In this study, a smart coil design to improve the performance of the remote inductive wireless power transfer (WPT) system by analyzing the characteristics of the ferrite cores used in the magnetically coupled WPT coils. The ferrite cores have the advantage of increasing the magnetic flux due to the high relative permeability (~2000). However, they have two disadvantages. Firstly, magnetic flux density is concentrated only in the surrounding area where the ferrite cores are located. Secondly, ferrite core causes non-linear magnetic field distortion, which is still beyond physical theory.
In chapter 2, a coreless transmitting (Tx) coil structure is newly proposed for wide-range WPT system. Based on the detail analysis of the magnetic shielding function of the ferrite core, the proposed Tx coil structure replaces the ferrite core to conductive plate to shield the undesired magnetic flux. In the proposed wide-range wireless charging zone, wireless charging can be conducted regardless of the number and direction of receiving (Rx) coils, and it has been proved through simulation and experiment that the magnetic field uniformity is improved 2.4 times compared to the conventional ferrite structure.
In chapter 3, an optimal ferrite structure design of the magnetically coupled WPT coil by artificial neural network based machine learning algorithm is newly proposed. Since the non-linear magnetic field distortion caused by the ferrite core is still beyond physical theory, therefore, the artificial neural network is utilized to learn the contribution of the ferrite core to the coupling coefficient between the Tx and Rx coils through simulation data. By training only 2.3 % data out of total possible cases, it is experimentally verified that the core structure obtained by the proposed method has a coupling coefficient 7 % higher than that provided by the general knowledge design level.
본 연구에서는 원격 자기유도 무선전력용 코일에서 사용되는 페라이트 코어의 장단점에 대해 분석하고, 시스템 성능을 향상시키기 위한 코일 설계 방법을 새롭게 제시한다. 페라이트 코어는 높은 상대투자율 (~2000)로 인해 자기력선을 증가시킬 수 있는 장점이 있는 반면에, 페라이트 코어가 위치한 지역에만 자기력선이 집중되는 단점 및 비선형적 자기력선 왜곡 현상을 유발하는 단점이 있다.
제 2장에서는, 페라이트 코어를 전도체 물질로 대체한 광역범위 무선전력용 무자성체 송신 코일 구조를 새롭게 제안한다. 페라이트 코어의 자장 차폐 기능에 대한 분석을 토대로, 자장 차폐 기능을 전도체의 와전류 효과로 대체한 새로운 송신 코일 형상을 제시하였다. 페라이트 코어를 사용한 기존 코일 형상 대비 제안하는 코일 형상은 자장 분포의 균등도가 시뮬레이션 기준 2.4 배 향상됨을 확인하였으며, 이를 실험을 통해 검증하였다.
제 3장에서는, 인공신경망 기반 기계학습 알고리즘을 활용한 자기유도 무선전력용 페라이트 코어의 최적 설계 기법을 제시한다. 여전히 페라이트 코어에 의한 비선형적 자장 왜곡 현상은 물리적 이론으로 설명할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 본 장에서는 비선형성 분석에 효과가 있는 인공신경망을 활용하여 페라이트 코어의 위치 별 결합계수에 미치는 기여도를 시뮬레이션 기반 데이터를 통해 학습하였다. 제안한 학습 알고리즘은 전수조사 대비 2.3 %의 시간만 구동하더라도, 기존 설계 형상 대비 7 % 높은 결합계수를 가지는 창의적인 페라이트 코어 형상을 발견할 수 있음을 확인하였고, 이를 실험을 통해 검증하였다.
