KR20190089154A - 무선 전력 전송 시스템 및 그 전송 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명이 제공하는 일종의 무선 전력 전송 시스템 및 그 전송 방법은 신호원, 여자 코일, 한 쌍의 공진 주파수가 동일한 공진 코일, 수신 코일 및 부하로 구성되며, 투명 아크릴판 측면에 리츠선을 다중 권선하고 커패시터를 로딩하여 형성된 한 쌍의 공진 코일을 이용하여 코일의 공진 주파수 제어를 구현하고, 논 에르미티안 시스템 중의 단일 모드 포인트를 이용한 물리적 특성을 통해 작동 주파수를 공진 코일의 공진 주파수 위치에 있게 함으로써, 수신 코일과 그 인접한 공진 코일의 거리를 제어하여 시스템 에너지를 결합시키는 전송 속도를 제어함에 따라서, 한 쌍의 공진 코일의 결합 거리를 변경하는 상황 하에서 시스템을 단일 모드 포인트에 위치시켜 종래의 기술적 결함을 해결하고, 결합 거리가 변경되는 상황 하에서, 단일 모드 포인트 고정 주파수와 최저 손실의 물리적 특성을 이용하여 고효율의 무선 전력 전송 및 킬로헤르츠 대역에서 단일 주파수 고효율 무선 전력 전송을 진행하는 목적을 구현한다.
Description
본 발명은 무선 전력 전송 기술영역에 관련된 것이며, 구체적으로 비방사형 자계 결합 코일을 이용해 무선 전력 전송을 진행하는 시스템 및 그 전송 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송(Wireless Power Transfer，WPT)은 전송기를 통해 전력을 전자기장 에너지, 레이저, 전자파 및 기계파 등과 같은 기타 형식의 릴레이 에너지로 변환시켜서 일단 거리를 공간 전송한 후, 수신기를 통해 릴레이 에너지를 전력으로 변환시켜 전력 무선 전송을 구현한다. 에너지 전송 과정 중 릴레이 에너지의 형식에 따라, 자(계) 결합형, 전(계) 결합형, 전자기 파형과 기계적 파형(초음파 결합)으로 구분된다. 전송 효율이 크고, 효율이 높기 때문에, 자계 결합형 무선 전력 전송은 기타 방식보다 더 광범위하게 응용되고 있다.
최근, 연구자는 자계 결합된 근접장을 이용해 비방사형 무선 전력 전송 시스템을 구현하였으며, 그 연구의 중대한 진전은 무선 전력 전송 시스템 관련 응용 연구를 한층 자극시킨 것이다. 무선 전력 전송 매커니즘의 한계로 인해, 상기 비방사형 무선 전력 전송 시스템은 보통 고정 작동 주파수 하에서 확정된 전송 거리에만 대응하여 최대 전송 효율을 구현할 수 있다. 따라서, 서로 다른 전송 거리 하에서 고효율의 전력 전송을 구현하는 것은 응용 방면에서 분명히 매우 중요하다. 이 방면에서, 종래의 방법은 외부 회로 설계를 통해 최상의 전송 효율 주파수 포인트를 추적한다. 그 방법은 동시에 여자단과 수신단에 대해 제어 및 피드백을 진행해야 하고, 고출력 작동 시에 종종 복잡한 구성요소와 시스템의 번 아웃 고장이 발생할 수 있다.
주의해야 할 점은, 미국 스탠포드 대학의 Fan S.H 교수가 비선형 회로를 이용한 자동 패리티-시간 대칭 시스템 중의 고유 모드를 제시하여, 거리 변화에 따라 고효율의 전력 전송 효율을 갖춘 강력한 시스템을 구현하였다. 그러나 그 방안은 비록 일정한 거리에서 전력의 효율적인 전송을 구현하지만, 회로 구성요소의 다양성으로 인해 시스템 고출력 시의 불안정성 문제가 여전히 존재한다. 또한, 시스템에서 두 개의 순수한 고유 모드를 구현하려면 추가로 유효한 게인을 제공해야 하지만, 에너지가 전송될 때는 그중의 하나만 필요하다. 따라서 에너지의 추가적인 소모가 필요하지만, 제대로 사용하지 못하므로 시스템의 또 다른 고유 모드가 낭비된다.
요약하면, 비방사형 자계 결합 코일을 이용해 무선 전력 전송을 진행하는 것은 현재 이 영역의 추세이며, 동시에 근접장 결합의 모드 분할로 인한 전송 효율 저하 역시 그 영역의 주요한 난제이다. 현재, 전송 거리가 변화하는 전제 하에 시스템의 작동 주파수와 효율의 안정성을 보장하는 효과적인 방안은 아직 존재하지 않는다.
상기 상황을 감안하여, 본 발명이 제공하는 일종의 무선 전력 전송 시스템 및 그 전송 방법은 주로 신호원, 여자 코일, 한 쌍의 공진 주파수가 동일한 공진 코일, 수신 코일 및 부하로 구성된다. 투명 아크릴판 측면에 리츠선을 다중 권선하고 커패시터를 로딩하여 형성한 한 쌍의 공진 코일을 이용하여 코일의 공진 주파수 제어를 구현하고, 논 에르미티안 시스템 중 단일 모드 포인트의 물리적 특성을 통해 작동 주파수를 공진 코일의 공진 주파수 위치에 있게 함으로써, 수신 코일과 그 인접한 공진 코일의 거리를 제어하여 시스템 에너지로 결합되는 전송 속도를 제어함에 따라서, 한 쌍의 공진 코일의 결합 거리를 변경하는 상황에서 시스템을 단일 모드 포인트에 위치시켜 종래의 기술적 결함을 해결하고, 결합 거리가 변경되는 상황 하에서, 단일 모드 포인트 고정 주파수와 최저 손실의 물리적 특성을 이용하여 고효율의 무선 전력 전송 및 킬로헤르츠 대역에서 단일 주파수 고효율 무선 전력 전송의 목적을 구현한다.
상기 목적을 구현하기 위해, 본 발명은 일종의 무선 전력 전송 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 이중 공진 코일 장치를 포함하고, 상기 이중 공진 코일 장치는 공진 주파수가 동일한 제 1 공진 코일 및 제 2 공진 코일을 포함하며, 상기 이중 공진 코일 장치는 상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 결합 간격 조정을 통해, 상기 제 1 공진 코일 및 제 2 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정하여 단일 모드 포인트 고정 주파수의 무선 전력 전송 시스템을 형성한다.
본 발명의 무선 전력 전송 시스템 실시예 중에서, 상기 이중 공진 코일 장치는 여자 코일 및 수신 코일을 더 포함하며, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 상기 여자 코일과 상기 수신 코일 사이에 있다. 상기 제 1 공진 코일은 상기 여자 코일과 인접해 설치되고, 상기 제 2 공진 코일은 상기 수신 코일과 인접해 설치된다. 상기 여자 코일과 상기 제 1 공진 코일 사이의 거리를 제 1 간격, 상기 수신 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 거리를 제 2 간격, 상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 거리를 결합 간격으로 정의한다. 상기 무선 전력 전송 시스템이 상기 제 1 간격 및 상기 제 2 간격을 제어함으로써 시스템으로 결합되는 에너지 전송 속도를 조정시키고, 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 결합 간격을 변경하고 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정함으로써 단일 모드 포인트 상태에 위치한다.
본 발명의 무선 전력 전송 시스템 실시예 중에서, 상기 시스템은 상기 이중 공진 코일 장치와 전기적 연결되는 신호원 및 부하를 더 포함한다. 상기 신호원은 상기 여자 코일과 전기적으로 연결된다. 상기 부하는 상기 수신 코일과 전기적으로 연결된다.
본 발명의 무선 전력 전송 시스템 실시예 중에서, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 다중 권선되고 집중정수소자의 로딩을 통해 공진 주파수를 조절한다.
본 발명의 무선 전력 전송 시스템 실시예 중에서, 상기 이중 공진 코일의 작동 주파수는 1kHz에서 100MHz이다.
본 발명의 무선 전송 시스템 실시예 중에서, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일의 코일 크기는 작동 파장의 1/1000보다 작다.
본 발명의 또 다른 일종의 무선 전력 전송 방법에서, 상기 방법의 단계는 다음을 포함한다.
동일한 공진 주파수를 갖는 제 1 공진 코일 및 제 2 공진 코일을 제공하여 이중 공진 코일을 형성한다.
상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일을 분리시켜 결합 간격을 형성한다.
상기 결합 간격을 조정하고 상기 이중 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정하여, 상기 이중 공진 코일이 단일 모드 포인트 고정 주파수 상태에서 무선 전력 전송을 진행하게 한다.
본 발명의 무선 전력 전송 방법의 실시예 중에서, 상기 방법의 단계는 다음을 더 포함한다.
상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일을 여자 코일과 수신 코일 사이에 설치하며, 상기 여자 코일과 상기 제 1 공진 코일 사이를 분리시켜 제 1 간격을 형성하고, 상기 수신 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이를 분리시켜 제 2 간격을 형성한다.
상기 제 1 간격 및 상기 제 2 간격을 조정하여 무선 전력 전송 속도를 결합 획득하고, 상기 무선 전력 전송 속도는 상기 고정 주파수 위치에 고정되어 단일 모드 포인트를 형성하여, 고정 주파수 거리가 조절되는 단일 모드 포인트 무선 전력 전송을 진행한다.
본 발명의 무선 전력 전송 방법의 실시예 중에서, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 다중 권선되고 집중정수소자의 로딩을 통해 공진 주파수를 조절하고, 상기 공진 주파수는 1kHz에서 100MHz이며, 무선 전력 전송의 작동 주파수는 상기 공진 주파수 위치에 있다.
본 발명의 무선 전력 전송 방법의 실시예 중에서, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일의 코일 크기는 작동 파장의 1/1000보다 작다.
본 발명은 위의 기술방안을 사용하므로 다음의 유익한 효과를 갖는다.
(1) 본 발명은 단일 모드 포인트의 물리적 성질을 통해 상기 무선 전력 전송 시스템의 작동 주파수를 공진 코일의 공진 주파수에 위치하게 하므로, 종래 방안 중의 주파수 추적 회로 및 광대역 신호원을 제거할 수 있다.
(2) 본 발명의 이중 공진 코일 장치 중의 여자 코일, 수신 코일 및 두 개의 공진 코일이 전체적으로 100와트 이상의 전력 전송을 지원할 수 있고, 복잡한 회로소자가 없기 때문에, 고전력 작동 시에 시스템의 안정성이 종래의 방안보다 강하다.
(3) 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 공진 코일 간의 결합 거리를 변경시킬 때, 수신 코일과 공진 코일의 거리를 조정하여 단일 모드 포인트 추적을 구현하므로, 간단한 조작, 고효율의 안정적 전력 전송 등의 효과를 갖는다.
본 발명의 이러한 목적 및 기타 목적, 특징과 장점은 아래의 상세한 설명과 특허청구범위를 통해 충분히 이해될 수 있고, 첨부된 특허청구범위에 명시된 수단, 장치와 그 조합을 통해 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 투명 아크릴판 평면 구조 결선도,
도 2는 본 발명 도 1의 투명 아크릴판 측면 구조 결선도,
도 3은 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 투명 아크릴판 측면에 있는 금속 도선의 평면 구조 결선도,
도 4는 본 발명 도 1의 투명 아크릴판에 있는 금속 도선의 측면 구조 결선도,
도 5는 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 아키텍처 결선도,
도 6은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템이 강결합 영역에 있을 때(ex. 결합 간격 d=10cm), 제 2 간격 d2를 10cm에서 0.5cm로 조정하고 제 2 간격 d2를 감소시킴으로써, 시스템을 단일 모드 포인트로 조정한 전후 효율 비교도,
도 7은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템이 약결합 영역에 있을 때(ex. 결합 간격 d=60cm), 제 2 간격 d2를 5cm에서 15cm로 조정하고 제 2 간격 d2를 증가시킴으로써, 시스템을 단일 모드 포인트로 조정한 전후 효율 비교도,
도 8은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 공전 코일의 고유 주파수 위치에서 전송 효율(수직축 좌표)과 공진 코일의 결합 간격 d(수평축 좌표)가 변화한 여러 세트의 테스트 결과 곡선도이다.
도 2는 본 발명 도 1의 투명 아크릴판 측면 구조 결선도,
도 3은 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 투명 아크릴판 측면에 있는 금속 도선의 평면 구조 결선도,
도 4는 본 발명 도 1의 투명 아크릴판에 있는 금속 도선의 측면 구조 결선도,
도 5는 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 아키텍처 결선도,
도 6은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템이 강결합 영역에 있을 때(ex. 결합 간격 d=10cm), 제 2 간격 d2를 10cm에서 0.5cm로 조정하고 제 2 간격 d2를 감소시킴으로써, 시스템을 단일 모드 포인트로 조정한 전후 효율 비교도,
도 7은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템이 약결합 영역에 있을 때(ex. 결합 간격 d=60cm), 제 2 간격 d2를 5cm에서 15cm로 조정하고 제 2 간격 d2를 증가시킴으로써, 시스템을 단일 모드 포인트로 조정한 전후 효율 비교도,
도 8은 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 공전 코일의 고유 주파수 위치에서 전송 효율(수직축 좌표)과 공진 코일의 결합 간격 d(수평축 좌표)가 변화한 여러 세트의 테스트 결과 곡선도이다.
다음은 본 발명의 상세한 구체적 실시방안이다. 이해해야 할 점은, 공개하는 실시방안은 단지 본 발명의 전형적인 예시일 뿐이고, 본 발명은 다양한 형식으로 구현될 수 있다. 따라서, 여기에서 공개하는 구체적 구조 및 기능 세부사항은 제한적인 것이 아니며, 특허청구항범위를 원칙으로 본 영역의 기술자들에게 다양한 실시방식을 설명하기 위한 대표적 원칙일 뿐이다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 아래에서 도 1부터 도 8 및 실시예를 결합시켜 설명한다.
도 1부터 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 일종의 이중 공진 코일 장치 및 상기 이중 공진 코일 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 도 5를 참조하면, 상기 이중 공진 코일 장치는 여자 코일(20), 제 1 공진 코일(30), 제 2 공진 코일(40) 및 수신 코일(50)을 포함한다. 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 여자 코일(20)과 전기적으로 연결되는 신호원(10), 및 상기 수신 코일(50)과 전기적으로 연결되는 부하(60)을 더 포함한다.
도 5에서와 같이, 상기 여자 코일(20)은 원통형의 전송단 유리 프레임(21) 외주면에 권선되어 형성된다. 구체적으로, 상기 여자 코일(20)의 권수는 싱글턴이고, 상기 전송단 유리 프레임(21)의 직경은 600mm, 길이는 50mm이다. 상기 수신단 코일(50)은 원통형의 수신단 유리 프레임(51) 외주면에 권선되어 형성된다. 구체적으로, 상기 수신단 코일(50)의 권수는 10턴이고, 상기 수신단 유리 프레임(51)의 직경은 600mm, 길이는 100mm이다.
도 1에서 도 4를 참조하면, 이중 공진 코일의 제 1 공진 코일(30) 및 제 2 공진 코일(40)은 동일한 구조체를 갖는다. 상기 제 1 공진 코일(30), 제 2 공진 코일(40)은 깊은 서브파장 스케일로 형성되고, 작동 파장보다 작은 1/1000의 유닛 크기를 가짐에 따라, 깊은 서브파장 특징을 가지는 특성을 구현한다. 구체적으로, 예를 들어 전기자동차의 무선 충전 85kHz 작동 주파수 하에서, 공진 코일의 직경은 65cm를 초과하지 않고, 두께는 10cm를 초과하지 않는다.
제 1 공진 코일(30)을 예로 설명하면, 상기 제 1 공진 코일(30)은 절연 매체판(31), 금속 도선(32) 및 집중정수소자(도면 미표시)를 포함하며, 그중, 상기 제 1 공진 코일(30)은 다중 권선 구조이고, 집중정수소자를 로딩하여 제 1 공진 코일(30)과 제 2 공진 코일(40) 사이의 주파수 튜닝을 구현하며, 등가 투자율의 금속 도선(32)를 로딩하여 상기 이중 공진 코일의 공진을 구현한다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 절연 매체판(31)의 평면 구조와 측면 구조 결선도를 나타낸다. 도에서와 같이, 상기 절연 매체판 (31)은 중공의 원통형 구조로 형성되고, 상기 절연 매체판(31)은 투명 아크릴판이며, 상기 투명 아크릴판은 구체적으로 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 선택하지만, 이에 국한되지 않는다.
도 3, 도 4를 참조하면, 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 절연 매체판(31) 외부에 금속 도선(32)가 권선된 평면 구조 및 측면 구조 결선도를 나타낸다. 본 발명의 실시예 중에서, 상기 이중 공진 코일 장치의 금속 도선(32)는 상기 절연 매체판(31)에 다중으로 단단히 권선되어 220V 이상의 고전압 및 5A 이상의 고전류를 지원한다. 상기 금속 도선(32)는 구리 단선, 리츠선 또는 구리관에서 선택할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 금속 도선(32)는 바람직하게 리츠선을 사용하고, 상기 리츠선의 규격은 0.1 X 200가닥(각 가닥의 단면 직경 0.1mm)이며, 상기 리츠선은 폴리에스터얀 피복선을 사용할 수 있고, 바람직하게 폴리우레탄 에나멜 피복선이 코어인 폴리에스터얀 피복선을 선택하며, 상기 리츠선의 외경은 약 0.95mm이고, 구리 코어 단면적은 약0.393 mm2이다.
본 발명의 실시예 중에서, 본 발명의 이중 공진 코일 장치는 220V 이상의 고전압을 견딜 수 있는 집중정수소자에서 선택하고, 상기 집중정수소자는 금속 도선(32)의 선단부와 용접을 거쳐 상기 절연 매체판(31)에 장착된다 (도면 미표시). 상기 집중정수소자는 구체적으로 금속화 폴리에스터 필름 콘덴서일 수 있고, 그 사양은 5.6 nF/1000 V이다.
본 발명의 실시예 중에서, 본 발명의 이중 공진 코일 장치의 주파수 튜닝 범위는 1 kHz~100 MHz일 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 상기 이중 공진 코일 장치, 상기 신호원(10) 및 상기 부하(60)을 포함한다. 상기 여자 코일(20)과 상기 제 1 공진 코일(30) 사이의 거리를 제 1 간격(d1), 상기 수신 코일(50)과 상기 제 2 공진 코일(40) 사이의 거리를 제 2 간격(d2), 상기 제 1 공진 코일(30)과 상기 제 2 공진 코일(40) 사이의 거리를 결합 간격(d)로 정의한다. 본 발명의 실시예 중에서, 상기 신호원(10)은 고유 주파수에 위치한 신호를 수신해서 상기 여자 코일(20)으로 진입시킨다. 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 제 1 간격(d1) 및 상기 제 2 간격(d2)를 제어하여 시스템으로 결합되는 에너지의 전송 속도를 조정하고, 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 결합 간격(d)를 변경하여 단일 모드 포인트 상태에 위치한다.
다음은 도 1에서 도 8을 다시 결합시킨 본 발명의 무선 전력 전송 시스템 및 그 전송 방법에 대한 구체적 응용 실시예의 설명이다.
실시예 1 : 일종의 이중 공진 코일 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
일종의 85kHz 작동 주파수 하의 고전력 전기자동차 무선 전력 전송에 사용되는 무선 전력 전송 시스템. 상기 시스템은 신호원(10), 여자 코일(20), 한 쌍의 공진 주파수가 85kHz 인 코일(제 1 공진 코일(30), 제 2 공진 코일(40)), 수신 코일(50) 및 부하(60)으로 구성되며, 그중 공진 코일은 투명 아크릴판(절연 매개판), 단단하게 22턴 권선된 리츠선(금속 도선)과 용접된 캐패시터(집중정수소자)로 구성된다.
그중, 상기 공진 코일의 주요 준비 단계는 다음을 포함한다.
리츠선을 투명 아크릴판 측면에 단단하게 22턴 다중 권선한 후, 리츠선의 선단부에 캐패시터를 용접한다.
그중, 실시예 1의 투명 아크릴판의 구조는 도 1, 도 2와 같으며, 그 재질은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)이다. 그 투명 아크릴판의 기하학적 매개변수는 다음과 같다. 외경 길이(L1) 300mm, 내경 길이(L2) 295mm, 두께(L3) 5mm, 길이(L4) 250mm이다.
그중, 실시예 1의 리츠선은 폴리우레탄 에나멜 피복선이 코어인 폴리에스터얀 피복선이고, 상기 리츠선의 사양은 0.1X200가닥이다. 실시예 1 중에서, 상기 리츠선의 기하학적 매개변수는 다음과 같다. 단면 직경은 약 0.95mm, 구리 코어 단면적은 약0.393 mm2이다. 본 발명의 실시예 1에서 사용된 리츠선의 총 길이는 약 42m이다.
그중, 상기 캐패시터는 5.6nF이고, 220V 이상의 고전압을 견딜 수 있는 금속화 폴리에스터 필름 인라인 캐패시터이다.
실시예 2 : 실시예 1의 무선 전력 전송 시스템의 조작 방법.
일종의 85kHz 작동 주파수 하에 사용되는 고전력 고효율의 무선 전력 전송 시스템은 도 5와 같으며, 고유 주파수에 위치한 신호를 신호원을 거쳐 여자 코일로 진입시킨 후, 첫 번째 공진 코일을 여기시키며, 근접장 자계 결합을 통해 전력을 두 번째 공진 코일로 전달하고, 마지막으로 수신코일을 통해 결합된 전력은 부하에 흡수되며, 그중 d1, d, d2는 각각 여자 코일과 첫 번째 공진 코일 간격, 공진 코일 간의 간격, 두 번째 공진 코일과 수신 코일의 간격을 의미한다.
도 6, 도 7을 참조하면, 실시예 1 시스템이 결합 간격(d)가 강결합 영역 또는 약결합 영역에서 시스템을 단일 모드 포인트로 조정한 전후 효율 비교도를 나타낸다. 그중 실험 주파수는 코일 공진 주파수(
0)가 kHz이고, 거리 매개변수 제 1 간격(d1)을 0 cm로 설정한다.
도 6을 참조하면, 시스템이 강결합 영역에 있을 때(결합 간격 d=10cm), 조정 전(제 2 간격 d2=10cm) 공진 코일이 결합된 에너지 속도가 지나치게 작기 때문에, 근접장 작용으로 인한 모드 분할이 고유 주파수에서 전송 효율을 매우 저하시킨다. 따라서, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템 중에서, 적절한 제 2 간격 d2=0.5cm으로 조정함으로써, 무선 전력 전송 시스템의 두 고유 모드 실수부를 병합시킬 수 있고(작동 주파수가 공진 주파수이다), 나아가 허수부(효율이 가장 크다)가 없는 단일 모드 포인트를 이용해 전력을 전송시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 시스템이 약결합 영역에 있을 때(결합 간격 d=60cm), 조정 전(제 2 간격 d2=5cm) 공진 코일이 결합된 에너지 속도가 지나치게 크기 때문에, 고유 모드 허수부가 지나치게 커져서 전력 손실을 일으키고, 전송 효율이 나쁘다. 따라서, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템 중에서, 적절한 제 2 간격 d2=15cm으로 조정함으로써, 무선 전력 전송 시스템이 단일 모드 포인트로 회복되어 전력 전송을 진행하게 하며, 공진 주파수 위치에서 전송 효율은 강결합 상황 하에서와 기본적으로 동일하다.
두 예시에서 보듯이, 시스템이 어떤 작업 상태에 있든 적절하게 에너지 결합을 조정하기만 하면 시스템의 속도가 단일 모드 포인트 조건에 달할 수 있고, 단일 주파수의 고효율 전력 전송을 구현할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 공진 코일의 고유 주파수 위치에서 전송 효율과 공진 코일 거리가 변화된 여러 세트의 테스트 결과 곡선도이다. 그중, 결합 간격 d는 5cm마다 테스트 결과를 얻으며, 허선 부분은 이론적 계산 결과이다. 도 8에서 공진 코일 간격이 75cm 이내이면 고효율의 전력 전송을 모두 구현할 수 있으나, 그후에는 재료의 손실로 인해 전력 전송 효율이 저하되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예 2 중에서, 도 6, 도 7, 도 8의 테스트 결과는 구체적으로 여자 코일을 통해 Keysight E5071C 네트워크 분석기의 Port 1 포트에 연결되고, 수신 코일을 상기 분석기의 Port 2 포트로 연결하며, 반사 매개변수 S11, 투과 매개변수 S21를 기록한 후 시스템 전력 전송 효율을 계산해 얻는다.
이상은 도면 및 실시예를 결합시킨 본 발명에 대한 상세한 설명이며, 본 영역의 일반 기술자는 상기 설명에 근거해 본 발명을 다양하게 변형할 수 있다. 따라서, 실시예 중의 특정 세부사항이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명은 첨부 특허청구항범위로 정의된 범위가 본 발명의 보호 범위이다.
도면 부호와 구성요소의 대응관계는 다음과 같다.
신호원 10, 여자 코일 20, 전송단 유리 프레임 21, 제 1 공진 코일 30, 절연 매체판 31, 금속 도선 32, 제 2 공진 코일 40, 수신 코일 50, 수신단 유리 프레임 51, 부하 60, 제 1 간격 d1, 제 2 간격 d2, 결합 간격 d, 외경 길이 L1, 내경 길이 L2, 두께 L3, 길이 L4.
신호원 10, 여자 코일 20, 전송단 유리 프레임 21, 제 1 공진 코일 30, 절연 매체판 31, 금속 도선 32, 제 2 공진 코일 40, 수신 코일 50, 수신단 유리 프레임 51, 부하 60, 제 1 간격 d1, 제 2 간격 d2, 결합 간격 d, 외경 길이 L1, 내경 길이 L2, 두께 L3, 길이 L4.
Claims (10)
- 이중 공진 코일 장치를 포함하고, 상기 이중 공진 코일 장치는 공진 주파수가 동일한 제 1 공진 코일 및 제 2 공진 코일을 포함하며, 상기 이중 공진 코일 장치는 상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 결합 간격을 조정함으로써, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정하여 단일 모드 포인트 고정 주파수의 무선 전력 전송 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이중 공진 코일 장치는 여자 코일 및 수신 코일을 더 포함하고, 상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 상기 여자 코일과 상기 수신 코일 사이에 있으며,
상기 제 1 공진 코일은 상기 여자 코일에 인접해 있고, 상기 제 2 여자 코일은 상기 수신 코일과 인접해 있으며,
상기 여자 코일과 상기 제 1 공진 코일 사이의 거리를 제 1 간격, 상기 수신 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 거리를 제 2 간격, 상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이의 거리를 결합 간격으로 정의하며,
상기 무선 전력 전송 시스템이 상기 제 1 간격 및 상기 제 2 간격을 제어함으로써 시스템으로 결합되는 에너지 전송 속도를 조정시키고, 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 결합 간격을 변경하고 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정함으로써 단일 모드 포인트 상태에 위치하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 이중 공진 코일 장치와 전기적 연결되는 신호원 및 부하를 더 포함하며,
상기 신호원은 상기 여자 코일과 전기적으로 연결되며,
상기 부하는 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 다중 권선되고 집중정수소자의 로딩을 통해 공진 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 이중 공진 코일의 작동 주파수는 1kHz에서 100MHz인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일의 코일 크기는 작동 파장의 1/1000보다 작은 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템. - 다음의 단계를 포함하며,
동일한 공진 주파수를 갖는 제 1 공진 코일 및 제 2 공진 코일을 제공하여 이중 공진 코일을 형성하며,
상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일을 분리시켜 결합 간격을 형성하며,
상기 결합 간격을 조정하고 상기 이중 공진 코일의 전자기 매개변수를 상응 조정하여, 상기 이중 공진 코일이 단일 모드 포인트 고정 주파수 상태에서 무선 전력 전송을 진행하게 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법. - 제 7 항에 있어서,
다음의 단계를 더 포함하며,
상기 제 1 공진 코일과 상기 제 2 공진 코일을 여자 코일과 수신 코일 사이에 설치하며, 상기 여자 코일과 상기 제 1 공진 코일 사이를 분리시켜 제 1 간격을 형성하고, 상기 수신 코일과 상기 제 2 공진 코일 사이를 분리시켜 제 2 간격을 형성하며,
상기 제 1 간격 및 상기 제 2 간격을 조정하여 무선 전력 전송 속도를 결합 획득하고, 상기 무선 전력 전송 속도는 상기 고정 주파수 위치에서 고정되어 단일 모드 포인트를 형성하여, 고정 주파수 거리가 조절되는 단일 모드 포인트 무선 전력 전송을 진행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일은 다중 권선되고 집중정수소자의 로딩을 통해 공진 주파수를 조절하고, 상기 공진 주파수는 1kHz에서 100MHz이며, 무선 전력 전송의 작동 주파수는 상기 공진 주파수 위치에 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 제 1 공진 코일 및 상기 제 2 공진 코일의 코일 크기는 작동 파장의 1/1000보다 작은 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
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