[논문]무선전력전송의 효율에 영향 미치는 안테나 구조와 주파수 효과

김응수

doi:10.9717/kmms.2015.18.4.541

문제 정의

하지만 최대 전송거리는 5cm 정도로 작아 모바일 전자기기나 전기차 등 원거리에서 충전하기에는 적당하지 않았다.그래서 본 논문에서는 원거리에서 전력을 충전하기 위해 전자기 유도방식보다 전송거리 특성이 좋은 자기공명방식을 이용하여 전력을 전송하는데 영향 미치는 재료, 안테나 구조 등에 대해 조사하였다.자기공명방식의 무선전력전송은 송신기와 수신기사이의 공명현상을 이용하여 비방사형으로 전력을 전송할 수 있다.
자기공명 방식이다.그래서 우선 전자기 유도방식으로 전력을 전송할 때 안테나 형태에 따른 영향을 조사하였다. 안테나로는 spiral형태가 제일 좋았기 때문에 15cm의 크기를 가지는 사각형모양의 spiral안테나를 제작하여 실험을 하였다.
따라서 본 논문에서는 안테나 크기를 작게 하여 인체에 미치는 영향이 작고, 수m까지 전송가능한 자기공명 방식을 이용하여 무선전력전송에 대한 연구를 하였으며, 자기공명주파수에 따른 무선전력전송효율에 대한 영향을 조사하였다.
코일의 인덕턴스는 코일의 재료의 크기와 감은 횟수, 코일의 모양 등에 영향을 받는다[11]. 따라서 본 논문에서는 자기공명전송방식의 효율에 영향 미치는 코일 재료, 코일의 크기, 모양, 주파수에 대하여 조사하였다.우선 코일의 재질은 에나멜 동선으로 하여 권선수는 같게하고, 코일의 직경만 4.
증가하고 있다.무선으로 전력을 전송하기 위한 방법으로 전자기 유도방식(electromagneticinduction method), 마이크로파 방식(microwave method), 자기공명 방식(magnetic resonant method)이있는데, 본 논문에서는 인체에 무해하며 수 m까지 전력을 전송할 수 있는 자기공명방식의 전송효율에 영향 미치는 요소에 대해 조사하였다. 자기공명방식으로 전력을 전송하기 위해 사용되는 코일의 재료 및 형태에 따라 전송되는 효율이 다름을 알 수 있었다.
자기공명방식의 무선전력전송회로는 소스코일(sourcecoil), 송신코일(transmissioncoil), 수신코일(receivercoil), 부하코일(loadcoil)로 구성되어진다.본 논문에서는 DC전력을 전송하기 위한 시스템을 설계하고 제작하였다. 송신코일과 수신코일은 공진이 이루어지도록 하기 위해 주파수가 같도록 하였으며, 공진주파수의 효과를 알아 보기위해 송신주파수를 변경하면서 실험하였다.

제안 방법

실험을 통하여 송신과 수신 코일로는 헬리컬(helical)형, 부하 코일로는 doublesquarespiral형이 최적임을 확인하였으며, 이를 바탕으로 자기공명전송시스템을 제작하였다. Fig.1에서와 같이 동관의 특성이 좋았지만, spiral형태로 만드는 것이 쉽지 않아서 쉽게 만들 수 있는 에나멜동선을 사용하여 제작하였다.
5cm로 제작하였다.그리고 직경 3mm의 동관으로는 권선수는 2회로 하고 안테나직경은 에나멜동선과 같은 9.5cm로 제작하였다.이렇게 제작된 공진코일에 입력전압 7V를 인가하여 주파수를 1MHz, 5MHz, 13.
다음으로 공진기의 안테나 구조에 따라 자기공명 전송방식의 효율이 어떻게 다른지를 알아보기 위해 부하 코일의 구조를 Fig.3과 같이 spiral형과 loop형, double square spiral형으로 제작하여 공진주파수 13.6MHz에서 송신전압을 같게 하여 실험하였으며, 실험결과는 Fig.4에 나타내었다.Fig.
본 논문에서는 DC전력을 전송하기 위한 시스템을 설계하고 제작하였다. 송신코일과 수신코일은 공진이 이루어지도록 하기 위해 주파수가 같도록 하였으며, 공진주파수의 효과를 알아 보기위해 송신주파수를 변경하면서 실험하였다.송신측과 수신측과의 공진주파수에 관한 식은 식 (1)과 같다.
2에 사용한 공진 안테나의 재료는 에나멜동선으로 권선수를 동일하게 하여 제작하였다.이 실험에서 공명주파수만 1.3MHz와 13.6MHz로 다르게 하고 안테나 크기, 송신안테나와 수신안테나 사이 거리는 20cm로 그 외 조건은 모두 같게 하여 조사하였다.Fig.
5cm로 제작하였다.이렇게 제작된 공진코일에 입력전압 7V를 인가하여 주파수를 1MHz, 5MHz, 13.6MHz, 20MHz로 변화시켜가면서 전송하여 LED가 켜지는 전송 가능 거리가 어떻게 되는지를 조사하였다.실험 결과는 Fig.
자기 공명 방식으로 전력을 전송하기 위해 필요한 코일의 재료와 주파수의 영향을 조사하였다. 안테나재료로 에나멜동선과 동관을 사용하였다.
5에는 자기공명방식으로 전력을 전송하기 위해 제작한 헬리컬 구조와 doublesquarespiral 구조를 보여주고 있다.헬리컬구조의 직경은 9cm로 하였으며, spiral구조의 크기는 한 변이 15cm인 정사각형으로 하여 자기공명방식의 전력전송시스템을 제작하였다. 제작한 시스템으로 무선으로 전력을 전송하여 Fig.

대상 데이터

그래서 우선 전자기 유도방식으로 전력을 전송할 때 안테나 형태에 따른 영향을 조사하였다. 안테나로는 spiral형태가 제일 좋았기 때문에 15cm의 크기를 가지는 사각형모양의 spiral안테나를 제작하여 실험을 하였다.하지만 최대 전송거리는 5cm 정도로 작아 모바일 전자기기나 전기차 등 원거리에서 충전하기에는 적당하지 않았다.
조사하였다. 안테나재료로 에나멜동선과 동관을 사용하였다.직경 1mm인 에나멜동선을 이용하여 권선수는 4회로 하고 안테나 직경은 9.
자기공명법을 처음 실험에 성공한 MIT의 Marin soljacic 교수그룹에서 사용한 안테나는 직경 60cm로 크게 제작하였다.또 A.
안테나재료로 에나멜동선과 동관을 사용하였다.직경 1mm인 에나멜동선을 이용하여 권선수는 4회로 하고 안테나 직경은 9.5cm로 제작하였다.그리고 직경 3mm의 동관으로는 권선수는 2회로 하고 안테나직경은 에나멜동선과 같은 9.

성능/효과

동관의 특성이 좋은 이유는 동관을 이용했을 때 Q 특성이 좋기 때문일 것으로 생각된다.그리고 구리연선과 에나멜동선을 사용하여 동일 공명주파수에서 실험을 한 결과는 에나멜동선이 구리연선보다 동일 주파수에서 전송거리특성이 좋은 특성을 나타내었다. Fig.
하지만 효율이 낮고 인체에 유해하다는 단점이 있으며, 이러한 단점을 극복하기 위한 연구가 여러 연구기관에서 이루어지고 있다[8]. 마지막으로 자기공명방식은 사용되어지는 주파수가 마이크로파 방식보다 낮은 주파수인 수십KHz∼수MHz 를 사용하기 때문에 인체 유해성이 작으며, 전자기유도방식에 비해 전력을 더 멀리 전송 할 수 있다는 장점이 있어 상용화를 위해 가장 좋은 방법으로 생각되어 지고 있다.그래서 자기공명 방식은 전자기유도방식보다 전력을 전송하는 거리가 멀어 전기자동차의 충전방법으로 주목을 받고 있으며, 우리나라 뿐만 아니라 여러 나라에서 관련연구가 이루어지고 있지만, 아직 국제표준이 정해야 하는 등 해결해야 할 문제가 있다[9].
1안의 숫자는 각 공명주파수에서 LED가 점등되는 최대 전송거리를 나타내고 있다. 실험결과를보면 에나멜동선과 동관 모두 공진주파수가 13.6 MHz일 때 가장 좋은 특성을 나타내었으며, 동관이 13.6MHz일 때 150cm까지 전력이 전송되어 에나멜 동선 보다는 더 먼 거리까지 전송됨을 알 수 있었다. 동관의 특성이 좋은 이유는 동관을 이용했을 때 Q 특성이 좋기 때문일 것으로 생각된다.
4안의 숫자는 각 전송거리에서 수신되는 전압으로 전송거리가 멀어질수록 전송되는 전압은 작아지지만, double squarespiral구조일 때 같은 거리에서 다른 구조에 비해 수신되는 전압이 가장 크게 나왔다.실험을 통하여 송신과 수신 코일로는 헬리컬(helical)형, 부하 코일로는 doublesquarespiral형이 최적임을 확인하였으며, 이를 바탕으로 자기공명전송시스템을 제작하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 자기공명전송방식의 효율에 영향 미치는 코일 재료, 코일의 크기, 모양, 주파수에 대하여 조사하였다.우선 코일의 재질은 에나멜 동선으로 하여 권선수는 같게하고, 코일의 직경만 4.5 cm와 9cm로 다르게 하여 실험 했을 때 코일 직경이 클수록 출력효율이 좋았음을 알 수 있었다.
자기공명방식으로 전력을 전송하기 위해 사용되는 코일의 재료 및 형태에 따라 전송되는 효율이 다름을 알 수 있었다. 재료로는 동관이 제일 좋았으며, 송신과 수신 코일로서는 헬리컬 구조가 좋았으며, 부하코일로는 doublesquarespiral로 하는 것이 좋았다.따라선 본 논문에서는 소형의 안테나로 150cm까지 전력을 효과적으로 전송할 수 있음을 확인하였으므로 이동로봇이나 바이오 센서 등에 전력공급위한 전력전송 및 소형 개인 모바일 전자기기 등의 충전에도 사용 가능할 것으로 생각되며, 그리고 현재 친환경적인 이동수단으로 주목을 받고 있는 전기자동차에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

재료로는 동관이 제일 좋았으며, 송신과 수신 코일로서는 헬리컬 구조가 좋았으며, 부하코일로는 doublesquarespiral로 하는 것이 좋았다.따라선 본 논문에서는 소형의 안테나로 150cm까지 전력을 효과적으로 전송할 수 있음을 확인하였으므로 이동로봇이나 바이오 센서 등에 전력공급위한 전력전송 및 소형 개인 모바일 전자기기 등의 충전에도 사용 가능할 것으로 생각되며, 그리고 현재 친환경적인 이동수단으로 주목을 받고 있는 전기자동차에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서 제작한 직경 9cm의 헬리컬 안테나는 MIT의 M. Soljacic교수의 실험에서 사용된 직경 60cm의 안테나와 A.P.Sample그룹에서 사용한 직경 58cm의 안테나와 비교하여 안테나크기를 85% 줄였으므로 개인용 모발일 전자기기나 소형의 가전에도 적용 가능할 것으로 기대된다.

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