무선전력전송 번역

무선전력전송 번역(한국어 원본)

무선전력전송은 최근 RF연구자들의 가장 흥미 있는 연구주제 중 하나이다. 무선전력전송이란 에너지를 어느 지점에서 다른 지점으로 도체선 없이 공기 중으로 보내는 것으로서 과거 무선전력전송의 필요성이 낮았지만 최근 많은 전자기기의 발달과 광범위한 전자기기들의 사용으로 인해 무선 전력전송이 주목 받고 있다. 이 기술은 유비쿼터스용 센서 그리고 휴대기기의 충전 및 각종 사무기기 충전 나아가 의료 분야까지 널리 사용되고 있다[1], [2].
무선전력전송 방법에는 크게 3가지가 있다. 그 중 가장 기본적이고 간단한 방법 중 하나는 magnetic inductions 방식이다. 이 방법은 하나의 인덕티브코일에 흐르는 전류로부터 주변에 발생한 magnetic flux가 공기를 통하여 마주보는 인덕티브 코일로 전달 되는 방법이다. 하지만 이 방법은 많은 단점을 가지고 있다. 소스로 사용된 코일과 에너지를 전달받을 코일이 정확하게 마주보지 않을 때 전송효율은 급격하게 떨어지게 되며 두 코일간 거리가 수 cm이상 멀어지면 효율이 급격하게 떨어지게 된다. 이것과 다르게 장거리에서 전력을 전달할 수 있는 방법은 안테나를 이용하는 방법이다. 안테나와 정류기로 이루어진 rectenna를 이용 함으로서 무선전력 전송 방식 중에서 가장 긴 전송 거리를 가진다. 이 방법은RF신호를 안테나의 고유의 공진 주파수와 맞게 하여 외부로부터 방사된 에너지를 안테나를 통하여 수신 하는 방법을 말한다. 이 방법의 경우 안테나의 방사 특성 때문에 에너지를 한 곳으로만 전달하기 어렵고 거리가 멀수록 수신부의 안테나에 도달하는 에너지가 적어 전송 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서 directivity가 높은 안테나나 여러 개의 안테나를 배열한 어레이 구조로 사용하곤 한다. 무선전력전송 방법 중 마지막 방법은 coupled magnetic resonances 를 활용한 방법이다. 이 방법은 가장 최근인 2007년 MIT 의 Martine 박사 팀에서 처음 발표 되었다. coupled magnetic resonances 방법의 무선 전력 전송 시스템의 송신부와 수신부의 코일에 spiral이나 helix구조의 자체 공진 주파수를 가지는 코일을 추가하여 에너지를 전달하는 방법이다. 이 때 인덕티브 코일로 입사된 에너지는 magnetic inductions 방식에 의해 근처의 공진을 가지는 spiral구조나 helix구조로 에너지를 전달 하게 되고, 이 에너지는 각 코일이 가지고 있는 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분에 의해 에너지를 일정시간 저장하고 있다가 동일한 공진 주파수를 가지는 구조를 만날 때 그 곳으로 에너지를 전달해 준다. 이 방법의 장점으로는 magnetic inductions 방식과 마찬가지로 자기장을 활용하기 때문에 에너지 전달 시 고주파를 사용하지 않아 인체에 덜 해롭고 동일한 공진주파수를 가지는 곳으로만 에너지를 전달하는 특성을 가진다. 또한 magnetic inductions 방식만을 사용한 무선 전력전송 시스템보다 공진을 가지는 spiral구조나 helix구조와 같이 자체 공진을 가지는 코일을 사용한 경우 수십 cm에서 수m까지 에너지를 전달 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
coupled magnetic resonances 를 이용한 무선전력전송에서 공진기 간의 전송효율을 높이기 위해서 많은 논문들이 보고 되었다. 공진코일간의 거리에 따라 소스코일과 공진코일의 거리를 다르게 하여 impedance matching을 시켜 보다 높은 효율의 전송률을 먼 거리에서 유지하게 하기 위한 논문과 공진기의 임계 결합을 수치적과 실험적으로 찾아 전송 효율을 높인 논문 등 이 있다 [3], [4]. 하지만 단순히 두 코일의 magnetic inductions 만을 사용한 무선전력전송 방식과 마찬가지로 송신부와 수신부의 공진코일의 축이 서로 일치하지 않을 때 에너지 전달 효율이 감소하는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 coupled magnetic resonances 를 사용한 방식의 무선전력전송에서 송신부과 수신부의 공진하는 코일간 서로 마주보는 축이 어긋났을 때에도 보다 향상된 전송효율을 가지는 방법에 대해서 연구 하였다. 이 연구는 공진 코일의 중심축이 동일 선상에 있는 경우와 어긋난 경우에 대하여 회로와 EM시뮬레이션을 통해 H-field의 분포를 비교 분석하였으며 실제 같은 크기의 공진 코일을 제작하여 측정값과 비교하였다. 제안된 추가 커패시터를 탑재한 공진기는 송신부와 수신부의 코일이 많이 어긋난 경우에도 증가된 Q값과 강한 H-field의 세기로 인해 높은 에너지 전송 효율을 보였다.
그림 1 에서는 coupled magnetic resonances 을 이용한 무선 전력 전송 방식의 등가회로 모델을 보여 주고 있다. 송신부와 수신부는 그림 1과같이 4개의 코일로 구성 된다. 전력이 인가되는 소스코일 그리고 공진을 위한 두 개의 공진코일 마지막으로 수신부의 로드코일이 있다. 동작원리는 RF전력이 소스코일에 인가된 후 소스 코일은 magnetic inductions 방식으로 공진 코일 (1)로 인가된 에너지를 전달 하게 된다. 전달된 에너지는 공진 코일 (1)의 L과 C값에 의해 에너지를 저장하게 된다. 그리고 난 후 공진 코일 (1) 에 저장된 에너지는 coupled magnetic resonances 에 의해 공진 코일 (2)로 에너지를 전송하게 된다. 이와 같이 저장된 에너지는 같은 공진 주파수를 가지는 공진기를 만났을 때 evanescent 모드로 에너지를 전달해준다. 수신부로 전달된 에너지는 두 번째 공진코일의 리액턴스 성분으로 에너지를 가지고 있으면서 로드 코일에 다시 magnetic inductions 방식으로 에너지를 전달하게 된다.
실제 coupled magnetic resonances 방식의 무선전력 전송용 공진 코일을 설계하기 위해서는 각 공진기가 가지는 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분이 필요하다. 각 코일의 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분은 각 코일을 구성하는 도선의 길이와 구조에 의해 결정 된다. 예를 들어 spiral 코일의 경우 도선의 길이에 따라 인덕턴스가 결정되며 커패시턴스의 경우 도선을 감았을 때 도선과 도선 사이에 생기는 거리에 따라 커패시턴스가 결정된다. 이 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분에 의해 공진 주파수 가 정해지고 송신부코일과 수신부코일의 공진 주파수가 같도록 각 코일들을 설계해 줄 때 코일 간에 전력이 전송되게 된다. 만약 두 공진 코일의 주파수가 같지 않으면 송신부와 수신부코일 사이에 에너지 전달은 이루어 지지 않는다.
그림1의 각 코일들에 흐르는 전류는 Kirchhoff의 전압법칙을 사용하여 구할 수 있다. 식 (1)~(4)는 위의 그림 1에 흐르는 전류를 각 코일 별로 나타낸 값이다. 이때 R1¬의 값은 RS¬보다 훨씬 작은 값이기 때문에 RS 로 그리고 R4¬의 값은 RL의 값보다 작기 때문에 RL로 근사화 시킬 수 있다. 그리고 코일 사이의 impedance 를 ZXY로 (만약 코일1과 2를 나타내야 한다면 Z12) 나타내면 (5)~(7)번의 식과 같게 된다. 제안된 공진기의 구조에서 소스코일과 로드코일 은 상호 합동인 구조이기 때문에 Z12 = Z34 로 간단히 쓸 수 있다.

무선전력전송 번역(영어 번역본)

Wireless power transmission is recently one of the most interesting research topics among RF researchers. Wireless power transmission is transmitting energy from one point to another without any conductor lines but through air. In the past, the need for wireless power transmission was low, but with the recent development of various electronic devices, wireless power transmission has become a hot topic. This technology is applied to ubiquitous sensors, cellphone and office device chargers, and even to the medical field [1], [2].
There are largely three methods of wireless power transmission. The most basic and simple method is the magnetic inductions method. This method transmits the magnetic flux that has been occurred from an electric current flowing in a single inductive coil to another inductive coil facing it. Nevertheless, this method has many disadvantages. The transmission efficiency rapidly falls when the two coils are not exactly facing each other and when the distance between the two coils is a few cm farther away. A method that can transmit power across long distances is the method using an antenna. By using the rectenna, a combination of an antenna and a rectifier, we obtain the longest transmission distance among wireless power transmission methods. This method matches up the RF signals and the unique resonant frequency of the antenna to transmit the energy radiated from the external through the antenna. The radiation characteristics of the antenna make it hard for the energy to be transmitted to a single point. In addition, the transmission efficiency decreases as the distance increases and the energy that reaches the antenna decreases. In order to solve this, we used an antenna with high directivity or an array structure with multiple antennas. The last method of wireless power transmission is the coupled magnetic resonances method. This method was introduced most recently by Professor Martine’s team of MIT in 2007. The coupled magnetic resonances method transmits energy by adding a coil of a spiral or helix structure that has its own resonant frequency to the transmitter or receiver of the wireless power transmission system. The energy entering the inductive coil is transmitted through the magnetic inductions method to the spiral or helix structure nearby that has resonance. This energy is temporarily saved by the inductance and capacitance components of each coil and is transmitted when it meets a structure with the same resonant frequency. The advantage of this method is that since it uses the magnetic field, like the magnetic inductions method, it does not use high frequency when transmitting energy and therefore is not as harmful to the human body. Also, it only transmits energy to places with the same resonant frequency. The method of using a coil with its unique resonance, like the spiral and helix structure, had its advantage in that it can transfer energy from tens of cm to even several meters.
There are many researches on improving the transmission efficiency between resonators for wireless power transmission using coupled magnetic resonances. There is a study on maintaining high transmission efficiency among far distances through impedance matching, by adjusting the distance between the source coil and resonance coil according to the distance between resonance coils [3]. Moreover, there is a study on improving the transmission efficiency by finding the ***** of the resonator experimentally and numerically [4]. Nonetheless, like the wireless power transmission using only the magnetic inductions of two coils, this transmission method also has reduced transmission efficiency when the resonance coil axis of the transmitter and receiver is misaligned.
This research focuses on improving the transmission efficiency of the wireless power transmission using coupled magnetic resonances even when the axis between the resonant coils of the transmitter and receiver is misaligned. This study analyzes the distribution of the H-field through the EM simulation and circuit in the case of both the aligned and misaligned resonant coil central axis. Then we make an actual size resonant coil to compare the simulation results to the measured values. The proposed resonator that included an additional capacitor showed a high energy transmission efficiency even when the transmitter and receiver coils were misaligned by a great amount due to the increased Q value and strong H-field.
Figure 1 shows the equivalent circuit of the proposed wireless power transmission system using the coupled magnetic resonances method. The transmitter and receiver are composed of four coils as described in Figure 1. There are the source coil that generates the power, two resonant coils for resonance, and the load coil. The operation principle of this system is that the RF power is applied to the source coil and the source coil transmits this energy to resonant coil (1) through the magnetic inductions method. The transmitted energy is saved by the L and C values of the resonant coil (1). After that, the energy saved in resonant coil (1) is transmitted to resonant coil (2) by the coupled magnetic resonances. Energy that is saved like this is transmitted through evanescent mode when it encounters a resonator with the same resonant frequency. Although the energy that is transmitted to the receiver is the reactant component of resonant coil (2), it is again transmitted to the load coil through the magnetics inductions method.
In order to design an actual wireless power transmission resonant coil using the coupled magnetic resonances method, we need the inductance and capacitance components of each resonator. The inductance and capacitance component of each coil is determined by the length and structure of the conducting wire of each coil. For example, the inductance of a spiral coil is determined by the length of the wire and the capacitance is determined by the distance between the conducting wires when they are coiled up. This inductance and capacitance components determine the resonant frequency, and when the resonant frequency of the transmitting and receiving coil is equal, power is transmitted between the coils. If the frequency of the two resonant coils does not match, energy transfer does not take place.
The electric current flowing in each coil of Figure 1 can be calculated through Kirchhoff’s voltage law. Equations (1) ~ (4) show the electric current of each coil in Figure 1. We can approximate the value of R1¬ to RS¬ since R1¬ is a much smaller value than RS and the value of R4 to RL¬ since R4¬ is a much smaller value than RL. Moreover, if we denote the impedance between the coils as ZXY (e.g. Z12 is the impedance between coil 1 and 2) we achieve equations (5) ~ (7). Since the source coil and load coil of the proposed resonator have a mutually joint structure, we can simply denote this as Z12 = Z34.