KR20140076606A - 유도 전력 전송 시스템용 송신기 - Google Patents

Abstract

에너지를 공급받는 기기들을 수용하는 인클로저를 포함하는 유도 전력 전송용 송신기가 개시되어 있다. 상기 인클로저는 하나 이상의 측벽들 및 상기 인클로저 내에 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들을 지닌다. 상기 하나 이상의 코일들의 밀도는 상기 하나 이상의 측벽들의 단부로부터의 거리에 따라 변한다. 하나 이상의 투자성 층들을 포함하는 유도 전력 송신기가 또한 개시되어 있는데, 이 경우에 상기 하나 이상의 투자성 층들의 결합 두께 또는 투자율이 변한다.

Description

유도 전력 전송 시스템용 송신기{A transmitter for an inductive power transfer system}

본 발명은 유도 전력 전송(inductive power transfer; IPT) 시스템의 분야에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 기술하면, 본 발명은 그러한 시스템들의 사용을 위한 신규한 구성을 지니는 전력 송신기에 관한 것이다.

유도 전력 전송(IPT) 시스템들은 이전에 존재했던 기술(예를 들면, 전동 칫솔들의 무선 충전) 및 새로 개발한 기술(예를 들면, '충전 매트(charging mat)' 상에서의 핸드헬드 기기의 무선 충전)의 공지된 분야이다. 전형적으로는, 1차측이 송신 코일로부터 또는 송신 코일들로부터 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 생성한다. 이러한 자기장은 차후에 배터리를 충전하거나 소정의 기기 또는 다른 부하에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 적합한 수신 코일에서 교류 전류를 유도한다. 특정한 경우에서는, 송신 또는 수신 코일들이 해당 공진 주파수에서 전력 수율 및 효율을 증가시킬 수 있는 공진 회로를 형성하도록 커패시터들과 접속되는 것이 가능하다.

유도 전력 전송(IPT) 시스템의 설계에 있어서 극복되어야 할 기본적인 문제는 효율적인 전력 전송을 보장하는 것이다. 성능 개선을 위한 한가지 접근법은 전용 충전 거치대를 사용하는 전동 칫솔들의 무선 충전의 경우에서와 같이, 송신 및 수신 코일들의 정밀한 정렬을 필요로 하는 것이었다. 그러나, 정밀한 정렬을 필요로 하는 것은, 사용자의 참여를 최소화하면서 복잡하지 않은 기기들의 충전 및 전력 공급인, 특정한 유도 전력 전송(IPT) 시스템들의 주요 목적들 중 하나를 손상시킨다.

다른 한 타입의 유도 전력 전송(IPT) 시스템은 충전(또는 전력 공급) 패드이다. 전형적으로, 이러한 시스템들은 자기장을 생성하도록 구성된 표면을 제공함으로써 적합한 기기가 상기 표면상에 놓이게 될 때 상기 기기에 내재하는 적합한 수신 코일 배치에 의해 전력이 인출된다. 공지된 전송 코일 구성에는 여러 가지가 있다. 일 예에서는, 단일의 코일이 상기 표면의 하부에 배치되어 있고 상기 표면과 동일 평면상에 배치되어 있다. 상기 코일은 소형일 수 있기 때문에, 상기 수신 코일은 여전히 전력 전송을 이루도록 상당히 잘 정렬되어 있어야 한다. 변형적으로는, 상기 코일이 대형일 수 있으므로, 상기 표면의 전체 영역을 커버할 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 수신기들은 상기 표면상의 어느 부분에라도 배치될 수 있다. 이는 소정의 기기를 충전하거나 소정의 기기에 전력을 공급한다는 점에서 더 많은 자유를 허용한다.(즉 사용자는 단지 상기 매트 상의 어느 부분에라도 상기 기기를 내려놓기만 하면 된다.) 그러나, 이러한 구성에 의해 생성된 자기장이 균일하지 않으며, 상기 코일의 중심을 향해서는 특히 미약해질 수 있다. 그러므로, 수신 코일들은 상기 표면상의 상기 수신 코일들의 위치에 의존하여 서로 다른 전력량을 유도한다.

제3 타입의 유도 전력 전송(IPT) 시스템은 충전(또는 전력 공급) 인클로저이다. 전형적으로는, 이러한 시스템들은 박스를 제공하며 상기 박스는 상기 박스의 벽 및/또는 베이스 내에 통합된 송신 코일들을 지닌다. 상기 코일들은 상기 박스 내에서 자기장을 생성함으로써, 소정의 기기가 상기 박스 내에 배치될 경우에 전력이 상기 기기에 내재하는 적합한 수신 코일 배치에 의해 인출되게 한다. 상기 코일들은 코일 어레이일 수도 있고, 대형 코일일 수도 있으며, 양자 모두의 결합일 수도 있다. 그러나, 충전 패드에서와 동일한 단점들이 생길 수 있다. 즉, 상기 자기장은 중심을 향해 특히 미약해지기 때문에 체적 전반에 걸쳐 균일하지 않다. 따라서, 소정의 기기가 상기 인클로저의 중심에 배치될 때조차도 충분한 전력 전송을 보장하기 위해, 1차측 상의 전력은 커야 하는데, 이는 손실이 증가하게 되고 효율이 감소하게 되는 결과를 초래한다.

위의 시나리오들 모두에서, 상기 자기장을 통한 에너지 전송을 개선하기 위해 (페라이트와 같은) 투자율이 높은 재료로 만들어진 층/코어가 송신기 또는 수신기에 포함될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 개선된 전력 전송 특성들을 갖는 자기장을 생성하는 송신기를 제공하는 것이거나, 적어도 일반인에게 유용한 선택사항을 제공하는 것이다.

한 대표적인 실시예에 의하면, 유도 전력 전송용 송신기가 제공되며 상기 유도 전력 전송용 송신기는 하나 이상의 측벽들을 지니는 에너지를 공급받는 기기들을 수용하는 인클로저; 상기 인클로저 내에 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들로서, 하나 이상의 코일들의 밀도는 상기 하나 이상의 측벽들의 단부로부터의 거리에 따라 변하는 하나 이상의 코일들; 및 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로;를 포함한다.

다른 한 대표적인 실시예에 의하면, 유도 전력 송신기가 제공되며, 상기 유도 전력 송신기는 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들; 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로; 및 상기 하나 이상의 코일들에 연관된 하나 이상의 투자성 층들;을 포함하며, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 결합 두께가 변한다.

또 다른 한 대표적인 실시예에 의하면, 유도 전력 송신기가 제공되며, 상기 유도 전력 송신기는 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들; 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로; 및 상기 하나 이상의 코일들에 연관된 하나 이상의 투자성 층을 포함하고, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 투자율이 변한다.

"(복수의 것들을) 포함하다", "(단수의 것을) 포함하다" 그리고 "포함하는"이라는 용어들이 여러 관할 구역 하에서 한정적 또는 포괄적 의미 중 어느 하나로 귀속될 수 있는 것으로 인식될 것이다. 본원 명세서의 목적으로, 그리고 달리 지적되지 않는 한, 이러한 용어들은 포괄적 의미를 지니도록 의도된 것이다. 다시 말하면 상기 용어들은 참조들을 직접 사용하는 리스트된 구성요소들을 포함하고 아마도 다른 특정되지 않은 구성요소들 또는 요소들을 또한 포함하는 것을 의미하도록 취해질 것이다.

본원 명세서에서의 어떠한 선행기술에 대한 참조는 그러한 선행기술이 통상적 일반 지식의 일부를 형성함을 용인하는 것이 아니다.

본 발명에서는 특히 좀더 균일한 자기장이 생성되는 결과를 초래하는 유도 전력 전송(IPT) 시스템용 송신기 배치가 제공된다.

본원 명세서에 통합되어 본원 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면들은 본 발명의 실시예들을 예시한 것이며, 위에 제공한 본 발명의 총괄적인 설명, 및 이하에 제공되는 실시예들의 구체적인 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는데 도움을 주는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시태양의 한 실시예에 따른 송신기를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시태양의 다른 한 실시예에 따른 송신기를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 송신기를 단면도로 보여주는 도면이다.
도 4는 2개의 서로 다른 송신기에 의해 생성된 자기장 라인들의 비교를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시태양에 따른 송신기를 단면도로 보여주는 도면이다.
도 6은 2개의 서로 다른 송신기에 의해 생성된 자기장 라인들의 비교를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시태양에 따른 송신기를 단면도로 보여주는 도면이다.
도 8은 2개의 서로 다른 송신기에 의해 생성된 자기장 라인들의 비교를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시태양의 다른 한 실시예에 따른 송신기를 단면도로 보여주는 도면이다.

코일 배치

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 유도 전력 전송(IPT) 시스템용 송신기(1)가 도시되어 있다. 상기 송신기는 측벽들(3) 및 베이스 부분(4)을 지니는 충전 인클로저(2)의 형태를 취한다. 상기 송신기는 상기 인클로저 내부에 시변(time-varying) 자기장을 생성하는 코일(5)을 포함한다. 상기 인클로저 내부에 배치된 기기(6)는 상기 시변 자기장과 유도결합하고 상기 기기를 충전하거나 상기 기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 전류를 생성하는 수신 코일(7)을 포함한다. 상기 코일은 상기 인클로저의 측벽들에 에워싸여져 있으며, 도 1에서 점선들로 도시된 바와 같이, 상기 베이스 부분과 동일평면상에 있는, 상기 인클로저의 외연부(perimeter)에 감겨 있다.

상기 송신기(1)는 적합한 전력 공급원(8)에 접속되어 있으며, 구동 회로(도시되지 않음)는 상기 코일을 구동시켜 상기 코일이 상기 자기장을 생성하게 하도록 구성되어 있다. 상기 구동 회로는 상기 코일(5)이 특정 용도에 적합한 시변 자기장을 생성하도록 구성되어 있다. 그러한 구동 회로들은 당업자에게 공지되어 있으며, 본 발명은 이러한 점에 국한되지 않는다.

유도 전송된 전력을 수신할 수 있는 기기들은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명은 임의의 특정 타입에 국한되지 않는다. 한 바람직한 실시예에서는, 상기 기기가 상기 베이스 부분과 동일평면상에 있는 수신 코일을 포함하는데, 그 이유는 이러한 것이 상기 자기장의 플럭스가 상기 베이스 부분과 수직일 경우에 전력 전송을 극대화하기 때문이다.

도 1에 도시된 상기 인클로저(2)의 형상은 직각 프리즘의 형태를 취지만, 본 발명은 이러한 점에 국한되지 않는다. 당업자라면 인클로저를 한정하는 다양한 3차원 체적들에 적용하기 위해 본 발명이 어떠한 방식으로 이루어질 수 있는지를 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도 2에는 송신기(9)가 도시되어 있는데, 이 경우에 상기 인클로저는 단일의 연속적인 측벽(10)을 지니는 원통 형태의 인클로저이다. 이러한 예에서는, 상기 코일(11)이 전반적으로 원형이며 도 2에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 상기 인클로저의 외연부에 감겨 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 상기 인클로저가 베이스 부분(4)을 포함한다. 차후에 설명되겠지만, 상기 베이스 부분 내에 (페라이트 층과 같은) 투자성 층을 포함하는 것은 전력 전송을 상당히 개선할 수 있다. 그러나, 상기 인클로저(2)가 베이스 부분을 포함하는 것은 반드시 필요하지 않다. 당업자라면 베이스 부분을 포함하지 않는 충전 인클로저들에 본 발명이 어떠한 방식으로 적응될 수 있는지를 알 수 있을 것이다.

도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 송신기(1)가 수직 단면도로 도시되어 있다. 이 도면에는 상기 측벽들(3), 베이스 부분(4), 코일(5) 및 기기(6)가 도시되어 있다. 상기 인클로저는 상기 송신기의 내부 동작들을 포위하여 상기 송신기를 좀더 매력적이고 현대적인 외관으로 제공하는 적합한 외부 층(12)(예를 들면 플라스틱 하우징)을 옵션으로 포함할 수 있다. 상기 코일은 (단위 높이당 루프들의 개수인) 상기 코일의 밀도가 높이에 따라 전반적으로 증가하도록 배치되어 있다. 이는 더 많은 루프들이 상기 측벽들의 상부를 향해서 '집중(concentration)'되는 결과를 초래시킨다. 도 3에 도시된 루프들의 개수는 비교적 적은데, 그 이유는 이러한 것이 본 발명의 원리를 예시하는데 가장 양호한 도움을 주기 때문이다. 실제로, 루프들의 개수는 어떠한 점에서도 국한되지 않으며, 당업자라면 특정 용도에서 루프들의 개수가 수백 개 또는 심지어는 수천 개로 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

변형적으로, 본 발명의 다른 한 실시예에서는, 상기 코일은 상기 코일의 밀도가 다른 어떤 방식으로 높이에 따라 변하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 코일의 밀도가 초기에 높이에 따라 증가한 다음에, 측벽들의 상부를 향해 다시 감소하는 것은 본 발명에 따르는 것이다.

상기 코일(5)은 연속적이며 상기 구동 회로(도시되지 않음)에 직렬로 접속되어 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 상기 코일이 일련의 루프들을 형성하도록 반복해서 감긴 단일 길이의 와이어로 이루어진다. 본 발명의 한 실시예에서는, 단일 길이의 와이어가 가변 게이지(varying gauge)의 와이어 단면들을 포함한다. 상기 와이어 단면들은 와이어의 길이가 점차로 최대 직경으로부터 최소 직경으로 변하도록 적절한 방식으로 함께 접속(예를 들면, 납땜)될 수 있다. 따라서, 상기 와이어가 도 3에 도시된 코일 구성에 따라 감긴 경우에, 좁은 와이어 단면들은 밀도가 큰 루프들에 대응한다. 상기 와이어가 좁기 때문에, 상기 와이어가 일관된 게이지를 지닌 경우보다 상기 와이어가 적은 공간을 점유한다. 상기 와이어는 리츠 타입 와이어(Litz type wire)를 포함하는, 임의의 적합한 통전(通電) 와이어일 수 있다. 리츠 와이어가 유도 전력 전송(IPT) 시스템들에서 고주파들로 동작할 때 도체들에서의 근접 효과(proximity effect) 및 표피 효과(skin effect)로 인한 전력 손실들을 대단히 감소시키기 때문에 리츠 와이어가 유리하다. 본 발명의 다른 한 실시예에서는, 하나보다 많은 코일이 존재한다. 각각의 코일은 직렬, 병렬 또는 다른 적합한 구성으로 접속될 수 있다. 전체적으로, (단위 높이당 루프들의 개수인) 코일들의 정미(正味) 밀도(net density)는 본 발명에 따라 여전히 변할 수 있다.

본 발명의 이점은 본 발명의 한 실시예에 따른 송신기(1)를 수직 단면도로 보여주는 도 4a 및 도 4b에서 볼 수 있다. 도 4a 및 도 4b에는 본 발명에 따른 코일 배치 및 균일한 밀도를 갖는 코일 배치에 의해 생성된 자기장들 간의 비교가 각각 예시되어 있다. 당업자라면 도 4a의 전자 시나리오에 대하여는, 상기 인클로저(13)의 벽들을 향해 자속이 집중되고, 중심(14)을 향해 낮은 자속의 영역이 존재함을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 이러한 중심 영역에 배치되어 있는 수신기들에 대한 충분한 전력 전송을 보장하기 위해, 상기 송신기를 통한 전력 흐름이 많아져야 한다. 이는 공급 전력을 효율적으로 사용하지 못하는 결과를 초래한다. 더욱이, 상기 인클로저의 측벽들에 더 근접 배치되어 있는 수신기들은 중심에 배치된 것보다 강력한 자기장을 받게 된다. 이는 상기 인클로저 내에서의 수신기들의 정확한 위치에 의존하여 수신기들의 전력 흐름을 수신기들이 조절하는 것을 필요로 한다. 이는 또한 상기 기기에서 기생적 가열(parasitic heating)을 증가시킨다. 도 4b는 본 발명의 코일 배치에 따른 자기장을 보여준다. 알게 되겠지만, 가변 코일 밀도는 상기 인클로저를 가로지르는 자기장이 좀더 균일해지게 되는 결과를 초래한다. 사실상, 추가 권선들은 상기 자기장을 상기 인클로저 내에 부가적으로 확장하게 한다. 이는 위에서 설명한 불균일한 자기장으로부터 생기는 문제들을 해결하는데 도움을 준다. 특히, 상기 송신기를 통한 전력 흐름은 감소하게 될 수 있지만 상기 인클로저 내부에 상기 수신기가 배치됨과 관계없이 여전히 상기 수신기에 대한 충분한 전력 전송을 보장할 수가 있다. 상기 송신기에서 감소된 전력 흐름을 지니는 것은 비효율성을 극소화하면서 기생적 가열을 줄인다. 당업자라면 도 4b에 도시된 자기장이 본 발명의 원리를 보여주기 위해 정성적(定性的)인 것임을 이해할 것이다. 실제로, 원하는 자기장 특성을 이루는데 필요한 정확한 코일 배치는 치수들 및 전력 정격과 같은 여러 변수에 의존한다. 당업자라면 상기 코일 배치의 설계가 특정 용도에 적합하도록 조절될 필요가 있음을 알 수 있을 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 충전 인클로저의 측벽들(3) 및 베이스 부분(4) 내부에는 페라이트 층들(15)이 또한 도시되어 있다. 당업자라면 투자성 층들을 포함하는 것이 어떻게 전력 전송의 성능을 개선할 수 있는지를 알 수 있을 것이다. 특히, 상기 베이스 부분 내의 투자성 층은 '강제로' 자기장 라인들을 중심에 근접 분포하게 한다. 이는 좀더 균일한 자기장을 제공하며 전체 베이스 부분 영역을 가로지른 전력 전송을 개선하는데 도움을 준다.

그러한 충전 인클로저는 독립형 장치여야 할 필요가 없으며 상기 충전 인클로저는 기존의 구조들 내에 통합될 수 있다. 예를 들면, 책상 서랍은 본 발명에 따라 구성될 수 있음으로써, 사용자는 단지 상기 서랍 내에 사용자의 전자 기기들을 놓기만 하고 상기 사용자의 전자 기기들은 충전되거나 또는 전력을 공급받을 수 있다.

투자성 층 - 가변 두께

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 한 실시태양에 따른 송신기(1)가 단면도로 도시되어 있다. 이 경우에, 상기 송신기는 위에서 설명한 그러한 충전 인클로저(2)와 유사한 충전 인클로저이다. 상기 인클로저는 측벽들(3) 및 상기 인클로저의 외연부에 감긴 코일(5)을 포함하는데, 이들 모두는 적합한 외부 층(12) 내에 하우징되어 있다. 상기 베이스 부분(4) 내에는 주 투자성 층(16)이 포함되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 투자성 층을 포함하는 것은 상기 자기장을 본질적으로 '교정(reshaping)'함으로써 전력 전송을 개선할 수 있다. 이러한 주 투자성 층에 부가하여, 상기 주 투자성 층에 인접 배치된 추가적인 투자성 층(17)이 존재한다.

상기 추가적인 투자성 층(17)을 포함하는 효과는 상기 충전 인클로저(2)의 중심을 향해 상기 투자성 층의 유효 두께를 증가시키는 것이다. 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서, 이는, 자기장이 좀더 균일해지게 되는 결과를 초래하는, 상기 충전 인클로저의 중심을 향해 상기 자기장을 부가적으로 강제함으로써 전력 전송을 개선하는데 도움을 준다. 이는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 자기장 라인들의 비교에 의해 입증된다. 당업자라면 도 6a의 전자 시나리오에 대하여는 상기 인클로저(18)의 벽들을 향해 자속이 집중되고, 중심(19)을 향해 낮은 자속의 영역이 존재함을 알 수 있을 것이다. 이는 앞서 도 4a에 관련하여 설명한 바와 동일한 문제들을 일으킨다. 도 6b는 본 발명의 투자성 층 배치에 따른 자기장을 보여준다. 알게 되겠지만, 상기 인클로저(2)의 중심(20)을 향한 투자성 층의 두께 증가는 자기장이 좀더 균일해지게 되는 결과를 초래한다. 이러한 것이 생기는 메커니즘은 상기 추가적인 투자성 층을 포함하는 것이 투자성 층의 높이를 끌어올리고, 이러한 것이 상기 인클로저의 중심을 향해 통과하는 자기장 라인들에 대하여 공기를 통한 자로(磁路; magnetic path)가 짧아지는 결과를 초래하는 것이다. 실제로는, 상기 자기장이 상기 중심을 향해 '끌리게' 된다. 마찬가지로, 두께가 두꺼운 투자성 층은 릴럭턴스가 감소한 긴 단면을 자로에 제공하므로, 상기 자기장은 이러한 영역을 향해 강제된다. 좀더 균일해진 자기장은 앞서 도 4a 및 도 4b에 관련하여 설명한 바와 같이, 불균일한 자기장으로부터 생기는 문제들을 해결하는데 도움을 준다.

도 5를 다시 참조하면, 투자성 층의 유효 두께의 증가가 보조 블록(17)을 포함함으로써 이루어지게 됨을 보여준다. 당업자라면 상기 보조 블록의 상대적인 크기가 특정 송신기의 스케일 및 치수들에 의존함을 알 수 있을 것이다. 또한, 당업자라면 특정 용도에서 '스텝-피라미드(step-pyramid)' 타입의 구성을 초래하는, 중첩 크기를 감소시키는 일련의(즉, 3개 이상의) 보조 블록들을 적층하는 것이 적합할 수 있음을 알 수 있을 것이고, 이 경우에 유효 두께가 개별 스텝들의 시퀀스로 변한다.

본 발명의 변형 실시예에서는, 투자성 층은 최초에 가변 두께로 제조될 수 있다. 이 경우에, 두께의 변화는 ('스텝-피라미드' 구성에서와 같이) 개별적일 수도 있고 연속적일 수도 있다. 당업자라면 투자성 층의 가변 두께를 이루기 위한 다른 가능한 해결수단들이 존재함을 알 수 있으므로, 본 발명은 이러한 점에 국한되지 않는다.

본 발명의 다른 한 실시예에서는, 상기 투자성 층의 두께가 다른 어떤 방식으로 변할 수 있으므로 반드시 상기 투자성 층의 중심을 향해 증가시킬 필요가 없다. 예를 들면, 특정 용도에서는, 특정한 송신기의 에지들을 향해 두께가 두꺼운 투자성 층을 지니는 것이 유리할 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 상기 투자성 층이 페라이트 재료이다. 그러나, 당업자라면 다른 적합한 재료들이 동일하거나 유사한 효과를 발휘하는데 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

비록 본 발명이 충전 인클로저의 베이스 부분에 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 용도에 국한되지 않는다. 당업자라면 송신기에서 투자성 층을 포함하는 것이 유리한 어느 한 경우에 그러한 층의 두께가 본 발명에 따라 변하는 것이 가능할 수 있으며 실제로 그러한 층의 두께가 본 발명에 따라 변할 가치가 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 충전 표면과 동일평면상에 있는 대형 코일을 포함하는 충전 표면은 충전 표면의 중심을 향해 두께가 증가하는 투자성 층을 포함하는 것으로부터 이점을 얻을 수 있다. 이는 그러한 충전 표면의 중심을 향해 미약한 자기장들(및 효율적이지 않은 전력 전송)과 관련이 있는 문제들을 해결하는데 도움을 준다.

투자성 층 - 가변 투자율

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 한 실시태양에 따른 송신기(1)가 단면도로 도시되어 있다. 이 경우에, 상기 송신기는 앞서 설명한 그러한 충전 인클로저와 유사한 충전 인클로저(2)이다. 상기 인클로저는 측벽들(3) 및 상기 인클로저의 외연부에 감긴 코일(5)을 포함하는데, 이들 모두는 적합한 외부 층(12) 내에 하우징되어 있다. 상기 베이스 부분(4) 내에는 투자성 층(20)이 포함되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 투자성 층을 포함하는 것은 상기 자기장을 본질적으로 '교정(reshaping)'함으로써 전력 전송을 개선할 수 있다.

도 7에서 해당 그래프로 도시된 바와 같이, 상기 투자성 층(20)의 투자율은 상기 충전 인클로저(2)의 폭을 가로질러 변하며, 상기 투자율이 전반적으로 상기 충전 인클로저의 중심을 향해서는 최대이다. 도 7에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서, 이러한 것은 자기장이 좀더 균일해지게 되는 결과를 초래하는, 상기 충전 인클로저의 중심을 향해 자기장을 부가적으로 강제함으로써 전력 전송을 개선하는데 도움을 준다. 이는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 자기장 라인들의 비교에 의해 입증된다. 당업자라면 도 8a의 전자 시나리오에 대하여는 상기 인클로저(21)의 벽들을 향해 자속이 집중되고, 중심(22)을 향해 낮은 자속의 영역이 존재함을 알 수 있을 것이다. 이는 앞서 도 4a에 관련하여 설명한 바와 동일한 문제들을 일으킨다. 도 8b는 본 발명의 투자성 층 배치에 따른 자기장을 보여준다. 알게 되겠지만, 상기 인클로저의 중심을 향한 투자성 층의 두께 증가는 자기장이 좀더 균일해지게 되는 결과를 초래한다. 이러한 것이 생기는 메커니즘은 상기 중심을 향한 상기 투자성 층의 투자율 증가가 자로(磁路; magnetic path)가 릴럭턴스가 감소한 단면을 지니는 결과를 초래하므로, 상기 자기장이 이러한 영역을 향해 강제되는 것이다. 좀더 균일해진 자기장은 앞서 도 4a 및 도 4b에 관련하여 설명한 바와 같이, 불균일한 자기장으로부터 생기는 문제들을 해결하는데 도움을 준다.

도 7을 다시 참조하면, 투자성 층(20)이 일정한 두께를 지니지만, 상기 투자율이 연속적인 방식으로 변하게 됨을 보여준다. 본 발명의 한 실시예에서는, 상기 투자성 층이 상기 투자성 층의 투자율 특성들에서의 그러한 연속 변화로 최초에 제조될 수 있다. 다른 한 실시예에서는, 상기 투자성 층이 상기 투자성 층의 투자율 특성들에서의 개별 변화들로 최초에 제조될 수 있다.

도 9를 참조하면, 상기 베이스 부분(4) 내에 인접 배치된 투자성 층(23)의 여러 단면을 포함하는, 본 발명에 따른 송신기(1)의 다른 한 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에, 각각의 단면의 투자율은 서로 다른 크기를 지닐 수 있게 하는데, 이는 첨부된 그래프에 도시된 투자율의 변화를 초래한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 인클로저의 경우에, 그러한 단면들은 투자성 재료의 동심 링(concentric ring)으로부터 만들어질 수 있다.

본 발명의 다른 한 실시예에서는, 상기 투자성 층의 투자율이 다른 어떤 방식으로 변할 수 있으며 반드시 상기 투자성 층의 중심을 향해 증가시킬 필요가 없다. 예를 들면, 특정 용도에서는, 특정한 송신기의 에지들을 향해 투자율이 큰 투자성 층을 지니는 것이 유리할 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 상기 투자성 층이 페라이트 재료이다. 그러나, 당업자라면 다른 적합한 재료들이 동일하거나 유사한 효과를 발휘하는데 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

비록 본 발명이 충전 인클로저의 베이스 부분에 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 용도에 국한되지 않는다. 당업자라면 송신기에서 투자성 층을 포함하는 것이 유리한 어느 한 경우에 그러한 층의 투자율이 본 발명에 따라 변하는 것이 가능할 수 있으며 실제로 그러한 층의 투자율이 본 발명에 따라 변하게 할 만한 가치가 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 충전 표면과 동일평면상에 있는 대형 코일을 포함하는 충전 표면은 충전 표면의 중심을 향해 투자율이 증가하는 투자성 층을 포함하는 것으로부터 이점을 얻을 수 있다. 이는 그러한 충전 표면의 중심을 향해 미약한 자기장들(및 효율적이지 않은 전력 전송)과 관련이 있는 문제들을 해결하는데 도움을 준다.

조합

지금까지 본 발명에 따른 송신신의 3가지 개별 실시태양, 즉 가변 코일 밀도; 투자성 층의 가변 두께; 및 투자성 층의 가변 투자율이 설명되었다. 당업자라면 이러한 3가지 실시태양 중 어느 하나가 다수의 방식으로 조합될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 특정한 충전 인클로저의 경우에 베이스 부분의 중심을 향해 투자율이 증가하는 투자성 층을 포함하는 베이스 부분을 지니며 상기 인클로저의 상부를 향해 코일 밀도가 증가할 만한 가치가 있을 수 있다. 다른 한 예에서는, 충전 표면이 투자성 층을 포함할 수 있는데, 이 경우에 상기 층의 두께 및 투자율이 상기 충전 표면의 중심을 향해 점진적으로 증가한다.

따라서, 좀더 균일한 자기장이 생성되는 결과를 초래하는 유도 전력 전송(IPT) 시스템용 송신기 배치가 제공된다. 상기 자기장이 균일하기 때문에, 상기 송신기 및 상기 수신기 간의 결합 품질이 개선되며, 상기 기기를 충전하거나 상기 기기에 전력을 공급하는데 전력이 덜 필요한데, 이는 유도 전력 전송(IPT) 시스템이 좀더 효율적이게 하는 결과를 초래한다. 더욱이, 상기 기기들에 전력을 공급하는데 필요한 전류가 감소하기 때문에, 상기 송신기에 근접하거나 상기 송신기 상에 배치된 기기들에서의 기생적 가열로 인한 손실들이 적어진다.

지금까지 본 발명이 본 발명의 실시예들의 설명으로 예시되었고, 그리고 상기 실시예들이 구체적으로 설명되었지만, 본원 출원인은 그러한 구체적인 설명으로 첨부된 청구항들의 범위를 제한하거나 어떤 방법으로든 첨부된 청구항들의 범위를 한정하려고 의도한 것이 아니다. 추가적인 이점들 및 수정들이 당업자에게는 쉽게 명백해질 것이다. 그러므로, 본 발명의 넓은 측면으로 본 발명은 도시되고 기재된 특정한 구체적인 설명, 대표적인 장치 및 방법, 및 대표적인 예들에 국한되지 않는다. 따라서, 본원 출원인의 총괄적 발명 개념의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 그러한 구체적인 설명으로부터의 일탈(逸脫)이 이루어질 수 있다.

Claims (24)

1. 유도 전력 전송용 송신기로서,
   상기 유도 전력 전송용 송신기는,
   a. 하나 이상의 측벽들을 지니는, 에너지를 공급받는 기기들을 수용하는 인클로저;
   b. 상기 인클로저 내에 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들로서, 하나 이상의 코일들의 밀도가 상기 하나 이상의 측벽들의 단부로부터의 거리에 따라 변하는, 하나 이상의 코일들; 및
   c. 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로;
   를 포함하는, 유도 전력 전송용 송신기.
2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일들은 상기 인클로저의 외연부에 상응하도록 전반적으로 감겨 있는, 유도 전력 전송용 송신기.
3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일들의 밀도는 상기 하나 이상의 측벽들의 절반에서 전반적으로 높은, 유도 전력 전송용 송신기.
4. 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 베이스 부분을 포함하며, 상기 베이스 부분으로부터 상기 하나 이상의 측벽들이 확장하는, 유도 전력 전송용 송신기.
5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일들의 밀도는 상기 베이스 부분으로부터의 거리 증가에 따라 증가하는, 유도 전력 전송용 송신기.
6. 제5항에 있어서, 상기 베이스 부분은 투자성 층을 포함하는, 유도 전력 전송용 송신기.
7. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일들은 게이지(gauge)가 감소하는 와이어로 만들어지는, 유도 전력 전송용 송신기.
8. 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 코일들은 리츠 와이어로 만들어지는, 유도 전력 전송용 송신기.
9. 유도 전력 송신기로서,
   상기 유도 전력 송신기는,
   a. 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들;
   b. 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로; 및
   c. 상기 하나 이상의 코일들에 연관된 하나 이상의 투자성 층들;
   을 포함하며,
   상기 하나 이상의 투자성 층들의 결합 두께는 변하는, 유도 전력 송신기.
10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들은 서로 다른 치수들을 지니는 적어도 2개의 투자성 층들을 포함하여, 함께 배치될 때 상기 적어도 2개의 투자성 층들의 결합 두께가 균일하지 않은, 유도 전력 송신기.
11. 제10항에 있어서, 제1 투자성 층은 제1 치수를 지니며, 제2 투자성 층은 상기 제1 투자성 층보다 작은 치수를 지니고, 상기 제2 투자성 층은 상기 제1 투자성 층의 중심에 배치되는, 유도 전력 송신기.
12. 제9항에 있어서, 상기 유도 전력 송신기는 베이스 부분을 포함하는 충전 인클로저이며, 상기 베이스 부분은 상기 하나 이상의 투자성 층들을 포함하는, 유도 전력 송신기.
13. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 결합 두께는 전반적으로 상기 베이스 부분의 중심을 향해 증가하는, 유도 전력 송신기.
14. 제9항에 있어서, 상기 유도 전력 송신기는 충전 표면이며, 상기 충전 표면은 상기 하나 이상의 투자성 층들을 포함하는, 유도 전력 송신기.
15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 결합 두께는 전반적으로 상기 충전 표면의 중심을 향해 증가하는, 유도 전력 송신기.
16. 제9항 내지 제15항 중 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들은 페라이트 재료로 만들어지는, 유도 전력 송신기.
17. 유도 전력 송신기로서,
    상기 유도 전력 송신기는,
    a. 교류 자기장을 생성하는 하나 이상의 코일들;
    b. 상기 하나 이상의 코일들을 구동시키는 구동 회로; 및
    c. 상기 하나 이상의 코일들에 연관된 하나 이상의 투자성 층들;
    을 포함하며,
    상기 하나 이상의 투자성 층들의 투자율이 변하는, 유도 전력 송신기.
18. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들은 서로 다른 투자율을 지니는 적어도 2개의 투자성 층들을 포함하는, 유도 전력 송신기.
19. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들은 균일하지 않은 투자율을 지니는 투자성 층을 포함하는, 유도 전력 송신기.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 유도 전력 송신기는 베이스 부분을 포함하는 충전 인클로저이며, 상기 베이스 부분은 상기 하나 이상의 투자성 층들을 포함하는, 유도 전력 송신기.
21. 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 투자율은 전반적으로 상기 베이스 부분의 중심을 향해 증가하는, 유도 전력 송신기.
22. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 유도 전력 송신기는 충전 표면이며 상기 충전 표면은 상기 하나 이상의 투자성 층들을 포함하는, 유도 전력 송신기.
23. 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들의 투자율은 전반적으로 상기 충전 표면의 중심을 향해 증가하는, 유도 전력 송신기.
24. 제17항 내지 제23항 중 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투자성 층들은 페라이트 재료로 만들어지는, 유도 전력 송신기.

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