JP5743613B2 - 無線電力送信システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁波発生源から一定の距離に電磁波の時変磁場を使用して鎖交磁束の増加に伴う誘導起電力を増加させるために、一定の巻線数を巻回したコイルにフェライトコアを挿入する構成において、前記誘導コイルと共振を誘導するための可変コンデンサーと結合して、電磁波の磁場を強化し、増幅させる増幅中継器を形成し、増幅中継器から一定の距離を置いて増幅中継器で増幅された磁場を使用して誘導電力を效率的に負荷に伝達するために、共振及びインピーダンスマッチング可変コンデンサーをコイルと結合し、ダイオードで整流し平滑することで、充電用バッテリーの電源、あるいは様々な負荷に対する電力供給のために使用することができる電磁波を用いた無線電力変換装置に関するものである。

従来のファラデーの法則を利用して電磁波磁場の経時変化によって取得する誘導起電力は、誘導コイルの巻線数と鎖交磁束の経時的な変化率に比例して誘導起電力が発生するが、電磁波の発生源からの距離に応じて磁場の強さは急激に減少し、一定の距離以上では、誘導コイルに誘導起電力がほとんど誘導されなくなり、無線電力変換によるエネルギーを得ることができないという問題点があった。

また、従来は、電磁波の発生源から極めて短い距離の範囲内に設置しなければならないことから、設置位置が非常に制限されるという問題や、美観上の理由で設置できないなどの問題があった。

そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、電磁波発生源から一定の距離に電磁波の時変磁場を使用して鎖交磁束の増加による誘導起電力を増加させるために、一定の巻線数を巻回したコイルにフェライトコアを挿入した構成において、前記誘導コイルと共振を誘導するための可変コンデンサーと結合して誘導コイルに存在する抵抗成分を減らすとともに電流を極大化し、電磁波の磁場を強化し、増幅させて中継する増幅中継器を形成し、増幅中継器から一定の距離を置いて前記増幅中継器で増幅された電磁波を使用して誘導起電力を效率的に負荷に伝達するために、共振及びインピーダンスマッチング可変コンデンサーをコイルと並列に結合した構造で誘起された起電力を整流する整流用ダイオードと、整流された電圧を平滑する平滑用コンデンサーとを備える電磁波を増幅中継する増幅中継器及び無線電力変換充電装置を実現することである。

また、本発明の他の目的は、電磁波発生源から極めて短い距離を置いて設置したり、あるいは無線電力変換装置と付着設置し、電磁波の磁場を強化し増幅させる増幅中継器を形成して、増幅された電磁波を用いる無線電力変換により、設置位置がより自由であり、かつ、磁場増幅中継器及び無線電力変換装置をより多様に応用できるようにすることである。

本発明は、ファラデーの法則を利用して電磁波発生源から一定の距離に電磁波の時変磁場を使用して鎖交磁束の増加による誘導起電力を増加させるために、一定の巻線数を巻回したコイルにフェライトまたは磁性体コアを挿入する構成において、前記誘導コイルと共振を誘導するための可変コンデンサーと結合して、誘導コイルに存在する抵抗成分を減らすとともに誘導電流を極大化し、電磁波の磁場を増幅させて中継する増幅中継器を形成し、増幅中継器から一定の距離を置いて設置したり、増幅中継器と無線電力変換装置を付着設置することにより、前記増幅中継器で増幅された電磁波を用いて誘導電力を、最大に負荷である充電バッテリーに伝達するために、一定の巻線数を巻回した誘導コイルにフェライトなどの磁性体コアを挿入し、挿入された誘導コイルと共振及びインピーダンスマッチングを調節するための可変コンデンサーを結合する構造で遺棄された起電力を整流する整流用ダイオードと、整流された電圧を平滑する平滑用コンデンサーとを備え、直流成分の一定の電圧と電流を有する受信コイルを含む無線電力変換装置に関するものである。本発明に係る具体的な実施形態を説明する。

以下、本発明に係る具体的な実施形態を説明する。

本発明は、ファラデーの法則を利用して無線で電力を受信する際に、経時的に変化するテレビジョンまたはモニター内部などで発生する電磁波、あるいは人為的に交流電力発生回路に対する負荷に送信コイルを連結して発生させる電磁波磁場を増幅中継器を介して増幅させ、電磁波発生源から一定の距離離れている地点で誘導コイルを用いて誘導起電力を得て、得られた誘導電圧と電流を極大化することができる構成に設計、製作することにより、高効率の電気エネルギーの変換を可能とする無線電力受信のための磁場増幅中継器とこれを用いた高効率の無線電力変換装置に関するものである。

以下、電磁波の誘導磁場を増幅させる増幅中継器の構成について具体的に説明する。本発明に係る電磁波の増幅中継器は、電磁波発生源から発生した電磁波を用いて誘導電力を得て、得られた誘導電力を空中に放射する原理で、コイルで一定の直径と大きさを有するボビン（内径１０ｍｍ、外径１５ｍｍ）に一定の巻線数を巻回し、巻かれたボビン中にフェライトコアを挿入して誘導コイルを設計し製作する。誘導コイルの直径、巻線数及び挿入されるフェライトコアの大きさなどは、誘導起電力を最大化できるように設計、製作されており、誘導コイルは、誘導コイルの抵抗値を考慮し、並列または直列に構成することができる。

本発明では、フェライトコアの直径は９ｍｍ、長さは１１０ｍｍとし、誘導コイルの直径は０.３ｍｍであり、巻回数を１６０回と同様にし、２つを並列に連結し、前記のような大きさを有するボビンに巻いて前記フェライトコアを挿入し、前記誘導コイルと並列に可変コンデンサーを連結して共振回路を構成することにより、誘導電力を極大化し、電磁波を放射できるように設計、製作する。

本発明に係る無線電力変換装置は、前記増幅中継器と一定の距離を置いて設置されるか、あるいは付着設置されており、フェライトコアの直径は９ｍｍ、長さは１１０ｍｍとし、誘導コイルは直径０.３ｍｍ、巻回数を１００回と同様にして２つを並列に連結し、前記のような大きさのボビンに巻いて前記フェライトコアを挿入し、前記誘導コイルと並列に可変コンデンサーを連結して、共振及び負荷側の電子回路とのインピーダンスマッチングを成すことで誘導起電力を極大化するように構成し、誘導された起電力をダイオードで整流し、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサーで構成される。このように構成された無線電力変換装置は、一定の電流を有する直流電圧を発生するので、充電装置などの電源供給源として使用することができる。図１の左側は、本発明によって製作された磁場増幅中継器であり、右側は増幅中継器を構成する回路図である。図２は、前記増幅中継器を介して増幅発生された電磁波を用いて電気エネルギーを得ることができるように構成した無線電力変換装置の回路図である。（Ｌ１:受信コイル、Ｃ１:共振及び最大電力伝送のインピーダンスマッチング用キャパシタンス、Ｃ２:平滑用キャパシタンス、１.３Ｖ:充電用バッテリ電圧）
表１は、前記のように設計及び製作された磁場増幅中継器を使用せずに図２の無線電力変換装置を使用して、図３に示すように、電磁波発生源と一定の距離に位置させてから得られた充電電圧、充電電流及び充電電力を示したものであり、目盛り定規の距離が４ｃｍを超えると、充電電流と電力がほとんど誘導されないことが分かる。

図４は、本発明により設計、制作した磁場増幅中継器１つを電磁波発生源と隣接して設置し、磁場増幅中継器から距離に変化を与えながら、本発明に係る受信部の無線電力変化装置を使用して、充電電圧、充電電流及び充電電力を測定した構成図である。図４のように構成して測定した結果、表２に示すようなデータが得られた。表２に示すように、目盛り定規の距離が約１０ｃｍの地点でも充電電流と充電電力を得ることができた。

図５は、本発明により設計、製作された磁場増幅中継器（２５、２６）２つを用いて、そのうちの１つは、電磁波発生源から一定の距離に設置し、もう１つは、受信器２２と無線電力変換装置と隣接して設置し、増幅中継器２６と受信器２２を一体にして距離に変化を与えながら実験したデータを示したものであり、表３は、図５のように構成して測定した充電電圧、充電電流及び充電電力を示す。測定結果、電磁波発生源から１２ｃｍ離れた地点でも一定の充電電流と充電電力を得ることができた。

図６は、本発明により設計、製作された磁場増幅中継器（２５、２７）の２つのうちの１つは、電磁波発生源と一定の距離に設置し、もう１つは、５ｃｍ地点に設置する。増幅中継器から距離に変化を与えながら、無線電力変換装置を用いて充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図である。表４は、図６の構成図に基づいて充電電圧、充電電流及び充電電力を測定したデータを示す。測定結果、電磁波発生源から、多少増加した充電電力とともに、１３ｃｍ離れた地点でも一定の充電電流と充電電力を得ることができた。

図７は、電磁波発生源に隣接して前記使用されたコイルと同一の直径を有するコイルを、前記使用された同一の大きさのボビンに巻回数２００回を行い、２つの誘導コイルを並列に連結し、その中にフェライトコアを挿入し、誘導コイルと並列に可変コンデンサーを連結して共振回路を構成する形態であり、磁場増幅中継器２５を設計、製作し、電磁波発生源と一定の距離に位置させ、もう１つは、前記図３乃至図６で使用された増幅中継器２７を目盛り定規５ｃｍ離れた地点に設置した後、増幅中継器２８と受信器無線電力変換装置を隣接するように一体にして距離に変化を与えながら、充電電圧、充電電流及び充電電力を測定した構成図である。表５は、前記図７のように構成して測定した充電電圧、充電電流及び充電電力を示す。測定結果、電磁波発生源から１６ｃｍ離れた地点でも一定の充電電流及び充電電力が得られることが分かった。

本発明により、前記のように設計、製作された磁場増幅中継器と無線電力変換装置を用いて、図３乃至図７に示すように様々な実験を行った結果、図３のように、無線電力変換装置を単独で設置した場合には、表１のように、電磁波発生源から４ｃｍの距離で誘導コイルから発生する誘導起電力がほとんどないので、負荷の充電用バッテリーに充電電流が流れず、充電用バッテリーの電力はゼロを示した。図４のように、増幅中継器を加えた場合には、表２のように、電磁波発生源から５ｃｍの距離で最大の充電電流が４４ｍＡ、充電電力は５７.２ｍＷを示し、１０ｃｍの距離でも充電電力６.４ｍＷを示した。図５のように、増幅中継器１と同一の構造の中継器を無線電力変換装置とともに結合して設置する場合は、図４のように構成した場合と比較して、同一距離で充電電流と電力が増加していることが分かった。図６のように、増幅中継器を２つ使用した場合には、表４から分かるように、電磁波発生源から１０ｃｍ離れた地点で充電電力が４４.２ｍＷであり、図４で増幅中継器を１つ使用して得られた６.４ｍＷの充電電力と比べると、ほぼ７倍程度増加していることが分かる。さらに、電磁波発生源から目盛り定規で１２ｃｍ離れた地点でも充電電流及び充電電力を得ることができ、増幅中継器を使用せずに無線電力変換装置を単独で使用した場合と比較して、４倍遠い距離でも、無線電力を伝送して電気的エネルギーに誘導変換し、負荷に伝達できることが分かった。図７のように、互いに異なる２つの増幅中継器（２５、２７
）を設置し、中継器２８、受信コイル及び無線電力変換装置と付着結合した構成では、増幅中継器を備えない図６の場合と比較して、表５から分かるように、同一距離において増加された充電電流及び電力が測定されており、充電電流及び電力が得られる距離も１６ｃｍと増加することが分かった。

本発明に係るまた他の実施形態は、ＴＶ内部など自然的でない人為的な電磁波発生源、つまり、交流電力発生回路部の負荷に送信部コイルを連結し、電力が２０Ｗであり、発生周波数１３０ｋＨｚの周波数を有する交流電力波形の発生源を備え、本実験に使用される送信コイル、中継器、受信器１及び受信器２などに使用されるコイルを表６のように構成し、目盛り定規の距離による受信電圧、受信電流及び受信電力を図２の無線電力変換装置により測定した。

表６で、受信器１は、コアにコイルを巻いた一般のソレノイドコイルで構成され、受信器２は、１つの共通コアに、上端には受信用コイルを１０回巻き、下端には４０回巻いたコイルとキャパシタで共振回路を構成した中継器がある。

図１０は、電磁波増幅中継器が形成される共通コア上に、電磁波発生源から発生された電力を出力する送信コイルを形成したり、電磁波を受信する受信コイルを形成したりして送信器と受信器を構成したものであり、このような構成は、増幅中継器の共振回路において電磁波の発生と受信を極大化することができることから、無線電力変換時に高い効率を得ることができる。

表７は、前記表６のように製作された送信コイル２９、増幅中継器３０及び受信器３１を使用して、図８に示すように、電磁波発生源と隣接して増幅中継器を設置し、電磁波受信機を電磁波発生源から５ｃｍ、１０ｃｍ及び１５ｃｍ距離だけ移動させながら、受信器の出力部下端（ＬＥＤ並列数十個程度）で測定した電圧、電流及び電力を示す。

表８は、前記表６のように製作された送信コイル、増幅中継器及び受信器２（３３、３４）を使用して、図９に示すように、電磁波発生源に隣接して増幅中継器を設置し、電磁波を発生させながら電磁波受信機を電磁波発生源から５ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ及び２０ｃｍ距離だけ移動させながら、受信器の出力部下端で測定した電圧、電流及び電力を示す。

前記表７と表８から、同一の材質のコアに誘導コイルだけを巻いて製作した受信器１に比べて、１つの共通コアに誘導コイルと共振回路で構成された中継器を加えた受信器２を通じて得られた、距離による受信電圧、受信電流、及び受信電力がより優れていることが分かる。

また、本発明に係る他の実施形態は、電磁波発生源の大きさと規模などを考慮し、様々な直径を有するコイルにより多様な大きさのボビンで巻線数を異にして誘導コイルを構成し、これを必要に応じて直列または並列に連結して形成した後、ボビンの内径に合う直径と長さを有するフェライトコアを挿入し、前記誘導コイルと可変コンデンサーを結合して共振回路を構成することにより、磁場増幅中継器を多様な大きさと形態に形成することができる。このようにして構成された増幅中継器と無線電力変換装置を使用して、多様な大きさの充電電圧、充電電流及び充電電力が得られる装置を実現することができる。

また、本発明に係る他の実施形態として、本発明の出願人が出願した韓国特許出願10-2004-0000528号に開示されたスパイラル構造を用いて送信コイル、中継器及び受信器を構成する場合について説明する。

電磁波発生源は、ＡＣ２２０Ｖ、６０Ｈｚの使用電力をＡＣ-ＡＣアダプタを経由し、１２０ｋＨｚの周波数を有する交流電力波形でスパイラル形態の送信コイルに連結され、受信コイルは、充電用回路部に連結され、受信充電電流及び電圧を測定した。送信部コイルと受信部コイルとの間の距離は５ｃｍである。図１１に示すように、増幅中継器が送信部コイルの上に密着して設置される場合を説明する。

表９は、この実験のために使用されるスパイラル形態の送信コイル、中継コイル及び受信コイルの内径と外径、コイルの種類及び巻回数を示す。

前記図１１で、電磁波発生源の送信コイルを介して出力される送信電力は１６Ｗであり、図２の無線電力変換回路によって測定された充電電圧は１.４Ｖであり、充電電流は０.３６Ａであり、充電電力は０.５０Ｗである。前記表６のような規格を有するスパイラルコイルで、図１２のように、増幅中継器が送信コイルと受信器との中間に位置する場合、充電電圧は１.４Ｖであり、充電電流は０.４Ａであり、充電電力は０.５６Ｗと測定され、前記図１１のように、増幅中継器を送信部と密着させて上に付着設置した場合よりも、少し高い電流及び電力を得ることができた。さらに言えば、中継器を使用せずに、送信コイル５３と受信コイル５１からのみ構成し、距離を５ｃｍとした場合には、充電電圧は１.４Ｖであり、充電電流は０.０１Ａであり、充電電力は０．０１４Ｗと非常に微弱な検出結果が得られた。

図１３を参照して、増幅中継器が送信コイルを取り囲む場合を説明する。中継器と送信コイル部は有線で連結されていない。表１０は、この実験を行うために使用されるスパイラル形態の送信コイル、中継器及び受信器の内径と外径、コイルの種類及び巻回数を示す。

前記図１３に示すように、電磁波発生源の送信コイルを介して出力される送信電力は１６Ｗであり、図２の無線電力変換回路により測定される充電電圧は１.４Ｖであり、充電電流は０.９Ａであり、充電電力は１.２６Ｗである。前記表１０と同一の規格を有するスパイラルコイルで図１４に示すように、増幅中継器が送信及び受信コイルを取り囲む構造を有するときの充電電圧は１.４Ｖであり、充電電流は１．０Ａ、充電電力は１.４Ｗと測定されており、スパイラルコイルを使用した実験で最も高い電流及び電力が得られた。

このとき、送信部コイルと受信部コイルとの間の距離は５ｃｍである。また、前記韓国特許出願10-2004-0000528号に開始されたスパイラルコイルの２線を同時に板状に巻いて上／下並列構造に位置させ、時間当たりの磁束鎖交による磁束数を高めるために、コイルの上側に中央が空いたドーナッツ形状の強磁性体を位置させる構造を形成し、可変コンデンサーを前記設計、製作したコイルと直列または並列に連結して共振回路を構成することで、高効率で誘導電圧及び電流を発生させ、これを整流ダイオードと平滑コンデンサーを用いて充電器に充電する無線充電装置を実現することができる。このとき、スパイラル形態の板状コイルと中央に位置するドーナッツ形状の強磁性体及び可変コンデンサーを用いて共振回路を構成して磁場増幅中継器を設計、製作することも可能であり、その具体的な構成方法は、前記韓国特許出願10-2004-0000528号に詳細に記載されている。

本発明は、電磁波発生源から一定の距離に磁場を増幅させて中継する磁場増幅中継器を構成し、増幅中継器から一定の距離を置いて前記増幅中継器で増幅された電磁波を用いて誘導電力を最大に誘導し、負荷に伝達するために、共振及びインピーダンスマッチング可変コンデンサーをコイルと並列に結合した構造で遺棄された起電力を整流する整流用ダイオードと、整流された電圧を平滑する平滑用コンデンサーを備える電磁波を増幅中継する増幅中継器と、無線電力変換充電装置を実現することで、電磁波発生源から少し離れた一定の近距離まで中継し、無線電力を変換して使用することができることから産業上の利用可用性が高い。例えば、小電力の電子機器に対する一定の空気または絶縁体の近距離における無接点無線バッテリ充電、あるいはリアルタイムの無線電力伝送等に活用することができる。

本発明は、電磁波の発生源から一定の距離に磁場増幅中継器を設置し、電磁波を用いて無線電力変換装置を設置することができるので、無線電力変換装置の設置位置が多少自由であり、また、その応用分野が多様で産業上の利用可用性が高い。

本発明に係る増幅中継器の外形及び増幅中継器の構成回路図。 本発明に係る充電機能を有する無線電力変換装置を示す図。 増幅中継器を使用せずに、電磁波発生源の例（ＴＶ）から一定の距離内で無線電力変換装置のみ使用して、充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図。 １つの磁場増幅中継器を電磁波発生源と一定の距離内に設置し、無線電力変換装置を使用して、充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図。 ２つの磁場増幅中継器のうちの１つは、電磁波発生源から一定の距離内に設置し、もう１つは、無線電力変換装置２２と隣接して設置して一体にして移動させながら充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図。 ２つの磁場増幅中継器を設置し、無線電力変換装置２２を単独で移動させながら、充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図。 磁場増幅中継器２５と増幅中継器２７を設計、製作して設置し、増幅中継器２８と無線電力変換装置２２を隣接設置して一体にし、移動距離に変化を与えながら充電電圧、充電電流及び充電電力を測定するための構成図。 ＡＣ電力発生回路部２０の負荷に送信部コイル２９を連結して磁場を発生させ、隣接するように増幅中継器３０を設置し、受信コイル３１の電磁波受信機を距離を移動させながら受信器の出力端負荷で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。 ＡＣ電力発生回路部２０の負荷に送信部コイル２９を連結して磁場を発生させ、隣接するように増幅中継器３２を設置し、１つの共通コア上端に受信コイル３３、下端に増幅中継器３４を構成した電磁波受信機を距離を移動しながら受信器の出力端負荷で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。 １つのコアに増幅中継器と送信コイルまたは受信コイルを巻いて構成される送信部及び受信部の構成図。 スパイラル送信コイルにスパイラルコイルで構成される増幅中継器を上に密着させ、受信部コイル出力端で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。 スパイラルコイルで構成される増幅中継器を送信コイルと受信器との間の中間に位置させ、出力端で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。 送信コイルの外郭に増幅中継器を位置させ、受信部コイル出力端で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。 送信コイル及び受信コイルの外郭に増幅中継器を位置させ、受信部コイル出力端で電圧、電流及び電力を測定するための構成図。

１１ コア
１２ 誘導コイル
２０ ＡＣ電力発生部
２１ 電磁波発生源
２２ 受信器
２３ 出力端
２４ 目盛り定規
２５、２６、２７、２８、３０、３２、３４ 増幅中継器
２９ 送信コイル
３１ 受信器
３３ 受信コイル
５１ スパイラル型受信コイル
５２ スパイラル型増幅中継器
５３ スパイラル型送信コイル
Ｌ１ 受信コイル
Ｃ１ 共振及び最大電力電送のインピーダンスマッチング用コンデンサー
Ｃ２ 平滑用コンデンサー
１.３Ｖ 充電用バッテリ電圧

Claims (2)

1. 電磁波を発生する電磁波発生源と、
   前記電磁波発生源から電力を受信する受信器と、
   前記電磁波発生源と前記受信器との間に位置して無線電力を中継する中継器システムと、を備え、
   前記中継器システムは、
   前記電磁波発生源に隣接して位置する第１中継器と、
   前記第１中継器から一定の間隔離れた第２中継器と、
   前記第２中継器から一定の間隔離れて前記受信器に付着された第３中継器と、を備え、
   前記第１中継器は、第１誘導コイル及び該第１誘導コイルに接続されて共振回路を構成する第１コンデンサーを含み、
   前記第２中継器は、第２誘導コイル及び該第２誘導コイルに接続されて共振回路を構成する第２コンデンサーを含み、
   前記第３中継器は、第３誘導コイル及び該第３誘導コイルに接続されて共振回路を構成する第３コンデンサーを含み、
   前記受信器は、誘導コイル及びコンデンサーを含み、前記第３中継器の第３誘導コイル及び前記受信器の誘導コイルは共通コア上に形成され、前記受信器の誘導コイル及びコンデンサーの共振によって前記電磁波発生源で発生した電力を、前記中継器システムを介して受信することを特徴とする無線電力送信システム。
2. 前記電磁波発生源は、交流電力を発生させる誘導コイルを含み、前記電磁波発生源の誘導コイル及び第１中継器の第１誘導コイルは共通コア上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信システム。
   

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