KR101354158B1 - Vibration-driven eletromagnetic energy harvester - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자기식 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FR-4 스프링을 기반으로 하여 영구자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상/하의 선형 움직임만으로 저 주파수에서 고출력을 갖는 고효율 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to an electromagnetic energy harvester, and more particularly, to a high-efficiency vibration type electromagnetic energy harvester having high power at low frequencies with only linear movement of upper and lower while preventing left and right movement of permanent magnet based on FR-4 spring. It is about.
현재, 화학 반응을 통해 발생하는 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 화학전지(chemical battery)가 휴대용 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있다. 이러한 화학전지는 높은 에너지 밀도, 작은 사이즈, 저비용 등의 장점을 가지지만, 반면 제한된 수명, 대체 또는 재충전 등이 쉽지 않다는 문제점도 함께 가지도 있다.Currently, chemical batteries that convert energy generated through chemical reactions into electrical energy are widely used as power sources for portable electronic devices. Such chemical cells have advantages such as high energy density, small size, low cost, etc., but also have a problem in that limited lifetime, replacement or recharge is not easy.
이에 최근에는 무공해 대체 에너지의 개발에 역점을 두고 있다. 대체 에너지의 예로는 태양, 열, 풍력, 진동 등과 같이 주변에서 얻을 수 있는 하베스팅 에너지원이 있다. 하베스팅 에너지 기술은 주변 환경에서 에너지를 추출해내는 동안 오염물질의 배출이 없는 친환경 녹색 기술로서, 소량의 전력으로 구동될 수 있는 저전력 통신기기, 센서 네트워크, 체내 삽입형 기기, 모바일 기기 등이 주된 응용분야이다.Recently, the emphasis is on the development of pollution-free alternative energy. Examples of alternative energy sources include harvesting energy sources available from the environment such as solar, heat, wind and vibration. Harvesting energy technology is an eco-friendly green technology that does not emit pollutants while extracting energy from the surrounding environment. Its main applications are low power communication devices, sensor networks, implantable devices, and mobile devices that can be driven by small amounts of power. to be.
하지만 상술한 대체 에너지 중, 태양이나 열, 풍력 등을 이용한 발전 방법은 아직까지 변환효율이 높지 않으면서 설비 및 관리비용도 적지 않게 소요되고 있다. 아울러 이러한 에너지 발전 방법은 휴대용, 착용식 및 이동형 소형 전자기기의 에너지원으로는 한계가 있다. However, the above-described alternative energy, the power generation method using the sun, heat, wind, and the like has not yet a high conversion efficiency, but also takes a lot of equipment and management costs. In addition, the energy generation method is limited to the energy source of portable, wearable and portable small electronic devices.
반면, 진동을 이용한 에너지 변환 방법은 특히 소형 전원 소자로 적용이 가능하고, 기기가 외부에 노출될 필요가 없어 장비에 부착하거나 삽입이 유리하다는 이점이 있다. 또한 시간과 장소의 제약 없이 지속적인 사용이 가능하다는 잠재적 가능성으로 인해 소형 전자기기나 무선 센서노드(WSN: Wireless Sensor Nodes) 및 의료용 기기 등의 전원장치로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, the energy conversion method using the vibration is particularly applicable to a small power supply, there is an advantage that the device does not need to be exposed to the outside, it is advantageous to attach or insert the equipment. In addition, due to the potential for continuous use regardless of time and place, research is being actively conducted for use as power supplies such as small electronic devices, wireless sensor nodes (WSNs), and medical devices.
진동을 이용하여 에너지를 수집하는 대표적 발전기술에는 소재와 변환 방식에 따라 정전식(electrostatic), 압전식(piezoelectric), 전자기식(electromagnetic)으로 구분한다. Representative power generation technology that collects energy using vibration is classified into electrostatic, piezoelectric, and electromagnetic according to materials and conversion methods.
정전식은 MEMS(micro electromechanical system) 제조공정에 따라 집적화가 용이하지만 낮은 에너지 변환효율과 초기에 외부 전압원이 필요로 하기 때문에 소형 전원으로 적합하지 않다. Capacitive type is easy to integrate according to MEMS (micro electromechanical system) manufacturing process, but it is not suitable for small power supply because of low energy conversion efficiency and initial external voltage source.
압전식은 PZT 또는 PVDF(폴리피닐덴디플루오리드)와 같은 압전 물질이 사용되며, 소형화가 용이하고 외부 전원이 불필요하다. 그러나 높은 임피던스와 수백 ㎐의 높은 주파수에서 동작하기 때문에 압전 물질이 파손될 수 있는 위험성이 존재한다. Piezoelectric material is a piezoelectric material such as PZT or PVDF (polyfinylidenedifluoride) is used, it is easy to miniaturize, no external power source is required. However, there is a risk of piezoelectric material breaking because of its operation at high impedance and high frequencies of hundreds of kHz.
한편 전자기식은 유도코일(induction coil)과 영구자석(permanent magnet) 사이의 상대적인 움직임을 이용하는 방식이다. 전자기식은 구조 및 제작이 간단하나 집적화가 어렵고 출력 전압레벨이 매우 낮은 단점이 있다. 반면, 간단한 기계적인 공진기의 구조로 인하여 매우 높은 에너지 변환효율과 저 주파수의 설계가 가능한 장점이 있다. Electromagnetics, on the other hand, use the relative movement between an induction coil and a permanent magnet. Electromagnetic type is simple in structure and manufacturing, but it is difficult to integrate and has very low output voltage level. On the other hand, due to the structure of a simple mechanical resonator there is an advantage that can be designed with a very high energy conversion efficiency and low frequency.
이처럼 전자기식은 저 주파수로의 설계가 가능한 이점 때문에 최근에 소형 전자기기의 에너지원으로 활용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 일상 생활에서 발생하는 진동 주파수가 100 ㎐ 미만의 영역이라는 점을 고려한다면 진동형 에너지 하베스터는 전자기식의 저 주파수로 설계되는 것이 바람직할 것이다. Because of the advantage that low frequency electromagnetic design can be used in recent years, a lot of research has been made to use as an energy source of small electronic devices. In particular, considering that the vibration frequency generated in daily life is less than 100 kHz, it is preferable that the vibration type energy harvester is designed with a low electromagnetic frequency.
전자기식 에너지 하베스터에 대한 연구가 꾸준하게 진행되고 있다. 그리고 출력 전원을 향상시키기 위한 다양한 방법이 제안되고 있다. Research on electromagnetic energy harvesters is steadily being conducted. Various methods for improving the output power have been proposed.
그런데, 현재까지의 전자기식 에너지 하베스터에는 특정 재료로 만들어진 스프링이 사용된다. 스프링에 사용되는 재질로는 실리콘(silicon)이나 구리(copper) 등이 있다. 하지만 이들 재료는 탄성계수가 높고 그 제작 공정이 복잡하여 저주파를 수용할 수 있는 스프링을 설계하는데 많은 어려움이 있었다. By the way, the electromagnetic energy harvester to date uses a spring made of a specific material. The material used for the spring is silicon or copper. However, these materials have a high elastic modulus and the manufacturing process is complicated to design a spring that can accommodate low frequency.
따라서, 저 주파수로 설계가 용이한 재료를 이용하여 전자기식 에너지 하베스터의 스프링을 제조할 필요가 있다. 즉 진동형 전자기식 에너지 하베스터가 휴대용 소형 전자기기의 전원으로 주목을 받는 현 시점에서 사람이 움직일 때 인체의 각 부분에서 발생되는 운동 주파수 대역은 1 ~ 10 Hz와 약 0 ~ 1 G의 가속도로 저 주파수에서 높은 에너지 변환효율을 갖도록 저주파 설계가 가능한 스프링이 장착된 에너지 하베스터에 대한 연구 개발이 요구되는 것이다. Accordingly, there is a need to manufacture springs of electromagnetic energy harvesters using materials that are easy to design at low frequencies. In other words, when the vibration type electromagnetic energy harvester is attracting attention as a power source of a portable small electronic device, when a person moves, the frequency band of motion generated in each part of the human body is low frequency with an acceleration of 1 to 10 Hz and about 0 to 1 G. Research and development of a spring-loaded energy harvester capable of low frequency design to have high energy conversion efficiency is required.
한편, 전자기식 에너지 하베스터는 전술한 바와 같이 유도 코일과 영구 자석 사이의 상대적인 움직임을 이용하여 전기 에너지를 생산하는데, 이때 영구 자석은 선형적으로 이동하여야 상대적으로 높은 출력 전원의 생산이 가능하다. On the other hand, the electromagnetic energy harvester produces electrical energy by using the relative movement between the induction coil and the permanent magnet, as described above, the permanent magnet must be moved linearly to produce a relatively high output power.
이를 위해서는 영구 자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상하 방향으로 선형적으로 이동되게 할 필요성이 있다. To this end, it is necessary to linearly move in the vertical direction while preventing the left and right movement of the permanent magnet.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 영구 자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상하 방향으로 선형적으로 이동되게 하여 저 주파수에서 고 출력을 갖는 진동형 전자기식 에너지 하베스터를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, to provide a vibration type electromagnetic energy harvester having a high output at a low frequency by moving linearly in the vertical direction while preventing the left and right movement of the permanent magnet.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 내부에 중공부가 형성되는 원통 형상의 하우징; 상기 하우징의 상단과 하단에 설치되는 제 1 스프링 및 제 2 스프링; 상기 제 1 스프링 및 제 2 스프링 사이에 위치하며 상기 중공부 내에서 상하 이동하는 자석; 및 상기 자석의 위치와 대응되는 상기 하우징의 외주면을 권취하며, 상기 자석의 상하 이동에 따라 기전력을 발생하는 코일부를 포함하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터가 제공된다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, a cylindrical housing having a hollow portion formed therein; First and second springs installed on upper and lower ends of the housing; A magnet positioned between the first spring and the second spring and vertically moving in the hollow part; And a coil unit configured to wind an outer circumferential surface of the housing corresponding to the position of the magnet and generate an electromotive force according to the vertical movement of the magnet.
상기 제 1 스프링 및 제 2 스프링은, FR-4 재질로 제조됨을 특징으로 한다.The first spring and the second spring, characterized in that made of FR-4 material.
상기 자석은 NdFeB 영구 자석임을 특징으로 한다. The magnet is characterized in that the NdFeB permanent magnet.
상기 하우징의 외주면에는 일정 간격 이격되는 복수의 요홈이 형성되고, 상기 요홈에는 상기 코일부의 코일이 각각 권선됨을 특징으로 한다. A plurality of grooves are formed on the outer circumferential surface of the housing at predetermined intervals, and the coils of the coil unit are wound around the grooves, respectively.
상기 요홈은 상기 하우징의 세로 방향을 따라 소정 간격 이격되면서 상/중/하 위치로 구획되어 형성되며, 상기 상/중/하 위치의 요홈에 권선된 제 1 코일 내지 제 3 코일은 입력 주파수(input frequency), 입력 가속도(input acceleration) 및 부하 저항(load resistance)에 따라 출력 전압(output vlotage)이 각각 상이하게 발생한다.The groove is partitioned and formed in an upper / middle / lower position while being spaced apart by a predetermined interval along the longitudinal direction of the housing, and the first to third coils wound around the upper / middle / lower position are input frequency (input). Output vlotage occurs differently according to frequency, input acceleration, and load resistance.
상기 입력 주파수에 따른 출력 전압 값은 상기 제 1 코일에서 가장 높고, 상기 제 2 코일에서 가장 낮다. The output voltage value according to the input frequency is the highest in the first coil and the lowest in the second coil.
상기 입력 가속도가 증가하면, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일의 출력 전압 값도 증가한다. When the input acceleration increases, the output voltage values of the first to third coils also increase.
상기 부하 저항의 변화에 따라 제 1 코일과 제 3 코일의 출력 전압은 증가하나, 제 2 코일의 출력 전압은 제로(zero)이다.As the load resistance changes, the output voltage of the first coil and the third coil increases, but the output voltage of the second coil is zero.
상기 부하 저항의 변화에 따른 출력 전원은 0.2 가속도(g)와 16 Hz 입력 주파수에서 1.59 mW의 출력을 발생하는 것을 특징으로 한다. The output power according to the change in the load resistance is characterized in that the output of 1.59 mW at 0.2 acceleration (g) and 16 Hz input frequency.
이와 같이 구성된 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 따르면, 원통 형상의 하우징의 상단과 하단에 FR-4 스프링을 장착하고 그 FR-4 스프링 사이에서 NdFeB 영구 자석이 상하 이동하게 구성된다. 아울러 하우징의 외주면에는 일정 간격으로 형성된 요홈에 코일을 권취하고 있다.According to the vibration type electromagnetic energy harvester configured as described above, the FR-4 spring is mounted on the upper and lower ends of the cylindrical housing, and the NdFeB permanent magnet is configured to move up and down between the FR-4 springs. In addition, the coil is wound around the outer peripheral surface of the housing at grooves formed at regular intervals.
이에 따라, 에너지 하베스터에 적용되는 스프링을 저 주파수용으로 제작이 가능하고, 또한 NdFeB 영구 자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상하 방향으로 선형적으로 움직임이 발생하기 때문에 고출력을 얻을 수 있는 효과를 제공한다. Accordingly, the spring applied to the energy harvester can be manufactured for a low frequency, and the linear movement of the NdFeB permanent magnet occurs in the vertical direction while preventing the left and right movements, thereby providing a high output.
즉, 본 실시 예에 따른 에너지 하베스터는 0.2 가속도(g)와 16Hz 입력 주파수에서 1.59 mW의 출력을 발생시키고 있어, 다른 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 비해 대략 10 배 이상의 출력을 얻을 수 있음이 확인되었다.In other words, the energy harvester according to the present embodiment generates an output of 1.59 mW at 0.2 acceleration (g) and 16 Hz input frequency, and it is confirmed that an output of approximately 10 times or more is obtained compared to other vibration type electromagnetic energy harvesters.
따라서, 저 주파수에서 동작이 가능하고 고효율의 발전소자를 제공할 수 있어, 휴대용이나 이동형 소형 전자기기에 최적화된 에너지원으로 활용할 수 있어 시장성 및 경제성을 기대할 수 있다. Therefore, it is possible to provide a high efficiency generator capable of operating at a low frequency, can be utilized as an energy source optimized for portable or mobile small electronic devices can be expected to be marketable and economical.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 진동형 전자기식 에너지 하베스터의 구조를 보인 단면도
도 2는 스프링 형상에 대한 재료별 공진 주파수를 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 적용된 FR- 4 스프링의 기하학적인 예를 보인 도면
도 3c는 본 발명에 따른 FR-4 스프링의 예를 보인 사시도
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따라 자석과 FR-4 스프링의 모드에 따른 형상 변화를 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따라 입력 주파수에 따른 자석의 최대 변위량을 도시한 그래프
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 주파수 대비 출력 전압을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 가속도 대비 출력 전압을 나타낸 그래프
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 부하 저항의 변화에 따른 제 1 ~ 제 3 코일의 출력 전압 및 출력 전원을 나타내고 있는 그래프1 is a cross-sectional view showing a structure of a vibration type electromagnetic energy harvester according to a preferred embodiment of the present invention
2 is a diagram showing resonance frequencies of materials for spring shapes;
Figures 3a and 3b is a view showing a geometric example of the FR-4 spring applied to the vibration type electromagnetic energy harvester of the present invention
Figure 3c is a perspective view showing an example of the FR-4 spring according to the present invention
Figures 4a to 4c is a view showing the shape change according to the mode of the magnet and FR-4 spring in accordance with the present invention
5 is a graph showing the maximum displacement amount of the magnet according to the input frequency in accordance with the present invention
6 is a graph showing an output voltage vs. an input frequency according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph illustrating an output voltage versus an input acceleration according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B are graphs illustrating output voltages and output powers of the first to third coils according to the change of the load resistance according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 의한 진동형 전자기식 에너지 하베스터의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a vibration type electromagnetic energy harvester according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선, 본 실시 예의 진동형 전자기식 에너지 하베스터는 높은 출력 전원과 낮은 공진 주파수를 제공하며, ANSYS - FEM (Finite element model) 구조 해석에 따라 제조됨에 유의하도록 한다. 아울러 진동형 전자기식 에너지 하베스터의 구성인 FR-4 스프링과 NdFeB 영구자석의 구성을 스프링- 질량계(spring-mass system)로 정의한다.First, it should be noted that the vibration type electromagnetic energy harvester of the present embodiment provides a high output power and a low resonant frequency, and is manufactured according to ANSYS-FEM (Finite element model) structural analysis. In addition, the structure of the FR-4 spring and NdFeB permanent magnet, which are the components of the vibration type electromagnetic energy harvester, is defined as a spring-mass system.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 진동형 전자기식 에너지 하베스터의 구조를 보인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 진동형 전자기식 에너지 하베스터(이하, '에너지 하베스터'라 칭함)(100)는 하우징(110), 자석(120), 스프링(130), 코일부(140) 및 지그(jig)(140)를 포함하여 구성된다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a vibration type electromagnetic energy harvester according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the vibration type electromagnetic energy harvester (hereinafter, referred to as 'energy harvester') 100 includes a
하우징(110)은 그 외형과 골격을 몸체가 형성하며, 실질적으로 몸체가 에너지 하베스터(100)의 외부 형상을 이룬다. 몸체는 원통형으로 형성되며, 내부에는 상하 방향으로 중공부(112)가 형성되어 자석(120)의 상하 이동을 가능하게 한다. 또한 하우징(110)의 외주면에는 구리 코일(140)이 권취되는데, 이때 상기 구리 코일(140)이 안정되게 감기도록 복수 개의 요홈(114)이 형성된다. 요홈(114)은 하우징(110)의 세로 방향으로 상/중/하 영역과 같이 3개의 영역으로 구분되어 형성된다. 그리고 하우징(110)은 테프론(teflon)으로 제조된다. The
하우징(110)의 중공부(112)에는 중공부(112)를 따라 상하로 이동하는 자석(120)이 수용된다. 본 실시 예의 자석(120)은 자속 밀도가 우수한 원통형 NdFeB 영구자석('120'으로 부여함)이다. 그리고 자석(120)은 자석(120)의 편향과 관성을 증가시키기 위하여 스프링(130)의 중앙에 위치한다. 실시 예에서 자석은 27.5 g의 질량을 갖는다. The
하우징(110)의 상단과 하단에는 제 1 스프링(130a) 및 제 2 스프링(130b)이 장착된다. 스프링(130)은 FR-4 재질로 제조된다. 이하 설명에서는 스프링과 FR-4 스프링은 동일한 의미로 사용되며, 동일 부호를 부여하기로 한다. FR-4는 PCB (Printed Circuit Board) 기판의 주재료로 사용되는 물질로서, 탄성계수가 종래 사용되었던 실리콘(Si), 구리보다 낮아 저 주파수용 스프링 제작에 용이한 이점이 있다. 이들의 탄성계수를 살펴보면 실리콘은 150 GPa 이고, 구리는 120 GPa이며, FR-4는 15 GPa ~ 20 GPa이다. 이는 전자기식 변환기에서, 스프링과 질량(mass)으로 이루어져 있는 진동계인 스프링 질량계(spring-mass system)의 공진 주파수는 스프링과 질량에 의존하고, 스프링의 재질은 에너지 하베스터의 기능에 영향을 미치는 요인으로서 작용하기 때문이다. 한편 FR-4로 만들어진 스프링(130)은 낮은 스프링 상수, 고 증폭, 낮은 응력도 등의 이유로 나선형 또는 곡선형으로 제조 가능하다. 그리고 스프링(130)의 제조에는 실시 예에서 CNC 3D 모델링이 사용된다. First and
본 실시 예에서 FR-4 스프링(130)은 제 1 스프링(130a)과 제 2 스프링(130b)이 자석(120)의 상단과 하단에 각각 설치된다. 이처럼 2개의 FR-4 스프링이 사용됨으로써, 파괴 피로(fatigue failure)를 연장하고 또한 자석(120)이 좌우 방향으로의 움직임은 방지되면서 상하 방향에서 선형적으로 움직이게 할 수 있다.In the present embodiment, the FR-4
하우징(110)에 형성된 복수 개의 요홈(114)에는 코일부(140)가 권취된다. 코일부(140)는 제 1 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)로 구성되고, 구리로 만들어지며 실시 예에서 코일의 직경은 0.1 mm이다. 이와 같은 제 1 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)은 중공부(112)에서 상하 이동하는 자석(120)의 상대적 위치 변화에 따른 자계의 변화에 의하여 기전력을 발생하는 부분이다. 그리고 제 1 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)은 입력 주파수(input frequency), 입력 가속도(input acceleration) 및 부하 저항(load resistance)에 따라 출력 전압(output voltage)을 각각 상이하게 발생한다. 이에 대해서는 후술하는 시뮬레이션 결과를 통해 설명한다. The
하우징(120)의 상단과 하단에는 플라스틱 재질로 만들어지는 지그(150)가 결합한다. 지그(150)는 제 1 스프링(130a)과 제 2 스프링(130b)이 중공부(112) 내에서 고정되도록 하는 역할을 한다. The
상술한 바와 같이 본 실시 예에 따른 에너지 하베스터(100)는 하우징(110)의 상단과 하단에 FR-4 스프링(130)이 각각 설치됨을 그 기본적인 특징으로 하고 있으며, 또한 하우징(110)의 내부에서 상하 이동하는 자석(120)의 상대적인 위치 변화에 따라 서로 다른 출력 값을 발생하도록 3개의 코일(140a ~ 140c)이 하우징(110)의 상/중/하 영역에 각각 권취되는 것이다.As described above, the
다음에는 본 실시 예의 에너지 하베스터(100)에 채용된 스프링의 재료인 FR-4에 대해서 기존 스프링의 재료로 사용되는 실리콘, 알루미늄 및 구리와의 상대적인 공진주파수 값을 살펴보기로 한다. 이는 도 2를 참조하며, 도 2는 스프링 형상에 대한 재료별 공진 주파수를 나타낸 도면이다. 도 2에는 FR-4, 실리콘, 알루미늄 및 구리의 공진 주파수 값이 도시되어 있다. Next, with respect to FR-4, which is a material of the spring employed in the
전술한 바와 같이 저 주파수에서 고 출력을 갖는 에너지 하베스터(100)를 설계하기 위해서는 스프링(130)의 재료는 피로 파괴와 같은 내구성을 극복하며, 아울러 낮은 탄성계수나 높은 인장력에 대한 특성을 제공해야 한다. 이러한 조건을 만족하는 재료가 FR-4 재질이며 본 실시 예에서 스프링의 재료로 사용되는 것이다.As described above, in order to design an
도 2를 참조하면, FR-4 재질이 1 ~ 3차 공진 모드에서 모두 가장 낮은 공진 주파수를 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉 다른 재료인 실리콘, 알루미늄, 및 구리와의 각 공진모드에서 공진 주파수를 비교해봤을 때, FR-4은 1차 모드: 16.25 ㎐, 2차 모드 : 75.24 ㎐ 및 3차 모드 : 91.96 ㎐의 값이 나타났으며, 이는 전술한 다른 3개의 재질인 실리콘, 알루미늄, 구리보다 상대적으로 낮은 공진 주파수 값을 가짐을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the FR-4 material exhibits the lowest resonant frequency in the first to third resonant modes. In other words, when comparing the resonant frequency in each resonant mode with other materials, such as silicon, aluminum, and copper, FR-4 has a value of 16.25 차 in primary mode, 75.24 2 in secondary mode and 91.96 ㎐ in tertiary mode. It can be seen that this has a relatively low resonant frequency value than the other three materials, silicon, aluminum, and copper described above.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 적용된 FR- 4 스프링(130)의 기하학적인 예를 보인 도면으로, 도 3a은 곡선형(curve-type) FR-4 스프링,도 3b는 직각형(right type) FR-4 스프링의 예를 도시하고 있다.Figures 3a and 3b is a view showing a geometric example of the FR-4
이들 두 종류의 FR-4 스프링(130)에 대하여 스프링-질량계의 피로 수명에 영향을 미치는 최대 응력(stress)를 살펴보면, 곡선 타입의 FR-4 스프링은 182 MPa이고 직각 타입의 FR-4 스프링은 246 MPa로 나타났다. For these two types of FR-4
이의 결과로서 직각 타입의 FR-4 스프링이 곡선 타입의 FR-4 스프링에 비하여 최대 응력은 64 MPa 가 더 높음을 알 수 있다. 여기서, 최대 응력 값은 FR-4 스프링(130)의 곡선 및 직각 영역부분에서 추출한 값이다. As a result, it can be seen that the maximum stress is 64 MPa higher than that of the rectangular FR-4 spring, compared to the curved FR-4 spring. Here, the maximum stress value is a value extracted from the curve and the right angle region of the FR-4
한편, 도 3c는 본 발명에 따른 FR-4 스프링의 예를 사시도로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 FR-4 스프링(130)은 박막 형태로 형성되어, 자석(120)의 상단과 하단에 위치하고 있다. 그리고 실시 예에서 FR-4 스프링(130)은 1 mm 너비와 200 ㎛ 두께로 제조된다. 아울러 빔들 사이의 간격, 내부 직경 및 외부 직경은 각각 1 mm, 17 mm, 20 mm로 형성된다. 물론, 상술한 수치는 일 실시 예에 불과하며 이와 다른 사이즈로 제조할 수 있음은 당연할 것이다.On the other hand, Figure 3c shows an example of the FR-4 spring according to the present invention in a perspective view. As shown in the figure, the FR-4
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따라 자석과 FR-4 스프링의 모드에 따른 형상 변화를 나타낸 도면이다. 4a to 4c is a view showing a change in shape according to the mode of the magnet and the FR-4 spring in accordance with the present invention.
즉, FR-4 스프링의 1차 공진모드의 공진주파수가 16.25 ㎐ 일 때의 형상은 도 4a에 도시되어 있고, FR-4 스프링의 2차 공진모드의 공진주파수가 75.24 ㎐ 일 때의 형상은 도 4b에 도시되어 있고, FR-4 스프링의 3차 공진모드의 공진주파수가 91.96 ㎐ 일 때의 형상은 도 4c에 도시되어 있다.That is, the shape when the resonance frequency of the primary resonance mode of the FR-4 spring is 16.25 Hz is shown in FIG. 4A, and the shape when the resonance frequency of the secondary resonance mode of the FR-4 spring is 75.24 Hz is shown in FIG. 4B, the shape when the resonant frequency of the third resonance mode of the FR-4 spring is 91.96 Hz is shown in FIG. 4C.
도 5는 입력 주파수에 따른 자석의 최대 변위량을 도시하고 있는 그래프이다.5 is a graph showing the maximum displacement amount of the magnet according to the input frequency.
도 5를 보면, FR-4 스프링(130)의 최대 변위는 2.36 mm 일 때 자석(120)이 코일방향인 아래(z축)로 이동하는 1차 모드 (16.25 ㎐)에서 발생하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the maximum displacement of the FR-4
즉 자석(120)은 제 1 코일(140a) 및 제 3 코일(140c)의 중앙에서 1 mm 높거나 낮게 위치하는데, 중력 조건하에서 자석(120)은 아래 방향으로 0.8 mm 이동하게 되는 것이다. That is, the
따라서 자석(120)의 상단 모서리 부분은 제 1 코일(140a)의 중앙과 약 0.2 mm 갭(gap)이 생기고, 자석(120)의 하단 모서리부분은 제 3 코일(140c)의 중앙과 1.8 mm 갭(gap)이 생기게 된다. Accordingly, the upper edge portion of the
다음에는 본 실시 예에 따른 진동형 전자기식 에너지 하베스터에 대한 테스트 과정을 설명하기로 한다. Next, a test process for the vibration type electromagnetic energy harvester according to the present embodiment will be described.
이를 위해 에너지 하베스터의 출력 측정 및 분석에 사용된 장비 및 조건은 다음과 같다. 우선 진동 신호를 발생하고 이를 제어하기 위하여 신호발생기(Generator), 제어기, 증폭기, 진동 가속도계(accelerometer), 진동기(vibrator), 및 계측기(oscilloscope) 등을 포함하게 된다. 실시 예에 따르면, 신호 발생기는 'SCO-01P', 제어기는 'LAS-200', 증폭기는 'PA25E-CE', 진동 가속도계는 'IEPE-8341', 진동기는 'LDS-V201-M4', 계측기는 'LeCroy'를 사용하였다. The equipment and conditions used to measure and analyze the output of energy harvesters are as follows. In order to generate and control a vibration signal, a signal generator, a controller, an amplifier, a vibration accelerometer, a vibrator, and an oscilloscope are included. According to the embodiment, the signal generator 'SCO-01P', the controller 'LAS-200', the amplifier 'PA25E-CE', the vibration accelerometer 'IEPE-8341', the vibrator 'LDS-V201-M4', the measuring instrument Uses 'LeCroy'.
이를 이용한 분석 조건은, 주파수, 진동가속도 및 부하 저항을 입력 값으로 하고, 코일부(140)의 제 1 코일(140a) 내지 제 3 코일(140c)에서 출력되는 출력 전압(Vrms)을 측정하였다. As an analysis condition using this, frequency, vibration acceleration, and load resistance were measured as input values, and the output voltage Vrms output from the
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 주파수 대비 출력 전압을 나타낸 그래프이다. 6 is a graph illustrating an output voltage versus an input frequency according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이 제 1 코일 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)의 출력 전압은 입력 주파수가 16 Hz 일 때 가장 큰 출력 값을 발생하고 있다. 특히 0.2 가속도(g)와 16 ㎐ 입력 주파수에서, 제 1 코일(140a)은 2.56 Vrms 값이고, 제 3 코일(140c)은 2.24 Vrms 값이며, 제 2 코일(140b)은 0.72 Vrms 값을 나타낸다. 물론, 제 1 코일 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)이 직렬 연결된 경우는 5.52 Vrms의 출력 전압 값이 발생함을 알 수 있다. As shown in FIG. 6, the output voltages of the first to
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 가속도 대비 출력 전압을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph illustrating an output voltage versus an input acceleration according to an embodiment of the present invention.
도 7을 보면, 입력 가속도가 증가함에 따라 제 1 코일 내지 제 3 코일(140a ~ 140c)의 출력 전압도 꾸준히 증가하고 있음을 알 수 있다. 그 중 제 1 코일(140a)의 출력 전압이 다른 제 2 코일(140b) 및 제 3 코일(140c)에 비하여 출력 전압이 더 높게 발생하고 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that as the input acceleration increases, the output voltages of the first to
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 부하 저항의 변화에 따른 제 1 코일 내지 제 3 코일의 출력 전압 및 출력 전원을 나타내고 있는 그래프이다. 8A and 8B are graphs illustrating output voltages and output powers of the first to third coils according to a change in the load resistance according to an exemplary embodiment of the present invention.
그 중, 도 8a는 부하저항에 따른 출력 전압 값을 나타낸다. 도시된 바와 같이 제 1 코일 및 제 3 코일(140a ~ 140c)은 부하저항이 증가함에 따라 대응되어 출력 전압도 증가하고 있다. 반면, 하우징(110)의 중앙에 위치한 제 2 코일(140b)에서는 부하 저항이 증가하더라도 출력 전압은 제로(zero) 상태이거나 제로(zero)에 가까울 만큼 낮은 값을 발생하게 된다. 8A shows an output voltage value according to the load resistance. As shown in the drawing, the first coil and the
도 8b는 부하저항에 따른 출력 전원 값을 나타낸다. 도 8b를 보면 부하 저항이 1.66 ㏀ 일 때 1.59 ㎽의 전원이 출력됨을 알 수 있다. 8b shows the output power value according to the load resistance. Referring to FIG. 8B, when the load resistance is 1.66 kW, the power of 1.59 kW is output.
이와 같은 실험 결과를 기초로 하면, 본 실시 예에 따른 진동형 전자기식 에너지 하베스터(100)는 0.2 g의 가속도와 16 Hz에서 1.59 mW의 출력을 발생시키고 있고, 전력밀도(power density)는 1.125 mW/cm3 g2로서, 저주파수에서 고출력을 제공할 수 있음을 알 수 있다. 이는 다음의 [표 1]를 통해 좀더 명확하게 확인이 가능하다.Based on the experimental results, the vibration-type
즉, [표 1]에는 본 실시 예에 따른 에너지 하베스터와, 이와 관련된 분야에서 개시하고 있는 종래의 다른 진동형 전자기식 에너지 하베스터(EMEH)와의 주파수, 전원 및 전력밀도를 각각 비교한 결과를 정리한 것이다. That is, Table 1 summarizes the results of comparing the frequency, power, and power density of the energy harvester according to the present embodiment and other conventional electromagnetic electromagnetic energy harvesters (EMEH) disclosed in the related fields. .
에너지하베스터
상기 [표 1]을 보면, 본 발명의 에너지 하베스터(100)는 논문 (1) ~ (10)에서 개시하고 있는 종래의 에너지 하베스터에 비해 보다 낮은 공진 주파수를 가지면서 출력 전원 및 전력 밀도가 높게 발생하고 있음을 알 수 있다. 즉 대략 최대 10배 이상의 출력을 얻고 있다. Referring to [Table 1], the
한편 본 발명의 에너지 하베스터와의 성능을 비교하기 위하여 종래 진동형 전자기식 에너지 하베스터를 언급하고 있는 [표 1]에 개시한 논문 (1) ~(10)은 다음과 같다. Meanwhile, in order to compare the performance with the energy harvester of the present invention, the papers (1) to (10) disclosed in Table 1 referring to the conventional vibration type electromagnetic energy harvester are as follows.
(1). Hatipoglu G and Urey 2010 FR-4 based electromagnetic energy harvester for wireless sensor nodes Smart Mater . Struct . 19 015022-015032(One). Hatipoglu G and Urey 2010 FR-4 based electromagnetic energy harvester for wireless sensor nodes Smart Mater . Struct . 19 015022-015032
(2). Yang B, Lee C, Xiang W, Xie J, He J H, Kotlanka R K, Low S P and Feng H 2009 Electromagnetic energy harvesting from vibrations of multiple frequencies J. Micromech . Microeng . 19 035001(2). Yang B, Lee C, Xiang W, Xie J, He JH, Kotlanka RK, Low SP and Feng H 2009 Electromagnetic energy harvesting from vibrations of multiple frequencies J. Micromech . Microeng . 19 035001
(3). Elvin N G and Elvin A A 2011 An experimentally validated electromagnetic energy harvester J. Sound Vib . 330 2314-2324(3). Elvin NG and Elvin AA 2011 An experimentally validated electromagnetic energy harvester J. Sound Vib . 330 2314-2324
(4) Cheng S and Arnold D P 2010 A study of a multi-pole magnet generator for low-frequency vibrational energy harvesting J. Micromech . Microeng. 20 025015(4) Cheng S and Arnold DP 2010 A study of a multi-pole magnet generator for low-frequency vibrational energy harvesting J. Micromech . Microeng. 20 025015
(5) Cepnik C, Radler O, Rosenbaum S, Stohla T and Wallrabe U 2011 Effective optimization of electromagnetic energy harvesters through direct computation of the electromagnetic coupling, Sensors Actuators A 167 416-421(5) Cepnik C, Radler O, Rosenbaum S, Stohla T and Wallrabe U 2011 Effective optimization of electromagnetic energy harvesters through direct computation of the electromagnetic coupling, Sensors Actuators A 167 416-421
(6) Wang P, Liu H, Dai X, Yang Z, Wang Z and Zhao X 2012 Design, simulation, fabrication and characterization of a micro electromagnetic vibraton energy harvester with sandwiched structure and air channel J.Microelectro. 43 154-159(6) Wang P, Liu H, Dai X, Yang Z, Wang Z and Zhao X 2012 Design, simulation, fabrication and characterization of a micro electromagnetic vibraton energy harvester with sandwiched structure and air channel J. Microelectro. 43 154-159
(7) Ching N N H, Wong H Y, Li w j, lEONG P H W and Wen Z 2002 A laser micro-machined multi-modal resonating power transducer for wireless sensing systems Sensors Actuators A 97-98 685-690(7) Ching NNH, Wong HY, Li wj, lEONG PHW and Wen Z 2002 A laser micro-machined multi-modal resonating power transducer for wireless sensing systems Sensors Actuators A 97-98 685-690
(8) Pan C T, Hwang Y M and Hu H L 2006 Fabrication and analysis of a magnetic self-power microgenerator J. Magn . Magn . Mater . 304 394-396(8) Pan CT, Hwang YM and Hu HL 2006 Fabrication and analysis of a magnetic self-power microgenerator J. Magn . Magn . Mater . 304 394-396
(9) Buren T V and Troster G 2007 Design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power genereator Sensors Actuators A 135 765-775(9) Buren TV and Troster G 2007 Design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power genereator Sensors Actuators A 135 765-775
(10) Beeby S P, Torah R N, Tudor M J, Glynne-Jones P, O'Donnell T, Saha C R and Roy S 2007 A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting J. Micromech . Microeng . 17 1257-1265
(10) Beeby SP, Torah RN, Tudor MJ, Glynne-Jones P, O'Donnell T, Saha CR and Roy S 2007 A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting J. Micromech . Microeng . 17 1257-1265
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 예는 2개의 FR-4 스프링, NdFeB 영구자석, 그리고 3개 영역으로 구분되어 권취된 구리 코일을 포함하여 구성된 진동형 전자기식 에너지 하베스터는 영구 자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상하 움직임으로 저 주파수에서 기존의 에너지 하베스터에 비하여 몇 배 이상의 출력을 획득하고 있음을 알 수 있다. As described above, this embodiment is a vibration type electromagnetic energy harvester comprising two FR-4 springs, NdFeB permanent magnets, and a copper coil wound in three regions while preventing the left and right movement of the permanent magnets Up and down movement shows that the output is several times higher than conventional energy harvesters at low frequencies.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be apparent that modifications, variations and equivalents of other embodiments are possible. Therefore, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
110 : 하우징 112 : 중공부
114 : 요홈 120 : 자석
130 : FR -4 스프링 140 : 코일110
114: groove 120: magnet
130: FR-4 spring 140: coil
Claims (9)
상기 하우징의 상단과 하단에 설치되며 FR-4 재질로 제조된 제 1 스프링 및 제 2 스프링;
상기 제 1 스프링 및 제 2 스프링 사이에 위치하며 상기 중공부 내에서 상하 이동하는 자석; 및
상기 자석의 위치와 대응되는 상기 하우징의 외주면을 권취하며, 상기 자석의 상하 이동에 따라 기전력을 발생하는 코일부를 포함하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.A cylindrical housing having a hollow portion formed therein;
First and second springs installed at upper and lower ends of the housing and made of FR-4;
A magnet positioned between the first spring and the second spring and vertically moving in the hollow part; And
Vibrating electromagnetic energy harvester comprising a coil unit for winding the outer peripheral surface of the housing corresponding to the position of the magnet, and generates an electromotive force according to the vertical movement of the magnet.
상기 자석은 NdFeB 영구 자석임을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The magnet is a vibration type electromagnetic energy harvester, characterized in that the NdFeB permanent magnet.
상기 하우징의 외주면에는 일정 간격 이격되는 복수의 요홈이 형성되고,
상기 요홈에는 상기 코일부의 코일이 각각 권선됨을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The outer circumferential surface of the housing is formed with a plurality of grooves spaced at a predetermined interval,
The groove is a vibration type electromagnetic energy harvester, characterized in that the coil of the coil unit is wound.
상기 요홈은 상기 하우징의 세로 방향을 따라 소정 간격 이격되면서 상/중/하 위치로 구획되어 형성되며,
상기 상/중/하 위치의 각 요홈에 권선된 제 1 코일 내지 제 3 코일은, 입력 주파수(input frequency), 입력 가속도(input acceleration) 및 부하 저항(load resistance)에 따라 출력 전압(output voltage)이 각각 상이하게 발생함을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.5. The method of claim 4,
The recess is formed by partitioning the upper / middle / lower position spaced apart a predetermined interval along the longitudinal direction of the housing,
The first to third coils wound in the grooves of the upper, middle and lower positions may have an output voltage according to an input frequency, an input acceleration, and a load resistance. Vibration type electromagnetic energy harvester, characterized in that each occurs differently.
상기 입력 주파수에 따른 출력 전압 값은 상기 제 1 코일에서 가장 높고, 상기 제 2 코일에서 가장 낮게 출력됨을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 5, wherein
The output voltage value according to the input frequency is the highest in the first coil, the lowest in the second coil is characterized in that the vibration type electromagnetic energy harvester.
상기 입력 가속도가 증가하면, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일의 출력 전압 값도 증가함을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 5, wherein
The vibration type electromagnetic energy harvester, characterized in that as the input acceleration increases, the output voltage values of the first to third coils also increase.
상기 부하 저항의 변화에 따라 제 1 코일과 제 3 코일의 출력 전압은 증가하나, 제 2 코일의 출력 전압은 제로(zero)임을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 5, wherein
The output voltage of the first coil and the third coil increases according to the change of the load resistance, but the output voltage of the second coil is zero.
상기 부하 저항의 변화에 따른 출력 전원은 0.2 가속도(g)와 16 Hz 입력 주파수에서 1.59 mW의 출력을 발생하는 것을 특징으로 하는 진동형 전자기식 에너지 하베스터.The method of claim 5, wherein
The output power according to the change of the load resistance is a vibration type electromagnetic energy harvester, characterized in that the output of 1.59 mW at 0.2 acceleration (g) and 16 Hz input frequency.
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