KR20150055160A - Scaffold Energy harvester using Electromagnetic Induction - Google Patents

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KR20150055160A
KR20150055160A KR1020130136303A KR20130136303A KR20150055160A KR 20150055160 A KR20150055160 A KR 20150055160A KR 1020130136303 A KR1020130136303 A KR 1020130136303A KR 20130136303 A KR20130136303 A KR 20130136303A KR 20150055160 A KR20150055160 A KR 20150055160A
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가톨릭대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed is a scaffold type energy harvester using an electromagnetic induction method. The scaffold type energy harvester using the electromagnetic induction method includes a bottom frame (120) which includes a plurality of press springs (130) formed on the outside of the surface thereof with a preset interval, a first energy harvest module (200) which is located on the bottom frame (120), a second energy harvest module (300) which is located on the bottom frame (120) and is arranged to face the first energy harvest module (200), and a top frame (110) which is located on the first energy harvest module (200) and the second energy harvest module (300). The first energy harvest module (200) and the second energy harvest module (300) compress the springs by performing a falling operation by a vertical force supplied from the outside. the first energy harvest module (200) and the second energy harvest module (300) generate electromagnetic induction energy by a rotation motion by converting a vertical displacement into the rotation motion after the vertical displacement is generated by the rising and falling operations by performing the rising operation by the elastic force of the press spring (130) If the vertical force disappears.

Description

전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터{Scaffold Energy harvester using Electromagnetic Induction}{Scaffold Energy harvester using Electromagnetic Induction}

본 발명은 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy harvester, and more particularly, to a scaffold type energy harvester using an electromagnetic induction method.

우리나라는 에너지 자립도가 3% 미만으로 대표적인 자원 빈국이다. 나머지 97%의 에너지를 수입에 의존하고 있으며, 현재 세계 10대 에너지 수입국 중에서 미국, 일본, 이탈리아에 이어 5위를 차지하고 있다. Korea is a representative resource poor country with less than 3% of energy independence. The remaining 97% depends on imports and is the fifth largest energy importer in the world, following the US, Japan and Italy.

또한 현대인의 생활에서 전자기기가 차지하는 비중이 크게 증가함에 따라 매년 전력수요가 증가 하는 추세이며 금년도 우리나라 전력사용량이 7월 기준으로 한 시간에 7300kWh를 기록하여 역대 최고치를 경신한바 있다. In addition, electric power demand is increasing every year due to the increase in the proportion of electronic devices in modern life. In this year, Korea's electric power consumption has reached 7300kWh in one hour as of July.

한편 기존 전력 생산의 대부분을 차지하고 있는 원자력 발전과 화력발전의 경우 대량의 발전량을 확보할 수 있지만 매연, 폐기물, 고온의 냉각수 등의 환경문제를 일으킨다. 또한 차세대 대체에너지 기술로 조명받고 있는 연료전지나 바이오매스와 같은 기술들이 있으나 연료전지는 화석연료나 석유를 개질하면서 녹지를 축소시키는 문제가 있고 바이오매스는 오히려 이산화탄소의 배출량이 늘어나는 문제가 있어 작금의 환경문제를 해결하기에 어려움이 있다. On the other hand, nuclear power generation and thermal power generation, which account for most of the existing power generation, can secure a large amount of power generation but cause environmental problems such as smoke, waste and high temperature cooling water. In addition, there are technologies such as fuel cells and biomass that are being illuminated by next-generation alternative energy technologies. However, fuel cells have the problem of reducing green spaces while reforming fossil fuels and petroleum, and biomass has a problem of increasing carbon dioxide emissions. There is a difficulty in solving the problem.

따라서 미래에너지자원의 안정적 확보와 지구환경문제, 전력수요증대의 대응이 절실히 요구되는 최근의 세계전력시장은 미국과 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 태양광, 풍력, 파도, 운동에너지 등의 에너지 하베스트(energy harvesting) 기술개발이 급속히 추진되고 있으며, 국내에서도 "저탄소 녹색성장"을 모토로 그린뉴딜사업 계획을 추진하는 등 지구온난화에 대응하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. Therefore, the recent global power market, which is required to secure stable future energy resources, and to cope with global environmental problems and increase in electric power demand, is focused on advanced countries such as USA, Japan, Europe, (energy harvesting) technology is being developed rapidly and domestic efforts are being made to cope with global warming by promoting the New Deal project which is motivated by "low carbon green growth".

에너지 하베스트는 주위에 산재해 있는 에너지를 획득하는 방식으로 자연적으로 사라지는 에너지를 취한다고 하여 에너지 스카벤징(energy scavenging)이라고도 하며, 또는 파워 하베스팅(power harvesting)이라고도 불린다. 이러한 에너지 하베스트 기술은 대표적인 청정에너지 시스템 중 하나로 어떠한 환경오염도 야기하지 않으며 자연 및 주변 에너지를 그대로 활용할 수 있는 친환경 에너지 활용 기술이다.Energy Harvest is sometimes referred to as energy scavenging, or power harvesting, because it takes energy that disappears naturally in a way that acquires energy scattered around. This energy harvesting technology is one of representative clean energy systems, and it does not cause any environmental pollution. It is an environment-friendly energy utilization technology that can utilize natural and surrounding energy as it is.

에너지 하베스트 기술은 50년 전부터 대두되었던 기술임에도 불구하고 최근에 이 기술이 크게 주목을 받는 이유는 주변에서 수확할 수 있는 에너지 형태 및 환경과 이러한 에너지 하베스트 기술이 적용 가능한 다양한 휴대기기들의 등장에 따라 에너지 하베스트 기술의 실용성이 증대되고, 에너지 하베스트 장치의 구조 및 성능도 지속적으로 진화하고 있고 있기 때문이다.
Energy Harvest technology has been on the rise for over 50 years, but recently the technology has attracted much attention because of the energy forms and environments that can be harvested from the environment and the emergence of a variety of portable devices that can harness these energy harvest technologies This is because the practicality of harvest technology is increasing, and the structure and performance of energy harvesting equipment are constantly evolving.

- 압전 방식의 에너지 하베스트 시스템 -- Piezoelectric energy harvest system -

압전체를 이용한 에너지 하베스트 연구는 에너지 하베스트를 위한 가장 보편적인 방식으로 미국의 캘리포니아 대학을 비롯해 몇몇 미국과 유럽 대학을 중심으로 이루어지고 있다. 일반적으로 압전체를 이용한 에너지 하베스트는 바(bar)의 한쪽 끝을 고정시킨 외팔보(cantilever) 형태로 제작되는데, 외팔보 형태의 압전 에너지 하베스트는 외팔보를 지지하는 지지 바 상부에만 압전체를 배치한 유니몰프(unimorph) 형과 상하부 모두 압전체를 배치한 바이몰프(bimorph) 형태로 구분할 수 있으며, 그 끝에는 집중 질량(mass)이 매달려 있다. 외팔보가 아래로 굽혀지면 윗면에는 인장, 아랫면에는 압축에 의해 변형이 생기고 양면에는 전압이 발생하게 된다. 따라서 외팔보가 상하로 진동을 하게 되면 교류전압이 발생한다.
Energy harvesting using piezoelectric is the most common method for energy harvesting, centering on several US and European universities, including the University of California, USA. Generally, energy harvest using a piezoelectric body is made in the form of a cantilever in which one end of a bar is fixed. In the cantilever type piezoelectric energy harvest, unimorphs in which a piezoelectric body is disposed only on a support bar supporting a cantilever ) Type and a bimorph type in which a piezoelectric body is arranged at the upper and lower parts, and a mass of mass is suspended at the end. When the cantilever is bent downward, tensile is formed on the upper surface, compression is caused on the lower surface, and voltage is generated on both sides. Therefore, when the cantilever vibrates up and down, an AC voltage is generated.

도 2의 (a)는 영국의 Southampton대학에서 개발한 압전 방식의 에너지 하베스트고, (b)는 미국 캘리포니아 대학에서 개발한 바이몰프 압전 에너지 하베스트다. Fig. 2 (a) is a piezoelectric energy harvest cage developed by Southampton University in England, and (b) is a bimorph piezoelectric energy harvest developed by the University of California, USA.

이와 같이 제작된 바이몰프 압전 에너지 하베스트는 시험 장치를 사용하여 최대 120㎼의 전력발생이 가능하였으며, 집중 질량과 외팔보의 크기를 크게 조절하여 375㎼까지 전력이 발생됨이 보고되고 있다. 외팔보 압전 에너지 하베스트 외에도 원형 막피(membrane) 형태의 압전 에너지 하베스트 연구도 실시되고 있다. 그러나 압전 에너지 하베스트는 대부분은 압전 세라믹(PZT)를 사용하기 때문에 응력파괴가 쉽게 발생 될 수 있으며, 외팔보 압전 방식의 에너지 하베스트의 경우 구조물의 공진주파수를 맞추어 설계해야하는 단점과 극히 제한된 주파수 범위에서만 유효전력을 발생시킬 수 있는 단점이 있다. The Bimorph piezoelectric energy Harvest produced by this method is able to generate electric power of up to 120 kW using a test apparatus, and it has been reported that electric power is generated up to 375 kW by controlling the concentrated mass and the size of the cantilever. In addition to the cantilever piezoelectric energy harvest, piezoelectric energy harvesting in the form of a circular membrane is also being studied. However, piezoelectric energy harvesting can be easily broken due to the use of piezoelectric ceramics (PZT). In the case of cantilever piezoelectric energy harvest, it is necessary to design the resonance frequency of the structure. In addition, Can be generated.

또한 크기에 비해 기계적-전기적 에너지 변환효율이 낮아 전자기기가 요구하는 전력과 비교해 보았을 때 아직까지는 활용범위가 높지 못하다.In addition, since the mechanical-electrical energy conversion efficiency is low compared to the size, the application range is not so high as compared with the electric power required by the electronic device.

압전방식의 실제적 응용의 예를 보면 미국의 경우, DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency)의 지원 하에 PVdF와 PZT 소재를 이용하여 인체진동에 의한 출력 특성을 연구하고 있다. 이는 도보 시의 충격파 혹은 기계에서 발생하는 진동을 이용하여 에너지를 발전하는 구조로 도 3은 신발에 적용한 예를 나타낸다. Examples of practical applications of piezo-electric systems are in the United States, with the support of DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), researching the output characteristics of human vibrations using PVdF and PZT materials. This is a structure in which energy is generated by using a shock wave at the time of walking or a vibration generated by the machine, and Fig. 3 shows an example of application to a shoe.

그러나 이 방법은 에너지 효율이 아직은 만족스럽지 않아 대면적 위주로 개발이 진행되고 있다.
However, this method is not yet satisfactory in terms of energy efficiency and is being developed in a large area.

도 4의 (a)는 Soundpower사에서 제작한 에너지 하베스트 발전판을 보여주는 것으로써, 발전판 내부에 여러 개의 압전 스피커가 있어서 진동판에서 발생된 음력이 압전 스피커를 통해서 발전을 하게 된다. FIG. 4 (a) shows an energy harvesting plate manufactured by Soundpower, which includes a plurality of piezoelectric loudspeakers inside the power generating plate, so that the loudspeakers generated from the diaphragm are generated through the piezoelectric loudspeaker.

10Hz의 진동이 가해졌을 때 약 5㎽의 전력이 발생할 수 있다고 보고하고 있다. 현재 일본 철도회사인 JR에서는 사람들이 지하철 개찰구를 통과할 때 일으키는 진동을 이용하여, 자동개찰기를 구동시키는 실험을 하고 있으며, It is reported that about 5 mW of power can be generated when 10 Hz of vibration is applied. At present JR, a railway company in Japan, is experimenting to drive automatic ticket gates by using the vibration generated when people pass through a subway turnstile,

이때 하루에 6000Ws 전력을 생산할 수 있다고 한다. 이스라엘의 INNOWATTECH사는 압전체에 하중에 가해질 때 전기가 발생하는 원리를 이용하여, 격자형태의 압전체가 여러개 세워져 있는 모양의 압전 에너지 하베스트 시스템을 도 4의 (b)와 같이 자동차도로나 철도 레일, 하중이 있는 기계 등에 설치하여 이로부터 전기 에너지를 생산하는 연구를 진행하고 있다. At this time, it can produce 6000Ws of power per day. INNOWATTECH, Israel has developed a piezoelectric energy harvesting system in which several lattice-shaped piezoelectric bodies are erected by using the principle that electricity is generated when a piezoelectric body is subjected to a load, as shown in FIG. 4 (b) And is currently conducting research to produce electrical energy from these devices.

INNOWATTECH사는 1 km의 도로에서 시간당 최대 200 kWh를 발전이 가능하다고 보고 있다. 이와 같은 매크로 스케일의 에너지 하베스트 시스템들은 높은 에너지가 발생되어 다양한 응용분에 적용이 가능하지만 앞서 기술한 바와 같이 초기 설치비용과 큰 운동에너지가 가해져야 한다는 외부 환경적인 요인이 단점으로 부각되고 있다.
INNOWATTECH believes it can generate up to 200 kWh per hour on a 1 km road. As described above, macro scale energy harvest systems are applied to various applications due to high energy generation. However, external environmental factors such as initial installation cost and great kinetic energy have been pointed out as drawbacks.

- 전자기 유도 방식의 에너지 하베스트 시스템 -- Electromagnetic induction energy harvest system -

전자기 유도 방식의 에너지 하베스트 시스템은 미국 MIT와 영국의 Southampton 대학, 홍콩의 Chinese대학 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다.Electromagnetic induction energy harvesting systems are under active research centering on MIT in the United States, Southampton University in England and Chinese University in Hong Kong.

현재 연구되고 있는 전자기 유도 방식의 에너지 하베스트 시스템은 도체(전기회로)를 통과하는 자기장이 변화하면 도체주위에 전기장이 형성되어 전류가 흐르게 된다는 페러데이(Faraday)법칙을 기본 원리로 하고 있다. The electromagnetic induction type energy harvesting system currently being studied is based on Faraday's law that an electric field is formed around a conductor when a magnetic field passing through a conductor (electric circuit) changes and an electric current flows.

이때 자기장의 변화는 기동 자석과 고정 코일 또는 고정 자석과 기동 코일로 구현 할 수 있으나, 대부분 기동 자석과 고정 코일 방식을 사용한다. 일반적으로 다른 조건이 동일하다면, 코일에 도선이 감겨있는 횟수 즉, 권선수가 많을수록 성능이 좋아진다.
At this time, the change of the magnetic field can be realized by a starting magnet, a fixed coil, a fixed magnet, and a starting coil, but most of them use a starting magnet and a fixed coil method. Generally, if the other conditions are the same, the number of times the wire is wound on the coil, that is, the more the number of windings, the better the performance.

도 5의 (a)는 미국 MIT 공대에서 개발한 전자기 방식의 에너지 하베스트다. 스프링에 연결된 코일이 집중 질량에 매달려 수직 운동을 하게 되면, 이때 코일은 원형 자석 안과 밖을 운동하며 전류를 발생시키는 원리이다. FIG. 5 (a) is an electromagnetic energy harvest developed by MIT, USA. When a coil connected to a spring makes a vertical motion by hanging on a concentrated mass, the coil moves the inside and outside of the circular magnet and generates a current.

또 다른 전자기 방식의 에너지 하베스트는 도 5의 (b)와 같이 PCB(printed circuit board)에 원형으로 패턴(코일)을 감고 비아 홀(via hole)을 뚫어 아래층의 PCB와 연결하는 방식으로 여러 층의 PCB로 코일을 감는 효과를 얻는 방법이다. 전자기 방식의 에너지 하베스트는 압전체 방식의 에너지 하베스트와 달리 공진 주파수를 맞출 필요가 없으며, 330~500kHz에서 압전체 에너지 하베스트와 비슷한 전력(100~400㎼)이 발생되는 것으로 발표되고 있다. Another electromagnetic energy harvest is a method in which a circular pattern (coil) is wound on a printed circuit board (PCB) as shown in FIG. 5 (b) and a via hole is connected to a PCB on the lower layer, It is a way to get the effect of winding the coil on the PCB. Unlike piezoelectric energy harvesting, electromagnetic energy harvesting does not need to match the resonant frequency, and it is reported that electric power (100 to 400 psi) similar to piezoelectric energy harvesting occurs at 330 to 500 kHz.

그러나 현재까지 개발된 전자기 방식의 에너지 하베스트는 소형화가 힘들고, 낮은 주파수영역에서 발전량의 한계가 있다는 단점 등이 있다.
However, the electromagnetic energy harvest developed up to now has a disadvantage that it is difficult to miniaturize and there is a limitation in the generation amount in the low frequency range.

- 정전기 방식의 에너지 하베스트 시스템 -- Electrostatic energy harvest system -

MIT의 Meninger 등이 개발한 정전발전기(electrostatic generator)는 커패시터의 정전용량을 변화시키기 위해 커패시터의 거리를 변경시키는 MEMS 형태의 가변 커패시터 구조를 갖는다. An electrostatic generator developed by Meninger et al. At MIT has a MEMS-type variable capacitor structure that changes the distance of the capacitor to change the capacitance of the capacitor.

정전에너지 변환을 위해 이들은 일정한 전하량에서 동작하는 병렬 커패시터 구조와 일정한 전압에서 동작하는 빗(comb) 형태의 커패시터 구조 두 가지를 제안하였다. For electrostatic energy conversion, they proposed a parallel capacitor structure operating at a constant charge amount and a comb type capacitor structure operating at a constant voltage.

이 두 종류의 구조 중 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조가 일정 전하량에서 동작하는 커패시터 대비 높은 에너지 효율을 보였다. 그러나 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조는 초기에 큰 전압원을 필요로 한다는 단점을 갖고 있다. 이 문제의 해결을 위해 일정 전하량에서 동작하는 커패시터 구조를 이용하면서 상대적으로 큰 에너지를 얻기 위해서는 MEMS 커패시터에 병렬로 추가적인 커패시터를 연결하는 방법을 제시하고 있으나, 이 또한 초기 전압원의 크기를 키워야 하고 커패시터에 축적된 에너지를 효율적으로 전달하기 위한 스위칭 시스템이 발전기의 운동에너지원인 진동특성과 동기화해야 하는 등의 문제점을 갖고 있다.
Among these two types of structures, a capacitor structure operating at a constant voltage showed higher energy efficiency than a capacitor operating at a constant charge amount. However, a capacitor structure operating at a constant voltage has a disadvantage in that it initially requires a large voltage source. In order to solve this problem, a method of connecting an additional capacitor in parallel to a MEMS capacitor to obtain a relatively large energy while using a capacitor structure operating at a constant charge amount is proposed. However, it is also necessary to increase the size of the initial voltage source, The switching system for efficiently transferring the stored energy has a problem in that it needs to be synchronized with the vibration characteristic of the kinetic energy of the generator.

- 에너지 하베스트 시스템의 국내 연구 현황 -- Current Status of Energy Harvest System in Korea -

마이크로 에너지 하베스트 기술의 경우 최근 미국을 중심으로 센서 노드 등과 같은 소형 디바이스의 직접 전원으로 적용하는 연구들이 활발히 진행되고 있으나, 국내의 경우에는 마이크로 에너지 하베스트 분야의 연구가 오래되지 않았고 원천특허가 대부분 미국에 집중되어 있는 관계로 관련 원천기술이 취약하여 아직 초기 연구 단계에 머물러 있는 현실이다. In the case of micro energy harvest technology, researches on application as a direct power source for small devices such as sensor nodes are being actively carried out in the United States. However, in the case of domestic micro energy harvest technology, This is a reality that is still in the early stage of research due to its weak relationship with the related technology.

2007년 ETRI에서는 도 5의 (a)와 같이 음파에 의해 진동하여 전압을 발생하는 압전 단결정 MEMS 구조체 소자연구를 수행하여 10.8㎑의 주파수에서 약 13.2㎽h의 전력을 발생시켜, 기존의 PZT계보다 높은 에너지 변환 효율을 갖는 에너지 하베스트 시스템을 개발하였다. 또한 KIST에서는 도 5의 (b)와 같이 외팔보(cantilever) 형태의 PZT 기반의 MEMS 구조체를 개발하여 1㎠ 면적당 13.9㎑의 주파수에서 약 0.74㎽h의 전력을 발생시키는 압전체 방식의 에너지 하베스트 소자에 대한 기초 연구를 수행하고 있다. As shown in Figure 5 (a), in 2007, ETRI conducted a study on a piezoelectric single-crystal MEMS structure element that generates a voltage by vibrating with a sound wave to generate a power of about 13.2 mW at a frequency of 10.8 kHz, Energy harvest system with high energy conversion efficiency was developed. In addition, KIST developed a cantilever-type PZT-based MEMS structure as shown in Fig. 5 (b), and developed a piezoelectric-type energy harvest device that generates power of about 0.74 mW at a frequency of 13.9 kHz per square centimeter We are conducting basic research.

상기 기술한 바와 같이 국내의 연구들은 대부분 압전체를 이용한 방식에만 집중되어 있으나, 현재의 기술개발 수준이 출발단계인 점을 고려하여 다양한 접근을 통해 발전방식을 다양화하고 기술발전의 가능성을 높일 수 있도록 연구되어야 할 필요성이 있다.
As described above, domestic researches are mainly focused on the method using piezoelectric bodies. However, in consideration of the fact that the present level of technology development is the starting point, various approaches are used to diversify the generation methods and increase the possibility of technological development There is a need to be studied.

한편, 국내외 에너지 하베스트에서 많이 사용되고 있는 방법은 압전방식을 활용한 에너지 하베스트 구조들이다. 이러한 압전방식의 경우 발생전류가 작은 대신 발생 전압이 큰 압전 세라믹 방식을 사용하고 있다. 그러나 이 압전 세라믹의 경우 도자기와 유사한 재질로 되어있기 압력에 의한 깨짐 또는 변형 등이 발생하는 등 내구성 측면에서 취약한 문제점이 존재한다. 또한 압전방식은 에너지 효율을 올리기 위해서는 구조물의 공진주파수를 맞추어 설계해야만 한다는 점과 극히 제한된 주파수 범위에서만 유효전력을 발생시킬 수 있다는 단점이 있다.
On the other hand, energy harvest structures that utilize piezoelectric methods are widely used in domestic and overseas energy harvest. In the case of such a piezoelectric method, a piezoelectric ceramic method in which a generated current is small but a generated voltage is large is used. However, the piezoelectric ceramics are made of a material similar to ceramics, and are susceptible to breakage or deformation due to pressure, resulting in poor durability. In addition, the piezoelectric type has a disadvantage in that it is necessary to design the resonance frequency of the structure in order to increase the energy efficiency and to generate the active power only in a very limited frequency range.

대한민국 특허등록번호 제10-1067019호(발명의 명칭: 에너지 하베스트 단위 모듈, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스트 조립체 및 이를 결합하여 만들어진 다축 에너지 하베스트 다중 조립체)Korean Patent Registration No. 10-1067019 entitled ENERGY HARVEST UNIT MODULE, MULTI-CHAIN ENERGY HARVEST ASSEMBLY CONJUGATED THEREOF, AND MULTI-SHAFT ENERGY HARVEST MULTILE ASSEMBLY CONJUGATED THEREFOR

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a foot type energy harvester using an electromagnetic induction method.

또한, 생활공간 가까이 설치하여 효율적인 전력 사용이 가능하고, 인도에 설치하여 무자각 발전이 가능하고, 도로, 지하주차장, 과속방지턱 등 다양한 응용분양에 적용이 가능한 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
In addition, it is possible to install a scaffolding type energy harvester, which can be installed close to a living space, enable efficient use of electric power, be installed in India and be able to generate power without any ambience, and can be applied to various applications such as roads, underground parking lots, The purpose is to provide.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터는 표면 외각에 복수 개의 프레스 스프링(130)들이 일정한 간격으로 형성된 하부 프레임(120); 및 상기 하부 프레임(120) 상에 위치하는 제1 에너지 하베스트 모듈(200); 상기 하부 프레임(120) 상에 위치하고, 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200)과 마주보도록 배치되는 제2 에너지 하베스트 모듈(300); 및 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈 상에 위치하는 상부 프레임(110)를 포함하고, 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)은, 외부에서 제공되는 수직적 힘에 의해 하강동작을 수행하여 상기 복수 개의 스프링을 압축하고, 상기 수직적인 힘이 소멸 시, 상기 프레스 스프링(130)의 탄성력에 의해 승강동작을 수행하여 승하강 동작에 따른 수직적 변위를 발생시킨 후, 수직적 변위를 회전 운동으로 변환시켜 상기 회전운동으로 인해 발생되는 전자기 유도 에너지를 생성하는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, a foot type energy harvester using an electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention includes a lower frame 120 having a plurality of press springs 130 formed at a predetermined interval on a surface outer surface thereof; And a first energy harvesting module (200) located on the lower frame (120); A second energy harvesting module (300) located on the lower frame (120) and arranged to face the first energy harvesting module (200); And an upper frame (110) located on the first energy harvesting module (200) and the second energy harvesting module, wherein the first energy harvesting module (200) and the second energy harvesting module (300) , And a plurality of springs are compressed by a vertical force externally provided to compress the plurality of springs. When the vertical force is extinguished, the lifting operation is performed by the elastic force of the press spring (130) The vertical displacement is converted into a rotational motion to generate electromagnetic induction energy generated by the rotational motion.

상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)은, 상부 프레임(110)에서 제공된 수직적인 힘에 의해 하강동작을 수행하여 상기 복수 개의 프레스 스프링(130)을 압축하고, 상기 수직적인 힘이 소멸 시, 상기 프레스 스프링(130)의 탄성력에 의해 승강동작을 수행하여 승하강 동작에 따른 수직적 변위를 발생시키는 승하강모듈(310); 상기 승하강모듈(310)의 수직적 변위를 회전운동으로 변환시키는 증속기어 모듈(320); 및 상기 증속기어 모듈(320)에서 제공된 상기 회전운동의 방향에 따른 교류 에너지를 생성하는 발전기 모듈(330)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
The first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300 perform a descending operation by a vertical force provided by the upper frame 110 to compress the plurality of press springs 130, An up-down module 310 for performing up-and-down movement by the elastic force of the press spring 130 when the vertical force is extinguished to generate a vertical displacement in accordance with the up-down operation; A speed increasing gear module 320 for converting the vertical displacement of the lifting / lowering module 310 into rotational motion; And a generator module (330) for generating AC energy according to the direction of the rotational motion provided by the speed increasing gear module (320).

상기 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하는 정류회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
And a rectifying circuit for converting the AC energy into DC energy.

상기 직류 에너지를 저장하는 에너지 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
And an energy accumulator for storing the direct current energy.

상기 증속기어 모듈(320)은 적어도 하나의 1단 평기어 및 적어도 하나의 2단 평기어로 구성되며, 증가되는 회전수에 따라 기어의 개수가 조절되며, 상기 두 개의 평기어의 속도 전달비

Figure pat00001
는 수학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하며,The speed increasing gear module 320 is composed of at least one one-stage spur gear and at least one two-speed spur gear, the number of gears is adjusted according to the increased number of rotations,
Figure pat00001
Is expressed by Equation (2)

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서,

Figure pat00003
는 평기어의 잇수이며,
Figure pat00004
는 평기어의 회전수, 속도 전달비
Figure pat00005
의 크기가 1보다 작으면(
Figure pat00006
) 증속 기어이며,
Figure pat00007
이면 등속 기어,
Figure pat00008
이면 감속 기어를 의미한다.here,
Figure pat00003
Is the number of teeth of the spur gear,
Figure pat00004
Is the number of revolutions of the spur gear, the speed transmission ratio
Figure pat00005
Is smaller than 1 (
Figure pat00006
) Incremental gear,
Figure pat00007
Back gear,
Figure pat00008
Side reverse gear.

상기 2단 평기어는, 직경이 서로 다른 평기어 두 개가 결합된 형태인 것을 특징으로 한다.
The two-stage spur gear is characterized in that two spur gears having different diameters are combined.

상기 승하강모듈(310)은 일 표면에 높이 방향으로 랙기어(311)가 구비되고, 상기 랙기어(311)에 발생되는 상기 수직적 변위는 상기 구동 기어(321)의 회전각을 유도하는 것을 특징으로 한다.
The vertical movement of the rack gear 311 induces a rotation angle of the driving gear 321. The vertical movement of the rack gear 311 causes the vertical movement of the driving gear 321, .

상기 회전각은 아래의 수학식 1을 통해 도출되는 것을 특징으로 하며,The rotation angle is obtained by the following equation (1)

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서,

Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
은 각각 랙기어의 이동량, 구동 기어의 잇수, 구동 기어의 이각도, 기어의 피치를 의미한다.
here,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
Respectively denote the movement amount of the rack gear, the number of teeth of the driving gear, the pitch angle of the driving gear, and the pitch of the gear.

상기 발전기 모듈(330)은 원통형 하우징(331); 상기 원통형 하우징(331)의 내측면에 구비된 자성체(332); 상기 원통형 하우징(331)의 내부 중심에 구비되고, 상기 증속기어 모듈의 회전에 따라 회전되는 회전축(334); 및 상기 회전축(334)에 일 방향으로 복수 회 권선된 솔레노이드 코일(333)을 포함하고, 상기 회전축(334)의 회전에 따라 가변되는 상기 솔레노이드 코일(333)의 회전방향으로 인하여 상기 유도 기전력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
The generator module 330 includes a cylindrical housing 331; A magnetic body 332 provided on an inner surface of the cylindrical housing 331; A rotating shaft 334 provided at an inner center of the cylindrical housing 331 and rotated in accordance with rotation of the speed increasing gear module; And a solenoid coil 333 wound on the rotary shaft 334 in a single direction a plurality of times so that the induction electromotive force is generated due to the rotation direction of the solenoid coil 333 varying with the rotation of the rotary shaft 334 .

본 발명의 실시 예에 따른 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터는 기존에 많이 사용되고 있는 압전방식과 비교할 때 공진주파수를 고려하여 설계할 필요가 없고, 작은 주파수(빈도수)에서도 상대적으로 큰 전력을 생산할 수 있다는 이점을 갖는다. The foot type energy harvester using the electromagnetic induction method according to the embodiment of the present invention does not need to be designed in consideration of the resonance frequency in comparison with the piezoelectric type which is widely used in the past and produces a relatively large electric power even at a small frequency .

또한 구조의 소형화와 소켓형 설계를 통해 동일한 여러 구조를 쉽게 결합시켜 바닥에 설치함으로써 에너지 하베스트를 위한 설치 범위에 제약을 받지 않는다는 이점을 갖는다. In addition, the miniaturization of the structure and the socket-type design allow the same structure to be easily combined and installed on the floor, which is advantageous in that the installation range for the energy harvest is not restricted.

또한, 구조의 소형화에 따른 소켓형 형태로 제작된다면, 미시적으로는 사람들의 운동화 바닥에 설치하여 전력을 생산할 수 있고 거시적으로는 지하철과 같이 사람의 보행이 많은 바닥에 설치함으로써 주변 전력공급장치로 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.
In addition, if it is manufactured in a socket shape according to the miniaturization of the structure, it can be installed microscopically on a sneaker floor of a person to produce electric power, and it can be installed as a peripheral power supply device by installing it on a floor where a lot of people are walking like a subway .

도 1은 하베스트 기술로서, (a)는 회전자 에너지 하베스트 기술, (b)는 KIST에서 개발한 에너지 하베스트 기술을 나타낸 예시도이다.
도 2의 (a)는 외팔보 형태의 압전 에너지 하베스트를 나타내며, (b)는 바이몰프 압전 에너지 하베스트를 나타낸 예시도이다.
도 3은 신발에 적용한 압전 에너지 하베스트 시스템의 예를 타나낸다.
도 4의 (a)는 본 Soundpower사의 음력을 이용한 하베스트 시스템을 나타내며, (b)는 이스라엘 INNOWATTECH 사 압전 하베스트 시스템을 나타낸다.
도 5는 전자기 방식의 에너지 하베스트의 예를 나타낸다.
도 6의 (a)는 ETRI에서 개발한 단결정 에너지 하베스트 소자를 나타내며, (b)는 KIST에서 개발한 에너지 하베스트 소자를 나타낸다.
도 7은 에너지 하베스트의 종류를 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 발판형 에너지 하베스터의 실사도이다.
도 10은 정류회로를 나타낸 예시도이다.
도 11은 도 8에 도시된 제1 에너지 하베스트 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 12는 랙기어의 수직 변위에 따른 구동기어의 회전거리 및 회전각을 보여준 예시도이다.
도 13은 발전기 모듈과 증속기어 모듈의 연결 관계를 나타낸 예시도이다.
도 14는 발전기 모듈의 2D 및 3D 시뮬레이션을 나타낸 예시도이다.
도 15는 4개의 발전기 모듈에서 발생되는 하베스터 전체의 발생전압을 표시한 그래프이다.
도 16은 1 Hz의 주파수와 1:29 증속 기어모듈에서 저항에 따른 발생전력 분석을 나타낸 그래프이다.
도 17은 (a)는 부하 저항이 33 Ω일 때 주파수와 증속 기어비에 따른 발생전력을 분석한 그래프이고, (b)는 부하 저항 1 KΩ에서의 주파수와 기어비에 따른 전력발생을 분석한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 발판형 에너지 하베스터에 정류회로 칩을 부착하고 3,200 ㎌ 용량의 커패시터(Capacitor)를 이용하여 발광다이오드(LED)를 점등하는 사진이다.
FIG. 1 is a diagram illustrating a harvest technique, in which (a) is a rotor energy harvest technique and (b) is an energy harvest technology developed by KIST.
Fig. 2 (a) shows a cantilever-shaped piezoelectric energy harvest, and Fig. 2 (b) shows an example of a bimorph piezoelectric energy harvest.
Fig. 3 shows an example of a piezoelectric energy harvest system applied to a shoe.
4 (a) shows a Harvest system using the sound power of the present Soundpower, and (b) shows a piezoelectric harvest system manufactured by Israel INNOWATTECH.
Figure 5 shows an example of an energy harvest of electromagnetic type.
6 (a) shows a single-crystal energy harvest device developed by ETRI, and FIG. 6 (b) shows an energy harvest device developed by KIST.
7 is a block diagram showing the kind of the energy harvest.
8 is a perspective view of a scaffold type energy harvester using an electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention.
Fig. 9 is an actual view of the foot type energy harvester shown in Fig. 8. Fig.
10 is an exemplary view showing a rectifying circuit.
11 is an exemplary view showing the first energy harvest module shown in FIG.
12 is an exemplary view showing the rotation distance and rotation angle of the driving gear according to the vertical displacement of the rack gear.
13 is an exemplary view showing a connection relationship between a generator module and a speed increasing gear module.
Figure 14 is an exemplary diagram illustrating 2D and 3D simulations of a generator module.
15 is a graph showing the generated voltage of the entire harvester generated from the four generator modules.
16 is a graph showing the generated power analysis according to the resistance at a frequency of 1 Hz and a 1:29 speed-increasing gear module.
FIG. 17A is a graph for analyzing the generated power according to the frequency and the incremental gear ratio when the load resistance is 33 OMEGA, and FIG. 17B is a graph for analyzing the power generation according to the frequency and the gear ratio at the load resistance 1 KΩ .
FIG. 18 is a photograph of a light-emitting diode (LED) illuminated by attaching a rectifying circuit chip to a foot type energy harvester of the present invention and using a capacitor having a capacity of 3,200 .mu.m.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, a foot type energy harvester using an electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터의 사시도이다. 8 is a perspective view of a scaffold type energy harvester using an electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention.

도 9는 도 8에 도시된 발판형 에너지 하베스터의 실사도이다.Fig. 9 is an actual view of the foot type energy harvester shown in Fig. 8. Fig.

도 10은 정류회로를 나타낸 예시도이다.10 is an exemplary view showing a rectifying circuit.

도 11은 도 8에 도시된 제1 에너지 하베스트 모듈을 나타낸 예시도이다.11 is an exemplary view showing the first energy harvest module shown in FIG.

도 12는 랙기어의 수직 변위에 따른 구동기어의 회전거리 및 회전각을 보여준 예시도이다.12 is an exemplary view showing the rotation distance and rotation angle of the driving gear according to the vertical displacement of the rack gear.

도 13은 발전기 모듈과 증속기어 모듈의 연결 관계를 나타낸 예시도이다.13 is an exemplary view showing a connection relationship between a generator module and a speed increasing gear module.

도 14는 발전기 모듈의 2D 및 3D 시뮬레이션을 나타낸 예시도이다.Figure 14 is an exemplary diagram illustrating 2D and 3D simulations of a generator module.

도 15는 4개의 발전기 모듈에서 발생되는 하베스터 전체의 발생전압을 표시한 그래프이다.15 is a graph showing the generated voltage of the entire harvester generated from the four generator modules.

도 16은 1 Hz의 주파수와 1:29 증속 기어모듈에서 저항에 따른 발생전력 분석을 나타낸 그래프이다.16 is a graph showing the generated power analysis according to the resistance at a frequency of 1 Hz and a 1:29 speed-increasing gear module.

도 17은 (a)는 부하 저항이 33 Ω일 때 주파수와 증속 기어비에 따른 발생전력을 분석한 그래프이고, (b)는 부하 저항 1 KΩ에서의 주파수와 기어비에 따른 전력발생을 분석한 그래프이다.FIG. 17A is a graph for analyzing the generated power according to the frequency and the incremental gear ratio when the load resistance is 33 OMEGA, and FIG. 17B is a graph for analyzing the power generation according to the frequency and the gear ratio at the load resistance 1 KΩ .

도 18은 본 발명의 발판형 에너지 하베스터에 정류회로 칩을 부착하고 3,200 ㎌ 용량의 커패시터(Capacitor)를 이용하여 발광다이오드(LED)를 점등하는 사진이다.
FIG. 18 is a photograph of a light-emitting diode (LED) illuminated by attaching a rectifying circuit chip to a foot type energy harvester of the present invention and using a capacitor having a capacity of 3,200 .mu.m.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 발판형 에너지 하베스터(100)는 2개의 에너지 하베스트 모듈(200, 300)이 결합된 블록형태로서, 2개의 에너지 하베스트 모듈(200, 300) 각각은 외부로부터 제공된 수직적 힘의 크기에 따라 발생되는 수직적 변위를 회전 변위로 변환한 후, 회전변위에 따른 회전운동 에너지를 전기에너지로 변환하는 기능을 수행한다.8 and 9, a scaffold type energy harvester 100 according to an embodiment of the present invention includes two energy harvest modules 200 and 300, And 300 each convert the vertical displacement generated according to the magnitude of the vertical force provided from the outside into the rotational displacement and then convert the rotational kinetic energy according to the rotational displacement into electric energy.

보다 구체적으로, 상기 발판형 에너지 하베스터(100)는 상부 프레임(110), 하부 프레임(120), 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 제2 에너지 하베스트 모듈(300)을 포함한다.More specifically, the scaffold type energy harvester 100 includes an upper frame 110, a lower frame 120, a first energy harvesting module 200, and a second energy harvesting module 300.

또한, 발판형 에너지 하베스터(100)는 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300) 각각에서 발생된 유도 기전력을 정류하는 정류회로를 더 포함할 수 있다. The scaffold type energy harvester 100 may further include a rectifier circuit for rectifying induced electromotive force generated in the first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300, respectively.

도 10을 참조하면, 상기 정류회로는 정류회로 칩(KBPC808)을 이용하여 설계되며, 발전기와의 연결은 네 개의 발전기 모듈을 직렬로 연결하였으며 정류회로 칩을 통하여 교류를 직류전력으로 변환시켰다.Referring to FIG. 10, the rectifier circuit is designed using a rectifier circuit chip (KBPC808). In connection with the generator, four generator modules are connected in series and the AC power is converted into DC power through a rectifier circuit chip.

또한, 발판형 에너지 하베스터(100)는 상기 정류회로(미도시)에서 정류된 전기에너지를 축적하는 축전기와 같은 에너지 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
The foot type energy harvester 100 may further include an energy storing unit (not shown) such as a capacitor for storing electric energy rectified in the rectifying circuit (not shown).

한편, 상부 프레임(110)은 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)의 상단에 위치하며, 상기 하부 프레임(200)은 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200)과 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)의 하단에 위치하며, 표면 주변에 일정한 간격으로 배열된 복수 개의 프레스 스프링(130)을 구비하고, 상기 복수 개의 프레스 스프링(130)의 탄성계수는 발판형 에너지 하베스터(100)의 크기 및 수직적 힘의 크기에 따라 가변 될 수 있다.The upper frame 110 is located at the upper end of the first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300 and the lower frame 200 is connected to the first energy harvesting module 200, And a plurality of press springs (130) located at a lower end of the second energy harvesting module (300) and arranged at regular intervals around the surface, wherein the elastic modulus of the plurality of press springs (130) May vary depending on the size of the light source 100 and the magnitude of the vertical force.

또한, 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300) 각각에 구비된 승하강 프레임(310)은 프레임 스프링(140)을 통해 서로 지지되도록 연결된다.
The lifting frames 310 provided in the first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300 are connected to each other through the frame spring 140.

상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 하베스트 모듈(300)은 동일한 구조로 형성되며, 각각은 승하강 프레임(310), 증속기어 모듈(320) 및 발전기 모듈(330)을 포함한다.The first energy harvesting module 200 and the second harvesting module 300 are formed in the same structure and each includes a lifting frame 310, a speed increasing gear module 320 and a generator module 330.

본 발명에서는 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 제2 에너지 하베스트 모듈(300)의 구조가 동일한 관계로 제1 에너지 하베스트 모듈(200)만을 예를 들어 설명하도록 한다.In the present invention, the first energy harvest module 200 and the second energy harvest module 300 have the same structure, so that only the first energy harvest module 200 will be described as an example.

상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200)의 상기 승하강 프레임(310)은 상부 프레임(110)에 가해진 수직적인 힘에 의해 수직방향으로 하강운동을 수행한다. 하강운동을 수행하는 승하강 프레임(310)은 하부 프레임(120)을 지지하는 프레스 스프링(130)으로 인해 정해진 길이만큼 하강하게 되고, 수직적인 힘이 사라지게, 상기 프레스 스프링(130)의 탄성력에 의해 승강동작을 수행하여 승하강 동작에 따른 수직적 변위를 발생시키는 기능을 수행한다. The lifting frame 310 of the first energy harvesting module 200 performs a downward movement in the vertical direction by a vertical force applied to the upper frame 110. The lifting frame 310 that performs the lowering motion is lowered by a predetermined length due to the press spring 130 supporting the lower frame 120 and the vertical force is removed by the elastic force of the press spring 130 And performs a vertical movement by performing the vertical movement.

이때, 승하강 프레임(310)이 상하로 움직이며 발생되는 직선운동은 랙기어(311)를 통해서 회전운동으로 변경되며, 랙기어(311)는 증속기어 모듈(320)과 연결되어, 높은 회전비를 갖게 된다.At this time, the linear motion generated by the upward / downward movement of the lifting frame 310 is changed to the rotational motion through the rack gear 311, and the rack gear 311 is connected to the speed increasing gear module 320, .

보다 구체적으로, 상기 승하강 프레임(310)은 일 측면에는 랙기어(311)가 높이 방향으로 구비된다.More specifically, the lifting frame 310 is provided with a rack gear 311 on one side thereof in the height direction.

상기 랙기어(311)는 증속기어 모듈의(320)의 구동기어(321)와 연결된다. 따라서, 외부에서 수직으로 가해지는 힘에 의해 승하강 프레임(310)이 예컨대, 5mm정도의 하강을 하게 되면, 이것이 랙기어(311)의 수직 변위를 야기함으로써 맞물려있는 구동 기어(321)의 회전각이 유도된다(도 12 참조)The rack gear 311 is connected to the driving gear 321 of the speed increasing gear module 320. Therefore, when the lifting frame 310 is lowered by, for example, about 5 mm due to the force exerted vertically from the outside, it causes vertical displacement of the rack gear 311, (See FIG. 12)

상기 랙기어(311)의 이동거리와 맞물려있는 구동기어(321)의 각 변위량 사이의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.The relationship between the moving distance of the rack gear 311 and the angular displacement of the driving gear 321 is defined by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00014

Figure pat00014

이 때,

Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
은 각각 랙기어(311)의 이동량, 구동 기어의 잇수, 구동 기어(321)의 이도, 기어의 피치를 의미한다. At this time,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
Means the amount of movement of the rack gear 311, the number of teeth of the driving gear, the distance of the driving gear 321, and the pitch of the gear.

본 발명에서는 구동 기어(321)와 랙기어(311)의 톱니와 톱니 사이의 거리

Figure pat00019
을 0.5로 설정하고 구동 기어(321)의 지름을 16 ㎜로 설정한다. In the present invention, the distance between the teeth and the teeth of the driving gear 321 and the rack gear 311
Figure pat00019
Is set to 0.5, and the diameter of the drive gear 321 is set to 16 mm.

이때

Figure pat00020
은 60이며, 승하강 프레임(310)의 눌림에 의해 랙기어(311)가 5 ㎜ 이동했다고 가정하면 구동 기어(321)는 약 38.46 °의 회전을 갖는다.
At this time
Figure pat00020
60, and assuming that the rack gear 311 has moved by 5 mm due to the pressing of the lifting frame 310, the driving gear 321 has a rotation of about 38.46 degrees.

또한, 상기 복수 개의 프레스 스프링(130)은 랙기어(311)의 이동거리에 따른 영률을 가지고 있으며, 본 발명에서는 승하강 프레임(310)과 연결된 복수 개의 스프링이 6개라 가정한 후, 6개의 스프링이 60kg 체중의 성인남성이 올라섰을 때 5mm가 수축되는 영률을 갖고, 이에 따라 승하강 프레임(310)이 5mm 하강할 것을 전제로 하고 아래에 기재된 수학식 1에 정해진 구동 기어(321)의 잇수를 적용하면 구동기어(321)의 회전각 범위를 얻을 수 있다.
The plurality of press springs 130 have a Young's modulus according to the moving distance of the rack gear 311. In the present invention, assuming that a plurality of springs connected to the lifting frame 310 are six, The number of teeth of the drive gear 321 defined in the following Equation 1 is calculated on the premise that the lifting frame 310 has a Young's modulus of 5 mm when the adult male of 60 kg body weight is lifted, The rotation angle range of the drive gear 321 can be obtained.

다음으로, 상기 증속기어 모듈(320)은 내부에 구비된 복수 개의 기어들을 통해 상기 승하강모듈(310)의 수직적 변위를 회전 운동으로 변환시키는 기능을 수행한다.Next, the speed-increasing gear module 320 performs a function of converting the vertical displacement of the up-down module 310 into rotational motion through a plurality of gears provided therein.

보다 구체적으로, 도 13을 참조, 상기 증속기어 모듈(320)은 1단 평기어 및 2단 평기어로 구성되며, 증가되는 회전수에 따라 기어의 개수가 조절될 수 있도로 설계된다. 서로 맞물린 두 개의 평기어의 속도 전달비

Figure pat00021
는 아래의 수학식 2와 같다.More specifically, referring to FIG. 13, the speed increasing gear module 320 is composed of a single-stage spur gear and a double-speed spur gear, and is designed so that the number of gears can be adjusted according to the increased number of rotations. Speed transmission ratio of two spur gear meshed with each other
Figure pat00021
Is expressed by the following equation (2).

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서, z는 평기어의 잇수이며,

Figure pat00023
는 평기어의 회전수를 의미한다. 여기서 속도 전달비
Figure pat00024
의 크기가 1보다 작으면(
Figure pat00025
) 증속 기어이며,
Figure pat00026
이면 등속 기어,
Figure pat00027
이면 감속 기어를 의미한다. Here, z is the number of teeth of the spur gear,
Figure pat00023
Means the number of revolutions of the spur gear. Here,
Figure pat00024
Is smaller than 1 (
Figure pat00025
) Incremental gear,
Figure pat00026
Back gear,
Figure pat00027
Side reverse gear.

만약 도 13의 (b)에서 Gear #2와 Gear #3과 같은 2단 기어의 경우

Figure pat00028
Figure pat00029
은 같다. In the case of the second gear such as Gear # 2 and Gear # 3 in FIG. 13 (b)
Figure pat00028
Wow
Figure pat00029
Is the same.

상기 증속기어 모듈(320)은 기어비에 따라 기어의 개수가 변하게 된다. 만약 1:77 비율로 증속기어 모듈을 설계할 시, 도 13의 (a)와 같이 1단의 평기어 2개와 2단 평기어 6개를 사용하게 된다. The number of gears of the speed increasing gear module 320 varies according to the gear ratio. When designing the speed increasing gear module at a ratio of 1:77, two single spur gears and six double spur gears are used as shown in FIG. 13 (a).

따라서, 증속비율과 증속기어 모듈의 크기에 따라 기어의 모듈값

Figure pat00030
을 먼저 설정하고, 그 후 기어지름에 따른 잇수를 설정하게 된다. 잇수를 설정하면 증속비율에 따라 기어의 개수를 결정하게 되는데 잇수와 기어의 개수에 따른 증속비율
Figure pat00031
는 아래의 수학식 3과 같은 관계식을 갖는다.Therefore, depending on the speed increasing ratio and the size of the speed increasing gear module,
Figure pat00030
Is set first, and then the number of teeth is set according to the gear diameter. When the number of teeth is set, the number of gears is determined according to the speed increasing ratio. The number of gears and the rate of increase
Figure pat00031
Has a relationship as shown in the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00032

Figure pat00032

여기서, z는 기어의 잇수이며, m은 기어의 개수이다.Where z is the number of teeth of the gear and m is the number of gears.

본 발명에서는

Figure pat00033
을 0.5로 설계하고 기어의 잇수와 개수를 조절하는 방식으로 1:29, 1:50, 1:77의 증속비율을 갖는 증속기어 모듈을 설계하였다. 제작된 증속기어 모듈은 도 13의 (c)와 같이 발전기 모듈과 결합되어 증속기어가 결합된 발전기 형태로 제작된다.
In the present invention,
Figure pat00033
0.5, and the number of teeth and the number of gears were controlled to design a speed increasing gear module with the speed increasing ratio of 1:29, 1:50, 1:77. The manufactured speed increasing gear module is assembled with a generator module as shown in FIG. 13 (c), and is manufactured as a generator in which a speed increasing gear is coupled.

다음으로, 상기 발전기 모듈(330)은 상기 증속기어 모듈(320) 내에 구비된 기어들의 속도 회전비에 따른 회전 변위를 통해 유도 기전력을 생성한다.Next, the generator module 330 generates an induced electromotive force through rotational displacement according to the rotational speed ratio of the gears provided in the speed increasing gear module 320.

보다 구체적으로, 상기 발전기 모듈(330)은 전자기 유도 방식을 통해 유도 기전력을 생성하며, 이러한 유도 기전력이 생성될 수 있도록, 원통형 하우징(331), 자성체(332), 솔레노이드 코일(333) 및 회전축(334)을 포함한다.More specifically, the generator module 330 generates an induction electromotive force through an electromagnetic induction method, and a cylindrical housing 331, a magnetic body 332, a solenoid coil 333, and a rotary shaft (not shown) 334).

상기 원통형 하우징(331)은 자성체(332), 솔레노이드 코일(333) 및 회전축(334)을 내부에 구비할 수 있도록 내부에 수용공간을 갖도록 설계된다.The cylindrical housing 331 is designed to have a receiving space therein so as to include the magnetic body 332, the solenoid coil 333, and the rotating shaft 334 therein.

상기 자성체(332)는 상기 원통형 하우징(331)의 내부에 수용되며, 복수 개의 상기 솔레노이드 코일(333)들을 수용하기 위한 수용공간을 갖는다.The magnetic body 332 is accommodated in the cylindrical housing 331 and has a receiving space for accommodating a plurality of the solenoid coils 333.

상기 회전축(334)은 일단이 증속기어 모듈(320)과 연결되어, 상기 자성체(332)를 회전시키는 기능을 수행한다.One end of the rotation shaft 334 is connected to the speed increasing gear module 320 to rotate the magnetic body 332.

상기 솔레노이드 코일(333)은 상기 자성체(332) 내에 구비된 수용공간 내에 수용된다.The solenoid coil 333 is accommodated in the accommodating space provided in the magnetic body 332.

따라서, 상기 발전기 모듈(330)은 상기와 같은 구성들을 통해 상기 회전축(334)의 회전에 따라 가변되는 상기 솔레노이드 코일(333)의 회전방향으로 인하여 상기 유도 기전력을 발생시킬 수 있다.Accordingly, the generator module 330 can generate the induced electromotive force due to the rotation direction of the solenoid coil 333, which varies according to the rotation of the rotation shaft 334 through the above-described configurations.

아래에서는 상기 발전기 모듈(330)에서 유도 기전력이 발생되는 과정을 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, a process of generating an induced electromotive force in the generator module 330 will be described in more detail.

상기 발전기 모듈(330)은 전자기 유도방식을 이용하여 상기 유도 기전력을 생성하게 된다. 여기서 유도 기전력(V)은 아래에 기재된 수학식 4로 정의되는 페러데이 법칙(Faraday's law)을 통해 정의된다.
The generator module 330 generates the induced electromotive force using an electromagnetic induction method. Herein, the induced electromotive force (V) is defined through Faraday's law defined by the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00034
Figure pat00034

여기서,

Figure pat00035
,
Figure pat00036
Figure pat00037
는 각각 코일의 권선수, 총 쇄교자속 및 코일의 회전당 평균자속을 나타낸다. here,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
And
Figure pat00037
Represents the average flux per revolution of the coil, the total flux linkage, and the coil.

이 때, 총 쇄교자속(

Figure pat00038
)은 아래에 기재된 수학식 2와 같이 코일의 각 권선당 자속밀도(magnetic flux density)
Figure pat00039
[T]를 자속밀도가 작용하는 코일의 면적에 대해 적분한 후, 적분값에 코일의 권선수를 곱하여 구할 수 있다.
At this time,
Figure pat00038
Is the magnetic flux density per coil of the coil as shown in Equation (2)
Figure pat00039
[T] is integrated with respect to the area of the coil in which the magnetic flux density acts, and then the integral value is multiplied by the winding amount of the coil.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00040
Figure pat00040

이 때, 자속밀도가 코일의 전면적에 대해 균일하다고 가정하면 적분식은 간단한 곱의 식으로 변형 가능하다.At this time, assuming that the magnetic flux density is uniform with respect to the entire area of the coil, the integral can be transformed into a simple product.

따라서 수학식 4와 수학식 5를 이용하여 발전기 모듈에 유도되는 유도 기전력(V)의 크기는 아래의 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
Therefore, the magnitude of the induced electromotive force (V) induced in the generator module using Equations (4) and (5) can be obtained as shown in Equation (6) below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00041
Figure pat00041

또한, 원통형 하우징 내에 구비된 자성체는 수학식 7과 같이 자속밀도

Figure pat00042
와 자계강도(magnetic field intensity)
Figure pat00043
[A/m])와의 관계식으로 표현할 수 있다.
Also, the magnetic body provided in the cylindrical housing has magnetic flux density
Figure pat00042
And magnetic field intensity.
Figure pat00043
[A / m]).

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00044
Figure pat00044

여기서,

Figure pat00045
는 자기투자율(magnetic permeability),
Figure pat00046
는 자성재료의 비 투자율(relative permeability),
Figure pat00047
은 내부 자기화(internal magnetization),
Figure pat00048
는 자화율(magnetic susceptibility)을 나타낸다.
here,
Figure pat00045
Magnetic permeability,
Figure pat00046
The relative permeability of the magnetic material,
Figure pat00047
Internal magnetization,
Figure pat00048
Represents magnetic susceptibility.

여기서, 발전기 모듈(330)에 대하여 유한요소법을 이용한 분석도구인 Multiphysics에 적용하면 자기유도에 따른 전계의 세기를 내부적으로 계산할 수 있다. Here, when the generator module 330 is applied to Multiphysics, which is an analysis tool using the finite element method, the intensity of an electric field due to magnetic induction can be internally calculated.

이 때 발전기 모듈(330)에서 발생되는 전압은 수학식 8과 같이 자성체의 자화에 따른 전계강도(electric field intensity)의 세기와 감은 도선에 따른 관계식으로 표현할 수 있다.
In this case, the voltage generated in the generator module 330 can be expressed by the relationship between the intensity of the electric field intensity due to magnetization of the magnetic body and the sensed conductor as shown in Equation (8).

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00049
Figure pat00049

여기서,

Figure pat00050
는 z방향에 대한 전계강도의 크기이며,
Figure pat00051
은 도선의 길이,
Figure pat00052
는 도선의 면적을 각각 나타낸다.
here,
Figure pat00050
Is the magnitude of the electric field intensity in the z direction,
Figure pat00051
The length of the conductor,
Figure pat00052
Represents the area of the conductor.

이하에서는 본 발명의 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터 내의 발전기 모듈에 대한 동역학 관계 및 기어비 차이에 따른 발전기 효율을 실험한 결과를 설명하도록 한다.
Hereinafter, results of an experiment on the dynamical efficiency and the efficiency of the generator according to the difference in gear ratio will be described in relation to the generator module in the foot type energy harvester using the electromagnetic induction method of the present invention.

1. 발전기 모형화(시뮬레이션)1. Generator Modeling (Simulation)

본 발명에서 제공하는 발전기 모듈에 대한 실제적인 실험을 하기 전에 COMSOL사에서 제공하는 Multiphysics을 이용하여 유한요소법을 통해 발전기에 대한 동역학 관계를 모형화 하였다. Before the actual experiment of the generator module provided in the present invention, the dynamic relationship of the generator was modeled by the finite element method using Multiphysics provided by COMSOL.

시뮬레이션을 위하여 도 14와 같이 발전기 모듈 내부에 대한 모형을 2D와 3D로 설계하고 아래에 표시된 표 1에서와 같이 변수를 설정함으로써 시뮬레이션을 진행하였다.
For the simulation, the model for the inside of the generator module was designed in 2D and 3D as shown in FIG. 14, and the simulation was performed by setting the variables as shown in Table 1 shown below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00053
Figure pat00053

발전기의 크기는 Φ30 × 40 ㎜로 설계된 크기와 동일하게 설정하고, 솔레노이드 코일은 0.2 ㎜의 구리선(Cu), 감은 수는 1,400 회, 자석의 세기는 0.54 T, 주파수는 0.5~2 Hz까지 0.5 Hz씩 증가시키며 시뮬레이션을 진행하였다.
The magnitude of the generator is set equal to the size designed for Φ30 × 40 ㎜, the solenoid coil is 0.2 ㎜ copper wire, the winding number is 1,400 times, the magnitude of the magnet is 0.54 T, the frequency is 0.5 ~ And the simulation was carried out.

여기서, 시뮬레이션을 위한 구조 설계는 도 14의 (a)와 같이 코어를 외부에 두고 자석을 회전시키는 방법을 사용하였으며, 증속기어 모듈의 증속비를 감안하여 회전체의 rpm을 조절하였다. 기어 증속비가 1:77일 경우 프레임이 5 ㎜ 이동하면 발전기 코어는 8.26 회 회전하게 되며 이때의 회전수를 계산하여 코어의 rpm을 결정하였다. 14 (a), a method of rotating the magnet with the core outside is used, and the rpm of the rotating body is adjusted in consideration of the speed increasing ratio of the speed increasing gear module. If the gear increment ratio is 1:77, the generator core is rotated 8.26 times when the frame moves 5 mm, and the rpm of the core is determined by calculating the number of revolutions at that time.

또한 이와 동일하게 승하강 프레임이 원상복귀 되면서도 코어에 회전에 걸리게 되는데 이때도 승하강 프레임이 눌렸을 때와 똑같은 rpm이 가해졌다고 가정하였고 회전 방향은 반대로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. In this case, it is assumed that the rpm is the same as when the rising / falling frame is pressed, and the rotation direction is set to the opposite direction.

그림 14의 (b)는 자속밀도(Magnetic flux density)와 자기장(Magnetic field) 그리고 자위(Magnetic potential)의 분포를 유한요소해석법을 이용하여 분석한 결과이며, 이를 통하여 발전기 내부의 코어와 자석의 구동을 확인함으로써 상기 조건하에서 발전기가 정상적으로 동작함을 검증하였다.
Figure 14 (b) shows the distribution of Magnetic flux density, Magnetic field, and Magnetic potential using the finite element method. To confirm that the generator operates normally under the above conditions.

2. 효율분석 결과2. Results of efficiency analysis

유한요소해석을 통하여 발전기 내부구조를 검증한 후 발생전압에 대한 모형화를 통하여 발생전압에 대한 효율을 검증하였다After verifying the internal structure of the generator through finite element analysis, the efficiency of the generated voltage was verified by modeling the generated voltage

본 발명에서 제안하는 발전기 모듈에 대하여 자기유도에 따른 전계의 세기를 계산하면 발전기 모듈에서 발생되는 전압을 앞에서 상술한 수학식 8와 같이 자성체의 자화에 따른 전계강도(electric field intensity)의 세기와 감은 도선에 따른 관계식으로 표현할 수 있다.When the electric field intensity according to the magnetic induction is calculated for the generator module proposed in the present invention, the voltage generated in the generator module is expressed by Equation (8), and the intensity of the electric field intensity It can be expressed as a relational expression according to the conductor.

유한요소법을 이용한 분석도구인 Multiphysics은 도 14의 (b)와 같이 제안한 에너지 하베스터의 발전기 모듈과 자석의 세기를 포함한 내부 변수, 그리고 외부운동에 따른 구조변화 등을 정의하고 관련수치들을 입력하게 되면 Multiphysics에서는 자기유도에 따른 전계의 세기를 내부적으로 계산한다. Multiphysics, which is an analysis tool using the finite element method, defines the generator module of the energy harvester proposed in Fig. 14 (b), the internal variables including the magnitude of the magnet, and the structural changes due to the external motion, The intensity of the electric field due to the magnetic induction is internally calculated.

이와 같은 방법으로 시뮬레이션을 진행한 결과 도 15와 같이 정현파(sine curve) 형태의 교류전압이 주기적으로 발생되는 것을 확인하였다. As a result of the simulation in this manner, it was confirmed that an AC voltage of sine curve type was periodically generated as shown in FIG.

도 15의 분석결과는 4개의 발전기에서 발생되는 하베스터 전체의 발생전압을 표시한 것이며, 부하 저항은 없다고 가정하였다. 분석결과를 보면 발판(프레임)을 누르는 초당횟수가 2회(2 Hz)의 경우 약 18 V의 전압이 발생하였으며, 가장 낮은 0.5 Hz의 주파수 대역에서는 약 4.5 V의 전압이 발생되는 것으로 확인되었다. 또한 발판을 누르는 횟수가 빠를수록 즉, 전력발생 주파수가 증가할수록 발생전압 또한 증가하는 것을 볼 수 있다.
The analysis result of FIG. 15 shows the generated voltage of the entire harvester generated from the four generators, and it is assumed that there is no load resistance. From the analysis results, it was confirmed that voltage of about 18 V was generated when the footstep (frame) was pressed twice per second (2 Hz), and about 4.5 V was generated in the lowest frequency band of 0.5 Hz. Also, it can be seen that as the frequency of pressing the foot plate is increased, that is, as the power generation frequency is increased, the generated voltage is also increased.

3.에너지 하베스터의 발생전력 실험3. Generated power experiment of energy harvester

본 발명에서 제공하는 발판형 에너지 하베스터의 발생전력을 실험하기 위해 1:29, 1:50, 1:77의 비율을 갖는 3가지 증속기어 모듈을 준비하였고, 실제 사람이 하베스터를 밟을 때의 초당 횟수를 감안하여 0.5 ~ 2 Hz까지 0.5 Hz씩 주파수를 증가시키며 실험을 진행하였다. In order to test the generated power of the foot type energy harvester provided in the present invention, three acceleration gear modules having ratios of 1:29, 1:50, 1:77 were prepared, and the number of times per second when the actual person stepped on the harvester The frequency was increased by 0.5 Hz from 0.5 to 2 Hz.

또한 부하 저항에 따른 발판형 에너지 하베스터의 발생전력을 분석하기 위해 총 7가지의 저항을 연결하여 그때의 발생전력을 분석하였다. In order to analyze the generated power of the foot type energy harvester according to the load resistance, a total of 7 resistors were connected to analyze the generated power at that time.

발생된 전력값은 아래에 기재된 수학식 9를 이용하여 실효전압값을 계산한 후 계산된 실효전압값을 이용하여 수학식 10와 같이 실효전력값을 계산하였다. 또한 하베스터 내부에 4개의 발전기 모듈이 존재함으로 수학식 11과 같이 계산된 실효전력값에 4를 곱하여 하베스터 전체에서 발생되는 전력을 확인하였다.The generated power value is calculated by using Equation (9) described below, and the effective power value is calculated by Equation (10) using the calculated effective voltage value. Also, since there are four generator modules in the harvester, the power generated in the entire harvester is verified by multiplying the effective power calculated by Equation (11) by four.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00054

Figure pat00054

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure pat00055

Figure pat00055

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure pat00056
Figure pat00056

여기서,

Figure pat00057
은 실험횟수이며,
Figure pat00058
은 부하 저항이다.here,
Figure pat00057
Is the number of experiments,
Figure pat00058
Is the load resistance.

부하 저항에 따른 발생전력을 분석하기 위해 1:29 비율의 증속기어 모듈을 이용하여 1 Hz의 주파수 환경에서 부하 저항을 변경하며 그때 발생하는 전력을 분석하였다. In order to analyze the power generated by the load resistance, the load resistance was changed in a frequency environment of 1 Hz using a 1:29 ratio speed gear module and the power generated at that time was analyzed.

사용된 저항은 총 7종류(10 Ω, 23 Ω, 27 Ω, 33 Ω, 39 Ω, 51 Ω, 1 kΩ)로 내부저항이 33 Ω 임을 감안하여 내부저항과 비슷한 크기의 저항을 선정하였다.The resistances were similar to those of the internal resistors, considering that the internal resistance was 33 Ω in total of 7 resistances used (10 Ω, 23 Ω, 27 Ω, 33 Ω, 39 Ω, 51 Ω and 1 kΩ).

발생전압은 오실로스코프를 이용하여 측정하였으며 정류회로를 거치 후 측정된 전압값을 이용하여 전력값을 계산하였다. The generated voltage was measured using an oscilloscope, and the power value was calculated using the measured voltage value after the rectifier circuit.

그 결과 도 16과 같이 33 Ω의 부하 저항에서 최대 2.38 W의 전력이 발생하였으며, 최대전력전달 조건에 따라 내부저항과 부하 저항의 크기가 같을 때 최대전력이 발생됨을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 16, a maximum power of 2.38 W was generated at a load resistance of 33 Ω, and maximum power was generated when the internal resistance and the load resistance were the same according to the maximum power transfer condition.

다음으로, 도 17의 (a)는 부하 저항이 33 Ω일 때 주파수와 증속 기어비에 따른 발생전력을 분석한 그래프이고, (b)는 부하 저항 1 KΩ에서의 주파수와 기어비에 따른 전력발생을 분석한 그래프이다.17 (a) is an analysis of generated power according to the frequency and the incremental gear ratio when the load resistance is 33 OMEGA. (B) is an analysis of power generation according to the frequency and the gear ratio at a load resistance of 1 K? It is a graph.

분석결과를 보면 기어비가 증가할수록 발생전력은 선형적으로 증가하는 특성을 보이며 주파수가 증가할수록 지수함수형태로 전력이 발생하는 것을 확인하였다. From the analysis results, the generated power increases linearly as the gear ratio increases, and it is confirmed that power increases as the frequency increases.

본 발명에서 제안한 발판형 에너지 하베스터의 최대전력은 증속 기어비 1:77, 부하 저항 33 Ω, 주파수 2 Hz에서 최대 25.36 W의 전력이 발생되었다. The maximum power of the foot type energy harvester proposed in the present invention was a power of 1:77 at the increased gear ratio, 33 Ω at the load resistance, and 25.36 W at the maximum at the frequency of 2 Hz.

여기서, 본 발명에서 제안한 에너지 하베스터의 경우 사람이 밟을 때 발생하는 주파수가 다른 에너지원에 비해 굉장히 낮기 때문에 낮은 주파수 대역에서도 유효한 전력이 발생되도록 설계되었다.Here, the energy harvester proposed in the present invention is designed such that effective power is generated even in a low frequency band because a frequency generated when a human is stepped on is extremely low as compared with other energy sources.

따라서 실험 또한 낮은 주파수 대역에서 진행하였다. 아래에 기재된 표 2는 증속 기어비와 부하저항, 주파수에 따라 측정된 발생전력을 정리한 데이터이다. Therefore, the experiment also proceeded in the lower frequency band. Table 2 below shows the data summarizing the generated power measured according to the speed increasing gear ratio, the load resistance, and the frequency.

[표 2] 단위(W) [Table 2] Unit (W)

Figure pat00059
Figure pat00059

도 18은 본 발명에서 제안하는 에너지 하베스터에 정류회로 칩을 부착하고 3,200 ㎌ 용량의 커패시터(Capacitor)를 이용하여 발광다이오드(LED)를 점등하는 사진으로 발판을 1회 밟았을 때 15개의 발광다이오드를 약 20초 정도 점등할 수 있었다. FIG. 18 is a photograph of lighting a light emitting diode (LED) using a capacitor having a capacity of 3,200 부착 by attaching a rectifying circuit chip to the energy harvester proposed in the present invention. When a footstep is stepped once, 15 light emitting diodes It was able to light for about 20 seconds.

따라서, 본 발명에서 제안한 에너지 하베스터는 공진주파수를 맞출 필요가 없고, 낮은 주파수에서도 유효전력 발생이 가능하여 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대한다. 특히 반영구적인 발전이 가능하여 유동인구가 많은 건물이나 지하철, 도로와 같은 곳에서 에너지를 수확할 수 있을 뿐만 아니라 공공시설의 화재 및 정전용 무전력 표시등과 같은 비상 전력원으로도 활용이 가능하다.
Therefore, the energy harvester proposed in the present invention does not need to match the resonance frequency, and it is expected that it can be applied to various fields because it can generate active power even at low frequency. Particularly, it is possible to utilize semi-permanent power generation as an emergency power source such as fire in public facilities and power-free power indicator, as well as being able to harvest energy from buildings, subways,

따라서, 본 발명에서 제공하는 전자기 유도 방식을 이용한 에너지 하베스터는 전자기 유도방식을 이용하여 솔레노이드 코일과 전자석으로 발전모듈을 구성하고, 기어모듈 내에 구비된 평기어 들의 기어비를 다르게 설계함으로써 이를 이용하여 승하강모듈(310)의 이동에 따른 수직적 변위를 기어모듈을 통해 회전 변위로 바꾸어 회전 변위에 따라 발전모듈에서 전기 에너지를 발생시키는 것을 목적으로 한다.Therefore, the energy harvester using the electromagnetic induction method according to the present invention can be constructed by a solenoid coil and an electromagnet using a electromagnetic induction method, and the gear ratio of the spur gears provided in the gear module are designed differently, And to generate electrical energy in the power generation module according to the rotational displacement by changing the vertical displacement due to the movement of the module 310 to the rotational displacement through the gear module.

보다 구체적으로, 본 발명에서 제안한 발판형 에너지 하베스터는 외부 하중에 의해 발판이 눌리면 이때 발생되는 수직운동을 랙기어(Rack gear)를 이용하여 회전운동으로 변경하고, 변경된 회전운동은 증속 기어모듈을 통하여 더 높은 회전수로 발전기에 동력을 전달하는 원리로 제작되었으며, 제안한 발판형 에너지 하베스터의 효율을 검증하기 위해 시뮬레이션을 통한 모형화를 진행한 후 증속기어 모듈의 기어비(1:29, 1:50, 1:77)와 주파수에 따른 발생전력을 실험하였다. 또한 부하 저항에 따른 발생전력을 측정하여 최대전력전달 조건을 분석하였다. More specifically, the footbed-type energy harvester proposed in the present invention changes the vertical motion generated at the time when the footrest is pressed by an external load to a rotary motion using a rack gear, and the changed rotary motion is transmitted through a speed- In order to verify the efficiency of the proposed stepped-type energy harvester, the modeling is done by simulation and the gear ratio (1:29, 1:50, 1 : 77) and the generated power according to the frequency. Also, the maximum power transfer condition was analyzed by measuring the generated power according to the load resistance.

또한, 본 발명에서 제안한 발판형 에너지 하베스터는 부하 저항 33 Ω, 기어비 1:77, 주파수 2 Hz에서 최대 25.36 W의 전력이 발생하였으며, 정류회로에 커패시터와 LED를 연결하여 LED를 점등을 확인하였다. 따라서, 발판형 에너지 하베스터는 건물의 입구나 지하철 개찰구와 같은 유동인구가 많은 곳의 설치를 목적으로 개발하였으며, 낮은 주파수에서도 높은 에너지 변환효율을 가지므로 인적이 드문 도로나 인도 등의 방향지시등 혹은 가로등으로 활용이 가능할 것으로 기대한다.
In addition, the footbed type energy harvester proposed in the present invention generates a power of 33.3 W at a load of 1:77 and a frequency of 2 Hz at a maximum of 25.36 W, and the LED is turned on by connecting a capacitor and an LED to the rectifier circuit. Therefore, the scaffold type energy harvester was developed for the purpose of installation in a place where the floating population such as the entrance of a building or a subway turnstile is high, and has a high energy conversion efficiency even at a low frequency. Therefore, It is expected that it will be possible to use as.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 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, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.

100: 발판형 에너지 하베스터 110: 상부 프레임
120: 하부 프레임 130: 프레스 스프링
140: 프레임 스프링 200: 제1 에너지 하베스트 모듈
300: 제2 에너지 하베스트 모듈 310: 승하강모듈
311: 랙기어 320: 증속기어 모듈
321: 구동 기어 330: 발전기 모듈
331: 원통형 하우징 332: 자성체
333: 솔레노이드 코일 334: 회전축
100: scaffold type energy harvester 110: upper frame
120: lower frame 130: press spring
140: frame spring 200: first energy harvesting module
300: second energy harvesting module 310: ascending / descending module
311: Rack gear 320: Incremental gear module
321: drive gear 330: generator module
331: Cylindrical housing 332: Magnetic body
333: solenoid coil 334: rotating shaft

Claims (9)

표면 외각에 복수 개의 프레스 스프링(130)들이 일정한 간격으로 형성된 하부 프레임(120); 및
상기 하부 프레임(120) 상에 위치하는 제1 에너지 하베스트 모듈(200);
상기 하부 프레임(120) 상에 위치하고, 상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200)과 마주보도록 배치되는 제2 에너지 하베스트 모듈(300); 및
상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈 상에 위치하는 상부 프레임(110)를 포함하고,
상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)은,
외부에서 제공되는 수직적 힘에 의해 하강동작을 수행하여 상기 복수 개의 스프링을 압축하고, 상기 수직적인 힘이 소멸시, 상기 프레스 스프링(130)의 탄성력에 의해 승강동작을 수행하여 승하강 동작에 따른 수직적 변위를 발생시킨 후, 수직적 변위를 회전 운동으로 변환시켜 상기 회전운동으로 인해 발생되는 전자기 유도 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
A lower frame (120) having a plurality of press springs (130) formed at regular intervals on a surface outer surface; And
A first energy harvest module (200) located on the lower frame (120);
A second energy harvesting module (300) located on the lower frame (120) and arranged to face the first energy harvesting module (200); And
A first energy harvesting module (200) and an upper frame (110) located on the second energy harvesting module,
The first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300,
The pressing force is applied to the plurality of springs by the vertical force externally provided to compress the plurality of springs, and when the vertical force is extinguished, the pressing spring 130 performs a vertical movement by the elastic force of the press spring 130, Wherein the electromagnetic induction energy generated by the rotary motion is generated by converting the vertical displacement into the rotary motion after generating the displacement.
제1항에 있어서,
상기 제1 에너지 하베스트 모듈(200) 및 상기 제2 에너지 하베스트 모듈(300)은,
상부 프레임(110)에서 제공된 수직적인 힘에 의해 하강동작을 수행하여 상기 복수 개의 프레스 스프링(130)을 압축하고, 상기 수직적인 힘이 소멸 시, 상기 프레스 스프링(130)의 탄성력에 의해 승강동작을 수행하여 승하강 동작에 따른 수직적 변위를 발생시키는 승하강모듈(310);
상기 승하강모듈(310)의 수직적 변위를 회전운동으로 변환시키는 증속기어 모듈(320); 및
상기 증속기어 모듈(320)에서 제공된 상기 회전운동의 방향에 따른 교류 에너지를 생성하는 발전기 모듈(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
The first energy harvesting module 200 and the second energy harvesting module 300,
A vertical movement of the upper frame 110 is performed to lower the plurality of press springs 130. When the vertical force is extinguished, Up / down module 310 for generating a vertical displacement in accordance with a rising / falling operation;
A speed increasing gear module 320 for converting the vertical displacement of the lifting / lowering module 310 into rotational motion; And
And a generator module (330) generating AC energy according to the direction of the rotational motion provided by the speed increasing gear module (320).
제1항에 있어서,
상기 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하는 정류회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
Further comprising a rectifying circuit for converting the alternating-current energy into direct-current energy.
제3항에 있어서,
상기 직류 에너지를 저장하는 에너지 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
The method of claim 3,
Further comprising an energy accumulator for storing the DC energy. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 증속기어 모듈(320)은,
적어도 하나의 1단 평기어 및 적어도 하나의 2단 평기어로 구성되며, 증가되는 회전수에 따라 기어의 개수가 조절되며, 상기 두 개의 평기어의 속도 전달비
Figure pat00060
는 수학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
[수학식 2]
Figure pat00061

여기서, z는 평기어의 잇수이며,
Figure pat00062
는 평기어의 회전수를 의미하며, 속도 전달비
Figure pat00063
의 크기가 1보다 작으면(
Figure pat00064
) 증속 기어이며,
Figure pat00065
이면 등속 기어,
Figure pat00066
이면 감속 기어를 의미한다.
The method according to claim 1,
The speed increasing gear module 320,
Wherein the number of gears is adjusted in accordance with the number of revolutions to be increased and the speed transmission ratio of the two spur gears
Figure pat00060
Is expressed by Equation (2). ≪ EMI ID = 1.0 >
&Quot; (2) "
Figure pat00061

Here, z is the number of teeth of the spur gear,
Figure pat00062
Means the number of revolutions of the spur gear, and the speed transmission ratio
Figure pat00063
Is smaller than 1 (
Figure pat00064
) Incremental gear,
Figure pat00065
Back gear,
Figure pat00066
Side reverse gear.
제5항에 있어서,
상기 2단 평기어는,
직경이 서로 다른 평기어 두 개가 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
6. The method of claim 5,
In the two-stage spur gear,
Wherein a pair of spur gears having different diameters are combined with each other.
제5항에 있어서,
상기 승하강모듈(310)은,
일 표면에 높이 방향으로 랙기어(311)가 구비되고, 상기 랙기어(311)에 발생되는 상기 수직적 변위는 상기 구동 기어(321)의 회전각을 유도하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
6. The method of claim 5,
The ascending / descending module 310,
Wherein a rack gear (311) is provided in a height direction on a work surface, and the vertical displacement generated in the rack gear (311) induces a rotation angle of the driving gear (321) Type energy harvester.
제7항에 있어서,
상기 회전각은,
아래의 수학식 1을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
[수학식 1]
Figure pat00067

이 때,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
은 각각 랙기어(311)의 이동량, 구동 기어의 잇수, 구동 기어의 이도, 기어의 피치를 의미한다.
8. The method of claim 7,
The rotation angle
And is derived from Equation (1) below. ≪ EMI ID = 1.0 >
[Equation 1]
Figure pat00067

At this time,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
Means the amount of movement of the rack gear 311, the number of teeth of the driving gear, the tooth surface of the driving gear, and the pitch of the gear.
제2항에 있어서,
상기 발전기 모듈(330)은,
원통형 하우징(331);
상기 원통형 하우징(331)의 내측면에 구비된 자성체(332);
상기 원통형 하우징(331)의 내부 중심에 구비되고, 상기 증속기어 모듈의 회전에 따라 회전되는 회전축(334); 및
상기 회전축(334)에 일 방향으로 복수 회 권선된 솔레노이드 코일(333)을 포함하고,
상기 회전축(334)의 회전에 따라 가변되는 상기 솔레노이드 코일(333)의 회전방향으로 인하여 상기 유도 기전력을 발생시키는 전자기 유도 방식을 이용한 발판형 에너지 하베스터.
3. The method of claim 2,
The generator module (330)
A cylindrical housing 331;
A magnetic body 332 provided on an inner surface of the cylindrical housing 331;
A rotating shaft 334 provided at an inner center of the cylindrical housing 331 and rotated in accordance with rotation of the speed increasing gear module; And
And a solenoid coil 333 wound on the rotating shaft 334 a plurality of times in one direction,
And the induction electromotive force is generated due to the rotation direction of the solenoid coil (333) varying with rotation of the rotation shaft (334).
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