KR101975237B1 - 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법 - Google Patents

진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법에 관한 것으로서, (a) 전자식 가진시험기에 진동기반형 자가발전기 및 레이저 변위 계측기를 장착하고, 성능시험 주파수 범위를 상기 진동기반형 자가발전기의 고유주파수를 기점으로 기설정된 범위 이내로 증가시키고, 기설정 범위의 정현판(sinusoidal wave) 가속도 레벨 하에서 정적성능 시험을 수행하는 단계; (b) 상기 진동기반형 자가발전기의 축 하단부의 자유도(Degrees of freedom) 중 적어도 하나 이상의 자유도를 고정하며, 기설정된 주파수 범위와 관성하중을 적용하여 정적해석을 수행하여 취약부위 및 고유 주파수를 파악하는 단계; 및 (c) 상기 진동기반형 자가발전기의 공진특성을 고려할 수 있도록, 상기 진동기반형 자가발전기의 축단부의 하중방향을 제외한 방향을 고정하고, 기설정된 범위로 주파수를 증분시키고, 주파수 범위를 적용하여 주파수응답해석을 하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 (a) 단계를 통해서 획득된 상기 진동기반형 자가발전기의 변위 정보를 바탕으로 획득된 감쇠계수를 반영한다.

Description

진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법{Method for evaluating structural performance of vibration-based energy Harvester}
본 발명은 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 진동기반형 자가발전기의 성능을 확인할 수 있는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법에 관한 것이다.
진동기반형 자가발전기는 대상 구조물 및 부품에서 발생하는 진동하중의 가진주파수와 진동기반형 자가발전기 자체의 고유주파수의 공진현상을 이용하여 전력을 생산하는 장치로서, 동일한 진동이 유입되어도 일반적 공진 회피 구조물에 비하여 공진현상에 의한 매우 큰 가속도와 하중을 받게 되므로 구조적 파손에 직면할 가능성이 크게 증가한다. 따라서 진동기반형 자가발전기의 경우, 일반적인 공진 회피 구조물보다 엄격하고 세밀한 구조 안전 성능 평가가 매우 중요하며 이에 적합한 구조성능 평가 방법이 요구된다.
이러한 진동기반형 자가발전기 성능 평가 관련 연구들을 살펴보면, Xu, Andosca 및 Uzun은 압전소자를 이용한 외팔보형 진동기반형 자가발전기의 전력을 통하여 출력성능을 평가하였고, Patel 및 Chen은 진동기반형 자가발전기의 설치 방향에 따라 변화하는 전력을 평가하였다. 이러한 연구들과 같이 진동기반형 자가발전기의 출력성능 및 전력 평가에 대한 연구는 다수 수행되고 있으나 구조 안전 성능에 대한 연구 및 이에 대한 절차가 전무한 실정이다.
진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가 개발을 위한 기초자료로 사용하기 위하여, 일반적인 공진 회피 구조물의 구조성능 평가 절차에 대하여 기존의 연구동향을 살펴본 결과, 대부분 실험적 또는 해석적 방법을 통하여 공진 회피 구조물의 구조성능을 평가하고 있다.
예를 들어, Zambrano는 교량 크레인 축을 대상으로 화학적 특성, 구조 특성 및 경도 등의 측정 자료를 적용하여 구조해석을 수행하여 구조 안전 성능을 평가하였다.
Zhao은 운전조건 하에서 비틀림 빔 리어 서스펜션의 파손취약지점 확인 및 응력을 획득하는 구조해석을 수행하여 구조 안전 성능을 평가하였다. 그리고 Ozsoy 등은 헬리콥터의 부품을 대상으로 가진시험 및 해석을 통한 안전 성능 평가 방법을 제안하였다.
이상의 연구들은 공진현상을 회피하는 일반적인 구조물에 대한 구조 안전 성능 평가에 매우 적합한 결과를 도출하였으나, 공진주파수 및 공진현상을 전혀 고려하지 못하는 방법이므로 공진현상을 이용하는 진동기반형 자가발전기의 구조 안전 성능 평가 시에 적용이 어려운 측면이 있다.
(한국공개특허 제10-2010-0124400호, 2010년 11월 29일)
본 발명의 목적은 진동기반형 자가발전기의 성능을 확인할 수 있는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기의 구조성능을 평가하는 평가방법에 있어서, (a) 전자식 가진시험기에 진동기반형 자가발전기 및 레이저 변위 계측기를 장착하고, 성능시험 주파수 범위를 상기 진동기반형 자가발전기의 고유주파수를 기점으로 기설정된 범위 이내로 증가시키고, 기설정 범위의 정현판(sinusoidal wave) 가속도 레벨 하에서 정적성능 시험을 수행하는 단계; (b) 상기 진동기반형 자가발전기의 축 하단부의 자유도(Degrees of freedom) 중 적어도 하나 이상의 자유도를 고정하며, 기설정된 제1 주파수 범위와 관성하중을 적용하여 정적해석을 수행하여 취약부위 및 고유 주파수를 파악하는 단계; 및 (c) 상기 진동기반형 자가발전기의 공진특성을 고려할 수 있도록, 상기 진동기반형 자가발전기의 축단부의 하중방향을 제외한 방향을 고정하고, 기설정된 제2 주파수 범위에서 기설정된 범위로 주파수를 증분시켜 주파수응답해석을 하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서 상기 (a) 단계를 통해서 획득된 상기 진동기반형 자가발전기의 변위 정보를 바탕으로 획득된 감쇠계수를 반영한다.
본 실시예에 있어서, (a)의 정적성능 시험을 수행하는 단계는, 상기 고유주파수를 기점으로 5Hz를 0.5Hz 또는 1Hz 씩 증분하며, 상기 가속도 레벨은 0.5g, 1g, 2g 및 3g 중 어느 하나로 설정할 수 있다.
본 실시예에 있어서, (a) 정적성능 시험을 수행하는 단계는, 상기 진동기반형 자가발전기의 공진스프링에 변형률 게이지를 부착하여 수행될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 (c)의 주파수응답해석에서, 상기 제2 주파수 범위는 10 ~ 80Hz 범위이며, 상기 제2 주파수 범위를 증분하는 범위는 0.2Hz로 설정될 수 있다.
본 실시예에 있어서, (b) 단계에서 상기 제1 주파수 범위는 1 ~ 500Hz 범위로 설정될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 진동기반형 자가발전기는 기본형 진동기반형 자가발전기 또는 변위제한형 진동기반형 자가발전기 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법은 기본형 진동기반형 자가발전기 또는 변위제한형 진동기반형 자가발전기의 공진주파수와 공진현상을 고려함으로써 구조 안정성능을 효과적으로 파악할 수 있다.
즉, 본 발명은 공진현상에 의한 매우 큰 가속도와 하중을 받게 되어 구조적 파손에 직면할 가능성이 크게 증가하는 진동기반형 자가발전기에 대해 정적성능시험을 통한 고유주파수를 파악하고, 고유주파수가 반영된 구조해석을 통해 고유주파수 및 취약부위(FCL)을 파악하고, 공진특성을 적용한 주파수 응답해석을 통해 자가발전기의 안정성을 검토함으로써 자가발전기의 구조성능을 적절하게 파악할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법의 순서도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기 중 기본형 자가발전기에 대한 구조성능 평가 방법을 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기 중 변위제한형 자가발전기에 대한 구조성능 평가 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법의 순서도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가방법은 (a) 전자식 가진시험기에 진동기반형 자가발전기 및 레이저 변위 계측기를 장착하고, 성능시험 주파수 범위를 상기 진동기반형 자가발전기의 고유주파수를 기점으로 기설정된 범위 이내로 증가시키고, 기설정 범위의 정현판(sinusoidal wave) 가속도 레벨 하에서 정적성능 시험을 수행하는 단계; (b) 상기 진동기반형 자가발전기의 축 하단부의 자유도(Degrees of freedom) 중 적어도 하나 이상의 자유도를 고정하며, 기설정된 제1 주파수 범위와 관성하중을 적용하여 정적해석을 수행하여 취약부위 및 고유 주파수를 파악하는 단계; 및 (c) 상기 진동기반형 자가발전기의 공진특성을 고려할 수 있도록, 상기 진동기반형 자가발전기의 축단부의 하중방향을 제외한 방향을 고정하고, 기설정된 제2 주파수 범위에서 기설정된 범위로 주파수를 증분시켜 주파수응답해석을 하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서 상기 (a) 단계를 통해서 획득된 상기 진동기반형 자가발전기의 변위 정보를 바탕으로 획득된 감쇠계수를 반영한다. 여기서, 레이저 변위 계측기를 통하여 진동기반형 자가발전기의 변위를 획득한다.
또한, (a)의 정적성능 시험을 수행하는 단계는, 상기 고유주파수를 기점으로 5Hz를 0.5Hz 또는 1Hz 씩 증분하며, 상기 가속도 레벨은 0.5g, 1g, 2g 및 3g 중 어느 하나로 설정할 수 있다. 또한, 상기 (a) 정적성능 시험을 수행하는 단계는, 상기 진동기반형 자가발전기의 공진스프링에 변형률 게이지를 부착하여 수행될 수 있다.
(c)의 주파수응답해석에서, 상기 제2 주파수 범위는 10 ~ 80Hz 범위이며, 상기 제2 주파수 범위를 증분하는 범위는 0.2Hz로 설정될 수 있다. 본 실시예에 있어서, (b) 단계에서 상기 제1 주파수 범위는 1 ~ 500Hz 범위로 설정될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 진동기반형 자가발전기는 기본형 진동기반형 자가발전기 또는 변위제한형 진동기반형 자가발전기 중 어느 하나일 수 있다.
이하에서는, 기본형 자가발전기 및 변위제한형 진동기반형 자가 발전기에 대해서 정적성능시험, 구조해석 및 주파수 응답해석을 각각 설명한다.
기본형 자가발전기
진동기반형 자가발전기는 하우징, 진동하중을 받는 샤프트, 코일 케이스, mass body, 네오티윰 자석, 스프링으로 구성되어있는 것으로서 진동기반형 자가발전기의 상세한 설명은 생략한다. 스프링의 재질은 STS 410이며, 두께는 0.65mm이다. 또한, 진동기반형 자가발전기의 고유주파수는 50.5Hz를 갖도록 설계되었으며, 이의 기본형 진동기반형 자가발전기의 전체적인 무게는 360g이다.
(1) 정적성능시험
성능시험방법을 이용하여 고유주파수를 기점으로 ±5Hz를 1Hz씩 증분한 주파수범위와 0.5g, 1g, 2g 및 3g의 가속도를 부여하여 가속도 및 주파수에 따른 진동기반형 자가발전기 성능을 평가하였다. 51Hz에서 2g때의 가속도를 가진기에 부여하여 측정된 가속도-시간 선도이며, 이를 통하여 2g이상의 가속도가 가진되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 진동기반형 자가발전기의 고유주파수와 가진주파수의 공진현상으로 인해 높은 가속도가 발생하는 것으로 판단되어진다(도 2a).
보다 명확한 평가를 위해서 주파수별로 최대 가속도 값을 측정하였으며, 획득한 가속도-주파수 선도는 도 2b에 나타내었다. 2g의 가속도가 가해질 경우, 49 ~ 52Hz 범위에서 실제 진동기반형 자가발전기에 작용되는 가속도는 이보다 매우 높은 것을 확인할 수 있었다.
주파수에 따른 진동기반형 자가발전기의 최대 변위 거동을 나타낸 것으로서, 고유주파수에서 멀어질수록 변위가 감소하는 현상이 확인되었다(도 3). 다만 고유주파수 때의 가속도가 2g인 경우, 최대 변위의 크기가 0.5g 및 1g의 비해 큰 차이를 보이지 않으며, 이는 진동기반형 자가발전기의 최대 가용 변위가 4mm로 제한되어 있기 때문이라고 판단된다. 한편, 3g의 가속도가 작용할 경우, 진동기반형 자가발전기의 고유주파수에서 스프링의 파손이 발생하였다(도 3b참조).
(2) 구조해석
진동기반형 자가발전기는 공진현상에 의해 변위를 극대화하여 발전을 하는 원리를 사용하므로 고유주파수의 확인이 매우 중요하다. 그러므로 그림 4 및 표 1에 나타낸 진동기반형 자가발전기의 FE모델 및 재료의 물성치를 이용하여 모달해석을 수행하였으며, 이의 결과는 표 2에 나타내었다.
Figure 112017079152107-pat00001
Figure 112017079152107-pat00002
또한 모달해석 결과를 확인하기 위하여 성능시험의 결과와 비교하였으며, 동일한 고유주파수가 획득됨을 확인하였다.
진동기반형 자가발전기의 하중조건에 따라 유한요소해석을 수행하였으며, 해석을 통하여 획득한 응력 분포를 나타내었다(그림 5a). 그림에서 확인 할 수 있듯이 취약부위의 위치는 성능시험에 파손된 지점과 동일하였으며, 최대수직응력은 31MPa이 발생하였다. 그림 5b는 변위 분포를 나타낸 것이며, 최대변위는 0.0949mm가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 성능시험에서 1g를 부여하였을 때 진동기반형 자가발전기의 변위는 3.2mm가 발생하였으며, 이러한 원인은 구조해석에서 공진현상을 고려하지 못했기 때문이라고 판단된다. 따라서 진동기반형 자가발전기의 구조 안전 성능에 대한 평가를 수행하기 위해서는 공진현상을 고려할 수 있는 해석방법이 필요하다.
(3) 주파수응답해석
진동기반형 자가발전기는 자체의 고유주파수와 가진주파수와의 공진현상을 이용하여 발전량을 극대화하는 시스템이므로, 이의 구조적 안전 성능을 확인하기 위해서는 주파수영역에서의 진동기반형 자가발전기의 반응을 확인할 수 있는 주파수응답해석을 수행되어야 한다.
도 6 a는 주파수응답해석 결과 중 진동기반형 자가발전기의 고유주파수에서의 응력분포를 나타낸 것이다. 도 6 a에서 최대응력이 발생한 지점은 node 63634로서 성능시험 시 스프링의 파손을 나타낸 도 3b의 파손지점과 동일하다.
또한, 도 6 b는 주파수응답해석결과 중 진동기반형 자가발전기의 고유주파수에서의 변위 분포를 나타낸 것이며, 최대변위 지점은 node 63905에서 발생하였다. 는 node 63905에서의 변위를 성능시험의 결과와 비교하여 나타낸 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 주파수응답해석의 결과는 실험 결과와 매우 잘 일치하였다. 이를 통하여 주파수응답해석의 타당성과 스프링의 취약부위를 확인하였다.
이와 같이 타당성이 확인된 주파수응답해석 방법을 이용하여 가속도에 따른 취약부위의 변위 거동을 분석하였다. 도 7a는 이의 결과로서, 고유주파수에서 취약부위의 변위는 3g의 가속도일 때 최대 약 9.6mm가 발생함을 확인할 수 있었다. 그러나 진동기반형 자가발전기의 허용변위는 4mm에 불과하므로 약 1.3g의 가속도가 작용할 경우, 스프링은 진동기반형 자가발전기의 케이스에 이미 접촉하는 상황임을 알 수 있다.
또한 스프링의 정적 파손은 주로 스프링 물성의 인장강도와 관련이 있으므로 주파수응답해석을 통하여 획득한 국부 응력과 열처리된 STS 410 의 인장강도와 비교하여 도 7a에 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이 2g의 가속도가 작용하면 열처리 STS 410의 인장강도[33]보다 높은 응력이 발생하므로 정적파손이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 진동기반형 자가발전기의 구조 안전 성능을 평가한 결과 스프링에서 파손될 가능성이 매우 높다.
변위제한형 자가발전기
변위제한형 진동기반형 자가발전기는 하우징, 진동하중을 받는 샤프트, 코일 케이스, mass body, 네오티윰 자석, 스프링 및 양 끝단에 변위를 제한할 수 있는 고무 재질의 stopper로 구성되어있다. 프링의 재질은 SKD61이며, 두께는 0.7mm이다. 또한, 진동기반형 자가발전기의 고유주파수는 47Hz를 갖도록 설계되었으며, 이의 전체 무게는 340g이다.
(1) 정적성능시험
성능시험방법을 이용하여 고유주파수를 기점으로 ±5Hz를 1Hz씩 증분한 주파수범위와 0.5g, 1g, 2g 및 3g의 가속도를 부여하여 가속도 및 주파수에 따른 진동기반형 자가발전기 성능을 평가하였다.
그림 8 a는 47Hz에서 3g때의 가속도를 가진기에 부여하여 측정한 가속도-시간 선도를 나타낸 것이며, 3g의 가속도가 가진되는 것을 확인할 수 있었다. 주파수별로 최대 가속도 값을 측정한 가속도-주파수 선도는 8b에 나타내었다.
그림 9 a는 주파수에 따른 진동기반형 자가발전기의 최대 변위 거동을 나타낸 것으로서, 0.5g의 가속도의 경우, 고유주파수에서 멀어질수록 변위가 감소하는 현상이 확인되었다. 1g 이상의 가속도의 경우, 최대변위는 2mm이하이므로 일정한 변위가 발생되는 것으로 판단된다. 그림 9 b는 주파수에 따른 스프링의 취약부위에서 측정한 변형률을 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 0.5g에 해당하는 가속도의 경우, 고유주파수에서 멀어질수록 변형률이 감소하는 현상이 확인되었다. 또한, 1g 이상의 가속도의 경우, stopper에 부딪치는 현상에 의해 고유주파수가 조금씩 변경 되는 것으로 판단된다.
도 10은 변형률에 탄성계수를 적용하여 주파수에 따른 응력으로 나타내었다. 그림에 확인할 수 있듯이 2g에 해당하는 가속도의 경우, 최대응력은 231MPa이 작용하였다.
(2) 구조해석
변위제한형 진동기반형 자가발전기의 고유주파수를 확인하기 위해서 도 10 및 표 3에 나타낸 진동기반형 자가발전기의 FE모델 및 재료의 물성치를 이용하여 모달해석을 수행하였으며, 이의 결과는 Table 표 4에 나타내었다. 모달해석 결과는 성능시험의 결과와 비교하였으며, 동일한 고유주파수가 획득됨을 확인하였다.
Figure 112017079152107-pat00003
Figure 112017079152107-pat00004
진동기반형 자가발전기의 정적하중조건에 따라 구조해석을 수행하였으며, 도 11a는 해석을 통하여 구한 응력 분포를 나타낸 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 최대 수직응력은 16MPa이 발생하였다. 도 11b는 변위 분포를 나타내 것이며, 최대변위는 0.056mm가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인은 정적해석의 경우 공진현상을 고려하지 못하기 때문이며, 진동기반형 자가발전기의 구조 안전 성능에 대한 평가가 불가능하다. 따라서 진동기반형 자가발전기의 구조 성능을 평가하기 위하여 공진을 고려할 수 있는 주파수응답해석이 필요하다.
(3) 주파수응답해석
변위제한형 진동기반형 자가발전기는 자체의 고유주파수와 가진주파수와의 공진현상을 이용하여 발전량을 극대화하는 시스템이므로, 이의 구조적 안전 성능을 확인하기 위해서는 주파수영역에서의 진동기반형 자가발전기의 반응을 확인하여야 한다.
주파수응답해석의 결과를 검증하기 위하여 성능실험 시 획득한 동일한 위치에서의 변위를 비교하였다. 이를 자세히 살펴보면 도 12a에 나타낸 바와 같이 0.5g일 때 성능실험에서는 1.2mm, 해석에서는 1.18mm의 변위가 획득되었으며 이의 결과가 실험 결과와 매우 잘 일치함을 확인하였다.
이와 같이 타당성이 확인된 주파수응답해석 방법을 이용하여 가속도에 따른 취약부위의 응력 거동을 분석하였으며, 해석 결과를 도 12b에 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이 2g일 때 취약부위인 스프링에서의 최대 응력은 356.97MPa이 발생하였다. 이를 통하여 변위제한형 진동기반형 자가발전기의 핵심 부품인 스프링의 최대 응력을 확인하였으며, 이러한 결과는 인장강도보다 낮은 응력이 발생하였다. 따라서 변위제한형 진동기반형 자가발전기의 구조 안전 성능을 평가한 결과 구조성능이 확보된 것을 확인하였다.
즉, 본 발명은 공진현상에 의한 매우 큰 가속도와 하중을 받게 되어 구조적 파손에 직면할 가능성이 크게 증가하는 진동기반형 자가발전기에 대해 정적성능시험을 통한 고유주파수를 파악하고, 고유주파수가 반영된 구조해석을 통해 고유주파수 및 취약부위(FCL)을 파악하며, 공진특성을 적용한 주파수 응답해석을 통해 자가발전기의 안정성을 검토함으로써 자가발전기의 구조성능을 적절하게 파악할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (6)

  1. 진동기반형 자가발전기의 구조성능을 평가하는 평가방법에 있어서,
    (a) 전자식 가진시험기에 진동기반형 자가발전기 및 레이저 변위 계측기를 장착하고, 성능시험 주파수 범위를 상기 진동기반형 자가발전기의 고유주파수를 기점으로 기설정된 범위 이내로 증가시키고, 기설정 범위의 정현판(sinusoidal wave) 가속도 레벨 하에서 정적성능 시험을 수행하는 단계;
    (b) 상기 진동기반형 자가발전기의 축 하단부의 자유도(Degrees of freedom) 중 적어도 하나 이상의 자유도를 고정하며, 기설정된 제1 주파수 범위와 관성하중을 적용하여 정적해석을 수행하여 취약부위 및 고유 주파수를 파악하는 단계; 및
    (c) 상기 진동기반형 자가발전기의 공진특성을 고려할 수 있도록, 상기 진동기반형 자가발전기의 축단부의 하중방향을 제외한 방향을 고정하고, 기설정된 제2 주파수 범위에서 기설정된 범위로 주파수를 증분시켜 주파수응답해석을 하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 (a) 단계를 통해서 획득된 상기 진동기반형 자가발전기의 변위 정보를 바탕으로 획득된 감쇠계수를 반영한 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)의 정적성능 시험을 수행하는 단계는,
    상기 고유주파수를 기점으로 5Hz를 0.5Hz 또는 1Hz 씩 증분하며,
    상기 가속도 레벨은 0.5g, 1g, 2g 및 3g 중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 정적성능 시험을 수행하는 단계는,
    상기 진동기반형 자가발전기의 공진스프링에 변형률 게이지를 부착하여 수행되는 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c)의 주파수응답해석에서,
    상기 제2 주파수 범위는,
    10 ~ 80Hz 범위이며, 상기 제2 주파수 범위를 증분하는 범위는 0.2Hz로 설정되는 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 제1 주파수 범위는
    1 ~ 500Hz 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동기반형 자가발전기는,
    기본형 진동기반형 자가발전기 또는 변위제한형 진동기반형 자가발전기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진동기반형 자가발전기의 구조성능 평가.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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