KR20130063635A - 전기 공진을 이용한 송전측 코일조립체, 수전측 코일조립체 및 무선 전력 송수신장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는, 링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일 및 전원코일을 구비하는 송전측 코일조립체; 링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일 및 전원코일을 구비하는 수전측 코일조립체;를 포함하여 구성된다. 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치를 이용하면, 전기 공진을 이용하여 전력을 전송하므로 송전측 코일과 수전측 코일 간의 이격 거리가 크더라도 효율적인 전력 전송이 가능해지고, 공진주파수를 낮출 수 있으므로 송전측 코일과 수전측 코일 간의 공진주파수 튜닝을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.

Description

전기 공진을 이용한 송전측 코일조립체, 수전측 코일조립체 및 무선 전력 송수신장치 {Coil assembly for power transmission, coil assembly for power receiving and wireless power transfer apparatus using electric resonance}
본 발명은 무선으로 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 송수신장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 자기 공진을 이용하는 것이 아니라 전기 공진을 이용하여 전력을 전송시키도록 구성되는 무선 전력 송수신장치에 관한 것이다.
유비쿼터스 시대가 도래하면서 전자기기들의 모바일화 경향이 증대하고 이에 발맞추어 전자기기에 무선으로 전력을 공급하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 전력을 공급하는 송전단과 공급받는 전자기기(수전단) 간에 물리적인 접촉이 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 공진구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 공급(전송)하는 것이다.
무선 전력의 공급 방식은 주로 자기 결합 원리를 이용하는데, 이는, 도 1에 제시된 바와 같이, 간단한 코일(coil) 구조를 통해 구현할 수 있다. 즉, 송전단에 해당하는 1차 코일(1)과 수전단에 해당하는 2차 코일(2)을 평행하게 배치한 후 1차 코일에 전류를 인가하면, 상호 인덕턴스(Mutual inductance, M)로 인해 발생하는 자기 결합에 의해 유도 전류(I2)가 발생되며, 이 유도전류(I2)에 의해 수전단에 전력이 공급된다.
이때 유도 전류(I2)의 크기는 1차 코일(1)의 중심부와 2차 코일(2)의 중심부와의 거리(O, misalignment), 양 코일의 분리 간격(d, separation)에 따라 변화하는데, 전자기학의 일반원칙에 따르면 이들 두 거리가 커질수록 작아진다. 왜냐하면 전원 소스로부터 1차 코일(1)에 인가되는 전류(I1, 송출 전류)에 의해 1차 코일(1) 주변에 자기장이 형성되고, 형성되는 자기장의 세기는 거리에 따라 감소하기 때문이다. 따라서 앙페르의 법칙(Ampere'slaw) 내지는 비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law)에 의해 상기 두 거리가 커질수록 1차 코일(1) 주변에 형성되는 자기장의 세기는 감소하며, 이렇게 형성되는 자기장으로부터 상호 인덕턴스에 의해 2차 코일(2) 주변에 유도되는 자기장의 세기도 감소하며, 2차 코일(2) 주변에 유도되는 자기장에 의해 유도되는 유도 전류(I2)의 크기도 작아지는 것이다.
이와 같은 무선 전력 송수신장치를 이용하면, 1차 코일(1)과 2차 코일(2)이 상호 연결되지 아니하더라도 1차 코일(1)과 2차 코일(2) 간의 전력 전송을 할 수 있게 된다.
그러나 상기와 같은 무선 전력 전송 시스템은 1차 코일(1)과 2차 코일(2) 간의 이격 거리가 매우 좁아야 전력 전송이 가능해지므로 상용화에 한계가 있다는 단점이 있다. 한편, 보다 큰 자기장 발생을 위해 1차 코일(1) 및 2차 코일(2)을 공심코어(air-core)를 가지는 솔레이노이드형 코일로 제작하는 경우가 많은데, 이와 같은 경우 자기장이 솔레노이드 바깥 영역에도 존재하게 되므로 주위 금속에 의한 영향을 많이 받게 되고, 이에 따라 전력 전달 효율이 감소하게 된다는 단점이 있다.
또한 자기 공진을 위한 솔레노이드형 코일 구조에서는 높은 인덕턴스 값을 얻을 수 없으므로 추가적으로 커패시터를 장착하는 경우가 있는데, 이는 Q-factor의 감소로 이어지므로 전력전달 효율이 낮아진다는 문제점이 있다. 또한, 기존의 자기 공진 결합을 위해 솔레노이드형 구조를 사용할 경우 수 MHz 단위에서 자기공진 조건을 만족 시킬 수 있는데 이러한 비교적 높은 주파수의 파워는 제작단가가 매우 높고, 고주파 대역에서는 공진주파수가 민감하게 반응하는 관계로 공진주파수를 맞추기 위한 튜닝 작업이 매우 어려워진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 자기 공진을 이용하는 것이 아니라 전기 공진을 이용함으로써 송전측 코일과 수전측 코일 간의 이격 거리가 크더라도 효율적으로 전력을 전송시킬 수 있고, 공진주파수를 낮춤으로써 송전측 코일과 수전측 코일 간의 공진주파수 튜닝을 용이하게 할 수 있는 무선 전력 송수신장치와, 상기 무선 전력 송수신장치에 포함되는 송전측 자기공진코일 및 수전측 자기공진코일을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는, 링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 전원코일을 구비하는 송전측 코일조립체; 링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 부하코일을 구비하는 수전측 코일조립체;를 포함하여 구성된다.
상기 송전측 자기공진코일이 감겨지는 부위와 상기 전원코일이 감겨지는 부위가 연이어 배치되어, 상기 송전측 코일조립체는 하나의 링 형상을 이루고, 상기 수전측 자기공진코일이 감겨지는 부위와 상기 부하코일이 감겨지는 부위가 연이어 배치되어, 상기 수전측 코일조립체는 또 다른 하나의 링 형상을 이루도록 구성된다.
상기 전원코일은 상기 송전측 자기공진코일이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨지며, 상기 부하코일은 상기 수전측 자기공진코일이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨진다.
상기 송전측 자기공진코일과 상기 전원코일과 상기 수전측 자기공진코일과 상기 부하코일은 나선형으로 감겨져, 상기 송전측 코일조립체 및 상기 수전측 코일조립체는 토로이드 형상을 이루게 된다.
링 형상으로 형성되어 상기 송전측 자기공진코일과 상기 전원코일이 외주면에 감겨지는 송전측 페라이트코어와, 링 형상으로 형성되어 상기 수전측 자기공진코일과 상기 부하코일이 감겨지는 수전측 페라이트코어 중 하나 이상의 페라이트코어가 추가로 구비된다.
상기 페라이트코어는 원형 링 형상을 이루도록 형성된다.
상기 송전측 자기공진코일과 상기 수전측 자기공진코일은, 양 끝단이 상호 연결되지 아니한 오픈된 상태를 유지하거나, 양 끝단 사이에 가변콘덴서가 장착된다.
상기 송전측 코일조립체와 상기 수전측 코일조립체는, 상호 평행하게 배열된다.
상기 송전측 코일조립체와 상기 수전측 코일조립체는, 중심부 빈 공간 부위가 상호 대응되도록 배열된다.
상기 송전측 자기공진코일과 상기 수전측 자기공진코일은 감겨지는 반경 및 감김 횟수가 동일하게 설정된다.
본 발명에 의한 송전측 코일조립체는 무선 전력 송수신장치에 포함되는 송전측 코일조립체에 있어서, 링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 전원코일을 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 수전측 코일조립체는 무선 전력 송수신장치에 포함되는 수전측 코일조립체에 있어서, 링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 부하코일을 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치를 이용하면, 전기 공진을 이용하여 전력을 전송하므로 송전측 코일과 수전측 코일 간의 이격 거리가 크더라도 효율적인 전력 전송이 가능해지고, 공진주파수를 낮출 수 있으므로 송전측 코일과 수전측 코일 간의 공진주파수 튜닝을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 무선 전력 송수신장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치를 동작시켰을 때 송신측 전력세기 및 수신측 전력세기를 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치에 포함되는 송전측 코일조립체의 구성을 도시하는 절개사시도이다.
도 5는 송전측 코일조립체와 수전측 코일조립체 간의 이격 거리에 따른 전송효율을 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제2 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제2 실시예를 동작시켰을 때 송신측 전력세기 및 수신측 전력세기를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제3 실시예의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제4 실시예의 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치를 동작시켰을 때 송신측 전력세기 및 수신측 전력세기를 도시하는 그래프이며, 도 4는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치에 포함되는 송전측 코일조립체의 구성을 도시하는 절개사시도이다.
본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는 전원부(10)로부터 전류를 인가받아 전송하는 송전측 코일조립체(100)와, 상기 송전측 코일조립체(100)로부터 전류를 무선으로 수신받는 수신측 코일조립체로 구성된다. 이때, 송전측 코일조립체(100)에 전류가 인가됨에 따라 수신측 코일조립체에 전류가 흐르게 되도록 하는 것은, 코일에 전류가 흐를 때 형성되는 자기장이 형성되는 원리 즉, 자기공진(magnetic resonance) 원리를 이용하는 것이 아니라, 전류가 흐름에 따라 전기장이 발생되는 원리 즉, 전기공진(electric resonance) 원리를 이용한다는 점에 가장 큰 특징이 있다.
상기와 같이 전기공진 원리로 전력을 송신 및 수신할 수 있도록, 상기 송전측 코일조립체(100) 및 수전측 코일조립체(200)는 솔레노이드형으로 제작되는 것이 아니라 도 2에 도시된 바와 같이 토로이드형으로 제작된다. 즉, 상기 송전측 코일조립체(100)는, 링 형상을 갖는 송전측 페라이트코어(130)와, 상기 송전측 페라이트코어(130)를 둘러싸는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil)(110) 및 전원코일(120)을 포함하여 구성된다. 또한 수전측 코일조립체(200) 역시, 링 형상을 갖는 수전측 페라이트코어(230)와, 상기 수전측 페라이트코어(230)를 둘러싸는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil)(210) 및 부하코일(220)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 전원코일(120)은 전류를 공급하는 전원부(10)에 연결되어 상기 전원부(10)로부터 전류를 인가받고, 상기 부하코일(220)은 축전지나 가전제품과 같이 인가되는 전류를 소모하는 전기부하(20)에 연결되도록 구성된다. 또한, 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)은 동일한 공진주파수를 갖도록 설정되며, 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210) 각각의 양단이 쇼트되면 공진주파수가 없어지게 되어 전기공진이 발생되지 아니하는바, 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)의 각 양단은 본 실시예에 도시된 바와 같이 전도체에 접속되지 아니하고 오픈된 상태로 유지됨이 바람직하다.
전원부(10)로부터 전원코일(120) 측으로 전류가 인가되어 전원코일(120)에 자기장이 형성되면 유도결합(inductive coupling)현상에 의해 송전측 자기공진코일(self-resonance coil)(110)에 전류가 흐르게 된다. 이때, 송전측 자기공진코일(110)은 토로이드형상을 이루도록 환형으로 감겨져 있는바, 송전측 자기공진코일(110)이 감겨지는 기준선을 따라 즉, 송전측 페라이트코어(130)를 따라 자기장이 형성되고, 송전측 페라이트코어(130)를 따라 자기장이 형성되면 송전측 페라이트코어(130)의 중심부의 빈 공간을 관통하는 방향(도 2에서 화살표 방향)으로 전기장이 형성된다. 또한, 송전측 페라이트코어(130)의 중심부 빈 공간에서 수전측 페라이트코어(230)의 중심부 빈 공간 측으로 전기장이 인가되면, 수전측 페라이트코어(230)를 따라 자기장이 형성되고, 수전측 페라이트코어(230)에 형성된 자기장에 의해 수전측 자기공진코일(self-resonance coil)(210)에 전류가 흐르게 되며, 유도결합(inductive coupling)현상에 의해 부하코일(220)에 전류가 유도되어 전기부하(20) 측으로 공급된다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 송신측 자기공진코일의 주파수와 수신측 자기공진코일의 주파수가 공진을 일으키는 지점에서 수신측 자기공진코일의 전력 세기가 커진다는 것은, 송신측 자기공진코일의 주파수와 수신측 자기공진코일의 주파수가 공진을 일으킬 때 전력 전송 효율이 높아진다는 것을 뜻한다. 따라서 상기 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)은 공진주파수가 일치되도록 설정되어야 할 것이다. 물론, 상기 송전측 자기공진코일(110)과 상기 수전측 자기공진코일(210)이 감겨지는 형상 및 감김 횟수가 상이하다 하더라도 공진주파수가 일치되도록 설정될 수 있으나, 공진주파수 일치가 보다 용이해지도록 상기 송전측 자기공진코일(110)과 상기 수전측 자기공진코일(210)은 감겨지는 반경 및 감김 횟수가 동일하게 설정됨이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 전기공진이 발생되기 위해서는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)에 폐루프(closed-loop)형태의 자기장이 형성되어야 하는바, 본 실시예에서는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 토로이드 형태를 이루도록 즉, 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)가 원형 링 형상으로 이루어지고 각 코일들이 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)의 외주면에 나선형으로 감겨지는 실시예를 도시하고 있으나, 상기 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)의 형태는 토로이드 코일 형태에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 상기 송전측 페라이트코어(130) 및 수전측 페라이트코어(230)가 사각링 등 다각형링 형상으로 형성되어, 각 코일들이 다각형 패턴으로 감겨지도록 구성될 수도 있다. 또한 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)는, 전기장이 형성될 수 있도록 가운데 부위가 비어있는 구조라면 링 형상이 아닌 다양한 종류의 다각형 형상으로 절곡 형성될 수도 있다. 물론, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 토로이드 형태로 제작되는 경우에 있어 전력 전송 효율이 가장 우수하므로, 상기 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)는 토로이드 형태로 제작됨이 바람직하다.
이하, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 토로이드 형태로 제작되는 경우 얻어지는 장점에 대해, 도 4를 참조하여(송전측 코일조립체(100)를 대표적으로) 상세히 설명한다.
송전측 코일조립체(100)의 자체인덕턴스(self inductance,
Figure pat00001
)는 다음 [식 1]과 같이 주어진다. (도 3 참조)
[식 1]
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
, 그리고
Figure pat00007
는 각각 송전측 코일조립체(100)의 외경, 송전측 코일조립체(100)의 내경, 진공에서의 투자율, 송전측 자기공진코일(110)을 감은 횟수, 그리고 송전측 페라이트코어(130)의 두께를 나타낸다.
이때 기존의 자기공진을 위한 개루프 코일 중 대표적인 형태인 솔레노이드 구조는 이러한 고리형태의 토로이드는 잘라서 막대 형태로 펼친 경우로 간주 할 수 있으며, 그 솔레노이드 코일의 자체인덕턴스(self inductance,
Figure pat00008
) 는 다음 [식 2]와 같이 주어진다.
[식 2]
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
와
Figure pat00011
은 각각 솔레노이드의 단면적과 솔레노이드의 길이를 나타낸다. [식 1]에서 송전측 코일조립체(100)의 외경이 내경보다 상대적으로 큰 경우 높은 자체 인덕턴스 값을 가진다는 사실을 알 수 있으며, 일반적으로 토로이드는 솔레노이드 보다 높은 인덕턴스를 갖는다. 이러한 인덕턴스 값은 공진 주파수 (resonance frequency,
Figure pat00012
) 및 양호도 (quality factor,
Figure pat00013
) 와 밀접하게 연관되어 있으며, 관계식은 다음 [식 3]과 같이 주어진다.
[식 3]
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 공진 시 필요한 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다.
[식 4]
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
와
Figure pat00018
은 각각 구동 주파수와 코일의 직렬 등가저항을 나타낸다.
[식 3]에서 알 수 있듯이 인덕턴스 값이 높을수록 더 낮은 주파수에서 공진 조건을 만족시킬 수 있는데, 주파수가 낮을수록 주파수 튜닝작업이 용이해지므로 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)의 공진 조건을 보다 쉽게 일치시킬 수 있게 된다는 장점이 있다. 또한 상기 언급한 바와 같이 주파수를 낮출 수 있도록, 상기 송전측 자기공진코일(110)과 상기 수전측 자기공진코일(210)은, 각각의 양 끝단 사이에 가변콘덴서(미도시)가 장착될 수도 있다. 이와 같이 송전측 자기공진코일(110)의 양 끝단 사이와 수전측 자기공진코일(210)의 양 끝단 사이에 각각 가변콘덴서가 장착되면, 커패시턴스(C)가 커지므로 주파수가 낮아지는 바, 튜닝작업이 더욱 용이해진다는 장점이 있다.
또한 [식 4]에서 볼 수 있듯이, 인덕턴스 값이 높을수록 더 높은 양호도를 가지게 되는데, 이 역시 본원 발명의 주요한 장점이라고 할 수 있다.
도 5는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200) 간의 이격 거리에 따른 전송효율을 도시하는 그래프이다.
송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200) 사이의 거리가 변경됨에 따라 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210) 간의 상호작용에 의해 공진주파수가 변하게 되며, 주파수를 하나로 고정시킨 상태에서 거리에 따른 전송효율을 측정해보면 도 5에 도시된 그래프와 같이 특정 거리 이하에서는 거리가 더 가까워지더라도 오히려 효율이 떨어지게 된다.
따라서 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200) 간의 이격거리는 여러 조건을 고려하여 적절하게 설정되어야 할 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제2 실시예의 개략도이고, 도 7은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제2 실시예를 동작시켰을 때 송신측 전력세기 및 수신측 전력세기를 도시하는 그래프이다.
상기에서는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 상호 평행하게 배열된 경우, 더 정확하게는 송전측 페라이트코어(130)의 중심부 빈 공간 부위와 수전측 페라이트코어(230)의 중심부 빈 공간 부위가 일치되도록 나란하게 배열되는 경우만을 예로 들어 설명하였으나, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)의 배열 구조는 도 2에 도시된 구조 이외에 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)는 상호 직각을 이루도록 배치될 수도 있다.
송전측 코일조립체(100)에서 발생되는 전기장은 도 2에 도시된 바와 같이 직선방향으로만 전파되는 것이 아니라 사방으로 퍼지도록 휘어져 전파되는바, 도 6에 도시된 바와 같이 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 직각으로 배치되더라도 송전측 코일조립체(100)에서 발생된 전기장은 일부나마 수전측 코일조립체(200) 측으로 전달될 수 있고, 이에 따라 전력 전송이 가능해진다. 즉, 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200) 간의 배치구조가 다양한 패턴으로 변경되더라도 전력 전송이 가능해지므로, 설계 자유도가 높아진다는 장점이 있다.
물론, 도 6에 도시된 바와 같이 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 직각으로 배치되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 수전측 자기공진코일(210)에 흐르는 전력 세기 최고점이 다소 낮아지므로, 도 2에 도시된 바와 같이 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 상호 평행하게 배치되는 경우에 비해 전력 전송효율이 다소 떨어지게 된다. 따라서 전력 전송 효율 측면만을 고려한다면, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)는 상호 평행하게 배치됨이 바람직하며, 도 2에 도시된 바와 같이 중심부 빈 공간 부위가 상호 대응되도록 배치됨이 더욱 바람직하다.
도 8은 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제3 실시예의 개략도이다.
본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)에 각각 구비된 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)가 각각 생략되도록 구성될 수도 있다.
즉, 송전측 코일조립체(100)는 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 링 형상 기준선(가상 기준선)을 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(110) 및 전원코일(120)만으로 구성될 수 있다. 또한, 수전측 코일조립체(200) 역시 링 형상을 갖는 또 다른 기준선을 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(210) 및 전원코일(120)로 구성될 수 있다.
이와 같이 송전측 페라이트코어(130) 및 수전측 페라이트코어(230)가 생략되더라도, 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)이 토로이드 형태를 이루도록 감겨지면, 송전측 자기공진코일(110)과 수전측 자기공진코일(210)에 전류가 유도되었을 때 발생되는 자기장은 송전측 자기공진코일(110) 및 수전측 자기공진코일(210)이 감겨지는 중심선 즉, 링 형상의 가상 기준선을 따라 형성되는바, 전기장 발생 및 이를 통한 전력 전송이 가능해진다.
이때, 본 실시예에서는 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)가 모두 구비되거나, 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)가 모두 구비되지 아니하는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치는 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230) 중 어느 하나만이 구비되도록 구성될 수도 있다. 물론, 송전측 페라이트코어(130) 및 수전측 페라이트코어(230)가 구비되는 경우, 높은 인덕턴스 값을 얻을 수 있고 이에 따라 공진주파수를 낮출 수 있으므로, 상기 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230) 모두 구비됨이 바람직하다.
또한, 송전측 페라이트코어(130)가 구비되는 경우에는 전원코일(120)에 전류가 인가되어 자기장이 발생될 때, 상기 송전측 자기공진코일(110)이 전원코일(120)로부터 일정 거리 이상 이격된 지점에 감겨지더라도 상기 자기장이 송전측 페라이트코어(130)를 타고 송전측 자기공진코일(110) 측으로 전파되어 상기 송전측 자기공진코일(110)에 전류가 유도될 수 있다. 그러나 도 8에 도시된 바와 같이 송전측 페라이트코어(130)가 생략되는 경우에는 송전측 자기공진코일(110)이 전원코일(120)로부터 멀리 이격되면 전원코일(120)에 전류가 흐르더라도 송전측 자기공진코일(110)에 전류가 유도되지 아니하게 된다.
따라서 송전측 페라이트코어(130)가 생략되는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 송전측 자기공진코일(110)이 감겨지는 부위와 전원코일(120)이 감겨지는 부위가 연이어 배치되어 하나의 링 형상을 이루도록 형성됨이 바람직하다. 마찬가지로, 수전측 자기공진코일(210)이 감겨지는 부위와 부하코일(220)이 감겨지는 부위 역시 연이어 배치되어, 상기 수전측 코일조립체(200)가 하나의 링 형상을 이루도록 형성되어야 할 것이다.
도 9는 본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치 제4 실시예의 개략도이다.
본 발명에 의한 무선 전력 송수신장치에 포함되는 송전측 코일조립체(100)는, 송전측 자기공진코일(110)이 전체적으로 토로이드 형태로 감겨지고, 전원코일(120)은 송전측 자기공진코일(110)이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨지도록 구성될 수 있다. 이와 같이 전원코일(120)이 송전측 자기공진코일(110) 일부를 둘러싸도록 감겨지더라도, 전원코일(120)에 전류가 인가될 때 송전측 자기공진코일(110)에 전류가 유도될 수 있다.
마찬가지로, 수전측 자기공진코일(210) 역시 토로이드 형태로 감겨지고, 부하코일(220)이 수전측 자기공진코일(210)이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨질 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 9에 도시된 실시예에서는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)가 모두 토로이달 형태로 제작되는 무선 전력 송수신장치만을 도시 및 하고 있으나, 본 발명은 토로이달 형태로 제작되는 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)도 각각 권리범위로 청구한다. 즉, 본 발명은, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)를 포함하여 구성되는 무선 전력 송수신장치용 송전측 코일조립체에 있어서, 링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil)(110) 및 전원코일(120)을 포함하는 송전측 코일조립체(100)를 제공한다. 또한 본 발명은, 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)를 포함하여 구성되는 무선 전력 송수신장치용 수전측 코일조립체에 있어서, 링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil)(210) 및 부하코일(220)을 포함하는 수전측 코일조립체(200)를 제공한다.
이때, 본 발명에 의한 송전측 코일조립체(100)와 수전측 코일조립체(200)는, 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예와 같이 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)를 각각 추가로 구비할 수 있으며, 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)는 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이 다양한 형상으로 변경될 수 있다. 송전측 페라이트코어(130)와 수전측 페라이트코어(230)가 추가로 구비되는 경우의 구조 및 이에 따른 효과는 상기에서 이미 상세히 설명하였는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 전원부 20 : 전기부하
100 : 송전측 코일조립체 110 : 송전측 자기공진코일
120 : 전원코일 130 : 송전측 페라이트코어
200 : 수전측 코일조립체 210 : 수전측 자기공진코일
220 : 부하코일 230 : 수전측 페라이트코어

Claims (12)

  1. 링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 전원코일을 구비하는 송전측 코일조립체;
    링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 부하코일을 구비하는 수전측 코일조립체;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송전측 자기공진코일이 감겨지는 부위와 상기 전원코일이 감겨지는 부위가 연이어 배치되어, 상기 송전측 코일조립체는 하나의 링 형상을 이루고,
    상기 수전측 자기공진코일이 감겨지는 부위와 상기 부하코일이 감겨지는 부위가 연이어 배치되어, 상기 수전측 코일조립체는 또 다른 하나의 링 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원코일은 상기 송전측 자기공진코일이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨지며,
    상기 부하코일은 상기 수전측 자기공진코일이 감겨진 부위 일부를 둘러싸도록 감겨지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송전측 자기공진코일과 상기 전원코일과 상기 수전측 자기공진코일과 상기 부하코일은 나선형으로 감겨져,
    상기 송전측 코일조립체 및 상기 수전측 코일조립체는 토로이드 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    링 형상으로 형성되어 상기 송전측 자기공진코일과 상기 전원코일이 외주면에 감겨지는 송전측 페라이트코어와, 링 형상으로 형성되어 상기 수전측 자기공진코일과 상기 부하코일이 감겨지는 수전측 페라이트코어 중 하나 이상의 페라이트코어가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 페라이트코어는 원형 링 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전측 자기공진코일과 상기 수전측 자기공진코일은, 각각의 양 끝단이 상호 연결되지 아니한 오픈된 상태를 유지하거나, 각각의 양 끝단 사이에 가변콘덴서가 장착되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전측 코일조립체와 상기 수전측 코일조립체는, 상호 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송전측 코일조립체와 상기 수전측 코일조립체는, 중심부 빈 공간 부위가 상호 대응되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전측 자기공진코일과 상기 수전측 자기공진코일은 감겨지는 반경 및 감김 횟수가 동일한 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신장치.
  11. 송전측 코일조립체와 수전측 코일조립체를 포함하여 구성되는 무선 전력 송수신장치용 송전측 코일조립체에 있어서,
    링 형상을 갖는 하나의 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 송전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 전원코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 송전측 코일조립체.
  12. 송전측 코일조립체와 수전측 코일조립체를 포함하여 구성되는 무선 전력 송수신장치용 수전측 코일조립체에 있어서,
    링 형상을 갖는 또 다른 기준선 전체 또는 일부를 둘러싸도록 감겨지는 수전측 자기공진코일(self-resonance coil) 및 부하코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전측 코일조립체.
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