KR20130042201A - 무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 자기공진을 이용하여 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 공진 코일; 상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 유도 코일; 및 체결부를 포함하고, 상기 수신 공진 코일은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선으로 구성되고, 상기 체결부는 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선을 접속가능 하도록 한다.

Description

무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템{APPARATUS FOR RECEVING WIRELESS POWER AND SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}
본 발명은 무선 전력 수신 장치 및 무선전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신측과 수신측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
그러나, 전자기기는 모양이 한정되어 있고, 크기가 작으므로 코일 크기도 작아지고, 전자기기의 내부에 설치되는 코일 배치가 용이하지 않아 전력 전송의 효율이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 무선전력 수신장치 내부에 설치되는 코일의 배치를 바꾸어 전력 전송 효율을 향상시키기 위한 무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기공진을 이용하여 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 공진 코일; 상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 유도 코일; 및 체결부를 포함하고, 상기 수신 공진 코일은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선으로 구성되고, 상기 체결부는 상기 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선을 접속가능 하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템에 있어서, 상기 무선전력 전송 시스템은, 전력소스로부터 전력을 공급받는 송신 유도 코일과, 상기 송신 유도 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하고 상기 수신한 전력을 비방사 방식으로 무선전력 수신장치에 전달하는 송신 공진 코일을 포함하는 무선전력 송신장치; 및 상기 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 유도 코일을 포함하는 수신부와 체결부를 포함하는 무선전력 수신장치를 포함하여 이루어지고, 상기 수신 공진 코일은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선으로 구성되고, 상기 체결부는 상기 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선이 서로 접속가능 하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선전력 수신장치 내부의 한정된 공간에서 코일 배치를 최적화할 수 있고, 코일이 충전 스위치와 같은 역할을 수행하여 사용자 편의성이 증대되고, 충전시 코일의 반경이 커지므로 자유도와 전력 전송 거리를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 전력 전송 효율이 극대화되는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 평활 회로(330) 및 부하(340)의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용하여 수신 공진 코일의 접속 원리를 설명한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 공진 코일의 구성예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄력부재를 이용하여 수신 공진 코일의 접속원리를 설명한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성 예이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
전력 소스(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(100)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.
무선전력 송신장치(200)는 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)로 구성된다. 송신 유도 코일(210)은 전력 소스(100)와 연결되며, 교류 전류가 흐른다. 송신 유도 코일(210)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류회로(330) 및 부하(340)로 구성된다. 송신 공진 코일(220)에 의해 송신된 전력은 수신 공진 코일(310)에 의해 수신되어 수신 공진 코일(310)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 유도 코일(320)로 전달된다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류 회로(330)를 통해 정류되어 부하(340)로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다. 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 평활 회로(330) 및 부하(340)의 등가회로를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다. 평활 회로(330)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력한다. 부하(340)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성예이다.
특히, 도 5는 체결부(350)가 영구자석(350a)인 경우, 영구자석(350a)에 의해 수신용 공진 코일(310)을 이루는 적어도 하나 이상의 도선이 서로 연결된 상태를 도시한다.
도 5에서는 무선전력 수신장치(300)가 헤드셋인 경우를 예로 들어 설명한다. 무선전력 수신장치(300)는 충전을 필요로 하는 전자기기를 의미할 수 있고, 전자기기는 3D 안경, 이어폰, 헤드셋이 해당될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
수신 공진 코일(310)은 적어도 하나 이상의 도선으로 구성될 수 있다. 무선전력 수신장치(300)는 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신하지 않을 경우, 즉, 충전이 되지 않을 시에 수신용 공진 코일(310)을 이루는 적어도 하나 이상의 도선은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 상태에 있을 수 있다. 또한, 이 경우는 사용자에 의해 무선전력 수신장치(300)가 사용되지 않는 경우일 수 있다.
사용자가 무선전력 수신장치(300)의 충전을 원하는 경우, 영구자석(350a)은 수신 공진 코일(310)을 이루는 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선을 서로 접속시킬 수 있다. 즉, 수신 공진 코일(310)을 이루는 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선은 영구자석(350a)의 자력에 의해 접속이 되고, 하나의 도선으로 연결된다. 수신 공진 코일(310)이 하나의 도선으로 연결되어 하나의 코일로 된 경우, 수신 공진 코일(310)은 무선전력 송신장치(200)의 송신 공진 코일(220)과 커플링되어 전력을 수신하고, 무선전력 수신장치(300)는 충전이 이루어지게 된다.
무선전력 수신장치(300)는 서로 개방되어 있는 각 도선의 접속을 보조하는 보조 체결부(351)를 더 포함할 수 있다. 보조 체결부(351)는 각 도선의 접속을 정확히 하기 위한 수단으로 잭 또는 패드 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
위와 같이 수신 공진 코일(310)이 하나의 도선으로 연결되어 하나의 코일로 형성된 경우, 수신 공진 코일(310)의 반경은 커지게 된다. 수신 공진 코일(310)의 반경이 커지면, 수신 공진 코일(310)에서 자기장이 넓게 형성되어 무선전력 수신장치(300)가 전력을 수신할 때, 무선전력 수신장치(300)의 자유도를 높일 수 있다. 또한, 무선전력의 전송 거리를 늘일 수 있으며, 전력효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(300) 내부의 한정된 공간에서 수신 공진 코일(310)을 이루는 각 도선의 접속상태에 따라 코일 배치를 최적화 할 수 있고, 수신용 공진 코일(310)이 충전 스위치와 같은 역할을 수행하여 사용자의 편의성이 증대된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용하여 수신 공진 코일의 접속 원리를 설명한 도면이다.
영구자석(350a)은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장을 발생, 유지하는 자석이다. 영구자석의 재료로는 높은 투자율을 지닌 물질과는 반대로 잔류자기가 클 뿐 아니라(수천～1만 G 정도) 보자력이 큰 것이 적합하다. 제조방법에 따라 분류하면, 담금질하여 만든 경화자석으로 텅스텐강, 크로뮴강, KS강이 이용될 수 있다.
석출 경화자석으로는 강, 알루니코(알루미늄, 니켈, 코발트, 구리의 합금), KS강 큐니페 (구리, 니켈, 철의 합금) 등이 이용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 화살표는 영구자석에 의해 힘이 작용하는 방향을 나타낸다.
여기서, 힘은 자력을 의미하고, 자력에 의해 화살표 방향으로 힘이 작용하여 수신용 공진 코일(310)의 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선은 일단과 끝단이 접속되게 된다. 각 도선의 일단과 끝단이 접속되면, 하나의 도선을 형성하여 충전이 가능한 상태가 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 공진 코일의 구성예이다.
특히, 도 7은 체결부(350)가 탄력부재(350b)인 경우, 탄력부재(350a)에 의해 수신 공진 코일(310)을 이루는 적어도 하나 이상의 도선이 서로 연결된 상태를 도시한다.
수신 공진 코일(310)은 적어도 하나 이상의 도선으로 구성될 수 있다. 무선전력 수신장치(300)는 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신하지 않을 경우, 즉, 충전이 되지 않을 시에 수신용 공진 코일(310)을 이루는 적어도 하나 이상의 도선은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 상태에 있을 수 있다. 또한, 이 경우는 사용자에 의해 무선전력 수신장치(300)가 사용되지 않는 경우일 수 있다.
사용자가 무선전력 수신장치(300)의 충전을 원하는 경우, 탄력부재(350b)는 수신 공진 코일(310)을 이루는 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선을 서로 접속시킬 수 있다. 즉, 수신 공진 코일(310)을 이루는 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선은 탄력부재(350b)에 의해 접속이 되고, 하나의 도선으로 연결된다. 수신 공진 코일(310)이 하나의 도선으로 연결되어 하나의 코일로 된 경우, 수신 공진 코일(310)은 무선전력 송신장치(200)의 송신 공진 코일(220)과 커플링되어 전력을 수신하고, 무선전력 수신장치(300)는 충전이 이루어지게 된다.
위와 같이 수신 공진 코일(310)이 하나의 도선으로 연결되어 하나의 코일로 형성된 경우, 수신 공진 코일(310)의 반경은 커지게 된다. 수신 공진 코일(310)의 반경이 커지면, 수신 공진 코일(310)에서 자기장이 넓게 형성되어 무선전력 수신장치(300)가 전력을 수신할 때, 무선전력 수신장치(300)의 자유도를 높일 수 있다. 또한, 무선전력의 전송 거리를 늘일 수 있으며, 전력효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄력부재를 이용하여 수신 공진 코일의 접속원리를 설명한 도면이다.
탄력부재(350b)의 소재는 수신 공진 코일(320)을 이루는 도선의 일단과 끝단을 연결하기 위해 소정의 탄력성을 가진 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 고분자 수지, 수지 복합체 등이 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 화살표는 수신 공진 코일(310)을 이루는 도선을 접속하기 위해 가하는 힘의 방향을 나타낸다. 화살표 방향으로 힘을 가하면, 각 도선의 일단과 끝단은 탄력부재(350b)에 의해 접속하게 되어, 하나의 도선을 형성하게 된다. 즉, 충전이 가능한 상태가 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성 예이다.
특히, 도 9는 수신용 공진 코일(310)을 이루는 적어도 하나의 도선이 체결부(350)에 의해 서로 연결된 상태를 도시한다.
무선전력 전송 시스템은 무선전력 송신장치(200) 및 무선전력 수신장치(300)을 포함할 수 있다.
여기서, 무선전력 송신장치(200)는 패드 형태로 구성될 수 있다.
패드 형태로 구성된 무선전력 송신장치(200)는 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송한다. 다만, 도 9에서처럼, 무선전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일(310)을 이루는 각 도선의 일단과 타단이 체결부(350)에 의해 연결된 경우만 충전이 가능한 상태이다.
무선전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일(310)을 이루는 각 도선의 일단과 타단이 체결부(350)에 의해 연결된 경우, 수신 공진 코일(310)의 반경이 커질 수 있다.
수신 공진 코일(310)의 반경이 커지면, 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신할 때, 무선전력 수신장치(300)의 자유도가 높아질 수 있다. 또한, 무선전력의 전송 거리를 늘일 수 있으며, 전력효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(300) 내부의 한정된 공간에서 수신 공진 코일(310)을 이루는 각 도선의 접속상태에 따라 코일 배치를 최적화 할 수 있고, 수신용 공진 코일(310)이 충전 스위치와 같은 역할을 수행하여 사용자의 편의성이 증대된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
100 : 전력 소스
200 : 무선전력 송신장치
2100 : 송신 유도 코일
220 : 송신 공진 코일
300 : 무선전력 수신장치
310 : 수신 공진 코일
320 : 수신 유도 코일
330 : 정류회로
340 : 부하
350 : 체결부

Claims (17)

  1. 자기공진을 이용하여 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서,
    상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 공진 코일;
    상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 유도 코일; 및
    체결부를 포함하고,
    상기 수신 공진 코일은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선으로 구성되고,
    상기 체결부는 상기 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선을 접속가능 하도록 하는 무선전력 수신장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서로 개방되어 있는 각 도선의 접속을 보조하는 보조 체결부를 더 포함하는 무선전력 수신장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 체결부는
    영구 자석에 해당하는 무선전력 수신장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 체결부는
    탄력부재에 해당하는 무선전력 수신장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄력부재는
    고분자 수지 또는 수지 복합체로 이루어지는 무선전력 수신장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수신 공진 코일은
    인덕터 및 캐패시터를 포함하는 무선전력 수신장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 캐패시터는
    상기 송신 공진 코일과 공진 주파수를 매칭시키기 위한 가변 캐패시터인 무선전력 수신장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수신 유도 코일은
    인덕터 및 캐패시터를 포함하는 무선전력 수신장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 무선전력 수신장치는
    헤드폰의 프레임에 탑재되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 무선전력 수신장치는
    3D 안경의 프레임에 탑재되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 무선전력 수신장치는
    이어폰에 탑재되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  12. 자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템으로서,
    상기 무선전력 전송 시스템은,
    전력소스로부터 전력을 공급받는 송신 유도 코일과, 상기 송신 유도 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하고 상기 수신한 전력을 비방사 방식으로 무선전력 수신장치에 전달하는 송신 공진 코일을 포함하는 무선전력 송신장치; 및
    상기 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 유도 코일을 포함하는 수신부와 체결부를 포함하는 무선전력 수신장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 수신 공진 코일은 일단과 끝단이 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선으로 구성되고,
    상기 체결부는 상기 서로 개방되어 있는 적어도 하나 이상의 도선이 서로 접속가능 하도록 하는 무선전력 전송 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 서로 개방되어 있는 각 도선의 접속을 보조하는 보조 체결부를 더 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 체결부는
    영구 자석을 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 체결부는
    탄력부재를 포함하는 무선전력 전송 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 탄력부재는
    고분자 수지 또는 수지 복합체로 이루어지는 무선전력 전송 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 무선전력 송신장치는
    패드 형태로 구성된 무선전력 전송 시스템.
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