WO2012148152A1 - 공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템 - Google Patents

공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템 Download PDF

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WO2012148152A1
WO2012148152A1 PCT/KR2012/003148 KR2012003148W WO2012148152A1 WO 2012148152 A1 WO2012148152 A1 WO 2012148152A1 KR 2012003148 W KR2012003148 W KR 2012003148W WO 2012148152 A1 WO2012148152 A1 WO 2012148152A1
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WO
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wireless energy
spiral structure
resonant coupler
spiral
magnetic field
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PCT/KR2012/003148
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English (en)
French (fr)
Inventor
정두원
조준경
Original Assignee
주식회사 엘트로닉스
주식회사 엔티엔테크놀로지
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Publication date
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a wireless energy transmission technology, and more particularly, to a resonant coupler and a wireless energy transmission system using the same, which can reduce the size and improve the energy transmission efficiency.
  • Portable digital devices e.g., mobile phones, smart phones, PMPs, MP3s, digital cameras, notebooks, etc.
  • various sensor devices used in ubiquitous sensor networks have recently been used by users. It meets the user's need for sex. Meanwhile, a technology for wirelessly charging such devices without a power line has been developed. As a technology for transmitting energy wirelessly, electromagnetic induction schemes are widely used.
  • the electromagnetic induction method has a problem in that the transmission distance is limited and the transmission efficiency is low because the energy supply device and the corresponding digital device must be very close for wireless energy transmission.
  • a wireless energy transmission technology using a magnetic field-based resonance method in a near field has been developed.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a wireless energy transmission system using a conventional magnetic field-based resonance method.
  • a conventional wireless energy transmission system includes a wireless energy transmitter 10 and a wireless energy receiver 20.
  • the wireless energy transmission apparatus 10 includes a power source 11, a 1-1 wire 12, a 1-2 wire 13, and a first capacitor 14.
  • the power source 11 is connected to one end of the first-first wire 12 and the first-second wire 13, respectively, and the first capacitor 14 is connected to the first-first wire 12. And the other ends of the 1-2 wires 13, respectively.
  • the magnetic field formed in the space between the wireless energy transmitter 10 and the wireless energy receiver 20 forms an electric field in the second capacitor 24 of the wireless energy receiver 20, and the wireless energy receiver
  • the magnetic field is formed in the 2-1st wire 22 and the 2-2nd wire 23 of (20).
  • Electric and magnetic fields formed in the wireless energy receiver 20 are transmitted to electronic components (for example, batteries) connected to the 2-1 wire 22 and the 2-2 wire 23. That is, the first-first wire 12, the first-second wire 13, and the first capacitor 14 form a first coupling loop, and the second-first wire 22, The second-two wires 23 and the second capacitors 24 form a second coupling loop, so that energy is transmitted and received between the first coupling loop and the second coupling loop via a magnetic field.
  • electronic components for example, batteries
  • the conventional wireless energy transfer system has miniaturized the size of the entire system by using the capacitors 14 and 24, but the radiation power is reduced due to the capacitors 14 and 24, resulting in a decrease in energy transfer efficiency.
  • the length of the wires 12, 13, 22, 23 can be shortened, and the size of the entire system can be reduced, but the radiation resistance Rr is relatively small.
  • the smaller the radiation resistance, the smaller the radiation power, and the smaller the radiation power the lower the energy transfer efficiency.
  • the energy transfer efficiency can be expressed as the ratio of the power applied to the system and the power radiated from the system.
  • An embodiment of the present invention is to provide a resonant coupler and a wireless energy transfer system using the same that can improve the energy transfer efficiency while miniaturizing the size of the wireless energy transfer system.
  • Wireless energy transmission system a wireless energy transmission device for generating a magnetic field; And a wireless energy receiver configured to be spaced apart from the wireless energy transmitter by a predetermined distance and to receive a magnetic field generated by the wireless energy transmitter, wherein the wireless energy receiver includes the conductive wire while the conductive wire rotates in a predetermined direction. And a resonant coupler comprising one or more spiral structures wound inwardly at regular intervals.
  • the resonant coupler includes one or more spiral structures in which the wires are wound inward at a predetermined interval while the wires rotate in a predetermined direction, and the inductance due to the entire length of the wires and between the wires.
  • Resonance is characterized in that the resonance frequency due to the coupling of the capacitance due to the gap.
  • the resonant coupler in one or more spiral structures, it is possible to minimize the size of the wireless energy transmission system, it is possible to prevent the loss due to the capacitor element without using a separate capacitor element It is possible to improve the energy transfer efficiency.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a wireless energy transmission system using a conventional magnetic field-based resonance method.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a front view of a wireless energy transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are side and perspective views illustrating a wireless energy receiving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph showing the energy transfer efficiency by the conventional wireless energy transfer system.
  • Figure 6 is a graph showing the energy transmission efficiency by the wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless energy transmission system 100 includes a wireless energy transmitter 102 and a wireless energy receiver 104.
  • the wireless energy transmitter 102 receives power from a power supply unit (not shown) to generate a magnetic field by LC resonance.
  • the wireless energy transmitter 102 includes a first voltage application loop 111 and a first resonant coupler 113.
  • FIG. 3 is a front view of a wireless energy transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the first voltage applying loop 111 is electrically connected to the power supply unit (not shown) to receive power.
  • the first resonant coupler 113 is formed to be spaced apart from the first voltage applying loop 111 and generates a magnetic field through LC resonance by coupling with the first voltage applying loop 111.
  • the first resonant coupler 113 may be formed in a spiral shape in which the conductive wire is wound while being gradually rotated inward at a predetermined interval in a predetermined direction.
  • an inductance component is generated due to the entire length of the first resonant coupler 113, and a capacitance component is generated by the spacing between the conductive lines of the first resonant coupler 113.
  • due to the capacitance component generated by the gap between the conductors it is not necessary to use a separate capacitor element, thereby preventing the loss by the capacitor element.
  • FIG. 3 illustrates only one embodiment of the wireless energy transmission device 102
  • the wireless energy transmission device 102 is not limited thereto, and may be configured in various ways.
  • the wireless energy transmitter 102 may be implemented in the same configuration as the wireless energy receiver 104 to be described later.
  • the wireless energy receiver 104 receives a magnetic field transmitted by the wireless energy transmitter 102 and is formed to be spaced apart from the wireless energy transmitter 102 by a predetermined distance.
  • the wireless energy receiver 104 includes a second voltage application loop 121 and a second resonant coupler 123.
  • the second voltage applying loop 121 is connected to a power supply unit (not shown) and wirelessly charges magnetic field energy received by the second resonant coupler 123 by coupling with the second resonant coupler 123. Deliver to device.
  • FIGS. 4A and 4B are side and perspective views illustrating a wireless energy receiving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the second resonant coupler 123 includes a first spiral structure 125, a connecting portion 127, and a second spiral structure 129.
  • the first spiral structure 125 is formed on the left side of the second voltage application loop 121, for example.
  • the first spiral structure 125 is formed by gradually winding inwardly with a predetermined distance between the first conductive wires while the first conductive wire rotates in a counterclockwise direction.
  • connection part 127 connects the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129.
  • connection part 127 connects an end of the first spiral structure 125 and one end of the second spiral structure 129.
  • the second spiral structure 129 is formed on the right side of the second voltage application loop 121.
  • the second spiral structure 129 is formed by being wound outwardly at an interval between the second conductors while the second conductor is rotated counterclockwise at one end connected to the connection part 127.
  • the second spiral structure 129 is wound while rotating in the same direction as the first spiral structure 125. If the second spiral structure 129 is wound while being rotated in the opposite direction to the first spiral structure 125, since the directions of the magnetic fields are opposite to each other and cancel each other, the first spiral structure 125 and the first spiral structure 125 are wound. Rotate in the same direction so that it is wound.
  • the second resonant coupler 123 has an inductance component by the entire length of the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129, and the first spiral structure 125 and the second spiral
  • the capacitance (gap) between the conductors of the structure 129 has a capacitance component.
  • the second resonant coupler 123 generates a resonance at a resonance frequency due to the combination of the inductance component and the capacitance component, and thus receives the magnetic field generated by the wireless energy transmitter 102.
  • the second resonant coupler 123 may adjust the resonant frequency by adjusting the number of windings of the conductive wires in the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129. For example, when the number of windings of the conductive wires in the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129 is increased, the total length of the second resonant coupler 123 is increased, thereby increasing the inductance and the conductive wire. Since the gap Gap area of the liver increases and the capacitance increases, the resonance frequency is lowered.
  • the resonance frequency increases.
  • the second resonant coupler 123 occupies a small volume in a narrow space due to the first helical structure 125 and the second helical structure 129, and may form a length of the entire conductive wire sufficiently long to allow the wireless energy.
  • the size of the receiving device 104 can be minimized. Since the wireless energy receiver 104 is mounted in a device (eg, a portable digital device and a sensor device) for wirelessly charging power, it is necessary to minimize the volume thereof.
  • the wireless energy receiver 104 in order to apply a wireless energy transmission system to a mobile communication terminal, the wireless energy receiver 104 must be miniaturized, and the second resonant coupler is formed using the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129. Forming 123, it is possible to minimize the size of the wireless energy receiving device 104.
  • the second resonant coupler 123 Since the second resonant coupler 123 has its own capacitance component due to the gap (gap) between the conductors of the first spiral structure 125 and the second spiral structure 129, it is necessary to use a separate capacitor device. Therefore, the loss due to the capacitor element can be prevented to improve the energy reception efficiency.
  • the second resonant coupler 123 is formed as two spiral structures connected to each other, the second resonant coupler 123 is not limited thereto, and may be formed in various shapes and structures. .
  • the second resonant coupler 123 may be formed of one spiral structure.
  • the wireless energy transmission system 100 may be minimized, and a separate capacitor device may not be used. As a result, energy transmission efficiency can be improved.
  • FIG 5 is a graph showing the energy transmission efficiency by the conventional wireless energy transmission system
  • Figure 6 is a graph showing the energy transmission efficiency by the wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • the conventional wireless energy transmission system has an energy transmission efficiency of 66.4 when the distance between the wireless energy transmitter and the wireless energy receiver is 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, and 70 cm, respectively. %, 45.5%, 27%, 12.8%, 2.8%, 1.2%.
  • the wireless energy transmission system is 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm between the wireless energy transmitter and the wireless energy receiver
  • the energy transfer efficiency is 74.6%, 57.8%, 47.2%, 32.7%, 15.3%, 2.9%, respectively.
  • the wireless energy transmission system according to the embodiment of the present invention has higher energy transmission efficiency than the conventional wireless energy transmission system at each distance.
  • wireless energy transmitting device 104 wireless energy receiving device
  • first voltage application loop 113 first resonant coupler
  • first spiral structure 127 connecting portion

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Abstract

공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 자계를 발생시키는 무선 에너지 송신 장치 및 상기 무선 에너지 송신 장치로부터 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 무선 에너지 송신 장치가 발생하는 자계를 수신하는 무선 에너지 수신 장치를 포함한다. 이때, 상기 무선 에너지 수신 장치는, 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기는 하나 이상의 나선형 구조물을 포함하는 공진 커플러를 포함한다.

Description

공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템
본 발명의 실시예는 무선 에너지 전송 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크기를 소형화하고 에너지 전송 효율을 향상시킬 수 있는 공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 많이 사용되고 있는 휴대용 디지털 기기들(예를 들어, 모바일 폰, 스마트 폰, PMP, MP3, 디지털 카메라, 노트북 등) 및 유비쿼터스 센서 네트워크에 사용되는 각종 센서 기기들은 사용자가 소지하고 다닐 수 있어 이동성 및 편리성에 대한 사용자의 요구를 충족시켜주고 있다. 한편, 이러한 기기들을 전력선 없이 무선으로 충전하는 기술이 개발되고 있는데, 무선으로 에너지를 전송하는 기술로는 현재 전자기 유도 방식이 많이 이용되고 있다.
그러나, 전자기 유도 방식은 무선 에너지 전송을 위해 에너지 공급 장치와 해당 디지털 기기가 매우 인접해 있어야 하므로 전송 거리에 한계가 있고, 전송 효율 또한 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제의 해결을 위해 니어 필드(Near Field) 내에서 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 기술이 개발되고 있다.
도 1은 종래의 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치(10) 및 무선 에너지 수신 장치(20)를 포함한다. 여기서, 상기 무선 에너지 송신 장치(10)는 전원(Source)(11), 제1-1 와이어(12), 제1-2 와이어(13), 및 제1 커패시터(14)를 포함한다.
상기 전원(11)은 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)의 일단에 각각 연결되고, 상기 제1 커패시터(14)는 상기 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)의 타단에 각각 연결된다.
상기 전원(11)에서 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)로 전원이 공급되면, 상기 제1 커패시터(14)의 두 도체판 사이에 전계(E-Field)가 형성되고, 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)에는 자체 인덕턴스에 의해 자계(H-Field)가 형성된다.
이때, 상기 제1 커패시터(14)에 형성된 전계와 상기 제1-1 와이어(12) 및 상기 제1-2 와이어(13)에 형성된 자계의 주기적인 에너지 교환으로 인해, 상기 무선 에너지 송신 장치(10) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에는 별도의 자계가 형성되게 된다.
상기 무선 에너지 송신 장치(10) 및 상기 무선 에너지 수신 장치(20) 사이의 공간에 형성된 자계는 상기 무선 에너지 수신 장치(20)의 제2 커패시터(24)에 전계를 형성시키고, 상기 무선 에너지 수신 장치(20)의 제2-1 와이어(22) 및 제2-2 와이어(23)에 자계를 형성시킨다.
상기 무선 에너지 수신 장치(20)에 형성된 전계 및 자계는 상기 제2-1 와이어(22) 및 제2-2 와이어(23)와 연결된 전자 부품(예를 들어, 배터리 등)으로 전달되게 된다. 즉, 상기 제1-1 와이어(12), 상기 제1-2 와이어(13), 및 상기 제1 커패시터(14)가 제1 커플링 루프를 형성하고, 상기 제2-1 와이어(22), 상기 제2-2 와이어(23), 및 상기 제2 커패시터(24)가 제2 커플링 루프를 형성하여, 상기 제1 커플링 루프 및 제2 커플링 루프 간에 자계를 매개체로 에너지가 송수신된다.
종래의 무선 에너지 전송 시스템은 커패시터(14, 24) 소자를 사용하여 전체 시스템의 크기를 소형화 하였지만, 커패시터(14, 24) 소자로 인해 방사 전력이 작아져 결국 에너지 전송 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
즉, 커패시터(14, 24) 소자를 사용하는 경우, 와이어(12, 13, 22, 23)의 길이를 짧게 하여 전체 시스템의 크기는 소형화 할 수 있지만 상대적으로 방사 저항(Rr)이 작아지게 된다. 여기서, 방사 저항이 작아지면 방사 전력이 작아지고, 방사 전력이 작아지면 에너지 전송 효율이 줄어들게 된다. 다시 말하면, 에너지 전송 효율은 해당 시스템에 인가한 전력과 해당 시스템에서 방사한 전력의 비로 나타낼 수 있는데, 커패시터(14, 24) 소자를 사용하면 방사 저항이 작아져 방사 전력(Pr=I²Rr)이 작아지므로, 에너지 전송 효율 또한 줄어들게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 무선 에너지 전송 시스템의 크기를 소형화하면서 에너지 전송 효율을 향상시킬 수 있는 공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은, 자계를 발생시키는 무선 에너지 송신 장치; 및 상기 무선 에너지 송신 장치로부터 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 무선 에너지 송신 장치가 발생하는 자계를 수신하는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며, 상기 무선 에너지 수신 장치는, 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기는 하나 이상의 나선형 구조물을 포함하는 공진 커플러를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진 커플러는, 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기는 하나 이상의 나선형 구조물을 포함하고, 상기 도선의 전체 길이에 의한 인덕턴스 및 상기 도선 간의 갭에 의한 커패시턴스의 결합에 따른 공진 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 공진 커플러를 하나 이상의 나선형 구조물로 형성함으로써, 무선 에너지 전송 시스템의 크기를 최소화 할 수 있으며, 별도의 커패시터 소자를 사용하지 않아 커패시터 소자에 따른 손실을 방지할 수 있어 에너지 전송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 자계 기반 공진 방식을 이용한 무선 에너지 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 송신 장치의 정면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치를 나타낸 측면도 및 사시도.
도 5는 종래의 무선 에너지 전송 시스템에 의한 에너지 전송 효율을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에 의한 에너지 전송 효율을 나타낸 그래프.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 공진 커플러 및 이를 이용한 무선 에너지 전송 시스템의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템(100)은 무선 에너지 송신 장치(102) 및 무선 에너지 수신 장치(104)를 포함한다.
상기 무선 에너지 송신 장치(102)는 전원부(미도시)로부터 전원을 공급받아 LC 공진에 의한 자계를 발생시킨다. 상기 무선 에너지 송신 장치(102)는 제1 전압 인가 루프(111) 및 제1 공진 커플러(113)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 송신 장치의 정면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 제1 전압 인가 루프(111)는 상기 전원부(미도시)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받는다. 상기 제1 공진 커플러(113)는 상기 제1 전압 인가 루프(111)와 상호 이격하여 형성되며 상기 제1 전압 인가 루프(111)와의 커플링에의한 LC 공진을 통해 자계를 발생시킨다.
상기 제1 공진 커플러(113)는 예를 들어, 도선이 일정 방향으로 일정 간격을 두고 점점 안쪽으로 회전하면서 감겨있는 나선형 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 공진 커플러(113)의 전체 길이로 인해 인덕턴스 성분이 발생하고, 상기 제1 공진 커플러(113)의 도선 간의 간격에 의해 커패시턴스 성분이 발생하게 된다. 이 경우, 상기 도선 간의 간격에 의해 발생하는 커패시턴스 성분으로 인해 별도의 커패시터 소자를 사용하지 않아도 되며, 따라서 커패시터 소자에 의한 손실을 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 3에서는 상기 무선 에너지 송신 장치(102)의 일 실시예를 도시하였을 뿐이므로, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)가 이에 한정되는 것은 아니며, 그 이외의 다양한 방식으로 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)는 후술할 상기 무선 에너지 수신 장치(104)와 동일한 구성으로 구현할 수도 있다.
상기 무선 에너지 수신 장치(104)는 상기 무선 에너지 송신 장치(102)가 전송하는 자계를 수신하며, 상기 무선 에너지 송신 장치(102)와 일정 거리 이격되어 형성된다. 상기 무선 에너지 수신 장치(104)는 제2 전압 인가 루프(121) 및 제2 공진 커플러(123)를 포함한다. 상기 제2 전압 인가 루프(121)는 전원부(미도시)와 연결되며, 상기 제2 공진 커플러(123)와의 커플링에 의해 상기 제2 공진 커플러(123)가 수신한 자계 에너지를 무선으로 충전되는 기기로 전달한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치를 나타낸 측면도 및 사시도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제2 공진 커플러(123)는 제1 나선형 구조물(125), 연결부(127), 및 제2 나선형 구조물(129)을 포함한다.
상기 제1 나선형 구조물(125)은 예를 들어, 상기 제2 전압 인가 루프(121)의 좌측에 형성된다. 상기 제1 나선형 구조물(125)은 예를 들어, 제1 도선이 반시계 방향으로 회전하면서 제1 도선 간에 일정 간격을 두고 점점 안쪽으로 감겨져 형성된다.
상기 연결부(127)는 상기 제1 나선형 구조물(125)과 상기 제2 나선형 구조물(129)을 연결한다. 예를 들어, 상기 연결부(127)는 상기 제1 나선형 구조물(125)의 말단과 상기 제2 나선형 구조물(129)의 일단을 연결한다.
상기 제2 나선형 구조물(129)은 상기 제2 전압 인가 루프(121)의 우측에 형성된다. 상기 제2 나선형 구조물(129)은 예를 들어, 상기 연결부(127)와 연결된 일단에서 제2 도선이 반시계 방향으로 회전하면서 제2 도선 간에 일정 간격을 두고 점점 바깥쪽으로 감겨져 형성된다.
즉, 상기 제2 나선형 구조물(129)은 상기 제1 나선형 구조물(125)과 같은 방향으로 회전하면서 감겨지게 된다. 만약, 상기 제2 나선형 구조물(129)이 상기 제1 나선형 구조물(125)과 반대 방향으로 회전하면서 감기게 되면, 자기장의 방향이 서로 반대되어 서로 상쇄되기 때문에, 상기 제1 나선형 구조물(125)과 같은 방향으로 회전하면서 감겨지도록 한다.
상기 제2 공진 커플러(123)는 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)의 전체 길이에 의해 인덕턴스 성분을 갖게 되고, 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)의 도선 간의 간격(갭)에 의해 커패시턴스 성분을 갖게 된다. 이때, 상기 제2 공진 커플러(123)는 상기 인덕턴스 성분 및 상기 커패시턴스 성분의 결합에 따른 공진 주파수에서 공진이 발생하게 되며, 그로 인해 상기 무선 에너지 송신 장치(102)에서 발생하는 자계를 수신하게 된다.
상기 제2 공진 커플러(123)는 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)에서 도선의 감은 횟수를 조정하여 공진 주파수를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)에서 도선의 감은 횟수를 증가시키면, 상기 제2 공진 커플러(123)의 전체 길이가 길어져 인덕턴스가 증가하고, 상기 도선 간의 갭(Gap) 면적이 증가하여 캐패시턴스가 증가하므로, 공진 주파수가 낮아지게 된다.
반면에, 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)에서 도선의 감은 횟수를 감소시키면, 상기 제2 공진 커플러(123)의 전체 길이가 짧아져 인덕턴스가 감소하고, 상기 도선 간의 갭(Gap) 면적이 감소하여 캐패시턴스가 감소하므로, 공진 주파수가 높아지게 된다.
상기 제2 공진 커플러(123)는 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)로 인해 좁은 공간에서 적은 부피를 차지하며 전체 도선의 길이를 충분히 길게 형성할 수 있어 상기 무선 에너지 수신 장치(104)의 크기를 최소화 할 수 있게 된다. 상기 무선 에너지 수신 장치(104)는 전력을 무선으로 충전하는 기기(예를 들어, 휴대용 디지털 기기 및 센서 기기 등)에 장착되기 때문에 그 부피를 최소화 할 필요가 있다.
특히, 이동통신 단말기에 무선 에너지 전송 시스템을 적용하기 위해서는 무선 에너지 수신 장치(104)를 소형화 하여야 하는데, 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 제2 나선형 구조물(129)을 이용하여 상기 제2 공진 커플러(123)를 형성하면, 무선 에너지 수신 장치(104)의 크기를 최소화 할 수 있게 된다.
상기 제2 공진 커플러(123)는 상기 제1 나선형 구조물(125) 및 상기 제2 나선형 구조물(129)의 도선 간의 간격(갭)에 의해 자체적으로 커패시턴스 성분을 갖기 때문에, 별도의 커패시터 소자를 사용할 필요가 없으며, 따라서 커패시터 소자로 인한 손실을 방지하여 에너지 수신 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 4에서는 제2 공진 커플러(123)가 서로 연결된 두 개의 나선형 구조물로 이루어진 것으로 도시하였으나, 제2 공진 커플러(123)는 이에 한정되지 않으며, 그 이외의 다양한 형상 및 구조로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 공진 커플러(123)는 한 개의 나선형 구조물로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제2 공진 커플러(123)를 한 쌍의 나선형 구조물(125, 129)로 형성함으로써, 무선 에너지 전송 시스템(100)을 최소화 할 수 있으며, 별도의 커패시터 소자를 사용하지 않아 에너지 전송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 5는 종래의 무선 에너지 전송 시스템에 의한 에너지 전송 효율을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에 의한 에너지 전송 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 종래의 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 간의 거리가 20㎝, 30㎝, 40㎝, 50㎝, 60㎝, 70㎝일 때 에너지 전송 효율이 각각 66.4%, 45.5%, 27%, 12.8%, 2.8%, 1.2%인 것을 알 수 있다.
반면에 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치 간의 거리가 20㎝, 30㎝, 40㎝, 50㎝, 60㎝, 70㎝일 때 에너지 전송 효율이 각각 74.6%, 57.8%, 47.2%, 32.7%, 15.3%, 2.9%인 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템은 각 거리에서 종래의 무선 에너지 전송 시스템보다 에너지 전송 효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
102 : 무선 에너지 송신 장치 104 : 무선 에너지 수신 장치
111 : 제1 전압 인가 루프 113 : 제1 공진 커플러
121 : 제2 전압 인가 루프 123 : 제2 공진 커플러
125 : 제1 나선형 구조물 127 : 연결부
129 : 제2 나선형 구조물

Claims (6)

  1. 자계를 발생시키는 무선 에너지 송신 장치; 및
    상기 무선 에너지 송신 장치로부터 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 무선 에너지 송신 장치가 발생하는 자계를 수신하는 무선 에너지 수신 장치를 포함하며,
    상기 무선 에너지 수신 장치는, 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기는 하나 이상의 나선형 구조물을 포함하는 공진 커플러를 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 에너지 수신 장치는,
    상기 공진 커플러와 일정 간격 이격하여 형성되고, 상기 공진 커플러를 통해 상기 무선 에너지 송신 장치가 발생시킨 자계를 수신하는 전압 인가 루프를 더 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공진 커플러는,
    상기 전압 인가 루프의 좌측에 상기 전압 인가 루프와 상호 이격하여 형성되는 제1 나선형 구조물;
    상기 전압 인가 루프의 우측에 상기 전압 인가 루프와 상호 이격하여 형성되는 제2 나선형 구조물; 및
    상기 제1 나선형 구조물과 상기 제2 나선형 구조물을 연결하는 연결부를 포함하는, 무선 에너지 전송 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 나선형 구조물은, 제1 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 제1 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기면서 형성되고,
    상기 제2 나선형 구조물은, 상기 연결부를 통해 상기 제1 나선형 구조물의 말단과 연결되고, 제2 도선이 상기 제1 나선형 구조물의 방향과 동일한 방향으로 회전하면서 상기 제2 도선 간에 일정 간격을 두고 바깥쪽으로 감기면서 형성되는, 무선 에너지 전송 시스템.
  5. 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기는 하나 이상의 나선형 구조물을 포함하고,
    상기 도선의 전체 길이에 의한 인덕턴스 및 상기 도선 간의 갭에 의한 커패시턴스의 결합에 따른 공진 주파수에서 공진하는, 공진 커플러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진 커플러는,
    제1 도선이 일정 방향으로 회전하면서 상기 제1 도선 간에 일정 간격을 두고 안쪽으로 감기면서 형성되는 제1 나선형 구조물;
    제2 도선이 상기 제1 나선형 구조물의 방향과 동일한 방향으로 회전하면서 상기 제2 도선 간에 일정 간격을 두고 바깥쪽으로 감기면서 형성되는 제2 나선형 구조물; 및
    상기 제1 나선형 구조물의 말단과 상기 제2 나선형 구조물의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는, 공진 커플러.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2542278A1 (es) * 2015-02-23 2015-08-03 Carlos Andrés MARTÍNEZ CASAIS Cargador inalámbrico multidispositivo
EP4142125A1 (en) * 2021-08-26 2023-03-01 Universidad de Alcalá (UAH) Miniaturized electromagnetic rotary actuator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000244226A (ja) * 1999-02-24 2000-09-08 Mitsubishi Electric Corp アンテナ装置およびその給電装置
KR20040045159A (ko) * 2002-11-22 2004-06-01 재단법인 충남대학교 산학연교육연구재단 초소형 안테나
JP2006230032A (ja) * 2005-02-15 2006-08-31 Noboru Daiho 電力伝送装置、電力伝送方法
JP2009106136A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Toyota Motor Corp 電動車両および車両用給電装置
KR20090050912A (ko) * 2007-11-15 2009-05-20 삼성전자주식회사 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 송수신 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000244226A (ja) * 1999-02-24 2000-09-08 Mitsubishi Electric Corp アンテナ装置およびその給電装置
KR20040045159A (ko) * 2002-11-22 2004-06-01 재단법인 충남대학교 산학연교육연구재단 초소형 안테나
JP2006230032A (ja) * 2005-02-15 2006-08-31 Noboru Daiho 電力伝送装置、電力伝送方法
JP2009106136A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Toyota Motor Corp 電動車両および車両用給電装置
KR20090050912A (ko) * 2007-11-15 2009-05-20 삼성전자주식회사 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 송수신 시스템

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2542278A1 (es) * 2015-02-23 2015-08-03 Carlos Andrés MARTÍNEZ CASAIS Cargador inalámbrico multidispositivo
EP4142125A1 (en) * 2021-08-26 2023-03-01 Universidad de Alcalá (UAH) Miniaturized electromagnetic rotary actuator
WO2023025939A1 (en) 2021-08-26 2023-03-02 Universidad De Alcala (Uah) Miniaturized wirelessly powered electromagnetic rotary actuator

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