• Journal of Magnetics
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• 제18권3호
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• pp.283-288
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• 2013

This paper presents structural topology optimization that is being applied for the design of electromagnetic vibration energy harvester. The design goal is to maximize the root-mean-square value of output voltage generated by external vibration leading structures. To calculate the output voltage, the magnetic field analysis is performed by using the finite element method, and the obtained magnetic flux linkage is interpolated by using Lagrange polynomials. To achieve the design goal, permanent magnet is designed by using topology optimization. The analytical design sensitivity is derived from the adjoint variable method, and the formulated optimization problem is solved through the method of moving asymptotes (MMA). As optimization results, the optimal location and shape of the permanent magnet are provided when the magnetization direction is fixed. In addition, the optimization results including the design of magnetization direction are provided.

• Smart Structures and Systems
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• 제21권3호
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• pp.335-347
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• 2018

The fast-growing number of mobile and wearable applications has driven several innovations in small-scale electret-based energy harvesting due to the compatibility with standard microfabrication processes and the ability to generate electrical energy from ambient vibrations. However, the current modeling methods used to design these small scale transducers or microgenerators are applicable only for constant-speed rotations and small sinusoidal translations, while in practice, large amplitude sinusoidal vibrations can happen. Therefore, in this paper, we formulate an analytical model for electret-based microgenerators under general sinusoidal excitations. The proposed model is validated using finite element modeling combined with numerical simulation approaches presented in the literature. The new model demonstrates a good agreement in estimating both the output voltage and power of the microgenerator. This new model provides useful insights into the microgenerator operating mechanism and design trade-offs, and therefore, can be utilized in the design and performance optimization of these small structures.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 추계학술대회 논문집 Vol.21
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• pp.193-193
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• 2008

Wearable and ubiquitous micro systems will be greatly growing and their related devices should be self-powered in order to avoid the replacement of finite power sources, for example, by scavenging energy from the environment. With ever reducing power requirements of both analog and digital circuits, power scavenging approaches are becoming increasingly realistic. One approach is to drive an electromechanical converter from ambient motion or vibration. Vibration-driven generators based on electromagnetic, electrostatic and piezoelectric technologies have been demonstrated. Among various generator types proposed so far, piezoelectric generator possesses considerable potential in micro system. To overcome low mechanical-to-electric energy conversion, the piezoelectric device should activate in resonance mode in response to external vibration. Normally, the external vibration excretes at low frequency ranging 0.1 to 200 Hz, whereas the resonant frequencies of the devices are fixed as constant. Therefore, keeping their resonant mode in varying external vibration can be one of important points in enhancing the conversion efficiency. We investigated the possibility of use of multi-bender type piezoelectric devices. To match the external vibration frequency with the device resonant frequency, the various devices with different resonant frequency were chosen.

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국정보통신학회 2016년도 추계학술대회
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• pp.533-536
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• 2016

본 논문에서는 진동 에너지를 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 에너지 하베스팅 회로를 설계하였다. Body-bias technique과 bulk-driven technique을 이용하여 저전압에서도 높은 효율특성을 갖는 고성능 AC-DC 변환기를 제안하고 진동에너지 하베스팅 회로 설계에 적용하였다. MPPT (Maximum Power Point Tracking) 제어는 진동소자의 개방회로전압과 MPP 전압간의 관계를 이용하였으며, 진동소자의 개방회로전압을 주기적으로 샘플링 함으로써 이를 이용해 MPPT 기준전압을 생성하고, 이를 기준으로 부하로의 에너지 공급을 제어한다. $0.35{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계된 회로의 칩 면적은 $1.21mm{\times}0.98mm$이다.

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국정보통신학회 2014년도 추계학술대회
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• pp.267-270
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• 2014

본 논문에서는 진동에너지 수확을 위한 CMOS 인터페이스 회로를 설계하였다. 제안된 회로는 AC-DC 변환기와 DC-DC 부스트 변환기로 구성된다. AC-DC 변환기는 진동소자(PZT)에서 출력되는 AC 신호를 DC 신호로 변환해주는 역할을 하며, DC-DC 부스트 변환기는 AC-DC 변환기에서 출력된 신호를 원하는 값으로 승압 및 안정화 시키는 역할을 한다. AC-DC 변환기는 효율 특성이 좋은 능동 다이오드를 이용한 전파정류기를 사용하였으며, DC-DC 부스트 변환기는 제어 회로가 간단한 쇼트키 다이오드를 사용한 구조를 이용하였다. 또한 진동소자로부터 최대전력을 수확하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 적용하였다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계되었으며, 설계된 칩의 면적은 $530um{\times}325um$이다. 설계된 회로의 성능을 검증한 결과 AC-DC 변환기와 DC-DC 부스트 변환기의 최대 효율은 각각 97.7%와 89.2%이며, 전체회로의 최대 효율은 87.2%이다.

• Smart Structures and Systems
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• 제24권3호
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• pp.333-343
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• 2019

The possibility of adopting vibration-powered wireless nodes has been largely investigated in the last years. Among the available technologies based on the piezoelectric effect, the most common ones consist of a vibrating beam covered by electroactive layers. Another energy harvesting strategy is based on the use of piezoelectric strips attached to a hosting structure subjected to dynamic loads. The hosting structure, for example, can be the system to be equipped with wireless nodes. Such strategy has received few attentions so far and no analytical studies have been presented yet. Hence, the original contribution of the present paper is concerned with the development of analytical solutions for the electrodynamic analysis and design of piezoelectric polymeric strips attached to relatively large linear elastic structural systems subjected to random vibrations at the base. Specifically, it is assumed that the dynamics of the hosting structure is dominated by the fundamental vibration mode only, and thus it is reduced to a linear elastic single-degree-of-freedom system. On the other hand, the random excitation at the base of the hosting structure is simulated by filtering a white Gaussian noise through a linear second-order filter. The electromechanical force exerted by the polymeric strip is negligible compared with other forces generated by the large hosting structure to which it is attached. By assuming a simplified electrical interface, useful new exact analytical expressions are derived to assess the generated electric power and the integrity of the harvester as well as to facilitate its optimum design.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제15권6호
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• pp.3357-3362
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• 2014

본 연구에서는 자동차가 노면을 주행 시 발생되는 진동에너지를 수집하여 차량의 배터리를 자가 충전할 수 있는 현가장치에 적용 가능한 공진형 선형 발전시스템을 설계하였다. 논문에서 제안된 선형 발전기는 기존의 발전기들과는 달리, 비교적 작은 에너지 원천인 노면의 진동에 더욱 효과적으로 대응하기 위해 공진 현상을 최대한 활용하는 설계를 지향했으며, 한정된 공간인 차량 현가장치에서의 선형 발전기의 발전 효과 검증 및 향후 연구 진행의 가능성을 판단하기 위해 수치해석적 방법을 활용하여 시스템의 동적 해석을 위한 기본 입력 속도를 도출하고 시스템의 목표인 발전 기능에 대한 예측을 위해 전자기 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구에서 정상적인 발전 기능의 가능성을 확인한 공진형 선형 발전 시스템이 최근 자동차 산업의 큰 주축을 이루고 있는 하이브리드형 자동차 및 전기 자동차에 적용된다면, 각종 전장장치 및 배터리의 구동 및 성능유지에 도움을 줄 수 있을 것이다.

• 대한토목학회논문집
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• 제30권1A호
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• pp.27-33
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• 2010

본 연구에서는 소형 풍력발전기를 교량에 설치하여 전력생산과 아울러 내풍안정성을 개선할 수 있는 방안을 연구하였다. 이를 위하여 기존 공기역학적 진동억제 대책과 유사하게 교량에 풍력발전기를 설치하기 위한 방법과 풍력에너지 추정 방법을 제시하였다. 풍동실험 결과를 보면, 페어링처럼 소형 풍력발전기를 설치하면 와류진동을 거의 억제할 수 있는 것으로 나타났고, 이때 교축방향 최적 이격 거리는 터빈 직경의 3-4.5배인 것으로 나타났다. 그리고 풍력발전기를 설치하면 항력계수는 낮아지고 양력계수의 기울기도 음에서 양의 값으로 바뀌어 전반적인 내풍안정성이 향상되는 것으로 나타났다. 한편 풍하측의 풍력발전기는 평균풍속이 낮아 발전을 못하지만, 풍상측의 풍력발전기는 상당량의 전기에너지를 생산하는 것으로 나타났다.

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국해양정보통신학회 2011년도 추계학술대회
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• pp.419-422
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• 2011

본 논문에서는 초저전력 어플리케이션을 위한 이중입력 자가 전력관리 시스템을 제안한다. 자가 발전 시스템의 전력 공급원으로는 PZT와 solar cell소자를 병합하여 사용한다. 제한된 전력관리 회로는 solar cell 출력 전압을 승압하기 위한 charge pump 회로, PZT의 출력을 DC로 변환하기 위한 rectifier, 수확된 에너지를 병합 및 관리하기 위한 전력관리회로로 구성된다. 설계된 회로는 CMOS 0.18um technology를 이용하여 성능을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 $295um{\times}275um$ 이다.

• Smart Structures and Systems
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• 제23권5호
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• pp.421-428
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• 2019

The development of the low power application such as wireless sensors and health monitoring systems, attract a great attention to low power vibration energy harvesters. The recent vibration energy harvesters use smart materials in their structures to convert ambient mechanical energy into electricity. The frequent model of this harvesters is cantilevered beam. In the literature, the base excitation cantilevered harvesters are mainly investigated, and the related models are presented. This paper investigates a tip excitation cantilevered beam energy harvester with permendur. In the first section, the mechanical model of the harvester and magneto-mechanical model of the permendur are presented. Later, to find the maximum output of the harvester, based on the response surface method (RSM), some experiments are done, and the results are analyzed. Finally, to verify the results of RSM, a harvester with optimum design variables is made, and its output power is compared. The last comparison verifies the estimation of the RSM method which was about $381{\mu}W/cm^3$.