KR20190081737A

KR20190081737A - 루프코일 어레이 장치 및 이를 이용한 전철용 무선전력전송 시스템

Info

Publication number: KR20190081737A
Application number: KR1020170184481A
Authority: KR
Inventors: 김정호; 이성수; 김혜수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09
Also published as: KR102059020B1

Abstract

루프코일 어레이 장치 및 이를 이용한 전철용 무선전력전송 시스템이 개시된다. 중앙부 루프코일 어레이는 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 증폭시켜 더 멀리 나아가도록 해준다. 외곽부 루프코일 어레이는 중앙부 루프코일 어레이를 내포하도록 고리형으로 둘러싸고, 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 감쇄시켜 누설자속량을 줄여준다. 송전코일과 수전코일 사이에 루프코일 어레이 장치가 배치될 수 있다. 송전코일에서 생성된 자기장의 중앙부 자속은 증폭시켜 수전코일에 전달효율을 높여주고, 외곽부 자속은 감쇄시켜 누설자속량을 줄여준다. 루프코일 어레이 장치를 사용하면 무선전력전송 시스템에서 페라이트의 사용량을 줄일 수 있다.

Description

루프코일 어레이 장치 및 이를 이용한 전철용 무선전력전송 시스템 {LOOP COIL ARRAY AND WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM FOR TRAIN USING THE SAME}

본 발명은 무선전력전송 또는 무선충전 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자기장의 선택적 증폭 및 감쇄가 가능한 루프코일 어레이 장치와 이를 사용하는 전철용 무선전력전송 시스템에 관한 것이다.

무선전력전송을 이용한 무선충전은 사용자의 편의를 위해 제품 충전 시 전원선을 없애려는 목적으로 다양한 물품들에 대해 적용되고 있다. 휴대폰뿐만 아니라 전동 칫솔과 진공청소기, 자동차 등 생활전반에서 쉽게 찾아볼 수 있고, 그 대상이 지속적으로 늘어나고 있다. 근래에는 대전력을 사용하는 경전철에 무선 충전을 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 기존 전원 공급 선로 관리에 대한 안정성과 비용 문제에 대한 해결책이 될 수 있기 때문이다.

오늘날 대부분의 전기 철도는 팬터그래프라는 수전장치를 이용하여 차량 상부의 송전선에서 전력을 공급받아 주행한다. 그러나 팬터그래프와 송전선의 접촉부에 발생하는 마찰로 인해 송전선이 닳아 단선에 대한 우려가 있어 이를 지속적으로 관리해야 한다. 하지만 지속적인 관리에 드는 유지보수 비용이 많이 발생한다. 그렇기 때문에, 최근에는 무선전력전송 기술을 철도에 도입하려는 움직임이 활발해지고 있다.

무선전력전송 기술은 선을 사용하지 않고 주로 자기장을 이용하여 전력을 전송한다. 즉, 무선전력전송은 송전코일(1차측 코일)과 수전코일(2차측 코일)의 두 코일 간에 자기유도 현상 또는 자기적 공명 현상을 이용하여 전력을 무선으로 전달하는 기술이다. 이는 실제로 전류에 직접적으로 노출되지 않아, 안전성을 큰 장점으로 현재 활발히 연구되고 있는 분야이다.

일반적으로 철도에 적용할 무선전력전송 시스템은 수백 kW의 전력을 사용하고 사용전류량도 수백 A에 이른다. 이와 같은 대전류를 사용하므로 그 전류의 크기에 비례하여 주변에 강한 전자장이 방출되어 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 누설되는 전자장을 차폐하는 일이 새로운 문제로 떠오르고 있다.

종래에는 철도 시스템에서 전자장 차폐 물질인 페라이트를 사용하여 문제를 해결하고 있다. 그런데 페라이트는 매우 고가의 물이고 자체의 가격이 비싸고 무겁다는 점에서 한계가 있다. 또한 차폐에 필요한 페라이트 양은 차폐하려는 자기장의 크기에 비례하기 때문에 대전력을 사용하는 철도의 경우 많은 양의 페라이트를 필요로 하게 되어, 이 역시 비용과 무게 문제로 귀결된다.

본 발명의 일 목적은 페라이트와 루프 코일 어레이를 결합하여 자기장의 중앙부 자속은 증폭시키고 외곽부 자속은 감쇄시켜 무선전력전송 효율을 높이면서 누설자속을 차단하여 자기장을 선택적으로 증폭 및 감쇄시킬 수 있는 루프코일 어레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 루프코일 어레이 장치를 송전코일과 수전코일 사이에 배치하여 자기장을 선택적으로 증폭 및 감쇄시켜 누설자속을 최소화하면서 무선전력전송 효율을 개선할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기장을 선택적으로 증폭 및 감쇄시켜 운행 중인 철도차량에 필요한 대전력을 무선방식으로 고효율로 전달하면서 누설자속을 최소화할 수 있는 전철용 무선전력전송 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 루프코일 어레이 장치는 기판, 중앙부 루프코일 어레이, 그리고 외곽부 루프코일 어레이를 포함한다. 상기 중앙부 루프코일 어레이는 상기 기판 상의 중앙영역에 서로 인접하게 배치되는 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀을 포함하며, 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 증폭시켜 더 멀리 나아가도록 해준다. 상기 외곽부 루프코일 어레이는 상기 중앙부 루프코일 어레이를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 상기 기판 상의 외곽영역에 서로 인접하게 배치된 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀을 포함하며, 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 감쇄시켜 누설자속량을 줄여준다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 크지 않고, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 작지 않은 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제1 도체 코일과 제1 캐패시터를 포함하며, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제2 도체코일과 제2 캐패시터를 포함할 수 있다. 상기 제1 도체 코일의 인덕턴스가 상기 제2 도체 코일의 인덕턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것과 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스가 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것 중 적어도 어느 한 가지를 만족하도록 설계된 것에 의해 상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 각각 릿츠 와이어를 권선하여 만들어진 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 동일한 도체 와이어를 사용하여 권선된 것이며, 상기 제1 도체 코일의 권선 수는 상기 제2 도체 코일의 권선 수보다 작은 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 중앙부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀들은 정방형 매트릭스 형태로 서로 근접 배치되고, 상기 외곽부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀들은 상기 정방형 매트릭스 형태를 감싸는 사각고리 형태로 서로 근접 배치되는 것일 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템은 송전부, 수전부, 그리고 루프코일 어레이 모듈을 포함한다. 송전부는 소정 주파수의 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일을 포함하며, 상기 송전코일을 통해 전력을 무선으로 전송한다. 수전부는 상기 자기장이 쇄교할 수 있도록 상기 송전코일과 이격되어 대면하도록 배치된 수전코일을 포함하며, 상기 수전코일을 통해 상기 송전부가 전송하는 전력을 무선으로 수전한다. 상기 루프코일 어레이 모듈은 상기 송전코일과 상기 수전코일 사이에 나란히 배치되며, 상기 송전코일에서 송출하는 자기장의 자속 중에서 중앙부 자속은 증폭시켜 상기 수전코일에 더 많은 자속량이 전달되게 하는 반면 외곽부 자속은 감쇄시켜 누설 자속량을 최소화한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 송전부는 철로의 두 레일 사이에 설치되고, 상기 수전부는 상기 두 레일 위를 운행하는 철도차량의 바닥부에 설치되며, 상기 루프코일 어레이 모듈은 상기 철도차량의 바닥부에서 아래쪽으로 돌출되어 설치되되 상기 송전코일보다는 상기 수전코일에 더 가깝지 않게 배치될 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 송전부는 상기 송전코일의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 상기 송전코일에서 송출된 자기장이 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제1 페라이트 플레이트를 더 포함하고, 상기 수전부는 상기 수전코일의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 자기장이 상기 수전코일의 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제2 페라이트 플레이트를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 루프코일 어레이 모듈은, 기판; 상기 기판 상의 중앙영역에 서로 인접하게 배치되는 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀을 포함하며, 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가지며, 상기 송전코일에서 송출되어 자신에게 입사하는 자기장을 증폭시켜 상기 수전코일에 도달하는 자속량을 더 강화해주는 중앙부 루프코일 어레이; 및 상기 중앙부 루프코일 어레이를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 상기 기판 상의 외곽영역에 서로 인접하게 배치된 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀을 포함하며, 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가지며, 상기 송전코일에서 송출되어 자신에게 입사하는 자기장을 감쇄시켜 상기 수전코일에 도달하지 못하고 외부로 누설되는 누설자속량을 줄여주는 외곽부 루프코일 어레이를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제1 도체 코일과 제1 캐패시터를 포함하며, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제2 도체코일과 제2 캐패시터를 포함하며,

상기 제1 도체 코일의 인덕턴스가 상기 제2 도체 코일의 인덕턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것과 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스가 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것 중 적어도 어느 한 가지를 만족하도록 설계된 것에 의해 상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 동일한 릿츠 와이어를 사용하여 권선된 것이며, 상기 제1 도체 코일의 권선 수는 상기 제2 도체 코일의 권선 수보다 작은 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 중앙부 루프코일 어레이의 한 변의 길이는 상기 송전코일의 직경보다 작지 않은 것일 수 있다.

본 발명에 따른 루프 코일 어레이 장치(100)는 입력되는 자기장의 중앙부 자속은 증폭시킬 수 있고, 외곽부 자속은 감쇄시킬 수 있다. 이를 무선전력전송 시스템의 송전코일과 수전코일 사이에 배치하면, 송전코일에서 발생된 자기장을 증폭 시켜 수전코일에 전달할 수 있으므로 무선전력전송의 효율을 높일 수 있다. 이와 동시에 바깥쪽을 새나가는 자속은 약화시킴으로써 누설자속량을 줄일 수 있다. 이런 시스템은 대전력량을 무선으로 전달하기 위해 대전류를 송전코일에 흘려줘야 하는 철도용 무선전력전송 시스템에 유용하게 활용될 수 있다. 철도 무선전력전송 시스템에서 시스템 전송 효율뿐만 아니라, 차폐효과도 좋아 적은 양의 페라이트를 사용할 수 있어 비용과 무게가 동시에 줄어드는 효과를 누를 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 루프코일 어레이 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 루프코일 어레이 장치를 채용한, 본 발명의 실시예에 따른, 무선전력전송 시스템의 구성 및 송전코일과 수전코일 사이에 배치된 루프코일 어레이 장치의 자기장에 대한 선택적 증폭 및 감쇄 작용 원리를 도시한다.
도 3은 도 1의 루프코일 어레이 장치를 채용한, 본 발명의 실시예에 따른, 전철용 무선전력전송 시스템의 구성 및 송전코일과 수전코일 사이에 배치된 루프코일 어레이 장치의 자기장에 대한 선택적 증폭 및 감쇄 작용 원리를 도시한다.
도 4는 본 발명의 비교예로서, 도 1의 루프코일 어레이 장치를 채용하지 않은 전철용 무선전력전송 시스템에서의 자기장의 자속 분포를 도시한다.
도 5의 (A)와 (B)는 도 1의 루프코일 어레이 장치의 중앙부에 배치되는 자기장 증폭코일의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.
도 6의 (A)와 (B)는 도 1의 루프코일 어레이 장치의 외곽부에 배치되는 자기장 차폐코일의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.
도 7은 자기장 증폭코일과 차폐코일을 포함하는 루프코일 어레이의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1의 루프코일 어레이 장치를 송전코일과 수전코일 사이에서 위치를 달리하였을 때의 전력전송효율의 변화를 나타낸다.

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 실시 예 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.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 루프코일 어레이 장치(100)의 평면도이다.

도 1을 참조하면, 루프코일 어레이 장치(100)는 기판(120)과 이 기판(120) 상의 중앙영역에 배치되는 중앙부 루프코일 어레이(130), 그리고 중앙부 루프코일 어레이(130)를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 기판(120) 상의 외곽영역에 배치되는 외곽부 루프코일 어레이(140)를 포함할 수 있다.

기판(120)은 두 루프코일 어레이(130, 140)가 설치되어 물리적으로 지지해주는 역할을 할 수 있다. 이런 역할을 할 수 있다면 어떤 재질의 기판이라도 사용될 수 있다. 예컨대 아크릴 기판 등 플라스틱 기판, 기타 절연성 재질의 기판을 기판(120)으로 사용할 수 있다.

중앙부 루프코일 어레이(130)는 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들을 포함할 수 있다. 이 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들은 기판(120) 상의 중앙영역에 서로 인접하게 배치될 수 있다. 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들은 자기장이 새나가지 못하도록 도시된 것처럼 N x N의 매트릭스 형태로 빈틈없이 밀집 배치될 수 있다. 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들은 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가질 수 있다. 그에 따라 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들은 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 증폭시켜 내보낼 수 있다. 이에 의해, 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들을 통과한 자기장은 세기가 강화되어 통달 거리가 더 늘어날 수 있다.

외곽부 루프코일 어레이(140)는 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2)을 포함할 수 있다. 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2)들은 중앙부 루프코일 어레이(130)를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 기판(120) 상의 외곽영역에 서로 인접하게 배치될 수 있다. 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2)들은 예컨대 정방형 배치의 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1)들 완전히 포위하도록 사각고리 형태를 이루며 서로 근접 배치될 수 있다. 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2)들은 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가질 수 있다. 그에 따라 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2)들은 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 감쇄시켜 누설자속량을 줄여줄 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1) 각각의 공진주파수는 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 크지 않은 범위 내에서 사용조건에 적합한 값을 갖도록 설계될 수 있다. 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 작지 않은 범위 내에서 사용조건에 적합한 값을 갖도록 설계될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀(110-1) 각각은 서로 연결된 제1 도체 코일(112-1)과 제1 캐패시터(114-1)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀(110-2) 각각은 서로 연결된 제2 도체코일(112-2)과 제2 캐패시터(114-2)를 포함할 수 있다. 제1 도체 코일(112-1)과 제1 캐패시터(114-1)는 직렬로 연결될 수 있다. 제2 도체코일(112-2)과 제2 캐패시터(114-2)도 직렬로 연결될 수 있다.

상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 값을 가지도록 하기 위한 한 가지 방법으로서, 제1 도체 코일(112-1)의 인덕턴스가 제2 도체 코일(112-2)의 인덕턴스보다 더 낮은 값을 가지도록 설계할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제1 도체 코일(112-1)과 제2 도체 코일(112-2)은 각각 릿츠 와이어를 권선하여 만들 수 있다. 릿츠 와이어는 전류용량이 커서 대전류를 흘리기에 유리하다. 즉, 릿츠와이어는 허용전류가 높기 때문에 수백 A의 높은 전류를 사용하여 전력을 전송하는 철도용 무선전력전송 시스템(30)에 매우 적합하다. 제1 도체 코일(112-1)과 제2 도체 코일(112-2)은 동일한 도체 와이어를 사용하여 권선될 수 있으며, 그 경우 제1 도체 코일(112-1)의 권선 수는 제2 도체 코일(112-2)의 권선 수보다 작게 권선할 수 있다. 이렇게 권선하는 것은 상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 값을 갖도록 하는 한 가지 방법이 될 수 있다.

상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 값을 가지도록 하기 위한 다른 방법으로서, 제1 캐패시터(114-1)의 캐패시턴스가 제2 캐패시터(114-2)의 캐패시턴스보다 더 낮은 값을 가지도록 설계할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템(200)의 구성을 도시한다.

도 1을 참조하면, 이 무선전력전송 시스템(200)은 도 1의 루프코일 어레이 장치(100), 송전부(310), 그리고 수전부(340)를 포함할 수 있다.

송전부(310)는 소정 주파수의 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일(220)을 포함하며, 그 송전코일(220)을 통해 전력을 무선으로 전송할 수 있다.

수전부(340)는 송전코일(220)에서 송출된 자기장이 쇄교할 수 있도록 송전코일(220)과 이격되어 대면하도록 배치된 수전코일(240)을 포함하며, 그 수전코일(240)을 통해 전력을 무선으로 전달받을 수 있다.

루프코일 어레이 장치(100)는 송전코일(220)과 수전코일(240) 사이에 나란하게 배치된다. 루프코일 어레이 장치(100)는 입사하는 자기장에 대하여 중앙부 자속에 대해서는 증폭 작용을 하고 외곽부 자속에 대해서는 감쇄 작용을 하는 자기장의 선택적 증폭 및 감쇄 기능을 제공할 수 있다. 도 2는 루프코일 어레이 장치(100)의 자기장에 대한 선택적 증폭 및 감쇄 작용 원리도 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 루프코일 어레이 장치(100)는 송전코일(220)에서 송출하는 자기장의 자속 중에서 중앙부 자속(260)은 증폭시켜 수전코일(240)에 더 많이 자속(262)이 전달되게 할 수 있다. 반면에, 루프코일 어레이 장치(100)는 송전코일(220)에서 송출하는 자기장의 자속 중 외곽부 자속(270)을 감쇄시켜 바깥쪽으로 누설되는 자속량(272)을 최소화시킬 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 송전부(310)는 송전코일(220)의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 송전코일(220)에서 송출된 자기장이 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제1 페라이트 플레이트(230)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 수전부(340)도 수전코일(240)의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 자기장이 수전코일(240)의 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제2 페라이트 플레이트(250)를 포함할 수 있다.

송전부(310)는 송전 전원을 교류전류로 변환하여 송전코일(220)에 공급하는 인버터(320)를 포함할 수 있다. 수전부(340)는 송전코일(220)에서 송출한 자기장과의 쇄교에 의해 수전코일(240)에 유도되는 교류전류를 직류로 변환하는 컨버터(350)를 포함할 수 있다. 무선전력전송에 있어서 인버터(320)와 컨버터(350)의 작용과 구성은 잘 알려져 있고, 본 발명의 중심 아이디어와 직접 관련이 없으므로 여기서는 이에 관한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 것으로서, 도 1의 루프코일 어레이 장치(100)를 채용한 전철용 무선전력전송 시스템(300)의 구성을 도시한다.

전철용 무선전력전송 시스템(300)은 도 2의 무선전력전송 시스템(300)을 철로와 전철(380)에 적용한 것이다. 송전부(310)는 철도차량(380)이 지나가는 철로의 두 레일(386) 사이에 설치될 수 있다. 수전부(340)는 두 레일(386) 위를 운행하는 철도차량(380)의 바닥부(382)에 설치될 수 있다.

루프코일 어레이 장치(100)는 철도차량(380)의 바닥부(383)에서 아래쪽으로 돌출되어, 송전코일(220)과 수전코일(240) 사이에 나란히 배치되게 설치될 수 있다. 특히 자기장의 선택적 증폭 및 감쇄 효과를 효율적으로 획득할 수 있도록, 루프코일 어레이 장치(100)는 송전코일(220)보다는 수전코일에 더 가깝지 않게 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 중앙부 루프코일 어레이(130)가 정방형 매트릭스 형태인 경우, 그것의 한 변의 길이는 송전코일(220)의 직경보다 작지 않은 것이 바람직하다.

송전코일(220)의 배면 쪽에는 자기장 차폐용 제1 페라이트 플레이트(230)가 배치되고, 수전코일(240)의 배면 쪽에 자기장 차폐용 제2 페라이트 플레이트(250)가 배치될 수 있다. 이들 페라이트 플레이트(230, 250)의 누설 자속 차폐 기능을 도 2에서 설명한 바와 같다.

도 4는 본 발명의 비교예로서, 도 1의 루프코일 어레이 장치(100)를 채용하지 않은 일반적인 전철용 무선전력전송 시스템(300-1)에서의 자기장의 자속 분포를 도시한다. 일반적인 무선전력전송 시스템(300-1)은 송전 코일(220), 수전 코일(240), 그리고 이들 송전 코일(220)과 수전 코일(240)의 각각 뒤쪽에 페라이트 플레이트(230, 250)를 배치하는 것으로 가정한다. 이점은 본 발명의 무선전력전송 시스템(300)과 같다.

본 발명의 무선전력전송 시스템(300)은 이 시스템(300-1)에 루프코일 어레이 장치(100)를 적용하여 시스템의 동작주파수인 60kHz에서 보다 효과적으로 자기장을 형성 할 수 있도록 도와준다. 위에서 설명하였듯이, 루프 코일 어레이 장치(100)는 다수의 제1 및 제2 단위 루프코일 셀(110-1, 110-2)들로 이루어져 있다. 자기장의 형성 과정을 살펴보면 송전 코일에서 나온 자기장이 중앙부 루프코일 어레이(130)를 만나면 자기장을 강화시켜주는 자기장을 더 생성시킨다. 그 결과 증폭된 자기장이 수전 코일(240)에 집속된다. 송전 코일(220)에서 나오는 자기장의 자속 중 외곽부 루프코일 어레이(140)로 인가되면 그 자기장을 상쇄시켜주는 자기장을 생성시킨다. 그 결과 자기장은 감소되어 바깥으로 많이 퍼져나가지 못한다. 즉, 누설 자속량이 줄어들게 된다. 송전 코일(220)과 수전 코일(240)의 각각 뒤에 위치한 페라이트 플레이트(230, 250)는 송전코일(220)과 수전코일(240)의 뒤쪽으로 방출되는 자기장을 차폐해주는 역할을 한다.

이렇게 루프 코일 어레이 장치(100)를 송전 코일(220)과 수전 코일(240) 사이에 넣음으로써, 사용되는 페라이트 양을 줄일 수 있고 동시에 무선전력전송의 효율을 더욱 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 같은 송전 및 수전 코일(220, 240) 크기 대비 더 높은 전력전송효율을 얻을 수 있다.이와 더불어, 같은 거리의 무선전력전송 시 송전 및 수전 코일(220, 240)의 크기를 줄인 시스템을 구현할 수 있다는 장점을 지닌다.

송전코일(220)에서 나온 자기장을 증폭시킴으로써 수전코일(240)로 집속시키는 데 도움을 주는 중앙부 루프코일 어레이(130)는 도 1에서 초록색 바탕의 색으로 칠해진 루프 코일들이다. 도면에는 총 4개의 루프 코일들이 2x2 배열을 이루면서, 가운데 영역에 위치한다.

중앙부 루프코일 어레이(130)가 자기장을 증폭시켜서 높은 전력전송효율을 내는 데 도움을 주는 데 비해, 외곽부 루프코일 어레이(140)는 송전코일(220)에서 나온 자기장을 상쇄시켜서 누설 자기장을 줄이는 역할을 한다. 외곽부 루프코일 어레이(140)는 도 1에서 붉은 색으로 칠해진 루프코일들이다. 이렇게 제1 단위 루프코일 셀(110-1)과 제2 단위 루프코일 셀(110-2)이 물리적으로 같은 크기를 갖더라도 서로 다른 역할을 할 수 있는 것은 즉, 자기장을 증폭하는 역할과 자기장 차폐하는 역할을 각각 할 수 있는 것은 제1 단위 루프코일 셀(110-1)과 제2 단위 루프코일 셀(110-2)의 전기적인 특성인 공진주파수가 다르기 때문이다.

전자유도에 관한 패러데이 법칙에 의하면, 자기장이 루프코일에 들어와서 쇄교하면, 그 루프코일에 유도전압이 생겨 유도전류가 흐르고, 그에 따라 자기장이 형성된다. 이렇게 형성되는 자기장은 루프코일에 들어오는 자기장과 반대방향이다. 유도코일이 순수한 인덕턴스 성분만 있는 코일이거나 캐패시턴스 성분이 있다 하더라도 인덕턴스 성분이 아주 크면 위와 같이 패러데이 법칙에 따라 반대되는 자기장을 형성하는 전류가 유도코일에 흐른다. 외곽부 루프코일 어레이(140)가 인가되는 자기장에 대하여 감쇄 작용을 하는 원리가 이와 같다. 이와 달리, 루프코일에 인덕턴스 성분 외에 캐패시턴스 성분도 함께 있는 경우, 그런 루프코일에 자기장이 인가되면 그 인가 자기장과 같은 방향성을 갖는 자기장이 형성될 수 있다. 중앙부 루프코일 어레이(130)가 인가 자기장에 대하여 증폭 작용을 하는 원리가 이와 같다.

이러한 원리에 기초하여 예컨대 릿츠 와이어와 같은 도체 와이어와 럼프드(lumped) 캐패시터를 활용하여 자기장에 대한 증폭작용을 하는 제1 제2 단위 루프코일 셀(110-1)과 감쇄작용을 하는 제2 단위 루프코일 셀(110-2)을 설계할 수 있다. 캐패시터와 릿츠와이어를 활용하여 단위 루프코일 셀(110-1, 110-2)을 구성하고 그것의 공진을 이용하면 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수 근처의 공진을 설정할 수 있다. 단위 루프코일 셀(110-1, 110-2)의 공진을 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수보다 높게 잡는지 낮게 잡는지에 따라 캐패시턴스가 주요하게 보이는 영역(자기장 증폭 작용을 하는 중앙부 루프코일 어레이(130)와 관련)과 인덕턴스가 주요하게 보이는 영역(자기장 감쇄 작용을 하는 외곽부 루프코일 어레이(140)와 관련)으로 나눌 수 있다.

도 5의 (A)와 (B)는 도 1의 루프코일 어레이 장치(100)의 중앙부에 배치되는 중앙부 루프코일 어레이(130)(이를 '자기장 증폭 루프코일'이라고도 함)의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.

도 5의 (A)와 (B)는 자기장 증폭 작용을 하는 중앙부 루프코일 어레이(130)의 각 단위 루프코일 셀(110-1)의 임피던스 크기와 위상을 표현하고 있다. 자기장 증폭 루프코일(130)은 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수, 예컨대 60 kHz, 보다 약 2~5 kHz 높은 공진주파수를 가지도록 설계할 수 있다. 그래프에서 볼 수 있듯이 60 kHz 주파수의 자기장이 들어오면 자기장 증폭 루프코일(130)은 증폭 영역에서 동작하여 들어온 자기장을 증폭하게 된다. 결국 들어온 자기장과 동일한 위상의 자기장을 만드는 전류가 증폭코일에 흐르게 된다. 따라서 자기장 증폭 루프코일(130)의 경우는 송전 코일(220)과 수전 코일(240) 사이에 위치하여 전력전송효율을 높이는 쪽으로 기여할 수 있음을 알 수 있다. 최종적으로 송전코일(220)과 수전코일(240) 사이의 거리가 멀어도 자기장 증폭 루프코일(130)을 사용하면 사용하지 않을 때에 비해 더 높은 효율을 자랑한다.

도 6의 (A)와 (B)는 도 1의 루프코일 어레이 장치의 외곽부에 배치되는 외곽부 루프코일 어레이(140)(이를 '자기장 차폐 루프코일'이라고도 함)의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.

자기장 차폐 루프코일(140)의 임피던스 크기와 위상은 그림 4에서 표현되어있다. 자기장 증폭 루프코일(130)의 설계법과 반대로, 자기장 차폐 루프코일(140)은 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수, 예컨대 60 kHz, 보다 약 2~5 kHz 낮은 공진주파수를 갖도록 설계할 수 있다. 그렇게 되면, 자기장 차폐 루프코일(140)은 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수, 예컨대 60 kHz에서는 도 6과 같이 차폐영역으로 동작하게 된다. 이는 자기장 차폐 루프코일(140)이 자신에게 들어온 자기장의 반대방향의 자기장을 형성하여 입력 자기장을 상쇄시켜 자기장 차폐의 효과를 생기게 한다. 따라서 자기장 차폐 루프코일(140)은 도 1의 붉은 색 영역처럼 루프코일 어레이 장치(100)의 외곽에 배치하여 누설되는 자기장을 상쇄시키는 데 사용될 수 있다.

자기장 차폐 루프코일(140)은 패러데이 법칙을 기반으로 기본적인 인덕턴스만 존재하는 릿츠 와이어로만 구성할 수 있다. 하지만, 본 발명의 예시적인 실시예에 있어서는 캐패시터와 릿츠와이어의 결합으로 구성할 수 있다. 이렇게 캐패시터를 함께 사용하는 이유는 보다 낮은 임피던스의 크기를 얻기 위해서이다. 코일의 임피던스의 크기가 크면, 같은 전압이 걸리더라도 낮은 전류가 흘러 더 높은 차폐효과를 얻을 수 없다. 본 발명의 실시예에 따르면, 보다 높은 차폐효과를 위해서는 높은 전류가 필요하다는 점을 인식하고, 높은 전류를 얻기 위해 자기장 차폐 루프코일(140)의 각 제2 단위 루프코일 셀(110-2)에도 캐패시터(114-2)를 장착해 루프 코일의 공진을 만들 수 있다.

위와 같이 자기장의 효과적인 증폭과 차폐를 위해서는 낮은 임피던스의 크기를 얻는 것이 중요하다. 이를 위해서는 증폭영역이나 차폐영역에서 활용하면서 낮은 임피던스를 필요로 한다. 그래서 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수(예: 60kHz)보다 약 10% 정도 범위 이내에서 더 높은 주파수를 설정하는 것이 증폭효과를 극대화하기에 좋다. 또한, 동작주파수(예: 60kHz)보다 약 10% 정도 범위 이내에서 더 낮은 주파수를 설정하는 것이 차폐효과를 극대화하기에 적합한 수치이다. 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수보다 ㅁ10% 범위를 초과하는 공진주파수를 가지는 단위 루프코일 셀은 루프코일 임피던스의 절대적인 크기가 커지기 때문에 같은 루프 코일에 걸리는 유도전압에 비해 상대적으로 낮은 전류가 형성되고 그에 따라 입력 자기장에 대한 증폭 효과나 차폐 효과가 낮아지게 된다. 따라서 차폐영역이나 증폭영역에서 동작하면서 그 효과를 최대한 활용하려면 동작주파수의 ㅁ10% 범위 이내로 제1 및 제2 단위 루프코일 셀(110-1, 110-2)의 공진주파수를 설정하는 것이 바람직하다.

이렇게 두 종류의 공진을 가져 서로 다른 역할을 하는 제1 및 제2 단위 루프코일 셀(110-1, 110-2)은 물리적으로 크기는 같은데 도체와이어(예: 릿츠와이어)와 캐패시터를 이용하여 그 공진 값을 조절할 수 있다. 보통 캐패시터의 값은 럼프드(lumped)하게 나오기 때문에 보다 미세한 공진주파수 조절을 위해서는 도체 와이어(릿츠와이어)의 턴 수를 조절하는 것이 효과적이다. 하지만 캐패시터와 도체 와이어(릿츠와이어) 둘 중에 어느 하나의 전기적 특성만 바꾸더라도 위의 공진을 설정하는 데 아무런 문제가 없이 활용가능하다.

도체 와이어(릿츠와이어)의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스를 사용하는 설계조건은 릿츠와이어의 인덕턴스의 턴 수로 인덕턴스 값을 조절하는 방법과 다른 값을 가지는 럼프드 캐패시터를 사용하는 방법 두 가지로 나뉠 수 있다. 릿츠와이어의 인덕턴스는 턴 수의 제곱에 비례하는 특성을 지니기 때문에 턴 수를 조금만 늘리거나 줄여줘도 인덕턴스의 값을 효과적으로 조절할 수 있다. 예를 들어 무선전력전송 시스템(300)의 동작주파수보다 낮은 공진주파수를 가지는 차폐영역의 경우, 도체 와이어의 턴 수를 10턴을 감고 동작주파수보다 높은 공진주파수를 가지는 증폭영역의 경우 상대적으로 낮은 인덕턴스를 필요로 하기 때문에 도체 와이어의 턴 수를 9턴 감을 수 있다. 이렇게 턴 수를 다르게 함으로써 증폭영역과 차폐영역에서 동작하는 루프코일을 각각 설계할 수 있다. 캐패시터는 상용화된 제품으로 제작되어 나오는 것이 일반적이기 때문에, 상대적으로 높은 캐패시턴스를 사용하면 낮은 공진주파수를 가지는 단위 루프코일 셀을 설계할 수 있고 상대적으로 낮은 캐패시턴스를 사용하면 동작주파수보다 높은 공진주파수를 가지는 단위 루프코일 셀을 설계할 수 있다.

도 7은 자기장 증폭코일과 차폐코일을 포함하는 루프코일 어레이의 임피던스 크기와 위상을 나타내는 그래프이다.

도 7은 도 5와 도 6을 하나의 도면에 표현한 것으로 한 눈에 볼 수 있다. 자기장 증폭 루프코일(130)과 자기장 차폐 루프 코일(140)이 예컨대 60 kHz의 동작주파수에서 서로 180도 위상차를 갖는 자기장을 각각 형성하는 것을 도 7의 (B)의 위상그래프를 통해 확인 할 수 있다. 결국 자기장 증폭 루프코일(130)은 들어온 자기장의 방향과 동일한 자기장을 형성하고, 자기장 차폐 루프코일(140)은 들어온 자기장의 방향과 반대되는 자기장을 형성하는 것을 알 수 있다. 이 두 가지 루프코일(130, 140)을 하나의 어레이로 배치함으로써, 입력 자기장에 대한 증폭과 감쇄 작용을 하는 루프코일 어레이 장치(100)를 얻을 수 있는 것이다.

도 2에서 루프코일 어레이 장치(100)가 적용된 무선전력전송 시스템(300)은 루프 코일 어레이 장치(100)가 송전 코일(220)과 수전 코일(240) 사이의 중간지점에 위치하는 것처럼 도시되어 있다. 적용례에 따라서는 이러한 위치에 배치하는 것이 현실적으로 어려운 경우도 있을 수 있다. 루프코일 어레이 장치(100)를 송전코일(220) 쪽에 더 가까이 배치하였을 때 높은 전력전송효율이 그대로 유지될 수 있다. 이는 아래 실험을 통해 확인할 수 있었다.

도 8의 왼쪽 그림은 루프 코일 어레이 장치(100)가 적용되지 않았을 때(다이아몬드), 루프 코일 어레이 장치(100)가 송전코일(220)과 수전 코일(240)의 중간지점에 위치하였을 때(원), 그리고 루프 코일 어레이 장치(100)가 송전코일에 더 가까이 위치하였을 때(삼각형), 송전코일(220)과 수전 코일(240)이 떨어진 거리에 따라서 전력전송효율을 그래프로 나타낸 것이다. 송전코일(220)과 수전코일(240)의 거리가 가까울 때는, 루프 코일 어레이 장치(100)의 효과가 상대적으로 적지만, 송전코일(220)과 수전 코일(240)의 거리가 멀어질수록 루프 코일 어레이 장치(100)의 효율 증가 효과가 크다는 것을 알 수 있다. 루프 코일 어레이 장치(100)가 송전코일(220)과 수전코일(240)의 중간에 위치할 때와 송전코일(220)에 더 가까이 위치할 때 효율 차이는 별로 없는 것을 확인 할 수 있다. 송전코일(220)과 수전코일(240)의 중앙에 설치되는 루프 코일 어레이 장치(100)는 실제로 상품화 할 때 제작하기 어려울 수 있다. 그런 응용예의 경우, 송전코일(220) 쪽에 더 가까이 배치하면 구현하기 쉬워지고 원하는 성능을 유지할 수 있다.

본 발명은 무선전력전송 또는 무선충전에 이용될 수 있다. 나아가, 자기장의 분포를 원하는 형태로 변형할 필요가 있는 여러 응용분야에도 이용될 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 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

기판;
상기 기판 상의 중앙영역에 서로 인접하게 배치되는 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀을 포함하며, 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 증폭시켜 더 멀리 나아가도록 해주는 중앙부 루프코일 어레이; 및
상기 중앙부 루프코일 어레이를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 상기 기판 상의 외곽영역에 서로 인접하게 배치된 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀을 포함하며, 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가지며, 무선전력전송을 위해 송출되어 자신에 입사하는 자기장을 감쇄시켜 누설자속량을 줄여주는 외곽부 루프코일 어레이를 구비하는 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 크지 않고, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 작지 않은 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제1 도체 코일과 제1 캐패시터를 포함하며, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제2 도체코일과 제2 캐패시터를 포함하며,
상기 제1 도체 코일의 인덕턴스가 상기 제2 도체 코일의 인덕턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것과 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스가 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것 중 적어도 어느 한 가지를 만족하도록 설계된 것에 의해 상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 각각 릿츠 와이어를 권선하여 만들어진 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 동일한 도체 와이어를 사용하여 권선된 것이며, 상기 제1 도체 코일의 권선 수는 상기 제2 도체 코일의 권선 수보다 작은 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 중앙부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀들은 정방형 매트릭스 형태로 서로 근접 배치되고, 상기 외곽부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀들은 상기 정방형 매트릭스 형태를 감싸는 사각고리 형태로 서로 근접 배치되는 것을 특징으로 하는 루프코일 어레이 장치.
소정 주파수의 전류를 흘려 자기장을 송출하는 송전코일을 포함하며, 상기 송전코일을 통해 전력을 무선으로 전송하는 송전부;
상기 자기장이 쇄교할 수 있도록 상기 송전코일과 이격되어 대면하도록 배치된 수전코일을 포함하며, 상기 수전코일을 통해 상기 송전부가 전송하는 전력을 무선으로 수전하는 수전부; 및
상기 송전코일과 상기 수전코일 사이에 나란히 배치되며, 상기 송전코일에서 송출하는 자기장의 자속 중에서 중앙부 자속은 증폭시켜 상기 수전코일에 더 많은 자속량이 전달되게 하는 반면 외곽부 자속은 감쇄시켜 누설 자속량을 최소화하는 루프코일 어레이 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제7항에 있어서, 상기 송전부는 철로의 두 레일 사이에 설치되고, 상기 수전부는 상기 두 레일 위를 운행하는 철도차량의 바닥부에 설치되며, 상기 루프코일 어레이 모듈은 상기 철도차량의 바닥부에서 아래쪽으로 돌출되어 설치되되 상기 송전코일보다는 상기 수전코일에 더 가깝지 않게 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 송전부는 상기 송전코일의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 상기 송전코일에서 송출된 자기장이 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제1 페라이트 플레이트를 더 포함하고, 상기 수전부는 상기 수전코일의 배면 쪽에 배치되어 자속 집속 기능에 의해 자기장이 상기 수전코일의 후방과 측방으로 누설되는 것을 최소화하는 자기장 차폐용 제2 페라이트 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 루프코일 어레이 모듈은,
기판; 상기 기판 상의 중앙영역에 서로 인접하게 배치되는 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀을 포함하며, 무선전력전송용 동작주파수보다 더 높은 제1 공진주파수를 가지며, 상기 송전코일에서 송출되어 자신에게 입사하는 자기장을 증폭시켜 상기 수전코일에 도달하는 자속량을 더 강화해주는 중앙부 루프코일 어레이; 및 상기 중앙부 루프코일 어레이를 내포하도록 고리형으로 둘러싸면서 상기 기판 상의 외곽영역에 서로 인접하게 배치된 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀을 포함하며, 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 더 낮은 제2 공진주파수를 가지며, 상기 송전코일에서 송출되어 자신에게 입사하는 자기장을 감쇄시켜 상기 수전코일에 도달하지 못하고 외부로 누설되는 누설자속량을 줄여주는 외곽부 루프코일 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제10항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 크지 않고, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각의 공진주파수는 상기 무선전력전송용 동작주파수보다 최대 10%보다 더 작지 않은 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제10항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제1 도체 코일과 제1 캐패시터를 포함하며, 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀 각각은 서로 연결된 제2 도체코일과 제2 캐패시터를 포함하며,
상기 제1 도체 코일의 인덕턴스가 상기 제2 도체 코일의 인덕턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것과 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스가 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스보다 더 낮은 값을 가지는 것 중 적어도 어느 한 가지를 만족하도록 설계된 것에 의해 상기 제1 공진주파수가 상기 제2 공진주파수보다 더 높은 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제10항에 있어서, 상기 제1 도체 코일과 상기 제2 도체 코일은 동일한 릿츠 와이어를 사용하여 권선된 것이며, 상기 제1 도체 코일의 권선 수는 상기 제2 도체 코일의 권선 수보다 작은 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제10항에 있어서, 상기 중앙부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제1 단위 루프코일 셀들은 정방형 매트릭스 형태로 서로 근접 배치되고, 상기 외곽부 루프코일 어레이의 상기 복수 개의 제2 단위 루프코일 셀들은 상기 정방형 매트릭스 형태를 감싸는 사각고리 형태로 서로 근접 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
제10항에 있어서, 상기 중앙부 루프코일 어레이의 한 변의 길이는 상기 송전코일의 직경보다 작지 않은 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.