모두 더하는 것이 해당 코일에서 발생하는 총 자기장이 되는 것을 의미할 수 있다.For example, if the number of turns of a coil consists of 10 turns, the total magnetic field generated in the coil can be obtained by integrating the magnetic fields generated in each turn from the first turn to the 10th turn and adding all the values.
[수학식 19][Equation 19]
특정 p 지점에서의 자기장 강도는 코일 중심 축으로부터의 p 지점까지의 거리와 다수의 턴으로 구성된 코일 각각에 발생하는 반지름의 차이를 반영하여 수학식 20과 같이 정의할 수 있으며, 이에 대한 세부적인 계산은 수학식 21, 수학식 22, 수학식 23과 같을 수 있다.The magnetic field strength at a specific point p can be defined as in
[수학식 20][Equation 20]
[수학식 21][Equation 21]
[수학식 22][Equation 22]
[수학식 23][Equation 23]
수학식 21에 대해 설명하면, 다수의 턴으로 구성된 나선형 코일로 설계된 경우 각 턴은 코일의 단면적만큼의 반지름 차이가 누적되어 발생하게 되며 이러한 차이는 특정 p 지점에서의 자기장 강도에 영향을 주게 된다.Referring to
즉 각 턴이 가지는 각각의 반지름과, 해당 반지름에 대한 코일 턴의 p 지점에서의 자기장 강도를 각각 계산하여 모두 합산하는 식이라 할 수 있다.That is, it can be said that each radius of each turn and the magnetic field strength at point p of the coil turn for the corresponding radius are calculated and summed up.
해당 수식은 다수의 턴을 가지는 단층 (single layer)의 코일에 대한 자기장 계산의 예시를 보여주기 위한 식으로서, 코일이 다층(multi layer)을 가지거나 혹은 다수의 턴과 다수의 층으로 구성된 복합 구조를 가지는 코일에 대한 수식은 별도로 존재할 수 있다.The equation is an equation for showing an example of magnetic field calculation for a single layer coil having multiple turns, and the coil has multiple layers or a complex structure composed of multiple turns and multiple layers. Formulas for coils may exist separately.
결과적으로 특정 p 지점에서의 급전 코일 자기장 BpTX , 집전 코일 자기장 BpRX, 급전 차폐코일의 내측 코일 자기장 BpTS-in, 집전 차폐코일의 내측 코일 자기장 BpTS-in, 급전 차폐코일의 외측 코일 BpTS-out, 집전 차폐코일의 외측 코일 자기장 BpRS-out 등 차폐 코일을 포함하는 무선전력 송수신 시스템에서 발생하는 모든 자기장의 합으로써 수학식 24와 같이 계산될 수 있다.As a result, at a specific point p, the feeding coil magnetic field B pTX , the collecting coil magnetic field B pRX , the inner coil magnetic field of the feeding shielding coil B pTS-in , the inner coil magnetic field of the collecting shielding coil B pTS-in , the outer coil of the feeding shielding coil B pTS-out , the outer coil magnetic field of the collecting shielding coil B pRS-out , etc. It can be calculated as 24.
[수학식 24][Equation 24]
차폐 성능과 관련하여 급전 코일과 급전 차폐 코일 내측 코일에서 발생하는 자기장이 동위상이고, 집전 코일과 집전 차폐 코일 내측 코일에서 발생하는 자기장이 동위상을 가지므로, 해당 자기장에 대한 차폐 자기장이 각 차폐 코일의 외측 코일에 의해 발생하게 된다.Regarding shielding performance, since the magnetic field generated from the feeding coil and the inner coil of the feeding shielding coil are in phase, and the magnetic fields generated from the collecting coil and the inner coil of the current collecting shielding coil are in phase, the shielding magnetic field for the corresponding magnetic field is generated by the outer coil of each shielding coil.
결과적으로 최대의 차폐 성능은 급전, 집전 코일과 각 차폐 코일의 내측 코일에서 발생하는 자기장의 강도와 각 차폐 코일의 외측 코일에서 발생하는 차폐자기장의 총합이 0에 가까워 지는 수학식 25와 같이 정의될 수 있다.As a result, the maximum shielding performance is defined as
[수학식 25][Equation 25]
이하에서는 실시예에 따른 시뮬레이션을 수행한 결과에 대해 설명한다.Hereinafter, the result of performing the simulation according to the embodiment will be described.
-시뮬레이션 모델 설계--Simulation model design-
85 khz의 주파수로 동작하는 200W급 무선전력 송수신 시스템에 대해 발명 기술을 적용하고 이에 따른 효율 및 차폐 성능을 검토하였다.The inventive technology was applied to a 200W class wireless power transmission and reception system operating at a frequency of 85 khz, and the efficiency and shielding performance thereof were reviewed.
실시예의 기술을 적용하지 않은 경우와 실시예의 기술을 적용한 경우에 대해 각각 시뮬레이션을 하여 결과를 비교하였으며, 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 아래와 같다.The results were compared by simulating the case where the technology of the embodiment was not applied and the case where the technology of the embodiment was applied, respectively, and the parameters used in the simulation are as follows.
차폐 코일을 적용한 경우 급전 코일 (TX)과 집전 코일 (RX)에 적용되는 커패시터가 다르게 설정되는 것을 알 수 있으며, 이는 실제 인덕턴스 변화에 대해 수학식 15를 통해 계산된 커패시턴스를 적용한 결과이다.When the shielding coil is applied, it can be seen that the capacitors applied to the power supply coil (TX) and the power collector coil (RX) are set differently, which is the result of applying the capacitance calculated through
[표 1][Table 1]
[표 2][Table 2]
시뮬레이션에 사용된 코일 구조는 도 2와 같으며, 차폐 효과를 확인하기 위한 누설 자기장 측정 지점은 도 11과 같이 차폐 코일의 외측 코일을 기점으로 높이 200 mm, 250 mm, 300mm 등 3개의 지점을 측정하였으며, 차폐 코일을 적용하지 않은 경우에 대해서도 동일한 위치에서 측정을 수행하였다.The coil structure used in the simulation is as shown in FIG. 2, and the leakage magnetic field measurement point for confirming the shielding effect was measured at three points, such as 200 mm, 250 mm, and 300 mm in height, starting from the outer coil of the shielding coil as shown in FIG.
- 시뮬레이션 모델 결과 -- Simulation model results -
도 12 및 도 13에서 보는 바와 같이, 차폐 코일을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우 집전 코일 (RX)에 발생하는 전류는 유사하지만, 급전 코일의 전류는 약 5A의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 12 and 13 , it can be seen that the case where the shielding coil is applied and the case where it is not, the current generated in the current collector coil (RX) is similar, but the current of the power supply coil has a difference of about 5A.
각 코일의 전류 비교를 통해 차폐 코일의 영향에 따른 실제 인덕턴스의 증가로 인해 높아진 품질 인자가 상승하여 결과적으로 낮은 전류에서도 더욱 높은 자기장이 집전 코일에 전달되는 효과로 발생하게 됨을 확인할 수 있다.Through the current comparison of each coil, it can be confirmed that the increased quality factor is increased due to the increase in actual inductance due to the effect of the shielding coil, and as a result, a higher magnetic field is transmitted to the collecting coil even at a low current.
또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 차폐 코일을 적용하지 않은 경우, 약 225W를 전력을 공급하여 212W의 전력이 전달 되었으므로 약 13W의 손실이 발생하였음을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 14, when the shielding coil is not applied, it can be confirmed that a loss of about 13W occurs because power of about 225W is supplied and power of 212W is transmitted.
도 15에 도시된 바와 같이, 차폐 코일을 적용한 경우, 약 216W의 전력을 공급하여 약 204W의 전력이 전달되었으므로 약 12W의 전력 손실이 발생하였음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 15, when the shielding coil is applied, it can be confirmed that a power loss of about 12W occurs because about 204W of power is delivered by supplying about 216W of power.
이를 통해 손실 전력 측면에서 차폐 코일을 적용하지 않은 경우와 비교 시 손실된 전력의 차이가 존재하지 않음을 확인할 수 있다.Through this, it can be confirmed that there is no difference in power loss when compared with the case where the shielding coil is not applied in terms of power loss.
도 16은 차폐 코일을 적용하지 않은 경우와 차폐 코일을 적용한 경우의 효율에 대한 시뮬레이션 결과이며, 효율은 공급 전력과 전달 전력의 비율로서 계산되었다. 도 16a는 차폐 코일을 적용하지 않은 경우의 효율에 대한 시뮬레이션 결과이며, 약 94.3%의 전력 전송 효율을 보였으며, 도 16b는 약 94.4%의 전력 전송 효율을 보였다.16 is a simulation result of efficiency between a case in which a shielding coil is not applied and a case in which a shielding coil is applied, and the efficiency is calculated as a ratio of supplied power and transmitted power. FIG. 16A is a simulation result of the efficiency when the shielding coil is not applied, showing a power transfer efficiency of about 94.3%, and FIG. 16B shows a power transfer efficiency of about 94.4%.
이를 바탕으로 차폐 코일을 적용한다 하더라도 효율의 저감이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.Based on this, it can be confirmed that the reduction in efficiency does not occur even when the shielded coil is applied.
도 17에 도시된 바와 같이, 차폐 코일을 적용하지 않은 경우 대비 차폐 코일을 적용한 경우 누설자기장이 감소된 것을 확인할 수 있으며, 평균 누설 자기장 감소율은 약 73%로 나타나는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 17, it can be confirmed that the leakage magnetic field is reduced when the shielding coil is applied compared to the case where the shielding coil is not applied, and the average leakage magnetic field reduction rate is about 73%.
또한, 도 18은 주변 전자장치에 대한 영향 정도를 확인하기 위한 전자기 간섭 (Electromagnetic interference: EMI)에 대한 시뮬레이션 결과이며, 무선전력전송 장치로부터 6 m 의 거리에 대해 자기장 강도를 측정하였다.In addition, FIG. 18 is a simulation result of electromagnetic interference (EMI) to confirm the degree of influence on nearby electronic devices, and the magnetic field strength was measured at a distance of 6 m from the wireless power transmission device.
차폐 코일을 적용하지 않은 경우 대비 차폐 코일을 적용한 경우 전체 측정 구간에서 약 8dB의 전자기 간섭이 저감 되었음을 확인할 수 있다.Compared to the case where the shielding coil is not applied, it can be confirmed that about 8dB of electromagnetic interference is reduced in the entire measurement period when the shielding coil is applied.
이러한 실시 예를 통해 발명 차폐 방법이 무선전력전송의 효율 저감 없이 높은 수준의 차폐 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.Through these examples, it was confirmed that the inventive shielding method can secure a high level of shielding performance without reducing the efficiency of wireless power transmission.
실시예에 따른 차폐 방법은 실시 예로 활용된 모델과 같은 형태로 설계되어야 하는 것은 아니며, 차폐 코일의 내측과 외측 코일의 반지름 및 적용 위치, 그리고 권수의 차등 등 다양한 변수를 통해 사용자가 원하는 형태로서 변형하여 사용할 수 있다.The shielding method according to the embodiment does not have to be designed in the same form as the model used in the embodiment, and the user desires through various variables such as the radius and application position of the inner and outer coils of the shielding coil, and the difference in the number of turns. It can be transformed into a form and used.
또한, 이러한 설계의 변경을 통해 차폐 성능과 효율 측면에서 더욱 효과가 발생하도록 변형하여 운용할 수 있다.In addition, through such a design change, it can be modified and operated so that more effects occur in terms of shielding performance and efficiency.
도 19 내지 도 21은 실시예에 따른 안테나 장치의 변형 예들을 나타낸 도면이다. 여기서, 안테나 장치는 급전 코일부, 집전 코일부를 포함할 수 있으나, 편의한 급전 코일부를 대표적으로 설명하며, 집전 코일부의 구성도 급전 코일부의 구성과 동일할 수 있다.19 to 21 are diagrams illustrating modified examples of an antenna device according to an embodiment. Here, the antenna device may include a power supply coil unit and a power collecting coil unit, but a convenient power supply coil unit will be described as a representative, and the configuration of the power collecting coil unit may be the same as that of the power supply coil unit.
도 19에 도시된 바와 같이, 안테나 장치의 급전 코일부(300)는 급전 코일(310)과 급전 차폐코일(320)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 19 , the power
급전 코일(310)은 나선형으로 형성될 수 있다. 이와 다르게, 급전 코일(310)은 다각, 타원 형상 등 다양하게 형성될 수 있다. 급전 코일(310)은 방사상으로 중첩되도록 형성될 수 있다.The
급전 차폐코일(320)은 급전 코일(310)을 감싸도록 배치될 수 있다. 급전 차폐코일(320)은 제1 내측코일(322)과 제1 외측코일(324)을 포함할 수 있다. The power
제1 내측 코일(322)은 방사상으로 배치된 급전 코일(310) 사이에 배치될 수 있다. 제1 외측코일(324)은 제1 내측코일(322)과 이격 배치될 수 있다. 제1 외측코일(322)과 제1 내측코일(324) 사이에는 그 일단이 연결되도록 연결 코일(326)이 형성될 수 있다.The first
도 20에 도시된 바와 같이, 안테나 장치의 급전 코일부(300)는 급전 코일(310)과 급전 차폐코일(320)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 20 , the power
급전 코일(310)은 나선형으로 형성될 수 있다. 이와 다르게, 급전 코일(310)은 다각, 타원 형상 등 다양하게 형성될 수 있다. 급전 코일(310)은 방사상으로 중첩되도록 형성될 수 있다.The
급전 차폐코일(320)은 급전 코일(310)을 감싸도록 배치될 수 있다. 급전 차폐코일(320)은 제1 내측코일(322)과 제1 외측코일(324)을 포함할 수 있다. The power
제1 내측코일(322)은 급전 코일의 외측을 감싸도록 배치될 수 있다. 제1 외측코일(324)은 제1 내측코일(322)과 이격 배치될 수 있다. 제1 외측코일(322)과 제1 내측코일(324) 사이에는 그 일단이 연결되도록 연결 코일(326)이 형성될 수 있다.The first
이와 더불어 급전 코일(310)의 내측에는 제3 내측코일(321)이 더 배치될 수 있다. 제3 내측코일(321)과 제1 내측코일(322) 사이에는 연결코일이 연결될 수 있다.In addition, a third
도 21에 도시된 바와 같이, 급전 차폐코일의 제1 내측코일(322)은 방사상으로 중첩 배치된 급전 코일(310) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 내측코일(322)은 방사상으로 이격 배치된 급전 코일(310)들 사이마다 배치되어 전력 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.As shown in FIG. 21 , the first
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to drawings and embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the embodiments without departing from the technical spirit of the embodiments described in the claims below. It will be appreciated.
100: 전원부
200: 무선전력 송신기
300: 급전 코일부
400: 집전 코일부
500: 무선전력 수신기
600: 부하100: power supply
200: wireless power transmitter
300: power supply coil unit
400: collector coil unit
500: wireless power receiver
600: load
Claims (11)
상기 코일에 인접된 내측 코일 및 상기 내측 코일과 연결되어 상기 내측 코일과 이격 배치된 외측 코일을 포함하는 차폐 코일부를 포함하고,
상기 외측 코일의 턴 수는 상기 내측 코일과 상기 외측 코일 사이의 반지름 정보 및 상기 내측 코일의 턴 수 대비 상기 외측 코일의 턴 수 정보를 이용하여 결정되는 안테나 장치.coil; and
A shielding coil unit including an inner coil adjacent to the coil and an outer coil connected to the inner coil and spaced apart from the inner coil,
The number of turns of the outer coil is determined using information on a radius between the inner coil and the outer coil and information on the number of turns of the outer coil compared to the number of turns of the inner coil.
상기 코일은 나선형으로 이루어지고, 상기 내측 코일은 상기 코일의 외측을 감싸도록 배치되는 안테나 장치.According to claim 3,
The coil is formed in a spiral shape, and the inner coil is disposed to surround an outer side of the coil.
상기 내측 코일은 상기 코일의 내측에 배치된 제1 내측코일을 더 포함하는 안테나 장치.According to claim 3,
The inner coil further includes a first inner coil disposed inside the coil.
상기 코일은 나선형으로 이루어지고, 상기 내측 코일은 방사상으로 배치된 코일 사이에 배치되는 안테나 장치.According to claim 3,
The coil is formed in a spiral shape, and the inner coil is disposed between radially disposed coils.
집전 코일 및 상기 집전 코일에 인접된 제2 내측코일, 상기 제2 내측코일과 연결되어 상기 제2 내측코일과 이격 배치된 제2 외측코일을 포함하는 집전 차폐코일을 포함하는 집전 코일부를 포함하고,
상기 제1 외측코일의 턴 수는 상기 제1 내측코일과 상기 제1 외측코일 사이의 반지름 정보 및 상기 제1 내측코일의 턴 수 대비 상기 제1 외측 코일의 턴 수 정보를 이용하여 결정되는 무선전력 송수신 장치.
A power supply coil unit including a power supply coil and a power supply shielding coil including a first inner coil adjacent to the power supply coil and a first outer coil connected to the first inner coil and spaced apart from the first inner coil; and
A current collecting coil unit including a current collecting coil including a current collecting coil, a second inner coil adjacent to the current collecting coil, and a current collecting shielding coil including a second outer coil connected to the second inner coil and spaced apart from the second inner coil,
The number of turns of the first outer coil is determined using information on the radius between the first inner coil and the first outer coil and information on the number of turns of the first outer coil compared to the number of turns of the first inner coil Wireless power transceiving device.
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