본 논문에서는 이중대역에서 동작하는 자기공진 방식무선전력전송공진기를 제안하였다. 제안한 공진기는 MF-대역과 HF-대역에서 동작하도록 설계하였다. 제안한 공진기는 20턴의 코일과 사각형 모양의 코일, 양면의 정합회로, 집중소자, 하나의 포트로 구성되어있다. 정합회로의 양면은 비아 홀을 이용하여 연결하고 하나의 포트에서 동작하도록 하였다. 같은 구조의 공진기 두 개를 이용하여 무선전력전송 특성을 모의실험 하였다. 그리고 모의실험결과를 기반으로 효율 식을 이용하여 전력전송효율 또한 계산되었다. 제안한 두 공진기는 거리 100 mm 에서 모의실험 하였고, 전력전송 효율은 MF와 HF-대역 모두 60 % 이상의 효율을 가지는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 이중대역에서 동작하는 자기공진 방식 무선전력전송 공진기를 제안하였다. 제안한 공진기는 MF-대역과 HF-대역에서 동작하도록 설계하였다. 제안한 공진기는 20턴의 코일과 사각형 모양의 코일, 양면의 정합회로, 집중소자, 하나의 포트로 구성되어있다. 정합회로의 양면은 비아 홀을 이용하여 연결하고 하나의 포트에서 동작하도록 하였다. 같은 구조의 공진기 두 개를 이용하여 무선전력전송 특성을 모의실험 하였다. 그리고 모의실험결과를 기반으로 효율 식을 이용하여 전력전송효율 또한 계산되었다. 제안한 두 공진기는 거리 100 mm 에서 모의실험 하였고, 전력전송 효율은 MF와 HF-대역 모두 60 % 이상의 효율을 가지는 것을 확인하였다.
In this paper, the single port dual-band resonator for magnetic resonance wireless power transfer is proposed. The proposed dual-band resonator is consists of 20 turns spiral coil, a single loop, matching circuit, lumped elements, and a single port. The two sides of the matching circuit are connecte...
In this paper, the single port dual-band resonator for magnetic resonance wireless power transfer is proposed. The proposed dual-band resonator is consists of 20 turns spiral coil, a single loop, matching circuit, lumped elements, and a single port. The two sides of the matching circuit are connected to via holes. The spiral coil is operated at MF-band and single loop is operated at HF-band, respectively. We use two of the same structure resonators and simulated and the power transfer efficiency was calculated. The efficiency of simulation and measurement is above 60% at the MF and HF bands, and the distance is 100 mm.
In this paper, the single port dual-band resonator for magnetic resonance wireless power transfer is proposed. The proposed dual-band resonator is consists of 20 turns spiral coil, a single loop, matching circuit, lumped elements, and a single port. The two sides of the matching circuit are connected to via holes. The spiral coil is operated at MF-band and single loop is operated at HF-band, respectively. We use two of the same structure resonators and simulated and the power transfer efficiency was calculated. The efficiency of simulation and measurement is above 60% at the MF and HF bands, and the distance is 100 mm.
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문제 정의
많은 사람들은 이러한 무선전력전송 기술에 흥미를 가지고, 이것은 여러 분야에서 사용되었다. 본 논문에서는 여러 어플리케이션에서 동시에 사용 할 수 있도록 이중대역 무선전력전송용 공진기를 제안하였다. 두 개의 대역에서 동작하는 두 개의 공진기는 각각 두 개의 분리된 회로를 필요로 한다.
본 논문에서는 여러 어플리케이션에서 활용할 수 있는 이중대역 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 제안한 이중대역 공진기는 하나의 포트와 정합회로의 양면성을 이용하여 설계하였으며, 기존의 공진기의 경우에는 각각의 포트와 정합회로를 이용하였기 때문에 제안한 공진기는 기존의 공진기와 비교하였을때, 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
제안 방법
루프의 크기는 100 mm × 200 mm이다. HF-대역 정합회로 또한 집중소자를 이용하여 주파수를 조절하였다. 그림 5는 HF-대역 공진기의 모의실험 결과이다.
그림 4는 HF-대역에서 동작하는 공진기 구조이다. HF-대역에서 동작하는 공진기 구조는 지름 5 mm인 구리를 이용하여 사각형 모양으로 설계하였고, 정합회로와 연결하였다. 루프의 크기는 100 mm × 200 mm이다.
이중대역 공진기는 서로 다른 모양인 코일과 루프를 사용하여 이중 대역에서 각각 동작하도록 설계하였다. MF-대역과 HF-대역에서 동작하는 코일과 루프, 정합회로를 사용하여 동작 주파수를 조절하였다. 이 구조들은 하나의 포트에 연결되어있다.
제안한 이중대역 공진기는 모의실험 하였고, 그 결과 MF-대역과 HF-대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 같은 구조의 이중대역 공진기 2 개를 이용하여 거리 100 mm에서의 전력전송특성을 확인하였다. 그 결과 MF-대역인 1.
MF-대역 공진기 코일은 정합회로인 기판의 아랫면에, HF-대역의 공진기 코일은 정합회로의 기판 뒷면에 각각 결합하였다. 결합한 정합회로는 비아를 통해 윗면과 아랫면을 연결하였고, 앞면과 뒷면에 집중소자를 이용하여 동작주파수를 조절하기 위해 각각 정합을 하였다. 또한 두대역의 특성을 갖는 공진 코일과 정합회로를 통한 영향을 고려하여 집중소자를 이용하여 정합하였다.
제안한 공진기를 같은 구조로 두 개의 공진기를 하나는 송신기 (포트 1), 하나는 수신기 (포트 2)로 설정하였다. 두 개의 공진기 사이의 거리를 100 mm의 거리를 두어서 전송특성을 모의실험 하였다. 그림 8은 두 개의 공진기를 거리 100 mm에서 모의실험 한 결과이다.
결합한 정합회로는 비아를 통해 윗면과 아랫면을 연결하였고, 앞면과 뒷면에 집중소자를 이용하여 동작주파수를 조절하기 위해 각각 정합을 하였다. 또한 두대역의 특성을 갖는 공진 코일과 정합회로를 통한 영향을 고려하여 집중소자를 이용하여 정합하였다. 정합회로는 하나의 포트로 연결되어있다.
본 논문에서는 자기공진 방식을 사용한 두 개의 대역에서 동작하는 공진기를 제안하였고, Medium –frequency band (MF-band, 300 kHz~3 MHz) 코일과,High-frequency band (HF-band 3 MHz~30 MHz)에서 동작하는 코일과 정합회로, 단일 포트를 이용하였다.
MF와 HF-대역에서 동작하는 이중대역 공진기의 거리 100 mm에서의 모의실험 결과를 나타내었다. 이러한 결과를 이용하여 두 공진기 사이의 전송 효율 또한 계산하였다.
또한 두 개의 공진기는 크기 및 무게가 증가하고 비용이 많이 들고 복잡하다는 단점이 있다[5]. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 두 개의 공진기를 한 개의 정합회로에 적용하였다.이러한 제안한 시스템은 다양한 상업용 전기기기, 산업용 어플리케이션 등에서 널리 쓰일 수 있다[6].
이중대역에서 동작하는 자기공진 방식의 무선전력전송 공진기 구조의 회로는 그림 1과 같다. 이중대역 공진기는 서로 다른 모양인 코일과 루프를 사용하여 이중 대역에서 각각 동작하도록 설계하였다. MF-대역과 HF-대역에서 동작하는 코일과 루프, 정합회로를 사용하여 동작 주파수를 조절하였다.
787 mm이다. 이중대역에서 동작하는 공진기를 설계하기 위해 각각 대역에서 공진기를 설계하고, 두 개의 공진기를 하나의 포트에 결합하여 이중대역 공진기를 설계하였다.
제안한 공진기를 같은 구조로 두 개의 공진기를 하나는 송신기 (포트 1), 하나는 수신기 (포트 2)로 설정하였다. 두 개의 공진기 사이의 거리를 100 mm의 거리를 두어서 전송특성을 모의실험 하였다.
제안한 이중대역 공진기는 하나의 포트와 정합회로의 양면성을 이용하여 설계하였으며, 기존의 공진기의 경우에는 각각의 포트와 정합회로를 이용하였기 때문에 제안한 공진기는 기존의 공진기와 비교하였을때, 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 제안한 공진기의 구조는 20턴의 스파이럴 코일과 사각형 모양의 구리루프 형태를 하나의 정합회로 기판 앞면과 뒷면에 각각 연결하였고, 정합회로는 비아를 통하여 연결되었다.
제안한 이중대역 무선전력전송 공진기 사이의 거리를 50 mm에서 150 mm까지 거리를 두어 모의실험 및 효율을 계산하였다. 결과는 표 1에 나타내었다.
대상 데이터
고정한 기판의 크기는 290 mm × 190 mm × 0.787 mm 이며, 리츠 와이어의 두께는 1 mm이다.
정합회로 기판은 Taconic사의 TLC 32 (εr=3.2)를 사용하였고, 기판의 크기는 80 mm × 50 mm × 0.787 mm이다.
제안한 이중대역 공진기의 전체 크기는 190 mm × 342 mm × 73 mm 이다.
성능/효과
결과는 표 1에 나타내었다. 150mm 일 때 효율이 두 개의 대역에서 각각 7.9 %와 16.7%로 100 mm의 효율과 비교하였을 때 더 낮아지는 것을 확인하였다. 거리가 멀어질수록 효율은 낮아지게 된다.
같은 구조의 이중대역 공진기 2 개를 이용하여 거리 100 mm에서의 전력전송특성을 확인하였다. 그 결과 MF-대역인 1.03 MHz와 HF-대역인 6.27 MHz에서 S21이 각각 –0.73 dB와 –1.67 dB를 나타내는 것을 확인하였다. 효율 계산식을 이용하여 효율을 구한 결과 두개의 대역에서 모두 60 % 이상의 효율을 갖는 것을 확인하였다.
8 MHz에서 – 10 dB이하의 값을 가진다. 두 개의 대역에서 -10 dB이하이므로 제안한 공진기의 구조는 이중대역인 두 개의 대역에서 동작하는 것을 확인하였다.
06 dB의 특성으로 - 10 dB이하의 특성을 나타내었다. 따라서 제안한 20 턴의 스파이럴 코일은 MF-대역에서 동작하는 것을 확인하였다.
50 mm의 경우에는 over coupling에 의해서 주파수가 분리되는 현상에 의해서 효율이 더 낮아지게 된다. 따라서 제안한 이중대역 공진기 구조는 100 mm에서 가장 높은 효율을 갖는 것을 확인하였다.
모의실험 결과 6.75 MHz에서 –13.43 dB의 특성으로 HF-대역에서 동작하는 것을 확인하였다.
모의실험 결과 MF-대역인 1.01 MHz에서 S11이 –11.06 dB의 특성으로 - 10 dB이하의 특성을 나타내었다.
모의실험 결과 S21이 MF-대역인 1.03 MHz와 HF-대역인 6.27 MHz에서 각각 –0.73 dB와 –1.67 dB를 나타내는 것을 확인하였다.
제안한 이중대역 공진기는 모의실험 하였고, 그 결과 MF-대역과 HF-대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 같은 구조의 이중대역 공진기 2 개를 이용하여 거리 100 mm에서의 전력전송특성을 확인하였다.
본 논문에서는 여러 어플리케이션에서 활용할 수 있는 이중대역 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 제안한 이중대역 공진기는 하나의 포트와 정합회로의 양면성을 이용하여 설계하였으며, 기존의 공진기의 경우에는 각각의 포트와 정합회로를 이용하였기 때문에 제안한 공진기는 기존의 공진기와 비교하였을때, 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 제안한 공진기의 구조는 20턴의 스파이럴 코일과 사각형 모양의 구리루프 형태를 하나의 정합회로 기판 앞면과 뒷면에 각각 연결하였고, 정합회로는 비아를 통하여 연결되었다.
67 dB를 나타내는 것을 확인하였다. 효율 계산식을 이용하여 효율을 구한 결과 두개의 대역에서 모두 60 % 이상의 효율을 갖는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선전력전송 기술이란?
무선전력전송 기술은 전기에너지를 전선을 사용하지 않고 무선전송이 가능한 전자기파로 변환시켜서 전달하는 전력전송시스템으로 새로운 개념의 전기 공급 및 이용기술이다. 무선전력전송 기술은 전기에너지를 전선을 사용하지 않고 무선전송이 가능한 전자기파로 변환시켜서 전달하는 전력전송시스템으로 새로운 개념의 전기 공급 및 이용기술이다.
두 개의 공진기 사용의 단점은?
두 개의 대역에서 동작하는 두 개의 공진기는 각각 두 개의 분리된 회로를 필요로 한다. 또한 두 개의 공진기는 크기 및 무게가 증가하고 비용이 많이 들고 복잡하다는 단점이 있다[5]. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 두 개의 공진기를 한 개의 정합회로에 적용하였다.
모바일 장치 및 전기자동차 등의 배터리 분야에서 무선전력전송기술을 이용한 무선충전 기술이 많은 관심을 받고 있는 이유는?
최근 개발되고 있는 모바일 장치 및 전기자동차 등의 배터리는 장기수명과 기기의 소형화, 경량화를 위해 무선전력전송기술을 이용한 무선충전 기술이 많은 관심을 받고 있다. 이것은 이들 기기를 충전하는 편리성, 안전성 및 효율성과 이동성면에서 비용절감 및 안전성을 향상할 수 있기 때문이다[1∼4].
참고문헌 (8)
T. W. Bae, J. W. Lee, S. Y. Ha, Y. C. Kim, S. H. Ahn, and K. I. Sohng, "An Occupant Sensing System using Single Video Camera and Ultrasonic Sensor for Advanced Airbag", Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 13, No. 1, pp. 66-75, 2010.
E. S. Kim, "The Effects of Antenna Type and Frequency on Wireless Power Transmission", Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 18, No. 4, pp. 541-545, April 2015.
H. J. Kim, and C. H. Seo, "Resonant Wireless Power Transfer System with High Efficiency using Metamaterial Cover", IEIE Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 51, No. 1, pp. 47-51, 2014.
Dionigi, M. and Mongiardo, M, "Multi Band Resonators for Wireless Power Transfer and Near Field Magnetic Communications", Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications (IMWS), 2012 IEEE MTT-S International, pp. 61-64, May 2012.
Low. Z. N, Chinga, R. A, Tseng, R, and Lin. J, "Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system", IEEE Trans. Ind. Electron, pp. 1801-1812, 2009.
N. Tesla, "Apparatus for transmitting electrical energy", U.S. patent 1,119,732, 1914.
J. M. Fernandez, J. A. Borras, "Contactless battery charger with wireless control link", U.S. patent 6,184,651, February 2001.
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