KR101361576B1 - Multi-frequency electromagnetic energy harvester - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로다른 공진 주파수를 갖는 다수의 발전기를 수직 또는 수평으로 배열하여 다양한 주파수 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터에 관한 것으로, 하우징부; 상기 하우징부의 상단과 하단에 설치되는 고정 자석부; 상기 상단과 하단에 설치된 고정 자석부 사이에 위치하여 진동하는 이동 자석부; 및 상기 이동 자석부 주위에 위치하며, 상기 하우징부를 권취하는 코일부를 포함하는 개별 발전기를 구비하여, 외부에서 전해지는 진동에너지를 이용하여 전기에너지로 변환하는 전자기 에너지 하베스터에 있어서, 상기 개별 발전기는 서로다른 공진 주파수를 가지는 2 이상의 발전기들로 구성되며, 상기 각각의 개별 발전기에서 발생하는 전자기장의 간섭을 받지 않는 최소 거리로 이격되어 수평 또는 수직 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a multi-frequency electromagnetic energy harvester for arranging a plurality of generators having different resonance frequencies vertically or horizontally to collect energy more efficiently in various frequency environments, the housing portion; A fixed magnet part installed at an upper end and a lower end of the housing part; A moving magnet part vibrating between the upper and lower fixed magnet parts; And an individual generator positioned around the moving magnet part and including a coil part winding the housing part, wherein the individual generator is an electromagnetic energy harvester that converts the electrical energy into electrical energy using vibration energy transmitted from the outside. It is composed of two or more generators having different resonant frequencies, characterized in that arranged in a horizontal or vertical direction spaced apart from the minimum distance from the interference of the electromagnetic field generated by each individual generator.
Description
본 발명은 전자기 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로다른 공진 주파수를 갖는 다수의 발전기를 수직 또는 수평으로 배열하여 다양한 주파수 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터에 관한 것이다.
The present invention relates to an electromagnetic energy harvester, and more particularly, to a multi-frequency electromagnetic energy harvester to arrange the plurality of generators having different resonant frequencies vertically or horizontally to collect the energy more efficiently in various frequency environments. It is about.
잘 알려진 바와 같이, 에너지 하베스팅 기술이란 에너지 수확기술이라고도 하며 인체의 운동이나 주변 환경을 이용하여 에너지를 수확해 시간 및 공간에 비제한적인 에너지 사용을 이끌어 내는 기술이다.As is well known, energy harvesting technology, also known as energy harvesting technology, is a technology that harvests energy using the human body's movements or the surrounding environment, leading to unlimited use of energy in time and space.
에너지 하베스팅 기술의 특징은 주변 환경에서 에너지를 추출해내는 동안 오염물질의 배출이 없는 친환경 녹색 기술이다. 소량의 전력으로 구동될 수 있는 저전력 통신기기, 센서 네트워크, 체내 삽입형 기기, 모바일 기기 등이 주된 응용분야이다. 현재 선진국들은 에너지 하베스팅 기술의 활용성을 높게 평가하여 그에 대한 기술개발에 박차를 가하고 있다.Energy harvesting technology is an eco-friendly green technology that emits no pollutants while extracting energy from the environment. Low power communication devices, sensor networks, implantable devices and mobile devices that can be driven by small amounts of power are the main applications. Currently, developed countries have highly evaluated the utility of energy harvesting technologies and are speeding up their development.
하베스팅 에너지원들을 다양한 방법을 통해 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술이 이미 존재하고 있다. 하지만, 대부분의 발전 방법은 아직까지 변환효율이 높지 않다. 따라서 향후 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필수적이다.There is already a technology for converting harvesting energy sources into electrical energy in a variety of ways. However, most power generation methods are not yet very efficient. Therefore, it is essential to develop a technology that can improve energy conversion efficiency in the future.
이에, 본 출원인은 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0024018호(2012.03.14)에 외부에서 전해지는 진동 에너지를 이용하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스터를 개시한바 있다.Accordingly, the present applicant has disclosed an energy harvester for converting into electric energy using vibration energy transmitted from the outside in Korean Patent Publication No. 10-2012-0024018 (2012.03.14).
도 1은 종래기술에 따른 에너지 하베스터를 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 에너지 하베스터는 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130) 및 코일부(140)를 포함하는 발전기(100)로 이루어진다.1 is a view showing an energy harvester according to the prior art, as shown in the energy harvester according to the prior art, the
하우징부(110)는 내부가 중공인 원통형으로 형성되고, 그 내부에 이동 자석부(130)가 상하로 이동가능하도록 수용된다.The
고정 자석부(120,125)는 상기 하우징부(110)의 상단과 하단에 설치되고, 이동 자석부(130)는 상기 상단과 하단에 설치된 고정 자석부(120,125) 사이에 위치하여 진동한다.The
코일부(140)는 상기 이동 자석부(130) 주위에 위치하며, 상기 하우징부(110)를 권취한다.The
이와 같은 구성에 따라, 주변 진동에 의하여 이동 자석부(130)가 코일부(140)의 나선형 축방향으로 왕복운동을 할 때 상대적 위치변화에 따른 자계의 변화에 의하여 코일부(140) 양단에 기전력이 발생하게 된다.According to this configuration, when the moving
그러나 이와 같은 종래기술에 따른 에너지 하베스터에 의하면, 고유 진동수에 대응하는 주파수가 발생하는 경우에는 공진(resonance)에 의해 충분한 전력을 얻을 수 있지만, 고유 진동수를 벗어나면 전력의 출력이 급격히 감소하여 에너지 생산 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
However, according to the energy harvester according to the related art, when a frequency corresponding to a natural frequency occurs, sufficient power can be obtained by resonance, but when it is out of the natural frequency, the output of power decreases rapidly to produce energy. There was a problem of low efficiency.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 서로다른 공진 주파수를 갖는 다수의 발전기를 수직 또는 수평으로 배열하여 다양한 주파수 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
The present invention is to overcome the problems of the prior art described above, multi-frequency electromagnetic energy to more efficiently collect energy in a variety of frequency environment by arranging a plurality of generators having different resonance frequencies vertically or horizontally The purpose is to provide the harvester.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하우징부; 상기 하우징부의 상단과 하단에 설치되는 고정 자석부; 상기 상단과 하단에 설치된 고정 자석부 사이에 위치하여 진동하는 이동 자석부; 및 상기 이동 자석부 주위에 위치하며, 상기 하우징부를 권취하는 코일부를 포함하는 개별 발전기를 구비하여, 외부에서 전해지는 진동에너지를 이용하여 전기에너지로 변환하는 전자기 에너지 하베스터에 있어서, 상기 개별 발전기는 서로다른 공진 주파수를 가지는 2 이상의 발전기들로 구성되며, 상기 각각의 개별 발전기에서 발생하는 전자기장의 간섭을 받지 않는 최소 거리로 이격되어 수평 또는 수직 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 제공한다.The present invention to achieve the above object, the housing; A fixed magnet part installed at an upper end and a lower end of the housing part; A moving magnet part vibrating between the upper and lower fixed magnet parts; And an individual generator positioned around the moving magnet part and including a coil part winding the housing part, wherein the individual generator is an electromagnetic energy harvester that converts the electrical energy into electrical energy using vibration energy transmitted from the outside. Composed of two or more generators having different resonant frequencies, multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that arranged in a horizontal or vertical direction spaced at a minimum distance from the interference of the electromagnetic field generated by each individual generator To provide.
상기 개별 발전기의 서로다른 공진 주파수는; 7Hz 이상 10Hz 이하인 것이 바람직하다.Different resonant frequencies of the individual generators; It is preferable that they are 7 Hz or more and 10 Hz or less.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는; 유한요소 해석 알고리즘을 이용한 전자기장 해석을 통하여 결정될 수 있다.The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator; It can be determined through electromagnetic field analysis using finite element analysis algorithm.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기에서 발생하는 전자기장의 세기에 비례한다.The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator; It is proportional to the strength of the electromagnetic field generated by each individual generator.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기의 물리적 크기에 비례하는 것이 바람직하다.The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator; It is desirable to be proportional to the physical size of each individual generator.
상기 수평 방향으로 배열된 각각의 개별 발전기는; 2의 배수 개로 배열되는 상호 대칭 구조로 구성될 수 있다.Each individual generator arranged in the horizontal direction; It can be composed of mutually symmetrical structures arranged in multiples of two.
또한, 상기 각각의 개별 발전기를 감싸는 차폐부; 및 상기 각각의 개별 발전기가 상기 수평 방향의 이격 거리를 유지하여 고정되도록 형성된 본체부를 포함한다.In addition, a shield surrounding each individual generator; And a main body portion formed such that each individual generator is fixed by maintaining the separation distance in the horizontal direction.
상기 수직 방향으로 배열된 각각의 개별 발전기는; 상기 각각의 개별 발전기들 사이에 스페이서가 개재되는 것이 바람직하다.Each individual generator arranged in the vertical direction; Preferably, a spacer is interposed between each of the individual generators.
상기 스페이서는 소정 두께의 테프론 블록(Teflon block)으로 이루어진 것이 더욱 바람직하다.
More preferably, the spacer is made of a Teflon block having a predetermined thickness.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터에 의하면, 서로다른 공진 주파수를 갖는 다수의 발전기를 수직 또는 수평으로 배열하여 다양한 주파수 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 함으로써, 다양한 공진 주파수로부터 에너지 생산 효율을 상승시키는 효과가 있다.
According to the multi-frequency electromagnetic energy harvester according to the present invention configured as described above, by arranging a plurality of generators having different resonance frequencies vertically or horizontally to collect the energy more efficiently in various frequency environments, various resonance There is an effect of increasing the energy production efficiency from the frequency.
도 1은 개시된 종래기술에 따른 전자기력 기반의 진동에너지 수집소자의 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 나타낸 평면도로서, 서로다른 공진 주파수의 발전기를 수평 방향으로 배열한 상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 나타낸 단면도로서, 서로다른 공진 주파수의 발전기를 수직 방향으로 배열한 상태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수평 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수직 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프.1 is a conceptual diagram of an electromagnetic force-based vibration energy collection device according to the prior art disclosed.
Figure 2 is a plan view showing a multi-frequency electromagnetic energy harvester according to an embodiment of the present invention, showing a state in which generators of different resonant frequencies are arranged in a horizontal direction.
3 is a cross-sectional view showing a multi-frequency electromagnetic energy harvester according to an embodiment of the present invention, showing a state in which generators of different resonant frequencies are arranged in a vertical direction.
Figure 4 is a graph showing the electromagnetic field strength and distribution between the generators arranged in the horizontal direction in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the electromagnetic field strength and distribution between the generators arranged in the vertical direction in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일부호를 사용하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, the same components as in the prior art will be described using the same reference numerals.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 나타낸 평면도로서, 서로다른 공진 주파수의 발전기를 수평 방향으로 배열한 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터를 나타낸 단면도로서, 서로다른 공진 주파수의 발전기를 수직 방향으로 배열한 상태를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a plan view showing a multi-frequency electromagnetic energy harvester according to a preferred embodiment of the present invention, a state in which generators of different resonant frequencies are arranged in a horizontal direction, Figure 3 is a preferred embodiment of the present invention A cross-sectional view showing a multi-frequency electromagnetic energy harvester according to an example, in which generators of different resonant frequencies are arranged in a vertical direction.
또한, 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수평 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수직 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프이다.In addition, Figure 4 is a graph showing the electromagnetic field strength and distribution between the generators arranged in the horizontal direction in accordance with a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is a generator between the generators arranged in a vertical direction in accordance with a preferred embodiment of the present invention Is a graph showing the electromagnetic field strength and distribution.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터는, 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130), 코일부(140)를 포함하는 개별 발전기(100)와, 차폐부(210), 본체부(220) 및 스페이서(230)를 포함한다.As shown, the multi-frequency electromagnetic energy harvester according to an embodiment of the present invention, the
상기 하우징부(110)는 내부가 중공인 원통형으로 형성되고, 그 내부에 이동 자석부(130)가 상하로 이동가능하도록 수용되며, 고정 자석부(120,125)는 상기 하우징부(110)의 상단과 하단에 설치되고, 이동 자석부(130)는 상기 상단과 하단에 설치된 고정 자석부(120,125) 사이에 위치하여 진동하고, 코일부(140)는 상기 이동 자석부(130) 주위에 위치하며, 상기 하우징부(110)를 권취하고, 이와 같은 구성에 따라 주변 진동에 의하여 이동 자석부(130)가 코일부(140)의 나선형 축방향으로 왕복운동을 할 때 상대적 위치변화에 따른 자계의 변화에 의하여 코일부(140) 양단에 기전력이 발생하게 됨은 도 1을 통하여 전술한 바와 같다.The
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터는, 상기와 같이 구성된 개별 발전기(100)들을 서로다른 공진 주파수를 가지는 2 이상의 발전기(100)들로 구성하고, 상기 각각의 개별 발전기(100)에서 발생하는 전자기장의 간섭을 받지 않는 최소 거리로 이격되어 수평 또는 수직 방향으로 배열하는 것이다.The multi-frequency electromagnetic energy harvester according to the preferred embodiment of the present invention comprises two or
예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터는 서로다른 공진 주파수의 발전기(100)를 수평 방향으로 배열할 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, the multi-frequency electromagnetic energy harvester according to the exemplary embodiment of the present invention may arrange
이때, 상기 개별 발전기의 서로다른 공진 주파수는; 7Hz 이상 10Hz 이하인 것이 바람직하다. 상기 공진 주파수는 상기 개별 발전기(100)에 포함되는 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130), 코일부(140)의 크기에 따라 결정될 수 있다.In this case, different resonant frequencies of the individual generators; It is preferable that they are 7 Hz or more and 10 Hz or less. The resonant frequency of the
또한, 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수평 방향의 이격 거리는; ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용한 전자기장 해석을 통하여 결정될 수 있다.In addition, the separation distance in the horizontal direction of each individual generator (100); It can be determined through electromagnetic field analysis using the ANSYS finite element analysis algorithm.
본 발명에서 정의하는 유한요소 해석(Finite Element Analysis)이란, 물리계의 운동을 지배하는 대다수의 법칙은 보통 미분 방정식으로 기술되어 있는데, 유한요소법은 이와 같은 미분 방정식을 푸는 수치적인 근사해법을 볼 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 일반적으로 공학 문제는 물리적인 현상에 대한 수학적인 모델로서, 수학적인 모델은 경계 조건(boundary condition)과 초기 조건(initial condition)을 가지는 미분 방정식으로 주어진다. 구조물을 유한 개의 절점(node)으로 가정한 후, 각 절점들 사이에 서로 유기적인 관계를 맺어주는 요소(element)를 구성하여 전체 구조물을 절점들의 변위를 미지수로 하는 연립방정식으로 나타낼 수 있다. 그리고 이를 수학적으로 계산하여 외력에 의한 각 절점에서의 변위를 구함으로써 변위, 변형률, 응력 등의 결과값을 수치적인 근사 해법으로 구하는 것이 본 발명에서 정의하는 유한요소 해석 알고리즘인 것이다.Finite Element Analysis defined in the present invention is the majority of the rules governing the motion of the physical system are usually described as differential equations, the finite element method can be seen a numerical approximation to solve such differential equations . More specifically, engineering problems are generally mathematical models of physical phenomena, which are given by differential equations with boundary conditions and initial conditions. After assuming a structure as a finite number of nodes, the entire structure can be represented by a system of equations with unknown displacements by forming elements that form an organic relationship between each node. In addition, the finite element analysis algorithm defined in the present invention is to obtain a numerical approximate solution of the displacements, strains, stresses, and the like by calculating this mathematically and calculating displacements at each node due to external force.
상기와 같이 ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용하여 해석된 전자기장의 결과를 도 4의 그래프에 나타냈다. 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수평 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프로서, 이를 통하여 상기 각각의 개별 발전기(100)의 최적의 수평 이격 거리를 설정할 수 있다.The results of the electromagnetic field analyzed using the ANSYS finite element analysis algorithm as described above are shown in the graph of FIG. 4. 4 is a graph showing electromagnetic field strength and distribution between generators arranged in a horizontal direction according to an exemplary embodiment of the present invention, through which an optimal horizontal separation distance of each
또한, 상기 각각의 개별 발전기의 수평 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기(100)에서 발생하는 전자기장의 세기에 비례하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 각각의 개별 발전기(100)에서 발생하는 전자기장의 세기가 클수록 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수평 방향의 이격 거리 비례적으로 멀어진다.In addition, the separation distance in the horizontal direction of each individual generator; It is desirable to be proportional to the intensity of the electromagnetic field generated by each
또한, 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수평 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기(100)의 물리적 크기, 예로서 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130)의 크기에 따라 비례하여 결정될 수 있다.In addition, the separation distance in the horizontal direction of each individual generator (100); In proportion to the physical size of each
또한, 상기 수평 방향으로 배열된 각각의 개별 발전기(100)는; 2의 배수 개로 배열되는 상호 대칭 구조로 구성된다. 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 각각의 개별 발전기(100)가 4방 모서리에 배치될 수 있다.In addition, each individual generator (100) arranged in the horizontal direction; It consists of mutually symmetrical structures arranged in multiples of two. For example, as shown in FIG. 2, four
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 개별 발전기(100)를 감싸는 차폐부(210); 및 상기 각각의 개별 발전기(100)가 상기 수평 방향의 이격 거리를 유지하여 고정되도록 4각형으로 형성된 본체부(220)를 포함할 수 있다.In addition, as shown in Figure 2, the
다른 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터는 서로다른 공진 주파수의 발전기(100)를 수직 방향으로 배열할 수 있다.As another example, as shown in FIG. 3, the multi-frequency electromagnetic energy harvester according to the exemplary embodiment of the present invention may arrange
이때, 상기 개별 발전기의 서로다른 공진 주파수는; 7Hz 이상 10Hz 이하인 것이 바람직하다. 상기 공진 주파수는 상기 개별 발전기(100)에 포함되는 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130), 코일부(140)의 크기에 따라 결정될 수 있다.In this case, different resonant frequencies of the individual generators; It is preferable that they are 7 Hz or more and 10 Hz or less. The resonant frequency of the
또한, 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수직 방향의 이격 거리는; ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용한 전자기장 해석을 통하여 결정될 수 있다.In addition, the separation distance in the vertical direction of each individual generator (100); It can be determined through electromagnetic field analysis using the ANSYS finite element analysis algorithm.
상기와 같이 ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용하여 해석된 전자기장의 결과를 도 5의 그래프에 나타냈다. 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 수직 방향으로 배열된 발전기 사이의 전자기장 세기 및 분포를 나타낸 그래프로서, 이를 통하여 상기 각각의 개별 발전기(100)의 최적의 수직 이격 거리를 설정할 수 있다.The results of the electromagnetic field analyzed using the ANSYS finite element analysis algorithm as described above are shown in the graph of FIG. 5. Figure 4 is a graph showing the electromagnetic field strength and distribution between the generators arranged in the vertical direction in accordance with a preferred embodiment of the present invention, through which it is possible to set the optimum vertical separation distance of each individual generator (100).
또한, 상기 각각의 개별 발전기의 수직 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기(100)에서 발생하는 전자기장의 세기에 비례하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 각각의 개별 발전기(100)에서 발생하는 전자기장의 세기가 클수록 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수평 방향의 이격 거리 비례적으로 멀어진다.In addition, the separation distance in the vertical direction of each individual generator; It is desirable to be proportional to the intensity of the electromagnetic field generated by each
또한, 상기 각각의 개별 발전기(100)의 수직 방향의 이격 거리는; 상기 각각의 개별 발전기(100)의 물리적 크기, 예로서 하우징부(110), 제1 고정 자석부(120), 제2 고정 자석부(125), 이동 자석부(130)의 크기에 따라 비례하여 결정될 수 있음은 물론이다.In addition, the separation distance in the vertical direction of each individual generator (100); In proportion to the physical size of each
또한, 상기 수직 방향으로 배열된 각각의 개별 발전기(100)는; 상기 각각의 개별 발전기들 사이에 스페이서(230)가 개재될 수 있다.In addition, each individual generator (100) arranged in the vertical direction;
이때, 상기 스페이서(230)는 소정 두께의 테프론 블록(Teflon block)으로 이루어져 전자기장의 차폐 효과를 높일 수 있다.
In this case, the
<실시예 1>≪ Example 1 >
실시예 1은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 개별 발전기(100)를 감싸는 차폐부(210); 및 상기 각각의 개별 발전기(100)가 상기 수평 방향의 이격 거리를 유지하여 고정되도록 4각형으로 형성된 본체부(220)를 포함한다. 이때, 각각의 개별 발전기(100)의 파라미터는 아래의 표 1과 같이 설정될 수 있다.
여기서, 각각의 개별 발전기(100)는 서로 다른 공진 주파수에서 동작되며, 바람직하기로는 7~10Hz 이내의 주파수 범위에서 동작되도록 구성한다. 상기 표 1과 같이 구성된 각각의 개별 발전기(100)의 전자기장 상태를 ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용하여 해석된 결과는 도 4의 그래프와 같으며, 이러한 해석을 통하여 상기 각각의 개별 발전기(100)의 최적의 수평 이격 거리를 설정할 수 있다. 도 6은 각각의 개별 발전기(100) Generator1~4의 주파수별 최대 출력값을 나타낸 그래프이다.
Here, each
<실시예 2><Example 2>
실시예 2는, 도 3에 도시된 바와 같이 서로다른 공진 주파수의 발전기(100)를 수직 방향으로 배열할 수 있다. 이때, 각각의 개별 발전기(100)의 파라미터는 아래의 표 2와 같이 설정될 수 있다.In the second embodiment, as shown in FIG. 3,
여기서, 각각의 개별 발전기(100)는 서로 다른 공진 주파수에서 동작되며, 바람직하기로는 7~10Hz 이내의 주파수 범위에서 동작되도록 구성한다. 상기 표 2와 같이 구성된 각각의 개별 발전기(100)의 전자기장 상태를 ANSYS 유한요소 해석 알고리즘을 이용하여 해석된 결과는 도 5의 그래프와 같으며, 이러한 해석을 통하여 상기 각각의 개별 발전기(100)의 최적의 수직 이격 거리를 설정할 수 있다. 도 7은 각각의 개별 발전기(100) Generator1~4의 주파수별 최대 출력값을 나타낸 그래프이다.Here, each
도 8에 도시된 바와 같이, 정류된 누적 출력 전압(Vrms)을 얻기 위해 각각의 개별 발전기(100)들이 시리즈로 연결되어 있었다. 수평 배열 모델은 7에서 10 Hz에 이르기까지 공진 주파수에서 3.326 - 5.770V의 총 개방 회로 전압을 생산했다. 마찬가지로, 수직 배열 모델은 동일한 주파수의 범위에서 3.596-5.437 V의 출력 전압을 생산했다.As shown in FIG. 8, each
도 9는 수평 및 수직 모델에 대해 다른 입력 주파수에서 출력 전력을 보여준다. 2.37 MW와 2.09 MW의 피크 전력 레벨은 각각 수평 모델과 수직 모델에 대해 일치하는 부하 상태에서 획득했다. 따라서 모델의 전력 밀도는 수직 및 수평 모델 각각 21.92 및 52.02 μW/cm3 임을 알 수 있다.9 shows output power at different input frequencies for the horizontal and vertical models. Peak power levels of 2.37 MW and 2.09 MW were obtained with matching loads for the horizontal and vertical models, respectively. Thus, the power densities of the models are 21.92 and 52.02 μW / cm3 for the vertical and horizontal models, respectively.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터에 의하면, 서로다른 공진 주파수를 갖는 다수의 발전기를 수직 또는 수평으로 배열하여 다양한 주파수 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 수집할 수 있도록 함으로써, 다양한 공진 주파수로부터 에너지 생산 효율을 상승시킬 수 있다.According to the multi-frequency electromagnetic energy harvester according to the present invention configured as described above, by arranging a plurality of generators having different resonance frequencies vertically or horizontally to collect the energy more efficiently in various frequency environments, various resonance The efficiency of energy production can be increased from frequency.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.
The embodiments of the present invention described in the present specification and the configurations shown in the drawings relate to the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to encompass all of the technical ideas of the present invention so that various equivalents It should be understood that water and variations may be present. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. , Such changes shall be within the scope of the claims set forth in the claims.
100 : 개별 발전기
110 : 하우징부
120 : 제1 고정 자석부
125 : 제2 고정 자석부
130 : 이동 자석부
140 : 코일부
210 : 차폐부
220 : 본체부
230 : 스페이서100: individual generator
110: housing part
120: first fixed magnet portion
125: second fixed magnet portion
130: moving magnet part
140: coil part
210: shield
220:
230: Spacer
Claims (9)
상기 하우징부의 상단과 하단에 설치되는 고정 자석부;
상기 상단과 하단에 설치된 고정 자석부 사이에 위치하여 진동하는 이동 자석부; 및
상기 이동 자석부 주위에 위치하며, 상기 하우징부를 권취하는 코일부를 포함하는 개별 발전기를 구비하여, 외부에서 전해지는 진동에너지를 이용하여 전기에너지로 변환하는 전자기 에너지 하베스터에 있어서,
상기 개별 발전기는 서로다른 공진 주파수를 가지는 2 이상의 발전기들로 구성되며,
상기 각각의 개별 발전기에서 발생하는 전자기장의 간섭을 받지 않는 최소 거리로 이격되어 수평 또는 수직 방향으로 배열되고,
수평 방향으로 배열된 상기 각각의 개별 발전기는 2의 배수 개로 배열되는 상호 대칭 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.A housing part;
A fixed magnet part installed at an upper end and a lower end of the housing part;
A moving magnet part vibrating between the upper and lower fixed magnet parts; And
In the electromagnetic energy harvester which is located around the moving magnet part, comprising an individual generator including a coil part winding the housing part, and converts into electrical energy using vibration energy transmitted from the outside.
The individual generators are composed of two or more generators having different resonance frequencies,
Arranged in a horizontal or vertical direction spaced apart from a minimum distance free from interference of electromagnetic fields generated by each individual generator,
Each of the individual generators arranged in a horizontal direction is a multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that consisting of a mutually symmetrical structure arranged in multiples of two.
상기 개별 발전기의 서로다른 공진 주파수는;
7Hz 이상 10Hz 이하인 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 1,
Different resonant frequencies of the individual generators;
A multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that it is 7 Hz or more and 10 Hz or less.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는;
유한요소 해석 알고리즘을 이용한 전자기장 해석을 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator;
Multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized by the electromagnetic field analysis using the finite element analysis algorithm.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는;
상기 각각의 개별 발전기에서 발생하는 전자기장의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 3, wherein
The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator;
Multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that it is proportional to the strength of the electromagnetic field generated by each individual generator.
상기 각각의 개별 발전기의 수평 또는 수직 방향의 이격 거리는;
상기 각각의 개별 발전기의 물리적 크기에 비례하는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The separation distance in the horizontal or vertical direction of each individual generator;
Multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that it is proportional to the physical size of each individual generator.
상기 각각의 개별 발전기를 감싸는 차폐부; 및
상기 각각의 개별 발전기가 상기 수평 방향의 이격 거리를 유지하여 고정되도록 형성된 본체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 1,
A shield surrounding each individual generator; And
The electromagnetic generator of the multi-frequency, characterized in that each of the individual generator comprises a main body formed to be fixed to maintain the separation distance in the horizontal direction.
상기 수직 방향으로 배열된 각각의 개별 발전기는;
상기 각각의 개별 발전기들 사이에 스페이서가 개재되는 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.The method of claim 1,
Each individual generator arranged in the vertical direction;
A multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that a spacer is interposed between each of the individual generators.
상기 스페이서는
소정 두께의 테프론 블록(Teflon block)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 주파수의 전자기 에너지 하베스터.
The method of claim 8,
The spacer
Multi-frequency electromagnetic energy harvester, characterized in that consisting of a Teflon block (Teflon block) of a predetermined thickness.
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