KR102565136B1 - 무선 전력 송수신용 코일 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송수신용 코일에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신용 코일 설계 방법은, 제1 코일 및 제1 코일 양쪽에 각각 중첩되는 제2 및 제3 코일이 배치되는 코어의 길이와 너비, 및 제1 내지 제3 코일의 반지름과 턴 수를 결정하는 단계; 목표 출력 전력과 자속 밀도 크기를 고려하여 동작 주파수와 코어의 두께를 결정하는 단계; 제1 내지 제3 코일을 구성하는 동박의 두께를 바꾸면서 제1 내지 제3 코일의 최소 교류 저항을 측정하여 최적의 동박 두께를 결정하는 단계; 및 동박의 너비를 바꾸면서 제1 내지 제3 코일의 최소 교류 저항을 측정하여 최적의 동박 너비를 결정하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 교류 저항을 줄이고 원하는 임피던스를 갖는 무선 전력 송수신용 코일을 설계할 수 있게 된다.

Description

무선 전력 송수신용 코일 {Coil for transmitting and receiving power wirelessly}
본 발명은 무선으로 전력을 송수신하기 위한 코일에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰이나 태블릿 PC 등과 같은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
유도 결합(Inductive Coupling) 방식에 따라 무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급 받을 때, 전송 장치와 수신 장치에 각각 리츠(Litz) 전선(또는 구리 단선)으로 1차 코일과 2차 코일을 마련하여 전력 전송 채널을 형성하는데, 구리 단선으로 코일을 형성하는 것이 가격적인 면에서 유리할 수 있다.
하지만, 구리 단선의 두께가 있기 때문에 코일의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있고, 이러한 한계는 PCB(Printed Circuit Board) 제조 방식으로 코일 패턴을 형성하여 어느 정도 극복할 수 있다.
구리 단선이나 PCB 패턴의 전송 코일을 수백 kHz급 고주파로 동작시켜 전력을 전송할 때, 코일 전선의 표피 효과나 자기 선간 근접 효과로 인해 교류 저항이 커지는 문제가 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해, 코일 전선 또는 PCB 동박의 두께, 너비를 크게 하거나 코일을 다층으로 구현하면 오히려 교류 저항이 커지고 전체 전송 코일의 크기가 커지는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 상황을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 교류 저항을 최소로 하도록 PCB 제조 방식으로 코일을 설계하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 표피 효과와 근접 효과를 고려하여 코일의 인덕턴스를 원하는 값으로 설계하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신용 코일 설계 방법은, 제1 코일 및 제1 코일 양쪽에 각각 중첩되는 제2 및 제3 코일이 배치되는 코어의 길이와 너비, 및 제1 내지 제3 코일의 반지름과 턴 수를 결정하는 단계; 목표 출력 전력과 자속 밀도 크기를 고려하여 동작 주파수와 코어의 두께를 결정하는 단계; 제1 내지 제3 코일을 구성하는 동박의 두께를 바꾸면서 제1 내지 제3 코일의 최소 교류 저항을 측정하여 최적의 동박 두께를 결정하는 단계; 및 동박의 너비를 바꾸면서 제1 내지 제3 코일의 최소 교류 저항을 측정하여 최적의 동박 너비를 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 최적의 동박 두께를 결정하는 단계는 제1 코일의 제1 동박과 제2 또는 제3 코일의 제2 동박 사이의 높이 차이를 고정한 상태로 동박 두께를 바꿀 수 있다.
일 실시예에서, 최적의 동박 너비를 결정하는 단계는, 이웃하는 동박 사이 간격을 고정한 상태로 동박 너비를 바꿀 수 있다.
일 실시예에서, 동박 두께를 바꾸거나 동박 너비를 바꾸더라도 코일의 인덕턴스가 같다고 가정할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제3 코일은 양면 PCB 제조 방식으로 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제3 코일의 목표 인덕턴스가 11H, 코어의 길이와 너비가 92mm와 56mm, 반지름이 22mm, 턴 수가 11회, 목표 출력 전력이 15W, 동작 주파수가 111kHz, 코어의 두께가 1.5mm일 때, 최소 교류 저항이 200~300mΩ가 되도록 하는 동박 두께와 동박 너비는 9~18Oz와 0.4~0.6mm일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 교류 전류에 의해 자기장을 변화시키되, 제1 코일 및 제1 코일 양쪽에 각각 중첩되는 제2 및 제3 코일을 포함하여 구성되는, 다중 전송 코일; 전송 코일에서 발생하는 자기장의 전파를 제한하기 위한 차폐부; 및 전송 코일과 차폐부를 감싸는 케이스를 포함하여 구성되고, 제1 내지 제3 코일을 구성하는 동박의 두께와 너비가 9~18Oz와 0.4~0.6mm 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 교류 저항을 줄이고 원하는 인덕턴스를 갖는 무선 전력 송수신용 코일을 설계할 수 있게 된다.
또한, 리츠 전선을 사용하는 코일보다 얇고 가볍게 코일을 제작하여 제품 박형화를 가능하게 한다. 또한, 리츠 전선을 사용하여 코일을 제작할 때 거치는 커넥터 작업, 쉬링크 튜브 작업, 프레스 작업 등을 생략하여, 코일 제작 공정을 단순화하고 재현성을 높이고 제조 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 원형과 사각형의 다중 코일을 도시한 것이고,
도 6은 3개의 코일로 구성되는 다중 코일을 고주파로 구동할 때 코일 단면에서의 전류 밀도 분포를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 송수신용 코일을 설계하는 과정을 도시한 것이고,
도 8과 도 9는 코일의 두께와 너비의 조합에 따른 교류 저항을 그래프로 도시한 것이고,
도 10과 도 11은 소정 기준의 교류 저항을 만족하는 코일의 두께와 너비의 조합을 표로 도시한 것이고,
도 12는 본 발명에 따른 전송 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 코일에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 2차 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 2차 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 2차 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 2차 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라 할 때, 활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 1차 코일을 사용할 경우, 1차 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 1차 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 1차 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.
도 5는 원형과 사각형의 다중 코일을 도시한 것으로, 하나의 가운데 코일(Center Coil)과 2개의 양쪽 코일(Side Coils)이 코어 위에 장착되고, 각 코일은 원형이거나 사각형 형상으로 나선형으로 감기고, 양쪽 코일은 가운데 코일과 겹쳐서 배치될 수 있다.
도 6은 3개의 코일로 구성되는 다중 코일을 고주파로 구동할 때 코일 단면에서의 전류 밀도 분포를 도시한 것이다. 고주파로 전력 전송 다중 코일을 구동할 때 이웃하는 선들 사이 근접 효과로 인해 이웃에 코일이 배치되지 않는 바깥쪽 코일로 전류가 흐르려는 경향이 있고, 이로 인해 교류 저항이 커져 전력을 전송할 때 전송 효율이 낮아진다.
무선 전력 전송 또는 수신 코일을 고주파로 동작시킬 때 표피 효과와 근접 효과로 인해 교류 저항이 커지고 임피던스가 작아지는데, 종래 Litz 전선(또는 구리 단선)을 이용하여 코일을 제작할 경우 코일 전선의 반경이 일정하기 때문에, 교류 저항이나 임피던스를 원하는 수준을 얻기가 어렵다.
PCB 제작 방식으로 동박 패턴으로 코일을 제작하는 경우에도 표피 효과와 근접 효과를 고려하면서 교류 저항이나 임피던스를 원하는 값으로 동박 패턴을 설계하는 구체적인 방법이 없었다.
본 발명에서는, 무선 전력 송수신을 위한 코일을 PCB 방식으로 제작할 때 코일이 원하는 교류 저항과 임피던스를 갖도록 하는 최적의 동박 패턴을 설계하는 방법을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 송수신용 코일을 설계하는 과정을 도시한 것이다.
본 발명에 따른 코일은, 도 5에 도시한 것과 같이, 하나의 가운데 코일과 2개의 양쪽 코일을 포함하여 3개의 코일이 X 방향으로 나열된 다중 코일로 구성되고 2개의 양쪽 코일의 일부가 가운데 코일과 겹친 상태로 코어 위에 배치되고, 각 코일은 한 가닥의 전선이 나선형으로 내주에서 외주로 또는 외주에서 내주로 원형이거나 사각형 형상으로 감길 수 있다.
본 발명의 코일 설계 방법에서 결정할 수치 중에서 다중 코일이 놓이는 코어와 관련한 값은, 3개의 코일이 나열되는 방향(도 5에서 X 방향)으로 코어의 길이(도 5에서 la), X 방향과 수직인 방향(도 5에서 Y 방향)으로 코어의 너비(도 5에서 wa), 및 코어의 두께(도 5와 도 6에서 tr)를 포함한다.
또한, 코일 설계 방법에서 결정할 수치 중에서 코일과 관련된 값은, 코일을 구성하는 전선, 즉 동박의 두께(도 6에서 tc), 동박의 너비(도 6에서 wc), 동박 사이의 간격 또는 피치(도 6에서 wa), 가운데 코일과 양쪽 코일 사이의 높이 차(도 6에서 t0), 코일 전선을 나선형으로 감는 회수(도 5에서 N1), 나선형으로 감은 코일의 반지름(도 5에서 rs) 등을 포함한다.
무선 전력 시스템의 전송 코일의 목표 인덕턴스 L1 선정을 위해, 3개의 코일이 나열되는 코어의 길이(la), 코어의 너비(wa), 코일의 반지름(rs), 코일의 감는 회수(N1)을 결정한다.
무선 전력을 전송하기 위해 전송 코일을 구동할 때, 목표 출력 전력(PL) 및 전송부 포화 자속 밀도를 기초로 전송 코어의 자속 밀도 크기(B1 < B1,max 0.3T)를 고려하여 동작 주파수(fs)와 코어의 두께(tr)를 결정한다.
본 발명에 따른 코일은 가운데 코일과 양쪽 코일이 중첩되는 부분에서 동박이 두 레이어로 형성되어야 하므로, 양면 PCB 방식으로 코일의 전선, 즉 동박을 형성해야 한다. 두 코일 사이의 간격 또는 높이 차이(t0)를 고정한 상태로 코일의 동박 두께(tc)를 바꾸면서 코일의 교류 저항(r1)을 측정하여 교류 저항이 최소(r1tmin|tc,op)가 되도록 하는 최적의 동박 두께(tc,op)를 선정하는데, 동박 두께(tc)가 바뀌더라도 코일의 인덕턴스(L1)가 같다고 가정한다.
동박 두께(tc)가 작을수록 표피 효과에 따라 교류 저항이 증가하고 동박 두께(tc)가 클수록 선간 근접 효과에 따라 교류 저항이 증가하므로, 표피 효과와 근접 효과 양쪽을 절충하는 최적의 동박 두께(tc,op)를 결정할 수 있다.
동박 두께(tc)를 결정한 후, 동박 사이 간격 또는 피치(wa = wc + wo)를 고정한 상태로 코일의 동박 너비(wc)를 바꾸면서 코일의 교류 저항(r1)을 측정하여 교류 저항이 최소(r1wmin|wc,op)가 되도록 하는 최적의 동박 두께(wc,op)를 선정하는데, 동박 너비(wc)가 바뀌더라도 코일의 인덕턴스(L1)가 같다고 가정한다.
동박 너비(wc)가 작을수록 표피 효과에 따라 교류 저항이 증가하고 동박 너비(wc)가 클수록 선간 근접 효과에 따라 교류 저항이 증가하므로, 표피 효과와 근접 효과 양쪽을 절충하는 최적의 동박 너비(wc,op)를 결정할 수 있다.
이러한 과정으로 PCB 방식으로 제조하는 다중 코일의 교류 저항을 최소로 하는 최적의 동박 두께와 동박 너비를 결정할 수 있다.
예를 들어, 모바일 단말에 전력을 무선으로 전송하기 위한 충전기를 위한 다중 전송 코일의 인덕턴스(L1) 목표 값을 11H 수준으로 할 때, 코일이 놓이는 코어의 길(la)를 92mm로, 코어의 너비(wa)를 56mm로, 코일의 반지름(rs)를 22mm로, 코일 전선을 감은 회수(N1)를 11로 선정할 수 있다.
목표 출력 전력(PL) 15W 및 내부 자속 밀도를 포화 자속 밀도 이하로 하는 목표를 만족시키도록 동작 주파수(fs)를 111kHz로 하고 코어의 두께(tr)를 1.5mm로 결정할 수 있다.
동박 너비(wc)를 0.5mm로 가정하여 코일의 교류 저항(r1)을 최소로 하는 동박 두께(tc)를 12Oz(1Oz는 35um를 가리킨다)로 결정할 수 있는데, 이때 양쪽 코일의 최소 교류 저항(r1)은 234mΩ이 된다.
동박 두께(tc)를 12Oz로 고정하고 코일의 교류 저항(r1)을 최소로 하는 동박 너비(wc)를 0.4mm로 결정할 수 있는데, 이때 양쪽 코일의 최소 교류 저항(r1)은 224mΩ이 된다.
따라서, 최종적으로 동박 두께(tc) 12Oz, 동박 너비(wc) 0.4mm로 코일을 설계할 수 있다.
도 8과 도 9는 코일의 두께와 너비의 조합에 따른 교류 저항을 그래프로 도시한 것으로, 도 8은 코일의 동박 두께와 동박 너비를 바꾸면서 가운데 코일(center coil)의 교류 저항을 측정한 것이고, 도 9는 코일의 동박 두께와 동박 너비를 바꾸면서 가운데 코일(center coil)의 교류 저항을 측정한 것이다.
도 10과 도 11은 소정 기준의 교류 저항을 만족하는 코일의 두께와 너비의 조합을 표로 도시한 것으로, 도 10은 가운데 코일에 대한 것이고 도 11은 양쪽 코일에 대한 것이다.
도 10에서 음영 부분은 가운데 코일의 교류 저항이 200~320mΩ 범위를 만족시키는 동박의 두께와 너비를 가리키고, 도 11에서 음영 부분은 양쪽 코일의 교류 저항이 200~300mΩ 범위를 만족시키는 동박의 두께와 너비를 가리킨다.
동박의 두께(tc)를 9~18Oz로 하고 동박의 너비(wc)를 0.4~0.6mm로 할 때 코일의 교류 저항 약 200~300mΩ를 얻을 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 전송 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 12의 충전기(300)는, 유도 전력을 제공하는 무선 전력 송신 장치를 포함하고, 상면에 충전 대상인 수신 장치를 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.
충전기(300)는 전면 케이스(311)와 후면 케이스(312) 사이에 도 7의 과정을 거쳐 설계된 전송 코일(320)이 장착될 수 있고, 전송 코일(320)의 아래에 차폐부(330)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(330)는, 충전기(300)의 후면 케이스(312)와 전송 코일(320)의 사이에 형성될 수 있고, 전송 코일(320)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.
차폐부(330)는, 전송 코일(320)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착된 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 전송 코일(320)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.
충전기(300)는, 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 전송 코일(320)과 차폐부(330)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 전송 코일(320)의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.
또한, 충전기(300)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 디스플레이는 전면 케이스(311)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치(전자 기기)
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부
300: 충전기 311: 전면 케이스
312: 후면 케이스 320: 전송 코일
330: 차폐부

Claims (7)

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  7. 교류 전류에 의해 자기장을 변화시키되, 제1 코일 및 상기 제1 코일 양쪽에 각각 중첩되는 제2 및 제3 코일이 배치되는 코어를 포함하여 구성되는, 다중 전송 코일;
    상기 전송 코일에서 발생하는 자기장의 전파를 제한하기 위한 차폐부; 및
    상기 전송 코일과 차폐부를 감싸는 케이스를 포함하여 구성되고,
    상기 제1 내지 제3 코일을 구성하는 동박의 두께와 너비가 9~18Oz와 0.4~0.6mm 범위에 있는 상기 제1 내지 제3 코일의 목표 인덕턴스가 11μH, 상기 코어의 길이와 너비가 92mm와 56mm, 상기 제1 내지 제3 코일의 반지름이 22mm, 상기 제1 내지 제3 코일의 턴 수가 11회, 목표 출력 전력이 15W, 동작 주파수가 111kHz, 상기 코어의 두께가 1.5mm일 때, 상기 제1 내지 제3 코일의 최소 교류 저항이 200~300mΩ가 되도록 하는 상기 제1 내지 제3 코일을 구성하는 동박 두께와 동박 너비는 9~18Oz와 0.4~0.6mm인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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