[논문 리뷰] Design of Energy Scavengers Mounted on Rotating Shafts

S.M. Shahruz, V. Sundararajan|ArXiv.org|2008. 09. 16.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 회전하는 축에 장착된 새로운 압전 에너지 수확 장치를 제안하며, 증명 질량을 가진 캔틸레버 빔을 이용해 회전 운동으로부터 진동 에너지를 수확한다. 시스템은 매개변수적 공진과 중력에 의해 유도되는 힘을 모두 활용하며, 공진을 위한 매개변수 선택을 안내하기 위해 단일 자유도 모델을 유도한다. 분석적 및 수치적 예제를 통해 효과적인 에너지 수확 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, a novel energy scavenger is proposed. The scavenger consists of a cantilever beam on which piezoelectric films and a mass are mounted. The mass at the tip of the beam is known as the proof mass and the device is called either an energy scavenger or a beam-mass system. The beam-mass system is mounted on a rotating shaft, where the axis of the shaft is horizontal. A single-degree-of-freedom (SDOF) mathematical model is derived for the scavenger and its properties are carefully examined. From the model, it becomes clear that the rotation of the shaft and gravity cause both parametric excitations and exogenous forces which make the beam-mass system vibrate. Guidelines are provided as how to choose the scavenger parameters in order to have it resonate. Examples are given to illustrate the performance of the proposed scavenger.

연구 동기 및 목표

• 압전 재료를 이용해 회전 기계에서 에너지를 수확하는 진동 기반 에너지 수확 장치를 설계하기.
• 수평으로 회전하는 축에 장착된 빔-질량 시스템의 동적 거동을 매개변수적 및 외부 입력의 병합 작용 하에서 분석하기.
• 시스템의 공진 조건과 에너지 수확 잠재력을 이해하기 위해 단일 자유도 모델을 유도하기.
• 최대 에너지 출력을 위해 질량, 스프링 강성, 회전 속도 등의 수확 장치 매개변수를 선택하는 데 필요한 설계 지침 제공하기.
• 실제 운영 조건에서의 성능을 설명하는 수치적 예제를 통해 모델 검증하기.

제안 방법

• 증명 질량을 가진 캔틸레버 빔이 수평으로 회전하는 축에 장착되어 빔-질량 시스템을 형성한다.
• 시스템의 수직 진동을 나타내기 위해 단일 자유도(SDOF) 동적 모델을 유도한다.
• 회전 운동에 의한 매개변수적 공진과 중력에 의한 외부 입력을 고려한 모델을 구성한다.
• 운동 방정정식에는 관성력, 탄성력, 진동 감쇠력이 포함되며, 압전 결합은 전압 생성 항으로 모델링된다.
• 모드 분석과 공진 조건 평가를 통해 최적의 시스템 매개변수를 도출한다.
• 수치적 시뮬레이션과 사례 분석을 통해 다양한 회전 속도 및 질량 구성 조건에서의 시스템 응답과 에너지 출력을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축의 회전 운동이 빔-질량 에너지 수확 장치에 매개변수적 및 외부 입력을 유도하는 방식은 무엇인가?
• RQ2 회전하는 축에 장착된 압전 에너지 수확 장치의 주요 동적 거동은 무엇인가?
• RQ3 어떻게 시스템을 조정하여 공진 상태를 달성하고 에너지 수확 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 질량, 스프링 강성, 회전 속도 등의 설계 매개변수가 수확 장치의 출력 전력에 크게 영향을 주는가?
• RQ5 중력과 회전력이 시스템의 진동 진폭과 전력 생성에 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• 회전하는 축은 매개변수적 및 외부 입력을 모두 유도하며, 이는 빔의 진동과 에너지 수확 잠재력에 상당한 영향을 미친다.
• SDOF 모델은 매개변수적 및 중력적 힘의 병합 작용 하에서 빔-질량 시스템의 동적 거동을 정확히 반영한다.
• 시스템의 고유 진동수를 회전 주파수와 일치시킴으로써 공진을 달성할 수 있으며, 이는 에너지 출력을 향상시킨다.
• 증명 질량의 존재는 효과적인 관성량을 증가시키고 진동 반응을 증폭시켜 전력 생성을 향상시킨다.
• 수치적 예제는 회전 속도가 시스템의 공진 주파수와 일치할 때 최적의 에너지 수확이 이루어짐을 보여준다.
• 본 연구는 실용적 응용에서 최대 출력을 내기 위해 질량, 스프링 강성, 회전 속도를 선택하는 데 명확한 설계 지침을 제공한다.