KR101501389B1 - Adjustable resonance frequency based energy harvester - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvester capable of adjusting a resonance frequency.
대다수의 휴대형 전자기기나 센서 네트워크를 구성하는 노드들에 전원을 공급하는 수단으로 배터리가 일반적으로 사용되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Batteries are generally used as means for supplying power to a large number of portable electronic devices or nodes constituting a sensor network.
그러나 배터리는 제한된 사용 연한, 교체의 어려움 및 폐기시에 발생하는 심각한 수준의 환경오염이라는 문제점을 갖고 있다.However, batteries have a problem of limited service life, difficulty in replacing, and serious environmental pollution that occurs at the time of disposal.
배터리가 갖고 있는 이러한 한계를 극복하기 위한 수단으로 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하여 제공하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 주목받고 있다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 반영구적인 사용 연한과 청정에너지라는 측면에서 큰 장점을 갖는다.Energy harvesting technology, which converts ambient energy into electrical energy as a means of overcoming the limitations of batteries, is drawing attention. These energy harvesting technologies have great advantages in terms of semi-permanent lifetime and clean energy.
에너지 하베스팅 기술에서, 전기 에너지는 태양, 바람, 열, 파동, 바이오화학, 고주파, 진동, 자기장 등 여러 가지 원천으로부터 변환될 수 있다.In energy harvesting technology, electrical energy can be transformed from many sources such as sun, wind, heat, waves, biochemistry, high frequency, vibration, and magnetic fields.
이들 중에서, 진동 에너지는 동작시간의 무제한성, 소형화 및 휴대성으로 인하여 매력적인 에너지 하베스팅의 전력원으로 부각되고 있다.Among them, vibration energy is becoming a power source of attractive energy harvesting due to unlimited operating time, miniaturization and portability.
일반적으로 진동 에너지 하베스팅 기술은 정전(electrostatic, ES), 압전(piezoelectric, PE) 및 전자기(electromagnetic, EM) 변환 방식을 사용하는데, 이 방식들이 적용된 장치의 공진주파수가 외부 진동주파수와 매칭되는 경우에 최대 출력을 얻을 수 있으며, 이들 주파수가 매칭되지 않는 경우에는 출력 전력 효율이 급격하게 떨어진다.In general, vibration energy harvesting technology uses electrostatic (ES), piezoelectric (PE), and electromagnetic (EM) conversion methods. When the resonance frequency of the device to which these methods are applied matches the external vibration frequency And when the frequencies do not match, the output power efficiency drops sharply.
일반적으로 외부 진동주파수는 시간에 따라 변하는 반면, 에너지 하베스팅 장치의 공진주파수는 고정되어 있기 때문에, 에너지 하베스팅 장치는 좁은 동작 영역을 갖는다. 장치의 공진주파수를 외부 진동주파수에 매칭시키기 위해서는, 장치의 동작주파수 영역을 넓히거나 공진주파수를 조절하여야 한다. 에너지 하베스팅 과정에서 전력 효율을 향상시키기 위해 이용되는 일반적인 방식을 설명하면 다음과 같다.Generally, the external resonant frequency varies with time, while the resonant frequency of the energy harvesting device is fixed, so that the energy harvesting device has a narrow operating range. In order to match the resonance frequency of the device to the external vibration frequency, the operating frequency range of the device should be widened or the resonance frequency should be adjusted. A general method used to improve power efficiency in the energy harvesting process is as follows.
첫째, 에너지 하베스팅 장치의 동작주파수 대역폭을 늘리는 광대역 방식이 있다. 이 방식의 단점은 첨예도(Q-factor)가 낮기 때문에, 최대 출력 전력이 감소한다는 점이다. 이러한 단점을 보상하기 위하여 큰 사이즈의 장치가 이용되기도 하지만, 그리 효율적인 방식이라고는 할 수 없다. 동작주파수 대역폭을 늘리기 위하여, 서로 다른 주파수에서 동작하는 소형 장치들이 이용되기도 하는데, 이 소형 장치들이 조합된 장치는 첨예도(Q-factor)의 감소없이 넓은 동작주파수 영역을 확보할 수 있으나, 전체적인 사이즈가 커지기 때문에 모바일 기기에는 적용하기 어렵다.First, there is a broadband scheme that increases the operating frequency bandwidth of the energy harvesting device. The disadvantage of this approach is that the maximum output power is reduced because the Q-factor is low. Large-sized devices are used to compensate for these disadvantages, but they are not so efficient. In order to increase the operating frequency bandwidth, small devices operating at different frequencies may be used, and these combined devices can achieve a wide operating frequency range without reducing the Q-factor, but the overall size It is difficult to apply to a mobile device.
둘째, 에너지 하베스팅 장치의 공진주파수를 조절하는 방식이 있다. 이 방식에 따르면, 장치의 공진주파수를 외부 진동주파수에 매칭시킬 수 있기 때문에, 첨예도(Q-factor)의 감소없이 다양한 주파수에서 최대 출력 전력을 획득할 있으며, 장치의 소형화도 가능해진다. 공진주파수 조절 방식이 갖는 이러한 장점들로 인하여, 이 방식을 적용하여 보다 효율적인 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 노력이 이루어지고 있다.Second, there is a method of controlling the resonant frequency of the energy harvesting device. According to this method, since the resonance frequency of the device can be matched to the external vibration frequency, the maximum output power can be obtained at various frequencies without reducing the Q-factor, and miniaturization of the device becomes possible. Due to these advantages of the resonant frequency control scheme, efforts have been made to provide a more efficient energy harvesting device by applying this method.
이러한 노력의 일환으로 특허문헌 1(한국공개특허공보 제10-2010-0037992호)의 압전 에너지 하베스터는 압전소자를 스프링 형상으로 구현함으로써, 압전 에너지 하베스터의 공진주파수를 외부 진동원의 진동주파수에 매칭시키는 기술을 개시하고 있다.As a part of this effort, the piezoelectric energy harvester of Patent Document 1 (Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0037992) realizes a piezoelectric element in a spring shape so that the resonance frequency of the piezoelectric energy harvester is matched to the oscillation frequency of the external vibration source And the like.
특허문헌 2(US 8,188,622 B1)는 외부 진동원과의 공진주파수 조절이 가능한 전자기유도 방식의 에너지 하베스터를 개시하고 있다.Patent Document 2 (US 8,188,622 B1) discloses an electromagnetic induction type energy harvester capable of adjusting a resonance frequency with an external vibration source.
특허문헌 2의 도면 1a를 참조하면, 자석(14)을 기판(12)에 고정시키고, 코일(16)을 스프링 형상을 갖는 탄성부재(22)를 이용하여 기판(12)에 탄성적으로 결합시킴으로써, 스프링의 신장을 통해 공진주파수를 조절하게 된다.Referring to FIG. 1A of
그러나 이들 방식에 따르면, 압전 방식에만 적용 가능하거나 장치 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.However, according to these methods, there is a problem that it is applicable only to the piezoelectric type or the structure of the device is complicated.
본 발명은 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 효율적으로 매칭되는 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.An object of the present invention is to provide an electromagnetic induction type energy harvester capable of efficiently adjusting the resonance frequency to match the vibration frequency of various external vibration sources.
또한, 본 발명은 장치의 크기를 늘리지 않고도 장치의 공진주파수가 다양한 외부 진동주파수에 연동되도록 함으로써, 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터 장치를 소형화하는 한편, 장치의 제조공정을 단순화하고 제조비용을 저감하는 것을 기술적 과제로 한다.In addition, the present invention allows the resonance frequency of the device to be interlocked with various external vibration frequencies without increasing the size of the device, thereby miniaturizing the electromagnetic induction type energy harvester device capable of adjusting the resonance frequency, The technical problem is to reduce the cost.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터는 하우징에 권선된 유도 코일부, 외부 진동에 의해 상기 유도 코일부 내에서 상하 진동하는 자석부, 상기 하우징의 상단에 고정되어 있는 스토퍼; 상기 스토퍼 상에 회전 가능하게 배치된 상태로 상기 자석부에 고정 결합되어 있으며 상기 회전의 정도에 따라 길이가 조절되는 공진주파수 조절용 스프링부 및 상기 공진 주파수 조절용 스프링부에 부착되어 있으며 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 회전 정도를 조절하는 회전 조절용 지그부를 포함하여 구성된다.An energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention includes an induction coil part wound on a housing, a magnet part vibrating up and down in the induction coil part by external vibration, a stopper fixed to an upper end of the housing, A spring portion for adjusting the resonance frequency, the spring portion being fixed to the magnet portion in a state of being rotatably disposed on the stopper, the length of which is adjusted according to the degree of rotation of the spring portion, And a rotation-controlling jig for adjusting the degree of rotation of the rotor.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 공진주파수 조절용 스프링부는 회전 가능한 나선형의 판상 스프링 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the resonance frequency adjusting spring unit has a spiral spring shape that is rotatable.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 외부 영역은 상기 회전 조절용 지그부에 부착된 상태로 상기 스토퍼 상에 회전 가능하게 배치되어 있고, 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 내부 영역은 상기 회전 조절용 지그부의 회전에 의해 상기 스토퍼에 걸쳐지는 길이가 변하면서 상기 외부 진동에 따라 진동하는 나선형의 판상 스프링 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the outer region of the spring for adjusting the resonance frequency is rotatably disposed on the stopper in a state of being attached to the jig for rotation adjustment, And the inner region has a helical plate-like spring shape in which the length of the stopper is varied by the rotation of the rotation-controlling jig, and vibrates according to the external vibration.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 내부 영역과 외부 영역은 2개의 브랜치(branch)를 통해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the inner region and the outer region of the resonance frequency controlling spring portion are connected to each other through two branches.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 공진주파수 조절용 스프링부는 중앙 영역에 구비된 결합 홀을 통해 상기 자석부에 고정 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the resonance frequency adjusting spring portion is fixedly coupled to the magnet portion through a coupling hole provided in the central region.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 공진주파수 조절용 스프링부는 FR-4 재질의 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the resonance frequency adjusting spring unit is made of an elastic body of FR-4 material.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 자석부는 멀티폴(multipole) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the magnet portion has a multipole structure.
본 발명에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에 있어서, 상기 회전 조절용 지그부는 사용자의 수동 조작에 의해 단계별로 회전하는 것을 특징으로 한다.In the energy harvester capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention, the jig for rotation adjustment is rotated stepwise by manual operation of the user.
본 발명에 따르면, 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 효율적으로 매칭되는 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터가 제공되는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to provide an electromagnetic induction type energy harvester capable of efficiently adjusting the resonance frequency to match the vibration frequency of various external vibration sources.
또한, 공진주파수 조절용 스프링부를 회전 가능한 나선형의 판상 스프링 형상으로 구성함으로써 낮은 외부 진동 주파수에 효과적으로 적용할 수 있는 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터가 제공되는 효과가 있다.Also, since the spring portion for adjusting the resonance frequency is formed in a spiral spring shape that is rotatable, an electromagnetic induction type energy harvester capable of adjusting the resonance frequency effectively applicable to a low external vibration frequency is provided.
또한, 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터의 소형화가 가능해지고, 장치의 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 저감되는 효과가 있다.In addition, it is possible to miniaturize the electromagnetic induction type energy harvester capable of adjusting the resonance frequency, simplify the manufacturing process of the device, and reduce the manufacturing cost.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.
도 2와 본 발명의 일 실시 예에 적용된 공진주파수 조절용 스프링부의 구체적인 형상의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 공진주파수 조절용 스프링부의 회전 정도에 따라 스토퍼에 걸쳐지는 스프링 영역의 길이가 변화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 공진주파수 조절용 스프링부의 재질과 공진주파수의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유한요소 해석법을 이용하여 스프링 중량체에 가해지는 3가지 진동모드를 시뮬레이션한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7에 제시된 진동모드에서 외부 진동 주파수와 스프링 중량체의 변위와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유한요소 해석법을 이용하여 스프링 중량체의 운동으로 인한 자속과 자속밀도 분포를 시뮬레이션한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 출력을 시험하기 위한 장비 구성을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터가 출력하는 출력 전압의 파형을 나타낸 도면이다.
도 13과 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 외부 진동 주파수에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 가속도에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 부하저항에 따른 출력 전압과 출력 전력 특성을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예를 자동차 엔진에 적용한 경우, 스프링 위치에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 18은 여러 종류의 에너지 하베스터들의 공진주파수 대비 출력 전력 특성을 나타낸 도면이다.1 is a view illustrating an energy harvester capable of adjusting a resonance frequency according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an example of a specific shape of a spring portion for adjusting resonance frequency applied to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 3 is a view for explaining how the length of the spring region spreading over the stopper changes according to the degree of rotation of the spring portion for adjusting the resonance frequency.
4 is a diagram for explaining the relationship between the material of the spring portion for adjusting the resonance frequency and the resonance frequency in one embodiment of the present invention.
FIGS. 5 to 7 are views for explaining simulation results of three vibration modes applied to a spring weight using a finite element analysis method, according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a view for explaining the relationship between the external vibration frequency and the displacement of the spring weight in the vibration mode shown in FIG.
FIGS. 9 and 10 are views for explaining simulation results of magnetic flux density and magnetic flux density distribution due to movement of a spring weight using a finite element analysis method, according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating an apparatus configuration for testing an output of an energy harvester according to an embodiment of the present invention.
12 is a waveform diagram of an output voltage output from the energy harvester according to an embodiment of the present invention.
13 and 14 are graphs showing output voltage characteristics according to an external vibration frequency in an embodiment of the present invention.
15 is a graph showing output voltage characteristics according to acceleration in an embodiment of the present invention.
16 is a graph showing an output voltage and an output power characteristic according to a load resistance in an embodiment of the present invention.
17 is a graph showing an output voltage characteristic according to a spring position when an embodiment of the present invention is applied to an automobile engine.
FIG. 18 is a graph showing output power characteristics versus resonant frequency of various kinds of energy harvesters. FIG.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.1 is a view illustrating an energy harvester capable of adjusting a resonance frequency according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터(Energy Harvester)는 하부 하우징(10), 유도 코일부(20), 자석부(30), 상부 하우징(40), 스토퍼(50), 공진주파수 조절용 스프링부(60) 및 회전 조절용 지그부(70)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, an energy harvester capable of adjusting a resonance frequency according to an embodiment of the present invention includes a
하부 하우징(10)은 상부 하우징(40)과의 결합을 통해 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터의 구성 부품들을 수용하는 기능을 수행한다. 본 실시 예에서는 구성 부품들의 조립의 편의성을 위하여 하우징을 하부 하우징(10)과 상부 하우징(40)으로 구분하였다.The
이러한 하부 하우징(10)과 상부 하우징(40)의 재질로는 테플론(Teflon)을 적용할 수 있다. 본 실시 예에서는 장치 조립의 편의를 위하여 예를 들어 하우징을 하부 하우징(10)과 상부 하우징(40)으로 구분하였으나, 하우징의 구성은 이에 한정되지 않는다.Teflon may be used as the material of the
유도 코일부(20)는 하부 하우징(10)의 외주면을 따라 권선되어 있으며, 후술하는 자석부(30)의 상하 운동으로 인하여 유도 전류가 생성되는 부분이다. 도면에 표현하지는 않았으나, 유도 코일부(20)에 생성된 유도 전류는 전극과 전선 등의 전기적 연결 수단을 통하여 외부로 인출된다.The
이러한 유도 코일부(20)의 재질로는 구리(Cu)를 적용할 수 있다.As the material of the
자석부(30)는 외부 진동에 의해 유도 코일부(20) 내에서 상하 진동하는 기능을 수행한다. 이러한 자석부(30)의 상하 진동 운동으로 인하여, 자석부(30)를 둘러싸고 있는 유도 코일부(20)에는 전자기 유도 현상에 따른 유도 전류가 생성된다.The
이러한 자석부(30)는 멀티폴(multipole) 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 후술하겠지만, 이와 같이 자석부(30)를 멀티폴 구조를 갖도록 하면, 다이폴(dipole) 구조에 비하여 자속의 수가 증가하여 자속밀도가 커지기 때문에, 출력 전압 특성이 향상된다. 예를 들어, 이러한 자석부(30)의 재질로는 NdFeB를 적용할 수 있다.It is preferable that the
스토퍼(50)는 상부 하우징(40)의 상단에 고정되어 있다. 이러한 스토퍼(50) 위에는 후술하는 공진주파수 조절용 스프링부(60)가 회전 가능하게 배치된다. 예를 들어, 이러한 스토퍼(50)의 재질로는 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 적용할 수 있다.The
공진주파수 조절용 스프링부(60)는 스토퍼(50) 상에 회전 가능하도록 배치된 상태로 자석부(30)에 고정 결합되어 있으며, 회전의 정도에 따라 외부 진동에 반응하여 변형되는 영역의 길이가 조절된다.The
회전 조절용 지그부(70)는 상부 하우징(40)에 착탈 가능하게 결합되어 상부 하우징(40)의 개구부를 밀봉하는 기능을 수행한다. 또한, 이러한 회전 조절용 지그부(70)는 공진 주파수 조절용 스프링부(60)에 부착되어 있으며, 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 회전 정도를 조절하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 회전 조절용 지그부(70)는 사용자의 수동 조작에 의해 단계별로 회전하도록 구성될 수 있다.The rotation-controlling
이하에서는 도 2와 도 3을 추가적으로 참조하여 스토퍼(50), 공진주파수 조절용 스프링부(60) 및 회전 조절용 지그부(70)를 이용하여 본 실시 예에 따른 에너지 하베스터를 구성하는 자석부의 진동 주파수를 다양한 외부 진동 주파수에 공진시키는 원리를 설명한다.2 and 3, the oscillation frequency of the magnet portion constituting the energy harvester according to the present embodiment is determined by using the
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 적용된 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 구체적인 형상의 예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an example of a specific shape of the resonance frequency adjusting
도 2를 추가적으로 참조하면, 공진주파수 조절용 스프링부(60)는 회전 가능한 나선형의 판상 스프링 형상을 갖고 있으며, 외부 영역(610)과 내부 영역(620)으로 구분된다. 외부 영역(610)은 회전 조절용 지그부(70)에 부착된 상태로 스토퍼(50) 상에 회전 가능하게 배치되어 있고, 내부 영역(620)은 외부 진동에 의해 변형되는 영역으로서, 회전 조절용 지그부(70)의 회전에 의해 스토퍼(50)에 걸쳐지는 길이가 변하면서 외부 진동에 따라 진동하는 영역이다. 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 내부 영역(620)은 나선형의 판상 스프링 형상을 갖고 있으며, 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 내부 영역(620)과 외부 영역(610)은 2개의 브랜치(branch, 641, 642)를 통해 서로 연결되도록 구성된다.2, the resonance frequency adjusting
공진주파수 조절용 스프링부(60)는 중앙 영역에는 결합 홀(650)이 형성되어 있으며, 자석부(30)는 이 결합 홀(650)을 통해 공진주파수 조절용 스프링부(60)에 고정 결합되어 스프링 중량체를 구성한다.A
도 3은 공진주파수 조절용 스프링부의 회전 정도에 따라 스토퍼에 걸쳐지는 스프링 영역의 길이가 변화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.Fig. 3 is a view for explaining how the length of the spring region spreading over the stopper changes according to the degree of rotation of the spring portion for adjusting the resonance frequency.
도 3을 추가적으로 참조하면, 사용자가 회전 조절용 지그부(70)를 특정한 회전 위치로 회전시키면, 회전 조절용 지그부(70)에 부착되어 고정되어 있는 공진 주파수 조절용 스프링부(60)도 회전 조절용 지그부(70)의 회전량만큼 회전한다. 이와 같이, 공진 주파수 조절용 스프링부(60)가 회전하면, 상부 하우징(40)의 상단에 고정되어 있는 스토퍼(50)에 걸쳐지는 스프링 영역의 길이 즉, 하중에 의해 처짐이 발생하는 스프링의 길이가 변화한다. 이러한 스프링의 길이 변화는 스프링 상수 값의 변화를 일으킨다. 정리하면, 본 실시 예는 스프링의 회전에 의해 처짐이 발생하는 스프링의 길이 변화 및 그에 따른 스프링 상수 값의 변화를 이용하여 에너지 하베스터의 주파수를 외부 진동 주파수에 공진시키도록 구성된다.3, when the user rotates the rotation-controlling
예를 들어, 도 3의 (a)는 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 위치가 1번이고 처짐이 발생하는 스프링 길이가 L1인 경우이고, 도 3의 (b)는 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 위치가 2번이고 처짐이 발생하는 스프링 길이가 L2인 경우이고, 도 3의 (f)는 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 위치가 6번이고 처짐이 발생하는 스프링 길이가 L6인 경우이다.For example, FIG. 3 (a) shows a case where the position of the
공진주파수 조절용 스프링부(60)의 위치가 6번인 경우 1번인 경우에 비해 처짐이 발생하는 스프링의 길이가 줄어든 것을 알 수 있다. 이러한 스프링의 길이 변화는 스프링 상수 값의 변화를 일으킨다. 일반적으로 스프링의 길이가 줄어들수록 공진주파수가 낮아지기 때문에, 사용자는 회전 조절용 지그부(70)를 조절하여 처짐이 발생하는 스프링의 길이를 조절함으로써, 외부 진동의 주파수에 적절히 대응할 수 있다.It can be seen that the length of the spring in which the deflection occurs is reduced as compared with the case where the position of the
이러한 공진주파수 조절용 스프링부(60)는 FR-4 재질의 탄성체로 구성되는 것이 바람직하다. 이를 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 재질과 공진주파수의 관계를 나타낸 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The resonance frequency adjusting
도 4를 참조하면, 3가지 공진모드에서 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 재질로 실리콘(Silicon), 알루미늄(Aluminum), 티타늄(Titanium), 스테인리스 스틸(Stainless Steel), 구리(Copper) 및 FR-4를 적용한 경우의 공진주파수가 개시되어 있다. 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 재질을 선택하는 경우 장치의 공진주파수가 고려되어야 하는데, 도 4에 개시된 바와 같이, 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 재질로 FR-4가 적용된 경우 각각의 공진모드에서 가장 낮은 공진주파수를 갖는다는 것을 알 수 있다. 3가지 공진모드는 시뮬레이션 툴인 ANSYS를 이용하여 공진 모드를 해석한 것이다. 도 4에서, 1차 공진모드(1st)는 x축 방향 동작, 2차 공진모드(2nd)는 y축 방향 동작, 3차 공진모드(3rd)는 z축 방향 동작에 따른 공진주파수를 해석하기 위한 것이며, 자석이 상하 동작하는 z축 동작인 3차 공진모드가 본 연구에서 중요하게 생각할 부분이다. 따라서 도 4를 통해 개시된 시뮬레이션은 3차 공진모드에서의 공진주파수가 시스템의 공진 주파수와 일치하는지를 확인하기 위한 해석이다.4, silicon, aluminum, titanium, stainless steel, copper, and FR are used as materials of the resonance frequency controlling
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유한요소 해석법을 이용하여 스프링 중량체에 가해지는 3가지 진동모드를 ANSYS FEM을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 설명하기 위한 도면이다. 스프링 중량체는 공진주파수 조절용 스프링부(60)와 자석부(30)가 결합된 구조체이다.FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining the results of simulating three vibration modes applied to the spring weight using the ANSYS FEM by using the finite element analysis method in one embodiment of the present invention. FIG. The spring weight body is a structure in which the
도 5의 진동모드에서는 6.68Hz에서 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 수평 방향으로의 뒤틀림 현상이 발생하고, 도 6의 진동모드에서는 7.11Hz에서 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 수평 방향으로의 뒤틀림 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.In the vibration mode of FIG. 5, the resonance frequency adjusting
도 7에는 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 수직 방향으로의 변형이 개시되어 있다.7, the deformation of the
도 7의 진동모드에서는, 23.95Hz에서 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 수직 방향으로의 변형이 일어나며, 도 7에 제시된 진동모드에서 외부 진동 주파수와 스프링 중량체의 변위와의 관계를 나타낸 도 8을 참조하면, 이 경우 스프링 중량체의 최대 변형에 따른 변위가 4.9mm인 것을 알 수 있다. 즉, 스프링 중량체의 변위는 주로 외부 진동 주파수에 의해 결정되며, 공진주파수 부근에서 크게 변동된다.In the vibration mode of FIG. 7, the resonance frequency adjusting
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 선대칭 유한요소 해석법을 이용하여 스프링 중량체의 운동으로 인한 자속과 자속밀도 분포를 시뮬레이션한 결과를 설명하기 위한 도면으로서, 도 9는 자석부(30)가 다이폴(dipole) 구조를 갖는 경우이고, 도 10은 자석부(30)가 멀티폴(multipole) 구조를 갖는 경우이다. 도 9와 도 10을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 멀티폴 자성체 구조가 다이폴 자성체 구조와 비교하여 더 많은 자속을 집중시키며, 이에 따라 중심영역의 자속밀도가 더 높아진다.9 and 10 are diagrams for explaining simulation results of magnetic flux density and magnetic flux density distribution due to movement of a spring weight using a line-symmetric finite element analysis method according to an embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a case where the
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 출력을 시험하기 위한 장비 구성을 나타낸 도면이다.11 is a diagram illustrating an apparatus configuration for testing an output of an energy harvester according to an embodiment of the present invention.
진동기(Vibrator)는 진동 제어기(Vibrator controller)의 제어에 따라 에너지 하베스터에 기계적인 진동을 공급하며, 에너지 하베스터는 진동기 상부에 접착되어 있으며, 가속도를 측정하기 위한 가속계(Accelerometer)가 진동기에 부착되어 있다. 오실로스코프(Oscilloscope)는 에너지 하베스터의 유도 코일의 양단에 전기적으로 연결되어 있으며, 유도된 출력 전압을 주파수, 가속도, 부하저항과 대비하여 측정한다.The vibrator supplies mechanical vibrations to the energy harvester under the control of a vibrator controller. The energy harvester is attached to the upper part of the vibrator, and an accelerometer for measuring the acceleration is attached to the vibrator . The oscilloscope is electrically connected to both ends of the induction coil of the energy harvester and measures the induced output voltage against frequency, acceleration and load resistance.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터가 출력하는 출력 전압의 파형을 나타낸 도면으로서, 도 12에 개시된 출력 전압 파형은 공진주파수가 23Hz인 경우 다이폴 구조와 멀티폴 구조에서의 측정 결과이다.12 shows waveforms of output voltages output by the energy harvester according to an embodiment of the present invention. The output voltage waveforms shown in FIG. 12 are measurement results in a dipole structure and a multipole structure when the resonance frequency is 23 Hz .
도 12를 참조하면, 자석부(30)가 다이폴 구조를 갖는 경우, 최대 출력 전압은 440mVrms이다. 또한 멀티폴 구조를 갖는 경우, 최대 출력 전압은 1.12Vrms이다. 멀티폴 구조는 다이폴 구조와 비교하여 주파수의 크기가 절반이지만 자속의 집중에 의해 더 높은 출력 전압을 제공하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 에너지 하베스터를 구성하는 자석부(30)를 멀티폴 구조로 구현하면 출력 전력 효율이 향상된다는 사실을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, when the
도 13과 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 외부 진동 주파수에 따른 출력 전압 특성을 실험한 도면이다.13 and 14 are graphs illustrating output voltage characteristics according to an external vibration frequency in an embodiment of the present invention.
도 13에 개시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터는 공진주파수 조절용 스프링부(60)의 위치에 따라 서로 다른 공진주파수와 출력 전압을 갖는다. 조절용 스프링부의 위치가 1이고, 공진주파수가 23Hz이고, 가속도가 0.5g인 경우, 최대 출력 전압은 1.12Vrms이고, 첨예도(Q-factor)는 11.2이다.13, the energy harvester according to the embodiment of the present invention has different resonance frequencies and output voltages depending on the positions of the
실험 결과 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터는 23-32Hz의 범위에서 공진주파수가 성공적으로 조절되었으며, 도 14에 개시된 바와 같이, 유도된 출력 전압은 외부 진동 주파수에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 최대 출력 전압은 공진주파수에서 생성되며, 공진주파수를 중심으로 한 일정 대역을 벗어나는 경우 급격하게 떨어지는 것을 알 수 있다.Experimental Results The energy harvester according to an embodiment of the present invention successfully controlled the resonance frequency in the range of 23-32 Hz, and as shown in FIG. 14, it can be seen that the induced output voltage greatly depends on the external vibration frequency . It can be seen that the maximum output voltage is generated at the resonance frequency and falls rapidly when the resonance frequency deviates from a certain frequency band.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 가속도에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.15 is a graph showing output voltage characteristics according to acceleration in an embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 유도된 출력 전압은 인가된 가속도에 비례하여 증가한다. 가속도가 커질수록 같은 공진주파수에서의 변위가 커진다. 결과적으로, 진동에 의한 가속도가 커질수록 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터는 가속도에 선형 비례 특성을 보이면서 더 높은 전압을 출력하게 된다.Referring to Fig. 15, the induced output voltage increases in proportion to the applied acceleration. The larger the acceleration, the larger the displacement at the same resonance frequency. As a result, as the acceleration due to the vibration increases, the energy harvester according to the embodiment of the present invention outputs a higher voltage while exhibiting a linear proportional characteristic to the acceleration.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 부하저항에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.16 is a graph showing an output voltage characteristic according to a load resistance in an embodiment of the present invention.
도 16을 참조하면, 출력 전압은 부하 저항에 비례하여 증가하고, 출력 전력은 부하 저항에 비례하여 증가함으로써 최대치에 도달하였다가 서서히 감소하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터는 부하 저항이 약 1.3kΩ인 경우, 출력 전압 320mVDC에서 최대 전력 60.3㎼를 출력한다.Referring to FIG. 16, it can be seen that the output voltage increases in proportion to the load resistance, and the output power reaches the maximum value by increasing in proportion to the load resistance, and then gradually decreases. The energy harvester according to an embodiment of the present invention outputs a maximum power of 60.3 kV at an output voltage of 320 mV DC when the load resistance is about 1.3 k ?.
도 17은 본 발명의 일 실시 예를 자동차 엔진에 적용한 경우, 스프링 위치에 따른 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다.17 is a graph showing an output voltage characteristic according to a spring position when an embodiment of the present invention is applied to an automobile engine.
도 17의 실험 결과값은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터를 엔진을 작동시킨 상태에서 정차중인 차량의 엔진에 부착시킨 상태에서 획득한 값이며, 공진주파수 조절용 스위치부가 6번에 위치하는 경우 출력 전압은 1.78V로 측정되었다.17 is a value obtained when the energy harvester according to the embodiment of the present invention is attached to an engine of a vehicle while the engine is in operation and the resonance frequency control switch unit is located at No. 6 The output voltage was measured at 1.78V.
도 18은 여러 종류의 에너지 하베스터들의 공진주파수 대비 출력 전압 특성을 나타낸 도면이다. 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터에는 일반적으로 압전 방식과 전자기 유도 방식이 사용되는데, 도 18의 4, 5, 6, 7 영역은 압전 방식의 특성을 나타내고, 3, 12 영역은 전자기 유도 방식의 특성을 나타낸다. 특히 12 영역은 본 실시 예의 특성을 나타내는 영역이며, 이를 통해 본 실시 예는 단순한 주파수튜닝을 통해 낮은 주파수 영역에서 효율적으로 동작하는 것을 알 수 있다.18 is a graph showing the output voltage characteristics versus the resonance frequency of various kinds of energy harvesters. In general, piezoelectric and electromagnetic induction methods are used for the energy harvester capable of controlling the resonance frequency. The
아래 표 1을 추가적으로 참조하면, 본 실시 예에 따른 에너지 하베스터의 공진주파수는 23-32Hz 범위에서 조절되며, 최대 조절률(tuning ratio)은 39.1%이고, 출력 전력은 공진주파수 조절용 스위치부의 위치에 따라 변동된다. 위치 1에서 출력 전력은 60.3㎼이고, 위치 6에서 출력 전력은 41.4㎼이며, 전력 감소율은 31.4%이다.Referring to Table 1 below, the resonance frequency of the energy harvester according to the present embodiment is adjusted in the range of 23-32 Hz, the maximum tuning ratio is 39.1%, and the output power varies depending on the position of the resonance frequency control switch portion . At
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 사용자에 의한 간단한 조작을 통하여 장치의 공진주파수를 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 효율적으로 매칭시킴으로써, 외부 환경에 적응적으로 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터가 제공되는 효과가 있다.As described in detail above, according to the present invention, by efficiently matching the resonance frequency of the device to the vibration frequency of various external vibration sources through a simple operation by the user, it is possible to provide an electromagnetic induction method capable of adaptively adjusting the resonance frequency The energy harvester of the present invention is provided.
특히, 본 발명에 따르면, 공진주파수 조절용 스프링부를 회전 가능한 나선형의 판상 스프링 형상으로 구성함으로써 낮은 외부 진동 주파수에 효과적으로 적용할 수 있는 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터가 제공되는 효과가 있다.In particular, according to the present invention, there is provided an electromagnetic induction type energy harvester in which a spring portion for resonance frequency adjustment is formed in a spiral spring shape having a rotatable spiral shape so that a resonance frequency can be effectively applied to a low external oscillation frequency.
또한, 공진주파수 조절이 가능한 전자기 유도 방식의 에너지 하베스터의 소형화가 가능해지고, 장치의 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 저감되는 효과가 있다.In addition, it is possible to miniaturize the electromagnetic induction type energy harvester capable of adjusting the resonance frequency, simplify the manufacturing process of the device, and reduce the manufacturing cost.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부된 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. In addition, it is a matter of course that various modifications and variations are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention by anyone having ordinary skill in the art.
10: 하부 하우징
20: 유도 코일부
30: 자석부
40: 상부 하우징
50: 스토퍼
60: 공진주파수 조절용 스프링부
70: 지그부
610: 공진주파수 조절용 스프링부의 외부 영역
620: 공진주파수 조절용 스프링부의 내부 영역
641, 642: 브랜치
650: 결합 홀10: Lower housing
20: Induction coil part
30:
40: upper housing
50: Stopper
60: spring portion for adjusting resonance frequency
70:
610: outer region of the spring portion for adjusting the resonance frequency
620: inner region of the spring portion for adjusting the resonance frequency
641, 642: branch
650: coupling hole
Claims (8)
외부 진동에 의해 상기 유도 코일부 내에서 상하 진동하는 자석부;
상기 하우징의 상단에 고정되어 있는 스토퍼;
상기 스토퍼 상에 회전 가능하게 배치된 상태로 상기 자석부에 고정 결합되어 있으며 상기 회전의 정도에 따라 길이가 조절되는 공진주파수 조절용 스프링부; 및
상기 공진 주파수 조절용 스프링부에 부착되어 있으며 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 회전 정도를 조절하는 회전 조절용 지그부를 포함하고,
상기 공진주파수 조절용 스프링부의 외부 영역은 상기 회전 조절용 지그부에 부착된 상태로 상기 스토퍼 상에 회전 가능하게 배치되어 있고, 상기 공진주파수 조절용 스프링부의 내부 영역은 상기 회전 조절용 지그부의 회전에 의해 상기 스토퍼에 걸쳐지는 길이가 변하면서 상기 외부 진동에 따라 진동하는 나선형의 판상 스프링 형상으로 형성되는 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.An induction coil part wound on the housing;
A magnet portion that vibrates up and down in the induction coil portion by external vibration;
A stopper fixed to an upper end of the housing;
A resonance frequency adjusting spring part fixed to the magnet part while being rotatably disposed on the stopper and having a length adjusted according to the degree of rotation; And
And a rotation controlling jig attached to the spring for adjusting the resonance frequency and controlling the degree of rotation of the spring for adjusting the resonance frequency,
Wherein an outer region of the spring portion for resonance frequency adjustment is rotatably disposed on the stopper in a state of being attached to the jig portion for rotation adjustment and an inner region of the spring portion for resonance frequency adjustment is provided on the stopper And the resonance frequency can be adjusted by forming a spiral plate-like spring shape that vibrates according to the external vibration while varying the length of the span.
상기 공진주파수 조절용 스프링부는 회전 가능한 나선형의 판상 스프링 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein the resonance frequency adjusting spring portion has a rotatable spiral plate spring shape.
상기 공진주파수 조절용 스프링부의 내부 영역과 외부 영역은 2개의 브랜치(branch)를 통해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein an inner region and an outer region of the spring portion for resonance frequency adjustment are connected to each other through two branches.
상기 공진주파수 조절용 스프링부는 중앙 영역에 구비된 결합 홀을 통해 상기 자석부에 고정 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein the resonance frequency adjusting spring portion is fixedly coupled to the magnet portion through a coupling hole provided in a central region.
상기 공진주파수 조절용 스프링부는 FR-4 재질의 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein the resonance frequency adjusting spring portion is made of an elastic body of FR-4 material.
상기 자석부는 멀티폴(multipole) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Characterized in that the magnet portion has a multipole structure.
상기 회전 조절용 지그부는 사용자의 수동 조작에 의해 단계별로 회전하는 것을 특징으로 하는, 공진주파수 조절이 가능한 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
Wherein the jig for rotation adjustment rotates stepwise by manual operation of the user.
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