[논문]융합형 어플리케이션을 위한 자기유도 방식의 무선전력전송 모듈설계에 대한 연구

정병호; 박주훈; 강보안

doi:10.15207/jkcs.2015.6.2.057

초록
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자기유도형 전력전송시스템은 의생명 임플란트, 해저 수송, 그리고 로봇의 무접촉 배터리충전 등에 대한 이동형 및 분리형 부하에 전력을 공급하는 물리적 접촉이 요구되는 기존의 방식을 대체하여 성공적으로 개발이 진행된 시스템으로 알려져 있다. 자기유도결합은 자기유도방식을 이용하여 전력을 전송하는 방식으로 1차측 코일(송전코일)에서 발생되는 자기장을 2차측코일에 전송하는 원리이다. 송전측 코일에서 발생된 자기장을 커패시터와 코일로 이루어진 2차측 코일(수전코일)로 구성된 리시버회로에 전송하는 구조로 송전부와 수전부 코일을 갖는 회로로 구성된다. 본 논문에서는 자기유도결합을 적용한 무선전력전송시스템에 대한 수전측 토폴로지 설계 및 적용방법에 대해 연구하였다. 적용된 무선 전력전송방식은 적용의 편리성과 폭넓은 어플리케이션으로 인해 다양한 융합형 응용장치의 적용이 가능하다.

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Inductive Power Transfer (IPT) systems have successfully been developed and used to replace traditional conductive power transfer systems where physical connection is either inconvenient or impossible, such as biomedical implants, undersea vehicles, and contactless battery chargers of robots, for pr...

Inductive Power Transfer (IPT) systems have successfully been developed and used to replace traditional conductive power transfer systems where physical connection is either inconvenient or impossible, such as biomedical implants, undersea vehicles, and contactless battery chargers of robots, for providing power to movable or detachable loads. Inductive Coupling uses magnetic fields to transfer power. There is a primary coil, which generates a magnetic field. Then there is another secondary coil which is composed of a capacitor and a coil, the capacitor creates a circuit with the primary and secondary coils. This paper discusses design method and several implementation alternatives for wireless energy transmission systems. It presents realization examples for these alternatives. Wireless energy transmission is investigated in numerous convergence applications due to its simplicity and advantages.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역인 125kHz의 주파수를 이용하여 수 센티미터 이내의 거리까지 전력을 효율적으로 전달할 수 있는 송수신 코일를 설계하고, 무선전력전송을 성능을 확립할 수 있는 실험을 통해 3W급 저전력 어플리케이션에 적합한 형태의 토폴로지를 적용하였다. 특히, 본 연구를 통해 체내 이식형 마이크로펌프, 약물방출장치, 인공심장, 생체센서 등의 생체 삽입형장치의 전력공급장치로 적용하여 융합형 어플리케이션에 적용 가능하도록 설계방법을 제안하고 그에 따른 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 125kHz의 WPC표준규격에 적합한 자기유도방식의 토폴로지를 설계방법을 제시하였고 이를 구현한 시작품의 실험을 통해 출력특성과 무선전력전송 모듈의 성능에 대한 실험을 수행하였다. 자기유도형 무선전력전송모듈의 설계를 통해 전송된 에너지를 이용하여 LED부하와 충전용회로 설계를 통해 효과적으로 부하에 전력을 공급하는 과정을 제안하였으며 또한, 에너지 전송 용량은 3W 저전력 무선전력전송모듈의 규모에 적합한 토폴로지와 전력증폭기에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역인 125kHz의 주파수를 이용하여 수 센티미터 이내의 거리까지 전력을 효율적으로 전달할 수 있는 송수신 코일를 설계하고, 무선전력전송을 성능을 확립할 수 있는 실험을 통해 3W급 저전력 어플리케이션에 적합한 형태의 토폴로지를 적용하였다. 특히, 본 연구를 통해 체내 이식형 마이크로펌프, 약물방출장치, 인공심장, 생체센서 등의 생체 삽입형장치의 전력공급장치로 적용하여 융합형 어플리케이션에 적용 가능하도록 설계방법을 제안하고 그에 따른 연구를 수행하였다.
본 연구를 통해 자기유도방식의 무선전력전송모듈은 LED부하를 시험하였고 [Fig. 4]는 실험을 위한 전자유도방식의 토폴로지의 구성을 블록다이어그램으로 나타낸다.
자기유도방식의 최적설계방식을 제안하기 위해 요소기술 중에서 픽업코일로 불리는 수전코일(Receiver coil, Rx coil)의 역할과 기능이 중요하므로 이에 대한 다양한 구조와 전력요구량에 따른 다양한 구조를 갖도록 설계된다.
무선전력전송의 후보 주파수로 고려되고 있는 대역은 수십kHz에서 수백 kHz 사이 또는 수MHz에서 수십MHz 사이이며, 이 중에서 현재 가능한 주파수 대역은 125kHz 또는 134kHz 및 13.56MHz 정도이며 적용 주파수는 125kHz의 교류파를 생성하여 자기유도현상을 발생시켰다.
본 논문에서는 125kHz의 WPC표준규격에 적합한 자기유도방식의 토폴로지를 설계방법을 제시하였고 이를 구현한 시작품의 실험을 통해 출력특성과 무선전력전송 모듈의 성능에 대한 실험을 수행하였다. 자기유도형 무선전력전송모듈의 설계를 통해 전송된 에너지를 이용하여 LED부하와 충전용회로 설계를 통해 효과적으로 부하에 전력을 공급하는 과정을 제안하였으며 또한, 에너지 전송 용량은 3W 저전력 무선전력전송모듈의 규모에 적합한 토폴로지와 전력증폭기에 대한 연구를 진행하였다. 수전측 토폴로지설계에 따른 전력의 전송과 부하에 공급되는 에너지의 상태를 검증하여 양호한 전력전송과정을 확인하였다.
자기유도형 무선전력전송모듈의 설계를 통해 전송된 에너지를 이용하여 LED부하와 충전용회로 설계를 통해 효과적으로 부하에 전력을 공급하는 과정을 제안하였으며 또한, 에너지 전송 용량은 3W 저전력 무선전력전송모듈의 규모에 적합한 토폴로지와 전력증폭기에 대한 연구를 진행하였다. 수전측 토폴로지설계에 따른 전력의 전송과 부하에 공급되는 에너지의 상태를 검증하여 양호한 전력전송과정을 확인하였다.

대상 데이터

송전측은 50[mm]×50[mm]×1[mm]의 페라이트 PC 44로 쉴드플레이트를 구성하였다.
송전 코일은 외경이 43mm이고 내부 직경이 20.5mm, 두께는 2.1mm이고 한 개 층의 턴 수는 10[T]이다. [Fig.
수전측 획득모듈은 이차 코일(Ls), 전파 브릿지 정류회로와 부하 연결 여부를 확인하기 위한 출력 스위치로 구성된다. [Table 2]는 전송코일의 주요사양을 나타낸다.
전력증폭기 회로는 B-calss의 Push-Pull 전력증폭회로로부터 구성하였다. [Fig.

성능/효과

10]은 송전 코일 전압과 파형을 나타낸다. 송전 코일의 출력전압과 인덕터의 출력전압의 파형을 나타내며 주파수 125[kHz]로 동작됨을 확인할 수 있다.

후속연구

향후 10W급 이상의 전력전송 어플리케이션에 적용하여 의생명 임플란트나 수중 전력전송 등 폭넓은 활용가능성을 확대이용 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상호유도작용이란 무엇인가?	상호유도작용이란 한 코일에 흐르는 전류에 의해 다른 쪽 코일에 유도기전력이 발생하여 에너지를 전달하는 것을 의미한다. [Fig.
	무선전력전송기술이 상용화 단계까지 나아가는데 나타나는 어려운 문제점들은 무엇이 있는가?	무선전력전송기술은 디지털 통신 및 산업용 기기들을 사용할 때 가장 큰 제약을 주는 전원 공급선을 없앨 수 있어 이전에 많은 연구가 이루어지고 있지만 전력 전송효율이 높지 않고, 전자파의 인체 유해성과 같은 밝혀지지 않은 문제 등으로 인해 상용화 단계까지는 많은 어려움이 있다[6]. 공간적 전자유도 코일과 자성체인 코어를 적층하는 구조의 인덕터 회로를 설계하여 트랜스의 부피를 최소화하는 방향으로 모듈을 개발하면 정류회로와 DC-DC 컨버터를 더욱 소형화시킬 수 있어 공간사용의 측면에서 유리한 측면이 있다[7,8].
	자기유도결합의 구조와 구성은 어떻게 되는가?	자기유도결합은 자기유도방식을 이용하여 전력을 전송하는 방식으로 1차측 코일(송전코일)에서 발생되는 자기장을 2차측코일에 전송하는 원리이다. 송전측 코일에서 발생된 자기장을 커패시터와 코일로 이루어진 2차측 코일(수전코일)로 구성된 리시버회로에 전송하는 구조로 송전부와 수전부 코일을 갖는 회로로 구성된다. 본 논문에서는 자기유도결합을 적용한 무선전력전송시스템에 대한 수전측 토폴로지 설계 및 적용방법에 대해 연구하였다.

참고문헌 (16)

U.K. Madawala D.J. Thrimawithana "Current sourced bi-directional inductive power transfer system", IET Power Electron., Vol. 4, Iss. 4, pp. 471-80, 2011.

상세보기
Takehiro Imura, Yoichi Hori, "IEEE Maximizing Air Gap and Efficiency of Magnetic Resonant Coupling for Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit and Neumann Formula", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 10, October 2011.
Dukju Ahn and Songcheol Hong, "A Study on Magnetic Field Repeater in Wireless Power Transfer", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 1, 2013.

상세보기
Udaya K. Madawala, Duleepa J. Thrimawithana, "A Ring Inductive Power Transfer System", IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2010.
Byeong-Ho Jeong, Kang-Yeon Lee, Nam-In Chung, "digital PID controller design for the heat and cool injection mold system", The 20th International Conference on Electrical Engineering, pp.15-19, 2014.
Nausheen Bilal, Aisha Jilani, Hamna Hamid, Ayesha Inayat, Sana Naeem, Nimra, "Circuit-Model Based Analysis of Wireless Energy Transfer System Using Inductive Coupling", Journal of Emerging Trends in Computing and Information Sciences, Vol. 5, No. 10, 2014.
Pratik Raval, Dariusz Kacprzak, Aiguo P. Hu, "A Wireless Power Transfer System for Low Power Electronics Charging Applications", 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. 2011.
Seung-Hwan Lee, Robert D. Lorenz, "Development and Validation of Model for 95%- Efficiency 220-W Wireless Power Transfer Over a 30-cm Air Gap", Transactions on Industry Applications", Vol. 47, No. 6, 2011.
M. Fareq, M. Fitra, M. Irwanto, Syafruddin. HS, N. Gomesh, Farrah. S, M. Rozailan, "Solar Wireless Power Transfer Using Inductive Coupling for Mobile Phone Charger", 2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO2014), Langkawi, The Jewel of Kedah, Malaysia. pp. 24-25 March, 2014.
Leyh, G.E. , Kennan, M.D., "Efficient Wireless Transmission of Power Using Resonators with Coupled Electric Fields" 40th North American Power Symposium, 2008.
J.T. Boys, G.A. Covic, and A.W. Green, "Stability and control of inductively coupled power transfer systems," IEE Proceedings of Electric Power Applications, Vol. 147, No. 1, pp. 37-43, 2000.

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J.-U.W. Hsu, A.P. Hu, A. Swain, X. Dai, and Y. Sun, "A new contactless power pick-up with continuous variable inductor control using magnetic amplifier," in PowerCon 2006 International Conference on Power System Technology. 2006.
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Hansu Shin, Jin-Kyu Byun, "Efficiency and EMF Safety Analysis of Wireless Power Transfer System Using Standard Human Model", Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 27, No. 11, pp. 96-103, 2013.

원문보기 상세보기
J.-U.W. Hsu, A.P. Hu, and A. Swain, "A wireless power pick-up based on directional tuning control of magnetic amplifier," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 7, pp. 2771-2781, 2009.

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