[논문]직교 배열표를 이용한 휠 기반 회전형 전자기 유도 방식 에너지 하베스터 개발

박현철; 문용준; 권세진

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.2.125

초록
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TPMS(Tire pressure monitoring system)의 의무장착에 대한 법률개정에 따른 개발의 활성화를 토대로, WSN(Wireless Sensor Network)의 '설치하고 잊어버린다'는 기본 명제 하에, 차량수명과 동일한 성능의 배터리 대체용 에너지 하베스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 자동차의 메커니즘적인 측면에서 가장 유용한 회전운동 성분을 이용하여 회전하는 휠과 고정된 브레이크 디스크 사이의 상대운동을 통한 전자기 유도방식 발전을 채택하였다. 휠 측에 구성된 코일과 브레이크 디스크에 매립된 자석의 다양한 배열과 코일 권선수 등을 설계변수로 잡고 직교배열표를 이용하여 최적의 조합을 찾아낸 후 실험을 통해 실제 축전되는 전기 에너지의 양을 측정하여 도출된 특성함수를 바탕으로 본 모듈의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the law revision of TPMS mounting obligations in Korea, researches about energy harvester which is the alternative of the battery are actively performed by many groups. Because WSN (Wireless Sensor Network) has the proposition of "Install and forget" and the power supplier also has the ...

According to the law revision of TPMS mounting obligations in Korea, researches about energy harvester which is the alternative of the battery are actively performed by many groups. Because WSN (Wireless Sensor Network) has the proposition of "Install and forget" and the power supplier also has the same performance as the vehicle's lifetime. In this paper, electromagnetic induction type of energy harvester through the relative motion between the rotating wheel and the fixed brake disc is introduced by using the most efficient source as the rotating motion in the view of vehicle's mechanism. The coil on the wheel and the permanent magnet at the brake disc are arranged in several ways. These various arrangements are the number of coil turns are consisted of design variables. By using the orthogonal array to reduce the experimental cost, the optimal composition is verified through the experiment. Finally the validity of the module is considered by measuring the level of storable electrical energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽³⁾ 그러나 자동차 타이어의 경우, 회전에 의한 원심력 성분이 절대적으로 큰 관계로 일정하게 발생되는 진동성분을 사용하는 것도 구현이 쉽지 않은 면이 있다. 따라서, 본 연구에서는 자동차의 메커니즘적인 측면을 우선적으로 고려하여 가장 유용하게 사용할 수 있는 회전운동 성분을 이용하는 방법을 고찰하였다.
본 실험은 RPM controller 를 통해 요구 회전수를 조절하고 여기서 발생한 교류 전력을 에너지 저장장치를 통해 정류한 후, 캐패시터에 축전을 함으로써, 해당 조건에서 캐패시터에 완충하는데 걸리는 시간을 분석함으로써 최적의 조합을 찾아내는 것이 실험의 목적이다. 실험을 위한 장치 구성도는 아래 Fig.

가설 설정

실험수는 행의 수가 8로 이 값은 평균이 1, 레벨 2 가 3, 레벨 4 가 3 인 값으로부터 도출된 자유도 7 에서부터 이보다 높은 정확도를 위해 선정되었다. 여기서 교호작용 (Interaction)은 없는 것으로 가정하였다. 여기서 특성함수(Characteristic function), η_n은 충전완료 시간으로 설정하였다.

제안 방법

5 와 같이 32 회로 재분류 하였다. 실험조건으로는 회전수, 코일권수, 자석규격을 각각 2 종류로 분류하였으며, 자석과 코일의 상대 회전운동을 위한 배열은 4 종류로 선정하였다.
이는 효율적인 실험을 위하여 실험조건을 조직적으로 배치하고 그 결과를 구한 뒤, 통계이론을 사용하여 논리적으로 결과를 분석하기 위함이다. 이러한 실험계획법 중 실험비용의 절감을 위해 요인들의 전조합 중 일부만 실시해서 실험 결과를 분석하는 방법을 일부실시법(Fractional factorial design)이라 하는데 그 중에서도 직교배열표에 의한 일부실시법을 적용하기로 하였다. 직교 배열표는 행렬로 나타내는 표로서 여러 표기법 중 대표적으로 다구치(Taguchi)가 정의한 아래의 식으로 나타내어진다.
자석과 코일의 상대운동은 아래 Fig. 4 와 같이 구성을 하였는데, 자기장 방향에 따른 자속밀도 변화와 코일의 유도 기전력 발생과의 관계를 알아보기 위해 각각 4 가지 형태로 배열하였다.

대상 데이터

구비된 자석과 코일 샘플을 이용하여 자석과 코일의 상대 회전운동에 따른 실험군을 조사해본 결과, 총 512 회의 경우의 수가 발생하였고 이 중 유력한 실험 조건들을 재선정하여 Fig. 5 와 같이 32 회로 재분류 하였다. 실험조건으로는 회전수, 코일권수, 자석규격을 각각 2 종류로 분류하였으며, 자석과 코일의 상대 회전운동을 위한 배열은 4 종류로 선정하였다.
유도 코일의 경우 100 µm 직경의 에나멜 코일을이용하였으며, 자석과의 상대 운동에 대한 경우의 수를 고려하여 Table 2 에서와 같이 규격별로 각각 Vertical set 과 Lateral set 을 구비하였다.

이론/모형

이상의 경우와 같이, 실험 결과를 통해 유의한 영향을 미치는 인자들이 최적의 결과를 얻기 위해 가져야 할 최적반응 조건을 결정하기 위해 실험계획법(Design of experiments, DOE)을 적용하기로 하였다. 이는 효율적인 실험을 위하여 실험조건을 조직적으로 배치하고 그 결과를 구한 뒤, 통계이론을 사용하여 논리적으로 결과를 분석하기 위함이다.
자석의 표면 자속밀도는 Kanetec 社의 TM-701 Gaussmeter 로 측정하였으며, 단위는 Gauss 이다. 유도 코일의 경우 100 µm 직경의 에나멜 코일을 이용하였으며, 자석과의 상대 운동에 대한 경우의 수를 고려하여 Table 2 에서와 같이 규격별로 각각 Vertical set 과 Lateral set 을 구비하였다.

성능/효과

(4) 본 실험에서는 L₈2³4¹ 을채택하였으며, 이를 통해 32 종의 실험군 중 8 개를 재추출하여 실험함으로써 실험비용을 절약할 수 있다. ⁽⁵⁾ 여기서 레벨 2 는 RPM, 코일권수, 자석 타입을 말하며, 레벨 4 는 자석과 코일의 상대 운동에 따른 방식을 말한다.
9 에 나타나 있다. 그래프를 분석한 결과, 예측하지 않았던 교호작용이 존재함으로써 최적의 조합을 얻지는 못했으나, 인자 중 가장 큰 영향을 미치는 것이 코일권수이며, 약 2 배의 충전속도 차이가 남을 알 수 있었다. 또한 자석과 코일간의 상호 운동방향에 의한 뚜렷한 특징은 알 수 없었으며, 이는 고속회전으로 인하여 자속밀도의 변화를 평준화시킨 것으로 판단된다.
그래프를 분석한 결과, 예측하지 않았던 교호작용이 존재함으로써 최적의 조합을 얻지는 못했으나, 인자 중 가장 큰 영향을 미치는 것이 코일권수이며, 약 2 배의 충전속도 차이가 남을 알 수 있었다. 또한 자석과 코일간의 상호 운동방향에 의한 뚜렷한 특징은 알 수 없었으며, 이는 고속회전으로 인하여 자속밀도의 변화를 평준화시킨 것으로 판단된다.
이상의 연구 내용을 바탕으로, 회전형 전자기 유도방식 에너지 하베스터는 타이어 내부에 설치되는 기존의 연구모델인 진동형 에너지 하베스터들에 비해 시스템 체적의 설계 제약에서 자유로우며, 설계 인자들의 다양한 조합을 통해 TPMS 의 센서 노드의 작동 간격에 따른 특정 에너지 완충 시간과 같은 요구사항들을 어렵지 않게 충족시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그러나, 간단하고 내구성이 우수한 장점에도 불구하고 실제 시스템에 적용하게 될 시, 자동차 구성 요소가 분산되어 있음으로 인해 양산 업체간의 조율이 필요하다는 보완요소를 안고 있다.
이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구에서 구현하였던 시스템의 에너지 저장성능을 예측할 수 있었다.
타이어의 경우, 가장 효과적인 에너지 하베스팅 방식 선정을 검토한 결과, 독립된 운동을 하는 타이어와 브레이크 디스크의 조건에 발전기의 원리에 적용된 전자기 유도 기법을 이용하면, 회전자 (rotator)와 고정자(stator) 개념을 도입하여 자석과 코일의 크기조절만으로 원하는 전력대를 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다는 것을 확인하였다. 차축과 연결된 타이어가 회전을 하는 반면, 휠과 인접한 브레이크 디스크가 정지해 있기 때문에 이두 구조물 사이의 상대운동을 이용한 발전이 매우 효율적이라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WSN의 기본 명제는?	TPMS(Tire pressure monitoring system)의 의무장착에 대한 법률개정에 따른 개발의 활성화를 토대로, WSN(Wireless Sensor Network)의 '설치하고 잊어버린다'는 기본 명제 하에, 차량수명과 동일한 성능의 배터리 대체용 에너지 하베스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 자동차의 메커니즘적인 측면에서 가장 유용한 회전운동 성분을 이용하여 회전하는 휠과 고정된 브레이크 디스크 사이의 상대운동을 통한 전자기 유도방식 발전을 채택하였다.
	본 연구에서 실험계획법을 적용하는 이유는?	이상의 경우와 같이, 실험 결과를 통해 유의한 영향을 미치는 인자들이 최적의 결과를 얻기 위해 가져야 할 최적반응 조건을 결정하기 위해 실험계획법(Design of experiments, DOE)을 적용하기로 하였다. 이는 효율적인 실험을 위하여 실험조건을 조직적으로 배치하고 그 결과를 구한 뒤, 통계이론을 사용하여 논리적으로 결과를 분석하기 위함이다. 이러한 실험계획법 중 실험비용의 절감을 위해 요인들의 전조합 중 일부만 실시해서 실험 결과를 분석하는 방법을 일부실시법(Fractional factorial design)이라 하는데 그 중에서도 직교배열 표에 의한 일부실시법을 적용하기로 하였다.
	회전형 전자기 유도 방식의 장점은?	회전형 전자기 유도 방식은 시스템이 단순하고 구조적인 내구성이 우수하며, 정속 주행에서 특정 회전수를 바탕으로 한 발전방식이므로 교류 전압의 특성도 손쉽게 예측할 수 있다. Fig.

참고문헌 (8)

Chung, J. H., 2010, "Automobile ESC/TPMS Becomes Mandatory," Korea Ministry of Land, Transportation and Maritime Affairs Press Release, 7 Pages.
Keiji, T., 2011, "Summary and Recent Trend of the Energy Harvesting Technologies," Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation, 24(9), pp. 46-51.
Shin, Y. and Lee, Y., 2009, "Measurement on Vibration Mode of Tire Wheel as a Energy Source of Micro Power," Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society(2009. 2), Vol. 20, No. 1, pp. 64-72.
Park, G. J., 2007, Analytic Methods for Design Practice, Springer, London, pp. 325-340.
Sloane, N. J. A., 29. Nov. 2011, "A Library of Orthogonal Arrays," Neil J.A. Sloane: Home Page, AT&T People&Organizations Research, 24. Dec. 2011, http://www2.research.att.com/-njas/oadir/.
Kim, J. and Lee, J.-Y., 2011, "A Feasibility Study on the Energy Harvesting Technology for the Real-Time Monitoring System of Intelligent Railroad Vehicle," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 35, pp. 955-960.

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Hwang, K. H., Kwon, W. S., Lee, K. H. and Park, G. J., 2000, "Design of Structure Using Orthgonal Array Considering Interactions in Discrete Design Spaces," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 24, pp. 2952-2962.
Rizzoni, G., 2004, Electrical Engineering, McGraw- Hill, New York, pp. 138-140.

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