KR20190027218A - 전자기식 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

외력에 의해 왕복 운동하는 샤프트;상기 샤프트에 부착되고, 일부분에 축방향자석과 반경방향자석이 반복적으로 교대하여 배치되는 원동형상의 할바흐 배열부가 형성되는 중공형 이너프레임; 및 상기 이너프레임 외측에 수용하며, 상기 할바흐 배열부가 형성된 위치에 대응하여 코일부가 형성된 중공형 아웃프레임;을 포함하고, 상기 코일부는 상기 샤프트 및 상기 이너프레임과의 상대 운동에 의해 쇄교자속을 발생시키는 코일이 권선된 슬롯이 일정간격 이격되어 형성되고, 상기 할바흐 배열부는 상기 반경방향자석의 상기 코일부를 바라보는 면에 배치되는 스페이서;를 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터가 개시된다. 따라서 쇄교되는 자속 값을 극대화하고, 누설되는 자속을 최소화하여, 동일한 진동 에너지로 보다 향상된 발전량을 제공한다.

Description

전자기식 에너지 하베스터 {ELECTROMAGNETIC ENERGY HARVESTER}
본 발명은 자석과 코일 사이의 상대 운동을 이용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전자기식 에너지 하베스터에 관한 것이다.
전자기식 에너지 하베스터는 외부 진동 에너지에 의해 자석과 코일 사이의 상대 운동에 따라 전기 에너지를 발생시키는 구조를 포함한다. 이때. 자석의 배열과 관련하여 종래 할바흐(halbach) 배열 구조가 사용되었다.
도 1는 종래 할바흐 배열 구조를 가지는 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면이다. 도 1를 참고하면, 할바흐 배열 구조는 복수 개의 자석이 권선된 코일부를 기준으로 착자 방향을 달리하여 반복적으로 교대 배치하는 형태를 갖는다. 코일부는 나선형 코일을 의미하고, 축 방향은 코일부의 연장방향을 의미하며, 반경 방향은 축 방향과 수직한 코일부의 반경이 연장된 방향을 의미한다.
구체적으로는, 착자 방향에 따라 형성되는 자속의 방향을 달리하는 축 방향자석과 반경방향자석이 반복적으로 교대하는 할바흐 배열 구조를 갖는다.
자석은 이와 같이 규칙적인 배열 방향으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 공기 중에 정현파 자속분포를 발생시킨다. 이 때, 코일부는 축 방향으로 상대 운동하면서 자석에서 발생되는 자속을 쇄교하여 전기에너지를 발생시킨다. 상대 운동은 왕복 직선 운동을 나타내지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 코일부와 할바흐 배열과의 상대 운동에 따라 발생되는 쇄교 자속이 외부 회로에 연결되어 전기에너지를 생산한다. 그러나 종래의 할바흐 배열 구조는 쇄교 자속의 크기가 일정 범위 이내로 제한되어, 발생되는 전기 에너지를 더 이상 증대시키지 못하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1297114호 (2013.08.09. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1275286호 (2013.06.10. 등록) 대한민국 공개특허 제10-2010-0036526 (2010.04.08. 공개)
본 발명의 실시 예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 전자기식 에너지 하베스터에 채택되던 자석부의 할바흐 배열 구조를 개선하여 할바흐 배열부에서 코일부로 쇄교하는 자속 값을 극대화시키고, 누설되는 자속수를 최소화하고자 한다. 따라서 동일한 진동 에너지에서 보다 많은 전기 에너지를 발생시키는 에너지 전환 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 축방향자석과 반경방향자석이 반복적으로 교대하여 배치되는 할바흐 배열부와 코일이 권선되는 슬롯이 일정간격 이격되어 형성되어 있으며, 상기 할바흐 배열부와 축 방향으로 상대 왕복 운동하여 쇄교자속을 발생시키는 코일부를 포함하고, 상기 할바흐 배열부는 상기 반경방향자석의 상기 코일부를 바라보는 면에 배치되는 스페이서를 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 축방향자석과 상기 반경방향자석의 극 간격과 상기 슬롯과 슬롯사이의 축방향 길이가 상호 1:1구조로 형성될 수 있다.
또한 상기 코일부는 권선방향이 다른 코일이 교대로 배치되는 1상의 구조 또는 권선방향이 동일한 코일로 배치되는 2상의 구조를 가질 수 있다. 다만, 2상의 구조를 가지는 경우에는 슬롯과 자석은 짝수 개로 형성된다.
상기 축방향자석 및 상기 스페이서의 외측면을 덮는 커버를 더 포함할 수 있으며, 상기 커버는 자성체로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 할바흐 배열부의 외측면에는 금속층이 더 형성될 수 있다.
상기 반경방향자석의 두께는 상기 축방향자석 두께의 약 50% ~ 88%에 해당하는 길이를 갖는 것이 바람직하며, 상기 스페이서의 폭은 상기 극간격의 약 60% ~ 65%에 해당하는 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 전자기식 에너지 하베스터는 원통형을 구성될 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다향한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터 구조는 종래의 할바흐 배열 구조의 반경방향자석의 일부를 스페이서로 대체하고 코일부를 바라보는 측면에 배치하여, 할바흐배열부에서 코일부로 쇄교하는 자속 값을 극대화하는 동시에 사용되는 영구자석의 양을 절감할 수 있다.
또한, 축방향자석 및 스페이서의 외측면을 덮는 자성체로 형성되는 커버 및 할바흐 배열부의 외측면에 금속층을 더 포함하여 아웃프레임의 티스(tooth) 또는 백 아이런(back iron)이나 이너 프레임에서 샤프트(shaft) 측으로 누설되던 자속을 최소화할 수 있다. 그 결과, 코일부 내부의 쇄교 자속의 크기를 증가시켜 실시 예에 따라 전환되는 전기 에너지의 양을 약 2배 가까이 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 할바흐 배열 구조를 가지는 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면.
도 2은 본 발명의 제1실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면.
도 3은 코일부가 1상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면.
도 4a는 코일부가 나오는 방향의 2상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면.
도 4b는 코일부가 들어가는 방향의 2상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면.
도 5는 극 간격과 슬롯과 슬롯 사이의 축방향 길이가 상호 1:1구조로 형성되는 것을 도시한 도면.
도 6는 축방향자석의 두께와 반경방향자석의 두께의 비율 및 그에 따른 최대 발전량을 도시한 도면.
도 7은 극 간격과 반경방향자석의 폭의 비율 및 그에 따른 최대 발전량을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 제2실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면.
도 9은 도 8의 Ⅸ-Ⅸ에 따른 단면도.
도 10는 도 9의 할바흐 배열부 및 코일부를 확대 도시한 도면.
도 11은 코일부가 1상 구조를 가지는 제2실시 예를 도시한 도면.
도 12은 코일부가 2상 구조를 가지는 제2실시 예를 도시한 도면.
도 13은 축방향자석 및 스페이서만 가지는 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 전자기식 에너지 하베스터와 도 1 및 도 13의 전자기식 에너지 하베스터의 발전량을 비교하여 도시한 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명한다.
[제1실시 예]
도 2은 본 발명의 제1실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면이다. 도 3은 코일부가 1상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면이고, 도 4a는 코일부가 나오는 방향의 2상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면이며, 도 4b는 코일부가 들어가는 방향의 2상 구조를 가지는 제1실시 예를 도시한 도면이다.
도 2을 참고하면, 제1실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터는 축방향자석(111)과 반경방향자석(112)이 반복적으로 교대하여 배치되는 할바흐 배열부(110) 및 코일(211)이 권선되는 슬롯(210)이 일정간격 이격되어 형성되어 있으며, 상기 할바흐 배열부(100)와 축 방향으로 상대 왕복 운동하여 자속을 쇄교하는 코일부(200)를 포함한다.
할바흐 배열부(100)는 착자 방향에 따라 축방향으로 자속이 발생하는 축방향자석(111)와 축방향과 수직이 방향으로 자속이 발생하는 반경방향자석(112)이 반복적으로 교대하여 배치되며, 반경방향자석(112)의 일부분을 대체하는 스페이서(120)가 반경방향자석(112)의 코일부(200)를 바라보는 면에 더 배치되어 개선된 할바흐 배열 구조를 갖는다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 축방향자석(111)과 하나의 반경방향자석(112)은 하나의 극(A, 110)을 구성하는 것으로 정의한다. 따라서 할바흐 배열부(100)는 복수 개의 극(110)과 복수 개의 스페이서(120)로 구성된다.
스페이서(120)의 폭은 반경방향자석(112)과 동일하고, 반경방향자석(112)의 일부분을 대체한 상태에서의 반경방향자석(112)과 스페이서(120)의 두께의 합이 축방향자석(111)의 두께와 동일하여 할바흐 배열부(100) 외측으로 돌출되지 않으며, 하나의 부재로 형성된다.
스페이서(120)는 축방향자석(111) 사이 및 반경방향자석(112) 측면에 배치되어 삼 면이 자석으로 둘러싸이는 구조를 갖는다. 스페이서(120)의 주변 자속은 하나의 축방향자석(111)과 하나의 반경방향자석(112)으로 구성된 하나의 극(110)에서 들어오는 방향과 나가는 방향이 반복하여 형성된다.
극(110)에서 발생시키는 자속과 코일(211)의 상대 운동에 의해 발생하는 에너지를 하베스팅하는 것으로, 축방향자석(111)과 반경방향자석(112)은 외부로부터 에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장이 발생 유지되는 영구자석으로 형성되는 것이 바람직하며, 스페이서(120)는 주변으로 분산되는 자속의 집중을 위해 자성체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 할바흐 배열부(100)의 축방향자석(111)과 스페이서(120)의 외측면을 덮는 커버(300)를 더 포함할 수 있다. 이는 외부 환경으로부터 영구자석을 보호하기 위한 것으로 이물질이 유입되는 것을 방지한다.
커버(300)를 구성하는 재료의 자성여부는 문제되지 않지만, 커버(300)가 자성체로 형성되는 경우 누설되는 자속을 감소시켜, 비자성체로 형성되는 경우보다 발전량을 약 30% 향상시키는 효과가 있으므로, 자성체로 형성되는 것이 바람직하다. 그 결과는 아래의 표에 제시한다.

발전량(W)		 자성체로 형성한 경우(S20C) 비자성체로 형성한 경우(stainless steel)

최대 발전량		 505.43
(127.9%)		 395.17
(100%)

평균 발전량		 195.97
(128.9%)		 152.08
(100%)
코일부(200)는 하나의 부재로 형성되고 할바흐 배열부(100)측으로 치우쳐 코일(211)이 권선되는 공간인 슬롯(210)이 일정간격 이격되어 형성되어 있다. 슬롯과 슬롯간 사이를 티스(tooth, 220)로 정의하고, 그 외 부분은 백 아이런(back iron, 230)으로 정의한다.
코일부(200)는 자속의 방향이 반복적으로 변경되는 할바흐 배열부(100)와 상대 운동하여 코일(211)에 자속을 쇄교하여, 이를 연결된 외부회로에 전달하여 전기에너지로 전환하여 발전한다. 이 때, 스페이서(120)는 발생하는 쇄교자속의 분산을 막아 자속 값을 극대화 한다.
하나의 축방향자석과 하나의 반경방향자석으로 구성된 극(100)의 개수와 슬롯(210)의 개수는 1:1로 배치되나, 코일부(200) 양 단으로 분산되는 쇄교자속을 집중시키기 위해 도 2에 'E'로 표시된 부분과 같이 할바흐 배열부(100)의 양 단에는 하나의 극(110)과 하나의 스페이서(120)가 각각 더 배치되는 것이 바람직하다.
할바흐 배열부(100)와 코일부(200)는 둘 중 적어도 어느 하나 이상의 위치가 변경되는 상대 운동하는 것으로, 구조에 따라 왕복 직선 운동 또는 회전 운동하는 것이 바람직하다. 상대 운동 시 마찰에 의해 발생하는 에너지 손실을 막기 위해 할바흐 배열부(100)와 코일부(200) 사이에는 소정의 에어 갭(240)이 형성되는 것이 바람직하다.
슬롯(210)에 권선된 코일(211)은 1상 또는 2상의 구조를 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 1상 구조는 슬롯(210)에 권선된 코일(211)의 방향이 들어가는 방향과 나가는 방향으로 번갈아가면서 배치되는 구조로 직렬연결에 해당하여, 슬롯의 수를 임의로 조절가능하다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 2상 구조는 슬롯(210)에 권선된 코일(211)의 방향이 모두가 들어가는 방향 또는 나오는 방향으로 통일되게 배치되는 구조로 병렬연결에 해당하여, 슬롯의 수는 반드시 짝수 개가 배치되어야 한다. 이는 코일의 양 단을 각각 다른 극에 연결하여, 발생되는 쇄교자속을 외부회로(미도시)에 전달하기 위함이다.
발전량을 향상시키기 위해서는 코일(211)의 저항은 외부회로의 부하저항과 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 1상 구조의 경우 직렬연결에 해당하여 전체코일의 저항이 부하저항과 동일한 것이 바람직하며, 2상 구조의 경우 병렬연결에 해당하여 각각의 코일의 저항이 부하저항과 동일한 것이 바람직하다. 또한, 외부회로의 부하저항은 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
도 5는 극 간격과 슬롯과 슬롯 사이의 축방향 길이가 상호 1:1구조를 갖는 것을 도시한 도면이고, 도 6는 축방향자석의 두께와 반경방향자석의 두께의 비율 및 그에 따른 최대 발전량을 도시한 도면이며, 도 7은 극 간격과 반경방향자석의 폭의 비율 및 그에 따른 최대 발전량을 도시한 도면이다.
본 발명은 종래의 할바흐 배열 구조를 갖는 에너지 하베스터에 스페이서(120)를 더 포함하는 개선된 구조를 가져 발전량을 극대화 하는 에너지 하베스터이다. 따라서 스페이서(120)의 크키를 변수로 하여 최대 발전량(Maximum output power, W)을 측정하여 가장 효과적인 스페이서(120)를 제시하고자 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 할바흐 배열부(100)는 극(110) 간격(c)과 슬롯(210)의 축방향 길이(d)가 1:1이 되는 구조를 채택한다. 이에 따라, 코일(211)에 쇄교하는 자속 값을 극대화 할 수 있으며, 영구자석의 사용량을 절감하고, 크기를 줄여 발전기의 출력밀도를 향상시킬 수 있다. (기존 대비 약 30% ~ 40% 향상 가능하다.)
도 6를 참조하면, 축방향자석의 두께(t)와 반경방향자석의 두께(t1)의 비율 즉, 반경방향자석(112)이 스페이서(120)로 대체되는 비율에 따른 최대 발전량을 측정한 것으로서, 반경방향자석(t1)의 두께가 축방향자석의 두께(t)의 약 50% ~ 88% 일 때 최대 발전량(W)이 최대가 된다. 이때 최대 발전량은 종래 할바흐 배열 구조를 가진 에너지 하베스터에 비해 약 2배 정도 많은 발전량을 갖는다.
도 7을 참조하면, 극 간격(s)이 일정할 때, 극 간격(s) 중 반경방향자석의 폭(s1)의 비율 즉, 스페이서(120)의 폭에 따른 최대 발전량을 측정한 것으로서, 하나의 축방향자석과 하나의 반경방향자석으로 구성된 극의 간격(s) 중 반경방향자석(또는 스페이서)의 폭(s1)이 비율이 약 60% ~ 65% 일 때 최대 발전량(W)이 최대가 된다.
따라서 스페이서(120)는 그 두께가 축방향자석 두께(t)의 약 12% ~ 50%이고, 그 폭은 극 간격(s)의 약 60% ~ 65% 가 될 때 동일한 진동 에너지로 최대의 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
또한, 최대 발전량을 발생시키기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 할바흐 배열부(100)와 코일부(200)의 초기 위치는 슬롯(210) 사이에 형성된 각 티스(tooth, 220)의 측면에 축방향자석(111)이 각각 위치하는 것이 바람직하다.
[제2실시 예]
도 8은 본 발명의 제2실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면이고, 도 9은 도 8의 Ⅸ-Ⅸ에 따른 단면도이며, 도 10는 도 9의 할바흐 배열부 및 코일부를 확대 도시한 도면이다. 도 11은 코일부가 1상 구조를 가지는 제2실시 예를 도시한 도면이고, 도 12은 코일부가 2상 구조를 가지는 제2실시 예를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터는 외력에 의해 왕복 운동하는 중공형 샤프트(400), 상기 샤프트(400)에 부착되고, 일부분에 축방향자석(111)과 반경방향자석(112)이 반복적으로 교대하여 배치되는 원통형상의 할바흐 배열부(100)가 형성되는 중공형 이너프레임(1000) 및 상기 이너프레임(1000) 외측에 배치되며, 상기 할바흐 배열부(100)가 형성된 위치에 대응하여 코일부(200)가 형성된 중공형 아웃프레임(2000)을 포함한다. 상기 코일부(200)는 코일(211)이 권선된 슬롯(210)이 일정간격 이격되어 형성되고, 상기 할바흐 배열부(100)는 상기 코일부(200)를 바라보는 면에 배치되는 스페이서(120)를 더 포함한다.
제2실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터는 제1실시 예에 따른 전자기식 에너지 하베스터와 그 목적 및 일부 구성이 동일한바, 이하 동일한 점에 대해서는 설명을 생략한다.
본 발명의 제2실시 예의 따른 전자기식 에너지 하베스터의 아웃프레임(2000)은 동일한 중심축을 갖는 이너프레임(1000)을 수용하며, 일 측에는 고정부(600)가 결합되어 있다. 고정부(600)는 중심축의 연장선상에 형성되어 있으며, 중심축을 따라 연장된 로드(rod, 610)가 내측으로 연결되어 있다. 이너프레임(1000)은 내측으로 중심축을 따라 직선 왕복 운동하는 중공형 샤프트(400)가 부착되고, 샤프트(400)는 일 단에는 진동 에너지를 수용하는 수용부(410)가 형성되어 있으며, 타 단에는 홀(420)이 형성되어 로드(610)를 내측으로 수용한다.
따라서 외부의 진동 에너지가 수용부(410)에 수용되면 샤프트(400) 및 이너프레임(1000)은 샤프트(400) 내부로 연장된 로드(610)를 따라 직선 왕복 운동하며, 이에 따른 할바흐 배열부(100)와 코일부(200)의 상대적 운동으로 쇄교자속이 발생된다.
이를 차량의 숍 업소버(shock absorber)에 적용하는 경우, 고정부(600)는 차체에 고정되며, 수용부(410)는 바퀴에 연결되어 노면에 따른 진동을 수용하여 샤프트(400) 및 이너프레임(1000)에 왕복 운동을 발생시킨다. 이에 따른, 할바흐 배열부(100)와 코일부(200)의 상대 운동에 의해 쇄교자속이 발생된다.
도 9을 참조하면, 아웃프레임(2000)은 일정두께를 갖는 중공형으로 형성되고, 내측면에 슬롯(210)이 오목하게 형성되어 있으며, 이를 따라 코일(211)이 권선된다.
할바흐 배열부(100)는 원통형으로 형성되고, 반경방향자석(112)과 축방향자석(111)은 할바흐 배열부(100)의 내측면을 감싸는 환형구조를 가지며, 스페이서(120)는 반경방향자석(112)의 외측면을 감싸는 환형구조를 갖는다. 이때 축방향자석(111)은 일정간격 이격되어 형성되어 있어 반경방향자석(112)과 스페이서(120)는 축방향자석(111)에 의해 길이방향으로 복수 개의 유닛으로 분리되어 있다.
또한, 축방향자석(111)과 스페이서(120)의 외측면을 감싸는 커버(300)와 반경방향자석(112)과 축방향자석(111)의 내측면을 감싸는 금속층(500)이 더 형성되는 것이 바람직하다.
금속층(500)은 샤프트(400) 측으로 누설되는 자속을 감소시키며, 발전량을 약 20% 상승시키는 효과를 갖는다. 그 결과는 아래의 표에 제시한다.

발전량(W)		 자성체로 형성한 경우(S20C) 비자성체로 형성한 경우(stainless steel)

최대 발전량		 395.17
(100%)		 325.57
(82.4%)

평균 발전량		 152.08
(100%)		 120.29
(79.1%)
도 1는 종래 할바흐 배열 구조를 가지는 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면이고, 도 13은 축방향자석 및 스페이서만 가지는 전자기식 에너지 하베스터를 도시한 도면이며, 도 14는 본 발명의 전자기식 에너지 하베스터와 도 1및 도 13의 전자기식 에너지 하베스터의 발전량을 비교하여 도시한 도면이다.
본 발명의 전자기식 에너지 하베스터는 종래 할바흐 배열 구조를 개선한 할바흐 배열부를 적용하여 발전량을 극대화하는 에너지 하베스터이다. 따라서 그 효과에 대해 제시하고자 한다.
도 1는 종래 할바흐 배열 구조를 가지는 전자기식 에너지 하베스터로 스페이서(120)를 포함하고 있지 않다. 도 13은 축방향자석(111) 및 스페이서(120)만 가지는 전자기식 에너지 하베스터로 반경방향자석(112)을 포함하고 있지 않다. 그 결과는 다음 표와 같다.
스페이서를 포함하는 할바흐 배열을 갖는 전자기식 에너지 하베스터(본원발명) 종래 할바흐 배열 구조(축방향자석과 반경방향자석)를 갖는 전자기식 에너지 하베스터 축방향자석과 스페이서만을 갖는 전자기식 에너지 하베스터
진동속도(m/s) 0.25
극 간격(mm) 11.25
진동수(Hz) 10
길이(mm) 225
지름(mm) 100
극 간격(mm) 22.5
에어 갭(mm) 1.6
슬롯과 극의 수 8 개- 8 개

최대 발전량(W)		 395.17
(100%)		 218.45
(55.3%)		 64.43
(16.3%)

평균 발전량(W)		 152.08
(100%)		 96.03
(63.1%)		 23.15
(15.2%)
이와 같이 스페이서(120)를 더 포함하는 개선된 할바흐 배열 구조는 발전량을 크게 향상시킨다. 이는 축방향자석(111)과 반경방향자석(112)이 교대 배치되어 발생하는 쇄교자속의 분산을 스페이서(120)를 통해 집중시켜 자속의 밀도 값이 극대화하기 때문이다. 따라서 축방향자석과 반경방향자석이 있는 종래 할바흐 배열에 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 방향자석 및 반경방향자석만으로 형성된 종래 할바흐 배열을 개선한 전자기식 에너지 하베스터로 진동을 이용한 전기 에너지 변환 장치이다. 예를 들어 자동차의 현가장치인 숍 업쇼바 등에 전자기식 에너지 하베스터를 설치하면 자동차의 운행에 따라 발생하는 노면 등에 의한 진동 에너지를 전기 에너지로 변화시킬 수 있다. 즉, 어떤 원인에 의하든 상관없이 진동이 발생되는 곳에 설치하여 전기 에너지를 효과적으로 발생시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이너프레임 : 1000 아웃프레임 : 2000
할바흐 배열부 : 100 극 : 110, A
축방향자석 : 111 반경방향자석 : 112
스페이서 : 120 코일부 : 200
슬롯 : 210 코일 : 211
티스(tooth) : 220 백 아이런(back iron) : 230
에어 갭 : 240 커버 : 300
샤프트 : 400 수용부 : 410
홀 : 420 금속층 : 500
고정부 : 600 로드(rod) : 610
극 간격 : c 슬롯과 슬롯 사이의 축방향 길이 : d

Claims (17)

  1. 축방향자석과 반경방향자석이 반복적으로 교대하여 배치되는 할바흐 배열부; 및
    코일이 권선되는 슬롯이 일정간격 이격되어 형성되어 있으며, 상기 할바흐 배열부와 상대 운동하여 쇄교자속을 발생시키는 코일부;를 포함하고,
    상기 할바흐 배열부는
    상기 반경방향자석의 상기 코일부를 바라보는 면에 배치되는 스페이서;를 포함하는 전자기식 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축방향자석과 상기 반경방향자석의 교대 배치로 형성되는 극 간격과 상기 슬롯과 슬롯 사이의 축방향 길이가 상호 1:1구조로 형성되는 전자기식 에너지 하베스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일부는
    상기 코일의 권선방향이 들어가고 나가는 방향으로 교대하여 배치되는 1상 구조를 갖는 전자기식 에너지 하베스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코일부는
    상기 코일의 권선방향이 한 방향으로 배치되는 2상의 구조를 가지며, 상기 슬롯이 짝수 개 형성된 전자기식 에너지 하베스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 축방향자석 및 상기 스페이서의 외측면을 덮는 커버;를 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커버는 자성체로 형성되는 전자기식 에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반경방향자석의 두께는
    상기 축방향자석의 두께의 50% ~ 88%에 해당하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기식 에너지 하베스터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서의 폭은
    상기 극간격의 60% ~ 65%에 해당하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기식 에너지 하베스터.
  9. 외력에 의해 왕복 운동하는 중공형 샤프트;
    상기 샤프트에 부착되고, 일부분에 축방향자석과 반경방향자석이 반복적으로 교대하여 배치되는 원통형의 할바흐 배열부가 형성되는 중공형 이너프레임; 및
    상기 이너프레임 외측에 배치되며, 상기 할바흐 배열부가 형성된 위치에 대응하여 코일부가 형성된 중공형 아웃프레임;을 포함하고,
    상기 코일부는
    상기 샤프트 및 상기 이너프레임과의 상대 운동에 의해 자속을 쇄교하는 코일이 권선된 슬롯이 일정간격 이격되어 형성되고,
    상기 할바흐 배열부는
    상기 반경방향자석의 상기 코일부를 바라보는 면에 배치되는 스페이서;를 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 축방향자석과 상기 반경방향자석의 교대 배치로 형성되는 극 간격과 상기 슬롯과 슬롯 사이의 축방향 길이가 상호 1:1구조로 형성되는 전자기식 에너지 하베스터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 코일부는
    상기 코일의 권선방향이 한 방향의 1상으로 배치되고,
    상기 슬롯이 복수 개 형성되는 전자기식 에너지 하베스터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 코일부는
    상기 코일의 권선방향이 들어가고 나가는 방향의 2상으로 교대하여 배치되고,
    상기 슬롯이 짝수 개 형성된 전자기식 에너지 하베스터.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 축방향자석 및 상기 스페이서의 외측면을 덮는 커버;를 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 커버는 자성체로 형성되는 전자기식 에너지 하베스터.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 이너프레임 내측에 형성되는 금속층;을 더 포함하는 전자기식 에너지 하베스터.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 반경방향자석의 두께는
    상기 축방향자석의 두께의 50% ~ 88%에 해당하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기식 에너지 하베스터.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 스페이서의 폭은
    상기 극간격의 60% ~ 65%에 해당하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기식 에너지 하베스터.
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