KR20200111972A - 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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Abstract

자기장이 형성된 공간에서 진동하는 자석의 진동 에너지와 전자기 유도 방식을 이용하여 전력을 생성하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 프레임; 상기 프레임의 측면에 결합되는 자석부; 외부 자기장에 의해 진동하는 진동부; 상기 진동부의 진동에 의해, 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉하는 강자성체로 이루어진 코어부; 및 상기 코어부에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은, 상기 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향이다.

Description

자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS USING MAGNETIC FIELD}
본 발명은 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장과 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1648261호, 제10-0926186호가 있다.
본 발명은 전자기 유도를 이용하여 자기장이 형성된 공간에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레임; 상기 프레임의 측면에 결합되는 자석부; 외부 자기장에 의해 진동하는 진동부; 상기 진동부의 진동에 의해, 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉하는 강자성체로 이루어진 코어부; 및 상기 코어부에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은, 상기 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향인 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프레임; 상기 프레임의 측면에 결합되는 한쌍의 자석부; 외부 자기장에 의해 진동하는 진동부; 상기 진동부의 진동에 의해, 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉하는 강자성체로 이루어진 코어부; 및 상기 코어부가 위치하는 상기 프레임의 내부 공간의 외벽에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서의 상기 강자성체의 자기력 방향은, 상기 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서의 자기력 방향과 반대 방향인 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 자기장이 형성된 공간에서 진동하는 자석의 진동 에너지와 전자기 유도 방식을 이용하여, 전기 에너지를 하베스팅할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자석부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코어부와 진동부를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 발명으로서, 코일이 권선된 코어부를 자화시킴으로써 전기 에너지를 생성한다.
이 때, 코일이 권선된 코어부는 회전하여 자석 또는 자화된 소자에 접촉함으로써, 자화될 수 있는데, 코어부를 회전시킬 수 있는 힘은 외부 자기장으로부터 제공된다. 일예로서, 교류 전류가 흐르는 파워 케이블 주변에는 자기장이 생성되고, 교류 전류의 흐름이 주기적으로 바뀜에 따라서 자기장의 방향도 바뀌기 때문에, 자기장에 위치한 자석은 진동하는데, 본 발명은 이와 같이, 파워 케이블 등에 의해 생성되는 자기장에서 진동하는 자석을 이용하여 코어부를 회전시킨다.
코어부의 회전 방향이 달라질 때마다 코어부는 극성의 방향이 바뀌도록 자화되며, 따라서, 코일이 권선된 코어부가 회전함에 따라서 전자기 유도에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 파워 케이블 주변 등 자기장이 형성되는 공간에서 활용될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 평면도를 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치의 측면도를 나타내는 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자석부를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코어부와 진동부를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 프레임(110), 자석부(120), 코어부(130), 진동부(140) 및 코일(미도시)을 포함한다.
프레임(110)에, 자석부(120) 및 코어부(130)가 결합되며, 실시예에 따라서 코일은 코어부(130)에 직접 권선되거나 또는 프레임(110)에 권선될 수도 있다. 그리고 진동부(140)는 코어부(130)에 결합된다.
자석부(120)는 프레임(110)의 일측면에 결합되며, 프레임(110)의 길이 방향에 평행하도록 결합된다. 그리고 실시예에 따라서는 한쌍의 자석부가 프레임의 일측면 및 타측면에 대칭 구조로 결합될 수 있다. 자석부(120)는 한쌍의 막대(121, 122) 및 영구 자석(123)을 포함하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 알파벳 H와 같은 형상일 수 있다. 한쌍의 막대(121, 122)는 철, 니켈 등과 같은 강자성체로 이루어지며 서로 마주보도록 배치되며, 한쌍의 막대(121, 122) 사이에 코어부(130)의 돌출부가 위치할 수 있도록 프레임(110)에 결합된다.
영구 자석(123)은 한쌍의 막대(121, 122)사이에서 막대와 결합되며, 막대 각각을 서로 다른 극성으로 자화시킨다. 예컨대 영구 자석(123)은 제1막대(121)를 N극으로 자화시키고, 제2막대(122)를 S극으로 자화시킬 수 있다. 영구 자석(123)의 길이는 한쌍의 막대(121, 122)의 길이보다 짧으며, 코어부가 막대와 접촉할 수 있도록 막대의 중심부에서 막대를 결합시킨다.
실시예에 따라서, 자석부(120)는 일면이 제1극성을 나타내고 타면이 제2극성을 나타내는 영구자석을 포함할 수도 있다.
코어부(130)는 강자성체로 이루어지며, 진동부(140)의 진동에 의해, 시소와 같이 회전축(150)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 자석부(120)에 접촉한다. 진동에 의해 자석부(120)에 접촉함으로써, 코어부(130)는 자화될 수 있다.
코어부(130)가 시계 방향으로 회전하여 자석부(120)에 접촉한 상태에서 자화된 코어부(130)의 자기력 방향과, 반시계 방향으로 회전하여 자석부(120)에 접촉한 상태에서 자화된 코어부(130)의 자기력 방향은 서로 반대 방향이 된다.
코어부(130)는 제1플레이트(131), 돌기(132, 133) 및 돌출부(134 내지 137)를 포함한다.
돌기(132, 133)는 회전축(160)에 대응되는 위치에 형성되며, 제1플레이트(131)의 측면에 형성된다. 프레임(110)에는 코어부(130)가 돌기(132, 133)를 중심으로 회전할 수 있도록, 돌기(132, 133)가 결합되는 홈(111)이 형성된다.
돌출부(134 내지 137)는 제1플레이트(131)로부터 제1플레이트(131)의 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출되며, 자석부(120)에 접촉할 수 있도록 접촉할 수 있도록 자석부(120)의 한쌍의 막대 사이에 배치된다. 돌출부는, 코어부(130)가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 제1극성으로 자화된 자석부의 제1막대(121)에 접촉하는 제1돌출부(134)와, 코어부(130)가 시계 방향으로 회전하는 경우, 제2극성으로 자화된 자석부의 제2막대(132)에 접촉하며, 제1돌출부(134)로부터 제1플레이트의 길이 방향으로 이격된 제2돌출부(136)를 포함할 수 있다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 코어부(130)는 제1돌출부(134)와 대칭 구조로 형성된 제3돌출부(135), 제2돌출부(136)와 대칭 구조로 형성된 제4돌출부(137)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 제3돌출부(135)는 프레임의 타측면에 결합된 자석부에서 제1극성으로 자화된 제1막대에 접촉될 수 있고, 제4돌출부(157)는 프레임의 타측면에 결합된 자석부에서 제2극성으로 자화된 제2막대에 접촉될 수 있다.
돌출부(134 내지 137)와 자석부(120)의 접촉 관계는 도 5 및 도 6에서 보다 자세히 설명된다.
진동부(140)는 외부 자기장에 의해 진동하며, 코어부(130)의 일단에 결합될 수 있다. 진동부(140)가 상하로 진동하면 코어부(130)가 회전할 수 있다. 진동부(140)가 위쪽 방향으로 진동하면 코어부(130)가 시계 방향으로 회전하고, 진동부(140)가 아랫쪽 방향으로 진동하면 코어부(130)가 반시계 방향으로 회전한다.
진동부(140)는 제2플레이트(141) 및 영구자석(142)을 포함한다. 제2플레이트(141)는 코어부(130)에 결합되며, 영구자석(142)은 제2플레이트(141)에 결합되어 파워 케이블에 의해 형성되는 외부 자기장에 의해 진동한다. 진동에 의한 영구자석(142)의 변위가 커질수 있도록 영구 자석(142)은 제2플레이트(141)의 일단에 결합될 수 있다. 영구 자석(142)의 진동에 의해 제2플레이트(141)가 진동하게 되고, 제2플레이트(141)의 진동에 의해 코어부(130)가 회전할 수 있다.
실시예에 따라서, 진동부(140)는 제2플레이트(141)의 일면에 위치하는 압전체(143)를 더 포함할 수 있다. 영구자석(142)의 진동에 의해 제2플레이트(141)는 휘어지며, 제2플레이트(141)의 휘어짐이 압전체(143)에 압력을 인가함으로써, 압전체(143)에서 전기 에너지가 생성될 수 있다.
프레임(110)에는 전술된 바와 같이, 홈(111)이 형성되며, 좌우 외벽(112, 113)에 의해 형성된 프레임의 내부 공간에 코일이 권선된 코어부가 배치될 수 있다.
일실시예로서, 코일이 권선되지 않은 코어부(130)가 배치된 내부 공간을 덮는 덮개가 외벽(112, 113) 상단에 부착될 수 있으며, 코일은 코어부(130)가 위치하는 프레임의 내부 공간의 외벽(112, 113)을 둘러싸도록 권선될 수 있다. 코일이 직접 코어부에 권선되는 경우, 코어부의 회전 운동으로 인해 코일이 프레임에 접촉하여 끊어질 수 있는데, 코일이 프레임에 권선될 경우 코어부의 회전 운동과 무관하기 때문에, 이러한 코일 손상이 방지될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 자석부가 이용되는 실시예를 도시하는 도면으로서, 설명의 편의를 위해 영구 자석은 생략되었다. 도 5는 코어부가 반시계 방향으로 회전한 상황을 나타내며, 도 6은 코어부가 시계 방향으로 회전한 상황을 나타낸다.
도 1, 도 2 및 도 5(a)를 참조하면, 진동부(140)가 아랫쪽 방향(510)으로 진동하여 코어부(130)가 반시계 방향으로 회전하면, 그에 따라 제1돌출부(134)가 제1막대(121)에 접촉하고 제2돌출부(136)가 제2막대(122)에 접촉한다.
제1막대(121) 및 제2막대(122)는 서로 다른 극성으로 자화된 상태이며, 예컨대 제1막대(121)가 N극, 제2막대(122)가 S극으로 자화된 상태인 경우, 제1돌출부(134) 영역은 N극과 접촉하므로 S극으로 자화되고, 제2돌출부(136) 영역은 S극과 접촉하므로 N극으로 자화된다. 결국, 코어부(130)는 도 5(b)와 같이 극성이 나타나도록 자화될 수 있다.
이후, 진동부(140)가 윗쪽 방향(520)으로 진동하여 코어부(130)가 시계 방향으로 회전하면, 그에 따라 제1돌출부(134)가 제2막대(122)에 접촉하고, 제2돌출부(136)가 제1막대(121)에 접촉한다. 따라서, 코어부(130)는 도 6(b)와 같이, 도 5(b)의 극성과는 반대로 극성이 나타나도록 자화될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 외부 자기장에 의한 진동으로 인해 코일이 권선된 코어부가 자화되며, 자화된 코어부의 극성이 진동 방향에 따라 변화되므로 전자기 유도에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코어부의 자기력 방향의 변화를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7(a)는 코어부가 반시계 방향으로 회전한 상황을 나타내며, 도 7(b)는 코어부가 시계 방향으로 회전한 상황을 나타낸다.
전술된 바와 같이, 자석부(120)는 일면이 제1극성을 나타내고 타면이 제2극성을 나타내는 영구자석일 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 일면이 N극 타면이 S극일 수 있다.
도 7(a)와 같이 진동부(140)가 아랫쪽 방향으로 진동하여 코어부(130)가 시계 방향으로 회전하여, 제1돌출부(134)가 N극인 영구자석의 일면에 접촉하는 경우, 도 5(b)와 같은 극성으로 자화될 수 있다.
그리고 도 7(b)와 같이, 진동부(140)가 윗쪽 방향으로 진동하여 코어부(130)가 시계 방향으로 회전하면, 제2돌출부(136)가 N극인 영구자석의 일면에 접촉하여, 코어부(130)가 도 6(b) 와 같은 극성으로 자화될 수 있다.
따라서, 도 5 및 도 6에서 설명된 바와 같이, 전자기 유도에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 프레임;
    상기 프레임의 측면에 결합되는 자석부;
    외부 자기장에 의해 진동하는 진동부;
    상기 진동부의 진동에 의해, 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉하는 강자성체로 이루어진 코어부; 및
    상기 코어부에 권선되는 코일을 포함하며,
    상기 시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향은,
    상기 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서 자화된 상기 코어부의 자기력 방향과 반대 방향인
    자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부는
    상기 코어부에 결합된 제1플레이트;
    상기 제1플레이트에 결합되어, 파워 케이블에 의해 형성되는 상기 외부 자기장에 의해 진동하는 영구자석
    을 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 진동부는
    상기 제1플레이트의 일면에 위치하는 압전체
    를 더 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코어부는
    상기 진동부와 결합되는 제2플레이트;
    상기 회전축에 대응되는 위치에 형성되며, 상기 제2플레이트의 측면에 형성되는 돌기; 및
    상기 제2플레이트로부터 돌출되어 상기 자석부에 접촉하는 복수의 돌출부
    를 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자석부는
    강자성체로 이루어지며, 서로 마주보는 한쌍의 막대; 및
    상기 막대와 결합되며, 상기 한쌍의 막대 각각을 서로 다른 극성으로 자화시키는 영구자석
    을 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 돌출부는
    상기 코어부가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 제1극성으로 자화된 상기 자석부의 제1막대에 접촉하는 제1돌출부; 및
    상기 코어부가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 제2극성으로 자화된 상기 자석부의 제2막대에 접촉하며, 상기 제1돌출부로부터 상기 플레이트의 길이 방향으로 이격된 제2돌출부
    를 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1돌출부는
    상기 코어부가 시계 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2막대에 접촉하며,
    상기 제2돌출부는
    상기 코어부가 시계 방향으로 회전하는 경우, 상기 제1막대에 접촉하는
    자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 자석부는
    일면이 제1극성을 나타내고 타면이 제2극성을 나타내는 영구자석을 포함하며,
    상기 돌출부는
    상기 코어부가 반시계 방향으로 회전한 경우 상기 자석의 일면에 접촉하는 제1돌출부; 및
    상기 코어부가 시계 방향으로 회전한 경우, 상기 자석의 일면에 접촉하며, 상기 제1돌출부로부터 상기 플레이트의 길이 방향으로 이격된 제2돌출부
    를 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  9. 프레임;
    상기 프레임의 측면에 결합되는 한쌍의 자석부;
    외부 자기장에 의해 진동하는 진동부;
    상기 진동부의 진동에 의해, 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉하는 강자성체로 이루어진 코어부; 및
    상기 코어부가 위치하는 상기 프레임의 내부 공간의 외벽에 권선되는 코일을 포함하며,
    상기 시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서의 상기 강자성체의 자기력 방향은,
    상기 반시계 방향으로 회전하여 상기 자석부에 접촉한 상태에서의 자기력 방향과 반대 방향인
    자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 진동부는
    상기 코어부에 결합된 플레이트; 및
    상기 플레이트에 결합되어, 파워 케이블에 의해 형성되는 상기 외부 자기장에 의해 진동하는 영구자석
    을 포함하는 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
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CN113960507A (zh) * 2021-10-20 2022-01-21 全球能源互联网研究院有限公司 一种三维空间磁场信息和能量获取的装置

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