무선 전력 전송 을 이용한 드 론 전력 공급 연구 201101253 최재아 201301120 서유리

목 차 과제 개요 배경 지식 - 무선 전력 전송 - 드론 충전 방식 논문 구상 유사 논문 소요 예산 역할 분담 일정 표

+ 1. 과제 개요 드 론 무선 전력 전송 주제 : 무선 전력 전송을 이용한 드론 전력 공급 연구 주제 선정 배경 및 필요성 목적 : 현재 충전방식의 불편한 점을 보완한 무선전력 전송 충전 방식시스템 구현 드 론 무선 전력 전송 배송, 취재, 서비스, 개인의 취미 활동 등 다방면에서 활용 가능 현재 드론은 최대 약 20분 정도 비행 가능 자주 충전해야 하는 불편함 유선 충전방식의 불편한 점을 보완한 무선 전력 전송 충전방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있음 다양한 휴대용 전자기기(휴대폰 , PDA , MP3 , MP4 , 테블릿 PC 등)의 무선충전에 활용 가능 현재 무선 전력 전송 시스템은 낮은 효율을 가짐 +

2. 배경 지식 ( ) 무선 전력 전송 1. 기본 개념 wireless power transmission 01 02 무선 전력 전송 03 04 ( ) wireless power transmission 05 06 전선을 사용하지 않고 전력을 보낼 수 있는 기술을 의미한다 07 크게 ①자기유도방식, ②자기공진방식, ③전자기파 복사방식 으로 나뉜다

2. 배경 지식 2. 방 식 01 02 자기 유도 방식 03 04 송신 코일에 인가된 시변 전류에 의해 근거리에서 형성되 는 자기장을 이용하는 방식 전력전송 거리 및 송수신 코일 배치에 대한 자유도가 낮음 금속 이물질이 중간에 있으면 금속 이물질에 유도되는 와 류 전류에 의한 발열로 안전성 문제를 일으킨다. 05 06 07

2. 배경 지식 2. 방 식 01 02 자기 공진 방식 03 04 두 매체가 동일한 주파수로 공진하면 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 에너지가 이동하는 전자파 결합 현상을 이용하는 방식 원거리 전자파 방사와는 달리 동작 파장에 비해 짧은 거리에서의 근거리 장을 이용하고 송수신부의 공진 주파수를 일치시켜 높은 효율로 전력전송이 가능하다는 장점이 있음. 주로 4개의 코일(소스 코일과 디바이스 코일, 2개의 공진코일)로 구성. 여기서 2개의 공 진코일은 코일의 직경, 턴 수, 두 공진코일간의 거리, 공진코일 중심 사이의 이격거리 등 에 따라 공진주파수 및 전력전송효율이 결정 되므로 이들이 주요 설계인자가 됨. 05 06 07

2. 배경 지식 2. 방 식 01 02 전자기파 복사 방식 03 04 원거리에서 수 GHz의 고주파수를 이용해 고출력 에너지를 전송하는 기술로 기술적 제약으로 인해 실용화까지는 많은 시간이 소요될 것으로 보임. 특정 목표 지점의 방향성을 가지고 수 km 이상의 장거리에서 사용되는것이 일반적이며, 1960년대 NASA의 ‘Sun Power Satellite(SPS)’프로젝트, 캐나다의 SHARP 프로젝트 등의 연구에 이용되었다. * SPS 프로젝트는 지구를 도는 위성에서 태양전지를 통해 전력을 생산하고 이를 지상에 전파의 형태로 전송하는 것이고, SHARP 프로젝트는 지상의 마이크로파 안테나 어레이(microwave antenna array)로부터 고주파의 형태로 방사된 에너지는 비행기의 후방에 장착된 rectenna(rectifying antenna)에서 수신하여 DC 전원으로 변환하여 사용하게 되는 것이다. 매우 큰 송수신 안테나가 필요. 무선으로 전송되는 전력이 대기 중에 흡수되거나 수분에 의해 방해를 받아 매우 비효율적이어서 저렴하게 전력을 공급할 수 없음. 고출력 에너지를 전송함에 따라 인체에 매우 치명적이라는 단점이 있음. 05 06 07

2. 배경 지식 3. 원 리 1. 송신기 (transmitter) 2. 수신기 (receiver) 01 02 03 1. 송신기 (transmitter) 04 05 AC전기 DC전력 AC로 변환 교류자기장 발생 06 2. 수신기 (receiver) 07 교류자기장 발생(코일) AC전력픽업 DC로 변환 출력부하로 공급

2. 배경 지식 4. 거리 특성 자기 유도 방식 자기 공진 방식 01 02 03 자기 유도 방식 04 05 짧은 거리 (few mm) -> 5mm 정도 안에서 충전 가능 06 자기 공진 방식 07 자기 유도 방식 보다는 긴 거리 -> 30 mm 정도 안에서 충전 가능

2. 배경 지식 5. 현재 무선전력전송의 예 핸드폰 무선충전기 05 자기 유도 방식으로 무선 전력 전송 01 02 03 핸드폰 무선충전기 자기 유도 방식으로 무선 전력 전송 코일에 흐르는 전류는 수신기 코일 에 전압을 유도하는 자기장을 발생 시킨다 이 유도된 전압이 휴대폰이나 배터 리 충전에 사용 단거리에 송신전력 효율이 큼 04 05 06 07

2. 배경 지식 6. 드론의 현재 충전방식 및 예시 06 사진 첨부 : http://blog.naver.com/ambidext 01 02 03 04 05 06 07 사진 첨부 : http://blog.naver.com/ambidext

2. 배경 지식 7. 효율에 영향을 주는 요소 z (송수신코일의 거리) 07 효율 y축 X축 두 코일의 크기의 비 -> 코일의 크기가 같을수록 효율이 큼 2. 배경 지식 효율 y축 7. 효율에 영향을 주는 요소 01 z (송수신코일의 거리) 02 03 04 05 06 송신코일의 크기와 송수신기코일의 거리의 비 -> 거리가 멀어질 수록 효율이 떨어짐 -> 거리가 송신코일의 지름에 10분의 1배 이상의 크기로 멀어지면 효율이 급격히 떨어짐 07 Z: 코일들 간의 거리 D: 큰 코일의 지름 D2: 작은 코일의 지름 B: 자기장 X축 품질계수=100으로 가정

2. 배경 지식 7. 효율에 영향을 주는 요소 결합계수 송수신코일들과 그것의 결합계수 와의 관계 07 01 송수신코일들과 그것의 결합계수 와의 관계 02 03 결합계수 두 개의 코일간의 결합 정도를 표현 0 ~ 1사이 - 1 : 완벽한 결합, 모든 자속이 전달 - 0 : 두 코일이 독립적 인덕터들 사이의 거리와 각각의 사이즈에 의해 결정 코일의 모양과 서로 이루는 각 큰 영향을 받음 식 04 05 06 07

2. 배경 지식 7. 효율에 영향을 주는 요소 송수신코일들과 그것의 결합계수 와의 관계 07 01 02 두 코일간 이루는 각도가 커질수록 (비스듬해 질수록) -> 결합 계수가 작아짐 -> 결합이 잘 되지 않음 -> 효율이 작아짐 03 두 코일간 각도 0일때 (완전히 일치 할때) -> 결합 계수가 가장 큼 -> 결합이 잘 됨 -> 효율이 큼 04 05 06 07 두 코일간 간격이 멀어질수록 -> 결합 계수가 작아짐 -> 결합이 잘 되지 않음 -> 효율이 작아짐 <30mm 지름을 가지는 두 개의 코일>

2. 배경 지식 7. 효율측면에서 자기유도 방식의 문제점 드론 충전에 자기유도 방식이 맞지 않는 이유 07 01 02 자기 유도 방식에서는 보통 거리가 5mm 이상 되면 거의 전력이 전송되지 않는다. 조금만 각도가 틀어져도 효율이 급격히 떨어진다. 드론 충전에 자기유도 방식이 맞지 않는 이유 다리가 보통 5cm이상 이므로 보다 원거리에서 전송 해야 하므로 드론이 충전기에 착지 할 때 완전한 각도를 이루기가 어려울 수 있기 때문에 03 04 05 06 07

3. 논문 구상 개요 서론 - 무선 전력 전송 시스템 연구 - 통신 동시 적용 시스템 연구 본론 - 드론 전력 공급 시스템 구현 방안 - 시뮬레이션 및 설계 - 해석 및 고찰 결론 - 한계점 및 향후 발전 가능성

4. 유사 논문 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=62 25205&tag=1 -> 드론에 사용되는 무선전력 전송 시스템 관련 논문

5. 소요 예산 제품명 예산 드론 10 만원 드론용 배터리 5 만원 드론용 배터리 충전기 wpt 안테나 제작 (구리, 커패시터, 아크릴 등등) 15 만원 송수신 모듈 제작 관련 소자 (기판, 다이오드, 저항, 모스펫 등등)

6. 역할 분담 역할 분담 최 재 아 서 유 리 공 동 무선 전력 전송 연구 및 논문 정리 송신모듈 시스템 구현 재료 준비 통신 동시 적용 시스템 연구 및 논문 정리 수신모듈 시스템 구현 송수신 코일 구현 및 측정 공 동 드론 전력 공급 시스템 설계, 시뮬레이션

7. 일정 표 주제선정 및 구체화 무선전력전송 시스템 원리 공부 3월 1•2주 3•4주 4월 5주 5월 6월 3주 ● 연구 • 공부 무선전력전송 드론 충전 시스템 통신 동시 적용 시스템 설 계 재료준비 송수신부 코일부 구현 송신모듈 구현 수신모듈 구현 드론 장착 및 측정 최 종 피드백 최종 보고서 작성 주제선정 및 구체화 무선전력전송 시스템 원리 공부

끝.