공명 유도 커플링

공명 유도 커플링 또는 자기 위상 동기^[4][5] 커플링은 느슨하게 연결된 코일의 "2차"(하중-베어링) 쪽이 공명할 때 커플링이 더 강해지는 유도 커플링의 현상이다.^[5] 이러한 유형의 공명형 변압기는 아날로그 회로에 대역 통과 필터로 자주 사용된다. 공명 유도 커플링은 휴대용 컴퓨터, 전화기, 차량용 무선 전원 시스템에도 사용된다.

적용들

노트북, 태블릿, 스마트폰, 로봇 진공, 이식 의료기기, 전기 자동차, SCMaglev 열차^[7], 자동 안내 차량 등의 차량에 전력을 공급하기 위해 단거리(최대 2m)^[6] 무선 전기 시스템을 사용 중이거나 개발 중에 있다.^[8] 특정 기술에는 다음이 포함된다.

• 와이트리시티
• 레즌스
• eCoupled
• 무선 공명 에너지 링크(WREL)

그 밖의 애플리케이션은 다음과 같다.

• 패시브 RFID 태그(예: 여권) 및 비접촉식 스마트 카드와 같은 데이터 전송.
• 냉간음극 형광등을 작동시키는 CCFL 인버터의 공명 변압기.
• 초헤테로디네 수신기의 단계를 결합하여 중간 주파수 증폭기의 튜닝된 변압기에 의해 수신기의 선택성이 제공된다.^[9][why?]
• X선 생산을 위한 고전압(1백만 볼트) 공급원.^{[citation needed]}

테슬라 코일은 매우 높은 전압을 발생시키기 위해 사용되는 공명형 변압기 회로로, Van de Graaff 발전기와 같은 고전압 정전기보다 훨씬 높은 전류를 제공할 수 있다.^[10] 그러나 이러한 유형의 시스템은 에너지를 거의 낭비하지 않는 현대의 무선 전력 시스템과 달리 대부분의 에너지를 빈 공간으로 방출한다.

공명형 변압기는 무선 회로에 대역 통과 필터로 널리 사용되며, 전원 공급 장치를 전환하는 데 사용된다.

역사

1894년 니콜라 테슬라는 35 사우스 5번가 실험실과 46E 실험실에서 인광등과 백열등을 무선으로 밝히기 위해 "전기동적 유도"라고도 알려진 공명 유도 결합기를 사용했다. 뉴욕시의 휴스턴 스트리트 연구소.^[11][12][13] 1897년에 그는 고전압, 공명 변압기 또는 "테슬라 코일"이라고 불리는 장치에^[14] 특허를 냈다. 공진 유도에 의해 1차 코일에서 2차 코일로 전기 에너지를 전달하면 테슬라 코일은 고주파에서 매우 높은 전압을 생산할 수 있다. 개선된 설계는 "기기 자체의 파괴와 접근하거나 취급하는 사람에 대한 위험의 심각한 책임 없이" 고전위 전류의 안전한 생산과 이용을 가능하게 했다.

1960년대 초에는 심장박동기와 인공심장과 같은 장치를 포함하여 이식 가능한 의료기기에^[15] 공명 무선 에너지 전달이 성공적으로 사용되었다. 초기 시스템은 공명 수신기 코일을 사용했지만, 후기^[16] 시스템은 공명 송신기 코일도 구현했다. 이러한 의료기기는 코일의 정렬 오류와 동적 비틀림을 효율적으로 수용하면서 저전력 전자장치를 사용하여 높은 효율을 제공하도록 설계되었다. 이식 가능한 용도에서 코일 사이의 분리는 일반적으로 20 cm 미만이다. 오늘날 공명 유도 에너지 전달은 상용화된 많은 의료용 이식 가능한 장치에 전력을 공급하기 위해 정기적으로 사용된다.^[17]

전기자동차와 버스에 실험적으로 동력을 공급하기 위한 무선 전기 에너지 전달은 공명 유도 에너지 전달의 더 높은 전력 애플리케이션(>10 kW)이다. 급속 재충전을 위해서는 높은 전력 수준이 요구되고, 운영 경제성과 시스템의 부정적인 환경 영향을 피하기 위해서는 높은 에너지 전달 효율이 요구된다. 1990년 경에 건설된 실험 전기화 도로 시험 트랙은 특별 설비된 버스 정류장에서 프로토타입 버스의 배터리를 충전하면서 에너지 효율 60%를 약간 상회하는 성과를 거두었다.^[18][19] 버스에는 이동 시 코일 간극을 높이기 위해 접히는 리시버 코일이 장착될 수 있다. 송수신 코일 사이의 간격은 동력 전달 시 10 cm 미만으로 설계되었다. 버스 외에도 주차장과 차고지에서도 전기자동차를 재충전하기 위한 무선 환승 사용이 조사되었다.

이러한 무선 공명 유도 장치 중 일부는 낮은 밀리와트 전력 수준에서 작동하며 배터리로 작동된다. 다른 것들은 더 높은 킬로와트 전력 수준에서 작동한다. 현재의 이식 가능한 의료 및 도로 전기화 장치 설계는 10 cm 미만의 송수신 코일 사이의 작동 거리에서 75% 이상의 전송 효율을 달성한다.^{[citation needed]}

1993년 뉴질랜드 오클랜드 대학의 존 보이즈 교수와 그랜트 코빅 교수는 작은 공극에 걸쳐 대량의 에너지를 전달하는 시스템을 개발했다.^[4][5][20] 일본에서 움직이는 크레인과 AGV 비접촉 전력 공급기로 실용화하고 있었다.^[8] 1998년, RFID 태그는 이런 방식으로 작동되는 특허가 있었다.^[21]

2006년 11월, 마린 솔자치치를 비롯한 매사추세츠공대 연구진은 강하게 결합한 공명기를 기반으로 무선 전력 전송에 이 근거리 필드 동작을 적용했다.^[22][23][24] 이들은 이론적 분석에서 방사선과 흡수로 인한 손실이 최소화하고 중간 범위(명칭 공명기 크기의 몇 배)의 근거리장을 갖는 전자기 공명기를 설계함으로써 중거리 효율 무선 에너지 전송이 가능하다는 것을 입증한다.^[25] 그 이유는 동일한 주파수에 동조되는 두 개의 공명 회로가 파장의 일부분 내에 있을 경우, 이들의 근거리장('발진파'로 구성됨)이 방출파 커플링을 통해 결합되기 때문이다. 진동파는 인덕터 사이에서 발달하는데, 인덕터는 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 긴 모든 손실 시간보다 훨씬 짧은 시간 내에 전달되도록 할 수 있으며, 따라서 가능한 최대 에너지 전달 효율을 가진다. 공명 파장은 공명기보다 훨씬 크기 때문에, 필드는 근처의 외부 물체를 우회할 수 있으므로, 이러한 중간 범위의 에너지 전달 체계는 시야를 필요로 하지 않는다. 특히 자기장을 활용하여 결합을 이루면 자기장이 살아있는 유기체와 약하게 상호작용하기 때문에 이 방법은 안전할 수 있다.

애플은 와이파워가 2008년에 특허를 출원한 이후 2010년에 이 기술에 대한 특허를 출원했다.^[26]

과거에는 JR 토카이 SCMaglev 자동차에 사용되는 전원이 가스터빈 발전기로 발전하고 있었다. 2011년에는 AGV의 무선 전원 구성표와 유사한 기술을 기반으로 개발된 JR 토카이 독점 9.8kHz 위상 동기화 기술에 의해 큰 간격을 두고 주행 중 전원 공급(CWD:주행 중 충전)에 성공했다. 그리고 일본 국토교통성은 실용화를 위한 모든 문제가 해소된 만큼 이 기술을 평가했다.^[27] SCMaglev의 건설이 시작되고 상업적 이용은 2027년에 시작될 것이다.^[28]

다른 기술과의 비교

일반적인 변압기와 같이 비보전성 결합 인덕터는 1차 코일이 자기장을 발생시키고 2차 코일을 통과하는 동력이 1차 코일에 최대한 가깝게 되도록 2차 코일을 소계하는 원리에 작용한다. 이차적 요건에 의해 전장이 보호되어야 하는 이 요건은 매우 짧은 범위에 속하며 일반적으로 자기 코어를 필요로 한다. 더 먼 거리에서는 비탄력 유도 방법이 매우 비효율적이며 에너지 대부분을 일차 코일의 저항성 손실로 낭비한다.

공명을 사용하면 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 공명 커플링을 사용할 경우 2차 코일은 용량성 로딩되어 튜닝된 LC 회로를 형성한다. 1차 코일이 2차측 공명 주파수로 구동되는 경우, 코일 직경의 몇 배에 걸쳐 코일 사이에 상당한 전력이 합리적인 효율로 전달될 수 있는 것으로 나타났다.^[29]

배터리와 관련된 비용, 특히 비충전 가능 배터리와 비교했을 때, 배터리의 비용은 수백 배 더 높다. 근처에 전력 공급원이 있는 상황에서는 더 저렴한 해결책이 될 수 있다.^[30] 또한 배터리는 정기적인 유지보수와 교체가 필요한 반면에 공명 에너지 전달은 대신 사용될 수 있다. 배터리는 건설과 폐기 과정에서 오염을 추가로 발생시키지만 대부분 이를 피한다.

규정 및 안전

주전원 배선 장비와 달리 직접 전기 연결이 필요하지 않아 감전 가능성을 최소화하기 위해 장비를 밀봉할 수 있다.

결합은 주로 자기장을 사용하여 이루어지기 때문에 기술은 상대적으로 안전할 수 있다. 대부분의 국가에서 전자기장 피폭에 대한 안전 표준과 지침이 존재한다(예: ICNIRP). 시스템이 지침을 충족할 수 있는지 또는 덜 엄격한 법적 요건을 충족시킬 수 있는지는 송신기의 전달 전력과 범위에 따라 달라진다. 최대 권장 B-장은 주파수의 복잡한 기능이며, 예를 들어 ICNIRP 지침은 100kHz 이하에서 수십 마이크로테슬라의 RMS 필드를 허용하며, VHF에서 200나노테슬라의 주파수와 400MHz 이상의 하위 레벨로 떨어지며, 신체 부위가 직경 파장과 유사한 전류 루프를 유지할 수 있고, 심층 조직 에너지와 같은 전자 루프를 유지할 수 있다. 흡수량이 최대치에 달하다

전개된 시스템은 이미 자기장을 발생시킨다. 예를 들어 높은 장이 허용되는 수십 kHz의 유도 조리기, 필요한 에너지가 낮을수록 높은 주파수가 가능한 비접촉식 스마트 카드 리더.

메커니즘 디테일

개요

이 과정은 공진변압기에서 발생하는데, 변압기는 같은 코어에 높은 Q 코일의 상처로 구성되어 있고, 콘덴서가 코일에 연결되어 커플링 LC 회로를 만드는 전기 부품이다.

가장 기본적인 공진 유도 커플링은 1차측에 1개의 구동 코일과 2차측에 1개의 공명회로 구성된다.^[33][5][2] 이 경우 2차측 공진 상태가 1차측에서 관찰되면 2개의 공진 상태가 1쌍으로 관찰된다.^[34][5] 그 중 하나는 항응력 주파수(병렬 공명 주파수 1)이고, 다른 하나는 공명 주파수(시리얼 공명 주파수 1')^[5]라고 한다. 2차 코일의 단락 인덕턴스와 공명 콘덴서는 공명 회로로 결합된다.^[35][5] 1차 코일이 2차측 공명 주파수(시리얼 공명 주파수)로 구동되면 1차 코일과 2차 코일의 자기장 단계가 동기화된다.^[5] 그 결과 상호 유속이 증가하여 2차 코일에 최대 전압이 발생하며, 1차 코일의 구리 손실이 감소하고, 열 발생이 감소하며, 효율이 상대적으로 향상된다.^[2] 공명 유도 결합은 자기 결합 코일 사이의 전기 에너지의 근거리 무선 전송이며, 이는 주행 주파수와 동일한 주파수로 공명하도록 조정된 공명 회로의 일부다.

공진 상태의 커플링 계수

변압기에서는 1차 코일을 통해 전류에 의해 발생되는 플럭스의 일부만 2차 코일에 결합되며 그 반대의 경우도 마찬가지다. 부부관계를 이루는 부분을 상호유속이라고 하고, 부부관계를 맺지 않는 부분을 누수유속이라고 한다.^[36] 시스템이 공진 상태에 있지 않은 경우, 이는 2차에서 나타나는 개방 회로 전압이 코일의 회전비로 예측한 값보다 작음을 초래한다. 커플링 정도는 커플링 계수라는 파라미터에 의해 포착된다. 연결 계수 k는 모든 플럭스가 한 코일에서 다른 코일로 결합될 경우 얻을 수 있는 비율에 대한 변압기 개방 회로 전압비로 정의된다. 단, 개방 회로가 아닌 경우에는 유속 비율이 달라진다. k의 값은 0과 ±1 사이에 있다. 각 코일 인덕턴스는 개념적으로 k:(1-k) 비율로 두 부분으로 나눌 수 있다. 이러한 인덕턴스는 각각 상호 유속을 생성하는 인덕턴스와 누출 유량을 생성하는 인덕턴스다.

연결 계수는 시스템 기하학의 함수다. 그것은 두 코일 사이의 위치 관계에 의해 고정된다. 커플링 계수는 시스템이 공명 상태에 있을 때와 공명 상태에 있지 않을 때 사이에 변경되지 않으며, 시스템이 공명 상태에 있고 회전 비율보다 큰 이차 전압이 발생하더라도 변경되지 않는다. 그러나 공명의 경우 유속비율이 변하고 상호 유속이 증가한다.

공명 시스템은 긴밀하게 결합되거나 느슨하게 결합되거나 심각하게 결합되거나 과도하게 결합되는 것으로 알려져 있다. 긴밀 결합은 기존의 철심 변압기와 마찬가지로 결합 계수가 1 정도일 때 발생한다. 오버커플링은 2차 코일이 너무 가까워 항렌스 효과로 상호 플럭스 형성이 저해될 때, 임계 커플링은 패스밴드 내 전달이 최적일 때 발생한다. 느슨한 결합은 코일이 서로 떨어져 있어서 대부분의 유속이 이차적인 것을 놓치는 것이다. 테슬라 코일에서는 0.2도 전후의 코일이 사용되며, 예를 들어 유도 무선 전력 전송의 경우 더 먼 거리에서는 0.01보다 낮을 수 있다.

전압 게인(유형 P-P)

일반적으로 공명 결합되지 않은 코일의 전압 이득은 이차 및 일차 인덕턴스 비율의 제곱근에 정비례한다.

${\displaystyle A=k{\sqrt {\frac {L_{2}}:{L_{1}}},}$

단, 공명 커플링 상태일 경우 더 높은 전압이 발생한다. 2차측 단락 인덕턴스 L은_sc2 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

${\displaystyle L_{sc2}=(1-k^{2})\cdot {L_{2}}:}$

2차측 단락 인덕턴스_sc2 L과 공명 캐패시터 Cr이 공명한다. 공명 주파수 Ω은₂ 다음과 같다.

${\displaystyle \omega_{2}={1 \over {\sqrt{L_{sc2}C_{r}}}}={1 \\sqrt{(1-k^{2})\cdot {L_{{2}}C_{r}}}}}}}}}}}}}}}$

부하저항을 Rl이라고 가정하면 2차 공명회로의 Q 값은 다음과 같다.

${\displaystyle Q_{2}=R_{l}{\sqrt{\c_{r}}{{L_{sc2}}:\,}$

공명 주파수의 피크에서 공명 캐패시터 Cr에서 발생하는 전압은 Q 값에 비례한다. 따라서 시스템이 공명할 때 1차 코일에 대한 2차 코일의 전압 이득 Ar,

${\displaystyle A_{r}=kQ_{2}{\sqrt {\frac {\L_{2}}:{L_{1}},}$

타입 P-P의 경우 Q1은 전압 이득에 기여하지 않는다.

WiTricity형 공진 유도 커플링 시스템

WiTricity형 자기공명은 1면 공명 코일과 2면 공명 코일이 짝을 이룬 것이 특징이다. 1차 공명 코일은 1차 구동 코일 전류를 증가시키고 1차 공명기 주위의 생성된 자속을 증가시킨다. 이는 1차 코일을 고전압으로 구동하는 것과 맞먹는다. 왼쪽 그림의 유형의 경우, 일반적인 원리는 주어진 진동 에너지량(예: 펄스 또는 일련의 펄스)을 정전적으로 적재된 1차 코일에 넣으면 코일이 '링'되어 진동 자기장을 형성한다는 것이다.

공명 전달은 진동 전류를 가진 코일 링을 만들어 작동한다. 이것은 진동하는 자기장을 생성한다. 코일은 공진도가 높기 때문에 코일에 배치된 어떤 에너지는 매우 많은 사이클에 걸쳐 비교적 천천히 소멸되지만, 만약 두 번째 코일이 가까이 오게 되면 코일은 어느 정도 떨어져 있더라도 손실되기 전에 대부분의 에너지를 흡수할 수 있다. 모든 하드웨어가 1/4 파장 거리 내에서 잘 유지되고 송신기에서 무한대로 거의 에너지를 방출하지 않기 때문에 사용되는 장은 주로 비방사성, 근거리장(가끔은 전파파장이라고도 한다)이다.

에너지는 공진 주파수로 인덕터의 자기장과 캐패시터를 가로지르는 전기장 사이에서 앞뒤로 전달된다. 이 진동은 주로 저항성 및 복사성 손실로 인해 게인대역폭(Q 인자)에 의해 결정된 속도로 소멸될 것이다. 단, 2차 코일이 1차 코일의 각 사이클에서 손실되는 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수할 수 있을 정도로 충분한 전기장을 절단한다면 대부분의 에너지는 여전히 전달될 수 있다.

Q 계수는 매우 높을 수 있기 때문에(실험적으로 약 1,000개 정도가 공기 코일 코일로 입증되었다^[37]) 높은 효율을 얻기 위해 한 코일에서 다른 코일로 작은 비율의 필드만 결합하면 된다. 비록 필드가 코일과의 거리로 빠르게 소멸되더라도 1차 코일과 2차 코일은 몇 개의 직경이 될 수 있다.

효율성의 장점은 다음과 같다.^[38]

${\displaystyle U=k{\sqrt{Q_{1}Q_{2}}:$

여기서 Q와₁ Q는₂ 각각 소스와 수신기 코일의 Q 인자, k는 위에서 설명한 연결 계수다.

달성 가능한 최대 효율성은 다음과 같다.^[38]

${\displaystyle \eta _{opt}={\frac {U^{2}}:{(1+{\sqrt{1+U^{2}}}}^{2}}:}}}}}}}}:{2}}:$

동력전달

Q는 매우 높을 수 있기 때문에, 송신기 코일에 저전력이 공급될 때에도 비교적 강한 전장이 여러 사이클에 걸쳐 축적되어 수신할 수 있는 전력이 증가한다. 공명에서는 코일에 공급되는 것보다 훨씬 더 많은 전력이 진동장에 있고, 수신기 코일은 그 중 일부를 수신한다.

송신기 코일 및 회로

비저항 변압기의 다층 2차층과 달리, 이러한 목적을 위한 코일은 적절한 캐패시터와 병렬로 (피부 효과를 최소화하고 Q를 개선하기 위해) 단일층 솔레노이드인 경우가 많다. 대체 공진기 기하학에는 파동-와운드-리츠 와이어와 루프-갭 공진기(LGR)가 포함된다. 리츠 와이어 기반 공명기에서 절연은 부재하거나 낮은 허용률과 함께 유전체 손실을 최소화하기 위해 실크 같은 저손실 소재를 사용한다.^{[citation needed]} LGR 기하학은 공명기 구조 외부의 전기장이 매우 약해 전기장에 대한 인간의 노출을 최소화하고 동력전달 효율을 인근 유전체에 무감각하게 한다는 장점이 있다.^[39]

각 사이클마다 1차 코일에 에너지를 점진적으로 공급하기 위해 다른 회로를 사용할 수 있다. 한 회로는 콜핏츠 오실레이터를 사용한다.^[37]

테슬라 코일에서는 "회로 제어기" 또는 "차단기"를 사용하여 1차 코일에 충동적인 신호를 주입하고, 2차 코일이 울리고 해독한다.^{[citation needed]}

수신기 코일 및 회로

보조 리시버 코일은 1차 송신 코일과 유사한 설계다. 1차 주파수와 동일한 공명 주파수로 2차 주파수를 구동하면 2차 주파수가 송신기 주파수에서 낮은 임피던스를 가지며 에너지가 최적으로 흡수된다는 것을 보장한다.

2차 코일에서 에너지를 제거하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있고, AC를 직접 또는 수정한 후 조절기 회로를 사용하여 DC 전압을 생성할 수 있다.

참고 항목

• 반사파 커플링 광 주파수에서 본질적으로 동일한 프로세스
• 인덕턴스
• 단락 인덕턴스
• 워든클리프 타워

참조

추가 읽기

• NYC 맨홀 커버 공진 충전기
• IEEE 스펙트럼: 무선 전력에 대한 비판적 시각
• 인텔: 마지막 코드 절단, 무선 전원
• 야후 뉴스: 무선 전원 시스템으로 전기 코드 절단
• BBC 뉴스: 스파게티 전원 케이블 단부
• "Marin Soljačić (researcher team leader) home page on MIT".
• Jonathan Fildes (2007-06-07). "Wireless energy promise powers up". BBC News.
• JR Minkel (2007-06-07). "Wireless Energy Lights Bulb from Seven Feet Away". Scientific American.
• Katherine Noyes (2007-06-08). "MIT Wizards Zap Electricity Through the Air". TechNewsWorld.
• Chris Peredun, Kristopher Kubicki (2007-06-11). "MIT Engineers Unveil Wireless Power System". DailyTech. Archived from the original on 2013-01-12.
• "Supporting Online Material for Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances". Science Magazine.
• Gary Peterson (2008-08-06). "Anticipating Witricity". 21st Century Books.
• 윌리엄 C. IEEE MTT-S 웹사이트의 브라운 전기
• Anuradha Menon (2008-11-14). "Intel's Wireless Power Technology Demonstrated". The Future of Things e-magazine. Archived from the original on 2010-12-09.

외부 링크

• Rezence – Wireless Power Alliance for Wireless Power에서 추진하는 무선 전력 표준의 공식 사이트
• 제 – 무선 전력 컨소시엄에서 추진하는 무선 전력 표준 공식 사이트
• PMA – Power Matters Alliance에서 추진하는 무선 전력 표준 공식 사이트
• 지침: 무선 전원