WO2017023044A1 - 신호 및 전력 전송 시스템 - Google Patents
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- H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
Definitions
- the present invention relates to a power and signal transmission system, and more particularly, to a system that enables the transmission of power and signals using a transceiver.
- non-patent document [1] is not an electromagnetic wireless power transmission device, but these devices provide a layering arrangement when special sensors are required to perform transmission and reception.
- non-patent document [2] relates to an electromagnetic wave-based wireless power transfer system through wall applications.
- non-patent document [3] is an electromagnetic wave-based wireless power transmission device, and can operate with a transmission efficiency of less than 10% at frequencies below 100 Hz.
- electromagnetic interference occurs when attempting to transfer wireless energy between the compartments, so that power or signal transmission has a difficulty in drilling a hole in the thick metal wall forming the compartment of the vessel.
- a signal transmission and reception device for communicating with a counterpart device in an electromagnetic field induction through an adjacent conductive object, comprising: a first layer made of a conductive material and including at least one opening facing the object; A second layer adjacent the first layer on the opposite side of the object and composed of a conductive material; And a third layer comprising a dielectric material and disposed between the first layer and the second layer and exchanging an electromagnetic field containing a signal with the object through the opening.
- the third layer may radiate the electromagnetic field to the object.
- the third layer may transmit an electrical signal to the first layer and the second layer. Can be.
- At least one of the first layer and the second layer may include a copper material.
- the third layer may include at least one material of carbon fiber and polycarbonate.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a signal and power transmission system according to an embodiment
- FIGS. 2A and 2B are detailed views of a transmitter of a system according to an embodiment
- FIG. 3 is a diagram illustrating a principle of transferring power or data of a system according to an embodiment
- 4A, 4B and 4B are views illustrating a receiver of a cylindrical structure according to another embodiment
- FIG. 5 is a cross-sectional view of a system to which a receiver of a cylindrical structure is applied according to another embodiment.
- 6A and 6B illustrate a receiver of a spiral structure according to still another embodiment.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a signal and power transmission system according to one embodiment.
- a wireless power transmission system includes a transmitter 100 and a receiver 200.
- the transmitter 100 and the receiver 200 are installed in respective shielded spaces such as a ship or a container having a plurality of spaces, such as a control room, an engine room, and a pump room, to exchange power or data.
- shielded spaces such as a ship or a container having a plurality of spaces, such as a control room, an engine room, and a pump room, to exchange power or data.
- this application is merely exemplary, and the spirit of the present invention is not limited to some examples presented in this specification.
- the transmitter will be described in more detail with reference to FIGS. 2A and 2B.
- FIG. 2A is a top view of a transmitter of a system according to an embodiment
- FIG. 2B is a side view of a transmitter of a system according to an embodiment.
- the transmitter 100 may include a first layer 110, a second layer 130, and a third layer disposed between the first layer 110 and the second layer 130. 120).
- the first layer 110 is a waveguide of a thin film in a rectangular shape, at least one perforated square hole 111 is formed therein, and is made of a conductor (such as copper material).
- a conductor such as copper material.
- the shape of the hole 111 is rectangular, but this is merely exemplary, and thus the shape, number, arrangement, and the like of the hole 111 may be changed as necessary.
- the third layer 120 is a dielectric layer.
- the third layer 120 may have the same thickness as the first layer 110 and may be made of carbon fiber or polycarbonate (PC).
- the second layer 130 may have the same size (at least one of a length, a width, and a thickness) with the first layer 110.
- the second layer 130 may function as a ground.
- the transmitter 100 composed of the first layer 110, the second layer 130, and the third layer 120 therebetween, as shown in FIG. It may be disposed adjacent one side of the thick metal wall 300.
- the transmitter 100 generates an electromagnetic wave having a frequency in the range of 20 MHz to 150 MHz.
- Electromagnetic waves generated by the transmitter 100 propagate through the metal wall 300 and are transmitted to the receiver 200.
- signals (such as data) and / or power are transmitted via electromagnetic waves.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a principle of transferring power or data of a system according to an exemplary embodiment.
- the metal wall 300 is formed of a body centric cuboid crystal (BBC) structure or an uneven structure including a raised portion V and a portion V (void) recessed. Has a period (A).
- BBC body centric cuboid crystal
- the electromagnetic wave is generated due to the interaction of the electromagnetic wave with the metal wall 300, and the electromagnetic wave propagates through the metal wall 300.
- the surface electromagnetic waves generated by the transmitting unit 100 which is the surface of the electromagnetic wave (Evanescent EM wave source) is caused to totally flow in the raised portion (G) and the recessed portion (V) formed in accordance with the predetermined period (A).
- electromagnetic waves flowing through the inner circumferential surface are transmitted to an outer circumferential surface of the metal wall 300 on which the receiver 200 is mounted.
- the receiver 200 may receive the electromagnetic wave.
- the receiver 200 that receives the surface electromagnetic waves to receive energy transmitted from the transmitter 100 also includes a first layer 110, a second layer 130, and a third layer 120. It may have the same structure as the transmitter 100.
- the receiver 200 may have a cylindrical structure for receiving power or data transmitted from the transmitter 100.
- FIGS. 4A, 4B and 4C are views illustrating a receiver of a cylindrical structure according to this embodiment.
- the cylindrical receiver 200 includes a cover 210, a loop 220, and a dielectric 230, and is also referred to as a wave trap for removing interference of frequencies.
- the cover 210 has a cylindrical structure with an open bottom, and is made of copper.
- the loop 220 is located at an inner edge portion of the open lower portion of the cover 210, is made of a hollow copper material, and has a function of a rectifier to rectify radio waves.
- the dielectric 230 is made of polystyrene and received within the lid 210.
- FIG. 5 The system according to the embodiment to which the receiver of the cylindrical structure as described above is applied is shown in FIG. 5.
- the receiver 200 may be a spiral coil leading to an LED / load (communication equipment), and the spiral coil may be easily grounded.
- a counter poise wire of 10 to 15 cm length can be selected that can be used without electrical grounding where it is difficult to get ground.
- FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating a receiver of a spiral structure according to this embodiment.
- communication may be performed through the conductive object, and communication may be performed at a relatively high transmission efficiency even in an environment in which communication is not performed by a conventional method such as a partition wall surrounded by metal.
- a conventional method such as a partition wall surrounded by metal.
Landscapes
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Abstract
신호 송수신 장치는 전도체에 면하여 다른 송수신 장치와 통신을 수행한다. 이를테면 장치는 전도성 인접하는 전도성 오브젝트를 통해 전자기장 유도 방식으로 상대 장치와 통신하는 신호 송수신 장치에 있어서 물질로 구성되며, 상기 오브젝트에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어, 상기 오브젝트와 반대 면에서 상기 제1 레이어에 인접하며 전도성 물질로 구성되는 제2 레이어, 및 유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되며, 신호를 포함하는 전자기장을 상기 개구부를 통해 상기 오브젝트와 교환하는 제3 레이어를 포함한다.
Description
본 발명은 전력 및 신호 전송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송수신기를 사용해 전력과 신호를 전달할 수 있도록 하는 시스템에 관한 것이다.
아래의 비특허문헌[1]은 전자기 무선 전력 전송 장치가 아니고, 이 장치들은 송신과 수신을 수행할 특별한 센서들이 요구되는 경우의 축성배열에 대해 제시하고 있다.
또한, 비특허문헌[2]는 벽체 적용을 통한 전자기파 기반 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
또한, 비특허문헌[3]은 전자기파 기반 무선 전력 전송 장치로, 100Hz 미만의 주파수에서 전송 효율이 10%미만 수준으로 동작 가능하다.
수백 구획으로 이루어진 선박의 예에서, 해당 구획 간에 무선 에너지 전달을 시도하는 경우 전자기 간섭이 발생하기 때문에, 전력이나 신호 전달을 위해서는 선박의 구획을 형성하는 두꺼운 금속 벽에 구멍을 뚫어야 하는 어려움이 있었다.
(선행기술문헌)
(특허문헌)
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0068334호(2012. 06. 27)
(비특허문헌)
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[2]. Young, S.S., Hughes, Z., Hoang, M., Isom., D.,Minh, N., Rao, S. and Chiao, J.C.:◎Investigation of wireless power transfer in through-wall applications◎Asia Pacific Microwave conference, 2012, pp.403-405, doi: 10.1109/APMC.2012.6421612.
[3]. Graham, D.J.; Neasham, J.A.; Sharif, B.S., "Investigation of Methods for Data Communication and Power Delivery Through Metals," Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.10, pp.4972,4980, Oct. 2011
일실시예에 따르면, 인접하는 전도성 오브젝트를 통해 전자기장 유도 방식으로 상대 장치와 통신하는 신호 송수신 장치에 있어서, 전도성 물질로 구성되며, 상기 오브젝트에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어; 상기 오브젝트와 반대 면에서 상기 제1 레이어에 인접하며 전도성 물질로 구성되는 제2 레이어; 및 유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되며, 신호를 포함하는 전자기장을 상기 개구부를 통해 상기 오브젝트와 교환하는 제3 레이어를 포함하는 신호 송수신 장치가 제공된다.
상기 신호 송수신 장치가 송신기 역할을 수행하는 경우에서, 상기 전자기장이 상기 제1 레이어에 의해 전기적으로 피드되어 유도되는 경우, 상기 제3 레이어는 상기 오브젝트로 상기 전자기장을 방사할 수 있다.
상기 신호 송수신 장치가 수신기 역할을 수행하는 경우에서, 상기 전자기장이 상기 오브젝트로부터 상기 개구부를 통해 상기 제3 레이어로 수신되면, 상기 제3 레이어는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 전기적 신호를 전달할 수 있다.
예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함할 수 있다. 또한 상기 제3 레이어는 탄소섬유 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 신호 및 전력전송 시스템의 단면도,
도 2a 및 도 2b는 일실시예에 따른 시스템의 송신부의 상세도면,
도 3은 일실시예에 따른 시스템의 전력 또는 데이터가 전달되는 원리가 도시된 도면,
도 4a, 도 4b 및 도 4b는 다른 일실시예에 따른 원통형 구조의 수신부를 도시한 도면,
도 5는 다른 일실시예에 따른 원통형 구조의 수신부가 적용된 시스템의 단면도, 및
도 6a 및 도 6b는 또 다른 일실시예에 따른 나선형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 신호 및 전력 전송 시스템의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(100), 및 수신부(200)를 포함한다.
상기 송신부(100)와 상기 수신부(200)는 제어 룸과 엔진 룸, 및 펌프 룸과 같이 복수의 공간을 가진 배, 또는 컨테이너 등과 같은 차폐된 각각의 상이한 공간에 설치되어 전력 또는 데이터를 주고 받는다. 다만 이러한 응용예는 예시적인 것일 뿐이고, 본 발명의 사상은 이 명세서에서 제시되는 일부 예에 한정되지 않는다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 상기 송신부에 대해 더욱 상세히 설명한다.
참고로, 도 2a는 일실시예에 따른 시스템의 송신부의 평면도(top view)이고, 도 2b는 일실시예에 따른 시스템의 송신부의 측면도(side view)이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 송신부(100)는 제1 레이어(110), 제2 레이어(130) 및 상기 제1 레이어(110)와 제2 레이어(130) 사이에 배치되는 제3 레이어(120)를 포함한다.
상기 제1 레이어(110)는 박막의 도파관으로 사각모양으로, 내부에 적어도 하나의 천공된 사각모양의 홀(111)이 형성되며, 도전체 (이를테면구리재질)로 이루어져 있다. 도시된 예에서는 홀(111)의 모양이 사각형이지만 이는 예시적인 것에 불과하므로, 홀(111)의 모양이나 개수, 배치 형태 등은 필요에 따라 변경될 수 있다.
상기 제3 레이어(120)는 유전체 층이다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게 제3 레이어(120)는 제1 레이어(110)와 동일한 두께를 가질 수 있으며, 탄소섬유나 폴리카보네이트(PC)로 이루어져 있을 수 있다.
일실시예에 따르면 상기 제2 레이어(130)는 제1 레이어(110)과 크기(길이, 너비, 및 두께 중 적어도 하나)가 동일할 수 있다. 제2 레이어(130)는 접지기능을 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 레이어(110), 제2 레이어(130) 및 그 사이의 제3 레이어(120) 로 구성된 송신부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 배 또는 컨테이너의 차폐된 공간의 두꺼운 금속 벽(300)의 일면에 인접하게 배치될 수 있다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 송신부(100)는, 20MHz~150MHz 범위의 주파수를 가진 전자기파(electromagnetic wave)를 발생시킨다.
상기 송신부(100)에서 발생한 전자기파는 금속 벽(300)을 통해 전파되어 상기 수신부(200)에 전달된다. 따라서, 전자기파를 통해 신호 (이를 테면 데이터) 및/또는 전력이 전송된다.
도 3을 참조하여 일실시예에 따른 시스템의 송신부에서 수신부로 전력 또는 데이터가 전달되는 원리를 상세히 설명한다.
참고로, 도 3은 일실시예에 따른 시스템의 전력 또는 데이터가 전달되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 상기 금속 벽(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 융기된 부분을 G(grain)와 함몰된 부분 V(void)를 포함하는 BCC(body centric cuboid crystal) 구조 또는 요철 구조로 이루어져 일정한 주기(A)를 가진다.
상기 전자기파와 상기 금속 벽(300)의 상호 작용으로 인해 전자기파가 발생하며, 이 전자기파가 상기 금속 벽(300)을 통해 전파된다.
즉, 표면 전자기파 소스(Evanescent EM wave source)인 상기 송신부(100)에서 발생한 표면 전자기파는 상기 일정한 주기(A)에 따라 형성된 융기 부(G)와 함몰 부(V)에서 전반사를 일으켜 흐르게 된다.
상기 송신부(100)가 장착된 상기 금속 벽(300)의 상술한 바와 같이 전반사를 일으켜 내주 면을 타고 흐르는 전자기파는 상기 수신부(200)가 장착된 상기 금속 벽(300)의 외주 면으로 전달되어 상기 수신부(200)가 상기 전자기파를 수신할 수 있게 된다.
이때, 상기 송신부(100)에서 송신되는 에너지를 수신하기 위해 상기 표면 전자기파를 수신하는 상기 수신부(200)도 제1 레이어(110), 제2 레이어(130) 및 제3 레이어(120)를 포함하는 상기 송신기(100)와 동일한 구조를 가질 수 있다.
다른 일실시예에 따르면, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 수신부(200)는 상기 송신부(100)에서 송신되는 전력 또는 데이터를 수신하기 위해 원통형 구조로 이루어질 수 도 있다.
참고로, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 이러한 실시예에 따른 원통형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.
즉, 원통형의 상기 수신부(200)는 덮개(210), 루프(220) 및 유전체(230)를 포함하며, 주파수의 혼신을 제거하기 위한 웨이브 트랩이라고도 한다.
상기 덮개(210)는 하부가 개방된 원통형의 구조를 가지며, 구리 재질로 이루어져 있다.
상기 루프(220)는 상기 덮개(210)의 개방된 하부의 내측 가장자리 부분에 위치하고, 속이 빈 구리재질로 이루어져 있으며, 전파를 정류하는 정류기의 기능을 가진다.
예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 상기 유전체(230)는 폴리스티렌(Polystyrene)으로 만들어져, 상기 덮개(210) 내부에 수용된다.
상술한 바와 같은 원통형 구조의 수신부가 적용된 실시예 따른 시스템은 도 5에 도시된 바와 같다.
또 다른 일실시예로서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 수신부(200)는 LED/부하(통신장비)로 이어지는 나선형(Spiral) 코일일 수 있는데, 상기 나선형 코일은 접지하기 용이한 지면을 얻기 어려운 곳에서 전기적 접지 없이 사용할 수 있는 10~15cm 길이의 카운터 포이즈 와이어(counter poise wire)이 선택될 수 있다.
참고로, 도 6a 및 도 6b는 이러한 실시예에 따른 나선형 구조의 수신부를 도시한 도면이다.
설명된 다양한 실시예를 통해, 전도성 오브젝트를 통해 통신이 될 수 있으며, 예시적으로 금속으로 둘러싸인 격벽과 같이 종전의 방식에 의해서 통신이 되지 않는 환경에서도 비교적 높은 전송 효율로 통신이 가능하다. 선박의 격실과 같은 특수한 환경에서 종전과 같이 벽을 천공하여 선을 연결하지 않아도 통신이 가능하므로 비용, 내구성, 편의성 면에서 종전 방식보다 우수하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (5)
- 인접하는 전도성 오브젝트를 통해 전자기장 유도 방식으로 상대 장치와 통신하는 신호 송수신 장치에 있어서,전도성 물질로 구성되며, 상기 오브젝트에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어;상기 오브젝트와 반대 면에서 상기 제1 레이어에 인접하며 전도성 물질로 구성되는 제2 레이어; 및유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되며, 신호를 포함하는 전자기장을 상기 개구부를 통해 상기 오브젝트와 교환하는 제3 레이어를 포함하는 신호 송수신 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전자기장이 상기 제1 레이어에 의해 전기적으로 피드되어 유도되는 경우, 상기 제3 레이어는 상기 오브젝트로 상기 전자기장을 방사하는 신호 송수신 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전자기장이 상기 오브젝트로부터 상기 개구부를 통해 상기 제3 레이어로 수신되는 경우, 상기 제3 레이어는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 전기적 신호를 전달하는 신호 송수신 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함하는 신호 송수신 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제3 레이어는 탄소섬유 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 신호 송수신 장치.
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