KR20180131998A - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공진체의 공진 주파수를 낮추면서 공진 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소정 공간 내 어느 한 측벽에 설치되고, 임피던스 정합과 전력을 전달하기 위한 송신 피딩 루프를 구비하며, 송신 피딩 루프를 이용하여 임피던스 정합과 전력을 전달받아 송신하는 송신 공진기와, 소정 공간 내 다른 한 측벽에 설치되고, 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 송신 공진기와의 공진 특성을 통해 상호 공명 현상을 발생시켜 소정 공간 내에 에너지를 저장하는 중계 공진기와, 소정 공간 내부에 설치되고, 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 소정 공간 내에 저장된 에너지를 전달받는 적어도 하나 이상의 수신 공진기를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치{APPARATUS FOR TRANSFERRING POWER}
본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기 설정된 거리만큼 이격 설치된 송신 공진기와 중계 공진기 사이에 스파이럴 코일 구조에 포터 정합 및 공진 정합 회로가 부가된 전송 공진기를 설치하여 임의의 공간 내 전력을 공급할 수 있는 3차원 임의의 공간에서의 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
에너지는 일을 할 수 있는 능력 등을 나타내는 어휘로, 열, 전기, 힘 등의 물리적학적인 용어이다. 현대에 이러한 에너지의 대표적인 예로 전기 에너지와 화력 에너지, 수력 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지가 존재한다.
이러한 에너지들 중 전기 에너지는 전류가 흐를 수 있는 도체를 통해 전송하는 것이 가장 기본적인 에너지 전력의 전달 방법이다.
전기 에너지 전달의 다른 방법으로, 전력을 발생시키기 위해 전계를 이용하는 방법이 있다. 이는 자기장과 전기장에 의해 유도되는 유도 기전력을 이용하여 1차측 코일과 2차측 코일에 의해 전력을 한 측에서 다른 한 측으로 전송하는 기술이다. 이러한 기술은 기본적으로 발전소 등에서 이용되는 방법이 가장 대표적인 방법이었다.
또 다른 방법으로 무선으로 에너지를 전송하는 방식은 일정한 전력의 신호를 무선상(air)으로 전송하는 전파 기술이 있다. 이러한 전파 기술은 무선 통신 방식에서는 널리 사용되기는 하지만, 실제로 효율적인 에너지 전송방식은 아니다.
한편, 2007년 MIT에서 전력을 전달하는 새로운 방법이 개발되었다. 새로운 방식에서는 무선으로 에너지를 전송하는 기술로 기존 안테나와는 다르게 2개의 동일한 주파수를 갖는 자기 공진체를 이용하여 자기장 공진을 주로하여 상호 공명으로 무선 에너지를 전송하는 기술이다. MIT에서 발표한 이 방법은 헤리칼 구조를 가지며, 공진 주파수는 10MHz이며, 공진체의 구조적 헤리칼 공진체 사이즈는 직경이 600 mm, 헤리칼은 5.25 턴, 선두께 직경 6mm, 헤리컬 전체 두께 200 mm 신호의 피딩 단일 루프는 250 mm이다.
그런데, MIT에서 개발된 위의 방식은 사이즈와 공진주파수가 실제 제품에 응용하기 위해서 적절치 못한 크기와 공진주파수를 갖는다는 문제가 있다. 즉, 전력의 무선 전송을 위한 공진체가 너무 크고, 공진주파수는 인체 영향에 가장 민감한 주파수라는 점이다. 실제 제품에서 무선 전력 전송을 하기 위해서는 공진주파수가 10 MHz 이하를 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 공진 구조의 크기(size)는 공진주파수의 함수이다. 즉, MIT에서 개발된 공진주파수보다 낮게 하기 위해서 즉, 공진주파수를 낮추려면, 공진 구조의 크기가 증가하게 되는 문제가 있다.
한국전자통신연구원(공개번호 2012-0010652호)의 "무선 전력 전송 장치 및 그 제작 방법"에는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 그 방법을 제공하며, 또한 본 발명에서는 공진체의 공진주파수를 낮추면서 공진 크기를 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치의 다양한 설계 및 제작 방법에 대한 기술이 기재되어 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공진체의 공진 주파수를 낮추면서 공진 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 초소형 공진체를 이용하여 임의의 장소에서 이 초소형 공진체의 직경보다 더 먼 거리에서 자유로이 무선전력을 전송함으로써, 공진기의 사이즈의 문제와 전송거리 효율 문제를 모두 만족할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소정 공간 내 어느 한 측벽에 설치되고, 임피던스 정합과 전력을 전달하기 위한 송신 피딩 루프를 구비하며, 상기 송신 피딩 루프를 이용하여 상기 임피던스 정합과 전력을 전달받아 송신하는 송신 공진기와, 상기 소정 공간 내 다른 한 측벽에 설치되고, 상기 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 상기 송신 공진기와의 공진 특성을 통해 상호 공명 현상을 발생시켜 상기 소정 공간 내에 에너지를 저장하는 중계 공진기와, 상기 소정 공간 내부에 설치되고, 상기 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 상기 소정 공간 내에 저장된 에너지를 전달받는 적어도 하나 이상의 수신 공진기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 수신 공진기는, 직접 급전 방식의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 공진 주파수는, 1.7MHz-1.8MHz인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 수신 공진기는, 상기 소정 공간 내 로봇 또는 이동체에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 송신 공진기와 상기 송신 피딩 루프는, 자체에서 발생되는 전자기장을 차폐하기 위한 차폐체 또는 차폐 시트에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 중계 공진기는, 자체에서 발생되는 전자기장을 차폐하기 위한 차폐체 또는 차폐 시트에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 상기 수신 공진기는, 직경이 50mm-70mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 바퀴를 구비하는 이동체에 전력을 무선으로 전송하기 위한 장치로서, 상기 바퀴의 어느 한 부분을 고정하기 위한 제 1 고정자에 설치되고, 임피던스 정합과 전력을 전달하기 위한 송신 피딩 루프를 구비하며, 상기 송신 피딩 루프를 이용하여 상기 임피던스 정합과 전력을 전달받아 송신하는 송신 공진기와, 상기 바퀴의 다른 한 부분을 고정하기 위한 제 2 고정자에 설치되고, 상기 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 상기 송신 공진기와의 공진 특성을 통해 상호 공명 현상을 발생시켜 상기 제 1 및 제 2 고정자 사이 공간에 에너지를 저장하는 중계 공진기와,
상기 제 1 및 제 2 고정자에 의해 고정되는 바퀴에 설치되고, 상기 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 상기 제 1 및 제 2 고정자 사이 공간에 저장된 에너지를 전달받는 적어도 하나 이상의 수신 공진기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 소형화를 통해 소형 기기에 적용할 수 있는 이점이 있으며, 이를 통해 비용 절감의 효과를 가진다. 또한 기존 MIT 구조의 헤리칼 구조보다 낮은 공진주파수를 가지며, 체적을 대폭적으로 감소하여 상용화가 가능한 무선 전력 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 송신 공진기에만 송신 피딩 루프를 설치하기 때문에 특정 공간 내에 에너지를 골고루 분포시킬 수 있을 뿐만 아니라 공간 내에 수신 공진기를 설치함으로써, 공간 내 다수의 무선 기기와 전자 기기에 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공진기를 이용한 무선 전력 송신 장치의 구조를 도시한 도면,
도 2는 일반적인 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송의 구조,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 공진기의 제작 결과를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 도시한 도면,
도 5는 실제 구조에서 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 사용 가능한가를 시험적으로 평가한 것을 보여준 도면,
도 6은 실제 구조에서 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 사용이 가능한가를 다른 작은 공진기로 시험한 것을 보여준 도면,
도 7은 도 5에서 소형 공진기를 이용하여 전력 전송 효율을 네트워크 분석기(Network Analyzer)로 측정한 결과를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 적용된 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 적용된 다른 실시 예를 도시한 도면,
도 10은 일정 영역 내에서 무선으로 전력을 전송할 경우 인체 보호 및 기기 보호를 위해 무선전력의 차폐에 관한 내용을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 초소형 공진체를 이용하여 임의의 장소에서 이 초소형 공진체의 직경보다 더 먼 거리에서 자유로이 무선전력을 전송함으로써, 공진기의 사이즈의 문제와 전송거리 효율 문제를 모두 만족할 수 있는 무선 전력 전송 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공진기를 이용한 무선 전력 송신 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치는 송신 피딩 루프(101)를 구비하는 송신 공진기(102), 중계 공진기(103), 수신 공진기(104) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 무선 전력 송신 장치의 구조와 일반적인 무선 전력 전송의 구조간의 차이점을 명확하게 하기 위해 일반적인 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송의 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송의 구조로서, 2개의 송수신 공진기(202, 203) 및 임피던스 정합과 전력 전송을 위한 두 개의 피딩 루프(201, 204)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 일반적인 자기 공명을 이용한 무선 전력 전송 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 송수신 공진기와 임피던스 정합 및 전력의 송수신을 위한 2개의 피딩 루프 구조를 갖지만, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 송신 공진기(102)에만 송신 피딩 루프(101)를 갖는다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 수신 공진기측에 피딩 루프 없이 중계기 역할을 수행하며, 실제로 전력을 수신하는 공진기는 송신 공진기(102)와 중계 공진기(103) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 송신 공진기(102)는 임의의 공간(105) 내 어느 한 측벽에 설치될 수 있으며, 임피던스 정합과 전력을 전달하기 위한 송신 피딩 루프(101)를 구비하며, 송신 피딩 루프(101)는 임피던스 정합과 전력을 안정적으로 송신 공진기(102)에 전달할 수 있다.
송신 공진기(102)는 중계 공진기(103)과 동일한 공진 주파수를 갖으며, 공진 주파수를 이용한 상호 공진 특성에 따라 상호 공명 현상을 발생시킬 수 있다. 이러한 상호 공명 현상에 의해 송신 공진기(102)와 중계 공진기(103) 사이의 공간(105) 내부에는 에너지가 저장될 수 있다. 이러한 에너지는 공간(105) 내부에 설치된 수신 공진기(104)에 전달될 수 있다.
중계 공진기(103)는 송신 공진기(102)와 소정 간격 이격되어 설치되는데, 예컨대 공간(105) 내 반대편 측벽에 설치될 수 있다. 이러한 중계 공진기(103)는 송신 공진기(102)와 동일한 공진 주파수를 갖으며, 송신 공진기(102)와의 공진 특성을 통해 상호 공명 현상을 발생시켜 공간(105) 내에 에너지를 저장할 수 있다. 이렇게 저장된 에너지는 공간(105) 내 설치된 수신 공진기(104)에 전달될 수 있다.
수신 공진기(104)는 송신 공진기(102)에 비해 매우 작은 크기를 갖으며, 송신 공진기(102)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가질 수 있다. 여기에서, 공진 주파수는 1.7MHz-1.8MHz를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 수신 공진기(104)는 송신 공진기(102)와 중계 공진기(103) 사이, 즉 공간(105) 내부에 설치될 수 있으며, 공간(105) 내에 저장된 에너지를 전달받을 수 있다.
이러한 수신 공진기(104)는 직접 급전 방식의 구조를 갖을 수 있는데, 예컨대 C-C 매칭 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 적용되는 소형 수신 공진기(104)의 구조는, 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 공진기의 제작 결과를 도시한 도면으로서, C-C 매칭을 통해 소형화 시킨 구조이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 공진의 LC적인 관점에서 보면, 공진이 되려면 인덕턴스(L), 캐패시턴스(C)가 존재하면서도 임피던스의 허수부가 0가 되어야 한다. 먼저, 복소 임피던스는 아래의 수학식1과 같다.
Figure pat00001
상기의 수학식 1에서 허수 임피던스(X)가 0이 되어 없어지는 주파수가 공진주파수이며, 허수 임피던스(X)는 아래의 수학식2와 같다.
Figure pat00002
상기의 수학식 2를 주파수(f)로 정리하면, 아래의 수학식3과 같이 공진 주파수가 정해질 수 있다.
Figure pat00003
상기의 수학식 3에서 자기 공진기를 제작할 경우 높은 Q 값을 갖는 공진기 제작을 위해 충분한 인덕턴스(L) 값을 갖도록 하고 기생 캐패시턴스(C)를 이용하여 공진기를 제작하게 된다. 일 예로 높은 Q 값을 갖는 공진기를 구현하기 위해 코일의 자체 인덕턴스(L) 값이 많이 나오게 하는 구조의 코일 제작이 중요한 설계 인자가 될 수 있다. 상기의 수학식 1의 복소 임피던스 식에서 허수 임피던스를 0으로 만들면, 공진 조건을 만들어 줄 수 있다. 만약, 소형 수신 공진기(104)가 인덕턴스(L)로 구성된 소자라면, 원하는 주파수에서 공진을 얻기 위해 추가 캐패시턴스(C)를 확보하여 공진을 확보할 수 있을 것이다. 복소 임피던스 Z가 R+jX인 경우 포터를 R-jX로 구성해 줌으로써, 공진을 발생시킬 수 있다. 만약, 공진 주파수가 1.8MHz이며, 소형 수신 공진기(104)의 직경은 50mm에서 70mm 사이로 매우 소형이면, 그 Q 값은 100 이상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 하나의 소형 수신 공진기(104)를 이용하여 에너지를 전달받는 것으로 예를 들어 설명하였지만, 공간(105) 내부에 다수의 소형 수신 공진기(104)를 설치할 수 있으며, 이를 통해 다중으로 전력을 전송할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 송신 공진기(102)와 중계 공진기(103) 사이에 다수의 소형 수신 공진기(304, 305, 306)가 존재할 수 있으며, 이러한 소형 수신 공진기(1304, 305, 306)는 서로 다른 위치에서 자유로이 전력 수신이 가능할 수 있다. 또한, 소형 수신 공진기(304, 305, 306)는 병행으로 전력 수신이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 무선 전력 전송 장치가 실제 적용되는 예에 대해 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 5는 실제 구조에서 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 사용 가능한가를 시험적으로 평가한 것을 보여준 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 송신 공진기(402)는 실제 직경이 300mm이며, 중계 공진기(403)도 직경이 300mm이다. 이때 사용된 어느 하나의 소형 수신 공진기(404)는 직경이 130mm이며, 다른 소형 수신 공진기(405)는 직경이 70mm이다. 이러한 경우 전력 전송 효율은 점선의 박스구조 내 어디에나 60%이상이 전달됨을 확인하였다. 이때, 송신 공진기(403)과 중계 공진기(404)를 직경 2m 혹은 4m로 키우면, 집 내부 방 하나 혹은 사무실 하나의 양측 벽면에 설치함으로써, 방 혹은 사무실 내 어디에서나 작은 수신 공진기로 전력을 무선으로 전달 받을 수 있다.
도 6은 실제 구조에서 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 사용이 가능한가를 다른 작은 공진기로 시험한 것을 보여준 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 송신 공진기(502)는 실제 직경이 300mm이며, 중계 공진기(503)도 직경이 300mm이다. 이때 사용된 소형 공진기(504)는 직경이 50mm이며, 다른 소형 공진기(505)는 직경이 70mm이다. 이러한 경우에도 전력 전송 효율은 점선의 박스 구조 내 어디에나 60%이상이 전달됨을 확인하였다.
도 7은 도 5에서 소형 공진기(404)를 이용하여 전력 전송 효율을 네트워크 분석기(Network Analyzer)로 측정한 결과를 도시한 도면으로서, 공진 주파수가 1.758MHz 근처에서 발생하고 그 삽입손실 S21이 -0.8752dB일 때, 82%의 전력전송 효율을 갖는다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 무선 전력 전송 장치가 적용된 예에 대해 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 적용된 일 예를 도시한 도면으로서, 송신 공진기(602)를 사무실 혹은 방(room)의 벽면에 설치하고, 반대편 벽면에 중계 공진기(603)를 설치한 상태에서 사무실 또는 방 내부에 위치한 로봇과 같은 이동체(604) 내부에 본 발명의 실시 예에 따른 공진기(605)를 장착한 경우 이동체(604)는 무선으로 전력을 공급 받을 수 있다. 이때, 이동체(604)에 장착되는 공진기(605)는 송신 공진기(602)에 비해 매우 작은 특징을 갖고 있으며, 송신 공진기(602)의 공진 주파수와 동일하다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치가 적용된 다른 실시 예를 도시한 도면으로서, 자전거의 무선 전력 전송 구조를 보여주고 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 자전거가 자전거 주차장에 주차된다면, 자전거의 주차장에는 자전거 바퀴(704)를 고정하기 위한 제 1, 2 고정자(701, 705)가 설치되어 있다. 이를 이용하여 제 1 고정자(701)의 한쪽 면에 송신 공진기(702)를 설치하고, 제 2 고정자(705)에 중계 공진기(703)을 설치하고 그 사이에 자전거 바퀴(704)에 소형 공진기(704a)를 장착하면, 무선으로 전력을 전송 받을 수 있다.
도 10은 일정 영역 내에서 무선으로 전력을 전송할 경우 인체 보호 및 기기 보호를 위해 무선전력의 차폐에 관한 내용을 도시한 것이다. 송신 공진기(803)과 송신 피딩 루프(802)의 뒤 부분을 차폐체 또는 차폐 시트(sheet)(806)를 이용하여 후방 및 측방으로 노출되는 전자기장을 차폐하게 된다.
또한, 중계 공진기(804)의 경우도 뒤 쪽으로 차폐체 혹은 차폐 시트(806)를 설치하여 후방 및 측방으로 노출되는 전자기파를 감소시킬 수 있다. 수신 공진기(805)는 동일하게 공간(801)내 설치되어 공간(801) 내 어디에서나 무선으로 전력을 전달 받게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
101, 201, 802 : 송신 피딩 루프
102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 803 : 송신 공진기
103, 303, 403, 503, 603, 703, 804 : 중계 공진기
104, 304, 305, 306, 404, 504, 605, 704a, 805 : 수신 공진기
806 : 차폐 시트

Claims (1)

  1. 무선 충전 공간의 제1 위치에 설치되고, 피딩 루프를 통해 전류가 공급되어 상기 무선 충전 공간에 위치한 수신 공진기에 전력을 전달하는 송신 공진기; 및
    상기 무선 충전 공간에서 제1 위치와 마주보는 제2 위치에 설치되는 중계 공진기
    를 포함하고,
    상기 송신 공진기와 중계 공진기는 직경이 동일한 무선 충전 시스템.
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