KR20190068909A - 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치 Download PDF

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KR20190068909A
KR20190068909A KR1020170169155A KR20170169155A KR20190068909A KR 20190068909 A KR20190068909 A KR 20190068909A KR 1020170169155 A KR1020170169155 A KR 1020170169155A KR 20170169155 A KR20170169155 A KR 20170169155A KR 20190068909 A KR20190068909 A KR 20190068909A
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박상욱
최범진
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자동차부품연구원
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Abstract

전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치가 개시된다. 이 장치는, 일정 거리를 사이에 두고, 회전체 주변에 배치되어 전기 에너지를 무선 전송하는 판(plate) 형상의 송신 커플러 및 상기 회전체를 둘러싸며, 상기 회전체의 표면 상에서 상기 송신 커플러와 마주하도록 배치되어, 전기 공진 방식을 이용하여 상기 전기 에너지를 상기 송신 커플러로부터 수신하는 수신 커플러를 포함한다.

Description

전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치{APPARATUS FOR TRANSMITTING DEVICE WIRELESS POWER BASED ON ELECTRIC RESONANCE}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로, 전기 에너지의 무선 전송 수단으로서 전기장(electric field)을 이용하는 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다.
일반적인 무선 전력 전송 기술은 전선을 사용하지 않고 전기 에너지를 자기장의 형태로 변형하여 전송하는 기술로서, 송/수신 코일간의 자기 유도 현상을 이용한 자기 유도 방식(magnetic inductive coupling), 송/수신 공진기 사이의 공진 특성을 이용한 자기 공진 방식(magnetic resonant coupling) 및 마이크로파 대역에서 송/수신 안테나 간의 방사 특성을 이용한 마이크로파 방식으로 나눌 수 있다.
위의 자기 공진 방식과 관련된 선행 기술로, 한국공개특허 제2015-0134498호(회전체 표면에 부착된 센서를 위한 무선 전력 공급 장치, 공개일자 2015년12월02일)는 회전하는 회전체의 주변에 구비된 송신 코일(송전 코일)에서 상기 회전체 상에 구비된 수신 코일(수전 코일)에 전력을 자기공진 방식을 이용하여 무선 전송하는 기술을 공개하고 있다.
이러한 선행 기술에서는, 송신 코일과 수신 코일이 배치된 구조적 특징으로 인해, 자기 공진 방식이라 할지라도 송신 코일과 수신 코일이 정렬되어 있지 않으면, 전력 전송 효율의 저하를 피할 수 없다.
즉, 선행 기술은, 회전체의 회전에 의해, 송신 코일과 수신 코일 간의 배치 상태가 정렬 상태와 비정렬 상태를 반복하기 때문에, 선행 기술의 전력 전송 효율은, 도 1에 도시된 바와 같이, 불균일하다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 회전체의 표면에 다수의 수신 코일을 배치해야 하지만, 이 경우, 더 많은 수신기를 위치시켜야 하기 때문에, 비용이 증가하거나 수신기들 사이가 너무 가까이 위치할수록 수신기들 사이에서도 커플링이 형성되어 전체 공진을 맞추기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 안정적인 전력 전송 효율을 제공하도록 기존의 자기 공진 방식을 전기 공진 방식으로 대체한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치는, 일정 거리를 사이에 두고, 회전체 주변에 배치되어 전기 에너지를 무선 전송하는 판(plate) 형상의 송신 커플러 및 상기 회전체를 둘러싸며, 상기 회전체의 표면 상에서 상기 송신 커플러와 마주하도록 배치되어, 전기 공진 방식을 이용하여 상기 전기 에너지를 상기 송신 커플러로부터 수신하는 수신 커플러를 포함한다.
본 발명에 따르면, 무선으로 전력을 공급받아야 하는 수신 장치 혹은 대상이 회전하는 물체에 전기 공진 방식 기반의 무선전력전송 기술을 적용함으로써, 구조적으로 회전하는 물체에게 안정적이며, 높은 전력 전송 효율로 무선 전력을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 전력 전송 효율의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 구조도이다.
도 3은 도 2에 도시한 무선 전력 전송 장치를 상부에서 바라본 도면이다.
도 4은 도 2에 도시된 무선 전력 전송 장치의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 구조도이다.
도 6은 도 2 및 도 5의 송신기와 수신기 사이에 형성되는 상호 캐패시턴스에 영향을 끼치는 변수들을 설명하는 도면이다.
도 7은 종래의 전력 전송 효율과 본 발명의 전력 전송 효율을 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 구조도이고, 도 3은 도 2에 도시한 무선 전력 전송 장치를 상부에서 바라본 도면이다. 그리고, 도 4은 도 2에 도시된 무선 전력 전송 장치의 등가 회로도이다.
도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 자기장을 이용하여 전기 에너지를 무선 전송하는 종래와 다르게 전기장을 이용하여 전기 에너지를 무선 전송한다. 즉, 종래의 무선 전력 전송 장치는 전기 에너지의 무선 전송 방식으로 자기 공진 방식(magnetic resonant coupling)을 이용하기 위해 전력을 송신하는 송신기와 상기 송신기로부터 전력을 수신하는 수신기가 코일 형상의 구조를 갖도록 구성된 반면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전기 에너지의 무선 전송 방식으로 전기 공진 방식(electric resonant coupling)을 이용하기 위해 전력을 송신하는 송신기와 상기 송신기로부터 전력을 수신하는 수신기가 판(plate) 형상의 구조를 갖도록 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 수평 방향(X축 방향)으로 이격된 송신기(100)와 수신기(200)를 포함한다.
송신기(100)
송신기(100)는 전원부(VS), 제1 송신 커플러(110), 제2 송신 커플러(120) 및 제1 인덕터(L1)를 포함하도록 구성될 수 있다.
전원부(VS)는 제1 포트(P1)를 통해 제1 송신 커플러(110) 및 제2 송신 커플러(120)에 교류 전원을 공급한다.
제1 송신 커플러(110)와 제2 송신 커플러(120)는 수직 방향(Z축 방향)으로 이격 배치되며, 각각은 판(plate) 형상의 구조를 갖도록 구성될 수 있으며, 수신기(200)와의 전계 결합 강도를 높이기 위해, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 반원 형상의 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
제1 인덕터(L1)는 제1 포트(P1)와 제1 송신 커플러(110) 사이에 배치되어, 전원부(VS)의 한쪽 단자와 제1 송신 커플러(110)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 이러한 제1 인덕터(L1)는 송신기(100)를 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 임의의 럼프드 인덕턴스(lumped inductance)를 갖는 소자일 수 있다.
수직 방향(Z축 방향)으로 이격 배치된 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120) 간의 이격 거리에 의해, 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120) 사이에는 제1 캐패시턴스(C1)가 형성된다. 이러한 제1 캐패시턴스(C1)는 송신기(100)의 셀프 캐패시턴스(self-capacitance)로 기능한다. 이러한 캐패시턴스는 송신기(100)를 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 전술한 럼프드 인덕턴스(lumped inductance)를 고려하여 다양한 값으로 설계될 수 있으며, 이러한 조정을 위해, 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120) 간의 Z 축 방향의 이격 거리 변경 등을 통해 달성될 수 있다.
한편, 도 4에서 R1은 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120)의 도체 손실, 즉, 제1 송신 커플러(110)의 저항값과 제2 송신 커플러(120)의 저항값을 합한 전체 저항값을 나타낸다.
이와 같이, 송신기(100)는 제1 인덕터(L1)의 럼프드 인덕턴스, 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120) 사이에 형성된 제1 캐패시턴스(C1), 송신 커플러(110, 120)의 저항값(R1)을 적절하게 조정하여, 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 설계될 수 있다.
다르게, 저항값(R1)을 배제하고, 제1 인덕터(L1)의 럼프드 인덕턴스와 제1 및 제2 송신 커플러(110, 120) 사이에 형성된 제1 캐패시턴스(C1)만을 적절하게 조정하여, 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 설계할 수도 있다. 이러한 공진 설계에서 저항값(R1)을 배제할 수 있는 이유는 self 공진 주파수에 영향을 끼치는 주요 인자는 L과 C이기 때문이다. 즉, 두 공진기와 상호 캐패시턴스까지 포함되어 있는 상태에서 전력을 가장 잘 전송할 수 있는 공진 주파수를 설계할 때, 저항값의 영향은 미약하기 때문에 공진 설계시에 저항값을 고려하지 않을 수도 있다.
수신기(200)
수신기(200)는 전기 공진 방식을 기반으로 전술한 송신기(110)로부터 무선 전력을 수신하기 위해, 송신기(110)와 상호 캐패시턴스(Cm)를 형성하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 수신기(200)는 Z축을 중심으로 회전 가능한 원통 형상의 회전체(150) 표면을 둘러싸는 제1 및 제2 수신 커플러(210, 220)와 제2 인덕터(L2)를 포함하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 수신 커플러(210, 220)는 회전체(150)의 회전에 따라 회전하도록 구성될 수 있다.
제1 수신 커플러(210)와 제2 수신 커플러(220)는 상기 회전체(150) 표면 상에서 수직 방향(Z축 방향)으로 이격 배치되며, 각각은 원통 형상의 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
제1 수신 커플러(210)는 상기 회전체(150) 표면 상에서 전술한 제1 송신 커플러(110)와 소정의 이격 거리(d)를 두고 마주하도록 배치되며, 제2 수신 커플러(220)는 상기 회전체(150) 표면 상에서 전술한 제2 송신 커플러(120)와 소정의 이격 거리(d)를 두고 마주하도록 배치된다.
제1 수신 커플러(210)와 제2 수신 커플러(220) 사이의 이격 거리는 제1 송신 커플러(110)와 제2 송신 커플러(120) 사이의 이격 거리와 동일할 수 있다.
송신 커플러(110, 120)와 수신 커플러(210, 220)의 이격 거리(d)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 커플러(110 또는 120)의 중심점(41)으로부터 상기 수신 커플러(210 또는 220)까지 가장 가까운 거리로 정의할 수 있다.
제1 수신 커플러(210)와 제2 수신 커플러(220) 사이의 이격 거리에 의해, 제1 수신 커플러(210)와 제2 수신 커플러(220) 사이에는 제2 캐패시턴스(C2)가 형성된다. 이러한 제1 캐패시턴스(C2)는 수신기(200)의 셀프 캐패시턴스(self-capacitance)로 기능한다.
제1 및 제2 수신 커플러(210, 220)는 제2 포트(P2)를 통해 부하(RL)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 부하(RL)는 송신기(100)로부터 전기 공진 방식으로 전송되는 무선 전력을 수신 커플러(210, 220)를 통해 공급받을 수 있게 된다.
제2 인덕터(L2)는 제2 포트(P2)와 제1 수신 커플러(210) 사이에 배치되어, 부하(RL)의 한쪽 단자와 제1 수신 커플러(210)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 이러한 제2 인덕터(L2)는 수신기(200)를 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 임의의 럼프드 인덕턴스(lumped inductance)를 갖는 소자일 수 있다.
한편, 도 2의 무선 전력 전송 장치의 등가회로도(도 4)에서, R2는 제1 및 제2 수신 커플러(210, 220)의 도체 손실, 즉, 제1 수신 커플러(210)의 저항값과 제2 수신 커플러(220)의 저항값을 합한 전체 저항값을 나타낸다.
이와 같이, 수신기(200)는 제2 인덕터(L2)의 럼프드 인덕턴스, 제1 및 제2 수신 커플러(210, 220) 사이에 형성되는 제2 캐패시턴스(C2), 수신 커플러(210, 220)의 저항값(R2)을 적절하게 조정하여, 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 설계될 수 있다.
물론 전술한 송신기(100)에서 설명한 바와 같이, 공진 설계에서 수신 커플러(210, 220)의 저항값(R2)은 배제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 캐패시턴스 (C1, C2) 및 인덕턴스(L1, L2)를 적절히 조정하여, 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 구성되면, 송신기(100)와 수신기(200) 사이에는 상호 캐패시턴스(Cm)가 형성됨으로써, 송신기(100)는 전력을 전기장을 이용하여 수신기(200)에 무선 전송할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 구조도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 송신기(100) 내의 송신 커플러(130, 140)가 도 2의 실시 예에서 반원형의 송신 커플러(110, 120)가 평판형의 송신 커플러(130, 140)로 변형된 점을 제외하면, 나머지 구성들의 동작 및 기능은 동일하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 각 구성들에 대한 설명은 도 2에 도시된 무선 전력 전송 장치의 각 구성들에 대한 설명으로 대신한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에서도, 캐패시턴스 (C1, C2) 및 인덕턴스(L1, L2)를 적절히 조정하여, 원하는 공진 주파수에서 공진하도록 구성되면, 송신기(100)와 수신기(200) 사이에는 상호 캐패시턴스(Cm)가 형성됨으로써, 송신기(100)는 전력을 전기장을 이용하여 수신기(200)에 무선 전송할 수 있게 된다.
전력 전송 효율은 상호 캐패시턴스(Cm)와 품질 계수(Q)의 곱에 비례한다. 여기서, 품질 계수(Q)는 저장된 에너지를 손실된 에너지로 나눈 값으로 정의할 수 있다. 따라서, 도 2 및 도 5의 실시 예에서, 송신기(100)와 수신기(200) 간에 형성되는 상호 캐패시턴스(Cm)는 전력 전송 효율을 결정하는 중요한 인자이다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 출원인에 의해 수행된 시뮬레이션 결과에 기초해 상호 캐패시턴스(Cm)에 영향을 끼치는 변수들에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위해, 도 5의 실시예에 따른 평판 형상으로 구성된 송신 커플러를 갖는 무선 전력 전송 장치에서 상호 캐패시턴스(Cm)에 영향을 끼치는 변수들에 대해 설명하기로 한다.
본 출원인의 시뮬레이션 결과에 따르면, 상호 캐패시턴스(Cm)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 3개의 변수(w, h, d)를 조정하여 변화시킬 수 있음을 확인했다. 여기서, 변수 w는 송신 커플러(130, 140)의 폭이고, 변수 h는 송신 커플러(130, 140)의 높이이다. 변수 d는 평판형 송신 커플러(130, 140)로부터 원통형 수신 커플러(210, 220)까지의 최단 거리이다.
본 출원인의 시뮬레이션 결과에 따르면, 품질 계수(Q)는 위의 3개의 변수(w, h, d)의 변화에 따른 큰 폭의 변화가 없음을 확인했다. 즉, 3개의 변수(w, h, d)를 변화시켰을 때, 전력 전송 효율은 상호 캐패시턴스(Cm)에 의존적임을 확인할 수 있었다.
아래의 표 1 내지 3은 본 출원인에 의해 수행된 시뮬레이션 결과이다.
w=100, h=40, 단위[mm]
d 효율(%)
100 99
200 99
300 99
400 94
500 85
600 64
d=500, w=100, 단위[mm]
h 효율(%)
40 85
30 74
20 61
10 39
d=500, h=40, 단위[mm]
w 효율(%)
100 85
75 85
50 85
25 85
10 50
5 32
위의 표 1 내지 3의 결과를 정리하면, 다음과 같다.
표 1의 결과, 거리(d)가 멀어질수록 효율이 감소하고, 비교적 면적 대비 먼 거리까지 높은 효율을 유지한다.
표 2의 결과, 높이(h)가 작아질수록 효율이 감소한다.
표 3의 결과, 폭(w)가 작아질수록 효율이 감소하고, 일정 폭(예를 들면, 25mm) 미만에서, 효율이 급격히 감소한다.
위의 결과들을 종합하면, 거리(d)가 멀수록, 높이(h)와 폭(w)은 작아질수록 면적이 작아지므로, Cm이 작아지므로 효율이 작아진다. 거리(d)가 가까워도 효율 100%가 될 수 없는 것은 도체 손실에 기인한다. Cm
Figure pat00001
Q가 어느 일정 값 이상이면 높은 효율을 유지하다가 어느 일정값 이하로 떨어지면 효율이 떨어지기 시작한다.
한편, 높이(h)가 줄면, 면적이 작아지므로, Cm이 줄어들고, 줄어든 만큼 효율이 작아질 것이다. 이때, 폭(w)이 줄면, 면적은 작아지지만, 송신 커플러(130, 140)의 양 끝단부로부터 수신 커플러까지의 거리가 송신 커플러(130, 140)로부터 수신 커플러(210, 220)까지의 최단 거리(d)에 가까워지므로, 높이(h)를 줄인 경우에 비해 Cm이 덜 작아짐을 확인할 수 있었다. 이는 송신 커플러의 면적을 줄이는 방향으로 설계할 때, 높이(h)를 줄이는 것보다는 폭(w)을 줄이는 방향을 우선적으로 고려하여 설계하는 것이 효율측면에서 바람직함을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 전송 장치는 전기 공진 방식(electric resonant coupling)을 이용하기 위해 전력을 송신하는 송신기와 수신기가 판(plate) 형상의 구조를 갖도록 구성함으로써, 이러한 본 발명의 무선 전력 전송 장치를 회전하는 회전체를 포함하는 장치에 적용하여도, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전체에게 안정적이며, 높은 전력 전송 효율로 전력을 전송할 수 있게 된다.
이상, 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 일정 거리를 사이에 두고, 회전체 주변에 배치되어 전기 에너지를 무선 전송하는 판(plate) 형상의 송신 커플러; 및
    상기 회전체를 둘러싸며, 상기 회전체의 표면 상에서 상기 송신 커플러와 마주하도록 배치되어, 전기 공진 방식을 이용하여 상기 전기 에너지를 상기 송신 커플러로부터 수신하는 수신 커플러;
    를 포함하는 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에서, 상기 판 형상은,
    반원 형상인 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에서, 상기 송신 커플러는,
    교류전원의 한쪽 단자에 연결되는 반원 형상의 제1 송신 커플러;
    상기 교류전원의 다른 한쪽 단자에 연결되고, 상기 회전체의 중심축 방향을 따라 제1 송신 커플러로부터 일정 거리로 이격 배치된 반원 형상의 제2 송신 커플러; 및
    교류전원의 한쪽 단자와 상기 제1 송신 커플러 사이에 배치되는 제1 인덕터
    를 포함하는 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에서, 상기 송신 커플러는,
    상기 제1 송신 커플러와 상기 제2 송신 커플러 사이의 일정 거리에 의해 형성되는 제1 캐피시턴스 및 상기 제1 인덕터의 럼프드 인덕턴스(lumped inductance) 성분에 의해, 원하는 공진 주파수에서 공진하는 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에서, 상기 판 형상은,
    평판 형상인 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  6. 제5항에서, 상기 송신 커플러는,
    교류전원의 한쪽 단자에 연결되는 평판 형상의 제1 송신 커플러;
    상기 교류전원의 다른 한쪽 단자에 연결되고, 상기 회전체의 중심축 방향을 따라 제1 송신 커플러로부터 일정 거리로 이격 배치된 평판 형상의 제2 송신 커플러; 및
    교류전원의 한쪽 단자와 상기 제1 송신 커플러 사이에 배치되는 제1 인덕터
    를 포함하는 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에서, 상기 수신 커플러는,
    부하의 한쪽 단자에 연결되는 원통 형상의 제1 수신 커플러;
    상기 부하의 다른 한쪽 단자에 연결되고, 상기 회전체의 중심축 방향을 따라 제1 수신 커플러로부터 일정 거리로 이격 배치된 원통 형상의 제2 수신 커플러; 및
    상기 부하의 한쪽 단자와 상기 제1 수신 커플러 사이에 배치되는 제2 인덕터
    를 포함하는 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7항에서, 상기 수신 커플러는,
    상기 제1 수신 커플러와 상기 제2 수신 커플러 사이의 일정 거리에 의해 형성되는 제2 캐피시턴스 및 상기 제2 인덕터의 럼프드 인덕턴스(lumped inductance) 성분에 의해, 원하는 공진 주파수에서 공진하는 것인 전기 공진 방식에 기반한 무선 전력 전송 장치.
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