A Study on Frequency Tunable Vibration Energy Harvester I 55 I Fig. 1. Defected spring length with spring position. Fig. 3. Effects of resonant freque

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1 Journal of Sensor Science and Technology Vol. 23, No. 3 (2014) pp pissn /eISSN 주파수튜닝이가능한진동형에너지하베스터에관한연구 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. 서론에너지하베스팅기술은주변에서발생하는태양, 바람, 열, 바이오, 진동등과같은에너지원을이용하여전기를발생하는기술을말한다. 그중에서진동에너지를이용한하베스팅기술은다른발전기술과비교해상대적으로동작시간의제약이적고, 소형전원소자로개발이용이한장점을가진다. 일반적으로진동에너지하베스팅기술은주변에서발생하는기계적인움직임으로부터정전기, 압전기, 전자기식변환방법을이용하여전기를생산한다. 진동에너지하베스터는외부주파수와하베스터의고유주파수가일치할때, 최대효율이발생됨으로고유주파수설정은적용분야에맞게설계되어야한다. 하지만외부주파수는다양한영역에서발생되며, 이러한진동환경에맞게시스템의주파수를설정하는일은상당히어려운작업이다. 따라서시스템의 고유주파수를진동환경에맞게변경하는주파수튜닝기술에대한연구가요구된다 [1]. 지금까지다양한연구진에의해주파수튜닝관련연구가보고되고있으며, 대표적인방법으로외부로부터기계, 전기또는자기적인힘을이용한튜닝방법이있다 [2-7]. 이러한방법들은튜닝방법이유사하여적용분야의제약이발생하며, 튜닝을위한추가적인장치를사용함에따라설계가복잡해지고부피가증가하는문제가있다. 따라서, 본연구에서는추가적인장치의사용없이스프링의회전만을이용한주파수튜닝용에너지하베스터를제안한다. 기존의튜닝시스템과비교하여주파수변경이쉽고부피증가가없는장점이있다. 제안된하베스터는 23~32 Hz의진동범위에서튜닝이가능하며, ANSYS 유한요소법을통한시물레이션과자석의설계, 입력주파수, 가속도, 부하저항에따른특성평가가이루어졌다. 울산대학교전기공학부 (School of Electrical Engineering, University of Ulsan) University of Ulsan, 93 Daehak-ro, Nam-gu, Ulsan , Korea + Corresponding author: gschung@ulsan.ac.kr (Received: May. 12, 2014, Accepted: May ) 2.1 설계및제작 2. 본론 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( licenses/bync/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 스프링메스시스템의공진주파수는스프링상수와유효질량에의해결정된다. 본연구에서제안하는공진주파수튜닝방법은상단에위치한스프링이회전하여하단에위치한고정 202 J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 23, No. 3, 2014

2 A Study on Frequency Tunable Vibration Energy Harvester I 55 I Fig. 1. Defected spring length with spring position. Fig. 3. Effects of resonant frequency with various spring materials. Fig. 2. Schematic diagram of tunable energy harvester. 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. 4. 2D axi-symmetric finite element simulation; (a) N-S:N-S and (b) N-S:S-N magnet arrangement. Fig. 3은 ANSYS 유한요소법을 이용한 modal 해석으로, 스프 링 메스 시스템의 재료에 따른 공진 주파수 특성을 알 수 있다. 203 J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 23, No. 3, 2014

3 I 56 I Byung-Chul Lee and Gwiy-Sang Chung Fig. 5. The fabricated (a) spring mass system (b) assembled spring mass system with stopper and (c) proposed energy harvester. 해석에 사용된 스프링 재료에는 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 스테 인리스 강, 구리, 그리고 FR-4가 있으며, 1~3차 공진 모드에서 Fig. 6. Waveforms of open circuit output voltages with the N-S:N-S and N-S:S-N magnet arrangement. 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. 4는 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, NS:N-S배열에서 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. 5는 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 Fig. 7. (a) Waveforms and (b) open circuit output voltages at different input frequency with spring position. 력선 변화가 발생되는 것을 알 수 있다. 출력 전압은 N-S:N-S 에서 약 440 mvrms, N-S:S-N에서 1.12 Vrms로 각각 나타났으며, J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 23, No. 3,

4 A Study on Frequency Tunable Vibration Energy Harvester I 57 I Fig. 9는제작된하베스터의차량용엔진에적용에따른출력특성을나타낸것이다. 실험에는쌍용자동차렉스턴 2 차량의엔진우측하단부분이사용되었다. 스프링의위치변화에따른출력전압을측정한결과, 스프링의위치가 6일때, 약 1.78 V 의전압이발생되었다. 하지만, 차량용엔진의공진주파수가제작한튜닝용에너지하베스터의공진주파수의튜닝범위보다높아최대값은확인할수없었으나, 실험결과를바탕으로약 40 Hz 영역임을예측할수있다. 3. 결론 Fig. 8. Output voltage and power at various load resistances. 본연구에서제안한튜닝용에너지하베스터는다양한진동환경에서적용이가능하도록공진주파수의변경이가능하도록설계되었다. 최대 9Hz의주파수변경과함께, 약 60.3 μw의전력생산이가능하다. 뿐만아니라차량용엔진에적용이가능함을확인하였다. 향후, 추가적인에너지변환회로의연구를통해안정적인전원공급이가능한발전소자로개발이가능할것으로사료된다. 감사의글 본연구는 2014년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업입니다. (No ) Fig. 9. Open circuit output voltage with spring positions applied to an automobile engine. 실험에사용된주파수와가속도는 23 Hz 0.5 g이다. Fig. 7은스프링의위치에따른출력파형및전압특성을나타낸것으로, 스프링의위치는 Fig. 1에서설명한것과동일하게 1~6으로구분된다. 스프링위치에따라공진주파수및전압특성은다르게나타나며, 최대 23~32 Hz의공진주파수변경이가능하다. 한편, 공진주파수가증가할수록최대전압은감소하였는데, 이러한결과는스프링의위치변화 (1 6) 에따른유효스프링길이의감소로자석이이동할수있는최대변위가줄어든것에따른결과로해석할수있다. Fig. 8은부하저항에따른출력전압및전력을나타낸것이다. 출력전압은부하저항의증가에따라지속적인증가후특정값에수렴하는경향을보이는반면, 출력전력은최대값을중심으로조금씩감소하는특성을보인다. 출력전력은브릿지정류기를이용해교류를직류전원으로변환한후, 측정하였으며, 부하저항이 1.3 kω일때, 약 60.3 μw의최대전력이발생되는것을확인하였다. REFERENCES [1] E. S. Leland and P. K. Wright, Resonance tuning of piezoelectric vibration energy scavenging generators using compressive axial preload, Smart Mater. Struct., Vol. 15, pp , [2] D. Zhu, S. Roberts, M. J. Tudora, and S. P. Beeby, Design and experimental characterization of a tunable vibrationbased electromagnetic micro-generator, Sens. Actuator A- Phys., Vol. 158, pp , [3] D. J. Morris, J. M. Youngsman, M. J. Anderson, and D. F. Bahr, A resonant frequency tunable, extensional mode piezoelectric vibration harvesting mechanism, Smart Mater. Struct., Vol. 17, p , [4] V. R. Challa, M. G. Prasad, Y. Shi, and F. T. Fisher, A vibration energy harvesting device with bidirectional resonance frequency tenability, Smart Mater. Struct., Vol. 17, p , [5] C. Eichhorn, F. Goldschmidtboeing, and P. Woias, Bidirectional frequency tuning of a piezoelectric energy converter based on a cantilever beam, J. Micromech. Microeng., Vol. 19, p , [6] C. Peters, D. Maurath, W. Schock, F. Mezger, and Y. Man- 205 J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 23, No. 3, 2014

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