KR20200052034A - 무선 충전 패드 및 무선 충전 장치 - Google Patents

무선 충전 패드 및 무선 충전 장치 Download PDF

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KR20200052034A
KR20200052034A KR1020180135113A KR20180135113A KR20200052034A KR 20200052034 A KR20200052034 A KR 20200052034A KR 1020180135113 A KR1020180135113 A KR 1020180135113A KR 20180135113 A KR20180135113 A KR 20180135113A KR 20200052034 A KR20200052034 A KR 20200052034A
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신용환
조용남
백종석
이병혁
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 와이어가 권취되어 형성되는 송수신 코일; 및 상기 송수신 코일의 주변에 배치되는 적어도 하나의 자성체;를 포함하고, 상기 자성체는, 제1 블럭 코어(block core); 및 상기 와이어가 연장되는 방향으로 상기 제1 블럭 코어와 나란하게 배치되는 제2 블럭 코어;를 포함하는 무선 충전 패드에 관한 것이다.

Description

무선 충전 패드 및 무선 충전 장치{Wireless charging pad and wireless charging apparatus}
본 발명은 무선 충전 패드 및 무선 충전 장치에 관한 것이다.
전자 기기에 대한 연구가 지속됨에 따라, 전자 기기에 전기 에너지를 공급하는 무선 충전 시스템에 대한 연구도 함께 이루어지고 있다.
이동 단말기의 무선 충전 시스템 및 전기 자동차의 무선 충전 시스템에 대해 많은 업체들이 연구 개발에 몰두하고 있다. 이러한 무선 충전 시스템에는, 무선 충전 패드와 임피던스 보상을 위한 공진 탱크를 비롯한 여러 전자 부품이 포함된다. 무선 충전 패드는 자성체를 포함하는데, 높은 전력 송수신을 위해서는 무선 충전 패드가 커야하고 그에 따라 표면적이 큰 자성체를 이용해야 한다. 표면적이 큰 자성체를 생성하기 위해서는 공정상 어려움이 있고, 생산 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 표면적이 큰 자성체는 취성의 문제가 있다.
공개 번호 10-2005-0096068(이하, 선행 문헌)은 멀티 충전이 가능한 무접점 배터리 충전 시스템 및 그 코어 블록이 설계 방법에 관한 것으로, 코발트 또는 페라이트 재질의 소형 평판 코어 다수개를 이어 붙여 무선 충전 패드를 제작하는 방식을 제안한다. 선행 문헌은, 자속의 방향에 관계없이 무선 충전이 가능하도록, 수평 코일이 다수개로 이루어진 평판 코어를 감싸도록 양끝이 절곡되어 구성된다. 선행 문헌은, 동일한 블럭 코어를 자속의 방향을 고려하지 않고 임의로 배치하면서 형성된 공극에 의해 발열이 발생하거나 전력 전송 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 블럭 코어의 배치시 형성되는 공극에 의한 영향을 최소화하는 무선 충전 패드를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드는, 제1 블럭 코어와 제2 블럭 코어를 송수신 코일의 와이어가 연장되는 방향으로 나란하게 배치한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 자성체를 블럭 코어로 배치시, 공극에 따른 자기 저항을 최소화 함으로써, 인덕턴스 감소분을 줄여, 자성체 자체의 발열이 줄어 무선 충전 패드 전체의 효율이 증가하는 효과가 있다.
둘째, 공극에 따른 자기 저항을 최소화 함으로써, 인덕턴스 효율을 높일 수 있어 전체 자성체 사이즈를 작게 설계할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 방식을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 등가 회로를 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 구성을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 코일 및 송수신 코일에 흐르는 전류, 전류 방향에 따른 자속의 방향을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 수신 패드 및 송신 패드의 자기 결합시의 자속 방향을 확인할 수 있는 맥스웰 시뮬레이션(Maxwell simulation) 결과이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 자기 회로를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 9a 내지 도 9b는 블럭 코어의 배치 방법에 따른 공극의 영향을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 10b 및 도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 제1 블럭 코어 및 제2 블럭 코어를 예시한다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드를 설명하는데 참조되는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블럭도이다.
도면을 참조하면, 무선 충전 시스템(100)은, 전력 송신 장치(10)와 전력 수신 장치(20)를 포함할 수 있다. 무선 충전 시스템(100)은, 전기 자동차 배터리의 무선 충전, 로봇 청소기의 무선 충전, 이동 단말기 배터리의 무선 충전 등에 이용될 수 있다.
전기 자동차 배터리의 무선 충전에 무선 충전 시스템(100)이 이용되는 경우, 전력 송신 장치(10)는, 충전소 등에 설치될 수 있고, 전력 수신 장치(20)는, 차량 내부에 구비될 수 있다. 로봇 청소기 배터리의 무선 충전에 무선 충전 시스템(100)이 이용되는 경우, 전력 송신 장치(10)는, 포터블 형식으로 구성될 수 있고, 전력 수신 장치(20)는, 로봇 청소기 내부에 구비될 수 있다. 이동 단말기 배터리의 무선 충전에 무선 충전 시스템(100)이 이용되는 경우, 전력 송신 장치(10)는, 포터블 형식으로 구성될 수 있고, 전력 수신 장치(20)는, 이동 단말기 내부에 구비될 수 있다.
전력 송신 장치(10)는, AC/DC 컨버터(11), DA/AC 인버터(12), 공진 탱크(13) 및 송신 패드(14)를 포함할 수 있다. AC/DC 컨버터(11)는, 계통(1)에서 제공되는 교류 형태의 전기 에너지를 직류 형태로 전환할 수 있다. DC/AC 컨버터(12)는, 직류 형태의 전기 에너지를 교류 형태의 전기 에너지로 전환한다. 이때, DC/AC 컨버터(12)는, 수십 내지 수백 kHz의 고주파 신호를 생성할 수 있다. 공진 탱크(13)는, 무선 충전에 적합하게 임피던스를 보상한다. 송신 패드(14)는, 전기 에너지를 무선으로 전송한다. 송신 패드(14)는, 내부에 송신 코일(15)을 포함한다.
전력 수신 장치(20)는, 수신 패드(21), 공진 탱크(22) 및 정류기(23)를 포함할 수 있다. 수신 패드(21)는, 전기 에너지를 무선으로 수신한다. 수신 패드(21)는, 내부에 수신 코일(25)을 포함한다. 송신 패드(14)와 수신 패드(21)는, 자기 결합(magnetic coupling)을 가지는 코일 세트(송신 코일(15) 및 수신 코일(25))를 포함한다. 송신 패드(14)와 수신 패드(21)는, 고주파 구동 신호로 인해 발생하는 자기장(magnetic field)를 매개로 물리적인 전극간의 접촉(electrical contact)없이 전기 에너지를 전달한다. 공진 탱크(22)는, 무선 충전에 적합하게 임피던스를 보상한다. 정류기(21)는, 배터리(30)에 직류 형태의 전기 에너지를 공급하기 위해, 교류 형태의 전기 에너지를 직류 형태의 전기 에너지로 전환한다. 배터리(30)는, 차량, 로봇 청소기 또는 이동 단말기에 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 방식을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 충전 시스템은, 유도 결합 방식 또는 공진 결합 방식을 이용할 수 있다.
유도 결합 방식(Inductive Coupling) 방식은, 인접한 두 개의 코일(coil) 중 1차 코일(coil)에 흐르는 전류의 세기를 변화시키면 그 전류에 의해 자기장이 변하고, 이로 인하여 2차 코일(coil)을 지나는 자속이 변하게 되어 2차 코일(coil)측에 유도 기전력이 생기게 되는 원리를 이용한다. 즉, 이 방식에 따르면, 두 개 도선을 공간적으로 움직이지 않고도 두 개 코일(coil)을 근접시킨 채 1차 코일(coil)의 전류만 변화시키면 유도 기전력이 생기게 된다. 이 경우, 주파수 특성은 크게 영향을 받지 않으나, 각 코일(coil)을 포함하는 송신 장치(예를 들면, 무선 충전 장치) 및 수신 장치(예를 들면, 이동 단말기) 사이의 배열(Alignment) 및 거리(Distance)에 따라 전력 효율이 영향을 받게 된다.
공진 결합(Resonance Coupling) 방식은, 일정 거리가 떨어진 두 개의 코일(coil) 중 1차 코일(coil)에 공진 주파수(Resonance Frequncy)를 인가하여 발생한 자기장 변화량 중 일부가 동일한 공진 주파수의 2차 코일(coil)에 인가되어 2차 코일(coil)에서 유도 기전력이 발생되는 원리를 이용한다. 즉, 이 방식에 따르면, 송수신 장치가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우, 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 에너지 전달이 없게 된다. 이 경우, 주파수의 선택이 중요한 문제가 될 수 있다. 소정 거리 이상 이격된 공진 주파수간에는 서로간에 에너지 전달이 없으므로, 공진 주파수 선택을 통해 충전 대상 기기를 선택할 수도 있다. 만일, 하나의 공진 주파수에 하나의 기기만이 할당되는 경우, 공진 주파수의 선택은 곧 충전 대상 기기를 선택하는 의미를 가질 수도 있다.
공진 결합 방식은 유도 결합 방식에 비해, 각 코일(coil)을 포함하는 송신 장치 및 수신 장치 사이의 배열(Alignment) 및 거리(Distance)가 상대적으로 전력 효율에 덜 영향을 주는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 등가 회로를 예시한다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드(500)는, 전력 송신 장치(10)의 송신 패드(14) 또는 전력 수신 장치(20)의 수신 패드(21)로 이용될 수 있다. 무선 충전 패드(500)는, 이동 단말기와 같은 소형 장치의 무선 충전에 이용될 수 있으나, 전기 자동차와 같은 대형 장치의 무선 충전에 이용되는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 무선 충전 패드(500)는, 전력 송신용 패드(500a) 또는 전력 수신용 패드(500b)로 이용될 수 있다. 전력 송신용 패드(500a)는, 공진 탱크(13) 및 전력 송신용 코일(520a)을 포함할 수 있다. 전력 송신용 패드(500a)는, 전력 변환기(11,12)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 변환기(11, 12)는, 도 2를 참조하여 설명한 AC/DC 컨버터(11) 및 DC/AC 인버터(12)를 포함할 수 있다. 전력 수신용 패드(500b)는, 공진 탱크(22) 및 전력 수신용 코일(520b)을 포함할 수 있다. 전력 수신용 패드(500b)는, 정류기(23)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 구성을 설명하는데 참조되는 도면이다. 도 5는 무선 충전 패드의 분해 사시도를 예시한다. 도 5는 수신 패드(21)를 예시하여 설명한다. 송신 패드(14)는, 지면을 기준으로 할 때, 수신 패드(21)와 적층 순서만 반대일 뿐, 도 5에 대한 설명이 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 무선 충전 패드(500)는, 제1 케이스(610), 권취 가이드(620), 적어도 하나의 송수신 코일(520), 자성체(510), 알루미늄 플레이트(630), 절연 시트(640) 및 제2 케이스(650)를 포함할 수 있다.
제1 케이스(610)는, 제2 케이스(650)와 함께 무선 충전 패드(500)의 외관을 형성할 수 있다. 제1 케이스(610)는, 제2 케이스(650)와 결합하여 내부에 공간을 형성할 수 있다. 형성된 공간에, 권취 가이드(620), 송수신 코일(520), 자성체(ferrite plate)(510), 알루미늄 플레이트(630), 절연 시트(640)가 수용될 수 있다.
권취 가이드(620)는, 권취 가이드(620)는, 송수신 코일(520)의 내측에 위치할 수 있다. 권취 가이드(620)는, 결합시, 고정되어 움직이지 않도록 송수신 코일(520)을 구속할 수 있다. 실시예에 따라, 권취 가이드(620)는, 제1 케이스(610)와 일체형으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 권취 가이드(620)는, 생략될 수 있다. 송수신 코일(520)은 나선형으로 형성되어, 전체적인 형상이 원형, 타원형 또는 다각형을 형성할 수 있다. 권취 가이드(620)는, 송수신 코일(520) 원형, 타원형 또는 다각형으로 권취될 수 있도록 원형, 타원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.
송수신 코일(520)은, 전력 전송을 위한 코일일 수 있다. 송수신 코일(520)은, 무선으로 전력을 송신하거나 수신할 수 있다. 무선 충전 패드(500)가 송신 패드(14)로 기능하는 경우, 송수신 코일(520)은, 송신 코일(15)로 설명될 수 있다. 무선 충전 패드(500)가 수신 패드(15)로 기능하는 경우, 송수신 코일(520)은, 수신 코일(25)로 설명될 수 있다. 송수신 코일(520)은 나선형(spiral)으로 형성될 수 있다. 송수신 코일(520)의 감김으로 인해, 송수신 코일(520)은 전체적으로 원형, 타원형 또는 다각형의 외관을 형성할 수 있다. 송수신 코일(520)은, 인입선과 인출선을 포함할 수 있다.
자성체(510)는, 원형, 타원형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다. 자성체(510)는, 적어도 하나의 플레이트로 구성될 수 있다. 자성체(510)는, 페라이트를 이용하는 것이 바람직하다. 자성체(510)는, 송수신 코일(520)과 층을지며 배치될 수 있다. 자성체(510)는, 송수신 코일(520)의 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 자성체(510)는, 송수신 코일(520) 내측에 배치될 수 있다. 송수신 코일(520)은, 자성체(510)를 중심으로 권취될 수 있다.
절연 시트(640)는, 의도되지 않은 전류를 차폐할 수 있다. 예를 들면, 절연 시트(640)는, 자성체(510)에 흐르는 표면 전류를 차폐할 수 있다. 예를 들면, 절연 시트(640)는, 공진 탱크(530)의 커패시터가 무선 충전 패드(500) 내의 다른 구성 요소들과 통전되지 않도록 차폐할 수 있다.
절연 시트(640)는, 알루미늄 플레이트(630)와 자성체(510) 사이에 위치할 수 있다. 절연 시트(640)는, 여러 절연 물질로 형성될 수 있으나, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 형성되는 것이 바람직하다.
알루미늄 플레이트(630)는, 자기장을 차폐할 수 있다. 알루미늄 플레이트(630)는, 전력 전송 및/또는 전력 수신 과정에서 발생되는 자기장이 외부로 유출되지 않도록 차폐할 수 있다. 알루미늄 플레이트(630)는, 방열 기능을 수행할 수 있다. 알루미늄 플레이트(630)는, 전력 전송 및/또는 전력 수신 과정에서 송수신 코일(520) 및/또는 자성체(510)에서 발생되는 열을 무선 충전 패드(500) 외부로 유도할 수 있다.
알루미늄 플레이트(630)는, 자성체(510)와 제2 케이스(650) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 플레이트(630)는, 자성체(510) 아래에 위치할 수 있다.
제2 케이스(650)는, 제1 케이스(610)와 무선 충전 패드(500)의 외관을 형성할 수 있다. 제2 케이스(650)는, 제1 케이스(610)와 결합하여 내부에 공간을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 코일 및 송수신 코일에 흐르는 전류, 전류 방향에 따른 자속의 방향을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 6을 참조하면, 송수신 코일(520)은, 자성체(510) 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 송수신 코일(520)은, 와이어가 권취되어 형성될 수 있다. 와이어는 금속으로 형성될 수 있다. 와이어는 구리로 형성되는 것이 바람직하다.
송수신 코일(520)의 와이어는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 권취될 수 있다. 예를 들면, 송수신 코일(520)은 와이어가, 권취 가이드(620)의 외측면의 둘레를 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 권취되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 송수신 코일(520)은, 내부에 공심이 존재하고, 와이어가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 권취될 수 있다.
송수신 코일(520)은, 인입부(521), 권취부(522), 인출부(523)로 구성될 수 있다. 인입부(521)는, 송수신 코일(520)로 전류가 흘러 들어가는 부위로 정의될 수 있다. 인입부(521)는, 송수신 코일(520) 중 권취되지 않은 직선형 또는 곡선형의 와이어 부위로 설명될 수 있다. 인입부(521)의 일단은, 다른 전자 부품과 전기적으로 연결될 수 있다. 권취부(522)는, 와이어가 일방향으로 권취되어 나선형을 가지는 부위로 설명될 수 있다. 권취부(522)는, 권취 가이드(620)의 외측면의 둘레를 따라 일방향으로 권취될 수 있다. 권취부(522)는, 인입부(521)에서 연장될 수 있다. 인출부(523)는, 송수신 코일(520)에서 전류가 흘러 나가는 부위로 정의될 수 있다. 인출부(523)는, 송수신 코일(520) 중 권취되지 않은 직선형 또는 곡선형의 와이어 부위로 설명될 수 있다. 인출부(523)는, 권취부(522)에서 연장될 수 있다. 인출부(523)의 일단은, 다른 전자 부품과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 전류는, 인입부(521)로 흘러들어가, 권취부(522)에서 흘러, 인출부(523)로 흘러 나올 수 있다. 송수신 코일(520)에 전류가 흐름에 따라, 자속이 발생한다. 도 6에 예시된 바와 같이, 자속은, 플레밍의 오른손나사 법칙에 의해, 전류 진행 방향을 기준으로, 와이어를 오른쪽을 향해 둘러싸는 방향으로 발생한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 수신 패드 및 송신 패드의 자기 결합시의 자속 방향을 확인할 수 있는 맥스웰 시뮬레이션(Maxwell simulation) 결과이다.
도 7을 참조하면, 송수신 코일(520)은, 송신 패드(14)의 송신 코일(15) 및 수신 패드(21)의 수신 코일 중 어느 하나로 이해될 수 있다.
서로 인접한 두개의 와이어에 같은 방향으로 전류가 흐르면 와이어와 와이어 사이는 자속의 방향이 반대가 되어 상쇄된다. 도 7과 같이 송신 코일(15)에 흐르는 전류의 흐름은, 권취부를 시계 방향으로 한바퀴 도는 화살표로 간략하게 도시될 수 있다. 도 7은 자기 결합에 의한 전력 전송(powering)의 조건은 암페어-턴(ampere-turn)의 곱에 의한 시뮬레이션 결과이다. 송신 패드(14)에서 흘러나온 자속이 수신 패드(25)의 측면으로 흘러들어가는 것을 확인할 수 있다.
한편, 자성체(510)는, 송신 패드(14)의 자성체(510a) 및 수신 패드(21)의 자성체(510b) 중 어느 하나로 이해될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드의 자기 회로를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 8a는 일반적인 무선 충전 패드의 자기 등가 회로를 예시하고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드(500)의 자기 등가 회로를 예시한다.
도 8a의 등가 회로에서는 다음과 같은 수학식이 성립한다.
수학식 1
Figure pat00001
NI는 암페어-턴(ampere-turn)으로 N은 송수신 코일(520)의 턴수, I는 소스인 전류, Ψ는 자속, Rc는 블럭 코어의 고유 저항값, Rg는 공극(air gap)에 의해 발생되는 저항값을 나타 낸다.
수학식 1에서 보는 바와 같이, Rg는 자속이 흐르는 곳에 형성된 공극이 커질수록 전체 자기 저항값은 커진다. 자속이 흐르는 것에 형성된 공극은 하나의 손실분으로 작용된다.
도 8b의 등가 회로에서는 공극에 의해 발생되는 저항값이 무시할만한 수준인 경우, Rg는 0으로 표현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드에서는 블럭 코어의 배치 형태에 따라 공극에 의한 자기 저항을 최소화 할 수 있다. 이하의 설명에서는 복수의 블럭 코어를 이용하면서 공극에 의한 자기 저항값을 최소화하는 방식을 제시한다.
도 9a 내지 도 9b는 블럭 코어의 배치 방법에 따른 공극의 영향을 설명하는데 참조되는 도면이다.
블럭 형태의 자성체(블럭 코어)를 나란하게 배치하는 경우, 아무리 가깝게 붙여서 배치한다고 하여도 물리적인 공극이 존재할 수 밖에 없다. 이러한 물리적인 공극은 저항분(도 8a의 Rg)로 나타나게 된다.
도 9a에 예시된 바와 같이, 복수의 블럭 코어의 배치에 따라 공극(910)이 와이어의 연장 방향으로 형성되는 경우, 수많은 자속이 공극을 통해 지나가게 된다. 이경우, 공극에 의한 저항값(도 8a의 Rg)는 자기 회로에 영향을 미칠만큼 커질 수 밖에 없다. 이경우, 자속 방향 대비 공극(910)에 대한 유효 면적이 커질수 밖에 없고 공극(920)이 형성된 영역(760)에서 모든 자속이 공극(910)을 지날 수 밖에 없다.
도 9b에 예시된 바와 같이, 복수의 블럭 코어의 배치에 따라 공극(920)이 와이어의 연장 방향과 수직한 방향으로 형성되는 경우, 극 소수의 자속만 공극을 통해 지나가게 된다. 이경우, 공극에 의한 저항값(도 8b)은 무시할만한 수준이 된다. 이경우, 자속들은 릴럭턴스가 높은 공극보다 릴럭턴스가 작은 자성체로 흐르고, 이경우, 자속 방향 대비 공극(920)에 대한 유효 면적이 적어 공극(920)이 형성된 영역(770)에서 대부분의 자속이 공극(920) 주변 자성체(블럭 코어)로 흐르게 된다.
한편, 도 9a에 예시된 공극(910)은 송수신 코일(520)의 인덕턴스를 형성하는데 문제가 될 수 있다.
수학식 2
Figure pat00002
L은 송수신 코일(520)의 인덕턴스, λ는 쇄교 자속, I는 소스인 전류, N은 송수신 코일(520)의 턴수, R은 릴럭턴스, P는 퍼미언스를 나타낸다.
송수신 코일(520)의 인덕턴스는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 인덕턴스는 릴럭턴스와 반비례하고, 릴럭턴스의 역수는 퍼미언스로 표현된다. 보통 무선 충전 패드 설계시, 자성체를 한판으로 설계하는 것이 유리하지만, 한판으로 설계하기 위한 제작 공정상 어려움이 있고, 생산 비용이 증가하는 현실적인 문제가 있다. 또한, 큰 자성체를 한판으로 설계하는 경우, 자성체의 취성이 높아지는 문제가 있다. 이러한 문제점들을 해소하기 위해 복수의 블럭 코어를 나란하게 배치하는 자성체를 이용한다.
도 9a와 같이 복수의 블럭 코어를 배치하게 되면, 공극에 의한 저항값(도 8a의 Rg)이 증가하게 되어 인덕턴스가 감소한다. 즉, 퍼미언스가 감소한다. 도 9b와 같이 복수의 블럭 코어를 배치하게 되면, 공극에 의한 저항값이 무시할만한 수준이 되어 인덕턴스의 감소분도 최소화할 수 있게된다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 10b 및 도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 제1 블럭 코어 및 제2 블럭 코어를 예시한다. 도 10b는, 자성체(510)를 형성하는 제1 블럭 코어(1010) 및 제2 블럭 코어(1020)만 분리하여 예시하고, 도 10c는 제1 블럭 코어(1010)와 제2 블럭 코어(1020)를 각각 개별적으로 예시한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 무선 충전 패드(500)는, 송수신 코일(520) 및 자성체(510)를 포함할 수 있다.
송수신 코일(520)은, 자기 결합(Magnetic coupling)에 의해 무선으로 전력을 송신하거나 수신할 수 있다. 송수신 코일(520)은, 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 와이어가 권취되어 형성될 수 있다. 와이어는 공극(1001)과 교차되는 방향으로 연장될 수 있다. 와이어는 공극(1001)과 교차되는 방향으로 권취될 수 있다. 권취부는, 공극(1001)과 교차되는 방향으로 와이어가 권취될 수 있다.
자성체(510)는, 송수신 코일(510)의 주변에 배치될 수 있다. 예를 들면, 자성체(510)는, 지면을 기준으로 송수신 코일(510)의 아래에 배치될 수 있다. 예를 들면, 자성체(510)는, 지면을 기준으로 송수신 코일(510)의 위체 배치될 수 있다. 자성체(510)는, 송수신 코일(510)과 접촉될 수 있다.
자성체(510)는, 복수의 블럭 코어(block core)를 포함할 수 있다. 복수의 블럭 코어의 개수에는 제한을 두지 않는다. 블럭 코어는, 다른 블럭 코어와 함께 배치되어 자성체(510)를 구성하는 서브 자성체로 설명될 수 있다. 블럭 코어는, 페라이트를 이용하는 것이 바람직하다. 블럭 코어는, 송수신 코일(510) 전체를 커버하는 자성체(510)에 비해 상대적으로 작은 크기의 자성체로도 설명될 수 있다.
자성체(510)는, 제1 블럭 코어(1010) 및 제2 블럭 코어(1020)를 포함할 수 있다. 제2 블럭 코어(1020)는, 송수신 코일(520)의 와이어가 연장되는 방향으로 제1 블럭 코어(1010)와 나란하게 배치될 수 있다. 와이어가 연장되는 방향은, 전류가 흐르는 방향 또는 전류가 흐르는 방향의 반대 방향으로 설명될 수 있다. 또는, 와이어가 연장되는 방향은, 와이어가 권취되는 방향으로 설명될 수 있다.
자성체(510)는, 송수신 코일(520)의 턴수 및 송수신 코일(520)에 흐르는 전류의 피크값의 곱으로부터의 고유의 자기 저항 성분을 가지는 물체로 정의될 수 있다. 여기서, 고유의 자기 저항 성분은, 공극에 의해 발생되는 자기 저항 성분은 제외된 것이다. 도 10에서는, 자성체(510)가 송수신 코일(520)의 전체를 커버하는 것으로 예시하지만, 자성체(510)는, 도 11c와 같이 더 작은 단위로 설명될 수 있다.
제1 블럭 코어(1010)는, 입체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 블럭 코어(1010)는, 특정 높이값을 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제2 블럭 코어(1020)는, 입체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제2 블럭 코어(1020)는, 특정 높이값을 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 제2 블럭 코어(1020)의 높이값은 제1 블럭 코어(1010)의 높이값과 같을 수 있다.
제2 블럭 코어(1020)는, 일면이 제1 블럭 코어(1010)와 마주보게 배치되어 공극(1001)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제2 블럭 코어(1020)의 제1 측면은 제1 블럭 코어(1010)의 제1 측면과 마주보게 배치되어, 제2 블럭 코어(1020)의 제1 측면과 제1 블럭 코어(1010)의 제1 측면 사이에 공극(1001)이 형성될 수 있다.
공극(1001)의 길이 방향(1002)은, 와이어의 연장 방향(1009)와 수직할 수 있다. 제2 블럭 코어(1020)가 송수신 코일(520)의 와이어가 연장되는 방향으로 제1 블럭 코어(1010)와 나란하게 배치되고, 제2 블럭 코어(1020)의 일면이 제1 블럭 코어(1010)와 마주보게 배치됨으로써 형성된 공극(100)은 길이 방향(1002)이 와이어의 연장 방향(1009)과 수직하게 된다. 그에 따라, 극소수의 자속만 공극(1001)을 통해 지나가거나, 공극(1001)을 통해 지나가는 자속이 없게 되고, 자속이 공극(1001) 주변의 제1 블럭 코어(1010) 및 제2 블럭 코어(1020)로 흐르게 된다. 이경우, 공극(1001)의 길이 방향(1002)은, 공극(1001) 주변의 자성체(510)에서 흐르는 자속(1011, 1021)의 방향과 같을 수 있다. 공극(1001)의 길이 방향(1002)은, 제1 블럭 코어(1010) 및 제2 블럭 코어(1020)에서 흐르는 자속(1011, 1021)의 방향과 같을 수 있다. 공극(100)의 길이 방향(1002)은, 자성체(510)에 흐르는 적어도 하나의 자속의 방향과 평행할 수 있다.
한편, 송수신 코일(520)의 인덕턴스는 공극(1001)의 형성 방향과 연관성을 가질 수 있다. 자속이 공극(1001)을 지나는 양이 늘어날수록 공극(1001)에 의해 발생되는 저항값(도 8a의 Rg)이 증가하게 된다. 그에 따라 릴럭턴스가 증가하게 되어, 송수신 코일(520)의 인덕턴스값이 감소한다. 자속이 공극(1001)을 지나는 양이 줄어들수록 공극(1001)에 의해 발생되는 저항값이 감소하게 된다. 그에 따라 릴럭턴스가 감소하게 되어, 송수신 코일(520)의 인덕턴스값이 증가한다.
도 10b 및 도 10c에 예시된 바와 같이, 제1 블럭 코어(1010)는, 제2 블럭 코어(1020)를 마주보는 제1 블럭 코어(1010)는, 제2 블럭 코어(1020)를 마주보는 제1 면(1015)을 어느 하나의 측면으로 하는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 제2 블럭 코어(1020)는, 제1 면(1015)을 마주보는 제2 면(1025)을 어느 하나의 측면으로 하는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 제1 면(1015) 및 제2 면(1025) 사이에 공극(1001)이 형성될 수 있다.
제1 블럭 코어(1010)는, 제1 변(1011a)이 하나의 변으로 구성된 다각형의 횡단면(1010a)을 가질 수 있다. 도 10b에서는 제1 블럭 코어(1010)의 횡단면이 사각형인 것을 예시하나, 이에 제한되지 않고, 제1 블럭 코어(1010)의 횡단면은, 삼각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형 또는 십각형일 수 있다.
제2 블럭 코어(1020)는 제1 변(1011a)과 같은 길이의 제2 변(1021a)이 하나의 변으로 구성된 다각형의 횡단면(1020a)을 가질 수 있다. 도 10b에서는 제2 블럭 코어(1020)의 횡단면이 사각형인 것을 예시하나, 이에 제한되지 않고, 제2 블럭 코어(1020)의 횡단면은, 삼각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형 또는 십각형일 수 있다.
한편, 자성체(510)는, 제3 블럭 코어(1030)를 더 포함할 수 있다. 제3 블럭 코어(1030)는, 입체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제3 블럭 코어(1030)는, 특정 높이값을 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 제3 블럭 코어(1030)의 높이값은 제1 블럭 코어(1010)의 높이값과 같을 수 있다.
제3 블럭 코어(1030)는, 송수신 코일(520)의 와이어가 연장되는 방향으로 제2 블럭 코어(1020)와 나란하게 배치될 수 있다. 제3 블럭 코어(1030)는 일면이 제2 블럭 코어(1020)와 마주보게 배치되어 공극이 형성될 수 있다.
자성체(510)는 제4 블럭 코어(1040)를 더 포함할 수 있다. 제4 블럭 코어(1040)는, 입체 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제4 블럭 코어(1040)는, 특정 높이값을 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 제4 블럭 코어(1040)의 높이값은 제1 블럭 코어(1040)의 높이값과 같을 수 있다.
제4 블럭 코어(1040)는, 송수신 코일(520)의 와이어가 연장되는 방향으로 제3 블럭 코어(1030)와 나란하게 배치될 수 있다. 제4 블럭 코어(1040)는 일면이 제3 블럭 코어(1030)와 마주보게 배치되어 공극이 형성될 수 있다.
제4 블럭 코어(1040)는, 송수신 코일(520)의 와이어가 연장되는 방향으로 제1 블럭 코어(1010)와 나란하게 배치될 수 있다. 제4 블럭 코어(1040)는 일면이 제1 블럭 코어(1010)와 마주보게 배치되어 공극이 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 패드를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 11a에 예시된 바와 같이, 자성체(510)는 복수일 수 있다. 예를 들면, 자성체(510)는, 제1 자성체(511), 제2 자성체(512), 제3 자성체(513) 및 제4 자성체(514)로 구성될 수 있다.
복수의 자성체(511, 512, 513, 514) 각각은, 송수신 코일(520)의 턴수 및 송수신 코일(520)에 흐르는 전류의 피크값의 곱에 대한 고유의 자기 저항 성분을 가지는 물체로 정의될 수 있다. 여기서, 고유의 자기 저항 성분은, 공극에 의해 발생되는 자기 저항 성분은 제외된 것이다.
도 11b에 예시된 바와 같이, 복수의 자성체(511, 512, 513, 514)를 각각 구성하는 복수의 블럭 코어들의 배치에 의해 생성되는 공극의 길이 방향이 와이어의 연장 방향과 같은 경우, 수많은 자속이 공극을 통해 지나가게 된다. 그에 따라 공극에의한 자기 저항값(도 8a의 Rg)이 높아지게 된다.
도 11c에 에시된 바와 같이, 복수의 자성체(511, 512, 513, 514)를 구성하는 복수의 블럭 코어들의 배치에 의해 생성되는 공극의 길이 방향이 와이어의 연장 방향과 수직한 경우, 극 소수의 자속만 공극을 통해 지나가게 된다. 그에 따라, 공극에 의한 저항값은 무시할만한 수준이 된다.
권취부의 와이어가 직선인 경우, 도 10a에서 설명한 바와 같이, 제1 블럭 코어와 제2 블럭 코어의 배치 관계에 따라 형성되는 공극은, 와이어의 연장 방향과 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이경우, 공극의 길이 방향은, 와이어의 연장 방향과 수직할 수 있다. 이경우, 공극의 길이 방향은, 공극 주변의 자성체에서 흐르는 자속의 방향과 같을 수 있다.
지시부호 790과 같이, 권취부의 와이어가 직선으로 연장되는 경우, 제2 블럭 코어(1020)는, 권취부의 와이어가 연장되는 방향으로 제1 블럭 코어(1010)와 나란하게 배치되어, 와이어에 수직되는 방향으로 공극을 형성할 수 있다.
지시부호 791과 같이, 권취부의 와이어가 곡선으로 연장되는 경우, 제2 블럭 코어(1020)는, 권취부의 와이어가 연장되는 방향으로 제1 블럭 코어(1010)와 나란하게 배치되어 곡선의 접선(1101)에 수직되는 방향으로 공극을 형성할 수 있다.
본원 발명의 실시예와 같이, 복수의 블럭 코어를 배치하는 경우, 공극에 의한 저항값이 낮아지고, 시스템 효율이 향상된다. 또한, 퍼미언스가 높아져 특정 인덕턴스를 요구하는 자성체의 크기가 종래 기술 대비, 작아져 전체 무선 충전 패스(500)의 크기가 작아질 수도 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
500 : 무선 충전 패드

Claims (14)

  1. 와이어가 권취되어 형성되는 송수신 코일; 및
    상기 송수신 코일의 주변에 배치되는 적어도 하나의 자성체;를 포함하고,
    상기 자성체는,
    제1 블럭 코어(block core); 및
    상기 와이어가 연장되는 방향으로 상기 제1 블럭 코어와 나란하게 배치되는 제2 블럭 코어;를 포함하는 무선 충전 패드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자성체는,
    상기 송수신 코일의 턴수 및 상기 송수신 코일에 흐르는 전류의 피크값의 곱으로부터의 고유의 자기 저항 성분을 가지는 물체로 정의되는 무선 충전 패드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 블럭 코어는,
    일면이 상기 제1 블럭 코어와 마주보게 배치되어 공극(air gap)을 형성하는 무선 충전 패드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 공극의 길이 방향은,
    상기 와이어의 연장 방향과 수직한 무선 충전 패드.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 공극의 길이 방향은,
    상기 공극 주변의 상기 자성체에서 흐르는 자속의 방향과 같은 무선 충전 패드.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 와이어는,
    상기 공극과 교차되는 방향으로 연장되는 무선 충전 패드.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 송수신 코일의 인덕턴스는,
    공극의 형성 방향과 연관성을 가지는 무선 충전 패드.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 블럭 코어는,
    상기 제2 블럭 코어를 마주보는 제1 면을 어느 하나의 측면으로 하는 플레이트 형상으로 형성되고,
    상기 제2 블럭 코어는,
    상기 제1 면을 마주보는 제2 면을 어느 하나의 측면으로 하는 플레이트 형상으로 형성되고,
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이에 공극이 형성되는 무선 충전 패드.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 블럭 코어는,
    제1 변이 하나의 변으로 구성된 다각형의 횡단면을 가지는 무선 충전 패드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 블럭 코어는,
    상기 제1 변과 같은 길이의 제2 변이 하나의 변으로 구성된 다각형의 횡단면을 가지는 무선 충전 패드.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 송수신 코일은,
    일방향으로 권취되어 나선형을 가지는 권취부;를 포함하는 무선 충전 패드.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 권취부의 와이어가 직선으로 연장되는 경우, 상기 제2 블럭 코어는, 상기 권취부의 와이어가 연장되는 방향으로 상기 제1 블럭 코어와 나란하게 배치되어, 상기 와이어에 수직되는 방향으로 공극을 형성하는 무선 충전 패드.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 권취부의 와이어가 곡선으로 연장되는 경우, 상기 제2 블럭 코어는, 상기 권취부의 와이어가 연장되는 방향으로 상기 제1 블럭 코어와 나란하게 배치되어, 상기 곡선의 접선에 수직되는 방향으로 공극을 형성하는 무선 충전 패드.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 자성체는,
    상기 와이어가 연장되는 방향으로 상기 제2 블럭 코어와 나란하게 배치되는 제3 블럭 코어를 더 포함하고,
    상기 제3 블럭코어는,
    일면이 상기 제2 블럭 코어와 마주보게 배치되어 공극이 형성되는 무선 충전 패드.

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