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4-코일 자기 공진 무선 전력 전송 시스템의 해석법 연구
Analysis and Comparison for a 4-Coil Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.2, 2013년, pp.168 - 179  

이건복 (포항공과대학교 전자전기공학과) ,  박위상 (포항공과대학교 전자전기공학과)

초록
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4-코일 자기 공진 무선 전력 전송 시스템의 해석법 중 critical point analysis(CA)와 impedance matching analysis(IA)를 분석하고, 두 결과를 비교하였다. 4-코일 시스템은 가까운 거리에서는 주파수 분리 현상이 나타나고, 먼 거리에서는 효율이 급격히 감소하는 특징을 나타낸다. 따라서 고정된 주파수에서 사용할 경우, 목표하는 거리와 효율에 따라 최적화가 필요하다. CA는 전체 거리에서 효율이 최대가 되는 critical point를 이용하여 최적화하는 방법이고, IA는 목표 지점에서 임피던스 정합을 이뤄 최대 효율을 만족시키는 방법이다. 기존의 해석은 두 가지 방법을 비교하고 시스템 특성을 이해하는데 부족한 점이 있었기 때문에, 본 논문에서 두 방법의 이론을 좀 더 자세히 분석하고 비교하였다. 두 방법의 비교 결과를 통해 IA가 더 우수함을 보였다. 또한, 한쪽만 정합할 경우 발생되는 트레이드-오프에 대해서도 설명하였다. 스파이럴 공진 코일을 이용한 실험에서는 이론 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The critical point analysis(CA) and impedance matching analysis(IA) are performed and compared for a 4-coil magnetic resonance wireless power transfer system. Because the operating frequency splits at short distance while the efficiency drops drastically at long distance in this system, the optimiza...

주제어

#Wireless Power Transfer   #Magnetic Resonance   #Impedance Matching   #Spiral  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템에 쓰이는 시스템 중 하나인 2-코일 시스템의 단점은 무엇인가? 먼저 2-코일 시스템은 2개의 공진 코일만을 사용한 가장 기본적인 구성으로 해석과 구현이 쉬운 장점이 있다. 반면에 조절이 어려운 송신단의 출력 임피던스와 수신단의 부하 임피던스에 따라 특성이 결정되어 버리는 단점이 있다. 3-코일 시스템은 두 개의 코일 사이에 한 개의 코일을 더 두어 송수신단 전송거리를 늘릴 수 있고 특성 변화를 줄 수 있으나, 4-코일 시스템에 비해 자유롭지 못하다.
기존의 4-코일 시스템 해석법에는 무엇이 있는가? 기존의 4-코일 시스템 해석법으로 coupled mode theory를 이용한 방법[1],[15], 등가 회로 모델을 이용한 방법[4],[16], 모드 해석법을 이용한 방법[17],[18]들이 제 안되었다. 이중 등가 회로 모델을 이용한 방법에서 시스템을 최적화시키기 위해 Critical point Analysis(CA)[4],[5], Impedance matching Analysis(IA)[19]～[21]등이 소개되었다.
자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템은 기존의 자기 유도 방식과 비교하여 어떤 특징이 있는가? 최근 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템이 활발히 연구되고 있다[1]～[7]. 이 시스템은 자기적으로 결합된 공진 코일을 사용하여 전력을 전달하는데 매우 가까운 거리에서 사용되던 기존의 자기 유도 방식보다 전송 거리가 길고 방사형 방식보다 전송 거리가 짧아 수십 cm 혹은 수 m 이내의 중간 거리에서 사용되는 특징이 있다. 이 시스템에 쓰이는 코일은 응용분야에 따라 코일의 개수를 달리하여 2-코일[8],[9], 3-코일[10],[11], 4-코일[1],[3]～[5]이 쓰이며, 전송 거리를 늘리기 위해 더 많은 수의 코일[12]～[14]을 사용하기도 한다.
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참고문헌 (27)

  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. 317, no. 5834, pp. 83-86, Jul. 2007. 

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  2. Z. N. Low, R. A. Chinga, R. Tseng, and J. Lin, "Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 5, pp. 1801- 1812, May 2009. 

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  3. 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. Power Electron., vol. 24, no. 7, pp. 1819-1825, Jul. 2009. 

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  4. A. P. Sample, D. A. Meyer, and J. R. Smith, "Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 2, pp. 544-554, Feb. 2011. 

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  5. B. H. Waters, A. P. Sample, P. Bonde, and J. R. Smith, "Powering a ventricular assist device(VAD) with the free-range resonant electrical energy delivery (FREE-D) system", Proc. IEEE, vol. 100, no. 1, pp. 138-149, Jan. 2012. 

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  7. 김진욱, 지현호, 최연규, 윤영현, 김관호, "자기 공명 무선 전력 전송 시스템에서 공진 코일의 배열에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 21(6), pp. 564-574, 2010년 6월. 

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  11. T. Miyamoto, S. Komiyama, H. Mita, and K. Fujimaki, "Wireless power transfer system with a simple receiver coil", Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications(IMWS), 2011 IEEE MTT-S International, pp. 131-134, May 2011. 

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