[논문]공진 코일의 크기와 부하 저항이 자계 공명 무선 전력 전송 장치의 전달 효율에 주는 영향에 관한 연구

박정흠

doi:10.5207/jieie.2012.26.7.045

[국내논문] 공진 코일의 크기와 부하 저항이 자계 공명 무선 전력 전송 장치의 전달 효율에 주는 영향에 관한 연구
A Study on the Effect of Resonant Coil Size and Load Resistance on the Transmission Efficiency of Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.7, 2012년, pp.45 - 51

박정흠 (김포대학교 IT학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the wireless power transfer system using the magnetic resonance was designed and the effect of resonant coil radius and load resistance to this system was analyzed by the circuit analysis method. As a result, the calculated transmitted-power is similar to measured one, and the coil size has a small effect to the coupling coefficients in the resonant frequency band. In addition, the fact that the calculated transmitted-power according to the source frequency is similar to measured one confirms that the circuit analysis methode in this paper is valid. The input side transmission efficiency ${\eta}_i$ including only the loss in the power transfer circuit is almost 90[%] with the large coil in the 10[cm] transfer distance, and 65[%] with the small coil in 1[cm]. The source side transmission efficiency ${\eta}_s$ is 30~40[%] at both coil when load resistance below 4.7[${\Omega}$] has been connected. Considering that the maximum ${\eta}_s$ is 50[%], this is valid in the practical applications.

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문제 정의

모바일 기기에 무선으로 전원을 공급하기 위해서는 직경이 작은 코일이 필요하다. 이에 본 논문에서는 1[MHz]대역의 자계 공명 무선 전력 전송 장치를 제작하여, 회로적 해석을 통해 코일 반경과 부하 저항이 전달효율에 끼치는 영향을 분석하고, 전달효율이 높은 코일 구조를 고려함으로써, 모바일 기기로의 응용 가능성을 모색하고자 한다.
본 논문에서는 1[MHz] 주파수 대역의 자계 공명 무선 전력 전송 장치를 구현하여 송수신용 코일의 크기 및 부하 저항을 변화시켜 전달 효율에 끼치는 영향을 분석하였다. 또한 장치의 회로적 해석을 통해서 결합계수가 전달 전력에 끼치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

그림 1에 자계 공명을 이용한 무선 전력 전송 장치의 개념을 나타냈다. 신호발생기로부터 주파수1[MHz], VS_peak=10[V]의 정현파를 소스코일로 입력받아 송신코일로 유도성 결합을 통해 전달하였다. 송신코일로 전달된 전력은 같은 공진주파수를 가지는 수신코일로 공명 현상을 통해 전달되며, 다시 유도성 결합에 의해 부하코일로 전달된다.
제작된 송수신 코일의 양단은 상용의 캐패시터로 종단하여 LC공진기를 구성하였다. 집중소자인 상용의 캐패시터(C2, C3)를 사용하므로써, 높은 Q값을 구현하할 수 있다.
송수신 코일의 자기 인덕턴스값을 결정하기 위해 최대전력 전달조건을 이용하였다. 코일의 저항이 근사적으로 0일 때, 최대전력이 전달되기 위해서는 코일의 리액턴스 X_L이 전원 저항 R_s와 같아야 하므로, 코일 양단 간 전압 V_L은 인가된 전원전압 V_s의 #배가 된다.
앞 장의 이론으로부터 구성되는 식들을 연립하여 부하 저항에서의 전압과 전류를 구하였고, 이로부터 전달된 피상전력(PL=VLrms • ILrms)을 계산하였다.
본 논문에서는 1[MHz] 주파수 대역의 자계 공명 무선 전력 전송 장치를 구현하여 송수신용 코일의 크기 및 부하 저항을 변화시켜 전달 효율에 끼치는 영향을 분석하였다. 또한 장치의 회로적 해석을 통해서 결합계수가 전달 전력에 끼치는 영향을 분석하였다.
무선 전력 전송 장치에 있어서 중요한 지표인 전달효율(Transmission Efficiency)을 그림 1에서 표기한 V_s, V_L, V_i, I_i을 이용하여, 다음과 같이 두 가지로 정의하였다.

대상 데이터

소스 및 송신 코일은 직경 3[mm]인 에나멜선을 사용하여, 직경 300[mm]로 1[회] 및 3[회]씩 감아서 제작하였다. 수신 및 부하 코일은 에나멜선의 직경, 코일의 직경 및 턴 수를 표 1과 같이 달리 제작하였다.

데이터처리

각 코일 간의 결합계수 k_ij는 한 코일과 다른 코일간의 자속이 결합하는 정도를 나타내며, 계산된 결과와 측정치와의 비교를 통해 결정하였다
)을 계산하였다. 부하 저항의 크기에 따라 전달전력이 변화하며 그림 3에 실제 측정한 전달전력과 계산된 값을 비교하였다. 본 논문에서는 수신 코일의 직경을 변화시켜 그 효과를 관찰하고자 하므로, 직경 변화에 따라 가장 크게 변화가 예상되는 결합계수 k₂₃과 k₂₄의 변화에 따른 전달전력의 변화를 그림 3에 함께 나타내었다.

성능/효과

두 코일의 입력 측 전달효율 ηi을 비교하면, 큰 코일의 ηi가 넓은 저항영역에 걸쳐 높은 값을 보이는데, 이는 전력 송수신 회로에서의 손실이 큰 코일에서보다 작은 코일에서 상대적으로 크다는 것을 의미한다.
따라서, 공진시스템을 구성 시, XL을 0으로 하고, ZL을 50[Ω]에 근접하도록 하여야 하나, 큰 코일의 경우 작은 코일에 비해 상대적으로 XL이 큼에 따라서 10[Ω]이하의 부하저항에서 낮은 전달효율을 보이는 것으로 판단된다.
무선 전력 전송 장치의 실제 효율이라고 할 수 있는 전원 측 전달효율 ηs는 두 코일 모두 4.7[Ω]이하의 부하 저항 연결 시, 30～40[%}에 이르러, 이의 최대값이 50[%]인 점을 고려하면 실제 응용이 가능한 값을 보였다.
의 변화가 클 것으로 예상했으나, 회로적으로 해석한 결과, 두 코일의 결합계수가 비슷한 값을 가졌다. 이 값을 이용하여 계산한 전달전력이 실제 측정된 전달전력과 거의 일치하였으므로, 공진주파수 부근에서 코일 크기가 결합계수에 주는 영향은 작음을 알 수 있었다.
주파수 변화에 따른 전달전력의 변화도 계산된 값과 측정된 값이 공진주파수 부근에서 유사하므로, 본 논문에서 제안한 회로적 해석이 유효함을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 실용화를 위해 임피던스 매칭을 고려하여 전원측 전달효율 ηs를 높이고 모바일 기기 등에 적용하기 위해 작은 코일의 형상을 평판형으로 하는 연구가 요구된다.
큰 코일의 경우 4.7[Ω]이하에서, 작은 코일의 경우 2[Ω]에서 효율이 열화되는 점은 이후 추가적으로 분석되어야 할 것이다.
를 높이고 모바일 기기 등에 적용하기 위해 작은 코일의 형상을 평판형으로 하는 연구가 요구된다. 또한 공급전원의 교류 출력을 높였을 때, 회로적 해석 방법의 유효성과 전자파인체흡수율 기준에 대한 면밀한 검토가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 기기에 무선으로 전원을 공급하기 위해 필요한 것은?	모바일 기기에 무선으로 전원을 공급하기 위해서는 직경이 작은 코일이 필요하다. 이에 본 논문에서는 1[MHz]대역의 자계 공명 무선 전력 전송 장치를 제작하여, 회로적 해석을 통해 코일 반경과 부하 저항이 전달효율에 끼치는 영향을 분석하고, 전달효율이 높은 코일 구조를 고려함으로써, 모바일 기기로의 응용 가능성을 모색하고자 한다.
	전자파인체흡수율과 관련한 국제기준 중 10[MHz]～10[GHz] 대역에서의 전자계 세기 규제기준이 가장 엄격한 이유는?	이 기준에 따르면, 10[MHz]～10[GHz] 대역에서의 전자계 세기 규제기준이 가장 엄격하다. 이는 이 주파수 대역에서 SAR이 상대적으로 높기 때문이다. 이에 전자파 세기의 규제가 작은 1[MHz]를 중심주파수로 하는 자계 공명 방식의 무선전력전송장치를 구현한 연구가 있었다[4].
	자계 공명 방식의 무선 전력 전송 기술의 장점은?	잘 알려진 바와 같이 자계 공명 방식의 무선 전력 전송 기술은 기존의 전자기 유도 방식에 비해 전송거리가 길며, 전력전달효율이 우수하고, 전자파 안전성이 높다. 또한, 방사신호 및 방사저항이 작으며, 바자성체에 대해 높은 투과력을 가지고, 방향성이 없는 등의 장점이 있다[3]. 특히 상용화를 위해서는 전자파 안전성의 확보가 관건이므로, 전자파인체흡수율(SAR :Specific Absorption Rate)을 고려해야 한다.

참고문헌 (7)

Andre Kurs et. al., Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science, Vol. 317, pp. 83-86, 2007.

상세보기
C. Zhu, et. al., Simulation and experimental analysis on Wireless energy transfer based on magnetic resonances, in Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC '08. IEEE, sept., pp.1-4., 2008.
Young-Gin Park, A study on the magnetic resonance wireless power transfer technology, Journal of Korean Institute of Power Electronics, Vol.15, No.6, pp.47-53, 2010.
Jeong-Heum Park, A Study on the Wireless Power Transfer System using Magnetic Resonance at the 1MHz Frequency Band, Journal of Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation, Vol.26, No.1, pp.75-81, 2012.
K. O'Brien, Inductively coupled radio frequency power transmission system for wireless systems and devices, Aachen, Germany, 2007. ISBN 978-3-83225775-0.
B L. Cannon, J. F. Hoburg, D. D. Stancil, and S. C. Goldstein, Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.24, No.7, 2009.
A. Sample, D. Meyer, and J. Smith, Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 2, pp. 544-554, feb. 2011.

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