KR101582295B1 - 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2자석과, 상기 제1 및 제2자석의 사이에 연결되는 자기형상기억합금체와, 상기 자기형상기억합금체에 권선되며 상기 자기형상기억합금체의 변형에 따른 자기장 변화에 따라 유도 기전력이 발생하도록 하는 도전성 재질의 코일과, 상기 자기형상기억합금체의 양단에 연결되며 인가되는 힘을 상기 자기형상기억합금체의 양단에 전달하여 상기 자기형상기억합금체를 변형시키는 힘 전달부재를 포함하는 에너지 하베스터를 개시한다.
Description
본 발명은 기계적 힘으로부터 전기 에너지를 수확하는 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 기계적 변형으로부터 자기장 변화를 발생시키는 자기형상기억합금 기술을 에너지 하베스팅 기술에 적용한 에너지 하베스터에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Havesting) 기술은 자연에서 버려지고 있는 진동에너지(즉, 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다.
에너지 하베스팅 기술의 대표적인 예로서 압전재료를 이용하여 에너지를 수확하는 기술을 들 수 있으며, 등록특허공보 제10-1301695호는 압전재료를 이용한 에너지 하베스터의 일 예로서 캔틸레버 타입의 에너지 하베스터를 개시하고 있다. 이에 따르면 에너지 하베스터는 자유단 측에 질량체가 배치된 캔틸레버에 압전 재료를 부착하여 캔틸레버의 진동에 따른 압전소재의 변형에 따라 전력을 발생시키는 구성을 갖는다.
여기에 사용되는 압전 재료로서 일반적으로 압전 세라믹이나 압전 필름을 사용하고 있으나, 압전 세라믹은 깨지기 쉬운 문제가 있고 압전 필름은 압전 세라믹보다 효율이 낮다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 자기형상기억합금을 이용하여 종래와 다른 새로운 구조의 에너지 하베스터를 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2자석과, 상기 제1 및 제2자석의 사이에 연결되는 자기형상기억합금체와, 상기 자기형상기억합금체에 권선되며 상기 자기형상기억합금체의 변형에 따른 자기장 변화에 따라 유도 기전력이 발생하도록 하는 도전성 재질의 코일과, 상기 자기형상기억합금체의 양단에 연결되며 인가되는 힘을 상기 자기형상기억합금체의 양단에 전달하여 상기 자기형상기억합금체를 변형시키는 힘 전달부재를 포함하는 에너지 하베스터를 개시한다.
상기 힘 전달부재는, 상기 자기형상기억합금체의 양단에 각각 접합되는 제1 및 제2접합부와, 상기 제1 및 제2접합부 사이를 연결하며 상기 자기형상기억합금체의 변형 방향에 대해 수직한 방향으로 돌출된 형상을 갖는 돌출부를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상기 힘 전달부재와 자기형상기억합금체의 사이에는 상기 힘 전달부재와 자기형상기억합금체를 결합시키는 커플링이 추가로 설치될 수 있다. 여기서 상기 커플링은, 외면이 상기 힘 전달부재와 접합되는 커플링 본체와, 상기 제1 및 제2자석 중 어느 하나를 수용하며 상기 자기형상기억합금체가 삽입되는 삽입홈을 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상기 코일에는 에너지 저장을 위한 에너지 저장모듈이 연결 가능하다.
본 발명의 에너지 하베스터에는 상기 제1 및 제2자석과 자기형상기억합금체를 수용하며 상기 힘 전달부재의 일부분을 노출시키도록 구성되는 케이싱이 추가로 구비될 수 있다.
상기 케이싱의 내부에는 상기 커플링을 이동 가능하게 지지하는 가이드부재가 추가로 설치될 수 있다.
상기 케이싱의 상측에는 상기 힘 전달부재를 가압하여 변형시키는 가압부재가 이동 가능하게 설치될 수 있으며, 상기 케이싱의 상면에는 힘 전달부재가 일정 이상 변형됨에 따라 상기 가압부재와 접촉하여 이동을 중단시키는 스토핑면이 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 에너지 하베스팅 기술에 자기형상기억합금을 적용하여 종래와 다른 새로운 구조의 에너지 하베스터를 제공할 수 있으며, 압전소재를 이용하는 경우 대비 내구성 및 에너지 수확 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 자기형상기억합금 소재는 유연성 및 내충격성이 소재 특성상 진동 에너지뿐 아니라 충격 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 유리하며, 자기형상기억합금을 적용한 충격 에너지 하베스터는 진동 에너지 하베스터의 작동 주파수 대역폭보다 넓은 작동 주파수 대역을 갖는 장점이 있다.
또한, 힘 인가 방향을 변경할 수 있는 힘 전달 구조를 통해 힘 인가 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터의 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스터의 사시도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터의 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스터의 사시도.
이하, 본 발명과 관련된 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터의 개념도이다.
본 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터는 제1자석(110), 제2자석(120), 자기형상기억합금체(130), 코일(140), 및 힘 전달부재(150)를 포함한다.
제1자석(110)과 제2자석(120)은 서로 일정 간격 이격되게 배치되며, 자기형상기억합금체(130)에 의해 서로 연결된다. 제1자석(110)과 제2자석(120) 사이에는 일정 크기 및 방향의 자기장이 형성되어 있다.
자기형상기억합금체(130)는 자기형상기억합금(MSMA, Magnetic Shape-Memory Alloy)로 형성된 구조체를 의미한다. 자기형상기억합금은 자기장의 변화에 따라 쌍정(twin)이 재배열되어 변형이 발생하는 성질을 갖는다. 자기형상기억합금에 자기장을 인가하면 자기장의 인가방향과 동일한 자화방향을 갖는 쌍정들이 다른 자화 방향을 갖는 쌍정들을 잠식하여 성장하게 되며, 결과적으로 자기형상기억합금의 형상에 변화가 일어나게 된다. 또한 자기형상기억합금에 기계적 변형을 가하게 되면 쌍정의 재배열이 일어나게 되며, 본 발명은 자기형상기억합금의 이러한 성질을 이용한다.
자기형상기억합금의 대표적인 예로서 작은 기공들을 갖는 니켈-망간-갈륨 합금을 들 수 있다. 다만 본 발명에 적용되는 자기형상기억합금체(130)는 기계적 힘의 인가에 따라 쌍정의 재배열이 일어나는 자기형상기억특성을 갖는 다양한 재질로 형성 가능하다.
자기형상기억합금체(130)는 제1자석(110)과 제2자석(120) 사이에 연결되며, 본 실시예와 같이 제1자석(110)과 제2자석(120) 사이 방향을 길이 방향으로 갖는 로드(막대)의 형상을 가질 수 있다.
코일(140)은 도전성 재질로서 자기형상기억합금체(130)에 권선되는 구성을 갖는다. 코일(140)은 전자기 유도에 의해 유도 기전력을 발생시키며, 코일(140)에는 에너지 저장모듈(170)이 연결된다. 에너지 저장모듈(170)은 코일(140)에서 발생된 전기 에너지(유도 기전력)을 저장한다.
힘 전달부재(150)는 자기형상기억합금체(130)의 양단에 연결되며, 인가되는 힘(F)을 자기형상기억합금체(130)의 양단에 전달하여 자기형상기억합금체(130)을 변형시키는 기능을 한다.
본 실시예에 따르면, 힘 전달부재(150)는 제1접합부(151), 제2접합부(152), 및 돌출부(153)을 포함하는 구성을 갖는다.
제1 및 제2접합부(151,152)는 자기형상기억합금체(130)의 양단에 각각 접합되는 구조를 갖는다.
돌출부(153)는 제1접합부(151)과 제2접합부(152) 사이를 연결하며, 자기형상기억합금체(130)의 변형 방향(즉, 도 1의 좌우 방향)에 대해 수직한 방향으로 돌출된 형상을 갖는다.
이와 같은 힘 전달부재(150)의 구조는 에너지 하베스터의 설치면과 수직한 방향으로 인가되는 힘의 방향으로 바꾸어 자기형상기억합금체(130)가 신장(또는 압축)되는 방향으로 인가될 수 있도록 한다.
돌출부(153)는 도 1의 도시와 같이 제1접합부(151)와 제2접합부(152)에서 일정 각도로 절곡되어 연장된 구조를 가질 수 있으며, 상단부가 지면과 평행한 평면을 갖도록 형성 가능하다. 이러한 구조의 경우 돌출부(153)의 상단 평면에 질량추(M)가 추가로 부착될 수 있다.
다만 돌출부(153)의 구조는 본 실시예의 구성에 한정되지 않으며, 다양한 형태로 변형 실시 가능하다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 라운드진 형상을 갖는 것도 가능하다 할 것이다.
한편 힘 전달부재(150)와 자기형상기억합금체(130)의 사이에는 이들을 결합시키는 커플링(160)이 추가로 설치될 수 있다. 한 쌍의 커플링(160)은 자기형상기억합금체(130)의 양단에 각각 설치된다.
본 실시예에 따르면, 커플링(160)은 커플링 본체(161)와 삽입홈(162)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
커플링 본체(161)는 외면이 힘 전달부재(150)와 접합되는 구조를 갖는다. 한 쌍의 커플링 본체(161) 중 하나는 힘 전달부재(150)의 제1접합부(151)에 접합되며, 다른 하나는 힘 전달부재(150)의 제2접합부(152)에 접합된다.
삽입홈(162)은 한 쌍의 커플링 본체(161)에 각각 형성되며, 양 삽입홈(162)들은 제1자석(110)과 제2자석(120)을 각각 수용하도록 구성된다. 자기형상기억합금체(130)의 양단은 양 삽입홈(162)에 삽입되어 한 쌍의 커플링 본체(161)에 결합된다.
이하, 위에서 설명한 바와 같은 구조의 에너지 하베스터의 작동 상태에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅은 코일(140)을 통과하는 자기장 선속(자속) 변화에 따라 발생하는 유도 기전력에 의해 이루어진다.
힘 전달부재(150)에 기계적 힘(F)이 인가되지 않는 경우, 제1자석(110)과 제2자석(120) 사이에는 일정 크기 및 방향의 자기장이 형성되어 있으며, 코일(140)을 통과하는 자기장의 선속이 일정하다.
힘 전달부재(150)에 기계적 힘(F)이 인가되면, 이는 자기형상기억합금체(130)의 변형을 야기한다. 본 발명에 따르면 제1 및 제2접합부(151,152)와 돌출부(153)을 포함하는 구조의 힘 전달부재(150)를 적용함으로써 수직 방향 힘을 인가하기만 하면 자기형상기억합금체(130)의 신장 변형(또는 압축 변형)이 가능하도록 하였다.
자기형상기억합금체(130)의 변형에 따라 자기형상기억합금체(130)의 쌍정에 재배열이 일어나게 되며, 이는 자기형상기억합금체(130)의 외부에 감긴 코일(140)을 통과하는 자기장 선속의 변화를 야기한다. 이와 같이 코일(140)을 통과하는 자기장 선속의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하게 되며, 이는 에너지 저장모듈(170)에 저장되게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터의 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스터의 사시도이다.
본 실시예에 따른 에너지 하베스터는 앞선 실시예의 구성에 케이싱(180)이 추가로 구비된 구성을 갖는다. 도 2는 케이싱(180)의 내부를 보이기 위해 에너지 하베스터의 측단면을 나타내고 있다.
제1자석(110), 제2자석(120), 자기형상기억합금체(130), 코일(140), 힘 전달부재(150) 등에 대한 설명은 앞선 설명에 갈음하기로 한다. 다만, 본 실시예에 적용된 힘 전달부재(150)는 앞선 실시예와 달리 라운드진 형태의 돌출부(153)를 구비하고 있다.
케이싱(180)은 제1 및 제2자석(110,120)과 자기형상기억합금체(130)를 수용하여 외부로부터 보호하는 기능을 한다. 케이싱(180)은 힘 전달부재(150)의 일부분을 노출시키도록 구성되어 케이싱(180) 외부로부터 기계적 힘을 인가할 수 있도록 한다. 도 3을 참조하면 케이싱(180)의 상부에는 관통홀(185)이 형성되며, 힘 전달부재(150)의 돌출부(153)는 관통홀(185)을 통해 일부가 외부로 노출된다.
케이싱(180)의 내부에는 커플링(160)을 이동 가능하게 지지하는 가이드부재(190)가 설치될 수 있다. 가이드부재(190)는 한 쌍의 구조로서 한 쌍의 커플링(160)을 각각 지지하도록 구성된다.
가이드부재(190)는 커플링(160)의 상면을 지지하도록 케이싱(180)의 내면에 형성되는 상부 가이드부재(191)와, 커플링(160)의 하면을 지지하도록 케이싱(180)의 내면에 형성되는 하부 가이드부재(192)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 자기형상기억합금체(130)의 변형에 따라 커플링(160)은 상부 가이드부재(191)와 하부 가이드부재(192) 사이를 이동하게 된다.
케이싱(180)의 상측에는 가압부재(200)가 이동 가능하게 설치된다. 가압부재(200)는 별도의 가이드 구조(미도시)를 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 가압부재(200)는 이동(하강)하는 충격에 의해 힘 전달부재(150)의 돌출부(153)를 가압하여 힘 전달부재(150)를 변형시키는 기능을 한다.
앞선 실시예의 경우 질량추(M)에 힘이 가해짐에 따라 질량추(M)가 진동하여 전기 에너지를 발생시키는 진동 에너지 수확장치에 적합한 구조를 갖는 반면, 본 실시예의 경우 가압부재(200)가 힘 전달부재(150)에 가하는 충격에 따라 전기 에너지를 발생시키는 충격 에너지 하베스터의 구조를 갖는다.
자기형상기억합금은 압전 소재에 비해 유연성 및 내충격성이 크기 때문에 진동 에너지 뿐만 아니라 충격 에너지(impact energy)를 전기 에너지로 변환하는데 유리하다. 진동 에너지 하베스터는 진동에 의한 공진 현상을 이용하기 때문에 작동 주파수의 대역폭이 좁은 단점이 있으나, 충격 에너지 하베스터는 작동 주파수의 대역폭이 넓기 때문에 외부 환경의 주파수 의존성을 벗어날 수 있는 장점이 있다.
케이싱(180)의 상면에는 힘 전달부재가 일정 이상 변형됨에 따라 가압부재(200)와 접촉하여 이동을 중단시키는 스토핑면(S)이 형성될 수 있다. 이는 가압부재(200)의 이동 범위를 일정 이하로 제한하여 힘 전달부재(150)의 과도한 변형으로 인한 자기형상기억합금체(130)의 손상을 방지하기 위함이다.
본 실시예에서는 가압부재(200)의 가압면(P)와 케이싱(180)의 스토핑면(S)이 모두 평면 형태로 이루어진 것을 예시하고 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며 가압부재(200)의 이동을 제한하는 구성이라면 다양한 형태로 변형 실시 가능하다 할 것이다.
이상에서 설명한 자기형상기억합금을 이용한 에너지 하베스터는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
Claims (9)
- 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2자석;
상기 제1 및 제2자석의 사이에 연결되는 자기형상기억합금체;
상기 자기형상기억합금체에 권선되며, 상기 자기형상기억합금체의 변형에 따른 자기장 변화에 따라 유도 기전력이 발생하도록 하는 도전성 재질의 코일; 및
상기 자기형상기억합금체의 양단에 연결되며, 상기 자기형상기억합금체의 길이 방향에 대해 수직 방향으로 인가되는 힘의 방향을 전환하여 상기 자기형상기억합금체의 양단에 전달하여 상기 자기형상기억합금체를 신장 또는 압축 변형시키는 힘 전달부재;를 포함하고,
상기 힘 전달부재는,
상기 자기형상기억합금체의 양단에 각각 접합되는 제1 및 제2접합부; 및
상기 제1 및 제2접합부 사이를 연결하며, 상기 자기형상기억합금체의 변형 방향에 대해 수직한 방향으로 돌출된 형상을 갖는 돌출부;를 포함하며,
상기 돌출부는 상기 제1 및 제2접합부에서 일정 각도로 절곡되어 연장되는 형태를 가지며,
상기 돌출부의 상단부에는 질량추가 부착되어 상기 질량추의 진동에 따라 전기 에너지를 발생시키도록 구성되는 에너지 하베스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 힘 전달부재와 자기형상기억합금체의 사이에 설치되며, 상기 힘 전달부재와 자기형상기억합금체를 결합시키는 커플링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제3항에 있어서, 상기 커플링은,
외면이 상기 힘 전달부재와 접합되는 커플링 본체; 및
상기 제1 및 제2자석 중 어느 하나를 수용하며, 상기 자기형상기억합금체가 삽입되는 삽입홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 코일에는 에너지 저장을 위한 에너지 저장모듈이 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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