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무선전력전송 송수신코일 거리에 따른 효율 및 임피던스 특성 해석
Characteristic Analysis of Efficiency and Impedance With WPT Transmitter and Receiver Coil Distance 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.3, 2022년, pp.160 - 165  

박대길 (인천대학교 전자공학과) ,  김영현 (인천대학교 전자공학과) ,  구경헌 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 드론 무선충전을 위해 지상 고정 무선전력전송 송신기에 착륙하는 드론과 같이, 고정 송신기와 상대적인 거리 및 코일 정렬이 변화하는 수신기에 적용하는 6.78 MHz 자기공진 무선전력전송 기술을 제안하였다. 송신 및 수신 코일간 상대 거리와 코일 면적 부정렬비 등에 따른 전력전달 특성을 연구하였다. 송수신 코일은 직접 급전방식으로 60×80mm2 크기로 설계하고 상대거리 최대 50mm에서 수평 방향 면적 부정렬 상태를 가정하여 코일 중심축이 XY평면에서 각각 0-40mm 어긋날 때 특성을 유도하였다. 송수신 코일간 거리 및 면적 부정렬비에 따라 3차원 전자계 시뮬레이션을 통한 전력전송특성을 유도하고 제작한 시스템 특성을 시뮬레이션과 비교하였다. 무선전력전송 송수신 코일간 시뮬레이션 특성과 측정치는 수직거리 최대 30mm, 50% 면적 부정렬 상태에서-3dB 이상의 전달특성을 나타내었다. 본 연구를 통해 송수신기간의 상대거리 및 부정렬 상황에 따라 직접 급전 방식에 따른 특성을 예측할 수 있었으며 직접 급전 방식은 송수신 코일간 상대적 거리가 짧고 부정렬 면적비가 작아 결합계수가 큰 경우 유리함을 알수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we have proposed a magnetic resonant 6.78MHz WPT(wireless power transfer) technique which can be applied to a fixed transmitter and a receiver of varying relative distance and coil alignment, Power transmission characteristics are studied with the relative distance and misalignment ra...

주제어

#Characteristic analysis   #Distance change   #Electromagnetic field   #Impedance   #Wireless power transfer  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 이러한 영향으로 송신 및 수신 코일 사이에 거리가 변화하거나 코일간 정렬 상태의 변동이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 송신 코일과 수신 코일이 직접 급전방식으로 동작하는 송수신 시스템을 설계하여R, L, C 공진회로와 상호 인덕턴스의 등가회로로 모델링하여 결합계수를 이용하여해석하였다.
  • 03 MHz의 공진 주파수를 갖는 송수신 코일을 설계 제작하였다. 본 연구의 주 응용 예로 지상 WPT 송신기에 착륙하는 드론과 같이 고정된 송신기와 큰 상대위치 변화 및 중심축 어긋남(misalignment, 부정렬)을 갖는 수신기 간의 전력전달을 설정하였으며 전력전달 특성을 예측하고자 송수신 루프 사이의 거리 및 중심축 어긋남 상태에서 전송 특성을 시뮬레이션하고 측정을통해 결과를 비교하였다.
  • 송신 및 수신 코일은 동일한 형태를 갖도록 하였고 네트웤분석기로 그 특성을 측정하고자 입출력 임피던스는 50Ω으로 설계하였다.
  • 직접급전과 루프급전 두가지 급전 방식으로 구분할 수 있는데 이중에서 직접급전 방식은 송신과 수신을 위한 2개의 코일을 사용하며 송신 코일에 직접 전력을 급전하므로 구조가 간단하다. 송신과 수신 코일간의 거리, 두 코일간 중심축 및 겹치는 면적의변화 등에 의한 결합계수의 변화 및 전달특성 영향을 분석하였다. 송신 및 수신 코일은 동일한 형태를 갖도록 하였고 네트웤분석기로 그 특성을 측정하고자 입출력 임피던스는 50Ω으로 설계하였다.
  • 그림 5는 네트웤 분석기로 자기공진 무선전력전송 시스템을 측정하는 모습이다. 수신 코일을 드론에 부착하였을 경우, 결합계수가 예상 가능한 위치에 호버링 상태를 장시간 유지하기 어렵기 때문에 마치 드론에 탑재된 수신 코일과 동일하게 x, y, z 3축으로 거리 및 부정렬 상태 변화를 줄 수 있도록 측정 지그를 제작하여 송신 코일과 수신 코일을 배치한 상태에서 위치에 따른 산란계수를 측정하였다.
  • 제작한 자기공진방식 무선전력전송 측정은 송수신 양측 공진코일을 기준으로 간격을 변화시키며 네트워크 분석기를 통해 전송 특성을 측정하였다.

대상 데이터

  • 자기공진방식 무선전력전송용 코일 파라미터는 3차원 전자계시뮬레이션(3D EM simulation)을 바탕으로 설계하였다. 공진코일은 표피효과(Skin effect)에 의한 저항성손실을 줄이고 제작의 용이성을 고려하여 지름 0.6mm 구리 도선을 사용하였다. L-C 공진코일의 자기 인덕턴스는 코일의 물리적 크기 및 구조의 영향을 받는다.
  • 무선전력전송(WPT; wireless power transfer) 은 유선으로 공급하던 전기에너지를 무선으로 전송하는 기술이다. 무선전력 전송은 전자계, 마이크로파, 음파 및 광파 등을 이용하여 무선으로 전력을 전송한다. 정보통신기술 발전에 따라 개인이 다양한 휴대 기기를 사용하고 있으며, 특히 드론과 같은 단독 동작 기기의 활동을 위한 전력 공급 배터리에 전력을 공급하여 장시간 동작을 가능하게 하는 기술 필요성으로 무선전력전송에 대한 연구 개발이 진행되어 왔다.
  • 본 논문에서는 등가회로 모델링 기법을 이용하여 자기공진무선전력전송 표준 기관인 AFA(Air Fuel Alliance ) 사양을 목표로 6.78 ± 0.03 MHz의 공진 주파수를 갖는 송수신 코일을 설계 제작하였다

이론/모형

  • 자기공진방식 무선전력전송용 코일 파라미터는 3차원 전자계시뮬레이션(3D EM simulation)을 바탕으로 설계하였다. 공진코일은 표피효과(Skin effect)에 의한 저항성손실을 줄이고 제작의 용이성을 고려하여 지름 0.
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참고문헌 (14)

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