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2019공간 무선 전력 전송을 위한 광대역형 무방향성 자속 집중 송신기

최근 수신부의 높은 위치 자유도와 이동성을 요구하는 웨어러블 기기 및 모바일 기기, 전기자동차 시장의 성장으로 무선 전력 전송에 대한 관심이 증가하고 있다. 무선 전력 전송 기술은 전선 없이 전기에너지를 자기장의 형태로 부하에 전달하는 기술이다. 유선 전력 전송 기술과 비교하여 무선 전력 전송 기술의 가장 큰 장점은 수신부의 높은 위치 자유도에 있다.

무선 전력 전송을 구현하는 방법으로 평면 코일을 적용한 구조 연구가 진행 되고 있으나, 이는 송신 코일과 수신 코일이 동일 축상에 위치 해야 하는 한계점을 가지고 있다. 이러한 평면 코일의 한계를 극복하기 위해서 세 개의 코일이 중심을 공유하고 직교하는 구조를 적용하여 임의의 공간에 위치한 수신부로 전력 전송이 가능한 기술이 무방향성 무선 전력 전송 기술이다. 

제안한 spherical flux concentration 구조의 무방향성 무선 전력 전송 기술은 송신부 내부에 수신부 방향으로 돌출된 페라이트 코어를 삽입하여 송신부와 수신부간의 자속 쇄교량이 증가시키고 이를 통해 전력 전송 거리를 증가시키며 높은 전력 전달 효율의 달성을 가능케 한다. 

Fig. 1 Transmitter of omnidirectional wireless power transfer system using spherical flux concentration.


Fig. 1은 spherical flux concentration 구조를 적용하여 3차원 공간에서의 무방향성 무선 전력 전송용 송신부를 구현한 것이다. 코일은 반지름의 길이가 동일한 Helix 형태로 권선하며 xy-평면 코일, yz-평면 코일, zx-평면 코일 세 개가 중심을 공유하고 직교한다. 그림에서 는 각 평면 코일의 양의 법선 방향을 나타낸다. 세 개의 송신 코일 내부에는 본 논문에서 제안하는 구조의 페라이트 코어가 삽입된다. 삽입된 코어는각 평면 코일의 법선 방향으로 코어의 부채꼴 부분이 돌출 하도록 코어를 배치한다.

 

(a) 
(b) 

Fig. 2 Magnetic flux density based on FEA in (a) conventional WPT system , (b) proposed WPT system.


Fig .2은 FEA(Finite Element Analysis) 시뮬레이션을 사용하여 3차원 공간상에 놓인 송신부와 수신부 사이의 자속밀도 분석 결과를 보여준다. Fig .2 (a)는 기존 송신부 구조를 적용한 경우이며 Fig. 2 (b)는 제안한 송신부 구조를 적용한 경우이다. Fig. 2 (a)의 수신부 중심부분 면적 S1 과 Fig . 2 (b)의 면적 S2 에서의 자속 밀도를 비교해 보면 spherical flux concentration 구조를 적용 했을 때 자속 밀도가 크게 나타남을 알 수 있다. 


Fig. 3 Efficiency against power transmission distance.


Fig. 3은 전송거리에 따른 전력 전달 효율을 보여준다. 제안한 spherical flux concentration 구조가 높은 전력 전달 효율을 달성하고 있음을 알수 있으며 특히 전송 거리 증가시 효율 감소도가 작음을 확인할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

본 기술의 이용 및 활용에 대한 사항은 아래 "기술 문의"로 연락 바랍니다. 


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  • 관련 논문         -   http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE09264650 
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