KR102610686B1 - 파워 케이블 홀더 - Google Patents

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윤상원
권하연
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한양대학교 산학협력단
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    • H10N30/306—Cantilevers

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

전력을 전달하는 파워 케이블에서 형성되는 자기장을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 파워 케이블 홀더가 개시된다. 개시된 파워 케이블 홀더는 바디부; 상기 바디부에 형성되며, 파워 케이블이 결합되는 적어도 하나의 관통홀; 상기 파워 케이블이 상기 관통홀로 삽입되는 경로를 제공하는 개구부; 상기 파워 케이블의 주변에 형성되는 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성하는 복수의 에너지 하베스터; 및 상기 바디부의 내부에 형성되며, 상기 에너지 하베스터가 배치되는 적어도 하나의 하베스터 배치부를 포함한다.

Description

파워 케이블 홀더{POWER CABLE HOLDER}
본 발명은 전력을 전달하는 파워 케이블을 고정시키는 홀더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파워 케이블에서 형성되는 자기장을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 파워 케이블 홀더에 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, 압전체를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전체는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 또한 압전체는, 폴리머를 이용하여 필름 형태로 유연하게 제조될 수도 있다.
압전체를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 기계적 에너지를 제공받을 수 있는 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 자기장을 기계적 에너지로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 그리고 자기장은 전력을 전달하는 파워 케이블 주변에 형성되기 때문에, 파워 케이블을 주변에서 에너지를 하베스팅 하는 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
관련 선행 문헌으로 대한민국 등록 특허 제10-1991949호 및 제10-2150189호가 있다.
본 발명은 전기 에너지를 생성하는 파워 케이블 홀더를 제공하기 위한 것이다.
특히 본 발명은 파워 케이블에 의해 생성된 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성하는 파워 케이블 홀더를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 바디부; 상기 바디부에 형성되며, 파워 케이블이 결합되는 적어도 하나의 관통홀; 상기 파워 케이블이 상기 관통홀로 삽입되는 경로를 제공하는 개구부; 상기 파워 케이블의 주변에 형성되는 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성하는 복수의 에너지 하베스터; 및 상기 바디부의 내부에 형성되며, 상기 에너지 하베스터가 배치되는 적어도 하나의 하베스터 배치부를 포함하는 파워 케이블 홀더가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 파워 케이블에 의해 생성된 자기장에 의해 진동하는 에너지 하베스터를 이용함으로써, 전기 에너지를 생성하는 파워 케이블 홀더가 제공될 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 파워 케이블에 흐르는 전류의 방향, 세기, 위상 등이 바뀌더라도, 높은 에너지 하베스팅 효율을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터를 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.
본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더는, 파워 케이블을 고정시키거나 정리하는데 이용된다. 그리고 파워 케이블에서 발생하는 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성한다.
본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더는, 전기 에너지를 생성하기 위해, 자기장을 이용하는 에너지 하베스터를 포함한다. 이러한 에너지 하베스터는, 최대의 하베스팅 효율을 나타낼 수 있도록 파워 케이블 홀더의 내부에 배치될 수 있으며, 파워 케이블에 흐르는 전류의 방향, 전류의 세기, 위상 등을 고려하여, 에너지 하베스터의 배치 구조가 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더는, 고전압용 파워 케이블이 이용되는 환경에서 이용될 수 있으며, 일실시예로서, 산업 현장의 고전압 분전반, 스마트 팩토리, 전기차 충전소 등에서 이용될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 정면에서 바라본 파워 케이블 홀더를 도시한 도면이며, 도 2는 파워 케이블 홀더의 단면도로서, 파워 케이블 홀더 내부의 에너지 하베스터 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 파워 케이블 홀더는 바디부(110), 관통홀(120), 개구부(130), 하베스터 배치부(140) 및 복수의 에너지 하베스터(150, 160)를 포함한다. 실시예에 따라서, 파워 케이블 홀더는 배터리를 더 포함할 수 있다.
바디부(110)는 유연한 재질로 이루어질 수 있으며, 파워 케이블(190)의 자기장을 차폐시키지 않는 재질로 이루어질 수 있다. 파워 케이블이 배치되는 위치에 파워 케이블 홀더가 고정될 수 있도록, 파워 케이블(190)이 결합된 바디부(110)의 일면에는, 접착제 등이 도포될 수 있다.
관통홀(120)은, 바디부(110)에 형성되며, 관통홀(120)에 파워 케이블(190)이 결합된다. 관통홀(120)의 길이 방향(125)은 파워 케이블(190)의 길이 방향에 대응된다. 도 1에서는 하나의 관통홀(120)이 형성된 파워 케이블 홀더가 도시되나, 실시예에 따라서 관통홀의 개수는 달라질 수 있다.
개구부(130)는, 파워 케이블(190)이 관통홀(120)로 삽입되는 경로를 제공한다. 즉, 파워 케이블(190)은, 파워 케이블 홀더의 외부와 관통홀(120) 사이에 형성된 개구부(130)를 통해 관통홀로 삽입될 수 있다.
하베스터 배치부(140)는 바디부(110)의 내부에 형성되며, 하베스터 배치부(140)에 에너지 하베스터(150, 160)가 배치된다.
에너지 하베스터(150, 160)는 파워 케이블(190)의 주변에 형성되는 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성한다. 에너지 하베스터(150, 160)는, 일실시예로서 켄틸레버 타입일 수 있다. 이러한 에너지 하베스터(150, 160)는 일단이 하베스터 배치부(140)에 고정되는 기판(151, 161), 기판(151, 161)에 배치되는 압전 소자(미도시) 및 기판(151, 161)의 타단으로부터 미리 설정된 거리 내에 배치되는 자석(153, 163)을 포함한다.
파워 케이블(190) 주변에 생성된 자기장에 의해 자석(153, 163)이 진동하고, 자석(153, 163)의 진동에 의해 기판(151, 161)이 진동하면서, 기판(151, 161)에 배치된 압전 소자에서 전기 에너지가 생성될 수 있다. 생성된 전기 에너지는 바디부(110)에 포함된 배터리에 저장되거나 또는 전선을 통해 이동하여 외부에 설치된 배터리에 저장될 수 있다.
파워 케이블 홀더에는, 사용 환경 등에 따라, 다양한 세기의 전류가 흐르는 파워 케이블이 결합될 수 있으며, 파워 케이블에 흐르는 교류는 시간 흐름에 따라 전류의 방향이 바뀌며, 전류의 세기나 전류의 방향에 따라 파워 케이블 주변에 형성된 자기장의 세기나 방향도 바뀌기 때문에, 본 발명의 일실시예는 하베스팅 효율을 높이기 위해 배치 구조가 상이한 복수의 에너지 하베스터를 이용한다.
일실시예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 에너지 하베스터는 기판(151, 161)의 타단이 서로 마주보도록 배치되며, 기판(151, 161)이 관통홀의 길이 방향(125)에 수직하도록 배치되는 에너지 하베스터들(150, 160)을 포함한다. 이러한 에너지 하베스터의 배치 구조는, 파워 케이블에 흐르는 전류의 방향으로 고려한 것으로서, 자기장의 방향에 따라서, 자속이 에너지 하베스터의 기판보다 자석을 먼저 통과할 수 있도록 하는 구조이다.
파워 케이블(190) 주변에 형성된 자기장의 방향이 반시계 방향일 경우, 자기장에 의한 자속이, 기판(151)보다 자석(153)을 먼저 통과하는 제1에너지 하베스터(150)에서의 진동이, 제2에너지 하베스터(160)보다 크기 때문에, 제1에너지 하베스터(150)에서의 발전량이 제2에너지 하베스터(160)의 발전량보다 크다.
하지만, 파워 케이블(190) 주변에 형성된 자기장의 방향이 시계 방향일 경우, 자기장에 의한 자속이, 기판(161)보다 자석(163)을 먼저 통과하는 제2에너지 하베스터(160)에서의 진동이, 제1에너지 하베스터(150)보다 크기 때문에, 제2에너지 하베스터(160)에서의 발전량이 제1에너지 하베스터(150)의 발전량보다 크다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 자기장의 방향이 변경되더라도, 자속이 기판보다 자석을 먼저 통과할 수 있도록 에너지 하베스터를 배치함으로써, 에너지 하베스터의 발전량이 향상될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3 및 도 4는 2개의 관통홀이 형성된 실시예를 도시하고 있다. 도 3은 파워 케이블 홀더의 사시도이며, 도 4는 파워 케이블 홀더의 단면도로서, 파워 케이블 홀더 내부의 에너지 하베스터 배치 구조를 설명하기위한 도면이다.
도 1 및 도 2에서 설명된 파워 케이블 홀더와 같이, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 따른 파워 케이블 홀더는 바디부(310), 관통홀(321, 322), 개구부(331, 332), 하베스터 배치부(341 내지 343) 및 복수의 에너지 하베스터(350 내지 380)를 포함한다.
관통홀(321, 322)이 2개인만큼 개구부(331, 332) 역시 2개가 형성되며, 하베스터 배치부(341 내지 343)는 관통홀(321, 322) 주변에 형성된다.
복수의 에너지 하베스터(350 내지 380)는, 도 1 및 도 2의 에너지 하베스터와 동일한 원리로 전기 에너지를 생성하며, 기판의 타단이 관통홀(331, 332)을 향하고, 기판이 관통홀의 길이 방향(335)에 수직하도록 배치된다. 그리고 자석이 기판의 일면에 배치되는 에너지 하베스터(350, 360)와, 자석이 기판의 타면에 배치되는 에너지 하베스터(370, 380)를 포함한다. 즉, 기판을 기준으로, 자석이 서로 반대 방향을 향하도록 배치된, 에너지 하베스터들을 포함한다.
그리고 복수의 에너지 하베스터는, 서로 인접하여 배치되며, 자석이 기판의 일면에 배치되는 에너지 하베스터들(350, 360)을 포함하는 제1에너지 하베스터 그룹과, 서로 인접하여 배치되며, 자석이 기판의 타면에 배치되는 에너지 하베스터들(370, 380)을 포함하는 제2에너지 하베스터 그룹을 포함할 수 있다. 그리고 제1 및 제2에너지 하베스터 그룹은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이 때, 제1 및 제2에너지 하베스터 그룹 사이의 이격 거리는, 동일한 에너지 하베스터 그룹 내에 포함된 에너지 하베스터들의 이격 거리보다 크다.
즉, 한정된 크기의 하베스터 배치부(341 내지 343)에 많은 에너지 하베스터가 배치될 수 있도록, 동일한 방향을 향하는 자석을 포함하는 에너지 하베스터들은 인접하게 배치될 수 있다. 동일한 방향을 향하는 자석을 포함하는 에너지 하베스터들의 기판 변위는, 서로 유사한 패턴을 나타내어, 에너지 하베스터 사이의 이격 거리가 적더라도, 기판의 진동에 따른 간섭이 적을 수 있다.
복수의 에너지 하베스터들은, 바디부(310)의 높이(H) 범위 내에서, 복수의 레이어를 구성하여 배치될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파워 케이블 홀더를 설명하기 위한 도면으로서, 도 5 및 도 6은 4개의 관통홀이 형성된 실시예를 도시하고 있다. 도 5는 파워 케이블 홀더의 사시도이며, 도 6은 파워 케이블 홀더의 단면도로서, 파워 케이블 홀더 내부의 에너지 하베스터 배치 구조를 설명하기위한 도면이다.
도 1 및 도 2에서 설명된 파워 케이블 홀더와 같이, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예에 따른 파워 케이블 홀더는 바디부(510), 관통홀(521 내지 524), 개구부(531 내지 534), 하베스터 배치부(540) 및 복수의 에너지 하베스터(550 내지 580)를 포함한다.
관통홀(521 내지 524)이 4개인만큼 개구부(531 내지 534) 역시 4개가 형성되며, 하베스터 배치부(540)는 관통홀(521 내지 524) 주변에 형성된다.
복수의 에너지 하베스터(550 내지 580)는, 도 1 및 도 2의 에너지 하베스터와 동일한 원리로 전기 에너지를 생성하며, 기판의 타단이 관통홀(331, 332)을 향하고, 기판이 관통홀의 길이 방향(535)에 수직하도록 배치된다. 그리고 기판을 기준으로 자석이 서로 반대 방향을 향하도록 배치된, 에너지 하베스터들과, 기판의 타단이 서로 반대 방향을 향하는 에너지 하베스터들(550 내지 580)을 포함한다.
제1관통홀(521)과 제2관통홀(522)에 결합된 파워 케이블의 전류 방향 및 전류 세기에 따라서, 제1관통홀(521) 가까이에서 강한 자기장이 형성되거나, 제2관통홀(522) 가까이에서 강한 자기장이 형성될 수 있다. 에너지 하베스터들(550 내지 580) 중 일부는 자석이 제1관통홀(521) 가까이에 배치되고 나머지는 자석이 제2관통홀(522) 가까이에 배치됨으로써, 제1관통홀(521) 가까이에서 강한 자기장이 형성되거나, 제2관통홀(522) 가까이에서 강한 자기장이 형성되더라도, 에너지 하베스터의 발전량이 감소하는 것이 방지될 수 있다.
한편, 도 4에서 설명된 바와 같이, 복수의 에너지 하베스터는 서로 인접하여 배치되는 제1에너지 하베스터 그룹(550, 560) 및 제2에너지 하베스터 그룹(570, 580)을 포함할 수 있다. 제1에너지 하베스터 그룹의 에너지 하베스터(550, 560)는, 기판의 타단이 제2관통홀(522)을 향하며, 제2에너지 하베스터 그룹의 에너지 하베스터(570, 580)는, 기판의 타단이 제1관통홀(521)을 향한다. 그리고 제1 및 제2에너지 하베스터 그룹은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이 때, 제1 및 제2에너지 하베스터 그룹 사이의 이격 거리는, 동일한 에너지 하베스터 그룹내에 포함된 에너지 하베스터들의 이격 거리보다 크다.
복수의 에너지 하베스터들은, 바디부(510)의 높이(H) 범위 내에서, 복수의 레이어를 구성하여 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터는 기판(151), 압전 소자(159) 및 자석(153, 154)을 포함한다.
기판의 일단(1511)은 하베스터 배치부에 고정된 고정단이며, 기판의 타단(1512)은 자유단이다.
자석은 전술된 바와 같이, 기판의 타단(1512)으로부터 미리 설정된 거리 내에 배치되며, 하나의 자석(153)이 기판의 일면(1513) 및 타면(1514) 중 하나에 선택적으로 배치될 수 있다. 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 자석(153, 154)은 기판의 일면(1513) 및 타면(1514)에 모두 배치될 수 있다.
이 때, 기판의 일면 및 타면(1513, 1514) 각각에 배치되는 자석의 극성 방향은, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 서로 동일한 방향이거나, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 서로 반대 방향일 수 있다. 즉, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 일면(1513) 및 타면(1514)에 배치된 자석의 N극이 모두 타단(1512) 방향을 향하고, S극이 일단(1511) 방향을 향하거나, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 일면(1513)에 배치된 자석의 N극은 타단(1512) 방향을 향하고, S극은 일단(1511) 방향을 향하며, 타면(1514)에 배치된 자석의 N극은 일단(1511) 방향을 향하고, S극은 타단(1512) 방향을 향할 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 (10)

  1. 바디부;
    상기 바디부에 형성되며, 파워 케이블이 결합되는 제1 및 제2관통홀;
    상기 파워 케이블이 상기 제1 및 제2관통홀로 삽입되는 경로를 제공하는 개구부;
    상기 파워 케이블의 주변에 형성되는 자기장을 이용하여, 전기 에너지를 생성하는 복수의 에너지 하베스터; 및
    상기 바디부의 내부에 형성되며, 상기 에너지 하베스터가 배치되는 적어도 하나의 하베스터 배치부를 포함하며,
    상기 에너지 하베스터는
    일단이 상기 하베스터 배치부에 고정되는 기판;
    상기 기판의 일면에 배치되는 압전 소자; 및
    상기 기판의 타단으로부터 미리 설정된 거리 내에 배치되는 자석을 포함하며,
    상기 복수의 에너지 하베스터는
    상기 기판의 타단이 상기 제1관통홀을 향하며, 서로 인접하여 배치되는 상기 에너지 하베스터들을 포함하는 제1에너지 하베스터 그룹; 및
    상기 기판의 타단이 상기 제2관통홀을 향하며, 서로 인접하여 배치되는 상기 에너지 하베스터들을 포함하는 제2에너지 하베스터 그룹을 포함하며,
    상기 제1 및 제2관통홀 사이에 배치되는 상기 제1 및 제2에너지 하베스터 그룹 사이의 이격 거리는
    상기 제 1 및 제2에너지 하베스터 그룹에 포함된 에너지 하베스터 사이의 이격 거리보다 큰 거리인,
    파워 케이블 홀더.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 하베스터는
    상기 기판의 타단이 서로 마주보도록 배치되며, 상기 기판이 상기 제1 및 제2관통홀의 길이 방향에 수직하도록 배치되는 에너지 하베스터들
    을 포함하는 파워 케이블 홀더.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 자석은
    상기 기판의 일면 및 타면에 배치되는
    파워 케이블 홀더.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기판의 일면 및 타면 각각에 배치되는 자석의 극성 방향은,
    서로 반대 방향인
    파워 케이블 홀더.
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