KR20120124646A - 자계 공진 무선전력전송을 위한 다중 루프를 갖는 자기 공진코일 - Google Patents

자계 공진 무선전력전송을 위한 다중 루프를 갖는 자기 공진코일 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 공진 코일의 루프를 여러 개로 분리시켜 송/수신 공진코일이 놓여있는 곳의 자기장 발생을 증가시켜 커플링 계수를 증가시키며, 루프가 없는 부분의 자기장 발생을 최소화해 자계 공진 코일에서 전면적으로 발생하는 자기장을 줄여주고, 주파수 변동에 대한 전력전송효율의 신뢰도를 높일 수 있도록 광대역의 주파수 특성을 가지는 자계 공진 무선전력전송 시스템을 제공한다.

Description

자계 공진 무선전력전송을 위한 다중 루프를 갖는 자기 공진코일 {Self resonant coil with multiple loops for magnetic resonant wireless power transfer}
본 발명은 자계 공진 무선전력전송 시스템에 관한 것으로서, 자계 공진 무선전력전송 시스템에 있어 시스템의 효율 및 활용을 높이기 위한 복수 개의 다중 루프를 가지는 자기 공진(self resonance) 코일에 관한 것이다.
자계 공진 무선전력전송 기술은 동일한 공진 주파수를 갖는 자기 공진기 사이에 강한 자계 결합에 의하여 공진 코일 직경 보다 더 먼 거리에서도 높은 전송효율을 갖는 기술이다.
미국 특허 US 7,741,734 B2와 US 7,825,543 B2에는 단일 루프 및 헬릭스 형태의 자기 공진기를 사용한 자계 공진형 무선전력전송 시스템을 제안하였고, US2010/0259108A1에서는 단일 루프를 갖는 자기 공진기를 이용한 전력 중계(repeater) 구조를 제안하였다. 국내 공개특허 10-2010-0026075에서는 전자기 유도를 이용한 무선전력전송 시스템을 위하여 송신 구조 내에 여러 개의 독립된 송신 코일을 사용하여 다중 부하에 무선전력전송을 할 수 있는 구조를 제안하였다.
이와 같은 종래 기술에서는 자기 공진기 (self resonator) 구조로 하나의 루프 구조에 여러 턴을 감아 헬릭스나 스파이럴 형태의 코일 구조를 사용하였다. 또한, 전자기 유도 방식에서 다중 기기 충전을 위하여 복수개의 루프 구조를 갖는 구조를 사용하였고, 또는 송신부 자기장의 세기를 송신 코일 범위에서는 균일하게 하기 위하여 연결된 복수개의 루프 구조를 갖는 구조를 사용하였다.
그러나, 하나의 루프를 갖는 자기 공진기의 경우, 자기 공진기 주위에서 복수의 수신기에 전력 전달이 가능하지만, 그것의 효율 면에서는 다소 부적합할 수 있다. 예를 들어, 송신 자기 공진기의 넓이가 수신 자기 공진기들 전체 크기의 서너 배 보다 클 경우, 송신 자기 공진기는 수신 자기 공진기가 없는 부분에서도 불필요한 자기장을 생성하게 된다. 특히, 하나의 루프 구조로 여러 턴으로 감아서 자기 코일로 사용하기 때문에 전면적으로 자기장의 발생이 이루어지고 루프의 면적이 크기 때문에 방사하는 자기장이 발생하여 전자파 장해의 문제가 있다. 그래서 전 면적에 걸쳐서 값비싼 차폐재를 사용하여 전자파를 차폐해야 하므로 효율적이지 못하다. 또한, 수신 자기 공진기가 놓이는 부분은 수신 자기 공진기가 없는 부분에 비해 더 큰 자계 결합을 만들어 효율을 높이는 것이 좋으나, 송신 공진기의 전 면적에서 균일한 자계 결함을 갖기 때문에 부적합하다.
또한, 전자기 유도에서 사용된 독립된 복수개의 루프를 자기 공진기 구조로 사용될 경우, 각각의 독립된 루프 코일이 동일 공진 주파수를 가져야 하고, 또한, 큰 루프 코일 속의 작은 독립 루프 코일은 큰 루프 코일에 의한 전자기 유도에 의한 것으로 이 또한 불필요한 영역에서 상대적으로 큰 자기장이 만들어져, 전송 효율 측면에서 비효율적이다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 분리된 다중 루프를 가지는 자기 공진 코일을 사용해 효율적으로 무선 전력 전송이 가능한 자계 공진 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
그리고, 자기 공진코일의 루프를 여러 개로 분리시켜 송/수신 공진코일이 놓여있는 곳의 자기장 발생을 증가시켜 커플링 계수를 증가시키며, 루프가 없는 부분의 자기장 발생을 최소화해 자기 공진 코일에서 전면적으로 발생하는 자기장을 줄여주고, 주파수 변동에 대한 전력전송효율의 신뢰도를 높일 수 있도록 광대역의 주파수 특성을 가지는 자계 공진 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 시변 자기장을 송수신하는 무선전력전송 시스템은, 1회 이상의 감은 회수를 갖는 루프 코일의 복수개가 직렬 또는 병렬 연결된 구조의 자기 공진 코일을 포함하고, 송신부 코일의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 어느 한 루프 코일로 집중적으로 수신하고, 상기 어느 한 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 다른 루프 코일에서의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 수신부 코일로 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 자기 공진 코일에 포함된 복수로 연결된 루프 코일의 양끝은 개방될 수도 있고, 상기 자기 공진 코일에 포함된 복수로 연결된 루프 코일의 양끝 사이에 연결된 공진 주파수 튜닝을 위한 커패시터를 포함할 수도 있다.
일례로, 도 2a와 같이, 상기 자기 공진 코일은 송신부 송신 코일과 수신부 수신 코일 사이에 배치되며, 상기 송신부 송신 코일의 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고, 상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 수신부 수신 코일로 전달될 수 있다.
다른 예로, 도 2b와 같이, 상기 자기 공진 코일은 제1 루프 코일, 제2 루프 코일, 및 제3 루프 코일을 포함하며, 송신부 송신 공진 코일의 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되어, 상기 제2 루프 코일 및 상기 제3 루프 코일에 시변 자기장이 형성되며, 상기 제2 루프 코일은 자계 공진을 통해 시변 자기장을 제1수신부의 수신 공진 코일로 전달하고, 상기 제3 루프 코일은 자계 공진을 통해 시변 자기장을 제2수신부의 수신 공진 코일로 전달할 수 있다.
또 다른 예로, 도 2c와 같이, 상기 자기 공진 코일은 송신부 송신 코일과 수신부 수신 공진 코일 사이에 배치되며, 상기 송신부 송신 코일의 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고, 상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 수신부 수신 공진 코일로 전달될 수 있다.
또한, 도 3b와 같이, 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 교류 전원이 연결되며, 상기 송신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 상기 송신부의 송신 공진 코일이 연결되며, 상기 송신 공진 코일의 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고, 상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 수신부의 수신 공진 코일로 전달되며, 상기 수신부의 공진 코일이 상기 수신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 연결되며, 상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 부하가 연결될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 시변 자기장을 송수신하기 위한 무선전력전송 방법은, 1회 이상의 감은 회수를 갖는 루프 코일의 복수개가 직렬 또는 병렬 연결된 구조의 자기 공진 코일을 이용하여, 송신부 코일의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 어느 한 루프 코일로 집중적으로 수신하고, 상기 어느 한 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 다른 루프 코일에서의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 수신부 코일로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 활용한 자계 공진 무선전력전송 시스템에 따르면, 복수개의 강한 자계 결합 영역에서 매우 높은 커플링을 얻을 수 있어, 송수신 전송효율 개선 및 전송거리를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 활용한 자계 공진 무선전력전송 시스템에 따르면, 자계 공진형 무선전력전송 시스템에서 다중 디바이스에 대한 효율적 전력 전송이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 자계 공진 무선전력전송 시스템에 따르면, 송/수신 공진 코일의 크기가 작고 중계 공진 코일과의 배열이 수평에서 틀어져 있어도 중거리로 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자계 공진 무선전력전송 시스템에 따르면, 자기장과 전기장의 발생을 줄여주어, 전자파 차폐에 용이하다.
그리고, 다중 루프를 갖는 자기 공진 코일을 사용하는 무선전력전송은 광대역의 주파수 특성을 가지기 때문에 소스부의 주파수 변동에 대한 전력전송효율의 신뢰도를 높일 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 전자기 유도 무선전력전송 시스템에 자기 공진 코일로 적용한 예의 등가회로이다.
도 2b는 다수의 부하에 전력을 전송하기 위해 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 자계 공진 무선전력전송 시스템에 자기 공진 코일로 적용한 예의 등가회로이다.
도 2c는 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 자계 공진과 전자기 유도 무선전력전송 시스템에 동시에 적용한 예의 등가회로이다.
도 3a는 도 1의 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 중계 자기 공진 코일로 포함한 자계 공진 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 도3a의 등가회로이다.
도 4a는 상용 전자파 해석 툴을 사용하여 해석한 자기 공진 코일의 자기장 분포도이다.
도 4b는 도 3a의 x축에서의 자기장 분포도이다.
도 4c 도 3a의 y축에서의 자기장 분포도이다.
도 5는 도 3a에 대한 시뮬레이션 회로도이다.
도 6는 도 4에 대한 시뮬레이션의 S-Parameter 결과이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 루프 코일을 갖는 자기 공진기(또는 자기 공진 코일)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는 본 발명의 일실시예로서 두 개의 루프 코일을 갖는 자기 공진기 구조를 나타내었다. 다만 이에 이에 한정되는 것은 아니며, 사용 목적에 따라 자기 공진기에는 더 많은 루프 코일들이 포함될 수 있으며 루프 코일들은 모두 각 코일의 끝과 끝이 직렬 연결되는 구조일 수 있고, 경우에 따라서는 루프 코일들 각각의 끝이 병렬 연결되는 구조일 수도 있으며, 루프 코일들이 직렬과 병렬의 조합으로 연결되는 구조일 수도 있다.
도 1에서, 루프 코일들 상에 표시한 화살표는 전류 방향을 나타내며, 교류 신호를 사용하기 때문에 방향은 반대 방향일 수도 있다. 또한, 도 1과 같이, 자기 공진기는 두 개의 루프 코일들에서 각각 전류가 모이므로, 루프 코일의 영역 A, 영역 B 부근에서는 전류가 모여 있기 때문에, 루프 코일의 영역 A, 영역 B 에서는 루프 코일로부터 떨어진 영역C와 비교하여 강한 자기장이 만들어져 강한 자계 커플링이 일어난다. 이와는 반대로 영역 C는 영역 A와 B와 비교하여 훨씬 더 작은 자기장이 만들어지며, 자계 커플링 또한 낮다. 도 1에서 루프 코일들의 종단에 커패시터가 연결되어 커패시터 양단에 루프 코일들이 직렬 연결되는 구조를 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 커패시터를 사용하지 않고 종단을 개방해서 사용할 수도 있다. 사용되는 커패시터는 손실 저항이 작은 값을 사용하는 것이 바람직하다.
도1과 같은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 루프를 갖는 자기 공진기는, 루프 코일들에 의해 형성되는 복수개의 분리된 자계 커플링 부분을 갖는 구조로서, 동일 코일에서 단일 공진 주파수의 송신 공진과 수신 공진이 일어날 수 있는 모든 자계 공진형 무선전력전송 시스템에 적용될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 루프를 갖는 자기 공진기의 각각의 커플링 부분은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 송신부의 송신 코일 및 수신부의 수신 (부하) 코일과 각각 커플링될 수 있으며(도 2a 참조), 또는 송신부의 송신 코일, 및 수신부의 수신 공진 코일과 수신 (부하) 코일과 각각 커플링될 수도 있으며(도 2b 참조), 또는 송신부의 송신 코일 및 송신 공진 코일과 각각 커플링될 수도 있고(도 2b 참조), 또는 도 3b와 같이 트랜스포머를 사용하는 송수신 공진 코일 사이에서 중계 자기 공진 코일로 사용되어 각각의 공진 코일과 커플링될 수도 있다.
송신부의 송신 코일은 전원과 연결된 코일이며, 송신부의 송신 공진 코일은 송신 코일과 중계 공진 코일 사이의 코일이고, 중계 공진 코일은 송신부의 송신 공진 코일 또는 송신부의 송신 코일(송신 공진 코일이 없는 경우)로부터 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 자기장을 전달받아 수신부의 수신 공진 코일 또는 수신부의 수신 (부하) 코일(수신 공진 코일이 없는 경우)로 자기장을 전달한다. 수신 공진 코일이 있는 경우 수신 (부하) 코일은 수신 공진 코일로부터 자기장을 전달받으며, 수신 (부하) 코일은 정류 회로나 정류회로와 DC/DC 컨버터 등의 회로에 연결되어, 배터리를 충전하거나 시스템에 전력을 제공할 수 있다.
도 2a는 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 전자기 유도 무선전력전송 시스템에 제안된 자기 공진 코일로 적용한 예의 등가회로이다.
도 2a와 같이, 전자기 유도 방식의 무선전력전송을 위하여, 송신부(Tx) 송신 코일(등가회로 Rs, Ls)과 수신부(Rx) 수신 (부하) 코일(등가회로RL,LL) 사이에 2개의 루프 코일을 가지는 자기 공진기(등가회로 Rm1,Cm1,Lm1,Lm2)가 배치될 수 있다. 여기서, 자기 공진기의 커패시터(Cm1) 양단 사이에 루프 코일들(Lm1,Lm2)이 연결된 구조를 의미하며, Rm1은 내부 저항이다.
기존 전자기 유도 방식은 송신부(Tx) 송신 코일과 수신부(Rx) 수신 코일을 수평으로 배치하고 거리가 매우 가까워야 효율적인 전송이 가능하다. 하지만, 도 2a 처럼 송신부(Tx) 송신 코일과 수신부(Rx) 수신 코일 사이에 제안된 자기 공진 코일을 배치함으로써 송신부(Tx) 송신 코일에서 전달하는 전력을 자기 공진 코일을 통해 원하는 위치의 수신부(Rx) 수신 코일에 전달할 수 있다. 송신부(Tx) 송신 코일(등가회로 Rs, Ls)에서 발생된 시변 자기장은 자기 공진 코일(등가회로 Rm1,Cm1,Lm1,Lm2)과 자계 유도 커플링(magnetic induction)에 의해 제1루프 코일(Lm1)로 집중적으로 전달된다. 또한, 제1루프 코일(Lm1)로 수신된 자기장은 전류로 변환되어 제 2루프 코일(Lm2)로 전달되고, 제2루프 코일(Lm2)에서는 다시 자계 유도 커플링을 통하여 수신부(Rx)의 수신 코일(등가회로 RL, LL)로 자기장을 전달한다.
도 2b는 다수의 부하에 전력을 전송하기 위해 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 자계 공진 무선전력전송 시스템에 제안된 자기 공진 코일(중계 자기 공진 코일)로 적용한 예의 등가회로이다.
도 2b와 같이, 복수의 부하에 전력을 효율적으로 전송하기 위해, 중계 자기 공진 코일은 커패시터(Cm1) 양단 사이에 루프 코일들 3개(Lm1,Lm2,Lm3)가 연결될 수 있으며, Rm1은 내부 저항이다.
송신부(Tx) 송신 공진 코일(등가회로 C1, R1, L1)에서 발생된 시변 자기장은 중계 자기 공진 코일(등가회로 Rm1,Cm1,Lm1,Lm2)과 자계 공진(magnetic resonance)에 의해 제1루프 코일(Lm1)로 집중적으로 전달된다. 또한, 제1루프 코일(Lm1)로 수신된 자기장은 전류로 변환되어 제 2, 3루프 코일(Lm2, Lm3)로 각각 전달되고, 제2루프 코일(Lm2)에서는 자계 공진(magnetic resonance)을 통하여 제1수신부(Rx)의 수신 공진 코일(등가회로 C2, R2, L2)로 자기장을 전달하며, 제3루프 코일(Lm3)에서는 자계 공진(magnetic resonance)을 통하여 제2수신부(Rx)의 수신 공진 코일(등가회로 C2, R2, L2)로 자기장을 전달한다. 이와 같이 여기서의 중계 자기 공진 코일(등가회로 Rm1,Cm1,Lm1,Lm2)은 2개의 수신(Rx) 공진 코일로 효율적으로 동시에 전력을 전달할 수 있다.
도 2c는 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 자계 공진과 전자기 유도 무선전력전송 시스템에 동시에 적용한 예의 등가회로이다.
도 2c와 같이, 루프 코일들(Lm1,Lm2) 2개를 갖는 자기 공진 코일(등가 회로 Rm1, Cm1, Lm1, Lm2)이 송신부(Tx) 송신 코일(등가회로 Rs, Ls)과 수신부(Rx) 수신 공진 코일(등가회로 C1, R1, L1) 사이에 배치될 수 있다. 송신부(Tx) 송신 코일(등가회로 Rs, Ls)에서 발생된 시변 자기장은 자계 유도 커플링(magnetic induction coupling)으로 자기 공진 코일(등가 회로 Rm1, Cm1, Lm1, Lm2), 특히 제1루프 코일(Lm1)로 집중적으로 전달된다. 또한, 자기 공진 코일(등가 회로 Rm1, Cm1, Lm1, Lm2), 특히 제2루프 코일(Lm2)은 자계 공진(magnetic resonance)을 이루는 수신부(Rx) 수신 공진 코일(등가회로 R1, C1, L1)로 시변 자기장을 집중적으로 전달한다.
도 3a는 도 1의 다중 루프를 갖는 자기 공진기를 중계 공진 코일(중계 자기 공진 코일)(Intermediate Self Resonant Coil)로 포함한 자계 공진 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 도3a의 등가회로이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 중계 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)을 포함한 자계 공진 무선전력전송 시스템은, 송신부(Tx), 중계 자기 공진 코일(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2) 및 수신부(Rx)를 포함한다. 두 개의 단일 루프를 갖는 Tx, Rx의 자기 공진 코일 사이에 본 발명에서 제안한 다중 루프를 가지는 중계 자기 공진 코일(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)이 놓여 있다. 제안한 중계 자기 공진 코일(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)(또는 자기 공진기)는 송신과 수신 자기 공진 코일과의 강한 자계 공진(magnetic resonance)을 위하여 두 개의 루프를 갖는다. 특히, 송신부(Tx) 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)과 중계 자기 공진 코일(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)의 제 1루프 코일(Lm1)는 각 루프의 중심 축이 수직으로 되어 있다. 또한, 수신부(Rx) 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2) 또한 중계 자기 공진 코일(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)의 제2루프 코일(Lm2)과 중심 축이 수직으로 배열되어 있다.
도 3b와 같이, 교류 전원(Vs)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 송신부(Tx) 공진 코일, 즉, 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)이 연결된다. 또한, 수신부(Rx) 공진 코일, 즉, 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 부하에 연결될 수 있다. 부하는 수신부(Rx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)의 교류 전압을 정류하는 정류회로일 수도 있고, 이러한 정류 회로 이외에도 DC-DC(DC-to-DC) 컨버터가 더 포함될 수도 있다.
특히, 본 발명에서 제안한 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)은 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)로부터 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2)로 시변 자기장을 전달하여 무선으로 전력이 전달될 수 있도록 중계(repeating)한다. 여기서, 제안한 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)은 커패시터 (Cm1) 양단 사이에 직렬 연결된 1회 이상의 감은 회수를 갖는 제1 루프 코일(Lm1)과 1회 이상의 감은 회수를 갖는 제2 루프 코일(Lm2)를 포함한다. 제1 루프 코일(Lm1)은 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1) 주위에 배치되며, 제2 루프 코일(Lm2)은 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2) 주위에 배치된다. 커패시터(Cm1)는 자기 공진기(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)의 공진 주파수를 튜닝하기 위해 사용된다. 외부 영향에 의해 자기 공진기(Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)의 자체 커패시턴스(self capacitance)가 변동하기 때문에, 이로 인한 공진 주파수 변화를 커패시터(Cm1)를 사용하여 줄일 수 있어 전력전송의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한 실제 제작에 있어서 제 1,2 루프의 인덕턴스(Lm1, Lm2)가 외부 영향으로 변화하기 때문에, 외부 환경에 맞춰서 커패시터(Cm1)를 튜닝하여 공진주파수를 정확하게 맞춰줄 수 있다. 이때, 자기 공진기의 높은 효율을 유지하기 위해 저손실 커패시턴스를 사용하여 가능한 정확한 공진 주파수를 갖도록 한다. 그리고, 제안된 자기 공진기의 공진 주파수 fres는 공진기의 전체 인덕턴스(L = Lm1 + Lm2)와 커패시터(Cm1)에 의해 [수학식 1]과 같이 정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
이에 따라, 교류 전원(Vs)에 의해 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)에 발생된 시변 자기장은 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)의 제 1루프 코일(Lm1)와 강한 자계 커플링되어 송신 공진 코일과 제1루프 코일(Lm1)에는 각각 자계 공진(magnetic resonance)이 일어나면서 전력이 전달되고, 제1루프 코일(Lm1)에서 만들어진 전류는 제2루프 코일(Lm2)로 흘러가고, 제 2루프 코일(Lm2)에서는 다시 자계 공진(magnetic resonance)으로 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2)에 전력을 전달한다. 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2)이 직렬 연결되므로 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)의 시변 자기장이 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2)로 전달될 수 있다.
여기서, 제안한 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)이 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2)로 이루어지는 것을 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 루프 코일(Lm1)과 직렬 또는 병렬 연결되는 1 이상의 루프 코일이 더 포함될 수도 있고, 또한, 제2 루프 코일(Lm2)과 직렬 또는 병렬 연결되는 1 이상의 루프 코일이 더 포함될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 자기 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm1, Lm1, Lm2)은 루프 코일이 2개로 분리된 형태로 각각 송신 공진 코일 및 수신 공진 코일과 자기장 커플링되는 구조이다. 또한, 송/수신 공진 코일이 중계 공진 코일에 비하여 면적이 매우 작은 경우나 송/수신 공진 코일과 중계 공진 코일(등가 회로의 Cm1, Rm2, Lm1, Lm2) 간의 배열이 수평에서 틀어지게 되는 경우 커플링이 약해져 전력 전달 효율이 낮아질 수 있지만, 본 발명에서는 도 1과 같이, 분리된 다중 루프 코일을 가지는 중계 공진 코일 구조를 이용해 송/수신 공진 코일과 각각 커플링이 가장 강한 영역들에 루프 코일을 따로 만들고 이를 직렬로 연결하여, 이때 각 루프 코일의 턴 수를 복수로 늘려주어 송/수신 공진 코일과의 커플링을 증가시킴으로써 전력전송 효율을 높여줄 수 있다. 또한 자기장 발생을 전면적이 아닌 극소 부분(제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2) 주위)에 집중시키고 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2) 사이의 연결 부분인 중간 부분의 자기장 발생을 줄일 수 있고, 루프 코일의 면적이 작아져서 커플링을 하지 않는 중간 부분에서 발생되는 자기장의 크기를 줄일 수 있기 때문에 커플링이 발생되는 한정된 부분의 전자파만 차폐하면 되기 때문에, 전자파 장해의 문제를 줄일 수 있다.
도 4a는 상용 전자파 해석 툴 HFSS(High-Frequency Structure Simulator)을 사용하여 해석한 자기 공진 코일의 자기장 분포도이다. 도 4b와 도 4c는 z = 10cm에서 x, y축에 대한 자기장 세기를 그래프로 표시한 그림이다. 도 4b와 도 4c와 같이, 시뮬레이션 결과를 보면 중계 공진 코일의 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2) 부분에서 자기장이 강하게 생기는 것을 볼 수 있다. 또한 루프 코일이 없는 부분에서 자기장의 세기는 루프 부분의 비해 현저히 작다는 것을 볼 수 있다.
도 5는 도 3a의 코일 구성에 대한 시뮬레이션 회로도이다. 본 발명의 무선전력전송 시스템의 등가회로를 시뮬레이션하기 위하여, 시뮬레이션 툴인 AGILENT ADS를 사용하였으며, 각 소자(저항, 커패시터, 인덕터 등)의 값들은 도 5에 도시된 바와 같다.
하나의 루프로 만들어진 자기 공진 코일을 가지는 종래의 무선전력전송 시스템은 협대역의 주파수 특성을 가지고, 이는 소스부의 주파수 변화에 전력전송효율이 매우 민감하였다. 그러나, 도 6의 시뮬레이션 결과에 따른 S-Parameter 값에서 보듯이, 본 발명에서 제안하는 (중계) 자기 공진 코일을 사용하는 무선전력전송 시스템은 제1 루프 코일(Lm1)과 제2 루프 코일(Lm2)을 포함한 다중 루프 코일에 의해 주파수 특성상 대역폭을 증가시킬 수 있으므로, 소스부(교류 전원 또는 송신 공진 코일 등)의 주파수의 변동에 대한 전력전달효율의 신뢰도를 높일 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 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.
송신부(Tx)
중계 자기 공진 코일(Intermediate Self Resonant Coil)
수신부(Rx)

Claims (8)

  1. 시변 자기장을 송수신하는 무선전력전송 시스템에 있어서,
    1회 이상의 감은 회수를 갖는 루프 코일의 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 구조의 자기 공진 코일을 포함하고,
    송신부 코일의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 어느 한 루프 코일로 집중적으로 수신하고,
    상기 어느 한 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 다른 루프 코일에서의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 수신부 코일로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기 공진 코일에 포함된 복수로 연결된 루프 코일의 양끝은 개방된 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기 공진 코일에 포함된 복수로 연결된 루프 코일의 양끝 사이에 연결된 공진 주파수 튜닝을 위한 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기 공진 코일은 송신부 송신 코일과 수신부 수신 코일 사이에 배치되며,
    상기 송신부 송신 코일의 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고,
    상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 수신부 수신 코일로 전달되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기 공진 코일은 제1 루프 코일, 제2 루프 코일, 및 제3 루프 코일을 포함하며,
    송신부 송신 공진 코일의 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되어, 상기 제2 루프 코일 및 상기 제3 루프 코일에 시변 자기장이 형성되며,
    상기 제2 루프 코일은 자계 공진을 통해 시변 자기장을 제1수신부의 수신 공진 코일로 전달하고, 상기 제3 루프 코일은 자계 공진을 통해 시변 자기장을 제2수신부의 수신 공진 코일로 전달하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기 공진 코일은 송신부 송신 코일과 수신부 수신 공진 코일 사이에 배치되며,
    상기 송신부 송신 코일의 시변 자기장이 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고,
    상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 수신부 수신 공진 코일로 전달되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 교류 전원이 연결되며, 상기 송신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 상기 송신부의 송신 공진 코일이 연결되며,
    상기 송신 공진 코일의 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 자기 공진 코일의 제1 루프 코일로 집중적으로 전달되고, 상기 제1 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 제2 루프 코일에 형성된 시변 자기장이 자계 공진을 통해 상기 수신부의 수신 공진 코일로 전달되며,
    상기 수신부의 공진 코일이 상기 수신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 연결되며, 상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 부하가 연결된 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
  8. 시변 자기장을 송수신하기 위한 무선전력전송 방법에 있어서,
    1회 이상의 감은 회수를 갖는 루프 코일의 복수개가 직렬 또는 병렬 연결된 구조의 자기 공진 코일을 이용하여,
    송신부 코일의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 상기 자기 공진 코일의 어느 한 루프 코일로 집중적으로 수신하고,
    상기 어느 한 루프 코일에 연결된 상기 자기 공진 코일의 다른 루프 코일에서의 시변 자기장을 자계 공진 또는 자계 유도 커플링을 통해 수신부 코일로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
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