KR20160126850A - 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법 - Google Patents

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KR20160126850A
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데츠야 다쿠라
후미히로 사토
히데토시 마츠키
다다쿠니 사토
아키후사 유야마
슈 사사키
도시아키 가토
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Abstract

전력 전송용의 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있고, 또, 1 차측 코일, 2 차측 코일로부터의 누설 자속을 저감시킬 수 있으며, 또한, 1 차측 코일의 위치 어긋남에도 대응하는 전력 전송의 효율을 최선으로 할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법을 얻는다.
전자 유도를 사용하여 1 차측 코일 (2) 로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 전송 장치에 있어서, 상기 1 차측 코일 (2) 은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이고, 상기 2 차측 코일 (3) 은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이며, 상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고, 2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분이 중첩되어 평면 8 자형 코일이 형성되며 상기 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 간의 각각에, 대향하는 측과 반대측면에 연자성체의 판 (4, 41) 이 배치되어 있다.

Description

비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법{CONTACTLESS POWER TRANSMISSION APPARATUS AND CONTACTLESS POWER TRANSMISSION METHOD}
본 발명은 8 자 코일을 사용하여 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법에 관한 것이다.
종래의 비접촉 전력 전송 장치는, 스파이럴 코일을 2 개 대향시키고, 일방의 스파이럴 코일에 전력을 투입하여 전력 전송을 실시하고 있었다.
특허문헌 1 에는 비접촉 급전 장치에 관해서 기재되어 있고, 스파이럴 코일의 형상으로 한 전력 전송용의 급전 코일과 수전 코일이 개시되어 있다. 여기서, 상기 전력 전송용의 급전 코일과 수전 코일의 내측에 신호 전송용의 송신 코일 및 신호 전송용의 수신 코일이 배치되어 있다.
일본 공개특허공보 2008-288889호
종래의 비접촉 급전 장치에서는, 전력 전송용의 급전 코일과 수전 코일에 관해서, 급전 코일 자체 및 수전 코일 자체가 발생시키는 노이즈에 관해서는 노이즈 경감의 대책은 세워져 있지 않았다.
또, 특허문헌 1 에서는, 전력 전송용의 급전 코일과 수전 코일의 내측에 신호 전송용의 송신 코일 및 신호 전송용의 수신 코일이 배치되고, 상기 신호 전송용의 송신 코일 및 신호 전송용의 수신 코일에 관해서는 모두 8 자 코일 형상으로서, 노이즈 대책이 실시되고 있지만, 전력 전송용의 급전 코일과 수전 코일 자체가 발생시키는 노이즈에 대해서는, 노이즈 감소시키는 대책에 대해서는 전혀 개시되어 있지 않다.
본 발명의 과제는, 전력 전송용의 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있고, 또, 1 차측 코일, 2 차측 코일로부터의 누설 자속을 저감시킬 수 있으며, 또한, 1 차측 코일의 위치 어긋남에도 대응할 수 있고, 전력 전송의 효율을 최선으로 할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 청구항 1 의 비접촉 전력 전송 장치는, 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치이다. 여기서, 인접한 복수의 코일이란, 적어도, 코일 평면이 동일면 내에 있고, 서로의 코일의 일부가 인접하고 있는 코일이다.
본 발명의 청구항 2 의 비접촉 전력 전송 장치는, 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 장치에 있어서, 상기 1 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되고, 상기 2 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되며, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치이다.
본 발명의 청구항 3 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 1 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이고, 상기 2 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이며, 상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고, 2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분이 중첩되어 평면 8 자형 코일이 형성된 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2 에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다. 여기서, 반원형 부분의 형상은 거의 원의 절반의 형상이 일반적으로 사용되지만, 반드시 이 형상에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 청구항 4 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에는, 1 개의 전원이 접속된 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 3 중 어느 한 항에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다.
본 발명의 청구항 5 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에는, 복수의 전원이 접속된 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 3 에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다. 이와 같이, 복수의 전원이 1 차 코일에 접속되는 경우에는, 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 흘리는 전류를 개별적으로 조정하는 것이 가능해져, 전송 효율이 양호한 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 청구항 6 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이 상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고, 상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우, 상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록, 스위치가 전환되도록 하여, 상기 2 차측 코일의 출력이 최대로 설정된 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다.
본 발명의 청구항 7 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 청구항 6 에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다. 예를 들어, 복수의 1 차 코일이 3 개인 경우에는 서로의 각도는 120 도가 된다.
본 발명의 청구항 8 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 청구항 6 에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다. 이와 같이, 복수의 1 차 코일을 랜덤한 각도로 배치하는 경우에는, 보다 집중시켜 복수의 1 차 코일을 배치하는 것이 가능해져, 2 차 코일의 출력을 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 청구항 9 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 1 차 코일, 2 차 코일에, 대향하는 면과 반대측에 연자성체의 판이 배치되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다.
본 발명의 청구항 10 의 비접촉 전력 전송 장치는, 상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트 혹은 Ni-Cu-Zn 페라이트인 것을 특징으로 하는 청구항 9 에 기재된 비접촉 전력 전송 장치이다. 여기서, Ni-Cu-Zn 페라이트는, Mn-Zn 페라이트보다 절연 파괴에 대한 성능이 우수하다.
본 발명의 청구항 11 의 비접촉 전력 전송 방법은, 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 12 의 비접촉 전력 전송 방법은, 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 방법에 있어서, 상기 1 차측 코일을 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하고, 상기 2 차측 코일을 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하며, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 13 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 1 차측 코일을 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하고, 상기 2 차측 코일을 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하며, 상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고, 2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분을 중첩시켜 평면 8 자형 코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 또는 12 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 14 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 1 개의 전원을 접속하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 또는 13 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
본 발명의 청구항 15 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 복수의 전원을 접속하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 또는 13 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 16 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이 상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고, 상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우, 상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록 스위치를 전환하여, 상기 2 차측 코일의 출력을 최대로 설정하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 내지 15 중 어느 한 항에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 17 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 청구항 16 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 18 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 청구항 16 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다. 이와 같이, 복수의 1 차 코일을 랜덤한 각도로 배치하는 경우에는, 보다 집중시켜 복수의 1 차 코일을 배치하는 것이 가능해져, 2 차 코일의 출력을 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 청구항 19 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 1 차 코일, 2 차 코일에, 대향하는 면과 반대측에 연자성체의 판을 배치하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 내지 18 중 어느 한 항에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
본 발명의 청구항 20 의 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트 혹은 Ni-Cu-Zn 페라이트인 것을 특징으로 하는 청구항 19 에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
청구항 1, 2, 3, 4 의 비접촉 전력 전송 장치에 의하면, 1 차측 코일, 2 차측 코일을 사용하여 효율적으로 전력 전송을 실시하고, 또한, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
청구항 5 의 비접촉 전력 전송 장치에 의하면, 복수의 전원이 1 차 코일에 접속됨으로써, 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 흘리는 전류를 개별적으로 조정하는 것이 가능해져, 전송 효율이 양호한 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
청구항 6, 7, 8 의 비접촉 전력 전송 장치에 의하면, 복수의 1 차측 코일을 전환함으로써, 1 차측 코일, 2 차측 코일의 상대 위치를 최적으로 할 수 있어, 전력의 전송 효율을 최적으로 하는 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
청구항 9, 10 의 비접촉 전력 전송 장치에 의하면, 연자성체를 사용하여 누설 자속을 저감시킬 수 있는 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
청구항 11, 12, 13, 14 의 비접촉 전력 전송 방법에 의하면, 1 차측 코일, 2 차측 코일을 사용하여 효율적으로 전력 전송을 실시하고, 또한, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있는 비접촉 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
청구항 15 의 비접촉 전력 전송 방법에 의하면, 복수의 전원이 1 차 코일에 접속됨으로써, 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 흘리는 전류를 개별적으로 조정하는 것이 가능해져, 전송 효율이 양호한 비접촉 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
청구항 16, 17, 18 의 비접촉 전력 전송 방법에 의하면, 복수의 1 차측 코일을 전환함으로써, 1 차측 코일, 2 차측 코일의 상대 위치를 최적으로 하여, 전력 전송 효율을 최적으로 하는 근방 전자계를 사용한 비접촉 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
청구항 19, 20 의 비접촉 전력 전송 방법에 의하면, 연자성체를 사용하여 누설 자속을 저감시킬 수 있는 비접촉 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전력 전송용의 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있고, 또, 1 차측 코일, 2 차측 코일로부터의 누설 자속을 저감시킬 수 있으며, 또한, 1 차측 코일의 위치 어긋남에도 대응할 수 있고, 전력 전송의 효율을 최선으로 할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 8 자형 코일의 평면도이고, 도 1(a) 는 스파이럴 코일의 평면도, 도 1(b) 는 8 자형 코일의 평면도이다.
도 2 는 8 자형 코일을 2 장 중첩시킨 비접촉 전력 전송 장치의 도면.
도 3 은 8 자형 코일을 2 장 중첩시키고, 이측 (裏側) 에 자성체의 판을 배치한 비접촉 전력 전송 장치의 도면.
도 4 는 실시예 1 의 시작 (試作) 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면.
도 5 는 실시예 2 의 시작 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면.
도 6 은 송신 코일 (1 차 코일을 3 개, 중첩시킨 구성) 과 수신 코일 (2 차 코일, 1 개) 의 도면이다. 도 6(a) 는, 송신 코일 (1 차 코일) 의 구조이고, 8 자형 코일 3 개를 120 도의 각도로 중첩시켜 배치한 도면, 도 6(b) 는, 수신 코일 (2 차 코일) 의 구조이고, 8 의 코일로서, 도 6(a) 의 송신 코일에서의 1 개의 8 자 코일과 동일 치수, 형상이고, 도 6(c) 는, 송신 코일을 중첩시키 전의 상태와 각각의 8 자 코일과 회로의 접속 도면, 도 6(d) 는, 송신 코일을 중첩시킨 후의 상태와 수신 코일의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 7 은 8 자 코일의 현물의 외관을 나타내는 도면.
도 8(a) 는 자성체판을 1 차측 코일에만 배치한 경우, 도 8(b) 는 자성체판을 2 차측 코일에만 배치한 경우, 도 8(c) 는 자성체판을 1 차측 코일 및 2 차측 코일에 배치한 경우의 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면.
도 9 는 자성체판을 1 차측 코일 및 2 차측 코일에 배치한 조건에서, 코일 간 거리를 변화시킨 도면이고, 도 9(a) 는, 코일 간 거리가 20 ㎜ 인 경우, 도 9(b) 는 코일 간 거리가 40 ㎜ 인 경우, 도 9(c) 는, 코일 간 거리가 80 ㎜ 인 경우의 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면.
도 10 은 1 차 코일과 2 차 코일의 코일 간 거리와 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 도면.
본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 장치는, 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치이다.
또, 본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 장치는, 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 장치에 있어서, 상기 1 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되고, 상기 2 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되며, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치이다.
여기서, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈란, 1 차측 코일, 2 차측 코일이 발생시키는 자계가 다른 부재 (금속이나, 자성체 등) 와 간섭, 혹은 반사되어 발생되는 노이즈이고, 외부로부터의 노이즈란, 기상 상에서의 뇌 (雷) 서지 혹은 전력선으로부터의 노이즈 혹은 다른 전자 기기가 발생시키는 노이즈이다. 또한, 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈란, 1 차 코일에 전원으로부터 전류가 공급되었을 때, 그 상태에서 주로 전원계로부터 기인하여 발생되는 노이즈이고, 또 상기 1 차측 코일로부터 전력을 받는 2 차측 코일로부터도 동일하게 발생되는 노이즈이다.
여기서, 상기 1 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이고, 상기 2 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이며, 상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고, 2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분이 중첩되어 평면 8 자형 코일이 형성되어 있다.
상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에는, 1 개의 전원이 접속되거나, 혹은 복수의 전원이 접속된다. 복수의 전원이 1 차 코일에 접속되는 경우에는, 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 흘리는 전류를 개별적으로 조정하는 것이 가능해지고, 또한 전송 효율이 양호한 비접촉 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
또, 본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 장치는 상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이 상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고, 상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우, 상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록, 스위치가 전환되도록 하여, 상기 2 차측 코일의 출력이 최대로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정되거나, 혹은 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된다. 복수의 1 차 코일을 랜덤한 각도로 배치하는 경우에는, 보다 집중시켜 복수의 1 차 코일을 배치하는 것이 가능해져, 2 차 코일의 출력을 더욱 높일 수 있다.
상기 1 차 코일, 2 차 코일에, 대향하는 면과 반대측에 연자성체의 판이 배치되고, 상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트 혹은 Ni-Cu-Zn 페라이트가 사용되지만, 이것에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 방법은, 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
또, 본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 방법은 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 방법에 있어서, 상기 1 차측 코일을 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하고, 상기 2 차측 코일을 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하며, 전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈 및 외부로부터의 노이즈, 또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
여기서, 상기 1 차측 코일을 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하고, 상기 2 차측 코일을 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하며, 상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고, 2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분을 중첩시켜 평면 8 자형 코일을 형성한다.
또, 본 발명의 실시형태에 의한 비접촉 전력 전송 방법은, 상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이 상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고, 상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우, 상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록 스위치를 전환하여, 상기 2 차측 코일의 출력을 최대로 설정하는 것을 특징으로 하는 청구항 11 내지 15 중 어느 한 항에 기재된 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법이다.
여기서, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정되거나, 혹은, 상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된 것을 특징으로 한다.
여기서, 근방 전자계에 대해 설명한다. 방사원의 근방에서 파동의 임피던스가 자유 공간 임피던스와 크게 상이한 영역을 근방 전자계라고 부른다. 전자계의 파장을 λ 로 하고, λ/(2π) 까지를 근방 전자계로 하며, 그것보다 먼 쪽을 원방 전자계라고 부르는, 예를 들어, 주파수는 100 kHz 의 경우, 파장은 대략 3 ㎞ 이고, λ/(2π) 는 대략 0.5 ㎞ 가 된다. 이 경우에는, 0.5 ㎞ 이하의 범위가 100 kHz 에서의 근방 전자계의 범위이다.
(실시예 1)
도 1(b) 는 실시예 1 의 8 자 코일의 평면도이다. 8 자형의 코일 (1) 은 스파이럴 코일 (11, 12) 이 차동 접속되어 있다. 도 1(a) 는, 스파이럴 코일 (11) 의 도면이다. 상기 8 자형 코일을 1 차측용과 2 차측용으로 구성하고, 이들을 대향시켜 비접촉 전력 전송 장치를 구성한다 (도 2).
·8 자 코일의 구성은 이하와 같다.
(1) D 자형으로 감은 2 장의 코일을 중첩시키고, 차동 접속하여 구성
(2) D 자형 코일의 사이즈 (도 1)
외경 : A = 46.5 ㎜, B = 75 ㎜
내경 : C = 20.5 ㎜, D = 52 ㎜
감은 수 : 10 t
(3) 중첩시켜 8 자로 한 경우의 사이즈 (도 2)
외경 : A = 80 ㎜, B = 75 ㎜
내경 : C = 55 ㎜, D = 52 ㎜
감은 수 : 10 t
(4) 코일 특성 (L, r)
D 자형 L = 6.6 μH, r = 64 mΩ
8 자 L = 15 μH, r = 128 mΩ
·검토의 결과
＜예 1＞
(1) 8 자 코일 2 장을 대향하도록 배치
※ 방향을 가지런히 한다
(2) 코일 간 거리 (Gap) 를 10 ㎜ 로 하고, 전력 전송을 실시
측정 조건
공진 콘덴서 있음 (43 nF, 직렬 접속)
부하 : 저항 10 Ω
구동 주파수 f = 200 kHz, 정현파 입력
파워 미터로 계측
(3) 결과
Figure pct00001
효율 η = 84 ％ 의 출력을 확인
참고 : 스파이럴 코일 (종래형) 의 효율 → 91 ％
(4) 시작 (試作) 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인
비교를 위해 스파이럴 코일을 기준으로 하여 평가한다
도 4 는, 실시예 1 의 시작 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면이다.
도 4 에서, 흰 라인은, ICNIRP 가이드 라인값 (27 μT) 이 되는 라인을 나타낸다.
ICNIRP 가이드 라인값 (27 μT) 이하가 될 때까지의 거리 (@ Gap 10 ㎜)
·코일 상방 (중심축 위) : 34 ㎜ (8 자) 71 ％ ＜ 48 ㎜ (스파이럴)
·코일 측방 (탁상면) : 16 ㎜ (8 자) 80 ％ ＜ 20 ㎜ (스파이럴)
(실시예 2)
도 3 은, 8 자형 코일 (2, 3) 을 중첩시키고, 각각의 8 자형 코일 (2, 3) 의 이측에 자성체의 판 (4, 41) 을 배치한 비접촉 전력 전송 장치의 도면이다.
＜예 2＞
(1) Mn-Zn Ferrite 를 8 자 코일 급전면의 이측에 배치
자성체 (Mn-Zn Ferrite) 의 사이즈 : 90 ㎜ × 90 ㎜ × 0.5 ㎜
(2) 8 자 코일 2 장을 대향하도록 배치
※ 방향을 가지런히 한다
(3) 코일 간 거리 (Gap) 를 10 ㎜ 로 하고, 전력 전송을 실시
측정 조건
공진 콘덴서 있음 (22 nF, 직렬 접속)
부하 : 저항 10 Ω
구동 주파수 f = 200 kHz, 정현파 입력
파워 미터로 계측
(4) 결과
Figure pct00002
효율 η = 95 ％ 의 출력을 확인
참고 : 스파이럴 코일 (종래형·페라이트 부착) 의 효율 → 97 ％
(5) 시작 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인
비교를 위해 스파이럴 코일을 기준으로 하여 평가한다
도 5 는, 실시예 2 의 시작 코일을 모델화하고, 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면이다.
도 5 에서 흰 라인은, ICNIRP 가이드 라인값 (27 μT) 이 되는 라인을 나타낸다.
ICNIRP 가이드 라인값 (27 μT) 이하가 될 때까지의 거리 (@ Gap 10 ㎜, 양방 있음)
·코일 상방 (중심축 위) : 0 ㎜ (8 자) ＜ 0.89 ㎜ (스파이럴)
·코일 측방 (탁상면) : 2.6 ㎜ (8 자) ＜ 13.8 ㎜ (스파이럴)
(실시예 3)
도 6 은, 송전 코일 (1 차 코일을 3 개, 중첩시킨 구성) 과 수전 코일 (2 차 코일, 1 개) 의 도면이다. 도 6(a) 는, 송신 코일 (20) (1 차 코일) 의 구조이며, 8 자형 코일 (5, 6, 7) 을 3 개, 120 도의 각도로 중첩시켜 배치한 도면이다. 도 6(b) 는, 수전 코일 (8) (2 차 코일) 의 구조이고, 8 자의 코일로서, 도 6(a) 의 송전 코일에서의 1 개의 8 자 코일 (5, 6, 7) 과 동일 치수, 형상이다. 도 6(c) 는, 송전 코일 (20) 을 중첩시키기 전의 상태와 각각의 8 자 코일 (5, 6, 7) 과 회로의 접속 도면이고, 도 6(d) 는, 송전 코일 (20) 을 중첩시킨 후의 상태와 수전 코일의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
여기서, 송전측의 상기 8 자형 코일 (5, 6, 7) 과 수전측의 8 자 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우, 브릿지 회로의 스위치를 전환하고, 상기 8 자형 코일 (5, 6, 7) 중에서 최적인 8 자형 코일을 선택하고 전환하여, 상기 수전측의 2 차측 코일의 출력을 최대로 설정 할 수 있다.
여기서, 도 6 의 예에서는, 송전측의 8 자형 코일 (5, 6, 7) 은, 120 도의 등각도의 실시예였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 등간격의 각도가 아니고, 랜덤한 각도여도 되고, 또, 송전측의 8 자형 코일의 개수는 3 개에 한정되지 않고, 3 개 이외의 복수 개여도 된다. 또한, 도 7 은, 8 자 코일의 현물의 외관을 나타내는 도면이다.
(실시예 4)
도 8 은, 앞서의 실시예 2 의 조건에 있어서, 도 8(a) 는, 연자성체판을 1 차측 코일에만 배치한 경우, 도 8(b) 는, 연자성체판을 2 차측 코일에만 배치한 경우, 도 8(c) 는, 연자성체판을 1 차측 코일 및 2 차측 코일에 배치한 경우의 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면이다. 구동 주파수는 200 kHz 이다. 또, 상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트이다.
여기서, 도 8(c) 는, 앞서의 실시예 2 에서의 도 5 의 조건과 일치한다.
마찬가지로, 연자성체판을 1 차측 코일 및 2 차측 코일에 배치한 경우가 가장 누설 자속이 감소하고 있다.
(실시예 5)
도 9 는, 연자성체판을 1 차측 코일 및 2 차측 코일에 배치한 조건에서 코일 간 거리를 변화시킨 도면이고, 도 9(a) 는, 코일 간 거리가 20 ㎜ 인 경우, 도 9(b) 는 코일 간 거리가 40 ㎜ 인 경우, 도 9(c) 는, 코일 간 거리가 80 ㎜ 인 경우의 전력 전송 중의 자장 분포를 전자장 해석 소프트웨어로 확인한 도면이다. 구동 주파수는 200 kHz 이다.
도 10 은, 1 차 코일과 2 차 코일의 코일 간 거리와 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 10 으로부터 실용적인 코일 간 거리는 20 ㎜ 이내인 것으로 판단된다.
산업상 이용분야
본 발명에 의하면, 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄할 수 있고, 또한, 1 차측 코일, 2 차측 코일로부터의 누설 자속을 저감시키고, 또한, 1 차측 코일을 각도를 어긋나게 하여, 복수 개 중첩시켜 적절한 1 차 코일로 전환함으로써, 1 차측 코일과 2 차 코일과, 최적 위치 관계로부터의, 위치 어긋남에도 대응할 수 있고, 전력 전송의 효율을 최선으로 할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치 및 비접촉 전력 전송 방법을 제공하고, 모바일 기기나, 전기 자동차, 그리고 체내 설치형 의료 기기, 다른 용도 등에 대한 비접촉 급전 기술에 응용할 수 있어 산업의 발전에 기여할 수 있다.
1 : 8 자형의 코일
2 : 8 자 1 차측 코일
3 : 8 자 2 차측 코일
4, 41 : 연자성체의 판
11, 12 : 스파이럴 코일
11a : 스파이럴 코일의 반원형 부분
11b, 11c, 11d : 스파이럴 코일의 직선 부분
5 : 제 1 의 8 자 1 차측 코일
6 : 제 2 의 8 자 1 차측 코일
7 : 제 3 의 8 자 1 차측 코일
8 : 8 자 2 차측 코일
20 : 중첩된 1 차측 코일
101, 102, 103 : 전환 스위치

Claims (20)

  1. 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을,
    전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈
    및 외부로부터의 노이즈,
    또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  2. 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 1 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되고,
    상기 2 차측 코일은, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성되며,
    전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈,
    및 외부로부터의 노이즈,
    또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치한 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이고, 상기 2 차측 코일은 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일이며,
    상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고,
    2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분이 중첩되어 평면 8 자형 코일이 형성된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에는, 1 개의 전원이 접속된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에는 복수의 전원이 접속된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이
    상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고,
    상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우,
    상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록, 스위치가 전환되도록 하여, 상기 2 차측 코일의 출력이 최대로 설정된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1 차 코일, 2 차 코일에, 대향하는 면과 반대측에 연자성체의 판이 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트 혹은 Ni-Cu-Zn 페라이트인 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
  11. 인접한 복수의 코일로 구성된 1 차측 코일과, 인접한 복수의 코일로 구성된 2 차측 코일을,
    전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈,
    및 외부로부터의 노이즈,
    또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  12. 전자 유도를 사용하여 1 차측 코일로부터 2 차측 코일에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력 전송 방법에 있어서,
    상기 1 차측 코일을, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하고,
    상기 2 차측 코일을, 상이한 방향의 자속을 발생시키는 인접한 복수의 코일로 구성하며,
    전력 전송시의 누설 전자계로부터의 노이즈,
    및 외부로부터의 노이즈,
    또한, 상기 1 차측 코일, 2 차측 코일 자체가 외부로 내보내는 노이즈를 상쇄하도록 중첩시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일을, 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하고, 상기 2 차측 코일을, 2 장의 스파이럴 코일을 차동으로 접속한 평면 8 자형 코일로 하며,
    상기 스파이럴 코일의 형상은 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상이고,
    2 장의 스파이럴 코일의 직선 부분을 중첩시켜 평면 8 자형 코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 1 개의 전원을 접속하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 1 차측 코일의 인접한 복수의 코일에 복수의 전원을 접속하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반원형 부분과 직선 부분이 합성된 형상의 1 차측 코일이 상기 직선 부분에 관해서 회전축 방향으로 각도를 어긋나게 하도록 복수 개 배치되어 있고,
    상기 복수의 1 차측 코일과 상기 2 차측 코일 사이에 회전축 방향의 어긋남이 발생하여 전력 전송의 효율이 저하된 경우,
    상기 복수의 1 차측 코일 중 어느 것을 상기 전원에 접속하도록 스위치를 전환하여, 상기 2 차측 코일의 출력을 최대로 설정하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 동등한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 1 차 코일의 이웃하는 회전축 방향의 각도는 랜덤한 각도로 설정된 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1 차 코일, 2 차 코일에, 대향하는 면과 반대측에 연자성체의 판을 배치하는 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연자성체의 판은 Mn-Zn 페라이트 혹은 Ni-Cu-Zn 페라이트인 것을 특징으로 하는 근방 전자계를 사용하는 비접촉 전력 전송 방법.
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