KR102485762B1 - 자속 집중기를 구비한 mme 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자속 집중기(MFC:Magnetic Flux Concentrator)를 구비한 MME 발전기(Magneto-Mechano-Electric Generator)에 관한 것으로, 특히 표유 자기장(stray magnetic field)을 이용하여 전력을 생산해서 IoT(Internet of Things) 장치에 공급하는 MME 발전기의 선단에 설정된 길이만큼 이격시켜 자속 집중기를 배치하여 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시킴으로써 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 관한 것이다.

Description

자속 집중기를 구비한 MME 발전기{MAGNETO-MECHANO-ELECTRIC GENERATOR WITH MAGNETIC FLUX CONCENTRATOR}
본 발명은 자속 집중기(MFC:Magnetic Flux Concentrator)를 구비한 MME 발전기(Magneto-Mechano-Electric Generator)에 관한 것으로, 특히 표유 자기장(stray magnetic field)을 이용하여 전력을 생산해서 IoT(Internet of Things) 장치에 공급하는 MME 발전기의 선단에 설정된 길이만큼 이격시켜 자속 집중기를 배치하여 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시킴으로써 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 에너지 하베스팅(EH) 기술은 저전력 자율 무선 감지 장치에 사용되는 부피가 크고 수명이 제한된 배터리의 대체 옵션이다. 다양한 수확 가능한 에너지원 중 표유 자기장은 전력 전송 케이블, 전자 장치 및 산업 기계의 주변 위치에 흔히 존재한다. 전력 전송 케이블 주변의 표유 자기장은 다른 주변 에너지원과 비교하여 50Hz 또는 60Hz의 고정된 주파수로 안정적이기 때문에 저전력 IoT 장치의 수확 가능한 에너지원으로서 높은 잠재력을 가지고 있다.
MME 발전기는 표유 자기장에서 IoT 장치를 위해 충분한 전력을 생성하기 위한 독립형 전원 공급 장치로서 주목을 받고 있다. 일반적인 MME 발전기는 공진 모드에서 작동하는, 자유단에 질량체(proof mass)가 부착된 ME(magnetoelectric) 복합체의 캔틸레버 구조를 갖는다. 최근에는 고성능 압전/자기 변형 물질 및 장치 구조와 같은 MME 발전기의 매개 변수를 채택함으로써 MME 발전기의 출력 성능이 더욱 향상되었다.
그러나 이와 같은 종래의 MME 발전기에 있어서 매개 변수의 변화를 통한 출력 성능 향상에는 한계가 있었다. 이에 따라 MME 발전기의 출력 성능을 향상시키기 위한 추가적인 대책이 필요하게 되었다.
[비특허문헌 1] H. Lee et al, EES, 2020 early view, M. G. Kang et al., Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1703313 [비특허문헌 2] V. Annapureddy et al, Adv. Energy Mater., 2016, 1600237 [비특허문헌 3] V. Annapureddy et al, EES 2018, 818 [비특허문헌 4] R. Sriramdas et al., Adv. Energy Mater., 2020, 1903689
따라서 본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기는 표유 자기장(stray magnetic field)을 이용하여 전력을 생산하며, 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층, 상기 자기 변형층의 선단에 부착되어 공진 주파수를 조정하는 팁 질량체(Tip mass), 및 상기 자기 변형층의 자기변형을 전기에너지로 변환하는 압전소재를 포함하는 MME 발전기(Magneto-Mechano-Electric Generator); 및 상기 자기 변형층의 선단에서 설정된 길이만큼 이격 배치되어 상기 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시키는 자속 집중기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자속 집중기는 상대 투자율이 600 이상인 소재를 재질로 할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자속 집중기의 종횡비는 1 이상일 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자속 집중기는 상기 MME 발전기의 자기 변형층의 선단을 감싸는 형상을 가질 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자속 집중기의 두께는 상기 MME 발전기의 자기 변형층 두께의 1배 이상 10배 이하일 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자속 집중기는 상기 MME 발전기의 진동 방향 기준으로 상기 MME 발전기의 자기 변형층 중심으로부터 2mm 이상 5mm 이하인 높이에 위치할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 압전소재는 PZT, PMN-PT, PMN-PZ-PT, 및 PZN-PT 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 압전소재는 PZT, PMN-PT, PMN-PZ-PT, 및 PZN-PT 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 압전소재는 PMN-PT, PMN-PZ-PT, PZN-PT, 및 PIN-PMN-PT 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 있어서, 상기 자기 변형층은 Ni, Metglas, 및 FeSiB 중 어느 하나를 재질로 할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기는 상기 MME 발전기로부터 생성된 ac 신호를 DC 출력으로 변환하는 정류회로; 및 상기 정류회로에서 변환된 DC 출력을 저장하는 충전회로;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 의하면, 표유 자기장을 이용하여 전력을 생산하며, 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층, 및 상기 자기 변형층의 선단에 부착되어 공진 주파수를 조정하는 팁 질량체, 및 상기 자기 변형층의 자기변형을 전기에너지로 변환하는 압전소재를 포함하는 MME 발전기; 및 상기 자기 변형층의 선단에서 설정된 길이만큼 이격 배치되어 상기 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시키는 자속 집중기;를 포함하여 구성됨으로써, MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, MME 발전기의 자기 변형층의 질량체가 부착된 선단 주변에 자속 집중기를 배치하여 MME 발전기로 인가되는 자속을 집중시킴으로써 기존 대비 3배 가량의 높은 출력 성능을 획득할 수 있다.
또한, 자속 집중기의 재질, 종횡비, 형상, 두께 및 위치를 최적화시켜 MME 발전기의 자기 변형층에 집속되는 자속 밀도를 최대로 높임으로써 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 자속 집중기(MFC)를 구비한 MME 발전기에 있어서, (a)는 자속 집중기의 효과를 최적화하는데 사용되는 MFC의 재료, 위치, 종횡비, 형상, 층수(두께) 등과 같은 매개 변수를 나타내는 도면이고, (b)는 MFC가 없을 때와 MFC가 있을 때의 자기변형 소재내의 자속의 크기와 분포의 비교 결과를 나타내는 도면이며, (c)는 자기변형 소재와 압전소재 복합체의 자기-전기 결합효과의 특성 평가결과를 나타내는 도면이며, (d)는 MME 발전기의 특성 평가 치구의 설치 예시 도면이다.
도 2는 도 1의 MFC의 재료를 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 MME 발전기와 관련하여 MFC의 위치를 유한 요소 분석 모델링을 통해 최적화하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 MFC의 종횡비를 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 MFC의 형상을 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 MFC의 층수(두께)를 선정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1의 (b)에 표시된 결과의 평면 방향 절단 2D 유한 요소 분석 모델링 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 MME 발전기와 관련한 MFC의 수직방향 위치를 실험적으로 분석하고, 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 9는 헬름홀츠 코일을 이용하여 60Hz 800μT의 자기장 하에서 MME 발전기의 출력 성능을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 자속 집중기(MFC)를 구비한 MME 발전기에 의해 작동되는 IoT 센서를 나타낸 도면이다.
도 11은 전기 회로로 구성된 MME 충전 시스템의 실험적인 설정을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 자속 집중기(MFC)를 구비한 MME 발전기에 있어서, (a)는 자속 집중기의 효과를 최적화하는데 사용되는 MFC의 재료, 위치, 종횡비, 형상, 층수(두께) 등과 같은 매개 변수를 나타내는 도면이고, (b)는 MFC가 없을 때와 MFC가 있을 때의 자기변형 소재내의 자속의 크기와 분포의 비교 결과를 나타내는 도면이며, (c)는 자기변형 소재와 압전소재 복합체의 자기-전기 결합효과의 특성 평가결과를 나타내는 도면이며, (d)는 MME 발전기의 특성 평가 치구의 설치 예시 도면이다.
본 발명의 실시예에 의한 자속 집중기(MFC)를 구비한 MME 발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, MME 발전기(10) 및 자속 집중기(MFC)(20)를 포함한다.
MME 발전기(10)는 예컨대 전력 전송 케이블 주변의 표유 자기장을 이용하여 전력을 생산해서 IoT 센서에 제공하는 역할을 한다.
MME 발전기(10)는 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층(12)과, 자기 변형층(12)의 선단에 부착되어 공진 주파수를 조정하는 팁 질량체(15)와, 자기 변형층(12)의 자기변형을 전기에너지로 변환하는 압전소재를 포함한다.
자속 집중기(MFC)(20)는 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)의 선단에서 설정된 길이만큼 이격 배치되어 MME 발전기(10)에 인가되는 자속을 집중시킴으로써, MME 발전기(10)의 출력 성능을 향상시키는 역할을 한다.
즉, 자속 집중기(MFC)(20)를 구비한 MME 발전기(10)는 3.33mW의 최대 출력 DC 전력을 생성하는 것으로 나타났으며, 이는 MFC가 없는 MME 발전기의 출력 전력(1.17mW)보다 285% 더 컸다. MME 발전기(10)는 전력 관리 회로 및 저장 커패시터 (2.2mF, 0.69J)와 통합함으로써 생성된 출력 전력이 IoT 온도 및 습도 다중 센서를 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
이하, 자속 집중기(MFC)(20)의 매개변수[즉, MFC의 재료, 위치, 종횡비, 형상, 층수(두께) 등]를 선정하는 과정에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[MME 발전기에 대한 MFC의 설계 및 극대화]
MME 발전기(10)의 출력 성능은 두 가지 다른 메커니즘[즉, 영구 자석 팁 질량체(15)의 토크 힘(F1)과 자기 변형층(12) 힘(F2)의 합인 가진력(excitation force)(Fe)에 의한 자기-기계적 진동 및 ME(magnetoelectric) 커플링(
Figure 112020062877118-pat00001
)]의 결과로 알려져 있다. ME 커플링에 있어서, MME 발전기(10)의 ME 효과(ME 커플링)(
Figure 112020062877118-pat00002
)는 자기 변형층(12)과 압전층 사이의 탄성 커플링의 결과이고 다음 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020062877118-pat00003
[여기서 E는 유도 전기장을 나타내고, H는 외부 AC 자기장을 나타내며, S는 H에 의한 자기 변형률을 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, ΔB/ΔH는 MME 발전기(10)에서의 투자율 변화(μ)를 나타냄]
MME 발전기(10)에서 MFC(20)로 인한 자속 밀도 변조가 고려된다면, MFC(20)를 갖는 MME 발전기(10)에서의 ME 효과(
Figure 112020062877118-pat00004
)는 다음 [수학식 2]로 주어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020062877118-pat00005
[여기서, E는 유도 전기장을 나타내고, H는 외부 AC 자기장을 나타내며, S는 H에 의한 자기 변형률을 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, P는 분극량을 나타내며, M은 자화를 나타내며,
Figure 112022088164173-pat00031
는 MFC의 영향하에서의 MME 발전기의 투자율을 나타냄]
[수학식 2]에서 MFC(20)의 영향으로 MME 발전기(10)의 투자율(
Figure 112020062877118-pat00006
)은 향상된 자속 밀도(B)로 인한 r요소에 의해 향상되고, 이에 따라 자기 변형층(12)에서 자기 변형률을 향상시켜 ME 출력이 향상된다. 유사하게, MFC(20)의 영향하에서 팁 질량체(15)의 자기-기계적 토크의 가진력(
Figure 112020062877118-pat00007
)은 다음의 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020062877118-pat00008
[여기서, b와 A는 각각 팁 질량체(15)의 폭과 투영 면적을 나타내고,
Figure 112022088164173-pat00032
은 잔여 자속 밀도를 나타내고, ø는 빔의 형상 함수를 나타내며,
Figure 112022088164173-pat00033
은 캔틸레버 구조의 길이를 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, μ는 MME 발전기(10)에서의 투자율 변화를 나타냄]
자기 변형층(12)의 가진력은 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020062877118-pat00010
[여기서, b 및 t는 각각 자기 변형층(12)의 폭 및 두께를 나타내고, Z는 중성층의 높이를 나타내며,
Figure 112022088164173-pat00034
은 자기 변형층(12)의 자기 변형 응력 상수를 나타내며, ø는 빔의 형상 함수를 나타내며,
Figure 112022088164173-pat00035
은 캔틸레버 구조의 길이를 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, μ는 MME 발전기(10)에서의 투자율 변화를 나타냄]
[수학식 4]는 MFC(20)에 의한 향상된 자속 밀도(B · r)가 MME 발전기(10)의 성능 향상에 크게 기여한다는 것을 나타낸다. 이러한 이론적 예측에 기초하여, MME 발전기(10) 근처에 높은 자속 밀도를 갖는 자성 물질을 배치하면, 흩어진 자기장이 MME 발전기(10)의 자기 변형 캔틸레버 빔에 완전히 집중될 수 있어, ME 커플링과 MME 발전기(10)의 진동 진폭의 크기를 증가시킨다.
이 이론적 배경은 MFC(20)의 다른 매개 변수를 최적화하여 MME 발전기(10)에서 출력된 높은 전력의 출력이 기대될 수 있음을 나타낸다. 도 1은 MFC(20) 효과를 최적화하는데 사용되는 MFC(20)에 사용되는 재료, MME 발전기(10)와 관련한 MFC(20)의 위치, 종횡비, 형상, 층수(두께) 등과 같은 매개 변수를 나타낸다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 유한 요소 분석(FEA) 모델링을 통해 MFC(20)에 사용되는 재료를 선택했다. 이 유한 요소 분석에서 800μT의 자기장이 MME 발전기(19)의 길이 방향과 평행하게 적용되었다.
강자성 물질내부를 통과하는 자속 밀도(B)는 소재의 투자율(μ)(
Figure 112020062877118-pat00012
)에 정비례하기 때문에, MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)에서의 최대 B는 MFC(20)를 MME 발전기(10) 근처에 배치하여 MFC(20)의 상대 투자율(μr)의 함수로서 시뮬레이션 하였다. 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, B는 초기에 상대 투자율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰되었고, 600의 값에서 포화되었으며, 이는 완전 포화 자속 밀도의 92%에 일치하였다. 결과적으로 상대 투자율이 600 이상인 재료가 MFC(20)로 결정될 수 있다. 다양한 자성 재료 중에서 니켈(Ni)의 상대 투자율은 600이다. 따라서 니켈을 MFC(200)의 재료로 선정하였다. 또한, 니켈은 저렴하고 풍부하며 어떤 형태로든 쉽게 가공할 수 있다. 한편, 니켈을 MFC(200)의 재료로 선정하였으나, 니켈 이외에도 다양한 자성체가 사용가능하다.
MME 발전기(10)와 관련하여 MFC(20)의 위치를 최적화했다.
유한 요소 분석 모델링은 MME 발전기(10)로부터의 다양한 거리에서, MFC(20) 없이 그리고 MFC(20)를 포함하여 수행되었다. 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, MFC(20)가 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)의 팁 및 종 방향 중심에 1mm의 이격거리를 가지는 매우 가까이 위치된 L1 위치에서 MME 발전기(10)의 최대 자속 밀도가 관찰되었다. 모델링을 간단하게 하기 위해 MFC(20)의 형상은 정사각형(10mm x 10mm)으로 고정하였다.
MFC(20)의 종횡비(도 4의 A1~A5) 및 형상(도 5의 S1~S4)은 MFC(20)로부터 가장 높은 자기 변형 소재내의 자속 밀도가 되도록 최적화되었다.
도 4는 도 1의 MFC의 종횡비를 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면으로서, MFC(20)의 종횡비 및 형상을 변화시키면서 MFC(20)를 통해 집중된 각각의 최대 자속 밀도의 비교를 나타낸다. 최대 자속 밀도는 A5의 종횡비에서 관찰되었으며, MFC(20)의 종횡비가 A3(1:1) 이상일 때[즉, A3(1:1), A4(1:2) 및 A5(1:3)] 양호한 자속 밀도를 나타내므로, MFC(20)의 종횡비를 1:1 이상으로 결정하였다.
도 5는 도 1의 MFC의 형상을 유한 요소 분석 모델링을 통해 선정하는 원리를 설명하는 도면으로서, MFC(20)의 형상을 변화시키면서 MFC(20)를 통해 집중된 각각의 최대 자속 밀도의 비교를 나타낸다. 최대 자속 밀도는 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)의 선단을 감싸는 형상인 S2일 때 관찰되었으므로, MFC(20)의 형상을 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)의 선단을 감싸는 형상인 S2로 결정하였다.
MFC(20)의 면적은 동일한 두께 0.025mm에서 100mm2로 고정되어 MFC(20)의 면적 및 부피 효과를 무시했다. 최적화된 매개변수에 기초하여, MFC(20)의 최종 형상은 도 6의 (a)와 같이 결정되었다. 두께가 0.25 mm인 니켈 금속 포일을 가공하여 최적화된 형상을 갖는 MFC(20)를 제조하였다.
이어서, 헬름홀츠 코일(C)에서 자기장의 영향하에 MME 발전기(10)로부터의 출력 전력을 측정함으로써 MFC(20)의 층수(두께)가 최적화되었다. 출력 전력을 측정하기 위해 60Hz의 주파수에서 헬름홀츠 코일(C)을 사용하여 800μT의 AC 자기장을 인가하였다.
도 6의 (b)는 도 1의 MFC의 층수(두께)를 선정하는 원리를 설명하는 도면으로서, 0에서 18까지의 MFC(20) 층수에 따른 MME 발전기(10)의 출력 전압 변화의 함수로 나타내었다. 최대 출력 전압은 MFC 1층에서 상승하여 MFC 10층에서 포화되는 것으로 관찰되었다. 따라서 MFC(20)의 층수(두께)를 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12) 층수(두께)의 1배 이상 10배 이하로 결정하였다. 최종 MFC(20)는 도 1의 (a)에 도시 된 바와 같이 설계되었다.
MFC(20)의 재료 및 매개 변수가 최적화될 때, MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)에 최적화된 MFC(20)에서 발생하는 자속 밀도의 효과는 유한 요소 분석을 사용하여 연구되었다. 800μT의 균일한 ac 자기장에 대해 유한 요소 분석을 수행하였다.
도 1의 (b) 및 도 7은 MFC(20)가 있거나 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)의 유한 요소 분석 모델링의 결과를 나타낸다. 도 1의 (b)는 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)에서 자속 밀도 분포의 3D 유한 요소 분석 결과를 도시한다. MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)에 있어서 자기 변형층(12)의 자속 밀도는 최대값 0.465T[노란색으로 표시됨(도 1의 (b)-i)]를 갖는다. 도 1의 (b)-ⅱ의 진한 적색 영역은 최적화된 MFC(20)를 사용함으로써 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)에 집중된 자속 밀도를 나타낸다. 자기 변형층(12)에서 자속 밀도의 최대값은 0.691T이며, 이는 MFC(20)가 없는 계산 결과의 150%였다.
도 7은 도 1의 (b)에 표시된 결과의 평면 방향 절단 2D 유한 요소 분석 모델링 결과를 나타낸 도면이다. 800μT의 균일한 자기장 하에서, 자속은 MFC(20)없는 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)의 팁의 주위에 균일하게 분포되었다[도 7의 (a)에 백색 선으로 표시됨].
그러나, MFC(20)를 갖는 MME 발전기(10)의 경우, 자속은 자기 변형층(12)의 선단과 MFC(20) 사이에서 강하게 집중되었다[도 7의 (b)에서 짙은 흰색 선으로 표시됨). 또한, 자기 변형층(12)에서의 자속 밀도의 세기는 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)의 경우와 비교하여 적색 영역으로 표시된 바와 같이 현저하게 향상되었다.
유한 요소 분석 결과는 위의 [수학식 1], [수학식 3] 및 [수학식 4]를 사용하여 예측한 바와 같이, MFC(20)의 내부 및 주위의 자속 밀도에서 현저한 향상이 발생하여 MME 발전기(10)의 ME 커플링(
Figure 112020062877118-pat00013
) 및 가진력(Fe)를 향상시켰다는 것을 나타냈다. 다시 말해서, 이 증폭된 자속 밀도는 자기 변형 스트립에서의 자기 변형 및 자기 프루프 질량체(magnet proof mass)의 자기 토크를 향상시키는데 기여함으로써, 기계적 결합을 통해 SFC에 걸친 출력 성능을 향상시킨다.
MME 발전기(10)의 출력 전력에 대한 자속 집중의 효과는 MFC(20)를 사용하거나 사용하지 않고 MME 발전기(10)로부터 생성된 출력 전력을 측정함으로써 실험적으로 검증되었다. MME 발전기(10)의 출력 전력을 특성화하기 전에 MFC(20) 없이 MME 발전기(10)의 비 공진 주파수에서 ME 커플링을 연구하여 MME 발전기(10)의 자체 바이어스 특성(외부 자기 DC 바이어스 필드, Hdc의 적용 없이)을 결정했다. 중첩된 Hac 및 Hdc 자기장을 적용하여 ME 커플링(
Figure 112020062877118-pat00014
) = ∂V/∂H를 측정하였다.
도 1의 (c)는 고정 AC 자기장(Hac)=(f = 1kHz)에서 Hdc의 함수로서
Figure 112020062877118-pat00015
를 보여준다.
Figure 112020062877118-pat00016
는 전형적인 자기장 의존성을 나타내었고, 즉
Figure 112020062877118-pat00017
의 부호는 Hdc의 방향 반전시 변화하였다. 흥미롭게도, Hdc = 0 Oe에서 0.84 V/cm · Oe의 최적
Figure 112020062877118-pat00018
값(최대
Figure 112020062877118-pat00019
의 82%)이 얻어졌으며, MME 발전기(10)의 본질적인 자체 바이어스 특성을 확인하여 dc 전자석을 사용하지 않고도 충분한 발전 특성을 나타낼 수 있다. MME 발전기(10)의 출력 성능에 대한 자속 집중의 영향은 맞춤형 헬름홀츠 코일(C)에서 최적화된 MFC(20)로 MME 발전기(10)를 테스트하여 정량적으로 검사했다(도 1의 d). 헬름홀츠 코일(C)은 외부 ac 자기장 (Hac)을 생성하기 위해 사용되었고, 수확된 출력을 디지털 오실로스코프를 사용하여 모니터링했다. MME 발전기(10)의 일단부는 단단한 비자성 베이클라이트 리그로 구성된 클램프 구조를 사용하여 클램핑 되었다. 유사하게, MFC(20)는 비자성 알루미늄 부착구를 사용하여 MME 발전기(10)의 타단부에 고정되었다. MFC 부착구는 XYZ 이동 스테이지에 추가로 부착되어 MME 발전기(10) 주변의 MFC(20)의 3차원 위치를 정확하게 최적화시킨다.
MME 발전기(10)와 관련한 MFC(20)의 3D 위치는 패키징 된 독립형 전원 공급 장치에서 최적화된 전력 성능을 얻는 데 중요하다. 따라서 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12) 선단에 대한 MFC(20)의 위치는 실험 측정 및 유한 요소 분석을 통해 최적화되었다.
도 8의 (a)는 헬름홀츠 코일을 사용하여 MME 발전기(10)의 길이 방향을 따라 적용된 800μT의 균일한 자기장 하에서 MME 발전기(10)의 두께방향에서 MFC(20)의 위치 최적화를 보여준다. XYZ 스테이지를 사용하여 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12)에 대한 MFC(20)의 높이 위치를 조정하고, MFC(20)의 위치로 인한 MME 발전기(10)의 자유 단부 진동 진폭을 측정하였다.
도 8의 (a)-ⅱ에서 MME 발전기(10) 자유단의 원래 위치는 노란색 선을 사용하여 0mm로 표시된다. 도 8의 (a)-i는 MFC(20) 없이 800μT의 균일한 자기장 하에서 MME 발전기(10)의 진동 진폭과 원래 위치에서의 4.05mm의 총 진동 진폭을 보여준다. 그러나, MFC(20)를 0mm의 높이(도 8의 a-ii에서 황색 선으로 표시)에 놓았을 때, MFC(20)가 없는 것보다 35% 더 작은 2.64mm의 진동 진폭이 관찰되었다. MFC(20)가 MME 발전기(10)에서 위쪽 방향으로 이동함에 따라 진동 진폭이 변하는 것이 관찰되었으며 최대 진동 진폭은 6.23mm로 관찰되었으며 이는 MFC(20)가 없는 것보다 54% 높았다. 이 향상된 최대 진동 진폭은 MME 발전기(10)에 대한 자속 집중의 증거였다. 유한 요소 분석은 진동 진폭에 따라 압전 전위를 이론적으로 계산하기 위해 수행되었으며 그 결과는 도 8의 (b)에 도시되어 있다
압전층(SFC)에서 유도된 전위는 MME 발전기(10)에 대한 MFC(20) 위치의 함수로서 계산되었다. 전위는 SFC의 바닥면을 접지 전극으로 선택하여 계산되었으며,이때 진동 진폭을 MME 발전기(10)의 자유 단에 적용하였다. 압전소재내에 유도된 전위 분포를 색상 영역에서 표시되었다(도 8의 b). 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, MFC가 없는 상태에서의 PMN-PZ-PT의 계산된 출력 전위는 대략 51 Vmax였다. 중심(0mm 위치)에 배치된 MFC(20)의 계산된 출력 전위와 최대 진동 진폭이 관찰된 최적화된 위치에 배치된 MFC(20)의 계산된 출력 전위는 각각 34 및 76 Vmax로 측정되었으며 -34 % 및 + 50 %의 변화를 나타낸다. 도 8의 (a)에 도시된 관찰 결과와 일치한다. 마지막으로, 62.2kΩ의 부하 저항을 따라 60Hz에서 첫 번째 굽힘 공진 모드에서 MME 발전기(10)의 출력 전력을 특성화했다. 도 8의 (c)는 MME 발전기(10)와 관련한 MFC(20)의 높이에 따른 정규화 된 출력 전력의 변화를 보여준다. 4.5mm 높이에 MFC(20)가 위치하였을 때 최대 출력이 관찰되었으며, 추가 연구를 위해 'MFC at optima'라고 표시하였다.
이에 따라 자속 집중기(MFC)(20)는 MME 발전기(10)의 진동 방향 기준으로 MME 발전기(10)의 자기 변형층(12) 중심으로부터 2mm 이상 5mm 이하인 높이에 위치하는 것을 결정한다.
[MFC에 의한 MME 발전기의 출력 전력 향상]
MME 발전기(10)의 출력 전력 성능은 MFC(20)의 유무에 따라 상세하게 연구되었다. MME 발전기(10)를 독립형 저전력 IoT 장치의 에너지원으로 사용하려면, 전력 케이블로부터 고정 주파수 50/60Hz에서 마이크로 테슬라(μT) ~ 밀리 테슬라(mT) 정도 크기의 자기장에서 전기 에너지를 생성할 수 있어야 한다. MME 발전기(10)의 공진 주파수는 MME 발전기(10)의 팁 질량체(15) 위치를 조정함으로써 국내 전력선의 주파수인 60Hz로 조정되었다. 800μT의 60Hz 자기장하에서 MME 발전기(10)는 사인 파형형태의 출력 전압을 생성하는 것으로 관찰되었다(도 9의 a). MFC(20)가 최적화된 MME 발전기(w MFC at optima)는 AC 자기장 하에서 MFC(20)가 없거나 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)보다 높은 출력 전압을 생성했다. MFC(20)가 최적화된 MME 발전기(10)에서 생성된 피크 전압은 40V인 반면, MFC(20)가 없거나 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)는 각각 31V와 23V만 생성했다. 따라서, 최적의 MFC(20)를 갖는 MME 발전기(10)는 MFC(20)가 없거나 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)보다 각각 129 % 및 174 %의 향상을 보였다.
이후, MME 발전기(10)로부터 생성된 ac 신호를 전파 브리지 정류기와 같은 정류회로를 사용하여 DC 출력으로 변환하여 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치(충전회로)에 저장하고, 대상 장치 작동에 추가로 사용할 수 있다. 이를 위해 부하 저항(RL)을 1kΩ ~ 1MΩ 범위에서 변화시키고 해당 출력의 dc 전압 및 전류를 각 부하 저항에서 측정했다. 도 9의 (b)는 부하 저항에 따른 MME 발전기(10)에 의해 생성된 dc 전압을 보여준다. 생성된 전압은 점차 증가하여 1MΩ에서 포화되었다. 21V, 17V 및 28V의 최대 dc 전압은 각각 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10), 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10), 최적의 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)의 경우 1MΩ에서 얻어진다. 대조적으로, 생성된 dc 전류는 부하 저항이 증가함에 따라 점차 감소했다(도 9의 c). 0.20, 0.12 및 0.40 mA의 최대 dc 전류는 각각 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10), 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10), 최적의 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)에서 얻어진다.
3 가지 시나리오 모두에 대한 DC 전력 출력값은 전력 관계식(P = V2/R)을 사용하여 각각의 부하 저항에서 얻어진 전압으로부터 계산된다(도 8의 d). 세 가지 시나리오 모두 약 90kΩ에서 전력이 최대화된다. MFC(20)가 없는 MME 발전기(10), 중앙에 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10), 최적의 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)에서 얻어진 최대 피크 전력은 800μT 필드에서 1.17, 0.86 및 3.33mW이다. MME 발전기(10)의 출력 전력은 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)의 출력에 비해 최적의 MFC(20)를 사용하여 285% 향상되는 것으로 관찰된다. 향상된 전력 출력은 MME 발전기(10)의 니켈 자기 변형 빔으로 자속 밀도를 집중시킨 MFC(20)를 사용했기 때문일 수 있다. 이에 따라, 빔에서의 자기 변형률을 향상시키는 것은 강한 ME 커플링을 통해 압전 SFC를 통한 전력 출력을 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한, MFC(20)를 사용하는 자기 변형층(12)에서의 집중된 자속 밀도는 팁 질량체(15)의 자기-기계 굴곡 토크 및 자기 변형층(12)으로부터의 가진력을 향상시켜서, 현저하게 향상된 자기력을 야기할 수 있다.
[MFC를 구비한 MME 발전기에 의해 작동되는 IoT 센서의 데모]
도 10의 (a)는 MME 발전기(10)를 사용하여 케이블 주위의 자기 노이즈에서 수집된 에너지를 통해 IoT 센서에 전력을 공급하는 가능성을 보여준다. 케이블 주변의 자기 노이즈를 사용할 때, MFC(20)는 IoT 센서에 전력을 공급하기 위해 수확되는 MME 발전기(10) 상의 자속을 집중시켰다. 수확된 출력 전압은, 전기 정류 회로를 사용하여 ac에서 dc로 변환되고, 습도 및 온도 IoT 센서를 지속적으로 구동하기 위해 커패시터에 저장된다. IoT 센서는 지속적인 모니터링을 위해 블루투스(Bluetooth)를 통해 습도 및 온도 정보를 스마트 폰으로 전송하기 시작한다. 도 10의 (b)는 독립형 IoT 온도 및 습도 모니터링 시스템의 회로 설계를 보여준다. MME 발전기(10)는 상용 LTC 3588 전력 관리 IC, 부스팅 커패시터(C1, 100μF) 및 스토리지 커패시터(C2, 2.2mF)로 구성된 전력 관리 회로를 이용하여 무선 온도 및 습도 센서 노드에 연결된다. 수확된 전력은 신호 프로세서(Nordic nRF51802)를 작동시키는 데 사용된다. 신호 프로세서(Nordic nRF51802)는 센서(SHT 30-DIS-B)에서 수신한 온도 및 습도 신호를 처리하여, LCD 드라이버(BU9795AFV)에 보내고, 최종적으로 블루투스 통신을 통해 스마트 폰으로 전송한다.
무선 센서 및 데이터 관리 시스템에 전원을 공급하는 컨셉 디자인을 기반으로 실험실 수준에서 독립형 IoT 센서에 대한 실시간 전원 공급을 시연했다. 도 10의 (c)는 IoT 센서 시스템에 전원을 공급하기 위한 실험 설정을 보여준다. MFC(20)를 갖춘 MME 발전기(10), 60Hz에서 800μT의 자기장을 생성하는 헬름홀츠 코일(C), 온도 및 습도 센서에 연결된 전력 관리 회로와, 블루투스 통신을 통해 센서로부터 수신된 데이터를 표시하는 스마트 폰을 나타낸다. 도 10의 (d)는 MFC(20)가 없는 MMF 발생기(10)를 사용하여 충전된 2.2mF 커패시터의 비교 충전 및 방전 곡선을 보여준다. MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)는 0V에서 3.6V의 저장 커패시터를 충전하는 데 45초가 걸리고, MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)는 13초 만에 스토리지 커패시터를 충전했다. 이것은 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)의 충전 시간보다 대략 1/3배 짧았다. 센서가 충전된 저장 커패시터에 연결된 후, MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)를 사용하여 저장된 전압(도 10의 d-i)은 처음에 갑자기 감소한 다음 장치의 소비(방전) 속도보다 느린 충전 속도와 커패시터의 내부 누설로 인해 130V에서 0.5V로 점차 감소하여 센서가 정보 전송을 중단한다. 이에 비해 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)를 사용하여 저장된 커패시터 전압(도 10의 d-i)은 처음에 2.5V로 감소한 후 원래 값인 3.6V로 복구되어 꾸준히 유지되었다. 이는 IoT 센서가 오랫동안 지속적으로 작동함을 나타낸다. 이 실험을 통해 MFC(20)를 사용하여 MME 발전기(10)에서 지속적으로 에너지를 수확하여 IoT 센서 시스템에 전력을 공급할 수 있음을 확인했다. 이 실험은 자속 집중 효과가 MME 발전기(10)의 에너지 생성 성능을 향상시켜 IoT 온도 및 습도 센서를 작동시키는 데 적합하다는 것을 입증했다.
도 11의 (a) 및 (b)는 각각 MFC(20)가 있는 MME 발전기(10) 및 MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)를 사용하여 슈퍼 커패시터(0.1F, 5.5V, 1.5J)를 충전하는데 사용된 실험 설정을 보여준다. MFC(20)가 없는 MME 발전기(10)는 1100초 이내에 슈퍼 커패시터를 충전한 반면, MFC(20)가 있는 MME 발전기(10)는 전자보다 약 1/2 배 짧은 500초 이내에 충전했다. 이 결과는 MFC(20)의 자속 집중 효과를 이용하여 MME 발전기(10)를 사용하여서 단시간에 슈퍼 커패시터를 충전할 수 있음을 나타낸다. 도 11의 (d)는 MME 발전기를 사용하여 슈퍼 커패시터를 충전하는 데 사용되는 전기 회로를 보여준다.
위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 자속 집중기를 구비한 MME 발전기에 의하면, 표유 자기장(stray magnetic field)을 이용하여 전력을 생산하며, 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층, 상기 자기 변형층의 선단에 부착되어 공진 주파수를 조정하는 팁 질량체(Tip mass), 및 상기 자기 변형층의 자기변형을 전기에너지로 변환하는 압전소재를 포함하는 MME 발전기(Magneto-Mechano-Electric Generator); 및 상기 자기 변형층의 선단에서 설정된 길이만큼 이격 배치되어 상기 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시키는 자속 집중기;를 포함하여 구성됨으로써, MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, MME 발전기의 자기 변형층의 선단 주변에 자속 집중기를 배치하여 MME 발전기로 인가되는 자속을 집중시킴으로써 기존 대비 3배 가량의 높은 출력 성능을 획득할 수 있다.
또한, 자속 집중기의 재질, 종횡비, 형상, 두께 및 위치를 최적화시켜 MME 발전기의 자기 변형층에 집속되는 자속 밀도를 최대로 높임으로써 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: MME 발전기
12: 자기 변형층
15: 팁 질량체
20: 자속 집중기(MFC)
C: 헬름홀츠 코일

Claims (11)

  1. 표유 자기장(stray magnetic field)을 이용하여 전력을 생산하며, 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층(12), 상기 자기 변형층의 선단에 부착되어 공진 주파수를 조정하는 팁 질량체(Tip mass)(15), 및 상기 자기 변형층의 자기변형을 전기에너지로 변환하는 압전소재를 포함하는 MME 발전기(Magneto-Mechano-Electric Generator)(10); 및
    상기 선단으로 갈수록 좁아지고 캔틸레버 구조를 갖는 자기 변형층의 선단을 감싸면서 설정된 길이만큼 이격 배치되어 상기 MME 발전기에 인가되는 자속을 집중시킴으로써 상기 MME 발전기의 출력 성능을 향상시킬 수 있는 자속 집중기(20);를 포함하고,
    상기 자속 집중기(20)의 종횡비는 1 이상이고,
    상기 자속 집중기(20)의 두께는 상기 MME 발전기의 자기 변형층(12) 두께의 1배 이상 10배 이하이며,
    상기 자속 집중기(20)는 상기 MME 발전기의 진동 방향 기준으로 상기 MME 발전기의 자기 변형층(12) 중심으로부터 2mm 이상 5mm 이하인 높이에 위치하며,
    상기 MME 발전기는 전력 관리 회로 및 저장 커패시터와 통합되어 상기 MME 발전기에서 생성된 출력 전력이 IoT(Internet of Things) 센서를 모니터링 하는데 사용되며,
    상기 자속 집중기를 갖는 MME 발전기에서의 ME(magnetoeletric) 효과(
    Figure 112022088164173-pat00036
    )는 다음의 [수학식 2]로 표현되고,
    [수학식 2]
    Figure 112022088164173-pat00037

    [여기서, E는 유도 전기장을 나타내고, H는 외부 AC 자기장을 나타내며, S는 H에 의한 자기 변형률을 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, P는 분극량을 나타내며, M은 자화를 나타내며,
    Figure 112022088164173-pat00038
    는 MFC의 영향하에서의 MME 발전기의 투자율을 나타냄]
    상기 자속 집중기의 영향하에서 상기 팁 질량체의 자기-기계적 토크의 가진력(
    Figure 112022088164173-pat00039
    )은 다음의 [수학식 3]으로 표현되고,
    [수학식 3]
    Figure 112022088164173-pat00040

    [여기서, b와 A는 각각 팁 질량체(15)의 폭과 투영 면적을 나타내고,
    Figure 112022088164173-pat00041
    은 잔여 자속 밀도를 나타내고, ø는 빔의 형상 함수를 나타내며,
    Figure 112022088164173-pat00042
    은 캔틸레버 구조의 길이를 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, μ는 MME 발전기(10)에서의 투자율 변화를 나타냄]
    상기 자기 변형층의 가진력은 다음의 [수학식 4]로 표현되는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
    [수학식 4]
    Figure 112022088164173-pat00043

    [여기서, b 및 t는 각각 자기 변형층(12)의 폭 및 두께를 나타내고, Z는 중성층의 높이를 나타내며,
    Figure 112022088164173-pat00044
    은 자기 변형층(12)의 자기 변형 응력 상수를 나타내며, ø는 빔의 형상 함수를 나타내며,
    Figure 112022088164173-pat00045
    은 캔틸레버 구조의 길이를 나타내며, B는 재료 내의 자속 밀도를 나타내며, r(> 1)은 자속 집중기(MFC)를 사용한 자속 밀도 향상 비율을 나타내며, μ는 MME 발전기(10)에서의 투자율 변화를 나타냄]
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속 집중기(20)는 상대 투자율이 600 이상인 소재를 재질로 하는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소재는 PZT, PMN-PT, PMN-PZ-PT, 및 PZN-PT 중 어느 하나를 포함하는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소재는 PMN-PT, PMN-PZ-PT, PZN-PT, 및 PIN-PMN-PT 중 어느 하나를 포함하는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 변형층은 Ni, Metglas, 및 FeSiB 중 어느 하나를 재질로 하는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 MME 발전기로부터 생성된 ac 신호를 DC 출력으로 변환하는 정류회로; 및
    상기 정류회로에서 변환된 DC 출력을 저장하는 충전회로;를 더 포함하는, 자속 집중기를 구비한 MME 발전기.
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