자석을 이용한 M형 보의 에너지 하베스팅

Abstract

기존에 많이 연구 되고 있는 외팔 형태의 하베스터는 시스템이 가지는 고유 진동수와 외력의 주파수가 일치할 때 공진으로 인해 높은 발전량을 얻을 수 있다. 하지만, 고유 진동수와 외력의 주파수가 조금이라도 일치하지 않게 되면, 급격하게 발전량이 감소하는 단점을 가진다. 또한, 외팔 형태의 하베스터는 단일 주파수에서는 많은 발전량을 얻을 수 있지만, 시스템이 가지는 1차 고유진동수와 2차 고유진동수 사이의 거리가 넓어 광대역화된 발전량을 얻기에는 한계가 있다. 이는 시스템의 1,2차 고유 진동수를 가깝게 위치시켜 공진점 이외의 주파수 영역에서도 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 광대역화된 하베스터의 개발이 필요함을 시사한다.

본 연구에서는 광대역화된 발전량을 얻기 위해 자석을 이용한 M형 보의 에너지 하베스터 시스템에 대한 연구를 진행하였다. 시스템의 운동방정식을 유도하기 위해 Kane’s Method와 Assumed Mode Method를 사용하였다. M형 보 구조는 시스템이 가지는 1,2차 고유진동수가 가깝게 위치하여 광대역화된 에너지 하베스터 시스템을 얻을 수 있었다. 최적화 문제를 통해 시스템의 전체 부피는 변하지 않으면서 발전량은 향상 시킬 수 있는 연구도 함께 진행하였다. 또한, 하베스터의 자유단에 자석을 부착하여 자석의 척력 효과를 통해 시스템의 진동을 키움으로써 발전량을 높일 수 있었다. 자석 간의 거리 변화는 시스템의 1차 고유진동수와 2차 고유진동수 사이의 간격을 조절 가능하다. 이를 통해 시스템의 제원을 변경하지 않고 자석 간의 거리 조절을 통해 원하는 주파수 영역에서의 발전량을 얻을 수 있었다. 마지막으로, 같은 양의 보조재와 압전재를 사용할 때, 외팔 형태의 하베스터와 M형 하베스터와의 발전량을 비교해 보았다. 본 연구를 통해 원하는 주파수 영역에서 광대역화된 발전량을 얻을 수 있었고, 외팔 형태의 하베스터보다 M형 하베스터가 시스템의 발전량을 높이는데 효과적인 것을 알 수 있었다.