WO2018012688A1 - 편차에 강인하고 최적의 충전위치의 측정이 가능한 무선전력 충전장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

편차에 강인하고 최적의 충전위치의 측정이 가능한 무선전력 충전장치 및 방법을 개시한다. 본 실시예의 일 측면에 의하면, 집전장치에 급전장치의 겹치는 부분의 중심부를 기준으로 수평 편차가 발생하더라도, 충전 효율이 급격히 감소하는 것을 방지할 수 있도록 수평 편차에 강인하며, 센서나 카메라 등 별도의 장비의 부가 없이 집전장치를 부착한 비행체가 최적의 충전위치를 측정할 수 있는 무선전력 충전장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.

Description

편차에 강인하고 최적의 충전위치의 측정이 가능한 무선전력 충전장치 및 방법
본 실시예는 편차, 특히, 수평 편차에 강인하며, 최적의 충전위치를 측정할 수 있는 무선전력 충전장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 드론은 배터리의 전력을 이용하여 다수 개의 프로펠러를 회전시킴으로써 하늘을 비행하는 비행유닛의 일종으로서, 사용자의 리모콘 조작에 따라 다양한 패턴의 비행이 가능하다.
드론의 비행이 가능하기 위해서는 다수 개의 프로펠러가 매우 빠르게 회전되어야 한다. 이로 인해, 배터리 소모량이 많아져, 배터리를 지속적으로 교체해 주어야 한다는 단점이 발생한다.
이러한 불편을 해소하고자 최근에 부각되는 기술이 무선전력 충전기술이다. 무선전력 충전장치는 커넥터를 이용하지 않고 무선으로 전력을 출력하는 급전장치와, 급전장치로부터 무선으로 수신하는 전력을 이용해서 전원를 충전하는 집전장치로 이루어진다. 집전장치가 드론의 일부에 부착됨으로써, 드론이 비행 중에도 공중에서 전력을 수신할 수 있다. 이에 따라, 별도로 드론의 배터리를 교체하기 위해 비행을 정지해야 하는 불편이 해소될 수 있다.
그러나 종래의 무선 충전기술은 정 위치(예를 들어, 급전장치의 중앙)를 기준으로 수평 편차가 커질수록 충전효율이 급격하게 떨어지는 한계를 갖는다. 이러한 한계로 인해, 드론이 정 위치에 위치하도록 미세한 설정을 해야 하는 불편이 있었으며, 드론을 정 위치에 맞추는 장치까지 별도로 이용해야 하는 경우가 존재하였다. 드론이 정 위치에 위치하지 않는 경우, 충전 효율이 떨어져 충전시간이 길어지는 불편도 존재하였다.
또한, 종래에는 센서나 카메라를 이용하여 위치를 파악함으로써, 드론이 최적의 충전장소로 이동하였다. 그러나 드론이 최적의 충전장소를 보다 정밀하게 찾기 위해 고성능의 센서나 카메라가 드론에 부착되는 경우, 센서나 카메라의 가격 때문에 드론의 가격이 지나치게 상승하게 된다. 고성능 카메라가 드론에 부착되는 경우, 드론의 하중이 커지게 되어 배터리의 소모도 커지며 드론의 경량화가 저해되는 문제도 있다. 이에 따라 저비용으로 정밀한 위치 측정 능력을 제공하면서도, 드론의 경량화를 저해하지 않을 수 있는 방법이 요구된다.
한편, 전기를 동력으로 하는 이동체(비행기, 철도, 전기 자동차 등) 등에 대해서도 무선 충전기술을 접목하려는 시도가 있었다. 전기를 동력으로 하는 이동체(비행기, 철도, 전기 자동차 등) 등에 전력을 공급하기 위해 진행하던 궤도를 이탈하여 정지를 한 후, 배터리를 교환하거나 또는 충전을 하는 방식이 종래에 적용되어 왔다. 그러나 진행하던 궤도를 이탈하여 이동체의 운행을 멈추는 방식은 충전에 불편이 따르고, 충전시간도 길어지는 한계를 갖는다.
본 실시예는, 집전장치에 급전장치의 각 코일이 겹치는 부분의 중심부를 기준으로 수평 편차가 발생하더라도, 충전 효율이 급격히 감소하는 것을 방지할 수 있도록 수평 편차에 강인한 무선전력 충전장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예는, 센서나 카메라 등 별도의 장비의 부가 없이 집전장치를 부착한 비행체가 최적의 충전위치를 측정할 수 있는 무선전력 충전장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 실시예는, 이동체 등을 충전하기 위해 충분한 양의 전력을 송수신하면서도 수평·수직 편차에 강인한 무선전력 충전시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성되며, 전류를 인가받아 자속을 방사하는 제1 코일 및 상기 제1 코일과 동일하거나 상이한 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성되고, 상기 제1 코일이 자속을 방사하는 방향에 상기 제1 코일과 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치되며, 전류를 인가받아 자속을 방사하는 제2 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 복수의 다리를 구비한 비행체에 있어서, 상기 비행체의 각 다리에 권취된 전선으로 구성되고, 자속을 수신하여 유도기전력을 생성하는 복수의 코일부와 상기 복수의 코일부 각각에서 생성된 유도기전력을 이용해 상기 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였는지를 판단하여 상기 비행체의 이동 또는 회전을 제어하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치한 경우, 이를 알리는 신호를 전송하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1 코일 및 상기 제1 코일과 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된 제2 코일을 포함하는 급전장치가 무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 동일한 방향의 전류를 인가하는 과정과 집전장치를 포함한 비행체로부터 상기 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하는 과정 및 상기 신호를 수신한 경우, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 서로 상이한 방향의 전류를 인가하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 공급방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 복수의 다리 및 각 다리에 권취된 전선으로 구성된 복수의 코일부를 구비한 비행체의 이동을 제어하는 방법에 있어서, 상기 복수의 코일부 각각에서 생성된 유도기전력을 비교하는 비교과정 및 상기 복수의 코일부 중 가장 큰 유도기전력을 생성한 코일부가 위치하는 방향으로 상기 비행체가 이동하도록 제어하는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체 이동 제어방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 일 측면에 따르면, 급전 장치의 각 코일이 겹치는 부분의 중심부를 기준으로 수평 편차에 강인한 급전장치를 제공하기 때문에, 집전장치를 포함하는 장치(예를 들어, 드론 등)가 급전장치의 각 코일이 겹치는 부분의 중심부에 위치하도록 제어하여야 하는 수고로움이 줄어들 수 있으며, 집전장치를 포함하는 장치가 급전 장치의 각 코일이 겹치는 부분의 중심부에 위치하지 않더라도 상대적으로 빠르게 충전을 할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 다른 측면에 따르면, 센서나 카메라 등 별도의 장비의 부가 없기 때문에 저비용으로도 집전장치를 부착한 비행체가 최적의 충전위치를 측정할 수 있으며, 비행체에 집전장치만이 부착되는 점에서 비행체를 경량화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 따르면, 이동체 등 충전에 오랜 시간이 걸리는 물체에 충분한 양의 전력을 송수신하면서도, 수평·수직 편차에 강인한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어부를 포함하는 급전장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경우에 따른 집전장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 코어부 또는 집전 코어부가 존재하는지에 따라 수평편차 발생 시 충전되는 전원의 양과 충전되는 전원의 비율을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치 및 코어부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비행체의 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 급전장치의 중심으로부터 기 설정된 범위 내로 비행체가 진입하는 것을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 비행체가 급전장치의 중심으로 이동하는 것을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 비행체가 충전에 있어 최적의 방향으로 회전하는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 구비한 비행체의 이동을 제어하는 순서도이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 구비한 비행체의 회전을 제어하는 순서도이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치를 제어하는 순서도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템을 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부를 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부를 도시한 도면이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치 및 집전장치의 위치에 따른 EMF값을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치(100)는 제1 코일부(110), 제2 코일부(120) 및 금속판(150)을 포함하여 구성된다.
제1 코일(110)은 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성된다. 도 1에서는 제1 코일(110)이 직사각형의 형상을 갖도록 전선이 권취된 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고, 제1 코일(110)은 다양한 다각형의 형상이나 원형, 부채꼴형 등 곡선을 갖는 다양한 형상으로 구성될 수 있다.
제1 코일(110)은 전원 장치(미도시)로부터 전원을 인가받아 자속을 방사한다. 제1 코일(110)은 전원 장치로부터 기 설정된 방향으로 흐르는 전류를 인가받아 자속을 방사한다. 예를 들어, 반시계 방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 제1 코일(110)은 자속을 +z 축 방향으로 방사한다. 이와는 반대로, 시계 방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 제1 코일(110)은 자속을 -z 축 방향으로 방사한다.
제2 코일(120)은 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성된다. 도 1에서는 제1 코일(110)과 동일한 형상을 갖도록 전선이 권취된 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 코일(110)과는 상이한 형상을 갖도록 전선이 권취될 수 있다. 예를 들어, 제1 코일(110)은 직사각형의 형상을 가지고, 제2 코일은 정사각형, 삼각형 등 다양한 다각형의 형상을 가질 수 있다.
제2 코일(120)은 제1 코일(110)이 자속을 방사하는 방향에 전체면적 중 기 설정된 면적이 제1 코일(110)과 겹치도록 배치된다. 제1 코일(110)이 반시계 방향으로 흐르는 전류를 인가받아 +z 축 방향으로 자속을 방사하는 경우, 제2 코일(120)은 제1 코일(110)의 +z 축 방향에 배치된다. 또한, 제2 코일(120)은 전체면적 중 기 설정된 면적이 제1 코일(110)과 겹치도록 배치된다. 이에 따라, 제2 코일(120)은 제1 코일과 겹치는 부분(130)과 제1 코일과 겹치지 않는 부분(140, 144)로 구분된다. 마찬가지로, 제1 코일(110)도 제2 코일과 겹치는 부분(130)과 제2 코일과 겹치지 않는 부분(142, 146)으로 분류된다. 도 1에서는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)이 겹치지 않는 부분(140, 142, 144, 146)의 면적이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 바람직하게는 서로 겹치지 않는 부분(140, 142, 144, 146)의 각각의 면적이 동일하게 구현되는 경우, 집전장치가 전원을 충전함에 있어 가장 수평 편차에 영향을 덜 받는다. 다만, 예를 들어, 드론의 다리가 3개인 것과 같이 ±x, ±y 모든 방향에 대해 자속을 균일하게 방사할 필요가 없는 경우, 서로 겹치지 않는 부분 각각의 면적은 상이하게 구현될 수 있다. 또한, 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120)의 전선이 권취된 형상에 따라, 서로 겹치지 않는 부분 각각의 면적이 상이해질 수 있다. 도 1에는 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 전선이 직사각형의 형태로 권취되어 서로 겹치지 않는 부분의 각각의 면적이 동일하도록 도시되어 있다. 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 전선이 직사각형의 형태로 권취되어 있는 경우, 서로 겹치지 않는 부분의 각각의 면적이 가장 넓고 균일하게 구현될 수 있는 장점은 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 코일(120)은 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 상이한 방향으로 흐르는 전류를 인가받아 자속을 방사한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 코일(110)에 반시계방향으로 흐르는 전류가 인가되는 경우, 제2 코일(120)에는 시계방향으로 흐르는 전류가 인가된다. 제1 코일(110)에 인가된 전류와 반대되는 방향의 전류가 제2 코일(120)에 인가되는 경우, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 겹치는 부분(130)에서는 각각의 코일에서 +z축 방향으로 방사되는 자속이 상쇄되어, 겹치는 부분의 중심부에서 강한 자속이 발생하지 않는다. 또한, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 서로 겹치지 않는 부분에서는 어느 하나의 부분에서 자속이 +z축 방향 또는 -z축 방향으로 방사되어 인접한 다른 부분으로 자속이 흡수되는 것과 같은 자기장이 형성된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 코일(110)이 반시계방향으로 흐르는 전류를, 제2 코일(120)이 시계방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 자속은 제1 코일(110)의 겹치지 않는 부분(142, 146)에서 방사되어 제2 코일(120)의 겹치지 않는 부분(140, 144)로 흡수되는 것과 같은 자기장이 형성된다. 이처럼, 제2 코일(120)이 제1 코일(110)과 상이한 방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 겹치는 부분의 중심부에만 자속이 몰리지 않기 때문에, 굳이 무선으로 전력을 수신하고자 하는 장치(예를 들어, 드론)가 급전장치의 겹치는 부분의 중심부에 배치될 필요가 없다. 겹치는 부분의 중심부에 자속이 몰리지 않기 때문에, 자속으로 인해 무선으로 전력을 수신하고자 하는 장치 내에 존재하는 회로나 반도체 소자 등에 발생 가능한 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전술한 것처럼 자기장이 형성되기 때문에, 집전장치가 겹치는 부분의 중심부에 배치되지 않고 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 겹치지 않는 부분 내에 어디에 배치되어도 충전이 원활히 진행된다.
제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 동일한 길이와 폭을 갖는 직사각형의 형상을 가질 수 있으며, 각각의 코일이 서로 교차하도록 배치될 수 있다. 각각의 코일이 서로 교차하도록 배치됨에 따라, 각각의 코일이 겹치는 면적과 겹치지 않는 면적이 발생한다. 제2 코일(120)이 제1 코일(110)과 서로 수직으로 교차하도록 배치될 수 있으며, 각각의 코일이 겹치는 면적은 최소화하고 각각의 코일이 겹치지 않는 면적을 최대로 할 수 있다. 각각의 코일이 겹치지 않는 면적을 최대로 함에 따라, 급전장치(100)가 형성하는 자기장의 크기가 커져 보다 수평편차에 강인한 급전장치가 구현될 수 있다. 또한, 제2 코일(120)이 제1 코일(110)과 서로 수직으로 교차하도록 배치하는 경우, 각각의 코일이 겹치지 않는 면적이 모두 동일하도록 제2 코일(120)이 배치될 수 있다. 다만, 집전장치의 개수 및 급전장치를 이용하고자 하는 상황에 따라 코일의 모양 및 배치 상태 등이 변화될 수 있다.
금속판(150)은 알루미늄판 등과 같은 도전율이 높은 물질로 구성되어 급전장치(100)로부터 방사되는 자속을 차폐한다. 급전장치(100)로부터 방사된 자속을 흡수한 금속판(150) 표면에는 와전류가 발생하고, 금속판(150)으로 입사되는 자속의 방향과 반대되는 방향으로 자속이 발생한다. 금속판(150)은 이렇게 발생한 반대 방향의 자속으로 금속판(150)으로 입사되는 자속을 상쇄하며 급전장치(100)로부터 방사되는 자속을 차폐한다.
금속판(150)은 급전장치(100)가 자속을 방사하고자 하는 방향과 반대되는 방향에 설치된다. 전술한 것과 같이, 금속판(150)은 금속판(150)으로 입사되는 자속을 차폐하기 때문에, 급전장치(100)는 금속판(150)이 위치하는 반대 방향의 대기로 자속을 방사한다. 따라서 금속판(150)이 일 측에 위치하는 급전장치(100)는 금속판(150)이 위치하는 반대 측으로만 자속을 방사하기 때문에, 금속판(150)은 급전장치(100)의 자속의 방사효율을 높인다.
급전장치(100)은 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 외에도, 인버터(미도시) 및 공진기(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
인버터(미도시)는 전원장치(미도시) 및 급전장치(100)와 연결될 수 있으며, 전원장치에서 공급되는 전류를 변환하여 급전장치에 교류전류를 인가한다.
공진기(미도시)는 급전장치(100)에 연결될 수 있으며. 무효전력을 줄인다. 급전장치(100)는 코일을 포함하고 있는데, 코일의 임피던스(2π*f*L)가 너무 커서 무효전력이 커지게 된다. 이에 따라, 피상전력도 같이 커지게 되어, 코일과 연결되는 다른 소자들이 감당해야 하는 피상전력의 크기가 증가한다. 공진기, 예를 들어, 캐패시터는 음의 임피던스(-1/(2π*f*C))를 가지므로, 직렬 또는 병렬로 코일과 연결하면 임피던스가 상쇄되어 전체 임피던스는 작아진다. 이에 따라 급전장치(100)의 무효전력이 줄어들고, 피상전력의 크기도 줄어들게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어부를 포함하는 급전장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치(200)는 제1 코일(110), 제2 코일(120) 및 금속판(150)외에도 코어부(210)를 더 포함하여 구성된다.
코어부(210)는 제1 및 제2 코일(110, 120)과 금속판(150)의 사이에, 제1 및 제2 코일(110, 120)이 자속을 방사하는 반대방향으로 배치되어, 제1 및 제2 코일(110, 120)이 보다 강한 자속을 방사하도록 한다. 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 전선에 배치됨에 따라, 코어부(210)는 코일의 투자율을 증가시켜 각각의 코일(110, 120)이 보다 강한 자속을 방사하도록 한다. 반대로, 코어부(210)가 배치되는 경우, 더 적은 권선수를 갖는 코일이 이용되더라도 원하는 크기의 자속이 방사될 수 있어, 급전장치의 경량화가 가능해진다.
코어부(210)는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 전선에 배치되며, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)이 겹치는 부분에는 배치되지 않는다. 코어부(210)는 도 2(b)와 같이 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 전선의 일부에만 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 코어부(210)는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 전선의 모든 부분에 배치될 수도 있으며, 전술한 바와 같이 코일에서 방사되는 자속을 키우기 위해 어떠한 배치, 크기, 개수를 가져도 무방하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경우에 따른 집전장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전장치(300)는 코일부(310) 및 코어부(320)를 포함한다.
코일부(310)는 코어부(320)에 권취되며, 코어부(320)가 수신하는 자속을 이용하여 유도전류를 발생시킨다. 코일부(310)는 코어부(320), 보다 구체적으로, 코어부의 바디(330)에 권취된다.
코어부(320)는 실패 형상을 가지며, 관통구멍(350)을 갖는 바디(330)와 바디(330)의 양 끝단에 위치하는 머리(340)를 포함하여 구성된다.
도 3(b)에는 코어부의 바디(330)가 사각형으로 구현된 것을 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 코어부의 바디(330)는 다각형의 어떠한 형상으로도 구현될 수 있다. 또한, 코어부의 바디(330)는 관통구멍(350)을 갖는다. 바디(330)의 관통구멍(350)으로 전원을 충전하고자 하는 장치(예를 들어, 드론)의 일부(예를 들어, 드론의 다리)가 관통할 수 있다. 전원을 충전하고자 하는 장치의 일부가 관통구멍(350)으로 코어부(320)를 관통함에 따라, 집전장치(300)는 전원을 충전하고자 하는 장치에 고정된다.
코어부의 머리(340)는 바디(330)의 양 끝단에 위치하며, 바디(330)의 단면적보다 넓은 면적을 갖는다. 코어부의 머리(340)가 바디(330)의 단면적보다 넓은 면적을 갖도록 함으로써, 자속의 흡수율이 상승하고, 자속의 흡수로 인해 발생하는 열이 감소된다.
집전장치(300)에는 정류기(미도시)가 연결될 수 있다. 정류기(미도시)는 집전장치에서 발생하는 교류전원을 직류전원으로 바꾸어 집전장치(300)와 연결된 장치로 직류 전원을 공급한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템을 도시한 도면이다.
무선전력 충전 시스템(410, 420)은 급전장치(100) 및 집전장치(300)를 포함하여 구성된다.
집전장치(300, 302, 304, 306)는 단일의 집전장치만이 전원의 충전에 이용될 수도 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 집전장치(300, 302, 304, 306)가 전원을 충전하고자 하는 장치와 연결되어 전원의 충전에 이용될 수 있다. 각각의 집전장치(300, 302, 304, 306)는 전원을 충전하고자 하는 장치와 연결되며, 급전장치의 코일(110, 120)이 서로 겹치지 않는 부분에서 주로 방사되는 자기장을 수신함으로써 전원을 충전한다.
무선전력 충전 시스템은 도 4(a)에 도시된 바와 같이 급전장치와 집전장치에 코어부를 포함하지 않고 구현될 수 있으나, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 급전장치와 집전장치에 코어부(320, 322, 324, 326, 210)를 포함하며 구현될 수 있다. 급전장치와 집전장치에 각각 코어부(320, 322, 324, 326, 210)를 포함하는 경우, 경량화를 도모할 수 있거나 또는 상대적으로 강한 자속을 방사할 수 있어 보다 수평편차에 강한 급전장치가 구현될 수 있으며, 자속을 더 많이 흡수하는 집전장치가 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 코어부 또는 집전 코어부가 존재하는지에 따라 수평편차 발생 시 충전되는 전원의 양과 충전되는 전원의 비율을 도시한 그래프이다. 급전장치의 폭은 약 60cm이며, 집전장치간의 폭은 약 30cm인 것으로 가정한다.
도 5(a)는 본 발명의 급전장치 및 집전장치 각각에 코어부가 존재하는지 여부에 따라 집전장치에서 생성되는 유도 기전력의 총합을 도시한 그래프이다. 수평편차가 0 mm인 지점이 겹치는 부분의 중심부이며, 수평편차가 증가할 수록 겹치는 부분의 중심부에서 집전장치가 벗어나는 것을 의미한다. 도 5(a)의 그래프를 참조하면 급전장치 및 집전장치 각각에 코어부가 모두 존재하는 경우가 상대적으로 유도 기전력의 생산효율이 가장 높았으며, 집전장치에 코어부만 구비한 경우가 그 다음으로 높고, 급전장치 및 집전장치 모두에 코어부를 구비하지 않은 경우가 유도 기전력의 생산효율이 가장 낮았다.
도 5(b)는 겹치는 부분의 중심부에서 수평편차가 발생할수록 줄어드는 유도기전력의 총합의 비율을 도시한 그래프이다. 유도기전력의 총합의 비율은 겹치는 부분의 중심부일 때 100%이며, 점점 수평편차가 발생할수록 0%에 가까워진다. 도 5(a)를 참조하여 확인했듯이, 급전장치 및 집전장치 각각에 코어부가 모두 존재하는 경우가 가장 유도 기전력의 생산효율이 좋았기 때문에, 줄어드는 유도 기전력의 총합의 비율도 가장 작다. 도 5(b)를 참조하면, 급전장치 및 집전장치 각각에 코어부가 모두 존재하는 경우, 집전장치 간 폭(약 30cm)의 20%에 해당하는 6cm의 수평편차가 발생하였을 때, 유도 기전력의 총합의 비율은 81%에 해당한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템을 이용하는 경우, 집전장치간 폭의 20%에 해당하는 수평편차가 발생하더라도 20% 이하의 유도 기전력 감소율을 만족한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전 시스템(600)은 집전장치(300, 302, 304, 306)를 포함한 비행체(610) 및 급전장치(620)를 포함하여 구성된다.
비행체(610)는 배터리의 전력을 이용하여 다수 개의 프로펠러를 회전시키거나 엔진을 구동함으로써 공중을 비행하는 개체이다. 공중을 비행함에 있어, 비행체(610)는 사용자의 조작에 따라 비행하거나 비행체(610)가 스스로 자율적으로 비행할 수 있다. 다만, 장시간 비행으로 인해 전력의 충전을 필요로 하는 경우, 비행체(610)는 자율적으로 최적의 충전 장소인 급전장치(620)의 중심으로 이동하며, 비행체의 방향도 자율적으로 회전한다. 비행체(610)가 자율적으로 이동하며 회전하는 방법에 대해서는 도 9 및 도 14 내지 15를 참조하여 설명하기로 한다.
비행체(610)는 복수의 다리를 구비한다. 비행체(610)는 복수의 다리를 이용하여 안전하게 착지면으로 착륙하거나 착지면으로부터 이륙할 수 있다. 또한, 비행체(610)는 복수의 다리 각각에 집전장치(300, 302, 304, 306)를 포함하여, 집전장치(300, 302, 304, 306)로부터 유도기전력을 수신함으로써 비행에 필요한 전력을 충전한다.
집전장치(300, 302, 304, 306)는 비행체(610)의 각 다리에 구비된다. 집전장치(300, 302, 304, 306)는 급전장치로부터 방사되는 자속을 수신하여 유도기전력을 생성한다. 정류기(미도시)가 집전장치(300, 302, 304, 306)에는 연결될 수 있다.
급전장치(620)는 전원장치(미도시)로부터 전류를 인가받아 자속을 방사한다. 급전장치(620)는 2개의 코일(110, 120)을 포함하고 있으며, 각각의 코일(110, 120)에 인가되는 전류의 방향을 제어함으로써 방사되는 자속의 분포를 제어할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치를 도시한 도면이다. 도 8(a)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치에 동일한 방향의 전류가 인가되는 경우, 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이고, 도 8(b)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치에 서로 상이한 방향의 전류가 인가되는 경우, 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다..
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치(620)는 제1 코일부(110), 제2 코일부(120), 금속판(150), 코어부(210), 방향 제어부(710), 통신부(720) 및 전원장치(730)를 포함한다.
제1 코일(110)은 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성된다. 도 7에서는 제1 코일(110)이 직사각형의 형상을 갖도록 전선이 권취된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
제1 코일(110)은 전원장치(730)로부터 기 설정된 방향으로 흐르는 전원을 인가받아 자속을 방사한다. 예를 들어, 제1 코일(110)이 반시계 방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 제1 코일(110)은 자속을 +z 축 방향으로 방사를 하며, 이와는 반대로 제1 코일(110)이 시계 방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 제1 코일(110)은 자속을 -z 축 방향으로 방사를 한다.
제2 코일(120)은 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성된다. 도 7에서는 제1 코일(110)과 동일한 형상을 갖도록 전선이 권취된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 코일(120)은 제1 코일(110)이 자속을 방사하는 방향에 제1 코일(110)과 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된다. 도 1을 참조하여 설명하였듯이, 제1 및 제2 코일(110, 120)은 양 코일이 겹치는 부분(130)과 겹치지 않는 부분(140, 142, 144, 146)으로 나뉜다. 도 7에는 양 코일이 겹치지 않는 부분(140, 142, 144, 146)은 직사각형 형태로 서로 동일한 면적을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
제2 코일(120)은 제1 코일(110)과 동일한 방향 또는 상이한 방향으로 흐르는 전류를 인가받아 자속을 방사한다. 먼저, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 동일한 방향으로 흐르는 전류가 각각 인가되는 경우, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)은 서로 동일한 방향으로 자속을 방사한다. 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 겹치는 부분(130)에서 가장 많은 자속이 방사되며, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)의 중심을 기점으로 이로부터 멀어지는 경우 점점 방사되는 자속의 양이 줄어든다. 이는 도 8(a)에서 확인할 수 있다.
도 8(a)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치에 동일한 방향의 전류가 인가되는 경우, 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다. 양 코일이 서로 겹치는 부분(130), 특히, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)의 중심에서 가장 많은 자속이 방사되며, 중심으로부터 멀어지는 경우 점점 방사되는 자속의 양이 줄어든다. 즉, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 동일한 방향으로 흐르는 전류가 각각 인가되는 경우, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)의 중심을 최고점으로 하는 하나의 봉우리 형태로 자속이 방사된다. 또한, 양 코일이 동일한 방향으로 자속을 방사하기 때문에, 봉우리의 기울기가 상대적으로 완만해진다. 따라서 양 코일에 동일한 방향으로 흐르는 전류가 각각 인가되는 경우, 집전 코일이 이동하더라도 수신되는 자속의 양이 급격히 변하지 않는다.
제1 코일(110)에 인가되는 전류와 상이한 방향으로 흐르는 전류가 제2 코일(120)에 인가되는 경우, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)은 서로 상이한 방향으로 자속을 방사한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 코일(110)이 반시계방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 제2 코일(120)에는 시계방향으로 흐르는 전류가 인가된다. 이 경우, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 겹치는 부분(130)에서는 각각의 코일에서 z축 방향으로 방사되는 자속이 상쇄되어 중앙부분에만 강한 자속이 발생하는 것은 아니다. 또한, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 서로 겹치지 않는 부분(140, 146, 144, 142)에서는 어느 하나의 부분에서 자속이 +z축 방향 또는 -z축 방향으로 방사되어 인접한 다른 부분으로 자속이 흡수되는 것과 같은 자기장이 형성된다. 예를 들어, 제1 코일(110)이 반시계방향으로 흐르는 전류를, 제2 코일(120)이 시계방향으로 흐르는 전류를 인가받는 경우, 자속은 제1 코일(110)의 겹치지 않는 부분(146, 142)에서 방사되어 제2 코일(120)의 겹치지 않는 부분(140, 144)로 흡수되는 것과 같은 자기장이 형성된다. 형성되는 자기장은 도 8(b)에서 확인할 수 있다.
도 8(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치에 서로 상이한 방향의 전류가 인가되는 경우, 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다. 급전장치의 각각의 코일(110, 120)에 서로 상이한 방향의 전류가 인가되는 경우에도, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)에 상대적으로 많은 자속이 방사된다. 다만, 여기서 그치는 것이 아니라, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 서로 겹치지 않는 각각의 부분(140, 146, 144, 142)에서도 주변에 비해 상대적으로 많은 자속이 방사된다. 즉, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 서로 상이한 방향으로 흐르는 전류가 각각 인가되는 경우, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130) 및 양 코일이 서로 겹치지 않는 각각의 부분(140, 146, 144, 142)을 기준으로 5 개의 봉우리 형태로 자속이 방사된다. 양 코일이 서로 상이한 방향으로 자속을 방사하기 때문에, 봉우리의 기울기가 상대적으로 급해진다. 따라서 양 코일에 서로 상이한 방향으로 흐르는 전류가 각각 인가되는 경우, 집전 코일이 조금만 이동하더라도 수신되는 자속의 양은 급격히 변한다.
제1 코일(110)과 제2 코일(120)이 동일한 길이와 폭을 갖는 직사각형의 형상을 가질 수 있으며, 각각의 코일이 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
코어부(210)는 제1 코일(110)과 금속판(260)의 사이에, 제1 코일(110)이 자속을 방사하는 반대방향으로 배치되어 보다 강한 자속을 방사하도록 한다. 코어부(210)는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 전선의 일부분 또는 모든 부분에 배치되며, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)이 겹치는 부분에는 배치되지 않을 수 있다.
방향 제어부(710)는 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120) 어느 하나 및 전원장치(730)와 연결되어, 전원장치(730)로부터 코일로 인가되는 전류의 방향을 제어한다. 먼저, 방향 제어부(710)는 동일한 방향의 전류가 양 코일(110, 120)로 인가되도록 전류의 방향을 제어한다. 방향 제어부(710)의 제어에 따라, 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)에서 하나의 봉우리 형태로 자속이 방사된다. 비행체(610)가 급전장치(620)에서 멀리 떨어져 있는 위치에서 급전장치(620)로 접근함에 있어, 전류가 양 코일에 서로 상이한 방향으로 인가되어 자속이 복수 개의 봉우리 형태로 방사되면, 비행체(610)는 양 코일이 서로 겹치는 부분(130)이 아닌 서로 겹치지 않는 부분(140, 146, 144, 142) 중 어느 하나를 급전장치(620)의 중심이라고 판단할 우려가 있다. 예를 들어, 양 코일에 서로 상이한 방향의 전류가 인가되면, 양 코일이 서로 겹치지 않는 부분(142)에서도 자속이 봉우리 형태로 방사된다. 이때, 비행체(610)가 급전장치(620)로부터 +x축 방향으로 멀리 떨어져 있는 위치에서 급전장치(620)로 충전을 위해 접근하는 경우, 비행체(610)는 실제 급전장치(620)의 중심(130)이 아닌 양 코일이 서로 겹치지 않는 부분(142)을 급전장치(620)의 중심으로 판단할 우려가 있다. 따라서 방향 제어부(710)는 먼저 전류가 양 코일(110, 120)에 동일한 방향으로 인가되도록 전류의 방향을 제어한다.
이후, 방향 제어부(710)는 통신부(720)로부터 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신한다. 전술한 신호를 수신하는 경우, 방향 제어부(710)는 전류가 양 코일(110, 120)에 서로 상이한 방향으로 인가되도록 전류의 방향을 제어한다. 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치한 경우, 방향 제어부(710)는 전류의 방향을 제어하여 비행체(610)가 보다 많은 자속을 수신할 수 있도록 한다. 도 7에는 방향 제어부(710)가 제1 코일(110)와 연결된 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 코일(120) 또는 제1 코일(110)과 제2 코일(120) 모두에 연결될 수도 있다.
통신부(720)는 비행체(610)로부터 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신한다. 비행체(610)는 급전장치(620)로부터 멀리 떨어져 있는 경우, 급전장치(620)로부터 방사되는 자속을 이용해 급전장치(620)의 중심을 향해 이동한다. 이때, 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였다고 판단한 경우, 비행체(610)가 이를 알리는 신호를 통신부(720)로 전송한다. 통신부(720)는 비행체(610)로부터 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신한다.
전원장치(730)는 코일 또는 방향 제어부(710)로 전류를 인가한다.
금속판(260)은 알루미늄판 등과 같은 도전율이 높은 물질로 구성되어 급전장치(620)로부터 방사되는 자속을 차폐하는 역할을 한다.
금속판(260)은 급전장치(620)가 자속을 방사하고자 하는 방향과 반대되는 방향에 배치된다.
급전장치(620)는 전술한 구성 외에도, 이와 함께 공진기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비행체의 구성을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비행체(610)는 제어부(910), 메모리(920) 및 통신부(930)를 포함하여 구성된다.
제어부(910)는 집전장치(300, 302, 304, 306)로부터 생성된 유도기전력을 수신하여, 이를 이용해 비행체의 이동 및 회전을 제어한다.
제어부(910)는 수신한 유도기전력을 비교하여, 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치를 파악한다. 이후, 제어부(910)는 비행체(610)의 중심에서 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 기 설정된 거리(r1)만큼 이동하도록 비행체(610)를 제어한다. 예를 들어, 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 하나인 경우, 제어부(910)는 비행체가 해당 집전장치 방향으로 r1만큼 이동하도록 제어한다. 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 두 개인 경우, 제어부(910)는 비행체가 두 집전장치의 중간으로 r1만큼 이동하도록 제어한다.
제어부(910)는 비행체(610)가 이동하도록 제어한 후, 비행체의 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 코일부들로부터 생성된 유도기전력이 서로 동일한지 여부를 판단한다. 비행체(610)가 이동하도록 제어한 후, 제어부(910)는 이동한 위치에서 다시 집전장치(300, 302, 304, 306) 각각으로부터 생성된 유도기전력을 수신한다. 제어부(910)는 비행체(610)의 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 집전장치(300와 304 및 302와 306)가 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성하였는지를 판단한다. 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치 각각이 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성한 경우, 제어부(910)는 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였다고 판단한다. 반대로, 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치들 중 어느 하나라도 서로 다른 크기의 유도기전력을 생성한 경우, 제어부(910)는 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치를 파악하여 해당 집전장치 방향으로 비행체를 이동시킨다. 제어부(910)는 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치 각각이 모두 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성할 때까지 비행체를 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 이동시킨다. 제어부(910)는 비행체를 이동시킴에 있어, 이동 방향에 따라 이동하는 거리를 서로 다르게 제어할 수 있다. 집전장치에서 생성된 유도기전력이 동일하지 않아 비행체(610)가 이동해야 하는 경우에 있어, 비행체(610)가 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향이 아닌 다른 방향(비행체가 이전에 이동한 방향과 동일한 방향이거나 수직하는 방향)으로 이동하는 경우, 제어부(910)는 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 비행체를 r1만큼 이동시킨다. 반면, 비행체(610)가 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향으로 이동해야 하는 경우(예를 들어, 이동체가 +x축 방향으로 이동하다가 -x축으로 이동해야 하는 경우), 제어부(910)는 비행체를 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 k * r1(0 < k < 1)만큼 이동시킨다. 여기서, k는 해당 범위 내의 임의의 수치이며, 보다 바람직하게 0.5 < k < 1의 범위 내의 임의의 수치일 수 있다. k는 해당 범위 내에서 임의의 수치로 고정될 수 있다 또는, 비행체(610)가 제어부(910)에 의해 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향으로 이동하는 경우, k는 매 이동마다 해당 범위 내에서 임의의 수치를 가질 수 있다. k가 0.5 이하의 수치를 가지게 되는 경우, 비행체(610)가 대칭되는 방향으로 r1만큼 다시 되돌아 가 동일한 두 위치를 반복하여 이동할 가능성이 존재한다. 따라서 보다 바람직하게는 k가 0.5를 초과하고, 1보다 작은 임의의 수치를 가짐으로써, 비행체(610)가 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향으로 복수 회 이동할 가능성도 줄이고, 대칭되는 방향으로 r1만큼 다시 되돌아갈 가능성도 없앨 수 있다. 이러한 과정을 거치며, 제어부(910)는 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하도록 제어한다.
비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였다고 판단하는 경우, 제어부(910)는 이를 통신부(930)로 전달한다. 제어부(910)는 통신부(930)를 이용해 비행체(610)가 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알림으로써, 급전장치(620)가 급전장치(620)의 양 코일(110, 120)에 인가되는 전류의 방향을 제어할 수 있도록 한다.
급전장치(620)의 양 코일(110, 120)에 서로 다른 방향의 전류가 인가되는 경우, 제어부(910)는 다시 전술한 과정과 같이 비행체의 이동을 제어한다. 제어부(910)는 비행체를 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 기 설정된 거리(r2)만큼 이동시키며, 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치 각각이 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성할 때까지 비행체를 이동시킨다. 이 경우도 마찬가지로, 비행체를 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향으로 이동시키는 경우, 제어부(910)는 비행체를 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 k * r2(0 < k < 1)만큼 이동시킨다. k는 해당 범위 내의 임의의 수치이며, 보다 바람직하게 0.5 < k < 1의 범위 내의 임의의 수치일 수 있다. 이에 따라, 비행체(610)는 최종적으로 급전장치의 중심으로 이동할 수 있다. 여기서, 집전장치 각각이 모두 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성하였는지를 판단함에 있어, 제어부(910)는 물리적으로 완전히 동일한 경우만이 아니라 일정한 오차를 갖는 경우에도 동일한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 각각의 집전장치에서 생성된 유도기전력의 오차가 30mV 이하로 발생하는 경우, 제어부(910)는 사전에 동일한 것으로 판단하도록 설정될 수 있다. 또한, 동일한 크기의 유도기전력을 생성한 것으로 판단하기 위한 오차범위에 있어서, 양 코일(110, 120)에 동일한 방향의 전류가 인가될 때와 서로 상이한 방향의 전류가 인가될 때에 오차범위가 서로 다르게 설정될 수 있다. 양 코일(110, 120)에 서로 상이한 방향의 전류가 인가될 때 보다 세밀한 조정이 요구되기 때문에, 오차범위는 양 코일(110, 120)에 서로 상이한 방향의 전류가 인가될 때 더 좁아질 수 있다.
비행체(610)의 이동의 제어를 완료한 경우, 제어부(910)는 이동체의 회전을 제어한다. 제어부(910)는 집전장치(300, 302, 304, 306)로부터 생성된 유도기전력을 수신하여, 유도기전력의 합을 연산한다. 제어부(910)는 연산된 유도기전력의 합을 메모리(920)에 저장한 후, 비행체가 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전하도록 제어한다. 제어부(910)는 회전한 후 유도기전력의 총합을 연산하고, 메모리 내 비행체(610)가 회전하기 전의 유도기전력의 총합과 비교한다. 제어부(910)는 비교하여 더 큰 유도기전력의 총합을 메모리(920)에 저장한다. 예를 들어, 회전하기 전의 유도기전력의 총합이 회전한 후의 유도기전력의 총합보다 큰 경우, 제어부(910)는 별도로 메모리(920)에 유도기전력의 총합의 저장을 진행하지 않는다. 반면, 회전하기 후의 유도기전력의 총합이 회전한 전의 유도기전력의 총합보다 큰 경우, 제어부(910)는 메모리(920)에 회전하기 후의 유도기전력의 총합을 저장한다. 비행체(610)가 360도 회전할 때까지 제어부(910)는 비행체가 회전하도록 제어하며, 유도기전력의 총합을 비교하여 저장하는 과정을 반복한다. 비행체(610)가 360도 회전한 경우, 가장 큰 유도기전력의 총합이 메모리(920)에 저장된다. 제어부(910)는 메모리(920)에 저장된 유도기전력의 총합이 연산된 각도로 비행체(610)가 회전하도록 제어한다. 이에 따라, 비행체(610)는 최적의 각도에서 충전을 진행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 급전장치의 중심으로부터 기 설정된 범위 내로 비행체가 진입하는 것을 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 비행체가 급전장치의 중심으로 이동하는 것을 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 비행체가 충전에 있어 최적의 방향으로 회전하는 것을 도시한 도면이다.
도 10(a)와 도 10(b)를 참조하면, 집전장치를 구비한 비행체(610)는 집전장치(300, 302, 304, 306) 각각으로부터 생성된 유도기전력을 비교하여, 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치를 파악한다. 이후, 제어부(910)는 비행체(610)가 비행체(610)의 중심에서 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 이동하도록 제어한다. 도 10(a)에서는 급전장치(620)와 가장 가까이에 있는 집전장치(304)가 가장 큰 유도기전력을 생성한다. 이에 따라, 비행체(610) 내의 제어부는 집전장치(304)가 위치한 방향으로 비행체를 이동시킨다. 비행체(610) 내의 제어부는 비행체(610)의 중심으로부터 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치들(300 및 304, 302 및 306)이 서로 동일한 유도기전력을 생성할 때까지 비행체를 이동시킨다. 비행체(610) 내의 제어부는 비행체(610)의 중심으로부터 서로 대칭된 위치에 있는 집전장치들(300 및 304, 302 및 306)이 서로 동일한 유도기전력을 생성하는지를 판단함으로써, 비행체(610)가 기 설정된 지점, 예를 들어, 급전장치(620)의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였는지를 판단한다. 비행체(610)가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였는지를 판단한 경우, 제어부는 비행체(610) 내의 통신부를 이용하여 해당 사실을 급전장치로 전송한다. 이에 따라, 급전장치 내의 방향 제어부는 양 코일로 인가되는 전류의 방향이 서로 다르도록 제어한다.
도 11(a)와 도 11(b)를 참조하면, 급전장치의 양 코일로 서로 다른 방향의 전류가 인가되는 경우, 제어부는 전술한 과정을 다시 거쳐 급전장치의 중심으로 비행체가 이동하도록 제어한다. 이러한 과정을 거침으로써 비행체(610)는 별도의 장비 없이도 정확히 급전장치의 중심으로 이동할 수 있다.
도 12(a), 도 12(b) 및 도 12(c)를 참조하면, 집전장치를 구비한 비행체(610)는 집전장치(300, 302, 304, 306)에서 생성된 유도기전력의 총합을 연산한다. 비행체(610)는 비행체(610) 내의 메모리에 연산된 총합을 저장한 후, 비행체(610)를 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전시킨다. 회전한 후, 제어부는 집전장치(300, 302, 304, 306)에서 생성된 유도기전력의 총합을 연산하여 메모리 내에 저장된 유도기전력의 총합과 비교한다. 제어부는 비교결과에 따라 더 큰 유도기전력의 총합을 메모리 내에 저장하며, 전술한 과정을 반복한다. 이에 따라, 제어부는 가장 큰 유도기전력의 총합을 생성하는 최적의 각도를 파악할 수 있기 때문에 도 12(c)에 도시된 바와 같이 최적의 각도에서 충전을 진행할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 구비한 비행체의 이동을 제어하는 순서도이다.
제어부(910)는 복수의 집전장치 각각에서 생성된 유도기전력을 비교한다(S1310). 제어부(910)는 집전장치(300, 302, 304, 306) 각각으로부터 생성된 유도기전력을 비교하여, 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치를 파악한다.
제어부(910)는 복수의 집전장치 중 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 위치한 방향으로 비행체가 이동하도록 제어한다(S1320). 제어부(910)는 비행체(610)를 제어하여 비행체(610)의 중심에서 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치 방향으로 기 설정된 거리(r1)만큼 이동하도록 제어한다. 예를 들어, 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 하나인 경우, 제어부(910)는 비행체가 해당 집전장치 방향으로 이동하도록 제어한다. 가장 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 두 개인 경우, 제어부(910)는 비행체가 두 집전장치의 중간으로 이동하도록 제어한다.
제어부(910)는 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 집전장치들이 생성한 유도기전력이 서로 동일한지 여부를 판단한다(S1330). 제어부(910)는 비행체(610)가 이동하도록 제어한 후, 이동한 위치에서 다시 집전장치(300, 302, 304, 306) 각각으로부터 생성된 유도기전력을 수신한다. 제어부(910)는 비행체(610)의 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 집전장치(300 및 304, 302 및 306)가 서로 동일한 크기의 유도기전력을 생성하였는지를 판단한다.
제어부(910)는 대칭된 위치에 있는 코일부들이 생성한 유도기전력이 서로 동일하지 않은 경우, 대칭된 위치에 있는 집전장치 중 더 큰 유도기전력을 생성한 집전장치가 위치한 방향으로 이동하도록 제어한다(S1340). 제어부(910)는 대칭된 위치에 있는 코일부들이 생성한 유도기전력이 서로 동일하도록 비행체의 이동을 제어하며, 서로 동일해지는 경우, 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였다고 판단한다. 비행체의 이동을 제어함에 있어, 이전에 이동한 방향과 대칭되는 방향으로 비행체를 이동시켜야 할 경우, 제어부(910)는 비행체가 r1 보다 더 적은 거리(k * r1, 0.5 < k < 1)만큼 이동하도록 제어한다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 구비한 비행체의 회전을 제어하는 순서도이다.
제어부(910)는 복수의 집전장치에서 생성된 유도기전력의 총합을 연산한다(S1410).
제어부(910)는 연산된 유도기전력의 총합을 저장한다(S1420). 제어부(910)는 유도기전력의 총합의 연산을 완료한 경우, 메모리(920)에 유도기전력의 총합을 저장한다.
제어부(910)는 비행체가 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전하도록 제어한다(S1430).
제어부(910)는 비행체가 360도 회전하였는지 여부를 판단한다(S1440). 제어부(910)는 비행체의 최적의 충전 각도롤 판단하기 위함이므로, 비행체가 360도를 회전하였는지 확인한다.
비행체가 360도 회전한 것이 아닌 경우, 제어부(910)는 회전한 후에 복수의 집전장치에서 생성된 유도기전력의 총합을 연산한다(S1450).
제어부(910)는 회전한 후 연산된 유도기전력의 총합이 저장된 유도기전력의 총합보다 큰지 여부를 판단한다(S1460). 제어부(910)는 회전한 후 연산된 유도기전력의 총합과 메모리(920)에 저장된 유도기전력의 총합을 비교한다. 회전한 후 연산된 유도기전력의 총합이 더 큰 경우, 제어부(910)는 연산된 유도기전력의 총합을 메모리(920)에 저장한다. 반대로, 메모리(920)에 저장된 유도기전력의 총합이 더 큰 경우, 제어부(910)는 다시 비행체가 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전하도록 제어한다.
비행체가 360도 회전한 경우, 제어부(910)는 저장된 유도기전력의 총합이 연산되었던 각도로 비행체를 회전한다(S1470). 비행체가 360도 회전하며, 메모리(920)에는 가장 큰 유도기전력의 총합이 저장된다. 제어부(910)는 메모리(920)에 저장된 가장 큰 유도기전력의 총합이 연산되었던 각도로 비행체를 회전시킨다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 급전장치를 제어하는 순서도이다.
방향 제어부(710)는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 동일한 방향의 전류를 인가한다(S1510). 급전장치가 하나의 봉우리를 갖는 자속을 방사하도록, 방향 제어부(710)는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 동일한 방향의 전류를 인가한다.
방향 제어부(710)는 비행체로부터 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하였는지를 확인한다(S1520). 방향 제어부(710)는 통신부(720)가 비행체(610)로부터 전술한 신호를 수신하였는지를 확인한다.
방향 제어부(710)는 비행체로부터 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신한 경우, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 서로 상이한 방향의 전류를 인가한다(S1530). 방향 제어부(710)는 did 코일에 서로 상이한 방향의 전류를 인가함으로써, 수평편차에 강인하며 각각의 집전장치에 보다 많은 자속이 수신될 수 있도록 한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템을 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템(1600)은 급전장치(1610) 및 집전장치(1620)를 포함하여 구성된다.
급전장치(1610)는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치로서, 전원장치(미도시)로부터 전원을 인가받아 자속을 방사한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 17 내지 도 19를 참조하여 설명하기로 한다.
집전장치(1620)는 무선으로 전송된 전력을 수신하는 장치로서, 급전장치(1610)가 방사하는 자속을 수신하여 유도전류를 생성한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 20 및 도 21을 참조하여 설명하기로 한다.
무선전력 충전시스템(1600)은 기본적으로 급전장치(1610)와 집전장치(1620)로 구성될 수 있는데, 이와 함께 인버터(미도시), 정류기(미도시) 및 공진기(미도시) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치를 도시한 도면이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 도시한 도면이다.
도 17(a)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치의 사시도이고, 도 17(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치의 측면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치(1610)는 급전 코일부(1710), 급전 코어부(1720) 및 금속판(1730)을 포함하여 구성될 수 있다.
급전 코일부(1710)는 전원장치(미도시)로부터 전원을 공급받아 자속을 방사한다. 인버터(미도시)로부터 교류전원을 인가받을 수 있으며, 이에 따라 급전 코일부(1710)는 교번하는 자속을 생성하여 공간상으로 방사한다. 급전 코일부(1710)의 구조는 도 18(a)와 도 18(b)에 도시되어 있다.
도 18(a)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 구성하는 제1 코일부의 평면도이고, 도 18(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 구성하는 제1 코일부의 평면도이다.
제1 코일부(1810)는 제1 개루프(Open Loop, 1814)와 제2 개루프(1818)의 결합으로 구성된다.
제1 개루프(1814)와 제2 개루프(1818)은 각각 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성된다. 집전장치(1620)가 급전장치(1610)를 기준으로 z축 상에 위치하고 있기 때문에, 제1 개루프(1814)와 제2 개루프(1818)는 x-y 평면 방향으로 권취된 전선으로 구성된다. 도 18에는 각각의 개루프(1814, 1818)의 전선이 사각 형상으로 권취되어 있는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전선은 다각형, 원형 등 다양한 형상으로 권취될 수 있다.
각각의 개루프(1814, 1818)를 구성하는 전선은 교류저항을 최소화하기 위한 전선으로 구성된다. 전선에 고주파 전류가 흐르는 경우에 있어, 각각의 개루프(1814, 1818)는 전선으로부터 발생하는 고주파 전류의 손실을 방지하기 위한 전선으로 구성된다. 이에 적합한 전선으로 리츠 전선(Litz Wire)이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.
제1 개루프(1814)와 제2 개루프(1818)는 x-z 평면 또는 y-z 평면 상에 시점(Start Point)과 종점(End point)을 가지며, 제1 개루프(1814)의 시점과 종점 및 제2 개루프(1818)의 시점과 종점은 서로 일치하지 않아 개루프를 형성하고 있다. 그러나 제1 개루프(1814)의 시점과 제2 개루프(1818)의 종점 및 제1 개루프(1814)의 종점과 제2 개루프(1818)의 시점은 서로 일치하여 각각의 개루프(1814, 1818)가 하나의 폐루프(1810)를 형성한다. 즉, 제1 코일부(1810)는 마치 한붓 그리기로 그린 것과 같이 만나거나 교차하는 부분 없이 하나의 폐루프를 형성한다.
z축 방향(집전장치가 위치하는 방향)에서 바라볼 때, 제1 개루프(1814)와 제2 개루프(1818)는 각각의 개루프의 전체 면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된다. 다만, z축 방향에서 바라볼 때, 일정한 면적이 겹치는 것일 뿐, 전술한 바와 같이 각각의 개루프(1814, 1818)가 서로 만나거나 교차한다는 의미는 아니다. z축 방향에서 바라볼 때, 제1 코일부(1810)는 각각의 개루프(1814, 1818)가 서로 겹치는 부분과 서로 겹치지 않는 부분이 존재한다.
각각의 개루프(1814, 1818)는 동일한 방향으로 흐르는 전류에 의해 동일한 방향으로 자속을 방사한다. 예를 들어, 전원장치(미도시)가 제1 코일부(1810)의 제1 개루프(1814)의 시점(1815)으로 전류를 인가하는 경우, 전류는 제1 개루프(1814)의 시점(1815)에서 제2 개루프(1818)의 시점을 거쳐 제1 개루프(1814)의 종점으로 흐른다. 각각의 개루프(1814, 1818)에는 동일한 방향으로 전류가 흐르게 된다. 각각의 개루프(1814, 1818)는 x-y 평면 방향으로 전선이 권취되어 있기 때문에, 집전장치(1620)가 존재하는 z축 방향으로 자속을 방사한다. 이때, 각각의 개루프(1814, 1818)는 동일한 방향(z축 방향)으로 자속을 방사하므로, 각각의 개루프(1814, 1818)가 서로 겹치는 부분은 겹치지 않는 부분보다 더 강한 자속을 방사한다. 각각의 개루프(1814, 1818)가 서로 겹치는 부분의 주변에 겹치지 않는 부분이 존재하기 때문에, 각각의 개루프(1814, 1818)가 서로 겹치는 부분에서 수평방향(x-y 평면)으로 편차를 가지며 집전장치(1620)가 위치한다고 하더라도 충전이 가능하다.
급전 코일부(1710)는 전술한 제1 코일부(1810)와 함께 제1 코일부(1810)와 동일하게 형성된 제2 코일부(1820)를 포함한다. 제2 코일부(1820)도 제1 코일부(1810)와 마찬가지로 두개의 개루프가 결합된 폐루프로 구현된다. 제2 코일부(1820)는 제1 코일부(1810)로부터 z축 상에 제1 코일부(1810)와 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된다. 제1 코일부(1810)의 각각의 개루프(1814, 1818)가 배치되는 것과 유사하게 제2 코일부(1820)의 각각의 개루프도 전체 면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된다. 또한, 제1 및 제2 코일부(1810, 1820)의 각각의 개루프가 모두 겹치는 부분이 일치하는 부분이 생길 수 있다. 각각의 코일부(1810, 1820)의 개루프가 모두 겹치는 부분은 코일의 턴수가 상대적으로 4배 많기 때문에, 코일부(1810, 1820)의 각 개루프가 겹치지 않는 부분에 비해 4배 강한 자속이 발생한다.
급전 코어부(1720)는 급전 코일부(1710)가 집전장치로 자속을 방사하는 반대방향(-z축 방향)에 배치된다. 급전 코어부(1720)는 코일 내부의 자기저항을 줄여 코일이 방사하는 자속의 밀도를 증가시킨다. 또한, 급전 코어부(1720)는 -z축 방향으로 방사되는 자속을 흡수하여, -z축 방향으로 최대한 자속이 도달하지 못하도록 하며, +z축 방향으로 자속이 방사되도록 유도한다.
도 17에는 급전 코어부(1720)가 사각 형상을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 급전 코어부(1720)는 급전 코일부(1710)보다 넓은 면적을 갖는 경우, 전술한 효과의 효율이 상승될 수 있다. 급전 코어부(1720)는 급전 코일부(1710)보다 넓은 면적을 가지면 되기 때문에, 어떠한 형상을 가져도 무방하다. 또한, 급전 코어부(1720)는 경량화 및 제작 비용의 감소를 위해, 내부에 구멍을 가질 수 있다. 다만, 급전 코어부(1720)는 반드시 급전 코일부(1710)보다 넓은 면적을 갖거나 구멍을 갖는 것으로 한정하는 것은 아니다.
금속판(1730)은 알루미늄판 등과 같은 도전율이 높은 물질로 구성되어 급전 코일부로부터 방사되는 자기장을 차폐한다. 또한, 금속판(1730)은 -z축 방향으로 급전 코어부(1720)보다 아래(-z축 방향)에 배치된다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전 코일부를 도시한 도면이다.
급전 코일부(1710)는 제1 코일부(1810) 또는 제1 코일부(1810)와 제2 코일부(1820)에 추가적으로 제3 코일부(1910)를 더 포함한다.
제3 코일부(1910)는 제1 코일부(1810) 또는 제1 코일부(1810)와 제2 코일부(1820)로부터 z축 상에 배치되며, 제1 코일부(1810) 또는 제1 코일부(1810)와 제2 코일부(1820)보다 더 큰 면적을 갖는다. 제3 코일부(1910)는 제1 코일부(1810) 또는 제1 코일부(1810)와 제2 코일부(1820)가 자속을 방사하는 부분 이외의 부분에서도 자속을 방사하기 때문에, 제3 코일부(1910)를 구비한 급전장치(1610)는 집전장치(1620)가 수평방향(x-y 평면)으로의 편차를 갖는다 하더라도 보다 편차에 강인해진다. 이와 같은 특징은 표 1을 참조하여 더 상세히 설명하도록 한다.
데이터 유형 좌표 종래의 충전시스템 도 3에 도시된 급전장치를 구비한 충전시스템 도 4에 도시된 급전장치를 구비한 충전 시스템
유도 기전력(V) (0, 0, 140) 719 836 831
(75, 0, 140) 702 736 746
(0, 100, 140) 478 641 680
(75, 100, 140) 466 542 583
(0, 0, 210) 373 447 467
(75, 0, 210) 358 399 422
(0, 100, 210) 246 362 383
(75, 100, 210) 238 314 343
급전코일 부피(cm3) 868 847 855
급전코어 부피(cm3) 1890 1869 1766
집전코일 부피(cm3) 274 214 214
집전코어 부피(cm3) 376 308 308
표 1은 세 가지 모델의 위치에 따른 집전장치(1620)가 생성하는 유도기전력을 나타낸다. 기준 위치 (0, 0, 0)은 급전장치(1610)의 중심과 지면과 접하는 점을 의미하며, 집전장치(1620)의 하단(집전 코일 또는 집전 코어 중 가장 하단부)의 중심이 기준 위치 (0, 0, 0)에 놓일 때, 죄표가 (0, 0, 0) 있다고 명명한다. 이에 따라, 좌표 (0, 0, 140)은 급전장치(1610)와 집전장치(1620)의 중심점이 지상고 140mm를 두고 떨어져 있음을 뜻한다. 이때, x축 좌표는 차량의 진행방향을, y축 방향은 차량의 좌우방향을 의미하거나 또는 그 반대가 될 수 있다. 표 1의 x축 편차(75mm) 및 y축 편차(100mm)는 국제 표준 SAE(Society of Automotive Engineers)에 기반하고 있다. 또한, 국제 표준 SAE는 지상고 범위에 따라 Z1, Z2, Z3로 나누어 표준으로 규정하고 있는데, 표 1의 z축 위치(지상고 140mm ~ 210mm)는 국제 표준 SAE의 지상고 기준 중 Z2를 기반으로 측정하였다.
표 1의 종래의 무선전력 충전시스템 모델은 본 발명의 실시 예들과 비교하기 위해 SAE 표준문서에 개시된 조건 하에 시뮬레이션 되었다. 또한, 도 18에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템과 도 19에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템 내의 급/집전 코일 및 코어의 질량은 종래의 무선전력 충전시스템의 급/집전 코일 및 코어의 질량과 동일하게 두었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 두 무선전력 충전시스템 모두 종래의 무선전력 충전시스템 보다 모든 위치에서 높은 집전 유도 기전력을 얻었으며, 위치 편차에 따른 집전 유도 기전력 변화율이 낮음을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 두 무선전력 충전시스템을 서로 비교하면, 겹치는 부분의 중심부(0, 0, 140)에서 도 18에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템이 도 19에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템보다 1% 이하의 더 높은 유도 기전력을 얻은 반면, 편차 발생 시 도 19에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템이 도 18에 도시된 급전장치를 구비한 무선전력 충전시스템보다 높은 유도 기전력을 얻었으며, 더 낮은 유도기전력 변화율을 갖는 특징이 있었다. 동일 위치에서 동일한 급전전류를 흘려 높은 유도 기전력을 얻을 수 있다는 것은 다시 말하면, 적은 급전전류를 흘려도 동일한 유도 기전력을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템은 인버터 내에서의 손실과 급전선로에서의 손실을 줄일 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치가 방사하는 자속의 분포를 도시한 도면이다.
급전장치(1610)는 집전장치(1620)가 위치하는 +z축 방향으로 강한 자속을 방사한다. 특히, 각각의 코일부와 코일부에 포함된 각각의 개루프가 겹치는 부분에서 강한 자속이 방사된다. 이에 따라, 집전장치(1620)가 급전장치(1610)로부터 z축 방향으로 먼 거리에 있더라도 용이하게 충전할 수 있다. 또한, 전술한 겹치는 부분의 주변에 각각의 개루프가 겹치지 않는 부분도 존재하기 때문에, 급전장치(1610)는 중심을 기준으로 x-y 평면 상의 편차에도 강인해진다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전장치를 도시한 도면이고, 도 22는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부를 도시한 도면이다.
도 21(a)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전장치의 사시도이고, 도 21(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전장치의 측면도이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전장치(1620)는 집전 코일부(2110) 및 집전 코어부(2120)를 포함하여 구성된다
집전 코일부(2110)는 기 설정된 형상으로 집전 코어부(2120)에 권취된 전선으로 구성되며. 급전장치(1610)로부터 방사되는 자속을 수신하여 전류를 유도한다. 급전장치(1610)에서 방사되는 자속을 수신하기 위해, 집전 코일부(2110)는 급전장치와 마찬가지로 x-y 평면 방향으로 권취된 전선을 갖는다. 도 21에는 집전 코일부(2110)의 전선이 사각 형상으로 권취되어 있는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전선은 다각형, 원형 등 다양한 형상으로 권취될 수 있다.
집전 코일부(2110)를 구성하는 전선은 급전 코일부의 전선과 마찬가지로 교류저항을 최소화하기 위한 전선으로 구성된다. 이에 적합한 전선으로 리츠 전선(Litz Wire)이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.
집전 코어부(2120)는 급전장치(1610)로부터 방사되는 자속을 집속시킨다. 집전 코어부(2120)는 방사되는 자속의 집속율을 증가시키기 위해 연장부와 돌출부를 포함한다. 이는 도 22 또는 도 23에 자세히 도시되어 있다.
도 22(a)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부의 사시도이고, 도 22(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부의 측면도이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부(2120)는 바디(2210) 및 제1 연장부(2220)를 포함하여 구성된다.
바디(2210)는 상부가 개방된 다면체의 형상을 갖는다. 예를 들어, 다면체가 육면체라고 가정하면, 바디(2210)는 윗면 없이 밑면과 4개의 옆면을 구비하는 육면체의 형상을 갖는다. 바디(2210)는 다면체의 형상을 가짐으로써, 집전 코일부(2110)가 바디(2210)에 권취될 수 있도록 한다.
바디(2210)는 제1 연장부(2220)가 집속한 수평(x-y 평면) 방향의 자속을 수직(z축) 방향으로 변환하여 집속한다. 또한, 바디(2210)는 밑면을 이용하여 집속된 자속을 급전장치(1610)로 방사한다.
제1 연장부(2220)는 바디(2210)의 상부에서 기 설정된 각도로 연장된 부분에 해당한다. 여기서, 제1 연장부(2220)가 바디의 상부에서 바디의 높이방향에 수직인 방향(x-y 평면)으로 연장되는 경우가 가장 효율이 좋으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 바디(2210)의 상부에서 일정한 각도로 연장될 수 있다. 이와 같이, 집전 코어부(2120)는 제1 연장부(2220)를 구비함으로써, 급전장치(1610)로부터 z축 방향으로 방사되는 자속을 집속시킬 수 있다. 제1 연장부(2220)는 집속한 자속을 바디(2210)로 전달한다.
도 23(a)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부의 사시도이고, 도 23(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부의 측면도이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 집전 코어부(2120)는 바디(2210), 제1 연장부(2220)에 추가적으로 돌출부(2310) 및 제2 연장부(2320)를 더 포함하여 구성된다.
돌출부(2310)는 제1 연장부(2220)의 바디(2210)로부터 먼 끝단에서 기 설정된 각도로 돌출된 부분에 해당한다. 돌출부(2310)는 제1 연장부로부터 기 설정된 각도로 돌출되어 있어, 급전장치(1610)가 방사하는 자속 중 수평(x-y 평면) 방향으로 방사되는 자속을 집속시킨다. 돌출부(2310)는 집속한 자속을 제1 연장부(2220)를 거쳐 바디(2210)로 전달한다. 돌출부(2310)는 수직방향(z축)으로 돌출되는 경우 가장 효율적으로 수평 방향으로 방사되는 자속을 집속시킬 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 연장부(2320)는 바디(2210)의 하부에서 기 설정된 각도로 연장된 부분에 해당한다. 돌출부(2310) 또는 제1 연장부(2220)가 집속한 자속을 다시 급전장치(1610)로 방사하는데 있어, 제2 연장부(2320)는 보다 원활히 자속을 방사할 수 있도록 한다. 제2 연장부(2320)는 바디의 하부에서 수평방향으로 연장되어 있기 때문에, 단순히 바디(2210)만 있을 때보다 보다 원활히 자속을 방사할 수 있다. 돌출부(2310) 또는 제1 연장부(2220)가 존재함으로써, 집전 코일부(2110)에 보다 많은 자속이 전달될 수 있으며, 제2 연장부(2320)가 존재함으로써, 더 많은 자속이 급전장치(1610)로 전달될 수 있다. 제2 연장부(2320)도 제1 연장부(2220)와 마찬가지로 바디의 높이방향에 수직인 방향(x-y 평면)으로 연장되는 경우가 가장 효율이 좋으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 연장부(2320)는 제1 연장부(2220) 보다 연장되는 길이가 짧다. 제2 연장부(2320)가 자속을 집속하게 되는 경우, 바디(2210)에서 전달되어 제2 연장부(2320)로 방사되는 자속과 서로 상쇄를 일으킬 수 있다. 제2 연장부(2320)의 연장되는 길이가 너무 긴 경우, 제2 연장부(2320)가 급전장치(1610)로부터 방사되는 자속을 집속할 가능성이 높아지기 때문에, 제2 연장부(2320)의 연장되는 길이는 제1 연장부(2220)의 그것보다 짧도록 설정한다.
도 24는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 급전장치 및 집전장치의 위치에 따른 EMF값을 도시한 도면이다.
무선전력 충전시스템이 높은 유도 기전력을 발생시킨다는 것은 급전장치(1610)와 집전장치(1620)의 결합계수가 커 손실 자기장이 작다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템은 EMF(Electro Magnetic Field)를 저감시키는 효과가 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 충전시스템은 국내 안전기준인 62.5mG보다 작은 43.5mG의 EMF가 발생될 것으로 계산되었다. 또한, 안전기준 위치에서 측정한 EMF값의 평균은 23.6mG으로 측정되었다.
급전장치(1610)와 집전장치(1620)의 위치 편차에 따른 유도기전력 변화율이 작다는 것은, 급전장치(1610)와 집전장치(1610)의 위치가 변동하더라도 안정적으로 유도 기전력이 공급될 수 있음을 의미한다. 이는 무선전력 충전시스템 사용자의 편의성과도 관련될 뿐 아니라(충전시간 변화 및 전력소비요금과 관계됨), 집전장치 (1620) 및 집전장치(1620) 뒷단에 위치하는 정류기, 경우에 따라, 레귤레이터, 배터리 등 집전장치(1620)에 귀속된 소자들에게도 안정적인 전압이 제공되는 것을 의미한다. 이에 따라 집전장치(1620)에 귀속된 소자들의 전기적 안전성과 수명이 증가할 수 있다.
도 13 내지 15에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 13 내지 15에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각각의 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 13 내지 15는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, S1320을 먼저 수행하고, S1310을 수행해도 무방하다.
한편, 도 13 내지 15에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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본 특허출원은 2016년 07월 11일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2016-0087711호, 2016년 10월 19일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2016-0136053호 및 2016년 10월 19일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2016-0136057호에 대해 각각 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하며, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하며 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (19)

  1. 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성되며, 전류를 인가받아 자속을 방사하는 제1 코일; 및
    상기 제1 코일과 동일하거나 상이한 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성되고, 상기 제1 코일이 자속을 방사하는 방향에 상기 제1 코일과 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치되며, 전류를 인가받아 자속을 방사하는 제2 코일
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일은,
    상기 제1 코일과 기 설정된 면적이 겹치도록 상기 제1 코일과 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    집전장치를 포함한 비행체로부터 상기 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하는 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통신부가 수신한 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 기초로 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일로 인가될 전류의 방향을 제어하는 위상 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 위상 제어부는,
    상기 통신부가 상기 비행체로부터 상기 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하기 전에는 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 인가될 전류의 방향이 동일하도록 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일로 인가될 전류의 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 위상 제어부는,
    상기 통신부가 상기 비행체로부터 상기 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하는 경우, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 인가될 전류의 방향이 서로 상이하도록 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일로 인가될 전류의 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 또는 제2 코일은,
    각각 기 설정된 형상을 갖도록 권취된 전선으로 구성되는 제1 개루프(Open Loop)와 제2 개루프를 포함하며 상기 제1 개루프의 시점과 상기 제2 개루프의 종점이, 상기 제1 개루프의 종점과 상기 제2 개루프의 시점이 서로 일치하여 하나의 폐루프(Closed Loop)를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 개루프 및 제2 개루프는,
    동일한 방향으로 전류가 흘러 동일한 방향으로 자속을 방사하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 개루프 및 제2 개루프는,
    각각의 개루프의 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부가 자속을 방사하는 방향에 배치되며, 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부의 모든 면적 보다 큰 면적을 갖는 제3 코일부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전장치.
  11. 복수의 다리를 구비한 비행체에 있어서,
    상기 비행체의 각 다리에 권취된 전선으로 구성되고, 자속을 수신하여 유도기전력을 생성하는 복수의 코일부;
    상기 복수의 코일부 각각에서 생성된 유도기전력을 이용해 상기 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였는지를 판단하여 상기 비행체의
    이동 또는 회전을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치한 경우, 이를 알리는 신호를 전송하는 통신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 코일부 각각에서 생성된 유도기전력을 비교하여, 가장 큰 유도기전력을 생성한 코일부가 위치하는 방향으로 상기 비행체가 기 설정된 거리만큼 이동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    어느 하나의 코일부가 위치하는 방향으로 상기 비행체가 이동하도록 제어한 후, 상기 어느 하나의 코일부와 상기 비행체의 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 코일부가 위치하는 방향으로 상기 비행체를 이동시킴에 있어, 상기 기 설정된 거리보다 작게 이동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행체의 중심을 기준으로 대칭된 위치에 있는 코일부들이 생성한 유도기전력이 서로 동일한지 여부를 판단하여, 서로 동일한 경우 상기 비행체가 기 설정된 지점으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 코일부에서 생성된 유도기전력의 총합을 저장하는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 코일부에서 생성된 유도기전력의 총합을 계산하여 상기 메모리에 저장하며, 상기 비행체가 기 설정된 방향으로 회전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행체가 기 설정된 방향으로 회전한 후 상기 복수의 코일부에서 생성된 유도기전력의 총합과 상기 메모리에 저장된 유도기전력의 총합을 비교하여 상기 복수의 코일부에서 생성된 유도기전력의 총합이 최대가 될 때까지 상기 비행체가 회전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  18. 제1 코일 및 상기 제1 코일과 전체면적 중 기 설정된 면적이 겹치도록 배치된 제2 코일을 포함하는 급전장치가 무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 동일한 방향의 전류를 인가하는 과정;
    집전장치를 포함한 비행체로부터 상기 비행체가 중심으로부터 기 설정된 범위 내에 위치하였음을 알리는 신호를 수신하는 과정; 및
    상기 신호를 수신한 경우, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 서로 상이한 방향의 전류를 인가하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 공급방법.
  19. 복수의 다리 및 각 다리에 권취된 전선으로 구성된 복수의 코일부를 구비한 비행체의 이동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 복수의 코일부 각각에서 생성된 유도기전력을 비교하는 비교과정; 및
    상기 복수의 코일부 중 가장 큰 유도기전력을 생성한 코일부가 위치하는 방향으로 상기 비행체가 이동하도록 제어하는 제어과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체 이동 제어방법.
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