KR20120116801A

KR20120116801A - 무선 전력 전송 회로, 무선 전력 송신기 및 수신기

Info

Publication number: KR20120116801A
Application number: KR1020110034456A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-23

Abstract

본 발명은 소위 자기 공진 현상을 이용한 무선 전력 전송에 있어서, 코일 구조 및 상기 코일 구조를 포함하는 송신부와 수신부에 관한 것으로서, 리츠 코일과 일반 단일선 코일을 함께 결합하여 사용함으로써 종래에 주로 사용되던 리츠 코일의 단점을 보완할 수 있는 무선 전력 전송 회로, 무선 전력 송신기 및 수신기에 관한 것이다.

Description

무선 전력 전송 회로, 무선 전력 송신기 및 수신기{A WIRELESS POWER TRANSMISSION CIRCUIT, A WIRELESS POWER TRANSMITTER AND RECEIVER}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 소위 자기 공진 현상을 이용한 무선 전력 전송에 있어서, 코일 구조 및 상기 코일 구조를 포함하는 송신부와 수신부에 관한 것으로서, 리츠 코일과 일반 단일선 코일을 함께 결합하여 사용함으로써 종래에 주로 사용되던 리츠 코일의 단점을 보완할 수 있는 무선 전력 전송 회로, 무선 전력 송신기 및 수신기에 관한 것이다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

종래에는 리츠 와이어로 구성된 코일에 도 5의 (b)와 같이 캐패시터를 연결하기 위해서는 리츠 와이어에 코팅된 피복을 제거하여야 하는데 이를 위해 약품 처리를 하거나, 물리적인 추가 공정을 필요로 했다. 리츠 와이어는 다수의 절연된 전선으로 구성되기 때문에, 두 경우 모두 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 든다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 회로는, 리츠(Litz) 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부; 상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선함으로써 형성된 단일선 코일부; 및 상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 전력 소스와 연결되어 자기장을 형성하는 송신 코일부와 상기 송신 코일부와 커플링되어 전력을 송신하는 송신용 공진 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부 또는 송신용 공진 코일부는 각각, 리츠 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부; 상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선함으로써 형성된 단일선 코일부; 및 상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는, 송신용 공진 코일부로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신용 공진 코일부; 및 상기 수신용 공진 코일부가 수신한 전력을 수신하여 부하로 전달하는 수신 코일부를 포함하고, 상기 수신용 공진 코일부 및 수신 코일부는 각각, 리츠 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부; 상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선함으로써 형성된 단일선 코일부; 및 상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함한다.

본 발명에 따르면, 리츠 와이어와 일반 단일선을 결합하여 코일을 구성함으로써 리츠 와이어의 피복 제거 작업을 생략하여 코일 제조를 위한 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일(21)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(10)와 송신부(20)의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 종래 기술에 따른 코일의 구성을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 솔레노이드 타입으로 권선된 코일을 나타내고, 도 7은 스파이럴 타입으로 권선된 코일을 나타낸다.
도 8은 리츠 와이어의 구조를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일의 구조를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 타입 코일 구조를 나타내고, 도 11은 스파이럴 타입 코일 구조를 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보아 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.

전력 소스(10)에서 생성된 전력은 송신기(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 송신부(20)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 수신기(30)로 전달된다. 수신기(30)로 전달된 전력은 정류회로(40)를 거쳐 부하(50)로 전달된다. 부하(50)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(10)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.

송신기(20)는 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)로 구성된다. 송신 코일(21)은 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신기(20)와 공진 회로를 이루는 수신기(30)로 전달된다.

자기 공진에 의한 전력 전송은 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로간에 전력이 전송되는 현상으로써, 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전달할 수 있다.

수신기(30)는 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)로 구성된다. 송신용 공진 코일(22)에 의해 송신된 전력은 수신용 공진 코일(31)에 의해 수신되어 수신용 공진 코일(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신용 공진 코일(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일(32)로 전달된다. 수신코일(32)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 통해 정류되어 부하(50)로 전달된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 코일(21)의 등가 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신 코일(21)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다. 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신용 공진 코일(22), 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(10)와 송신부(20)의 등가회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 코일(21)과 송신용 공진 코일(22)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1,L2)와 캐패시터(C1,C2)로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가회로를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3,L4)와 캐패시터(C3,C4)로 구성될 수 있다. 평활 회로(40)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력한다. 부하(50)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.

도 5는 종래 기술에 따른 코일의 구성을 나타낸다. 종래에는 도 5의(a)와 같이 와이어를 단순하게 권선하여 코일을 형성하거나, 캐패시턴스 값을 확보하기 위해서 도 5의 (b)와 같이 캐패시터를 추가로 연결하여 구성하였다. 도 5와 같이 구성된 코일은 송신 코일(21), 송신용 공진 코일(22), 수신용 공진 코일(31) 또는 수신 코일(32)로 사용되었다.

실질적으로, 도 5에 도시된 코일은 도 6과 같은 솔레노이드 타입으로 권선될 수도 있고, 도 7과 같은 스파이럴 타입으로 권선될 수도 있다. 솔레노이드 타입 코일은 코어(41) 상에 보빈(42)을 장착하고, 보빈(42)의 길이 방향으로 와이어(43)를 권선하여 형성된다. 스파이럴 타입 코일은 코어(51)를 중심으로 안에서 밖으로 와이어를 권선하여 형성된다.

도 6 또는 도 7에 도시된 코일의 와이어로는 통상적으로 도 8의 (b)에 도시된 리츠(Litz) 와이어가 사용된다. 도 8의 (a)에 도시된 단일선과 달리, 도 8의 (b)에 도시된 리츠 와이어는 서로 각각 절연된 전선을 여러 가닥 모아 만든 전선이다. 리츠 와이어를 사용하는 이유는 표피효과(Skin Effect)에 의하여 시변하는 전류는 전선의 표면쪽으로만 흐르는 성질이 있어 전선의 가운데 부분에서는 전류가 거의 흐리지 않기 때문에 표면적을 넓게 만들기 위한 것이다. 와이어의 표피 효과를 방지하는 동시에 표면적을 넓힐 수 있으므로, 코일의 저항성분을 증가하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 코일을 리츠 와이어와 일반 단일선을 결합하여 구성함으로써 와이어의 피복 제거 작업을 단순화할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일의 구조를 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 코일(60)은 리츠 와이어로 구성된 리츠 코일부(61)와 일반 단일선으로 구성된 단일선 코일부(62)로 구성된다. 단일선 코일부(62)는 상기 리츠 코일부(61)에 근접 또는 밀착하여 구성되지만 리츠 코일부(61)의 리츠 와이어들과는 예컨대, 전선 피복에 의해 절연된다. 상기 단일선 코일부(62)에는 캐패시터(63)가 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코일은 도 10과 같이 솔레노이드 타입을 구현될 수도 있고, 도 11과 같이 스파이럴 타입으로 구현될 수도 있다.

도 10과 같이 솔레노이드 타입으로 구현되는 경우는, 코어(71) 상에 보빈(72)을 장착하고, 보빈(72) 상에 리츠 와이어(73) 및 단일선(74)을 권선함으로써 구현될 수 있다. 단일선(74)에 캐패시터(75)를 연결할 수 있다. 실시예에 따라서는, 코어(71)는 강자성체일 수도 있고, 공기로 구성될 수도 있다.

도 11과 같이 스파이럴 타입으로 구현되는 경우는, 코어(81)를 중심으로 안에서 밖으로 리츠 와이어(83)를 와이어를 권선하고, 그 외부에 단일선(84)을 권선함으로써 형성될 수 있다. 마찬가지로 단일선(84)에 캐패시터(85)를 연결할 수 있다. 솔레노이드 타입과 마찬가지로, 코어(81)는 강자성체일 수도 있고, 공기로 구성될 수도 있다.

이와 같이 구성된 코일은 전술한 송신 코일(21), 송신용 공진 코일(22), 수신용 공진 코일(31) 또는 수신 코일(32)로 사용될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 전력 소스
20 : 송신기
21 : 송신 코일
22 : 송신용 공진 코일
30 : 수신기
31 : 수신용 공진 코일
32 : 수신 코일
40 : 정류회로
50 : 부하

Claims

리츠(Litz) 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부;
상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선하여 형성된 단일선 코일부; 및
상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송 회로.
제1항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 솔레노이드 타입으로 권선된 무선 전력 전송 회로.
제1항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 스파이럴 타입으로 권선된 무선 전력 전송 회로.
전력 소스와 연결되어 자기장을 형성하는 송신 코일부와 상기 송신 코일부와 커플링되어 전력을 송신하는 송신용 공진 코일부를 포함하고,
상기 송신 코일부 또는 송신용 공진 코일부는 각각,
리츠 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부;
상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선함으로써 형성된 단일선 코일부; 및
상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함하는 무선 전력 송신기.
제4항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 솔레노이드 타입으로 권선된 무선 전력 송신기.
제4항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 스파이럴 타입으로 권선된 무선 전력 송신기.
송신용 공진 코일부로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신용 공진 코일부; 및
상기 수신용 공진 코일부가 수신한 전력을 수신하여 부하로 전달하는 수신 코일부를 포함하고,
상기 수신용 공진 코일부 및 수신 코일부는 각각,
리츠 와이어를 권선하여 형성된 리츠 코일부;
상기 리츠 코일부에 근접하여 단일선(single wire)을 권선함으로써 형성된 단일선 코일부; 및
상기 단일선 코일부에 연결된 캐패시터를 포함하는 무선 전력 수신기.
제7항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 솔레노이드 타입으로 권선된 무선 전력 수신기.
제7항에 있어서,
상기 리츠 코일부 또는 단일선 코일부 중 적어도 하나는 스파이럴 타입으로 권선된 무선 전력 수신기.