Omnidirectional Resonator in Three-Dimensional using a Globular Structure for Wireless Power Transfer

논문 2016-53-1-3

공 모양의 구조를 이용한 무선 전력 전송용 3차원 전 방향 공진기

( Omnidirectional Resonator in Three-Dimensional using a Globular Structure for Wireless Power Transfer )

김 동 건

^*

^**

( Donggeon Kim and Chulhun Seo

)

요 약

본 논문에서는 공 모양의 구조를 이용하여 공진형 무선 전력 전송용 송·수신기를 설계 및 구현하였다. 제안된 송신기의 코 일을 공 모양으로 감음으로써 3차원의 공간으로 자계 에너지를 방사하도록 하였다. 송신기의 각각의 면을 나선 구조로 함으로 써 높은 Q 값을 얻을 수 있도록 설계하였다. 이것은 기존의 무선 전력 전송 시스템에서 위치에 따라서 전송효율이 변하는 문 제점을 해결하였다. 그리고 3차원에서의 공진형 무선 전력 전송을 가능하게 한다. 이때의 공진주파수는 6.78 MHz이며, 송·수신 기 사이 거리가 200 mm일 때, 3차원 전 방향에서 40% 이상의 전송 효율을 얻을 수 있었다.

Abstract

In this paper, using the globular structure designed and implemented for the transmitter and the receiver resonant wireless power transfer(WPT). The coil of the transmitter was proposed to emit a magnetic energy in three-dimensional space by winding a ball shape. Each side of the transmitter has been designed to obtain a high Q value by a spiral structure. This solves the problem that the transfer efficiency decreases rapidly depending on the location in the conventional WPT. The resonance frequency is used 6.78 MHz and the distance between the trasnitter and the receiver is 200 mm. The transfer efficiency of the proposed WPT system is higher than 40% at all direction.

Keywords

globular structure, omnidirectional resonator, wireless power transfer, transfer efficiency, 6.78 MHz

*

학생회원, 숭실대학교, 전자공학과

(Electronic Engineering, Soongsil University)

**

정회원, 숭실대학교, 정보통신전자공학부

(Information and Telecommunication Engineering, Soong sil University)

ⓒ

Corresponding Author(E-mail: [email protected])

※ 본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술 평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제(No.

20144030200600)입니다.

※ 본 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단(NRF) 의 지원을 받아 수행한 연구(No.2014044894)입니다.

Received ;

Revised ;

Accepted ;

Ⅰ. 서 론

정보통신 기술을 기반으로 하는 다양한 융·복합 산업 이 대부분의 현대 산업을 차지하고 있다. 따라서 여러 분야에서 정보통신 기술이 사용되고 있으며, 이를 통해 서 인간은 편리한 생활을 누리고 있다. 특히 정보통신 기술의 발전은 이동통신 기술을 주축으로 이용자들이 언제 어디서나 서비스를 누릴 수 있는 방향으로 빠르게 변하고 있다. 최근 몇 년 사이에 우리에게 필수품이 되 어버린 스마트폰, 노트북의 대항마로 떠오른 태블릿PC,

그리고 시계형태로 출시되고 있는 웨어러블 기기들처럼 이용자의 이동 편의성에 중점을 둔 제품이 시장에 확산 되고 있다. 이러한 기기들이 정보검색, 영상시청, 게임, 그리고 업무 등 다양한 수요를 시간과 장소에 구애받지 않고 충족시켜주기 때문이다. 이렇듯 현대의 일상생활 에서 이동성 기기의 사용이 급격하게 증가하고 있기 때 문에 오랜 시간 전원 공급이 가능한 휴대용 배터리의 필요성 또한 증가하고 있다. 하지만 요즘 기기제품의 추세가 소형화 및 경량화이기 때문에 마냥 배터리의 부 피 및 크기를 키울 수는 없다. 이제껏 오랫동안 사용되 어 온 방식인 유선을 이용한 전원 공급방식은 이용자의 이동성을 떨어뜨리고, 배터리를 이용한 전원 공급방식 은 전자기기의 부피와 무게를 증가시키기 때문에 이 또 한 이동에 방해가 되고 있다. 따라서 기존의 전원 공급 방식으로 인해 발생하는 전자기기의 이동 편의성 문제 를 해결하기 위해 새로운 전원 공급방식인 무선 전력 전송 기술이 대두되고 있다.

무선 전력 전송의 기본 개념은 이미 19세기 초 마이 클 패러데이(Faraday)의 전자기 유도 실험과 19세기 말 니콜라 테슬라(Tesla)의 전파를 이용한 전력 전송 실험 을 통해서 확립되었다. 그리고 2007년 메사추세츠 공과 대학교(MIT)의 마린 솔라치치(Soljacic) 연구팀에서 기 존의 자기유도방식보다 더 먼 거리에서 무선 전력 전송 이 가능한 자기공명방식을 소개한 이후, 자기공명방식 을 이용한 무선 전력 전송 연구가 활발히 진행되고 있 다^[1].

일반적으로 송신코일에 대한 수신코일 각도의 변화 에 따라서 상호 인덕턴스가 급격히 변한다. 즉, 각도에 따라 전송효율이 변한다. 그러나 실생활에서 각도의 변 화는 당연하기 때문에 전 방향에서의 무선 전력 전송부 가 필요하다^[2]. 본 논문에서는 기존의 자기공진방식의 무선 전력 전송 기술의 적용 범위 증대를 위하여 6.78 MHz 대역에서 공 모양의 구조를 이용하였다. 자기장을 전 방향으로 방사시킴으로써 3차원 전 방향에서 무선 전력 전송을 가능하게 했다.

Ⅱ. 본 론

1. 자기공명방식의 무선 전력 전송 기술

공명 혹은 공진이란 특정 주파수에서 큰 진폭으로 진 동하는 현상을 말한다. 이때의 특정 진동수를 공진 주 파수라고 하며, 공진 주파수에서는 작은 힘의 작용에도 큰 진폭 및 에너지를 전달할 수 있게 된다. 그러므로 같

그림 1. 평면 구조의 송·수신 코일 공진기

Fig. 1. The transmitter&receiver coil resonator of the planar structure.

그림 2. 축구공과 나선구조 Fig. 2. The soccer ball and helix

은 주파수를 갖는 두 물체는 강한 결합을 한다. 즉, 동 일한 주파수를 갖는 물체가 있으면, 에너지는 하나의 물체에서 다른 물체로 강하게 전달된다. 일반적으로 진 동은 주파수 발생점에서 멀어질수록 약해지지만, 공진 현상이 일어나면 발생점에서 멀어지더라도 비 공진 상 태에 비해 진동이 강하다^[3～4].

2. 3차원 무선 전력 전송

그림 1은 평면 구조의 송·수신 코일 공진기를 나타낸 것이다. Tx는 송신 코일을 나타내고 Rx는 수신 코일을 나타내고 θ는 수신 코일과 x-y 평면의 각도를 나타낸다.

그림 1에서 각도 θ의 변화에 따라서 송신 코일과 수 신 코일간의 상호 인덕턴스가 급격히 변한다. 상호 인 덕턴스에 의해서 전송 효율이 결정되는데, θ가  이면 상호 인덕턴스가 강해서 높은 전송 효율을 보이지만, θ 가  이면 상호 인덕턴스가 약해서 낮은 전송 효율 을 보인다^[5].

이것은 무선 전력 전송 수신기의 자유도를 감소시키 는 문제를 야기한다. 따라서 수신기의 자유도 문제를 향상시키기 위해서 전 방향 무선 전력 전송부의 필요성 이 요구된다.

그림 2는 제안하는 송신기의 구조 원리를 설명해준 다. 송신기의 전체적인 형태를 공 모양으로 구성함으로 써 3차원 전 방향으로 공진이 일어날 수 있게 했고 각

그림 3. 공 모양의 송신기 Fig. 3. The globular transmitter.

그림 4. 제안된 송신기의 자기에너지 분포

Fig. 4. The magnetic field distribution of the proposed transmitter.

각의 면을 나선구조로 구성해서 높은 Q 값을 가질 수 있도록 설계했다.

Ⅲ. 실 험

1. 3차원 무선 전력 전송용 공진기 설계

3차원 특성을 갖는 공진기는 EM 시뮬레이터인 HFSS를 사용하여 설계했다. 평면 구조의 자기공진방식 무선 전력 전송에서 송신 코일에 대한 수신 코일의 위 치 및 배열에 따라서 상호 인덕턴스가 0이 되는 Dead Zone이 발생한다. Dead Zone에서는 송신 코일에서 수 신코일로 전력 전달이 이루어지지 않는다. 3차원 무선 전력 전송은 Dead Zone을 줄여서 수신 코일의 위치에 상관없이 전력이 전송 될 수 있도록 설계하였다. 근접 효과를 무시하기 위해서 도선사이의 간격을 3 mm로 정했다^[6].

그림 3은 공 모양의 송신기를 보여준다. 크기는 가로

×세로×높이가 200×200×200 mm이며, 지름이 1 mm인 리츠 와이어를 사용하였다. 송신 공진기의 코일 인덕턴

그림 5. 제안된 공진기

Fig. 5. The proposed resonator.

그림 6. S-parameter Fig. 6. S-parameter.

스는 30.97 μH를 갖고 Q 값은 49.77이다. 이를 통해서 LC공진을 시켰다. 6.63 MHz에서 _이 -29.7 dB를 나 타냈다.

그림 4는 공진 주파수에서 송신기의 자기장 분포를 보여주고 있다. 송신 공진기에 전력이 인가되면서 구조 물의 각 면에서 자계가 방사하고 있다. 전 방향에서의 방사를 보이고 있다.

그림 5는 3차원 무선 전력 전송을 위한 송신 공진기 와 수신 공진기의 구조를 보여준다.

2. 3차원 무선 전력 전송용 공진기 구현

송신 공진기의 크기는 가로×세로×높이가 200×200×

200 mm이며 지름이 1 mm인 리츠 와이어를 사용하였 다. 또한 송신 공진기 각각의 면을 3번 감은 나선 구조 로 구성하였다.

수신 공진기는 가로×세로가 200×200 mm이며 지름이 1 mm인 리츠 와이어를 사용하였다. 또한 수신 공진기 를 15-turns 나선 구조로 구성하였다. 그 결과, 코일 인 덕턴스를 증가시켰고 높은 Q 값을 얻을 수 있었다.

그림 7. 각도에 따른 전송효율

Fig. 7. The transfer efficiency of the angle.

송신기의 코일 인덕턴스는 53.714 μH를 갖고 Q 값은 11.63이고 수신기의 코일 인덕턴스는 188.76 μH를 갖고 Q 값은 10.78이다.

송신기의 _은 -20.149 dB이다. 수신기의 _은 -24.861 dB이다. 두 개의 공진기가 공진이 잘 일어나고 있음을 확인 할 수 있다.

공진을 시킨 송·수신기를 200 mm의 전송거리를 두

고 

_

_

다음으로 수신기의 위치별 전송 효율을 확인하기 위 해 송신기에 대한 수신기의 각도를 x-y, y-z, z-x평면 에서

^{ ∼ }

그림 7은 각도에 따른 전송효율을 그래프로 보여주 고 있다. 전 방향에서 40% 정도의 균일한 값을 보이고 있다. 전송효율은 40.55∼45.92%의 범위를 보인다. 표준 편차는 5%로 3차원 전 방향에서 균일한 방사가 되고 있음을 알 수 있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 공 모양의 구조를 이용하여 3차원 전 방향에서의 자기공진방식 무선 전력 전송용 공진기를 설계 및 구현하였다. 송신기의 전체적인 형태를 공 모 양으로 구성함으로써 3차원 전 방향으로 공진이 일어날 수 있게 했고 각각의 면을 나선구조로 구성해서 높은 Q 값을 가질 수 있도록 설계했다. 이것은 일반적인 단 평면 구조의 자기공진방식 무선 전력 전송용 공진기에 서 위치에 따라 전송효율이 급격히 변하는 문제점을 해 결하여 3차원 전 방향의 무선 전력 전송이 가능케 한다.

수신기는 태블릿 PC, 노트북의 무선 충전을 위해 배터 리 사이즈로 제작했다.

공진 주파수는 6.78 MHz이고 송·수신 공진기의 거리 가 200 mm에서 각도의 변화를 주었을 때, 3차원 전 방 향에서 40% 이상의 고효율 특성을 보였다.

REFERENCES

[1] A. Kurs, A. Karalis, R.Moffatt, J. D.

Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic,

“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol. 17, no. 5834, pp. 83-86, Jul. 2007.

[2] W. C. Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans.

Microwave Theory & Tech., vol. 32, no. 9, pp.

1230-97, Sep. 1984.

[3] P. Gay-Balmaz and O. J. F. Martin, "Efficient isotropic magnetic resonators,” Applied Physics Letters, vol. 81, no. 5, pp. 939-941, May. 2002.

[4] W. M. Ng, C. Z., D. Lin, and S. Y. Ron Hui,

“Two and three-dimensional omnidirectional wireless power Transfer,” IEEE Trans.

Microwave Theory & Tech., vol. 29, no. 9, pp.

저 자 소 개 김 동 건(학생회원)

2014년 숭실대학교 정보통신전자공학 부학사 졸업.

2015년 숭실대학교 전자공학과 석사과정.

<주관심분야 : RF모듈, RFIC 무선 전력 전송>

서 철 헌(정회원) 대한전자공학회 논문지 Vol. 31 no 6 참조 4470-4474, Sep. 2014.

[5] O. Jonah and S. V. Georgakopoulos, “Wireless power transfer in concrete via strongly coupled magnetic resonance,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 3, pp.

1378-1384, 2013.

[6] Sanghwan Kim and Chulhun Seo, “Design of Two-Dimensional Resonant Wireless Power Transfer Using 90˚ Phase Shifted Inputs”, IEIE(Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers), vol, 52, no. 2, pp. 70-74, Feb. 2015