KR101984533B1 - hybrid electromagnetic and friction energy harvester using double halbach array of magnets and PDMS - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진동을 이용하여 전자기 에너지를 생성하는 에너지 하베스터에 대한 것으로, 외부 케이스, 제1 내부 케이스, 제2 내부 케이스, 자속 집중 전기 에너지 생성부, 마찰 전기 에너지 생성부를 포함하며, 이중 할바흐 배열 및 자석 스프링을 이용하여 특정 부분에 자속을 집중시킴으로써 광대역의 높은 효율을 갖는 전기 에너지 하베스팅을 제공하며, 알루미늄과 PDMS를 이용하여 마찰로 인하여 마찰 전기 하베스팅도 제공할 수 있는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to an energy harvester for generating electromagnetic energy using vibration, the energy harvester including an outer case, a first inner case, a second inner case, a magnetic flux concentrated electrical energy generating portion, and a triboelectric energy generating portion, And magnetic springs are used to concentrate the magnetic flux to a specific part to provide electric energy harvesting with a high efficiency of a wide band and a double hull arrangement capable of providing triboelectric hubbing due to friction using aluminum and PDMS And to provide a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMS.
Description
본 발명은 진동을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 하베스터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 보빈과 코일, 자석 스프링을 사용하여 진동하며, 이중 할바흐 배열된 다수의 자석을 이용함으로써 자속을 집중하여 전기에너지의 생성을 향상시킬 뿐만 아니라 마찰을 이용하여 마찰 전기 에너지 또한 생성함으로써 고출력 전기에너지를 얻을 수 있는 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
페러데이의 법칙은 자기장이 변화하면 전기장이 생기는 법칙이다. 전자기유도방식을 이용한 에너지 하베스터는 이러한 페러데이의 법칙을 이용한다. 자석과 코일을 놓고 둘 중 하나 혹은 둘 다 움직이게 하면서 유도기전력을 발생시키는 것이다. Faraday 's law is the law of the electric field when the magnetic field changes. The energy harvester using the electromagnetic induction method makes use of this Faraday's law. By placing a magnet and a coil, one or both of them can be moved to generate an induced electromotive force.
이때 발생되는 유도기 전력의 크기는 코일의 감은 수, 자속의 세기, 보빈의 길이, 자석이나 코일의 속도와 비례한다. The magnitude of the induction power generated at this time is proportional to the number of turns of the coil, the intensity of the magnetic flux, the length of the bobbin, and the speed of the magnet or the coil.
따라서 자속의 세기를 증가시키면 발생되는 유도기 전력의 크기도 증가할 수 있어 에너지 하베스팅에서 유리한 효과를 도출할 수 있다. Therefore, if the magnetic flux intensity is increased, the magnitude of the induction power generated can be increased, so that a favorable effect can be obtained in the energy harvesting.
이 뿐만이 아니라 그리고 비선형 운동에 있어서 자속의 세기를 증가시키면 해당 에너지 하베스터는 중심 주파수에 대한 대역폭이 크고 더 큰 에너지를 발생할 수 있다.In addition to this, and in nonlinear motion, increasing the intensity of the magnetic flux, the energy harvester is able to generate a larger and more energetic bandwidth to the center frequency.
따라서 자석 스프링을 이용하여 선형 운동의 에너지 하베스터를 비선형 운동의 에너지 하베스터로 만들어서 더 큰 효율을 얻을 수 있는 방법에 대한 필요성이 대두되었다.Therefore, there is a need for a method that can achieve higher efficiency by making the energy harvester of the linear motion using the magnet spring into the energy harvester of the nonlinear motion.
또한 상술한 바와 같이 자속을 증가 시켜 전자기 에너지를 생성하는 것과 동시에 진동이 있는 경우 마찰이 일어나는 점에 착안하여 마찰 전기를 동시에 일으킬 수 있는 있는 에너지 하베스터에 대한 관심이 점차 증가되고 있는 추세이다.In addition, as described above, there is an increasing interest in an energy harvester capable of simultaneously generating triboelectricity by paying attention to generation of electromagnetic energy by increasing magnetic flux and friction at the same time vibration occurs.
이중 할바흐 배열을 이용하여 특정 부분에 자속을 집중시키고, 자석 스프링을 이용하여 광대역의 높은 효율을 갖는 전기 에너지 하베스팅을 제공하며, 알루미늄과 PDMS를 이용하여 마찰로 인하여 마찰 전기 하베스팅도 제공할 수 있는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다.By using the double hull arrangement, magnetic flux is concentrated on a specific part, electric energy harvesting with high efficiency of wide band is provided by using a magnetic spring, and frictional electric harvesting is also provided by friction using aluminum and PDMS And to provide a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-hull arrangement.
본 발명의 실시 예에 따르면 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터는 직육면체의 외부 케이스; 상기 외부 케이스 내부에 위치하며 다수의 자석이 이중 할바흐 배열을 이루어 두 개의 면을 포함하는 사각형 형태의 제1 및 제2 내부 케이스; 상기 제1 및 제2 내부 케이스 내부에 상기 이중 할바흐 배열로 인해 자속이 집중되는 곳에 각 1개씩 위치한 2개의 보빈, 상기 각 보빈에 감기는 코일, 상기 2개의 내부 케이스 사이에 위치하는 각 이동 플레이트의 중앙에 위치한 자석 스프링을 포함하며, 진동이 전달된 경우 상기 2개의 내부 케이스 사이의 자석 스프링이 진동을 비선형 움직임으로 변환하여 상기 코일과 작용해 전기 에너지를 발생하는 자속 집중 전기 에너지 생성부; 및 상기 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 알루미늄-PDMS가 부착되고 상기 고정 플레이트와 마주보는 상기 제1 및 제2 내부 케이스의 하나의 면에 각각 알루미늄 이 부착되며, 진동이 전달된 경우 진동으로 인해 발생된 상기 알루미늄-PDMS와 알루미늄의 마찰을 이용하여 마찰로 인한 전기 에너지를 생성하는 마찰 전기 에너지 생성부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-hull arrangement comprises an outer case of a rectangular parallelepiped; First and second inner cases located in the outer case and having a rectangular shape with a plurality of magnets arranged in a double hull arrangement and including two faces; Two bobbins positioned one by one inside the first and second inner cases where magnetic flux is concentrated due to the double hull arrangement, coils wound on the respective bobbins, angular movement plates disposed between the two inner cases, A magnetic flux concentrating electric energy generating unit that converts a vibration into a nonlinear motion and generates electric energy by acting on the coil when a vibration is transmitted, and a magnetic spring between the two inner cases generates vibration; And an aluminum-PDMS attached to both ends of the outer case, aluminum is attached to one surface of the first and second inner cases facing the fixing plate, and when vibration is transmitted, And a triboelectric energy generating unit that generates electric energy due to friction by using the friction between the aluminum-PDMS and the aluminum generated due to the friction between the aluminum and the PDMS.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 및 제2 내부 케이스는, 상기 이중 할바흐 배열을 이루고 있는 다수의 자석이 영구 자석일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the first and second inner cases, the plurality of magnets constituting the double hull arrangement may be permanent magnets.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 및 제2 내부 케이스는, 사각형의 형태를 이루고 있으며, 상기 사각형의 형태는 각각 다수의 자석이 위 아래로 할바흐 배열되어 있는 두 개의 면과 폴리카보네이트로 만든 판으로 형성된 두 개의 면으로 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first and second inner cases are in the form of a quadrangle, and the quadrangular forms are formed by two faces, in which a plurality of magnets are arranged so as to be vertically stacked, and polycarbonate It can be composed of two planes made of a made plate.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 외부 케이스는, 폴리카보네이트 재질이며 위 판과 아래 판이 위 아래로 열리고 닫히며, 상기 위 판과 아래 판의 양 옆을 2개의 고정 자석 플레이트 판을 이용하여 고정할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the outer case is made of polycarbonate, and the upper plate and the lower plate are opened and closed up and down, and both sides of the upper plate and the lower plate are fixed using two fixed magnet plate plates .
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 외부 케이스는, 상기 위 판과 아래 판이 닫히며 상기 2개의 보빈을 움직이지 않도록 고정시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the upper case and the lower plate are closed so that the two bobbins can be fixed so as not to move.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 자속 집중 전기 에너지 생성부는, 상기 코일이 고정되고 자석 스프링이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the magnetic flux concentrated electric energy generating unit may generate electric energy by fixing the coil and moving the magnet spring.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 자속 집중 전기 에너지 생성부는, 상기 자석 스프링이 고정되고 코일이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the magnetic flux concentrated electric energy generating unit may generate electric energy by fixing the magnet spring and moving the coil.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 마찰 전기 에너지 생성부는, 상기 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 알루미늄이 부착되고 상기 고정 플레이트와 마주보는 상기 제1 및 제2 내부 케이스의 하나의 면에 각각 알루미늄-PDMS가 부착될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the triboelectric energy generating unit may include a triboelectric energy generator having aluminum attached to a fixing plate located at both ends of the outer case, Aluminum-PDMS can be attached, respectively.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 마찰 전기 에너지 생성부는, 상기 알루미늄 및 PDMS를 상호 마찰하여 마찰 전기를 생성할 수 있는 물질로 대체하여 마찰 전기를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the triboelectric energy generator may generate triboelectric energy by replacing the aluminum and the PDMS with a material capable of frictionally generating friction electricity.
본 발명에 따르면 이중 할바흐 배열과 자석 스프링을 이용하는 자속 집중 전기 에너지 하베스팅과 알루미늄과 PDMS를 이용하여 마찰로 인한 마찰 전기 하베스팅을 동시에 제공함으로써 더 넓은 광대역 및 높은 전자기 에너지 하베스팅 효과를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a wider bandwidth and a higher electromagnetic energy harvesting effect by simultaneously providing a magnetic field concentrated electric energy harvesting using a double Halbach arrangement and a magnetic spring, and triboelectric hubbing due to friction using aluminum and PDMS .
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 구현한 경우 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터에 대한 FEMM 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 발생 전력을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-hull arrangement according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing FEMM simulation results of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of double-arrayed magnets and a PDMS according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating output waveforms of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-array structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the generated power of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-array structure according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull arrangement according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull structure according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터는 외부 케이스(100), 제1 내부 케이스(210), 제2 내부 케이스(220), 자속 집중 전기 에너지 생성부(300), 마찰 전기 에너지 생성부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull arrangement includes an
외부 케이스(100)는 직육면체의 형태의 케이스로 구현될 수 있으며, 제1 내부 케이스(210), 제2 내부 케이스(220), 자속 집중 전기 에너지 생성부(300), 마찰 전기 에너지 생성부(400)를 상기 직육면체 형태의 케이스 내부에 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면 직육면체 형태의 케이스인 외부 케이스(100)는 폴리카보네이트(polycarbonate) 하우징 형태로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 아니한다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 폴리카보네이트 재질이며 위 판과 아래 판이 위 아래로 열리고 닫히며, 위 판과 아래 판의 양 옆을 2개의 고정 자석 플레이트 판을 이용하여 고정할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the upper plate and the lower plate are opened and closed by a polycarbonate material, and both sides of the upper plate and the lower plate can be fixed using two fixed magnet plate plates.
제1 내부 케이스(210) 및 제2 내부 케이스(220)는 외부 케이스 내부에 위치하며 다수의 자석이 이중 할바흐 배열을 이루어 두 개의 면을 포함하는 사각형 형태를 가질 수 있다.The first inner case 210 and the second inner case 220 are located inside the outer case, and a plurality of magnets may have a rectangular shape including two surfaces in a double hull arrangement.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 사각형의 형태를 이루고 있으며, 상기 사각형의 형태는 각각 다수의 자석이 위 아래로 할바흐 배열되어 있는 두 개의 면과 폴리카보네이트로 만든 판으로 형성된 두 개의 면으로 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the shape of the quadrangle is composed of two surfaces, each of which has a plurality of magnets arranged in a top-bottom direction and a plate made of polycarbonate, .
본 발명의 일 실시 예에 따르면 이중 할바흐 배열을 이루고 있는 다수의 자석이 영구 자석을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of magnets constituting the double Halbach array may include permanent magnets.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 내부 케이스(210) 및 제2 내부 케이스(220)는 각각 내부에 1개의 보빈(bobbin)을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first inner case 210 and the second inner case 220 may each include one bobbin.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 및 제2 내부 케이스에 위치한 보빈은 각각 코일에 감겨 있는 상태로 존재할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the bobbins located in the first and second inner cases may be respectively wound on the coils.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 외부 케이스(100)의 위 판과 아래 판이 닫히며, 제1 및 제2 내부 케이스에 위치한 2개의 보빈을 움직이지 않도록 고정시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the upper plate and the lower plate of the
자속 집중 전기 에너지 생성부(300)는 제1 및 제2 내부 케이스 내부에 상기 이중 할바흐 배열로 인해 자속이 집중되는 곳에 각 1개씩 위치한 2개의 보빈을 포함할 수 있다.The magnetic flux concentrated electric energy generating unit 300 may include two bobbins positioned in the first and second inner cases one by one at a place where magnetic flux is concentrated due to the double hull arrangement.
또한 제1 및 제2 내부 케이스에 위치한 2개의 보빈에 감기는 코일과 2개의 제1, 제2 내부 케이스 사이에 위치하는 각 이동 플레이트의 중앙에 위치한 자석 스프링을 포함할 수 있다.And a coil spring wound on two bobbins disposed in the first and second inner cases, and a magnet spring disposed in the center of each moving plate positioned between the two first and second inner cases.
여기서 자석 스프링은 제1, 제2 내부 케이스 사이에 위치하는 각 이동 플레이트의 중앙에 위치한 2개의 자석으로 이루어져 진동이 전달된 경우 진동을 비선형 움직임으로 변환하여 코일과 작용해 전기 에너지를 발생할 수 있는 것을 의미할 수 있다. Here, the magnet spring is composed of two magnets positioned at the center of each moving plate positioned between the first and second inner cases, and when vibration is transmitted, the magnet spring converts the vibration into a nonlinear motion and acts on the coil to generate electric energy It can mean.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 코일이 고정되고 자석 스프링이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수 있으나, 또 다른 실시 예에 따르면 자석 스프링이 고정되고 코일이 움직임으로써 전기 에너지를 발생할 수도 있다.According to an embodiment of the present invention, the coil may be fixed and the magnetic spring may generate electric energy, but according to another embodiment, the magnetic spring may be fixed and the coil may move to generate electric energy.
마찰 전기 에너지 생성부(400)는 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 알루미늄-PDMS가 부착되고 고정 플레이트와 마주보는 상기 제1 및 제2 내부 케이스의 하나의 면에 각각 알루미늄이 부착될 수 있다.The triboelectric energy generating unit 400 may include an aluminum-PDMS attached to a fixing plate located at both ends of the outer case, and aluminum may be attached to one surface of the first and second inner cases, have.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 진동이 전달된 경우 진동으로 인해 발생된 알루미늄-PDMS와 알루미늄의 마찰을 이용하여 마찰로 인한 전기 에너지를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when vibration is transmitted, the friction between aluminum-PDMS and aluminum generated due to vibration can be used to generate electrical energy due to friction.
여기서 알루미늄-PDMS는 알루미늄과 PDMS가 결합된 것을 의미하며 주로 필름 형태로 면과 면이 닿아서 결합하는 형태로 생성될 수 있다.Here, aluminum-PDMS refers to a combination of aluminum and PDMS, and it can be produced in a form of bonding in which a film is in contact with a surface in a film form.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 알루미늄-PDMS에 부착되어 위치할 수 있으며 알루미늄이 고정 플레이트와 부착되는 면 쪽에 위치할 수 있으며 PDMS는 내부의 케이스와 마주보게 위치할 수 있고, 마주보는 내부 케이스 면에는 알루미늄이 필름 형태로 부착되어 위치할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the aluminum-PDMS may be attached to the fixing plate located at both ends of the outer case, and the aluminum may be positioned on the side where the fixing plate is attached. And aluminum can be placed in the form of a film on the facing inner case surface.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 알루미늄이 부착되고 고정 플레이트와 마주보는 제1 및 제2 내부 케이스의 하나의 면에 각각 알루미늄-PDMS가 부착될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, aluminum is attached to a fixing plate located at both ends of an outer case, and an aluminum-PDMS may be attached to one surface of the first and second inner cases facing the fixing plate, respectively .
이때 제1 및 제2 내부 케이스의 한 면에 부착된 알루미늄-PDMS는 내부 케이스와 부착되는 면 쪽에 알루미늄이 알루미늄이 필름 형태로 부착될 수 있으며 PDMS는 외부 케이스와 마주보게 위치할 수 있으며, 이와 마주보는 외부 케이스의 끝단에는 알루미늄이 필름 형태로 부착되어 위치할 수도 있다.At this time, aluminum-PDMS attached to one surface of the first and second inner cases may be attached with aluminum film in the form of aluminum on the surface of the aluminum case attached to the inner case, and the PDMS may be positioned to face the outer case, Aluminum may be attached to the end of the outer case to be attached as a film.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 알루미늄 및 PDMS를 상호 마찰하여 마찰 전기를 생성할 수 있는 물질로 대체함으로써 마찰 전기를 생성할 수도 있다.According to an embodiment of the present invention, triboelectricity may be generated by replacing aluminum and PDMS with materials capable of frictionally generating friction electricity.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터를 구현한 경우 각 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-hull arrangement according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 각 세부 구성이 나타나 있다.Referring to FIG. 2, a detailed configuration of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets arranged in a double hull arrangement and a PDMS implemented according to an embodiment of the present invention is shown.
본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터는 다수의 자석으로 이루어진 할바흐 배열, 자석 스프링, 필름 형태로 이루어진 알루미늄 및 PDMS, 보빈과 보빈에 감겨진 코일, 폴리카보네이트 하우징으로 이루어진 외부케이스를 포함할 수 있다.The hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in accordance with an embodiment of the present invention includes a plurality of magnets, a magnet array, a magnet spring, aluminum and PDMS in the form of a film, And an outer case made of a coil wound around the bobbin and a polycarbonate housing.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터에 대한 FEMM 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a graph showing FEMM simulation results of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of double-arrayed magnets and a PDMS according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터에 대한 FEMM 시뮬레이션 결과가 나타나 있으며, 도 3과 같이 FEMM 시뮬레이션 결과는 다수의 자석이 이중 할바흐 배열되어 있기 때문에 코일이 있는 쪽으로 자속이 집중되는 것이 나타나 있어 그만큼 자속의 집중으로 자속의 세기가 강해진 것이 나타나 있다.Referring to FIG. 3, FEMM simulation results of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged according to an embodiment of the present invention are shown. As shown in FIG. 3, Since a large number of magnets are arranged in a double band arrangement, magnetic flux concentrates on the side where the coils exist, and the intensity of the magnetic flux becomes strong due to the concentration of the magnetic flux.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 출력 파형을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating output waveforms of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-array structure according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 출력 파형이 나타나 있으며, 특히 도 4a는 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 32.5 Ω일 때의 자속 집중 전기 에너지 생성부(300)에서 생성되는 전자기 에너지의 출력 파형이 나타나 있고, 도 4b는 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 10 MΩ일 때 마찰 전기 에너지 생성부(400) 생성되는 전자기 에너지의 출력 파형이 나타나 있다.Referring to FIG. 4, there is shown an output waveform of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged according to an embodiment of the present invention. Particularly, FIG. 4B shows the output waveform of the electromagnetic energy generated by the magnetic flux concentrated electric energy generating unit 300 when the load resistance is 32.5 OMEGA and the acceleration of the input frequency 6 Hz and the load resistance is 10 MΩ The output waveform of the electromagnetic energy generated by the triboelectric energy generating unit 400 is shown.
도 4a를 참조하면 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 32.5 Ω일 때의 자속 집중 전기 에너지 생성부(300)에서는 1.22Vp-p의 전압이 발생하며, 도 4b를 참조하면 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 10 MΩ일 때 마찰 전기 에너지 생성부(400)는 60Vp-p의 전압이 발생하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4A, a voltage of 1.22 Vp-p is generated in the magnetic flux concentrated electric energy generator 300 when the input frequency is 6 Hz, the acceleration is 2 g, and the load resistance is 32.5 OMEGA. Referring to FIG. 4B, Hz, an acceleration of 2 g, and a load resistance of 10 M OMEGA, the triboelectric energy generator 400 can see that a voltage of 60 Vp-p is generated.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 발생 전력을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a graph showing the generated power of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double-array structure according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터의 발생 전력이 나타나 있으며, 특히 도 5a는 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 32.5 Ω일 때의 자속 집중 전기 에너지 생성부(300)에서 생성되는 전자기 에너지의 발생 전력이 나타나 있고, 도 5b는 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 10 MΩ일 때 마찰 전기 에너지 생성부(400) 생성되는 전자기 에너지의 발생 전력이 나타나 있다.Referring to FIG. 5, there is shown the generated power of a hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged according to an embodiment of the present invention. Particularly, FIG. 5A shows an input frequency of 6 Hz, 2 g 5B is a graph showing the relationship between the acceleration of the input frequency of 6 Hz and the acceleration of the load of 2 g and the load resistance of 10 M? The generated electric energy of the electromagnetic energy generated by the triboelectric energy generating unit 400 is shown.
도 5a를 참조하면 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 32.5 Ω일 때의 자속 집중 전기 에너지 생성부(300)에서는 11.5mWpeak의 전력이 발생하며, 도 4b를 참조하면 입력 주파수 6 Hz, 2g의 가속도, 부하저항이 10 MΩ일 때 마찰 전기 에너지 생성부(400)는 88μWpeak의 전력이 발생하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5A, a power of 11.5 mW peak is generated in the magnetic flux concentrated electric energy generating unit 300 when the input frequency is 6 Hz, the acceleration is 2 g, and the load resistance is 32.5 OMEGA. Referring to FIG. 4B, When the acceleration is 2 g and the load resistance is 10 M OMEGA, the triboelectric energy generator 400 generates 88 W peak power.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 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, but, on the contrary, Various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention are also within the scope of the present invention.
100 : 외부 케이스 210 : 제1 내부 케이스
220 : 제2 내부 케이스 300 : 자속 집중 전기 에너지 생성부
400 : 마찰 전기 에너지 생성부100: outer case 210: first inner case
220: second inner case 300: magnetic flux concentration electric energy generating unit
400: triboelectric energy generating unit
Claims (9)
상기 외부 케이스 내부에 위치하며 다수의 자석이 이중 할바흐 배열을 이루어 두 개의 면을 포함하는 사각형 형태의 제1 및 제2 내부 케이스;
상기 제1 및 제2 내부 케이스 내부에 상기 이중 할바흐 배열로 인해 자속이 집중되는 곳에 각 1개씩 위치한 2개의 보빈, 상기 각 보빈에 감기는 코일, 상기 2개의 내부 케이스 사이에 위치하는 각 이동 플레이트의 중앙에 위치한 자석 스프링을 포함하며, 진동이 전달된 경우 상기 2개의 내부 케이스 사이의 자석 스프링이 진동을 비선형 움직임으로 변환하여 상기 코일과 작용해 전기 에너지를 발생하는 자속 집중 전기 에너지 생성부; 및
상기 외부 케이스의 양 끝 단에 위치한 고정 플레이트에 제1 마찰대전물질이 부착되고 상기 고정 플레이트와 마주보는 상기 제1 및 제2 내부 케이스의 하나의 면에 각각 제2 마찰대전물질이 부착되며, 진동이 전달된 경우 진동으로 인해 발생된 상기 제1 마찰대전물질과 제2 마찰대전물질의 마찰을 이용하여 마찰로 인한 전기 에너지를 생성하는 마찰 전기 에너지 생성부를 포함하며,
각 마찰대전물질은 제1 및 제2 내부 케이스의 외부에 위치함에 따라 각 내부 케이스에 위치하는 코일과 분리되고,
외부 진동에 의한 하나의 진동 동작에 의해 코일 및 제2 마찰대전물질이 이동하여 각각 전기 에너지를 발생하며,
제1 마찰대전물질은 알루미늄-PDMS이고 제2 마찰대전물질은 알루미늄이거나, 제1 마찰대전물질은 알루미늄이고 제2 마찰대전물질은 알루미늄-PDMS인 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.An outer case of a rectangular parallelepiped;
First and second inner cases located in the outer case and having a rectangular shape with a plurality of magnets arranged in a double hull arrangement and including two faces;
Two bobbins positioned one by one inside the first and second inner cases where magnetic flux is concentrated due to the double hull arrangement, coils wound on the respective bobbins, angular movement plates disposed between the two inner cases, A magnetic flux concentrating electric energy generating unit that converts a vibration into a nonlinear motion and generates electric energy by acting on the coil when a vibration is transmitted, and a magnetic spring between the two inner cases generates vibration; And
A first triboelectrification material is attached to a fixing plate located at both ends of the outer case and a second triboelectrification material is attached to one surface of the first and second inner cases facing the fixing plate, And a triboelectric energy generating unit that generates electric energy due to friction by using the friction of the first triboelectrification material and the second triboelectrification material,
Each of the triboelectrification materials is separated from a coil located in each inner case as it is located outside the first and second inner cases,
The coil and the second triboelectrification material move due to one vibration operation by the external vibration to generate electric energy,
Wherein the first triboelectrifying material is aluminum-PDMS and the second triboelectrifying material is aluminum, the first triboelectrifying material is aluminum and the second triboelectrifying material is aluminum-PDMS. Hybrid Electromagnetic and Friction Energy Harvester using PDMS.
상기 이중 할바흐 배열을 이루고 있는 다수의 자석이 영구 자석인 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.[2] The apparatus of claim 1,
Wherein the plurality of magnets constituting the double hull arrangement are permanent magnets, and the plurality of magnets and the PDMS arranged in a double hull arrangement are used.
사각형의 형태를 이루고 있으며, 상기 사각형의 형태는 각각 다수의 자석이 위 아래로 할바흐 배열되어 있는 두 개의 면과 폴리카보네이트로 만든 판으로 형성된 두 개의 면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.[2] The apparatus of claim 1,
Wherein the rectangular shape is composed of two surfaces, each of which is composed of a plurality of magnets arranged in a top-bottom direction and a plate made of polycarbonate, Hybrid electromagnetic and friction energy harvester using multiple magnets and PDMS.
폴리카보네이트 재질이며 위 판과 아래 판이 위 아래로 열리고 닫히며, 상기 위 판과 아래 판의 양 옆을 2개의 고정 자석 플레이트 판을 이용하여 고정하는 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.The electronic apparatus according to claim 1,
Characterized in that the upper plate and the lower plate are made of polycarbonate and the upper plate and the lower plate are opened and closed up and both sides of the upper plate and the lower plate are fixed by using two fixed magnet plate plates. Hybrid Electromagnetic and Friction Energy Harvester using PDMS.
상기 위 판과 아래 판이 닫히며 상기 2개의 보빈을 움직이지 않도록 고정시키는 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.[5] The apparatus of claim 4,
Wherein the upper plate and the lower plate are closed and the two bobbins are fixed so as not to move.
상기 자석 스프링이 고정되고 코일이 움직임으로써 전기 에너지를 발생하는 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.The magnetic flux concentrating apparatus according to claim 1,
Wherein the magnet spring is fixed and electric energy is generated by movement of the coil. The hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull arrangement.
상기 알루미늄 및 PDMS를 상호 마찰하여 마찰 전기를 생성할 수 있는 물질로 대체하여 마찰 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 이중 할바흐 배열된 다수의 자석 및 PDMS를 이용한 하이브리드 전자기, 마찰 에너지 하베스터.The apparatus of claim 1, wherein the triboelectric energy generating unit comprises:
Wherein the aluminum and the PDMS are frictionally mutually replaced by a material capable of generating triboelectricity, thereby generating triboelectricity. The hybrid electromagnetic and friction energy harvester using a plurality of magnets and PDMSs arranged in a double hull arrangement.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020170097050A KR101984533B1 (en) | 2017-07-31 | 2017-07-31 | hybrid electromagnetic and friction energy harvester using double halbach array of magnets and PDMS |
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| KR20190013069A KR20190013069A (en) | 2019-02-11 |
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|---|---|---|---|---|
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-
2017
- 2017-07-31 KR KR1020170097050A patent/KR101984533B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
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|---|
| M Salauddin et al., A handy motion driven hybrid energy harvester: dual Halbach array based electromagnetic and triboelectric generators, Journal of Physics: vo. 773, 012004. (2016.12.14)* |
| M Salauddin et al., A low frequency vibration energy harvester using dual Halbach array suspended in magnetic springs, Journal of Physics: Conference Series, volume 660, 012011. (2015.12.10.)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20190013069A (en) | 2019-02-11 |
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