선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 특히 본 연구에서 제안 할 현가장치 공진형 선형 발전기는 외부(노면)으로부터의 외력이나 차량 내부에 존재하는 잔여 진동 중 수직 방향의 선형운동을 발전의원천으로 활용하는 발전기로써, 한정된 공간인 차량 휠하우스 내의 현가장치에 설치되어 전기 동력공급을 보조할 수 있다. 본 연구의 목적은 먼저 현가장치와 발전기가 결합된 다양한 설계 안들을 제시하고, 시뮬레이션을 통하여 발전량을 비교 검증한다.
제안 방법
- 6과 같이 유한 요소 모델링하였다. MAXWELL상의 발전기 과도해석에서는 MAXWELL Circuit 애드온에서 설계된 외부회로(부하회로)를 발전기 해석모델에 연결시켜 부하해석을 진행하였다. 본 연구에서 확인이 필요한 물성치는 전력이므로 유도전류, 유도전압의 결과가 필요하다.
- 제시된 선형 발전기 구조 안 중에서 가장 높은 기전력을 낼 수 있는 모델의 선정을 위해, 동일한 외부 진동이각 발전기 시스템에 입력된다는 조건 하에서 발전기의 모델링을 통해 각 발전기 아마튜어의 운동 진폭 크기를 계산하였고 이에 따라 발전량 시뮬레이션을 수행하였다. 각 시스템은 Fig. 4의 자유물체도에 따라 아래와 같은 삼원 일차 진동 방정식으로 모델링하고 수치해석을 통하여 발전기 아마튜어의 진동 변위에 대한 계산을 수행하였다. Fig.
- 기존의 4 Hz의 진동수의 가진 주파수를 기준으로 하여 차체의 가해지는 평균적인 주파수의 범위 1～15 Hz의 중, 최소치 1 Hz, 최대치 15 Hz의 추가적인 가진 주파수를 설정하여 총 3자유도 진동계를 이루는 발전기의 아마튜어에 고속 푸리에 변환법(FFT) 을 통한 고유진동수 분석, 진동변위해석 및 발전량 과도해석을 수행하여 앞선 단계에서의 단자유도 진동계 발전기 모델과의 결과를 비교하여 다자유도 형태로의 개선 후 발전성능을 변화를 확인하였다. Fig.
- 8과 같은 구조로 아마튜어의 개수를 증가시켜 다수의 입력주파수에서도 최대한 공진현상을 유도할 수 있는 발전기의 구조 개선을 시도하였다. 단자유도계에 사용된 아마튜어의 구성품에 비해 35% 감소된 크기의 영구자석과 코어(요크)를 사용하였으며 변화된 만큼의 질량과 미설정된 스프링상수를 앞서 활용된 평균적인 노면 진동 주파수 4 Hz에 대응하도록 (공진 현상이 유도되도록) 설정하였다.
- 차량의 노면 주행 시 발생되는 진동에너지를 활용하여 자가 발전이 가능한 현가장치 선형 발전기의 여러 가지 구조를 검토하였고, 현가장치의 댐퍼가 발전기의 축 역할을 하는 구조의 발전기가 가장 좋은 발전성능을 보였다. 또한 다양한 노면진동주파수에서 공진현상을 발생 시키기 위해 아마튜어를 1개에서 3개로 증가 시키는 다 자유도 발전기를 제안 및 시뮬레이션하여 성능을 검토하였다. 노면 가진 주파수를 크게 3개로 분류, 발전기 시스템을 가진하여 입력항을 도출하였고 이에 따른 기전력 발생량은 1개의 아마튜어 (3 와인딩) 당, 각각 1.
- 또한, 다양한 외부 노면진동 주파수에서 공진의 발생을 유도하기 위하여 영구자석과 코어로 이루어진 아마튜어를 추가하여 다자유도 발전기 시스템을 제안하고 이전의 1자유도계 시스템과의 발전 성능을 비교 검토한다.
- 즉, 본 연구에서 진행된 시뮬레이션에서는 각 해석마다 동일한 유도전류를 설정하였고 해석결과 물성치인 유도전압의 비교로 전력에 대한 성능 검증이 가능하다. 먼저 선형 발전기 시스템의 해석을 위한 입력항을 규명하기 위해 이미 상수로써 정해져 있는 해석용 모델의 영구 자석, 코어의 규격에서 질량 m을 계산하고, 공진 현상의 유도를 위해 위의 질량 값과 일반적인 포장도로의 주된 노면 진동주파수인 4Hz를 이용하여 발전기의 스프링 상수 k를 계산하였으며 습득된 m, c, k 의 정보를 이용하여 MatLab 상의 시스템의 진동변위응답해석을 통한 MAXWELL 과도해석의 입력항을 도출하였다. 아마튜어를 각각의 진폭과 속도만큼 수직 운동시켜 진폭1, 진동수 4Hz 성분을 가진 주기함수 형태의 외부 가진이 입력되었을 때 각 발전기 구조 안의 진동 변위를 기반으로 한 근사적인 속도 항은 각각 다음과 같다[5].
- 이번에는 각 발전기 구조의 발전량 비교분석 위한 유한요소해석을 수행하였다. 상용 전자기 유한요소해석 소프트웨어 ANSYS MAXWELL이 활용하여 즉 영구자석과 코어로 이루어진 아마튜어, 솔레노이드 코일로 이루어진 스테이터로 구성된 자기회로를 Fig. 6과 같이 유한 요소 모델링하였다. MAXWELL상의 발전기 과도해석에서는 MAXWELL Circuit 애드온에서 설계된 외부회로(부하회로)를 발전기 해석모델에 연결시켜 부하해석을 진행하였다.
- 이번에는 각 발전기 구조의 발전량 비교분석 위한 유한요소해석을 수행하였다. 상용 전자기 유한요소해석 소프트웨어 ANSYS MAXWELL이 활용하여 즉 영구자석과 코어로 이루어진 아마튜어, 솔레노이드 코일로 이루어진 스테이터로 구성된 자기회로를 Fig.
- 이전까지의 모델은 아마튜어의 질량 값과 발전기 스프링 상수 값에 따라 정해진 한개의 공진주파수를 가지는 형태이므로 한정적인 노면 진동주파수에서 공진이 발생된다. 이에 따라 Fig. 8과 같은 구조로 아마튜어의 개수를 증가시켜 다수의 입력주파수에서도 최대한 공진현상을 유도할 수 있는 발전기의 구조 개선을 시도하였다. 단자유도계에 사용된 아마튜어의 구성품에 비해 35% 감소된 크기의 영구자석과 코어(요크)를 사용하였으며 변화된 만큼의 질량과 미설정된 스프링상수를 앞서 활용된 평균적인 노면 진동 주파수 4 Hz에 대응하도록 (공진 현상이 유도되도록) 설정하였다.
- 제시된 선형 발전기 구조 안 중에서 가장 높은 기전력을 낼 수 있는 모델의 선정을 위해, 동일한 외부 진동이각 발전기 시스템에 입력된다는 조건 하에서 발전기의 모델링을 통해 각 발전기 아마튜어의 운동 진폭 크기를 계산하였고 이에 따라 발전량 시뮬레이션을 수행하였다. 각 시스템은 Fig.
- 유도전류는 사전에 MAXWELL 유저가 유동적으로 설정하는 사항에 따라 유도전압에 대한 시뮬레이션 결과가 도출된다. 즉, 본 연구에서 진행된 시뮬레이션에서는 각 해석마다 동일한 유도전류를 설정하였고 해석결과 물성치인 유도전압의 비교로 전력에 대한 성능 검증이 가능하다. 먼저 선형 발전기 시스템의 해석을 위한 입력항을 규명하기 위해 이미 상수로써 정해져 있는 해석용 모델의 영구 자석, 코어의 규격에서 질량 m을 계산하고, 공진 현상의 유도를 위해 위의 질량 값과 일반적인 포장도로의 주된 노면 진동주파수인 4Hz를 이용하여 발전기의 스프링 상수 k를 계산하였으며 습득된 m, c, k 의 정보를 이용하여 MatLab 상의 시스템의 진동변위응답해석을 통한 MAXWELL 과도해석의 입력항을 도출하였다.
대상 데이터
- 본 발전기는 두 개의 영구자석에 세 개의 코일 와인딩이 대응하는 발전기의 최적 구조인 2극 3상 구조를 지향하며, 사용된 영구자석과 코일의 개수는 각각 6, 9개로 구성된다. Phase A, B, C는 각각의 2극3상 구조가 발생시키는 유도전압을 나타내며 발전운동을 위한 수직운동의 시작 전, 각각의 초기 위치가 상이하므로 유도전압의 그래프 자체는 유사하나 상에서 차이가 나는 형태를 보이게 되었다.
- 3과 같은 공진형 선형 발전기는 발전기에 입력되는 진동에너지의 활용을 극대화하기 위하여 공진 현상을 적용하여 발전량을 향상시켰다[4]. 특히 본 연구에서 제안 할 현가장치 공진형 선형 발전기는 외부(노면)으로부터의 외력이나 차량 내부에 존재하는 잔여 진동 중 수직 방향의 선형운동을 발전의원천으로 활용하는 발전기로써, 한정된 공간인 차량 휠하우스 내의 현가장치에 설치되어 전기 동력공급을 보조할 수 있다. 본 연구의 목적은 먼저 현가장치와 발전기가 결합된 다양한 설계 안들을 제시하고, 시뮬레이션을 통하여 발전량을 비교 검증한다.
성능/효과
- 각 발전기의 아마튜어의 진동변위를 비교해 보면, Fig. 5의 (a), (b)와 달리 (c) 발전기 구아마튜어의 변위는 양방향(상, 하) 모두 유사한 진폭만큼의 변위를 보이며, 초기 과도구간에서도 변위가 안정적이다. 그리고 과도 상태 후 안정상태의 진폭 역시 (c)안이 가장 높게 나온다.
- 또한 다양한 노면진동주파수에서 공진현상을 발생 시키기 위해 아마튜어를 1개에서 3개로 증가 시키는 다 자유도 발전기를 제안 및 시뮬레이션하여 성능을 검토하였다. 노면 가진 주파수를 크게 3개로 분류, 발전기 시스템을 가진하여 입력항을 도출하였고 이에 따른 기전력 발생량은 1개의 아마튜어 (3 와인딩) 당, 각각 1.22 V, 1.48 V, 4.41 V 가 발생하였고 전체 발전기 기전력 약 3.66 V, 4.44 V, 13. 25 V를 확인하였다.
- 영구자석과 코어의 크기가 단자유도에서 다자유도의 모델로 변화 중에 약 35 % 감소하였으나 발생 기전력은 1 Hz, 4 Hz의 가진 환경에서 이전 수치 대비 8.5 %, 13.8 % 감소하였고, 15 Hz의 가진 환경에서는 14.7 % 의 증가 현상을 확인하였다.
- 차량의 노면 주행 시 발생되는 진동에너지를 활용하여 자가 발전이 가능한 현가장치 선형 발전기의 여러 가지 구조를 검토하였고, 현가장치의 댐퍼가 발전기의 축 역할을 하는 구조의 발전기가 가장 좋은 발전성능을 보였다. 또한 다양한 노면진동주파수에서 공진현상을 발생 시키기 위해 아마튜어를 1개에서 3개로 증가 시키는 다 자유도 발전기를 제안 및 시뮬레이션하여 성능을 검토하였다.
후속연구
- MAXWELL상의 발전기 과도해석에서는 MAXWELL Circuit 애드온에서 설계된 외부회로(부하회로)를 발전기 해석모델에 연결시켜 부하해석을 진행하였다. 본 연구에서 확인이 필요한 물성치는 전력이므로 유도전류, 유도전압의 결과가 필요하다. 유도전류는 사전에 MAXWELL 유저가 유동적으로 설정하는 사항에 따라 유도전압에 대한 시뮬레이션 결과가 도출된다.
- 7 % 의 증가 현상을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 다자유도 공진형 선형 발전기의 설계가 좀 더 정밀한 공진 주파수 분석, 아마튜어 치수의 최적 설계와 같은 추가적인 설계과정을 거친다면 1개의 평균 가진 주파수에 대응하는 단자유도 발전기에 대비해 발전성능의 향상을 기대할 수 있을 것으로 예상되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.