송신단 코일 내부에 다수의 소형 수신단 코일이 존재하는 무선 전력 전송 시스템

Abstract

과학기술의 발전과 함께 과학기술과 예술과의 융합이 여러 분야에서 시도되고 있다. 본 논문에서는 이 추세에 맞추어 예술에 응용할 수 있는 무선 전력 전송 시스템 기술을 연구한다. 무선 전력 전송 시스템은 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있기 때문에 전선이 들어갈 수 없는 곳까지 전력을 전송할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점을 이용하여 본 논문에서는 움직이는 LED 조명을 제작하기 위한 무선 전력 전송 시스템을 구성하고 분석한다. 시스템을 구성하기 앞서 먼저 시스템의 특징을 정리하고 시스템을 전원단, 송•수신단, 부하단으로 나누어 구성한다. 본 논문에서 전원단으로는 변형된 하프 브릿지 회로를 이용하고, 송•수신단은 각각 직렬, 병렬회로를 이용하여 구성하고, 부하단은 손실을 최소화하기 위해 LED를 바로 연결하여 구성한다. 수신단이 작기 때문에 기존의 무선전력전송 시스템과 달리 수신단이 송신단 코일 내에 존재한다. 본 논문에서는 자기 공진 방식을 이용하기 때문에 시스템의 동작주파수는 송•수신단 공진회로의 공진주파수와 같다. 본 논문에서는 인덕터를 설계하고 캐패시터를 이용하여 공진주파수를 설계한다. 인덕터를 설계하기 위해 공심 코일을 모델링하고 이를 검증한다. 설계한 시스템을 수신단 코일이 한 개인 시스템과 여러 개인 시스템으로 나누어 분석한다. 수신단 코일이 한 개인 시스템에서는 수신단 코일 직경과 턴 수에 대한 시스템의 변화와 송신단 코일 내부 위치에 따른 시스템 변화를 확인한다. 수신단이 여러 개인 시스템에서는 수신단이 추가 될 때의 시스템 변화와 2개의 수신단 위치에 따른 시스템 변화를 확인한다. 수신단 코일이 한 개인 시스템에서 수신단 코일 직경과 턴 수에 대해 결합계수와 송∙수신단 전압비는 비례하는 관계에 있다는 것을 확인하였고, 같은 조건에서 수신단 코일 직경이 턴 수에 비해 시스템에 미치는 영향이 크다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한 송신단 코일 내부의 자기장은 송신단 코일 중앙에서 가장 작으므로 송신단 코일 중앙에서 수신단에 유도되는 전압의 크기가 가장 작다는 것을 확인하였다. 수신단 코일이 여러 개인 시스템에서 수신단이 추가 될 때 반사 임피던스가 추가되는 것으로 볼 수 있어 송신단 코일 양단 전압이 감소하고 전류가 감소하는 것을 확인하였다. 마지막으로 두 개의 수신단 코일이 수평으로 밀착할 때 서로의 자속이 상쇄되어 수신단 전압의 크기가 감소하고, 두개의 수신단이 수직으로 밀착할 때 서로의 자속이 더해져 수신단 전압의 크기가 증가하는 것을 확인하였다.