WO2023106577A1 - 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록 - Google Patents

전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록 Download PDF

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WO2023106577A1
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WO
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lever
external force
electromagnetic induction
unit
energy harvester
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PCT/KR2022/014193
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English (en)
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성모세
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주식회사 휴젝트
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/04—Ball or roller bearings, e.g. with resilient rolling bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines

Definitions

  • the present invention relates to an energy harvester and an energy harvesting block using electromagnetic induction, and more particularly, to an energy harvester and an energy harvesting block that generate electric energy by converting an external force applied in a vertical direction into rotational motion.
  • Energy harvesting technology refers to a technology that collects energy that is wasted in daily life, such as vibration, light, heat, and electromagnetic waves, and converts it into usable electrical energy, and active research is being conducted in very diverse fields.
  • an energy harvesting device using electromagnetic induction is simple in principle and easy to implement, and thus is applied to various products.
  • An object of the present invention is to provide an energy harvester and an energy harvesting block that generate electric energy by converting vertical motion by an external force into rotational motion.
  • the present invention is to provide an energy harvester and an energy harvesting block with improved durability.
  • the present invention is to provide an energy harvester and an energy harvesting block with improved harvesting efficiency.
  • the magnet portion a coil unit including a coil and disposed around the magnet unit; a rotation movement unit for rotating the magnet or coil unit; a lever for rotating the rotary motion unit; an external force transmitting unit that moves in the direction of the lever by an external force, rotates the lever in a first direction around the axis of rotation of the lever, and transmits the external force to different points of the lever according to the magnitude of the external force; and an energy harvester using electromagnetic induction including an elastic body for rotating the lever in a second direction.
  • a substrate for rotating the magnet part or the coil part, a rotary motion unit including at least one gear; a lever for rotating the rotary motion unit; an external force transmitting unit that moves in the direction of the lever by an external force and rotates the lever in a first direction about the axis of rotation of the lever; an elastic body that rotates the lever in a second direction; and a ball bearing reducing friction between the gear and the substrate or between the magnet part and the coil part.
  • At least one energy harvester for achieving the above object, at least one energy harvester; a housing having the energy harvester disposed therein and having an open top; and an upper cover coupled to an upper portion of the housing to seal the housing and extending toward an inside of the housing by an external force
  • the energy harvester includes a magnet unit; a coil unit including a coil and disposed around the magnet unit; a rotation movement unit for rotating the magnet or coil unit; a lever for rotating the rotary motion unit; an external force transmitting unit that moves in the direction of the lever by the extension of the upper cover and rotates the lever in a first direction around the axis of rotation of the lever; and an energy harvesting block using electromagnetic induction including an elastic body for rotating the lever in a second direction.
  • harvesting efficiency can be increased by rotating the coil unit in the opposite direction to the rotation direction of the magnet unit.
  • harvesting efficiency can be increased by maximizing the amount of rotation of the magnet part or the amount of rotation of the coil part according to use environments with different external forces.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an energy harvester using electromagnetic induction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining another external force transmission unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining another external force transmission unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a rotation motion unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing one side of a gear into which a ball bearing is inserted according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 8 are views for explaining an energy harvesting block using electromagnetic induction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an energy harvester using electromagnetic induction according to an embodiment of the present invention.
  • An energy harvester generates electric energy by rotating a magnet or a coil using an external force applied from the outside.
  • the external force applied from the outside may vary depending on the use environment of the energy harvester. For example, when the energy harvester is used for a sidewalk block, the external force may be pressure due to the weight of a pedestrian walking on the sidewalk block.
  • an energy harvester includes an external force transmission unit 110, a lever 120, a rotational movement unit 130, a magnet unit 140, a coil unit 150, and an elastic body 160. ) and may further include a support, a housing 160 and a plate according to embodiments.
  • the external force transmitter 110 transmits the external force to the lever 120 .
  • the external force may be applied in a vertical direction with respect to the substrate of the housing 160, and the external force transmission unit 110 moves in the direction of the lever by the external force, and the lever 120 rotates around the rotation axis 121 of the lever 120. rotate in the first direction.
  • the external force transmitter 110 transfers the external force to different points of the lever 120 according to the magnitude of the external force. That is, the force point of the lever 120 to which the external force is applied varies according to the magnitude of the external force.
  • the external force transmitter 110 transfers the external force to a point closer to the axis of rotation 121 of the lever as the external force increases, and transmits the external force to a point farther from the axis of rotation 121 of the lever as the external force decreases.
  • the magnitude of the force for rotating the lever 120 should be increased, but the displacement of the point of action may be greater than the displacement of the point of force.
  • the magnitude of the force for rotating the lever 120 may be relatively small, but the movement displacement of the point of action may be smaller than the movement displacement of the force point.
  • the rotational displacement of the lever 120 increases, so that the amount of power generation also increases.
  • a relatively large external force is applied, such as when the pedestrian is an adult, it is advantageous in terms of power generation efficiency that the external force is applied to a point close to the rotational axis 121 of the lever.
  • a relatively small external force is applied, such as when a pedestrian is a child, when the external force is applied to a point close to the rotational axis 121 of the lever, the rotational axis of the lever 121 may not rotate. Applying an external force to a point far from (121) is advantageous in terms of securing a stable amount of power generation.
  • the external force transmission unit 110 transmits the external force to different points of the lever 120 according to the magnitude of the external force so that high power generation efficiency can be provided and the amount of power generated can be stably secured in an environment where external forces of various sizes are applied. .
  • a plate may be disposed on the external force transmission unit 110, and the external force transmission unit 110 may move in a lever direction by an external force applied to the plate.
  • the lever 120 rotates the rotary motion unit 130 .
  • the lever 120 may be rotated in a first direction by an external force transmitted by the external force transmitter 110, and the rotary motion unit 130 may be rotated by a force of the lever 120 rotating in the first direction.
  • the rotation shaft 121 of the lever may be coupled to the support.
  • a tooth may be formed at one end, which is an action point of the lever 120, and the tooth may be coupled with a gear included in the rotation unit 130.
  • the rotation unit 130 may rotate while the gear coupled with the saw tooth rotates in the second direction, which is the opposite direction.
  • the rotation movement unit 130 rotates the magnet unit 140 or the coil unit 150 .
  • the rotary motion unit 130 is rotated by a lever, and rotates the magnet unit 140 or the coil unit 150 with this rotational force.
  • the rotary motion unit 130 may include a plurality of gears.
  • the magnet unit 140 includes a plurality of magnets, and as an example, may be a cylindrical rotor. A magnet may be disposed on an outer circumferential surface of the rotor.
  • the coil unit 150 includes a coil and is disposed around the magnet unit 140 .
  • the coil unit 150 has a cylindrical shape, and a cylindrical cavity may be formed in the coil unit 150 so that the rotor can be inserted into the coil unit 150 .
  • the coil unit 150 may have a shape like an inverted cup.
  • the rotor may be inserted into the inside of the cup, that is, the cavity, and the coil may be disposed in the coil unit 150 such that the magnet of the rotor and the coil face each other.
  • the diameter of the cavity may be designed to be larger than the diameter of the rotor so that the magnet part 140 or the coil part 150 can rotate.
  • the magnet part 140 or the coil part 150 may include a gear that is coupled with a gear of the rotary motion part 130 so as to rotate according to the rotation of the rotation motion part 130 .
  • the elastic body rotates the lever 120 in the second direction.
  • the second direction is opposite to the first direction.
  • the elastic body rotates the lever 120 in the second direction, so that in a situation where the external force is applied again, the lever 120 can be rotated in the first direction by the external force.
  • FIG. 2 is a view for explaining another external force transmission unit according to an embodiment of the present invention.
  • the rotation shaft 121 of the lever may be coupled to the support part 170 , and the support part 170 may be vertically fixed to the substrate of the housing 160 .
  • the support part 170 may include a side substrate 172 and an upper substrate 171, and the rotation shaft 121 may be coupled to the side substrate 172.
  • the elastic body 180 may be disposed between the upper substrate 171 where the through hole is formed and the lever 120 .
  • the external force transmitting unit 110 includes at least one pushing rod 111 to 114, which are spaced apart from each other by different distances from the rotating shaft 121 . Further, the pushing rods 111 to 114 are disposed while penetrating the through hole of the upper substrate 171 and move in the direction of the lever by an external force. 2 shows an embodiment in which four pushing rods are used, and the number and location of the pushing rods may be variously determined according to the embodiment.
  • the lever 120 can be rotated by pressing the lever even with a relatively weak external force, and the first pushing rod 111 can rotate the rotating shaft 121. Since it is closest to ), the lever 120 can be rotated in the first direction 122 by pressing the lever by a relatively strong external force. That is, as the external force increases, the lever 120 can be rotated by pressing the lever 120 in the order from the fourth pushing rod 114 to the first pushing rod 111, and the force of the pushing rod pressing the lever 120 As the number increases, the rotational displacement of the lever 120 also increases. And as the rotational displacement of the lever increases, the amount of power generation increases.
  • a tooth is formed at one end of the lever 120, and the tooth may be coupled with a gear included in the rotation unit 130.
  • One end of the lever 120 has a curved shape, and therefore, the circular gear coupled to the tooth can rotate in the opposite direction to the rotation direction of the lever 120 without separating the tooth and the gear.
  • FIG. 3 is a view for explaining another external force transmission unit according to another embodiment of the present invention.
  • the external force transmitting unit 110 may be formed of a single plate rather than a plurality of pushing rods separated from each other.
  • the plate-shaped external force transmitter 110 is also disposed passing through the through hole of the upper substrate 171 and moves in the direction of the lever by the external force.
  • the external force transmitter 110 may include an upper surface 115 to which an external force is applied and a lower surface 116 facing the lever 120 and contacting the lever 120 .
  • the lower surface 116 has a curved shape, and may have a curved shape in which the distance between the upper surface 115 and the lower surface 116 becomes shorter from one end to the other end closer to the rotation shaft 121 than from one end. That is, the distance L1 between the upper and lower surfaces at one end of the external force transmission unit is longer than the distance L2 between the upper and lower surfaces at the other end of the external force transmission unit.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a rotation motion unit according to an embodiment of the present invention.
  • the rotary motion unit 130 includes a plurality of gears for rotating the magnet unit or the coil unit while rotating according to the rotation of the lever.
  • the rotary motion unit 130 includes a pinion gear 431, a bevel gear 432 and 433, a compound gear 435, and a spur gear 434 and 436.
  • the pinion gear 431 coupled with the teeth of the lever 120 rotates in the opposite direction to the rotational direction of the lever 120, and as the pinion gear 431 rotates, the bevel gears 432 and 433 rotate.
  • the spur gear 434 coupled with the bevel gear 433 rotates
  • the spur gear 434 rotates the compound gear 435 coupled with the two spur gears rotate
  • the spur gear 436 coupled to the magnet portion 140 rotates, and the magnet portion 140 may rotate.
  • the ball bearing 500 is used to reduce friction between the gear and the substrate 160 or between the magnet part 140 and the coil part 150.
  • the ball bearing 500 may be inserted into one of the gears of the substrate 160 and the rotational unit 130 or may be inserted into one of the magnet unit 140 and the coil unit 150 .
  • 4 shows a ball bearing 500 inserted into a gear as an embodiment.
  • FIG. 5 is a view showing one side of a gear into which a ball bearing is inserted according to an embodiment of the present invention.
  • the gear into which the ball bearing 500 is inserted is a gear whose teeth are not formed facing the substrate 160, and may be the aforementioned spur gears 434 and 436 or the compound gear 435.
  • One surface of the gear facing the substrate 160 may include the ring-shaped insertion groove 510 shown in FIG. 5 (a) or the circular insertion groove 520 shown in FIG. 5 (b), and the insertion groove The ball bearing 500 is inserted into (510, 520).
  • the ball bearing 500 is made of an elastic material such as reinforced plastic, and the width w of the opening of the ring-shaped insertion groove 510 or the diameter of the opening of the circular insertion groove 520 is the diameter of the ball bearing 500. smaller than Therefore, the ball bearing 500 can be inserted into the insertion grooves 510 and 520, but cannot come out of the insertion grooves 510 and 520 after being inserted into the insertion grooves 510 and 520.
  • the aforementioned insertion groove may be formed in the substrate 160 facing the gear, and the aforementioned insertion groove may be formed in the magnet part 140 or the coil part 150.
  • FIGS. 6 to 8 are views for explaining an energy harvesting block using electromagnetic induction according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a plan view of the energy harvesting block
  • FIGS. 7 and 8 are energy harvesting blocks.
  • a cross-sectional view of the ting block is shown.
  • Figure 8 shows a state in which the upper cover is extended.
  • an energy harvesting block includes at least one energy harvester, a housing 610 and an upper cover.
  • An energy harvester is disposed inside the housing 610 with an open top, and the energy harvester is an energy harvester using electromagnetic induction, which is the energy harvester described in FIGS. 1 to 5 or does not use the pushing rod or ball bearing described above. It can be an energy harvester.
  • the housing 610 may have a hexagonal shape.
  • the upper cover is coupled to the top of the housing 610 to seal the housing 610 . Since the housing 610 is sealed, damage to the energy harvester due to moisture or foreign substances can be prevented. In addition, in order to transmit an external force to the energy harvester in a state in which the housing 610 is sealed, the upper cover may be extended toward the inside of the housing 610 by the external force, as shown in FIG. 8 . In addition, the upper cover may be made of an elastic material so that the upper cover extends toward the inside of the housing 610 . The external force transmitter of the energy harvester moves in the direction of the lever due to the extension of the upper cover, and rotates the lever in the first direction around the axis of rotation of the lever.
  • the upper cover includes a central substrate 621 disposed at the center of the upper cover and an elastic substrate 622 made of a transparent elastic body.
  • the elastic substrate 622 may be made of an elastic reinforced plastic material, and the central substrate 621 may also be made of an elastic reinforced plastic or metal material.
  • the energy harvester may be disposed inside the housing 160 so that the external force transmission unit of the energy harvester is positioned below the central substrate 621 . In order to induce a pedestrian to step on the central board 621, a shoe image or the like may be displayed on the central board 621.
  • the central substrate 621 may be coupled to a lower surface of the elastic substrate 622 or, as shown in FIG. 7 , the elastic substrate 622 may be coupled to a side surface of the central substrate 621 .
  • the height of the central substrate 621 may be higher than that of the elastic substrate 622 .
  • the separation distance between the central substrate 621 and the energy harvester may be shorter than the separation distance between the elastic substrate 622 and the energy harvester, so even if the displacement of the central substrate 621 is not large, the central substrate 621 ) can easily reach the external force transmission unit by external force.
  • a light emitting element may be disposed below the elastic substrate 622 , and the light emitting element may emit light by energy generated by the energy harvester. Light from the light emitting device can pass through the transparent elastic substrate 622, and a pedestrian can visually confirm that energy harvesting is performed by walking.

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Abstract

전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터가 개시된다. 개시된 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터는 자석부; 코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부; 상기 자석부 또는 코일부를 회전시키는 회전 운동부; 상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대; 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키며, 상기 외력의 크기에 따라 상기 지렛대의 서로 다른 지점으로 상기 외력을 전달하는 외력 전달부; 및 상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체를 포함한다.

Description

전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록
본 발명은 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 방향으로 인가되는 외력을 회전 운동으로 변환하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록에 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.
특히, 전자기 유도를 이용하는, 에너지를 하베스팅 장치는 원리가 간단하고 구현이 용이하여, 다양한 제품에 응용되고 있다.
본 발명은 외력에 의한 수직 운동을 회전 운동으로 변환하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 보다 내구성이 향상된 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은, 보다 하베스팅 효율이 향상된 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자석부; 코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부; 상기 자석부 또는 코일부를 회전시키는 회전 운동부; 상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대; 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키며, 상기 외력의 크기에 따라 상기 지렛대의 서로 다른 지점으로 상기 외력을 전달하는 외력 전달부; 및 상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판; 자석부; 코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부; 상기 기판 상에서, 상기 자석부 또는 코일부를 회전시키며, 적어도 하나의 기어를 포함하는 회전 운동부; 상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대; 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키는 외력 전달부; 상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체; 및 상기 기어와 상기 기판 사이 또는 상기 자석부와 상기 코일부 사이의 마찰을 감소시키는 볼 베어링을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 에너지 하베스터; 내부에 상기 에너지 하베스터가 배치되며, 상부가 개방된 하우징; 및 상기 하우징의 상부에 결합되어 상기 하우징을 밀봉하며, 외력에 의해 상기 하우징의 내부 방향으로 신장되는 상부 커버를 포함하며, 상기 에너지 하베스터는 자석부; 코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부; 상기 자석부 또는 코일부를 회전시키는 회전 운동부; 상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대; 상기 상부 커버의 신장에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키는 외력 전달부; 및 상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 자석부의 회전 방향과 반대 방향으로 코일부를 회전시킴으로써, 하베스팅 효율이 높아질 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 외력이 서로 다른 사용 환경에 따라서 자석부의 회전량이나 코일부의 회전량을 최대화함으로써, 하베스팅 효율이 높아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 다른 외력 전달부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 다른 외력 전달부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회전 운동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼 베어링이 삽입되는 기어의 일면을 도시하는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록을 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.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터는 외부에서 인가되는 외력을 이용하여 자석 또는 코일을 회전시켜 전기 에너지를 생성한다. 외부에서 인가되는 외력은 에너지 하베스터의 사용 환경에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 에너지 하베스터가 보도 블록에 이용될 경우, 외력은 보도 블록 위를 걷는 보행자의 무게에 의한 압력일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터는 외력 전달부(110), 지렛대(120), 회전 운동부(130), 자석부(140), 코일부(150) 및 탄성체(160)를 포함하며 실시예에 따라서, 지지부, 하우징(160) 및 플레이트 등을 더 포함할 수 있다.
외력 전달부(110)는 외력을 지렛대(120)로 전달한다. 외력은 하우징(160)의 기판에 대해 수직 방향으로 인가될 수 있으며, 외력 전달부(110)는 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 지렛대(120)의 회전축(121)을 중심으로 지렛대(120)를 제1방향으로 회전시킨다. 이 때, 외력 전달부(110)는 외력의 크기에 따라 지렛대(120)의 서로 다른 지점으로 외력을 전달한다. 즉, 외력의 크기에 따라, 외력이 인가되는 지렛대(120)의 힘점이 달라진다. 일실시예로서, 외력 전달부(110)는 외력이 증가할수록 지렛대의 회전축(121)에 가까운 지점으로 외력을 전달하며, 외력이 감소할수록 지렛대의 회전축(121)과 먼 지점으로 외력을 전달한다.
지렛대의 원리에 따르면, 지렛대의 회전축(121)과 가까운 지점에 힘이 작용하는 경우, 지렛대(120)를 회전시키기 위한 힘의 크기가 커져야 하지만, 힘점의 이동 변위보다 작용점의 이동 변위가 클 수 있다. 반면, 지렛대의 회전축(121)과 먼 지점에 힘이 작용하는 경우에는, 지렛대(120)를 회전시키기 위한 힘의 크기가 상대적으로 작을 수 있지만, 힘점의 이동 변위보다 작용점의 이동 변위가 작을 수 있다.
후술되지만 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터에서는, 지렛대(120)의 회전 이동 변위가 클수록, 자석부(140) 또는 코일부(150)의 회전 이동 변위도 증가하여 발전량 역시 증가하며, 이러한 조건에서 보행자가 어른인 경우와 같이 비교적 큰 외력이 인가되는 경우에는, 지렛대의 회전축(121)과 가까운 지점으로 외력이 인가되는 것이 발전 효율 측면에서 유리하다. 반면 보행자가 어린아이인 경우와 같이 상대적으로 작은 외력이 인가되는 경우에는, 지렛대의 회전축(121)과 가까운 지점으로 외력이 인가될 때, 지렛대(121)가 회전하지 못할 수도 있기 때문에, 지렛대의 회전축(121)과 먼 지점으로 외력이 인가되는 것이, 안정적인 발전량 확보 측면에서 유리하다.
외력 전달부(110)는 다양한 크기의 외력이 인가되는 환경에서 높은 발전 효율이 제공됨과 동시에 안정적으로 발전량이 확보될 수 있도록, 외력의 크기에 따라 지렛대(120)의 서로 다른 지점으로 외력을 전달한다.
실시예에 따라서, 외력 전달부(110)의 위에는 플레이트가 배치될 수 있으며, 플레이트로 인가되는 외력에 의해, 외력 전달부(110)는 지렛대 방향으로 이동할 수 있다.
지렛대(120)는 회전 운동부(130)를 회전시킨다. 지렛대(120)는 외력 전달부(110)가 전달하는 외력에 의해 제1방향으로 회전하고, 지렛대(120)가 제1방향으로 회전하는 힘에 의해 회전 운동부(130)는 회전할 수 있다. 지렛대의 회전축(121)은 지지부에 결합될 수 있다.
지렛대(120)의 작용점인 일단에는 톱니가 형성될 수 있으며, 톱니는 회전 운동부(130)에 포함된 기어와 결합될 수 있다. 지렛대(120)가 제1방향으로 회전할 경우, 톱니와 결합된 기어가 반대 방향인 제2방향으로 회전하면서, 회전 운동부(130)가 회전할 수 있다.
회전 운동부(130)는 자석부(140) 또는 코일부(150)를 회전시킨다. 회전 운동부(130)는 지렛대에 의해 회전하며, 이러한 회전력으로 자석부(140) 또는 코일부(150)를 회전시킨다. 회전 운동부(130)는 복수의 기어를 포함할 수 있다.
자석부(140)는 복수의 자석을 포함하며, 일실시예로서, 원통형의 로터일 수 있다. 로터의 외주면에 자석이 배치될 수 있다.
코일부(150)는 코일을 포함하며, 자석부(140) 주변에 배치된다. 코일부(150)는 일실시예로서, 원통형 형상이며, 로터가 코일부(150)에 삽입될 수 있도록 코일부(150)에는 원통형의 캐비티가 형성될 수 있다. 다시 말해, 코일부(150)는 뒤집어진 컵과 같은 형상일 수 있다. 컵의 내부 즉, 캐비티에 로터가 삽입되며, 로터의 자석과 코일이 서로 마주보도록, 코일부(150)에 코일이 배치될 수 있다. 자석부(140) 또는 코일부(150)가 회전할 수 있도록, 캐비티의 지름은, 로터의 지름보다 크도록 설계될 수 있다.
자석부(140) 또는 코일부(150)는 회전 운동부(130)의 회전에 따라 회전할 수 있도록, 회전 운동부(130)의 기어와 결합되는, 기어를 포함할 수 있다.
탄성체는 지렛대(120)를 제2방향으로 회전시킨다. 제2방향은 제1방향의 반대 방향이다. 외력이 소멸한 상황에서, 탄성체가 지렛대(120)를 제2방향으로 회전시킴으로써, 다시 외력이 인가되는 상황에서 지렛대(120)는 외력에 의해 제1방향으로 회전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 다른 외력 전달부를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 지렛대의 회전축(121)은 지지부(170)에 결합될 수 있으며, 지지부(170)는 하우징(160)의 기판에 수직으로 고정될 수 있다. 지지부(170)는 측면 기판(172)과 상부 기판(171)을 포함할 수 있으며, 측면 기판(172)에 회전축(121)이 결합될 수 있다. 그리고 탄성체(180)는 관통홀이 형성되는 상부 기판(171)과, 지렛대(120) 사이에 배치될 수 있다.
외력 전달부(110)는 회전축(121)으로부터 서로 다른 거리만큼씩 이격되어 배치되는 적어도 하나의 푸싱 로드(111 내지 114, pushind rod)를 포함한다. 그리고 푸싱 로드(111 내지 114)는 상부 기판(171)의 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동한다. 도 2에는 4개의 푸싱 로드가 이용되는 실시예가 도시되며, 푸싱 로드의 개수와 위치 등은 실시예에 따라서 다양하게 결정될 수 있다.
제4푸싱 로드(114)가 회전축(121)으로부터 가장 멀리 이격되어 있기 때문에, 상대적으로 약한 외력에도 지렛대를 눌러, 지렛대(120)가 회전할 수 있으며, 제1푸싱 로드(111)는 회전축(121)과 가장 가깝기 때문에 상대적으로 강한 외력에 의해 지렛대를 눌러, 지렛대(120)가 제1방향(122)으로 회전할 수 있다. 즉, 외력이 커질수록 제4푸싱 로드(114)에서 제1푸싱 로드(111)의 순서로 지렛대(120)를 눌러, 지렛대(120)를 회전시킬 수 있으며, 지렛대(120)를 누르는 푸싱 로드의 개수가 증가할수록, 지렛대(120)의 회전 변위 역시 증가한다. 그리고 지렛대의 회전 변위가 증가할수록 발전량은 증가한다.
그리고 전술된 바와 같이, 지렛대(120)의 일단에는 톱니가 형성되며, 톱니는 회전 운동부(130)에 포함된 기어와 결합될 수 있다. 지렛대(120)의 일단은 곡면 형상이며 따라서, 톱니와 기어가 분리되지 않으면서, 지렛대(120)의 회전 방향과 반대 방향으로, 톱니에 결합된 원형의 기어가 회전할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 다른 외력 전달부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 외력 전달부(110)는 서로 분리된 복수의 푸싱 로드가 아닌, 하나의 플레이트로 이루어질 수 있다. 플레이트 형상의 외력 전달부(110) 역시 상부 기판(171)의 관통홀을 관통한 상태로 배치되며, 외력에 의해 지렛대 방향으로 이동한다.
외력 전달부(110)는 외력이 인가되는 상부면(115)과, 지렛대(120)와 마주보며, 지렛대(120)와 접촉하는 하부면(116)을 포함할 수 있다. 하부면(116)은 곡면 형상으로서, 상부면(115)과 하부면(116) 사이의 거리가 일단에서, 일단보다 회전축(121)에 가까운 타단으로 갈수록 짧아지는 형태의 곡면 형상일 수 있다. 즉, 외력 전달부의 일단에서의 상부면과 하부면 사이의 거리(L1)는 외력 전달부의 타단에서의 상부면과 하부면 사이의 거리(L2)보다 길다.
따라서, 외력이 상대적으로 약한 경우에도, 하부면(116)과 지렛대(120) 사이의 접촉 위치가 회전축(121)으로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에, 지렛대(120)가 회전할 수 있으며, 외력이 증가하여 외력 전달부(110)가 지렛대 방향으로 이동하는 거리가 증가하면, 하부면(116)과 지렛대(120) 사이의 접촉 위치가 회전축(121)에 가깝게 이동하면서, 지렛대(120)의 회전 변위가 증가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회전 운동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 회전 운동부(130)는 지렛대의 회전에 따라 회전하면서, 자석부 또는 코일부를 회전시키기 위한 복수의 기어를 포함한다. 회전 운동부(130)는 피니언 기어(Pinion gear, 431), 베벨 기어(Bevel gear, 432, 433), 컴파운드 기어(Coumpound gear, 435), 평기어(Spur gear, 434, 436) 등을 포함한다.
지렛대(120)의 톱니와 결합되는 피니언 기어(431)는 지렛대(120)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하며, 피니언 기어(431)가 회전함에 따라, 베벨 기어(432, 433)가 회전한다. 베벨 기어(433)가 회전함에 따라, 베벨 기어(433)와 결합된 평기어(434)가 회전하며, 평기어(434)가 회전함에 따라, 2개의 평기어가 결합된 컴파운드 기어(435)가 회전한다. 그리고 컴파운드 기어(435)가 회전함에 따라, 자석부(140)와 결합된 평기어(436)가 회전하면서, 자석부(140)가 회전할 수 있다.
한편, 회전 운동부(130)의 기어가 회전하면서, 기판(160)과 기어, 예컨대, 기판(160)과 평기어(434, 436), 컴파운드 기어(435) 등의 사이에 마찰이 발생하며, 이러한 마찰은 하베스팅 효율을 떨어뜨린다. 그리고 이러한 마찰은 기판(160)과 기어 사이 뿐만 아니라 자석부(140)와 코일(151)이 배치된 코일부(150) 사이에서도 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 일실시예는 기어와 기판(160) 사이 또는 자석부(140)와 코일부(150) 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 볼 베어링(500)을 이용한다. 볼 베어링(500)은 기판(160) 및 회전 운동부(130)의 기어 중 하나에 삽입되거나, 또는 자석부(140) 및 코일부(150) 중 하나에 삽입될 수 있다. 도 4에는 기어에 삽입된 볼 베어링(500)이, 일실시예로서 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼 베어링이 삽입되는 기어의 일면을 도시하는 도면이다.
볼 베어링(500)이 삽입되는 기어는, 톱니가 형성되지 않은 일면이 기판(160)과 마주보는 기어로서, 전술된 평기어(434, 436), 컴파운드 기어(435) 등일 수 있다.
기판(160)과 마주보는 기어의 일면은 도 5(a)에 도시된 링형의 삽입홈(510) 또는 도 5(b)에 도시된 원형의 삽입홈(520)을 포함할 수 있으며, 삽입홈(510, 520)에 볼 베어링(500)이 삽입된다.
볼 베어링(500)은 강화 플라스틱과 같은 탄성 재료로 이루어지며, 링형 삽입홈(510)의 개구부의 폭(w) 또는 원형의 삽입홈(520)의 개구부의 지름은, 볼 베어링(500)의 지름보다 작다. 따라서, 볼 베어링(500)은 삽입홈(510, 520)에 삽입될 수 있지만, 삽입홈(510, 520)에 삽입된 이후에는, 삽입홈(510, 520)으로부터 빠져나오지 못한다.
실시예에 따라서, 전술된 삽입홈은 기어와 마주보는 기판(160)에 형성될 수 있으며, 전술된 삽입홈은 자석부(140)나 코일부(150)에 형성될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록을 설명하기 위한 도면으로서, 도 6은 에너지 하베스팅 블록의 평면도를 도시하며, 도 7 및 도 8은 에너지 하베스팅 블록의 단면도를 도시한다. 그리고 도 8은 상부 커버가 신장된 모습을 도시한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 블록은 적어도 하나의 에너지 하베스터, 하우징(610) 및 상부 커버를 포함한다.
상부가 개방된 하우징(610)의 내부에 에너지 하베스터가 배치되며, 에너지 하베스터는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터로서, 도 1 내지 도 5에서 설명된 에너지 하베스터이거나 전술된 푸싱 로드나 볼 베어링을 이용하지 않는 에너지 하베스터일 수 있다. 하우징(610)은 일실시예로서, 육각형 형상일 수 있다.
상부 커버는 하우징(610)의 상부에 결합되어 하우징(610)을 밀봉한다. 하우징(610)이 밀봉됨으로서, 습기나 이물질에 의해 에너지 하베스터의 파손이 방지될 수 있다. 그리고 하우징(610)이 밀봉된 상태에서 에너지 하베스터로 외력을 전달하기 위해, 상부 커버는 외력에 의해 도 8과 같이, 하우징(610)의 내부 방향으로 신장될 수 있다. 그리고 상부 커버가 하우징(610)의 내부 방향으로 신장되도록 하기 위해, 상부 커버는 탄성 재료로 이루어질 수 있다. 에너지 하베스터의 외력 전달부는 상부 커버의 신장에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 지렛대의 회전축을 중심으로 지렛대를 제1방향으로 회전시킨다.
상부 커버는, 상부 커버의 중앙에 배치되는 중앙 기판(621) 및 투명한 탄성체로 이루어진 탄성 기판(622)을 포함한다. 탄성 기판(622)은 탄성이 있는 강화 플라스틱 재질일 수 있으며, 중앙 기판(621) 역시 탄성이 있는 강화 플라스틱이나 금속 재질일 수 있다. 에너지 하베스터의 외력 전달부가 중앙 기판(621)의 아래에 위치하도록, 에너지 하베스터는 하우징(160) 내부에 배치될 수 있다. 그리고 보행자가 중앙 기판(621)을 밟는 것을 유도하기 위해, 중앙 기판(621)에는 신발 이미지 등이 표시될 수 있다.
중앙 기판(621)은 탄성 기판(622)의 하부면에 결합되거나 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 탄성 기판(622)은 중앙 기판(621)의 측면에 결합될 수 있다. 이 때, 중앙 기판(621)의 높이는 탄성 기판(622)의 높이보다 높을 수 있다. 다시 말해, 중앙 기판(621)과 에너지 하베스터 사이의 이격 거리는, 탄성 기판(622)과 에너지 하베스터 사이의 이격 거리보다 짧을 수 있으며, 따라서 중앙 기판(621)의 이동 변위가 크지 않더라도, 중앙 기판(621)은 외력에 의해 용이하게 외력 전달부에 도달할 수 있다.
탄성 기판(622)의 아래에는 발광 소자가 배치될 수 있으며, 발광 소자는 에너지 하베스터에 의해 생성된 에너지에 의해 발광할 수 있다. 발광 소자의 빛은 투명한 탄성 기판(622)을 투과할 수 있으며, 보행자는 자신의 보행에 의해 에너지 하베스팅이 이루어짐을 육안으로 확인할 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 (16)

  1. 자석부;
    코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부;
    상기 자석부 또는 코일부를 회전시키는 회전 운동부;
    상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대;
    외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키며, 상기 외력의 크기에 따라 상기 지렛대의 서로 다른 지점으로 상기 외력을 전달하는 외력 전달부; 및
    상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체
    를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 외력 전달부는
    상기 외력이 증가할수록 상기 회전축에 가까운 지점으로 상기 외력을 전달하는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 외력 전달부는
    상기 회전축으로부터 서로 다른 거리만큼씩 이격되어 배치되는 적어도 하나의 푸싱 로드
    를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전축이 결합되며, 상기 푸싱 로드가 관통하는 복수의 관통홀을 포함하는 지지부를 더 포함하는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 지지부는
    상기 회전축이 결합되는 측면 기판; 및
    상기 관통홀이 형성된 상부 기판을 포함하며,
    상기 탄성체는
    상기 상부 기판과 상기 지렛대 사이에 배치되는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 외력 전달부는
    상기 외력이 인가되는 상부면 및
    상기 지렛대와 접촉하는 곡면 형상의 하부면을 포함하며,
    상기 상부면과 상기 하부면 사이의 거리는
    일단에서, 상기 일단보다 상기 회전축에 가까운 타단으로 갈수록 짧아지는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지렛대의 작용점인 일단에 형성된 톱니는
    상기 회전 운동부에 포함된 기어와 결합되는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  8. 기판;
    자석부;
    코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부;
    상기 기판 상에서, 상기 자석부 또는 코일부를 회전시키며, 적어도 하나의 기어를 포함하는 회전 운동부;
    상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대;
    외력에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키는 외력 전달부;
    상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체; 및
    상기 기어와 상기 기판 사이 또는 상기 자석부와 상기 코일부 사이의 마찰을 감소시키는 볼 베어링
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 볼 베어링은
    상기 기판 및 상기 기어 중 하나에 삽입되거나, 상기 자석부 및 상기 코일부 중 하나에 삽입되는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기판과 마주보는 상기 기어의 일면은
    상기 볼 베어링이 삽입되는 링형 또는 원형의 삽입홈
    을 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 볼 베어링은 탄성 재료로 이루어지며,
    상기 링형 삽입홈의 개구부의 폭 또는 상기 원형의 삽입홈의 개구부의 지름은, 상기 볼 베어링의 지름보다 작은
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터.
  12. 적어도 하나의 에너지 하베스터;
    내부에 상기 에너지 하베스터가 배치되며, 상부가 개방된 하우징; 및
    상기 하우징의 상부에 결합되어 상기 하우징을 밀봉하며, 외력에 의해 상기 하우징의 내부 방향으로 신장되는 상부 커버를 포함하며,
    상기 에너지 하베스터는
    자석부;
    코일을 포함하며, 상기 자석부 주변에 배치되는 코일부;
    상기 자석부 또는 코일부를 회전시키는 회전 운동부;
    상기 회전 운동부를 회전시키는 지렛대;
    상기 상부 커버의 신장에 의해 지렛대 방향으로 이동하여, 상기 지렛대의 회전축을 중심으로 상기 지렛대를 제1방향으로 회전시키는 외력 전달부; 및
    상기 지렛대를 제2방향으로 회전시키는 탄성체
    를 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 상부 커버는
    상기 상부 커버의 중앙에 배치되는 중앙 기판; 및
    투명한 탄성체로 이루어진 탄성 기판을 포함하며,
    상기 외력 전달부는
    상기 중앙 기판의 아래에 위치하는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 중앙 기판은
    상기 탄성 기판의 하부면에 결합되는
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 탄성 기판은
    상기 중앙 기판의 측면에 결합되며,
    상기 중앙 기판과 상기 에너지 하베스터 사이의 이격 거리는
    상기 탄성 기판과 상기 에너지 하베스터 사이의 이격 거리보다 짧은,
    전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 탄성 기판의 아래에 배치되는 발광 소자
    를 더 포함하는 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스팅 블록.
PCT/KR2022/014193 2021-12-07 2022-09-22 전자기 유도를 이용하는 에너지 하베스터 및 에너지 하베스팅 블록 WO2023106577A1 (ko)

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