Electromagnetic Vibration Energy Harvester Using Sliding Permanent Magnet Array and Ferrofluid as a Lubricant

Abstract

Recently, extension of primary or secondary battery lifetime has attracted substantial interests in various applications such as wireless sensor nodes, implantable devices, and wearable devices. Energy harvesting from vibration can be a solution, which benefits from abundant sources of energy and minimal constraints in utilization. This paper presents an electromagnetic vibration energy harvester using an array of rectangular permanent magnets as a springless proof mass and ferrofluid as a lubricating material. When external vibration is applied aterally to the harvester, magnet assembly slides on the channel with reduced friction and wear due to ferrofluid, generating voltage across an array of copper windings formed at the bottom of the aluminum housing. A proof-of-concept harvester has been fabricated and tested with vibration exciter at various conditions to analyze the device characteristics. Maximum power of 489.95μW has been generated at input acceleration of 3g at 13Hz across a load resistance of 60Ω. Output power improvement of 5.47% has been achieved using 5μL of ferrofluid as a lubricant. Moreover, reliability improvement has been demonstrated by long-term operation test where negligible decrease of power has been observed after 93,600cycles of operation with ferrofluid, compared to 60% decrease of power without ferrofluid.;최근 무선 센서 및 의료목적의 체내이식형 기기, 저전력 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야에서 환경 에너지를 이용한 에너지 하베스팅 기술이 기존 배터리의 대안으로서 많은 관심을 받고 있다. 진동형 에너지 하베스팅은 풍부한 에너지원과 간단한 메커니즘, 높은 전력 생성 효율 등으로 인하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 영구자석 질량체와 자성유체 윤활제를 이용한 전자기 방식 진동형 에너지 하베스터를 제안한다. 외부 진동이 하베스터에 인가되면 채널 내 자석 질량체의 자유 진동으로 전력이 생성되며, 자성유체가 윤활제로써 마찰력을 줄이고 자석 손상을 방지한다. 제작된 하베스터의 특성을 분석하기 위해 다양한 조건에서 가진기 실험이 진행되었다. 2mm 높이의 자활 동선 코일과 비교적 거친 표면의 채널을 가진 하우징으로 제작된 하베스터에서 5μL의 자성유체를 사용했을 때 60Ω의 부하 저항에서 자성유체를 사용하지 않았을 때보다 5.47% 향상된 최대 489.95μW의 전력이 생성되었다. 자성유체를 사용하지 않은 경우 93,600회 작동 후 전력이 60% 감소된 반면, 자성유체를 사용한 경우 단 1%만 감소하여 장기적인 안정성 향상에도 높은 효과가 있음을 실험적으로 확인하였다.