KR101708044B1 - Rotation energy harvester using hybrid mechanisms - Google Patents

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터는 내부에 관통하여 형성된 내부 공간을 구비하는 실린더; 상기 실린더의 내부 공간에서 이동 가능하게 배치되는 이동체; 및 상기 실린더의 길이 방향 양 끝 부분에 배치되고, 상기 이동체의 이동에 따른 충돌을 감지하여 전기 에너지를 발생하는 압전 소자를 포함한다.A rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention includes: a cylinder having an inner space formed therein; A moving body movably disposed in an inner space of the cylinder; And a piezoelectric element disposed at both ends in the longitudinal direction of the cylinder and generating electrical energy by sensing a collision due to the movement of the moving body.

하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터{ROTATION ENERGY HARVESTER USING HYBRID MECHANISMS}[0001] ROTATION ENERGY HARVESTER USING HYBRID MECHANISMS [0002]

본 발명의 실시예들은 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
Embodiments of the present invention relate to a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique.

에너지 하베스터 (energy harvester)는 사용되지 않거나 소모되는 에너지를 수집하여, 유용한 전기 에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다. 특히 대형 시스템의 전력효율 향상이나 저전력 소형 전자시스템을 위한 반영구적 에너지원으로 주목 받고 있다.An energy harvester is a renewable energy source that collects unused or spent energy and converts it into useful electrical energy. In particular, it is attracting attention as a semi-permanent energy source for improving power efficiency of large-scale systems and for small-sized electronic systems with low power consumption.

회전 구조체는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있다. 자동차 휠, 샤프트, 타이밍 벨트와 같은 자동차 부품에서부터, 모터 회전축이나 프로펠러와 같은 회전이 필요한 전기 혹은 기계기기, 나아가 엘리베이터나 건설기계에서 사용되는 도르래에 이르기까지 다양하다.Rotating structures are common around us. Ranging from automotive parts such as automotive wheels, shafts and timing belts to electrical or mechanical equipment requiring rotation such as motor rotary shafts or propellers, as well as pulleys used in elevators or construction machines.

이러한 회전 구조체의 상태를 확인하기 위해 다양한 센서 시스템이 쓰이고 있다. 자동차 타이어의 공기압을 측정하는 TPMS (tire pressure measurement system)나 타이어 회전 속도를 감지하는 휠속도센서, 모터의 회전 속도를 측정하는 홀 센서, 그리고 터빈이나 프로펠러의 회전을 측정하는 센서가 있다.Various sensor systems are used to check the state of the rotating structure. There are TPMS (tire pressure measurement system) for measuring the air pressure of a car tire, a wheel speed sensor for detecting the tire rotation speed, a Hall sensor for measuring the rotation speed of the motor, and a sensor for measuring the rotation of the turbine or the propeller.

이러한 센서들은 보통 기기 내부에 매립되어 있기 때문에 배터리와 같은 전력원이 고갈될 경우 교환이나 수리가 불가능하거나 비용이 많이 든다. 또한, 실시간으로 정보를 보내줘야 하지만, 유선으로 연결하기 곤란한 경우가 있다. 뿐만 아니라, 엘리베이터나 크레인 등에 쓰이는 도르래의 회전 역시 정밀한 제어를 위해서는 측정해야 할 필요가 있다.These sensors are usually embedded in the device, so if the power source such as a battery runs out, it can not be replaced, repaired, or expensive. In addition, it is necessary to send information in real time, but there are cases where it is difficult to connect by wire. In addition, the rotation of a pulley used in an elevator or a crane also needs to be measured for precise control.

현재 회전 운동에 대한 에너지 하베스터 기술로는 압전 효과를 활용한 회전형 하베스터가 있다. 쇠공을 베어링으로 사용하여 원통 안의 원형 홈에 넣고 양면에 압전 소자(PZT generator)를 넣어, 원통이 휠에 붙어 회전할 때 원심력 때문에 쇠공이 압전 소자를 누르게 되면 전기를 발생 시킨다. 또는, 외팔보 빔 끝에 무게추를 달고 회전체가 움직일 때 외팔보 빔이 휘게 되는 정도를 압전 효과로 사용하기도 하고, 프로펠러 날개 표면에 흘러가는 기류 혹은 유체의 흐름을 날개 표면에 이식된 압전 소자의 압력으로 변환하여 에너지를 만들기도 한다.Energy Harvesting Technology for Rotational Motion Now, there is a rotating harvester that utilizes piezoelectric effects. Using a steel ball as a bearing, it is inserted into a circular groove in a cylinder, and a piezoelectric element (PZT generator) is put on both sides. When the cylinder rotates about the wheel, the electric wire is generated when the ball presses the piezoelectric element due to centrifugal force. Alternatively, weights are applied to the ends of the cantilevered beam, and the degree to which the cantilever beam is deflected when the rotating body is moved is used as a piezoelectric effect. The flow of air or fluid flowing on the surface of the propeller blade is controlled by the pressure of the piezoelectric element It transforms to make energy.

그러나, 이러한 종래 기술은 몇 가지 근본적인 문제점을 가지고 있다.However, this prior art has some fundamental problems.

첫째, 대부분의 회전 에너지 하베스터는 회전체의 회전 자체에만 반응하도록 설계된다. 하지만, 대부분의 회전체에는 원심력과 구심력 이외에도 각가속도/각속도에 의한 회전력과 중력에 의한 힘이 복합적으로 작용한다. 따라서, 회전체에 달려 있는 하베스터의 무게추의 움직임은 회전체 자체의 회전 외에도 다른 힘을 고려해서 설계되어야 한다.First, most rotational energy harvesters are designed to react only to the rotation of the rotating body itself. However, in most of the rotating bodies, in addition to the centrifugal force and the centripetal force, the rotational force due to the angular acceleration / angular velocity and the force due to the gravity act in combination. Therefore, the movement of the weight of the harvester attached to the rotating body must be designed in consideration of other forces besides the rotation of the rotating body itself.

둘째, 에너지 하베스터의 성능은 회전체의 속도에 의해 크게 좌우된다. 회전 속도에 따라 하베스터에서 발생하는 에너지는 크게 달라지는데, 이런 점 때문에 고속으로 회전하는 회전체를 제외하면 에너지 하베스터의 성능을 보장할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 자동차 휠의 경우 노면 상태나 운전 상황에 따라 회전 속도의 변화가 큰데, 기존 기술은 이런 속도 변화에 대응하기 어렵다는 문제가 있다.Second, the performance of the energy harvester greatly depends on the speed of the rotating body. The energy generated by the harvester varies greatly depending on the rotation speed. Therefore, the performance of the energy harvester can not be guaranteed except for the rotating body rotating at high speed. Further, in the case of an automobile wheel, there is a large change in the rotational speed depending on the road surface state and the driving situation, and the conventional technology has a problem that it is difficult to cope with such a speed change.

셋째, 회전 에너지가 다른 운동 에너지로 변환될 때 필연적으로 에너지 손실이 발생한다. 예컨대, 회전 에너지에 의한 기류 변화가 발생하거나, 회전 운동이 직선 운동으로 바뀌면, 원 운동 에너지는 손실되게 된다. 따라서, 전자기나 압전 효과가 일어나기도 전에 에너지가 이미 손실되므로 에너지 하베스터의 효율이 떨어진다.Third, energy loss necessarily occurs when the rotational energy is converted into another kinetic energy. For example, when an airflow change occurs due to rotational energy, or when a rotational motion is changed to a linear motion, the kinetic energy is lost. Therefore, the efficiency of the energy harvester drops because the energy is already lost before the electromagnetic or piezoelectric effect takes place.

넷째, 에너지 하베스터의 구조의 문제점이 존재한다. 에너지 하베스터는 그 회전축이 회전 구조체의 회전축에 직접 연결되어야 하는데, 이런 경우 회전 구조체의 회전에 방해를 줄 수 있다. 예를 들면, 외팔보 형식의 하베스터는 고유 주파수에 좌우되는데, 고유 주파수 부근의 회전 에너지는 잘 수집하지만 다른 주파수는 효율이 심각하게 떨어진다.Fourth, there is a problem in the structure of the energy harvester. The energy harvester must be connected directly to the rotary shaft of the rotary structure, which may interfere with the rotation of the rotary structure. For example, a cantilever shaped harvester is dependent on its natural frequency, which collects well the rotational energy around the natural frequency, but the other frequencies are severely degraded in efficiency.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0026644호(발명의 명칭: 압전 에너지 하베스트 소자 및 그 제조 방법, 공개일자: 2011년 3월 16일)가 있다.
Related Prior Art Korean Patent Publication No. 10-2011-0026644 (entitled: Piezoelectric energy harvest device and manufacturing method thereof, public date: March 16, 2011) is known.

본 발명의 일 실시예는 압전 소자 및 코일이 마련된 실린더 안에 구형 자석 등의 이동체를 이동 가능하게 장착함으로써, 이동체의 움직임에 따른 전자기 효과와 압전 효과를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있는 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터를 제공한다.
One embodiment of the present invention utilizes a hybrid technique capable of producing electric energy through the electromagnetic effect and the piezoelectric effect according to the movement of the moving body by movably mounting a moving body such as a spherical magnet in a cylinder provided with the piezoelectric element and the coil Provides a rotary energy harvester.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터는 내부에 관통하여 형성된 내부 공간을 구비하는 실린더; 상기 실린더의 내부 공간에서 이동 가능하게 배치되는 이동체; 및 상기 실린더의 길이 방향 양 끝 부분에 배치되고, 상기 이동체의 이동에 따른 충돌을 감지하여 전기 에너지를 발생하는 압전 소자를 포함한다.A rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention includes: a cylinder having an inner space formed therein; A moving body movably disposed in an inner space of the cylinder; And a piezoelectric element disposed at both ends in the longitudinal direction of the cylinder and generating electrical energy by sensing a collision due to the movement of the moving body.

상기 이동체는 상기 실린더의 내부 공간에서, 관성에 의해 직선 및 회전 운동을 할 수 있도록 배치되고, 상기 압전 소자는 상기 이동체의 직선 및 회전 운동에 따른 충돌을 감지하여 상기 전기 에너지를 발생할 수 있다.The movable body is arranged in the inner space of the cylinder so as to be able to linearly and rotationally move due to inertia, and the piezoelectric element can generate the electric energy by detecting a collision due to the linear motion and the rotational motion of the moving body.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터는 상기 실린더의 외주면에 권선되어 상기 실린더를 감싸도록 형성되는 코일을 더 포함하고, 상기 이동체는 N극 및 S극으로 이루어지며, 상기 직선 및 회전 운동에 따라 자속 밀도의 변화를 가지는 자석을 포함하고, 상기 코일은 상기 자석의 자속 밀도 변화를 통해 상기 전기 에너지를 발생할 수 있다.The rotary energy harvester utilizing the hybrid technique according to an embodiment of the present invention further includes a coil wound around an outer circumferential surface of the cylinder so as to surround the cylinder, the moving body comprising N poles and S poles, And a magnet having a change in magnetic flux density according to a linear and rotary motion, and the coil can generate the electric energy through a change in magnetic flux density of the magnet.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터는 상기 압전 소자 및 상기 코일 각각에서 발생한 상기 전기 에너지를 수집하는 정류기 회로를 더 포함할 수 있다.The rotary energy harvester utilizing the hybrid technique according to an embodiment of the present invention may further include a rectifier circuit for collecting the electric energy generated in each of the piezoelectric element and the coil.

상기 이동체는 구형의 형상을 가질 수 있다.The moving body may have a spherical shape.

상기 이동체는 상기 실린더의 내부 공간에 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.At least one of the moving bodies may be disposed in the inner space of the cylinder.

상기 실린더는 원통형의 형상을 가질 수 있다.The cylinder may have a cylindrical shape.

상기 실린더는 자기적 및 전기적 절연성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.The cylinder may be formed of a material having magnetic and electrical insulation properties.

상기 압전 소자는 상기 실린더의 길이 방향 일측 끝 부분으로부터 하향으로 연장되어 배치되는 제1 압전 빔; 및 상기 실린더의 길이 방향 타측 끝 부분으로부터 하향으로 연장되어 배치되는 제2 압전 빔을 포함할 수 있다.Wherein the piezoelectric element includes: a first piezoelectric beam extending downward from a longitudinal end of the cylinder; And a second piezoelectric beam extending downward from the other longitudinal end of the cylinder.

본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터는 내부에 관통하여 형성된 내부 공간을 구비하는 실린더; 상기 실린더의 내부 공간에서 이동 가능하게 배치되는 자석; 상기 실린더의 길이 방향 양 끝 부분에 배치되고, 상기 자석의 이동에 따른 충돌을 감지하여 전기 에너지를 발생하는 압전 소자; 및 상기 실린더의 외주면에 권선되어 상기 실린더를 감싸도록 형성되고, 상기 자석의 이동에 따른 자속 밀도의 변화를 통해 상기 전기 에너지를 발생하는 코일을 포함한다.
A rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to another embodiment of the present invention includes: a cylinder having an inner space formed therein; A magnet movably disposed in an inner space of the cylinder; A piezoelectric element disposed at both ends in the longitudinal direction of the cylinder and generating electric energy by sensing a collision due to the movement of the magnet; And a coil wound around an outer circumferential surface of the cylinder to surround the cylinder and generating the electric energy through a change in magnetic flux density due to the movement of the magnet.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
The details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 소자 및 코일이 마련된 실린더(소형) 안에 구형 자석 등의 이동체를 이동 가능하게 장착함으로써, 이동체의 움직임에 따른 전자기 효과와 압전 효과의 동시 사용을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 이를 통해 소형이면서도 고효율의 에너지 하베스터를 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a movable body such as a spherical magnet is movably mounted in a cylinder (small size) provided with a piezoelectric element and a coil, so that the electromagnetic energy and the piezoelectric effect can be simultaneously used And thus it is possible to realize a compact and high efficiency energy harvester.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전 구조체의 회전축에 직접 장착될 필요가 없기에 회전 구조체의 회전을 방해하지 않으며, 회전 구조체의 성능을 저하시키지 않으면서도 안정적으로 전력을 생산할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since it is not necessary to directly mount on the rotary shaft of the rotary structure, it is possible to stably generate electric power without interfering with the rotation of the rotary structure and without deteriorating the performance of the rotary structure.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 조립이 간편하며 응용 분야의 상황, 예를 들어 회전 속도와 회전 방향의 변환 여부 등 설치 상황에 따라 최적화된 위치에 하베스터를 장착할 수 있는 설계상의 자유도를 부여할 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, it is easy to assemble and gives a design freedom to mount the harvester in an optimized position according to the installation situation such as the rotation speed and the rotation direction of the application field, for example, .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 정단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구형 자석의 이동(회전 및 직진 운동)에 따른 전자기 효과에 의해 전기 에너지를 발생하는 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구형 자석의 이동(직진 운동)에 따른 압전 효과에 의해 전기 에너지를 발생하는 일례를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 설치 예를 보여주기 위한 도면이다.1 is a front sectional view of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an example of generating electric energy by an electromagnetic effect according to movement (rotation and rectilinear motion) of a rectangular magnet in an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing an example of generating electric energy by a piezoelectric effect according to movement (rectilinear motion) of a rectangular magnet in an embodiment of the present invention.
5 and 6 are views showing an example of installation of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 정단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 측단면도이다.FIG. 1 is a front sectional view of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side sectional view of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터(100)는 실린더(110), 이동체(120), 압전 소자(130), 및 코일(140)을 포함할 수 있다.1 and 2, a rotary energy harvester 100 utilizing a hybrid technique according to an exemplary embodiment of the present invention includes a cylinder 110, a moving body 120, a piezoelectric element 130, and a coil 140, . ≪ / RTI >

상기 실린더(110)는 내부에 관통하여 형성된 내부 공간을 구비한다. 여기서, 상기 내부 공간에는 후술하는 상기 이동체(120)가 배치될 수 있다.The cylinder 110 has an inner space formed therein. Here, the mobile body 120, which will be described later, may be disposed in the inner space.

이때, 상기 실린더(110)는 원통형의 형상을 가질 수 있으며, 이에 따라 그 내부 공간도 원형의 단면을 가질 수 있다. 또한, 상기 실린더(110)의 내부 공간의 단면 지름은 상기 이동체(120)의 지름보다 크게 형성될 수 있다.At this time, the cylinder 110 may have a cylindrical shape, and the inner space of the cylinder 110 may have a circular cross-section. In addition, the cross-sectional diameter of the inner space of the cylinder 110 may be larger than the diameter of the moving body 120.

이에 따라, 상기 실린더(110)가 움직이는 경우, 상기 이동체(120)는 그 내부 공간에서 관성에 의해 직선 또는 회전 운동을 할 수 있다.Accordingly, when the cylinder 110 moves, the moving body 120 can linearly or rotationally move due to inertia in its internal space.

상기 실린더(110)는 충분한 강성을 가지고, 자기적 및 전기적 절연성을 가지는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 실린더(110)는 폴리 비닐 클로라이드(PVC)나 폴리 카보네이트(PC)와 같은 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.The cylinder 110 has sufficient rigidity and can be formed of a material having magnetic and electrical insulation properties. For example, the cylinder 110 may be formed of a plastic material such as polyvinyl chloride (PVC) or polycarbonate (PC).

다만, 상기 실린더(110)는 상기 예로 든 플라스틱 재질 외에도 자기적 절연성, 전기적 절연성을 가지고 있으면 다른 재질로도 형성될 수 있는 등 다양한 실시가 가능하다.However, the cylinder 110 may be formed of other materials as long as it has magnetic insulation and electrical insulation in addition to the above-described plastic material.

참고로, 상기 실린더(110)가 철 등의 금속류로 형성되는 경우, 상기 이동체(120)의 일 실시예인 자석이 달라 붙을 수도 있고, 후술하는 상기 코일(140)의 절연성도 보전되지 않는다. 따라서, 본 실시예에서, 상기 실린더(110)를 철 등의 금속류로 형성하는 것은 바람직하지 않다.For example, when the cylinder 110 is formed of a metal such as iron, the magnet, which is an embodiment of the moving body 120, may be stuck, and the insulation property of the coil 140, which will be described later, is not preserved. Therefore, in the present embodiment, it is not preferable that the cylinder 110 is formed of a metal such as iron.

상기 이동체(120)는 상기 실린더(110)의 내부 공간에서 이동 가능하게 배치된다. 이때, 상기 이동체(120)는 상기 실린더(110)의 내부 공간에서, 관성에 의해 직선 및 회전 운동을 할 수 있도록 배치될 수 있다.The moving body 120 is movably disposed in the inner space of the cylinder 110. At this time, the moving body 120 may be disposed in the inner space of the cylinder 110 so as to be able to perform linear and rotary motion by inertia.

상기 이동체(120)는 구형의 형상을 가지는 쇠구슬로 형성될 수 있으며, 상기 실린더(110)의 내부 공간에 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.The moving body 120 may be formed of a spherical bead, and at least one or more of the beads may be disposed in the inner space of the cylinder 110.

상기 이동체(120)가 상기 쇠구슬과 같은 금속, 특히 자성을 띄지 않는 금속으로 형성되는 경우, 후술하는 상기 압전 소자(130)과의 충돌에 의해서만 전기 에너지가 발생된다.When the moving body 120 is formed of a metal such as iron ball, particularly a metal which is not magnetic, electric energy is generated only by collision with the piezoelectric element 130 which will be described later.

그러나, 상기 이동체(120)가 N극 및 S극으로 이루어지며, 상기 직선 및 회전 운동에 따라 자속 밀도의 변화를 가지는 자석으로 형성되는 경우, 상기 압전 소자(130)와의 충돌뿐만 아니라 상기 코일(140)에 의해서도 상기 전기 에너지가 발생될 수 있다.However, when the moving body 120 is formed of a magnet having N pole and S pole and a magnetic flux density change according to the linear and rotary motion, not only the impact with the piezoelectric element 130, The electric energy can also be generated.

다시 말하면, 상기 이동체(120)는 자석으로 형성될 수 있으며, 상기 압전 소자 및 상기 코일(140)과의 상호 작용(압전 효과 및 전자기 변환)을 통해 상기 압전 소자(130) 및 상기 코일(140)에서 상기 전기 에너지가 발생되도록 할 수 있다.In other words, the moving body 120 may be formed of a magnet, and the piezoelectric element 130 and the coil 140 may be connected to each other by interaction (piezoelectric effect and electromagnetic conversion) with the piezoelectric element and the coil 140, So that the electric energy is generated.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기 변환을 기반으로 압전 효과를 융합한 하이브리드 변환 기법을 도입하여 최적화된 전기 에너지 생산을 제공할 수 있다.Thus, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide optimized electric energy production by introducing a hybrid conversion technique in which a piezoelectric effect is fused based on electromagnetic conversion.

상기 압전 소자(130)는 상기 실린더(110)의 길이 방향 양 끝 부분에 배치되고, 상기 이동체(120)의 이동에 따른 충돌을 감지하여 전기 에너지를 발생한다.The piezoelectric element 130 is disposed at both ends in the longitudinal direction of the cylinder 110, and generates electrical energy by sensing a collision due to the movement of the moving body 120.

즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 이동체(120)가 관성에 따라 직선 및 회전 운동을 하게 되면, 상기 이동체(120)의 이동에 따라 충돌하게 된다. 이때, 상기 압전 소자(130)는 상기 이동체(120)의 충돌을 감지하여 그 충돌 정도에 따라 상기 전기 에너지를 차등적으로 발생할 수 있다.That is, when the moving body 120 linearly and rotationally moves according to inertia, the piezoelectric element 130 collides with the moving body 120 as the moving body 120 moves. At this time, the piezoelectric element 130 senses the collision of the moving body 120 and may generate the electric energy differentially according to the degree of impact.

예를 들면, 상기 압전 소자(130)는 상기 이동체(120)와의 충돌에 따라 공진 운동(예: 1초에 1,000번)을 함으로써, 그 공진 운동의 정도에 따라 상기 전기 에너지를 차등적으로 발생할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 압전 소자 (130)의 공진 주파수를 높도록 설계하면 충돌 이후 발생하는 흔들림의 횟수가 1초당 더 많을 수 있으므로 전기 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.For example, the piezoelectric element 130 can generate the electric energy differentially according to the degree of the resonance motion by performing a resonance motion (for example, 1,000 times per second) in accordance with the collision with the moving body 120 have. In this case, if the resonance frequency of the piezoelectric element 130 is designed to be high, the number of vibrations occurring after collision can be increased per second, so that the electric energy conversion efficiency can be increased.

또한, 상기 압전 소자(130)는 상기 실린더(110)의 내부 공간에서 상기 이동체(120)의 이동을 제한하여 상기 이동체(120)가 상기 실린더(110) 밖으로 이탈하는 것을 방지할 수 있다.The piezoelectric element 130 may restrict movement of the moving body 120 in the internal space of the cylinder 110 to prevent the moving body 120 from moving out of the cylinder 110.

이를 위해, 상기 압전 소자(130)는 제1 압전 빔(132) 및 제2 압전 빔(134)를 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the piezoelectric element 130 may include a first piezoelectric beam 132 and a second piezoelectric beam 134.

상기 제1 압전 빔(132)은 상기 실린더(110)의 길이 방향 일측 끝 부분으로부터 하향으로 연장되어 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 압전 빔(132)은 하향으로 연장된 끝 부분이 상기 실린더(110)와 맞닿지 않고 떨어지게 배치될 수 있다.The first piezoelectric beam 132 may extend downward from one longitudinal end of the cylinder 110. At this time, the first piezoelectric beam 132 may be disposed such that the end portion thereof extending downward does not come in contact with the cylinder 110 and is separated from the cylinder 110.

상기 제2 압전 빔(134)은 상기 실린더(110)의 길이 방향 타측 끝 부분으로부터 하향으로 연장되어 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2 압전 빔(134)은 상기 제1 압전 빔(132)과 마찬가지로, 하향으로 연장된 끝 부분이 상기 실린더(110)와 맞닿지 않고 떨어지게 배치될 수 있다.The second piezoelectric beam 134 may extend downward from the other longitudinal end of the cylinder 110. At this time, the second piezoelectric beam 134 may be arranged such that the end portion extending downward, as in the first piezoelectric beam 132, does not come in contact with the cylinder 110 and is separated from the cylinder 110.

이와 같이, 상기 압전 소자(130)는 빔 형태로 형성될 수 있다. 이로써, 상기 압전 소자(130)는 상기 이동체(120)의 충돌에 따라 휘어지면서 공진 운동을 하여 전기 에너지를 발생할 수 있다.As such, the piezoelectric element 130 may be formed in a beam shape. Accordingly, the piezoelectric element 130 can generate electric energy by resonating while being bent according to the impact of the moving body 120.

상기 코일(140)은 상기 실린더(110)의 외주면에 권선되어 상기 실린더(110)를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 코일(140)은 상기 이동체(120)가 자석인 경우, 상기 자석의 자속 밀도 변화를 통해 상기 전기 에너지를 발생할 수 있다.The coil 140 may be wound around an outer circumferential surface of the cylinder 110 to enclose the cylinder 110. When the moving body 120 is a magnet, the coil 140 may generate the electric energy through a change in magnetic flux density of the magnet.

구체적으로, 상기 자석은 N극과 S극을 가지고 있기에 미끌어짐 혹은 회전에 따라 심한 자속밀도 변화가 발생하게 되며, 이 변화는 패러데이 법칙에 의해 전기장을 유도하게 된다. 상기 코일(140)은 상기 유도된 전기장에 의해 전류를 발생시킬 수 있다.Specifically, since the magnet has an N pole and an S pole, a severe magnetic flux density change occurs due to slipping or rotation, and this change induces an electric field by Faraday's law. The coil 140 may generate an electric current by the induced electric field.

이때, 상기 코일(140)은 상기 실린더(110)의 외주면 전체에 권선될 수 있다. 즉, 상기 코일(140)은 상기 실린더(110)의 내부 공간의 길이에 대응되는 위치의 외주면 전체에 권선될 수 있다. 이에 따라, 상기 코일(140)은 상기 이동체(120)의 이동 범위를 모두 커버하여 최적화된 전기 에너지 발생 효과를 제공할 수 있다.At this time, the coil 140 may be wound around the entire circumference of the cylinder 110. That is, the coil 140 may be wound around the entire circumferential surface at a position corresponding to the length of the inner space of the cylinder 110. Accordingly, the coil 140 covers the moving range of the moving body 120 to provide optimized electric energy generating effect.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터(100)는 도면에는 도시되지 않았지만 정류기 회로를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the rotary energy harvester 100 utilizing the hybrid technique according to an embodiment of the present invention may further include a rectifier circuit (not shown).

상기 정류기 회로는 상기 압전 소자(130) 및 상기 코일(140) 각각에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 정류기 회로는 상기 압전 소자(130) 및 상기 코일(140) 각각에서 발생한 상기 전기 에너지를 수집할 수 있다. 또한, 상기 정류기 회로는 상기 이동체(120)의 이동 방향에 관계없이 일정한 전기를 수집하는 것을 가능케 한다.The rectifier circuit may be electrically connected to the piezoelectric element 130 and the coil 140, respectively. The rectifier circuit may collect the electric energy generated in the piezoelectric element 130 and the coil 140, respectively. In addition, the rectifier circuit makes it possible to collect a constant amount of electricity irrespective of the moving direction of the moving body 120.

참고로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구형 자석의 위치나 속도, 움직임의 방향에 관계없이 항상 전기 에너지를 발생시킬 수 있으므로(압전 소자(130) 및 코일(140) 중 적어도 하나에 의해 발생), 에너지 하베스터의 효율을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 회전 에너지가 작거나 느릴 때는 주로 전자기 효과가 발생할 것이고, 크거나 빠를 때는 주로 압전 효과가 발생할 것이다.
According to an embodiment of the present invention, since electric energy can always be generated regardless of the position, speed, and direction of movement of the rectangular magnet (generated by at least one of the piezoelectric element 130 and the coil 140) ), The efficiency of the energy harvester can be maximized. For example, when the rotational energy is small or slow, the electromagnetic effect will mainly occur, and when it is fast or large, the piezoelectric effect will mainly occur.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구형 자석의 이동(회전 및 직진 운동)에 따른 전자기 효과에 의해 전기 에너지를 발생하는 일례를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구형 자석의 이동(직진 운동)에 따른 압전 효과에 의해 전기 에너지를 발생하는 일례를 도시한 도면이다.3 is a view showing an example of generating electric energy by an electromagnetic effect according to movement (rotation and rectilinear motion) of a rectangular magnet in one embodiment of the present invention. And shows an example in which electric energy is generated by a piezoelectric effect in accordance with the movement (rectilinear motion) of the spherical magnet.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(110)와 자석(120) 사이에는 공간이 있다. 따라서, 상기 실린더(110)가 좌우 혹은 상하로 흔들릴 때 구형 자석(120)은 회전하거나 직선으로 미끌어지게 된다.As shown in FIGS. 3 and 4, there is a space between the cylinder 110 and the magnet 120. Accordingly, when the cylinder 110 is rocked left or right or up and down, the spherical magnet 120 is rotated or slid in a straight line.

구형 자석(120) 자체는 N극과 S극을 가지고 있기에 미끄러짐 혹은 회전에 따라 심한 자속밀도 변화가 발생하게 되며, 이 변화는 패러데이 법칙에 의해 전기장을 유도하게 된다. 유도된 전기장은 실린더(110)에 감긴 코일(140)에 전류를 발생시킨다(도 3).Since the spherical magnet 120 itself has the N pole and the S pole, a severe magnetic flux density change occurs due to slip or rotation, and this change induces an electric field by Faraday's law. The induced electric field generates a current in the coil 140 wound on the cylinder 110 (Fig. 3).

한편, 구형 자석(120)이 실린더(110) 끝에 도달하게 되면, 압전 소자(빔)을 건드리게 되며, 휜 압전 소자는 압전 효과에 의해 전기를 발생시키게 된다(도 4).On the other hand, when the spherical magnet 120 reaches the end of the cylinder 110, the piezoelectric element (beam) is touched, and the finned piezoelectric element generates electricity by the piezoelectric effect (FIG.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 구형 자석(120)의 위치나 속도, 움직임의 방향에 관계없이 항상 전기 에너지를 발생시킬 수 있으므로 에너지 하베스터의 효율을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 회전 에너지가 작거나 느릴 때는 주로 전자기 효과가 발생하고, 크거나 빠를 때는 주로 압전 효과가 발생한다. 또한, 구형 자석(120)을 철 구슬 등 자기를 가지지 않은 물질로 설계할 경우 압전 효과만이 발생하게 된다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, electric energy can always be generated regardless of the position, speed, and direction of motion of the spherical magnet 120, thereby maximizing the efficiency of the energy harvester. For example, when the rotational energy is small or slow, the electromagnetic effect is mainly generated. When the rotational energy is large or slow, mainly the piezoelectric effect is generated. In addition, when the spherical magnet 120 is designed as a material having no magnetism such as iron beads, only a piezoelectric effect is generated.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 기법을 활용한 회전 에너지 하베스터의 설치 예를 보여주기 위한 도면이다.5 and 6 are views showing an example of installation of a rotary energy harvester utilizing a hybrid technique according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 회전 에너지 하베스터(100)는 회전체(510)의 가장자리 부분에 간격을 두고 설치될 수 있다.As shown in FIGS. 5 and 6, the rotary energy harvester 100 may be spaced apart from the edge of the rotating body 510.

이때, 상기 회전 에너지 하베스터(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 회전 구조체(510)의 회전 방향에 따라 설치될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 수평 혹은 수직 방향을 유지하도록 설치될 수도 있다.As shown in FIG. 5, the rotary energy harvester 100 may be installed along the rotation direction of the rotary structure 510, or may be installed to maintain the horizontal or vertical direction as shown in FIG. 6 have.

이와 같은 설치 구조를 가지는 상기 회전 에너지 하베스터(100)는 설치 방향과 상관없이 구형 자석이 항상 움직이고 있기에 언제나 전기 에너지를 발생한다. 이는 응용 분야의 상황, 예를 들어 회전 속도와 회전 방향의 변환 여부 등에 따라 최적화된 위치에 하베스터를 장착할 수 있는 설계상의 자유도를 부여할 수 있다.The rotary energy harvester 100 having such an installation structure always generates electric energy because the spherical magnet is always moving regardless of the installation direction. This can give design freedom to mount the harvester in the optimized position depending on the application situation, for example, whether the rotation speed and rotation direction are converted or not.

한편, 상기 회전 구조체(510)가 저속으로 회전하는 경우, 상기 구형 자석이 실린더 내에서 위, 아래로 떨어져 전자기 효과 및 압전 효과를 유발할 수 있다. 반면, 상기 회전 구조체(510)가 고속으로 회전하는 경우, 상기 구형 자석이 상기 실린더 내에서 한쪽에 몰려서 움직임이 적어지게 되어 전자기 효과 및 압전 효과를 제대로 유발하지 못할 수 있다.On the other hand, when the rotary structure 510 rotates at a low speed, the spherical magnet may fall up and down in the cylinder, causing an electromagnetic effect and a piezoelectric effect. On the other hand, when the rotary structure 510 rotates at a high speed, the spherical magnet moves to one side in the cylinder and the motion is reduced, so that the electromagnetic effect and the piezoelectric effect may not be properly induced.

따라서, 본 실시예에서는 상기 회전 에너지 하베스터(100)를 저속으로 회전하는 회전 구조체(510)에 설치함으로써, 상기 구형 자석의 원활한 이동에 따른 전자기 효과 및 압전 효과를 통해 상기 전기 에너지를 원활히 발생시킬 수 있다.
Therefore, in the present embodiment, by providing the rotary energy harvester 100 in the rotary structure 510 rotating at a low speed, the electric energy can be smoothly generated through the electromagnetic effect and the piezoelectric effect according to the smooth movement of the spherical magnet have.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 소형 실린더 안에 구형 자석을 장착하여 회전 구조체에서 회전 에너지를 수집하는 회전 에너지 하베스터를 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기 효과와 압전 효과의 동시 사용을 통해 소형이면서도 고효율의 에너지 하베스터를 구현할 수 있다.As described above, in one embodiment of the present invention, a rotational energy harvester is proposed in which a spherical magnet is mounted in a small cylinder to collect rotational energy from the rotational structure. According to one embodiment of the present invention, a compact and high-efficiency energy harvester can be realized through simultaneous use of the electromagnetic effect and the piezoelectric effect.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전 구조체의 회전축에 직접 장착될 필요가 없기에 상기 회전 구조체의 회전을 방해하지 않으며, 상기 회전 구조체의 성능을 저하시키지 않으면서도 안정적으로 전력을 생산할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, since it is not necessary to directly mount on the rotary shaft of the rotary structure, it is possible to stably generate electric power without interfering with the rotation of the rotary structure and without deteriorating the performance of the rotary structure .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조립이 간편하며 응용 분야의 상황, 예를 들어 회전 속도와 회전 방향의 변환 여부 등 설치 상황에 따라 최적화된 위치에 하베스터를 장착할 수 있는 설계상의 자유도를 부여할 수 있다.
Further, according to the embodiment of the present invention, it is possible to easily assemble and to provide a design freedom to mount the harvester in an optimized position according to the installation situation such as the rotation speed and the rotation direction of the application field .

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modification is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only in accordance with the following claims, and all equivalents or equivalent variations thereof are included in the scope of the present invention.

110: 실린더
120: 이동체
130: 압전 소자
132: 제1 압전 빔
134: 제2 압전 빔
140: 코일
510: 회전체110: Cylinder
120: mobile body
130: piezoelectric element
132: first piezoelectric beam
134: second piezoelectric beam
140: Coil
510: rotating body