[논문]초전도 코일을 적용한 자기공명방식 무선전력전송의 송·수신 코일 배열에 따른 효율 분석

강민상; 최효상; 정인성

doi:10.5370/kiee.2014.63.6.776

[국내논문] 초전도 코일을 적용한 자기공명방식 무선전력전송의 송·수신 코일 배열에 따른 효율 분석
Efficiency Analysis of Magnetic Resonance Wireless Power Transmission using Superconductor Coil According to the Changing Position of Transmission and Receiving Coils 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.6, 2014년, pp.776 - 779

강민상 (Dept. of Electrical Engineering, Chosun University) , 최효상 (Dept. of Electrical Engineering, Chosun University) , 정인성 (Dept. of Electrical Engineering, Chosun University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we analyzed the efficiency of magnetic resonance wireless power transmission (WPT) using superconductor coil according to the changing position of transmission and receiving coils. We implemented a WPT system using a magnetic resonance at a frequency of 63.1 kHz. Transmission and receiving coils using superconductor coil were wound on a spiral manner of diameter 100mm. For comparison, transmission and receiving coils using normal conductor coil were designed under the same condition. At a distance of 50mm, we measured efficiency when transmission-receiving coils were matched 25%, 50%, 75% and 100%. When a superconductor coil was applied to the transmission and receiving units, efficiency of WPT was very high. In addition, in the case of the superconducting transmission-receiving coils, when coils matched 100% the efficiency was 30% and matched 25% the efficiency was 8%.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이러한 단점을 보완해주기 위한 연구가 필요하다. 본 연구팀은 자기공명 무선전력전송 시스템의 송·수신 코일에 초전도체를 적용해 전력전송의 효율을 높이고자 하였으며 기존의 실험을 통해 이를 증명하였다[9].
본 논문에서는 초전도체를 적용한 송·수신 코일의 평행배열의 변화에 따른 효율의 변화를 분석하였다.

제안 방법

또한 실험을 위해 송신코일은 고정시키고 수신코일의 위치를 변화시켰다. 송·수신 코일의 배열을 50mm거리에서 평행상태로 그림 5와 같이 0%, 25%, 50%, 75%, 100%로 코일을 배열해 효율을 측정하였다. 효율은 식(5)와 같이 산정하였다.
본 논문에서는 자기공명방식 무선전력전송의 송·수신 코일에 초전도체를 적용하여 각각의 코일 배열에 따른 효율을 분석하였다. 송·수신 코일의 배열이 완전히 일치하였을 때의 효율이 가장 높았으며, 코일이 완전히 불일치했을 때도 효율의 측정이 가능하였다.

대상 데이터

그림 2는 권선틀에 spiral type으로 권선한 초전도 코일을 나타낸다. 본 실험에서 사용된 송·수신 코일은 직경 10cm의 권선틀에 초전도체를 18번 적층시켰다. 비교를 위해 그림 3과 같이 초전도 코일과 동일한 조건의 상전도 코일을 제작하였다.

성능/효과

또한 초전도 코일을 적용한 무선전력전송의 전송효율이상전도 코일에 비해 약 10% 높았다. 송·수신 코일의 배열이 50% 일치했을 때, 초전도 코일을 적용한 무선전력전송의 효율이 15%가 나타났으며, 상전도 코일을 적용했을 때보다 약 3% 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 자기공명방식 무선전력전송의 경우 코일의 배열이 0%일 경우에도 약 3~5%의 효율로 무선전력전송이 가능하다는 것을 볼 수 있다.
본 논문에서는 자기공명방식 무선전력전송의 송·수신 코일에 초전도체를 적용하여 각각의 코일 배열에 따른 효율을 분석하였다. 송·수신 코일의 배열이 완전히 일치하였을 때의 효율이 가장 높았으며, 코일이 완전히 불일치했을 때도 효율의 측정이 가능하였다. 또한, 초전도체를 적용한 무선전력전송의 효율이 상전도체를 적용했을 때와 비교해 약 2배 이상 높았다.
송·수신 코일의 배열이 완전히 일치하였을 때의 효율이 가장 높았으며, 코일이 완전히 불일치했을 때도 효율의 측정이 가능하였다. 또한, 초전도체를 적용한 무선전력전송의 효율이 상전도체를 적용했을 때와 비교해 약 2배 이상 높았다. 이는 초전도체의 0저항 특성으로 인해 Q-factor의 값이 증가하여 무선전력전송의 효율을 크게 향상시킬 수 있었기 때문이다.
이러한 초전도체의 장점을 이용하면 전기자동차 및 자기부상열차 등의 대전력수송기기에 급속충전이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 자기공명방식의 무선전력전송을 이용하면 송·수신 코일의 배열이 불일치하여도 전력을 전달할 수 있었다. 본 연구팀이 구현한 자기공명 무선전력전송은 인가전압 및 전류가 매우 낮아 실생활에 적용하기엔 다소 무리가 있다.

후속연구

[5] 상전도체의 특성상 시스템의 최적화가 가능하지만 전송효율을 높이기에는 다소 한계가 있다. 또한 MIT에서 구현한 자기공명방식 무선전력전송의 경우 코일의 직경이 60cm로 매우 크므로 코일의 크기를 줄이면서 높은 전력전송이 가능한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구팀은 초전도체를 이용해 이러한 단점을 보완하고자 한다.
이는 초전도체의 0저항 특성으로 인해 Q-factor의 값이 증가하여 무선전력전송의 효율을 크게 향상시킬 수 있었기 때문이다. 이러한 초전도체의 장점을 이용하면 전기자동차 및 자기부상열차 등의 대전력수송기기에 급속충전이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 자기공명방식의 무선전력전송을 이용하면 송·수신 코일의 배열이 불일치하여도 전력을 전달할 수 있었다.
또한, 자기공명방식의 무선전력전송을 이용하면 송·수신 코일의 배열이 불일치하여도 전력을 전달할 수 있었다. 본 연구팀이 구현한 자기공명 무선전력전송은 인가전압 및 전류가 매우 낮아 실생활에 적용하기엔 다소 무리가 있다. 따라서 대전력으로 무선전력전송이 가능한 시스템의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
본 연구팀이 구현한 자기공명 무선전력전송은 인가전압 및 전류가 매우 낮아 실생활에 적용하기엔 다소 무리가 있다. 따라서 대전력으로 무선전력전송이 가능한 시스템의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기공명방식의 장단점은?	Q-factor는 주파수의 선택적 특성을 나타내는 값으로 값이 클수록 공진 특성이 좋다. 자기공명방식은 근거리에서 무선전력전송이 가능하지만 거리가 멀어질수록 자기결합이 감소하여 전송효율이 낮아진다는 단점이 있다. 그러나 Q-factor 값을 증가시키면 거리가 멀어져 자기결합이 감소하더라도 근거리에서 전력전송이 가능하다.
	자기공명방식 무선전력전송은 무엇인가?	자기공명방식 무선전력전송은 특정 공진주파수에서 송신코일이 같은 공진주파수로 설계된 수신코일과 공명하여 에너지를 집중적으로 전달하는 방식이다. 따라서 공진주파수를 가진 기기에 에너지를 전달할 수 있으며, 그 이외의 에너지는 방사되지 않으므로 다른 기기 또는 인체에 영향을 주지 않는다.
	상전도체에 비해 초전도체를 적용한 무선전력전송의 효율이 더 높은 이유는?	또한, 초전도체를 적용한 무선전력전송의 효율이 상전도체를 적용했을 때와 비교해 약 2배이상 높았다. 이는 초전도체의 0저항 특성으로 인해 Q-factor의 값이 증가하여 무선전력전송의 효율을 크게 향상시킬 수 있었기 때문이다. 이러한 초전도체의 장점을 이용하면 전기자동차 및 자기부상열차 등의 대전력수송기기에 급속충전이 가능할 것으로 사료된다.

참고문헌 (9)

Nikola Tesla, "Apparatus for transmitting electrical energy", U.S. patent 1119732, 1914.
T. Sekitani, M. Takamiya, Y. Noguchi, S. Nakano, Y. Kato, K. Hizu, H. Kawaguchi, T. Sakurai, and T. someya, "A large-area wireless power-transmission sheet using printed organic transistor and plastic MEMS switches", Nature Materials, pp. 413-417, jun. 2007.
William C. Brown and a E. Eugene Eves. "Beamed Microwave Power Transmission and its Application to Space" IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 40, no. 6, pp. 1239-1250, 1992.

상세보기
Andre Kurs, Aristeidis Karalis, J. D. Joannopoulos, and Marin Soljacic, "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances" Science, vol. 317 no. 5834 pp. 83-86, 2007.

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상세보기
Jeong-Heum Park, "A study on the Wireless Power Transfer System using Magnetic Resonance at the 1MHz Frequency Band". KIIE, vol. 26, no. 1, pp. 75-81, 2012.
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.
S.H.cheon, Y.H.Kim, M.L.L, S.Y.Kang, "Circuit Model Based Analysis of a Wireless Energy Transfer System via Coupled Magnetic Resonances", IEEE, vol. 16, no. 04. 2011.
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