KR20180014996A - 날개구조 토로이달 형상의 송수신 코일구조를 갖는 무선전력전송장치 - Google Patents

날개구조 토로이달 형상의 송수신 코일구조를 갖는 무선전력전송장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송수신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 날개부를 가지는 페라이트를 통해 송신부와 수신부 사이의 자기결합 계수값을 증가시킴으로써 높은 에너지 전송 효율을 가지며, 수신 본체부의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부와 하향 연장부의 하단으로부터 수신 본체부의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부를 구비하도록 수신 날개부를 형성하고 수신 본체부에 수신 코일을 감음으로써 부피 제약을 가지는 수신부에서 공간 이용율을 극대화할 수 있다.

Description

날개구조 토로이달 형상의 송수신 코일구조를 갖는 무선전력전송장치{Wireless Power Transmission Equipment having the Wing and Toroidal Type Transmitter and Receiver Coil Structure}
본 발명은 무선 전력 송수신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 날개부를 가지는 페라이트를 통해 송신부와 수신부 사이의 자기결합 계수값을 증가시킴으로써 높은 에너지 전송 효율을 가지며, 수신 본체부의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부와 하향 연장부의 하단으로부터 수신 본체부의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부를 구비하도록 수신 날개부를 형성하고 수신 본체부에 수신 코일을 감음으로써 부피 제약을 가지는 수신부에서 공간 이용율을 극대화할 수 있다.
전세계적으로 에너지 기술과 IT기술을 융합하는 에너지-IT 융합기술에 대한관심도가 높아지고 있다. 에너지-IT 융합기술이란 고도로 발전된 IT기술을 에너지 분야에 접목하는 것으로 그린 IT(Green IT)라는 개념으로도 소개되고 있다. 예를 들어 내부에 전원이 없는 수동태그에 수록되어 있는 정보를 리더기로 판독하기 위하여 무선으로 에너지를 공급하는 RFID(Radio Frequency Identification)기술, 전원선을 없애고 무선으로 가전기기나 전기자동차에 전원을 공급하는 무선전력전송기술(WPT: Wireless Power Transfer), LED를 이용하여 조명과 통신을 동시에 수행하는 가시광통신 기술(VLC: Visual Light Communication), 무선통신을 이용하여 사용자의 전력 사용량을 원격으로 검침하는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 기술, 전력공급처인 한국전력과 수요자가 전력 사용량에 대한 정보를 교환할 수 있도록 전력선 또는 무선통신을 이용한 스마트 그리드(Smart Grid) 등이 그린 IT의 대표적인 서비스로 소개되고 있다.
이중에서 무선전력전송 기술은 실현된다면 그 파급효과가 매우 크기 때문에 관심이 집중되고 있는 분야이다. 만약에 수십 W 이상의 전력을 무선으로 공급할 수 있다면 IT기술의 패러다임이 획기적으로 바뀔 것으로 예상된다.
무선전력 전송분야는 교류전력 상용화 기술을 확립한 N. Tesla 의해 1890년대초 그 가능성이 입증되었고 특허로 등록되어 최근까지 수동형 RF-ID(Radio frequency identification)분야, 자기유도형 가열 등 극히 일부 분야에만 제한적으로 이용되어 왔다. 그 주요한 이유는 전력전송효율이 매우 낮고 또한 인체에 대한 유해성 논란으로 상용화가 어려웠기 때문이다. 그러나 스위칭 소자, 안테나 및 자성소재 등 관련 기술의 발전에 힘입어 기존의 문제들에 대한 해결이 가능해지면서 최근 들어 그 응용 제품들이 앞다투어 개발되고 있다.
전기에너지를 전자기에너지로 변환하여 전송하고, 이를 수신하여 다시 전기에너지로 변환하는 과정에서 발생하는 에너지 손실 및 누설 등을 고려할 때, 무선방식의 전력전송은 유선방식보다 에너지 전송 효율이 낮아지게 된다. 따라서 높은 에너지 전송 효율을 가지는 무선 전력 송수신 시스템에 대한 요구가 더욱 커지고 있으며, 무선 에너지 전송 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 종래 무선 전력 송수신 시스템이 가지는 낮은 에너지 전송 효율의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 이전 무선 전력 송수신 시스템의 에너지 전송 효율보다 향상된 에너지 송신 효율을 가지는 무선 전력 송수신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 날개부를 가지는 페라이트를 통해 송신부와 수신부 사이의 자기결합 계수값을 증가시켜 에너지 전송 효율을 높인 무선 전력 송수신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 목적은 송신부에 배치되는 송신 코일 모듈의 송신 날개부를 단차지도록 하향 연장 형성하여 공간 이용율을 높이고 자기결합 계수값을 극대화한 무선 전력 송수신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 외부에서 교류 전원을 인가받아 전자기장을 생성하는 송신 코일 모듈을 구비하는 송신부와, 송신 코일 모듈로부터 생성되는 전자기장에 의해 유도 결합되는 수신 코일 모듈을 구비하는 수신부를 포함하며,
송신 코일 모듈은 송신 본체부와, 송신 본체부로부터 연장 형성되는 송신 날개부와, 송신 본체부에 배치되는 송신 코일을 구비하며,
수신 코일 모듈은 수신 본체부와, 수신 본체부로부터 연장 형성되는 수신 날개부와, 수신 본체부에 배치되는 수신 코일을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 송신 코일은 송신 본체부에 환상형(toroidal)으로 감겨 배치되며, 수신 코일은 수신 본체부에 환상형으로 감겨 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 송신 본체부와 수신 본체부는 서로 대향 배치되며, 송신 날개부와 수신 날개부는 서로 대향 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서 송신 날개부는 송신 본체부의 양단으로 연장 형성되고, 수신 날개부는 수신 본체부의 양단으로 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 수신 날개부는 수신 본체부의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부와, 하향 연장부의 하단으로부터 수신 본체부의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부를 포함하고, 수평 연장부가 송신 날개부와 서로 대향 배치되는 것을 특징으로 한다.
송신 날개부는 그 하면이 송신 본체부의 하면과 동일 평면을 이루고, 그 상면은 송신 본체부의 상면보다 더 높게 위치하도록 송신 본체부의 양단에 상향 단차지게 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 다음과 같은 다양한 효과를 가진다.
첫째, 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 날개부를 가지는 페라이트를 통해 송신부와 수신부 사이의 자기결합 계수값을 증가시킴으로써, 높은 에너지 전송 효율을 가지는 무선 전력 송수신 시스템을 제공할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 수신 본체부의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부와 하향 연장부의 하단으로부터 수신 본체부의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부를 구비하도록 수신 날개부를 형성하고 수신 본체부에 수신 코일을 감음으로써, 부피 제약을 가지는 수신부에서 공간 이용율을 극대화할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 수신 날개부와 송신 날개부가 최소 간격으로 서로 대향하여 이격 배치도록 구성함으로써, 자기결합 계수값을 극대화하여 높은 에너지 전달 효율을 가지도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 설명하기 위한 기능 블록도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에서 따른 무선 전력 송수신 시스템의 충전 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 송신 코일 모듈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 코일 모듈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 송신 코일 모듈과 수신 코일 모듈의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(a)과 수신 코일 모듈(b)을 도시하고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(a)과 수신 코일 모듈(b)의 실험 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(Tx)과 수신 코일 모듈(Rx), 그리고 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈과 수신 코일 모듈의 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 수신 코일 모듈을 하우징 없이(a), 알루미늄 하우징에 배치하는 경우(b) 및 철 하우징에 배치하는 경우(c)로 구분하여 실험예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 송신 코일 모듈을 하우징 없이(a), 알루미늄 하우징에 배치하는 경우(b) 및 철 하우징에 배치하는 경우(c)로 구분하여 실험예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 실험예에서 코일의 측정값을 도시하고 있다.
도 12는 종래 무선 전력 송수신 시스템과 본원발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 에너지 전달 효율을 도시하고 있다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 설명하기 위한 기능 블록도를 도시하고 있다.
도 1을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템(10)은 무선으로 전력을 송신하는 송신부(100)와 송신부(100)로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신부(200)를 포함한다.
여기서 송신부(100)는 외부에서 교류전원을 공급받아 전자기장을 생성하여 무선으로 전력을 송신하는데, 송신부(100)는 컨버터부(110)와, 인버터부(130) 및 송신 코일 모듈(150)을 포함한다. 컨버터부(110)는 외부에서 교류전류를 공급받아 직류전류로 변환하는 것으로써, 후술하는 인버터부(130)에 연결된다.
이러한 컨버터부(110)는 후술하는 인버터부(130)가 송신 코일 모듈(150)로 전달하기에 적합한 크기의 교류전압을 생성하도록, 외부의 전원공급장치로부터 교류전류를 공급받아 직류전류로 변환시킨다. 인버터부(130)는 상술한 컨버터부(110)로부터 직류전류를 공급받아 교류전류로 변환하는 것으로써, 상술한 컨버터부(110)와 후술하는 송신 코일 모듈(150)에 각각 연결된다.
이러한 인버터부(130)는 송신 코일 모듈(150)가 전자기장을 형성하도록, 상술한 컨버터부(110)로부터 공급받은 직류전류를 교류전류로 변환시켜 송신 코일 모듈(150)로 전달한다. 즉, 외부의 전원공급장치에서 공급되는 교류전류가 상술한 컨버터부(110)와 인버터부(130)를 거치면서, 송신 코일 모듈(150)가 전자기장을 형성하기에 적합한 형태의 교류전류로 변환된다.
송신 코일 모듈(150)는 상술한 인버터부(130)로부터 교류전류를 공급받아 전자기장을 생성하는 것으로써, 인버터부(130)에 연결된다. 이러한 송신 코일 모듈(150)는 상술한 인버터부(130)로부터 교류전류를 공급받아 전자기장을 형성한다.
한편, 수신부(200)는 송신부(100)에서 생성된 전자기장에 유도 결합되어 유도교류전원을 생성하는데, 수신부(200)는 수신 코일 모듈(210)와, 정류부(230)와, 변환부(250)를 포함한다. 수신 코일 모듈(210)는 상술한 송신 코일 모듈(150)에서 생성되는 전자기장에 의해 유도 결합되어 유도교류전원을 생성하는데, 수신 코일 모듈(210)은 정류부(230)와 연결된다.
바람직하게, 수신 코일 모듈(210)의 진동수와 송신 코일 모듈(150)의 진동수는 서로 동일한 진동수를 가지도록 형성되어, 송신 코일 모듈(150)에서 발생되는 전자기장에 의해 수신 코일 모듈(210)이 공진(共振)된다. 공진이란, 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 의미한다. 따라서, 상술한 공진에 의하면, 송신 코일 모듈(150)에 의해, 수신 코일 모듈(210)에서 에너지(유도교류전원)가 생성 될 수 있다.
송신 코일 모듈(150)이 전자기장을 생성하는 경우, 수신 코일 모듈(210)은 유도 결합되어 에너지, 즉, 유도교류전원을 생성하고, 생성된 유도교류전원은 정류부(230)로 공급된다.
정류부(230)는 수신 코일 모듈(210)에서 생성된 유도교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 것으로써, 상술한 수신 코일 모듈(210)와 후술하는 변환부(250)에 각각 연결된다. 일반적인 기계장치 내부에 설치된 각종 부품들 중 기계장치의 제어, 감지 등을 위해 설치되는 장치 및 부품들은 대부분 전자기적으로 민감하며, 따라서, 이러한 장치 및 부품들은 전자기적인 교란이 적은 직류전원에 의해 구동되어야 한다. 따라서, 수신 코일 모듈(210)에 의해 생성된 유도교류전원을 정류(定流)시켜 직류전원으로 변환시킨 다음, 변환된 직류전원을 각종 장치 및 부품들로 공급해야 할 필요성이 있다.
상술한 정류부(230)에 의하면, 수신 코일 모듈(210)에서 생성된 유도교류전원은 용이하게 직류전원으로 정류되고, 이에 의해서, 기계장치의 내부에 설치된 각종 부품들로 직류전원이 공급될 수 있다. 변환부(250)는 상술한 정류부(230)로부터 변환된 직류전원을 전달받아 기설정된 직류전원으로 변환시키는 것으로써, 정류부(230)에 연결되며, 기계장치 내부의 각종 부품들에 연결된다.
상술한 정류부(230)에 의해, 수신 코일 모듈(210)에서 생성된 유도교류전원이 직류전원으도 변환되었음에도 불구하고, 곧바로 기계장치 내부에 설치된 각종 부품들로 상술한 변환된 직류전원을 공급하기에는 부적합하다. 따라서, 변환된 직류전원을 기계장치 내부에 설치된 각종 부품들의 구동시 요구되는 적절한 전압의 직류전원(기설정된 직류전원)로 다시 변환시켜야 할 필요성이 있다.
따라서, 상술한 변환부(250)에 의하면, 정류부(230)에서 전달되는 직류전원을 기설정된 직류전원으로 용이하게 변환시킬 수 있으며, 이에 의해서, 기계장치 내부의 각종 부품들을 구동시키기에 적합한 직류전원(기설정된 직류전원)이 기계장치내부의 각종 부품들로 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명에서 따른 무선 전력 송수신 시스템의 충전 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 송신부(100)의 하우징(101) 내부에는 앞서 설명한 컨버터부(110), 인버터부(130) 및 송신 코일 모듈(150)이 배치되는데 이하에서는 송신 코일 모듈(150)만 도시된 상태로 설명하며, 수신부(200)의 하우징(201) 내부에는 앞서 설명한 수신 코일 모듈(210), 정류부(230) 및 변환부(250)이 배치되는데 이하에서는 수신 코일 모듈(210)만 도시된 상태로 설명한다. 여기서 송신부(100)는 무선으로 전력을 공급하는 송신 장치의 구성요소로 배치될 수 있으며, 수신부(200)는 무선으로 전력을 공급받는 수신 장치의 구성요소로 배치될 수 있으며 수신 장치에 전원을 직접 공급하거나 수신 장치의 배터리를 충전할 수 있다.
송신부(100)와 수신부(200)는 서로 이격 거리(D)만큼 이격되어 배치되는데, 바람직하게 송신부(100)와 수신부(200)는 수cm 내지 수십cm의 이격 거리로 이격 배치된다. 송신부(100) 내부에 배치되어 있는 송신 코일 모듈(150)과 수신부(200) 내부에 배치되어 있는 수신 코일 모듈(210)는 서로 대향하여 배치되어, 수신 코일 모듈(210)은 송신 코일 모듈(150)에서 생성되는 전자기장에 유도 결합될 수 있도록 배치된다.
바람직하게, 송신 코일 모듈(150)은 송신부(100)의 하우징(101) 내부 상면에 배치되며, 수신 코일 모듈(210)은 수신부(200)의 하우징(201) 내부 하면에 서로 대향하도록 배치된다.
도 3은 본 발명에 따른 송신 코일 모듈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)에 도시되어 있는 송신 코일 모듈(150)의 제1 실시예를 살펴보면, 송신 코일 모듈(150)은 송신 본체부(151), 송신 본체부(151)의 양단으로 연장 형성되어 있는 송신 날개부(152, 153) 및 송신 본체부(151)에 배치되는 송신 코일(154)를 구비하고 있다. 여기서 송신 본체부(151)와 송신 날개부(152, 153)는 서로 동일한 평면상에 연장 형성되어 있으며, 송신 코일(154)은 송신 본체부(151)에 환상형(toroidal)으로 다수의 코일이 감겨 형성되어 있다. 송신 코일(154)은 지름이 작은 다수의 단위 코일(154a)이 서로 교차하여 형성되며, 서로 교차한 단위 코일의 외주면에는 절연체(154b)가 배치되어 있다.
한편, 도 3(b)에 도시되어 있는 송신 코일 모듈(150)의 제2 실시예를 살펴보면, 송신 코일 모듈(150)은 송신 본체부(155), 송신 본체부(155)의 양단에 연장 형성되어 있는 송신 날개부(156, 157) 및 송신 본체부(155)에 배치되는 송신 코일(158)를 구비하고 있다. 송신 코일(158)은 앞서 설명한 송신 코일(154)와 동일한 구조로 제작될 수 있다. 여기서 송신 날개부(156, 157)는 각각 그 하면이 송신 본체부(155)의 하면과 동일 평면을 이루고, 그 상면은 송신 본체부(155)의 상면보다 더 높게 위치하도록 송신 본체부(155)의 양단에 상향 단차지게 연장 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 적용되는 분야에 따라 송신 날개부는 송신 본체부(155)의 일단으로만 연장 형성될 수 있으며 이는 본 발명의 범위에 속한다.
또한 본 발명이 적용되는 분야에 따라 송신 날개부(156, 157)는 송신 본체부(155)의 양단으로 서로 동일한 길이로 연장 형성되거나 서로 상이한 길이로 연장 형성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 코일 모듈의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4(a)에 도시되어 있는 수신 코일 모듈(210)의 제1 실시예를 살펴보면, 수신 코일 모듈(210)은 수신 본체부(211), 수신 본체부(211)의 양단으로 연장 형성되어 있는 수신 날개부(212, 213) 및 수신 본체부(211)에 배치되는 수신 코일(214)를 구비하고 있다. 여기서 수신 본체부(211)와 수신 날개부(212, 213)는 서로 동일한 평면상에 연장 형성되어 있으며, 수신 코일(214)는 수신 본체부(211)에 환상형(toroidal)으로 다수의 코일이 감겨 형성되어 있다. 수신 코일(214)은 지름이 작은 다수의 단위 코일(214a)이 서로 교차하여 형성되며, 서로 교차한 단위 코일의 외주면에는 절연체(1214b)가 배치되어 있다.
한편, 도 4(b)에 도시되어 있는 수신 코일 모듈(210)의 제2 실시예를 살펴보면, 수신 코일 모듈(210)은 수신 본체부(215), 수신 본체부(215)의 양단에 연장 형성되어 있는 수신 날개부(216, 217) 및 수신 본체부(215)에 배치되는 수신 코일(218)를 구비하고 있다. 수신 코일(218)은 앞서 설명한 송신 코일(214)와 동일한 구조로 제작될 수 있다. 여기서 수신 날개부(216)는 수신 본체부(215)의 일단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부(216a)와, 하향 연장부(216a)의 하단으로부터 수신 본체부(215)의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부(216b)를 포함하고, 수평 연장부(216a)가 송신 날개부(156)와 서로 대향 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 수신 날개부(217)는 수신 본체부(215)의 타단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부(217a)와, 하향 연장부(217a)의 하단으로부터 수신 본체부(215)의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부(217b)를 포함하고, 수평 연장부(217a)가 송신 날개부(157)와 서로 대향 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 적용되는 분야에 따라 수신 날개부는 수신 본체부(215)의 일단으로만 연장 형성될 수 있으며 이는 본 발명의 범위에 속한다.
또한 본 발명이 적용되는 분야에 따라 수신 날개부(216, 217)는 수신 본체부(215)의 양단으로 서로 동일한 길이로 연장 형성되거나 서로 상이한 길이로 연장 형성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
도 4(b)와 같이 수신 본체부(215)에서 하향 연장부(216a, 217a) 및 수평 연장부(216b, 217b)를 연장 형성함으로써, 수신부의 한정된 부피 공간에서 수신 코일 모듈이 차지하는 부피를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 송신 코일 모듈과 수신 코일 모듈의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a)에 도시되어 있는 제1 배치예를 보다 구체적으로 살펴보면, 송신 코일 모듈(150)의 송신 날개부(152, 153)는 송신 본체부(151)와 서로 동일한 평면상에 송신 본체부(151)로부터 연장 형성되어 있으며, 수신 코일 모듈(210)의 수신 날개부(212, 213)는 수신 본체부(211)와 서로 동일한 평면상에 수신 본체부(211)로부터 연장 형성되어 있다. 여기서 수신 날개부(212, 213)는 송신 날개부(152, 153)와 서로 대향 배치된다. 여기서 송신 코일 모듈(150)은 송신부 하우징(101)의 내부 상면에 배치되고 수신 코일 모듈(210)은 수신부 하우징(201)의 내부 하면에 배치되어 송신 날개부(152, 153)과 대향하는 수신 날개부(212, 213)는 서로 이격 거리(d1)로 이격 배치된다. 이를 통해 송신 코일 모듈(150)에서 생성되는 전자기장에 유도 결합되는, 송신 코일 모듈(150)과 수신 코일 모듈(210) 사이의 자기결합 계수값은 송신 날개부(152, 153)과 수신 날개부(212, 213)로 인하여 증가하게 되며, 송신부(100)에서 수신부(200)로 높은 에너지 전달 효율로 전원을 송수신하도록 한다.
도 5(b)에 도시되어 있는 제2 배치예를 보다 구체적으로 살펴보면, 송신 날개부(156, 157)는 그 하면이 송신 본체부(155)의 하면과 동일 평면을 이루고, 그 상면은 송신 본체부(155)의 상면보다 더 높게 위치하도록 송신 본체부(155)의 양단에 상향 단차지게 연장 형성되어 있으며, 수신 코일 모듈(210)의 수신 날개부(216, 217)는 수신 본체부(215)의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부(216a, 217a)와 하향 연장부(216a, 217a)의 하단으로부터 수신 본체부(215)의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부(216b, 217b)를 포함하도록 형성되어 있다. 여기서 수평 연장부(216b, 217b)가 송신 날개부(156, 157)와 서로 대향 배치된다. 여기서 송신 코일 모듈(150)은 송신부 하우징(101)의 내부 상면에 배치되고 수신 코일 모듈(210)은 수신부 하우징(201)의 내부 하면에 배치되어 송신 날개부(156, 157)과 대향하는 수평 연장부(216b, 217b) 사이의 이격 거리(d2)가 최소가 되도록 배치된다. 송신 날개부(156, 157)과 대향하는 수평 연장부(216b, 217b) 뿐만 아니라 최소 이격 거리(d2)로 인하여 송신 코일 모듈(150)에서 생성되는 전자기장에 유도 결합되는, 송신 코일 모듈(150)과 수신 코일 모듈(210) 사이의 자기결합 계수값을 증가시키며, 송신부(100)에서 수신부(200)로 높은 에너지 전달 효율로 전원을 송수신하도록 한다.
도 5(c)에 도시되어 있는 제3 배치예를 보다 구체적으로 살펴보면, 송신 코일 모듈(150)의 송신 날개부(152, 153)는 송신 본체부(151)와 서로 동일한 평면상에 송신 본체부(151)로부터 연장 형성되어 있으며, 수신 코일 모듈(210)의 수신 날개부(216, 217)는 수신 본체부(215)의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부(216a, 217a)와 하향 연장부(216a, 217a)의 하단으로부터 수신 본체부(215)의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부(216b, 217b)를 포함하도록 형성되어 있다. 여기서 수평 연장부(216b, 217b)가 송신 날개부(152, 153)와 서로 대향 배치된다. 여기서 송신 코일 모듈(150)은 송신부 하우징(101)의 내부 상면에 배치되고 수신 코일 모듈(210)은 수신부 하우징(201)의 내부 하면에 배치되어 송신 날개부(152, 153)과 대향하는 수평 연장부(216b, 217b)는 서로 이격 거리(d3)로 이격 배치된다. 송신 날개부(152, 153)과 대향하는 수평 연장부(216b, 217b) 뿐만 아니라 이격 거리(d3)로 인하여 자기결합 계수값은 증가하게 되며, 송신부(100)에서 수신부(200)로 높은 에너지 전달 효율로 전원을 송수신하도록 한다.
본 발명이 적용되는 분야에 따라 앞서 설명한 도 3(a)와 도 3(b)의 송신 코일 모듈 중 선택된 1개 및 도 4(a)와 도 4(b)의 수신 코일 모듈 중에서 선택된 1개의 다양한 조합이 가능하며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
도 6은 종래 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(a)과 수신 코일 모듈(b)을 도시하고 있으며, 도 7은 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(a)과 수신 코일 모듈(b)의 실험 예를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈은 앞서 도 3(b)에서 설명한 형태이며, 수신 코일 모듈은 앞서 도 4(b)에서 설명한 형태이다.
한편, 도 8은 종래 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈(Tx)과 수신 코일 모듈(Rx), 그리고 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 사용되는 송신 코일 모듈과 수신 코일 모듈의 조건을 설명하기 위한 도면이다. 여기서 페라이트는 수신본체부와 수신날개부 또는 송신본체부와 송신날개부를 통칭하는 용어로 사용된다.
도 9에 도시되어 있는 바와 같이 수신 코일 모듈을 하우징 없이(a), 알루미늄 하우징에 배치하는 경우(b) 및 철 하우징에 배치하는 경우(c)로 구분하여 실험하였으며, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 송신 코일 모듈을 하우징 없이(a), 알루미늄 하우징에 배치하는 경우(b) 및 철 하우징에 배치하는 경우(c)로 구분하여 실험하였다.
도 11은 코일에서 측정된 값을 도시하고 있으며, 도 12는 종래 무선 전력 송수신 시스템과 본원발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 에너지 전달 효율을 도시하고 있다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 종래 무선 전력 송수신 시스템보다 약 10%의 에너지 전달 효율이 향상되었음을 확인할 수 있다.
100: 송신부 200: 수신부
110: 컨버터부 130: 인버터부
150: 송신 코일 모듈 210: 수신 코일 모듈
230: 정류부 250: 변환부

Claims (6)

  1. 외부에서 교류 전원을 인가받아 전자기장을 생성하는 송신 코일 모듈을 구비하는 송신부; 및
    상기 송신 코일 모듈로부터 생성되는 전자기장에 의해 유도 결합되는 수신 코일 모듈을 구비하는 수신부를 포함하며,
    상기 송신 코일 모듈은 송신 본체부와, 상기 송신 본체부로부터 연장 형성되는 송신 날개부와, 상기 송신 본체부에 배치되는 송신 코일을 구비하며,
    상기 수신 코일 모듈은 수신 본체부와, 상기 수신 본체부로부터 연장 형성되는 수신 날개부와, 상기 수신 본체부에 배치되는 수신 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 코일은 상기 송신 본체부에 환상형(toroidal)으로 감겨 배치되며,
    상기 수신 코일은 상기 수신 본체부에 환상형으로 감겨 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 본체부와 상기 수신 본체부는 서로 대향 배치되며,
    상기 송신 날개부와 상기 수신 날개부는 서로 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 송신 날개부는 상기 송신 본체부의 양단으로 연장 형성되고,
    상시 수신 날개부는 상기 수신 본체부의 양단으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 수신 날개부는
    상기 수신 본체부의 양단으로부터 하향 연장되는 하향 연장부와,
    상기 하향 연장부의 하단으로부터 상기 수신 본체부의 외측 방향으로 수평하게 연장되는 수평 연장부를 포함하고, 상기 수평 연장부가 상기 송신 날개부와 서로 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 송신 날개부는
    그 하면이 상기 송신 본체부의 하면과 동일 평면을 이루고, 그 상면은 상기 송신 본체부의 상면보다 더 높게 위치하도록 상기 송신 본체부의 양단에 상향 단차지게 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
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