KR20160007702A - Wireless power transport system using magnetic resonance beam steering resonators - Google Patents

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KR20160007702A KR1020140077374A KR20140077374A KR20160007702A KR 20160007702 A KR20160007702 A KR 20160007702A KR 1020140077374 A KR1020140077374 A KR 1020140077374A KR 20140077374 A KR20140077374 A KR 20140077374A KR 20160007702 A KR20160007702 A KR 20160007702A
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이정해
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator. The wireless power transmission system according to the present invention comprises: a source resonator for wirelessly transmitting power according to a designed frequency; one or more relay resonators for receiving and relaying power through the source resonator and magnetic coupling; a receiving resonator for receiving power through magnetic coupling from the relay resonator, and supplying the same to a load; and a beam steering controller for controlling a capacitor value included in one or more resonators of the source resonator, the relay resonator, and the receiving resonator such that the source resonator or the relay resonator steers magnetic beams to the receiving resonator in accordance with the magnetic coupling in a maximum efficiency condition according to the design frequency. The source resonator and the relay resonator are linearly arranged or arranged in a plane shape. According to the present invention, a receiver may be variously disposed by using beam steering. Moreover, multiple receiving resonators are prepared, so selective and focusing power transmission is possible.

Description

자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템{WIRELESS POWER TRANSPORT SYSTEM USING MAGNETIC RESONANCE BEAM STEERING RESONATORS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator,

본 발명은 무선 전력전송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기공명 방식의 빔조향이 가능한 공진기를 포함하는 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wireless power transmission system, and more particularly, to a wireless power transmission system including a resonator capable of steering a beam of a magnetic resonance system.

최근 무선으로 전력을 전송하는 기술에 관한 관심이 점차 증가하고 있다.Recently, there has been an increasing interest in the technology of transmitting power wirelessly.

특히, 스마트폰, 태블릿PC, 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.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. 기존의 기술에서 송신부와 수신부를 위한 두 개의 공진기만을 이용하여 사용하여 왔으며, 이 경우에는 전력전송을 위한 거리 및 위치에 한계가 있다. 그러므로 거리 증대 및 위치의 자유도를 높이기 위한 여러 가지 방법에 대한 모색이 있었으며, 다수의 공진기를 이용하는 시스템이 제시되고 있다. 이러한 시스템은 송신부와 수신부 사이를 연결해 주는 하나 이상의 중계 공진기를 포함하거나, 다수의 수신기를 포함하여 전체를 하나의 전력전송 시스템으로 설계하는 것으로서 같은 거리에서 기존의 두 개의 공진기만을 포함하는 시스템에 비해 더욱 높은 전송 효율을 나타내거나 여러 개의 수신기에 대한 전송이 가능하다.A wireless power transmission system using resonance characteristics includes a transmitting unit for supplying electric power and a receiving unit for receiving electric power. In the conventional technique, only two resonators for the transmitter and the receiver have been used. In this case, the distance and the position for the power transmission are limited. Therefore, various methods for increasing the distance and the degree of freedom of position have been searched, and a system using a plurality of resonators has been proposed. Such a system includes one or more relay resonators for connecting between a transmitter and a receiver, or designing the entire system including a plurality of receivers as a single power transmission system. In this system, as compared with a system including only two existing resonators at the same distance High transmission efficiency or transmission to multiple receivers is possible.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0004321호(2011.01.13 공개)에 기재되어 있다.The technology that is the background of the present invention is described in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-0004321 (published on Jan. 13, 2011).

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자기공명 방식의 빔조향이 가능한 공진기를 포함하는 무선 전력전송 시스템을 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a wireless power transmission system including a resonator capable of steering a beam of a magnetic resonance system.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템은, 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하는 하나 이상의 소스 공진기; 상기 소스 공진기와 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 중계하는 하나 이상의 중계 공진기; 상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기로부터 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 부하로 공급하는 하나 이상의 수신 공진기; 및 상기 설계 주파수에 따른 최대 효율 조건에서 상기 마그네틱 커플링에 따라 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기가 상기 수신 공진기에 마그네틱 빔을 조향하도록 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 중에서 하나 이상의 공진기에 포함된 커패시터 값을 제어하는 빔조향 제어기를 포함하고, 상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기는 일렬로 배열되거나 평면 형태로 배열된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmission system using a MRI beam steering resonator, including: at least one source resonator for wirelessly transmitting power according to a design frequency; One or more relay resonators for receiving and relaying power by the source resonator and magnetic coupling; At least one receiving resonator for receiving power from the source resonator and the relay resonator by magnetic coupling and supplying the received power to a load; And wherein the source resonator or the relay resonator is included in at least one resonator among the source resonator, the relay resonator and the receive resonator so as to steer the magnetic beam to the receive resonator in accordance with the magnetic coupling at the maximum efficiency condition according to the design frequency Wherein the source resonator and the relay resonator are arranged in a line or in a planar form.

또한, 상기 빔조향 제어기는, 다음의 수학식을 통하여 상기 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류의 크기를 연산할 수 있다:Further, the beam steering controller can calculate the magnitude of the current flowing in the source resonator, the relay resonator, and the reception resonator through the following equation:

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn -1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕터 값, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류 값을 나타낸다.Here, Vs is the source voltage of the transmission resonator, R 1 is the equivalent resistance, R 2 to R n -1 is the equivalent resistance, R n is the receiving circuit resonators included in the relay resonator circuit contained in the source resonator circuit Where Mmn is the mutual inductance between the mth resonator and the nth resonator, ω is the design frequency, R L is the load contained in the receive resonator circuit, and C 1 through C n are the n resonators L 1 to L n denote inductor values respectively included in n resonators, and I 1 to I n denote current values flowing in n resonators, respectively.

또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수학식을 이용하여 다음의 최대 효율 값을 연산하고, 효율이 상기 연산된 최대 효율이 되도록 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 커패시터 값을 제어할 수 있다.Also, the beam steering controller may calculate the following maximum efficiency value using the above equation and control the capacitor value using a genetic algorithm so that the efficiency becomes the calculated maximum efficiency.

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 중계 공진기에 포함된 커패시터 값을 다음의 수학식 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 하나의 커패시터 값으로 제어할 수 있다.Also, the beam steering controller may control the capacitor value included in the relay resonator to one capacitor value using the following equation or a genetic algorithm.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, CR은 상기 중계 공진기의 커패시터 값이다.Here, C R is a capacitor value of the relay resonator.

또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 소스 공진기의 커패시터(C1) 값을 다음의 수학식에 따라 입력 임피던스(Zin)의 허수부가 0이 되도록 제어할 수 있다. Also, the beam steering controller may control the capacitor C 1 of the source resonator so that the imaginary part of the input impedance Z in becomes 0 according to the following equation.

Figure pat00004
Figure pat00004

또한, 상기 빔조향 제어기는, 빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 상기 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어할 수 있다. Also, the beam steering controller may store the capacitor value of the resonators according to the beam steering mode and transmit the position information of the reception resonator, thereby controlling the capacitor value of the resonator.

또한, 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 각각은, 다각형 또는 원형의 폐루프 형태에 해당할 수 있다.In addition, each of the source resonator, the relay resonator, and the reception resonator may correspond to a closed loop shape of a polygonal or circular shape.

또한, 상기 폐루프는, 단일 루프, 다중 루프, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당할 수 있다.Also, the closed loop may correspond to at least one of a single loop, a multi-loop, a spiral structure, and a helix structure.

또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수신 공진기가 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기 중에서 빔 조향되어 전력을 최종적으로 전달받는 하나의 공진기를 선택하도록 상기 커패시터 값을 제어할 수 있다.In addition, the beam steering controller may control the capacitor value so that the receiving resonator selects one resonator that is beam-steered to receive power in the source resonator or the relay resonator.

또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수신 공진기의 위치에 관한 정보를 이용하여 상기 빔조향을 위한 커패시터 값을 제어할 수 있다.Also, the beam steering controller may control the value of the capacitor for beam steering by using information about the position of the receiving resonator.

또한, 상기 수신 공진기는, 복수의 수신 공지기로서 상기 중계 공진기 또는 상기 소스 공진기로부터 직접적으로 전송받은 전체 전력을 상기 마그네틱 빔의 조향에 따라 복수의 수신 공진기가 서로 분할하여 전송받을 수 있다.In addition, the reception resonator may receive a plurality of reception notices, and the plurality of reception resonators may receive and transmit the entire power directly received from the relay resonator or the source resonator according to the steering of the magnetic beam.

또한 상기 수신 공진기는, 공진 주파수를 가지는 커패시터 값을 가질 수 있다. Also, the reception resonator may have a capacitor value having a resonance frequency.

본 발명인 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템에 따르면, 빔조향을 이용하여 수신기의 다양한 배치가 가능하다. 또한, 다수의 수신 공진기를 구비하여 선택적이고 집중적인 전력전송이 가능하다.According to the wireless power transmission system using the magnetic resonance beam steering resonator of the present invention, various arrangements of the receiver are possible by using the beam steering. In addition, a plurality of receiving resonators are provided to enable selective and intensive power transmission.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
도 3은 도2b의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
도 5는 도 4의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진기의 평면 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 3차원 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.
1 is a circuit diagram illustrating a wireless power transmission system according to one embodiment of the present invention.
2A and 2B are schematic circuit diagrams according to the first embodiment of the present invention.
3 is a simulation distribution diagram of a magnetic beam according to the circuit diagram of FIG. 2B.
4 is a schematic circuit diagram according to a second embodiment of the present invention.
5 is a simulation distribution diagram of a magnetic beam according to the circuit diagram of FIG.
6 is a schematic circuit diagram showing a planar arrangement of a resonator according to a third embodiment of the present invention.
7 is a schematic circuit diagram showing a three-dimensional arrangement of a source resonator and at least one relay resonator according to a fourth embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "including" an element, it is to be understood that the element may include other elements as well as other elements, And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기 및 하나 이상의 수신 공진기를 포함한다. 또한, 중계 공진기를 통하지 않고 소스 공진기와 하나 이상의 수신 공진기만을 포함할 수 있다.A wireless power transmission system according to the present invention includes one source resonator, one or more relay resonators, and one or more reception resonators. In addition, it is possible to include only the source resonator and one or more reception resonators without passing through the relay resonator.

각각의 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기는 폐루프를 구성한다. 여기서, 폐루프는 원형 또는 다각형 형태일 수 있다. 또한, 폐루프는 단일 루프 구조, 다중 루프 구조, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당될 수 있다. 또한, 각각의 공진기는 공통적으로 인덕턴스 성분과 커패시터 성분을 포함하며, 커패시터 성분을 나타내는 커패시터 소자는 회로에 대해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.Each of the source resonator, the relay resonator and the reception resonator constitutes a closed loop. Here, the closed loop may be in a circular or polygonal form. Further, the closed loop may correspond to at least one structure of a single loop structure, a multiple loop structure, a spiral structure, and a helix structure. Further, each resonator commonly includes an inductance component and a capacitor component, and the capacitor elements representing the capacitor component may be connected in parallel or in series to the circuit.

각각의 공진기는 다음의 수학식 1로 표현되는 공명 특성을 갖는다.Each resonator has a resonance characteristic represented by the following equation (1).

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, f는 공진기의 공진 주파수, L은 공진기의 인덕턴스, C는 공진기에 연결된 커패시턴스다.Where f is the resonance frequency of the resonator, L is the inductance of the resonator, and C is the capacitance connected to the resonator.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a wireless power transmission system according to one embodiment of the present invention.

도 1에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기, 수신 공진기 및 공진 제어기(미도시)를 포함한다. 여기서, 수신 공진기는 하나 또는 그 이상 구비될 수 있다.1, a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention includes one source resonator, one or more relay resonators, a reception resonator, and a resonant controller (not shown). Here, one or more reception resonators may be provided.

먼저 소스 공진기는 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하며, 소스 전원(Vs), 커패시터(C1). 저항(R1) 및 인덕터(L1)가 직접 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다.First, the source resonator transmits power wirelessly according to the design frequency, and the source power (V s ), the capacitor (C 1 ). The resistor R 1 and the inductor L 1 are directly connected to each other.

복수의 중계 공진기는 소스 공진기로부터 수신된 전력을 마그네틱 커플링에 의해 후단에 설치된 수신 공진기로 전달하는 역할을 하며, 인덕터(L2, …, Ln -1), 저항(R2, …, Rn -1), 커패시터(C2, …, Cn -1)가 직렬 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다.The plurality of relay resonators serve to transmit the power received from the source resonator to a reception resonator provided at the subsequent stage by magnetic coupling. The inductor L 2 , ..., L n -1 , the resistors R 2 , ..., R n -1 ) and capacitors (C 2 , ..., C n -1 ) connected in series.

다음으로 수신 공진기는 중계 공진기로부터 전력을 수신하여 부하로 전력을 공급하며, 인덕터(Ln), 커패시터(Cn), 저항(Rn), 부하(RL)가 직렬 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다. 수신 공진기는 개수는 하나인 것이 바람직하나 전력을 배분하여 부하에 공급하는 경우 하나 이상의 수신 공진기가 구비될 수 있다.Next, the receiving resonator receives a power from the relay resonator to supply power to the load, and has a closed circuit form in which an inductor L n , a capacitor C n , a resistor R n , and a load R L are connected in series . It is preferable that the number of the reception resonators is one, but in case of distributing the power and supplying the power to the load, one or more reception resonators may be provided.

소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기는 상호 마그네트 커플링을 형성하며, 마그네틱 커플링을 통하여 전력을 송수신한다.The source resonator, the at least one relay resonator, and the reception resonator form mutual magnet coupling, and transmit / receive power through the magnetic coupling.

상기의 전력의 송수신을 위하여, 도 1에는 도시하지 않았으나, 빔조향(beam steering) 제어기는 설계 주파수에서 최대 전력 전달 효율이 되도록 그리고 중계 공진기에서 수신 공진기로 다양한 빔조향이 가능하도록 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 포함된 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)의 값을 제어한다.Although not shown in FIG. 1, the beam steering controller may include a source resonator to provide maximum power transfer efficiency at the design frequency, and a source resonator to enable various beam steering from the relay resonator to the receive resonator. (C 1 , C 2 , ..., C n -1 , C n ) included in the relay resonator and the reception resonator.

여기서, 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)는 가변 커패시터로 구현되며, 빔조향 제어기(미도시)는 무선 통신을 통하여 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 포함된 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)의 값을 조절한다.Here, the capacitors C 1 , C 2 , ..., C n -1 , C n are implemented as variable capacitors, and the beam steering controller (not shown) is connected to the source resonator, the at least one relay resonator, (C 1 , C 2 , ..., C n -1 , C n ).

다만, 수신 공진기는 공진 주파수를 가지는 커패시터 값(Cn)으로 고정될 수도 있다. However, the reception resonator may be fixed to the capacitor value C n having the resonance frequency.

여기서, R1, R2, , Rn은 순차적으로 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기가 자체적으로 갖는 저항 성분이고, L1, L2, …, Ln은 인덕터의 인덕턴스 성분이고, C1, C2,…, Cn은 공진기에 연결된 커패시터의 커패시턴스 성분이다. 그리고 M12, M23, …, Mn -1,n은 공진기와 공진기 간의 상호 인덕턴스 성분을 나타내고, I1, I2, …, IN은 순차적으로 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류를 나타낸다. 즉, 전체 공진기의 개수 N=5인 경우, 1은 소스 공진기, 2, 3, 4는 중계 공진기, 5는 수신 공진기의 첨자를 나타낸다.Here, R 1 , R 2 , and R n are resistance components that the source resonator, the at least one relay resonator, and the reception resonator have in themselves, and L1, L2, ..., , Ln is the inductance component of the inductor, and C1, C2, ... , And Cn is the capacitance component of the capacitor connected to the resonator. And M 12 , M 23 , ... , M n -1, n represent mutual inductance components between the resonator and the resonator, I 1 , I 2 , ... , I N sequentially represent currents flowing in the source resonator, the at least one relay resonator, and the reception resonator. That is, when the total number N of resonators is 5, 1 denotes a source resonator, 2, 3 and 4 denote subscripts of a relay resonator, and 5 denotes subscripts of a receive resonator.

빔조향 제어기에 의한 커패시턴스 제어에 따른 전력전송 과정에서 분배되는 전류 및 효율이 연산되는 과정은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The process of calculating the current and efficiency to be distributed in the power transmission process according to the capacitance control by the beam steering controller can be expressed as follows.

도 1의 회로도에 대해 KVL(Kirchhoff? Voltage Law)을 적용하여 계산한 식이 다음의 수학식 2이다.The equation calculated by applying the Kirchhoff? Voltage Law (KVL) to the circuit diagram of Fig.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 소스 공진기가 하나인 경우, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn -1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕터 값, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류량을 나타낸다.If here, one is the source cavity, Vs is transmitted voltage, R 1 is an equivalent resistance that is included in the source resonator circuit, R 2 to R n -1 is the equivalent resistance includes the relay resonator circuit in the source cavity, R n indicates an equivalent resistance that is included in the reception resonator circuit, Mmn is the m-th resonator and n mutual inductance between the second cavity, ω is the design frequency, R L denotes a load included in the received resonator circuit, C 1 to C n is a capacitor value included in n resonators, L 1 to L n are inductor values included in n resonators, and I 1 to I n are amounts of current flowing through n resonators, respectively.

수학식 2에서 조절 가능한 커패시터 값 C1 내지Cn 을 제외하고는 모두 설정된 값을 갖는다.All have a set value except for the adjustable capacitor values C 1 to Cn in Equation (2).

다음으로, 수학식 3을 이용하여 소스 공진기에서 수신 공진기에 전달되는 효율을 구할 수 있다.Next, the efficiency to be transmitted from the source resonator to the reception resonator can be obtained using Equation (3).

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, R1 내지 Rn 은 기설정되어 있는 고정된 값이며, I1 내지 In 은 상기 수학식 2를 통해 회로를 구성하는 회로 소자로 표현될 수 있다. 상기 수학식 3에서 RL 만이 변수로 되어 있으므로 상기 수학식 3을 RL 에 대하여 미분하여 그 도함수를 0으로 놓고, RL을 연산하면 상기 효율을 최대로 하는 최적 부하(RLmax)를 얻을 수 있다.Here, R 1 to R n are predetermined fixed values, and I 1 to I n can be expressed by the circuit elements constituting the circuit through the above-mentioned equation (2). Since only R L is a variable in Equation (3), the optimal load R Lmax that maximizes the efficiency can be obtained by differentiating Equation (3) from R L and setting its derivative to 0 and calculating R L have.

수학식 3의 효율식에서 효율을 계산하기 위해 수학식 2를 다음의 수학식 4와 같이 그리고 수학식 3을 다음의 수학식 4와 같이 변형할 수 있다.In order to calculate the efficiency in the efficiency equation of Equation (3), Equation (2) can be modified as shown in Equation (4) and Equation (3) can be modified as Equation (4)

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

수학식 5에서 각각의 등가 저항(R1 내지 Rn) 값은 도 1의 회로에서 측정 가능한 값이며, RL 값은 상기 수학식 3을 이용해 이미 연산된 최적 부하 값이며, 전류(I1 내지 In) 값은 수학식 4의 결과에 의하여 가변 소자인 커패시터 값(C2 내지 Cn)으로 표현되는 값이다. 수학식 5에 상기 측정된 등가 저항(R1 내지 Rn) 값과 연산된 전류(I1 내지 In) 값 및 연산된 최적 부하(RL) 값을 대입하여 정리하면 가변 소자인 커패시터(C2 내지 Cn) 값을 변수로 갖는 최대 효율식이 산출된다.Is possible, each of the equivalent resistors (R 1 to R n) value is measured in the circuit of Figure 1 value in the equation 5, R L value is the optimum load values that have already been calculated using Equation (3), the current (I 1 to I n ) is a value represented by the capacitor value (C 2 to C n ) which is a variable element according to the result of Equation (4). The measured values of the equivalent resistors R 1 to R n , the calculated currents I 1 to I n , and the calculated optimum load R L are substituted into the measured values of the capacitors C 2 to C n ) as a variable is calculated.

수학식 6에서 Zin 는 도 1 회로의 입력 임피던스를 나타낸다. 수학식 7에서 입력 임피던스의 허수부가 0이 되도록 소스 공진기의 커패시터 값(C1)이 정해진다.In Equation (6), Z in represents the input impedance of the circuit of Fig. In Equation (7), the capacitor value (C 1 ) of the source resonator is determined so that the imaginary part of the input impedance becomes zero.

본 발명에 따른 실시예에서 빔조향 제어기는 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 커패시턴스(C1 내지 Cn -1) 값을 제어하여 전류 값 I1 내지 IN - 1 의 값을 조절할 수 있다. 즉, 전류를 조정한다는 것은 개별의 공진기에서 마그네틱 필드(Magnetic Field)를 조정한다는 의미이며, 이를 통해 빔조향(beam steering)이 가능하다. 또한, 빔조향 제어기는 전류 값을 조절하여 수신기에서 송신기로 전달되는 전력전송의 효율을 최대로 할 수 있다.In an embodiment according to the present invention, the beam steering controller may control the values of the current values I 1 through I N - 1 by controlling the values of the capacitances (C 1 through C n -1 ) of the source resonator and the at least one relay resonator. That is, adjusting the current means adjusting the magnetic field in the individual resonator, thereby enabling beam steering. In addition, the beam steering controller can adjust the current value to maximize the efficiency of power transmission from the receiver to the transmitter.

하나의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전력전송 시스템에서 빔조향(beam steering) 제어기는 빔조향을 위한 최적의 커패시턴스를 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하여 찾을 수 있다.In a power transmission system according to an embodiment of the present invention that includes one source resonator, one or more relay resonators, and a receive resonator, a beam steering controller uses the Genetic Algorithm to optimize the capacitance for beam steering Can be found.

유전 알고리즘이란 유전자적으로 우월한 성질의 인자를 찾아내어 시스템 최적화에 도움을 주는 확률 기반의 알고리즘이다. 개별 공진기들의 전류를 조절하고 수신기에서 송신기에 전달되는 전력 전송을 최대로 하기 위한 최적화된 커패시턴스의 값을 유전 알고리즘을 통하여 도출할 수 있다. 이 때 소스 공진기 및 하나 이상의 중계 공진기는 각각의 공진기의 공명 특성을 갖게 하는 커패시턴스 값이 아니라 빔조향 및 최대 효율에 최적화된 공진기마다 개별적인 커패시턴스 값을 갖게 되고 이 때 최대 전력전송 효율을 갖게 된다. 또한 다수의 중계 공진기의 커패시턴스 값은 1개의 값으로 일괄 통일하여도 전력전송 효율을 높게 유지할 수 있는데, 이 때의 커패시턴스 값은 유전 알고리즘을 이용하여 도출 할 수 있고, 수식을 통한 계산식으로도 도출이 가능하다. 이 때 수식은 다음의 수학식 6과 같다.Genetic algorithms are probabilistic algorithms that help to optimize the system by finding genetically superior parameters. The genetic algorithm can be used to derive the value of the optimized capacitance to adjust the currents of the individual resonators and to maximize the power transfer from the receiver to the transmitter. At this time, the source resonator and the at least one relay resonator have individual capacitance values for the resonators optimized for the beam steering and maximum efficiency, not the capacitance values that make the resonance characteristics of the respective resonators, and have the maximum power transmission efficiency at this time. In addition, the capacitance value of a plurality of relay resonators can be maintained at a high power transmission efficiency even if they are collectively grouped into one value. The capacitance value at this time can be derived by using a genetic algorithm, It is possible. At this time, the equation is expressed by the following equation (6).

Figure pat00012
Figure pat00012

이 때, CR은 중계 공진기의 커패시턴스고, 효율식을 CR로 미분하여서 효율이 0이 되는 값을 찾을 수 있다.In this case, C R is the capacitance of the relay resonator, and the efficiency equation is differentiated to C R , so that the efficiency becomes zero.

이하, 본 발명에 따른 무선 전력전송 시스템의 다양한 실시예에 대하여 설명하다.Various embodiments of a wireless power transmission system according to the present invention will now be described.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.2A and 2B are schematic circuit diagrams according to the first embodiment of the present invention.

이하 개략적인 회로도에서 전원을 포함하는 소스 공진기, 부하에 해당하는 저항을 포함하는 수신 공진기 및 커패시터를 포함하는 중계 공진기를 간략하게 나타내었다.In the following schematic circuit diagram, a source resonator including a power source, a receiving resonator including a resistor corresponding to a load, and a relay resonator including a capacitor are shown.

도 2a 및 도 2b와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 1개의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기를 포함한다. 그리고, 도 2a와 같이 수신 공진기는 1개로 이루어질 수도 있고, 도 2b와 같이 복수로 이루어질 수도 있다. 2A and 2B, a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention includes one source resonator and one or more relay resonators. As shown in FIG. 2A, the number of the reception resonators may be one, or may be plural, as shown in FIG. 2B.

특히 도 2b와 같이 중계 공진기의 커패시터 값을 제어하여 중계 공진기에서 복수의 수신 공진기 주위로 형성되는 마그네틱 필드의 밀도를 조정함으로써 원하는 수신 공진기 쪽으로 빔 조향이 가능하게 된다.In particular, as shown in FIG. 2B, it is possible to steer the beam toward the desired reception resonator by controlling the capacitor value of the relay resonator to adjust the density of the magnetic field formed around the plurality of reception resonators in the relay resonator.

즉, 빔조향 제어기는 빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어할 수 있다. That is, the beam steering controller stores the capacitor value of the resonators according to the beam steering mode, and can transmit the position information of the reception resonator, thereby controlling the capacitor value of the resonator.

도 2b에서 우측 대비 좌측의 수신 공진기에 마그네틱 필드가 집중되도록 커패시터 값을 제어하였다.In FIG. 2B, the capacitor value is controlled so that the magnetic field is concentrated on the reception resonator on the left side of the right side.

도 3은 도 2b의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다. 도 3의 결과를 통하여 마그네틱 빔의 조향에 따라 좌측의 수신 공진기에 마그네틱 필드가 집중됨을 알 수 있다.3 is a simulation distribution diagram of a magnetic beam according to the circuit diagram of FIG. 2B. 3, it can be seen that the magnetic field is concentrated on the left reception resonator according to the steering of the magnetic beam.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.4 is a schematic circuit diagram according to a second embodiment of the present invention.

도 4에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기와 두 개의 수신 공진기를 포함하는 것으로 도시하였다. 도 4에서 소스 공진기에서 전송된 전력은 중계 공진기를 거치지 아니하고 직접 수신 공진기로 전송됨을 알 수 있다. 이 경우, 2개의 수신 공진기 각각은 마그네틱 빔 조향에 따라 전송된 전력을 분할하여 전송 받을 수 있다. 즉 2개의 수신기 각각에 5:5 로 전력이 분배된다. 또한, 2개의 수신기가 중계 공진기를 거쳐서 전력을 전달 받도록 실시예를 구성할 수도 있다.In FIG. 4, a wireless power transmission system according to one embodiment of the present invention is shown to include one source resonator and two receive resonators. In FIG. 4, it can be seen that the power transmitted from the source resonator is directly transmitted to the reception resonator without passing through the relay resonator. In this case, each of the two reception resonators can be transmitted by dividing the transmitted power according to the magnetic beam steering. That is, the power is distributed at 5: 5 to each of the two receivers. In addition, embodiments may be configured such that two receivers receive power through the relay resonator.

도 5는 도 4의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.5 is a simulation distribution diagram of a magnetic beam according to the circuit diagram of FIG.

도 5의 분포도에서 동일한 분포의 마그네틱 필드가 좌측와 우측에 형성됨을 알 수 있다. It can be seen that the magnetic fields of the same distribution are formed on the left and right sides in the distribution diagram of FIG.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진기의 평면 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.6 is a schematic circuit diagram showing a planar arrangement of a resonator according to a third embodiment of the present invention.

도 6에서, 행렬 형태로 하나의 평면에 배치되는 소스 공진기와 중계 공진기의 배열이 나타나 있다. 이 경우, 일렬로 배열되는 공진기와 비교하여 복합적인 마그네틱 빔의 분포도가 형성될 수 있다.In Fig. 6, an arrangement of a source resonator and a relay resonator arranged in one plane in a matrix form is shown. In this case, a distribution map of a complex magnetic beam can be formed as compared with a resonator arranged in a line.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 3차원 배열을 나타내는 구성도이다.7 is a configuration diagram showing a three-dimensional arrangement of a source resonator and at least one relay resonator according to a fourth embodiment of the present invention.

도 7에서, 평면에 배치되는 수신 공진기와 중계 공진기의 셋트가 복수 개 구비되면서 3차원적으로 배치될 수 있다. 여기서, 수신 공진기는 컴퓨터, 휴대용 전화기 및 에어컨과 같은 부하에 전력을 전송 받아 공급한다.In FIG. 7, a plurality of sets of reception resonators and relay resonators arranged in a plane may be provided and arranged three-dimensionally. Here, the reception resonator receives and supplies power to a load such as a computer, a portable telephone, and an air conditioner.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템에 따르면, 빔조향을 이용하여 수신기의 다양한 배치가 가능하다. 또한, 다수의 수신 공진기를 구비하여 선택적이고 집중적인 전력전송이 가능하다.As described above, according to the wireless power transmission system using the beam steering resonator according to the embodiment of the present invention, it is possible to arrange various types of receivers using beam steering. In addition, a plurality of receiving resonators are provided to enable selective and intensive power transmission.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but should be construed to include various embodiments within the scope of the claims and equivalents thereof.

Claims (12)

설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하는 하나 이상의 소스 공진기;
상기 소스 공진기와 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 중계하는 하나 이상의 중계 공진기;
상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기로부터 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 부하로 공급하는 하나 이상의 수신 공진기; 및
상기 설계 주파수에 따른 최대 효율 조건에서 상기 마그네틱 커플링에 따라 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기가 상기 수신 공진기에 마그네틱 빔을 조향하도록 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 중에서 하나 이상의 공진기에 포함된 커패시터 값을 제어하는 빔조향 제어기를 포함하고,
상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기는 일렬로 배열되거나 평면 형태로 배열되는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
One or more source resonators for wirelessly transmitting power according to a design frequency;
One or more relay resonators for receiving and relaying power by the source resonator and magnetic coupling;
At least one receiving resonator for receiving power from the source resonator and the relay resonator by magnetic coupling and supplying the received power to a load; And
The relay resonator and the reception resonator are arranged such that the source resonator or the relay resonator guides the magnetic beam to the reception resonator in accordance with the magnetic coupling under the maximum efficiency condition according to the design frequency. And a beam steering controller for controlling a capacitor value,
Wherein the source resonator and the relay resonator are arranged in a line or arranged in a plane.
제1항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
다음의 수학식을 통하여 상기 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류의 크기를 연산하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템:
Figure pat00013

여기서, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn -1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕턴스, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류 값을 나타낸다.
The method according to claim 1,
Wherein the beam steering controller comprises:
A wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator that calculates the magnitude of a current flowing in the source resonator, the relay resonator, and the reception resonator through the following equation:
Figure pat00013

Here, Vs is the source voltage of the transmission resonator, R 1 is the equivalent resistance, R 2 to R n -1 is the equivalent resistance, R n is the receiving circuit resonators included in the relay resonator circuit contained in the source resonator circuit Where Mmn is the mutual inductance between the mth resonator and the nth resonator, ω is the design frequency, R L is the load contained in the receive resonator circuit, and C 1 through C n are the n resonators L 1 to L n denote inductances respectively included in n resonators, and I 1 to I n denote current values flowing through n resonators, respectively.
제2항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
상기 수학식을 이용하여 다음의 최대 효율 값을 연산하고, 효율이 상기 연산된 최대 효율이 되도록 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 커패시터 값을 제어하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
Figure pat00014
3. The method of claim 2,
Wherein the beam steering controller comprises:
A wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator that calculates the following maximum efficiency value using the above equation and controls the capacitor value using a genetic algorithm so that the efficiency becomes the calculated maximum efficiency .
Figure pat00014
제3항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
상기 중계 공진기에 포함된 커패시터 값을 다음의 수학식 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 하나의 커패시터 값으로 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템:
Figure pat00015

여기서, CR은 상기 중계 공진기의 커패시터 값이다.
The method of claim 3,
Wherein the beam steering controller comprises:
Wherein the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency of the resonance frequency-
Figure pat00015

Here, C R is a capacitor value of the relay resonator.
제2항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
상기 소스 공진기의 커패시터(C1) 값을 다음의 수학식에 따라 입력 임피던스(Zin)의 허수부가 0이 되도록 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
Figure pat00016
3. The method of claim 2,
Wherein the beam steering controller comprises:
Wherein a value of a capacitor (C 1 ) of the source resonator is controlled so that an imaginary part of an input impedance (Z in ) becomes 0 according to the following equation.
Figure pat00016
제1항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 상기 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the beam steering controller comprises:
Wherein the capacitor value of the resonators according to the beam steering mode is stored and the position information of the reception resonator is transmitted to thereby control the capacitor value of the resonator.
제1항에 있어서,
상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 각각은,
다각형 또는 원형의 폐루프 형태에 해당하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein each of the source resonator, the relay resonator,
A wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator corresponding to a polygonal or circular closed loop shape.
제7항에 있어서,
상기 폐루프는,
단일 루프, 다중 루프, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
8. The method of claim 7,
The closed-
A wireless power transmission system using a magnetic resonance beam steering resonator corresponding to at least one structure of a single loop, a multiple loop, a spiral structure, and a helix structure.
제1항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
상기 수신 공진기가 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기 중에서 빔 조향되어 전력을 최종적으로 전달받는 하나의 공진기를 선택하도록 상기 커패시터 값을 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the beam steering controller comprises:
Wherein the resonant frequency of the capacitor is controlled so that the receiving resonator selects one resonator that is beam-steered to receive power finally from the source resonator or the relay resonator.
제9항에 있어서,
상기 빔조향 제어기는,
상기 수신 공진기의 위치에 관한 정보를 이용하여 상기 빔조향을 위한 커패시터 값을 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
10. The method of claim 9,
Wherein the beam steering controller comprises:
And controlling the capacitor value for the beam steering by using information about the position of the receiving resonator.
제1항에서 있어서,
상기 수신 공진기는,
복수의 수신 공진기로서 상기 중계 공진기 또는 상기 소스 공진기로부터 직접적으로 전송받은 전체 전력을 상기 마그네틱 빔의 조향에 따라 복수의 수신 공진기가 서로 분할하여 전송받는 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
The method of claim 1,
The reception resonator includes:
Wherein the plurality of receiving resonators divide the total power received directly from the relay resonator or the source resonator into a plurality of receiving resonators according to the steering of the magnetic beam.
제1항에서 있어서,
상기 수신 공진기는,
공진 주파수를 가지는 커패시터 값을 가지는 무선 전력전송 시스템.
The method of claim 1,
The reception resonator includes:
A wireless power transmission system having a capacitor value with a resonant frequency.
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