KR20170023384A - 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동 주파수 증가 기능을 통해서 넓은 진동 주파수 대역에서 높은 에너지 변환 효율을 얻게 하기 위한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치에 관한 것으로, 설치대상물에 설치되어서, 상기 설치대상물로부터 전달 받는 수직 진동 운동에 의한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하되, 상기 진동 에너지를 전달받도록 상기 설치대상물에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부의 위쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제1 영구자석이 제1 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제1 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제1 단일 진동 에너지 변환장치; 상기 하우징의 내부의 아래쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제2 영구자석이 제2 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제2 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제2 단일 진동 에너지 변환장치; 및 상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치의 사이에 배치되고, 좌와 우 방향으로 주기적으로 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추;를 포함한다.

Description

광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치{BROADBAND ELECTROMAGNETIC VIBRATION ENERGY HARVESTER}

본 발명은 광대역 전자기유도 방식 진동 너지 하비스트 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 변환 기술 또는 에너지 하비스팅 기술로서, 광대역 진동 스펙트럼(Spectrum)에서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하게 한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치에 관한 것이다.

일반적으로 에너지 하비스팅 기술이란 일상 생활에서 무효하게 버려질 수 있는 운동에너지 또는 열/빛 에너지를 유효한 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술이다.

최근 들어 이동통신 단말 기술, 무선 센서 네트워크 기술, 그리고 사물 인터넷 (IoT: Internet of Thing) 기술 개발이 활발해 지면서, 에너지 하비스팅 기술은 다시 관심을 받고 있다.

에너지 하비스팅 기술은 에너지 변환 과정에서 어떠한 환경 오염물질도 발생되지 않는 친환경 에너지 기술이므로 꾸준하고도 많은 연구가 진행되고 있다.

에너지 하비스팅 기술은 풍력 또는 수력을 이용하는 거시적(Macro) 에너지 변환 기술에서부터 빛, 열, 또는 진동을 이용하는 미소적(Micro) 에너지 변환 기술이 있다.

특히, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술은 정전기(Electrostatic) 방식, 전자기(Electromagnetic) 방식, 그리고 압전(Piezoelectric) 방식 등으로 나누어 질 수 있다.

종래 기술에 따른 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술에서 전자기 방식의 에너지 변환 장치는 주변 환경에서 발생되는 진동 주파수에 정확히 공진될 때, 최대의 변환 효율 특성을 얻을 수 있다.

그러나, 종래 기술에서는 에너지 변환 장치의 공진 주파수와 주변 환경 진동 주파수가 서로 다를 경우 효율이 급격히 낮아지는 단점이 있다.

또한 에너지 변환 장치 주파수와 주변 환경 진동 주파수가 일치하더라도, 그 진동 주파수가 낮으면 변환 효율이 떨어질 수 있다.

상기와 같은 전자기 방식의 에너지 하비스팅 기술은 에너지 변환 효율이 주변 환경에 매우 민감하기 때문에, 특정 분야에 제한적으로 사용될 수 밖에 없다.

이와 같이 전자기 방식 에너지 하비스팅 기술은 에너지 변환 효율이 주변 환경의 특정 진동 주파수에 민감하기 때문에, 다양한 응용 분야에 사용되기 위해서는 넓은 진동 주파수 대역에서 에너지를 변환할 수 있는 광대역 특성이 필요한 실정이다.

본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 광대역 진동 에너지 변환 수단 해당하는 다중 공진 구조물 내에 수직으로 배치된 다수의 영구자석과, 영구자석 사이에서 주기적으로 움직이는 영구자석 추(Pendulum)를 구비함으로써, 광대역 진동 스펙트럼(Spectrum)에서 에너지를 변환할 수 있고, 외부 진동 환경의 소스 주파수보다 높은 주파수에서 공진체가 공진할 수 있도록, 공진 주파수를 증가시킬 수 있는 기능을 가지고 있고, 진동 주파수 증가 기능을 가짐으로써, 넓은 진동 주파수 대역에서 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는, 설치대상물에 설치되어서, 상기 설치대상물로부터 전달 받는 수직 진동 운동에 의한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하되, 상기 진동 에너지를 전달받도록 상기 설치대상물에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부의 위쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제1 영구자석이 제1 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제1 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제1 단일 진동 에너지 변환장치; 상기 하우징의 내부의 아래쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제2 영구자석이 제2 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제2 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제2 단일 진동 에너지 변환장치; 및 상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치의 사이에 배치되고, 좌와 우 방향으로 주기적으로 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추;를 포함한다.

상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치는, 각각 N극과 S극을 갖는 영구자석(여기서, 영구자석은 제1 영구자석 또는 제2 영구자석을 지칭함)과, 상기 영구자석의 아래 또는 위에 배치되어서 상기 영구자석을 탄성 지지하거나 매달고 있는 판 스프링(여기서, 판 스프링은 제1 판 스프링 또는 제2 판 스프링을 지칭함)과, 상기 영구자석이 슬라이딩 가능하게 배치된 중공형 몸체의 실린더(여기서, 실린더는 제1 실린더 또는 제2 실린더를 지칭함), 및 상기 실린더의 외주면에 감겨져 있고 출력단을 구비한 코일(여기서, 코일은 제1 코일 또는 제2 코일을 지칭함)을 포함하고, 상기 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추에 의해 서로 다른 진동 주파수로 여기될 수 있다.

상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치에서 수직 운동하는 상기 제1 영구자석 또는 상기 제2 영구자석의 진동 주파수 및 진동 크기는 좌와 우방향으로 왕복 원호 운동하는 상기 영구자석 추와 상기 판 스프링의 탄성 계수에 의해 결정될 수 있다.

상기 영구자석 추는, 상기 제1 단일 에너지 변환 장치에 구비된 제1 판 스프링의 중심부의 저면 또는 상기 제2 단일 에너지 변환 장치에 구비된 제2 판 스프링의 중심부의 상면에 대하여 각각 비접촉하게 이격 배치되어 있는 제3 영구자석과, 상기 제3 영구자석의 편심된 회전 중심에 결합된 힌지샤프트와, 상기 힌지샤프트를 회전 가능하게 지지하고, 상기 제3 영구자석의 왕복 원호 운동을 가이드하도록, 상기 하우징의 내측 지지단에 결합된 비대칭 고정부, 및 상기 제3 영구자석의 아래 부분에 부착된 매스(Mass)를 포함하고, 상기 매스에 의해서, 상기 제1 영구자석의 S극과 상기 제2 영구자석의 N극 사이에 배치된 상기 제3 영구자석의 왕복 원호 운동을 안정적으로 유지한다.

상기 영구자석 추는, 상기 제1 단일 에너지 변환 장치의 제1 영구자석 또는 상기 제2 단일 에너지 변환 장치의 제2 영구자석에 대하여, 상기 영구자석 추의 제3 영구자석이 서로 같은 극성에 의한 척력을 작용하여서, 물리적인 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.

상기 비대칭 고정부는, 상기 하우징의 내측 지지단과의 연결 부위에 다수의 보강 리브를 더 형성하고 있다.

본 발명에 의한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는, 외부 환경에 의한 특정 진동 주파수를 이용하여 복수의 진동체를 서로 다른 주파수로 진동하도록 하여, 광대역의 진동 주파수 대역에서 에너지를 변환할 수 있는 광대역 에너지 변환 장치로서 특정 분야가 아닌 다양한 분야에서 널리 활용될 수 있고, 또한 판 스프링의 탄성 계수를 이용하여 외부 진동 주파수 보다 높은 주파수 대역에서 에너지를 변환함으로써, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 해당 산업 분야에 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는, 물리적인 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 때, 제1 단일 에너지 변환장치와 제2 단일 에너지 변환장치 사이에 영구자석 추가 배치되어 있으므로, 응용 분야의 진동 주파수에 에너지 변환 장치의 공진 주파수를 맞출 수 있고, 그 결과, 최대 효율의 에너지 변환 특성을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는, 대부분의 진동 에너지 하비스팅 응용 분야에서 물리적인 진동 소스가 특정 주파수로 고정된 경우는 거의 없거나, 진동 소스의 공진주파수도 낮은 경우가 많고, 이렇게 진동 소스의 공진주파수가 낮을 경우, 에너지 변환 효율이 낮게 나오는 문제점을 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치를 구성하는 단일 에너지 변환장치의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 판 스프링(Plate Spring) 장치의 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 내부를 보인 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치에서 두 개의 단일 에너지 변환장치를 서로 다른 진동 주파수로 진동하도록 여기시키는 영구자석 추(Pendulum)의 작동 관계를 설명하기 위한 정면도.
도 5는 도 3에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 설치예를 나타내는 정면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

즉, 아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명되고, 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치를 구성하는 단일 에너지 변환장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 판 스프링(Plate Spring) 장치의 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 내부를 보인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 설명의 용이성 및 중복 설명을 피하기 위해서 본 실시예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 각 단일 에너지 변환장치는 후술되는 도 3의 설명에서, 제1 단일 에너지 변환장치(100)로 지칭되거나, 또는 제1 단일 에너지 변환장치(100)에 비해 반대 방향으로 이격되고 대칭되게 배치된 제2 단일 에너지 변환장치(200)로 지칭될 수 있다.

또한, 제1 단일 에너지 변환장치(100)와 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 사이에는 영구자석 추(300)(Pendulum)가 배치되어 있고, 제1 단일 에너지 변환장치(100)와 영구자석 추(300) 및 제2 단일 에너지 변환장치(200)는 다중 공진 구조물을 형성하게 된다.

본 실시예에 따르면, 다중 공진 구조물은 각각의 서로 다른 공진 주파수를 갖는 에너지 변환 공진체로서, 광대역의 진동 주파수 스펙트럼에서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 매우 효율적인 기능을 제공한다.

도 1의 제1 단일 에너지 변환장치(100)는 제1 영구자석(110)과 제1 코일(120)과 제1 실린더(130) 및 제1 판 스프링(140)(Plate Spring)으로 구성된다. 예컨대, 제1 단일 에너지 변환장치(100)는 N극과 S극을 갖는 제1 영구자석(110)과, 제1 영구자석(110)의 아래에 배치되어서 제1 영구자석(110)을 지지하고 있는 제1 판 스프링(140)과, 제1 영구자석(110)이 슬라이딩 가능하게 배치된 중공형 몸체의 제1 실린더(130)와, 제1 실린더(130)의 외주면에 감겨져 있는 제1 코일(120)을 포함할 수 있다.

본 실시예의 제1 실린더(130)에서, 실린더의 의미는 일반적인 유체력을 이용한 액추에이터가 아니고, 수직 운동하는 영구자석을 가이드하거나, 코일 결합을 위한 구성품을 지칭할 수 있다. 이러한 실린더는 측면부위가 폐쇄되어 있고, 수직 방향의 양쪽 끝단이 개방되어 있을 수 있다.

제1 영구자석(110)은 미리 정한 길이를 갖는 막대 혹은 축부재 형상으로서 N극과 S극을 갖는다.

제1 코일(120)은 외부의 전기 에너지 충전 및 저장 시스템(미 도시)에 연결되고, 제1 코일(120)에 양측 끝단에 형성된 출력단(121,122)을 갖는다.

제1 실린더(130)는 상기 제1 영구자석(110)이 실린더 연장 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 배치되어 있고, 상기 제1 코일(120)이 실린더 외표면에 감겨져 있는 중공형 몸체의 플라스틱 재질로 형성되어 있다.

제1 실린더(130)는 평단면 기준으로 내부가 중공인 원통형 또는 사각통형 또는 육각통형으로 형성될 수 있으나, 제1 영구자석(110)의 단면 형상(예: 원형, 사각형, 육각형, 삼각형, 다각형 등)이나, 혹은 코일을 감는 형상에 대응하게 선택적으로 설계될 수 있으므로, 특정 형상으로 한정되지 않을 수 있다.

제1 판 스프링(140)은 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 하우징(400)을 기반으로 제1 영구자석(110)을 탄성 지지 하도록, 광대역 진동 주파수 스펙트럼에 대응하여 미리 정한 탄성 계수 범위에서 선택된 어느 하나의 탄성 계수를 갖는다.

제1 판 스프링(140)은 제1 영구자석(110)의 밑에 배치되어서 탄성력으로 받치고 있을 수 있다.

제1 코일(120)은 특정 턴(turn) 수(예: N 턴 수)로 제1 실린더(130)의 외주면에 감겨져 있는 통전 가능한 재질(예: 구리)로 형성된다. 본 실시예의 사용 또는 응용되는 해당 환경을 고려하여서, 제1 코일(120)의 턴 수는 정해질 수 있거나, 혹은 제1 코일(120)의 출력단(121,122)의 임피던스를 고려하여 최적의 턴 수가 결정될 수 있다.

제1 영구자석(110)은 제1 코일(120) 내에 배치되고, 외부 진동과 제1 판 스프링(140)에 의해 진동할 수 있다.

예컨대, 제1 영구자석(110)은 제1 코일(120)로 감겨져 있는 제1 실린더(130)의 내부에서 수직 방향으로 왕복 슬라이딩 또는 진동할 수 있고, 이에 따라 제1 코일(120) 내부의 자속(Magnetic Flux)이 주기적으로 변하게 된다. 이렇게 변화된 자속은 제1 코일 양 단에 해당하는 출력단(121,122)에서 전압(Electromotive Force)을 발생시킨다.

도 3을 참조하면, 제2 단일 에너지 변환장치(200)도 설치 위치 또는 배치 방향을 제외하고, 구성적으로만 볼 때, 앞서 설명한 제1 단일 에너지 변환장치(100)과 동일하거나 유사한 구성을 갖는다. 즉, 제2 단일 에너지 변환장치(200)는 N극과 S극을 갖는 제2 영구자석(210)과, 제2 영구자석(210)의 위에 배치되어서 제2 영구자석(210)을 매달고 있는 제2 판 스프링(240)과, 제2 영구자석(210)이 슬라이딩 가능하게 배치된 중공형 몸체의 제2 실린더(230)와, 제2 실린더(230)의 외주면에 감겨져 있는 제2 코일(220)을 포함할 수 있다.

여기서, 제2 판 스프링(240)은 제2 영구자석(210)의 위에 배치되어서 탄성력으로 제2 영구자석(210)을 매달아 놓은 상태에서, 제2 영구자석(210)의 수직 운동을 지탱할 수 있다.

이때, 제1 판 스프링(140)과 제2 판 스프링(240)은 탄성 계수를 서로 다르게 하여, 서로 다른 주파수에서 해당 제1 영구자석(110)과 제2 영구자석(210)이 진동하도록 할 수 있다.

또한, 도 1과 관련하여, 도면부호 '123' 및 '124'는 제1 코일(120)이 감기는 방향을 나타낸다. 여기서, 도면부호 '123'은 제1 코일(120)이 나오는 방향을 나타내고, '124'는 제1 코일(120)이 들어가는 방향을 나타낸다.

제1 코일(120)이 제1 영구자석(110)의 외측에 미리 정한 턴 수(예: N 턴 수)만큼 감겨질 수 있도록, 속이 비어 있는 플라스틱 재질의 제1 실린더(130)가 사용된다.

제1 실린더(130)는 제1 코일(120)과 제1 영구자석(110)이 단락되는 것을 방지하고, 제1 영구자석(110)이 안정적으로 운동(예: 수직 운동 또는 수직 왕복 운동 혹은 실린더 연장 방향을 따라 슬라이딩)을 할 수 있는 공간을 확보해준다.

이때, 제1 영구자석(110)은 특정 탄성 계수를 갖는 제1 판 스프링(140) 상에 놓이게 된다.

제1 판 스프링(140)은 제1 영구자석(110)이 놓이거나 수직하게 세워져 연결되어 있는 판 형상의 중심부(141)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 제1 판 스프링(140)은 상기 중심부(141)에 연결되며 특정 탄성 계수 또는 서로 다른 탄성 계수를 갖는 다수의 스프링부(142,143,144,145)를 포함한다.

제1 판 스프링(140) 또는 이하의 설명에서 제2 판 스프링은 각 스프링부(142,143,144,145)의 길이, 폭, 혹은 두께를 크게 또는 작게 제작하거나, 스프링 재질을 선택적으로 사용하여서, 탄성 계수를 서로 다르게 갖도록 제작되어 있을 수 있다.

중심부(141) 및 스프링부(142,143,144,145)는 탄성 변형 전에 동일 평면 상에서 배치될 수 있으므로, 전체적을 제1 판 스프링(140)의 판 형태의 구성품이 될 수 있다.

각 스프링부(142,143,144,145)는 상기 중심부(141)의 네 개의 변에 연결되고, 각각 서로 이격되도록 각 변에서 직각형 또는 호형의 회오리 형상으로 연장된 후, 서로 간섭되지 않도록 이격 간격을 유지하도록 형성되어 있다.

예컨대, 각 스프링부(142,143,144,145)의 일측 끝단 네 곳(142a,143a,144a,145a)은 두 개씩 하우징(400)의 고정부(401,402)에 연결되어 있어 있고, 타측 끝단 네 곳(142b,143b,144b,145b)은 상기 중심부(141)의 각 변에 연결되어 있다.

중심부(141)는 상기 타측 끝단 네 곳(142b,143b,144b,145b)을 제외하고 각 스프링부(142,143,144,145)와 비접촉 상태를 유지하여 효율적으로 중심부(141)에 위치한 제1 영구자석(110)을 탄성 지지할 수 있다.

이를 통해서, 본 실시예는 2개의 고정부(401,402)로 제1 판 스프링(140)의 각 변의 타측 끝단 네 곳(142b,143b,144b,145b)을 지지함으로써, 제1 판 스프링(140)에 배치된 제1 영구자석(110)이 편향되지 않게 X-Y 평면을 기준으로 Z축 방향을 따라 안정되게 수직 운동이 이루어질 수 있게 하면서도, 고정부(401,402)의 사용처를 최소화시킬 수 있게 할 수 있다.

도 1을 참조하면, 제1 영구자석(110) 및 제1 판 스프링(140)의 스프링부(142,143,144,145)의 수직 진동 운동에 필요한 힘은 본 실시예가 설치된 설치 위치(예: 도 5의 교량, 건축물, 산업구조물 등과 같은 설치대상물(10))의 수직 진동 운동에 의해 발생될 수 있다.

제1 판 스프링(140) 및 스프링부(142,143,144,145)와 관련하여, 외부 환경의 수직 진동 운동은 제1 영구자석(110)을 지탱한 상태에서 중심부(141) 및 스프링부(142,143,144,145)가 수직 진동 운동을 할 수 있도록 하는 힘으로 작용할 것이다.

상기와 같은 스프링부(142,143,144,145)의 수직 진동 운동은 제1 영구자석(110)이 제1 코일(120) 사이에서 특정 주파수로 수직 진동을 하도록 할 수 있다.

또한, 수직 진동 운동을 하는 제1 영구자석(110)과 제1 코일(1) 사이에 형성되는 자속(Magnetic Flux)의 양은 시간에 따라 변하게 됨으로써, 제1 코일(120)의 출력단(121,122)에 전압이 발생된다.

이와 같은 현상은 패러데이 법칙(Faraday's Law)과 로렌츠 법칙(Lenz's Law)에 의해서 이해될 수 있으므로, 자속의 양이 시간에 따라 변하고 전압이 발생되는 원리 자체에 대한 설명은 본 실시에에서 생략 가능하다.

도 2에 도시된 제1 판 스프링(140) 및 스프링부(142,143,144,145)의 형상 및 개수는 제1 영구자석(110)의 중량 혹은 설치대상물(10)에 대응하게 변경 가능하므로써, 특정 형상 및 개수로 한정되지 않을 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 내부를 보인 사시도로서, 장치 전체 구성을 보여주고 있다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는 광대역 진동 주파수 스펙트럼 에너지 변환 장치를 탑재한 하우징(400)으로 구성될 수 있다.

여기서, 광대역 진동 주파수 스펙트럼 에너지 변환 장치는 외부 진동에 의해 주기적으로 왕복 원호 운동하는 영구자석 추(300)를 제1 단일 에너지 변환장치(100)와 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 사이에 구비시킨 장치로서, 이러한 영구자석 추(300)에 의해 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200)의 각각의 영구자석(110,210)은 서로 다른 주파수로 주기적인 수직 운동을 진행하게 구성되어 있다.

본 실시예에서는 도 1과 같은 제1 단일 진동 에너지 변환장치(100)가 하우징(400)의 내부의 위쪽에 배치되고, 제2 단일 진동 에너지 변환장치(200)가 상기 하우징(400)의 내부의 아래쪽에 배치되고, 이러한 두 개의 단일 진동 에너지 변환장치(100,200) 사이에는 좌와 우 방향으로 주기적으로 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추(300)가 놓이게 된다.

영구자석 추(300)는 그의 회전 중심(301)이 영구자석 추(300)의 중간 위치(G)로부터 상향으로 이격된 곳에 위치하도록 편심되어 있다.

본 실시예에 따라 설치대상물 등에 부착 또는 설치된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 하우징(400)의 수직 진동 운동은, 하우징(400)의 고정부(401,402,403,404), 판 스프링(140,240)을 통해서 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200) 각각의 영구자석(110,210)의 수직 운동으로 변환될 수 있고, 이러한 두 개의 영구자석(110,210)의 수직 운동은, 그 사이에 있는 영구자석 추(300)가 좌와 우 방향으로 왕복 원호 운동할 수 있게 해준다. 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200) 사이에 있는 영구자석 추(300)가 좌와 우 방향으로 왕복 원호 운동 하면서, 단일 에너지 변환장치(100,200)의 두 개의 영구자석(110,120)을 밀어냄으로써, 외부 환경(예: 설치대상물의 수직 진동 운동)에 의한 진동 주파수가 아닌 또 다른 주파수로 단일 에너지 변환 장치(100,200)의 영구자석(110,120)을 진동시킬 수 있는 현상이 발생될 수 있다.

상기와 같은 현상은 도 3을 이용하여 보다 상세히 설명된다.

본 발명의 광대역 에너지 변환장치는 두 개의 단일 에너지 변환장치(100, 200)와 하나의 영구자석 추(300)로 구성된다.

영구자석 추(300)는 제1 단일 에너지 변환 장치(100)의 제1 판 스프링(140)의 중심부(141)의 저면 또는 제2 단일 에너지 변환 장치(200)의 제2 판 스프링(240)의 중심부(241)의 상면에 대하여 각각 비접촉하게 이격 배치되고, 막대 또는 축부재 형상으로 형성된 제3 영구자석(310)을 포함한다. 여기서, 이격 배치 거리는 제3 영구자석(310)의 자력이 제1 영구자석(110) 또는 제2 영구자석(210)에 자기역학적 영향을 끼칠 수 있는 범위 내에서 적절히 정해질 수 있다. 또한, 제3 영구자석(310)의 S극(예: 상단부)은 제1 단일 에너지 변환장치(100)의 제1 영구자석(110)의 S극을 향하여 배치되고, 제3 영구자석(310)의 N극(예: 하단부)은 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 제2 영구자석(210)의 N극을 향하여 배치되어 있다. 즉 각각 제3 영구자석(310)을 기준으로 제1 영구자석(110) 또는 제2 영구자석(210)이 척력을 작용할 수 있게 배치되어 있다.

영구자석 추(300)는 제1 단일 에너지 변환 장치(100)의 제1 영구자석(110) 또는 제2 단일 에너지 변환 장치(200)의 제2 영구자석(210)에 대하여, 상기 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)이 서로 같은 극성에 의한 척력을 작용하여서, 물리적인 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 역할을 담당할 수 있다.

영구자석 추(300)는 제3 영구자석(310)의 중간 위치(G)로부터 상향으로 이격된 곳에 상기 제3 영구자석(310)의 회전 중심(301)이 형성되어서, 제3 영구자석(310)의 편심된 회전 중심(301)에 결합된 힌지샤프트(320)를 포함한다.

영구자석 추(300)는 상기 힌지샤프트(320)를 회전 가능하게 지지하고, 상기 제3 영구자석(310)의 왕복 원호 운동을 가이드하도록, 상기 하우징(400)의 내측 지지단(405)에 결합된 비대칭 고정부(330)를 포함한다.

여기서, 비대칭 고정부(330)는 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)의 편심된 회전 중심(301)에 연결된다는 구조적 특징 하에서, 제3 영구자석(310)의 회전이 비대칭적으로 회전하게 지지하는 역할을 한다.

비대칭 고정부(330)는 하우징(400)의 내측 지지단(405)에 고정된 U자형 브래킷 구조물로서, 제3 영구자석(310)이 브래킷 구조물의 두 개의 부재의 사이 공간을 통해 수직 방향으로 통과하고, 상기 두 개의 부재의 끝단부에 상기 힌지샤프트(320)와 결합되기 위한 결합구멍을 형성하고 있다.

비대칭 고정부(330)는 하우징(400)의 내측 지지단(405)과의 연결 부위에 다수의 보강 리브(331)를 더 형성하고 있다. 이에 따라, 비대칭 고정부(330)의 지지력이 증대될 수 있고, 진동 전달 면적도 상대적으로 증대될 수 있다.

영구자석 추(300)는 제3 영구자석(310)의 아래 부분(예: 하단부 혹은 하단부 정면 또는 측면)에 부착된 매스(340)(Mass)를 포함한다.

영구자석 추(300)는 상기 매스(340)에 의해 제1 영구자석(110)의 S극과 제2 영구자석(210)의 N극 사이에 배치된 상기 제3 영구자석(310)의 왕복 원호 운동을 안정적으로 유지하거나, 매스(340)가 없는 것에 비하여 상대적으로 오랜 기간 지속시킬 수 있다.

외부 환경의 수직 진동 운동은 제1 단일 에너지 변환장치(100)의 제1 영구자석(110)을 주기적으로 수직 운동하게 한다. 이에 따라 제1 영구자석(110)과 제1 코일(120) 사이에 형성되는 자속은 제1 판 스프링(140)에 대응하게 주기적으로 변하게 한다. 그 결과 제1 코일(120)의 출력단(121,122)에 제1 영구자석(110)의 움직임에 대응한 전압이 형성된다. 예컨대, 제1 코일(120)의 출력단(121,122)에 형성되는 전압의 크기는 수직 운동하는 제1 영구자석(110)의 진동 주파수와 진동 크기에 의해서 결정된다.

또한, 외부 환경의 수직 진동 운동은 역시 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 제2 영구자석(210)을 주기적으로 수직 운동하게 한다. 이에 따라 제2 영구자석(210)과 제2 코일(220) 사이에 형성되는 자속은 제2 판 스프링(240)에 대응하게 주기적으로 변하게 한다. 그 결과 제2 코일(220)의 출력단(221,222)에 제2 영구자석(210)의 움직임에 대응한 전압이 형성된다. 예컨대, 제2 코일(220)의 출력단(221,222)에 형성되는 전압의 크기는 수직 운동하는 제2 영구자석(210)의 진동 주파수와 진동 크기에 의해서 결정된다.

아울러, 제1 단일 진동 에너지 변환장치(100)와 제2 단일 진동 에너지 변환장치(200)에서 수직 운동하는 제1 영구자석(110) 또는 제2 영구자석(210)의 진동 주파수 및 진동 크기는 좌와 우방향으로 왕복 원호 운동하는 영구자석 추(300)와 판 스프링(140,240)의 탄성 계수에 의해 결정될 수 있다.

상기의 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,210) 사이에는 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)이 비대칭 고정부(330)의 편심된 회전 중심(301)을 기준으로 왕복 원호 운동 가능하게 배치되어 있다.

편심된 회전 중심(301)을 기준으로 제3 영구자석(310)의 하부의 중량이 상부의 중량보다 크고, 제3 영구자석(310)의 하단부에 매스(340)가 더 부착되어 있기 때문에, 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)은 외부의 진동이 없을 때 평형 상태를 유지하면서 움직임이 없을 수 있다.

그러나, 본 실시예가 부착된 외부의 부착물이 수직으로 진동 운동(예: 외부의 진동)을 시작하게 되면, 제1 단일 에너지 변환장치(100)의 제1 판 스프링(140)의 중심부(141)에 놓인 제1 영구자석(110)과, 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 제2 판 스프링(240)의 중심부(241)에 놓인 제2 영구자석(210)이 외부 환경에 의한 주파수로 진동을 시작하게 된다.

상기와 같이 수직 방향으로 진동 하는 두 개의 영구자석(110,210)은 같은 극성의 특성(예: 척력)을 이용하여 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)을 밀어내게 된다.

즉, 제1 단일 에너지 변환장치(100)의 제1 영구자석(110)의 S극 부위는 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)의 S극 부위를 밀어내고, 제2 단일 에너지 변환장치(200)의 제2 영구자석(210)의 N극 부위는 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)의 N극 부위를 밀어냄으로써, 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)은 비대칭 고정부(330)의 힌지샤프트(320)가 위치한 편심된 회전 중심(301)을 중심으로 좌와 우 방향으로 왕복 원호 운동, 즉 왕복 주기 운동을 시작한다.

상기와 같은 제3 영구자석(310)에 의한 영구자석 추(320)의 왕복 주기 운동은 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200)의 영구자석(110,210)을 다시 밀어냄으로써, 외부 환경의 진동 주파수와 다른 진동 주파수로 영구자석(110,210)을 진동시킴으로써 넓은 진동 스펙트럼 대역에서 단일 에너지 변환장치(100,200)의 영구자석(110,210)을 진동시킬 수 있다.

하우징(400)은 앞서 언급한 광대역 진동 주파수 스펙트럼 에너지 변환 장치를 탑재할 수 있는 박스 형상 구조물 또는 케이스 구조물로 이루어져 있고, 분해 조립 가능하게 제작되어 있을 수 있다. 예컨대, 도 5를 참조하려 때, 본 실시예가 탑재되는 하우징(400)은 하부가 개방된 중공 몸체(450)와, 중공 몸체(450)의 하부에 분해 조립하게 결합된 커버(460)로 이루어져 있고, 중공 몸체(450) 및 커버(460)는 체결수단(470)(예: 고정볼트, 체결너트, 클램프 등)에 의해 서로 분해 혹은 조립될 수 있고, 이를 통해서 하우징(400)의 내부의 본 실시예에서 설명한 구성품의 탑재 또는 분리, 혹은 유지 보수가 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.

도 4는 도 3의 영구자석 추(300)와 관련하여, 두 개의 서로 다른 에너지 변환 장치(100,200)를 서로 다른 진동 주파수로 진동하도록 하는 영구자석 추(300)의 구성도 및 개념도일 수 있다.

도 4를 통해서, 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)이 좌와 우 방향으로 주기적인 왕복 원호 운동을 하면서 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200)의 영구자석(110,210)을 서로 다른 주파수로 진동시키는 개념이 보다 명확히 설명될 수 있다.

즉, 외부 환경의 진동에 의해 진동하여 영구자석(110,210)은 같은 극성 특성을 이용하여 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)을 서로 밀어낸다.

영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)은 자석 하단부에 부착된 매스(340)에 의해 안정적으로 왕복 원호 운동을 할 수 있다.

제3 영구자석(310)에 결합된 비대칭 고정부(330)에 의해서, 제3 영구자석(310)의 위쪽 운동거리(L1)과 아래쪽 운동거리(L2)가 서로 다르게 된다.

예컨대, 위쪽 운동거리(L1)는 짧고, 아래쪽 운동거리(L2)는 상대적으로 길다. 이런 연유는 제3 영구자석(310)의 회전 중심(301)이 영구자석 추(300)의 중간 위치(G)로부터 상향으로 이격된 곳에 위치, 즉 편심되어 있기 때문이다.

이렇게 영구자석 추(300)의 제3 영구자석(310)이 왕복 원호 운동을 하면서 두 개의 단일 에너지 변환장치(100,200)의 영구자석(110,210)을 주기적으로 밀어냄으로써, 영구자석(110,210)이 서로 다른 주파수로 진동, 즉 수직 운동할 수 있다.

도 5는 도 3에 도시된 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 설치예를 나타내는 정면도이다.

도 5는 본 발명의 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치의 설치에 따른 일 예를 보여주고 있다. 예컨대, 앞서 언급한 두 개의 단일 에너지 변환장치 및 영구자석 추를 탑재 또는 내장한 하우징(400)은 교량을 비롯한 설치대상물(10)에 부착되어서, 설치대상물(10)에 기 설치되어 있는 센서(미 도시)용 구동 에너지(예: 전기 에너지)를 얻기 위한 전원공급장치 또는 발전장치로 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 하우징(400)은 교량 등의 설치대상물(10)에 부착되거나 또는 매달려서 사용되도록, 별도의 부착 물질(410)을 더 포함한다. 여기서, 부착 물질(410)은 하우징(400)의 상부에 고정 또는 결합되고, 설치대상물(10)의 표면에 부착 또는 매달려 있으며, 상기 하우징(400)의 평면적보다 상대적으로 크고, 다수의 볼트 구멍이 형성되어 있는 판형 부재를 지칭할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 하우징(400)을 설치대상물(10)에 부착시킬 때, 설치대상물(10)에 형성된 다수의 스터드볼트(420)와, 상기 부착 물질(410)을 설치대상물(10)에 밀착시키기 위해 상기 스터드볼트(420)에 각각 나사 결합되는 설치너트(430) 등이 사용될 수 있다.

설치너트(430)의 외부에는 몰딩재(440)가 덮여 있어서, 설치너트(430) 및 스터드볼트(420)의 부식을 미연에 방지할 수 있다.

설치대상물(10)의 수직 진동 운동은 수직 방향(V)으로 하우징(400)을 포함한 본 실시예에 따른 장치 전체를 진동시킬 수 있다. 이러한 수직 방향(V)의 수직 진동 운동은 외부 진동 환경의 소스 주파수를 포함하는 것으로서, 하우징(400)을 통해 하우징(400)의 내부의 두 개의 단일 에너지 변환장치에 전달되고, 그 결과, 앞서 상세히 설명한 영구자석 추에 의해서, 각 단일 에너지 변환장치는 외부 진동 환경의 소스 주파수보다 높은 주파수에서 공진할 수 있거나, 공진 주파수를 증가시킬 수 있는 기능을 구현하게 되고, 진동 주파수 증가 기능을 구현함에 따라서, 넓은 진동 주파수 대역에서 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치는 제1 단일 에너지 변환장치와 제2 단일 에너지 변환장치의 사이에 영구자석 추를 배치하여, 단일 에너지 변환장치의 판 스프링의 탄성을 서로 달리하게 함으로써 넓은 주파수 대역에서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 월등한 효과를 발휘하게 된다.

또한, 본 실시예는 두 개의 에너지 변환 장치와 이를 서로 다른 진동 주파수로 수직 운동 시키는 영구자석 추, 그리고 서로 다른 탄성 계수를 갖는 판 스프링을 이용하여 광대역 진동 스펙트럼에서 진동 에너지가 매우 효율적으로 전기 에너지로 변화될 수 있게 할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다. 즉, 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100,200: 단일 에너지 변환장치 110,210,310: 영구자석
120,220: 코일 121,122, 221,222: 출력단
130,230: 실린더 140,240: 판 스프링
300: 영구자석 추 400: 하우징

Claims (6)

1. 설치대상물에 설치되어서, 상기 설치대상물로부터 전달 받는 수직 진동 운동에 의한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치에 있어서,
   상기 진동 에너지를 전달받도록 상기 설치대상물에 설치되는 하우징;
   상기 하우징의 내부의 위쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제1 영구자석이 제1 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제1 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제1 단일 진동 에너지 변환장치;
   상기 하우징의 내부의 아래쪽에 배치되고, 상기 진동 에너지에 의해 제2 영구자석이 제2 코일 내부에서 수직 운동하여 발생되는 자속 변화에 의해 상기 제2 코일 양단의 출력단에서 전압을 발생시키는 제2 단일 진동 에너지 변환장치; 및
   상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치의 사이에 배치되고, 좌와 우 방향으로 주기적으로 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추;를 포함하고,
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치는,
   각각 N극과 S극을 갖는 영구자석(여기서, 영구자석은 제1 영구자석 또는 제2 영구자석을 지칭함)과, 상기 영구자석의 아래 또는 위에 배치되어서 상기 영구자석을 탄성 지지하거나 매달고 있는 판 스프링(여기서, 판 스프링은 제1 판 스프링 또는 제2 판 스프링을 지칭함)과, 상기 영구자석이 슬라이딩 가능하게 배치된 중공형 몸체의 실린더(여기서, 실린더는 제1 실린더 또는 제2 실린더를 지칭함), 및 상기 실린더의 외주면에 감겨져 있고 출력단을 구비한 코일(여기서, 코일은 제1 코일 또는 제2 코일을 지칭함)을 포함하고,
   상기 왕복 원호 운동을 하는 영구자석 추에 의해 서로 다른 진동 주파수로 여기되는 것
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 단일 진동 에너지 변환장치와 상기 제2 단일 진동 에너지 변환장치에서 수직 운동하는 상기 제1 영구자석 또는 상기 제2 영구자석의 진동 주파수 및 진동 크기는 좌와 우방향으로 왕복 원호 운동하는 상기 영구자석 추와 상기 판 스프링의 탄성 계수에 의해 결정되는 것
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 영구자석 추는,
   상기 제1 단일 에너지 변환 장치에 구비된 제1 판 스프링의 중심부의 저면 또는 상기 제2 단일 에너지 변환 장치에 구비된 제2 판 스프링의 중심부의 상면에 대하여 각각 비접촉하게 이격 배치되어 있는 제3 영구자석과,
   상기 제3 영구자석의 편심된 회전 중심에 결합된 힌지샤프트와,
   상기 힌지샤프트를 회전 가능하게 지지하고, 상기 제3 영구자석의 왕복 원호 운동을 가이드하도록, 상기 하우징의 내측 지지단에 결합된 비대칭 고정부, 및
   상기 제3 영구자석의 아래 부분에 부착된 매스(Mass)를 포함하고,
   상기 매스에 의해서, 상기 제1 영구자석의 S극과 상기 제2 영구자석의 N극 사이에 배치된 상기 제3 영구자석의 왕복 원호 운동을 안정적으로 유지하는 것
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 영구자석 추는,
   상기 제1 단일 에너지 변환 장치의 제1 영구자석 또는 상기 제2 단일 에너지 변환 장치의 제2 영구자석에 대하여, 상기 영구자석 추의 제3 영구자석이 서로 같은 극성에 의한 척력을 작용하여서, 물리적인 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.
   
6. 제4 항에 있어서,
   상기 비대칭 고정부는,
   상기 하우징의 내측 지지단과의 연결 부위에 다수의 보강 리브를 더 형성하고 있는 것
   인 광대역 전자기유도 방식 진동 에너지 하비스트 장치.

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