KR101126534B1 - An apparatus of Piezoelectric harveting system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 하비스팅 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 전류 변성기(CT)의 상부에 형성되며, 동판(Cupper)로 형성되는 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재; 상기 전류 변성기(CT)의 일 측에 고정 부착되어 전류 변성기의 진동에 따라 압전효과에 의해 전압을 유기하며, 압전 세라믹으로 상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 일측 중 상단에 형성되며, 상기 진동에 따른 충격의 방향에 따라 변형이 이루어지는 제 1 압전소자; 및 상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 일측 중 하단에 형성되며, 상기 진동에 따라 변형이 이루어지는 제 2 압전소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a piezoelectric harvesting apparatus. The present invention is formed on the upper portion of the current transformer (CT), the copper plate or a flexible plate formed of a copper material (Cupper); It is fixedly attached to one side of the current transformer CT to induce a voltage by the piezoelectric effect according to the vibration of the current transformer, is formed on the top of one side of the copper plate or the sheet of flexible material made of piezoelectric ceramic, the vibration A first piezoelectric element in which deformation is made according to the direction of the impact; And a second piezoelectric element formed at a lower end of one side of the copper plate or a sheet of flexible material, and deformed according to the vibration. Characterized in that it comprises a.
Description
본 발명은 압전 세라믹의 기본 특성을 이용한 압전 하비스팅 장치에 있어서의 출력 향상 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 동판 또는 플렉서블한 재질의 상하부에 제 1 및 제 2 압전소자인 2 매의 압전 세라믹의 부착에 의해 압력과 진동을 동시에 인가함에 따라 압전 세라믹의 k33 모드 및 k31 모드를 동시에 발생시켜 출력이 증가하게 되며, 결과적으로 기존의 1 매의 압전 세라믹 부착 방식에 비해 큰 출력을 발생시키기 위한 압전 하비스팅 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
압전 세라믹을 이용한 에너지 수집 방식은 구조적인 단순성과 간단한 에너지 변환 매커니즘 특성으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 압전 세라믹은 전기에너지를 기계적 진동 에너지로 바꾸거나 반대로 기계적인 진동 에너지를 전기에너지를 변환하는 특징을 갖고 있기 때문에 액츄에이터 또는 센서 등으로 사용되고 있다.The energy collection method using piezoelectric ceramics has been studied a lot due to its structural simplicity and simple energy conversion mechanism. Piezoelectric ceramics are used as actuators or sensors because they have the characteristics of converting electrical energy into mechanical vibration energy or conversely converting mechanical vibration energy into electrical energy.
따라서, 이러한 압전 세라믹스의 특성을 이용하면, 다양한 환경하에서의 의도하지 않은 외부적인 진동을 압전 세라믹에 전달시켜 줌에 따라 압전 세라믹로부터 전기에너지를 발생시켜 수집할 수 있다.Therefore, by using the characteristics of the piezoelectric ceramics, by transmitting an unintended external vibration to the piezoelectric ceramic under various environments, it is possible to generate and collect electrical energy from the piezoelectric ceramic.
이러한 압전 세라믹의 기본 특성을 이용하여 전류변성기(Current Transformer : 이하 CT라 칭함)의 진동을 인위적으로 유도하여 그 진동을 압전 세라믹스에 전달시켜 줌에 따라 압전 세라믹에서 발생한 전기적 에너지를 축적할 수 있는 에너지 공급장치를 개발하여 소형 에너지 전원장치로서 실용화가 필요한 실정이다.Energy that can accumulate electrical energy generated in piezoelectric ceramics by artificially inducing vibration of a current transformer (hereinafter referred to as CT) using the basic characteristics of piezoelectric ceramics and transferring the vibrations to piezoelectric ceramics It is necessary to develop a supply device for practical use as a small energy power supply device.
첨부된 도 1은 전류의 자화에 따라 자속의 진동 발생관계를 도시한 도면으로서, 기계적인 공극을 중심으로 하기에 기술된 도면과 같이 자극을 형성하고 서로 흡입력(전자력)이 작용하여 인력이 발생하게 된다. 이때, 기전력 즉 코일1과 2에 발생하는 전류의 흐름 방향이 바뀌면 자극 배치는 반대가 되고, 파형이 바뀌는 순간에는 자극이 동일자극이 되므로 척력이 작용하게 됩니다. 따라서, 위의 순서를 전류 파형이 바뀔 때마다 반복하므로 상하 철심 사이에는 진동이 발생하게 되는데, 이때, 코일 1과 코일 2사이의 결선에 따른 진동의 강도가 다르게 나타나는 것이 일반적인 사항이다. 1 is a diagram illustrating a relationship between vibrations of magnetic fluxes according to magnetization of electric currents. The magnetic force is generated by forming magnetic poles and suction force (electromagnetic force) acting on each other, as shown in the drawing described below based on mechanical voids. do. At this time, if the electromotive force, that is, the direction of current flow in the
즉, 코일 1과 2가 같은 방향으로 감겨 있다고 가정하면 코일 권선(예를 들어, 입출력선)의 접속방법을 달리함에 따라 코일 1과 2에서 발생하는 자속이 서로 합해지거나 감해지므로 공극에서의 기계적인 힘, 전자력의 크기도 달라지게 된다. 따라서, F(힘) = B(자기장)*I(전류)*L(길이)[N]에서 코일 1과 2의 자속이 합해지면 자속밀도 의 크기가 커져 힘이 크게 작용하고, 서로 감해지면 자속밀도의 크기가 작아져 힘도 작게 작용하며, 따라서 진동의 강도도 달라지게 된다.That is, assuming that the
상기의 진동의 원리에 따라 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 압전 세라믹의 기본 특성을 이용하여 전류변성기(CT)는 상부코아(I core)(1), 압전소자(3), 고정단(5) 및 하부코아(U core)(6)을 포함한다.As shown in FIG. 1 attached to the principle of vibration, the current transformer CT is fixed to an upper core (I core) 1, a
상부코아(I core)(1)는 상하부 일 측인 상단에는 압전소자(3)를 포함한다.The upper core (I core) (1) includes a piezoelectric element (3) on the upper end of the upper and lower sides.
상기 전류변성기(CT)의 내부에 U자형 하부코어(하부철심), 그리고 하부코어(하부철심)을 감싸고 있는 1차 코일(7) 및 2차 코일(8)과 그 상부코어(I core)인 I자형 상부철심으로 구성되어 있다. 즉, 상부코어(I core)(1)의 상부 일측 또는 하부의 일측에 압전소자(3)를 고정부착하는 구조로 되어 있다.The primary coil 7 and the
도 2의 전류변성기(CT)에 전류가 흐르는 도선에 체결한 경우, 도 1에서 제시된 바와 같이 도선에 흐르는 전류에 의해 발생한 전자장(Magnetic Flux)에 의해 전류 변성기(CT)의 1차측(1차 코일) 및 2차측(2차 코일)에는 전류가 유기된다. When the current transformer CT of FIG. 2 is fastened to a conductive wire, the primary side (primary coil) of the current transformer CT is caused by an electromagnetic field generated by a current flowing in the conductive wire as shown in FIG. 1. ) And the secondary side (secondary coil), the current is induced.
이때, 상기 전류변성기(CT)의 1차측(1차 코일) 및 2차측(2차 코일)의 입출력부를 연결하여 폐회로를 구성할 경우, 유기 전류에 의해 상부코어(I core)(1) 및 하부코어(U core)(6) 내부의 철심은 자화되어 전자석의 특성을 갖게 되고, 상부코어(I core)(1) 및 하부코어(U core)(6)는 극성을 갖는 전자석으로 되어 서로 척력 및 인력이 작용하게 되어, 구조적으로 상부에 공간을 갖고 있는 상부코어(I core)(1)는 하부코어(U core)(6)과의 척력 및 인력에 의해 상하부의 진동을 하게 된다.In this case, when the closed circuit is configured by connecting the input and output units of the primary side (primary coil) and the secondary side (secondary coil) of the current transformer CT, the upper core (I core) 1 and the lower portion by the induced current. The iron core inside the core (U core) 6 is magnetized to have the characteristics of an electromagnet, and the upper core (I core) 1 and the lower core (U core) 6 are electromagnets having polarities, and thus repulsive force and The attraction force is actuated, the upper core (I core) (1) having a space on the top of the upper and lower vibrations by the repulsive force and attraction with the lower core (U core) (6).
이때, I자형 철심 즉 상부코어(I core)(1)의 상부 일측 또는 하부의 일측에 압전세라믹스 즉 압전소자를 고정부착하여 상부에 있는 I자형 철심의 상하부 운동에 의해 압전세라믹스에 주기적인 진동을 주게 되어 압전 세라믹스로부터 전압을 유기되도록 구성된다. At this time, the piezoelectric ceramics, i.e., the piezoelectric elements are fixedly attached to one side of the upper or one side of the upper portion of the I
상기의 구성과 같이 압전소자(3)는 압전 세라믹으로 상부코아(I core)(1)의 일측 중 상단에 형성된다. 도시된 충격의 방향에 따라 압전소자(3)는 k33변형모드(3a)로 변형이 이루어진다. 즉, 압전세라믹인 압전소자(3)의 k33변형모드에 의해 출력인 전류 또는 전압이 발생하지만, 출력특성이 약한 단점을 갖는다.As described above, the
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 압전 세라믹의 기본 특성을 이용한 전류변성기에 있어서 출력 특성을 향상시키기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
Accordingly, in the technical field, there is a demand for technology development for improving output characteristics in current transformers using the basic characteristics of piezoelectric ceramics.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전 세라믹의 기본 특성을 이용한 압전 하비스팅 장치에 있어서 전류 또는 전압의 출력에 대한 출력특성 향상을 위한 압전 하비스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, to provide a piezoelectric harvesting device for improving the output characteristics of the output of the current or voltage in the piezoelectric harvesting device using the basic characteristics of the piezoelectric ceramic.
또한, 본 발명은 동판 또는 플렉서블한 재질의 상하부에 제 1 및 제 2 압전소자인 2 매의 압전 세라믹의 부착에 의해 압력과 진동을 동시에 인가함에 따라 압전 세라믹의 k33 모드 및 k31 모드를 동시에 발생시켜 출력이 증가하게 되며, 결과적으로 기존의 1 매의 압전 세라믹 부착 방식에 비해 큰 출력을 발생시키기 위한 압전 하비스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention generates the k33 mode and the k31 mode of the piezoelectric ceramic simultaneously by applying pressure and vibration simultaneously by attaching two piezoelectric ceramics, which are the first and second piezoelectric elements, to the upper and lower portions of the copper plate or the flexible material. The output is increased, and as a result, to provide a piezoelectric harvesting apparatus for generating a large output compared to the conventional piezoelectric ceramic attachment method of one sheet.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 압전 하비스팅 장치는, 전류 변성기(CT)의 상부에 형성되며, 동판(Cupper)로 형성되는 상부코아(I core); 상기 전류 변성기(CT)의 일 측에 고정 부착되어 전류 변성기의 진동에 따라 압전효과에 의해 전압을 유기하며, 압전 세라믹은 동판(Cuper) 또는 플렉서블한 재질의 판재의 일측 중 상단에 형성되며, 상기 진동에 따라 변형이 이루어지는 제 1 압전소자; 및 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 일측 중 하단에 형성되며, 상기 진동에 따라 변형이 이루어지는 제 2 압전소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention includes: an upper core (I core) formed on an upper portion of a current transformer (CT) and formed of a copper plate; It is fixedly attached to one side of the current transformer CT to induce a voltage by the piezoelectric effect according to the vibration of the current transformer, the piezoelectric ceramic is formed on the upper side of one side of the copper plate (Cuper) or a flexible material, A first piezoelectric element in which deformation is made according to vibration; And a second piezoelectric element formed at a lower end of one side of a copper plate or a plate of a flexible material, and deformed according to the vibration. Characterized in that it comprises a.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하비스팅 장치는, 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 수평상으로 양쪽 끝단 중 한쪽 끝단의 하단면에 형성되는 고정단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.A piezoelectric harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention, the fixed end is formed on the bottom surface of one end of both ends in the horizontal plane of the copper plate or sheet of flexible material; It characterized in that it further comprises.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하비스팅 장치는, 상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재와 이격되는 상부에 형성되는 CT코어; 상기 CT코어의 수평의 한 단에 형성되며, 상기 변형시에 상기 제 1 압전소자와 접촉하여 충격을 주는 돌기인 제 1 돌기; 상기 CT코어의 수평의 다른 단에 형성되며, 상기 변형시에 상기 제 2 압전소자와 접촉하여 충격을 주는 돌기인 제 2 돌기; 상기 고정단의 하단에 수평하게 위치하여 형성되며, 상기 고정단을 지지하며, 길이가 상기 고정단 보다 길게 형성되고, 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자로의 진동시 상기 제 2 압전소자를 지지하는 고정구조단; 및 상기 고정구조단의 상부에 형성되며, 상기 진동시에 상기 제 2 압전소자와 맞닿는 돌기인 제 3 돌기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Piezoelectric harvesting device according to another embodiment of the present invention, the CT core formed on the upper spaced apart from the copper plate or the sheet of flexible material; A first protrusion formed at one horizontal end of the CT core, the first protrusion being an impact that comes into contact with the first piezoelectric element during deformation; A second protrusion formed at another horizontal end of the CT core, the second protrusion being an impact that comes into contact with the second piezoelectric element during deformation; It is formed horizontally at the lower end of the fixed end, and supports the fixed end, the length is formed longer than the fixed end, the second piezoelectric element during the vibration of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element Fixed structure stage for supporting; And a third protrusion formed on an upper portion of the fixed structure end and configured to contact the second piezoelectric element during the vibration. It characterized in that it further comprises.
본 발명의 다른 실시예에 따른 출력특성 향상을 위한 압전 하비스팅 장치는, 상기 전류변성기(CT)의 하부 내부에는 주철, 금속 등의 재질로 구성되어 전류가 도통할 수 있는 유(U) 형태의 하부코아(U core); 및 상기 하부코아(U core)에 각각 삽입할 수 있도록 코일이 권선된 코일부; 를 더 포함하며, 상기 하부코아(U core)는 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재와 접촉할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 압전소자는 상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 상부 또는 하부의 양측에 구성되는 것을 특징으로 한다.
Piezoelectric harvesting apparatus for improving the output characteristics according to another embodiment of the present invention, the lower portion of the current transformer (CT) is made of a material such as cast iron, metal, etc. of the U (U) form that can conduct current Lower core (U core); And a coil unit in which coils are wound so as to be respectively inserted into the lower cores. It further includes, the lower core (U core) may be in contact with a copper plate or a sheet of flexible material, the first and second piezoelectric elements on both sides of the upper or lower portion of the copper plate or sheet of flexible material It is characterized in that the configuration.
본 발명의 실시예에 따른 압전 하비스팅 장치는, 압전 세라믹의 기본 특성을 이용함에 있어 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재의 상하부에 제 1 및 제 2 압전소자인 2매의 압전 세라믹의 부착에 의해 압력과 진동을 동시에 인가함에 따라 압전 세라믹의 k33 모드 및 k31 모드를 동시에 발생시켜 압전세라믹으로부터의 출력특성 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
In the piezoelectric harvesting apparatus according to the embodiment of the present invention, in order to utilize the basic characteristics of the piezoelectric ceramic, pressure is applied by attaching two piezoelectric ceramics, which are first and second piezoelectric elements, to the upper and lower portions of a copper plate or a sheet of flexible material. By simultaneously applying and vibration, the k33 mode and the k31 mode of the piezoelectric ceramic are simultaneously generated to provide an effect of improving the output characteristics from the piezoelectric ceramics.
도 1은 종래의 전류 자화에 따른 자속의 진동 발생의 원리를 도시한 도면.
도 2는 종래의 전류변성기(CT: current transformer) 구조 중 상부의 핵심 내부 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 핵심 내부 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 내부 구조를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 내부 구조에서의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 5의 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치의 전체 구조를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치의 입체도.1 is a view showing the principle of vibration generation of the magnetic flux according to the conventional magnetization of the current.
2 is a view showing a core internal structure of an upper part of a conventional current transformer (CT) structure.
3 is a view showing the internal core structure of the upper part of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the internal structure of the upper portion of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the principle of the internal structure of the upper portion of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the overall structure of a piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention of FIG.
7 is a three-dimensional view of a piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
Hereinafter, a detailed description of a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted when it is deemed that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 핵심 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 전류변성기(CT: current transformer) 구조 중 상부(100)의 핵심 내부 구조는 제 1 압전소자(111), 제 2 압전소자(113), 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115), 고정단(117)을 포함한다.3 is a view showing a core internal structure of the upper part of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a core internal structure of the
제 1 압전소자(111)는 압전 세라믹으로 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)의 일측 중 상단에 형성된다. k31 모드로의 압전 세라믹의 분극방향에 따라 제 1 압전소자(111)는 제 1 변형모드(111a)인 k31모드로 변형이 이루어진다.The first
제 2 압전소자(113)는 압전 세라믹으로 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)의 일측 중 하단에 형성된다. 도시된 k31 모드로의 압전 세라믹의 분극방향에 따라 제 2 압전소자(113)는 제 2 변형모드(113a)인 k31 모드로 변형이 이루어진다. The second
이와 같이, 제 1 및 제 2 압전소자(111, 113)의 2 매의 압전 세라믹의 부착에 의해 상술한 진동에 따라 도 2의 k33과 더불어 k31 모드 변형이 동시에 발생하여 출력이 증가하게 되며, 결과적으로 기존의 1 매의 압전 세라믹 부착 방식에 비해 큰 출력을 발생시킨다.As described above, k31 mode deformation occurs simultaneously with k33 of FIG. 2 due to the attachment of two piezoelectric ceramics of the first and second
동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)의 상하 중 일측인 상단에는 제 1 압전소자(111)를 형성하며, 다른 측인 하단에는 제 2 압전소자(113)를 형성하는 구조로 생성된다.The first
고정단(117)은 상부코아(I core)(115)의 양측면에 형성되던, 기존의 구조와 다르게 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)의 도면상의 좌측에 하나만 형성된다.The
상기 k31 및 k33은 압전 세라믹스의 효율을 칭하는 것으로서, 통상적으로 압전 세라믹스는 기계적 진동을 전기에너지로 변환하는 정효과와 전기에너지를 기계적 진동으로 변환하는 역효과의 동작을 수행한다.K31 and k33 refer to the efficiency of piezoelectric ceramics. Typically, piezoelectric ceramics perform a positive effect of converting mechanical vibration into electrical energy and an adverse effect of converting electrical energy into mechanical vibration.
상기 압전 세라믹스의 "k"는 전기기계결합계수 즉, 효율을 의미하는 것으로"K" of the piezoelectric ceramics means an electromechanical coupling coefficient, that is, efficiency
(전기기계결합계수)2 = 기계적에너지에서 전기에너지로 변환된 양/입력된 기계적에너지(또는 전기적 에너지) 로 산출된다. (Electromechanical Coupling Factor) 2 = calculated as the amount of mechanical energy (or electrical energy) converted from mechanical energy to electrical energy.
따라서, k31, k33의 "k"는 효율을 의미하며, 뒤에 나오는 숫자는 방향을 의미하는 것으로, 앞에 있는 숫자(3)는 압력을 주는 방향이며 뒤의 숫자(1, 3)는 출력이 발생하는 방향을 지칭한다.Therefore, "k" of k31 and k33 means efficiency, the following number means the direction, the number in front (3) is the pressure direction and the number (1, 3) in the back is the output Refers to the direction.
본 발명의 압전세라믹스 k31 모드는 3방향(z축)으로 압력을 준 경우, 1방향(x축)으로 변형이 발생하여 출력이 나타나고, 압전세라믹스 k33 모드는 3방향(z축)으로 압력을 주었을 때 3방향(z축)으로 변형이 발생하는 형태이다.In the piezoceramic k31 mode of the present invention, when pressure is applied in three directions (z-axis), deformation occurs in one direction (x-axis), and the output appears, and the piezoceramic k33 mode is pressurized in three directions (z-axis). When deformation occurs in three directions (z-axis).
따라서, 본 발명의 k31 모드 및 k33 모드는 하기에 기술될 제 1 돌기, 제 2 돌기 및 제 3 돌기를 구성하여 위에서(z축) 충격을 가하여 진동이 발생하여 에너지를 유추할 수 있는 k33 모드와, 옆에서(x축) 충격을 가하여 에너지를 유추할 수 있는 k31 모드를 동시에 이용하여 압전 하비스팅 장치를 구현하도록 구성되어 있다.
Accordingly, the k31 mode and the k33 mode of the present invention comprise the first protrusion, the second protrusion, and the third protrusion, which will be described below, and the k33 mode in which vibration can be generated by applying an impact from above (z-axis) to infer energy. It is configured to implement the piezoelectric harvesting device by using the k31 mode which can infer energy by applying a shock from the side (x-axis).
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 4를 참조하면, 전류변성기(CT: current transformer) 구조 중 상부(100)의 내부 구조는 상술한 제 1 압전소자(111), 제 2 압전소자(113), 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115), 고정단(117) 외에 CT코어하우징(121), 제 1 돌기(123), 제 2 돌기(125), 고정구조단(131), 제 3 돌기(133)를 더 포함한다.4 is a view showing the internal structure of the upper portion of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention. 3 to 4, the internal structure of the
CT코어(121)는 제 1 돌기(123)와 제 2 돌기(125)를 수평의 양 끝단에 형성한다. 한편, 도 2에서 설명한 변형모드시에 제 1 압전소자(111)에 진동을 주어 k33 모드로 변형시키는 제 1 돌기(123)와, 제 2 압전소자(113)에 진동을 주어 k31 모드로 변형시키는 제 2 돌기(125)에 의해 압전 세라믹에서 출력이 발생된다. 이때, 제 1 변형모드(111a)와 제 2 변형모드(113a) 두 가지를 사용하므로 출력 향상되는 효과가 있다. The
제 1 돌기(123)는 CT코어 하우징(121)의 수평의 한 단인 좌측단에 형성된다. 제 1 돌기(123)는, 도 2에서 설명한 변형모드시에 제 1 압전소자(111)에 진동을 제공하는 돌기로 제 1 압전소자(111)와 접촉한다. The
제 2 돌기(125)는 CT코어 하우징(121)의 수평의 다른 단인 우측단에 형성된다. 제 2 돌기(125)는, 도 2에서 설명한 변형모드시에 제 2 압전소자(113)에 진동을 제공하는 돌기로 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재와 접촉한다. The
고정구조단(131)은 고정단(117)의 하단에 수평하게 위치하며, 고정단(117)을 지지하며, 길이가 고정단(117) 보다 길게 중심부를 향해 우측으로 형성된다. 고정구조단(131)은 제 2 돌기(125)에 의해 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)에 진동원을 제공하고, 이 진동으로부터 제 1 압전소자(111)와 제 2 압전소자(113)의 k31 모드 변형시 제 2 압전소자(113)의 깨짐(균열)을 방지하기 위한 유닛이다.The fixed
제 3 돌기(133)는 고정구조단(131)의 상부에 형성되며, 진동시에 제 2 압전소자(113)와 맞닿는 돌기이다.
The
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치 중 상부의 내부 구조에서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the principle of the internal structure of the upper portion of the piezoelectric harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 후술할 구동원리에 따라 제 1 압전세라믹(111)과 맞닿는 제 1 돌기(123)와, 제 2 압전세라믹(113)과 맞닿는 제 2 돌기(133)로부터의 진동에 의해 제 1 압전세라믹(111)과 제 2 압전세라믹(113)은 출력이 발생된다. 그리고 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)와 맞닿은 제 2 돌기(133)의 진동으로부터 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)에 벤딩이 생기고, 이 벤딩에 의해 제 1 압전세라믹(111)과 제 2 압전세라믹(113)은 k31 모드의 출력이 발생하여, 출력 특성을 향상시킬 수 있다.3 to 5, vibrations from the
즉, 돌기 형상으로 인해 제 1 압전세라믹(111) 및 제 2 압전세라믹(113)의 k31 모드로의 변형이 발생하고 출력특성이 향상된다. 결론적으로, 제 1 압전세라믹(111)과 제 2 압전세라믹(113)의 분극 모드 및 압전소자의 직력 및 병렬의 연결을 통해 전압의 증가 또는 전류 증가가 가능해진다.
That is, the protrusion shape causes deformation of the first
도 6은 도 5의 본 발명의 실시 예에 따른 압전 하비스팅 장치의 전체 구조를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 출력특성 향상을 위한 전류변성기(CT: current transformer)는 센서 노드용 독립 전원을 위한 압전 하비스팅 장치을 구성하기 위해 전력선에 체결되도록 사용될 수 있다. FIG. 6 is a diagram illustrating an overall structure of a piezoelectric harvesting apparatus according to an exemplary embodiment of FIG. 5. 3 to 6, a current transformer (CT) for improving output characteristics according to the present invention may be used to be coupled to a power line to configure a piezoelectric harvesting device for an independent power supply for a sensor node.
전류변성기(CT)는 하부(200)의 내부에는 코일(224)이 양 방향으로 권선되어 있다. 한편, 전류변성기(CT)는 고전압의 전류를 저전압의 전류로 변성하는 경우에도 사용된다. 배율은 권수비의 역수와 같다. 본 발명의 전류변성기(CT)는 교류 전류계의 측정범위를 확대하기 위해 사용되거나, 1차 측과 2차 측을 개방할 경우 1차 전류에 의해 자화되고 그 자속에 의해 진동을 발생할 수 있도록 구성하여 사용된다.In the current transformer CT, the
보다 구체적으로, 유(U) 형태의 하부코아(U core)(222)의 양끝 단에 코일이 권선된 코일부(224)가 각각 삽입되는데, 이때 코일부(224)에서 권취수가 적은 부분인 한쪽을 1차 측으로 지정하고, 권취수가 많은 부분인 다른 한쪽을 2차 측으로 지정하여 전류변성기(CT)에 전력이 인입될 때 1차 측과 2차 측을 개방할 경우 1차 전류에 의해 자화되고 그 자속에 의해 진동이 발생되도록 구성된다.More specifically,
전류변성기(CT)는 상부(100)와 하부(200)의 각 일측이 힌지(도면 미도시)로 결합되고, 타 일측은 각각 체결부(도면 미도시)에 의해 체결될 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 하부(20) 내부에는 주철, 금속 등의 재질로 구성되어 전류가 도통할 수 있는 유(U) 형태의 하부코아(U core)(222)와 하부코아(U core)(222)에 각각 삽입할 수 있도록 코일이 권선된 코일부(224)가 구성되며, 상부(100) 내부에는 상기 하부코아(U core)(222)과 접촉할 수 있는 상부코아(I core)(115)가 구성되어 있다.Current transformer CT is coupled to each side of the
또한, 구성에서 배전용 주상변압기 또는 지상변압기의 고압선로가 전류변성기(CT)의 관통홈(270) 사이에 체결되고 전류가 인가될 때 진동을 하는 제 1 압전소자(111) 및 제 2 압전소자(113)를 전류변성기 상부(100)의 상부코아(I core)(12) 상하의 양측에 부착하게 된다.In addition, the first
한편, 제 1 압전소자(111)와 제 2 압전소자(113)는 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)의 상부 일 측과 하부의 일 측에 각각 구성되며, 진동의 효율에 따라 그 형상, 크기 및 용도를 가변적으로 적용할 수 있다.On the other hand, the first
이와 같이, 배전용 주상변압기 또는 지상변압기의 고압선로가 전류변성기(CT) 상의 관통홈(270) 사이에 체결되고 해당 고압선로의 전력선을 통해 전류가 도통되면, 전류변성기(CT)에 진동이 발생되며, 전류변성기(CT) 상의 상부코아(I core)(115)에 위치한 압전소자(111, 113)는 전류변성기(CT)의 진동에 따라 압전효과에 의해 전압이 유기되는데 이를 통해 유기된 전압의 수집, 변환하게 된다.As such, when the high voltage line of the distribution-type column transformer or the ground transformer is fastened between the through
보다 구체적으로, 제 1 및 제 2 압전소자(111, 113)로부터 전압발생을 설명하면 하기와 같다. 즉, 유(U) 형태의 하부코아(U core)(222)에 코일이 권선된 코일부(224)가 각각 삽입되는데, 이때 코일부(224)에서 권취수가 적은 부분을 한쪽을 1차 측으로 지정하고, 권취수가 많은 다른 한쪽을 2차 측으로 지정하여 전류변성기(CT)에 전력이 인입될 때 1차 측과 2차 측을 개방할 경우 1차 코아에 의한 전류에 의해 코아부분이 자화가 발생되고, 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115) 및 하부코아(U core)(222)에 자화가 진행되어 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115) 및 하부코아(U core)(222)에서 반발력이 발생되어 해당 반발력이 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)로 부상되는데, 이때 상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재(115)가 부상하였다가 떨어지면서 제 1 및 제 2 압전소자(111, 133)에 압력을 전달하여 이로 인해 제 1 및 제 2 압전소자(111, 113)에 전압이 유기된다.
More specifically, the voltage generation from the first and second
상기와 같은 본 발명의 압전 하비스팅 장치의 입체도를 도 7에 도시하였다. 상기와 같은 구성을 같은 본 발명에 상세한 설명에 따라 도 7과 같이 입체적으로 압전 하비스팅 장치를 구성하여 사용할 수 있다.
7 illustrates a three-dimensional view of the piezoelectric harvesting apparatus of the present invention as described above. According to the detailed description of the present invention as described above, it is possible to configure and use a piezoelectric harvesting apparatus in three dimensions as shown in FIG.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다
As described above, the specification and the drawings have been described with respect to the preferred embodiments of the present invention, although specific terms are used, it is only used in a general sense to easily explain the technical contents of the present invention and to help the understanding of the invention. It is not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 상부 111: 압전소자
113: 제 2 압전소자 115: 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재
117: 고정단 121: CT코어 하우징
123: 제 1 돌기 125: 제 2 돌기
131: 고정구조단 133: 제 3 돌기
200: 하부 222: 하부코아(U core)
224: 코일부 270: 관통홈100: upper portion 111: piezoelectric element
113: second piezoelectric element 115: copper plate or sheet of flexible material
117: fixed end 121: CT core housing
123: first projection 125: second projection
131: fixed structure 133: third projection
200: lower 222: lower core (U core)
224: coil portion 270: through groove
Claims (4)
상기 동판 또는 플렉서블한 재질의 판재와 이격되는 상부에 형성되는 CT코어 하우징;
상기 CT코어 하우징의 수평의 한 단에 형성되며, 상기 변형시에 상기 제 1 압전소자와 접촉하여 충격을 주는 돌기인 제 1 돌기;
상기 CT코어 하우징의 수평의 다른 단에 형성되며, 상기 변형시에 상기 제 2 압전소자와 접촉하여 충격을 주는 돌기인 제 2 돌기;
상기 고정단의 하단에 수평하게 위치하여 형성되며, 상기 고정단을 지지하며, 길이가 상기 고정단 보다 길게 형성되고, 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자로의 상기 진동시 상기 제 2 압전소자를 지지하는 고정구조단; 및
상기 고정구조단의 상부에 형성되며, 상기 진동시에 상기 제 2 압전소자와 맞닿는 돌기인 제 3 돌기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 하비스팅 장치.
A plate formed of a copper plate or a flexible material formed on an upper portion of the current transformer CT and formed of a copper plate; It is fixedly attached to one side of the current transformer CT to induce a voltage by the piezoelectric effect according to the vibration of the current transformer, is formed on the top of one side of the copper plate or the sheet of flexible material made of piezoelectric ceramic, according to the vibration A first piezoelectric element in which deformation is made according to the direction of the impact; A second piezoelectric element formed at a lower end of one side of the copper plate or a plate of a flexible material, the second piezoelectric element being deformed according to the direction of impact due to the vibration; And a fixed end formed on a bottom surface of one end of both ends in a horizontal plane of the copper plate or a sheet of flexible material. In the piezoelectric harvesting device configured to include,
A CT core housing formed on an upper portion of the copper plate or a flexible plate;
A first protrusion formed at one horizontal end of the CT core housing, the first protrusion being an impact that comes into contact with the first piezoelectric element during deformation;
A second protrusion formed at another horizontal end of the CT core housing, the second protrusion being an impact that comes into contact with the second piezoelectric element during deformation;
It is formed in a horizontal position on the lower end of the fixed end, and supports the fixed end, the length is formed longer than the fixed end, the second piezoelectric element during the vibration of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element Fixed structure stage for supporting the element; And
A third protrusion formed on an upper portion of the fixed structure end and configured to contact the second piezoelectric element during the vibration; Piezoelectric harvesting device characterized in that it further comprises.
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