KR102669965B1 - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 송신 시스템이 제공된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 코어 및 코어의 중앙부에 권선된 도선을 포함하는 다이폴 코일, 도선에 전류를 공급하는 전원부 및 다이폴 코일의 측면에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 코일을 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템{WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS AND WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
본 개시는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 다이폴 코일 구조를 갖는 송수신부의 누설 자기장을 상쇄할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
기존의 무선 전력 전송 장치에서는 주로 루프형 코일을 이용하여 자기 유도 방식으로 전력을 송수신하였다. 하지만, 루프형 코일을 이용하는 경우는 다이폴 코일을 이용하는 경우에 비하여, 상호 인덕턴스가 작고, 장거리 무선 전력 송신에는 이용될 수 없는 문제점이 존재하였다.
다만, 다이폴 코일을 이용하는 경우에는, 송신 장치와 수신 장치 사이의 전력 전송을 위한 결합 자기장 이외에도, 주변 공간으로 방사되는 누설 자기장이 크다는 문제점이 존재하였다.
특히, 무선 전력 전송을 위한 고주파 자기장이 발생되는 송수신 장치 코일 근처(예를 들어, 송수신 장치로부터 30 cm 이내)에서는 누설 자기장의 크기가 국제 자기장 규격을 초과할 가능성이 크다.
따라서, 송수신 장치 주변에 사람이 위치하는 경우에 대비하여, 누설되는 자기장의 크기를 줄여줄 필요성이 있다.
본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 누설 자기장을 상쇄하는 자기장을 발생시켜 고주파 자기장에 노출되는 인체의 안전을 확보할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 코어 및 상기 코어의 중앙부에 권선된 도선을 포함하는 다이폴 코일, 상기 도선에 전류를 공급하는 전원부 및 상기 다이폴 코일의 측면에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 코일을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 상쇄 코일은, 상기 다이폴 코일의 좌측 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일 및 상기 다이폴 코일의 우측 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상쇄 코일은 폐루프로 이루어진 루프 코일 형상이 아닌 코어를 사용하는 다이폴 코일 형상을 갖을 수 있다.
그리고, 상기 상쇄 코일은, 상기 다이폴 코일의 전방 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일 및 상기 다이폴 코일의 후방 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은 단일 다이폴 코일로 구성되는 일체형 및 복수의 다이폴 코일로 구성되는 분산형 중 하나의 형상일 수 있다.
그리고, 상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은, 사각형 폐선이 평행하게 두 번 절곡된 형상을 갖을 수 있다.
또한, 상기 제1 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 ']' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 '[' 형상을 갖고, 상기 제2 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 '[' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 ']' 형상을 갖을 수 있다.
그리고, 상기 다이폴 코일의 좌측 일부는 상기 제1 상쇄 코일 내에 배치되고, 상기 다이폴 코일의 우측 일부는 상기 제2 상쇄 코일 내에 배치될 수 있다.
또한, 상기 상쇄 코일은, 상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 사이에, 상기 다이폴 코일의 측면과 평행하게 배치된 사각형 폐선 형태의 복수의 제3 상쇄 코일을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 상쇄 코일은, 상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장에 의해 유도 기전력이 생성되고, 상기 생성된 유도 기전력에 따라 상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사할 수 있다.
또한, 상기 상쇄 코일이 상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사하도록 하는 전류를 상기 상쇄 코일에 공급하는 상쇄 전원부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 상쇄 전원부는, 상기 전원부가 공급하는 전류와 180도 위상차를 갖는 전류를 상기 상쇄 코일에 공급할 수 있다.
또한, 상기 상쇄 코일은, 유도성 부하의 임피던스를 갖을 수 있다.
그리고, 상기 다이폴 코일 하부 또는 측면에 배치되어 상기 다이폴 코일의 하부 또는 측면에서 방사된 자기장을 차폐하는 금속판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다이폴 형태의 상쇄 코일의 상부에서 방사된 자기장을 차폐하는 금속판을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 무선 전력 수신 장치 및 제1 코어 및 상기 제1 코어의 중앙부에 권선된 제1 도선을 포함하는 제1 다이폴 코일, 상기 무선 전력 수신 장치가 배치된 방향을 제외한 방향으로 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치를 포함하고, 상기 무선 전력 수신 장치는, 상기 무선 전력 송신 장치에서 방사된 자기장이 인가되면 전류를 발생시키는 제2 코일을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 코일은, 제2 코어 및 상기 제2 코어의 중앙부에 권선된 제2 도선을 포함하는 제2 다이폴 코일일 수 있다.
또한, 상기 상쇄 코일은, 상기 제1 다이폴 코일의 좌측 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일 및 상기 제1 다이폴 코일의 우측 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일을 포함하고, 상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은, 사각형 폐선이 평행하게 두 번 절곡된 형상을 갖을 수 있다.
그리고, 상기 제1 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 ']' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 '[' 형상을 갖고, 상기 제2 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 '[' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 ']' 형상을 갖을 수 있다.
이상과 같은 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 다이폴 코일 구조를 이용한 무선 전력 전송을 하면서도, 코일 근방에서 누설되는 자기장을 국제 자기장 규격 이하로 감소시키는 효과가 획득된다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 개념도,
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 자기장 상쇄를 설명하기 위한 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제3 상쇄 코일의 권선수를 증가시키는 방법을 도시한 도면,
도 6a 내지 도 7은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면,
도 8 및 도 9는 상쇄 코일을 등가 회로로 모델링한 경우를 도시한 도면,
도 10 내지 도 11b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 누설 자기장 상쇄 효과를 설명하기 위한 실험 데이터를 도시한 도면, 그리고,
도 12는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 개시의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 동작, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 동작, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템(1000)을 도시한 개념도이다. 도 1의 실시 예와 같이, 벽걸이 TV와 같은 디스플레이 장치(300) 내부에 무선 전력 수신 장치(200)가 포함될 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(100)는 디스플레이 장치(300) 하부에 별도의 막대형 박스 형태로 설치될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치(100)는 영상 처리 기능, 셋톱 박스 기능을 수행하는 구성과 일체형으로 구현될 수도 있다. 이러한 경우, 무선 전력 전송 장치(100)는 디스플레이 장치(300)에 전력뿐만 아니라 영상 데이터, 방송 신호 등을 무선으로 전송할 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치(300)는 디스플레이 패널(미도시), 무선 전력 수신 장치(200) 및 최소한의 제어 회로 구성만을 포함하면 되는바, 보다 얇은 두께의 디스플레이 장치(300)가 구현될 수 있다.
도 1의 실시 예에서 보이듯, 무선 전력 전송 장치(100)는 사용자와 근접한 위치에 배치될 가능성이 높은바, 사용자가 국제 자기장 규격 이상으로 누설 자기장에 노출되지 않도록 자기장을 상쇄시켜야 할 필요성이 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)는 다이폴 코일 구조에 적용될 수 있는 누설 자기장을 상쇄시키는 구성을 포함할 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 전송 장치(100)는 누설되는 자기장이 국제 자기장 규격(예를 들어, ICNIRP Guildline에 따를 경우 27 uT, EN62233에 따를 경우 6.25 uT)이하가 되도록 설계될 수 있다. 보다 구체적인 내용에 대해서는 이하의 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)를 도시한 도면이다. 무선 전력 전송 장치(100)는 코어(110), 도선(120), 상쇄 코일(130), 금속판(140)을 포함할 수 있다. 상쇄 코일(130)의 구조를 상세히 살피기 위하여 전원부(150) 구성은 미도시하였다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(100)는 코어(110) 및 코어(110)의 중앙부에 권선된 도선(120)을 포함하는 다이폴 코일을 포함할 수 있다. 구조 특성에 의하여, 다이폴 코일은 도선(120)에 전류가 공급되면 3차원의 전 방향으로 자기장을 방사할 수 있다.
코어(110)는 자속 전달을 증가시키기 위해 사용된다. 코어(110)는 길이 방향으로 길쭉한 형상을 갖는다. 예를 들어, 코어(110)는 도 2에 도시된 것과 같은 균일한 굵기를 갖을 수 있다.
다른 예로, 코어(110)는 길이 방향으로 중앙부의 굵기를 가장 굵게하고, 양 끝단으로 갈수록 가늘어지는 형태로 구현될 수도 있다. 판형의 직사각형 코어 부재가 복수 개 겹쳐져 이와 같은 형태로 구현될 수도 있다. 코어(110)의 굵기를 길이 방향으로 상이하게 구현하는 실시 예는 코어(110)로부터의 거리가 일정하면 무선전력 전달을 위한 자기장의 세기가 보다 균등하게 분포되는 이점이 있다.
도선(120)은 코어(110)의 중앙부에 권선될 수 있다. 예를 들어, 도선(120)은 코어(110)의 중앙부에 나선형으로 감길 수 있다. 도선(120)에 전류가 흐름에 따라, 다이폴 코일은 자기장을 방사할 수 있다.
전원부(150, 미도시)는 도선(120)에 연결되어 전류를 공급할 수 있다. 전원부(150)는 직류 전원을 공급하는 파워 서플라이(151) 및 공급된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(153)을 포함할 수 있다. 전원부(150)는 도선(120)에 교류 전원을 공급한다.
도 2의 실시 예에서는 무선 전력 전송 장치(100)의 상부에 무선 전력 수신 장치(200)가 배치된 경우를 가정하였다. 무선 전력 전송 장치(100)는 상부 방향을 제외한 나머지 방향으로 방사되는 자기장을 상쇄 또는 차폐할 수 있다.
상쇄 코일(130)은 다이폴 코일의 측면에서 방사된 자기장을 상쇄할 수 있다. 상쇄 코일(130)에서는 다이폴 코일에서 방사된 자기장에 의해 유도 기전력이 생성될 수 있다. 그리고, 생성된 유도 기전력에 의해 상쇄 코일(130)에서는 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장이 방사될 수 있다. 상쇄 코일(130)을 통과하는 자속의 변화를 줄이는 방향으로 유도 기전력이 발생되기 때문이다.
이를 위해, 상쇄 코일(130)의 임피던스를 유도성 부하(inductive load)로 설계할 수 있다.상쇄 코일(130)의 임피던스가 유도성 부하로 설계되면, 유도 기전력에 의해 상쇄 코일(130)에서 발생되는 전류는 다이폴 코일에서 방사되는 자기장과 180도 위상차를 갖는 상쇄 자기장을 방사할 수 있다.
다이폴 코일의 구조를 고려할 때, 도 2에 도시된 것과 같은 형태의 상쇄 코일(130)이 구비되면 다이폴 코일의 측면 방향으로 방사되는 누설 자기장을 상쇄시킬 수 있다.
구체적으로, 상쇄 코일(130)은 다이폴 코일의 좌측 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일(131) 및 다이폴 코일의 우측 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일(132)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)은 기설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132) 각각은 사각형 폐선이 평행하게 두 차례 절곡된 형상을 갖는다. 도 2을 참조하여 제1 및 제2 상쇄 코일(131, 132)의 형상을 구체적으로 설명하기로 한다.
제1 상쇄 코일(131)은 다이폴 코일을 기준으로 전면에서 바라볼 때 ']' 형상을 갖고, 상부에서 바라볼 때 '[' 형상을 갖는다. 제2 상쇄 코일(132)은 다이폴 코일의 중앙부를 기준으로 제1 상쇄 코일(131)과 대칭된 형상을 갖는다. 제2 상쇄 코일(132)은 다이폴 코일을 기준으로 전면에서 바라볼 때 '[' 형상을 갖고, 상부에서 바라볼 때 ']' 형상을 갖는다.
다이폴 코일의 좌측 일부는 제1 상쇄 코일(131) 내에 배치되며, 다이폴 코일의 우측 일부는 제2 상쇄 코일(132)의 내에 배치될 수 있다.
금속판(140)은 다이폴 코일의 하부에 배치되어, 다이폴 코일의 하부로 방사되는 자기장을 차폐할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 대응되는 구조를 갖는다. 즉, 무선 전력 수신 장치(200)는 코어(210), 코어(210)의 중앙부에 권선된 도선(220), 상쇄 코일(230)을 포함할 수 있다. 다만, 전원부(240)는 정류기를 포함하여 유도된 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여, 상쇄 코일(130)이 다이폴 코일에서 누설되는 자기장을 상쇄하는 원리를 설명하기로 한다.
상쇄 코일(130)이 없는 경우인 도 3a를 살펴보면, 무선 전력 전송 장치(100)의 송신 코일(Tx)은 수신 코일(Rx) 방향으로의 자속(+z 방향인 φmp) 이외의 다른 방향으로 누설되는 자속(φ/1)이 존재한다.
상쇄 코일(130)은 수신 코일(Rx) 방향을 제외한 측면 방향(전면부 방향인 -y 방향, 후면부 방향인 +y 방향, 및 좌우 측면 방향인 -x, +x 방향)으로 방사되는 자기장을 상쇄할 수 있다.
도 3b는 상부에서 무선 전력 전송 장치(100)를 바라본 도면이다. 다이폴 코어의 좌측 영역에 배치된 제1 상쇄 코일(131)은 상부에서 바라볼 때 '[' 형상을 갖고, 다이폴 코어의 우측 영역에 배치된 제2 상쇄 코일(132)은 상부에서 바라볼 때 ']' 형상을 갖는다. 또한, 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)은 다이폴 코일 중앙 부분에서 dc1만큼 이격되어 배치된다. 그리고, 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)은 다이폴 코일의 양 끝단과 dc2만큼 이격되어 배치된다.
상쇄 코일(130)은 측면으로 방사되는 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사할 수 있다. 상쇄 코일(130)이 적용되면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 송신 코일(Tx)와 상쇄 코일(Canceling Coil) 간에 쇄교되는 자속 φmc이 증가함에 따라 송신 코일(Tx)에서 발생되는 누설 자속 φ/1은 감소하게 된다.
그리고, 송신 코일(Tx)의 누설 자속 성분 중 -z 방향의 누설 자속은 금속판(140)을 이용하여 차폐(shielding)할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)뿐만 아니라 무선 전력 수신 장치(200) 쪽의 수신 코일(Rx)에도 동일한 원리로 상쇄 코일(230)을 배치할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100')를 도시한 도면이다. 다이폴 코일에서 발생하는 누설 자기장은 다이폴 코일의 길이방향 위치에 따라 크기가 상이하다. 다이폴 코일의 중앙 부분의 누설 자기장이 다이폴 코일의 양 끝단의 누설 자기장보다 크다.
도 2에 도시된 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 경우, 상쇄 코일(130)에서 발생되는 자기장의 크기가 상쇄 코일(130)의 모든 위치에서 동일하다. 이에 반해, 도 4a 및 도 4b에 도시된 무선 전력 전송 장치(100')는 다이폴 코일의 위치마다 상이한 누설 자기장을 최대한 상쇄시킬 수 있도록, 서로 다른 상쇄 자기장을 방사하는 복수의 제3 상쇄 코일(133)을 더 포함할 수 있다.
복수의 제3 상쇄 코일(133)은 사각형 폐선 형태로 구현될 수 있다. 그리고, 복수의 제3 상쇄 코일(133)은 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132) 사이에 배치되며, 다이폴 코일의 측면과 평행하게 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조할 때, 상대적으로 다이폴 코일의 중앙 부분에 가까운 제3 상쇄 코일(133-2, 133-3, 133-6, 133-7)에서 방사되는 상쇄 자기장이 나머지 제3 상쇄 코일(133-1, 133-4, 133-5, 133-8), 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)에서 방사되는 상쇄 자기장보다 클 수 있다. 그리고, 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)에서 방사되는 상쇄 자기장이 가장 작을 수 있다.
상쇄 코일의 권선수를 다르게 설정하거나, 공진 커패시터를 가변하여 상쇄 코일에 흐르는 전류의 세기를 다르게 설정하여, 복수의 제3 상쇄 코일(133) 각각은 방사하는 상쇄 자기장의 크기를 변경할 수 있다. 또 다른 예로, 복수의 상쇄 코일(130) 각각에 상쇄 전원부(160)를 연결하고, 각각의 상쇄 전원부(160)에서 상이한 크기의 전류를 공급할 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제3 상쇄 코일(133)의 권선수를 증가시키는 방법을 도시한 도면이다. 권선수가 증가되면, 제3 상쇄 코일(133)에서 방사되는 상쇄 자기장의 크기가 커진다. 따라서, 다이폴 코일의 중앙 부분에 가깝게 배치될수록, 제3 상쇄 코일(133)의 권선수가 증가되어야 한다.
도 5a를 참조하면, 제3 상쇄 코일(133)은 두께 방향으로 도선의 권선수를 증가시킬 수 있다. 도 5b를 참조하면, 제3 상쇄 코일(133)은 내측 방향으로 도선의 권선수를 증가시킬 수 있다.
도 5a의 실시 예는 권선수가 2배 증가하면 다이폴 코일에서 방사된 자속의 쇄교량이 2배 증가되어, 쉽게 상쇄 코일(130)의 상쇄 자기장을 증가시킬 수 있다. 하지만, 무선 전력 전송 장치(100) 중앙 부분의 두께가 두꺼워질 수 있다.
도 5b의 실시 예는 각 제3 상쇄 코일(133)의 두께를 일정하게 유지할 수 있다. 하지만, 권선수가 2배가 되더라도 다이폴 코일에서 방사된 자속의 쇄교량이 2배보다 작게 증가된다.
소형화의 요구와 상쇄 자기장의 증가량이 일종의 트레이드 오프 관계에 놓이게 됨을 알 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(100')의 실제 구현 스펙에 따라, 도 5a 및 도 5b에 도시된 권선수를 증가시키는 방법이 적절히 조합 사용될 수 있다.
다른 예로, 복수의 제3 상쇄 코일(133)의 권선수는 고정하고, 공진 커패시터의 크기를 변경하여 상쇄 자기장의 크기를 변경할 수도 있다. 공진 커패시터의 크기를 변경하는 실시 예에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 다시 설명하기로 한다.
만일 도 1의 실시 예에서 디스플레이 장치(300) 및 무선 전력 전송 장치(100)가 배치된 후면의 벽이 콘크리트 등으로 구성되어, 후방으로의 누설 자기장을 고려하지 않아도 되는 경우가 존재한다. 이러한 경우에는 상쇄 코일(130)의 형태를 보다 단순화할 수 있다.
도 6a에 도시된 무선 전력 전송 장치(100'')는 도 2의 실시 예에서 후면에 존재하는 상쇄 코일(130)을 제거한 실시 예이다. 그리고, 도 6b에 도시된 무선 전력 전송 장치(100'')는 도 4a의 실시 예에서 후면에 존재하는 상쇄 코일(130)을 제거한 실시 예이다. 이와 같이 설치 환경을 고려하여 특정 방향의 상쇄 코일(130)을 제거한 변형 실시 예들이 구현될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100''')를 도시한 도면이다. 도 7의 실시 예에서, 무선 전력 전송 장치(100''')는 상쇄 전원부(160)를 더 포함할 수 있다.
상쇄 전원부(160)는 상쇄 코일(130)에 직접 전류를 공급하여, 상쇄 코일(130)이 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사하도록 할 수 있다. 상쇄 전원부(160)는 전원부(150)가 다이폴 코일의 도선(120)에 공급하는 교류 전류와 180도 위상차를 갖는 전류를 상쇄 코일(130)에 공급할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상쇄 전원부(161, 163)는 제1 상쇄 코일(131) 및 제2 상쇄 코일(132)에 각각 연결되어 교류 전류를 공급할 수 있다. 복수의 제3 상쇄 코일(133)이 포함되는 실시 예에서, 상쇄 전원부(160)는 복수의 제3 상쇄 코일(133) 각각에 연결되어 교류 전류를 공급할 수 있다. 그리고, 상쇄 전원부(160)는 복수의 제3 상쇄 코일(133)의 배치 위치에 따라 다른 크기의 교류 전류를 공급할 수 있다.
도 8은 상쇄 코일(130)을 등가 회로로 모델링한 경우를 도시한 도면이다. 상단 좌측의 회로는 상쇄 코일(130)을 제외한 무선 전력 전송 장치(100)를 나타낸다. 상단 우측의 회로는 무선 전력 수신 장치(200)를 나타낸다. 그리고, 하단의 회로는 상쇄 코일(130)을 나타낸다.
상쇄 코일(130)의 배치 형태에 의하여, 상쇄 코일(130)과 무선 전력 수신 장치(200)는 물리적으로 90도 관계에 있기 때문에 결합 계수가 0이다. 따라서, 상쇄 코일(130)은 무선 전력 전송 장치(100)와만 자기 결합된 것으로 모델링할 수 있다. 상쇄 코일(130)은 무선 전력 전송 장치(100)의 다이폴 코일과 Lmc의 상호 인덕턴스를 갖고 결합된다.
도 9는 상쇄 코일(130)의 형상 및 등가 회로를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하며, 공진 커패시터를 변경하여 상쇄 코일(130)의 상쇄 자기장의 크기를 변경하는 방법을 설명하기로 한다.
다이폴 코일에서 발생된 자기장 B1,avg가 상쇄 코일(130)에 쇄교하면, 상쇄 코일(130)에서는 유도 기전력에 의해 Voc의 전압이 유도된다(수학식 1 참조). 수학식 1에서 ωs는 전류의 주파수, Nc는 상쇄 코일(130)의 권선수, Ac는 상쇄 코일(130)의 다이폴 코일에서 발생된 자기장이 쇄교되는 단면적을 의미한다.
Figure 112016086517862-pat00001
B1,avg 값은 다이폴 코일의 길이 방향 위치에 따라 발생되는 자기장(B1(x))이 상이하기 때문에 수학식 2와 같이 계산될 수 있다. 수학식 2에서 lc는 코어(110)의 길이를 의미한다.
Figure 112016086517862-pat00002
유도 기전력 Voc로부터 상쇄 코일(130)에 발생되는 전류는 수학식 3과 같이 계산될 수 있다. rc는 상쇄 코일(130)의 내부 저항, Lc는 상쇄 코일(130)의 공진 인덕턴스, Cc는 상쇄 코일(130)의 공진 커패시터, Le는 Lc와 Cc에 의한 유효 인덕턴스이다.
Figure 112016086517862-pat00003
수학식 3에 기재된 것과 같이, 상쾌 코일(130)의 공진 커패시터 Cc를 가변하여 상쇄 코일(130)에 유도되는 전류 Ic의 크기가 변경될 수 있다. 다이폴 코어의 길이 방향으로 배치된 위치에 따라, 복수의 상쇄 코일(130) 각각의 공진 커패시터는 상이하게 조정될 수 있다.
상쇄 코일(130)에서 발생되는 상쇄 자기장은 수학식 4와 같이 계산될 수 있다. 상쇄 코일(130)의 부하를 유도성 부하로 설계하면, 상쇄 코일(130)의 전류 Ic는 전원부(150)에서 공급되는 전류와 180도 위상차를 갖게 된다.
상쇄 코일(130)에서 발생된 상쇄 자기장은 임의의 (x,y) 지점의 유효 거리인 de에서 다이폴 코일에서 발생된 누설 자기장을 상쇄시킬 수 있다. α는 세 방향의 유한도선들에 의해 결정되는 임의의 상수이다.
Figure 112016086517862-pat00004
이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)는 주어진 fs, Nc, Ac, de의 상황에서 Cc를 조절함으로써, Bc 발생을 통해 B1,avg를 상쇄하여 사용자가 자기장으로부터 안전할 수 있도록 low EMF를 구현할 수 있다.
도 10 내지 도 11b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 누설 자기장 상쇄 효과를 설명하기 위한 실험 데이터를 도시한 도면이다.
도 10은 무선 전력 전송 장치(100)의 암페어턴이 140AT이고, 무선 전력 수신 장치(200)의 암페어턴이 90AT인 경우의 실험 데이터이다. 도 10은 상쇄 코일(130)을 구비한 무선 전력 전송 장치(100)의 전면(-y방향)으로 30 cm 지점에서의 자기장을 측정한 그래프이다.
도 10의 경우에 상쇄 코일(130)의 최적 암페어턴은 100AT임을 알 수 있다. 상쇄 코일(130)이 적용된 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)는 별도의 상쇄 전원부(160) 없이도 약 75%의 자기장 감쇄 효과를 얻을 수 있다.
이러한 효과는 도 11a 및 도 11b를 통해서도 확인할 수 있다. 도 11a는 상쇄 코일(130)을 적용하지 않은 경우의 자기장 분포도이고, 도 11b는 상쇄 코일(130)이 적용된 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 자기장 분포도이다. 이들을 비교하면, 자기장의 분포 위치에서도 차이가 발생한 것이 확인할 수 있으며, 최대 자기장의 크기가 1/3 수준으로 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 상쇄 코일(130)이 폐루프로 이루어진 루프 코일 형상이 아닌 코어를 사용하는 다이폴 코일 형상을 갖는 상쇄 코일(1201, 1203, 1205, 1207)일 수 있다. 다이폴 형상의 상쇄 코일은 다이폴 코일(100)의 전방 영역에 배치된 제1 상쇄 코일(1201, 1203) 및 다이폴 코일(100)의 후방 영역에 배치된 제2 상쇄 코일(1205, 1207)로 구성될 수 있다.
도 12의 실시 예에서는, 제1 상쇄 코일(1201, 1203) 및 제2 상쇄 코일(1205, 1207)이 각각 2개의 다이폴 코일로 구성되어 있다. 하지만, 다이폴 코일(100)의 전방과 후방에 각각 배치되는 다이폴 형상의 상쇄 코일이 반드시 2개로 구현되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 상쇄 코일 및 제2 상쇄 코일은 단일의 일체형 다이폴 코일일 수 있다. 다른 예로, 제1 상쇄 코일 및 제2 상쇄 코일은 복수의 분산형 다이폴 코일일 수 있다. 또 다른 예로, 제1 상쇄 코일은 단일 다이폴 코일로 구성되고, 제2 상쇄 코일은 복수의 다이폴 코일로 구성될 수도 있다.
그리고, 제1 상쇄 코일(1201, 1203) 및 제2 상쇄 코일(1205, 1207) 자체에서도 자기장이 방사되는바, 다이폴 형상의 상쇄 코일 각각의 상부에 금속판(1220, 1230)이 배치될 수 있다. 금속판(1220, 1230)은 제1 상쇄 코일(1201, 1203) 및 제2 상쇄 코일(1205, 1207)의 상부에서 방사된 자기장을 차폐할 수 있다.
또한, 도 12의 실시 예에서는, 판형의 직사각형 코어 부재를 복수 개 겹쳐지게 배치하여, 코어가 길이 방향으로 중앙부의 굵기를 가장 굵게하고, 양 끝단으로 갈수록 가늘어지는 형태로 구현하였다. 하지만, 코어의 형태가 이에 한정되는 것은 아니며, 코어의 굵기가 길이 방향으로 균등한 형태로 구현될 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 루프 코일 방식보다 상호 인덕턴스가 크고 장거리 무선 전력 전송에 유리한 다이폴 코일 방식을 이용하면서도, 누설되는 자기장을 상쇄하여 사용자의 안전을 도모할 수 있다.
이상과 같이 본 개시는 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 개시는 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1000: 무선 전력 전송 시스템 100: 무선 전력 전송 장치
200: 무선 전력 수신 장치 110: 코어
120: 도선 130: 상쇄 코일
140: 금속판 150: 전원부

Claims (18)

  1. 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    코어 및 상기 코어의 중앙부에 권선된 도선을 포함하는 다이폴 코일;
    상기 도선에 전류를 공급하는 전원부;
    상기 다이폴 코일의 측면에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 코일; 및
    상기 다이폴 코일 하부 또는 측면에 배치되어 상기 다이폴 코일의 하부 또는 측면에서 방사된 자기장을 차폐하는 금속판;을 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    상기 다이폴 코일의 좌측 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일; 및
    상기 다이폴 코일의 우측 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일;을 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은,
    사각형 폐선이 평행하게 두 번 절곡된 형상을 갖는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 ']' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 '[' 형상을 갖고,
    상기 제2 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 '[' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 ']' 형상을 갖는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 다이폴 코일의 좌측 일부는 상기 제1 상쇄 코일 내에 배치되고, 상기 다이폴 코일의 우측 일부는 상기 제2 상쇄 코일 내에 배치되는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 사이에, 상기 다이폴 코일의 측면과 평행하게 배치된 사각형 폐선 형태의 복수의 제3 상쇄 코일;을 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    상기 다이폴 코일의 전방 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일; 및
    상기 다이폴 코일의 후방 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일;을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 상쇄 코일은 다이폴 코일 형상을 갖는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은 단일의 일체형 다이폴 코일 및 복수의 분산형 다이폴 코일 중 하나의 형상을 갖는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장에 의해 유도 기전력이 생성되고, 상기 생성된 유도 기전력에 따라 상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상쇄 코일이 상기 다이폴 코일에서 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 자기장을 방사하도록 하는 전류를 상기 상쇄 코일에 공급하는 상쇄 전원부;를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상쇄 전원부는,
    상기 전원부가 공급하는 전류와 180도 위상차를 갖는 전류를 상기 상쇄 코일에 공급하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    유도성 부하의 임피던스를 갖는 무선 전력 전송 장치.
  13. 삭제
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일의 상부에서 방사된 자기장을 차폐하는 금속판;을 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  15. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    무선 전력 수신 장치;
    제1 코어 및 상기 제1 코어의 중앙부에 권선된 제1 도선을 포함하는 제1 다이폴 코일;
    상기 무선 전력 수신 장치가 배치된 방향을 제외한 방향으로 방사된 자기장을 상쇄하는 상쇄 코일; 및
    상기 다이폴 코일 하부 또는 측면에 배치되어 상기 다이폴 코일의 하부 또는 측면에서 방사된 자기장을 차폐하는 금속판;을 포함하는 무선 전력 송신 장치;를 포함하고,
    상기 무선 전력 수신 장치는,
    상기 무선 전력 송신 장치에서 방사된 자기장이 인가되면 전류를 발생시키는 제2 코일을 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 코일은,
    제2 코어 및 상기 제2 코어의 중앙부에 권선된 제2 도선을 포함하는 제2 다이폴 코일인 무선 전력 전송 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 상쇄 코일은,
    상기 제1 다이폴 코일의 좌측 영역에 배치되는 제1 상쇄 코일; 및
    상기 제1 다이폴 코일의 우측 영역에 배치되는 제2 상쇄 코일;을 포함하고,
    상기 제1 상쇄 코일 및 상기 제2 상쇄 코일 각각은, 사각형 폐선이 평행하게 두 번 절곡된 형상을 갖는 무선 전력 전송 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 ']' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 '[' 형상을 갖고,
    상기 제2 상쇄 코일은 상기 다이폴 코일을 기준으로 전면이 '[' 형상을 가지며, 상기 다이폴 코일을 기준으로 상부면이 ']' 형상을 갖는 무선 전력 송신 시스템.



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