KR101664316B1 - 횡단 충격을 이용한 주파수 상향 방식의 전자기 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전자기 에너지 하베스터는 지지체와, 고정 보와, 하우징과, 질량체와, 구체와, 자성체, 및 코일을 포함한다. 지지체는 내부 공간을 갖고 적어도 상측 부위가 개구된다. 고정 보는 지지체의 내부 공간에 수평으로 배치되며, 양단이 지지체에 고정된다. 하우징은 고정 보의 상측에서 고정 보와 교차하는 방향으로 연장되는 이동 채널을 내부에 가지며, 지지체의 상측에 연결된다. 질량체는 고정 보의 상면 중앙에 형성되며, 상측 부위가 하우징의 삽입 홀을 통해 이동 채널로 삽입된다. 구체는 이동 채널에 수용되며, 외부로부터 가해지는 횡단 충격에 의해 이동 채널을 따라 왕복하면서 질량체에 충격을 가하여 고정 보를 진동시킨다. 자성체는 고정 보의 하면 중앙에 형성되며 고정 보의 진동에 따라 상하 이동한다. 코일은 자성체의 상하 이동에 따른 유도 기전력을 발생시키도록 지지체의 내부 공간에 설치된다.

Description

횡단 충격을 이용한 주파수 상향 방식의 전자기 에너지 하베스터{Frequency up converted electromagnetic energy harvester using transverse impact}
본 발명은 진동기반의 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기 유도를 이용하여 다양한 주파수의 진동에너지를 전기에너지로 변환 및 수확할 수 있는 전자기 에너지 하베스터에 관한 것이다.
최근 유한한 화석에너지에 의한 에너지 가격 상승과 환경 문제에 대한 대처 방안으로써, 친환경 에너지 자원 개발이 크게 요구되고 있다. 이에 따라, 환경의 훼손을 줄이면서도 기존의 화석에너지를 대체하여 안정적으로 공급할 수 있는 새로운 신재생에너지 자원 개발에 대한 연구와, 기존 에너지 효율 향상 및 에너지 저감 기술에 대한 연구가 상당히 집중 받고 있다.
전술한 문제의 대처 방안으로써의 에너지 하베스터는 주변의 열 에너지, 빛 에너지, 풍력 에너지, 조력 에너지, 진동 에너지, 압력 에너지 등 여러 가지 일상생활에서 버려지는 에너지들을 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 에너지 스캐빈저(energy scavenger) 혹은 자가발전소자라고도 불린다. 이러한 에너지 하베스터는 무선 센서노드와 같이 저전력하에서 동작하는 전자기기의 상시적인 운용을 가능하게 하는데, 가장 대표적으로 태양전지를 예로 들 수 있다. 하지만, 태양전지는 장소와 시간에 따른 제한이 있다. 따라서, 최근에는 신체 혹은 전자기기, 기계 등으로부터 발생하는 주변 진동으로부터 전기에너지를 수확하는 진동기반의 에너지 하베스터 기술이 압전, 정전 유도, 전자기 유도 등을 이용하여 다양한 형태로 연구되고 있다.
도 1은 종래의 일 예에 따른 전자기 에너지 하베스터에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 전자기 에너지 하베스터(10)는 하우징(11)과, 하우징(11)의 외부에 감긴 코일(12), 및 하우징(11)의 내부에 배치되는 자성체(13)를 포함한다. 이러한 전자기 에너지 하베스터(10)에 하우징(11)의 길이 방향으로 진동이 가해지면, 자성체(13)가 진동 방향으로 운동을 하게 된다. 그러면, 자성체(13)와 코일(12)이 서로 작용하여 유도 기전력을 일으킴으로써, 전기에너지를 발생시키게 된다.
한편, 전자기 에너지 하베스터(10)는 공진주파수에서 최대 전기에너지가 발생하게 되는데, 전자기 에너지 하베스터(10)는 전술한 구조로 이루어짐으로 인해 하나의 공진주파수를 갖는다. 따라서, 전자기 에너지 하베스터(10)는 동작주파수 범위가 매우 작기 때문에, 다양한 주파수와 크기를 갖는 주변진동에서 전기에너지의 수확이 용이하지 않고, 그에 따라 효율이 떨어지게 된다. 또한, 전자기 에너지 하베스터(10)에 진동이 가해지면, 자성체(13)가 하우징(11)의 상하단에 직접적으로 접촉하기 때문에, 전자기 에너지 하베스터(10)의 장시간 사용시 신뢰성 부분에 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 과제는 비공진형으로 낮은 주파수에서 동작 가능하며, 장시간 사용에도 신뢰성을 높일 수 있으며, 높은 효율의 전기에너지를 수확할 수 있는 전자기 에너지 하베스터를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자기 에너지 하베스터는 지지체와, 고정 보(fixed beam)와, 하우징과, 질량체와, 구체(sphere)와, 자성체, 및 코일을 포함한다. 지지체는 내부 공간을 갖고 적어도 상측 부위가 개구된다. 고정 보는 지지체의 내부 공간에 수평으로 배치되며, 양단이 지지체에 고정된다. 하우징은 고정 보의 상측에서 고정 보와 교차하는 방향으로 연장되는 이동 채널을 내부에 가지며, 지지체의 상측에 연결된다. 질량체는 고정 보의 상면 중앙에 형성되며, 상측 부위가 하우징의 삽입 홀을 통해 이동 채널로 삽입된다. 구체는 이동 채널에 수용되며, 외부로부터 가해지는 횡단 충격에 의해 이동 채널을 따라 왕복하면서 질량체에 충격을 가하여 고정 보를 진동시킨다. 자성체는 고정 보의 하면 중앙에 형성되며 고정 보의 진동에 따라 상하 이동한다. 코일은 자성체의 상하 이동에 따른 유도 기전력을 발생시키도록 지지체의 내부 공간에 설치된다.
본 발명에 따른 전자기 에너지 하베스터는 입력 주파수보다 상향된 진동 주파수에 의해 높은 효율로 전기에너지를 수확할 수 있으며, 종래에 비해 장시간 사용에도 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자기 에너지 하베스터는 공진주파수에 관계없이 비공진형으로 동작 가능하므로, 넓은 대역의 다양한 주파수를 갖는 비주기적 진동에도 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 따라서, 신체의 움직임과 같이 10Hz 이하의 낮은 진동 주파수에도 전기에너지의 수확이 가능하다.
도 1은 종래의 일 예에 따른 전자기 에너지 하베스터에 대한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 에너지 하베스터에 대한 단면도이다.
도 3은 도 2에 대한 사시도이다.
도 4는 도 3에 대한 일부 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 전자기 에너지 하베스터의 작용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 에너지 하베스터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 에너지 하베스터의 출력전압에 대한 그래프이다.
도 9 및 도 10은 도 8에 있어서, 전자기 에너지 하베스터의 입력 주파수와 출력 주파수 성분을 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하여 각각 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 8에 있어서, 전자기 에너지 하베스터의 부하저항에 따른 출력전압과 최대전력에 관한 그래프이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 그리고, '상', '하'와 같은 용어는 설명의 편의상 지지체를 기준으로 다른 구성요소들과의 위치 관계를 정의한 것이므로, 그 용어에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 에너지 하베스터에 대한 단면도이다. 도 3은 도 2에 대한 사시도이다. 도 4는 도 3에 대한 일부 분해 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 전자기 에너지 하베스터(100)는 지지체(110)와, 고정 보(120)와, 하우징(130)과, 질량체(140)와, 구체(150)와, 자성체(160), 및 코일(170)을 포함한다.
지지체(110)는 내부 공간을 갖고 적어도 상측 부위가 개구된 구조로 이루어진다. 예컨대, 지지체(110)는 기판(111)과, 적어도 한 쌍의 측벽(116)들을 포함할 수 있다. 기판(111)은 하우징(130)으로부터 일정 간격을 두고 하우징(130)의 하측에 배치된다. 기판(111)은 상면에 코일(170)을 지지한다. 기판(111)은 코일(170)과 전기적으로 연결된다. 기판(111) 상에는 전극(112)들이 형성될 수 있다. 전극(112)들은 코일(170)의 양단에 각각 전기적으로 연결된다. 또한, 전극(112)들은 외부 전력 저장부(미도시)와 전기적으로 연결된다. 전극(112)들은 코일(170)에 발생되는 유도 기전력을 외부의 전력 저장부로 전달할 수 있다.
한 쌍의 측벽(116)들은 기판(111)과 하우징(130) 사이에서 서로 이격되어 고정 보(120)의 양단을 지지한다. 측벽(116)들은 서로 이격된 사이에 공간을 형성하게 된다. 측벽(116)들은 각 하단이 기판(111)에 연결되고 각 상단이 하우징(130)에 연결된다. 지지체(110)는 둘레가 막힌 형태로 이루어지도록 2쌍의 측벽(116)들을 포함할 수도 있다.
고정 보(120)는 지지체(110)의 내부 공간에 수평으로 배치된다. 고정 보(120)는 양단이 지지체(110), 예컨대 측벽(116)들에 각각 고정된다. 고정 보(120)는 일정 단면적을 갖고 연장된 형태로 이루어질 수 있다.
하우징(130)은 내부에 이동 채널(131)을 갖는다. 이동 채널(131)은 고정 보(120)의 상측에서 고정 보(120)와 교차하는 방향으로 연장된다. 이동 채널(131)은 고정 보(120)와 나란하게 배치될 수 있다. 이동 채널(131)은 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 이동 채널(131)은 원기둥 형상으로 이루어지는 것도 가능하다. 하우징(130)은 지지체(110)의 상측에 연결된다. 하우징(130)은 지지체(110)와 별개로 구성되어 지지체(110)에 결합될 수 있으나, 지지체(110)와 일체로 구성될 수도 있다.
질량체(140)는 고정 보(120)의 상면 중앙에 형성된다. 질량체(140)는 상측 부위가 하우징(130)의 삽입 홀(132)을 통해 이동 채널(131)로 삽입된다. 여기서, 삽입 홀(132)은 질량체(140)가 원활하게 출입할 수 있는 크기로 이루어진다. 질량체(140)는 상측 부위가 상방으로 볼록한 형태로 이동 채널(131)을 따라 곡면지게 형성될 수 있다. 예컨대, 질량체(140)는 상측 부위가 포물선 형태로 이동 채널(131)에 따라 곡면지게 형성될 수 있다. 따라서, 구체(150)가 이동 채널(131)을 따라 왕복하면서 질량체(140)에 충격을 가할 때, 질량체(140)의 곡면을 따라 원활하게 지나갈 수 있다. 질량체(140)는 고정 보(120)와 별개로 구성되어 고정 보(120)에 결합될 수 있으나, 고정 보(120)와 일체로 구성될 수도 있다.
구체(150)는 이동 채널(131)에 수용된다. 구체(150)는 외부로부터 가해지는 횡단 충격에 의해 이동 채널(131)을 따라 왕복하면서 질량체(140)에 충격을 가하여 고정 보(120)를 진동시킨다. 구체(150)는 비자성 물질로 이루어질 수 있다.
자성체(160)는 고정 보(120)의 하면 중앙에 형성되며 고정 보(120)의 진동에 따라 상하 이동한다. 자성체(160)는 영구자석으로 이루어질 수 있다. 자성체(160)는 상하로 반대 극성을 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 자성체(160)는 원기둥 형상으로 이루어지며, 상단이 고정 보(120)의 하면 중앙에 고정될 수 있다.
코일(170)은 자성체(160)의 상하 이동에 따른 유도 기전력을 발생시키도록 지지체(110)의 내부 공간에 설치된다. 코일(170)은 도전성 와이어가 나선으로 감긴 형태로 이루어질 수 있다. 코일(170)은 자성체(160)의 둘레로부터 간격을 두고 자성체(160)를 감싸는 크기로 이루어질 수 있다. 코일(170)은 자성체(160)의 상하 이동시 자성체(160)를 출입시키도록 배치되어 기판(111)의 상면에 지지될 수 있다. 자성체(160)가 원기둥 형상으로 이루어진 경우, 코일(170)은 원형 코일로 이루어질 수 있다. 코일(170)은 보빈에 감겨 지지될 수 있다. 코일(170)은 보빈에 복수의 층으로 감기도록 구성될 수도 있다.
전술한 전자기 에너지 하베스터(100)의 작용 예에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 구체(150)가 이동 채널(131)에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 이동하는 것을 전진 운동으로 정의하고, 구체(150)가 이동 채널(131)에서 오른쪽으로부터 왼쪽으로 이동하는 것을 후진 운동으로 정의한다.
전자기 에너지 하베스터(100)에 횡단 충격이 가해지면, 도 5에 도시된 바와 같이 이동 채널(131)의 왼쪽에 위치해 있던 구체(150)는 질량체(140)를 지나 이동 채널(131)의 오른쪽으로 전진 운동하게 된다. 이 과정에서, 구체(150)는 질량체(140)에 충격을 가하게 된다. 이로 인해, 고정 보(120)의 중앙 부위가 자성체(160)와 함께 하방으로 이동했다가 상방으로 복귀하는 수직 변위를 일으키면서 진동한다. 그러면, 자성체(160)가 코일(170)에 대해 가까워지거나 멀어지도록 이동한다. 이에 따라, 전자기 유도 현상에 의해 코일(170)에 유도 기전력이 발생될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 이동 채널(131)의 오른쪽에 위치해 있던 구체(150)는 질량체(140)를 지나 이동 채널(131)의 왼쪽으로 후진 운동하게 된다. 이 과정에서도, 전술한 작용으로 코일(170)에 유도 기전력이 발생될 수 있다. 따라서, 구체(150)가 이동 채널(131)을 따라 왕복하는 과정에서 코일(170)에 유도 기전력이 발생되어 전기에너지로 수확될 수 있다.
이와 같이, 전자기 에너지 하베스터(100)에 의하면, 횡단 충격시, 구체(150)가 질량체(140)에 충격을 가함에 따라 자성체(160)를 간접적으로 움직여 전기에너지를 수확하므로, 장시간 사용에도 신뢰성을 높일 수 있다. 그리고, 전자기 에너지 하베스터(100)에 의하면, 구체(150)가 1회 진동할 때 질량체(140)에 2번의 충격이 가해지며, 고정 보(120)는 전술한 작용에 의해 입력 주파수보다 상향된 주파수로 진동하게 된다. 이때, 고정 보(120)는 공진 주파수와 유사한 주파수로 진동하게 되므로, 높은 효율로 전기에너지를 수확할 수 있다.
또한, 전자기 에너지 하베스터(100)에 의하면, 공진주파수에 관계없이 비공진형으로 동작 가능하므로, 넓은 대역의 다양한 주파수를 갖는 비주기적 진동에도 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 따라서, 전자기 에너지 하베스터(100)는 신체의 움직임과 같이 10Hz 이하의 낮은 진동 주파수에도 전기에너지의 수확이 가능하다. 따라서, 전자기 에너지 하베스터(100)는 의복에 설치되는 경우, 신체 동력을 이용하여 전기에너지를 수확할 수 있다. 이 밖에도, 전자기 에너지 하베스터(100)는 휴대폰 등과 같은 휴대기기에 설치되거나, 휴대 물품 등에 설치되어 전기에너지를 수확할 수 있다.
한편, 전자기 에너지 하베스터(100)는 도 7에 도시된 바와 같이 등가 회로로 나타낼 수 있다. 등가 회로는 유도 기전력(Vem), 코일 저항(Rc), 코일 인덕터(Lc), 부하저항(Rl)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 전자기 에너지 하베스터의 예상 출력 전압(
Figure 112014111684987-pat00001
)과 출력 전력(
Figure 112014111684987-pat00002
)은 하기 수학식 1 및 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112014111684987-pat00003
여기서,
Figure 112016032996415-pat00004
은 코일의 권선수,
Figure 112016032996415-pat00005
는 자계강도,
Figure 112016032996415-pat00006
은 코일의 길이,
Figure 112016032996415-pat00007
는 코일에 대한 자성체의 상대속도이다.
Figure 112016032996415-pat00008
는 구체에 의해 발생되는 힘의 크기이며,
Figure 112016032996415-pat00009
는 스프링 상수,
Figure 112016032996415-pat00010
는 감쇠비,
Figure 112016032996415-pat00011
는 공진주파수,
Figure 112016032996415-pat00012
는 감쇠된 공진주파수를 나타낸다. 또한,
Figure 112016032996415-pat00013
은 고정 보의 길이,
Figure 112016032996415-pat00014
는 첫 번째 진동 모드의 고유함수, μk는 운동마찰계수(Coefficient of kinetic friction)이다.
Figure 112014111684987-pat00015
여기서,
Figure 112014111684987-pat00016
은 부하저항이며,
Figure 112014111684987-pat00017
은 코일 저항이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 에너지 하베스터에 대해 실험한 결과, 출력전압(㎷)은 도 8에 도시된 바와 같이 나타남을 확인해볼 수 있었다. 여기서, 실험을 위해 구성된 전자기 에너지 하베스터의 파라미터 값은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
파라미터 값
고정 보의 크기 40×6×0.5 mm3
고정된 양단을 제외한 고정 보의 길이 30 mm
고정보의 영률(Young's modulus) 24 GPa
자성체의 크기 φ6×5 mm2
자성체의 잔류자속밀도(Remnant flux density) 1.18 T
자성체의 질량 1 gram
질량체의 질량 1.73 gram
구체의 지름 10.3 mm
구체의 질량 4.36 gram
코일의 길이 5 mm
코일의 내경 8 mm
코일의 권선수 1000 turns
이동 채널의 길이 30 mm
이동 채널의 내부 단면적 10.5×0.5 mm2
도 9 및 도 10은 도 8에 있어서, 전자기 에너지 하베스터의 입력 주파수와 출력 주파수 성분을 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하여 각각 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이 입력 주파수를 약 5.8Hz로 진동을 가하였을 때, 도 10에 도시된 바와 같이 출력 주파수가 359Hz로 상향된 것을 확인해볼 수 있었다.
도 11은 도 8에 있어서, 전자기 에너지 하베스터의 부하저항에 따른 출력전압과 최대전력에 관한 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 93.82㎷의 RMS 출력전압과 103.55㎼의 최대 평균전력이 출력됨을 확인해볼 수 있었다. 여기서, 85Ω의 최적 부하저항(load resistance) 조건에서, 실험자가 전자기 에너지 하베스터를 2g(중력가속도 g=9.8 m/S2) 정도의 가속도로 직접 손으로 흔들어 측정한 결과이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..지지체 111..기판
120..고정 보 130..하우징
131..이동 채널 140..질량체
150..구체 160..자성체
170..코일

Claims (6)

  1. 내부 공간을 갖고 적어도 상측 부위가 개구된 지지체;
    일정 단면적을 갖고 연장된 형태로 상기 지지체의 내부 공간에 수평으로 배치되며, 양단이 상기 지지체에 고정된 고정 보;
    상기 고정 보의 상측에서 상기 고정 보와 교차하는 방향으로 수평하게 연장되는 이동 채널을 내부에 가지며, 상기 지지체의 상측에 연결된 하우징;
    상기 고정 보의 상면 중앙에 형성되며, 상측 부위가 상방으로 볼록한 형태로 상기 이동 채널을 따라 곡면지게 형성되어 상기 하우징의 삽입 홀을 통해 상기 이동 채널로 삽입되는 질량체;
    상기 이동 채널에 수용되며, 외부로부터 가해지는 횡단 충격에 의해 상기 이동 채널을 따라 수평 왕복하면서 상기 질량체에 충격을 가하여 상기 고정 보를 진동시키는 구체;
    상기 고정 보의 하면 중앙에 형성되며 상기 고정 보의 진동에 따라 상하 이동하는 자성체; 및
    상기 자성체의 상하 이동에 따른 유도 기전력을 발생시키도록 상기 지지체의 내부 공간에 설치된 코일;
    을 포함하는 전자기 에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동 채널은 상기 고정 보와 나란하게 배치되고 직육면체 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자기 에너지 하베스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성체는 상하로 반대 극성을 갖도록 배치된 영구자석인 것을 특징으로 하는 전자기 에너지 하베스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는,
    상기 코일과 전기적으로 연결되며 상면에 상기 코일을 지지하는 기판, 및
    상기 기판과 하우징 사이에서 서로 이격되어 상기 고정 보의 양단을 지지하는 적어도 한 쌍의 측벽들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    의복, 휴대기기, 휴대 물품 중 선택된 어느 하나의 구조물에 설치되는 것을 특징으로 하는 전자기 에너지 하베스터.
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