KR101222137B1 - 자기공진유도 방식 지향성 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

Abstract

무선 전력송신 장치에서 한 쌍의 헬름홀츠 코일을 이용하여 지향성과 높은 효율을 얻는다. 본 발명의 무선 전력전송 장치는, 한 쌍의 동일한 감은 수와 반경을 갖는 코일을 포함하며, 상기 한 쌍의 코일은 상기 반경만큼 이격되어 있고, 상기 한 쌍의 코일은 외부의 전원으로부터 동일한 방향의 동일한 전류를 공급받는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 한 쌍의 코일은 서로 연결되어 있을 수 있으며, 상기 무선 전력전송 장치는 서랍, 선반 또는 트레이 형태로 구성되고, 상기 한 쌍의 코일은 상기 서랍, 선반 또는 트레이의 마주보는 면에 설치될 수 있다. 무선 전력전송 장치에서 헬름홀츠 코일을 이용함으로써, 무선 전력전송 장치와 무선 충전기기 사이의 거리에 무관하게 일정한 전력전송 효율을 얻을 수 있는 균일한 자기장을 형성하여 무선 전력전송의 지향성과 더 높은 전력전송 효율을 얻을 수 있다.

Description

자기공진유도 방식 지향성 무선 전력 전송 장치{Directional wireless power transmission apparatus using magnetic resonance induction}

본 발명은 무선 전력 전송 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 자기공진유도 방식을 이용한 무선 전력 전송 장치에서 지향성을 갖게 하여 충전 효율을 높일 수 있는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 충전 시스템이 사용되고 있다.

예컨대, 전동칫솔 또는 무선 면도기 등이 전자기 유도의 원리로 충전되며, 최근에는 전자기 유도를 이용하여 휴대전화나 PDA, MP3 플레이어, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대기기를 충전할 수 있는 무선충전제품들이 출시되고 있다.

그러나, 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 자기유도 방식은 코일 사이의 거리 및 상대적 위치에 매우 민감하여 두 코일 사이의 거리가 약간 떨어지거나 틀어져도 전송 효율이 급속히 떨어진다. 이에 따라 이러한 자기유도 방식의 충전 시스템은 수 cm 이하의 근거리에서만 사용할 수 있다는 약점이 있다.

한편, 미국특허 7,741,735호에서는 공진장의 감쇄파 결합에 기반을 둔 비방사형 에너지 전달 방식을 개시하고 있다. 이는 두 개의 동일한 주파수를 갖는 공진체가 주위의 다른 비공진체와는 영향을 미치지 않지만 서로 커플링하려는 경향을 가지는 점을 이용한 것으로 기존의 전자기 유도에 비하여 먼 거리까지 에너지를 전달할 수 있는 기술로서 소개되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 무선 전력전송에 있어서 송신기와 수신기 사이의 거리에 무관하게 일정한 전력전송 효율을 얻을 수 있는 균일한 자기장을 형성하는 무선 전력전송 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 무선 전력전송에 있어서 지향성을 제공할 수 있는 무선 전력전송 장치를 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 무선 전력송신 장치에서 한 쌍의 헬름홀츠 코일을 이용하여 지향성과 높은 효율을 얻는다.

본 발명에 일 면에 따른 무선 전력전송 장치는, 외부의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 무선 전력전송 장치로서, 한 쌍의 동일한 감은 수와 반경을 갖는 코일을 포함하며, 상기 한 쌍의 코일은 상기 반경만큼 이격되어 있고, 상기 한 쌍의 코일은 외부의 전원으로부터 동일한 방향의 동일한 전류를 공급받는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 한 쌍의 코일은 서로 연결되어 있을 수 있으며, 상기 무선 전력전송 장치는 서랍, 선반 또는 트레이 형태로 구성되고, 상기 한 쌍의 코일은 상기 서랍, 선반 또는 트레이의 마주보는 면에 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따른 무선 충전 시스템은, 하나 이상의 무선 충전기기와 상기 하나 이상의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 무선 전력전송 장치를 포함하는 무선 충전 시스템으로서, 상기 무선 전력전송 장치는, 한 쌍의 동일한 감은 수와 반경을 갖는 코일을 포함하며, 상기 한 쌍의 코일은 상기 반경만큼 이격되어 있고, 상기 한 쌍의 코일은 외부의 전원으로부터 동일한 방향의 동일한 전류를 공급받으며, 상기 하나 이상의 무선 충전기기는 상기 한 쌍의 코일 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 무선 전력전송 장치에서 헬름홀츠 코일을 이용함으로써 무선 전력전송 장치와 무선 충전기기 사이의 거리에 무관하게 일정한 전력전송 효율을 얻을 수 있는 균일한 자기장을 형성하여 무선 전력전송의 지향성과 더 높은 전력전송 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 사용한 무선 전력전송 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1의 헬름홀츠 코일 내부의 자기장의 크기를 나타낸 것이다.
도 3은 헬름홀츠 코일과 통상적인 코일의 자기장을 정규화하여 표시한 그래프이다.
도 4는 헬름홀츠 코일과 통상적인 코일을 이용한 무선 전력전송 장치의 효율을 표시한 것이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력전송 장치를 나타내는 도면이다.

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. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 지향성 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식의 지향성 무선 전력 전송 장치 및 방법에서는 무선 전력 전송에 있어서 지향성을 확보하기 위하여 헬름홀츠 코일을 이용한다. 또한 본 명세서에서는 무선 전력 전송에 있어서 지향성을 갖도록 하는 것을 마그네틱 필드-포밍(magnetic field-forming)이라 부르기도 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 이용한 자기공진유도 방식의 지향성 무선 전력전송 장치의 구성을 나타내는 개념도이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 장치에서 사용되는 헬름홀츠 코일은 동일한 감은 수 N과 동일한 반경 R을 가지며 거리 d=R만큼 떨어져 있는 한 쌍의 평면 원형 동축 코일로 이루어진다. 두 개의 코일은 같은 방향으로 흐르는 공통 전류 I를 갖도록 연결되어 있다. 그러나, 동일한 방향과 크기의 전류가 흐르도록 한다면, 두 코일이 반드시 연결되어 있을 필요는 없다.

두 코일에 DC 입력 신호가 공급되면, 두 코일 사이의 영역 내에 균일한 자기장이 생성된다. 만일 AC 입력 신호가 공급되면, 두 코일 사이에 교호의 균일한 자기장이 생성된다.

도 1과 같은 헬름홀츠 코일 사이의 원기둥 좌표로 나타낸 한 점 P(ρ,φ,z)에서 자기장의 크기는 φ에 대해 회전대칭이므로 φ에 대해서는 독립적이다. 따라서 φ=o인 xz-평면 상의 한 점 P에서의 자기장의 ρ- 및 φ- 성분은 Biot-Savart 법칙을 적용하면 각각 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.

여기에서 μ₀는 투자율 상수(4π×10^-7H/m)이고, 각각 상부 및 하부 코일에 대한 K_bc, E_bc와 K_tc, E_tc는 제1종 및 제2종 타원적분이다. 계수 k_bc와 k_tc는 다음의 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같이 주어진다.

도 2는 [수학식 1]과 [수학식 2]를 사용하여 헬름홀츠 코일 내부 영역의 xz 평면(φ=o) 내의 자기장의 크기를 구한 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 예외적으로 코일의 가장자리에서 자기장이 매우 강한 것을 제외하고는, 헬름홀츠 코일 내의 자기장의 크기는 거의 균일한 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 사용한 무선 전력전송 장치와 통상의 코일을 사용한 무선 전력전송 장치의 자기장을 정규화하여 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 헬름홀츠 코일을 사용한 무선 전력전송 장치에서는 z축을 따라 거의 일정하며 훨씬 강한 자기장이 형성됨을 알 수 있다.

이와 같은 특성에 따라 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 장치에서는 헬름홀츠 코일을 사용하여 특정 영역 내에서 균일한 자기장을 얻을 수 있다.

이제, 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 사용한 무선 전력전송 장치에서의 지향성에 대해 살펴본다.

안테나에서 방사된 에너지가 특정한 방향을 따라서 집중적으로 방사되도록 하는 기술인 빔포밍(beamforming)에 있어서는, 어레이 지향성 D를 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

그러나, 무선 전력전송 장치에서는 비방사 근거리장 영역을 이용하므로 방사 전력은 무의미하다. 대신, 마그네틱 필드-포밍(magnetic field-forming)의 지향성은 빔을 형성하지 않는(등방성의) 통상의 원형 코일을 사용할 때 전송되는 전력의 양과 마그네틱 필드-포밍을 이용할 때 전송되는 전력의 양을 비로 정의될 수 있을 것이다. 즉, 지향성 D는 마그네틱 필드-포밍 무선 전력전송 장치와 통상의(단일 전송기 코일) 무선 전력전송 장치의 효율(efficiency) 비를 계산하여 결정될 수 있으며, 이는 다음의 [수학식 6]으로 나타낼 수 있다.

여기에서 η_b와 η는 각각 마그네틱 필드-포밍 무선 전력전송 장치와 통상의 무선 전력전송 장치의 효율을 나타낸다.

각 시스템의 효율을 계산하기 위해서는 송신기와 수신기 코일의 상호 인덕턴스가 필요하다. 헬름홀츠 코일에 의해 생성되는 자기장은 균일하므로 지향성을 결정하기 위해서 축방향의 자기장만을 고려하면 된다.

통상의 무선 전력전송 장치에서 축방향 자기장은 다음의 [수학식 7]과 같이 주어진다.

수신기 코일의 면적 A에 대한 마그네틱 플럭스 Φ_m=B(z)A 이고, 상호 인덕턴스는 다음의 [수학식 8]과 같다.

헬름홀츠 코일의 축방향 자기장은 다음의 [수학식 9]와 같이 주어진다.

헬름홀츠 코일을 이용한 무선 전력전송 장치의 상호 인덕턴스는 헬름홀츠 코일의 마그네틱 플럭스 Φ_m-h=B_h(z)A로부터 다음의 [수학식 10]과 같이 구할 수 있다.

따라서, 헬름홀츠 코일을 이용한 무선 전력전송 장치와 통상의 무선 전력전송 장치의 상호 인덕턴스의 비는 다음의 [수학식 11]과 같이 구할 수 있다.

무선 전력전송 장치의 효율은 성능지수(figure-of-merit) 커플링-대-손실(coupling-to-loss) 비로 결정될 수 있다. 즉, 무선 전력전송 장치에서는 커플링-대-손실 비가 높을수록 효율이 높으며, 헬름홀츠 코일에서의 커플링-대-손실 비는 다음의 [수학식 12]와 같이 주어진다.

여기에서 ω는 코일의 공진 주파수이고, R_t-h와 R_r-h는 각각 송신기와 수신기 코일의 저항성(ohmic) 및 방사성(radiation) 저항이다. 통상의 송신기와 수신기 코일에서 R_t와 R_r이 각각 저항성 및 방사성 저항일 때 R_r-h=R_r이고 R_t-h=2R_t이다.

따라서, [수학식 12]는 [수학식 11]을 이용하면 다음의 [수학식 13]과 같이 된다.

주어진 κ/Γ값에 대해서 거리 z<<R인 경우에만 κ_h/Γ_h<κ/Γ이므로, 무선 전력전송 장치의 운용 거리 범위에서는 κ_h/Γ_h>κ/Γ라고 할 수 있다. [수학식 8]로부터 주어진 κ/Γ에 대해 무선 전력전송 장치의 효율은 다음의 [수학식 14]가 된다.

여기에서

이고

이다. 따라서 주어진 무선 전력전송 장치 디자인에서 [수학식 13]을 [수학식 6]에 대입함으로써 지향성을 계산할 수 있다. 즉, 지향성은 무선 전력전송 장치의 설계 파라미터와 송신기와 수신기간 거리에 의존한다.

예를 들어 20cm 반경의 헬름홀츠 코일을 갖는 송신기와 3.5cm 반경을 갖는 수신기를 동일한 기준의 통상의 송신기의 경우와 비교하였을 때의 효율을 도 4에 나타내었다.

이와 같이, 한 쌍의 헬름홀츠 코일을 포함하는 무선 전력전송 장치(송신기)의 두 코일 사이에 무선 충전기기(수신기)를 위치시켜, 송신기와 수신기가 자기공진유도 결합을 이루도록 함으로써 지향성을 갖는 효율적인 무선 전력전송이 이루어진다.

즉, 무선 충전기기가 위치하는 두 코일 사이의 영역에만 자기장이 형성되도록 함으로써, 근처의 다른 전기전자 장치의 동작을 간섭하거나 다른 장치나 금속 물체의 온도를 증가시키는 등의 부작용을 줄일 수 있다.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 이용한 무선 전력전송 장치의 다양한 실시예를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 이용한 무선 전력전송 장치는, 도 5에 나타난 것과 같이 서랍 형태로 구성될 수 있다. 이 때 서랍의 서로 마주보는 두 면에 한 쌍의 헬름홀츠 코일이 위치하게 된다. 이러한 무선 전력전송 장치에 의하여 전력을 공급받는 무선 충전기기는 서랍 내부에 수납되어 전력을 수신한다.

그밖에도 본 발명의 실시예에 따른 헬름홀츠 코일을 이용한 무선 전력전송 장치는, 도 6에 나타난 바와 같이 무선 충전기기가 위치하는 수납 홈을 갖는 형태로 구성되거나, 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이 윗면이 있거나 없는 선반 형태로 구성하여 벽면에 부착하여 사용할 수도 있고, 도 9에 나타난 바와 같이 트레이 형태로 구성할 수도 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (6)

1. 외부의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 무선 전력전송 장치로서,
   한 쌍의 동일한 감은 수와 반경을 갖는 코일을 포함하며,
   상기 한 쌍의 코일은 상기 반경만큼 이격되어 있고,
   상기 한 쌍의 코일은 외부의 전원으로부터 동일한 방향의 동일한 전류를 공급받으며,
   주어진 커플링-대-손실비 κ/Γ에서, 상기 무선 전력전송 장치는 다음의 [수학식 14]와 같은 효율을 갖는 무선 전력전송 장치.
   [수학식 14]
   

   

   
   (여기에서,

   

   이고

   

   이다)
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 코일은 서로 연결되어 있는 무선 전력전송 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 무선 전력전송 장치는 서랍, 선반 또는 트레이 형태로 구성되며,
   상기 한 쌍의 코일은 상기 서랍, 선반 또는 트레이의 마주보는 면에 설치되는 무선 전력전송 장치.
4. 하나 이상의 무선 충전기기와 상기 하나 이상의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 무선 전력전송 장치를 포함하는 무선 충전 시스템으로서,
   상기 무선 전력전송 장치는,
   한 쌍의 동일한 감은 수와 반경을 갖는 코일을 포함하며,
   상기 한 쌍의 코일은 상기 반경만큼 이격되어 있고,
   상기 한 쌍의 코일은 외부의 전원으로부터 동일한 방향의 동일한 전류를 공급받으며,
   주어진 커플링-대-손실비 κ/Γ에서, 상기 무선 전력전송 장치는 다음의 [수학식 14]와 같은 효율을 갖고,
   [수학식 14]
   

   

   
   (여기에서,

   

   이고

   

   이다)
   상기 하나 이상의 무선 충전기기는 상기 한 쌍의 코일 사이에 위치하는 무선 충전 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 한 쌍의 코일은 서로 연결되어 있는 무선 충전 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 무선 전력전송 장치는 서랍, 선반 또는 트레이 형태로 구성되고, 상기 한 쌍의 코일은 상기 서랍, 선반 또는 트레이의 마주보는 면에 설치되는 무선 충전 시스템.
   
   

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