There has been significant increase in the application of monitoring systems in major components owing to growing interest in high performance and environmentally safe of mobile sources. With increasing interest in futuristic wireless smart autonomous sensing systems that utilize information and communication technology (ICT), studies have been conducted on wireless sensing modules that are capable of real-time system monitoring and have an all-in-one built-in self-generating energy module. In this thesis, we define automotive tires and the wheels of a train as independent rotational systems, and attempt the development of energy harvesters that incorporate a monitoring system in tire pressure and wheel bearing of train. We verified a vibrational energy as a useful energy source from independent rotational systems through environmental tests, and verified the electromagnetic inducement as an effective energy harvesting method from the low frequency band vibration source. To maximize the relative motion between magnets and coils, the system should be designed through mechanical, electromagnetic and electrical modeling process as well as a mass spring damping model optimization. Based on variously scattered theses, we established a modeling process of vibratory energy harvesters.
The first objective was a development of energy harvester for applying on the tire pressure monitoring system. We analyzed vibration sources from the wheel rim about 1g in around 8 to 15 Hz period as known as the most influential source and power consumptions of the TPMS circuits totally 50 to 200 μW by environmental tests. Then we established an equation of motion based on the design constraints. We set the equation of periodic motion and analyzed core parameters, i.e., detail characteristics of a mass, a spring constant and a damping. A maximum displacement of a system can be restricted by a mass. Through this basis, the equation of relation between a specific mass and an optimum displacement can be induced. In case of a spring constant, a displacement of s mass can be predicted and adjusted by a design a spring or a cantilever beam. In the view of mechanical-electrical conversion, a damping is a necessary parameter to compose an equivalent circuit for converting an electrical characteristic as a major. In case of a magnetic characteristic, a magnetic flux density, a coercive force, etc. as major parameters of a permanent magnet for an electromagnetic induction should be verified; magnetic flux gradient should be analyzed; velocities of magnet’s movement by the analysis result of mechanical motion and the magnetic flux gradient can offer the final electromagnetic characteristics; finally electromagnetic damping coefficient can be induced through these steps via Faraday’s law. Once we decide the mass that can generate an optimum displacement; calculate a mechanical damping (with an experimental deduction); analogize a displacement of the system by analyzing a cantilever beam (as a spring); analyze a parameter of an electromagnetic damping through the magnetic flux gradient by FEM; then we can predict a generated power on the system. Based on the above process we can analyze electrical characteristics. By combining AC circuit modeling with Faraday’s law and the equation of motion of the system, an actual power transferred for a load can be inferred. As a result after comparing the optimally designed model and the experiment based on the process, the energy harvester as a volume of 2.48cm3 showed to generate 195 μW of an electric power at 12 Hz of a frequency band.
The second objective was a development of energy harvester for applying on the HBD of the high-speed train, HEMU-430. We analyzed the wheel vibration sources at speeds between 3 and 400 km/h, fabricated a prototype based on the modeling process which was established on the 1st development. A damping coefficient which was deduced by the FEM was supplemented by a measurement of the laser displacement and a measurement of electromotive forces; material was reinforced for a practical application. . Based on analyses of the static and fatigue properties of different materials, we decided that the proper material was Invar 42. We also secured the structural stability by structural analysis. Our onboard measurement revealed that the generation characteristics of a narrow band resonance module capable of operating at a specific resonance frequency could be verified. The results of environmental tests confirmed that the Invar 42 cantilever beam-type electromagnetic induction energy harvester could be used as a model of a highly durable independent rotational system.
Both at home and abroad, governments are trying to ensure the security of national mainstays for people’s amenities. Thus technical demands for acquiring information of disasters and establishing crisis response systems by wireless sensors are drastically increasing. The self power supply technology for wireless sensing network as the accomplishment on this research can be expected as the important role as the basic technology not only in the automotive and railroad environments, but also in the national infrastructures for establishing disaster response systems. Therefore, we conclude that many concerns and practical uses of this technology should be preceded for leading “The attainment of the safe country” which is propelling by the government.
이동수단의 고속화와 안전환경에 대한 관심이 높아지면서, 각종 구성품들에 대한 감시 시스템의 적용이 확대되는 추세이다. ICT 융합기술로서 미래형 무선 스마트 자율구동 일체형 센싱기술 개발에 대한 관심이 높아지면서, 실시간으로 시스템 상태를 진단할 수 있는 자가 발전 에너지 모듈 내장 자율 일체형 무선/무전원 센싱 모듈개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
독립회전체로부터의 진동을 수집하기 위한 방법으로는 전자기 유도방식, 압전방식, 정전방식 등이 있으나 환경측정 결과 및 문헌연구로부터 얻은 저주파 대역에서의 고효율을 도모할 수 있는 방식은 전자기 유도방식이 가장 유효하다. 전자기 유도방식은 자석과 코일간의 상대운동으로 변화되는 자속밀도로부터 발생되는 유도기전력을 통해 전기를 얻어내게 된다. 진동에너지로부터 자석과 코일의 상대운동을 극대화시키기 위해 기계적, 전자기적, 전기적 모델링과 함께 질량, 스프링, 감쇠의 최적화 모델링이 병행되어야 한다.
기계적 운동 특성의 경우, 에너지원에 따라 진동 또는 회전운동으로 분류될 수 있으나, 본 연구에서는 진동원을 주요 에너지원으로 선정하게 되면, 진동의 기본계인 스프링- 질량- 댐퍼 시스템의 주기적인 운동특성을 분석하여, 운동방정식을 수립해야 한다. 주기 운동방정식이 수립되면 주요 성분인 질량, 스프링 상수, 감쇠에 대한 세부적인 특성분석이 이루어져야 한다. 질량은 시스템이 발생시킬 수 있는 최대의 변위를 제한할 수 있다. 이를 통해 특정 질량과 최적변위와의 관계식을 도출할 수 있다. 스프링 상수의 경우, 스프링 설계 혹은 캔틸레버 빔에 대한 분석이 이루어져 질량의 변위를 예측, 조절할 수 있어야 한다. 또한 감쇠는 기계-전기 에너지 변환 측면에서 주요한 요소로 전기적 특성으로의 변환을 위한 등가회로 구성에 필요한 항목이며, 변환인자를 고려한 기계적 감쇠와 전기적 감쇠가 동시에 고려되어야 한다.
자성체의 자기특성의 경우, 전자기 유도에 필요한 영구자석의 자속밀도, 보자력 등 주요 물성치를 파악하고 이 자기력이 코일에 미치는 자기력 구배를 해석한 후, 기계적 운동의 해석에 의해 도출된 속도와 FEM을 통해 분석된 자기력 구배를 바탕으로 전자기적 특성을 최종적으로 알아낼 수 있으며, 이를 통해 전기적 감쇠값을 유도해 낼 수 있다. 이는 Faraday 법칙에 따른 유도 기전력 유도를 통해 알 수 있다.
최적 변위를 발생시키는 질량을 정하고, 기계적 감쇠를 계산(실험적 도출 병행)하고, 캔틸레버 빔(스프링)을 해석하여 시스템의 변위를 도출하며, FEM을 바탕으로 분석한 자기력 구배를 통해 전자기적 감쇠의 성분을 분석하면, 시스템에서 발생되는 파워를 예측할 수 있다. 이를 바탕으로 전기적 특성을 분석할 수 있는데, 교류회로 이론에 Faraday법칙과 시스템 운동방정식을 접목시켜 최종적으로 회로가 소비할 수 있는 유효전력을 유추해 낼 수 있다. 전자기 유도 방식 자가 발전 모듈의 기본 특성 테스트를 위해 주파수와 변위에 따라 발생되는 전압 특성 테스트를 수행하였다.
이를 바탕으로 주어진 조건에서 최적화된 설계모델을 실험을 통해 비교한 결과, 2.48cm3의 부피를 가지는 에너지 하베스터가 12Hz대역에서 195uW의 전력을 생산해 냄을 알 수 있었다.
국내외적으로 국민의 생활편의를 위한 국가 기간망의 안전확보를 위한 무선센서를 통한 재난/재해 정보의 획득 및 대응체계를 구축하기 위한 기술 수요가 급증하고 있어, 본 연구에서 수행하고 있는 저전력무선센서망 구축에서의 무전원 공급기술은 자동차, 철도환경 뿐 아니라 국가 인프라에 대한 재난/재해 구축을 위한 기반기술로서 중요한 역할을 기대할 수 있으며, 미래창조부에서 추진중인 “안전국가 실현”을 선도하기 위해서는 해당기술의 활용이 선행되어야 할 것이다.
