[논문]차량 노면 진동을 이용한 공진형 선형 발전기 시스템의 강건최적설계

최지현; 김진호; 박상신; 서태원

doi:10.7735/ksmte.2014.23.4.403

차량 노면 진동을 이용한 공진형 선형 발전기 시스템의 강건최적설계
Robust Optimum Design of Resonance Linear Electric Generator for Vehicle Suspension 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.4, 2014년, pp.403 - 407

최지현 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.) , 김진호 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.) , 박상신 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.) , 서태원 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

To use vibration energy to generate electricity, a resonance vertical linear electric generator was applied to the suspension of a vehicle in a previous paper. However, the working conditions, including mass change in the vehicle body related to the cargo on board, number of passengers and the temperature difference caused by the operating environment, can influence the permanent magnet, which is the main component of the electric generator. Therefore, a robust optimum design is required to minimize the influences from the diverse operation conditions and maximize the electromotive force of the electric generator. In this paper, a resonance linear electric generator is introduced. Vibration response analysis to find the input velocity of the electric generator and an electromagnetic transient analysis to apply changes in the performance of the permanent magnet are performed. Finally, the optimum value of each design variable is derived using a Taguchi method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1과 같은 차량의 현가장치에 적용하여 하체의 수직 진동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있고 작은 입력 진동에도 큰 기전력을 기대할 수 있는 공진형 선형 발전기를 제안하였다. 강건최적설계 대상이 되는 선형 발전 시스템은 이전의 연구에서 발전기로써의 기본적인 발전기능과 개선 가능성을 확인하였으며, 본 연구에서는 선형 발전기가 양산차량에 설치되어 실제 고객들이 사용하게 되는 다양한 운용 환경을 고려하여 원래의 성능을 최대한 유지하거나 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 설계 변수들의 도출을 목표로 한다.

제안 방법

강건최적설계의 목적함수는 망대 설계 목표인 발전기 기전력의 최대화로 하여, 시스템의 설계 변수 선정은 발전기의 성능에 영향을 끼칠 수 있는 기계 요소들의 크기에 따라 Fig. 4와 같이 영구자석과 코어의 두께, 코어의 높이, 영구자석의 높이, 코일의 두께로 4가지의 변수로 지정하였다.
강건한 선형 발전기의 성능 유지 또는 최대한의 성능 발휘를 위한 고객 사용 조건의 고려에는 차체 질량, 운용 온도, 노면 주파수의 세가지 조건이 고려되었으나 수치해석적 진동 응답 변위 해석의 결과로써 차체 질량의 조건은 제외되고 나머지 두 조건을 강건설계에 적용하였다. 그리고 민감도 분석 결과, 가장 영향이 큰 설계변수는 영구자석과 코어의 두께이며, 가장 영향이 작은 변수는 코어의 높이로 나타났으며, 최적 설계 변수 값을 적용 했을 시, 발전기 시스템의 응답 공진 주파수는 사전에 입력한 4 Hz의 평균 입력 주파수에 근접한 약 2.
고객제품사용조건 중 차체 질량의 변화는 발전기 아마튜어의 진동변위에 영향을 줄 것으로 예상하고 이 조건의 검증을 위해 MATLAB을 이용한 진동 변위해석을 통해 아마튜어의 진동 변위 변화를 비교하였다. 최소의 적재량(0 kg) 또는 탑승인원 1인의 상황을 최소의 차체 질량으로, 최대의 적재량(200 kg) 또는 탑승인원 4인의 상황을 최대의 차체 질량으로 설정하였다.
. 그리고 시스템이 사용되는 환경의 온도 조건은 ANSYS MAXWELL을 이용한 발전량 과도 해석 시, 네오디뮴 재질 영구자석의 자속 밀도 특성을 온도에 따른 B-H (자속밀도 대 자계 세기) 특성 그래프에 따라 반영하여 재현하였다.
먼저 1차 설계된 발전기 모델은 Fig. 5에 도식화 되어있는 절차대로 성능 검증을 위한 발전량 과도해석 수행 전, 입력항으로 사용될 주기함수 꼴의 발전기 아마튜어 속도항의 얻기 위해 MATLAB을 활용한 진동변위해석이 먼저 수행된다. 최초의 입력원인 노면의 주파수가 시스템에 입력되면 발전기 아마튜어의 변위와 속도를 예측할 수 있게 되고, 예측된 속도함수는 발전량 과도 해석에 다시 입력되어 최종적으로 발전기의 기전력 예상값을 도출하게 된다.
이러한 결과로 상기 조건은 이 후의 강건설계에서 제외되었고, 노면의 상태를 평탄한 아스팔트 노면과 거친 비포장 노면으로 분류하여 각각의 4 Hz, 15 Hz의 평균입력 주파수를 반영하였다^[7]. 그리고 시스템이 사용되는 환경의 온도 조건은 ANSYS MAXWELL을 이용한 발전량 과도 해석 시, 네오디뮴 재질 영구자석의 자속 밀도 특성을 온도에 따른 B-H (자속밀도 대 자계 세기) 특성 그래프에 따라 반영하여 재현하였다.
노면의 불규칙적인 상태로 인하여 발생한 수직방향의 진동은 타이어와 휠을 거쳐 감소되어 현가장치와 발전기에 동시에 전달이 되고 현가장치는 원래의 기능인 진동력 감쇠, 선형 발전기는 상하로 지지되어 있는 스프링에 의해 반복적인 수직 운동을 하게 된다. 일반적인 포장도로에서의 평균적인 노면 진동 주파수를 4 Hz로 선정하고, 이에 따라 영구자석과 코어의 두께(질량), 발전기 스프링의 강성을 설계하여 발전기 시스템의 고유주파수가 입력 주파수와 최대한 일치되도록 하여 공진 현상이 발생하도록 유도한다.
제안된 선형 발전기는 2.2절에서의 설계 변수와 4 Level의 수준수를 고려한 Table 1의 설정을 두고 Table 2의 수직행렬에 따라 Taguchi 법을 이용한 강건최적 설계를 수행하였다.
노면 가진 시, 발전기 아마튜어의 동적 해석을 위해 MATLAB을 활용한 진동 변위해석이 수행되었으며 최적설계의 발전성능검증을 위해 상용 전자기 유한요소 소프트웨어 ANSYS MAXWELL으로 발전량 과도해석을 수행하였다. 진동의 원천이 되는 도로 표면의 조건, 선형 발전기의 운용 환경 온도, 차량의 적재량 증가, 탑승인원의 등으로 인한 차체 질량의 변화를 주요 고객제품사용조건으로 설정하고 제품의 강건한 성능을 위한 S/N 비, 민감도 분석을 통해 실제 영향도가 큰 사용조건 및 설계 변수를 선정하여 Taguchi 법을 활용한 강건설계를 수행하였다.
고객제품사용조건 중 차체 질량의 변화는 발전기 아마튜어의 진동변위에 영향을 줄 것으로 예상하고 이 조건의 검증을 위해 MATLAB을 이용한 진동 변위해석을 통해 아마튜어의 진동 변위 변화를 비교하였다. 최소의 적재량(0 kg) 또는 탑승인원 1인의 상황을 최소의 차체 질량으로, 최대의 적재량(200 kg) 또는 탑승인원 4인의 상황을 최대의 차체 질량으로 설정하였다. 이는 하체부를 제외한 일반적인 세단 차량의 하체 및 샤시 무게의 약 30%에 해당하는 질량으로 충분한 하중 조건을 부여하였다고 판단된다.

데이터처리

노면 가진 시, 발전기 아마튜어의 동적 해석을 위해 MATLAB을 활용한 진동 변위해석이 수행되었으며 최적설계의 발전성능검증을 위해 상용 전자기 유한요소 소프트웨어 ANSYS MAXWELL으로 발전량 과도해석을 수행하였다. 진동의 원천이 되는 도로 표면의 조건, 선형 발전기의 운용 환경 온도, 차량의 적재량 증가, 탑승인원의 등으로 인한 차체 질량의 변화를 주요 고객제품사용조건으로 설정하고 제품의 강건한 성능을 위한 S/N 비, 민감도 분석을 통해 실제 영향도가 큰 사용조건 및 설계 변수를 선정하여 Taguchi 법을 활용한 강건설계를 수행하였다.

성능/효과

강건한 선형 발전기의 성능 유지 또는 최대한의 성능 발휘를 위한 고객 사용 조건의 고려에는 차체 질량, 운용 온도, 노면 주파수의 세가지 조건이 고려되었으나 수치해석적 진동 응답 변위 해석의 결과로써 차체 질량의 조건은 제외되고 나머지 두 조건을 강건설계에 적용하였다. 그리고 민감도 분석 결과, 가장 영향이 큰 설계변수는 영구자석과 코어의 두께이며, 가장 영향이 작은 변수는 코어의 높이로 나타났으며, 최적 설계 변수 값을 적용 했을 시, 발전기 시스템의 응답 공진 주파수는 사전에 입력한 4 Hz의 평균 입력 주파수에 근접한 약 2.8~3 Hz의 수치를 보여 주었으며 2차 발전량 과도해석의 결과로써 평균적으로 약 1.72 V의 기전력을 발생시켰다. 더욱 향상된 성능의 공진형 선형 발전기의 강건 설계를 위해서 공극의 두께, 코일의 규격과 같은 추가적인 설계 변수와 더 증가된 수준 수의 수직행렬을 적용 한다면 더욱 향상된 기전력을 기대할 수 있을 것으로 예상할 수 있을 것이다.

후속연구

72 V의 기전력을 발생시켰다. 더욱 향상된 성능의 공진형 선형 발전기의 강건 설계를 위해서 공극의 두께, 코일의 규격과 같은 추가적인 설계 변수와 더 증가된 수준 수의 수직행렬을 적용 한다면 더욱 향상된 기전력을 기대할 수 있을 것으로 예상할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차의 대표적인 전기에너지 사용 기술은 무엇이 있는가?	현대의 자동차에서는 물리적 기계 부품들과 열 및 화학적 에너지를 사용하는 자동차 본연의 기계적 요소 이외에 차량 내 전자기기, 편의장치 등을 사용하는 고객의 빈도와 비중이 증가면서 요구되는 전기에너지의 양도 이전의 차량들에 비해 높아지고 있다[1,2]. 이미 양산되어 활용되고 있는 대표적인 전기에너지 사용 기술인 하이브리드 차량에서도 정차 동작 시 발생되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 회생제동 시스템, 배기가스의 열에너지를 활용하는 열전 발전기, 압전소자를 차량 타이어 내부에 장착시켜 발전 기능을 보조하는 등, 일반 배터리 및 내장 전지의 효율적인 방전 및 충전을 위하여 관련 기술이 계속 연구되고 있다[3-5].
	공진형 선형 발전기 구조의 장점은 무엇인가?	2와 같은 영구자석과 코어로 이루어진 아마튜어를 발전기의 운동자로, 권선 다발을 붙인 솔레노이드를 고정자로 하여 중앙 축을 현가장치의 댐퍼로 공유하는 구조이다. 이러한 구조는 현가장치 구성 요소의 질량, 스프링 강성, 감쇠계수에 기인한 복잡한 하체의 진동시스템에 큰 영향을 받지 않고 본선형 발전기의 특징인 공진 현상의 발생을 위한 설계가 용이하다는 장점이 있다. Fig.
	자동차에 요구되는 전기에너지 양이 증가한 이유는 무엇인가?	현대의 자동차에서는 물리적 기계 부품들과 열 및 화학적 에너지를 사용하는 자동차 본연의 기계적 요소 이외에 차량 내 전자기기, 편의장치 등을 사용하는 고객의 빈도와 비중이 증가면서 요구되는 전기에너지의 양도 이전의 차량들에 비해 높아지고 있다[1,2]. 이미 양산되어 활용되고 있는 대표적인 전기에너지 사용 기술인 하이브리드 차량에서도 정차 동작 시 발생되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 회생제동 시스템, 배기가스의 열에너지를 활용하는 열전 발전기, 압전소자를 차량 타이어 내부에 장착시켜 발전 기능을 보조하는 등, 일반 배터리 및 내장 전지의 효율적인 방전 및 충전을 위하여 관련 기술이 계속 연구되고 있다[3-5].

참고문헌 (7)

Peter, C., Crecelius, D., 1999, Vehicle alternator/generator trends toward next millennium, IEEE Proceedings of the IEEE International 1 433-438.
Shin, D., Jin, B. J., 2013 Inspection of Battery Plate of Electric Vehicle Using Four Cameras, Proceedings of the Conference on Korean Society of Manufacturing Technology Engineers 21-21.
Manla, G., White, M., Tudor, J., 2009, Harvesting Energy from Vehicle Wheels, International Conference on Power System Technology 288-293.
Ikoma, K., Munekiyo, M., Furuya, K., Kobayashi, 1998, Thermoelectric Module and Generator for Gasoline Engine Vehicles, IEEE In Thermoelectrics, Proceedings ICT 98. XVII International Conference 464-467.
Panagiotidis, M., Delagrammatikas, G., Assanis, D., 2000, Development and Use of a Regenerative Braking Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicle, SAE Technical Paper, No. 2000-01-0995.
Mikalsen, R., Roskilly, P., 2007, A Review of Free-Piston Engine History and Applications, Applied Thermal Engineering 27:14 2339-2352.

상세보기
Thomas, D. G., 2007, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Society of Automotive Engineers, USA.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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