코어 및 공심 코일을 이용한 무선 전력 전송 연구 = Wireless Power Transfer Using Core or Coreless
저자
발행사항
부산 : 부산대학교, 2013
학위논문사항
학위논문(석사)-- 부산대학교 대학원 : 로봇관련협동과정 2013. 8
발행연도
2013
작성언어
한국어
주제어
DDC
629.892 판사항(21)
발행국(도시)
부산
형태사항
iii, 33 장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김희제
참고문헌: 장 30-31
DOI식별코드
소장기관
무선전력전송은 1897년 ‘니콜라 테슬라’가 미국에 무선전력전송 특허를 내고, 테슬라 타워라고 불리는 스프링스 연구소에서 이에 대한 실험을 진행하는데 이것이 에너지 무선전송의 시작이었고, 이후 많은 과학자들이 에너지 무선전송을 시현하기 위해서 여러 방법으로 연구가 진행이 되었다. [1][2] 아직도 진행 중인 무선전력전송은 20세기 과학자들의 꿈의 기술이었다. 이후, 미국 NASA에서는 “Sun Power Satellite(SPS)” 라는 위성의 태양전지로부터 생산한 에너지를 지구로 보내는 방법을 연구하는 프로젝트를 계획하였으며, 이 계획은 효율성과 전송을 위해 사용된 주파수가 생명체에 치명적인 범위여서 논란의 여지가 많았다. [3][4] 이후 필립스 전기의 자회사인 파워캐스트에서 RF를 이용하여 무선센서, RFID등 낮은 전력을 요구하는 전자기기에 대한 무선전력전송 기술을 발표하였으며, 이 기술은 현재 상용화가 되어 여러 분야에서 사용되고 있다. [5] 그리고 변압기와 같은 전자기 유도 방식을 이용하여 전력을 전송하는 방법도 현재 개발되어 사용화가 되었다. 이 방식은 효율이 좋으며 높은 파워를 전달할 수 있지만 전송거리가 짧은 단점이 있다. [6]
마지막으로 2007년 미국의MIT물리학과의 마린 솔랴치치(Marin Soljacic)교수 팀에 의해 제한된 비방사형 무선 에너지 전송 기술로 기존의 전자파 방사와는 다른 공진 주파수를 일치시켜 비방사형으로 에너지를 전송하여 효율을 높였으며, 사용되는 주파수도 인체에 무해할 것으로 보여 새로운 근거리 에너지 전송의 대안으로 인식되고 있으며, 또한 가장 이슈가 되고 있는 기술이다. [7] 이 새로운 에너지 전송 방식은 가정과 같은 근거리 소규모 무선전송의 가능성을 보여줌으로써 가정용 전력시스템의 변화 가능성을 제시했다. 이에 따라 2015년까지 가정용 무선 전송시스템을 개발하기 위한 프로젝트 팀이 전 세계적으로 생겨나기 시작했으며, 한국에서도 전기 연구원, KIST, 삼성, LG 등 학•연•기업 중심으로 연구를 활발히 진행하고 있다. [6][8]
하지만 MIT에서 제시한 비방사형 무선전력전송에는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는 자기 커플 링을 형성하기 위해 사용되는 중계 안테나의 지름이 60cm나 되어 시스템의 크기가 가정용에 맞지 않다는 것이다. 다음으로는 공진을 위해서 사용되는 주파수가 13.54MHz로 현재 통신용으로 개발된 저전력 스위치소자만 개발되어있는 상태로 고 전력을 위한 스위치소자 개발이 필요하게 되었다. 마지막으로 현재 기술은 피드백이 되지 않는 포워드 방식으로 수신 부 측의 전압제어 및 여러 대의 수신 부에 다중 전송을 할 수 있는 기술이 미흡하다는 것이다. 현재 이런 기술의 미흡 점을 보완하기 위해서 많은 연구가 진행 중이다.
본 논문은 코어와 공심 코어를 사용하여 무선전력 전송을 재현하였다. 그리고 기존과 다른 차이점을 두었다. 하나는 전송 주파수이며, 다른 하나는 병렬 공진을 이용하였다. 현재 가장 많이 이용되는 전송 주파수는 125kHz와 13.56MHz이다. 하지만 이번 실험에서는 20k~100kHz 대역에서 실험을 진행을 하였다. 그리고 많은 공진 시스템이 LLC를 이용하여 높은 전압 이득을 통한 전송을 하였지만, 본 실험은 병렬 공진을 통한 높은 전류 이득을 유도하였지만, 많은 열로 인한 메인 회로의 에너지 손실을 가지고 왔다. 하지만 손실만 줄인다면 전류 이득이 전압이득보다 많은 에너지를 전송할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
Wireless power transmission introduced by Tesla in 1897 when he patented that in USA. This event was starting wireless power transfer (WPT). After that, a variety of scientists were starting to research the WPT for demonstration of that technique. WPT which has been still researched was the best dream technology of all scientists in 20th century.
NASA in USA planed a project, “Sun Power Satellite (SPS),” that it was method to transfer energy produced from sun power on the satellite to the earth. However, that plan was embroiled in controversy because used transmission frequency could be harmful to human.
Another thing was that Power Cast, one of Philips’s branches, presented their new technique using RF. It was effective in applying low power machines. So now, that technique was successfully deployed in a commercial scale.
Finally, Marin Soljacic, professor of MIT, demonstrated that a new wireless power transmission using non-radiation magnetic resonance could send energy until 2 meters with about 50% transmission efficiency. It was chance to refocus a new possibility of wireless power transmission.
In this paper, I demonstrated WPT using core or coreless, but that is some different from existing skills. There are transmission frequency and using parallel resonance.
First, it is frequency, the main frequencies people use most often are 125kHz and 13.56MHz. However, I use different frequency from 20kHz to 100kHz in this experiment.
Second, many systems for WPT have used LLC series resonant system to earn high voltage gain, but I used LC parallel resonance. Although parallel resonance gained more energy than series resonance, high current gain caused much higher temperature on devices. Therefore, system remained unstable and generated thermal losses.
However, I knew that if thermal losses are reduced, the parallel resonance for the current gain sends energy more than series resonance for the voltage gain.
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