KR20120046027A - Capacitive and transformer coupling method for resonance based wireless power transfer - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A capacitive and transformer coupling method for a resonant wireless power transmission system is provided to improve transmission efficiency due to impedance changed according to a load and a distance of the resonant wireless power transmission system by changing the number of turns in a primary coil and a secondary coil. CONSTITUTION: A transmission unit or a reception unit includes a transformer. A self-resonant coil is connected to both sides of a secondary coil or a primary coil of the transformer.

Description

공진형 무선전력전송 시스템을 위한 커패시티브 및 트랜스포머 커플링 방법{Capacitive and Transformer Coupling Method for Resonance based Wireless Power Transfer}Capacitive and Transformer Coupling Method for Resonance based Wireless Power Transfer}

본 발명은 공진형 무선전력전송 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 부하와 전송거리에 따라 달라지는 임피던스 매칭을 용이하게 수행할 수 있는 커패시티브 및 트랜스포머 커플링을 도입한 공진형 무선전력전송 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a resonant wireless power transmission method and system, and more particularly, to a resonant wireless power transmission system incorporating capacitive and transformer coupling capable of easily performing impedance matching depending on load and transmission distance. It is about.

국제특허 PCT/KR2005/002468호 (WO 2006/011769 A1)에 개시된 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방법에서는, 간단하게 소스/부하와 공진 코일 사이의 커플링을 위하여 magnetic inductive coupling을 사용하며, 미국공개특허번호 제2009-0224856호에 개시된 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방법에서는, 공진 코일과 커플링을 위하여 magnetic inductive coupling만을 사용한다.In the wireless power transmission method using parallel resonance disclosed in International Patent No. PCT / KR2005 / 002468 (WO 2006/011769 A1), a magnetic inductive coupling is simply used for coupling between a source / load and a resonant coil. In the wireless power transmission method using parallel resonance disclosed in Patent No. 2009-0224856, only magnetic inductive coupling is used for coupling with a resonance coil.

이와 같이 기존의 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방식에서는, 소스/부하와 공진 코일 사이의 전력전송을 위하여 magnetic inductive coupling을 사용한다. 즉, 소스측에서는 소스와 소스 공진 코일 사이에 소스 코일이 위치하고, 수신측에서는 부하와 수신 공진 코일 사이에 부하코일 (또는 디바이스 코일)이 위치한다. 이러한 방식에서 임피던스 매칭 및 역률 (power factor)을 개선하기 위해서는 소스 코일 또는 디바이스 코일과 공진 코일 사이의 거리를 조절하거나, 코일의 모양을 변경하여, 소스 코일/디바이스 코일과 공진 코일간의 상호 결합 값을 조정하여 매칭 및 역률 개선한다. 이 경우 가장 어려운 것은 소스/디바이스 코일과 공진 코일 사이의 정확한 상호 인덕턴스 유도가 매우 어려워, 실제 시스템 제작에 있어서는 실행과 반복 과정을 거쳐야 하기 때문에 다양한 문제가 야기된다. As described above, in the conventional wireless power transmission method using parallel resonance, magnetic inductive coupling is used for power transmission between the source / load and the resonant coil. That is, the source coil is positioned between the source and the source resonant coil on the source side, and the load coil (or device coil) is positioned between the load and the receive resonance coil on the receiving side. In this way, to improve impedance matching and power factor, the distance between the source coil or device coil and the resonant coil may be adjusted or the shape of the coil may be changed to adjust the mutual coupling value between the source coil / device coil and the resonant coil. Adjust to improve matching and power factor. The most difficult in this case is that it is very difficult to induce accurate mutual inductance between the source / device coil and the resonant coil, and various problems are caused by the implementation and iteration process in actual system fabrication.

또한, 소스/디바이스 코일을 물리적으로 위치를 옮기거나, 구조를 변경하여 시스템이 임피던스 매칭을 이루도록 조정해야 하기 때문에, 정확한 매칭이 매우 어렵다. 특히, 수신측의 위치가 변경될 경우 거리의 변화 및 부하의 변동에 따라 임피던스 달라지며, 변경 시마다 소스/디바이스 코일이 위치를 변경하거나 구조를 변경하여 매칭을 수행해야 하는 어려움이 있다. In addition, accurate matching is very difficult because the source / device coil must be physically relocated or the structure changed to adjust the system to achieve impedance matching. In particular, when the position of the receiving side is changed, the impedance varies according to the change of the distance and the change of the load, and there is a difficulty in performing matching by changing the position or the structure of the source / device coil at every change.

수신측의 정류 회로에서는 공진 코일을 통과한 수진 전류와 전압의 위상이 바뀌며, 이러한 현상은 수신측의 역률을 떨어뜨린다. 이에 따라 수신 전류와 전압의 역률을 개선하는 방법도 또한 요구되고 있다. In the rectifying circuit on the receiving side, the phase of the received current and voltage passing through the resonant coil is changed, and this phenomenon lowers the power factor of the receiving side. Accordingly, there is also a need for a method of improving the power factor of the reception current and voltage.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 소스/부하와 공진 코일 사이에 트랜스포머를 사용하며, 특히, 트랜스포머의 1차측은 소스/부하에 연결되어 있고, 2차측은 공진 코일에 연결되어, 1차측에 유기된 교류 신호가 2차측에 교류 신호를 유기하여 공진코일로 인가되도록 하고, 1차측과 2차측의 감은 수 비를 조정하여 인덕턴스를 변경하여, 시스템의 적응형(adaptive) 임피던스 매칭 및 역률 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있는 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to use a transformer between a source / load and a resonant coil, in particular, the primary side of the transformer is connected to the source / load and the secondary side Is connected to the resonant coil so that the AC signal induced on the primary side induces an AC signal on the secondary side and is applied to the resonant coil, and adjusts the inductance by adjusting the winding ratio of the primary side and the secondary side to adapt the system. The present invention provides a resonance type wireless power transmission system capable of transmitting wireless power by optimizing adaptive impedance matching and power factor.

또한, 소스/부하와 공진 코일 사이에 커패시터를 사용하는 커패시티브 커플링을 사용하며, 특히, 소스와 커패시터는 직접 연결하고, 공진코일과 커플링 되는 면적에 따라 송신부/수신부의 커패시턴스를 변경하여, 임피던스 매칭 및 역률을 개선함으로써, 상호 인덕턴스의 변화 및 부하의 변동에 따라 변화되는 시스템의 임피던스 매칭 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있는 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, a capacitive coupling using a capacitor is used between the source / load and the resonant coil. In particular, the source and the capacitor are directly connected, and the capacitance of the transmitter / receiver is changed according to the area coupled with the resonant coil. By improving impedance matching and power factor, the present invention provides a resonance type wireless power transmission system capable of transmitting wireless power by optimizing impedance matching conditions of a system that is changed according to mutual inductance change and load change.

그리고, 수신부의 정류 회로에서는 연속(continuous) 모드를 만들기 위해 인덕터를 사용하여 역률을 개선할 수 있는 병렬 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, the rectifier circuit of the receiver is to provide a parallel resonant wireless power transmission system that can improve the power factor using an inductor to make a continuous mode.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 송신부의 소스로부터 생성되는 시변 자기장을 무선으로 송신하고, 수신부의 수신 공진기를 이용하여 전달하는 공진형 무선전력전송 시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부는 트랜스포머를 포함하고, 상기 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 연결된 자기 공진(self resonance) 코일을 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, in accordance with one aspect of the present invention for achieving the object of the present invention, by wirelessly transmitting a time-varying magnetic field generated from the source of the transmission unit, the transmission using the receiving resonator of the receiver In the resonant wireless power transmission system, the transmitter or the receiver includes a transformer, and includes a self resonance coil connected to both ends of the primary coil or the secondary coil of the transformer.

상기 1차 코일 또는 상기 2차 코일의 권선수에 의하여 인덕턴스 값을 조정하여 임피던스 매칭과 역률 개선이 이루어진다.Impedance matching and power factor improvement are achieved by adjusting the inductance value by the number of turns of the primary coil or the secondary coil.

상기 송신부의 송신 공진 코일 및 상기 수신부의 수신 공진 코일 사이의 거리 증가에 따라 상기 1차 코일의 권선수가 감소하도록 미리 결정한 권선수로 상기 1차 코일이 권선될 수 있다.The primary coil may be wound with a predetermined number of turns so that the number of turns of the primary coil decreases as the distance between the transmission resonance coil of the transmitter and the reception resonance coil of the receiver increases.

입력 소스의 양단이 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 연결되며, 상기 송신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 송신 공진 코일이 연결된다.Both ends of the input source are connected to both ends of the primary coil of the transformer of the transmitter, and a transmission resonant coil is connected to both ends of the secondary coil of the transformer of the transmitter.

상기 입력 소스의 한 단자와 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함할 수 있다.An additional capacitor may be further included between one terminal of the input source and one terminal of the primary coil of the transformer of the transmitter.

상기 수신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 수신 공진 코일이 연결되며, 상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 정류회로 또는 부하가 직접 연결된다.A receiving resonance coil is connected to both ends of the secondary coil of the transformer of the receiver, and a rectifier circuit or a load is directly connected to both ends of the primary coil of the transformer of the receiver.

상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자와 상기 정류회로의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함할 수 있다.An additional capacitor may be further included between one terminal of the primary coil of the transformer of the receiver and one terminal of the rectifier circuit.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 송신부의 코일로부터 생성되는 시변 자기장을 수신하는 수신부를 포함하는 공진형 무선전력전송 시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부는 평판 커패시터를 포함하고, 상기 평판 커패시터에 연결된 공진 코일을 포함하되, 상기 평판 커패시터는 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하며, 상기 제2 양쪽 금속판의 양단에 상기 공진 코일의 양단이 연결된다.In addition, according to another aspect of the present invention, a resonant wireless power transmission system including a receiver for receiving a time-varying magnetic field generated from a coil of a transmitter, the transmitter or the receiver includes a flat plate capacitor, connected to the flat capacitor The plate capacitor includes a resonant coil, wherein the plate capacitor includes a second both metal plate between first and second metal plates, and both ends of the resonant coil are connected to both ends of the second both metal plates.

상기 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 상기 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 임피던스 매칭과 역률 개선이 이루어진다.Impedance matching and power factor improvement are achieved by capacitance formed between each metal plate of the first both metal plates and the corresponding opposite metal plate of the second both metal plates.

입력 소스의 양단이 상기 송신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판과 연결되고, 상기 송신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일의 양단이 연결된다.Both ends of the input source are connected to the first both metal plates of the plate capacitor of the transmitter, and both ends of the transmit resonant coil in the form of a single loop coil are connected to the second both metal plates of the plate capacitor of the transmitter.

상기 수신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일의 양단이 연결되며, 상기 수신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판이 정류회로의 양단과 연결된다.Both ends of the second both metal plates of the plate capacitor of the receiver and the receiving resonance coil in the form of a single loop coil are connected, and both first and second metal plates of the plate capacitor of the receiver are connected to both ends of the rectifier circuit.

상기 정류회로는 직류변환회로와 출력단 사이에 연결된 인덕터를 포함한다.The rectifier circuit includes an inductor connected between the DC conversion circuit and the output terminal.

상기 인덕터의 용량(L), 상기 직류변환회로에서 본 입력 저항(R), 및 상기 직류 변환회로로 들어오는 입력전류의 각주파수(ω) 사이에 수학식 L > R/3ω을 만족한다.Equation L> R / 3ω is satisfied between the capacitance L of the inductor, the input resistance R seen in the DC converter circuit, and the angular frequency ω of the input current flowing into the DC converter circuit.

본 발명에 따른 공진형 무선전력전송 방법 및 시스템에 따르면, 커패시티브 커플링과 트랜스포머 커플링은 부하의 변동과 거리의 변동에 따라 변동되는 임피던스 및 나빠진 역률을 쉽게 보상할 수 있다. 즉, 커패시티브 커플링은 공진 코일과의 커패시턴스를 변경하여 보상이 가능하며, 트랜스포머 커플링은 1차와 2차 측 코일의 감은 수만을 변경하면 된다. 이를 통하여 공진형 무선전력전송 시스템의 거리 및 부하의 변동에 따라 변경되는 임피던스에 의한 전송 효율을 개선할 수 있다.According to the resonant wireless power transmission method and system according to the present invention, the capacitive coupling and the transformer coupling can easily compensate for the impedance and the bad power factor which change according to the load variation and the distance variation. That is, the capacitive coupling can be compensated by changing the capacitance with the resonant coil, and the transformer coupling only needs to change the number of turns of the primary and secondary coils. Through this, it is possible to improve the transmission efficiency due to the impedance changed according to the variation of the distance and the load of the resonance type wireless power transmission system.

또한, 트랜스포머 방식은 임피던스 매칭 뿐만 아니라 송수신부의 전압과 전류를 조정할 수 있다. 즉, 일반적으로 사용되는 코일은 허용 전류와 전압의 한계가 있으나, 트랜스포머를 활용하여 적합한 전류와 전압의 조정이 가능하다. In addition, the transformer method may adjust the voltage and current of the transceiver as well as impedance matching. In other words, the commonly used coil has a limit of allowable current and voltage, but it is possible to adjust the appropriate current and voltage by using a transformer.

그리고, 송수신뿐만 아니라, 수신부의 정류회로에서도 역률을 개선하여 전체 시스템의 전송 효율을 개선할 수 있다.In addition to the transmission and reception, the power factor may be improved in the rectifier circuit of the receiver to improve transmission efficiency of the entire system.

도 1a는 공진형 무선전력전송 시스템의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 등가회로이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 트랜스포머와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 트랜스포머와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 커패시터와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 도 4a의 커패시터와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 정류회로에서 인덕터가 없는 경우를 설명하기 위한 정류회로의 입출력 파형도이다.
도 7은 도 5의 정류회로에서 인덕터가 있는 경우를 설명하기 위한 정류회로의 입출력 파형도이다.
도 8은 도 2a의 트랜스포머의 자성체 코어를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 토로이달 코어를 적용한 트랜스포머의 등가회로이다.
도 10은 본 발명의 송신부(Tx)의 트랜스포머와 송신 공진 코일, 수신부(Rx)의 트랜스포머와 수신 공진 코일을 이용한 전력 전송 효율을 측정하기 위해 제작된 시스템을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 트랜스포머의 1차 코일 권선수에 따른 커플링 계수 및 인덕턴스의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 상호 인덕턴스와 임피던스 매칭을 위한 코일 권선수의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 효율 계산값 및 측정값을 최대 효율값과 함께 나타낸 것이다.
1A is a view for explaining an embodiment of a resonant wireless power transmission system.
FIG. 1B is an equivalent circuit of FIG. 1A.
2A is a diagram for describing a transformer and a resonant coil for application to a resonant wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B is an equivalent circuit when the transformer and the resonant coil of FIG. 2A are applied to the transmitter and the receiver.
3 is a view for explaining a resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention.
4A is a diagram illustrating a capacitor and a resonance coil for application to a resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention.
4B is an equivalent circuit when the capacitor and the resonance coil of FIG. 4A are applied to the transmitter and the receiver.
5 is a view for explaining a rectifier circuit used in the resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an input / output waveform diagram of the rectifier circuit for explaining the case where there is no inductor in the rectifier circuit of FIG. 5.
FIG. 7 is an input / output waveform diagram of a rectifier circuit for describing a case where an inductor is included in the rectifier circuit of FIG. 5.
FIG. 8 is a diagram for describing a magnetic core of the transformer of FIG. 2A.
9 is an equivalent circuit of a transformer to which the toroidal core of FIG. 8 is applied.
FIG. 10 illustrates a system manufactured for measuring power transmission efficiency using a transformer and a transmission resonant coil of the transmitter Tx of the present invention and a transformer and a reception resonant coil of the receiver Rx.
FIG. 11 shows a value obtained by measuring changes in coupling coefficient and inductance according to the number of primary coil turns of a transformer of the present invention.
12 shows a value of measuring the change in the number of coil windings for mutual inductance and impedance matching according to the distance between the transmission and reception resonant coils of the present invention.
FIG. 13 is a graph illustrating efficiency calculated values and measured values according to distances between the transmission and reception resonant coils of the present invention, together with the maximum efficiency values.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 1a는 공진형 무선전력전송 시스템의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 1b는 도 1a의 등가회로이다. 1A is a view for explaining an embodiment of a resonant wireless power transmission system. FIG. 1B is an equivalent circuit of FIG. 1A.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 공진형 무선전력전송 시스템은, 송신부(Tx) 및 수신부(Rx)를 포함할 수 있다. 송신부(Tx)는 입력 소스 (Vs)(시변 자기장 소스)와 연결되는 소스 코일(등가 회로의 Rs, Ls), 소스 코일과 자계 유도 커플링(커플링 계수 Ks)을 이루는 송신 공진 코일(등가 회로의 R1, L1, C1)을 포함하고, 수신부(Rx)는 송신 공진 코일과 공진에 의한 강한 자계 커플링(상호 인덕턴스 M)을 이루는 수신 공진 코일(등가 회로의 R2, L2, C2), 수신 공진 코일과 자계 유도 커플링(커플링 계수 KL)을 이루는 디바이스 코일(등가 회로의 RL, LL), 디바이스 코일로부터 입력되는 교류 입력을 정류하는 정류회로, 정류 회로로부터 전력을 공급받는 부하 또는 DC-to-DC 컨버터를 포함한다. 1A and 1B, the resonant wireless power transmission system may include a transmitter Tx and a receiver Rx. The transmitter Tx is a source coil (Rs, Ls of an equivalent circuit) connected to an input source Vs (time-varying magnetic field source), and a transmission resonance coil (equivalent circuit) that forms a source coil and a magnetic field inductive coupling (coupling coefficient Ks). R1, L1, and C1, and the receiving unit Rx comprises a receiving resonance coil (R2, L2, C2 of an equivalent circuit) that forms a strong magnetic coupling (mutual inductance M) by the transmission resonance coil and the resonance. Device coils (RL and LL of equivalent circuits) forming a magnetic field inductive coupling (coupling coefficient KL) with the coils, rectifier circuits for rectifying AC inputs from the device coils, loads or DC-to power supplied from the rectifier circuits. -Includes a DC converter.

이와 같이 공진형 무선전력전송 시스템은, 소스 코일에서 발생되는 시변 자기장이 송신 공진 코일로 유도되고, 자계 유도 커플링(magnetic induction coupling)을 통해 수신 공진 코일과 디바이스 코일로 유도되는 교류 신호를 정류하여 부하 또는 DC-to-DC 컨버터로 전력을 공급하게 된다. As described above, in the resonant wireless power transmission system, a time-varying magnetic field generated from a source coil is induced to a transmission resonance coil, and rectifies an AC signal induced into a reception resonance coil and a device coil through magnetic induction coupling. Power will be supplied to the load or DC-to-DC converter.

그러나, 이와 같은 구조에서 소스 코일, 송신 공진 코일, 수신 공진 코일, 디바이스 코일 간에 환경이 변화될 경우, 예를 들어, 거리 및 코일의 방향이 변경될 경우 해당 부분에서 상호 인덕턴스가 변경되며, 최대 전력 전송을 위한 임피던스 매칭 조건 및 최대 역률 환경이 변화되며, 새로운 환경에 적합한 최적의 매칭 및 역률을 얻기 위하여는 코일들의 위치를 물리적으로 조절하는 방법을 사용한다.However, in such a structure, when the environment changes between the source coil, the transmission resonant coil, the reception resonant coil, and the device coil, for example, when the distance and the direction of the coil change, the mutual inductance is changed in the corresponding portion, and the maximum power The impedance matching condition and the maximum power factor environment for the transmission are changed, and the method of physically adjusting the coils is used to obtain the optimum matching and power factor for the new environment.

이하 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 트랜스포머 또는 커패시터를 이용하여 시스템의 임피던스 매칭 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있고, 수신부의 정류 회로에서 인덕터를 사용하여 연속(continuous) 모드 조건을 만족시킴으로써 역률을 개선할 수 있는 본 발명의 무선전력전송 시스템의 실시예들을 설명한다.  By using a transformer or a capacitor in the transmitter (Tx) or the receiver (Rx) to transmit the wireless power by optimizing the impedance matching conditions of the system, by using an inductor in the rectifier circuit of the receiver by satisfying the continuous mode conditions Embodiments of the wireless power transmission system of the present invention that can improve the power factor are described.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 2b는 도 2a의 트랜스포머와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.2A is a view for explaining a resonance type wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is an equivalent circuit when the transformer and the resonant coil of FIG. 2A are applied to the transmitter and the receiver.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템은, 도 2a와 같이 페라이트 자성체 코어에 1차 코일과 2차 코일을 감은 트랜스포머, 및 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 나선형(helical)의 자기공진코일(self-resonance coil)을 송신 또는 수신 공진 코일로서 연결한 구조를 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 적용한 구조를 포함한다. 트랜스포머의 1차 코일과 2차 코일은 중첩으로 감겨질 수 있다. 여기서, 나선형(helical)의 자기공진코일을 트랜스포머에 연결한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 나선형(helical)의 코일을 변형하여 다양한 형태의 자기공진코일(self-resonance coil)이 이용될 수 있다.2A and 2B, a resonant wireless power transmission system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a transformer in which a primary coil and a secondary coil are wound around a ferrite magnetic core as shown in FIG. 2A, and a primary coil of a transformer. Or a structure in which a structure in which a helical self-resonance coil is connected to both ends of the secondary coil as a transmitting or receiving resonant coil is applied to the transmitting unit Tx or the receiving unit Rx. The primary and secondary coils of the transformer may be wound in overlap. Here, an example in which a helical magnetic resonance coil is connected to a transformer has been described, but the present invention is not limited thereto, and various types of self-resonance coils may be used by modifying the helical coil. Can be.

도 2b와 같이, 입력 소스(Vs)(시변 자기장 소스)의 양단이 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)의 양단에 연결되고, 송신부(Tx) 트랜스포머의 2차 코일(등가 회로 RT1, LT1)의 양단에 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1')이 연결된다. 또한, 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2')는 수신부(Rx) 트랜스포머의 2차 코일(등가 회로 RT2, LT2)의 양단에 연결되며, 수신부(Rx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)의 양단이 정류회로에 연결될 수 있다. 2B, both ends of the input source Vs (time-varying magnetic field source) are connected to both ends of the primary coils (equivalent circuits Rs and Ls) of the transmitter Tx transformer, and the secondary coils of the transmitter Tx transformer ( Transmission resonant coils (equivalent circuits R1, L1, C1 ') are connected to both ends of the equivalent circuits RT1, LT1. In addition, the receiving resonant coils (equivalent circuits R2, L2, C2 ') are connected to both ends of the secondary coils (equivalent circuits RT2, LT2) of the receiver Rx transformer, and the primary coils (equivalent circuit) of the receiver Rx transformer. Both ends of RL and LL may be connected to the rectifier circuit.

이와 같은 트랜스포머 커플링 구조에서, 일반적으로 트랜스포머의 2차 측 인덕턴스가 (송신/수신) 공진 코일의 인덕턴스보다 훨씬 더 크기 때문에 트랜스포머에 의한 공진 주파수 이동은 거의 없다. 또한, 공진 구조에서는 높은 전압 (높은 전류)가 유기되고, 큰 전력을 전송 시에는 코일 사이에 매우 높은 전압 (높은 전류)가 유기되어, 절연이 파괴된다. 이러한 절연 파괴를 회피하기 위하여, 트랜스포머를 이용하여 공진기에 유기되는 전압과 전류를 조정할 수도 있다. 특히, 수신부(Rx)에서 부하로서 배터리 충전을 위하여 일정 전압 이상이 전달되어야 할 경우도 트랜스포머를 이용하여 조정이 가능하다. 또한, 트랜스포머를 사용할 경우 입출력 부의 임피던스 조정이 간단하게 트랜스포머의 턴수를 변경함으로서 얻어질 수 있어, 참고문헌 [A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007]에서와 같이 커플링 코일의 물리적인 이동에 의한 매칭이 필요 없다. In such a transformer coupling structure, there is generally little resonance frequency shift by the transformer since the secondary side inductance of the transformer is much larger than the inductance of the (transmit / receive) resonant coil. In the resonant structure, a high voltage (high current) is induced, and when a large power is transmitted, a very high voltage (high current) is induced between coils, and insulation is destroyed. In order to avoid such breakdown, the transformer may be used to adjust the voltage and current induced in the resonator. In particular, even when a predetermined voltage or more is required to be charged as a load in the receiver Rx, it is possible to adjust the voltage using a transformer. In addition, when the transformer is used, impedance adjustment of the input / output unit can be obtained by simply changing the number of turns of the transformer. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007] no matching by physical movement of the coupling coil is required.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention.

도 3과 같이, 입력 소스(Vs)의 한 단자와 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)의 한 단자 사이에 추가 커패시터(Cs)를 부가할 수도 있으며, 수신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)의 한 단자와 정류회로의 한 단자 사이에 추가 커패시터(CL)를 부가할 수도 있다. 이에 따라 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)을 통한 송신측 입력 임피던스의 리액턴스 성분을 최소화시키고, 수신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)을 통한 수신측 출력 임피던스의 리액턴스 성분을 최소화시켜서, 결과적으로 역률(power factor)을 개선시켜 보다 높은 전력효율을 얻을 수 있게 된다.As shown in FIG. 3, an additional capacitor Cs may be added between one terminal of the input source Vs and one terminal of the primary coils (equivalent circuits Rs and Ls) of the transmitter Tx transformer, and the receiver Tx. An additional capacitor C L may be added between one terminal of the transformer's primary coil (equivalent circuits RL, LL) and one terminal of the rectifier circuit. Accordingly, the reactance component of the transmission input impedance through the primary coils (equivalent circuits Rs and Ls) of the transmitter Tx transformer is minimized, and the primary coils (equivalent circuits R L and L L ) of the receiver Tx transformer are minimized. By minimizing the reactance component of the output impedance through the receiver, the power factor can be improved, resulting in higher power efficiency.

도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 커패시터와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다. 도 4b는 도 4a의 커패시터와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.4A is a diagram illustrating a capacitor and a resonance coil for application to a resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention. 4B is an equivalent circuit when the capacitor and the resonance coil of FIG. 4A are applied to the transmitter and the receiver.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템은, 도 4a와 같이 평행 평판 커패시터에 단일 루프 코일을 송신 또는 수신 공진 코일로서 연결한 구조를 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 적용한 구조를 포함한다. 평행 평판 커패시터는 포트가 되는 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하며, 제2 양쪽 금속판은 제1 양쪽 금속판의 가장자리 이상으로 연장되어 있다. 제2 양쪽 금속판의 양단에 단일 루프 코일의 양단이 각각 연결된다. 제2 양쪽 금속판 사이에 소정 유전체(εr2)가 채워질 수 있으며, 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에도 소정 유전체(εr1)가 채워질 수 있다. 여기서, 단일 루프 코일을 평행 평판 커패시터에 연결한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 루프 코일을 변형하여 다양한 형태의 자기공진코일이 이용될 수 있다.4A and 4B, the resonant wireless power transmission system according to another exemplary embodiment of the present invention includes a transmission unit (Tx) having a structure in which a single loop coil is connected to a parallel plate capacitor as a transmission or reception resonance coil as shown in FIG. 4A. ) Or a structure applied to the receiver Rx. The parallel plate capacitor includes a second both metal plate between the first both metal plates serving as ports, and the second both metal plates extend beyond the edges of the first both metal plates. Both ends of the single loop coil are respectively connected to both ends of the second both metal plates. The predetermined dielectric ε r2 may be filled between the second both metal plates, and the predetermined dielectric ε r1 may also be filled between each metal plate of the first both metal plates and the corresponding opposite metal plate of the second both metal plates. Here, an example in which a single loop coil is connected to a parallel plate capacitor has been described. However, the present invention is not limited thereto, and various types of magnetic resonance coils may be used by deforming the single loop coil.

도 4b와 같이, 입력 소스(Vs)의 양단과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1) 양단 사이에 각각 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터가 연결될 수 있다. 즉, 입력 소스(Vs)의 양단이 송신측 평행 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판과 연결될 수 있고, 도 4a와 같은 송신측 평행 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)의 양단이 연결될 수 있다. 또한, 정류회로의 양단과 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2) 양단 사이에 각각 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터가 연결될 수 있다. 즉, 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)의 양단이 도 4a와 같은 수신측 평행 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 연결될 수 있고, 수신측 평행 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판이 정류회로의 양단과 연결될 수 있다. As shown in FIG. 4B, parallel plate capacitors as shown in FIG. 4A may be connected between both ends of the input source Vs and both ends of the transmission resonant coils (equivalent circuits R 1 , L 1 , C 1 ) in the form of a single loop coil. That is, both ends of the input source Vs may be connected to the first both metal plates of the transmitting side parallel plate capacitor, and the transmission resonant coil (equivalent to the second both metal plates of the transmitting side parallel plate capacitor as shown in FIG. Both ends of the circuits R 1 , L 1 , C 1 ) may be connected. In addition, parallel plate capacitors as shown in FIG. 4A may be connected between both ends of the rectifier circuit and both ends of the reception resonance coils (equivalent circuits R 2 , L 2 , C 2 ) in the form of a single loop coil. That is, both ends of the receiving resonant coils (equivalent circuits R 1 , L 1 , C 1 ) in the form of a single loop coil may be connected with the second both metal plates of the receiving side parallel plate capacitor as shown in FIG. 4A, and The first both metal plates may be connected to both ends of the rectifier circuit.

이와 같은 커패시티브 커플링 구조에서, 포트(제1 양쪽 금속판)에 인가된 전압은 커패시티브 커플링을 통하여 공진 코일의 커패시터에 인가된다. 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터에 유전체(εr2) 또는 유전체(εr1)가 반드시 채워져야 하는 것은 아니며, 공기일 수도 있고, 이와 같은 평행 평판 커패시터는 인쇄기판회로를 이용하여 쉽게 제작이 가능하다. 이에 따라 기존의 magnetic inductive coupling처럼 송신 코일 또는 디바이스 코일의 위치를 옮겨가며 임피던스 매칭을 하지않아도 되며, 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터의 커플링 커패시턴스의 양을 조정하여 매칭을 수행하기 때문에 매칭 제어가 수월하고 역률을 개선하기도 수월하다. In such a capacitive coupling structure, the voltage applied to the port (first both metal plates) is applied to the capacitor of the resonant coil through the capacitive coupling. 4A is not necessarily filled with a dielectric plate ε r2 or a dielectric ε r1 , and may be air, and such a parallel plate capacitor can be easily manufactured using a printed circuit board. Accordingly, it is not necessary to perform impedance matching by shifting the position of the transmitting coil or the device coil as in the conventional magnetic inductive coupling, and matching control is easy because the matching is performed by adjusting the amount of coupling capacitance of the parallel plate capacitor as shown in FIG. 4A. It is also easy to improve the power factor.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a rectifier circuit used in the resonance type wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로는 직류 변환회로, 직류 변환회로의 양단 사이에 직렬 연결된 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하며, 커패시터(C)의 양단(출력단)으로부터 부하 또는 DC-to-DC 커버터에 전력을 공급할 수 있다. Referring to FIG. 5, the rectifier circuit used in the resonant wireless power transmission system includes a DC converter circuit and an inductor L and a capacitor C connected in series between both ends of the DC converter circuit, and both ends of the capacitor C. Power can be supplied from the output stage to the load or DC-to-DC coverter.

도 5와 같이, 직류 변환회로는 MOSFET, Diode, Thyristor등 스위치 역할을 할 수 있는 소자로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 브리지 다이오드를 이용할 수 있다. 직류 변환회로에 연결된 평활소자인 인덕터(L)을 통하여 역률을 개선하고 보다 안정된 직류전압을 얻을 수 있다. 즉, 평활소자인 인덕터(L)를 연결하여 교류성분의 크기를 줄여주게 되어 출력전압의 맥동률을 낮출 수 있다. As illustrated in FIG. 5, the DC conversion circuit may be configured as a device capable of acting as a switch such as a MOSFET, a diode, a thyristor, or the like, and for example, a bridge diode may be used. Through the inductor (L) which is a smoothing element connected to the DC conversion circuit can improve the power factor and obtain a more stable DC voltage. That is, the inductor L, which is a smoothing element, is connected to reduce the size of the AC component, thereby reducing the pulsation rate of the output voltage.

도 5의 정류회로에서 인덕터가 없는 경우, 도 6과 같이 직류 변환회로로 들어오는 입력전류 Is의 기본 주파수 성분 Is . h1과 입력전압 VS 간에 위상차가, 입력전류 Is, 인덕터 전압 VL, 인덕터 전류 IL의 파형에서 볼 수 있듯이 발생하여 역률이 낮아진다. 그러나, 도 5의 정류회로에서 인덕터가 있는 경우, 도 7과 같이 역률을 보상할 수 있으며 이 때 필요한 인덕터의 용량(L)과 직류 변환회로에서 본 입력 저항(임피던스) R과 입력전류 Is의 각주파수 ω(2πf: f는 입력 신호의 주파수)간에 [수학식 1]을 만족해야 한다. When there is no inductor in the rectifying circuit of FIG. 5, the fundamental frequency component I s of the input current Is coming into the DC converter circuit as shown in FIG . The phase difference between h1 and the input voltage V S occurs as shown by the waveforms of the input current Is, the inductor voltage V L , and the inductor current I L , resulting in a lower power factor. However, if there is an inductor in the rectifier circuit of FIG. 5, the power factor can be compensated as shown in FIG. Equation 1 must be satisfied between frequencies ω (2πf: f is the frequency of the input signal).

[수학식 1][Equation 1]

L > R/3ωL> R / 3ω

[수학식 1]을 만족하지 못할 경우, 인덕터를 연결하지 않았을 경우와 유사하게 파형이 형성되며 결과적으로 [수학식 1]를 만족하는 인덕터를 연결했을 시와 비교해 낮은 역률을 갖게 된다.When the Equation 1 is not satisfied, the waveform is formed similarly to the case where the inductor is not connected, and as a result, the power factor is lower than that when the inductor satisfying the Equation 1 is connected.

한편, 임피던스 매칭을 위한 도 2a의 트랜스포머의 코일의 권선수와 자기공진코일(송신 또는 수신 공진 코일)과의 관계를 좀 더 자세히 설명한다.Meanwhile, the relationship between the number of windings of the coil of the transformer of FIG. 2A and the magnetic resonance coil (transmitting or receiving resonant coil) for impedance matching will be described in more detail.

도 8은 도 2a의 트랜스포머의 자성체 코어를 설명하기 위한 도면이다. 보통 트랜스포머에는 자기장을 집속시키기 위해서 페라이트와 같은 고자성체 물질이 사용된다. 자성체는 사용하고자 하는 주파수에서 자성체 손실이 적어야 한다. 그리고 시스템에 맞는 1 차, 2 차 코일의 인덕턴스를 구현할 수 있는 지를 확인해야 한다. 도 8과 같이 토로이달 형태의 자성체 코어를 트랜스포머에 사용할 때, S는 토로이달 자성체의 단면적 (폭W x 높이 h), rin은 토로이달 코어의 내부 반지름이며, rin은 토로이달 코어의 포화 자속 밀도에 맞게 설계해주면 된다. ℓ1 turn은 1회 권선하였을 때 도선의 길이, μ0는 진공에서의 투자율, μr은 자성체의 상대 투자율을 나타낸다. 코어의 크기와 투자율이 주어지면 도선을 1회 권선할 때의 인덕턴스 AL이 [수학식 2]와 같이 주어진다. AL이 주어지면 N회 권선한 코일의 인덕턴스는 [수학식 3]과 같이 구할 수 있다. FIG. 8 is a diagram for describing a magnetic core of the transformer of FIG. 2A. Transformers usually use high magnetic materials such as ferrite to focus the magnetic field. The magnetic material should have low magnetic loss at the frequency to be used. Also, make sure that you can achieve the inductance of the primary and secondary coils for your system. When using a toroidal magnetic core as shown in Figure 8 in the transformer, S is the cross-sectional area of the toroidal magnetic body (width W x height h), r in is the inner radius of the toroidal core, r in is the saturation of the toroidal core It can be designed according to the magnetic flux density. 1 turn is the length of the conductor when winding once, μ 0 is the permeability in vacuum, and μ r is the relative permeability of the magnetic material. Given the size and permeability of the core, the inductance A L for winding the lead once is given by Equation 2. Given A L , the inductance of the coil wound N times can be obtained as shown in [Equation 3].

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00002
Figure pat00002

도 9는 도 8의 토로이달 코어를 적용한 트랜스포머의 등가회로이다. 코어에서 생기는 손실은 없고, 1, 2 차 코일 사이에서의 inter-winding 커패시턴스는 시스템에 큰 영향을 주지 않아서 고려하지 않았다. 그리고 1 차 코일의 자기 커패시턴스(self-capacitance)는 보통 1차 코일의 턴 수가 많지 않아서 작은 값을 가지기 때문에 무시하였다. 도 9에서 RS과 Ll1는 트랜스포머 1차 코일의 저항 성분과 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 나타낸다. RT와 Ll2는 트랜스포머 2차 코일의 저항 성분과 누설 인덕턴스를 나타낸다. Lp는 1차 코일의 자화 인덕턴스이고, N1과 N2는 각각 1차 코일과 2차 코일의 권선수이다. CT는 트랜스포머 2차 코일에서 자체적으로 생기는 자기 커패시턴스이다. 9 is an equivalent circuit of a transformer to which the toroidal core of FIG. 8 is applied. There is no loss in the core, and the inter-winding capacitance between the primary and secondary coils is not considered to have a significant effect on the system. In addition, the self-capacitance of the primary coil is usually neglected because it has a small value because the number of turns of the primary coil is not large. In FIG. 9, R S and L l1 represent resistance components and leakage inductance of the transformer primary coil. R T and L l2 represent the resistance component and leakage inductance of the transformer secondary coil. L p is the magnetizing inductance of the primary coil, and N 1 and N 2 are the number of turns of the primary and secondary coils, respectively. C T is the self capacitance generated by the transformer secondary coil.

도 10은 본 발명의 송신부(Tx)의 트랜스포머와 송신 공진 코일(Tx resonant coil), 수신부(Rx)의 트랜스포머와 수신 공진 코일(Rx resonant coil)을 이용한 전력 전송 효율을 측정하기 위해 제작된 무선전력전송 시스템을 나타낸다. 기본 원리는 도 2b/도 3에서 설명한 바와 같다.10 is a wireless power manufactured to measure the power transmission efficiency using the transformer and the transmission resonant coil (Tx resonant coil) of the transmitter (Tx) of the present invention, the transformer and the Rx resonant coil of the receiver (Rx). Represents a transmission system. The basic principle is as described in Figure 2b / 3.

도 10과 같이, 트랜스포머 커플링을 이용한 무선전력전송 시스템을 검증하기 위하여, 각 공진 코일은 가로 62 cm, 세로 33 cm, 높이 4 cm인 직사각형 형태의 헬리컬 코일로 14AWG 리츠 와이어를 사용하여 19회 감아서 제작하였다. Tx와 Rx 트랜스포머는 토로이달 코어를 이용하여 1, 2 차 코일이 감겨진 형태이다(도 8, 9 참조). 이 때, W=1.2 cm, H=3.7 cm, rin=2.7 cm이고 상대 투자율이 350인 Ni-Zn 재질의 토로이달 코어를 사용하였다. 페라이트 코어를 그대로 사용하면 상대 투자율이 커서 권선수에 따른 인덕턴스가 커지기 때문에 코어 사이에 공극(air gap)을 주어 유효 투자율을 낮추어 사용하였다. 이 때, 공극을 주기 위해서 절연 테잎을 이용하였다. 페라이트 코어는 투자율의 공정 오차가 ±25%가 될 정도로 크기 때문에 코어의 투자율에 맞게 공극을 적절하게 조정하였다. 제작한 Tx와 Rx 트랜스포머의 AL 값은 각각 0.56, 0.53이다. 공진 주파수를 맞추기 위해서 Tx 트랜스포머 2차 코일은 91회, Rx 트랜스포머 2차 코일은 94회로 권선하였다. 공진 코일과 병렬로 연결되는 lumped 커패시터는 1 nF의 high-Q 커패시터를 사용하였다.As shown in FIG. 10, in order to verify a wireless power transmission system using a transformer coupling, each resonant coil is a helical coil of a rectangular shape having a width of 62 cm, a height of 33 cm, and a height of 4 cm. Was produced. The Tx and Rx transformers are wound around primary and secondary coils using a toroidal core (see FIGS. 8 and 9). At this time, a toroidal core made of Ni-Zn material having W = 1.2 cm, H = 3.7 cm, r in = 2.7 cm and a relative permeability of 350 was used. If the ferrite core is used as it is, the relative permeability is large, and thus the inductance according to the number of turns is increased, thereby providing an air gap between the cores. At this time, an insulating tape was used to give a gap. Ferrite cores are so large that the permeability process error is ± 25%, so the voids are properly adjusted to match the core's permeability. The A L values of the fabricated Tx and Rx transformers are 0.56 and 0.53, respectively. In order to adjust the resonance frequency, the Tx transformer secondary coil was wound 91 times and the Rx transformer secondary coil was wound 94 times. The lumped capacitor connected in parallel with the resonant coil used a high-Q capacitor of 1 nF.

아래 표는 도 10과 같이 제작한 시스템의 파라미터 측정 값을 나타낸다. 측정 결과 송수전부의 공진 주파수(fr1/fr2)가 약 257 kHz로 거의 동일함을 확인할 수 있었다. 각 파라미터 측정에는 벡터 회로망 분석기 (Agilent 4395A)와 LCR 미터(GWInstek LCR 8110G)를 이용하였다.The table below shows the parameter measurement values of the system fabricated as shown in FIG. As a result of the measurement, it was confirmed that the resonant frequency (fr1 / fr2) of the transmitter and receiver was about the same at about 257 kHz. Each parameter was measured using a vector network analyzer (Agilent 4395A) and an LCR meter (GWInstek LCR 8110G).

Figure pat00003
Figure pat00003

도 11은 본 발명의 트랜스포머의 1차 코일 권선수에 따른 커플링 계수 및 인덕턴스의 변화를 측정한 값을 나타낸다.FIG. 11 shows a value obtained by measuring changes in coupling coefficient and inductance according to the number of primary coil turns of a transformer of the present invention.

도 11과 같이, 제작한 트랜스포머의 커플링 계수와 1 차 코일의 인덕턴스 값을 권선수에 따라 나타내는 경우, 커플링 계수는 송수신부 트랜스포머 모두 1 차 코일의 권선수에 따라 큰 변화 없이 약 0.9 정도의 일정한 값을 나타내었다. 1 차 코일의 권선수에 따라 인덕턴스는 약 2.5 μH에서 25 μH까지 증가하였다.As shown in FIG. 11, when the coupling coefficient of the manufactured transformer and the inductance value of the primary coil are represented by the number of turns, the coupling coefficient is about 0.9 without significant change depending on the number of turns of the primary coil in both the transformer and the transmitter. Constant values were shown. Depending on the number of turns of the primary coil, the inductance increased from about 2.5 μH to 25 μH.

도 12는 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 상호 인덕턴스와 임피던스 매칭을 위한 코일 권선수의 변화를 측정한 값을 나타낸다.12 shows a value of measuring the change in the number of coil windings for mutual inductance and impedance matching according to the distance between the transmission and reception resonant coils of the present invention.

송수신 공진 코일 사이의 간격(D) 변화에 따라서 임피던스 매칭 조건이 달라지는데, 트랜스포머 1 차 코일의 권선수를 바꾸면서 조정할 수 있다. 도 12와 같이, 간격(D)이 40 cm에서 100 cm까지 변화할 때, 공진 코일들 사이의 상호 인덕턴스(M12)와 그 때의 트랜스포머 1 차 코일의 매칭 권선수(Nm)가 감소하며, 특히, 임피던스 매칭을 위한 1 차 코일의 권선수(Nm)는 6 회에서 2 회로 줄어듦을 확인할 수 있었다. 즉, 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스(M12)가 작을수록 1 차 코일의 권선수를 줄이는 방법으로 임피던스를 쉽게 매칭 할 수 있다.The impedance matching condition varies according to the change in the distance D between the transmission and reception resonant coils, which can be adjusted by changing the number of turns of the transformer primary coil. As shown in FIG. 12, when the distance D varies from 40 cm to 100 cm, the mutual inductance M 12 between the resonant coils and the number of matching turns N m of the transformer primary coil at that time decreases. In particular, it can be seen that the number of turns of the primary coil (N m ) for impedance matching is reduced from 6 to 2 circuits. That is, as the mutual inductance M 12 between the resonant coils is smaller, the impedance can be easily matched by reducing the number of turns of the primary coil.

도 13은 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리(D)에 따른 효율 계산값 및 측정값을 최대 효율값과 함께 나타낸 것이다.FIG. 13 is a graph illustrating efficiency calculated values and measured values according to a distance D between transmission and reception resonant coils of the present invention, together with maximum efficiency values.

도 13과 같이, 각 파라미터를 추출한 것을 바탕으로 회로 해석을 통해 구한 효율 계산값(calculation)과 실제로 Network Analyzer를 이용하여 측정한 효율 측정값(measurement)이 거의 일치함을 확인할 수 있다. 도 13에서 다이아몬드 마크를 갖는 최대 효율값(maximum efficiency)은 참고 문헌 [A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007.]에서 제시한 최대 효율식 (effmax = fom2/(1+(1+fom2)0.5)2, fom=ωM12/(R1R2)0.5)을 이용해 계산 효율값이다. 트랜스포머의 권선수/비를 조정하여 최대 효율값(maximum efficiency)을 낼 수 있는 임피던스 매칭이 잘 이루어졌음을 알 수 있다. 이로써, 본 발명에서 제시한 트랜스포머 커플링 방식은 등가 회로를 통해 시스템을 모델링할 수 있고, 공진 코일 간의 거리(D) 40 cm에서 약 90%, 100 cm에서는 약 55%라는 높은 효율을 가질 수 있음을 확인하였다.As shown in FIG. 13, it can be seen that the efficiency calculation calculated through the circuit analysis and the efficiency measurement measured using the network analyzer are almost identical based on the extraction of each parameter. The maximum efficiency with diamond marks in FIG. 13 is described in reference [A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, JD Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007.] calculated using the maximum efficiency equation (eff max = fom 2 / (1+ (1 + fom 2 ) 0.5 ) 2 , fom = ωM 12 / (R 1 R 2 ) 0.5 ) Efficiency value. It can be seen that impedance matching to achieve maximum efficiency is achieved by adjusting the number of turns / ratio of the transformer. Thus, the transformer coupling scheme proposed in the present invention can model a system through an equivalent circuit, and have a high efficiency of about 90% at a distance (D) of 40 cm between resonant coils and about 55% at 100 cm. It was confirmed.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

송신부(TX)
수신부(RX)
소스 코일(등가 회로의 Rs, Ls)
송신 공진 코일(등가 회로의 R1, L1, C1)
수신 공진 코일(등가 회로의 R2, L2, C2)
디바이스 코일(등가 회로의 RL, LL)
Transmitter (TX)
Receiver (RX)
Source coil (Rs, Ls of equivalent circuit)
Transmission resonant coil (R1, L1, C1 of equivalent circuit)
Receive resonant coils (R2, L2, C2 of equivalent circuit)
Device coils (RL, LL in equivalent circuit)

Claims (13)

송신부의 소스로부터 생성되는 시변 자기장을 무선으로 송신하고, 수신부의 수신 공진기를 이용하여 전달하는 공진형 무선전력전송 시스템에 있어서,
상기 송신부 또는 상기 수신부는 트랜스포머를 포함하고,
상기 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 연결된 자기 공진 코일(self-resonance coil)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
In a resonance type wireless power transmission system for wirelessly transmitting a time-varying magnetic field generated from a source of a transmission unit and transmitting using a reception resonator of a reception unit,
The transmitter or the receiver comprises a transformer,
Self-resonance coils connected to both ends of the primary coil or secondary coil of the transformer
Resonant wireless power transmission system comprising a.
제1항에 있어서,
상기 1차 코일 또는 상기 2차 코일의 권선수에 의하여 임피던스 매칭 및 역률이 개선되는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 1,
Resonant wireless power transmission system, characterized in that impedance matching and power factor is improved by the number of windings of the primary coil or the secondary coil.
제2항에 있어서,
상기 송신부의 송신 공진 코일 및 상기 수신부의 수신 공진 코일 사이의 거리 증가에 따라 상기 1차 코일의 권선수가 감소하도록 미리 결정한 권선수로 상기 1차 코일을 권선한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 2,
Resonant wireless power transmission system characterized in that the winding of the primary coil with a predetermined number of turns so that the number of turns of the primary coil decreases as the distance between the transmission resonance coil of the transmitter and the receiving resonance coil of the receiver increases. .
제1항에 있어서,
입력 소스의 양단이 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 연결되며, 상기 송신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 송신 공진 코일이 연결된 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 1,
Resonant wireless power transmission system, characterized in that both ends of the input source is connected to both ends of the primary coil of the transformer of the transmitter, the transmission resonant coil is connected to both ends of the secondary coil of the transformer of the transmitter.
제4항에 있어서,
상기 입력 소스의 한 단자와 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 4, wherein
And an additional capacitor between one terminal of the input source and one terminal of the primary coil of the transformer of the transmitter.
제1항에 있어서,
상기 수신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 수신 공진 코일이 연결되며, 상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 정류회로가 연결된 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
The method of claim 1,
A reception resonance coil is connected to both ends of the secondary coil of the transformer of the receiver, and a rectifier circuit is connected to both ends of the primary coil of the transformer of the receiver.
제6항에 있어서,
상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자와 상기 정류회로의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 6,
And a further capacitor between one terminal of the primary coil of the transformer of the receiver and one terminal of the rectifier circuit.
송신부의 코일로부터 생성되는 시변 자기장을 수신하는 수신부를 포함하는 공진형 무선전력전송 시스템에 있어서,
상기 송신부 또는 상기 수신부는 평판 커패시터를 포함하고,
상기 평판 커패시터에 연결된 공진 코일을 포함하되,
상기 평판 커패시터는 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하며, 상기 제2 양쪽 금속판의 양단에 상기 공진 코일의 양단이 연결되는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
In the resonance type wireless power transmission system including a receiver for receiving a time-varying magnetic field generated from the coil of the transmitter,
The transmitter or the receiver comprises a flat plate capacitor,
Including a resonant coil connected to the plate capacitor,
The plate capacitor includes a second both metal plate between first and second metal plates, and both ends of the resonant coil are connected to both ends of the second both metal plates.
제8항에 있어서,
상기 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 상기 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 임피던스 매칭 및 역률이 개선되는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 8,
And the impedance matching and the power factor are improved by capacitance formed between each metal plate of the first both metal plates and the corresponding opposite metal plate of the second both metal plates.
제8항에 있어서,
입력 소스의 양단이 상기 송신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판과 연결되고, 상기 송신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일의 양단이 연결된 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 8,
Resonant wireless power, characterized in that both ends of the input source is connected to the first both metal plates of the plate capacitor of the transmitter, the both ends of the plate capacitor of the transmitter and the both ends of the transmission resonant coil in the form of a single loop coil. Transmission system.
제8에 있어서,
상기 수신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일의 양단이 연결되며, 상기 수신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판이 정류회로의 양단과 연결된 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
According to claim 8,
Resonant wireless power, characterized in that the second both metal plates of the plate capacitor of the receiving unit and the both ends of the receiving resonant coil in the form of a single loop coil, the first both metal plates of the plate capacitor of the receiving unit is connected to both ends of the rectifier circuit. Transmission system.
제6항 또는 제11항에 있어서,
상기 정류회로는 직류변환회로와 출력단 사이에 연결된 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method according to claim 6 or 11, wherein
The rectifier circuit is a resonant wireless power transmission system comprising a inductor connected between the DC conversion circuit and the output terminal.
제12항에 있어서,
상기 인덕터의 용량(L), 상기 직류변환회로에서 본 입력 저항(R), 및 상기 직류 변환회로로 들어오는 입력전류의 각주파수(ω) 사이에 수학식 L > R/3ω을 만족하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
The method of claim 12,
Equation L > R / 3ω is satisfied between the capacitance L of the inductor, the input resistance R seen in the DC converter circuit, and the angular frequency ω of the input current flowing into the DC converter circuit. Resonant wireless power transmission system.
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