KR102629189B1 - 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일로, 공진코일에 간접 급전하는 급전 루프로 사용되는 중심 도선과, 상기 중심 도선을 축으로 하여 토로이트 형태로 복수 회 감기는 공진 코일로 사용되는 외곽 도선을 포함한다.

Description

무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일{Coaxial resonance coils with multiplex overlapped toroid type for Wireless Power Transmission}

본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로, 특히 무선전력전송 송수신 공진체에 관한 것이다.

무선전력전송 기술분야에서 무선전력전송 송수신 공진체는 크게 간접급전과 직접급전으로 구분될 수 있다. 여기서, 직접급전은 공진코일에 직접적으로 급전하는 구조이며, 간접급전은 공진코일과는 별도로 급전용 루프도선을 별도로 설치하여 구현하는 기술이다.

직접급전 송수신 공진체는 간접급전 송수신 공진체에 비해 얇게 제작될 수 있지만, 전송거리에 있어 제약을 받는다.

반면, 자기장 공진을 이용하여 전력을 전송하는 간접급전 송수신 공진체는 공진코일이 헬리컬 구조 혹은 스파이럴 구조의 형태를 가지는데, 이러한 구조는 수평면에 수직인 자기장에 의해 형성되는 인덕턴스 성분을 가지고 있어 높은 인덕턴스를 갖는 데에는 한계가 있다. 또한, 급전용 루프도선과 공진코일이 서로 분리되어 제작되므로, 제작이 용이하지 않고 제작 시간이 많이 소요된다. 또한, 이러한 간접 급전 공진체는 설치공간의 자유도에서 제약이 많다.

본 발명은 전송거리가 큰 간접급전 구조로 급전 루프를 별도로 제작하지 않고 한 공정에서 함께 제작이 가능한 구조를 제공하는 무선전력전송을 위한 다중 겹침 토로이드 동축 공진 코일을 제공한다.

또한, 본 발명은 높은 리액턴스를 제공하여 보다 원거리에서도 임피던스 정합이 유지될 수 있는 무선전력전송을 위한 다중 겹침 토로이드 동축 공진 코일을 제공한다.

또한, 본 발명은 설치의 자유로움을 갖고 동시에 제작시간을 줄일 수 있는 무선전력전송을 위한 다중 겹침 토로이드 동축 공진 코일을 제공한다.

본 발명은 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일로, 공진코일에 간접 급전하는 급전 루프로 사용되는 중심 도선과, 상기 중심 도선을 축으로 하여 토로이트 형태로 복수 회 감기는 공진 코일로 사용되는 외곽 도선을 포함한다.

본 발명에 따라 높은 인덕턴스를 갖는 공진체를 제공할 수 있었으며, 기존 기술보다도 전송거리가 큰 곳에서도 임피던스 정합이 안정화되는 구조를 제시할 수가 있었다. 별도의 급전루프를 갖는 기존 방식과는 달리 공진코일과 급전루프를 하나의 다중겹침 동축케이블로 제작이 가능하게 되므로 인해 임의의 모양을 갖는 공진체 제작이 가능하고 동시에 조립식으로 제작이 가능하게 되었다.

따라서 기존 스파이럴 타입 혹은 헬리컬 타입의 공진체 보다도 공진체 구현이 용이하고 설치가 쉬운 구조적인 장점을 지니게 되었다. 다중겹침 동축케이블로 급전루프와 공진코일 제작이 가능하게 되므로 인해 환루프형, 직각사각루프형, N턴 스파이럴형, 임의의 모양을 갖는 공진체 구성이 가능하게 되므로 인해 실장의 자유도가 높아 다양한 제품에 대한 무선전력전송 기술을 구현하기가 용이한 장점을 갖게 되었다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 송수신 공진체의 구조도의 일 예이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력전송을 위한 다중 겹침 토로이드 동축 공진 코일의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외피로 묶여 있는 다중 겹침 동축케이블을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 다중겹침 동축케이블 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 하나의 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6겹 1/6턴 토로이드 개방 동축공진코일의 일 예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따라 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형(N=1) 6겹 M턴 토로이드 개방 동축공진코일의 일 예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 중심도선에 간접급전을 갖는 직사각 루프형 4겹 ¼턴 토로이드 송수신 동축공진코일과 기존 스파이럴 구조 공진코일의 대역폭 비교를 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 개방 동축공진코일을 구현하기 위한 조립식 접속소자의 정단면도의 일 예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 하나의 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6겹 1/6턴 토로이드 폐쇄 동축공진코일의 일 예를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따라 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심코일 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 폐쇄 동축공진코일을 구현하기 위한 캐패시터 일체형 조립식 접속소자의 정단면도 일 예를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6의 다중트렌스폰더로 구성된 토로이드 폐쇄 공진코일의 일 예를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심코일 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 폐쇄 공진코일을 구현하기 위한 다중 캐패시터 일체형 조립식 접속소자의 정단면도 일 예를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 다중겹침 동축케이블 다른 실시 일 예들을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 송수신 공진체의 구조도의 일 예이다.

도 1a 및 도 1b에는 공진코일에 직접적으로 급전하지 않고 별도의 루프도선을 이용한 간접급전 공진체가 도시되어 있다. 도 1a에는 간접급전하는 루프 급전 도선(11)과 헬리컬 타입의 공진 코일(12)이 도시되어 있고, 도 1b에는 간접급전하는 루프 급전 도선(21)과 스파이럴 타입의 공진 코일(22)이 도시되어 있다.

이러한 구조는 헬리컬 공진코일(11)과 스파이럴 공진코일(21)의 중심 면에 대해 수직한 방향으로 형성되는 자기장(13, 23)에 의해서 인덕턴스가 결정되고 잘 알려진 휠러의 수식에 의해서 턴 수에 자승에 비례하는 관계를 가지고 있음은 널리 알려져 있는 특성이다. 이와 같은 공진체에서 높은 인덕턴스 확보는 전송효율과 전송거리를 증가시킬 수 있는 것 또한 잘 알려져 있는 사실이다. 이러한 인덕턴스는 헬리컬 공진코일(11)의 두께(DH) 또는 스파이럴 공진코일(22)의 폭(DS)에 반비례하는 특성을 가진다.

따라서 본 발명에서는 공진코일 다발에 대한 두께와 폭을 줄이는 구조를 제시하여 인덕턴스를 높일 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

또한 급전도선(11, 21)과 공진코일(12, 22)은 그 형태가 고정된 일정한 구조로 분리되어 만들어지고 있어 제품에 직접 설치하는 경우 정해진 별도의 설치공간이 필요하고, 급전도선(11, 21)과 공진코일(12, 22) 각각을 별도로 제작하여 간격 조정을 통해 임피던스 정합을 구현하고 있어 수작업에 의존하는 비율이 높다. 즉, 종래에는 단일도선에 의해 공진체를 제작하고 있기 때문에 제작 시간을 단축하기 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 중심도선에 간접급전 형태를 갖는 다중겹침 토로이드 동축공진코일 구조를 갖는 송수신 공진체를 제안한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력전송을 위한 다중 겹침 토로이드 동축 공진 코일의 구조도이다.

도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 무선전력전송을 위한 다중 겹침 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일(이하 '공진체'로 기재함)는 급전 루프로 사용되는 중심도선(110)과, 중심 도선(110)을 축으로 하여 토로이트 형태로 복수 회 감기는 공진 코일로 사용되는 외곽 도선(120)으로 구성된다.

이러한 구조를 갖는 경우, 인덕턴스를 중심 면에 수직한 방향의 자기장(1) 이외도 중심 도선(110)을 따라 형성되는 자기장(2)을 이용하여 보다 높은 인덕턴스가 발생될 수 있다.

또한, 본 발명의 공진체는 그 형태에 있어서 다양한 실시 예들로 구현될 수 있다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같은 환루프 구조를 갖는 공진체, 도 2b에 도시된 바와 같은 직사각 루프형 구조를 갖는 공진체, 도 2c에 도시된 바와 같은 간접급전 임의의 형상을 갖는 공진체, 도 2d에 도시된 바와 같은 간접급전 솔레노이드형 구조를 갖는 공진체로 구현될 수 있다. 이와 같이 다양한 형태로 제품의 설치 자유도를 높일 수 있어 설치의 제약 요건을 개선할 수 있다.

또한, 도 2a를 참조하면, 1턴(N=1)을 갖는 환루프 구조를 갖는 2겹 14턴(M=14) 토로이드 개방 동축공진코일로서 N 자승에 비례하는 자속(1)이 발생되고 공진케이블을 휘감는 M턴수 자승에 비례하여 자속(2)이 중심도선 방향으로 발생시켜 인덕턴스를 높일 수 있는 구조를 나타내고 있다. 또한, 중심도선을 급전시키므로 인해 두께의 규격화가 가능한 구조를 제안하고 있다. 이러한 구조는 급전도선(110)과 외곽도선(120)을 일체형으로 제작이 되므로 인해 제품 내부에 설치하는 공간에 대해 적합한 임의의 구조로 제작이 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외피로 묶여 있는 다중 겹침 동축케이블을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 중심도선(110)과 외곽도선(120)을 손실이 작은 비도전체로 구성되는 외피(130) 안으로 묶어서 제작하는 다중겹침 동축케이블을 이용하여 제작이 가능하다. 이러한 케이블은 양산이 가능한 구조임을 쉽게 알 수가 있다. 즉 수작업에 의존율을 낮추어 양산율을 높이는 효과를 가지고 있음을 알 수가 있다.

즉, 중심도선(110)가 중심에 있고, 6가닥의 공진코일(121, 122, 123, 124, 125, 126)인 외곽도선이 외곽으로 한 층으로 놓이는 구조적인 특징을 나타내고 있다.

도 4a 및 도 4b는 다중겹침 동축케이블 단면도로, 도 4a는 좌측단에서 바라보는 단면도이고, 도 4b는 우측단에서 바라보는 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다중겹침 동축케이블은 비도전체로 구성되는 외곽외피(130)와 중심도선(110) 및 6가닥의 공진코일(121, 122, 123, 124, 125, 126)각각을 둘러싸고 있는 외피(140))를 설치하여, 도체 간에 접촉이 발생하지 않도록 하여 제작된다. 이러한 케이블에 있어서 중심에 있는 중심도선(110)은 간접급전으로 사용되고, 외곽에 있는 도선(121, 122, 123, 124, 125, 126)은 공진코일로 사용된다.

일 실시 예에 따라, 외곽에 있는 공진코일들(121, 122, 123, 124, 125, 126)은 도 3처럼 하나의 도선으로 연결되되, 개방되는 형태(open type)의 구조를 가질 수 있다.

따라서, 도 4a에 도시된 공진코일(121좌)은 도 4b에 도시된 공진코일(122우)에 연결되고, 도 4a에 도시된 공진코일(122좌)는 다시 도 4b에 도시된 공진코일(123우)에 연결되고, 도 4a에 도시된 공진코일(123좌)은 도 4b에 도시된 공진코일(124우)에 연결되고, 도 4a에 도시된 공진코일(124좌)은 도 4b에 도시된 공진코일(125우)에 연결되고, 도 4a에 도시된 공진코일(125좌)는 도 4b에 도시된 공진코일(126우)에 연결되면, 도 5와 같은 약간 비틀어진 6중의 1/6턴 토로이드 동축공진코일이 완성될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 하나의 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6겹 1/6턴 토로이드 개방 동축공진코일의 일 예를 도시한다.

도 5를 참조하면, 중심의 중심도선(110)을 급전하는 간접급전 구조의 형태가 도시되어 있다. 그런데 외곽도선(120)을 연결하는 순서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 예 외에도 모든 공진코일이 하나의 도선이 되도록 하는 전제하에 보다 자유롭게 선택 가능하다.

도 6은 본 발명에 따라 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접 급전을 갖도록 구현한 환루프형(N=1) 6겹 M턴 토로이드 개방 동축공진코일의 일 예를 도시한다.

도 6을 참조하면, N은 임의 값을 갖도록 구성할 수가 있다. 일 예로, 도 2d에 도시된 N=2인 솔레노이드형이고 M 또한 임의의 값을 나타낼 수 있도록 구성될 수 있다.

즉, 이러한 구조적인 특징을 이용하여 N턴 솔레노이드형 M턴 토로이드 동축공진코일도 제작할 수 있다. 도 2d에 도시된 2턴 솔레노이드형 21턴 토로이드 동축공진코일은 중심면에 수직한 자기장을 크게 확보할 수 있어 도 2a에 도시된 바와 같은 환루프형보다 큰 인덕턴스 확보가 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 중심도선에 간접급전을 갖는 직사각 루프형 4겹 ¼턴 토로이드 송수신 동축공진코일과 기존 스파이럴 구조 공진코일의 대역폭 비교를 위한 그래프이다. 단 여기서, 외부 반경이 동일하고 송수신 간격이 동일한 경우 비교된 값을 나타내고 있다.

도 7을 참조하면, 기존 방식에 비해 보다 광대역 특성을 지니고 있으며, 두 개로 쪼개지는 공진주파수가 형성되고 있음을 볼 수가 있는데, 이는 기존 스파이럴 공진체보다도 전송거리가 먼 지점에서 기존 스파이럴형 공진체의 S 파라미터처럼 공진주파수가 하나로 되는 현상이 발생되고 있음을 알 수가 있다. 두 개로 쪼개지는 공진주파수가 형성되는 현상은 송수신 거리가 짧은 경우에 발생되는 현상이므로 본 발명에서 제시되는 구조를 갖는 공진체가 보다 원거리 전송이 가능함을 나타내고 있음이 증명된 것이다.

도 8은 본 발명에 의한 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 개방 동축공진코일을 구현하기 위한 조립식 접속소자의 정단면도의 일 예를 도시한다.

도 8을 참조하면, 조립식 접속소자는 다중겹침 동축케이블과 직접 연결되는 접속소자(810)와, 이들을 연결하는 중심 접속소자(820) 및 급전 케이블이 연결되는 접속소자(830)로 구성된다. 이러한 일 예를 통해 두 종류의 조립식 접속소자를 사용하여 연결이 용이한 장점을 지닐 수 있도록 할 수가 있다. 이러한 구조적인 특징으로 인해 제품에 설치하고 제작하는 공정을 줄 수 있게 되었다. 다양한 구조의 접속소자 연결이 가능하다.

한편, 폐쇄 공진 코일의 경우, 개방 공진코일과는 다르게 자기장에 의존하여 전력전송이 이루어지므로 인해 주파수가 낮아지면 공진 코일의 길이가 길어야 한다. 그런데, 공진 코일의 길이가 길면, 그 만큼 저항성분이 증가하게 되어 전송효율이 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 손실이 작은 캐패시터를 설치하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 하나의 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6겹 1/6턴 토로이드 폐쇄 동축공진코일의 일 예를 도시한다.

도 9를 참조하면, 외곽도선(120)에 손실이 작은 캐패시터(150)가 설치되어 있다.

도 10은 본 발명에 따라 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심코일 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 폐쇄 동축공진코일을 구현하기 위한 캐패시터 일체형 조립식 접속소자의 정단면도 일 예를 도시한다.

도 10을 참조하면, 도 9에 도시된 커패시터(150)이 조립식으로 용이하게 연결될 수 있는 조립식 접속 소자의 구조가 도시되어 있다. 여기서 캐패시터(150)는 고정형과 가변형으로 구현이 가능하다. 가변형으로 하는 제작하는 경우 공진주파수를 임으로 변경이 가능하므로 특정주파수에 대한 임피던스 정합구조를 쉽게 제시가 가능하다.

도 11은 본 발명에 따라 외피로 묶여 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심도선에 간접급전을 갖도록 구현한 환루프형 6의 다중트렌스폰더로 구성된 토로이드 폐쇄 공진코일의 일 예를 도시한다.

도 11을 참조하면, 6개로 구성된 환루프형 다중트렌스폰더에 각각에 대해 캐패시턴스(151, 152, 152, 153, 154, 155, 156)를 설치하여 구성된 일 예를 나타내고 있다. 캐패시터의 캐패시턴스 값은 원거리 전송을 위해 정합하도록 값을 정하거나 전송구간에서 일정한 임력임피던스 값이 일정하게 할 수 있도록 값을 정할 수도 있다. 여기서, 도 4에 명기된 (2-1좌) 도선은 (2-1우)에 연결하고, (2-2좌)는 다시 (2-2우)에 연결하고, (2-3좌)은 (2-3우)에 연결하고, (2-4좌)은 (2-4우)에 연결하고, (2-5좌)는 (2-5우)에 연결하고, (2-6좌)는 (2-6우)에 연결하되 그 사이에 캐패시터를 설치하는 형태를 갖추고 있음을 주의 바란다.

도 12는 본 발명에 따른 다중겹침 동축케이블을 이용하여 중심코일 간접급전 구조를 갖는 다중겹침 토로이드 폐쇄 공진코일을 구현하기 위한 다중 캐패시터(11-1, 11-3) 일체형 조립식 접속소자의 정단면도 일 예를 나타내고 있다. 이러한 캐패시터는 앞에서도 제시하였듯이 가변형 혹은 고정형으로 제작할 수 있도록 하였다.

도 13a 및 도 13b는 다중겹침 동축케이블 다른 실시 일 예들을 도시한 도면이다.

도 13a를 참조하면, 중심도선(110)의 외피(140)를 크게 하여 중심 도선(110)과 외곽 도선(120) 사이의 이격 거리가 큰 다중 겹침 동축케이블이 도시되어 있다.

도 13b를 참조하면, 비도전체로 구성되는 외피(130, 160)를 이용하여 이중으로 외곽도선을 갖는 다중겹침 동축케이블을 나타내고 있다.

전자는 공진코일과 급전루프 사이의 거리를 크게 하여 보다 원거리 전송을 요구하는 경우 유리한 구조적인 특징을 지니고 있으며, 후자는 환루프형 혹은 직각루프형 등처럼 혹은 턴수가 제한된 솔레노이드형으로 제작하는 경우 공진코일의 길이를 크게 하여 보다 낮은 주파수 대역에 대한 전력전송이 가능한 구조적인 특징을 지닌다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 공진코일에 간접 급전하는 급전 루프로 사용되는 중심 도선과,
   상기 중심 도선을 축으로 하여 토로이트 형태로 복수 회 감기는 공진 코일로 사용되는 외곽 도선을 포함하고,
   상기 외곽 도선은
   개방형으로 제작되는 적어도 1개 이상으로 제작되는 공진코일인, 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
   
2. 제1 항에 있어서, 상기 중심 도선은
   원형, 직사각형 및 솔레노이드형을 포함하는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 중심 도선 및 상기 외곽 도선 각각에 비전도체 외피가 형성됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 중심 도선 및 상기 외곽 도선을 하나의 비전도체 외피 내에 배치시킨 동축 케이블 형태로 구성됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제3 항에 있어서,
    상기 중심 도선의 외피의 두께를 조절하여 중심 도선과 외곽 도선 사이의 거리가 조절됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
    
11. 제1 항에 있어서, 상기 공진 코일이
    상기 중심 도선을 축으로 하여 다층으로 배치됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    접속소자를 이용하여 조립식으로 구현됨을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 토로이드 동축 공진 코일.

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