KR102414618B1 - 도로용 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents
도로용 에너지 하베스팅 장치 Download PDFInfo
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Abstract
전자기 유도를 이용하는 도로용 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 도로용 에너지 하베스팅 장치는 외력에 의해 하부 방향으로 이동하는 상판부; 코일이 권선되며, 관통홀이 형성된 코일부; 상기 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 상기 외력에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 코어부; 상기 상판부와 연결되어, 상기 외력을 상기 코어부로 전달하는 외력 전달부; 상기 코어부를 지지하는 지지부; 및 상기 코어부와 접촉하는 자석부를 포함하며, 상기 시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은, 상기 반시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향이다.
Description
본 발명은 도로용 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자기 유도를 이용하는 도로용 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.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 전자기 유도를 이용한 기술이 개발되고 있으며, 전자기 유도에 기반한 에너지 하베스팅 기술을 이용하는 다양한 어플리케이션에 관한 연구가 이루어지고 있다. 그 중 하나가 도로용 에너지 하베스팅 장치이다.
도로용 에너지 하베스팅 장치는, 도로를 주행하는 차량에 의해 인가되는 외력을 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1958685호가 있다.
본 발명은 보다 향상된 하베스팅 효율을 나타내는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외력에 의해 하부 방향으로 이동하는 상판부; 코일이 권선되며, 관통홀이 형성된 코일부; 상기 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 상기 외력에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 코어부; 상기 상판부와 연결되어, 상기 외력을 상기 코어부로 전달하는 외력 전달부; 상기 코어부를 지지하는 지지부; 및 상기 코어부와 접촉하는 자석부를 포함하며, 상기 시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은, 상기 반시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향인 도로용 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외력 및 탄성체에 의해 상하 운동하는 상판부; 코일이 권선되며, 관통홀이 형성된 코일부; 상기 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 상기 외력에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 코어부; 상기 외력을 상기 코어부로 전달하는 외력 전달부; 상기 코어부를 지지하는 지지부; 상기 탄성체에 의해 상기 상판부가 상부 방향으로 이동하는 경우, 제1극이 상기 코어부의 일단에 접촉하는 제1영구 자석; 및 상기 외력에 의해 상기 상판부가 상기 하부 방향으로 이동하는 경우, 제1극이 상기 코어부의 타단에 접촉하는 제2영구 자석을 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 왕복 운동하는 자석의 이동 변위가 고려될 필요없이 코일의 권선 길이가 길어지도록 설계할 수 있으며, 자화된 강자성체의 일단 및 타단이 코일이 권선된 영역의 외부에 배치됨으로써, 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 일반적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 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.
하지만, 도로용 에너지 하베스팅 장치의 경우, 도로가 파손되지 않는 이상 차량의 하중에 의한 도로의 이동 변위가 클 수는 없기 때문에, 왕복 운동하는 자석의 이동 변위 역시 커질 수 없다. 따라서, 자석을 직접 코일에 통과시켜 에너지를 생성하는 도로용 에너지 하베스팅 장치는 발전 효율이 높지 않다.
이에 본 발명은, 권선된 코일 내부에 배치된 강자성체를 자화시켜 에너지를 생성하는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제안한다. 본 발명의 일실시예는 권선된 코일 내부에 배치된 강자성체의 회전 방향에 따라서, 자기력의 방향이 달라지도록 강자성체를 자화시켜 에너지를 하베스팅한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 왕복 운동하는 자석의 이동 변위가 고려될 필요없이 코일의 권선 길이가 길어지도록 설계할 수 있으며, 강자성체의 일단 및 타단이 코일이 권선된 영역의 외부에 배치됨으로써, 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는, 상판부(210), 코일부(220), 코어부(230), 외력 전달부, 지지부(250) 및 자석부를 포함한다.
상판부(210)는 외력에 의해 하부 방향으로 이동한다. 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치가 매설된 도로 위를 차량 등이 이동할 경우, 상판부(210)는 자동차의 하중이나 도로의 진동 등에 의해 하부 방향, 즉 하판부(271) 방향으로 이동할 수 있다.
상판부(210)와 측벽(272, 273) 사이에는 탄성체(274, 275)가 배치될 수 있으며, 상판부(210)는 외력 및 탄성체(274, 275)에 의해 상하 운동할 수 있다. 상판부(210)는 외력이 인가될 경우, 하부 방향으로 이동하며, 외력이 사라진 경우 탄성체(274, 275)의 탄성력에 의해 상부 방향으로 이동할 수 있다.
코일(221)이 권선되는 코일부(220)는, 관통홀이 형성된 원통형의 모양일 수 있다. 코일부(220)는 코일이 권선되는 원통형의 프레임과, 프레임의 일단 및 타단으로부터 연장되는 고정벽(222, 223)을 포함할 수 있다. 고정벽(222, 223)은, 코일(221)이 코일부(220)로부터 이탈하는 것을 방지하며, 후술되는 자석 고정부(280)가 고정될 수 있는 장소를 제공한다.
코어부(230)는 코일부(220)의 관통홀을 관통한 상태로 배치된다. 즉, 코어부(230)의 길이는 코일부(220)의 높이(L3)보다 길며, 코어부(230)의 일단 및 타단은 모두 코일부(220)의 외부에 위치한다. 그리고 코어부(230)는 외력에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하며, 후술되는 자석부에 의해 자화될 수 있도록 강자성체로 이루어질 수 있다.
외력 전달부는 상판부(210)와 연결되어, 외력을 코어부(230)로 전달하며, 실시예에 따라서, 제1 및 제2기둥부(241, 242), 연결부(243)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2기둥부(241, 242)는 상판부(210)로부터 하부 방향으로 연장되며, 제2기둥부(242)는 제1기둥부(241)로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된다.
연결부(243)는 상판부(210)의 상하 운동에 따라 상하 운동하며, 코어부(230)의 일단이 연결부(243)에 결합됨으로써, 연결부(243)의 상하 운동에 따라서 코어부(230)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
연결부(243)의 상하 운동에 따라서 코어부(230)가 회전 운동할 수 있도록, 연결부(243)는 원통형의 형상일 수 있으며, 코어부(230)의 일단에는 연결부(243)가 삽입될 수 있는 결합부(231)가 형성될 수 있다. 결합부(231)는 도 3에 도시된 바와 같이, 일부가 개방된 링형이거나, 또는 폐곡선으로만 이루어진 링형일 수 있다.
그리고 연결부(243)의 상하 운동에 따라서 코어부(230)가 원활히 회전 운동할 수 있도록, 결합부(231)의 지름은 연결부(243)의 지름보다 크도록 설계될 수 있다. 이 때, 결합부(231)와 연결부(243) 사이의 유격에 의해 코어부(230)가 최초 결합 위치로부터 이탈될 수 있다. 이 경우 후술되는 지지부(250)가 코어부(230)를 지지하기 어려운 상황이 발생할 수 있으므로, 연결부(243)는, 코어부(230)가 연결부(243)의 길이 방향으로 이동하는 것을 차단하며, 연결부(243)의 외주면으로부터 돌출되어 형성된 돌출부를 더 포함할 수 있다.
코어부(230)를 지지하는 지지부(250)는 코일부(220)의 관통홀에 배치될 수 있으며, 지지부(250)에 의해 코어부(230)는 시소와 같이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 지지부(250)는 일실시예로서, 관통홀이 형성된 코일부의 내주면(224)에 배치될 수 있으며, 코어부(230)의 회전에 따른 마찰을 줄이기 위해 코어부(230)와 접촉하는 지지부(250)의 접촉면은 곡면 형상일 수 있다.
또는 일실시예로서, 지지부(250)는 코일부(220)의 내주면으로부터 연장되며, 코어부(230)에 형성된 제1홈에 삽입되는 제1연장부, 제1연장부와 대칭되는 위치에서 코일부(220)의 내주면으로부터 연장되며, 코어부(230)에 형성된 제2홈에 삽입되는 제2연장부를 포함할 수 있다.
자석부는 코어부(230)와 접촉하며, 코어부를 자화시킨다. 코어부(230)가 시계 방향으로 회전해 자석부에 접촉하여 자화된 경우와, 코어부(230)가 반시계 방향으로 회전해 자석부에 접촉하여 자화된 경우의 코어부(230)의 자기력 방향은 서로 반대 방향이 된다.
자석부는 일실시예로서, 제1 내지 제4영구 자석(261 내지 264)을 포함할 수 있다. 제1 및 제3영구 자석(261, 263)은 코일부(220)에 배치된 자석 고정부(270)에 결합되며, 제2 및 제4영구 자석(262, 264) 각각은 제1 및 제3영구 자석(261, 263)과 마주보는 상태로, 코일부(220)가 고정된 하판부(271)에 배치된다. 자석 고정부(270)는, 길이 방향이 관통홀의 관통 방향, 즉 코일부의 높이 방향(L3)과 평행하도록 코일부의 고정벽(221, 222)에 배치된다. 영구 자석이 결합되는 자석 고정부(270) 및 하판부(271)는 비자성체로 이루어질 수 있다.
코어부(230)가 시계 방향으로 회전할 경우, 제1영구 자석(261)의 제1극이, 코어부(230)의 일단과 접촉하며, 제2영구 자석(262)의 제2극이 코어부(230)의 타단과 접촉한다. 그리고 코어부(230)가 반시계 방향으로 회전할 경우, 제3영구 자석(263)의 제1극이 코어부(230)의 타단과 접촉하며, 제4영구 자석(264)의 제2극이 코어부(230)의 일단과 접촉한다. 여기서, 제1극은 S극, 제2극은 N극일 수 있다.
따라서, 코어부(230)의 회전 방향에 따라서, 자화된 코어부(230)의 자기력 방향이 서로 반대 방향이 될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 코어부(230)가 코일이 권선된 코일부(220)의 관통홀을 관통한 상태로, 코일부(230)의 자기력 방향이 변화하기 때문에, 전자기 유도에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 코어부(230)의 회전 변위가 적더라도, 서로 마주보는 자석 사이의 이격거리를 줄이면 코어부(230)가 자석부와 충분히 접촉하여 자화될 수 있기 때문에, 외력에 의한 상판부(210)의 이동 변위가 적더라도 발전 효율이 높아질 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면으로서, 설명의 편의를 위해 코어부와 자석부만이 도시된다. 그리고 도 4 및 도 5에서는 링형의 결합부가 이용되며, 지지부로서 제1 및 제2연장부가 이용되는 실시예가 도시된다.
도 4는 탄성체에 의해 코어부가 시계 방향으로 회전하여 제1 및 제2영구 자석에 접촉된 상태를 도시하며, 도 5는 외력에 의해 코어부가 반시계 방향으로 회전하여, 제3 및 제4영구 자석에 접촉된 상태를 나타낸다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 탄성체의 탄성력이 작용하면 코어부(230)가 회전축(400)을 중심으로 시계 방향으로 회전한다. 이 때 회전축(400)은, 코어부(230)를 지지하는 제1 및 제2연장부가 될 수 있다. 시계 방향의 회전에 의해 코어부(230)의 일단은 제1영구 자석(261)의 S극에 접촉하고, 코어부(230)의 타단은 제2영구 자석(262)의 N극에 접촉한다.
따라서, 코어부(230)는 도 4(b)와 같이 극성이 나타나도록 자화될 수 있다.
이후 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 외력이 인가되면, 코어부(230)는 회전축(400)을 중심으로 반시계 방향으로 회전한다. 반시계 방향의 회전에 의해 코어부(230)의 일단은 제4영구 자석(264)의 N극에 접촉하고, 코어부(230)의 타단은 제3영구 자석(263)의 S극에 접촉한다.
따라서, 코어부(230)는 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 도 4(b)와는 반대의 극성이 나타나도록 자화될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 코어부의 회전 방향에 따라서, 자화된 코어부의 자기력 방향이 반대 방향으로 변화함을 알 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 제1 내지 제4영구 자석(261 내지 264) 중 제1 및 제3영구 자석(261, 263)은 제거되거나, 또는 제2 및 제4영구 자석(262, 264)은 제거된 형태로 도로용 에너지 하베스팅 장치가 구현될 수 있다. 즉, 제1 및 제3영구 자석(261, 263)과 제2 및 제4영구 자석(262, 264) 중 어느 한쌍의 영구 자석이 선택적으로 이용될 수 있다. 이 경우에도 코어부(230)는 도 4 및 도 5에서 설명되는 바와 같이 자화될 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 (12)
- 외력에 의해 하부 방향으로 이동하는 상판부;
코일이 권선되며, 관통홀이 형성된 코일부;
상기 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 상기 외력에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 코어부;
상기 상판부와 연결되어, 상기 외력을 상기 코어부로 전달하는 외력 전달부;
상기 코어부를 지지하며, 상기 코일부의 내주면에 배치되는 지지부; 및
상기 코어부와 접촉하는 자석부를 포함하며,
상기 외력 전달부는
상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1기둥부;
상기 제1기둥부로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되며, 상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제2기둥부; 및
상기 제1 및 제2기둥부의 일단을 연결하는 원통형의 연결부를 포함하며,
상기 코어부는, 일단이 상기 연결부에 결합되며, 상기 연결부의 상하 운동에 따라서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하며,
상기 코어부의 일단에 형성된 링형의 결합부에 삽입되는 상기 연결부는, 상기 결합부와 상기 연결부 사이의 유격에 의해, 상기 코어부가 상기 연결부의 길이 방향으로 이동하는 것을 차단하며, 상기 연결부의 외주면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하며,
상기 시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은,
상기 반시계 방향으로 회전해 상기 자석부에 접촉하여 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향인
도로용 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 자석부는
상기 코어부가 시계 방향으로 회전할 경우, 제1극이 상기 코어부의 일단과 접촉하는 제1영구 자석;
상기 코어부가 시계 방향으로 회전할 경우, 제2극이 상기 코어부의 타단과 접촉하는 제2영구 자석;
상기 코어부가 반시계 방향으로 회전할 경우, 제1극이 상기 코어부의 타단과 접촉하는 제3영구 자석; 및
상기 코어부가 반시계 방향으로 회전할 경우, 제2극이 상기 코어부의 일단과 접촉하는 제4영구 자석
을 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1 및 제3영구 자석은
상기 코일부에 배치된 자석 고정부에 결합되며,
상기 제2 및 제4영구 자석 각각은
상기 제1 및 제3영구 자석과 마주보는 상태로, 상기 코일부가 고정된 하판부에 배치되는
도로용 에너지 하베스팅 장치.
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|---|---|---|---|---|
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| JP2017225261A (ja) * | 2016-06-16 | 2017-12-21 | Ｓａｃｏ合同会社 | 振動発電ユニット |
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