본 논문에서는 자기공진방식무선전력전송 표준인 A4WP (alliance for wireless power) 주파수 6.78 MHz에서, 1 m 거리 무선전력전송 안테나를 최적화하고 이에 따른 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교하였다. 전력전송 거리는 시스템 형태, 안테나의 크기, 공진기내 코일과 코일사이 간격인 피치(pitch) 등 다양한 요인에 따라 영향을 받으며, 전자계 시뮬레이션을 통해 이를 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 고정된 거리에 대하여 최적화된 무선전력전송 안테나를 설계하였으며, 거리에 따른 전송손실인 ${\mid}S_{21}{\mid}$ 값을 계산하였다. 설계된 안테나를 제작하여 측정치를 시뮬레이션 값과 비교한 결과, 최대 1.3 m 거리에서 시뮬레이션은 전송손실 1.6dB 및 효율 69 %, 측정결과는 전송손실 1.5dB 및 효율 70 %를 나타내었다.
본 논문에서는 자기공진방식 무선전력전송 표준인 A4WP (alliance for wireless power) 주파수 6.78 MHz에서, 1 m 거리 무선전력전송 안테나를 최적화하고 이에 따른 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교하였다. 전력전송 거리는 시스템 형태, 안테나의 크기, 공진기내 코일과 코일사이 간격인 피치(pitch) 등 다양한 요인에 따라 영향을 받으며, 전자계 시뮬레이션을 통해 이를 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 고정된 거리에 대하여 최적화된 무선전력전송 안테나를 설계하였으며, 거리에 따른 전송손실인 ${\mid}S_{21}{\mid}$ 값을 계산하였다. 설계된 안테나를 제작하여 측정치를 시뮬레이션 값과 비교한 결과, 최대 1.3 m 거리에서 시뮬레이션은 전송손실 1.6dB 및 효율 69 %, 측정결과는 전송손실 1.5dB 및 효율 70 %를 나타내었다.
This paper has optimized WPT (wireless power transfer) antenna, and compared EM (electromagnetic) simulation result with measurement for the magnetic resonant type standard of A4WP (alliance for wireless power) using 6.78MHz frequency and 1m distance. Power transmission distance is affected by vario...
This paper has optimized WPT (wireless power transfer) antenna, and compared EM (electromagnetic) simulation result with measurement for the magnetic resonant type standard of A4WP (alliance for wireless power) using 6.78MHz frequency and 1m distance. Power transmission distance is affected by various factors such as system shape, antenna size, and resonator coil pitch etc, which were confirmed by the EM simulation. By simulation an optimized WPT antenna was designed for a fixed distance, and the transmission loss ${\mid}S_{21}{\mid}$ has been calculated with changing distance. Measurement was carried for the fabricated antenna, and the measured transmission loss is 1.5dB with 70% efficiency at maximum 1.3m distance compared to the simulated loss of 1.6dB with 69% efficiency
This paper has optimized WPT (wireless power transfer) antenna, and compared EM (electromagnetic) simulation result with measurement for the magnetic resonant type standard of A4WP (alliance for wireless power) using 6.78MHz frequency and 1m distance. Power transmission distance is affected by various factors such as system shape, antenna size, and resonator coil pitch etc, which were confirmed by the EM simulation. By simulation an optimized WPT antenna was designed for a fixed distance, and the transmission loss ${\mid}S_{21}{\mid}$ has been calculated with changing distance. Measurement was carried for the fabricated antenna, and the measured transmission loss is 1.5dB with 70% efficiency at maximum 1.3m distance compared to the simulated loss of 1.6dB with 69% efficiency
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문제 정의
최근 무선전력전송 기술의 발전에 따라 휴대 기기용 자기유도방식의 무선충전기 제품들이 출시되고 있으나, 짧은 전송거리와 정확한 위치에 놓아야 하는 등 위치 자유도가 제한적이라 널리 보급되지는 못하고 있다. 또한 전기자동차 충전등의 경우는 더욱 먼거리에서 전력전송이 필요하며 이러한 문제를 해결하기 위하여 자기공진방식에 대한 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 A4WP (alliance for wireless power) 표준을 참조하여 6.78 MHz 주파수에서 1m 이상 거리에서 전력전송에 가능한 공진형 무선전력전송 안테나 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 6.78 MHz를 이용하여 1m 이상 거리에서 전력전송을 위한 자기공진 무선전력전송에 관하여 연구를 진행 하였다. 안테나 코일 고정을 위해 아크릴 케이스를 사용하였는데, 그로 인하여 과 결합 현상이 발생하여 약 1.
제안 방법
78 MHz에 맞추고자 하였고 단일 코일은 반지름이 337 mm, 헬리컬 형태의 공진코일은 반지름이 433 mm 로 설계하였다. 공진코일의 코일과 코일사이 간격인 피치(pitch) 및 코일의 감는 횟수는 시뮬레이션을 통해 1 m 거리에서 최적의 효율을 갖도록 진행하였다.
단일 코일과 공진 코일은 자기 유도에 의해 전달이 이뤄지며, 공진코일과 공진 코일은 자기공진 방식으로 에너지가 전달된다. 그림 2와 같은 4코일 방식은 공진코일로만 구성된 2코일 방식에 비해 Q-factor가 높아 전력 전송에 효율적이므로 본 논문에서는 4코일 형태를 이용하여 안테나를 제작하였다 [5]-[6].
안테나 코일의 형태, 크기, 공진 코일의 코일간 간격에 따라 전달특성이 변화하며, 본 논문에서는 특정거리에서 최대 전달 특성을 갖도록 설계하였다. 이를 응용하면 변수 조정을 통해 거리 별 최적 효율을 갖는 시스템을 설계할 수 있다.
전자계시뮬레이션 (EM simulation)을 이용하여 무선전력용 송수신 안테나를 설계하였으며 그 형태는 그림 3과 같이 4코일 형태로 구성하여 공진기 구성의 자유도, 높은 품질상수(Q factor)를 얻고자 하였다. 코일 두께는 2.
대상 데이터
본 연구의 자기공진방식 시스템은 그림 2와 같이 4코일 형태로 구성되어있으며, 코일은 각각 송신 단일코일, 송신 공진코일, 수신 공진코일, 수신 단일코일로 구성된다. 단일 코일과 공진 코일은 자기 유도에 의해 전달이 이뤄지며, 공진코일과 공진 코일은 자기공진 방식으로 에너지가 전달된다.
제작한 안테나는 2.9 mm 두께의 구리 코일을 이용하였으며, 시뮬레이션한 구성도와 동일하게 제작하였다. 송수신 코일을 고정하고 코일 사이 간격 피치를 45 mm로 맞추기 위해 아크릴판에 홈을 파 고정 틀을 제작하였다.
전자계시뮬레이션 (EM simulation)을 이용하여 무선전력용 송수신 안테나를 설계하였으며 그 형태는 그림 3과 같이 4코일 형태로 구성하여 공진기 구성의 자유도, 높은 품질상수(Q factor)를 얻고자 하였다. 코일 두께는 2.9 mm, 송신과 수신 안테나는 동일 크기로 설계하였으며 안테나의 공진 주파수는 6.78 MHz에 맞추고자 하였고 단일 코일은 반지름이 337 mm, 헬리컬 형태의 공진코일은 반지름이 433 mm 로 설계하였다. 공진코일의 코일과 코일사이 간격인 피치(pitch) 및 코일의 감는 횟수는 시뮬레이션을 통해 1 m 거리에서 최적의 효율을 갖도록 진행하였다.
데이터처리
측정은 네트워크 분석기를 이용하여 S-파라미터를 측정하였다. 그림 8과 같이 송수신 코일을 동일 선상에 정렬한 후 1 m 부터 2 m 까지 0.
성능/효과
시뮬레이션 결과인 표 1은 송수신기간 간격이 1m 거리일 때 공진코일의 코일간 간격인 피치 변화에 따른 6.78 MHz에서의 전송손실 | S21|값을 나타낸 표이며, 피치가 45 mm 일 때 가장 작은 전송손실 값을 가지며 45 mm보다 작은 피치 값을 가질 때는 과결합현상으로 인하여 전송손실 값이 증가하며 45 mm보다 큰 값을 가질 때는 1 m보다 가까운 거리에서 작은 전송손실을 |S21|값을 갖는 것을 알 수 있었다.
78 MHz를 이용하여 1m 이상 거리에서 전력전송을 위한 자기공진 무선전력전송에 관하여 연구를 진행 하였다. 안테나 코일 고정을 위해 아크릴 케이스를 사용하였는데, 그로 인하여 과 결합 현상이 발생하여 약 1.2 m-1.3m 거리에서 큰 전력전달 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 논문에서는 공진기를 헬리컬 형태로 제작하였으나, 향후 실용성이 증대된 스파이럴 형태 수신부 관련 연구를 진행할 계획이며, 공진 주파수 및 전송효율에 영향을 주는 케이스 등 영향에 대한 연구도 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선전력전송은 무엇인가?
무선전력전송은 100여 년 전 니콜라 테슬라에 의해 제안된 기술로서 전기에너지를 전자기장 형태로 변환하여 선을 사용 하지 않고 무선으로 전력을 전송하는 기술이다. 현재의 무선전력전송 기술이 더욱 발전되면 사용자의 인지 여부 또는 주위 환경과 상관없이 단말기 배터리의 잔여 전력량에 따라 수시로 충전이 가능하게 시스템을 구성할 수 있어 배터리 방전 및 충전에 따른 다양한 문제를 편리하게 해결할 수 있다.
공진 방식을 이용하여 먼거리 전력전송을 하기 위해 필요한 것은?
일반적으로 자기 공진방식의 전력전송거리는 수 cm에서 수 m로 알려져 있지만, 전력 전송 거리는 공진 안테나의 크기에 관계된다. 공진 방식을 이용하여 먼거리 전력전송을 하기 위해서는 적절한 크기의 공진형 송수신 안테나가 필요하다.
전자기방사 방식, 자기유도방식, 자기공진방식은 무엇인가?
무선전력전송 방식은 크게 전자기방사 방식, 자기유도방식, 자기공진방식으로 분류할 수 있다. 전자기 방사 방식은 전자파 파를 이용한 방식으로 수 m - 수 km까지 전력전송이 가능하지만, 경로손실(path loss)에 따른 저효율 문제와 전자파방사에 따른 인체영향이 주요 문제이다. 자기유도 방식은 코일에 전류가 흐르면 주변에 형성되는 자계를 이용하여 전력전송을 하는 것이다. 이러한 자계를 이용한 자기유도방식은 가까운 거리에서 높은 효율로 전력 전송이 가능하나, 거리가 멀어질수록 효율이 급격하게 떨어져 전송거리가 수 mm 내외에 불과하다는 문제점이 있다. 자기공진방식은 두 물체간의 공진을 이용하는데, 물체를 공진체로 생각할 수 있고, 이 공진체는 각각의 고유 주파수에서 강한 상호 진동 즉 공진이 발생하며, 물체의 고유 주파수 이외 주파수에서는 상호진동이 약하게 발생하게 된다. 이렇게 고유 주파수에서만 강하게 상호진동하는 현상을 이용하여 에너지를 전송하는 경우 수 cm에서 수 m 거리까지 전력전송이 가능할 수 있다[1]-[3].
참고문헌 (9)
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D. U. Ryu, Y. H. Kim, and K. H. Koo, "Performance measurement of the wireless charging devices using electromagnetic Induction Techniques," The Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 19, No. 3, pp. 237-243, Jun. 2015.
S. M. Kim, J. I. Moon, I. K. Cho, J. H. Yoon, and W. J. Byun, "The technical trend and future direction of wireless Power Transmission," Electronics and Telecommunications Tremds, Vol. 29, No. 3, pp. 98-106, June 2014.
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Wirricity, Understanding What WiTricity technology is transferring eletric energy or power over distance without wires is quite simple [Internet], Available: http://witricity.com/technology/witricity-the-basics/
K. Y. Kim, Chapter 10 in .Wireless Power Transfer-Principles and Engineering Explorations, 1st. ed. Rijeka, Denmark: InTech, pp. 207- 226 , 2012
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 Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 2, pp 544-554, Feb. 2011
J. I. Agbinya, Chapter 1 in Wireless Power Transfer, 1st ed. Gistrup, Denmark: River Publishers Series in Communications, pp. 1-34, 2008.
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances," Science, New York, Vol. 317, pp. 83-86, July 2007.
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