Characteristic Study of Small-sized and Planer Resonator for Mobile Device in Magnetic Wireless Power Transfer

In this paper, a Small-sized and planer resonator design of Magnetic Resonance - Wireless Power Transfer(MR-WPT) were proposed for practical applications of mobile devices, such as a laptop, a smart-phone and a tablet pc. The proposed MR-WPT system were based on four coil MR-WPT and designed as a transmitter part (Tx) and a receiver part (Rx) both are the same shape with the same loop and resonator. There are four different spiral coil type of resonators with variable of line length, width, gap and turns in $50mm{\times}50mm$ size. The both of top and bottom side of substrate(acrylic; ${\varepsilon}_r=2.56$, tan ${\delta}=0.008$) ere used to generate high inductance and capacitance in limited small volume. Loops were designed on the same plane of resonator to reduce their volume, and there are three different size. The proposed MR-WPT system were fabricated with two acrylic substrate plane of Tx and Rx each, the Rx and Tx loops and resonators were fabricated of copper sheets. There are 12 combinations of 3 loops and 4 resonators, each combination were measured to calculate transfer efficiency and resonance frequency in transfer distance from 1cm to 5cm. The measured results, the highest transfer efficiency was about 70%, and average transfer efficiency was 40%, on the resonance frequency was about 6.78 MHz, which is standard band by A4WP. We proposed small-sized and planer resonator of MR-WPT and showed possibility of mobile applications for small devices.

소형 모바일 기기용 공진형 무선전력전송 시스템의 공진기 평면화 및 소형화에 따른 특성 연구

본 논문은 모바일 기기(노트북, 핸드폰, 태블릿 PC 등)를 위한 공진형 무선전력전송 시스템(Magnetic Resonance - Wireless Power Transfer; MR-WPT)의 실용성을 높이기 위한 평면형 소형 공진기 설계 방법을 제안하였다. 제안된 소형 평면형 공진기는 네 개의 루프와 공진기를 사용하는 공진형 무선전력 시스템에 적용 되며, 또한 무선전력 시스템은 송신기(Tx)와 수신기(Rx)가 동일한 루프와 공진기로 이루어졌다. 제안된 공진기는 나선형(Spiral) 코일의 형태로 소형 모바일 크기에 적합한 $50mm{\times}50mm$의 크기 이내로 설계 되었으며, 나선형 공진기의 선 두께와 선간 갭(gap) 그리고 선의 길이를 달리하는 4종류의 나선형 공진기를 선정하였다. 또한 작은 공진기 부피에서 높은 인덕턴스와 캐패시턴스를 얻기 위해 공진기 기판 (아크릴 ${\varepsilon}_r=2.56$, tan ${\delta}=0.008$)의 양면을 모두 활용하였다. 또한 루프는 공진기 부피를 최소화하기 위해 공진기와 동일 평면상에 설계 하였고, 이 또한 서로 다른 3가지의 크기를 사용하였다. 제안된 무선전력전송 시스템은 Tx와 Rx 두 개의 아크릴 기판에 제작되었으며, Tx와 Rx의 루프와 공진기는 구리시트로 만들어졌다. 제안된 12개의 조합 (공진기 4종 ${\times}$ 루프 3종)의 루프와 공진기에 대한 전력전송효율을 근 전송 거리 (1cm~5cm)상에서 시뮬레이션과 측정을 통해 산출하였다. 측정 결과 전력전송효율은 전송거리 1~5 cm에 따라 ${\fallingdotseq}40%$ 그리고 최대 ${\fallingdotseq}70%$ 이며, 이때 공진주파수는 A4WP 표준 무선전력전송 주파수인${\fallingdotseq}6.78MHz$를 유지한다. 제안된 부피에서 최소화된 평면형의 소형 공진기를 이용한 소형 모바일 기기의 공진형 무선전력 어플리케이션에 대한 가능성을 실험적으로 확인하였다.