http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2014.23.3.202 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
주파수 튜닝이 가능한 진동형 에너지 하베스터에 관한 연구
이병철·정귀상+
A Study on Frequency Tunable Vibration Energy Harvester
Byung-Chul Lee and Gwiy-Sang Chung+
Abstract
The common vibration energy harvester effectively converts mechanical vibration to electric power at a specific resonance frequency that must match the ambient excitation frequency. The resonance frequencies of energy harvesters are fixed during the design process and could not be changed after fabrication. In this paper, we proposed the new frequency tuning which uses the rotatable spring in order to adjust the spring constants. By this tuning method, the resonance frequency of the system can simply be manipulated using spring rotation. The proposed energy harvester has been successfully tuned to a resonance frequency between 23 and 32 Hz. The experimental results demonstrated that the proposed energy harvester could generate a maximum output power of 60 µW with an acceleration of 0.5 g (1 g=9.81 m/s
2), and that the resonance frequency of the harvester was able to tune approximately 31.4%. When the proposed harvester was attached to an automobile engine, the maximum open circuit voltage of 1.78 Vpp was produced at 700 rpm.
Keywords: Frequency tuning, Energy harvesting, Vibration, FR-4 spring
1. 서 론
에너지 하베스팅 기술은 주변에서 발생하는 태양, 바람, 열, 바이오, 진동 등과 같은 에너지원을 이용하여 전기를 발생하는 기술을 말한다. 그 중에서 진동 에너지를 이용한 하베스팅 기술 은 다른 발전기술과 비교해 상대적으로 동작 시간의 제약이 적 고, 소형 전원소자로 개발이 용이한 장점을 가진다. 일반적으로 진동 에너지 하베스팅 기술은 주변에서 발생하는 기계적인 움 직임으로부터 정전기, 압전기, 전자기식 변환 방법을 이용하여 전기를 생산한다.
진동 에너지 하베스터는 외부 주파수와 하베스터의 고유 주 파수가 일치할 때, 최대 효율이 발생됨으로 고유 주파수 설정은 적용분야에 맞게 설계되어야 한다. 하지만 외부 주파수는 다양 한 영역에서 발생되며, 이러한 진동 환경에 맞게 시스템의 주파 수를 설정하는 일은 상당히 어려운 작업이다. 따라서 시스템의
고유 주파수를 진동 환경에 맞게 변경하는 주파수 튜닝 기술에 대한 연구가 요구된다[1].
지금까지 다양한 연구진에 의해 주파수 튜닝관련 연구가 보 고되고 있으며, 대표적인 방법으로 외부로부터 기계, 전기 또는 자기적인 힘을 이용한 튜닝방법이 있다[2-7]. 이러한 방법들은 튜닝방법이 유사하여 적용분야의 제약이 발생하며, 튜닝을 위한 추가적인 장치를 사용함에 따라 설계가 복잡해지고 부피가 증 가하는 문제가 있다.
따라서, 본 연구에서는 추가적인 장치의 사용 없이 스프링의 회전만을 이용한 주파수 튜닝용 에너지 하베스터를 제안한다.
기존의 튜닝 시스템과 비교하여 주파수 변경이 쉽고 부피 증가 가 없는 장점이 있다. 제안된 하베스터는 23~32 Hz의 진동 범 위에서 튜닝이 가능하며, ANSYS 유한요소법을 통한 시물레이 션과 자석의 설계, 입력 주파수, 가속도, 부하저항에 따른 특성 평가가 이루어졌다.
2. 본 론
2.1 설계 및 제작
스프링 메스 시스템의 공진 주파수는 스프링 상수와 유효질 량에 의해 결정된다. 본 연구에서 제안하는 공진 주파수 튜닝 방법은 상단에 위치한 스프링이 회전하여 하단에 위치한 고정
울산대학교 전기공학부(School of Electrical Engineering, University ofUlsan)
University of Ulsan, 93 Daehak-ro, Nam-gu, Ulsan 680-749, Korea
+Corresponding author: [email protected] (Received: May. 12, 2014, Accepted: May. 29. 2014)
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자와의 위치 변화를 이용하여 스프링 길이 변화에 따른 공진 주 파수 변화를 이용한다.
Fig. 1은 스프링의 위치에 따른 유효길이(L1~L6) 변화를 나 타낸 것으로, 빨간색 부분이 유효 스프링, 회색부분이 고정자를 나타낸다. 최대, 최소 길이는 각각 L1, L6에서 발생된다.
Fig. 2는 튜닝용 전자기식 에너지 하베스터의 설계도를 나타 낸 것으로, 스프링, 고정자, 영구자석, 코일, 하우징, 그리고 지 그로 구성된다. 스프링은 변위증가를 위해 나선형 모양으로 설 계되며, 고정자 위에서 회전 가능하도록 위치된다[8]. 스프링의 상단에 위치하는 지그는 스프링과 연결되어 있으며 고정자와의 위치 변경을 위해 사용된다. 끝으로, 영구자석은 스프링의 가운 데에 위치하며, 자기력선 밀도를 향상시키기 위해 같은 극끼리 마주보는 다극형태로 설계된다.
Fig. 3 은 ANSYS 유한요소법을 이용한 modal 해석으로, 스프 링 메스 시스템의 재료에 따른 공진 주파수 특성을 알 수 있다.
Fig. 1. Defected spring length with spring position.
Fig. 2. Schematic diagram of tunable energy harvester.
Fig. 3. Effects of resonant frequency with various spring materials.
Fig. 4. 2D axi-symmetric finite element simulation; (a) N-S:N-S and
(b) N-S:S-N magnet arrangement.
해석에 사용된 스프링 재료에는 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 스테 인리스 강, 구리, 그리고 FR-4가 있으며, 1~3차 공진 모드에서 FR-4가 가장 낮은 공진 주파수 특성을 보였다. 공진 주파수 특 성평가에는 탄성계수, 프아송 비, 밀도가 물성치로 사용되었으 며 해석에 사용된 재료들 중에서 FR-4가 저주파수 동작에 가장 적합한 재료임을 확인할 수 있다.
Fig. 4 는 영구자석의 자기력선 및 자기장 밀도 분포를 해석한 것이다. Fig. 5 (a)와 (b)는 하단에 위치한 자석의 마주보는 극 성을 각각 (a) N-S:N-S와 (b) N-S:S-N 일 때의 해석 결과로, N- S:N-S 배열에서 자석 사이의 자기장 분포가 자석 주위와 비교해 상대적으로 낮은 값을 나타내지만, N-S:S-N 배열에서는 자기장 분포가 전체적으로 균일하며 가운데 부분의 밀도가 더 큰 것을 확인 할 수 있다. 뿐만 아니라, 출력에 직접적인 영향을 미치는 유효 자기장의 범위 또한 N-S:S-N 배열에서 넓게 나타나 보다 많은 자기력선의 유도가 가능함을 알 수 있다.
Fig. 5 는 제작된 주파수 튜닝용 에너지 하베스터를 나타낸 것 이다. FR-4 스프링과 알루미늄 고정자는 CNC 3D 장비를 이용 하여 제작된다. 스프링은 나선형 모양으로 2개의 빔을 가지며, 빔의 간격과 폭은 1 mm로 동일하게 제작된다. 코일은 0.1 T의 구리선으로 영구자석의 옆에 위치된다. 스프링의 회전을 위한 지그와 하우징은 테플론으로 제작되며, 각각 하베스터의 상단과 가운데 위치한다.
2.2 실험결과
Fig. 6은 자석의 배열에 따른 출력 파형을 나타낸 것이다. 자 석의 N-S:N-S와 N-S:S-N 배열에 따른 출력 파형에서 N-S:S-N 배열 자석의 출력이 높게 나타났다. N-S:N-S 배열은 N-S:S-N 배열에 비해 파형의 주파수가 약 2배가량 높게 나타났으며, 이 러한 특성은 N-S:N-S 자석의 자기장 밀도가 자석의 양단에 집 중된 것에 비해, N-S:S-N 자석의 자기장 밀도는 가운데에서 높 게 나타난 것에 따른 결과로 보인다. 즉, N-S:N-S 배열에서 두 번의 자기력선 변화가 발생할 때, N-S:S-N에서는 한번의 자기 력선 변화가 발생되는 것을 알 수 있다. 출력 전압은 N-S:N-S 에서 약 440 mV rms , N-S:S-N 에서 1.12 V rms 로 각각 나타났으며, Fig. 5. The fabricated (a) spring mass system (b) assembled spring mass system with stopper and (c) proposed energy harvester.
Fig. 6. Waveforms of open circuit output voltages with the N-S:N-S and N-S:S-N magnet arrangement.
Fig. 7. (a) Waveforms and (b) open circuit output voltages at dif-
ferent input frequency with spring position.
실험에 사용된 주파수와 가속도는 23 Hz 0.5 g이다.
Fig. 7은 스프링의 위치에 따른 출력파형 및 전압 특성을 나 타낸 것으로, 스프링의 위치는 Fig. 1에서 설명한 것과 동일하 게 1~6으로 구분된다. 스프링 위치에 따라 공진 주파수 및 전 압 특성은 다르게 나타나며, 최대 23~32 Hz의 공진 주파수 변 경이 가능하다. 한편, 공진 주파수가 증가할수록 최대 전압은 감 소하였는데, 이러한 결과는 스프링의 위치 변화(1→6)에 따른 유 효 스프링 길이의 감소로 자석이 이동할 수 있는 최대 변위가 줄어든 것에 따른 결과로 해석할 수 있다.
Fig. 8은 부하저항에 따른 출력 전압 및 전력을 나타낸 것이 다. 출력 전압은 부하저항의 증가에 따라 지속적인 증가 후 특 정 값에 수렴하는 경향을 보이는 반면, 출력 전력은 최대 값을 중심으로 조금씩 감소하는 특성을 보인다. 출력 전력은 브릿지 정류기를 이용해 교류를 직류전원으로 변환한 후, 측정하였으며, 부하저항이 1.3 kΩ일 때, 약 60.3 μW의 최대 전력이 발생되는 것을 확인하였다.
Fig. 9 는 제작된 하베스터의 차량용 엔진에 적용에 따른 출력 특성을 나타낸 것이다. 실험에는 쌍용자동차 렉스턴 2 차량의 엔진 우측 하단부분이 사용되었다. 스프링의 위치변화에 따른 출력 전압을 측정한 결과, 스프링의 위치가 6일 때, 약 1.78 V 의 전압이 발생되었다. 하지만, 차량용 엔진의 공진 주파수가 제 작한 튜닝용 에너지 하베스터의 공진 주파수의 튜닝 범위보다 높아 최대값은 확인할 수 없었으나, 실험결과를 바탕으로 약 40 Hz 영역임을 예측할 수 있다.
3. 결 론
본 연구에서 제안한 튜닝용 에너지 하베스터는 다양한 진동 환경에서 적용이 가능하도록 공진 주파수의 변경이 가능하도록 설계되었다. 최대 9 Hz의 주파수 변경과 함께, 약 60.3 μW의 전 력 생산이 가능하다. 뿐만 아니라 차량용 엔진에 적용이 가능함 을 확인하였다. 향 후, 추가적인 에너지 변환 회로의 연구를 통 해 안정적인 전원 공급이 가능한 발전 소자로 개발이 가능할 것 으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다. (No.
2014002668)
REFERENCES
