KR101166050B1 - 진동형 전자발전기 및 진동형 전자발전기의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 진동형 전자발전기의 발전효율을 높이기 위한 구체적인 조건을 명확하게 한다.

진동형 전자발전기를 구성하는 각 솔레노이드 코일은 소정의 코일 간격을 구비함과 아울러 서로 역방향으로 감긴다. 그리고 가동자석은 소정 두께의 자석 스페이서를 사이에 두고 동일한 극이 대향하도록 접합된다. 또한 솔레노이드 코일의 1개당 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수인 코일 피치와, 가동자석의 1개당 자석길이와 자석 스페이서의 두께의 합계 치수인 자석 피치를 대략 동일하게 함과 아울러, 코일 길이를 자석 길이보다 짧게 한다.

Description

진동형 전자발전기 및 진동형 전자발전기의 제조방법{OSCILLATION TYPE ELECTROMAGNETIC POWER GENERATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING OSCILLATION TYPE ELECTROMAGNETIC POWER GENERATOR}

본 발명은, 예를 들면 길이방향으로 착자(着磁)된 복수 개의 원통형(圓筒形)의 자석(磁石)을 복수 개의 솔레노이드 코일(solenoid coil) 내에서 진동 또는 이동시킴으로써 발전전압(發電電壓)을 얻는 진동형 전자발전기(振動型 電磁發電機) 및 진동형 전자발전기의 제조방법에 관한 것이다. 특히 복수 개의 자석을 동일한 극(極)이 대향(對向)하도록 소정의 간격(間隔)을 구비하여 일체화(一體化) 시킴으로써 발전효율(發電效率)을 높인 진동형 전자발전기 및 진동형 전자발전기의 제조방법에 관한 것이다.

최근에는 휴대전화단말기(携帶電話端末機)나 게임기(game機) 등의 휴대전자기기(携帶電子機器)의 보급이 진행되고 있고, 이들에 내장되어 있는 이차전지(二次電池)의 양이 점점 더 많아지고 있다.

또한 무선기술(無線技術)의 발전에 따라 미소전력(微小電力)에 의하여 신호를 송수신(送受信)하는 RFID(Radio Frequency IDentification)의 응용이 확대되고 있다. 특히 전원을 구비하는 액티브 RFID(active RFID)는 몇백 미터 이상의 통신도 가능하다. 이 때문에 목장에서 소나 말 등의 건강관리나 아이들 등하교 시의 안전관리 등에 대한 기대가 높아지고 있다.

한편 지구환경을 유지, 개선하기 위하여 가능한 한 환경에 대한 부하(負荷)가 적은 전지(電池)의 연구개발도 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서 보통 무의식적으로 또한 쓸데없이 소비되고 있는 에너지를 전기에너지(電氣 emergy)로 변환하여 충전(充電)시키고, 이 전기에너지를 휴대기기 등의 전원으로서 이용하는 것이 널리 생각되고 있다.

특허문헌1에는, 길이방향으로 착자된 복수 개의 영구자석(永久磁石)을 동일한 극(極)끼리를 미소거리(微小距離) 떨어트리고 대향시켜서 일체화(一體化) 시킨 가동자석(可動磁石)을, 이웃하는 복수 코일(coil)의 극성(極性)을 역극성(逆極性)으로 하여 직렬(直列)로 접속시킨 코일 내에서 이동시키는 방식의 진동발전기(振動發電機)가 개시되어 있다.

특허문헌2에는 복수 개 자석의 동일한 극성의 면(面)을 대향하도록 접합시키고, 이웃하는 코일의 극성을 역방향으로 접속시켜서 구성된 발전기가 개시되어 있다.

특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개2006-296144호 공보

특허문헌2 : 일본국 공표특허 특표2006-523081호 공보

그런데 본 발명의 발명자는 발전효율을 더 높이기 위한 조건에 대하여 검토를 하였다. 이 결과, 자석의 길이(자석 길이)와 미소거리(스페이서(spacer) 두께)의 합계 치수에 의하여 부여되는 자석 피치(磁石 pitch)와, 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수에 의하여 부여되는 코일 피치를 일치시키는 것이, 복수 개의 자석과 복수 개의 코일을 사용한 진동형 전자발전기를 구성하는 경우에 가장 중요한 요건이라는 것을 찾아내었다.

만약에 이 조건을 충족시키지 못하는 경우에는, 복수 개의 코일에 발생된 전압의 위상(位相)이 어긋나서 각 전압이 서로 상쇄(相殺)되기 때문에 합성출력전압(合成出力電壓)이 낮아진다는 문제가 있다. 그러나 특허문헌1에는, 자석 피치와 코일 피치를 일치시킬 필요가 있다는 기재가 없고 또한 기준이 되는 자석 길이를 어떻게 결정할 것인지에 관해서도 개시되어 있지 않다.

또한 특허문헌2에 개시된 발전기의 구성요소인 복수 개의 자석은, 자석 스페이서(磁石 spacer)를 사용하지 않고 동일한 극을 마주 보게 하여 직접 접합되어 있다. 또한 복수 개의 코일도 코일 간격을 구비하지 않고 나란하게 되어 있다. 발전효율을 더 높이기 위하여 자석의 치수와 코일의 치수를 구체적으로 어떻게 결정할 것인지에 관해서도 개시되어 있지 않다.

또한 특허문헌2에 나타나 있는 바와 같이 자석의 동일한 극을 직접 합치면, 자화(磁化)가 약화되기 때문에 발전효율이 열화(劣化)되어 버린다. 또한 동일한 극의 반발력(反撥力)이 극단적으로 커지기 때문에 접합작업이 곤란하게 된다는 문제가 있다.

본 발명은 종래의 진동형 전자발전기에 있어서, 불분명하였던 발전효율을 높이기 위한 구체적인 조건을 명확하게 함으로써 보다 더 소형(小型)이며 발전효율이 높은 진동형 전자발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 진동형 전자발전기는, 복수의 솔레노이드 코일(solenoid coil)이 직렬(直列)로 접속된 발전코일(發電 coil)과, 발전코일의 내측이며 또한 권축방향(卷軸方向)으로 이동 가능하고 대향(對向)하는 자극(磁極)이 서로 동일한 극(極)이 되도록 배치되고 복수의 자석을 포함하는 가동자석(可動磁石)으로 구성된다. 그리고 복수의 솔레노이드 코일은 소정의 코일 간격(coil 間隔)을 구비함과 아울러 서로 역방향(逆方向)으로 감기고, 가동자석은 소정 두께의 자석 스페이서(磁石 spacer)를 사이에 두고 동일한 극이 대향하도록 접합되고, 또한 복수의 솔레노이드 코일의 1개당 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수인 코일 피치(coil pitch)와, 가동자석의 1개당 자석 길이와 자석 스페이서의 두께의 합계 치수인 자석 피치(磁石 pitch)를 동일하게 함과 아울러, 코일 길이를 자석 길이보다 짧게 한다.

또한 본 발명은, 복수의 솔레노이드 코일이 직렬로 접속된 발전코일과, 발전코일의 내측이며 또한 권축방향으로 이동 가능하고 대향하는 자극이 서로 동일한 극이 되도록 배치되고 복수의 자석을 포함하는 가동자석을 구비하고, 복수의 솔레노이드 코일은 소정의 코일 간격을 구비함과 아울러 서로 역방향으로 감기고, 가동자석은 소정 두께의 자석 스페이서를 사이에 두고 동일한 극이 대향하도록 접합되고, 또한 복수의 솔레노이드 코일의 1개당 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수인 코일 피치와, 가동자석의 1개당 자석 길이와 자석 스페이서의 두께의 합계 치수인 자석 피치를 동일하게 함과 아울러, 코일 길이가 상기 자석 길이보다 짧게 구성되는 진동형 전자발전기의 제조방법이다.

이 진동형 전자발전기의 제조방법은, 소정의 코일 지름과 소정의 단위길이당 권수(卷數)를 구비하고 코일 길이가 코일 지름의 적어도 3배 이상인 솔레노이드 코일을 제작하는 스텝(step)과, 소정의 자석 지름을 구비하고 코일 길이와 동일한 길이의 자석을 솔레노이드 코일 내에 일정한 통과속도(通過速度)로 통과시켰을 때의 출력전압의 상승특성(上昇特性)을 측정하는 스텝과, 상승특성에 있어서 최대진폭(最大振幅)의 10%로부터 90%에 도달할 때까지의 상승시간을 구하는 스텝과, 상승시간과 통과속도로부터 구한 거리의 2배의 길이를 자석 피치의 길이로 하는 스텝을 포함한다.

본 발명에 의하면, 자석 스페이서, 자석, 코일 및 코일 간격을 최적으로 설계할 수 있기 때문에 발전효율을 높인 진동형 전자발전기가 얻어진다.

본 발명에 의하면, 자석의 수와 코일의 수를 증가시킨 경우의 최적 설계가 가능하게 되어 최대의 발전전력(發電電力)이 얻어진다는 효과가 있다. 또한 자석 스페이서, 자석, 코일 및 코일 간격을 최적으로 설계할 수 있기 때문에, 발전기의 치수를 작게 할 수 있다는 효과가 있다.

도1은 진동형 전자발전기에 있어서 1개의 원통형 자석이 솔레노이드 코일을 통과하였을 경우에 발생되는 출력전압파형의 예를 나타내는 설명도이다.

도2는 진동형 전자발전기의 구조의 예를 나타내는 단면도이다.

도3은 제1～제3솔레노이드 코일에 가동자석을 통과시켰을 경우의 출력전압파형의 예를 나타내는 모식도이다.

도4는 진동형 전자발전기의 구조의 예를 나타내는 단면도이다.

도5는 제1～제3솔레노이드 코일에 제1 및 제2자석을 통과시켰을 경우의 출력전압파형의 예를 나타내는 설명도이다.

도6은 원통형 자석이 공간에 만든 자계의 분포 예를 나타내는 단면도이다.

도7은 자석 길이가 서로 다른 4종류의 원통형 자석을 일정한 코일 길이로 이루어진 솔레노이드 코일 내에 통과시켰을 때의 출력전압파형의 실측치에 대한 예를 나타내는 설명도이다.

도8은 일정한 코일 길이의 원통형 자석을 코일 길이가 서로 다른 3종류의 솔레노이드 코일 내에 통과시켰을 때의 출력전압특성의 실측치에 대한 예를 나타내는 설명도이다.

도9A와 도9B는 본 발명의 하나의 실시예에 관한 진동형 전자발전기의 구성예를 나타내는 외관사시도이다.

도10은 본 발명의 하나의 실시예에 관한 진동형 전자발전기의 출력전압파형의 측정예를 나타내는 설명도이다.

도11A, 도11B 및 도11C는 본 발명의 하나의 실시예에 관한 원통형 자석, 자석 스페이서와 가동자석의 예를 나타내는 외관구성도이다.

도12A, 도12B 및 도12C는 본 발명의 하나의 실시예에 관한 원통형 자석과 가동자석이 발생시키는 자속밀도의 예를 나타내는 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 솔레노이드 코일 2 : 원통형 자석

3 : 출력전압파형 10 : 진동형 전자발전기

20 : 진동형 전자발전기 21 : 제1솔레노이드 코일

22 : 제2솔레노이드 코일 23 : 제3솔레노이드 코일

24 : 코일 간격 25 : 가동자석

40 : 진동형 전자발전기 41 : 제1솔레노이드 코일

42 : 제2솔레노이드 코일 43 : 제3솔레노이드 코일

44 : 코일 간격 45 : 제1자석

46 : 제2자석 47 : 자석 스페이서

48 : 가동자석 61 : 원통형 자석

70 : 가동자석 71 : 자석 스페이서(비자성체)

80 : 가동자석 81 : 자석 스페이서(자성체)

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 대하여 도1～도12를 참조하여 설명한다. 본 실시예에서는, 외부로부터 진동을 가하여 솔레노이드 코일(solenoid coil) 내에 설치된 자석(磁石)을 움직이게 함으로써 발전(發電)을 하는 진동형 전자발전기(振動型 電磁發電機)에 대하여 설명한다.

우선 본 발명에 관한 진동형 전자발전기의 구체적인 구성예에 대하여 설명하기 전에, 가동자석(可動磁石)과 솔레노이드 코일로 구성되는 발전기에 대하여 도1～도3을 참조하여 설명한다.

도1은, 1개의 원통형 자석(圓筒形 磁石)(2)과 1개의 솔레노이드 코일(1)로 구성되는 진동형 전자발전기(10)의 구성예와 출력전압파형(出力電壓波形)의 예를 나타내는 도면이다.

진동형 전자발전기(10)를 구성하는 솔레노이드 코일(1)의 길이는 원통형 자석(2)의 길이와 대략 동일하다. 그리고 1개의 원통형 자석(2)이 솔레노이드 코일(1)의 권축방향(卷軸方向)을 따라 통과하였을 때에 얻어지는 출력전압(出力電壓)을 출력전압파형(3)으로서 나타내고 있다.

출력전압파형(3)은 주기(週期)가 자석 길이 혹은 코일 길이(솔레노이드 코일의 길이)의 대략 2배이며, 정현파(正弦波)의 파형과 대략 동일한 1주 기의 파형이 된다. 즉 도1에 있어서 출력전압파형의 가로축을 시간축(時間軸)으로 한 경우에는, 1주기의 시간은 자석 길이 2배 길이의 거리를 통과속도(通過速度)로 나눈 값이 된다.

그런데 본 발명에 관한 진동형 전자발전기는 솔레노이드 코일과 솔레노이드 코일 내를 움직이는 가동자석으로 구성된다. 가동자석은 동일한 극성(極性)을 대향(對向)시켜서 접합된 복수 개의 자석으로 구성된다. 또한 솔레노이드 코일은 역극성(逆極性)으로 직렬접속(直列接續)되는 복수 개의 코일로 구성된다. 그리고 본 발명에 관한 진동형 전자발전기의 출력전압은, 솔레노이드 코일 내를 움직이는 가동자석에 의하여 솔레노이드 코일마다 발생되는 출력전압을 더하여 얻어진다. 이 때에 솔레노이드 코일마다 발생되는 출력전압의 파형은, 도1에 나타나 있는 전압파형이 기본이 된다. 그리고 모든 코일이 발생시키는 전압의 위상(位相)을 합한 후에, 이 전압을 최대출력(最大出力)이 되도록 더하는 것이 중요하다. 이렇게 하기 위해서는 자석 길이와 자석 스페이서(磁石 spacer)의 두께를 더한 자석 피치(磁石 pitch)와, 코일 길이와 코일 간격을 더한 코일 피치(coil pitch)를 대략 동일하게 할 필요가 있다.

또한 자석의 재질(材質)이 동일한 경우에 소형(小型)이고 발전효율(發電效率)이 더 높은 발전기를 얻기 위해서는, 얼마나 짧은 자석 길이로 큰 출력전압이 얻어지는지가 중요한 과제가 된다. 이 때문에 본 발명의 발명자는 여러 가지 조건 하에서 본 발명에 관한 진동형 전자발전기의 특성을 검증하였다.

도2는, 1개의 가동자석(25)과 3개의 솔레노이드 코일(제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23))로 구성되는 진동형 전자발전기(20)의 단면도이다.

이웃하는 솔레노이드 코일은 소정의 간격(間隔)(24)을 구비하고 있다. 코일이 감기는 방향은 이웃하는 솔레노이드 코일마다 서로 역방향(逆方向)인 정(正)?역(逆)?정방향이다. 이렇게 직렬접속된 제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)을 발전코일(發電 coil)(26)이라고 부른다. 가동자석(25)의 길이는 코일 길이와 코일 간격의 합계 길이(예를 들면 솔레노이드 코일(21)과 간격(24)의 합계의 길이)와 동일하다.

도3은, 극성을 정?역?정으로 하여 직렬접속된 제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)에 가동자석(25)을 통과시켰을 경우의 출력전압파형의 모식도이다. 도3에 있어서 가로축 눈금은 자석 길이(= 코일 길이)에 대응하는 시간으로 되어 있다.

도3에 있어서 그래프 중의 숫자는 각각의 솔레노이드 코일의 출력전압과 합성출력전압(合成出力電壓)의 진폭비(振幅比)를 나타내고 있다.

제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)의 극성은 각각 정?역?정으로 되어 있다. 이 때문에 각각의 제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)에 발생되는 전압은 코일 길이에 대응한 시간만큼 위상이 어긋나고 동시에 극성이 변화된다.

또한 제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)은 각각 직렬로 접속되어 있다. 이 때문에 얻어지는 전압은, 제1솔레노이드 코일(21)～제3솔레노이드 코일(23)이 발생시키는 전압을 더한 합성출력전압이 된다. 이 때에 도3에 나타나 있는 합성출력전압파형(合成出力電壓波形)이 얻어진다.

다음에 본 발명에 관한 진동형 전자발전기(40)의 구성예에 대하여 도4의 단면도를 참조하여 설명한다.

진동형 전자발전기(40)는 1개의 가동자석(48)과 3개의 솔레노이드 코일(제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43))로 구성된다.

이웃하는 솔레노이드 코일은 소정의 간격(44)을 구비하고 있다. 코일이 감기는 방향은 이웃하는 솔레노이드 코일마다 서로 역방향인 정?역?정방향이다. 이렇게 직렬접속된 제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)을 발전코일(49)이라고 부른다.

가동자석(48)은 길이방향으로 착자(着磁)된 동일한 길이의 2개의 자석(45, 46)을, 소정 두께의 비자성체(非磁性體)로 이루어지는 자석 스페이서(47)를 사이에 두도록 위치시킨 후에 동일한 극을 서로 마주 보게 하여 일체(一體)로 접합시킨다.

자석 길이와 자석 스페이서(47)의 합계 치수인 자석 피치(51)는, 솔레노이드 코일과 솔레노이드 코일 간격의 합계 치수인 코일 피치(52)와 동일하다. 다만 이러한 조건에서도 코일 길이는 자석 길이보다 짧게 하는 것이 바람직하다.

도5는, 도4에 나타나 있는 정?역?정으로 접속된 제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)에 2개의 자석(45, 46)을 통과시켰을 경우의 출력전압파형의 모식도이다. 도5에 있어서, 그래프 중의 숫자는 각각의 솔레노이드 코일의 출력전압과 합성출력전압의 진폭비를 나타내고 있다.

극성이 서로 다른 2개의 자석(45, 46)이 각 솔레노이드 코일을 통과하면, 솔레노이드 코일마다 위상이 코일 길이에 대응한 시간만큼 어긋난 전압이 발생된다. 이들 전압이 모두 합성된 출력전압은 도5에 나타나 있는 합성출력전압파형이 된다.

진동형 전자발전기(20, 40)는, 도2와 도4에 나타나 있는 바와 같이 자석과 솔레노이드 코일이 근접하도록 배치되어 있다. 이 때문에 도3과 도5에 나타나 있는 바와 같이 출력전압이 합성되어 그 진폭의 일부가 몇 배가 되는 기본특성을 구비한다. 본 발명의 발명자는, 이러한 기본특성을 이용함으로써 진동형 전자발전기의 출력전력(出力電力)을 증대시키는 것을 목표로 한다. 그리고 본 발명에 관한 진동형 전자발전기에 있어서는 자석 피치(51)와 코일 피치(52)를 동일하게 하는 것이 중요하다고 말할 수 있다.

여기에서 원통형 자석(60)이 공간에 만든 자계(磁界)의 분포에 대하여 도6을 참조하여 설명한다. 도6은 원통형 자석(60)이 공간에 만든 자계의 분포를 나타내는 단면도의 예이다.

도6에는 자석에 있어서 단면(端面) 부근의 자계는 원통형 자석(60)의 길이보다 긴 방향까지 도달하는 것이 나타나 있다. 또한 원통형 자석(60) 에 있어서 단면 부근의 자계 방향은 원통형 자석(60)의 길이방향과 평행하게 되어 있지 않다는 것이 나타나 있다. 따라서 코일 길이를 자석 길이보다 짧게 함으로써 솔레노이드 코일과 자석의 길이방향으로 평행한 자계를 효율적으로 결합시킬 필요가 있다.

지금까지는, 발전효율을 높이기 위해서는 자석 피치와 코일 피치를 동일하게 할 필요가 있다는 것과 코일 길이를 자석 길이보다 짧게 할 필요가 있다는 것에 대하여 설명하였다. 이하에서는 발전효율을 높이기 위하여 최적의 자석 길이 및 자석 피치를 결정하는 방법에 대하여 설명한다.

도7은, 자석 길이가 서로 다른 4종류의 원통형 자석을 일정한 코일 길이로 한 솔레노이드 코일 내에 속도 1.2m/s로 통과시켜서 얻어지는 출력전압특성의 실측치(實測値)의 예를 나타내고 있다.

4종류의 원통형 자석은 지름을 동일하게 4mm로 하고 있지만, 자석 피치가 서로 다른 8mm, 16mm, 24mm, 32mm의 구성으로 되어 있다.

솔레노이드 코일은 내경(內徑) 6mm, 단위길이당 권수(卷數) 60회, 코일 길이 30mm의 구성으로 되어 있다.

도7에는 자석 길이가 증가하였을 경우에 있어서 출력전압의 상승특성은 어떠한 자석 길이의 경우에도 거의 동일한 것으로 나타나 있다. 그리고 출력전압의 최대치(最大値)는 자석 길이가 8mm로부터 16mm로 증가하였을 때에는 증가하지만, 자석 길이가 16mm로부터 32mm까지 증가하더라도 거의 일정하다. 다만 자석 길이가 길어짐에 따라 출력전압의 최대치가 계속되는 시간이 길어진다.

또한 도7에 나타나 있는 바와 같이 상승특성은 자석 길이에 따라 거의 변화하지 않고 있다. 이로부터 상승특성을 결정하는 요인은 자석의 지름과 솔레노이드 코일의 치수, 특히 솔레노이드 코일의 내경이라고 생각된다. 이 때문에 솔레노이드 코일의 내경을 자석의 지름에 가깝게 함으로써 상승시간을 더 짧게 할 수 있다.

여기에서 최대출력전압을 발생시키고 있는 길이 16mm, 24mm, 32mm의 원통형 자석에 주목하고, 도7에 있어서 출력전압의 상승특성으로부터 출력전압이 최대치의 10%로부터 90%에 도달하는 시간을 구한다. 이 경우에 도면에 나타나 있는 바와 같이 약 5ms인 것으로 나타나 있다. 이 때에 자석의 이동속도(移動速度)는 1.2m/s이므로 상승시간 5ms의 2배에 대응하는 이동거리는 1.2(m/s) X 5(ms) X 2 = 12mm가 된다.

즉 자석 길이를 12mm로 하는 것이, 출력전압을 최대치와 거의 동일하게 하고 동시에 자석 길이를 가장 짧게 할 수 있는 것이라고 말할 수 있다.

도8은, 일정한 자석 길이의 원통형 자석을 코일 길이가 서로 다른 3종류의 솔레노이드 코일 내에 통과시켰을 때에 있어서 출력전압특성의 실측치(實測値)의 예를 나타내고 있다.

원통형 자석은 지름 4mm, 자석 길이 8mm의 구성으로 되어 있다.

솔레노이드 코일은 단위길이당 권수(卷數)가 동일하고 코일 길이가 서 로 다른 7mm, 10mm, 30mm의 구성으로 되어 있다.

도8로부터 자석 길이가 8mm인 경우에 코일 길이가 7mm로부터 10mm로 길어졌다고 하더라도 출력전압이 조금 증가하는 것뿐임을 알 수 있다. 또한 코일 길이가 7mm로부터 30mm로 되어도 출력전압의 최대진폭(最大振幅)은 거의 일정한 값(약 0.5V)으로 되어 있다.

즉 길이가 8mm인 1개의 자석에 대해서는, 도1에 나타나 있는 바와 같이 코일 길이를 자석 길이와 동일한 길이인 8mm로 하면 출력전압이 거의 최대치(포화전압(飽和電壓))가 된다.

도7과 도8을 참조하여 가동자석이 1개인 진동형 발전기를 예로서 설명하였다. 그러나 복수 개의 자석(적어도 2개 이상)으로 구성되는 가동자석과 복수 개의 솔레노이드 코일로 구성되는 진동형 전자발전기(40)에서는, 동일한 조건을 가지고 소정의 코일 치수에서 출력전압이 최대가 되는 최단(最短)의 자석 피치를 선정할 수 있다.

즉 자석 길이와 스페이서 두께의 합계 치수로 이루어지는 자석 피치와, 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수로 이루어지는 코일 피치를 동일하게 함으로써 높은 발전효율을 얻으면서 전체의 치수를 작게 할 수 있다. 또 자석 피치와 코일 피치를 동일하게 함과 아울러, 코일 길이를 자석 길이보다 짧게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 복수 개의 자석과 복수 개의 솔레노이드 코일로 이루어지는 진동형 전자발전기(40)에서는, 소정의 솔레노이드 코일 치수에서 출 력전압이 최대가 되는 가장 짧은 자석 길이를 선정할 수 있다. 이 때문에 치수가 작아도 발전효율이 높은 진동형 전자발전기(40)가 얻어진다.

여기에서 발전효율을 높이기 위하여 최적의 자석 피치를 구하는 순서에 대하여 이하에서 설명한다.

(1)우선 소정의 코일 지름과 단위길이당 소정의 권수를 구비하고, 코일 길이가 코일 지름의 적어도 3배 이상인 솔레노이드 코일을 제작한다.

(2)다음에 소정의 자석지름을 구비하고 코일 길이와 거의 동일한 길이의 자석을 이 솔레노이드 코일 내에 일정한 속도로 통과시켜서 그 때의 출력전압의 상승특성을 측정한다.

(3)이 상승특성에 있어서 최대진폭의 10%로부터 90%에 도달할 때까지의 시간을 구한다.

(4)이 결과, 구한 시간과 통과속도로부터 구한 거리의 대략 2배의 길이를, 구하는 자석 피치로 한다.

자석 피치를 구한 후에, 솔레노이드 코일의 코일 길이와 코일 간격의 합계 치수를 자석 피치와 동일하게 설정하고 또한 상기의 솔레노이드 코일의 코일 길이보다 자석 길이를 길게 하는 조건 하에서 코일 간격과 자석 스페이서의 치수조건을 설정한다. 이렇게 하여 최대출력에 가까운 전압을 얻음과 아울러, 발전기 본체의 치수를 작게 하는 것이 가능한 진동형 전자발전기를 얻을 수 있다.

또 상기에 있어서 소정의 코일 지름, 소정의 단위길이당 권수, 소정 의 자석지름이란, 각각 제작하려고 하는 진동형 전자발전기에 사용되는 치수를 의미한다.

여기에서 진동형 전자발전기(40)의 외관구성에 대한 예에 대하여 도9의 사시도를 참조하여 설명한다.

도9A는 진동형 전자발전기(40)를 구성하는 각 부품을 분해한 상태의 사시도이다.

도9B는 각 부품을 조합시킨 진동형 전자발전기(40)에서 수납 케이스(55)를 일부 투시한 부분 투시도이다.

제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)은 솔레노이드 코일 간격을 구비하고, 가동자석(48)을 수납(收納)하는 원통형의 수납 케이스(收納 case)(55)의 외주면(外周面)에 감겨 있다. 제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)은 직렬접속되어 있다. 그리고 각 솔레노이드 코일은 서로 역방향으로 감겨 있고, 각각 정권(正卷), 역권(逆卷), 정권으로 되어 있다.

제1솔레노이드 코일(41)과 제3솔레노이드 코일(43)로부터는 각각 코일 단부(coil 端部)(53)가 인출(引出)되어 있고, 도면에 나타나 있지 않은 외부 부품(부하(負荷))에 접속된다.

가동자석(48)을 수납 케이스(55) 내에 수납하기 위하여 수납 케이스(55)의 양단(兩端)에는 엔드 캡(end cap)(56)이 부착된다. 엔드 캡(56)은 가동자석에 대한 충격을 완화시키는 수지(樹脂) 등으로 형성된다.

가동자석(48)은 수납 케이스(55)의 내부를 원활하게 움직이기 때문에 제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)의 내측에서 권축방향으로 이동하게 된다. 이 때문에 제1솔레노이드 코일(41)～제3솔레노이드 코일(43)은 전압을 발생시켜서 발전기(發電機)로서 기능을 한다.

여기에서 실제로 진동형 전자발전기(40)를 사용하여 얻어지는 출력전압파형 실측치의 예에 대하여 도10을 참조하여 설명한다.

가동자석은, 지름 4mm, 길이 8mm의 Nd 자석(네오디뮴 자석(neodymium 磁石)) 2개를 두께 1.5mm의 자석 스페이서를 사이에 두고 동일한 극이 대향하도록 접합시킨 구성으로 되어 있다.

솔레노이드 코일은, 코일 길이 6.5mm, 코일 내경 5mm, 권수 3000회인 코일 3개를 코일 간격 3mm로 하여 정권?역권?정권으로 직렬접속한 구성으로 되어 있다.

그리고 솔레노이드 코일 내의 권선축(卷線軸) 방향을 따라 가동자석을 속도 약 1.2m/s로 이동시켰을 경우의 출력전압파형을 도10에 나타내었다.

도10을 도5의 합성출력전압파형과 비교하면 매우 잘 일치하고 있다. 이것은 도1로부터 도5를 참조하여 설명한 내용의 타당성을 나타내고 있다고 말할 수가 있다.

여기에서 자석 스페이서의 재질이 다른 가동자석마다의 자속밀도(磁束密度)의 예에 대하여 도11과 도12를 참조하여 설명한다.

도11은 원통형 자석과 자석 스페이서를 사이에 두고 원통형 자석을 접합시킨 가동자석의 구성예를 나타낸다.

도11A는 원통형 자석(61)의 구성예를 나타낸다. 원통형 자석(61)의 축방향 길이는 약 10mm로 하고 지름은 약 5mm로 한다.

도11B는 자석 스페이서(71, 81)의 구성예를 나타낸다. 자석 스페이서(71)를 형성하는 재료로는 비자성체 재료(非磁性體 材料)로서 예를 들면 수지가 사용된다. 자석 스페이서(81)를 형성하는 재료로는 자성체 재료(磁性體 材料)로서 예를 들면 순철(純鐵)이 사용된다. 자석 스페이서(71, 81)의 축방향 길이는 약 2mm로 하고 지름은 약 5mm로 한다.

도11C는 가동자석(70, 80)의 구성예를 나타낸다. 가동자석(70)은 비자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(71)를 사이에 두고 3개의 원통형 자석(61)의 동일한 극이 대향한 상태로 접합된다. 한편 가동자석(80)은 자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(81)를 사이에 두고 3개의 원통형 자석(61)의 동일한 극이 대향한 상태로 접합된다.

도12는, 원통형 자석(61)과 가동자석(70, 80)에 의하여 발생하는, 상기 원통형 자석(61)과 가동자석(70, 80)의 길이방향, 표면 근방의 자속밀도를 측정한 결과의 예를 나타낸다.

도12A는 1개의 원통형 자석(61)의 자속밀도를 측정한 결과를 나타낸다.

도12B는 가동자석(70)의 자속밀도를 측정한 결과를 나타낸다.

도12C는 가동자석(80)의 자속밀도를 측정한 결과를 나타낸다.

도12A～도12C에 있어서, 자속밀도를 나타내는 세로축에는 동일한 간격 으로 눈금(B1～B6)을 붙여서 각 도면을 비교한다.

도12A에 나타나 있는 바와 같이 일반적으로 원통형 자석(61)의 단부(端部)(N극과 S극 부근)에서는 자속(磁束)이 집중되기 때문에 자속밀도가 높아진다.

또한 도12B와 도12C에 나타나 있는 바와 같이 동일한 극을 대향시켜서 접합된 가동자석의 N극과 S극 부근은, 1개의 원통형 자석(61)의 자속밀도보다 피크(peak)가 높다. 이것은 동일한 극이 대향하여 접합됨으로써 자속이 서로 반발(反撥)하여 자속밀도가 높아지기 때문이다.

또한 도12B와 도12C를 비교하면, 자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(81)를 포함하는 가동자석(80)은 비자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(71)를 포함하는 가동자석(70)보다 자속밀도의 피크가 높다는 것을 알 수 있다. 이 때에 가동자석(80)의 피크는 가동자석(70)의 피크보다 3/2배 정도 높게 되어 있다. 이것은 투자율(透磁率)이 높은 자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(81)는 원통형 자석(61)으로부터 나가는 자력선(磁力線)을 인입(引入)하기 쉽기 때문에, 자속의 지향성(指向性)이 높아짐과 아울러 자속밀도도 더 높아지게 되는 것이라고 생각된다.

도12A～도12C의 측정결과로부터 자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서(81)를 포함하는 가동자석(80)을 사용하여 진동형 발전기를 구성하면, 자속밀도가 높아지게 되어 솔레노이드 코일과 교차하는 자속이 많아지게 된다. 이 때문에 자석 스페이서에 사용되는 재질이 자성체 재료인 경우에는 비자성체 재료인 경우와 비교하여 진동형 전자발전기의 발전효율을 더 높일 수 있다고 말할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 진동형 전자발전기(40)의 발전효율을 높이기 위한 구체적인 조건을 명확하게 함으로써 진동형 전자발전기(40)의 자석 피치와 코일 피치를 적절하게 설계할 수 있다. 이 때문에 소형이면서 발전효율이 높은 진동형 전자발전기(40)가 얻어진다는 효과가 있다.

또한 진동형 전자발전기(40)는 간단하게 구성되어 있다. 이 때문에 조립 시의 공정이 용이하게 됨과 아울러, 파괴되기 어려워서 신뢰성이 높은 진동형 전자발전기(40)가 얻어진다는 효과가 있다.

또한 자석 스페이서를 자성체로 하면, 자속밀도가 높아지기 때문에 진동형 전자발전기의 발전력(發電力)이 높아진다는 효과가 있다. 이로부터 얻어지는 발전량(發電量)에 주목하면, 비자성체 재료에 의하여 형성된 자석 스페이서를 사용하는 진동형 전자발전기보다 외부 치수를 작게 하더라도 동일한 발전량을 얻을 수 있다. 이 경우에 솔레노이드 코일의 권수를 적게 하여도 좋다. 이 때문에 진동형 전자발전기를 더 작게 할 수 있음과 아울러 경량화(輕量化)를 할 수 있다는 효과가 있다. 또한 사용되는 부재의 양을 감소시킴으로써 비용절감을 도모할 수 있다는 효과가 있다.

한편 자석 스페이서를 비자성체로 함으로써 자석 스페이서를 자성체로 하는 경우와 비교하여 저렴하게 제조할 수 있다는 효과가 있다. 또한 비자성체에는 플라스틱(plastic) 등의 합성수지(合成樹脂)를 사용하기 때문에, 가공성(加工性)이 우수하여 제조속도가 빨라진다는 효과가 있다.

또 진동형 전자발전기(40)는 복수 개의 자석과 복수 개의 솔레노이드 코일을 조합시켜서 구성하였지만, 3개 이상의 자석, 4개 이상의 솔레노이드 코일을 조합시켜서 진동형 전자발전기를 구성하여도 좋다.

또한 상기한 실시예에서는 이웃한 솔레노이드 코일의 간격을 구비하도록 하였지만, 수지 등의 부재에 의하여 스페이서를 형성하여도 좋다. 또한 자성체와 비자성체의 자석 스페이서를 조합하여 가동자석을 구성하여도 좋다.

또한 상기한 실시예에서는 가동자석의 형상을 원통형으로 하였지만, 단면(斷面) 형상이 다각형(多角形), 타원형(楕圓形) 또는 곡선과 직선을 조합한 형상으로 하여도 좋다. 이 경우에 솔레노이드 코일과 자석 스페이서의 단면 형상은 가동자석의 단면 형상과 일치되는 형상으로 하면 좋다.

또한 솔레노이드 코일의 내경에 가이드 레일(guide rail)을 설치하고, 가동자석의 측면에 롤러(roller)를 부착하여도 좋다. 반대로 솔레노이드 코일의 내경에 롤러를 부착하고, 가동자석에 가이드 레일을 설치하여도 좋다. 이렇게 구성함으로써 약간의 힘만을 가해도 가동자석을 원활하게 움직여서 발전력이 얻어진다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 복수의 솔레노이드 코일이 직렬로 접속된 발전코일과,

   상기 발전코일의 내측이며 또한 권축방향으로 이동 가능하고 대향하는 자극이 서로 동일한 극이 되도록 배치되고 복수의 자석을 포함하는 가동자석을

   구비하고,

   상기 복수의 솔레노이드 코일은 소정의 코일 간격을 구비함과 아울러 서로 역방향으로 감기는 진동형 전자발전기의 제조방법으로서,

   소정의 코일 지름과 소정의 단위길이당 권수(卷數)를 구비하고 코일 길이가 상기 코일 지름의 적어도 3배 이상인 솔레노이드 코일을 제작하는 스텝(step)과,

   소정의 자석 지름을 구비하고 상기 코일 길이와 동일한 길이의 자석을 상기 솔레노이드 코일 내에 일정한 통과속도(通過速度)로 통과시켰을 때의 출력전압의 상승특성(上昇特性)을 측정하는 스텝과,

   상기 상승특성에 있어서 최대진폭(最大振幅)의 10%로부터 90%에 도달할 때까지의 상승시간을 구하는 스텝과,

   상기 상승시간과 상기 통과속도로부터 구한 거리의 2배의 길이를 자석 피치의 길이로 하는 스텝을

   포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 전자발전기의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가동자석은 소정 두께의 자석 스페이서(磁石 spacer)를 사이에 두고 동일한 극이 대향하도록 접합되고,

   또한 상기 복수의 솔레노이드 코일의 1개당 코일 길이와 상기 코일 간격의 합계 치수인 코일 피치(coil pitch)와, 상기 가동자석의 1개당 자석 길이와 상기 자석 스페이서의 두께의 합계 치수인 자석 피치(磁石 pitch)를 동일하게 함과 아울러,

   상기 코일 길이가 상기 자석 길이보다 짧게 구성되는 것을

   특징으로 하는 진동형 전자발전기의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 가동자석의 측면에 권축방향과 평행인 롤러를 더 설치하고,

   상기 솔레노이드 코일의 내경에 설치된 가이드 레일에 상기 가동자석의 롤러를 맞추는 것을

   특징으로 하는 진동형 전자발전기의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 솔레노이드 코일의 내경은 상기 자석의 직경과 같은 것을

   특징으로 하는 진동형 전자발전기의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 자석 스페이서는 자성체(磁性體)로 형성되는 것을

   특징으로 하는 진동형 전자발전기의 제조방법.
6. 제1항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 진동형 전자발전기.

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