KR20200066118A - 휴대기기용 무선충전장치 - Google Patents

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KR20200066118A
KR20200066118A KR1020190005144A KR20190005144A KR20200066118A KR 20200066118 A KR20200066118 A KR 20200066118A KR 1020190005144 A KR1020190005144 A KR 1020190005144A KR 20190005144 A KR20190005144 A KR 20190005144A KR 20200066118 A KR20200066118 A KR 20200066118A
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Abstract

본 발명은 휴대기기용 무선충전장치에 대한 것으로서, 상기 무선충전장치는 1개 또는 복수의 자석을 포함하는 자기장 발생부, 상기 자기장 발생부의 하부 상에 배치되어 상기 영구자석의 자력 중 적어도 일측 방향의 자력을 차폐하는 자기유도부, 및 상기 자기장 발생부를 회전시키는 모터부를 포함하는 송신 모듈을 포함한다.

Description

휴대기기용 무선충전장치{WIRELESS CHARGING APPARATUS FOR PORTABLE DEVICE}
본 발명은 휴대기기용 무선충전장치에 관한 것이다.
최근 휴대폰, 디지탈 카메라, MP3 등의 휴대기기의 사용이 증가되고 있다. 다만, 휴대기기는 집 등에서 고정시켜 놓고 사용하는 다른 전자기기와 달리, 배터리가 방전되면 사용할 수 없기 때문에, 충전이 필요하다.
또한, 휴대기기의 배터리 사용량은 지속적으로 증가하고 있어, 휴대기기의 배터리 충전량을 증가시킬 필요가 있다. 다만, 휴대기기 내 배터리의 사이즈를 크게 할 경우, 배터리의 충전량을 증가시킬 수 있는 반면, 휴대성은 저하된다. 이에, 휴대기기 내 배터리의 사이즈를 작고 가볍게 하면서, 전원 사용시간이 긴 배터리의 요구가 지속되어 왔으나, 이를 구현하는 데에 있어서 한계가 있다.
따라서, 최근 휴대기기 내 배터리를 무선으로 충전할 수 있는 무선충전장치가 주목을 받고 있다.
종래 무선충전장치는 전원 송신부의 1차 코일 및 수신부의 2차 코일로 이루어져 있다. 이러한 무선충전장치는 1차 코일에서 공급되는 고주파수의 전자파가 공중으로 2차 코일에 전달됨으로써, 배터리를 충전하는 방식이다. 그러나, 종래 무선충전장치는 전자파가 공중에 노출되기 때문에, 전자파에 의한 인체 유해성이 증가된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 무선충전장치 내 송신부의 송신 코일 대신 자석을 이용함으로써, 인체에 유해한 전자파의 사용 없이, 휴대기기의 배터리를 무선으로 빠른 시간 내에 충전할 수 있음을 착안하였다.
이에, 본 발명은 자석을 포함하는 무선충전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 1개 또는 복수의 자석을 포함하는 자기장 발생부, 상기 자기장 발생부의 하부 상에 배치되어 상기 영구자석의 자력 중 적어도 일측 방향의 자력을 차폐하는 자기유도부, 및 상기 자기장 발생부를 회전시키는 모터부를 포함하는 송신 모듈; 및 상기 송신 모듈로부터 공급되는 가변 자기장에 따라 기전력이 발생되는 코일을 포함하는 수신 코일부, 상기 수신 코일부의 상부 상에 배치되어 상기 수신 코일부 상부 측으로의 자기장 누설을 방지하는 차폐부, 및 상기 수신 코일부에서 발생되는 기전력을 이용하여 휴대기기의 배터리를 충전하는 충전부를 포함하는 수신 모듈을 구비하는 휴대기기용 무선충전장치를 제공한다.
일례에 따르면, 상기 자기장 발생부는 N극 자석 및 S극 자석이 방사형으로 교대로 배치될 수 있다.
다른 일례에 따르면, 상기 자기유도부는 철판, 규소강판 및 아연도금강판으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 자기유도부는 상기 1개 또는 복수의 자석을 수용하는 수용 홈부를 포함할 수 있다. 이러한 자기유도부는 상기 복수의 자석을 서로 이격시키는 격벽을 더 포함할 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 수신 코일부는 복수의 코일을 포함할 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 코일은 다각 링 형상을 가질 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 코일은 종횡비(aspect ratio)가 1 미만일 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 차폐부는 코일의 중심에 대응되는 위치에 배치된 돌기부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일례에 따르면, 상기 차폐부는 철판, 규소강판 및 아연도금강판으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.
본 발명은 인체에 유해한 전자파의 사용 없이 휴대기기의 배터리를 높은 충전 효율로 충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전장치의 송신 모듈을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전장치의 수신 모듈을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기장 발생부에서의 자석 배열을 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 수신 모듈의 내부 구성도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전장치의 송신 모듈을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전장치의 수신 모듈을 개략적으로 나타낸 분해 사시도로, 자기장 발생부(110), 자기유도부(120) 및 모터부(130)를 포함하는 송신 모듈(100)과; 수신 코일부(210), 차폐부(220) 및 충전부(230)를 포함하는 수신 모듈(200)을 포함한다. 이러한 본 발명에 따른 무선충전장치는 자기장 발생부의 회전에 의한 가변 자기장에 따라 수신 코일부에 기전력이 발생하기 때문에, 인체에 유해한 전자파의 발생 없이, 휴대기기의 배터리를 무선 방식으로 충전시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 무선충전장치는 자기장 발생부의 하부 상에 배치된 자기유도부, 및 수신 코일부의 상부 상에 배치된 차폐부를 포함함으로써, 자기장 발생부의 자기장을 증폭시킬 뿐만 아니라, 수신 코일부 상측으로의 자기장 누설을 방지할 수 있어, 충전효율을 갖는다.
(1) 송신 모듈
본 발명의 무선충전장치에서, 송신 모듈(100)은 외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받아 수신 모듈에 가변 자기장을 공급하는 부분으로, 수신 모듈이 쉽게 안착될 수 있도록 패드 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 외부 전원은 가정용의 상용 교류전원(60 Hz, 220V/100V)일 수 있고, 또는 다른 DC 전원일 수 있다.
본 발명의 송신 모듈(100)은 제1 하우징(미도시됨) 내에 자기장 발생부(110), 자기유도부(120) 및 회전부(130)를 포함한다.
상기 자기장 발생부(110)는 자기장을 발생시키는 부분으로, 수신 코일부(210)에 대해 상대적으로 구동하여 가변 자기장을 생성한다. 구체적으로, 자기장 발생부는 회전부에 의해 회전시 회전에 의해 자기장이 변하고, 이러한 가변 자기장(회전 자기장)은 수신 코일부에 유도 기전력을 발생시킨다.
자기장 발생부(110)는 판 형상, 구체적으로 원판 형상으로, 1개 또는 복수의 자석을 포함한다. 일례로, 자기장 발생부는 1개의 다극 자석을 포함할 수 있다. 다른 일례로, 자기장 발생부는 방사방향으로 배치된 복수의 자석을 포함한다. 구체적으로, 자기장 발생부는 4~16개 자석을 포함할 수 있다. 이 경우, 각 자석은 단극 자석 또는 다극 자석일 수 있다. 다만, 자석이 단극 자석일 경우, 자기장 발생부는 적어도 하나의 N극 자석 및 적어도 하나의 S극 자석을 포함하며, 이때 N극 자석 및 S극 자석은 교대로 배치되어 있다. 이러한 자기장 발생부는 1층 또는 복수층일 수 있다.
이와 같은 자기장 발생부에서, 복수의 자석은 자화 방향이 서로 다르다. 이러한 복수의 자석을 배열하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 할바흐 배열(halbach array)(도 3(a) 참조), 교차 배열(alternating array)(도 3(b) 참조) 등이 있다.
본 발명의 송신 모듈(100)에서, 자기유도부(120)는 상기 자기장 발생부의 하부 상에 배치된 부분으로, 영구자석의 자력 중 적어도 일측 방향(구체적으로, 자기장 발생부의 하부측 방향)의 자기력선을 차폐하여 비차폐된 방향(구체적으로, 자기장 발생부의 상부측 방향)의 자기력선을 집중, 강화시킨다.
이러한 자기유도부(120)는 자기장 발생부의 자석 종류, 크기, 자력 등에 따라 설계할 수 있다. 일례로, 자기유도부는 판 형상일 수 있다. 이때, 자기유도부의 재료는 투자율이 높은 자성 재료, 구체적으로 투자율이 높으면서, 자기력선을 차폐, 반사시킬 수 있는 자성 재료일 수 있다. 구체적으로, 자기유도부는 강판(예, 냉간압연 강판), 규소 강판, 아연도금강판[예, 전기아연도금강판(Electrolytic Galvanized Iron, EGI)] 등일 수 있다.
또, 자기유도부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 1개 또는 복수의 자석을 수용하는 수용 홈부(121)를 포함한다. 이러한 자기유도부는 자기장 발생부를 감싸는 형태이다. 즉, 자기유도부는 자기장 발생부의 상부 표면만을 개방하는 구조로, 자기장 발생부의 하부 측으로의 자기력선을 차폐, 반사시킴으로써, 수신 코일부측 방향 이외의 방향으로 누설되는 자기력선을 최소화하여 수신 코일부로의 자기장을 증폭시킬 수 있고, 자기장 발생부의 자기 간섭을 제거할 수 있다.
또, 자기유도부(120)는 복수의 자석을 서로 이격시키는 격벽(122)을 더 포함할 수 있다. 격벽은 자석들 간의 자기 간섭을 제거할 수 있다.
또, 자기유도부의 두께는 두꺼울수록 차폐효과가 우수하지만, 경량화, 박형화에 반(反)하다. 따라서, 자기유도부의 두께는 약 1 ㎜ 내지 1 ㎝, 구체적으로 약 1 내지 5 ㎜일 수 있으나, 이에 한정하지 않고, 자기유도부의 재료에 따라 설계 변경할 수 있다.
본 발명의 송신 모듈(100)에서, 모터부(130)는 회전축에 연결되어 있는 자기장 발생부를 회전시킨다. 이러한 모터부(130)는 모터 구동부에 의해 구동되어 자기장 발생부에 회전력을 제공한다. 이때, 모터부는 3,000 Hz 이하의 저주파로도 구동될 수 있다. 따라서, 본 발명은 고주파가 필요한 종래 무선충전장치와 달리, 인체에 유해한 전자파의 발생을 최소화할 수 있다.
상기 모터 구동부는 당 업계에 알려진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예컨대, 모터 구동부는 SMPS(switched mode power supply) 등이 있다. 이때, SMPS는 상용 전원의 상용 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터, 상기 컨버터로부터 출력된 직류 전압을 평활화하여 출력하는 평활유닛, 상기 평활 유닛에서 출력되는 직류 전압을 이용하여 상기 휴대기기의 배터리에 충전할 정전압을 생성하는 정전압 유닛, 상기 정전압 유닛으로부터 출력된 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하는 인버터 유닛을 포함할 수 있다.
(2) 수신 모듈
본 발명의 무선충전장치에서, 수신 모듈(200)은 배터리를 내장하고 있는 휴대기기로, 송신 모듈에서 공급되는 가변 자기장에 따라 발생되는 유도 기전력을 이용하여 배터리가 충전되는 휴대기기이다.
본 발명의 수신 모듈(200)은 제2 하우징(미도시됨)에 내장되는 수신 코일부(210), 차폐부(220), 및 충전부(230)를 포함한다.
본 발명의 수신 모듈에서, 수신 코일부(210)는 제2 하우징 내에 내장되는 부분으로, 적어도 하나의 코일을 포함한다. 따라서, 수신 코일부는 송신 모듈로부터 공급되는 가변 자기장에 따라 유도 기전력이 발생되어 교류 전압을 발생시킨다.
이러한 수신 코일부(210)는 휴대기기에 따라 휴대기기(즉, 제2 하우징)의 다양한 위치에 내장될 수 있다. 다만, 수신 코일부는 송신 모듈의 자기장 발생부 측, 예컨대 제2 하우징(구체적으로, 휴대기기의 본체 하우징)의 하부 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 수신 코일부(210)는 송신 모듈 내 자기장 발생부의 구조, 형상에 따라 다양한 구조로 설계될 수 있다. 이때, 수신 코일부는 자기장 발생부 내 자석과의 형합성을 고려하여 자기력을 최대로 흡수할 수 있는 구조인 것이 바람직하다.
여기서, 수신 코일부(210)는 1개 또는 복수의 코일을 포함할 수 있다. 이때, 각 코일의 형상은 환 형상 또는 다각 링 형상일 수 있다. 다만, 자기장 발생부의 자기력은 자기장 발생부의 중심부에서 외곽부로 갈수록 높아진다. 이 때문에, 수신 코일부는 도 4에 도시된 바와 같이, 다각 링 형상을 가진 복수의 코일을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 다각 링 형상은 삼각 링 형상, 직사각 링 형상 등일 수 있다. 특히, 코일은 종 방향의 권선 길이 및 수가 횡 방향의 권선 길이 및 수에 비해 많은 형상인 것이 바람직하다. 이는 자석이 회전하여 교차시, 종 방향 권선은 자석의 회전 방향과 직교하기 때문에 자기력선과 쇄교하는 구간이 많아 전자기유도가 극대화되는 반면, 횡 방향 권선은 자석의 회전방향과 평행하기 때문에, 자기력선과 쇄교하는 구간이 적어 전자기유도가 미미하다. 따라서, 코일의 종횡비(aspect ratio)는 1 미만인 것이 바람직하다. 여기서, 종 방향의 권선은 자석의 회전 방향과 수직한 방향의 권선을 의미하고, 횡 방향의 권선은 자석의 회전 방향과 평행한 방향의 권선을 의미한다.
이와 같은 수신 코일부(210)는 자석의 배치에 따라 코일간 S-S, E-E, S-E, E-S로 연결할 수 있다. 이때, S는 Start(입력단)이고, E는 End(출력단)을 의미한다.
본 발명의 수신 모듈(200)에서, 차폐부(220)는 수신 코일부의 상부 상에 배치되는 부분으로, 수신 코일부 상부 측으로 자기력선(자기장)이 누설되는 것을 방지(차폐)하면서, 자기력선을 수신 코일부에 집중시켜 수신 코일부의 자기력선 흡수율을 증대시킬 수 있다.
이러한 차폐부(220)는 자기장 발생부의 자석 종류, 크기, 자력 등에 따라 설계할 수 있다. 일례로, 차폐부(220)는 판 형상일 수 있다. 이때, 차폐부의 재료는 투자율이 높은 자성 재료일 수 있다. 구체적으로, 차폐부는 강판(예, 냉간압연 강판), 규소 강판, 아연도금강판[예, 전기아연도금강판(Electrolytic Galvanized Iron, EGI)] 등일 수 있다.
또, 차폐부(220)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수신 코일부 내 코일의 중심에 대응되는 위치에 배치된 돌기부(221)를 더 포함할 수 있다. 상기 돌기부(221)는 코일 내부에서 자기력선을 결집시키는 역할을 한다. 이와 같이, 돌기부-함유 차폐부를 포함하는 본 발명의 무선충전장치는 차폐부를 불(不)포함하는 무선충전장치에 비해 약 20% 이상의 전압 증가 효과가 있다.
상기 차폐부(220)의 두께는 두꺼울수록 차폐효과가 우수하지만, 경량화, 박형화에 반(反)하다. 따라서, 차폐부의 두께는 약 1 ㎜ 내지 1 ㎝, 구체적으로 약 1 내지 5 ㎜일 수 있으나, 이에 한정하지 않고, 차폐부의 재료에 따라 설계 변경할 수 있다.
본 발명의 수신 모듈(200)에서, 충전부(230)는 수신 코일부(210)와 전기적으로 연결된 부분으로, 수신 코일부(210)에서 발생되는 유도 기전력을 배터리에 충전한다. 이러한 충전부(230)는 충전회로와 배터리를 포함하며, 이들은 서로 전기적으로 연결되어 있다.
상기 충전회로는 수신 코일부의 출력단에 연결되어 수신 코일부의 유도 기전력에 의한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 부분으로, 다이오드, 평활유닛 및 컨버터를 포함한다.
상기 다이오드는 수신 코일부의 출력단과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 컨버터는 다이오드와 전기적으로 연결되어 입력 교류전압을 직류 전압으로 변환할 뿐만 아니라, 승압 또는 감압시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 무선충전장치는 낮은 rpm부터 충전할 수 있다.
본 발명의 수신 모듈에 내장된 배터리는 재충전이 가능한 전지로, 리튬이온 전지나 리튬 폴리머 전지 등일 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
100: 송신 모듈, 110: 자기장 발생부,
120: 자기유도부, 121: 수용 홈부,
122: 격벽, 130: 모터부,
200: 수신 모듈, 210: 수신 코일부,
220: 차폐부, 221: 돌기,
230: 충전부

Claims (10)

1개 또는 복수의 자석을 포함하는 자기장 발생부, 상기 자기장 발생부의 하부 상에 배치되어 상기 영구자석의 자력 중 적어도 일측 방향의 자력을 차폐하는 자기유도부, 및 상기 자기장 발생부를 회전시키는 모터부를 포함하는 송신 모듈; 및
상기 송신 모듈로부터 공급되는 가변 자기장에 따라 기전력이 발생되는 코일을 포함하는 수신 코일부, 상기 수신 코일부의 상부 상에 배치되어 상기 수신 코일부 상부 측으로의 자기장 누설을 방지하는 차폐부, 및 상기 수신 코일부에서 발생되는 기전력을 이용하여 휴대기기의 배터리를 충전하는 충전부를 포함하는 수신 모듈
을 구비하는 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 자기장 발생부는 N극 자석 및 S극 자석이 방사형으로 교대로 배치되어 있는, 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 자기유도부는 철판, 규소강판 및 아연도금강판으로 이루어진 군에서 선택된 것인, 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 자기유도부는 상기 1개 또는 복수의 자석을 수용하는 수용 홈부를 포함하는, 휴대기기용 무선충전장치.
제4항에 있어서,
상기 자기유도부는 상기 복수의 자석을 서로 이격시키는 격벽를 포함하는 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 수신 코일부는 복수의 코일을 포함하는, 휴대기기용 무선충전장치.
제6항에 있어서,
상기 코일은 다각 링 형상을 갖는, 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 코일은 종횡비(aspect ratio)가 1 미만인 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 차폐부는 코일의 중심에 대응되는 위치에 배치된 돌기부를 포함하는, 휴대기기용 무선충전장치.
제1항에 있어서,
상기 차폐부는 철판, 규소강판 및 아연도금강판으로 이루어진 군에서 선택된 것인, 휴대기기용 무선충전장치.
KR1020190005144A 2018-11-30 2019-01-15 휴대기기용 무선충전장치 KR20200066118A (ko)

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WO2021261759A1 (ko) * 2020-06-26 2021-12-30 삼성전자 주식회사 무선으로 전력을 전송하는 전자 장치와 이의 동작 방법
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WO2023003366A1 (ko) * 2021-07-20 2023-01-26 엘지전자 주식회사 영구 자석을 포함하는 멀티 코일 무선 충전 시스템
WO2023106604A1 (ko) * 2021-12-07 2023-06-15 삼성전자 주식회사 복수의 자석 모듈들을 포함하는 전자 장치

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