KR20150060192A

KR20150060192A - 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치

Info

Publication number: KR20150060192A
Application number: KR1020130144327A
Authority: KR
Inventors: 김도열
Original assignee: 김도열
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-03

Abstract

본 발명은 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로, 공정라인(10)에서 이동 및 정지를 반복하며 제조되거나 검사되는 각각의 전자기기(20)에 전력을 공급하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 있어서, 자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하는 전력 송신부(100)와, 각각의 상기 전자 기기(20)에 각각 설치되는 하나 이상의 전력 수신부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하되, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 코일 및 캐패시터의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값은 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)가 동일한 공진 주파수를 가지도록 설정하는 것을 특징으로 하고, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)는 공정 라인의 배치 형상에 따라 상기 공정 라인(10)을 따라 설치되고, 상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질로 구성되고 주된 자속(磁束)의 방향이 상기 공정 라인(10) 상의 각각의 상기 전자 기기(20)를 향하는 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.

Description

공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치{Magnetic Resonance Power Transmission Apparatus}

본 발명은 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로, 공정라인(10)에서 이동 및 정지를 반복하며 제조되거나 검사되는 각각의 전자기기(20)에 전력을 공급하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 있어서,

자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 1개 이상의 송신 코일과 2개 이상의 직렬접속된 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 자기 공명 무선전력 송신부(120)와, 상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부(130)를 포함하여 구성되는 전력 송신부(100);

각각의 상기 전자 기기(20)에 각각 설치되며, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)에서 전송된 전력을 수신하는 코일과 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 수신하여 상기 전자 기기(20)에 전달하는 자기 공명 무선전력 수신부(210)를 포함하여 구성되는 하나 이상의 전력 수신부(200); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하되,

상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 코일 및 캐패시터의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값은 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)가 동일한 공진 주파수를 가지도록 설정하는 것을 특징으로 하고,

상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)는 공정 라인의 배치 형상에 따라 상기 공정 라인(10)을 따라 설치되고,

상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질로 구성되고 주된 자속(磁束)의 방향이 상기 공정 라인(10) 상의 각각의 상기 전자 기기(20)를 향하는 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.

일반적으로 무선 전력전송 기술에 대해서는 저주파 대역에서 전자기 유도를 이용한 무선전력전송에 대한 연구가 많이 이루어지고 있지만, 전자기 유도 방식은 송신과 수신 코일의 배열이 일치하지 않은 경우 또는 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리가 멀어지는 경우 효율이 급격히 떨어지기 때문에 무선전력전송 시스템의 활용에 많은 애로사항들이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 하기 특허문헌 1의 대한민국 공개특허 2011-0049659호에는 송전부(50) 및 수전부(60)를 포함하고, 송전부(50)는 소스(51), 매칭회로(52), 소스코일(53) 및 송전부 공진 코일(54)을 포함하며, 수전부(60)는 수전부 공진 코일(61), 디바이스 코일(62), 정류회로(63), 및 부하(64)를 포함하여 구성함으로써, 전자기 유도 방식에서 소스코일과 부하코일사이에 두 개의 자기 공진 코일이 추가되어 모두 자기유도와 자기공명 현상을 모두 이용하는 구성이 개시되어 있다.

그러나, 상기 특허문헌 1의 기존 발명은 자기공명 현상을 일으키는 구성들이 송신과 수신을 중계하기 위한 것으로 코일과 캐패시터로 구성된 폐회로를 사용하고 있어서 회로의 구성이 복잡하며, 중간에 무선전력을 구현하기 위한 회로가 포함되어 있어 에너지 생성 자체에 불필요한 에너지 손실을 초래할 수 있다는 단점이 있다.

또한, 조립 및 검사를 위하여 공정 라인에서 이동되는 전자제품에 전원을 공급하는 것과 같이, 비교적 넓은 범위에 걸쳐 어느 정도 먼 거리를 가지면서 대전력을 무선 송전하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

특허문헌 1: 대한민국 공개특허 2011-0049659호

본 발명은 상기한 기존 발명의 문제점을 해결하여, 조립 및 검사를 위하여 공정 라인에서 이동되는 전자제품에 전원을 공급하는 것과 같이, 비교적 넓은 범위에 걸쳐 어느 정도 먼 거리까지 대전력을 무선 송전하는 것이 가능한 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

또한, 다양한 형상의 공정 라인에 대응하여 공정 라인을 따라 설치될 수 있는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치는, 공정라인(10)에서 이동 및 정지를 반복하며 제조되거나 검사되는 각각의 전자기기(20)에 전력을 공급하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 있어서,

상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질로 구성되고 주된 자속(磁束)의 방향이 상기 공정 라인(10) 상의 각각의 상기 전자 기기(20)를 향하는 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수를 설정하기 위해서는 코일의 인덕턴스 값 또는 캐패시터의 캐패시턴스 값 중 어느 하나 이상을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제 1항 또는 청구항 제 2항에 있어서, 상기 자기공명신호 발생부는 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)에 입력되는 전력의 듀티비를 제어하기 위한 듀티비 제어부인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수는 15~25㎑인 것을 특징으로 한다.

또한,상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)의 길이는 5~10M의 길이로 구성되고, 상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질의 실링 부재(122) 안에 매설되어 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하는 경우, 본 발명은 상기한 기존 발명의 문제점을 해결하여, 조립 및 검사를 위하여 공정 라인에서 이동되는 전자제품에 전원을 공급하는 것과 같이, 비교적 넓은 범위에 걸쳐 어느 정도 먼 거리까지 대전력을 무선 송전하는 것이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 다양한 형상의 공정 라인에 대응하여 공정 라인을 따라 설치될 수 있다는 장점이 있다.

도 1: 본 발명의 일 실시예에 의한 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 블럭 다이어그램
도 2: 본 발명의 일 실시예에 의한 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치의 자기공명 무선 전력 송신부 및 자기 공명 무선전력 수신부의 구성을 나타내는 회로도.
도 3: 본 발명의 일 실시예에 의한 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치의 공정 라인에의 설치 상태를 나타내는 모식도.
도 4: 본 발명의 일 실시예에 의한 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치의 무선전력 송신 코일의 구성을 나타내는 모식도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 발명은 도 1에 나타낸 것과 같이 크게, 전력 송신부(100)와, 각각의 상기 전자 기기(20)에 각각 설치되는 하나 이상의 전력 수신부(200)를 포함하여 구성되어, 무선전력전송을 위하여 자기유도와 자기공명 현상을 모두 이용하지 않고 자기공명 현상만을 이용하여 회로의 구성이 복잡하지 않을 뿐만 아니라, 대전력의 송신 및 수신이 가능하도록 한다.

먼저, 전력 송신부(100)에 관하여 설명한다. 상기 전력 송신부(100)는 도 1에 나타낸 것과 같이, 자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 1개 이상의 송신 코일(121)과 2개 이상의 직렬접속된 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 자기 공명 무선전력 송신부(120)와, 상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부(130)를 포함하여 구성된다.

상기 전원공급부(110)는 공급되는 전원이 교류전원인 경우 상기 전원공급부(110)에서는 상기 전원공급부(110)로 공급된 교류전원을 반파정류, 전파정류 또는 브릿지 정류하여 무선전력 송신부(120)로 전송하는 정류부(111)를 더 포함하며, 또한 전원공급부(110)로 공급된 교류전원을 정류하여 자기공명 신호발생부(130)의 온-오프 구동을 위한 스탠바이(대기) 전원을 공급하게 되는 보조전원부(11)를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전원공급부(110)에는 상기 전원공급부(110)으로 공급되는 전원에 포함된 전원 노이즈를 제거하기 위하여 노이즈 필터(113)가 추가로 포함될 수 있다. 이러한 노이즈 필터(113)는 커먼모드(common mode) 필터, 디퍼런셜 모드(differential mode) 필터 또는 컨쥬게이트 모드(conjugate mode) 필터 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.

다음으로, 자기 공명 무선전력 송신부(120)에 관하여 설명한다. 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)는 도 2에 나타낸 것과 같이, 1개 이상의 송신 코일(121)과 2개 이상의 직렬접속된 캐패시터가 병렬 접속되어 구성되며, 도 3에 나타낸 것과 같이, 공정 라인(10)의 배치 형상에 따라 상기 공정 라인(10)을 따라 설치된다. 이 경우, 상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질로 구성되고 주된 자속(磁束)의 방향이 도 3에서 점선으로 나타내거나 도 4에서 일점 쇄선의 화살표로 나타낸 것과 같이 상기 공정 라인(10) 상의 각각의 상기 전자 기기(20)를 향하는 방향을 향하도록 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)의 길이는 다양한 실시예로 구성되는 것이 가능하나, 일반적으로 5~10M의 길이로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 송신 코일(121)은 도 4에 나타낸 것과 같이 플렉시블한 재질의 실링 부재(122) 안에 매설되어 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)는 하나 이상의 상기 송신 코일(121)을 사용하여 구성되는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 자기 공명신호 발생부(130)는 무선전력 송신부(120)에 입력되는 전력의 듀티비를 제어하기 위한 듀티비 제어부인 것이 바람직하다. 상기 자기 공명신호 발생부(130)는 듀티비를 정확하게 정밀하게 제어하는 가장 중요한 기능을 담당하며, 자기 공명신호 발생부(130)에 과부하 방지회로를 부가하여 자기 공명신호 발생부(130)의 오동작을 방지하는 것도 가능하다. 상기의 자기공명 신호발생부(130)는 전자 기기(20)의 사용전력량에 따라 듀티비를 가변하여 제어하도록 하며, 무선전력전송을 위한 듀티비는 용량에 맞는 설정이 필요하며, 낮은 전송전력에서는 듀티비가 80% 미만이어야 하며, 높은 전송전력에서는 5% 이상인 것이 바람직하다. 이 경우 듀티비가 80%을 초과하는 경우 스위칭 소자의 데드 타임(Dead time)이 존재하지 않아 지속적인 사용이 불가능할 수 있어서 듀티비를 80% 미만으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기의 듀티비는 자기 공명신호 발생부(130)의 스위칭에 따른 스위칭 소자에서의 발열과 자기 공명 무선전력 송신부(120) 코일의 발열량을 비교하여 듀티비를 조절하는 것도 가능하다.

다음으로, 전력 수신부(200)에 관하여 설명한다. 상기 전력 수신부(200)는 도 1에 나타낸 것처럼, 각각의 상기 전자 기기(20)에 각각 설치되며, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)에서 전송된 전력을 수신하는 코일과 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 수신하여 상기 전자 기기(20)에 전달하는 자기 공명 무선전력 수신부(210)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 코일 및 캐패시터의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값은 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)가 동일한 공진 주파수를 가지도록 설정하여야 한다.

또한, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수를 설정하기 위해서는 코일의 인덕턴스 값 또는 캐패시터의 캐패시턴스 값 중 어느 하나 이상을 변화시키게 된다. 이 경우, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수는 대전력 송전 및 비교적 먼 거리까지도 송전이 가능하도록 하기 위하여, 일반적인 자기공명 무선 전력 전송에서 50㎒ 범위의 공진 주파수를 이용하는 것과는 달리, 15~25㎑의 공진 주파수(바람직하게는 20㎑의 공진 주파수 부근)를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 무선전력 수신부(210)에 수신된 전력을 전자 기기(20)로 직접 전송하는 것이 가능하지만, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전자 기기(20)의 사용전압 또는 사용전류값이 무선전력 수신부(210)의 전압 또는 전류와 일치되지 않는 경우 정전압 방식과 정전류 방식을 선택적으로 각각 구현하거나 정전압 및 정전류 방식을 동시에 구현하는 것이 가능하다.

이에 상기 전자 기기(20)의 사용 전압 또는 전류에 따른 전압 또는 전류값에 따라 각각 형성하거나, 동시에 형성하기 위하여 기준전압/전류값을 지정하기 위한 기준전압/전류 설정부(213)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전압/전류 조정부(214)는 상기 기준전압/전류 설정부(213)에서 복수의 설정값을 입력받아 사용전압또는 전류가 상이한 복수의 전자 기기(20)에 따른 기준값을 발생하여 전자 기기(20)가 단일 구동 전압 또는 전류값일 때뿐만이 아니라, 복수의 구동 전압 또는 전류값에 의해 복수의 부하가 구동될 수 있도록 복수의 기준 전압 또는 전류값을 설정하는 것이 가능하다.

상기의 전압/전류 조정부(214)는 컨버터 또는 인버터중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되며, 상기 컨버터 또는 인버터의 출력값을 리니어 또는 펄스폭 제어하는 기능을 한다.

또한, 상기 전자 기기(20)가 직류전원에 의하여 구동되는 부하인 경우, 상기 전자 기기(20)에 직류전원을 공급하기 위하여 무선전력 수신부(210)에서 수신된 전력을 직류로 변환는 직류변환부(212)를 더 포함하는 것이 가능하다.

또한, 상기 무선전력 수신부(210)에서 수신된 전력에 포함된 노이즈를 제거한 후 직접 전자 기기(20)으로 전송하거나, 필요에 따라서는 전압조정부(214) 또는 직류변환부(212)로 전송하기 위하여 노이즈 필터(211)을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 노이즈 필터(211)는 커먼모드(common mode) 필터, 디퍼런셜 모드(differential mode) 필터 또는 컨쥬게이트 모드(conjugate mode) 필터 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.

상기한

이상 도면과 명세서에서 최적 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 공정 라인 20: 전자기기
100: 전력 송신부
110: 전원 공급부 111 : 정류부
112 : 보조전원부 113, 211 : 노이즈 필터
120: 자기 공명 무선 전력 송신부
121: 송신 코일 122: 실링 부재
130: 자기 공명 신호발생부
140: 전자기 차폐판
200: 전력 수신부
210: 자기 공명 무선전력 수신부 212 : 직류변환부
213 : 기준 전압/전류 설정부 214 : 전압/전류 조정부

Claims

공정라인(10)에서 이동 및 정지를 반복하며 제조되거나 검사되는 각각의 전자기기(20)에 전력을 공급하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치에 있어서,

자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 1개 이상의 송신 코일(121)과 2개 이상의 직렬접속된 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 자기 공명 무선전력 송신부(120)와, 상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부(130)를 포함하여 구성되는 전력 송신부(100);
각각의 상기 전자 기기(20)에 각각 설치되며, 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)에서 전송된 전력을 수신하는 코일과 캐패시터가 병렬 접속되어 자기공명에 의하여 전력을 수신하여 상기 전자 기기(20)에 전달하는 자기 공명 무선전력 수신부(210)를 포함하여 구성되는 하나 이상의 전력 수신부(200); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하되,

상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 코일 및 캐패시터의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값은 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)와 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)가 동일한 공진 주파수를 가지도록 설정하는 것을 특징으로 하고,

상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)는 공정 라인의 배치 형상에 따라 상기 공정 라인(10)을 따라 설치되고,
상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질로 구성되고 주된 자속(磁束)의 방향이 상기 공정 라인(10) 상의 각각의 상기 전자 기기(20)를 향하는 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치.
청구항 제 1항에 있어서,
상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수를 설정하기 위해서는 코일의 인덕턴스 값 또는 캐패시터의 캐패시턴스 값 중 어느 하나 이상을 변화시키는 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치.
청구항 제 1항 또는 청구항 제 2항에 있어서, 상기 자기공명신호 발생부는 상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)에 입력되는 전력의 듀티비를 제어하기 위한 듀티비 제어부인 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치.
청구항 제 3항에 있어서,
상기 자기 공명 무선전력 송신부(120) 및 상기 자기 공명 무선전력 수신부(210)의 공진주파수는 15~25㎑인 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치.
청구항 제 4항에 있어서,
상기 자기 공명 무선전력 송신부(120)의 길이는 5~10M의 길이로 구성되고,
상기 송신 코일(121)은 플렉시블한 재질의 실링 부재(122) 안에 매설되어 설치되는 것을 특징으로 하는 공정 라인을 위한 자기 공명 무선 전력 송신 장치.