KR20160123526A - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 코일 - Google Patents

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KR20160123526A
KR20160123526A KR1020150053663A KR20150053663A KR20160123526A KR 20160123526 A KR20160123526 A KR 20160123526A KR 1020150053663 A KR1020150053663 A KR 1020150053663A KR 20150053663 A KR20150053663 A KR 20150053663A KR 20160123526 A KR20160123526 A KR 20160123526A
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transmission coil
coil
transmission
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wireless power
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KR1020150053663A
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박완주
김래현
정진욱
김주호
김경현
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한국과학기술연구원
한양대학교 산학협력단
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    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
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Abstract

본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전력을 공급하는 전원 공급부, 전원 공급부에 연결된 탭이 형성되는 제1 전송 코일, 및 제1 전송 코일에 연결되며, 제1 전송 코일로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는 제2 전송 코일을 포함할 수 있다. 여기서, 전원 공급부는 탭에 연결되어 제1 전송 코일에 전력을 공급하고, 무선 전력 전송 장치는 공진에 의해 제1 전송 코일 및 제2 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 무선으로 공급된 전력을 송신하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 코일{WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS AND WIRELESS POWER TRANSMISSION COIL}
본 명세서는 무선 전력 전송 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 공명 방식의 무선 전력 전송을 위한 코일 및 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 기술을 말한다. 자기 유도 방식은 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신부 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 무선 전력을 전송하는 기술로서, 일반적으로 매우 근거리에 위치하는 스마트 기기들을 충전하는 방법으로 사용된다. 또한, 자기 공명 방식은 송신부 코일에서 공진주파수로 진동하는 자기장을 생성하여 동일한 공진주파수로 설계된 수신부 코일에만 에너지가 집중적으로 전달되는 방식을 이용하여 무선 전력을 전송하는 기술로서, 일반적으로 일정 간격으로 떨어진 상태의 기기들을 충전하는 방법으로 사용된다.
그런데, 종래의 자기 유도 방식 및 자기 공명 방식의 무선 전력 전송은 전송 거리, 전송 범위 및 전송 효율의 한계로 인하여, 넓은 동작 범위 내에 위치하며 송신 장치에 비해 상대적으로 작은 크기를 갖는 수신 장치(예컨대, 신체 내에 삽입된 캡슐형 내시경 장치 등)에, 안정적으로 높은 전력을 무선으로 전송하기 어렵다.
KR 10-2010-0109887
이에, 본 명세서는, 수신 장치의 위치에 따라 무선 전력의 전송 효율이 민감하게 변하지 않으며 미세한 임피던스 매칭이 가능하도록, 헬리컬 형태 코일 및 헬름헬츠 형태 코일을 결합한 형태의 코일을 사용하여 자기공명 방식으로 무선으로 전력을 전송하는, 무선 전력 전송 장치 및 코일을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전력을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에 연결된 탭이 형성되는 제1 전송 코일; 및 상기 제1 전송 코일에 연결되며, 상기 제1 전송 코일로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는 제2 전송 코일을 포함하되, 상기 전원 공급부는 상기 탭에 연결되어 상기 제1 전송 코일에 전력을 공급하고, 상기 무선 전력 전송 장치는 공진에 의해 상기 제1 전송 코일 및 상기 제2 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 무선으로 상기 공급된 전력을 송신하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 축을 가지며, 상기 제1 전송 코일의 권선면과 상기 제2 전송 코일의 권선면은 서로 평행한 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 반경을 가지며, 상기 제1 거리는 상기 반경과 동일한 길이인 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 전원 공급부는, 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4과 동일한 동작 주파수를 가지는 전력 또는 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4의 정수배와 동일한 동작 주파수를 가지는 전력을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 탭이 형성된 위치는 변경 가능하며, 상기 전원 공급부에서 바라본 임피던스는 상기 제1 전송 코일의 전체 권선수에 대한 상기 탭이 위치한 부분까지의 권선수의 비의 제곱과 부하단 임피던스의 곱과 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 코일은 전력을 공급하는 전원 공급부에 연결된 탭이 형성되는 제1 전송 코일; 및 상기 제1 전송 코일에 연결되며, 상기 제1 전송 코일로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는 제2 전송 코일로 구성되며, 공진에 의해 상기 제1 전송 코일 및 상기 제2 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 축을 가지며, 상기 제1 전송 코일의 권선면과 상기 제2 전송 코일의 권선면은 서로 평행한 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 반경을 가지며, 상기 제1 거리는 상기 반경과 동일한 길이인 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제1 전송 코일은, 상기 전원 공급부로부터, 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4과 동일한 동작 주파수를 가지는 전력 또는 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4의 정수배와 동일한 동작 주파수를 가지는 전력을 공급받는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 탭이 형성된 위치는 변경 가능하며, 상기 전원 공급부에서 바라본 임피던스는 상기 제1 전송 코일의 전체 권선수에 대한 상기 탭이 위치한 부분까지의 권선수의 비의 제곱과 부하단 임피던스의 곱과 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 명세서의 무선 전력 전송 장치는 헬리컬 형태 코일 및 헬름헬츠 형태 코일을 결합한 형태의 코일을 사용함으로써, 수신 장치의 동작 범위 내에서 수신 장치의 위치에 관계없이 안정적으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 명세서의 무선 전력 전송 장치는 별도의 임피던스 매칭 회로를 포함하지 않고 미세하게 임피던스를 매칭할 수 있어 효율적으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개략도이다.
도 2a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치의 개략도이다.
도 2b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬름홀츠 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치의 개략도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬-헬름홀츠 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치의 개략도이다.
도 4a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 하나의 헬리컬 형태 코일만을 사용하는 무선 전력 전송 장치에서 전송 코일의 반경에 대한 수신 코일의 위치에 따른 전송 전력을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬-헬름헬츠 형태 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치에서 전송 코일의 반경에 대한 수신 코일의 위치에 따른 전송 전력을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시 예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
본 명세서에서 동일하다는 의미는 완벽히 동일하다는 의미뿐만 아니라, 실질적으로(substantially) 동일하다는 의미를 포함한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(1)은 무선 전력 전송 장치(100)(이하, 전송 장치(100)라고 함) 및 무선 전력 수신 장치(200)(이하, 수신 장치(200)라고 함)를 포함한다.
본 명세서에서 전송 장치(100)는 공진에 의해 한 쌍의 코일(120) 사이에 위치하는 수신 장치(200)에 무선 전력을 전송하는 장치를 의미한다. 예를 들면, 전송 장치(100)는 공진에 의해 한 쌍의 코일(120) 사이에 위치하는 수신 장치(200)(예컨대, 인체 내에 삽입된 캡슐형 내시경 등)의 전원을 무선으로 충전시키기 위해, 상기 수신 장치(200)에 무선 전력을 전송하는 무선 충전 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 전송 장치(100)는 전송 코일에 전력을 공급하는 전원 공급부(110) 및 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전송하기 위한 한 쌍의 전송 코일(120)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전원 공급부(110)는 한 쌍의 전송 코일(120) 중 하나의 코일에만 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 전원 공급부(110)는 한 쌍의 전송 코일(120) 모두에 연결될 수 있다. 한 쌍의 전송 코일(120)은 전송 코일 사이의 영역 내에 위치한 수신 장치(200)를 향하여, 상기 수신 장치(200)의 위치에 따른 전송 전력 크기의 실질적인 변화 없이 안정적으로 무선 전력을 전송하기 위한, 헬리컬 형태 코일과 헬름헬츠 형태 코일을 결합한 형태의 코일일 수 있다. 따라서, 한 쌍의 전송 코일(120)에서 각 코일의 구조(반경, 길이, 감은 방향 및 감은 횟수 등) 및 배치(두 코일 간의 간격 및 두 코일의 권선면이 이루는 각도 등)는 두 코일 사이에 실질적으로 균일한 자기장을 생성하도록 결정될 수 있다. 이러한, 전송 코일(120)에 대하여는 도 2 및 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명하도록 한다.
전송 장치(100)는 전원 공급부(110)에 의해 공급된 전력을 공진에 의해 수신 장치(200)로 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 전송 장치(100)는 한 쌍의 전송 코일(120) 사이에 실질적으로 균일한 자기장을 생성함으로써 동일한 공진 주파수로 설계된 수신 장치(200)에 공진에 의해 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 이 경우, 전송 장치(100)의 전송 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일은 동일한 공진 주파수(예컨대, 1Mhz 내지 10Mhz)로 동조될 수 있다. 예를 들면, 전송 코일과 수신 코일은 7Mhz의 공진 주파수로 동조될 수 있다.
본 명세서에서 수신 장치(200)는 상술한 전송 장치(100)로부터 공진에 의해 무선 전력을 수신하는 장치를 말한다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 수신 장치(200)는 수신 코일을 포함하는 인체 내에 삽입된 캡슐형 내시경과 같은, 넓은 동작 범위를 가지며 송신 장치(100)에 비해 매우 작은 크기를 갖는 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 수신 장치(200)는 송신 장치(100)로부터 전송된 무선 전력을 수신하기 위한 수신 코일, 부하 회로에 수신된 전력을 전달하는 부하 코일 및 부하 회로를 포함할 수 있다. 이 경우, 수신 장치(200)는 수신 코일을 통해 수신된 전력을 부하 코일을 통해 부하 회로에 전달할 수 있다.
도 2a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬(helical) 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치를 나타내고, 도 2b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬름홀츠(helmholtz) 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 전송 장치(100)는 전원 공급부(110) 및 헬리컬 형태 코일(121)을 포함한다. 본 명세서에서 헬리컬 형태 코일(121)은 λ/4 cavity 공진(구조적 공진)을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있는 코일을 지칭한다. 예를 들면, 헬리컬 형태 코일(121)은 λ/4 cavity 공진(구조적 공진)을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있는, 동일한 직경을 가지도록 원통 모양으로 권선되며 전원 공급부(110)에 연결된 탭(tab)(130)이 권선된 코일의 특정 위치에 형성된 코일을 일 수 있다.
헬리컬 형태 코일(121)을 사용하여 전력을 전송하는 경우, LC 공진 방식이 아닌 λ/4 cavity 공진(구조적 공진)을 이용하여 전력을 전송할 수 있으므로, 전원 공급부(110)의 저항성분에 의해 Q-factor가 감소하는 것을 방지할 수 있고, 콘덴서를 사용하지 않을 수 있어 Q-factor를 높일 수 있다. 또한, 이 경우, 탭(130)의 위치 조정을 통해 정밀하게 임피던스 매칭을 이룰 수 있으므로, 별도의 임피던스 매칭 회로 없이 공진 주파수에 대한 정밀 교정이 가능하다. 또한, 이 경우, 유도결합을 통해 전송 코일에 전력을 공급하는 것이 아니라 전원 공급부(110)에 연결된 탭(130)을 통해 전력이 전송 코일에 직접 인가될 수 있으므로, 전력의 손실을 줄일 수 있다.
그러나, 이러한 헬리컬 형태 코일(121)을 사용하는 경우, 자기장의 분포가 균등하지 않고 전송 코일 주변으로 강한 자기장이 생성되어 수신부의 위치에 따라 전송되는 전력의 크기가 달라지게 된다. 따라서, 수신 장치가 캡슐형 내시경인 경우와 같이, 수신 장치의 동작 범위가 넓고 수신 장치가 송신 장치에 비해 크기가 작을 경우에 수신 장치에 안정적으로 무선 전력을 전송하기 어렵다.
도 2b를 참조하면, 전송 장치(100)는 전원 공급부(110) 및 헬름홀츠 형태 코일(122)을 포함한다. 본 명세서에서 헬름홀츠 형태 코일(122)은 실질적으로 균등하고 평행한 자기장을 생성할 수 있는 한 쌍의 코일을 지칭한다. 예를 들면, 헬름홀츠 형태 코일(122)은 실질적으로 균등하고 평행한 자기장을 생성할 수 있는, 동일한 반경을 가지며, 상기 반경과 동일한 거리만큼 서로 떨어져 있는 형태의 한 쌍의 코일을 일 수 있다. 이 경우, 헬름홀츠 형태 코일(122)의 각 코일들은 전원 공급부(110)에 각각 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.
헬름홀츠 형태 코일(122)을 사용하여 전력을 전송하는 경우, 두 코일 사이에 실질적으로 균등한 자기장이 생성되어, 두 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 안정적으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
그러나, 이러한 헬름홀츠 형태 코일(122)을 사용하는 경우, 임피던스 매칭을 위한 별도의 콘덴서(141, 142)가 필요하여 Q-factor가 감소되므로, 실제로 전송되는 전력량이 헬리컬 형태 코일을 사용하는 것에 비해 크지 않다.
따라서, 넓은 동작 범위를 가지며, 송신 장치에 비해 매우 작은 크기를 갖는 수신 장치(예컨대, 신체 내에 위치한 캡슐형 내시경 장치 등)에 보다 안정적으로, 그리고 높은 전송 효율로 무선 전력을 공급하기 위하여 상술한 헬리컬 형태 코일 및 헬름홀츠 형태 코일의 장점을 결합한, 새로운 형태의 전송 코일을 이용한 무선 전력 전송 기술이 필요하며, 이에 대하여는 도 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬-헬름홀츠(helical-helmholtz) 형태 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 전송 장치(100)는 전원 공급부(110) 및 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)로 구성된 무선 전력 전송 코일을 포함한다.
여기서, 무선 전력 전송 코일은 헬리컬 형태 코일과 헬름홀츠 형태 코일이 결합된 형태인, 헬리컬-헬름홀츠(Helocal-Helmholtz) 형태 코일일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 헬리컬-헬름홀츠 형태 코일은, 도 2a에서 상술한 헬리컬 형태 코일의 구조를 이루는 제1 전송 코일(123), 및 상기 제1 전송 코일(123)과 쌍을 이루어 도 2b에서 상술한 헬름홀츠 형태 코일의 구조를 이루는 제2 전송 코일(124)로 구성될 수 있다.
전원 공급부(110)는 전송 코일에 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 전원 공급부(110)는 제1 전송 코일(123)에만 연결되고, 제2 전송 코일(124)에는 직접적으로 연결되지 않을 수 있다. 예를 들면, 전원 공급부(110)는 제1 전송 코일(123)에 형성된 탭(130)에 연결되어, 제1 전송 코일(123)에만 전력을 공급할 수 있다. 이를 통해, 전원 공급부(110)는 유도 결합 방식이 아니라, 전송 코일에 전력을 직접 인가할 수 있다.
일 실시예에서, 전원 공급부(110)는 제1 전송 코일(123)의 길이의 1/4과 동일한 주파수를 가지는 전력 또는 제1 전송 코일(123)의 길이의 1/4의 정수배와 동일한 주파수를 가지는 전력을 제1 전송 코일(123)에 공급할 수 있다. 즉, 제1 전송 코일(123)의 길이는 동작 주파수에 대응하는 파장의 1/4과 동일하거나 또는 동작 주파수에 대응하는 파장의 1/4의 정수배와 동일할 수 있다. 이를 통해, 전송 장치는 LC 공진 방식이 아닌 λ/4 cavity 공진(구조적 공진)을 이용하여 전력을 전송할 수 있다.
제1 전송 코일(123)은 헬리컬 형태의 코일로서, 전원 공급부(110)에 연결된 탭(130)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 전송 코일(123)은 제2 전송 코일(124)과 연결될 수 있다. 예를 들면, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)은 서로 연결 코일에 의해 연결될 수 있다. 일 실시예에 따라, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)이 연결된 경우, 제1 전송 코일(123)의 일단(a)은 접지된 상태로 제공되고, 제1 전송 코일(123)의 타단(b)은 제2 전송 코일(124)에 연결된 상태로 제공되며, 제1 전송 코일(123)의 일단(a)과 타단(b) 사이의 특정 위치에는 탭(130)이 형성된 상태로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 전송 코일(123)에 형성된 탭(130)의 위치는 변경 가능하고, 전원 공급부(110)에서 바라본 임피던스는 제1 전송 코일(123)의 전체 권선수에 대한 탭(130)이 위치한 부분까지의 권선수의 비의 제곱과 부하단 임피던스의 곱과 동일할 수 있다. 이러한 전원 공급부(110)에서 바라본 임피던스는 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, N1은 제1 전송 코일(123)에서 탭(130)이 위치한 부분까지의 감은 수, N2는 제1 전송 코일(123)의 전체 감은 수를 나타내고, ZL은 부하단의 임피던스를 나타낸다. 예를 들면, N1은 제1 전송 코일(123)의 접지된 일단(a)에서 탭(130)이 위치한 부분까지의 감은 수, N2는 제1 전송 코일(123)의 접지된 일단(a)에서 타단(b)까지의 감은 수를 나타낸다.
이러한 수학식에 의하면, 탭(130)의 위치를 변경함으로써 탭(130)이 형성된 헬리컬 형태의 코일의 감은 수(N1)가 변경되어 전원 공급부(110)에서 바라보는 임피던스가 변경되기 때문에, 전송 장치는 제1 전송 코일(123)에 전력을 인가하는 탭(130)의 위치를 조절함으로써 별도의 임피던스 매칭 회로 없이 자체적으로 RF 임피던스 매칭을 세밀하게 구현할 수 있다.
다만, 상술한 제1 전송 코일(123)의 구조(반경, 길이, 감긴 방향 등)은 예시적인 것이며, 상술한 구조는 제1 전송 코일(123)이 λ/4 cavity 공진(구조적 공진)을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에서 변경 가능하다 점이 이해되어야 한다.
제2 전송 코일(124)은 제1 전송 코일(123)과 함께 헬름홀츠 형태를 이루는 코일일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 전송 코일(124)은 제1 전송 코일(123)과 연결되며, 제1 전송 코일(123)로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 전송 코일(124)의 일단(c)은 제1 전송 코일(123)에 연결된 상태로 제공되고, 제2 전송 코일(124)의 타단(d)은 공중에 부유된 상태로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 전송 코일(124)은 싱글 턴 루프(loop) 또는 멀티 턴 코일일 수 있다.
이러한 제1 전송 코일(123) 및 제2 전송 코일(124)은 서로 헬름홀츠 형태 코일을 이루어, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124) 사이에 실질적으로 균등하고 평행한 자기장을 형성하도록 구조되고 배치될 수 있다.
예를 들면, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)은 서로 동일한 축을 가지며, 제1 전송 코일(123)의 권선면과 제2 전송 코일(124)의 권선면은 서로 평행할 수 있다. 또한, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)은 동일한 반경을 가질 수 있고, 제1 거리는 상기 반경과 동일한 길이일 수 있다. 또한, 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)은 서로 연결되며, 서로 동일한 방향으로 감긴 코일일 수 있다.
이를 통해, 전원 공급부(110)를 통해 공급된 전류는 제1 전송 코일(123) 및 제1 전송 코일(123)에 연결된 제 2 전송 코일(124)에서 동일한 방향으로 흐르게 되어 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124) 사이에 실질적으로 균등하고 평행한 자기장이 생성될 수 있다. 이러한, 두 코일 사이의 자기장은 다음 수학식에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, R은 코일의 반지름을 의미하고, N은 코일의 감은 수, i는 전류를 의미한다.
다만, 상술한 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124)의 각 구조(각 반경의 길이, 감긴 방향 등) 및 배치(각 권선 면이 이루는 각도, 각 코일 간의 거리 등)는 예시적인 것이며, 상술한 각 구조 및 배치 등은 제1 전송 코일(123)과 제2 전송 코일(124) 사이에 실질적으로 균등하고 평행한 자기장의 생성이 가능한 범위 내에서 변경 가능하다 점이 이해되어야 한다.
이러한 헬리컬-헬름홀츠 형태 코일을 이용하여 전력을 전송하는 경우, 전송 장치는 두 전송 코일 사이에 실질적으로 균등하고 평행한 자기장을 생성할 수 있고, RF 임피던스 매칭을 위해 콘덴서를 사용하지 않을 수 있어 Q-factor를 높일 수 있다.
따라서, 전송 장치는 하나의 헬리컬 형태 코일만을 사용하거나, 헬름홀츠 형태 코일만을 사용하는 것에 비해, 두 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 높은 전송 효율로 안정적으로 무선 전력을 전송할 수 있다. 이를 통해, 전송 장치는 보다 넓은 공간 상에 위치할 수 있고, 송신 장치에 비해 매우 작은 크기를 갖는 캡슐형 내시경 장치 등과 같은 수신 장치에 보다 안정적으로, 그리고 높은 전송 효율로 무선 전력을 공급할 수 있다.
도 4a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 하나의 헬리컬 형태 코일만을 사용하는 무선 전력 전송 장치에서 전송 코일의 반경에 대한 수신 코일의 위치에 따른 전송 전력을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 헬리컬-헬름헬츠 형태 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치에서 전송 코일의 반경에 대한 수신 코일의 위치에 따른 전송 전력을 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 4a는 반경 60cm의 헬리컬 형태 코일을 이용한 실험 결과이고, 도 4b는 반경 30cm의 헬리컬-헬름홀츠 형태 코일을 이용한 실험 결과를 나타낸다.
도 4a에서 처럼, 전송 코일로서 하나의 헬리컬 형태 코일만을 이용하는 경우, 전송 코일에서 거리가 가까운 경우에는 높은 전력이 전송되지만, 전송 코일에서 거리가 먼 경우에는 전송되는 전력이 매우 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 도 4b에서 처럼, 전송 코일로서 헬리컬-헬름홀츠 형태 코일을 이용하는 경우, 전송 코일로부터 거리에 크게 영향을 받지 않고, 수신 장치가 전송 코일들 사이에 위치하는 경우에는 거의 일정한 크기의 전력이 전송되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1: 무선 전력 전송 시스템
100: 무선 전력 전송 장치
200: 무선 전력 수신 장치

Claims (10)

  1. 무선 전력 전송 장치로서,
    전력을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부에 연결된 탭이 형성되는 제1 전송 코일; 및
    상기 제1 전송 코일에 연결되며, 상기 제1 전송 코일로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는 제2 전송 코일을 포함하되,
    상기 전원 공급부는 상기 탭에 연결되어 상기 제1 전송 코일에 전력을 공급하고, 상기 무선 전력 전송 장치는 공진에 의해 상기 제1 전송 코일 및 상기 제2 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 무선으로 상기 공급된 전력을 송신하는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 축을 가지며,
    상기 제1 전송 코일의 권선면과 상기 제2 전송 코일의 권선면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 반경을 가지며,
    상기 제1 거리는 상기 반경과 동일한 길이인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4과 동일한 동작 주파수를 가지는 전력 또는 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4의 정수배와 동일한 동작 주파수를 가지는 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탭이 형성된 위치는 변경 가능하며, 상기 전원 공급부에서 바라본 임피던스는 상기 제1 전송 코일의 전체 권선수에 대한 상기 탭이 위치한 부분까지의 권선수의 비의 제곱과 부하단 임피던스의 곱과 동일한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
  6. 전력을 공급하는 전원 공급부에 연결된 탭이 형성되는 제1 전송 코일; 및
    상기 제1 전송 코일에 연결되며, 상기 제1 전송 코일로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는 제2 전송 코일로 구성되며,
    공진에 의해 상기 제1 전송 코일 및 상기 제2 전송 코일 사이에 위치하는 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 코일.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 축을 가지며,
    상기 제1 전송 코일의 권선면과 상기 제2 전송 코일의 권선면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 코일.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일은 동일한 반경을 가지며,
    상기 제1 거리는 상기 반경과 동일한 길이인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 코일.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전송 코일은,
    상기 전원 공급부로부터, 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4과 동일한 동작 주파수를 가지는 전력 또는 상기 제1 전송 코일의 길이의 1/4의 정수배와 동일한 동작 주파수를 가지는 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 코일.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 탭이 형성된 위치는 변경 가능하며, 상기 전원 공급부에서 바라본 임피던스는 상기 제1 전송 코일의 전체 권선수에 대한 상기 탭이 위치한 부분까지의 권선수의 비의 제곱과 부하단 임피던스의 곱과 동일한 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 코일.
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