KR101429402B1 - A Pendulum device based Energy Harvester - Google Patents

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KR101429402B1
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정귀상
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울산대학교 산학협력단
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems

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Abstract

The present invention relates to an energy harvester based on a pendulum. The present invention connects an energy harvester having a multi-pole magnet based on two permanent magnets and a pendulum device to dispose the energy harvester to be always vertically downward toward the direction of gravity. Therefore, the energy harvester can obtain the maximum vertical movement distance of a movable magnet by the pendulum motion such as the pendulum regardless of the movement of a body, thereby improving generation power as compared with a general energy harvester. When charging an electronic device while carrying the same, the electronic device can be charged more quickly compared to the energy harvester, to which a pendulum structure is not applied.

Description

팬듈럼 기반의 에너지 하베스터{A Pendulum device based Energy Harvester}A Pendulum device based Energy Harvester < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 에너지 하베스터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 에너지 하베스터가 팬듈럼 장치와 결합하는 구조를 제공하여 전자기 에너지 하베스터의 발전 전력을 향상시킬 수 있도록 하는 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to an energy harvester apparatus, and more particularly, to a fan damper-based energy harvester that provides a structure in which an electromagnetic energy harvester is combined with a fan drum apparatus to thereby improve power generation power of an electromagnetic energy harvester.

에너지 하베스터는 주변 환경으로부터 에너지를 수확하여 이용하는 방법으로 기존의 배터리 충전 및 기기 동작을 위한 에너지원으로 사용이 가능하다. 특히, 무선 자율센서 및 통신모듈과 같은 소형 전자기기용 전원 중 하나로 활발하게 연구되고 있다. 더구나, 진동형 에너지 하베스터는 단순 또는 복잡한 움직임이 발생하는 환경에서 시간적, 공간적 제약 없이 지속적으로 사용 가능하며 집적화, 초소형화, 저가격화가 가능하기 때문에 자가 발전장치의 발전 방법으로 유용하다. The energy harvester is a method of harvesting energy from the surrounding environment and can be used as an energy source for existing battery charging and device operation. Particularly, it is being actively studied as one of power supplies for small electronic devices such as wireless autonomous sensors and communication modules. In addition, the vibrating energy harvester is useful as a power generation method because it can be continuously used without any time and space restrictions in an environment where simple or complex motions occur, and can be integrated, miniaturized, and reduced in price.

이와 같은 에너지 하베스터는 소재와 변환 방식에 따라 정전, 압전, 전자기로 분류할 수 있다. Such energy harvesters can be classified as electrostatic, piezoelectric, or electromagnetic depending on the material and the conversion method.

그 중 전자기 에너지 하베스터가 정전 타입 및 압전 타입에 비해 구조 및 제작이 간단하고, 저 주파수에서 동작 가능하기 때문에 에너지 변환 효율이 비교적 낮음에도 휴대용, 착용식 및 이동형 소형 전자기기의 에너지원으로 많이 사용되고 있다. Among them, electromagnetic energy harvester has a structure and fabrication simpler than that of electrostatic type and piezoelectric type, and can operate at a low frequency, so that it is widely used as an energy source for portable, wearable and portable electronic devices .

이처럼 전자기식은 저 주파수로의 설계가 가능한 이점 때문에 소형 전자기기의 에너지원으로 활용하기 위한 많은 연구와 함께 특히 발전 전력을 향상시키기 위한 다양한 방법이 활발하게 연구되고 있다. Because of this advantage of being able to design at low frequencies, there are a lot of studies to utilize electromagnetically as an energy source of small electronic devices, and various methods to improve power generation power have been actively studied.

주지된 바와 같이 전자기 에너지 하베스터는 내부에 위치한 이동 자석이 선형적으로 이동하여야 상대적으로 높은 발전 전력의 생산이 가능하다. 그렇기 때문에 이동 자석의 좌우 움직임을 방지하면서 상하 방향으로만 이동되게 해야 하는 것이 필요하다. As is well known, the electromagnetic energy harvester is required to linearly move the moving magnet disposed therein to produce a relatively high generated power. Therefore, it is necessary to move the moving magnet only in the vertical direction while preventing the moving magnet from moving left and right.

그러나 전자기식 에너지 하베스터는 휴대하여 전자기기를 충전할 때에 사용자의 움직임에 따라 진동 에너지는 최대 발전 전력이 발생되는 수직 방향이 아닌 수평방향으로 발생될 수 있다. 즉 다양한 방향으로 진동 에너지가 발생할 수 있다. However, when the electronic energy harvester is carried and charges the electronic device, the vibration energy may be generated in the horizontal direction instead of the vertical direction in which the maximum generated power is generated according to the movement of the user. That is, vibrational energy can be generated in various directions.

이렇게 되면 이동자석의 변위는 상대적으로 짧아지게 되어 생산 가능한 발전 전력을 효율적으로 생산할 수 없는 문제가 생긴다. In this case, the displacement of the moving magnet is relatively shortened, so that there is a problem in that it is not possible to efficiently produce power generation electric power that can be produced.

한국공개특허 10-2012-0063937호 (2012. 06. 18. 에너지 하베스터 및 휴대형 전자기기)Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0063937 (2012. 06. 18. Energy harvester and portable electronic device)

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 휴대 중 에너지 하베스터를 이용하여 전력을 생산할 경우, 이동자석의 이동 거리를 항상 일정하게 유지하도록 하여 최대 발전 가능한 출력 전원을 생산할 수 있도록 하는 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is therefore an object of the present invention to provide a fan capable of producing output power capable of maximum power generation by constantly maintaining the moving distance of the moving magnet, Based energy harvester device.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 자석의 상하 이동에 따라 전력을 생산하는 에너지 하베스터; 및 상기 에너지 하베스터가 수직 하향되게 자세가 위치되도록 상기 에너지 하베스터와 결합하는 팬듈럼 장치를 포함하는 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an energy harvester for generating electric power in accordance with a vertical movement of a magnet. And a fan dumper device coupled to the energy harvester such that the energy harvester is vertically downwardly positioned.

상기 팬듈럼 장치는, 일단에 링부가 형성된 샤프트; 상기 링부 내에 설치된 볼 스위벨; 및 상기 볼 스위벨의 하단면에 형성되어 상기 에너지 하베스터가 결합하는 커플러를 포함하여 구성된다. The fan unit may include: a shaft having a ring portion at one end; A ball swivel installed in the ring portion; And a coupler formed on a bottom surface of the ball sweeper and coupled to the energy harvester.

상기 볼 스위벨은, 상기 팬듈럼 장치의 움직임과 대응되어 상기 에너지 하베스터가 수직 하향되게 상기 링부 내에서 좌우 움직임 동작을 수행한다. The ball swivel moves left and right in the ring portion with the energy harvester vertically downwardly corresponding to the movement of the fan tubular device.

여기서 상기 수직 하향된 자세는 상기 에너지 하베스터가 최대 출력을 생산하는 자세이다. Wherein the vertically downward posture is an attitude in which the energy harvester produces a maximum output.

상기 에너지 하베스터는, 2개의 영구자석 기반의 다극(multi-pole) 자석을 포함한다. The energy harvester includes two permanent magnet-based multi-pole magnets.

그리고 에너지 하베스터는, 원통형의 하우징; 상기 하우징의 상단 및 하단에 고정된 고정자석; 상기 하우징 내에 수용되고 상기 고정자석 사이를 상하 이동하는 이동자석; 상기 하우징의 중앙에 권취된 코일을 포함하고, 상기 이동자석은, 연자성 물질인 소프트 자석과, 상기 소프트 자석의 상면과 하면에 형성되는 영구자석을 포함하여 구성된다. And the energy harvester comprises a cylindrical housing; A stationary magnet fixed to upper and lower ends of the housing; A moving magnet accommodated in the housing and moving up and down between the stationary magnets; And a coil wound around the center of the housing. The moving magnet includes a soft magnet, which is a soft magnetic material, and a permanent magnet, which is formed on the upper and lower surfaces of the soft magnet.

이와 같이 구성된 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치는 다음과 같은 효과가 있다.The fan damper-based energy harvester device thus configured has the following effects.

즉, 본 발명은 자석의 상하 이동에 의해 발전 전력을 생산하는 에너지 하베스터가 팬듈럼 장치와 결합하여 제공되고 있다. That is, the present invention provides an energy harvester, which generates electric power by up-and-down movement of a magnet, in combination with a fan-tubular device.

따라서 에너지 하베스터는 항상 중력방향을 향해 수직 하향된 자세로 있기 때문에 이동 자석의 상하 이동 거리를 최대한 확보할 수 있어 팬듈럼 장치가 미 제공된 경우보다 출력 전원이 증가되는 효과가 있다.Therefore, since the energy harvester is always vertically downward toward the gravity direction, it is possible to maximize the vertical movement distance of the moving magnet, so that the output power is increased as compared with the case where the fan unit is not provided.

그렇기 때문에, 이동/휴대 중에 에너지 하베스터를 이용하여 전자기기 등을 충전할 경우 충전 속도를 빠르게 할 수 있다.Therefore, the charging speed can be increased when the electronic harvester is used to charge electronic devices during transportation / transportation.

도 1 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치에 적용되는 에너지 하베스터의 단면도
도 2는 도 1의 에너지 하베스터에 제공된 이동자석의 자기 특성을 설명한 그래프
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 에너지 하베스터가 결합하는 팬듈럼 장치를 보인 사시도
도 4는 본 발명에 따라 팬듈럼 장치에 에너지 하베스터가 결합한 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치를 보인 사시도
도 5는 본 발명의 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치를 신체에 휴대할 경우에 종래 에너지 하베스터와의 발전 전원을 비교한 그래프
도 6은 본 발명의 에너지 하베스터가 놓여있는 위치에 따른 이동자석의 이동거리를 보인 도면
도 7은 본 발명의 에너지 하베스터의 특성을 실험하기 위한 구성도
도 8은 본 발명과의 비교를 위해 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터가 사인 스윕 모드(sine sweep mode)에서 획득한 출력 전압 주파수 응답을 나타낸 그래프
도 9는 본 발명과의 비교를 위해 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터가 입력 가속도에 따라 출력되는 전압 상태를 설명하는 그래프
도 10은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 자석 개수에 대한 출력 전압을 보인 그래프
도 11은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 출력 전압과 부하 저항 사이의 관계를 보인 그래프
1 is a sectional view of an energy harvester applied to a fan dumper-based energy harvester device according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a graph illustrating the magnetic properties of the moving magnet provided in the energy harvester of Fig. 1
Figure 3 is a perspective view of a fan tubular apparatus coupled with an energy harvester according to an embodiment of the present invention;
4 is a perspective view showing a fan dumper-based energy harvester device in which an energy harvester is coupled to a fan dumper device according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a comparison of power generation power with a conventional energy harvester when the fan damper-based energy harvester device of the present invention is carried in a body
6 is a view showing the moving distance of the moving magnet according to the position where the energy harvester of the present invention is placed.
Fig. 7 is a diagram for explaining the characteristics of the energy harvester of the present invention
8 is a graph showing the output voltage frequency response obtained in a sine sweep mode by a single-pole magnet based energy harvester for comparison with the present invention
9 is a graph illustrating a voltage state in which a single-pole magnet based energy harvester is output in accordance with an input acceleration for comparison with the present invention
10 is a graph showing the output voltage versus the number of magnets of the energy harvester according to the present invention
11 is a graph showing the relationship between the output voltage and the load resistance of the energy harvester according to the present invention

이하 본 발명에 의한 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a fan damper-based energy harvester device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시 예에서 에너지 하베스터는 전자기식 에너지 하베스터를 말하고 있고, 이하에서는 에너지 하베스터라고 하여 설명한다. In the embodiment, the energy harvester is an electromagnetic energy harvester, and the energy harvester is described below.

도 1 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터 장치에 적용되는 에너지 하베스터의 단면도이다. 1 is a sectional view of an energy harvester applied to a fan dumper-based energy harvester device according to a preferred embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이 에너지 하베스터(100)는, 하우징(110), 제1 고정 자석(120), 제2 고정자석(130), 이동자석(140) 및 코일(150)을 포함하여 구성된다. The energy harvester 100 includes a housing 110, a first stationary magnet 120, a second stationary magnet 130, a moving magnet 140, and a coil 150 as shown in FIG.

하우징(110)은 내부에 이동자석(140)이 상하로 이동하도록 내부가 중공인 원통형으로 형성되고 아크릴 재질로 제조된다. 실시 예에서 하우징(110)은 전체 길이는 200mm, 내경은 21mm, 외경은 23mm의 사이즈(size)를 갖는다. The housing 110 is made of an acrylic material and is formed into a cylindrical shape having a hollow interior so that the moving magnet 140 moves up and down. In the embodiment, the housing 110 has a total length of 200 mm, an inner diameter of 21 mm, and an outer diameter of 23 mm.

제1 고정자석(120)과 제2 고정자석(130)은 하우징(110)의 상단과 하단에 고정 설치된다. The first fixed magnet 120 and the second fixed magnet 130 are fixed to the upper and lower ends of the housing 110.

이동자석(140)은 하우징(110)의 제1 고정자석(120)과 제2 고정자석(130) 사이에서 상하 이동한다. 이동자석(140)은 중심에 연자성체 물질로 이루어진 소프트 자석(142)이 위치한다. 그리고 소프트 자석(142)의 상면과 하면에는 영구자석(144)(146)이 형성된다. 즉 소프트 자석(142)과 영구자석(144)(146)이 포함되어 하나의 이동자석(140)을 형성하는 것이다. 이처럼 영구자석(144)(146) 사이에 소프트 자석(142)이 위치하면 이동자석(140)의 수직면을 지나는 자기력선이 더 많이 생성되고 코일(150) 내의 자속 밀도가 증가하게 된다. 실시 예에서 영구자석(144)(146)은 20mm × 55mm의 크기로 제조되고, 소프트 자석(142)은 20mm ×5mm의 크기로 제조된다. The moving magnet 140 moves up and down between the first fixed magnet 120 and the second fixed magnet 130 of the housing 110. [ The moving magnet 140 is centered with a soft magnet 142 made of a soft magnetic material. Permanent magnets 144 and 146 are formed on the upper and lower surfaces of the soft magnet 142. That is, the soft magnet 142 and the permanent magnets 144 and 146 are included to form one moving magnet 140. When the soft magnet 142 is positioned between the permanent magnets 144 and 146 as described above, more magnetic force lines passing through the vertical surface of the moving magnet 140 are generated and the magnetic flux density in the coil 150 is increased. In the embodiment, the permanent magnets 144 (146) are manufactured to a size of 20 mm x 55 mm, and the soft magnets 142 are manufactured to a size of 20 mm x 5 mm.

코일(150)은 하우징(110)의 중앙 영역에 권취된다. The coil 150 is wound around the central region of the housing 110.

이러한 구성을 갖는 에너지 하베스터(100)는 제1 고정자석(120)과 제2 고정자석(130) 사이에서 이동자석(140)이 상하로 진동하게 되면 하우징(110)에 권취된 코일(150)에서 유도 기전력이 발생하게 된다.The energy harvester 100 having such a configuration is configured such that when the moving magnet 140 vibrates up and down between the first fixed magnet 120 and the second fixed magnet 130, An induced electromotive force is generated.

그리고 전술한 바와 같이 영구 자석-소프트 자석- 영구 자석처럼 2개의 영구자석을 기반으로 한 이동자석(140)과 하우징(110)의 중앙 영역에 권취된 코일(150)을 함께 사용할 경우 자속 밀도를 극대화시킬 수 있다. As described above, when the moving magnet 140 based on two permanent magnets like the permanent magnet-soft magnet-permanent magnet is used together with the coil 150 wound around the central region of the housing 110, the magnetic flux density is maximized .

이러한 이동자석(140)의 자기 특성은 ANSYS FEM을 통해 시뮬레이션 되었고, 영구자석의 개수에 따라 이동자석(140)의 위치와 평균 자속 밀도를 설명한 도 2를 통해 확인이 가능하다. 도 2를 보면, 2개의 영구자석을 구비한 이동자석(140)이 평균 자속 밀도가 가장 높음을 알 수 있다. 또한 이동자석(140)이 하우징(110)의 중간 영역에 있을 때 최대 자속 밀도는 0.181T이고 최소 자속 밀도가 0.0134T로 나타나고 있다. 따라서 1개 또는 3개 내지 5개의 영구자석을 구비한 이동자석보다 최대 자속 밀도와 최소 자속 밀도의 차이가 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 다시 말해 효율적으로 높은 발전 전력을 생산할 수 있음을 의미한다. 물론, 본 발명은 도 1의 구조를 갖는 에너지 하베스터를 본 실시 예에 반드시 적용하지 않아도 된다. 영구자석의 개수가 1개 또는 3개 이상을 갖는 에너지 하베스터를 적용할 수 있고, 도 1의 구조와 다른 구조를 갖는 에너지 하베스터를 적용할 수 있음은 당연하다.The magnetic characteristics of the moving magnet 140 are simulated through the ANSYS FEM, and the position and the average magnetic flux density of the moving magnet 140 can be confirmed by referring to FIG. 2 according to the number of the permanent magnets. Referring to FIG. 2, it can be seen that the moving magnet 140 having two permanent magnets has the highest average magnetic flux density. When the moving magnet 140 is in the middle region of the housing 110, the maximum magnetic flux density is 0.181T and the minimum magnetic flux density is 0.0134T. Therefore, it can be seen that the difference between the maximum magnetic flux density and the minimum magnetic flux density is larger than that of the moving magnet having one or three to five permanent magnets. This means that it is possible to produce high power generation efficiency efficiently. Of course, the present invention does not necessarily have to apply the energy harvester having the structure of Fig. 1 to this embodiment. It is natural that an energy harvester having one or more than three permanent magnets can be applied and an energy harvester having a structure different from that of Fig. 1 can be applied.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 에너지 하베스터가 결합하는 팬듈럼 장치를 보인 사시도이다. 3 is a perspective view illustrating a fan tubular apparatus to which an energy harvester is coupled according to an embodiment of the present invention.

도 3을 보면, 팬듈럼 장치(200)는 에너지 하베스터(100)가 연결된 상태에서 신체 일부에 착용한 밴드(300)나 가방 등에 걸어진다. 그리고 팬듈럼 장치(200)는 신체의 움직임에 따라 팬듈럼 장치(200)가 기울어지더라도 에너지 하베스터(100)는 항상 중력방향을 향하도록 수직 하향된 자세가 되는 구조를 제공한다. Referring to FIG. 3, the fan tubular device 200 is hooked to a band 300 or a bag worn on a part of the body in a state where the energy harvester 100 is connected. In addition, the fan tubular apparatus 200 provides a structure in which the energy harvester 100 is always vertically downwardly directed toward the gravitational direction even if the fan-shaped tubular apparatus 200 is inclined according to the movement of the body.

구체적으로 살펴보면, 팬듈럼 장치(200)에는 샤프트(210)가 구비된다. 샤프트(210)의 일단은 밴드(300) 등의 매체에 연결되고, 타단은 후술하는 볼 스위벨(ball swivel)(230)이 장착될 수 있도록 링부(220)가 형성되어 있다. 샤프트(210)는 매체와 결합한 상태에서는 회전이나 유동이 되지 않아야 한다. Specifically, the fan unit apparatus 200 is provided with a shaft 210. One end of the shaft 210 is connected to a medium such as the band 300 and the other end is formed with a ring 220 so that a ball swivel 230 to be described later can be mounted. The shaft 210 should not rotate or flow when engaged with the medium.

링부(220)에 장착되는 볼 스위벨(230)은 링부(220)를 수직방향으로 관통하여 링부(220)의 상/하단부보다 더 돌출되는 충분한 길이를 가지며, 또한 링부(220)의 내주면과 접촉한 상태에서는 시계추와 같이 좌우로 흔들림 운동이 가능해야 한다. 물론 좌우의 흔들림 동작은 상술한 에너지 하베스터(100)가 결합한 상태이고, 팬듈럼 장치(200)가 기울어진 상태에서 에너지 하베스터(100)의 무게 중심의 이동에 따라 발생한다.The ball swivel 230 mounted on the ring 220 has a sufficient length to penetrate the ring 220 in the vertical direction and to protrude more than the upper and lower ends of the ring 220 and to be in contact with the inner circumferential surface of the ring 220 In the state, it should be possible to move left and right like a watch. Of course, the shaking motion of the left and right occurs in the state where the energy harvester 100 described above is engaged, and the energy harvester 100 is moved in a state where the center of gravity of the energy harvester 100 is inclined.

볼 스위벨(230)의 하단면에는 에너지 하베스터(100)가 결합하도록 커플러(240)가 구비된다. 커플러(240)는 너트 등의 체결 수단에 의해 볼 스위벨(230)과 연결되고 있지만, 볼 스위벨(230)과 일체로 구성할 수도 있다. 뿐만 아니라 커플러(240)와 에너지 하베스터(100)는 다양한 방식으로도 결합이 가능하다. 실시 예에서는 커플러(240)의 외주면에 수나사선을 형성하고 에너지 하베스터(100)와 나사 결합한 방식을 채택하고 있다. 이 경우 에너지 하베스터(100)도 그 대응하는 위치(즉, 상단 캡 부분)에 암나사선이 형성되어야 할 것이다. A coupler 240 is provided on the bottom surface of the ball swivel 230 so that the energy harvester 100 is coupled. Although the coupler 240 is connected to the ball swivel 230 by a fastening means such as a nut, it may be integrally formed with the ball swivel 230. In addition, the coupler 240 and the energy harvester 100 can be coupled in various ways. In the embodiment, a male thread is formed on the outer circumferential surface of the coupler 240 and the energy harvester 100 is screwed into the thread. In this case, the energy harvester 100 should also have a female thread at its corresponding position (i.e., the upper cap portion).

그리고 이와 같은 팬듈럼 장치에 에너지 하베스터가 결합한 팬듈럼 기반의 에너지 하베스터의 구성 예는 도 4에 도시하고 있다. 도 4는 팬듈럼 장치(200)가 수평인 상태로서 에너지 하베스터(100)는 중력 방향을 향하여 놓여진 상태이다.An example of the configuration of a fan dumper-based energy harvester in which the energy harvester is combined with the fan dumper device is shown in Fig. 4 is a state in which the fan damper device 200 is horizontal, and the energy harvester 100 is placed in the gravity direction.

다음에는 팬듈럼 장치(200)에 에너지 하베스터(100)를 결합하고 이를 신체에 부착한 상태로 움직였을 때, 기존의 에너지 하베스터와의 발전 전력 차이를 설명한다. 이하에서는 본 실시 예와 같이 팬듈럼 장치(200)가 결합된 에너지 하베스터(100)를 제1 에너지 하베스터라 하고, 기존과 같이 팬듈럼 장치가 미 제공된 에너지 하베스터를 제2 에너지 하베스터라 하기로 하며, 이는 도 5 및 도 6을 참조한다. Next, when the energy harvester 100 is coupled to the fan unit 200, and the energy harvester 100 is attached to the body, the power generation difference with the existing energy harvester will be described. Hereinafter, the energy harvester 100 combined with the fan unit 200 will be referred to as a first energy harvester, and the energy harvester not provided with the fan unit will be referred to as a second energy harvester, This is illustrated in Figs. 5 and 6. Fig.

도 5에 도시한 바와 같이 제1 에너지 하베스터를 가방(A)이나 신체의 허벅지(B) 등에 장착하고 3km/h 및 6km/h 보행 속도로 걸었을 때 출력 전력 값을 측정하였다. As shown in FIG. 5, when the first energy harvester was attached to the bag A or the thigh B of the body, the output power value was measured when walking at 3 km / h and 6 km / h walking speed.

이를 보면 가방(A)에 장착한 경우에 있어 보행속도가 3km/h 및 6km/h인 경우 9%, 14% 정도 향상되고 있고, 또한 허벅지(B)에 장착한 경우에도 보행속도가 3km/h 및 6km/h인 경우 13%, 7% 정도 향상되고 있음이 확인되었다. In the case of mounting on the bag (A), the walking speed is improved by 9% and 14% when the walking speed is 3 km / h and 6 km / h, and when the walking speed is 3 km / h And 13% and 7% for 6 km / h, respectively.

즉, 보행 조건에 따라 신체가 기울어지는 상황이 발생할 수 있다. 이 경우 팬듈럼 장치와 결합한 제1 에너지 하베스터는 그 제1 에너지 하베스터의 무게에 의하여 링부(220)에 장착된 볼 스위벨(230)이 중력 방향으로 움직이게 된다. 따라서 제1 에너지 하베스터는 도 6a에 도시한 바와 같이 항상 중력방향을 향하여 수직되게 위치한다. 이와 같은 경우에 이동자석(140)은 제1 고정자석(120) 및 제2 고정자석(130)이 위치하는 부분까지 도달하여 이동하기 때문에 상하 이동 거리(l1)가 최대가 되어 발전 전력을 향상시킨다.That is, the body may be inclined according to the walking condition. In this case, the first energy harvester combined with the fan tubular unit moves the ball swivel 230 mounted on the ring part 220 in the gravity direction due to the weight of the first energy harvester. Therefore, the first energy harvester is always positioned vertically toward the gravity direction as shown in FIG. 6A. In this case, since the moving magnet 140 reaches and reaches the portion where the first stationary magnet 120 and the second stationary magnet 130 are located, the up-and-down moving distance l 1 is maximized, .

반면, 팬듈럼 장치가 미 제공된 제2 에너지 하베스터는 신체가 기울어지는 조건과 비례하여 동일하게 기울임이 발생한다. 따라서 이동자석(140)의 상하 이동 거리가 짧아지게 된다. 즉 도 6b에 도시한 바와 같이 제2 에너지 하베스터가 θ만큼 기울어지게 되면, 제1 고정자석(120)과 제2 고정자석(130) 사이에서 이동하는 이동자석(140)은 이동거리가 l2로 짧아지게 된다. 이는 결국 최대 자속 밀도와 최소 자속 밀도의 차이가 작음을 의미하고 따라서 코일(150)을 통해 생성하는 발전 전력이 감소하게 된다. On the other hand, the second energy harvester not provided with the fan damper device tilts equally in proportion to the inclination of the body. Therefore, the vertical moving distance of the moving magnet 140 is shortened. 6B, when the second energy harvester is inclined by?, The moving magnet 140 moving between the first stationary magnet 120 and the second stationary magnet 130 moves at a moving distance of l 2 . This means that the difference between the maximum magnetic flux density and the minimum magnetic flux density is small, and thus the generated power generated through the coil 150 is reduced.

이어서는 에너지 하베스터(100)가 입력 주파수, 입력 가속도, 영구자석의 개수 및 부하저항에 따라 어느 정도의 전원을 발생하는 지를 일련의 테스팅 조건에 따라 수행하였다. Next, the energy harvester 100 generates a certain amount of power according to the input frequency, the input acceleration, the number of the permanent magnets, and the load resistance according to a series of testing conditions.

테스팅을 위한 실험 조건은 도 7과 같다. 즉 진동 세기의 신호를 발생하고 이를 제어하기 위한 장치로 진동 제어기(vibration controller, IMV RC-1120-11)(400), 그리고 진동 가속도계(accelerometer, IMV VP-32)(410) 및 진동기(IMV CE-3105)(420) 등이 제공된다. 그리고 진동기(420) 위에 설치된 지그(jig)(430) 상에 에너지 하베스터(100)를 위치시켰다. The experimental conditions for testing are shown in FIG. A vibration controller (IMV RC-1120-11) 400, an accelerometer (IMV VP-32) 410 and a vibrator (IMV CE) 410 as an apparatus for generating and controlling a vibration intensity signal, -3105) 420 and the like are provided. The energy harvester 100 is placed on a jig 430 installed on the vibrator 420.

아울러, 에너지 하베스터(100)로부터 유도된 출력 전압을 측정하기 위하여 에너지 하베스터(100)의 코일(150)에 계측기(oscilloscope, LeCroy)(440)을 연결하였다. An oscilloscope (LeCroy) 440 is connected to the coil 150 of the energy harvester 100 to measure the output voltage derived from the energy harvester 100.

이러한 조건에서 에너지 하베스터(100)가 입력 주파수, 입력 가속도, 자석 개수 및 부하저항에 따라 발생한 출력 전압 값은 도 8 내지 도 11에 도시하였다. 여기서, 도 8 및 도 9는 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터를 대상으로 실험한 결과이다. The output voltage values generated according to the input frequency, the input acceleration, the number of magnets, and the load resistance of the energy harvester 100 under these conditions are shown in Figs. Here, FIGS. 8 and 9 are experimental results for a single-pole magnet based energy harvester.

도 8은 본 발명과의 비교를 위해 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터가 사인 스윕 모드(sine sweep mode)에서 획득한 출력 전압 주파수 응답을 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing the output voltage frequency response obtained in a sine sweep mode by a single-pole magnet based energy harvester for comparison with the present invention.

도 8을 보면 출력 전압은 입력 주파수에 따라 차이가 발생하고 있음을 알 수 있다. 즉, 입력 주파수가 4 Hz에서 최대 출력 전압을 갖고 그 이전 및 이후 주파수에서는 출력 전압이 크게 저하되는 현상이 나타났다. 즉 3 ~ 10 Hz의 주파수 범위 중 0.7 g의 입력 가속도가 입력될 때 최대 전압은 입력 주파수가 4 Hz 일 때 생성되며, 이때의 최대 전압은 44Vrms 정도 된다. 8, it can be seen that the output voltage varies depending on the input frequency. That is, the input voltage has the maximum output voltage at 4 Hz, and the output voltage greatly decreases before and after the frequency. That is, when 0.7 g of input acceleration is input in the frequency range of 3 to 10 Hz, the maximum voltage is generated when the input frequency is 4 Hz, and the maximum voltage is about 44 Vrms.

도 9는 본 발명과의 비교를 위해 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터가 입력 가속도에 따라 출력되는 전압 상태를 설명하는 그래프이다. FIG. 9 is a graph illustrating a voltage state in which a single-pole magnet based energy harvester is output according to input acceleration for comparison with the present invention.

출력 전압은 입력 가속도가 증가하는 것과 유사하게 나타나고 있다. 이는 주파수와 입력 가속도가 진동 범위를 결정했기 때문이다. 그 결과 입력 가속도가 증가할 때 출력 전압은 가속도 0.7 g 까지는 선형적으로 증가하고, 0.7 g 이후 부터는 출력 전압은 44 Vrms로 포화된 상태임을 알 수 있다. The output voltage is similar to the increase in input acceleration. This is because the frequency and the input acceleration determine the vibration range. As a result, when the input acceleration increases, the output voltage increases linearly up to 0.7 g of acceleration, and after 0.7 g, the output voltage is saturated to 44 Vrms.

도 10은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 자석 개수에 대한 출력 전압을 보인 그래프이다. 10 is a graph showing an output voltage with respect to the number of magnets of the energy harvester according to the present invention.

출력 전압은 이동 자석에 제공된 영구 자석의 개수에 크게 의존하고 있다. 즉 유도된 최대 출력 전압은 두 개의 영구 자석 기반 다중 극 자석에서 60 Vrms 이었다. 이와 같은 출력 전압은 상기한 단일-극 자석 기반의 에너지 하베스터에서 얻어진 44Vrms에 비해 약 36% 증가한 값이다. 이때의 입력 주파수는 4Hz이고 가속도는 0.7g 가 입력된 상태이다.The output voltage is highly dependent on the number of permanent magnets provided to the moving magnet. That is, the maximum output voltage induced was 60 Vrms in the two permanent magnet-based multipole magnets. This output voltage is about 36% greater than the 44 V rms obtained from the single-pole magnet based energy harvester described above. At this time, the input frequency is 4Hz and the acceleration is 0.7g.

하지만, 자석 개수가 3 내지 5개인 경우 출력 전압은 46 Vrms에서 6 Vrms 까지 감소하고 있음을 알 수 있다. 이는 본 발명과 같이 두 개의 영구자석을 기반으로 한 에너지 하베스터가 상대적으로 높은 전력을 생산하고 있어 효율이 증가함을 알 수 있는 것이다. However, when the number of magnets is 3 to 5, the output voltage decreases from 46 Vrms to 6 Vrms. It can be seen that the efficiency is increased because the energy harvester based on two permanent magnets produces relatively high power as in the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 출력 전압과 부하 저항 사이의 관계를 보인 그래프이다. 11 is a graph showing the relationship between the output voltage and the load resistance of the energy harvester according to the present invention.

이를 보면, 출력 전압은 부하 저항이 30 kΩ에 도달할 때까지 증가하다가 60 Vrms 주위에서 포화상태가 된다. 그리고 출력 전력은 부하 저항이 25 kΩ일 때 최대 129 mW 값에 도달하고 있음이 확인되었다. 이후 부하 저항이 증가할수록 출력 전력은 감소한다. As a result, the output voltage increases until the load resistance reaches 30 kΩ and saturates around 60 Vrms. It was confirmed that the output power reaches a maximum value of 129 mW when the load resistance is 25 kΩ. Then, as the load resistance increases, the output power decreases.

이와 같이 본 발명의 에너지 하베스터는 부하 저항 및 가속도는 25 kΩ와 0.7 g (g = 9.8 m/s2)이고, 공진 주파수가 4Hz일 때, 최대 출력 전력은 129 mW의 최대 출력 전력을 생성하고 있음이 확인되었다. Thus, the energy harvester of the present invention generates a maximum output power of 129 mW when the load resistance and acceleration are 25 kΩ and 0.7 g (g = 9.8 m / s 2 ) and the resonance frequency is 4 Hz. .

그리고 에너지 하베스터를 팬듈럼 장치와 결합하고 이를 신체에 부착한 상태에서 6km/h로 보행했을 때, 최대 20.4mW의 출력 전력이 발생하였고, 전체적으로 팬듈럼 장치가 미 제공된 에너지 하베스터와 비교했을 때 전력 생성은 7~14% 정도 향상됨으로써, 전력 효율성을 개선할 수 있음을 알 수 있게 되었다. When the energy harvester is combined with the fan unit and mounted on the body, the output power of up to 20.4 mW is generated when walking at 6 km / h. Overall, the fan unit has a power generation The power efficiency can be improved by about 7 ~ 14%.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 예는 2개의 영구자석 기반의 다극(multi-pole) 자석을 포함한 에너지 하베스터를 진자 운동을 수행하도록 팬듈럼 장치에 적용함으로써, 에너지 하베스터가 항상 중력 방향으로 수직 하향된 자세를 유지하도록 하여 발전전력을 효과적으로 향상시키고 있음을 알 수 있다. As described above, the present embodiment applies the energy harvester including the two permanent magnet-based multi-pole magnets to the fan drum apparatus to perform the pendulum motion, so that the energy harvester is always vertically downward in the gravity direction It is understood that the generated power is effectively improved by maintaining the attitude.

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.

100 : 에너지 하베스터 110 : 하우징
120, 130 : 제1, 제2 고정자석
140 : 이동자석 150 : 코일
200 : 팬듈럼 장치 210 : 샤프트
220 : 링부 230 : 볼 스위벨
240 : 커플러
100: Energy harvester 110: Housing
120, and 130: first and second fixed magnets
140: moving magnet 150: coil
200: fan drum unit 210: shaft
220: ring 230: ball swivel
240: Coupler

Claims (6)

자석의 상하 이동에 따라 전력을 생산하는 에너지 하베스터; 및
상기 에너지 하베스터가 중력 방향을 향해 수직 하향된 자세로 위치되도록 상기 에너지 하베스터와 결합하는 팬듈럼 장치를 포함하고,
상기 팬듈럼 장치는,
일단에 링부가 형성된 샤프트;
상기 링부 내에 설치되며, 상기 팬듈럼 장치의 움직임과 대응되어 상기 에너지 하베스터가 수직 하향되게 상기 링부 내에서 좌우 움직임 동작을 하는 볼 스위벨; 및
상기 볼 스위벨의 하단면에 형성되어 상기 에너지 하베스터가 결합하는 커플러를 포함하는 팬듈럼 기반 에너지 하베스터 장치.
An energy harvester which produces electricity according to the up and down movement of the magnet; And
And a fan damper device coupled to the energy harvester such that the energy harvester is located in a vertically downward posture toward the gravity direction,
The fan-
A shaft having a ring portion at one end;
A ball swivel installed in the ring portion to move left and right in the ring portion so that the energy harvester vertically downwardly corresponds to the movement of the fan damper device; And
And a coupler formed on a bottom surface of the ball sweeper and coupled with the energy harvester.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 수직 하향된 자세는 상기 에너지 하베스터가 발전 전력을 최대로 생산하는 팬듈럼 기반 에너지 하베스터 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the energy harvester produces the generated power at the maximum in the vertical downward posture.
제 4 항에 있어서,
상기 에너지 하베스터는,
2개의 영구자석 기반의 다극(multi-pole) 자석을 포함하는 팬듈럼 기반 에너지 하베스터 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the energy harvester comprises:
A fan-dumped-based energy harvester device comprising two permanent magnet-based multi-pole magnets.
제 4 항에 있어서,
상기 에너지 하베스터는,
원통형의 하우징;
상기 하우징의 상단 및 하단에 고정된 고정자석;
상기 하우징 내에 수용되고 상기 고정자석 사이를 상하 이동하는 이동자석; 및
상기 하우징의 중앙에 권취된 코일을 포함하고,
상기 이동자석은, 연자성 물질인 소프트 자석과, 상기 소프트 자석의 상면과 하면에 형성되는 영구자석을 포함하여 구성되는 팬듈럼 기반 에너지 하베스터 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the energy harvester comprises:
A cylindrical housing;
A stationary magnet fixed to upper and lower ends of the housing;
A moving magnet accommodated in the housing and moving up and down between the stationary magnets; And
And a coil wound around the center of the housing,
Wherein the moving magnet comprises a soft magnet as a soft magnetic material and a permanent magnet formed on the upper and lower surfaces of the soft magnet.
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