KR102317418B1 - 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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김경범
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Abstract

코일의 권선 길이가 조절될 수 있는, 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 원통형의 프레임; 상기 프레임의 외주면과 접촉한 상태로, 상기 외주면 상에서 이동하는 링형의 제1 및 제2가벽; 및 상기 제1 및 제2가벽 사이에서, 상기 외주면에 권선되는 코일을 포함한다.

Description

전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS USING ELECTROMAGNETIC INDUCTION}
본 발명은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코일의 권선 길이가 조절될 수 있는, 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
특히, 전자기 유도를 이용하는, 에너지를 하베스팅 장치는 원리가 간단하고 구현이 용이하여, 다양한 제품에 응용되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1610590호, 공개실용신안 제2012-0006841호가 있다.
본 발명은 코일의 권선 길이가 조절될 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원통형의 프레임; 상기 프레임의 외주면과 접촉한 상태로, 상기 외주면 상에서 이동하는 링형의 제1 및 제2가벽; 및 상기 제1 및 제2가벽 사이에서, 상기 외주면에 권선되는 코일을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 원통형의 프레임; 상기 프레임의 외주면 상에 고정된 링형의 고정벽; 상기 프레임의 외주면과 접촉한 상태로 상기 외주면 상에서 이동하는 링형의 가벽; 및 상기 고정벽 및 가벽 사이에서 상기 외주면에 권선되는 코일을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 가벽 사이의 거리를 조절하여 가벽 사이에서 권선되는 코일의 권선 길이를 조절할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 장치의 사용자, 사용처 별로 코일의 권선 길이를 조절함으로써, 에너지 하베스팅 장치의 발전량을 늘릴 수 있다.
도 1은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 일반적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 지팡이를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 일반적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 일반적으로, 코일(120)이 권선된 프레임(110)의 관통홀을 자석(130)이 왕복 운동할 수 있는 구조로 이루어진다. 이 때, 보다 많은 전기 에너지가 생성되기 위해서는, 코일의 권선 길이(L2)가 길고, 왕복 운동하는 자석(130)의 이동 변위(L1)가 코일의 권선 길이(L2)보다 커야 하며, 자석의 운동 방향이 변하는 지점(131, 132)이 코일이 권선된 영역의 외부에 있어야 한다.
그리고 자석은 주로 외부에서 인가되는 외력에 의해 운동하도록 설계되는데, 에너지 하베스팅 장치가 응용되는 제품이나 또는 이러한 제품을 사용하는 사용자에 따라서 외력의 크기는 달라질 수 있으며, 자석의 이동 변위 역시 달라질 수 있다.
따라서, 이러한 다양한 환경에서도 생성되는 전기 에너지를 극대화하기 위해서는, 사용처, 사용자 별로 코일의 권선 길이가 달라질 필요가 있으며, 본 발명은 이러한 점에 착안하여 코일의 권선 길이가 조절될 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제안한다.
본 발명의 일실시예는, 코일의 권선 길이를 조절하기 위해, 코일이 권선되는 프레임의 외주면을 이동할 수 있는 가벽을 이용한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 코일이 권선될 수 있는 영역이 조절됨으로써, 코일의 권선 길이 역시 조절될 수 있으며, 이미 권선된 코일의 길이 역시 조절될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치는, 신발, 스마트 지팡이 등 에너지 하베스팅이 필요한 다양한 제품에 활용될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 프레임(200), 제1가벽(210), 제2가벽(220) 및 코일(미도시)을 포함하며, 실시예에 따라서 돌출부(230)를 더 포함할 수 있다.
프레임(200)은 관통홀이 형성된 원통형일 수 있으며, 프레임(200)의 관통홀로 자석이 이동할 수 있다.
제1 및 제2가벽(210, 220)은 외주면(201) 상에서 이동하며, 프레임(200)과 접촉한 상태로 이동할 수 있도록 링형으로 이루어질 수 있다. 프레임의 외주면(201)과 이격된 상태로 이동할 경우, 권선되는 코일이 이격된 틈으로 빠져나올 수 있으므로, 제1 및 제2가벽(210, 20)은 외주면(201)과 접촉한 상태로 이동될 수 있는 것이 바람직하다.
제1 및 제2가벽(210, 220)은 관리자 등에 의해 가해지는 외력을 통해 이동할 수 있으며, 제1 및 제2가벽(210, 220)은 외주면(201) 상에서 이동한 후 고정될 수 있도록 마찰력이 높은 탄성체 예컨대 고무 재질로 이루어질 수 있다. 또는 실시예에 따라서는 제1 및 제2가벽(210, 220)을 고정시키는 고정부가 별도로 이용될 수 있다.
코일은 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이에서, 프레임(200)의 외주면(201)에 권선된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 및 제2가벽(210, 220)의 이격 거리에 따라서, 코일의 권선 길이가 조절될 수 있다.
제1 및 제2가벽(210, 220)이 도 2의 위치에서 도 3의 위치로 이동한 경우, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리가 길어지므로, 코일의 권선 길이 역시 길어진다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치가 이용되는 제품이 스마트 지팡이이며, 이러한 스마트 지팡이의 사용자가 남성인 경우, 자석의 이동 변위가 클 수 있다. 이러한 사용 환경에서는, 코일의 권선 길이를 증가시키더라도 자석의 이동 변위가 코일의 권선 길이보다 클 수 있으며, 코일의 권선 길이가 길어질 수록 발전량이 늘어나기 때문에, 도 3과 같이 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리를 증가시켜 코일의 권선 길이를 증가시킴으로써, 발전량을 증가시킬 수 있다.
반대로 제1 및 제2가벽(210, 220)이 도 3의 위치에서 도 2의 위치로 이동한 경우, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리가 짧아지므로, 코일의 권선 길이 역시 짧아진다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치가 이용되는 제품이 스마트 지팡이이며, 이러한 스마트 지팡이의 사용자가 여성인 경우, 자석의 이동 변위가 상대적으로 작을 수 있다. 이러한 사용 환경에서는 코일의 권선 길이를 증가시키면 자석의 이동 변위가 코일의 권선 길이보다 작아질 수 있으므로, 도 2와 같이 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리를 감소시켜 코일의 권선 길이를 감소시킴으로써, 발전량을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 제1 및 제2가벽(210, 220)을 고정시키는 고정부를 더 포함할 수 있으며, 고정부로서 오링(o-ring)이나 돌출부(230)가 이용될 수 있다.
고무 재질의 오링은 가벽(210, 220)과 결합될 수 있으며, 가벽(210, 220)과 외주면(201) 사이에 위치할 수 있다. 오링이 가벽(201)에 고정될 수 있도록 가벽(210, 220)에는 홈이 형성될 수 있으며, 오링은 가벽(210, 220)의 홈에 삽입되어 가벽(210, 220)과 결합될 수 있다. 이러한 오링에 의해, 가벽(210, 220)은 보다 프레임(200)과 밀착된 상태로 고정될 수 있다.
돌출부(230)는 프레임(200)의 원주면(201)으로부터 돌출되어 형성되며, 미리 설정된 간격만큼씩 이격되어 배치될 수 있다. 돌출부(230) 역시 링형으로 형성될 수 있으며, 실시예에 따라서 돌출부(230)의 형상이나 배치 간격 등은 다양하게 결정될 수 있다. 코일이 권선되더라도, 돌출부(230)에 의해, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 거리가 늘어나는 것이 방지되며, 제1 및 제2가벽(210, 220)이 고정된 상태를 유지할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 제1 및 제2가벽(210, 220)의 이동에 따라 제1 및 제2가벽(210, 220)이 프레임(200)으로부터 분리되는 것을 방지하기 위해, 외주면(201) 상에 고정되며, 프레임(200)과 제1 및 제2가벽(210, 220)의 분리를 방지하는 링형의 고정벽을 더 포함할 수 있다. 고정벽은 프레임(200)의 일단 및 타단에 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 가벽 사이의 거리를 조절하여 코일의 권선 길이가 조절될 수 있으므로, 에너지 하베스팅 장치의 사용자, 사용처 별로 코일의 권선 길이를 조절함으로써, 에너지 하베스팅 장치의 발전량을 늘릴 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 프레임, 가벽(210, 220) 및 코일과 함께 막대(441, 442), 너트(451, 452) 및 스프링(미도시)을 더 포함할 수 있다. 막대 및 너트의 개수는 실시예에 따라서 달라질 수 있다.
막대(441, 442)는 제1 및 제2가벽(210, 220)에 형성된 관통홀에 결합되며 나사산이 형성된다. 막대(441, 442)가 제1 및 제2가벽(210, 220)으로부터 분리되는 것을 방지하기 위해 막대(441, 442)의 일단의 지름은, 제1 및 제2가벽(210, 220)의 관통홀의 지름보다 클 수 있다.
너트(451, 452)는 막대(441, 442)에 결합되며, 스프링은 프레임(200)에 끼워져 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이에 위치한다. 스프링은 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이에서 제1 및 제2가벽(210, 220)을 반대 방향으로 밀어낸다.
너트(451, 452)의 회전 방향에 따라서, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리가 조절될 수 있다. 예컨대 너트(451, 452)를 시계 방향으로 회전시킬 경우, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리가 줄어들 수 있으며, 너트(451, 452)를 반시계 방향으로 회전시킬 경우, 스프링에 의해 제1 및 제2가벽(210, 220)이 밀려나면서 제1 및 제2가벽 사이(210, 220)의 이격 거리가 늘어날 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이의 이격 거리를 조절함으로써, 제1 및 제2가벽(210, 220) 사이에 코일이 권선된 이후에도, 코일의 권선 길이를 조절할 수 있다. 일반적으로 코일은 적게는 수십회, 많게는 수천회 권선되기 때문에, 중심부에 상대적으로 많은 코일이 권선되며 주변부에 상대적으로 적은 코일이 권선되는데, 코일이 권선된 상태에서 제1 및 제2가벽 사이의 이격 거리가 줄어들 경우, 코일이 중심부로 뭉치면서 코일의 권선 길이가 짧아질 수 있다. 또한 코일이 권선된 상태에서 제1 및 제2가벽 사이의 이격 거리가 늘어날 경우, 코일이 주변부로 산개되면서 코일의 권선 길이가 늘어날 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 코일이 권선된 상태에서도 용이하게 코일의 권선 길이를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 프레임(200), 고정벽(461, 462), 가벽(210) 및 코일(미도시)을 포함한다. 전술된 실시예와 달리 도 5의 실시예는 하나의 가벽을 이용한다.
고정벽(461, 462)은 프레임의 외주면 상에 고정되며, 프레임(200)의 일단 및 타단에 형성될 수 있다. 고정벽(461, 462)은 프레임(200)으로부터 연장된 형태로 형성될 수 있으며, 원통형의 프레임(200)에 대응되도럭 링형일 수 있다.
가벽(210)은 프레임의 외주면(201)과 접촉한 상태로 외주면(201) 상에서 이동하며, 링형일 수 있다.
코일은 프레임(200)의 일단 및 타단에 위치한 고정벽(461, 462) 중 하나와 가벽(210) 사이에서, 프레임의 외주면(201)에 권선된다.
실시예에 따라서, 전술된 고정부를 더 포함할 수 있으며, 막대, 너트 및 스프링을 더 포함할 수 있다. 이 때, 막대는 일단 및 타단에 위치한 고정벽(461, 462) 중 하나와 가벽의 관통홀에 결합되며, 스프링은 막대가 결합된 고정벽과 가벽 사이에서 가벽을 상기 고정벽으로부터 멀어지는 방향으로 밀어낸다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 지팡이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 지팡이는 몸체(671) 및 막대(672)를 포함한다. 막대(672)는 지팡이 마운트(673)를 통해 몸체(671)와 연결되며, 상부 커버(674) 및 하부 커버(675)로 이루어진 몸체(671)의 내부에는 다양한 센서, 통신 모듈, 배터리 및 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치가 배치될 수 있다.
사용자가 버튼(676)을 누르면 스마트 지핑이의 전원이 온되며, 스마트 지팡이는 초음파 센서를 이용하여, 사용자의 보행 범위에 위치한 주변 장애물을 감지한다. 또한 GPS 센서를 이용하여 사용자의 현재 위치 및 이동 경로를 추정한다. 그리고 센서의 감지 결과는 통신 모듈을 통해 스마트폰과 같은 모바일 디바이스로 전송될 수 있으며, 사용자가 미리 설정된 지역을 벗어날 경우, 자동으로 지정된 모바일 디바이스로 알람이 전송될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 지팡이의 전원인 배터리는 에너지 하베스팅 장치에서 생성된 전기 에너지를 저장하여, 전력을 공급할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 장치(677)는 원통형 케이스 내부에 배치된 상태로 스마트 지팡이의 몸체 내부에 실장될 수 있으며, 에너지 하베스팅 장치(677)를 고정시키기 위한 마운트(678)가 몸체 내부에 형성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 원통형의 프레임;
    상기 프레임의 외주면과 접촉한 상태로, 상기 외주면 상에서 이동하는 링형의 제1 및 제2가벽; 및
    상기 제1 및 제2가벽 사이에서, 상기 외주면에 권선되는 코일
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2가벽을 고정시키는 고정부
    를 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고정부는
    상기 가벽과 결합되며, 상기 가벽과 상기 외주면 사이에 위치하는 오링
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 고정부는
    미리 설정된 간격만큼씩 이격되어 상기 외주면으로부터 돌출되어 형성된 돌출부
    를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2가벽의 관통홀에 결합되며 나사산이 형성된 막대;
    상기 막대에 결합되는 너트; 및
    상기 제1 및 제2가벽 사이에서, 상기 제1 및 제2가벽을 반대 방향으로 밀어내는 스프링
    을 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 외주면 상에 고정되며, 상기 프레임과 상기 제1 및 제2가벽의 분리를 방지하는 링형의 고정벽
    을 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  7. 원통형의 프레임;
    상기 프레임의 외주면 상에 고정된 링형의 고정벽;
    상기 프레임의 외주면과 접촉한 상태로 상기 외주면 상에서 이동하는 링형의 가벽; 및
    상기 고정벽 및 가벽 사이에서 상기 외주면에 권선되는 코일
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가벽을 고정시키는 고정부
    를 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고정부는
    상기 가벽에 형성된 홈에 삽입되며, 상기 가벽과 상기 외주면 사이에 위치하는 오링
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 고정부는
    미리 설정된 간격만큼씩 이격되어 상기 외주면으로부터 돌출되어 형성된 돌출부
    를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 고정벽 및 가벽의 관통홀에 결합되며 나사산이 형성된 막대;
    상기 막대에 결합되는 너트; 및
    상기 고정벽 및 가벽 사이에서, 상기 가벽을 상기 고정벽으로부터 멀어지는 방향으로 밀어내는 스프링
    을 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
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