KR20170057534A - 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20170057534A
KR20170057534A KR1020150160776A KR20150160776A KR20170057534A KR 20170057534 A KR20170057534 A KR 20170057534A KR 1020150160776 A KR1020150160776 A KR 1020150160776A KR 20150160776 A KR20150160776 A KR 20150160776A KR 20170057534 A KR20170057534 A KR 20170057534A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
resonator
wireless power
coil
power transmission
transmission
Prior art date
Application number
KR1020150160776A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101755284B1 (ko
Inventor
서철헌
김동건
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교산학협력단 filed Critical 숭실대학교산학협력단
Priority to KR1020150160776A priority Critical patent/KR101755284B1/ko
Publication of KR20170057534A publication Critical patent/KR20170057534A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101755284B1 publication Critical patent/KR101755284B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H02J17/00—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H02J7/025—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기는, 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체; 및 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 복수의 면들 중 서로 다른 방향을 향하는 적어도 3 개의 면들을 나선 구조로 경유하는 공진코일을 포함한다. 이에 따라, 3차원 전 방향으로 출력을 일정하게 할 수 있어 무선 전력 전송의 전송 효율 및 수신기의 자유도를 향상시킬 수 있다.

Description

다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템{OMNIDIRECTIONAL RESONATOR IN THREE-DIMENSIONAL USING A POLYHEDRON STRUCTURE FOR WIRELESS POWER TRANSFER, WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS AND WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM INCLUDING THE RESONATOR}
본 발명은 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위치에 따라 출력이 일정하게 송신기를 공 모양의 구조로 설계하여 무선 전력 전송에 적용한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기에 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파(Radio Frequency)나 레이저를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다.
우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선 면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 마이크로파를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다. 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
한편, 현대의 성장 산업분야는 정보통신 기술을 기반으로 하는 다양한 융복합 산업이다. 특히, 정보통신 기술의 발전은 이동통신 기술과 더불어 사용자의 자유도 향상을 도모하는 쪽으로 빠르게 발전하고 있다. 최근 급격한 수요의 증가를 보이는 스마트폰, DMB, 태블릿 PC등과 같이 이동통신 기술과 함께 사용자의 이동 편의성의 중점을 둔 제품의 시장이 확산되고 있다.
일반적인 자기 공명 방식의 무선 전력 전송의 적용에서 송신코일과 수신코일이 마주보아야 유효한 전송 효율을 얻을 수 있다. 도 1은 송신코일 공진기가 단 평면 구조일 경우 송신코일과 수신코일을 나타낸 것이다. Tx는 Transmitter의 약자로 송신기, 즉 송전코일을 나타내고 Rx는 Receiver의 약자로 수신기, 즉 수전코일을 나타낸다. θ는 수신 코일이 x-y평면에 대해 기울어지는 각도를 나타낸다.
도 1의 시스템에 대해 수신코일의 각도 θ를 변화할 때, 송신코일과 수신코일간의 상호 인덕턴스가 급격히 변한다. 따라서, 이러한 단 평면구조에서 송신코일일 때 수신코일의 움직임에 따라 상호 인덕턴스의 변화가 생기고 전력 전송 효율이 결정된다. 즉, 수신기와 송신기가 이루는 각도가 수직에 가까워질수록 전력 전송 효율은 급 감하함을 확인할 수 있다. 예를 들어, 상호 인덕턴스에 의해서 전송 효율이 결정되는데, θ가 0°이면 상호 인덕턴스가 강해서 높은 전송 효율을 보이지만, θ가 180°이면 상호 인덕턴스가 약해서 낮은 전송 효율을 보인다.
이는 무선 전력 전송 수신기의 자유도를 감소시키는 문제를 야기한다. 따라서, 무선 전력 전송에서의 가장 중요한 문제인 수신기의 자유도를 향상시키기 위한 전 방향 무선 전력 전송부가 요구된다.
KR 10-2012-0019033 A KR 10-1420563 B1
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 무선 전력 전송의 적용에서 전송범위의 확대할 수 있는 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기는, 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체; 및 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 복수의 면들 중 서로 다른 방향을 향하는 적어도 3 개의 면들을 나선 구조로 경유하는 공진코일을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진코일은 상기 공진체의 모든 면들을 나선 구조로 2 번 이상 경유할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 속이 빈 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 유전체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 아크릴 또는 유리로 형성될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체; 전원을 공급하는 전원 소스; 및 상기 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 모든 면들을 적어도 한번 이상 나선 구조로 경유하여 전력을 방사하는 공진코일을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 속이 빈 형태일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체; 전원을 공급하는 전원 소스; 상기 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 모든 면들을 적어도 한번 이상 나선 구조로 경유하여 전력을 방사하는 송신 공진코일; 및 상기 송신 공진코일과 커플링되어 전력을 수신하는 수신 공진코일을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 수신 공진코일은 부하 단말기 내부에 형성될 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기에 따르면, 송신기의 전체적인 형태를 공 모양으로 구성하고, 공진코일이 상기 공진체의 모든 면들을 나선 구조로 경유함으로써 3차원 전 방향으로 공진이 일어날 수 있도록 한다. 이에 따라, 3차원 전 방향의 무선 전력 전송을 실행하여, 3차원 전 방향에서 무선 충전이 가능하다. 따라서, 동일한 거리에서 균일한 전송 효율을 얻을 수 있으며, 공진코일을 감는 회수 변화를 통해 전송 효율을 조절할 수 있다. 또한, 수신기의 자유도가 높아져 다양한 형태 및 형상의 단말기에 적용할 수 있다.
도 1은 종래 무선 전력 전송 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기의 개념도이다.
도 3은 공진형 방식의 무선 전력 전송부의 회로도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 공진체 형상의 예들이다.
도 7 내지 도 9는 전력 입력에 따른 공진코일의 각각의 평면에서의 자계 벡터 분포이다.
도 10은 전송거리 200 mm일 때, 송신기와 수신기의 스미스 차트(Smith Chart)이다.
도 11은 전송거리 200 mm일 때, 송신기와 수신기의 로그 스케일(Log scale)에서의 S 파라미터(S-parameter)이다.
도 12는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율을 보여주는 도면들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
무선 전력 전송이 갖는 편리함 때문에 전 세계적으로 무선 전력 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로, 송신코일에 대한 수신코일 각도의 변화에 따라서 상호 인덕턴스가 급격히 변한다. 즉, 각도에 따라 전송 효율이 변한다. 그러나, 실생활에서 각도의 변화는 당연하기 때문에 전 방향에서의 무선 전력 전송부가 필요하다.
본 발명에서는 송신기를 공 모양의 구조로 구성함으로써 3차원 전 방향에서 균일하게 방사하는 공진기를 제안하였다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 송신기의 구조 원리를 보여주는 도면으로서 축구공과 나선 구조의 결합으로, 3차원 방사특성을 갖는다.
구체적으로, 송신기의 전체적인 형태를 공 모양으로 구성함으로써 3차원 전 방향으로 공진이 일어날 수 있게 하고, 각각의 면을 나선 구조로 구성해서 높은 Q 값을 가질 수 있도록 설계했다.
공진이란, 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 말하며, 주파수가 같게 될 때에 강한 힘이 발생하는 현상을 말한다. 그러므로, 동일한 주파수를 갖는 두 개의 공진체는 매우 강한 결합을 하게 되는 현상을 갖고 있다.
즉, 같은 주파수를 갖는 다른 공진 물체가 있으면, 에너지는 주파수를 공유하는 하나의 물체에서 또 다른 물체로 강하게 전달된다. 모든 물체는 이러한 고유진동수를 갖고 있으며 이 고유진동수에 해당하는 전파나 파동에 반응하고 흡수하는 성질을 갖고 있다.
도 3을 참조하면, 공진형 방식의 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 보여주고 있다. 각각의 소자는 다음의 표 1과 같이 정의된다.
소자 특성
V AC Voltage Source
Rl Ohmic Resistance of the Loop
Rr Radiation Resistance of the Loop
C Capacitance of the Resonance
M Mutual Inductance between Resonators
I Current Flowing on the Loop
L Self-Inductance of the Loop
공진을 기반으로 하는 무선 전력 전송 시스템의 성능인 전송 효율은 두 공진기 사이의 결합 계수(Coupling Factor: k)와 공진 Q-factor 특성에 영향을 받는다. 아래의 수학식 1은 자기장 공진 무선 전력 전송 시스템의 최소 손실을 나타낸다.
Figure pat00001
자기장 공진 무선 전력 전송 시스템의 경우, 일정한 거리를 두고 떨어져 있는 두 개의 송수신 코일이 동일한 주파수로 공진이 일어나면 공진 Q-factor 특성은 향상된다. 하지만, 두 개의 송수신 코일은 서로 떨어져 있으므로, 전송 거리가 멀어질수록 송수신 공진기 간의 결합 계수는 급격히 감소하게 된다.
즉, 두 개의 송수신 공진기 간의 간격이 멀어지면서 발생하는 송수신 공진기 간의 결합 계수 감소를 두 개의 송수신 공진기가 동일한 주파수로 공진이 일어날 때 발생하는 향상된 공진 Q-factor 특성을 통하여 보상 가능하다.
그러므로, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송수신 코일 간의 간격이 멀어질 경우 결합 계수가 급격히 감소하여 전송 효율도 급격히 낮아진다. 하지만, 자기장 공진 무선 전력 전송의 경우 감소된 결합 계수를 향상된 공진 Q-factor 특성을 통하여 커플링 계수의 보상이 가능하므로, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 보다 더 먼 전송 거리에서 높은 전송 효율을 설계할 수 있다.
이는 수학식 1에서도 확인할 수 있다. k값이 작아지면 손실 값이 커지지만, 동시에 Q-factor 값이 증가하게 되면 손실 값이 유지되거나 감소하게 된다. 즉, Q-factor 값이 클수록 효율성이 높은 에너지 전송을 의미한다. 이상적으로 Q 값은 0에서 무한대의 값을 갖지만 일반적으로 1000 이상의 값을 갖기엔 기술적 어려움을 수반하고 있다. 또한, 공진 Q 값은 안테나의 크기에 따라 가장 큰 변화를 보이고 모양, 재질 및 동작 주파수에 따라 변한다. 다음의 수학식 2는 공진기의 Q-factor를 나타낸다.
Figure pat00002
일반적인 자기 공명 방식의 무선 전력 전송의 적용에서 송신코일과 수신코일이 마주보아야 유효한 전송 효율을 얻을 수 있다. 도 1을 참조하면, 송신코일 공진기가 단 평면 구조인 종래의 송신코일과 수신코일을 나타낸 것이다. Tx는 Transmitter의 약자로 송신기, 즉 송전코일을 나타내고 Rx는 Receiver의 약자로 수신기, 즉 수전코일을 나타낸다. θ는 수전 코일이 x-y평면에 대해 기울어지는 각도를 나타낸다.
도 1의 시스템에 대해 수신코일의 각도 θ가 변화할 때, 송신코일과 수신코일간의 상호 인덕턴스가 급격히 감소함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 단 평면구조에서 송신코일일 때 수신코일의 움직임에 따라 상호 인덕턴스의 변화가 생기고 전력 전송 효율이 결정된다. 즉, 수신기와 송신기가 이루는 각도가 수직에 가까워질수록 전력 전송 효율은 급 감하함을 확인할 수 있다.
평면 구조의 자기공진방식 무선 전력 전송에서 송신 코일에 대한 수신 코일의 위치 및 배열에 따라서 상호 인덕턴스가 0이 되는 데드 존(Dead Zone)이 발생하는 것이다. 데드 존(Dead Zone)에서는 송신 코일에서 수신코일로 전력 전달이 이루어지지 않는다. 이는 무선 전력 전송 수신기의 자유도에 큰 문제를 야기한다.
따라서, 무선 전력 전송에서의 가장 중요한 문제인 수신기의 자유도를 향상시키기 위해서 전방향 무선 전력 전송부의 필요성이 요구된다.
이를 위해 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기는 공 모양 즉, 구(sphere) 형태로 3차원 전 방향에서 균일하게 방사하는 구조이다. 본 발명에 따른 3차원 전 방향 무선 전력 전송은 데드 존(Dead Zone)을 줄여서 수신 코일의 위치에 상관없이 전력이 전송될 수 있도록 설계하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기(1, 이하 송신 공진기)는 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체(10) 및 전원 소스(30)와 연결되고 상기 공진체의 복수의 면들을 경유하는 공진코일(20)을 포함한다. 상기 공진코일(20)은 상기 공진체(10) 서로 중복되거나 교차하지 않는다.
상기 공진체(10)의 면들은 모두 같은 모양, 같은 면적을 가질 수 있으며, 일부가 다른 모양, 다른 면적을 가질 수도 있다. 도 4에서는 상기 공진체(10)는 마름모육팔면체의 형상을 가지며, 상기 공진코일(20)이 상기 마름모육팔면체의 형상의 면들 중 사각형의 면들에서 나선 구조로 감겨지고, 삼각형의 면들에서는 감겨지지 않는다. 실시예에 따라, 상기 공진체(10)에서 상기 삼각형의 면들은 생략될 수 있다. 즉, 상기 공진체(10)는 전체적으로 공 모양이기만 하면, 그 모양에 한정되지 않으며 일부 면들이 생략될 수 있다.
상기 공진코일(20)은 전체가 하나의 코일로 이루어지며, 양단은 상기 전원 소스(30)와 연결된다. 그러나, 이와 다르게 상기 공진코일(20)과 일정 거리 이격되어 별도로 형성되는 전원인가 코일을 포함할 수도 있다.
상기 공진코일(20)은 상기 공진체(10)의 복수의 면들 중 서로 다른 방향을 향하는 적어도 3 개의 면들을 나선 구조로 경유한다. 상기 공진코일(20)은 경유하는 상기 공진체(10)의 각 면에서 나선 구조로 2회 이상 감겨진다. 도 4에서는 한 면을 경유한 후 다른 면의 안쪽면에서 바깥쪽 면으로 빠져 감기는 것으로 도시하였으나, 이는 일례에 불과하고, 하나의 코일을 중복되지 않게 감는 방법이면 어떤 방법이든 가능하다.
상기 공진코일(20)은 상기 공진체(10)의 각 면의 테두리 근처에서 나선 구조로 감겨지며, 각 면의 형상과 일치하게 감겨질 수 있다. 즉, 제1 면이 사각형인 경우, 사각형 모양의 나선 구조로 감겨지며, 제2 면에 오각형인 경우 오각형 모양의 나선 구조로 감겨질 수 있다.
그러나 이와 다르게 각 면의 형상과는 별개의 모양으로 감겨질 수도 있다. 예를 들어, 제3면이 사각형인 경우에도, 원형 모양의 나선 구조로 감겨질 수 있으며, 제4 면에 오각형인 경우에도 사각형 모양의 나선 구조로 감겨질 수 있다. 이와 같이, 상기 공진체(10)의 각 면에 상기 공진코일(20)이 감겨지는 형상은 한정되지 않으며 필요에 따라 변형할 수 있다.
일 실시예로 상기 공진코일(20)은 상기 공진체(10)의 모든 면을 경유할 수 있다. 다른 실시예로, 상기 공진코일(20)은 상기 공진체(10)의 일부 면들, 예를 들어 두 개 이상의 복수의 면을 경유할 수 있다. 상기 공진코일(20)이 공유하는 두 개 이상의 복수면은, 상기 공진체(10)의 중심을 기준으로 가상의 원둘레에 대응하는 모든 면들을 포함할 수 있다.
상기 공진코일(20)은 제1 면을 정해진 횟수만큼 경유한 후 상기 제1면에 이웃하는 제2 면을 정해진 횟수만큼 경유한다. 이런 방식으로, 상기 공진체(10)의 모든 면들 또는 일부 면들을 경유할 수 있고, 각 면의 나선 구조의 경유 횟수는 동일할 수 있다.
도 5의 실시예에서는 각 면의 3 턴 나선 구조로 구성하고, 마름모육팔면체의 삼각형의 형상을 갖는 면은 상기 공진코일(20)이 경유하지 않는 것으로 도시하였으나, 이는 제조의 편의상 생략한 것이며, 필요에 따라 상기 공진코일(20)이 모든 면을 경유하게 할 수 있다.
상기 공진체(10)는 속이 빈 형태로서, 유전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공진체(10)는 아크릴 또는 유리로 형성될 수 있다.
상기 공진체(10)는 면으로 형성된 다면체 일 수 있고, 일례로 정다면체 또는 아르키메데스 다면체일 수 있다. 도 4에서는 상기 공진체(10)는 마름모육팔면체의 형상을 가지나, 도 5와 같이 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체 등 정다면체 형태를 갖거나, 도 6과 같이 깍은 정팔면체, 깍은 정십이면체, 깍은 정이십면체 등 아르케메데스 다면체의 형태를 가질 수 있다. 이외에도 면을 갖는 깍은 구 형태의 다양한 입체 도형의 형상을 가질 수 있다.
상기 공진체(10)가 3차원의 구 형상을 가짐으로서, 상기 공진체(10)를 감고있는 상기 공진코일(20)에 전원이 인가되는 경우 3차원 전 방향으로 자계가 형성되어 3차원 전 방향의 무선 전력 전송이 가능하게 된다.
일례로, 송신 공진기(1)의 크기는 가로×세로×높이가 200×200×200 mm이며, 지름이 1 mm인 리츠 와이어를 사용하였다. 상기 송신 공진기(1)의 코일 인덕턴스는 22.07 μH를 갖고 Q 값은 77.51이다. 이를 통해서 LC공진을 시켰다. 공진 주파수 6.63 MHz에서 반사특성 S11이 -29.7 dB를 나타냈다. 전력을 인가하여 자계분포를 확인하는 모의실험을 하였다.
도 7 내지 도 9는 전력 입력에 따른 공진코일(20)의 각각의 평면에서의 자계 벡터 분포를 보여주는 도면들로서, 도 7은 x-y 평면, 도 8은 y-z 평면, 도 9는 z-x 평면에서의 공진코일(20)의 자계 벡터이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 송신 공진기(1)에 전력이 인가되면서 구조물의 각 면에서 자계가 방사하고 있다. 비록 x-y 평면에 비해서 y-z와 z-x 평면이 상대적으로 약한 자계 분포를 보이지만 전 방향에서의 방사를 보이고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 송신 공진기(1)와 전원을 공급하는 전원 소스(30)를 포함한다. 상기 무선 전력 전송 장치는 전 방향에서 균일하게 방사하여 무전 전력 전송의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신 공진코일을 포함하는 송신 공진기(1)와 상기 송신 공진기(1)에 전원을 공급하는 전원 소스(30)를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 상기 송신 공진코일과 커플링되어 전력을 수신하는 수신 공진코일을 포함하는 수신기로 이루어진다. 실 구현예에서, 상기 수신기는 피충전 장치 또는 단말기 내부에 형성될 수 있다.
상기 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신하는 수신기는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로 가로×세로가 200×200 mm인 단일 판형에 지름이 1 mm인 리츠 와이어를 사용한 수신 공진코일을 15 턴 나선 구조로 구성하여 실험하였다. 수신 공진코일은 상기 송신 공진코일(20)과 커플링되어 전력을 수신한다.
그 결과, 송신기의 코일 인덕턴스는 53.714 μH를 갖고 Q 값은 11.63이고 수신기는 188.76 μH를 갖고 Q 값은 10.78이다. 이를 통해서 공진 주파수인 6.78 MHz에 맞추었다. 공진된 송신기의 반사특성(S11)은 -20.15 dB이고, 수신기의 반사특성(S22)은 -24.86 dB이다.
상기 수신기는 송신기의 전 방향 방사에 의해 수신기의 자유도가 높아져 다양한 형태 및 형상의 단말기에 적용할 수 있다.
도 10은 공 모양의 구조를 이용한 3차원 무선 전력 전송용 공진기를 보여주고 있다.
공진을 시킨 송신기와 수신기를 200 mm 전송거리를 두고 S11을 확인했다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 스미스 차트(Smith Chart)에서 S11과 S22가 50 Ω 부근으로 정합되어있음을 확인할 수 있다. 그때의 S11은 -3.6383 dB의 값을 보였다. 다음으로 수신기의 위치별 전송 효율을 확인하기 위해 송신기에 대한 수신기의 각도를 x-y, y-z, z-x평면에서 0°에서 360°로 변화 시키며 측정하였다.
도 12를 참고하면, 평면과 각도에 따른 전송 효율을 보면 40 % 정도의 균일한 수치를 보이고 있다. 전송 효율은 40.55 내지 45.92 %의 범위를 갖고 있다. 표준편차는 5 % 정도로 3차원 전 방향에서 균일한 방사가 되고 있음을 알 수 있다.
본 발명에서는 3차원 전 방향에서의 자기공진 방식 무선 전력 전송용 공진기를 설계 및 구현하였다. 송신기의 전체적인 형태를 공 모양으로 구성함으로써 3차원 전 방향으로 공진이 일어날 수 있도록 설계했다. 이는 일반적인 단평면 구조의 자기공진방식 무선 전력 전송용 공진기에서 위치에 따라 전송 효율이 급격히 변하는 문제점을 해결하여 3차원 전 방향의 무선 전력 전송을 가능하게 한다. 공진 주파수는 6.78 MHz이고 송신 공진기와 수신기의 거리가 200 mm일 때, 3차원 전 방향에서 40 % 이상의 전송 효율을 얻을 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 송신 공진기
10: 공진체
20: 공진코일
30: 전원 소스

Claims (12)

  1. 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체; 및
    전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 복수의 면들 중 서로 다른 방향을 향하는 적어도 3 개의 면들을 나선 구조로 경유하는 공진코일을 포함하는, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진코일은 상기 공진체의 모든 면들을 나선 구조로 2 번 이상 경유하는, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체인, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진체는 속이 빈 형태인, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진체는 유전체로 형성되는, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진체는 아크릴 또는 유리로 형성되는, 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기.
  7. 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체;
    전원을 공급하는 전원 소스; 및
    상기 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 모든 면들을 적어도 한번 이상 나선 구조로 경유하여 전력을 방사하는 공진코일을 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체인, 무선 전력 전송 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공진체는 속이 빈 형태인, 무선 전력 전송 장치.
  10. 구(sphere)를 깍아놓은 모양으로 복수의 면들을 갖는 공진체;
    전원을 공급하는 전원 소스;
    상기 전원 소스와 연결되고, 상기 공진체의 모든 면들을 적어도 한번 이상 나선 구조로 경유하여 전력을 방사하는 송신 공진코일; 및
    상기 송신 공진코일과 커플링되어 전력을 수신하는 수신 공진코일을 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 공진체는 정다면체 또는 아르키메데스 다면체인, 무선 전력 전송 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 수신 공진코일은 부하 단말기 내부에 형성되는, 무선 전력 전송 시스템.
KR1020150160776A 2015-11-17 2015-11-17 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 KR101755284B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150160776A KR101755284B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150160776A KR101755284B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170057534A true KR20170057534A (ko) 2017-05-25
KR101755284B1 KR101755284B1 (ko) 2017-07-07

Family

ID=59051064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150160776A KR101755284B1 (ko) 2015-11-17 2015-11-17 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101755284B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108718119A (zh) * 2018-08-10 2018-10-30 杨喜红 全方位的远距离无线充电设备
KR20200083105A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 주식회사 워프솔루션 다중 충전 방식으로 충전이 가능한 다면 무선 충전 송신 장치
WO2023153769A1 (ko) * 2022-02-08 2023-08-17 삼성전자 주식회사 전자 장치 및 이의 동작 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101395256B1 (ko) * 2010-07-23 2014-05-16 한국전자통신연구원 무선 전력 전송 장치 및 그 제작 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108718119A (zh) * 2018-08-10 2018-10-30 杨喜红 全方位的远距离无线充电设备
KR20200083105A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 주식회사 워프솔루션 다중 충전 방식으로 충전이 가능한 다면 무선 충전 송신 장치
WO2023153769A1 (ko) * 2022-02-08 2023-08-17 삼성전자 주식회사 전자 장치 및 이의 동작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101755284B1 (ko) 2017-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103477496B (zh) 包含并排无源环路天线的无线通信装置及相关方法
KR101748591B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템 및 상기 시스템을 위한 공진기
US7573431B2 (en) Broadband polarized antenna including magnetodielectric material, isoimpedance loading, and associated methods
US20170187422A1 (en) Miniaturized highly-efficient designs for near-field power transfer system
KR101584800B1 (ko) 다중 모바일 기기들의 무선 충전을 위한 자기공진방식 무선전력전송 안테나
GB2454330A (en) Electromagnetic radiation compression
KR20120019219A (ko) 무선 에너지 전송을 위한 자기 공진체에서 전기장 및 복사전력 감소 장치
Yoon et al. Investigation of near-field wireless power transfer in the presence of lossy dielectric materials
KR20120019033A (ko) 방사형 무선 전력 전송 및 수신 장치
US10944297B2 (en) Low frequency rectenna system for wireless charging
US9577477B2 (en) Power transmission apparatus and method, and resonance device used therein
KR101755284B1 (ko) 다면체 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템
KR101382920B1 (ko) 무선전력 송신장치
Hirayama et al. An investigation on self-resonant and capacitor-loaded helical antennas for coupled-resonant wireless power transfer
US10170945B2 (en) Yagi antenna shaped wireless power transmission apparatus
Huang et al. A spiral electrically small magnetic antenna with high radiation efficiency for wireless power transfer
KR101715269B1 (ko) 십자 구조를 이용한 x-y 평면에서 전 방향으로 방사하는 무선 전력 전송용 공진기, 이를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템
Eteng et al. Wireless nonradiative energy transfer: Antenna performance enhancement techniques
Jolani et al. A novel planar wireless power transfer system with strong coupled magnetic resonances
KR101932383B1 (ko) 메타물질과 루프 코일 어레이를 이용한 무선전력 전송 장치 및 그 방법
Maruyama et al. Applied Reflectarray based on Metasurface for Wireless Power Transmission Efficiencys
KR101360024B1 (ko) 커패시터를 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법
JP2003069329A (ja) アンテナ
KR20120108530A (ko) 무선전력 송신장치, 무선전력 전달장치, 무선전력 수신장치 및 무선으로 전력 수신이 가능한 단말 장치
Kahng Enhanced Coupling Structures for Wireless Power Transfer Using the Circuit Approach and the Effective Medium Constants (Metamaterials)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant