KR20120003747A - 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원 공급이 가능한 전력 공급 시스템 - Google Patents

회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원 공급이 가능한 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원을 공급하기 위한 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 전력 공급 시스템은, 회전체와 이격하여 배치되도록 설치되며 입력되는 전원을 고주파 전력으로 증폭시켜 공진 코일 및 루프 안테나에 의해 전자기감응공명을 이용하여 무선으로 방출하는 무선전력 전송장치, 및 회전체에 전자기기와 연결되게 탑재되며 무선전력 전송장치로부터 방출되는 전력을 공진 코일 및 루프 안테나에 의해 전자기감응공명을 이용하여 수신하고 수신한 전력을 회전체에 탑재된 전자기기에 공급하는 무선전력 수신장치를 포함하여 구성되며, 이에 의해, 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하기 위해 회전체에 접촉할 필요가 없어 편리한 전원 공급이 가능하고 전자기기의 동작여부와 상관없이 자유롭게 필요 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다.

Description

회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원 공급이 가능한 전력 공급 시스템{Power Supply System capable of providing the electronic device attached to a rotary shaft with the power by wireless}
본 발명은 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 회전 운동을 하는 회전체에 탑재되어 입력되는 임무를 수행하는 전자기기에 임무 수행을 위해 필요한 전원을 무선으로 공급하는 것이 가능한 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
산업이 발달하면서 인간의 생활에 편리함을 주는 새로운 전자기기들에 대한 연구와 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서도 몸체가 회전하는 회전체에 탑재되어 필요한 동작을 수행하는 전자기기에 전원을 공급하는 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 회전 특성을 갖는 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하는 것은 고정체의 전자기기에 전원을 공급하는 것과 다른 방법으로 전원을 공급하는 것이 일반적이다.
도 1은 종래의 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하는 예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 회전체(10)에 탑재된 전자기기(5)에 전원을 공급하기 위해 회전체(10)의 둘레에 도전체 링(3)이 설치된다. 이때 전원 공급부(1)에서 공급되는 전원을 도전체 링(3)에 전달하기 위해, 브러쉬(2)가 전도체 링(3)에 접촉된다. 이때 브러쉬(2)와 전도체 링(3)은 슬라이딩 형태로 접촉된다.
이에 따라 전원 공급부(1)에서 공급되는 전원은 브러쉬(2)를 통해 전도체 링(3)에 공급되고, 전도체 링(3)에 연결된 전원 수신부(4)는 회전체에 탑재되어 전도체 링(3)에 수신된 전원은 전자기기(5)에 공급된다.
이러한 방식으로 회전체(10)에 탑재된 전자기기(5)에 전원을 공급하는 경우, 브러쉬(2)와 전도체 링(3) 간에는 반드시 접촉이 되어 있는 상태여야 한다. 이에 따라, 회전체(10)의 회전에 의해 브러쉬(2)가 마모되어 사용 수명에 한계가 있는 단점이 있다. 또한, 브러쉬(2)가 마모된 상태에서는 브러쉬(2)가 전도체 링(3)에 접촉이 불안정할 우려가 있어, 회전체(10)에 탑재된 전자기기(5)에 전원을 공급하는 것이 불안정한 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 접촉 방식으로 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급함에 따른 불안정한 전원 공급의 단점을 극복할 수 있는 전력 공급 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 회전체가 회전 운동을 하는 중에 회전체에 탑재된 전자기기에 보다 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 전력 공급 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하기 위한 전력 공급 시스템은, 상기 회전체와 이격하여 설치되며, 입력되는 전원으로부터 고주파 전력을 발생시키며 전자기감응공명에 의해 무선으로 방출하는 무선전력 전송장치; 및 상기 회전체에 탑재되도록 설치되며, 상기 무선전력 전송장치로부터 방출되는 상기 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 수신하여 상기 전자기기에 공급하는 적어도 하나의 무선전력 수신장치; 를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 상기 무선전력 전송장치는, 입력되는 상기 전원으로부터 상기 고주파 전력을 발생시키는 고주파 발생부; 상기 고주파 전력을 증폭시키는 고주파 증폭부; 및 증폭된 상기 고주파 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 무선으로 상기 회전체로 방출하는 무선 전송부; 를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 무선 전송부는, 상기 고주파 증폭부에서 증폭된 상기 고주파 전력을 수신하여 방출하는 제1 루프 안테나; 및 상기 제1 루프 안테나의 내부 또는 외부에 이웃하게 배치되며, 상기 제1 루프 안테나로부터 방출된 상기 고주파 전력을 이용하여 상기 회전체가 위치하는 방향을 향해 공진 주파수를 발생시키는 제1 공진 코일; 을 포함하여 구성되고, 상기 제1 루프 안테나는 상기 제1 공진 코일에서 발생된 상기 공진 주파수를 이용하여 상기 고주파 전력을 상기 회전체가 위치하는 방향으로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선전력 수신장치는, 상기 무선 전송부로부터 상기 전자기감응공명에 의해 무선으로 전송된 상기 고주파 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 수신하는 무선 수신부; 및 수신된 상기 고주파 전력으로부터 임피던스 매칭을 통해 상기 전원을 추출하여 상기 전자기기로 공급하는 전원 수신부; 를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 무선 수신부는, 상기 제1 공진 코일에서 전송된 상기 공진 주파수에 대응하여 상기 공진 주파수를 공진시켜 상기 공진 주파수에 의해 전송되는 상기 고주파 전력을 수신하여 방출하는 제2 공진 코일; 및 상기 제2 공진 코일의 내부 또는 외부에 이웃하게 배치되며, 상기 제2 공진 코일로부터 방출되는 상기 고주파 전력을 수신하는 제2 루프 안테나; 를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 상기 제1 또는 제2 공진 코일은 원통형 또는 달팽이형 구조를 갖는다.
본 발명에 따르면, 기존에 브러쉬 접촉식에 의해 회전체에 전원을 공급하는 방식을 개선하기 위하여, 무선전력 전송장치가 전자기감응공명 기술을 이용하여 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전력을 송신하고 회전체에 탑재된 무선전력 수신장치가 무선전력 전송장치로부터 송신된 전력을 전자기감응공명 기술을 이용하여 수신하여 회전체에 탑재된 전자기기에 공급함으로써, 기존의 접촉식 전원 공급에 따른 브러쉬 마모 걱정이 없으며 보다 안정된 전력 공급이 가능한 장점이 있다. 또한 다양한 구조의 회전체에 탑재된 전자기기에 유선으로 전원을 공급할 수 없는 특수한 상황에서도 무선으로 전원을 안정되게 공급할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하는 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원을 공급하는 것이 가능한 무선 전력 공급 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자기감응공명 기술을 이용한 무선 전력 송수신을 위해 무선 전송부 및 무선 수신부에 설치되는 공진 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 무선 전송부 및 무선 수신부에 설치되는 루프 안테나와 공진 코일의 배치 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 무접촉 상태에서 무선으로 전력을 회전체의 전자기기에 공급할 수 있는 방법을 제안한다. 본 발명에서 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전력을 공급하기 위한 방법으로는 전자기 유도에 의한 비접촉식 무선전력전송과 전자기감응공명에 의한 근거리 무선전력전송 방식을 제안할 수 있다. 이때, 비접촉식 무선전력전송 방식은 전자기 유도 방식으로 수mm 이하의 거리에서 적용이 가능하다. 반면, 본 발명에서 실시예로 기술하고자 하는 전자기감응공명 방식의 무선전력전송 기법은 수십m 이내에서 대전력을 전송할 수 있는 발명으로, 회전체의 축진동에도 무관하고, 회전체가 회전 중에도 전력공급이 끊이지 않는 연속적으로 공급할 수 있는 고효율의 무선전력전송 방식이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전체에 탑재된 전자기기에 무선으로 전원을 공급하는 것이 가능한 무선 전력 공급 시스템을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 무선 전력 공급 시스템은 무선전력 전송장치와 적어도 하나의 무선전력 수신장치를 포함하여 구성될 수 있다. 무선전력 전송장치는 회전체(100)와 비접촉된 상태에서 근거리에 설치되어 무선으로 전력을 전송하고, 무선전력 수신장치는 회전체(100)에 전자기기(330)가 연결되게 설치되어 무선전력 전송장치로부터 전송되는 전력을 수신한다. 본 실시예에서 전자기기(330)의 예로는 모터 회전코일, 센서 등이 적용될 수 있다.
본 발명은 무선전력 전송장치를 이용하여 회전체(100)에 탑재된 전자기기(330)에 전력을 무선으로 자동 공급하기 위해 전자기감응공명(Electromagnetic Coupled Resonance; ECR) 기술을 이용한다. 전자기감응공명 기술은 수십m 거리 이내에 있는 무선전력 수신장치에 대전력을 전송할 수 있는 기법이다.
도시된 무선전력 전송장치는 고주파 발생부(210), 고주파 증폭부(220), 및 무선 전송부(230)를 포함하여 구성된다.
고주파 발생부(210)는 입력되는 전원으로부터 고주파 전력을 발생시켜 고주파 증폭부(220)로 출력한다. 고주파 증폭부(220)는 고주파 발생부(210)에서 발생된 고주파 전력을 증폭시켜 무선 전송부(230)로 출력한다. 무선 전송부(230)는 고주파 증폭부(220)에서 증폭된 고주파 전력을 전자기감응공명 기술을 이용하여 무선으로 방출한다.
무선 전송부(230)는 공진 코일(232) 및 루프 안테나(234)를 포함하여 구성된다. 루프 안테나(234)는 고주파 증폭부(220)에서 증폭된 고주파 전력을 공진 코일(232)로 방출한다. 공진 코일(232)은 루프 안테나(234)로부터 방출된 고주파 전력을 이용하여 커플링 코일을 통해 특정 방향으로 감쇠파(Evanescent wave)인 공진 주파수를 발생시킨다. 루프 안테나(234)는 공진 코일(134)의 중심부에 위치하여 공진 코일(232)에서 발생된 공진 주파수를 이용하여 고주파 증폭부(220)에서 증폭된 고주파 전력을 방출한다. 이러한 구성을 갖는 무선 전송부(230)로부터 송신되는 감쇠파 특성을 갖는 고주파 전력은 최대 수십m까지 방출된다.
회전체(100)에 탑재된 무선전력 수신장치는 전자기감응공명 기법으로 무선전원송신장치로부터 전송된 전력을 수신하여 전자기기(330)에 공급하게 된다. 무선으로 전력을 공급 받은 전자기기(330)는 자체 전원으로 사용하거나 또는 탑재된 배터리에 충전하는데 사용하게 된다.
본 실시예의 무선 전력 전송 방식을 통해서 하나의 무선전력 전송장치를 통해 적어도 복수의 무선전력 수신장치로 전력을 전송할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 시스템은 회전체(100)에 탑재된 전자기기(330)에 전원을 공급하기 위하여 전원 케이블을 연결시키거나 브러쉬 등을 이용한 접촉 방식으로 전원을 공급하는 번거로움이 없고, 전자기기(330)가 동작 중 또는 정지 여부에 상관없이 자동으로 전원이 공급되는 장점이 있다.
한편, 전자기감응공명을 이용하여 전력을 수신하기 위한, 무선전력 수신장치는 무선 수신부(310) 및 전원 수신부(320)를 포함하여 구성된다.
무선 전송부(230)에서 방출된 고주파 전력은 회전체(100)에 탑재된 무선 수신부(310)로 전자기감응공명 방식으로 전달된다.
무선 수신부(310)는 무선으로 전송된 고주파 전력을 전자기감응공명 방식으로 자동 수신한다. 이를 위해, 무선 수신부(310)는 공진 코일(312) 및 루프 안테나(314)를 포함하여 구성된다. 공진 코일(312)은 무선 전송부(230)에서 발생되는 공진 주파수로 공진시키고, 공진 주파수를 통해 전송되는 고주파 전력을 수신하여 루프 안테나(314)로 방출한다. 루프 안테나(314)는 공진 코일(312)의 중심부에 위치하며, 공진 코일(312)로부터 방출되는 고주파 전력을 수신한다.
전원 수신부(320)는 수신된 전력에 대해 임피던스를 매칭시켜 최대 값을 갖는 전원을 추출하여 전자기기(330)로 공급한다. 이에 따라, 전자기기(330)는 전원 수신부(320)로부터 공급된 전력을 이용하여 필요한 동작을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자기감응공명 기술을 이용한 무선 전력 송수신을 위해 무선 전송부 및 무선 수신부에 설치되는 공진 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도시된 바에 따르면, 회전체(100)의 주변에 설치되는 공진코일(232) 및 회전체(100)의 표면에 탑재되어 설치되는 공진코일(312)은, 도 3의 a와 같이 원통형 구조(232a)로 제작될 수도 있고, 도 6의 b와 같이 달팽이형 구조(234b)로 제작될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 무선 전송부 및 무선 수신부에 설치되는 루프 안테나와 공진 코일의 배치 예를 도시한 도면이다.
본 실시예에서 루프 안테나(234,314)는 공진코일(232,312)의 내부 또는 외부에 설치가 가능하다.
도시된 바에 따르면, 공진코일(232,312)이 원통형 구조(232a)인 경우에는 도 7의 a와 같이 루프 안테나(234,314)가 공진코일(232,312)의 내부에 배치되도록 설치할 수도 있고, 도 7의 b와 같이 루프 안테나(234,314)가 공진코일(232,312)의 외부에 배치되도록 설치할 수도 있다.
또한, 공진코일(232,312)이 달팽이형 구조(232b)인 경우에서도, 루프 안테나(234,314)가 공진코일(232,312)의 내부에 배치되도록 설치할 수도 있고, 루프 안테나(234,314)가 공진코일(232,312)의 외부에 배치되도록 설치할 수도 있다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 및 균등한 타 실시가 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 회전체 210: 고주파 발생부
220: 고주파 증폭부 230: 무선 전송부
232,312: 공진코일 234,314: 루프 안테나
310: 무선 수신부 320: 전원 수신부
330: 전자기기

Claims (6)

  1. 회전체에 탑재된 전자기기에 전원을 공급하기 위한 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 회전체와 이격하여 설치되며, 입력되는 전원으로부터 고주파 전력을 발생시키며 전자기감응공명에 의해 무선으로 방출하는 무선전력 전송장치; 및
    상기 회전체에 탑재되도록 설치되며, 상기 무선전력 전송장치로부터 방출되는 상기 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 수신하여 상기 전자기기에 공급하는 적어도 하나의 무선전력 수신장치; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무선전력 전송장치는,
    입력되는 상기 전원으로부터 상기 고주파 전력을 발생시키는 고주파 발생부;
    상기 고주파 전력을 증폭시키는 고주파 증폭부; 및
    증폭된 상기 고주파 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 무선으로 상기 회전체로 방출하는 무선 전송부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 무선 전송부는,
    상기 고주파 증폭부에서 증폭된 상기 고주파 전력을 수신하여 방출하는 제1 루프 안테나; 및
    상기 제1 루프 안테나의 내부 또는 외부에 이웃하게 배치되며, 상기 제1 루프 안테나로부터 방출된 상기 고주파 전력을 이용하여 상기 회전체가 위치하는 방향을 향해 공진 주파수를 발생시키는 제1 공진 코일; 을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 루프 안테나는 상기 제1 공진 코일에서 발생된 상기 공진 주파수를 이용하여 상기 고주파 전력을 상기 회전체가 위치하는 방향으로 전송하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 무선전력 수신장치는,
    상기 무선 전송부로부터 상기 전자기감응공명에 의해 무선으로 전송된 상기 고주파 전력을 상기 전자기감응공명에 의해 수신하는 무선 수신부; 및
    수신된 상기 고주파 전력으로부터 임피던스 매칭을 통해 상기 전원을 추출하여 상기 전자기기로 공급하는 전원 수신부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 무선 수신부는,
    상기 제1 공진 코일에서 발생된 상기 공진 주파수에 대응하여 상기 공진 주파수를 공진시키고, 상기 공진 주파수에 의해 전송되는 상기 고주파 전력을 수신하여 방출하는 제2 공진 코일; 및
    상기 제2 공진 코일의 내부 또는 외부에 이웃하게 배치되며, 상기 제2 공진 코일에서 방출되는 상기 고주파 전력을 수신하는 제2 루프 안테나; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 공진 코일은 원통형 또는 달팽이형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
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