KR20140131005A - 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 관한 것으로서, 진동자의 진동에 따라 전기를 발전하는 발전부, 발전부의 출력단과 연결된 가변 부하, 및 발전부의 출력값에 따라 가변 부하의 임피던스를 조정하여 진동자의 진폭을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 진동을 이용한 발전 장치가 부착된 대상물의 진동 범위와 관계 없이, 발전 장치에 포함된 진동자의 진폭이 일정 범위 이내로 조절될 수 있으며, 이에 따라 다양한 진동 특성을 가지는 대상물에 발전 장치를 설치하여 이용하는 것이 가능하다.

Description

진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치 {Independent power generator to control amplitude of the vibrator}

본 발명은 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동이 있는 환경에서 진동 에너지를 전기 에너지로 바꿔 다른 소자에 공급하되, 진동에 따른 진동자의 진폭을 제어할 수 있는 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 관한 것이다.

기존 전원 장치는 외부 전력이나 배터리를 이용하여 부하에 전력을 공급하나, 외부전력은 전원선을 연결하여야 하여 설치 상에 불편함이 있고, 배터리를 이용한 전원 장치의 경우 해당 배터리의 수명 문제가 존재한다. 그리고 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광, 열, 진동 등 다양한 방식의 에너지원을 전기에너지로 바꾸는 발전 장치가 사용되어 왔다.

이 중 진동을 이용하는 발전 장치는 발전 장치가 부착되는 기기의 진동을 이용하는데, 진동의 진폭이나 주파수에 따라 발전 장치의 효율이 크게 달라지게 된다. 특히 발전 장치의 가장 높은 효율은, 부착된 기기의 중심주파수와 발전 장치의 공진주파수가 일치하며 기계적인 에너지와 전기적인 부하가 적절히 조율되었을 때 얻어지기 때문에, 부착된 기기가 바뀌거나 상태가 달라져 주파수나 진폭이 바뀌게 되면 변환 효율이 떨어지게 된다.

그리고 발전 장치가 부착된 기기에서 발생하는 진동이 지나치게 커질 경우 발전 장치의 진동자에 큰 변형이 발생해 연성 변형에 의해 공진 특성이 바뀌거나 심한 경우 파손되는 경우가 발생한다. 이를 방지하기 위해 최대 변위를 제한하는 쿠션 구조를 넣을 경우 변형이나 파손은 막을 수 있으나 진동 형태를 왜곡시키게 되고, 또 부착된 기기의 진동이 작을 경우에는 발전장치의 진동자가 거의 움직이지 않아 역시 발전이 되지 않게 된다. 반면 발전 장치가 작은 진동에도 진폭이 크게 만들 경우 약간의 진동에도 진동자가 최대 변위에 도달해버려 충분한 전기에너지를 얻을 수 없는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 진동이 있는 환경에서 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하되, 가변 부하의 임피던스를 조정하여 진동에 따른 진동자의 진폭을 제어할 수 있는 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 진동이 있는 환경에서 진동 에너지를 전기 에너지로 바꿔 다른 소자에 공급하되, 진동자의 진동에 따라 함께 탄성 운동하는 복수의 스프링을 이용해 진동자의 진폭을 제어할 수 있는 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치는, 진동자의 진동에 따라 전기를 발전하는 발전부, 상기 발전부의 출력단과 연결된 가변 부하, 및 상기 발전부의 출력값에 따라 상기 가변 부하의 임피던스를 조정하여 상기 진동자의 진폭을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 상기 가변 부하의 임피던스가 증가하도록 조정하거나, 상기 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 상기 가변 부하의 임피던스가 감소하도록 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 발전부의 발전량을 고려하여 상기 발전부의 자체 임피던스를 조정하여 상기 진동자의 진폭을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 상기 발전부의 자체 임피던스가 감소하도록 조정하거나, 상기 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 상기 발전부의 자체 임피던스가 증가하도록 조정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치는, 진동자의 진동에 따라 전기를 발전하는 발전부, 일단은 고정단과 결합되고 타단은 상기 진동자와 결합되어, 상기 진동자의 진동에 따라 탄성 운동하는 제1 스프링, 및 일단은 고정단과 결합되고, 타단은 상기 제1 스프링이 임계치 이상 신장된 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿아, 상기 제1 스프링과 함께 탄성 운동하는 제2 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 제2 스프링의 타단은 상기 제1 스프링이 변형을 일으키지 않는 한계 진폭 이상 신장되는 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 제2 스프링의 스프링 상수는 상기 제1 스프링의 스프링 상수보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 일면이 고정단과 결합되고, 타면은 상기 제2 스프링이 임계치 이상 수축되는 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿도록 위치하는 완충부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 완충부는 상기 진동자에 허용되는 최대 충격량에 따라 상기 진동자의 구성요소에 영구적인 변형이 발생하지 않도록 스프링 상수가 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 진동자는 압전체를 포함하고, 상기 발전부는 상기 진동자의 압전효과를 이용하여 발전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 있어서, 상기 진동자는 자석을 포함하고, 상기 발전부는 상기 자석의 이동에 따라 유도전류가 생성되는 코일을 이용하여 발전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치에 따르면, 진동을 이용한 발전 장치가 부착된 대상물의 진동 범위와 관계 없이, 발전 장치에 포함된 진동자의 진폭이 일정 범위 이내로 조절될 수 있으며, 이에 따라 다양한 진동 특성을 가지는 대상물에 발전 장치를 설치하여 이용하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

통상 진동을 이용한 발전 장치는 진동하는 대상물에 부착되는데, 예를 들어 자동차의 엔진, 건물, 변압기 등 벽체에서 진동이 발생하는 경우 그 진폭은 부착 위치에 따라 달라진다. 이때 정해진 스프링 상수 또는 진동자의 추의 무게로 결정된 진동 특성을 가지는 종래의 발전 장치는, 특정 진폭 영역에서만 효과적으로 작동하며, 진동이 너무 작거나 큰 나머지 진폭 영역에서는 전력 생성이 어려운 한계가 있다.

반면 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하여 대상물의 특성에 따른 다양한 진폭에서도 전기에너지를 생성할 수 있는 발전 장치를 제공하기 위한 것으로서, 진폭이 바뀌는 다양한 상황에서도 큰 발전 전력을 얻고 진동자의 기계적인 안정성을 확보하기 위한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 발전 장치는 발전부, 가변 부하 및 제어부를 포함하여 구성된다.

발전부는 발전 장치가 부착된 대상물의 진동에 따른 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 역할을 하며, 이를 위해 대상물의 진동에 따라 함께 진동하는 진동자를 포함한다.

이때 발전부는 예를 들어, 압전체에 추를 부착하고 진동에 의해 압전체가 휘면서 전하가 발생하는 압전효과(piezoelectric effect)를 이용해 전기에너지를 얻을 수 있고, 이 경우 발전부의 진동자는 이러한 동작을 위한 압전체를 포함한다.

또한 발전부는 예를 들어, 코일 인근에 배치된 자석이 이동함에 따라 해당 코일에 인가되는 자속이 변화하면서 생성되는 유도전류로부터 전기에너지를 얻을 수 있으며, 이 경우 진동자는 이러한 동작을 위한 자석을 포함한다.

도 1에서 발전부의 자체 임피던스는 Z로 표현되었다.

가변 부하는 자체 임피던스가 변화할 수 있는 부하이다. 가변 부하는 발전부의 출력단과 연결되며, 도 1에서 가변 부하의 임피던스는 Z'로 표현되었다.

이 경우 전체 부하의 임피던스의 최소값은 발전부의 자체 임피던스 (Z)이고, 전체 부하의 임피던스의 최대값은 발전부의 자체 임피던스에 가변 부하의 임피던스를 합한 값(Z+Z')이다.

제어부는 가변 부하의 임피던스를 조정하여 진동자의 진폭을 조정하는 역할을 하며, 이를 위한 연산 유닛, 응용 프로그램 저장소, 메모리 등을 포함할 수 있다. 제어부는 발전부의 출력값을 감지하여, 진동자의 진폭을 조절하기 위한 가변 부하의 임피던스 조정값을 산출하고, 산출한 임피던스 조정값에 따라 가변 부하의 임피던스를 조정하는 역할을 한다.

본 실시예에서 제어부는 발전부의 출력단에서 나온 출력값을 바탕으로 가변 부하의 저항값을 변화시키며, 이에 따라 가변 부하의 임피던스가 변경된다. 이 경우 스위치를 이용해 가변 부하의 전기적 구조를 변화시켜 저항값을 변화시킬 수 있다.

예를 들어, 제어부는 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 가변 부하의 임피던스가 증가하도록 조정하며, 그 결과 진동자에 가해지는 제동력이 높아져 진동자의 진폭이 줄어들게 된다. 또한 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 가변 부하의 임피던스가 감소하도록 조정하며, 그 결과 진동자에 가해지는 제동력이 줄어들어 진동자의 진폭이 커지게 된다.

또한 제어부는 발전부의 출력단에서 나온 출력값을 바탕으로 발전부의 자체 임피던스를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 발전부의 자체 임피던스와 대비한 가변 부하의 상대적인 임피던스가 변경된다.

예를 들어, 제어부는 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 발전부의 자체 임피던스가 감소하도록 조정하며, 이에 따라 발전부의 자체 임피던스와 대비한 가변 부하의 상대적인 임피던스가 증가하고, 그 결과 진동자에 가해지는 제동력이 높아져 진동자의 진폭이 줄어들게 된다. 또한 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 발전부의 자체 임피던스가 증가하도록 조정하며, 이에 따라 발전부의 자체 임피던스와 대비한 가변 부하의 상대적인 임피던스가 감소하고, 그 결과 진동자에 가해지는 제동력이 줄어들어 진동자의 진폭이 커지게 된다.

다만, 발전부의 자체 임피던스 Z를 감소시키는 경우, 발전부의 주어진 체적에서 발전량이 줄어들게 되므로, 제어부는 발전부의 발전량을 고려하여 발전부의 자체 임피던스를 조정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발전 장치의 기능 및 동작에 대해서는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 발전 장치는 발전부, 제1 스프링 및 제2 스프링을 포함하여 구성된다.

발전부는 발전 장치가 부착된 대상물의 진동에 따른 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 역할을 하며, 이를 위해 대상물의 진동에 따라 함께 진동하는 진동자를 포함한다.

도 2에 도시된 실시예에서 발전부는, 코일 인근에 배치된 자석이 이동함에 따라 해당 코일에 인가되는 자속이 변화하면서 생성되는 유도전류로부터 전기에너지를 얻을 수 있으며, 이 경우 진동자는 이러한 동작을 위한 자석을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서 발전부는 예를 들어, 압전체에 추를 부착하여 진동에 의해 압전체가 휘면서 전하가 발생하는 압전효과(piezoelectric effect)로부터 전기에너지를 얻을 수 있고, 이 경우 발전부의 진동자는 이러한 동작을 위한 압전체를 포함하게 된다.

제1 스프링은 일단이 고정단과 결합되고 타단은 발전부 진동자와 결합되어, 진동자의 진동에 따라 탄성 운동한다. 이때, 제1 스프링의 스프링 계수는 k1이다.

제2 스프링은 일단이 고정단과 결합되고, 타단은 제1 스프링이 임계치 이상 신장된 경우 제1 스프링의 타단 또는 진동자의 끝단과 맞닿도록 설치된다.

제2 스프링이 제1 스프링의 타단 또는 진동자의 끝단과 맞닿는 경우, 제1 스프링과 함께 탄성 운동하게 되며, 이는 진동자의 진동에 따라 탄성 운동함을 나타낸다. 이때, 제2 스프링의 스프링 계수는 k2이다.

통상 진동을 이용한 발전 장치에서 진동자의 스프링 상수는 주어진 진동에 대해 진동자의 진폭을 결정하는데, 이 스프링 상수가 지나치게 크면 진폭이 제한되어 발전량이 줄어들고 스프링 상수가 지나치게 작으면 가변 부하에 의해 조절할 수 있는 진동의 범위가 늘어나게 되나 충격에 대한 안정성이 떨어지게 되며, 안정성과 발전 효율간의 최적화가 필요하다.

본 실시예에서는 진동자의 소재가 열화를 일으키지 않는 최대 진폭 이상이 발생하는 것을 막기 위해, 제1 스프링과 함께 진동하는 진동자가 임계치 이상 신장되면, 제1 스프링의 타단 또는 진동자의 끝단과 제2 스프링의 타단이 맞닿도록 한다. 이러한 본 실시예의 기술적 특징은 비선형 스프링 상수를 갖는 구조에 의해 스프링 상수가 급격히 증가하여 진폭을 제한할 수 있다.

예를 들어 진동자와 함께 탄성 운동하는 제1 스프링이 변형을 일으키지 않는 한계 진폭 이상 신장되면, 제2 스프링의 타단이 제1 스프링의 타단 또는 진동자의 끝단과 맞닿아 함께 탄성 운동한다. 이때, 제2 스프링의 스프링 상수는 제1 스프링의 스프링 상수보다 상대적으로 크게 정해질 수 있으며(k2 >> k1), 그 결과 2차 스프링에 의해 진동자 및 제1 스프링의 진동이 결정된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치는, 일면이 고정단과 결합되고, 타면은 제2 스프링이 임계치 이상 수축되는 경우 제1 스프링의 타단 또는 진동자의 끝단과 맞닿도록 위치하는 완충부를 더 포함할 수 있다.

이때, 2차 스프링의 수축 한계를 넘어서면 쿠션이나 3차 스프링 역할을 하는 완충부가 진동자와 접촉하며 진폭을 제어할 수 있도록 하며, 이 완충부는 진동자에 인가되리라 예상되는 최대 충격량에서 진동자의 구성요소에 영구적인 변형이 발생하지 않도록 스프링 상수가 결정되어야 한다.

실시예에 따라서는 제2 스프링에 의해 발생하는 충격으로부터 진동자의 구성 요소를 보호하기 위한 별도의 완충 소재가, 진동자의 진동 범위 양 끝에 부착되어 파손을 막도록 할 수 있다.

도 2에서는 제1 스프링 및 제2 스프링이 각각의 단일 스프링으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것이 아니며, 실시예에 따라서 제1 스프링 또는 제2 스프링은 진동시의 균형을 감안하여 복수로 구비될 수 있으며, 위아래, 좌우, 진동자의 진동축 등 다양한 위치에 배치할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims (11)

1. 진동자의 진동에 따라 전기를 발전하는 발전부;
   상기 발전부의 출력단과 연결된 가변 부하; 및
   상기 발전부의 출력값에 따라 상기 가변 부하의 임피던스를 조정하여 상기 진동자의 진폭을 조절하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 상기 가변 부하의 임피던스가 증가하도록 조정하거나, 상기 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 상기 가변 부하의 임피던스가 감소하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 발전부의 발전량을 고려하여 상기 발전부의 자체 임피던스를 조정하여 상기 진동자의 진폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 진동자의 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 진동자의 진폭이 임계치 이상인 경우 상기 발전부의 자체 임피던스가 감소하도록 조정하거나, 상기 진동자의 진폭이 임계치 이하인 경우 상기 발전부의 자체 임피던스가 증가하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
5. 진동자의 진동에 따라 전기를 발전하는 발전부;
   일단은 고정단과 결합되고 타단은 상기 진동자와 결합되어, 상기 진동자의 진동에 따라 탄성 운동하는 제1 스프링;
   일단은 고정단과 결합되고, 타단은 상기 제1 스프링이 임계치 이상 신장된 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿아, 상기 제1 스프링과 함께 탄성 운동하는 제2 스프링;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 스프링의 타단은 상기 제1 스프링이 변형을 일으키지 않는 한계 진폭 이상 신장되는 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿게 되는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제2 스프링의 스프링 상수는 상기 제1 스프링의 스프링 상수보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
8. 제5항에 있어서,
   일면이 고정단과 결합되고, 타면은 상기 제2 스프링이 임계치 이상 수축되는 경우 상기 제1 스프링의 타단 또는 상기 진동자의 끝단과 맞닿도록 위치하는 완충부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 완충부는 상기 진동자에 허용되는 최대 충격량에 따라 상기 진동자의 구성요소에 영구적인 변형이 발생하지 않도록 스프링 상수가 결정되는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동자는 압전체를 포함하고,
    상기 발전부는 상기 진동자의 압전효과를 이용하여 발전하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.
11. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동자는 자석을 포함하고,
    상기 발전부는 상기 자석의 이동에 따라 유도전류가 생성되는 코일을 이용하여 발전하는 것을 특징으로 하는 진폭 제어가 가능한 자가 발전 장치.

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