KR20160126707A

KR20160126707A - 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법

Info

Publication number: KR20160126707A
Application number: KR1020150058130A
Authority: KR
Inventors: 이한민; 김영철; 박성환
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-11-02

Abstract

본 발명은 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도(에너지)로 외부 진동이 입력되면, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생할 수 있도록 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법이다.
본 발명은 영구자석과, 상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일과, 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링과, 상기 영구자석에 척력을 제공하도록 상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 주변에 배치되는 외부자석을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터를 설계하는 방법에 관한 것이다.

Description

쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법 {bi-stable vibration energy havester design method}

본 발명은 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도로 외부 진동이 입력되면, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생할 수 있도록 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 자석과 코일의 상대운동에 의해 코일에 기전력(전기)이 발생하는 전기 발생장치(전자기형 진동 에너지 하베스터)는 기본적으로 선형 진동을 이용한다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같이 코일을 고정하고 자석에 스프링을 연결하여 상하로 진동시킨다고 했을 때 스프링의 외부 힘 대비 변위 그래프가 도 2와 같이 선형으로 나타난다.

이러한 선형 진동 에너지 하베스터의 경우 대부분 공진 타입을 사용하는데, 하베스터의 고유 주파수가 외부 가진 주파수와 일치할 수 있도록 질량(m)과 강성(k)을 조정하여 설계하게 된다.

이러한 공진 타입의 경우, 외부 가진 주파수가 고유 주파수와 잘 일치하여 공진이 발생한다면 큰 출력 파워를 얻을 수 있지만 외부 가진 주파수가 고유 주파수와 조금만 멀어져도 출력 파워가 급격하게 감소되는 문제점을 안고 있다. 즉 도 3에 도시된 바와 같이 출력 파워가 절반이 되는 주파수 범위를 나타내는 주파수 대역폭(bandwidth)이 좁다는 문제가 있다.

주파수 대역폭을 확장하는 방법 중에 비선형 진동을 이용하는 방법이 있다. 도 4와 같이 스프링의 힘과 변위 그래프가 직선으로 나타나지 않고 곡선 형태를 갖는 경우이다. 곡선의 형태에 따라 강성이 커지는 경우(stiffness hardening), 강성이 줄어드는 경우(stiffness softening)로 나눌 수 있다.

이러한 비선형 스프링을 이용하게 되면 도 5와 같이 선형 스프링을 이용하는 경우에 비해 주파수 대역폭이 넓어질 수 있는 장점이 있다.

비선형 진동 중에서도 단순히 강성이 커지는 경우(stiffness hardening), 강성이 줄어드는 경우(stiffness softening)가 아니라 도 6 내지 도 7과 같은 형태를 갖는 쌍안정(bi-stable) 진동이 존재한다. 이 경우 평형점이 세 개가 존재하는데 원점에 위치한 평형점은 불안정(unstable) 평형점이고 양쪽에 위치한 평형점은 안정(stable) 평형점이다. 외부 가진이 작을 경우 하나의 안정 평형점 근방에서만 진동하는 인트라-웰 모션(intra-well motion)이 발생하고 외부 가진이 클 경우 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생한다. 도 7과 같이 위치에 따른 포텐셜 에너지 그래프를 그려보면 안정 평형점에서 최소 포텐셜 에너지를 갖게 되고, 안정 평형점과 불안정 평형점 사이의 에너지 차이는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 일으키기 위해 외부에서 부가되어야 할 최소한의 에너지를 나타낸다. 이와 같은 쌍안정 진동을 일으키게 되면 일반적인 비선형 진동이 갖는 주파수 대역폭이 넓어지는 장점과 더불어 인터-웰 모션(inter-well motion)에 의해 큰 진동이 발생하여 출력 파워 또한 커지는 장점을 갖고 있다.

한국공개특허공보 10-2009-0046790

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도(에너지)로 외부 진동이 입력되면, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생시켜 발전효율을 높일 수 있는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 영구자석과, 상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일과, 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링과, 상기 영구자석에 척력을 제공하도록 상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 주변에 배치되는 외부자석을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터를 설계하되, 상기 탄성스프링의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절해서, 원하는 주파수 대역(frequency band)에서, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 외부로부터 입력되는 가진주파수와 동일하거나 유사하게 진동시스템의 주파수 조건을 설계하거나, 에너지 장벽(potential barrier)을 낮춰, 외부에서 입력된 진동 가속도 크기에 대해 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 진동시스템의 가속도 조건을 설계하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도(에너지)로 외부 진동이 입력되면, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생시켜 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 전기발생장치의 구성도,
도 2는 선형스프링의 힘과 변위의 관계를 나타낸 그래프,
도 3은 선형진동의 출력파워와 주파수의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 비선형 스프링의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 5는 비선형 진동의 출력파워와 주파수의 관계를 나타낸 그래프,
도 6은 쌍안정 스프링의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 7은 쌍안정 진동의 포텐셜에너지와 변위의 관계를 보인 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 쌍안정 진동 하베스터의 구성도,
도 9는 선형복원력과 비선형반발력이 결합된 총복원력의 힘과 변위의 관계를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 쌍안정 진동의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포텐셜에너지와 변위의 관계를 보인 그래프,
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 쌍안정 진동의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 포텐셜에너지와 변위의 관계를 보인 그래프,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 쌍안정 진동의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 포텐셜에너지와 변위의 관계를 보인 그래프,
도 16은 각 실시예에 따른 쌍안정 진동의 힘과 변위의 관계를 보인 그래프,
도 17은 각 실시예에 따른 출력전압과 주파수의 관계를 나타낸 그래프,
도 18은 외부자석의 개수에 따른 자기 반발력의 힘과 변위의 관계를 나타낸 그래프,
도 19는 영구자석과 외부자석의 거리에 따른 자기 반발력의 힘과 변위의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법은 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도(에너지)로 외부 진동이 입력되면, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생할 수 있도록 하는 것으로, 그 일 실시예를 도 8 내지 도 9에 나타내 보였다.

도 8은 본 발명에 따른 쌍안정 진동 에너지 하베스터의 구성도이고, 도 9는 선형복원력과 비선형반발력이 결합된 총복원력의 힘과 변위의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 영구자석(110)과, 상기 영구자석(110)의 외측에 상기 영구자석(110)과 이격하여 권취된 코일(120)과, 상기 영구자석(110)에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석(110)의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링(130)과, 상기 영구자석(110)에 척력을 제공하도록 상기 영구자석(110)과 나란하게 상기 영구자석(110)의 주변에 배치되는 외부자석(140)을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예 따르면, 상기 탄성스프링(130)의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석(140)의 척력(Fm)을 조절하여, 원하는 주파수 대역(frequency band)에서, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 외부로부터 입력되는 가진주파수와 동일하거나 유사하게 진동시스템의 주파수 조건을 설계한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 탄성스프링(130)의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석(140)의 척력(Fm)을 조절해서, 에너지 장벽(potential barrier)을 낮춰, 외부에서 입력된 진동 가속도 크기에 대해, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 진동시스템의 가속도 조건을 설계한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 탄성스프링(130)의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석(140)의 척력(Fm)을 조절해서, 원하는 주파수 대역(frequency band)에서, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 외부로부터 입력되는 가진주파수와 동일하거나 유사하게 진동시스템의 주파수 조건을 설계하고, 에너지 장벽(potential barrier)을 낮춰, 외부에서 입력된 진동 가속도 크기에 대해 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 진동시스템의 가속도 조건을 설계한다.

상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절하는 방법은, 상기 외부자석(140)의 크기를 조절하거나, 상기 외부자석(140)의 개수를 조절하거나, 상기 외부자석(140)과 영구자석(110)의 간격을 조절하는 것으로 가능하다.

본 발명에 따르면, 쌍안정 진동 에너지 하베스터를 만들기 위해서 영구자석(110)과 코일(120)로 이루어진 기본 형태의 전기 발생장치에 외부 자석(140)을 추가하여 영구자석(110)에 척력을 발생시키고 탄성스프링(130)의 복원력과 합쳐져서 쌍안정 진동을 갖도록 구성할 수 있다. 기존의 탄성스프링(130)의 복원력(Fs=kx)에 자석의 척력(Fm)이 더해지면 총 복원력(Fr = Fs-Fm)이 되고 쌍안정 진동 형태가 된다.

본 발명에서는 외부 가진 조건, 즉 특정 주파수와 특정 가속도(에너지)로 외부 진동이 들어올 때 인터-웰 모션(inter-well motion)을 발생할 수 있는 쌍안정 진동 에너지 하베스터를 설계하기 위한 것으로, 위 두 가지 가진 조건을 만족할 수 있도록 외부 자석(140) 또는 탄성스프링(130)을 조절한다.

이하, 각 실시예 별로 자석의 척력 및 스프링 강성을 변경해가면서, 주파수 조건과 가속도 조건의 만족여부를 비교한다.

(실시예 1)

도 10 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 자석의 척력(Fm)이 최대가 되는 위치를 A라 하고, Fm과 Fs(=kx)가 만나는 위치(즉, 두 힘이 동일해서 평형을 이루는 위치)를 B라 할 때 A와 B가 근접하지만 총 복원력 Fr과 x축이 만드는 면적(=Fs와 Fm이 만드는 면적)이 넓은 경우를 가정해보면, 이 경우 평형점 B에서 Fr의 기울기를 나타내는 k'이 k와 유사한 값을 갖기 때문에 주파수 조건을 만족한다. 즉, 평형점 B에서의 이 시스템의 고유 주파수가 외부 가진 주파수와 거의 일치하므로 그 주파수 근처에서 공진과 유사한 형태로 진동이 발생한다. 그러나, 인터-웰 모션(inter-well motion)을 일으키기 위해서 필요한 외부 에너지가 커서 가속도(에너지) 조건은 만족하지 못한다.

도 10을 참조하면, Fr과 x축이 이루는 면적(빗금 부분)은 도 11의 포텐션 에너지 그래프에서 B점과 원점 위치에서의 높이 차이와 같고 이 값은 인터-웰 모션(inter-well motion)을 만들기 위해 외부에서 입력되어야 할 필요 에너지라고 할 수 있다. 이 경우 이러한 에너지 장벽(potential barrier)이 커서 외부에서 입력되는 에너지(가속도)가 작은 경우에는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생되지 않고 평형점 B 근처에서만 진동이 일어나는 인트라-웰 모션(intra-well motion)만 발생하게 된다.

즉, 실시예 1과 같이 외부자석(140)과 탄성스프링(130)이 설계되는 경우 주파수 조건은 만족하지만 가속도 조건은 만족하지 못한다고 할 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2에서는 도 12 내지 도 13에 도시한 바와 같이, 전술한 실시예 1의 자석 척력 Fm을 고정시킨 상태에서 스프링 강성을 높여 총 복원력 Fr과 x축이 만드는 면적(=Fs와 Fm이 만드는 면적)이 작아지도록 설계하였다. 이 경우 에너지 장벽(potential barrier)을 넘어서기 위해 필요한 에너지 요구조건이 낮기 때문에 주어진 외부 진동 가속도(에너지)에도 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생할 수 있다. 그러나 평형점 B에서 총 복원력 Fr의 기울기인 k'이 k에 비해 아주 낮은 값을 가지게 되므로 B점에서의 시스템 고유 주파수가 낮은 값을 가지게 된다. 즉, 외부에서 입력되는 진동 주파수가 낮은 경우에 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하고 높은 경우에는 인트라-웰 모션(intra-well motion)만 발생하게 된다. 즉, 실시예 2와 같이 스프링 상수를 조절한다고 하면 가속도 조건은 만족할 수 있지만 주파수 조건은 만족하지 못한다고 할 수 있다.

(실시예 3)

실시예 3에서는 도 14 내지 도 15에 도시한 바와 같이 전술한 실시예 1의 스프링 Fs는 그대로 두고 자석 척력 Fm을 조절하여 총 복원력 Fr과 x축이 만드는 면적(=Fs와 Fm이 만드는 면적)이 작아지도록 설계하였다. 이 경우도 에너지 장벽(potential barrier)을 넘어서기 위해 필요한 에너지 요구조건이 낮기 때문에 주어진 외부 진동 가속도(에너지)에도 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생할 수 있다. 또한, 평형점 B가 Fm이 최대가 되는 위치인 A와 인접해있기 때문에 총 복원력 Fr의 B에서의 기울기인 k'이 k와 유사하게 나타난다. 즉, 평형점 B에서의 이 시스템의 고유 주파수가 외부 가진 주파수와 거의 일치하므로 그 주파수 근처에서 공진과 유사한 형태로 진동이 발생한다.

따라서 실시예 3과 같이 외부자석과 스프링이 설계된다면 주파수 조건과 가속도 조건이 동시에 만족하는 설계가 될 수 있다.

전술한 실시예를 종합해보면, 도16과 같이 스프링 복원력과 자석 척력 그래프가 나타나고, 각 경우에 대한 출력 특성을 비교해보면 도 1과 같다. 실시예 1에서는 원하는 주파수 위치에서 진동이 커지지만 인트라-웰 모션(intra-well motion)만 발생하기 때문에 출력의 크기가 크지 않고 대역폭도 넓지 않다. 실시예 2에서는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하여 출력 크기도 크고 대역폭도 넓어지는 효과가 있지만 원하는 주파수보다 더 낮은 위치에서만 발생하기 때문에 원하는 주파수 위치에서는 아주 작은 진동만 발생하게 된다. 실시예 3에서는 원하는 주파수 위치에서 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하여 출력 크기도 크고 대역폭도 넓어질 수 있는 것을 확인하였다.

상기한 바와 같이 실시예 3과 같이 설계하기 위해서는 다음과 같은 방법이 적용될 수 있다. 스프링 복원력은 정해져 있다고 가정할 때 자석의 척력 그래프가 실시예 3과 같은 형태가 되도록 외부 자석(140)을 어떻게 조절할 수 있다.

도 18과 같이 외부자석(140)과 영구자석(110)의 거리는 고정한 상태에서 외부자석(140)의 세기나 크기 또는 개수를 변경하게 되면 Fm 그래프의 최대값의 위치는 동일하게 유지되지만 전체적인 크기는 확대 또는 축소될 수 있다.

또한, 도 19와 같이 외부자석(140)의 세기나 크기 또는 개수는 고정한 상태에서 외부자석(140)과 영구자석(110) 간의 거리를 변경하게 되면 Fm 그래프의 최대값의 위치와 전체적인 크기가 동시에 변하게 된다.

이러한 특성을 이용하여 외부자석(140)의 세기,크기,개수 또는 외부자석(140)과 영구자석(110) 간의 거리를 적절히 조절하여 실시예 3과 같이 주파수 조건과 가속도 조건을 동시에 만족하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터를 설계할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

110 : 영구자석
120 : 코일
130 : 탄성스프링
140 : 외부자석

Claims

영구자석과, 상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일과, 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링과, 상기 영구자석에 척력을 제공하도록 상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 주변에 배치되는 외부자석을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 있어서,
상기 탄성스프링의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절하여, 원하는 주파수 대역(frequency band)에서, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 외부로부터 입력되는 가진주파수와 동일하거나 유사하게 진동시스템의 주파수 조건을 설계하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법.
영구자석과, 상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일과, 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링과, 상기 영구자석에 척력을 제공하도록 상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 주변에 배치되는 외부자석을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 있어서,
상기 탄성스프링의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절해서, 에너지 장벽(potential barrier) 을 낮춰, 외부에서 입력된 진동 가속도 크기에 대해 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 진동시스템의 가속도 조건을 설계하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법.
영구자석과, 상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일과, 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하도록 상기 영구자석의 상부와 하부에 고정되는 탄성스프링과, 상기 영구자석에 척력을 제공하도록 상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 주변에 배치되는 외부자석을 포함하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법에 있어서,
상기 탄성스프링의 스프링복원력(Fs) 및/또는 상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절해서, 원하는 주파수 대역(frequency band)에서, 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 외부로부터 입력되는 가진주파수와 동일하거나 유사하게 진동시스템의 주파수 조건을 설계하고, 에너지 장벽(potential barrier) 을 낮춰, 외부에서 입력된 진동 가속도 크기에 대해 하나의 안정 평형점에서 불안정 평형점을 지나 다른 안정 평형점까지 넘나드는 인터-웰 모션(inter-well motion)이 발생하도록 진동시스템의 가속도 조건을 설계하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법.
제1항 내지 제3항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 외부자석의 척력(Fm)을 조절하는 방법은, 상기 외부자석의 크기를 조절하거나, 상기 외부자석의 개수를 조절하거나, 상기 외부자석과 영구자석의 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 진동 에너지 하베스터 설계방법.