최근 메가헤르츠 (MHz) 대역의 자기결합 무선전력전송 기술을 모바일, 웨어러블 기기와 같은 소형 전자기기의 충전 시스템에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행 중 이다. MHz 대역의 자기결합 무선전력전송은 높은 품질계수 (Q-factor)를 갖는 소형 코일을 통해 높은 전력전송효율을 얻을 수 있다. MHz 대역에서 높은 품질계수의 코일을 설계하기 위해서는 코일의 손실에 영향을 미치는 표피 및 근접효과를 반영한 정밀한 코일 구조의 최적화가 필요하다. 하지만, 현재까지 MHz 대역에서 코일의 근접효과를 정확히 고려한 코일의 최적화 방법은 제시된 바 없다.
본 학위논문에서는 코일의 최적화 설계를 위해 표피, 근접효과를 정확하게 반영한 코일의 저항, 인덕턴스 계산법을 제안하였다. Volume filament model (VFM)을 이용하여 표피효과와 근접효과를 고려하여 정확하게 코일의 저항, 인덕턴스를 계산하였다. 또한 자성체가 부착된 코일의 모델링 방법과 해석방법을 제시하였다. 제안한 저항, 인덕턴스 계산법을 기존의 계산방법 및 finite element method (FEM) 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.
제안한 저항, 인덕턴스 계산법을 기반으로 다양한 구조의 코일을 최적화 하였다. 최적화 과정을 통하여 코일의 크기, 주파수 등의 선정된 설계조건 내에서 코일의 품질계수 및 전송효율을 최대화 할 수 있었다. 또한 최적화된 코일의 구조적 특성을 분석하여 코일의 최적화 설계 수식을 유도하였다. 최적화된 코일은 시뮬레이션과 측정을 통해 검증하였다.
본 논문에서 제안한 코일의 최적화 설계 방법은 공간이 한정된 소형 전자기기의 무선충전 시스템 또는 근거리 무선통신 (NFC) 시스템의 코일 설계에 활용될 수 있다.
Recently, magnetically coupled wireless power transfer (MCWPT) in the MHz frequency range has been researched widely for convenient charging of small electronic devices, such as mobile and wearable devices. The MCWPT in the MHz frequency range can achieve high power transfer efficiency by compact coils with high quality factors (Q-factors). In the MHz frequency range, accurate coil optimization considering skin and proximity effects is essential for a high Q-factor. Although several optimization methods have been presented, the proximity effects of coils are not considered exactly in existing methods.
In this thesis, resistance and inductance calculations considering skin and proximity effects are proposed for the optimization of coils. By using the volume filament model (VFM), skin and proximity effects are included accurately in calculations. In addition, the modeling and analysis methods of a coil on the magnetic substrate are presented. The suggested calculation method is verified with previous method and finite element method (FEM) simulation.
On the basis of the proposed calculation method, various coils are optimized. Within design constraints, such as coil size and operating frequency, coils are optimized for maximum Q-factor- and power transfer efficiency. The geometries of the optimized coils are analyzed and design formulas are derived. For verification, the optimized results are compared with simulation and measurement.
The presented optimization method maximizes the performance of a coil in limited area. Therefore, it can be applied to design coils for applications such a compact charging systems and near field communication (NFC).