A Study on Pendulum Generator Using Human Body Kinetic Energy

인체 운동 에너지를 이용한 진자 발전기에 관한 연구

Abstract

In this study, Electromagnetic Induction Power Generation (EMG) is a structure consisting of a stator and a permanent magnet rotor, and is a method that enables power generation by using the kinetic energy of the human arm. Among them, the axial flux permanent magnet (AFPM) technique is a method that can act sensitively to the kinetic energy of the arm at a slow speed of the human body, and has a simple structure and can be designed and manufactured with an ultra-small size. Under the conditions of size of ø46×11mm, rotation speed of 7Hz (420rpm), output voltage 0.4VAC, output current 4.5mA, and output power 30mW were measured and analyzed the same as the target specification. Therefore, the purpose of this study is to study the power generation of the pendulum applying the AFPM (Axial Flux Permanent Magnet) technique to charge power to smart devices with kinetic energy of the human body.

본 연구에서 전자기 유도 발전(EMG)은 고정자와 영구자석 회전자로 이루어진 구조로 인체의 팔 운동 에너지를 이용하여 전력 생산이 가능한 방식이다. 그 중 AFPM 기법은 인체의 느린 속도의 팔 운동 에너지에도 민감하게 동작할 수 있는 방법으로 구조가 간단하며 크기는 초소형 설계, 제작이 가능하다. 크기 ø46×11mm, 회전수 7Hz(420rpm)의 조건에서 출력전압 0.4VAC, 출력전류 4.5mA, 출력전력 30mW 로 측정되어 목표사양과 유사하게 해석되었다. 따라서 본 연구에서는 AFPM 기법을 적용한 진자 발전을 연구하여 인체 운동 에너지로 스마트 기기에 전력을 충전하는 데 연구 목적이 있다.

Ⅰ. 서론

인체의 운동 에너지를 이용하여 기계적 에너지로 변환한 후 전기 에너지로 변환이 가능하며, 변환된 전기 에너지를 웨어러블 기기에 충전이 가능하다.

최근 스마트 워치, 스마트 밴드 등 인체에 착용하여 다른 정보기기와 정보를 교환할 수 있는 기기의 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 실용 가능하도록 보급되고 있다. 또한 스마트 밴드는 사용자의 맥박수, 심전도, 산소포화도 등의 생체정보를 실시간으로 알 수 있는 기능을 탑재한 제품의 연구개발이 활발히 진행되고 있다^[5].

이러한 웨어러블 기기들은 내장되어 있는 배터리의 용량에 따라 사용시간이 결정되어진다. 웨어러블 기기는 휴대성과 편리성 때문에 초소형, 경량으로 제작되며 내장 배터리의 크기가 작아 자주 충전해야 하는 번거로움이 있다. 이러한 불편함을 해소하기 위하여 스마트 센서의 소비전력을 적게 소비하는 기술이 연구되어지고 있다^[6][7].

본 연구에서는 인체의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 스마트 기기의 배터리에 충전함으로서 짧은 충전 주기에 따른 불편함을 해소하고자 한다.

전자기 유도 발전(EMG)은 고정자(Stator)와 영구자석 회전자(Rotor)로 이루어진 구조로 인체의 팔 운동 에너지를 이용하여 전력생산이 가능한 방식이다. 그 중 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 기법은 인체의 느린 속도의 팔 운동 에너지에도 민감하게 동작할 수 있는 방법으로 구조가 간단하며 크기는 초소형으로 설계, 제작이 가능하다.

크기 ∅46x11mm, 회전수 7Hz(420rpm) 의 조건에서 출력전압 0.4VAC, 출력전류 4.5mA, 출력전력 30mW 로 측정되어 목표사양과 유사하게 해석되었다.

따라서 본 연구에서는 AFPM 기법을 적용한 진자 발전(Pendulum Generator)을 연구하여 인체 운동 에너지로 스마트 기기에 전력을 충전하는 것에 연구 목적이 있다.

Ⅱ. 본문

1. AFPM 발전기 설계

가. AFPM 발전기의 원리 및 구조

AFPM 발전기와 기본 구조는 디스크 형상 또는 팬케이크 형상이다. 공극에서의 자속방향이 회전축과 평행하게 형성되어있어 단위 무게당 높은 에너지 밀도를 가질수 있어 큰 출력을 낼 수 있다. 고정자는 코어레스(Coreless) 형태로 중심부에 철심(Core)이 없는 구조로 코깅 토크(Cogging Torque)에 의한 손실을 최소화 할 수 있다^[1].

AFPM 발전기는 2개의 회전자가 있으며, N/S극이 축방향으로 평행한 방향의 자속이 발생한다. 영구자석은 철심 요크(Yoke)에 N/S가 교번적으로 부착되어 있으며, 영구자석 N극과 S극 사이에 작은 공극이 존재한다.

영구자석의 재질은 희토류 계열의 네오디뮴(NdFeB)으로 표면 자속밀도가 높은 48UH를 적용한다^[2].

AFPM 발전기의 구조를 그림 1에 나타내었다.

그림 1. AFPM 발전기 구조

Fig. 1. Structure of AFPM Generator

나. 회전자와 고정자 설계

AFPM 발전기의 구조는 2개의 평행한 회전자에 영구자석 N/S가 교번적으로 부착되어 있으며, 고정자는 회전자의 중간에 설치되어 있다^[4].

본 연구에서는 회전자의 영구자석 배열 구조를 반원형태로 설계하여 인체 팔 운동에 따른 진자 운동이 전력으로 발생되도록 하였다. 진자 발전기의 구조를 그림 2에 나타내었으며, 실물사진은 그림 3, 그림 4, 그림 5에 나타내었다.

그림 2. 진자 발전기 도면

Fig. 2. Drawing of Pendulum Generator

그림 3. 회전자 사진

Fig. 3. Photo of Generator Rotor

그림 4. 고정자 사진

Fig. 4. Photo of Generator Stator

그림 5. AFPM 발전기 회전자, 고정자 사진

Fig. 5. Photo of AFPM Generator Rotor and Stator

다. AFPM 진자 발전기의 사양

AFPM 발전기의 설계 목표는 무게가 가볍고 출력 전력은 최대가 되도록 하는데 있다. 또한 코깅 토크가 제로(Zero)가 되도록 설계했으며, 목표사양은 표 1과 같이 나타내었다^[3].

표 1. AFPM 발전기 사양

Table 1. Design Specification of AFPM Generator

고정자는 9Slot 이며, 고정자 코일(Stator Coil)의 권선수는 각 상마다 450회(Turn) 씩 권선하였다. 구동 주파수는 인체의 팔 왕복운동을 3.5회/초로 예측하여 7Hz(420rpm)로 결정하였으며, 그 때의 출력전압이 0.4VAC가 되도록 설계하였다.

라. 정류회로 및 승압회로

AFPM 발전기의 출력 전압이 0.4VAC 로 출력되며 정류된 전압이 \(\begin{aligned}0.4 \times \sqrt{2}=0.565 \mathrm{VDC}\end{aligned}\)로 낮아서 승압회로를 통하여 3.3VDC 까지 승압하여야 충전이 가능하다.

정류회로 및 승압회로 모듈을 그림 6에 나타내었으며, 완성품 사진은 그림 7에 나타내었다.

그림 6. 정류회로 및 승압회로

Fig. 6. Rectifier & Buck Booster Circuit

그림 7. 승압모듈

Fig. 7. Booster Module

마. 시험 및 측정결과

AFPM 발전기의 성능시험을 위한 전용 시험 장치를 구현하였다. 구동용 서보모터(Servo-Motor)는 100W, 최대 회전수 0∼2,000rpm, 최대 측정토크(Torque)는 2kg/cm가 되도록 설계하였다.

AFPM 진자 발전기는 진자운동을 원활하게 하기 위하여 고정자의 구조를 반원 형태로 설계하였다. 그러나 원운동에 의한 토크 리플(Torque Ripple)이 발생하여 측정 오차가 커질 수 있다. 해결 방안으로 구동용 서보모터와 AFPM 발전기 사이에 플라이 휠(Fly-Wheel)을 삽입하였다. 그 결과, 반원 형태의 회전자에 의한 토크 리플이 최소화 되었다. 회전수 VS 출력전압을 측정하였으며, R, S, T 각 상의 AC 전압을 측정하였다. 부하전류는 각 상마다 4.5mA 가 되도록 부하를 설정하였다.

AFPM 발전기의 회전수(RPM) VS 출력전압(VAC), 부하전류(IAC) 측정을 위한 회로구성을 그림 8과 같이 설계, 결선하였다.

그림 8. 3상3선식 결선도

Fig. 8. Three-phase Three-wire Wiring Diagram

부하 결선방법은 3P3W(3상3선) 방식으로 결선하였으며 중심점(N)은 사용하지 않았다.

시험장치(Dynamo-Tester)의 도면은 그림 9와 같이 나타내었으며, 실제 장치사진은 그림 10과 같다.

그림 9. 시험장치 도면

Fig. 9. Drawing of Dynamo-Tester

그림 10. 시험장치 사진

Fig. 10. Photo of Dynamo-Tester

시험은 디지털 파워미터(YOKOGAWA/WT333E) 계측기로 측정하였으며, 측정시 시험사진은 그림 11, 그림 12와 같다.

그림 11. AFPM 발전기의 출력 파형 사진

Fig. 11. Photo of Output Waveform of the AFPM Generator

그림 12. AFPM 발전기의 출력 전압, 전류 사진

Fig. 12. Photo of Output Voltage and Current of AFPM Generator

시험측정 결과, 출력 곡선은 표 2와 같이 나타내었으며, 시험결과는 표 3과 같다.

표 2. AFPM 발전기 특성 측정표

Table 2. Characteristics Measurement Table of AFPM Generator

표 3. 시험결과

Table 3. Test Result

측정 결과, 평균 출력전압이 0.4VAC 로 확인되었으며 평균 출력전류는 4.5mA 로 측정되었다.

출력은 각 상간 출력(R-S, S-T, T-R)에 0.412 × 4.49mA = 18.49mW 로 계산되었으며 3상 출력은 \(\begin{aligned}18.49 \sqrt{3}=32mW\end{aligned}\) 로 계측되었다.

Ⅲ. 결론

본 논문은 인체의 운동 에너지를 이용하여 전력을 발생시켜 스마트 기기의 배터리에 충전하는 발전기를 연구하는 것에 있다.

작은 운동 에너지를 전기로 변환하는 전자기 유도 발전 방식에서 AFPM 발전 기법이 체적 대비 큰 출력을 낼 수 있으며, 구조가 간단하여 무게를 가볍게 할 수 있는 장점이 있어서 AFPM 기법을 연구하였다. 완성 시험품 외형은 그림 13과 같고 사진은 그림 14와 같다.

그림 13. 진자 발전기

Fig. 13. Pendulum Generator

그림 14. AFPM 발전기

Fig. 14. AFPM Generator

연구 결과 시험에 따른 결과치는 다음과 같이 도출되었다.

첫째, 인체 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지로 변환한 후 웨어러블 기기의 배터리에 충전할 수 있는 AFPM 발전 기법을 연구하였으며, 초소형 발전기의 제작이 가능한 것으로 분석되었다.

둘째, 초소형 AFPM 진자 발전기를 시험 조건에서 출력된 전력이 30mW 가 되었으며, 이 전력을 슈퍼 커패시터(Super-Capacitor)에 저장하는 기법의 연구를 통하여 작은 전력을 저장할 수 있는 방법이 가능한 것으로 나타났다.

셋째, 완성된 시제품의 시험결과, 전기적 특성은 목표 사양에 도달하였으나 크기와 무게를 작게 하고 출력을 크게 할 수 있는 소재 개발의 필요성이 제시되었다.

향후 본 연구의 시험결과를 토대로 높은 효율의 인체 운동 발전기의 연구개발에 도움이 될 수 있을 것으로 예측되었다.