KR102196896B1

KR102196896B1 - 유도성 전력 전달 시스템들을 위한 전송기

Info

Publication number: KR102196896B1
Application number: KR1020167015544A
Authority: KR
Inventors: 알리 압돌카니; 아이구오 후; 야-팅 왕; 아루님 쿠마르
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2020-12-31
Also published as: CN105723479A; EP3080825A4; JP2017502630A; CN105723479B; EP3080825B1; US20160308394A1; US10396596B2; WO2015072863A1; EP3080825A1; KR20160085326A; JP6824737B2

Abstract

교번 자기장을 생성하기 위한 복수의 전송 코일들을 구비한 유도성 전력 전송기로, 상기 복수의 전송 코일들은 로우 (row)로 배치되며 그리고 각 전송 코일은 상기 로우 내 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹친다. 각 전송 코일에 연결된 전송 회로가 상기 전송 코일들을 구동하며, 그래서 각 전송 코일의 교번 자기장이 상기 로우 내 인접한 전송 코일들의 교번 자기장에 대해 위상 시프트되도록 하거나 또는 상기 전송 코일들에 의해 생성된 교번 자기장이 충전 표면을 따라서 이동하도록 한다.

Description

유도성 전력 전달 시스템들을 위한 전송기 {TRANSMITTER FOR INDUCTIVE POWER TRANSFER SYSTEMS}

본 발명은 유도성 전력 전달 (inductive power transfer (IPT)) 시스템들의 분야이다. 특히, 본 발명은 그런 시스템에서 사용하기 위한 유도성 전력 전송기에 관한 것이다.

IPT 기술은 점점 크게 발전하는 영역이며 IPT 시스템들은 넓은 응용 분야들에서 이제 활용되며 다양한 구성들을 가진다. 그런 한 응용은 소위 '충전 매트들 (charging mats)'에서 IPT 시스템들을 사용하는 것이다. 그런 충전 매트들은 (스마트폰들이나 PDA들과 같은) 휴대용 전자 디바이스들이 무선으로 충전되거나 전력을 공급받기 위해 놓여질 수 있을 평면의 충전 표면을 제공하는 것이 보통일 것이다.

일반적으로, 상기 충전 매트는 전송기 (transmitter)를 포함할 것이며, 그 전송기는 상기 충전 매트의 평면 충전 표면에 평행하게 배열된 하나 또는 그 이상의 전송 코일들을 가진다. 상기 전송기는 상기 전송 코일들을 구동하여, 상기 전송 코일들이 상기 평면 표면에 아주 근접한 곳에서 시변 (time-varying) 자기장 (magnetic field)을 생성하도록 한다. 휴대용 전자 디바이스들이 상기 평면 표면 상에 또는 그 평면 표면에 가깝게 배치될 때에, 그 시변 자기장은 상기 디바이스와 연관된 적합한 수신기 (예를 들면, 상기 디바이스 그 자체 내로 통합된 수신기)의 수신 코일 내에 교류 전류를 유도할 것이다. 상기 수신된 전력은 그 후에 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있을 것이며, 또는 상기 디바이스 또는 다른 몇몇의 다른 부하에게 전력을 공급할 수 있을 것이다.

충전 매트 설계와 연관된 문제는 유도성 전력 전달이 충분히 효율적이라는 것을 보장하고 있다. 하나의 접근 방식은 전송 코일과 수신 코일 사이의 정밀한 정렬을 필요로 한다. 이것은, 예를 들면, 평면형 충전 표면 상에 마킹들을 하거나 움푹 들어간 부분을 만들어서 사용자가 디바이스를 충전 매트 상에 놓을 때에 상기 코일들 사이의 정렬이 보장될 수 있도록 하여 달성될 수 있을 것이다. 그러나, 이는 사용자가 그 충전 매트 상으로 신중하게 자신의 디바이스를 놓을 것을 필요로 하기 때문에 이런 접근 방식은 이상적인 것은 아니다. 또한, 충전 매트가 여러 디바이스들에 의해 사용되는 것이라면, 적합한 개수의 전송 코일들이 그 충전 매트 내에 배치될 것을 필요로 한다.

다른 접근 방식은 충전 매트의 전체 표면에 대응하는 단일의 큰 전송 코일을 구비하는 것이다. 이 예에서, 하나 또는 그 이상의 디바이스들은 그 충전 매트의 표면 상의 어느 곳에나 위치할 수 있을 것이다. 이것은 사용자가 충전 매트 상 어느 곳에 디바이스를 놓을 수 있는가의 면에서 더욱 큰 자유를 가능하게 한다. 그러나, 큰 전송 코일에 의해 생산되는 자기장은 균일하지 않을 수 있으며, 충전 매트의 중심을 향하여 '약한 스폿들 (weak spots)'을 가진다.

다른 접근 방식은 더 작은 전송 코일들의 어레이를 구비하는 것이다. 충전 매트는 적합한 탐지 메커니즘을 이용하여 디바이스의 위치를 탐지하며 그리고 가장 가까운 전송 코일 또는 코일들을 활성화시킨다. 비록 이것이 사용자가 디바이스를 어디에 위치시키는가의 면에서 더욱 많은 자유를 가능하게 하지만, 그것은 각 전송 코일이 개별적으로 구동될 수 있으며 그리고 분리된 탐지 회로를 필요로 하며, 이는 상기 충전 매트를 더욱 복잡하고 값 비싸게 만든다. 또한, 인접한 전송 코일들 사이의 경계는 인접한 코일들의 소거 효과 (cancelling effect)로 인해서 음영지점 (deadspot)들의 결과를 가져올 수 있으며, 그래서 수신기들은 충분한 전력을 수신하지 못한다.

충전 매트의 다른 모습은 상기 전송 코일들 및 수신 코일들의 상대적인 방위에 대한 고려이다. 위에서 설명된 접근 방식들을 위해, 상기 수신 코일은 상기 전송 코일과 평행할 필요가 있는 것이 일반적일 것이다. 이것은 휴대용 디바이스가 보통의 방식으로 상기 충전 매트 상에 위치할 때에 상기 수신 코일이 상기 충전 매트의 표면 및 상기 전송 코일들에 평행하도록 상기 수신 코일을 상기 휴대용 전자 디바이스 내에 배치함에 의해 보통 달성된다. 그러나, 디바이스가 충전 매트 상에 위치하는 몇몇의 경우에 상기 수신 코일은 상기 평면 표면에 평행하지 않을 수 있을 것이다. 이것은 올바르지 않게 위치한 디바이스, (충전 봉입물 (charging enclosure)과 같은) 다른 유형의 전송기를 위해 적합한 수신기 또는 어떤 다른 이유로 인한 것일 수 있다. 방위가 제대로 되지 않은 것은 덜 효율적인 전력 전달의 결과를 가져올 수 있을 것이다.

본 발명은 위에서 확인된 문제점들 중 적어도 몇몇을 해결하는 충전 매트를 위한 전송기를 제공한다. 특히, 충전 매트는 그 충전 매트 상에 위치한 여러 디바이스들에게 그 디바이스들의 방위에 관계없이 최소한의 음영지점들을 가지면서 전력 전달을 할 수 있는 자기장을 생성하거나, 또는 최소한 공중에게 유용한 선택을 제공한다.

예시적인 일 실시예에 따라 유도성 전력 전송기가 제공되며, 이 유도성 전력 전송기는: 교번 자기장을 생성하기 위한 복수의 전송 코일들로, 상기 복수의 전송 코일들은 로우 (row)로 배치되며 그리고 각 전송 코일은 상기 로우 내 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹치는, 복수의 전송 코일들; 그리고 상기 전송 코일들을 구동하기 위해 각 전송 코일에 연결되어, 각 전송 코일의 교번 자기장이 상기 로우 내 인접한 전송 코일들의 교번 자기장에 대해 위상 시프트되도록 하는 전송 회로를 포함한다.

예시적인 다른 실시예에 따라 유도성 전력 전송기가 제공되며, 이 유도성 전력 전송기는: 교번 자기장을 생성하기 위한 복수의 전송 코일들로, 상기 복수의 전송 코일들은 로우 (row)로 배치되며 그리고 각 전송 코일은 상기 로우 내 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹치는, 복수의 전송 코일들; 그리고 상기 전송 코일들을 구동하기 위해 각 전송 코일에 연결되어, 상기 전송 코일들에 의해 생성된 상기 교번 자기장이 충전 표면을 따라 이동하도록 하는 전송 회로를 포함한다.

"포함한다", "포함하는", "포함함"의 용어들은 변하는 범위들 하에서 배타적인 의미 또는 포함하는 의미 중 어느 하나의 속성일 수 있다는 것이 인정된다. 본 명세서의 목적을 위해 그리고 다르게 언급되지 않는다면, 이 용어들은 포함하는 의미를 가지는 것으로 - 즉, 직접적으로 참조하는 것, 그리고 다른 규정되지 않은 컴포넌트들이나 요소들도 또한 아마도 포함하는, 열거된 컴포넌트들을 포함하는 것을 의미하는 것으로 취해질 것으로 의도된 것이다.

본 명세서에서 어떤 종래 기술을 언급했다고 해도, 그런 종래 기술이 일반적으로 알려진 지식의 일부를 형성하는 것을 인정하는 것을 구성하지는 않는다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 명세서에 통합되어 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하며 그리고 위에서 주어진 본 발명의 일반적인 설명 및 아래에서 주어지는 실시예들의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원칙들을 설명하는 것에 공헌한다.
도 1은 일 실시에에 따른 충전 매트를 보여준다.
도 2는 IPT 시스템의 일반적인 표현을 보여주는 블록도를 보여준다.
도 3은 일 실시예에 따른 도 1의 충전 매트를 보여준다.
도 4는 일 실시예에 따른 도 3의 충전 매트의 각 전송 코일에 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 5a - 도 5g는 도 3의 충전 매트의 횡단면을 보여준다.
도 6은 다른 실시예에 따른 도 3의 충전 매트의 각 전송 코일에 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 7은 다른 실시예에 따른 도 1의 충전 매트를 보여준다.
도 8은 일 실시예에 따른 도 7의 충전 매트의 각 전송 코일에 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 9는 추가의 실시예에 따른 도 1의 충전 매트를 보여준다.

도 1은 충전 매트를 보여준다. 그 충전 매트는 평면의 충전 표면 (2)을 포함하며, 그 충전 표면 위로 휴대용 전자 디바이스 (3)가 놓여져서 충전되거나 또는 아래에서 더욱 상세하게 설명될 유도성 전력 전달 (inductive power transfer (IPT)) 시스템을 이용하여 무선으로 전력을 공급받을 수 있을 것이다. 상기 충전 매트는 적합한 전력 공급원 (4), 예를 들면, 간선 전력 또는 외부 구동 회로에 연결될 수 있다.

충전 매트들은 (충전 패드들, 전력 패드들 또는 심지어는 간단하게 충전 표면들처럼) 많은 상이한 이름들로 알려져 있을 수 있다는 것이 인정될 것이다. '충전 매트 (charging mat)'라는 용어는 본 명세서의 나머지 부분에서 가장 넓은 의미로 사용될 것이며, 디바이스들이 충전되거나 전력을 공급받기 위해 놓여질 수 있는 대체적으로 평면인 표면을 포함하는 유도성 전력 전달을 위한 모든 다른 장치들을 망라한다. 충전 매트들은 충전 표면을 포함하는 다른 장치들, 예를 들면, 통합된 충전 표면을 구비한 랩톱들이나 벤치들, 테이블들 및 통합된 충전 표면들을 구비한 다른 표면들을 또한 포함할 수 있다

유사하게, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 휴대용 전자 디바이스의 용어는 많은 유형의 디바이스들을 망라한다는 것을 인정할 것이다. 상기 용어의 범위를 한정하지 않으면서, 몇몇의 예시적인 휴대용 전자 디바이스들은 모바일폰들, 테블릿들, PDA들, 리모트들, 랩톱들, 카메라들, 게이밍 디바이스들 및 시계들을 포함할 수 있을 것이다.

도 1의 충전 매트 (1)는 아래에서 더욱 상세하게 설명될 유도성 전력 전송기 (도시되지 않음)를 포함한다. 본 명세서를 위해, 상기 전송기는 상기 충전 매트 그 자체의 몸체와는 별개인 것으로 설명될 것이다. 그러나, 상기 충전 매트가 상기 전송기의 일부인 것으로 고려한다고 해도 마찬가지로 정확하다는 것이 인정될 것이다. 또한, 상기 휴대용 전자 디바이스 (3)는 이하에서 더욱 상세하게 설명될 유도성 전력 수신기들 (도시되지 않음)을 포함한다. 일반적으로 상기 유도성 전력 전송기 및 상기 유도성 전력 수신기(들)가 함께 IPT 시스템을 형성하며, 그래서 상기 유도성 전력 전송기가 상기 유도성 전력 수신기와 적합하게 커플링될 때에, 상기 유도성 전력 전송기로부터 상기 유도성 전력 수신기(들)로 전력이 유도성으로 (또는 무선으로) 전달될 수 있도록 한다는 것이 인정될 것이다.

도 1의 충전 매트 (1)는 대체적으로 직사각형이다. 본 명세서의 나머지 부분들에서, 상기 충전 매트 및 유도성 전력 전송기는 직사각형 충전 매트의 맥락에서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 다른 형상들을 가진 충전 매트와 작동하기 위해 본 발명이 어떻게 적응될 수 있을 것인가를 인식할 것이다. 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 상기 충전 매트는, 예를 들면, 원형, 정사각형 또는 불규칙적인 형상일 수 있다.

도 1에서, 상기 충전 표면 (2)은 상기 충전 매트 (1)의 전체 위 표면에 대응하며, 그러므로 그것 또한 대체적으로 직사각형이다. 본 명세서의 나머지 부분을 위해, 상기 충전 표면 및 유도성 전력 전송기는 직사각형 충전 표면의 맥락에서 설명될 것이다. 그러나, 상기 충전 표면은 상기 충전 매트와 동일한 크기일 필요는 없으며 (예를 들면, 상기 충전 표면은 상기 충전 매트보다 더 작으며 그리고 가장자리에 의해 둘러싸일 수 있다) 또는 상기 충전 매트와 동일한 모양일 필요는 없다 (예를 들면, 상기 충전 매트는 원형의 충전 표면을 가진 정사각형일 수 있다). 이 설명을 위해, 도 1에서 보이는 상기 충전 표면의 두 치수들, 충전 표면 길이 (5) 및 충전 표면 폭 (6)을 한정하는 것이 유용하다. 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 이 치수 강제들의 맥락에서 본 명세서에서의 어떤 설명이 상이한 치수 강제들을 구비한 충전 표면들 (예를 들면, 타원형의 충전 표면으로, 그 표면의 길이는 그 표면의 장축 (long axis)에 대응하며 그리고 그 표면의 길이는 그 표면의 단축 (short axis)에 대응할 수 있는 타원형 충전 표면)을 위해 어떻게 적응될 수 있을 것인가를 인식할 것이다.

도 2는 IPT 시스템 (7)의 일반적인 표현을 보여주는 블록도를 보여준다. 상기 IPT 시스템은 유도성 전력 전송기 (8) 및 유도성 전력 수신기 (9)를 포함한다. 상기 유도성 전력 전송기는 적절한 전력 공급원에 연결된 전송 회로 (10)를 포함한다. 도 2에서 이것은 다음에는 간선 전력 공급원 (4)에 연결된 AC-DC 컨버터 (11)로서 도시된다. 상기 전송 회로는 전송 코일들 (12)에 연결된다. 상기 전송 회로는 상기 전송 코일들을 교류 전류로 구동하며, 그래서 상기 전송 코일들이 시변 (time-varying) 자기장을 생성하도록 한다. 몇몇의 구성들에서, 상기 전송 코일들은 상기 전송 회로의 일부로서 또한 고려될 수 있을 것이지만, 명료함을 위해서 이 설명은 그 전송 코일들을 별개인 것으로 언급할 것이다. 상기 전송 코일들은 커패시터들 (도시되지 않음)에 병렬이나 직렬 중 어느 하나로 연결되어, 공진 회로를 생성할 수 있을 것이다. 상기 전송 코일들 및 상기 전송 회로의 특별한 구성은 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 2는 상기 유도성 전력 전송기 내 제어기 (13)를 또한 보여준다. 그 제어기는 상기 유도성 전력 전송기의 각 부분에 연결될 수 있다. 상기 제어기는 상기 유도성 전력 전송기의 각 부분으로부터 입력들을 수신하고 그리고 상기 유도성 전력 전송기의 각 부분이 동작하는 방식을 제어하는 출력들을 산출하도록 적응된다. 상기 제어기는 메모리를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 IPT 시스템의 요구사항들에 종속하여 상이한 계산 태스크들을 수행하도록 프로그램된 프로그래머블 로직 제어기인 것이 바람직하다.

도 2는 유도성 전력 수신기 (9)를 또한 보여준다. 상기 유도성 전력 수신기는 부하 (16)로 차례로 전력을 공급하는 수신 회로 (15)에 적합하게 연결된 수신 코일 (14)을 포함한다. 상기 부하는 배터리처럼 휴대용 전자 디바이스 내 부하일 수 있다. 상기 수신 회로는 유도된 전류를 상기 부하를 위해 적절한 모습으로 변환하도록 적응된다. 몇몇의 IPT 시스템들에서, 상기 수신 코일들은 커패시터들 (도시되지 않음)에 병렬이나 직렬 중 어느 하나로 연결되어 공진 회로를 생성할 수 있을 것이다.

도 3은 일 실시예에 따라 밑에 있는 전송 코일들 (17a 17b 17c)을 노출시키기 위해 충전 표면이 제거된 도 1의 충전 매트 (1)를 보여준다. 각 전송 코일은 전송 회로 (도시되지 않음)에 적합하게 연결된다. 간략함을 위해서, 도 3 내의 상기 전송 코일들은 단일의 루프들로서 도시된다; 그러나, 보통은 단일의 전송 코일이 일련의 루프들로 구성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 상기 전송 코일들은 구리 또는 리츠 (litz) 와이어와 같은 어떤 적합한 물질로 만들어질 수 있을 것이다. 상기 전송 코일들은 자기적으로 침투성있는 (permeable) 레이어 주위에 감겨질 수 있다 대안으로 (또는 추가적으로), 도 3에서 보이는 것처럼, 상기 충전 매트 (1)는 상기 전송 코일들 뒤에 자기적으로 할 수 있는 레이어 (18)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 자기적으로 침투성있는 레이어는 페라이트 물질로 만들어질 수 있을 것이다. 자기적으로 침투성있는 물질의 다른 적합한 배열들이 존재할 수 있을 것이며, 그리고 본 발명은 이런 면에서 제한되지 않는다는 것이 또한 인식될 것이다.

상기 전송 코일들 (17a 17b 17c)은 하나의 로우 (row) 내에 배치된다. 명료함을 위해서, 각 전송 코일은 도 3에서 약간 분리(19)되어 표시된 것처럼 약간 오프셋되어 도시되며, 그래서 각 전송 코일이 상기 도면에서 구별될 수 있도록 한다. 그런 오프셋은 상기 전송 코일들이 때로는 좁은 부피의 충전 매트 내에 들어맞게 할 수 있도록 하기 위해 또한 실제로 필요할 수 있다. 그렇지만, 그 약간의 오프셋에도 불구하고 상기 전송 코일들은 상기 충전 표면 길이 방향 (5)과 대체적으로 평행한 로우 내에 배치된다는 것이 이해될 것이다.

각 전송 코일 (17a 17b 17c)은 대체적으로 동일한 크기 및 형상이다. 이 실시예에서, 상기 전송 코일들은 직사각형이며, 충전 코일 길이 (20)는 대략 상기 충전 표면 폭 (6)에 대응하며 그리고 전송 코일 폭 (21)은 대략 상기 충전 표면 길이의 5분의 3이다. 상기 전송 코일들은 상기 충전 매트 (1)의 충전 표면과 대체적으로 동일 평면이다.

일 실시예에서, 각 전송 코일은 상기 로우 내 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹친다. 예를 들면, 참조번호 17a의 전송 코일은 도시된 것처럼 겹침 간격 (22)만큼 참조번호 17b의 전송 코일과 겹친다. 각 전송 코일 사이의 부분적인 겹침은 동일할 수 있으며, 그래서 상기 전송 코일들이 상기 로우 내에서 규칙적으로 분포되도록 한다. 그러나, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 상기 전송 코일들이 상기 로우 내에서 불규칙적으로 분포되게 부분적으로 겹치도록 상기 전송 코일들을 배치할 수 있다는 것이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

추가의 실시예에서, 각 전송 코일은 상기 로우 내 모든 전송 코일과 부분적으로 겹칠 수 있을 것이다. 예를 들면, 참조번호 17a의 전송 코일은 도시된 것처럼 겹침 간격 (23)만큼 참조번호 17b의 전송 코일과 겹치며 그리고 참조번호 17c의 코일과도 또한 겹친다. 참조번호 17a의 전송 코일 및 바로 인접한 참조번호 17b의 전송 코일 사이의 상기 겹침 간격 (21)은 상기 전송 코일 폭의 3분의 2이라는 것이 인식될 것이다.

각 전송 코일 (17a 17b 17c)은 전송 회로 (도 3에는 도시되지 않음)에 적합하게 연결된다. 도 2를 참조하여 설명된 것처럼, 상기 전송 회로는 교류 전류로 상기 전송 코일들을 구동하며, 그래서 상기 전송 코일들은 교번 자기장 (alternating magnetic field)을 생성한다. 상기 전송 회로는 상기 전송 코일들을 구동하여, 각 전송 코일의 교번 자기장이 상기 로우 내 인접한 전송 코일들의 교번 자기장에 관하여 위상 시프트되도록 한다. 특별한 실시예에서, 상기 전송 회로는 상기 전송 코일들을 구동하여, 각 전송 코일의 교번 자기장이 상기 로우 내 인접한 전송 코일들의 교번 자기장에 관하여 60도 위상 시프트되도록 한다. 예를 들면, 일 실시예에 따라, 참조번호 17a의 교번 자기장은 참조번호 17b의 전송 코일의 교번 자기장에 관하여 60도 위상 시프트될 수 있으며, 그리고 참조번호 17b의 교번 자기장은 참조번호 17c의 전송 코일의 교번 자기장에 관하여 60도 위상 시프트될 수 있으며, 그래서 참조번호 17c의 교번 자기장은 참조번호 17a의 전송 코일의 교번 자기장에 관하여 240도 위상 시프트될 수 있다.

본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 상기 전송 코일들을 적합하게 위상 시프트하여 구동하기 위해 적응될 수 있을 많은 적합한 전송 회로들이 존재하며, 그리고 본 발명은 그런 면에서 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 일 실시예에서, 단일의 전송 회로는 다중위상 신호로 전송 코일들을 구동하기 위해 적응될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 각 전송 코일용으로 분리된 전송 회로들이 존재할 수 있다. 상기 전송 회로는 상기 전송 코일들을 구동하기 위해 교류 전류를 생성하도록 적응된 적합한 컨버터일 수 있다. 도 2를 참조하여 표시된 것처럼, 상기 전송 코일들은 커패시터에 병렬이나 직렬로 연결되어 공진 회로를 생성할 수 있을 것이다. 그런 커패시터는 상기 전송 회로 내에 통합될 수 있을 것이다. 도 2를 참조하여 또한 표시된 것처럼, 상기 전송 회로(들)는 적합한 제어기에 연결될 수 있을 것이다. 상기 제어기는 상기 전송 회로들을 제어하기 위해 적응되어, 그 전송 회로들이 적합한 진폭 및 주파수로 상기 전송 코일들을 구동하기 위한 교류 전류를 생성하도록 할 수 있을 것이다. 각 전송 코일용으로 분리된 전송 회로가 존재하는 경우, 상기 제어기는 그 전송 회로들 사이에서 올바른 위상 시프트를 보장하기 위해 각 전송 회로를 제어할 수 있을 것이다.

상기 유도성 전력 전송기 (즉, 상기 전송 코일들 및 상기 전송 회로)의 일반적인 구성에 대해 설명하면, 상기 유도성 전력 전송기에 관한 이런 구성의 효과들을 이제 고려하는 것이 도움이 된다. 상기 전송 코일들 사이의 공간적 차이 및 위상 시프트로 인해서, 근접한 충전 표면에서 생성된 교번 자기장은 전송 코일들의 로우에 평행한 방향으로 상기 충전 표면을 따라서 사실상 '이동 (travel)'할 것이다. 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 4는 도 3의 충전 매트의 각 전송 코일에 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다. 위상 A는 참조번호 17a의 전송 코일에 연결되며, 위상 B는 참조번호 17b의 전송 코일에 연결되며 그리고 위상 C는 참조번호 17c의 전송 코일에 연결된다.

도 5a 내지 도 5g는 도 3의 충전 매트 (1)의 횡단면을 보여주며, 이는 도 4의 시각들 (a) - (g)에 대응하는 합성 자기 플럭스 (magnetic flux)의 일반적인 표현을 보여준다. 예를 들면, 시각 t=(a)에서, 위상 A를 통한 전류는 최대이며 그리고 양이고, 그러므로 합성 자기 플럭스 (24)는 참조번호 17a의 전송 코일 위에서 대체적으로 양이다. 위상 C가 음이므로 참조번호 17c의 전송 코일의 플럭스로부터의 약간의 소거 효과가 존재할 것이다.

시각 t=(b)에서, 위상 B를 통한 전류는 이제 최대이며 양이고, 그러므로 합성 자기 플럭스 (24)는 참조번호 17b의 전송 코일 위에서 대체적으로 양이다. 유사하게, 시각 t=(c)에서, 위상 C를 통한 전류는 최대이며 양이고, 그러므로 합성 자기 플럭스는 참조번호 17c의 전송 코일 위에서 대체적으로 양이다.

시각 t=(d)에서, 합성 플럭스의 방향은 반대이다. 위상 A를 통한 전류는 이제 최대이며 음이고, 그래서 합성 자기 플럭스 (24)는 참조번호 17a의 전송 코일 위에서 대체적으로 음이다. 시각 t=(e)에서, 위상 B를 통한 전류는 이제 최대이며 음이고, 그러므로 합성 자기 플럭스는 참조번호 17b의 전송 코일 위에서 대체적으로 음이다. 시각 t=(f)에서, 위상 C를 통한 전류는 이제 최대이며 음이고, 그러므로 합성 자기 플럭스는 참조번호 17c의 전송 코일 위에서 대체적으로 음이다. 마지작으로, 시각 t=(g)에서, 위상 A를 통한 전류는 최대이며 다시 양이고, 그리고 도 5a에 관련하여 설명된 시작 포인트로 돌아간다.

그래서 상기 합성 자기 플럭스는 상기 사이클 중 몇몇 부분에 대해 전체 충전 표면에 걸쳐서만 존재하지 않을 것이며, 그 합성 자기 플럭스는 참조번호 17a의 전송 코일로부터 참조번호 17b의 전송 코일로, 참조번호 17c의 전송 코일로 또한 '이동'할 것이라는 것이 인정될 것이다. 그래서, 상기 충전 표면 상에는 어떤 음영지점도 존재하지 않는다. 그러므로, 상기 충전 표면 상의 어디에나 위치한 적합한 수신 코일을 구비한 수신기는 상기 유도성 전력 전송기로부터 전력을 가져올 수 있을 것이다. 또한, 자기 플럭스에서의 변화가 상기 충전 표면에 수직인 방향에서만 존재하는 것이 아니라 상기 충전 표면에 평행한 (즉, 전송 코일들의 로우의 방향과 평행한) 방향에서도 또한 존재하기 때문에, 심지어 수신 코일이 상기 전송 코일들과 동일 평면이 아니라고 하더라도 수신 코일은 전력을 가져올 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 각 위상이 120도 위상 시프트된 다중위상 신호를 상기 전송 코일들에게 공급하는 것이 가능할 것이다. 상기 다중 위상 신호가 공통적으로 이용 가능한 또는 생산된 3-위상 전력에 대응하기 때문에 이는 특히 유용하다. 또한, 그것은 상기 전송 회로의 제어를 단순화할 수 있을 것이다. 도 6은 다른 실시예에 따라 도 3의 충전 매트의 각 전송 코일에게 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다. 이 실시예에서, 위상 A'이 참조번호 17a의 전송 코일에게 공급되며, 위상 B'이 참조번호 17c의 전송 코일에게 공급되며, 그리고 위상 C'이 참조번호 17b의 전송 코일에게 공급된다. 참조번호 17b의 극성이 반대라는 것이 중요하다. 이 구성은 그러면 17a-17b의 전송 코일들을 통한 유효 전류들 및 도 4 및 도 5a - 도 5g에 관련하여 도시되고 설명된 합성 자기 플럭스의 결과를 가져온다는 것이 인정될 것이다.

도 7을 참조하면, 하부의 전송 코일들 (25a 25b 25c 25d)을 노출시키기 위해 충전 표면이 제거된 도 1의 충전 매트의 다른 실시예를 보여준다. 각 전송 코일은 전송 회로 (도시되지 않음)에 적합하게 연결된다. 상기 전송 코일들은 한 로우 내에 배치된다.

각 전송 코일 (25a 25b 25c 25d)은 대체적으로 동일한 형상 및 크기이다. 이 실시예에서, 상기 전송 코일들은 사각형으로, 대략적으로 상기 충전 표면 폭 (6)에 대응하는 전송 코일 길이 (26) 그리고 대략적으로 상기 충전 표면 길이의 7분의 4인 전송 코일 폭 (27)을 가진다.

일 실시예에서, 각 전송 코일은 상기 로우 내 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹친다. 예를 들면, 참조번호 25a의 전송 코일은 도시된 것처럼 겹침 간격 (28)만큼 참조번호 25b의 전송 코일과 겹친다. 각 전송 코일 사이의 부분적인 겹침은 동일할 수 있으며, 그래서 상기 전송 코일들이 상기 로우 내에서 규칙적으로 분포되도록 한다. 그러나, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 한 로우 내에 전송 코일들을 부분적으로 겹치게 배치하여, 상기 전송 코일들이 상기 로우 내에서 불규칙적으로 분포되도록 하는 것이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

추가의 실시예에서, 각 전송 코일은 상기 로우 내 모든 전송 코일과 부분적으로 겹칠 수 있을 것이다. 예를 들면, 참조번호 25a의 전송 코일은 도시된 겹침 간격 (29)만큼 참조번호 25b의 전송 코일과 겹치며 그리고 참조번호 25c의 코일과도 또한 겹치며 그리고 도시된 겹침 간격 (30)만큼 참조번호 25d의 전송 코일과 겹친다. 참조번호 25a의 전송 코일 및 바로 인접한 참조번호 25b의 전송 코일 사이의 상기 겹침 간격 (28)은 상기 전송 코일 폭의 4분의 3이라는 것이 인식될 것이다.

각 전송 코일 (25a 25b 25c)은 전송 회로 (도 7에는 도시되지 않음)에 적합하게 연결된다. 상기 전송 회로는 도 3에 관련하여 설명된 것과 동일할 것이지만, 이 예에서 상기 전송 회로는 상기 전송 코일들을 구동하여, 각 전송 코일의 교번 자기장이 상기 로우 내 인접한 전송 코일들의 교번 자기장에 대하여 45도 위상 시프트되도록 한다.

도 8은 도 7의 충전 매트의 각 전송 코일에 공급된 전류들을 나타내는 그래프를 보여준다. 위상 A는 참조번호 25a의 전송 코일에 연결되며, 위상 B는 참조번호 25b의 전송 코일에 연결되며, 위상 C는 참조번호 25c의 전송 코일에 연결되며 그리고 위상 D는 참조번호 17d의 전송 코일에 연결된다. 이것이 도 5a - 도 5g에 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 상기 충전 표면을 따라서 이동하는 합성 자기 플럭스를 어떻게 줄 것인가하는 것이 인정될 것이다.

본 발명은 네 개의 전송 코일들 중 세 개로 제한되지 않으며, 그리고 실제로는 한 로우 내에 배치된 임의 개수의 전송 코일들에 적용될 수 있을 것이라는 것이 또한 인정될 것이다. 도 3 및 도 7에서의 설명을 비교함으로써, 몇몇의 일반적인 규칙들이 나타나기 시작한다. 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 다음의 규칙들이 어떤 특별한 애플리케이션의 유일한 특성들에 종속하여 어떻게 적응될 필요가 있을 것인지를 인정할 것이다.

상기 전송 코일 폭은 상기 충전 표면 길이의 n/(2n-1)이며, 여기에서 n은 상기 로우 내 전송 코일들의 개수이다.

상기 전송 코일은 바로 인접한 전송 코일들과 상기 전송 코일 폭의 (n-1)/n 만큼 겹치며, 여기에서 n은 상기 로우 내 전송 코일들의 개수이다. 더 일반적으로는, 상기 로우 내 제1 전송 코일 및 상기 로우 내 제2 전송 코일은 상기 전송 코일 폭의 (n-m-1)/n 만큼 겹치며, 이 경우 n은 전송 코일들의 개수이며, m은 상기 제1 전송 코일과 상기 제2 전송 코일 사이의 전송 코일들의 개수이다.

마지막으로, 상기 전송 회로는 전송 코일들을 구동하여, 각 전송 코일의 교번 자기장이 바로 인접한 전송 코일의 교번 자기장에 대하여 180/n 도 위상 시프트되도록 한다.

도 3 및 도 7에서 보이는 본 발명의 실시예들에서, 전송 코일들의 한 하나의 로우만이 존재하며, 그 로우 내에서 각 전송 코일은 인접한 전송 코일들과 부분적으로 겹친다. 다른 실시예에서, 상기 유도성 전력 전송기의 특별한 요구사항들에 종속하여 전송 코일들의 둘 또는 그 이상의 로우들을 구비하는 것이 가능할 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 전송 코일들의 둘 또는 그 이상의 병렬 로우들이 나란한 배열인 것을 구비하는 것이 가능할 것이다. 다른 실시예에서, 전송 코일들의 둘 또는 그 이상의 동일 직선상 로우들이 끝과 끝이 맞닿아 있는 배열인 것을 구비하는 것이 가능할 것이다.

도 9는 전송 코일들의 제1 로우 (32) 및 제2 로우 (33)를 구비한 충전 매트 (31)를 보여준다. 각 로우는 세 개의 전송 코일들 34a 34b 34c 그리고 35a 35b 35c를 각각 가진다. 이 전송 코일들은 도 3에서 보이는 전송 코일과 유사하다는 것이 인식될 것이다. 다른 강제사항들로 인해서 상기 전송 코일들을 더 작게 만들어서, 상기 전송 코일들의 둘 또는 그 이상의 로우들이 상기 충전 매트의 범위 내에 맞을 수 있도록 하는 것이 바람직하다는 것이 인정될 것이다.

도 9에서 보이는 실시예에서, 각 대응 코일은 상기 전송 회로로부터의 동일한 신호 (또는 대안으로, 동상 (in phase)인 신호)에 의해 구동될 수 있을 것이다. 즉, 참조번호 34a의 전송 코일 및 참조번호 35a의 전송 코일은 동일한 위상을 가진 신호에 의해 구동될 수 있으며, 참조번호 34b의 전송 코일 및 참조번호 35b의 전송 코일은 동일한 위상을 가진 신호에 의해 구동될 수 있으며, 그리고 참조번호 34c의 전송 코일 및 참조번호 35c의 전송 코일은 동일한 위상을 가진 신호에 의해 구동될 수 있을 것이다. 도 3 및 도 7에 관련하여 설명된 것과 유사한 이동 장 (travelling field)의 결과가 된다는 것이 인식될 것이다. 그러나, 이 실시예에서 상기 유도성 전력 전송은 2-폴 시스템이 아니라 실제로는 4-폴 (pole) 시스템일 것이라는 것이 인정될 것이다.

위에서 설명된 유도성 전력 전송기는 상기 충전 매트의 충전 표면을 가로질러 이동하는 교번 자기장의 결과를 가져온다는 것이 인정될 것이다. 상기 전송 코일들 사이의 겹침은 두 개의 인접한 전송 코일들 사이에서 보통 발생할 수 있을 음영지점들의 영향을 줄어들게 한다. 동시에, 이것은 수신기들이 (그리고 연관된 휴대용 전자 디바이스들이) 전력을 수신하기 위해 상기 충전 매트의 충전 표면의 어느 곳에라도 위치하는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 이동하는 자기장으로 인해서, 상기 수신기는 수신 코일이 상기 전송 코일들과 동일 평면상에 있지만, 또한 다른 방위에 있을 때에 상기 수신 코일을 이용하여 전력을 수신할 수 있다

본 발명이 본 발명의 실시예들에 대한 설명에 의해 예시되었지만, 그리고 상기 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그런 상세한 내용으로 한정하거나 어떤 방식으로건 제한하는 것은 본 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 유리함들 및 수정들은 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게는 쉽게 나타날 것이다. 그러므로, 더 넓은 모습들에서의 본 발명은 특정의 상세한 내용들, 대표적인 장치 및 방법, 그리고 도시되고 설명된 예시적인 예들로 한정되지 않는다. 따라서, 본 출원인의 일반적인 특허적인 개념의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서도 그런 상세한 내용들로부터 벗어나는 것들이 만들어질 수 있을 것이다.

Claims

유도성 전력 전송기로서,
교번 자기장을 생성하도록 구성되는 복수의 전송 코일들 - 상기 복수의 전송 코일들 내의 각각의 전송 코일은 상기 복수의 전송 코일들 내의 적어도 하나의 다른 전송 코일과 부분적으로 겹치고, 상기 복수의 전송 코일들 내의 상기 전송 코일들은 적어도 2개의 차원에서 서로에 대해 공간적으로 오프셋됨 -; 및
상기 복수의 전송 코일들 내의 상기 전송 코일들 각각에 결합되는 전송 회로 - 상기 전송 회로는 상기 복수의 전송 코일들 내의 인접한 전송 코일들 사이에 위상 시프트를 가지면서 상기 복수의 전송 코일들을 구동하도록 구성되고, 상기 복수의 전송 코일들에 의해 생성된 상기 교번 자기장은 상기 유도성 전력 전송기의 표면을 따라 이동함 -
를 포함하는 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 유도성 전력 전송기는 자기적으로 침투성있는 레이어를 포함하는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우(row)로 배열되고, 상기 유도성 전력 전송기 내에는 전송 코일들의 단 하나의 로우만이 존재하는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열되고, 적어도 전송 코일들의 로우들이 존재하는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 상기 전송 코일들은 로우 내에 규칙적인 분포로 배열되는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열되고, 상기 로우 내의 각 전송 코일은 상기 로우 내 모든 다른 전송 코일들과 부분적으로 겹치는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열되고, 상기 로우 내 각 전송 코일은 동일한 크기인, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열되고, 상기 로우 내의 각 전송 코일은 상기 로우의 방향에 평행한 전송 코일 폭 그리고 상기 로우의 방향에 수직인 전송 코일 길이에 의해 한정되는, 유도성 전력 전송기.
제8항에 있어서,
n이 상기 로우 내 전송 코일들의 개수일 때에, 상기 로우 내의 각 전송 코일은 상기 로우 내의 바로 인접한 전송 코일과 상기 전송 코일 폭의 (n-1)/n 만큼 부분적으로 겹치는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 유도성 전력 전송기는 충전 표면을 구비한 충전 매트에 통합되는, 유도성 전력 전송기.
제10항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 상기 전송 코일들은 상기 충전 표면과 동일 평면에 있는, 유도성 전력 전송기.
제10항에 있어서,
상기 충전 표면은 충전 표면 길이 및 충전 표면 폭에 의해 한정되는, 유도성 전력 전송기.
제12항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열되고, 상기 로우 내 각 전송 코일은 상기 로우의 방향에 평행인 전송 코일 폭 그리고 상기 로우의 방향에 수직인 전송 코일 길이에 의해 한정되는, 유도성 전력 전송기.
제13항에 있어서,
상기 전송 코일 길이는 상기 충전 표면 폭과 동일한, 유도성 전력 전송기.
제13항에 있어서,
n이 상기 로우 내 전송 코일들의 개수일 때에, 상기 전송 코일 폭은 상기 충전 표면 길이의 n/(2n-1)인, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 각 전송 코일은 공진 커패시터에 결합되어 공진 회로를 생성하는, 유도성 전력 전송기.
제16항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 각 전송 코일은 상기 공진 커패시터에 병렬로 결합되는, 유도성 전력 전송기.
제16항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 각 전송 코일은 상기 공진 커패시터에 직렬로 결합되는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
n이 상기 유도성 전력 전송기 내의 전송 코일들의 전체 개수일 때에, 상기 복수의 전송 코일들 내의 각 전송 코일은 상기 복수의 전송 코일들 내의 바로 인접한 전송 코일에 의해 생성된 교번 자기장에 대해 180/n 도 위상 시프트되는 교번 자기장을 생성하는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들 내의 각 전송 코일은 개별 전송 회로에 결합되는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 전송 회로는 상기 복수의 전송 코일들 내의 상기 전송 코일들 모두에 의해 공유되는 단일 전송 회로를 포함하고, 상기 단일 전송 회로는 다중 위상 신호를 생성하도록 구성되는, 유도성 전력 전송기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송 코일들은 로우로 배열된 3개의 전송 코일을 포함하는, 유도성 전력 전송기.
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