KR20150072622A - Resonator for wireless power transmission system - Google Patents

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KR20150072622A
KR20150072622A KR1020130159952A KR20130159952A KR20150072622A KR 20150072622 A KR20150072622 A KR 20150072622A KR 1020130159952 A KR1020130159952 A KR 1020130159952A KR 20130159952 A KR20130159952 A KR 20130159952A KR 20150072622 A KR20150072622 A KR 20150072622A
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resonator
auxiliary loop
ground plane
shielding material
transmission
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KR1020130159952A
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박병철
이정해
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a resonator for a wireless power transmission system where a transmission resonator faces a reception resonator. The transmission resonator and the reception resonator includes a resonator body; a ground plane which is separated from the resonator body and shields a magnetic field generated in the resonator body; a shielding material which is arranged on the ground plane and includes ferrite; and an auxiliary loop which is arranged between the resonator body and the ground plane and is separated from the shielding material by a constant distance. According to the present invention, transmission efficiency can be improved by applying a shielding material of ferrite for wireless power transmission to a ground plane. Transmission efficiency is increased like a case of using a ferrite with high permeability by applying an auxiliary loop to the shielding material of ferrite with low permeability.

Description

무선 전력전송용 공진기{Resonator for wireless power transmission system}[0001] The present invention relates to a resonator for a wireless power transmission system,

본 발명은 무선 전력전송용 공진기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보조 루프를 적용하여 무선 전력 전송 효율이 향상되는 무선 전력전송용 공진기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a resonator for a wireless power transmission, and more particularly, to a resonator for a wireless power transmission in which an auxiliary loop is applied to improve a wireless power transmission efficiency.

최근 무선으로 전력을 전송하는 기술에 관한 관심이 점차 증가하고 있다. 특히, 스마트폰, 태블릿 PC, MP3 플레이어 등 다양한 유형의 모바일 디바이스들을 무선으로 충전할 수 있는 무접점 충전 크래들은 최근의 무선 전력전송 기술에 의한 실용적인 어플리케이션 중의 하나이다. 이러한 최근의 무선 전력전송 기술들 중 특징적인 하나는 RF 소자들의 공명(resonance) 특성을 이용하는 것이다.Recently, there has been an increasing interest in the technology of transmitting power wirelessly. In particular, a solid state charging cradle capable of wirelessly charging various types of mobile devices such as smart phones, tablet PCs, and MP3 players is one of the practical applications of the latest wireless power transmission technology. One of these recent wireless power transmission technologies is to take advantage of the resonance characteristics of RF components.

공명 특성을 이용하는 무선 전력전송 시스템은 전력을 공급하는 송신부와 전력을 공급받는 수신부를 포함한다. 송신부와 수진부는 각각 공진기를 이용하여 전력을 전송할 수 있다. A wireless power transmission system using resonance characteristics includes a transmitting unit for supplying electric power and a receiving unit for receiving electric power. The transmitting part and the receiving part can transmit the power using the resonator, respectively.

무선전력전송에서 전송 효율을 향상시키기 위해서는 공진기의 Q-factor가 높아야 하고 동시에 공진기 사이의 결합계수가 높아야 한다. In order to improve the transmission efficiency in the wireless power transmission, the Q-factor of the resonator must be high and the coupling coefficient between the resonators must be high.

한편, 공진기에서 발생되는 자기장에 의해 주위의 전자기기의 동작이 영향을 받는 것을 방지하기 위하여, 공진기에 인접하여 금속 재질의 그라운드 플레인(ground plane)이 배치된다.On the other hand, a ground plane of a metal material is disposed adjacent to the resonator in order to prevent the operation of the surrounding electronic devices from being affected by the magnetic field generated in the resonator.

그라운드 플레인 상에서는 공진기와 반대되는 이미지 전류가 유도되고, 여기서는 공진기에서 발생하는 자기장과 방향이 반대인 자기장이 발생한다. On the ground plane, an image current opposite to the resonator is induced. Here, a magnetic field having a direction opposite to that of the magnetic field generated by the resonator is generated.

도체 상의 자기장과 공진기의 자기장은 서로 상쇄가 되어, 공진기의 Q-factor가 감소하고, 결합계수도 작아지며, 이는 공진기의 전송 효율 감소로 이어지는 문제점이 있다. The magnetic field on the conductor and the magnetic field of the resonator cancel out each other, the Q-factor of the resonator decreases, and the coupling coefficient decreases, which leads to a reduction in the transmission efficiency of the resonator.

본 발명에 대한 선행기술로는 공개특허 2013-0050633 호를 예시할 수 있다. The prior art of the present invention can be exemplified by the disclosure of Japanese Laid-Open Patent Application No. 2013-0050633.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선 전력전송을 위해 페라이트 재질의 차폐재를 그라운드 플레인에 적용하여 전송 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력전송용 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a resonator for a wireless power transmission capable of improving transmission efficiency by applying a ferrite shielding material to a ground plane for wireless power transmission.

또한, 본 발명은 투자율이 낮은 페라이트 재질의 차폐재에 보조 루프를 적용하여 투자율이 높은 차폐재를 사용하는 경우와 같이 전송 효율이 증가될 수 있는 무선 전력전송용 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a resonator for a wireless power transmission in which transmission efficiency can be increased as in the case of using a shielding material having a high magnetic permeability by applying an auxiliary loop to a shielding material of a ferrite material having a low magnetic permeability.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 송신용 공진기와 수신용 공진기가 서로 대향하여 배치되는 무선 전력전송용 공진기로서, 상기 송신용 공진기와 상기 수신용 공진기는, 공진기 본체; 상기 공진기 본체와 이격되어 배치되고 상기 공진기 본체에서 발생되는 자기장을 차폐하는 그라운드 플레인(ground plane); 상기 그라운드 플레인 상에 배치되고 페라이트를 포함하는 차폐재; 및 상기 공진기 본체와 상기 그라운드 플레인 사이에 배치되되 상기 차폐재와 일정 거리 이격되어 배치되는 보조 루프를 포함하는 무선 전력전송용 공진기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a radio power transmission resonator in which a transmission resonator and a reception resonator are disposed opposite to each other, wherein the transmission resonator and the reception resonator comprise: a resonator body; A ground plane spaced apart from the resonator main body and shielding a magnetic field generated in the resonator main body; A shielding material disposed on the ground plane and including ferrite; And an auxiliary loop disposed between the resonator body and the ground plane, the auxiliary loop being spaced apart from the shielding material by a predetermined distance.

상기 공진기 본체와 상기 보조 루프 사이에 충진되는 유전체를 더 포함할 수 있다.And a dielectric filled between the resonator main body and the auxiliary loop.

상기 차폐재의 두께는 1mm 일 수 있다.The thickness of the shielding material may be 1 mm.

상기 보조 루프는 다각형 형태일 수 있다.The auxiliary loop may be in the form of a polygon.

상기 보조 루프는 스파이럴 형태일 수 있다.The auxiliary loop may be in spiral form.

상기 보조 루프의 일변의 길이는 상기 그라운드 플레인의 일변의 길이의 90% 일 수 있다.The length of one side of the auxiliary loop may be 90% of the length of one side of the ground plane.

상기 공진기 본체는 직렬 연결되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다.The resonator body may include a first capacitor connected in series.

상기 보조 루프는 직렬 연결되는 제2 커패시터를 포함할 수 있다.The auxiliary loop may include a second capacitor connected in series.

상기 제1 및 제2 커패시터의 용량은 다음의 수학식에 의해 설정될 수 있다.The capacitance of the first and second capacitors may be set by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

Xn : 공진기에 적용되는 커패시터의 리액턴스값X n : Reactance value of the capacitor applied to the resonator

X1 내지 Xn-1: 각각의 보조루프에 적용되는 커패시터의 리액턴스값X 1 to X n-1 : Reactance value of the capacitor applied to each auxiliary loop

XMN : M번째 보조 루프와 N번째 보조 루프의 상호 인덕턴스의 리액턴스값X MN : The reactance value of the mutual inductance of the Mth auxiliary loop and the Nth auxiliary loop

X11, X22, …, X(N-1)(N-1): 보조 루프의 셀프 인덕턴스의 리액턴스값X 11 , X 22 , ... , X (N-1) (N-1) : reactance value of the self-inductance of the auxiliary loop

XNN: 공진기의 셀프 인덕턴스의 리액턴스 값X NN : Reactance value of the self-inductance of the resonator

IN: 공진기에 흐르는 전류값I N : Current value flowing in the resonator

IN-1: N-1 번째 보조 루프에 흐르는 전류값이다. I N-1 : Current value flowing through the (N-1) th auxiliary loop.

상기와 같은 본 발명은, 무선 전력전송을 위해 페라이트 재질의 차폐재를 그라운드 플레인에 적용하여 전송 효율을 향상시킬 수 있다. The present invention can improve the transmission efficiency by applying a shielding material of ferrite material to the ground plane for wireless power transmission.

또한, 본 발명은 투자율이 낮은 페라이트 재질의 차폐재에 보조 루프를 적용하여 투자율이 높은 차폐재를 사용하는 경우와 같이 전송 효율이 증가될 수 있다.Further, the present invention can increase transmission efficiency as in the case of using a shielding material having a high magnetic permeability by applying an auxiliary loop to a shielding material of a ferrite material having a low magnetic permeability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공진기의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 상세도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진기의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 B 부분의 상세도면이다.1 is a perspective view showing a configuration of a resonator according to an embodiment of the present invention.
2 is a side view showing the configuration of the resonator shown in Fig.
3 is a perspective view illustrating a configuration of a resonator according to an embodiment of the present invention.
4 is a detailed view of a portion A in Fig.
5 is a perspective view illustrating a configuration of a resonator according to another embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a detailed view of a portion B in Fig. 5;

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 공진기의 구성을 나타내는 측면도이다.FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a resonator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view showing the configuration of the resonator shown in FIG.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기(100)는 송신용 공진기(110)와 수신용 공진기(120)를 포함한다. 여기서 송신용 공진기(110)와 수신용 공진기(120)는 서로 동일한 형태와 크기로 이루어질 수 있고, 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 본 실시예에서, 송신용 공진기(110)와 수신용 공진기(120)의 이격 거리는 20cm 이지만, 이는 사용자의 필요에 따라 증감될 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, a resonator 100 according to an embodiment of the present invention includes a transmission resonator 110 and a reception resonator 120. Here, the transmission resonator 110 and the reception resonator 120 may have the same shape and size, and may be separated by a predetermined distance. In this embodiment, the separation distance between the transmission resonator 110 and the reception resonator 120 is 20 cm, but this can be increased or decreased according to the needs of the user.

또한, 송신용 공진기(110)와 수신용 공진기(120)는 서로 동일한 구성 요소를 포함하고, 서로 대칭되는 형태로 배치되므로, 수신용 공진기(120)의 구성 요소에 대해서는 관련된 도면 부호를 사용하고, 송신용 공진기(110)의 구성만을 설명하기로 하고, 한다. Since the transmitting resonator 110 and the receiving resonator 120 include the same components and are disposed symmetrically with respect to each other, Only the configuration of the transmission resonator 110 will be described.

송신용 공진기(110)는 공진기 본체(112), 그라운드 플레인(ground plane)(114), 차폐재(116) 및 보조 루프(118)를 포함한다. The transmission resonator 110 includes a resonator body 112, a ground plane 114, a shielding material 116, and an auxiliary loop 118.

공진기 본체(112)는 사용자가 필요로 하는 다양한 형태일 수 있다. 본 실시예에서, 공진기 본체(112)는 사각형 형태이지만, 육각형과 같은 다각형이거나 원형으로 형성될 수 있다. 또한, 공진기 본체(112)는 소정의 턴(turn) 수를 갖는 스파이럴 형태일 수도 있다. The resonator body 112 may be of various shapes as required by the user. In this embodiment, the resonator body 112 is of a rectangular shape, but may be formed of a polygon such as a hexagon or a circular shape. Also, the resonator body 112 may be in the form of a spiral having a predetermined number of turns.

공진기 본체(112) 상에는 제1 커패시터(Cr)가 직렬 연결될 수 있다. 제1 커패시터(Cr)의 용량에 대해서는 후술하기로 한다.A first capacitor (Cr) may be connected in series on the resonator body 112. Capacity of the first capacitor Cr will be described later.

그라운드 플레인(ground plane)(114)은 도전성 재질로서 공진기 본체(112)와 다른 기기와의 사이에 배치되어, 공진기 본체(112)에서 발생되는 자기장을 차폐한다. A ground plane 114 is disposed between the resonator body 112 and another device as a conductive material to shield the magnetic field generated in the resonator body 112.

그라운드 플레인(114)은 공진기 본체(112)와 일정 거리 이격되어 배치된다. 그라운드 플레인(114)의 면적은 공진기 본체(112)의 면적보다 클 수 있다. 예를 들어, 그라운드 플레인(114)의 가로 세로 길이가 20cm 일 수 있고, 공진기 본체(112)의 가로 세로 길이는 10cm일 수 있지만, 그 크기는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.The ground plane 114 is spaced apart from the resonator body 112 by a certain distance. The area of the ground plane 114 may be larger than the area of the resonator main body 112. For example, the length of the ground plane 114 may be 20 cm, and the length of the resonator body 112 may be 10 cm. However, the size may be variously set according to the needs of the user.

차폐재(116)는 그라운드 플레인(114) 상에 배치되어 공진기 본체(112)의 자기장과 그라운드 플레인(114)이 자기장이 서로 상쇄되는 것을 방지한다. 차폐재(116)는 페라이트(ferrite)를 포함한다. The shielding member 116 is disposed on the ground plane 114 so that the magnetic field of the resonator body 112 and the ground plane 114 prevent the magnetic field from being offset from each other. The shielding material 116 includes ferrite.

차폐재(116)는 코팅 공정에 의해 그라운드 플레인(114) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 차폐재(116)의 두께는 1mm 인 것이 바람직하다. The shielding material 116 may be disposed on the ground plane 114 by a coating process. Here, the thickness of the shielding material 116 is preferably 1 mm.

차폐재(116)가 포함하는 페라이트는 소정의 투자율을 갖는다. 투자율은 자기장의 영향을 받아 자화할 때에 생기는 자기력선속밀도와 진공 중에서 나타나는 자기장 세기의 비를 말하며 '자기유도용량', '자기투과율'이라고도 한다. 차폐재의 투자율이 높을수록 자계 차폐 효율이 높고, Q-factor감소 및 전송효율 감소를 방지할 수 있지만, 차폐재의 손실률과 비용이 증가할 수 있다. The ferrite included in the shielding material 116 has a predetermined permeability. The magnetic permeability refers to the ratio of the density of the magnetic field generated in the magnetic field due to the influence of the magnetic field to the intensity of the magnetic field appearing in the vacuum, and is also referred to as 'magnetic induction capacity' or 'magnetic permeability'. The higher the magnetic permeability of the shielding material is, the higher the magnetic shielding efficiency, the lowering of the Q-factor and the reduction of the transmission efficiency can be prevented, but the loss factor and cost of the shielding material can be increased.

페라이트의 투자율은 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.The permeability of the ferrite can be variously set according to the needs of the user.

보조 루프(118)는 공진기 본체(112)와 자계 결합하여 공진기 본체(112)와 같은 방향으로 전류가 유도될 수 있도록 한다. 따라서, 보조 루프(118)에서 발생되는 자기장은 공진기 본체(112)의 자기장과 결합되어 공진기 본체(112)의 자기장이 강화되도록 한다. The auxiliary loop 118 is magnetically coupled to the resonator body 112 so that current can be induced in the same direction as the resonator body 112. Accordingly, the magnetic field generated in the auxiliary loop 118 is combined with the magnetic field of the resonator body 112, so that the magnetic field of the resonator body 112 is strengthened.

보조 루프(118)는 차폐재(116)가 코팅된 그라운드 플레인(114) 상에 배치된다. 여기서, 보조 루프(118)의 일변의 길이는 그라운드 플레인(114)의 일변의 길이의 90%일 수 있지만, 이는 사용자의 필요에 따라 증감될 수 있다. The auxiliary loop 118 is disposed on the ground plane 114 coated with the shielding material 116. Here, the length of one side of the auxiliary loop 118 may be 90% of the length of one side of the ground plane 114, but this can be increased or decreased according to the needs of the user.

보조 루프(118)는 사각형 또는 육각형과 같은 다각형 형태로 형성될 수 있다. 또한, 보조 루프(118)는 소정의 턴수를 갖는 스파이럴(spiral) 형태일 수 있다. 본 실시예에서, 공진기 본체(112), 그라운드 플레인(114) 및 보조 루프(118)는 정사각형 인 것으로 상정하여 설명하기로 한다.The auxiliary loop 118 may be formed in a polygonal shape such as a square or a hexagon. In addition, the auxiliary loop 118 may be in the form of a spiral having a predetermined number of turns. In the present embodiment, it is assumed that the resonator main body 112, the ground plane 114, and the auxiliary loop 118 are square.

보조 루프(118)는 단일개로 배치될 수 있지만, 복수개로 배치될 수도 있다. 즉, 보조 루프(118)는 차폐재(116)의 상부에 단일개로 배치될 수 있지만, 차폐재(116)의 상부에 복수개로 배치될 수도 있다. The auxiliary loops 118 may be arranged in a single unit, but may be arranged in a plurality of units. That is, the auxiliary loops 118 may be disposed on the upper side of the shielding member 116 in a single unit, but may be disposed on the upper side of the shielding member 116 in plurality.

또한, 보조 루프(118)는 차폐재(116)의 전면과 후면에 각각 배치될 수 있다. Further, the auxiliary loops 118 may be disposed on the front surface and the rear surface of the shield material 116, respectively.

한편, 보조 루프(118)에는 제2 커패시터(capacitor)(Ca)가 연결될 수 있다. 제2 커패시터(Ca)는 그 용량 조절에 의해 보조 루프(118)와 공진기간의 전송 효율 조절이 가능하다. 여기서, 공진기의 전송 효율을 향상시키기 위해서는 제1 및 제2 커패시터(Cr, Ca)의 용량 조절을 최적화할 필요가 있다. Meanwhile, a second capacitor (Ca) may be connected to the auxiliary loop (118). The second capacitor Ca is capable of adjusting the transmission efficiency of the resonant period with the auxiliary loop 118 by adjusting its capacitance. Here, in order to improve the transmission efficiency of the resonator, it is necessary to optimize the capacity adjustment of the first and second capacitors Cr and Ca.

커패시터의 용량 조절은 다음과 같은 수학식 1에 의해 수행될 수 있다.
Capacity adjustment of the capacitor can be performed by Equation (1) below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, here,

Xn : 공진기에 적용되는 커패시터의 리액턴스값X n : Reactance value of the capacitor applied to the resonator

X1 내지 Xn-1: 각각의 보조루프에 적용되는 커패시터의 리액턴스값X 1 to X n-1 : Reactance value of the capacitor applied to each auxiliary loop

XMN : M번째 보조 루프와 N번째 보조 루프의 상호 인덕턴스의 리액턴스값X MN : The reactance value of the mutual inductance of the Mth auxiliary loop and the Nth auxiliary loop

X11, X22, …, X(N-1)(N-1): 보조 루프의 셀프 인덕턴스의 리액턴스값X 11 , X 22 , ... , X (N-1) (N-1) : reactance value of the self-inductance of the auxiliary loop

XNN: 공진기의 셀프 인덕턴스의 리액턴스 값X NN : Reactance value of the self-inductance of the resonator

IN: 공진기에 흐르는 전류값I N : Current value flowing in the resonator

IN-1: N-1 번째 보조 루프에 흐르는 전류값
I N-1 : Current value flowing in the (N-1) th auxiliary loop

상기한 [수학식 1]은 보조 루프의 사용 개수가 N-1 개이고, 공진기 본체가 1개가 설치된 경우의 예이다. 따라서, 보조 루프가 단일개로 배치되는 경우, 공진기와 함께 루프 전체 개수는 2가 되고, 이에 따라 2x2 매트릭스가 설정된다. Equation (1) above is an example in which the number of auxiliary loops used is N-1 and one resonator body is installed. Therefore, when the auxiliary loops are arranged in a single loop, the total number of loops together with the resonator becomes 2, and thus a 2x2 matrix is set.

수학식 2는 보조 루프가 단일개인 경우에 설정되는 매트릭스를 나타낸다.Equation 2 represents a matrix that is set when the auxiliary loop is single.

Figure pat00003
Figure pat00003

수학식 2에서 X1은 보조루프에 적용되는 커패시터의 리액턴스 값을 의미하며 ??j/ωCa로 표현할 수 있다. X2는 공진기에 적용되는 커패시터의 리액턴스 값을 의미하며 ??j/(ωCr)로 표현할 수 있다. X11은 보조루프의 셀프 인덕턴스의 리액턴스 값을 의미하며 jωLr로 표현할 수 있다. X12 또는 X21은 보조루프와 공진기 사이의 상호 인덕턴스의 리액턴스 값을 의미하며 jωM으로 표현할 수 있다. In Equation (2), X 1 denotes a reactance value of a capacitor applied to the auxiliary loop, and can be expressed by ?? j /? Ca. X 2 means the reactance value of the capacitor applied to the resonator and can be expressed as ?? j / (? Cr). X 11 is the reactance value of the self-inductance of the auxiliary loop and can be expressed as jωLr. X 12 or X 21 means the reactance value of the mutual inductance between the auxiliary loop and the resonator and can be expressed as jωM.

또한, X22는 공진기의 셀프 인덕턴스의 리액턴스 값을 의미한다. 그리고 전류를 표현하는 I1 는 보조루프에 흘려지는 전류를 의미하며, I2는 공진기에 흐르는 전류를 표현한다.X 22 denotes a reactance value of the self-inductance of the resonator. I 1 representing the current means the current flowing into the auxiliary loop, and I 2 indicates the current flowing in the resonator.

먼저, 보조루프에 흘려지는 전류와 공진기에 인가되는 전류 비를 정의한 후, 매트릭스 연산을 통해 Ca 및 Cr의 용량을 결정할 수 있다. 예를 들어 보조루프와 공진기에 흘려지는 전류비를 [I1 : I2] = [0.1 : 1]로 정의 할 수 있다. 그 후 매트릭스 연산을 통해 각각의 캐패시턴스 값을 구할 수 있다. 그리고 얻어진 캐패시턴스값들을 적용하여 공진기의 Q-factor 및 공진기간 전송효율을 구할 수 있다. First, after defining the current flowing in the auxiliary loop and the current ratio applied to the resonator, the capacity of Ca and Cr can be determined through matrix calculation. For example, the current ratio to the auxiliary loop and the resonator can be defined as [I 1 : I 2 ] = [0.1: 1]. Then, each capacitance value can be obtained through a matrix operation. The Q-factor and the resonant period transmission efficiency of the resonator can be obtained by applying the obtained capacitance values.

상기와 같은 방법으로 최적 전류비를 정의하여 공진기간의 전송효율이 최대가 되게 하는 캐패시턴스를 얻을 수 있으며 이때 최대 전송효율을 얻을 수 있다. By defining the optimum current ratio as described above, a capacitance that maximizes the transmission efficiency of the resonance period can be obtained, and the maximum transmission efficiency can be obtained at this time.

또한, 보조루프가 2개라면 3x3매트릭스 연산을 통해 보조루프 2개와 공진기의 최적 캐패시턴스를 얻을 수 있으며 최대 효율이 나오도록 최적화 할 수 있다.Also, if there are two auxiliary loops, the optimal capacitance of two auxiliary loops and the resonator can be obtained through 3x3 matrix operation and optimized to maximize efficiency.

상기와 같이 구성된 공진기의 전송 효율을 측정해보기로 한다. The transmission efficiency of the resonator constructed as described above will be measured.

다음과 같은 실험 조건에서 전송 효율의 측정이 이루어졌다. The transmission efficiency was measured under the following experimental conditions.

배치상태 1Batch state 1 배치상태 2Batch state 2 배치상태 3Batch state 3 배치상태 4Batch Status 4 배치상태 5Batch Status 5 Q factorQ factor 469469 274274 476476 523523 481481 KappaKappa 0.00690.0069 0.00080.0008 0.00390.0039 0.00600.0060 0.00790.0079 전송효율Transmission efficiency 5454 1One 3636 5959 5959

송신용 공진기(110)와 수신용 공진기(120)의 이격거리 20cm이고, 보조 루프의 일변의 길이는 18cm이며, 폭은 1.4cm이다. 또한, 보조 루프와 공진기의 폭의 차이는 Wr=1cm이고, 보조 루프와 공진기의 이격 거리는 1cm, 제1 캐피시터(Cr)의 용량은 2556pF, 제2 커패시터(Ca)의 용량은 894pF이고, 차폐재의 두께는 1mm 일 수 있다.The distance between the transmitting resonator 110 and the receiving resonator 120 is 20 cm, the length of one side of the auxiliary loop is 18 cm, and the width is 1.4 cm. The distance between the auxiliary loop and the resonator is 1 cm, the capacitance of the first capacitor (Cr) is 2556 pF, the capacitance of the second capacitor (Ca) is 894 pF, The thickness may be 1 mm.

상기 [표 1]에서 배치 상태는 공진기의 구성 상황을 나타내는 것으로서, 배치상태 1은 공진기만 배치된 경우, 배치상태 2는 공진기와 그라운드 플레인이 배치된 경우, 배치상태 3은 공진기, 그라운드 플레인, 차폐재가 배치되고 차폐재의 투자율이 50인 경우, 배치상태 4는 공진기, 그라운드 플레인, 차폐재가 배치되고 차폐재의 투자율이 200인 경우이다. 또한, 배치상태 5는 공진기, 그라운드 플레인, 차폐재 및 보조 루프가 배치되고 차폐재의 투자율이 50인 경우이다. In the arrangement state 1, only the resonator is disposed. In the arrangement state 2, the resonator and the ground plane are disposed. In the arrangement state 3, the resonator, the ground plane, And the permeability of the shielding material is 50, the arrangement state 4 is a case where the resonator, the ground plane, and the shielding material are disposed and the magnetic permeability of the shielding material is 200. In the arrangement state 5, the resonator, the ground plane, the shielding material, and the auxiliary loop are disposed, and the shielding material has a permeability of 50.

[표 1]을 살펴보면, 배치 상태 1에서의 전송 효율은 54%로 측정되었다. 배치 상태2에서는 그라운드 플레인에 의해 전송 효율은 1%로 측정되었다. 배치 상태3에서는 전송 효율이 36%로 측정되었다. 배치 상태 4는 전송 효율이 59%로 측정되었으며, 이는 투자율이 더 높는 페라이트를 차폐재로 사용하는 경우와 동일함을 알 수 있다. Looking at [Table 1], the transmission efficiency in batch 1 was measured at 54%. In the arrangement state 2, the transmission efficiency was measured at 1% by the ground plane. In batch state 3, the transmission efficiency was measured at 36%. In the arrangement state 4, the transmission efficiency was measured to be 59%, which is the same as the case where ferrite having a higher permeability is used as a shielding material.

상기와 같이, 보조 루프를 사용하면 투자율이 낮은 페라이트를 차폐재로 사용하여도, 투자율이 높은 차폐재를 사용하는 경우와 유사한 전송효율을 나타내므로, 페라이트의 손실률과 비용 증가를 방지할 수 있다. As described above, even if ferrite having a low magnetic permeability is used as a shielding material, the transmission efficiency is similar to that in the case of using a shielding material having a high magnetic permeability as described above, so that the loss ratio and cost increase of ferrite can be prevented.

[표 1]에서와 같이 보조 루프와 차폐재가 같이 사용되면 전송효율이 보다 증가됨을 알 수 있다. As shown in [Table 1], when the auxiliary loop and the shielding material are used together, the transmission efficiency is further increased.

한편, 다음과 같이 보조 루프와 그라운드 플레인의 크기를 최적화하여 전송효율을 보다 향상시킬 수도 있다. 이는 다음의 [표 2]에 기재된 바와 같다.On the other hand, the transmission efficiency can be further improved by optimizing the size of the auxiliary loop and the ground plane as follows. This is as shown in the following [Table 2].

L(cm)L (cm) 2020 2020 2020 2020 2020 2020 2020 Sa(cm)Sa (cm) 88 1010 1212 1414 1616 1818 2020 전송효율(%)Transmission efficiency (%) 38.838.8 40.140.1 42.742.7 45.445.4 47.447.4 47.547.5 42.542.5

상기한 [표 2]에서, L은 그라운드 플레인의 일변의 길이이고, Sa는 보조루프의 일변의 길이이다. 상기한 [표 2]에서 알 수 있는 바와 같이, 보조루프의 일변의 길이가 그라운드 플레인의 일변의 길이의 90%일 때, 최적의 전송 효율을 나타냄을 알 수 있다.
In Table 2, L is the length of one side of the ground plane, and Sa is the length of one side of the auxiliary loop. As can be seen from the above Table 2, it can be seen that the optimum transmission efficiency is shown when the length of one side of the auxiliary loop is 90% of the length of one side of the ground plane.

본 발명은, 무선 전력전송을 위해 페라이트 재질의 차폐재를 그라운드 플레인에 적용하여 전송 효율을 향상시킬 수 있고, 투자율이 낮은 페라이트 재질의 차폐재에 보조 루프를 적용하여 투자율이 높은 차폐재를 사용하는 경우와 같이 전송 효율이 증가될 수 있다.The present invention can improve the transmission efficiency by applying a ferrite shielding material to a ground plane for wireless power transmission, and it is also possible to use a shielding material having a high magnetic permeability by applying an auxiliary loop to a shielding material of a ferrite material having a low magnetic permeability The transmission efficiency can be increased.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 공진기
110: 송신용 공진기
120: 수신용 공진기
112: 공진기 본체
114: 그라운드 플레인
116: 차폐재
118: 보조 루프100: Resonator
110: transmitting resonator
120: receiving resonator
112: Resonator main body
114: Ground plane
116: Shielding material
118: auxiliary loop

Claims (9)

송신용 공진기와 수신용 공진기가 서로 대향하여 배치되는 무선 전력전송용 공진기로서,
상기 송신용 공진기와 상기 수신용 공진기는,
공진기 본체;
상기 공진기 본체와 이격되어 배치되고 상기 공진기 본체에서 발생되는 자기장을 차폐하는 그라운드 플레인(ground plane);
상기 그라운드 플레인 상에 배치되고 페라이트를 포함하는 차폐재; 및
상기 공진기 본체와 상기 그라운드 플레인 사이에 배치되되 상기 차폐재와 일정 거리 이격되어 배치되는 보조 루프; 를 포함하는 무선 전력전송용 공진기.A resonator for transmitting and receiving power, the resonator for transmission and the receiving resonator being disposed opposite to each other,
Wherein the transmission resonator and the reception resonator comprise:
A resonator body;
A ground plane spaced apart from the resonator main body and shielding a magnetic field generated in the resonator main body;
A shielding material disposed on the ground plane and including ferrite; And
An auxiliary loop disposed between the resonator main body and the ground plane and spaced apart from the shielding material by a predetermined distance; And a resonator connected to the resonator. 제1항에 있어서,
상기 공진기 본체와 상기 보조 루프 사이에 충진되는 유전체를 더 포함하는 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
And a dielectric filled between the resonator body and the auxiliary loop. 제1항에 있어서,
상기 차폐재의 두께는 1mm 인 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein a thickness of the shielding material is 1 mm. 제1항에 있어서,
상기 보조 루프는 다각형 형태인 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein the auxiliary loop is in the form of a polygon. 제1항에 있어서,
상기 보조 루프는 스파이럴 형태인 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein the auxiliary loop is in a spiral form. 제1항에 있어서,
상기 보조 루프의 일변의 길이는 상기 그라운드 플레인의 일변의 길이의 90% 인 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein a length of one side of the auxiliary loop is 90% of a length of one side of the ground plane. 제1항에 있어서,
상기 공진기 본체는 직렬 연결되는 제1 커패시터를 포함하는 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein the resonator body comprises a first capacitor connected in series. 제1항에 있어서,
상기 보조 루프는 직렬 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 무선 전력전송용 공진기.The method according to claim 1,
Wherein the auxiliary loop comprises a second capacitor connected in series. 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 커패시터의 용량은 다음의 수학식에 의해 설정되는 무선 전력전송용 공진기:
Figure pat00004

Xn : 공진기에 적용되는 커패시터의 리액턴스값
X1 내지 Xn-1: 각각의 보조루프에 적용되는 커패시터의 리액턴스값
XMN : M번째 보조 루프와 N번째 보조 루프의 상호 인덕턴스의 리액턴스값
X11, X22, …, X(N-1)(N-1): 보조 루프의 셀프 인덕턴스의 리액턴스값
XNN: 공진기의 셀프 인덕턴스의 리액턴스 값
IN: 공진기에 흐르는 전류값
IN-1: N-1 번째 보조 루프에 흐르는 전류값이다.
9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein the capacitances of the first and second capacitors are set by the following equations:
Figure pat00004

X n : Reactance value of the capacitor applied to the resonator
X 1 to X n-1 : Reactance value of the capacitor applied to each auxiliary loop
X MN : The reactance value of the mutual inductance of the Mth auxiliary loop and the Nth auxiliary loop
X 11 , X 22 , ... , X (N-1) (N-1) : reactance value of the self-inductance of the auxiliary loop
X NN : Reactance value of the self-inductance of the resonator
I N : Current value flowing in the resonator
I N-1 : Current value flowing through the (N-1) th auxiliary loop.
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