안녕하세요오오오, Vincent입니다! 이 프로젝트는 Kyle Tran, Vince Alconcel(또 다른 Vince입니다 ㅎㅎ), Brandon Lopez와 함께 진행했습니다. 저희는 모두 San Jose State University의 기계공학 학생이며, American Society of Mechanical Engineers의 자료를 활용해 작업했습니다. 보통 저는 같은 학년인 사람들과 팀 프로젝트를 하지만, 이 멋진 친구들은 사실 SJSU에 새로 입학한 학생들이었습니다! (신입생 두 명과 편입생 한 명) 이들은 공학 경험을 쌓고 싶어 했고, 당시 제가 생각하고 있던 이 프로젝트가 그들에게 딱 맞았습니다. 기계 설계와 전기 설계를 모두 활용하는 이 장치는 손잡이를 돌려 DC 전력을 생성하는 스테퍼 모터 발전기입니다. 버려진 3D 프린터에서 여분의 모터를 여러 개 얻은 것이 이 아이디어의 계기였습니다. 일반적으로 스테퍼 모터라고 하면 정밀하게 제어되는 회전 운동을 떠올립니다. 스테퍼 모터는 여러 전자석을 켜서 서로 다른 극성의 톱니를 회전시키는 방식으로 움직임을 제어합니다. 그런데 바로 이 메커니즘 때문에 스테퍼 모터가 발전기로도 매우 잘 작동한다는 사실을 알게 되었습니다. 극이 많기 때문에 낮은 rpm에서도 스테퍼 모터 코일에 전류를 유도하는 역방향 메커니즘이 매우 쉽게 작동합니다. 또한 스테퍼 모터에는 코일이 두 개 있으므로 전원 출력을 두 개 확보할 수 있다는 장점도 있습니다. 원하는 방식에 따라 이를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있습니다. 이 프로젝트에서는 낮은 전압 출력(휴대폰 충전을 위한 최대 5V)을 원했기 때문에 더 많은 전류를 출력할 수 있는 병렬 연결을 선택했습니다. 그래서 오후 내내 3D 프린터를 분해해 부품을 확보한 뒤, 팀은 작업에 착수했습니다.
기계 조립:
회로:
유용한 도구:
기계 조립은 손잡이가 기어열에 연결되고, 기어열이 다시 스테퍼 모터 축에 연결되는 구조로 이루어져 있습니다. 모서리에 설치한 M3 열압입 인서트를 통해 상단 덮개를 나사로 고정할 수도 있습니다. 기어열이 필요한 이유는 기어열 없이 발전기를 돌리면 손잡이를 돌리는 일이 매우 번거롭고 힘들다는 사실을 알게 되었기 때문입니다. 이 작업에서는 Kyle에게 기어열 설계를 맡겼습니다. Kyle은 여러 기어를 사용해 매우 큰 16:1 기어비(정확히는 16.2:1)를 만들었습니다. 손잡이를 연결할 때는 축과 손잡이 사이에 키를 사용합니다. 축은 수평으로 출력되므로 기어에도 접착제로 고정합니다. 이렇게 하면 손잡이를 돌릴 때 발생하는 수평 방향 힘 때문에 축이 부러질 가능성이 줄어듭니다. 이 구조에서는 3D 프린팅 층 방향이 해당 힘과 수직이기 때문입니다. 처음에는 이 설계가 아주 잘 작동했지만, 전혀 예상하지 못했던 요인 때문에 나중에 설계를 변경해야 했습니다. 커패시터 뱅크의 용량을 늘리자(왜 그렇게 했는지는 2단계에서 설명하겠습니다) 손잡이를 돌리는 데 필요한 토크가 매우 커져서 축이 자주 부러졌습니다(자주라고 해도 실제로는 두 번입니다). 처음에는 당황했지만, 정전용량이 커지면 임피던스가 낮아진다는 사실을 떠올렸습니다. 그 결과 스테퍼 모터 코일에서 더 많은 전류가 흐를 수 있고, 손잡이를 돌릴 때 더 큰 역기전력이 발생합니다. 이를 해결하기 위해 저항을 추가해 보았지만, 커패시터 뱅크를 최대 충전하는 데 너무 오래 걸렸고 결국 축은 또 부러졌습니다.
이를 해결하기 위해 기어비를 3:1로 단순히 낮췄습니다. 또한 새 설계에서는 기어와 상단 덮개 사이에 탄성 스페이서를 추가하여 실수로 위로 밀려 기어가 분리되는 일이 없도록 했습니다. 이 변경 후에는 토크 문제가 더 이상 발생하지 않았고, 커패시터 뱅크의 용량도 문제없이 두 배로 늘릴 수 있었습니다. 이 설계로 완전 충전까지 약 2분이 걸리며, 제게는 충분히 괜찮은 시간입니다.
기계 조립의 나머지 부분에는 회로가 들어가는 케이스가 있습니다. 손잡이를 더 쉽게 돌리고, 돌리는 동안 배선 전체가 계속 진동하지 않도록 스테퍼 모터와 회로 케이스를 분리했습니다. 이 부분에서는 주로 Vince에게 CAD 작업을 맡겼습니다. 설계는 상당히 단순하며, 대부분 덮개와 구멍이 있는 상자 형태입니다. 앞쪽에는 스테퍼 모터 전선을 넣을 수 있는 구멍이 있습니다. 반대쪽에는 USB 포트를 연결할 구멍과 표시 LED를 장착할 작은 절개부가 있습니다. 시간이 지나 출력 단자를 더 추가할 가능성이 있으므로 뒷벽은 분리할 수 있게 했습니다. 뒷벽은 도브테일과 덮개의 조임력으로 고정됩니다. 솔직히 이 설계가 너무 밋밋하다고 생각해서 덮개에 글자를 추가했습니다 ㅎㅎ. 참고로 케이스에는 야광 필라멘트도 일부 사용했는데, 어두운 곳에서 LED를 켜면 정말 멋져 보입니다. 아쉽게도 사진에서는 잘 보이지 않습니다 D:
회로 부분은 주로 제가 맡았고, 어떻게 작동하는지 팀원들에게 설명하는 일이 정말 재미있었습니다 ㅎㅎ. 먼저 스테퍼 모터의 두 코일 출력은 두 개의 전파 브리지 정류기를 사용해 DC 전압으로 정류됩니다. 이 원리를 잘 모르는 분들을 위해 설명하자면, 다이오드는 전류가 순방향으로만 흐르도록 합니다. 따라서 위와 같은 방향으로 두 개를 배치하면 한쪽에는 양의 전압이, 다른 쪽에는 0V가 나타납니다. 여기서 한 가지 알아둘 점은 이 스테퍼 모터에 핀이 6개 있다는 것입니다. 즉, 모터의 두 코일에는 센터 탭이 있습니다. 하지만 이 센터 탭 선은 사용해도 전압이 사실상 절반으로 줄어들 뿐이므로 크게 신경 쓰지 않고 연결하지 않았습니다. 또한 AC 리플(정류 후 남는 잔류 AC) 때문에 DC 출력은 여전히 상당히 거칠습니다. 하지만 출력은 여러 커패시터로 구성된 뱅크를 사용해 평활화할 것이므로 이는 전혀 문제가 되지 않습니다.
여기서는 커패시터 뱅크가 에너지를 저장하는 역할을 하므로 중요합니다. 처음에는 시험 삼아 1000uF 커패시터 몇 개를 병렬로 연결해 뱅크를 구성했지만, 기본적인 회로 지식이 있는 사람이라면 이것으로는 실제로 사용할 수 있을 만큼의 에너지가 턱없이 부족하다는 것을 알 수 있을 것입니다. 커패시터의 에너지는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다: E=1/2(C)(V^2). 5V에서 1000uF(또는 0.001F) 커패시터 하나가 저장할 수 있는 최대 에너지는 놀랍게도 0.0125줄(J)입니다. 사실상 아무것도 아닙니다! 실제 발전기에는 슈퍼커패시터를 사용해야 합니다. 기본적으로 커패시터와 같지만, 커패시턴스 값이 엄청나게 큽니다. 이 프로젝트에서는 정격 3.3F인 슈퍼커패시터를 사용했습니다. 이 커패시터에서 한 가지 주의할 점은 최대 2.7V까지만 정격이라는 것입니다. 목표 전압이 5V인 만큼 이는 정말 곤란합니다! 다행히 커패시터를 직렬로 연결하면 최대 전압이 합산되므로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이렇게 하면 커패시터 뱅크의 커패시턴스 값은 줄어들지만, 폭발하는 것보다는 확실히 나은 선택입니다. 최종적으로는 슈퍼커패시터 4개를 직렬로 연결한 쌍 두 개를 구성해, 총 커패시턴스 1.65F와 최대 전압 8.1V를 얻었습니다. 슈퍼커패시터 3개를 직렬로 연결해도 됐겠지만, 과전압이 문제가 되지 않도록 확실히 하고 싶었습니다. 5V에서 총 에너지는 20J입니다. 완벽하지는 않지만, 짧은 시간 동안 소규모 작업을 수행하는 데는 사용할 수 있습니다. 놀랍게도 최대 충전 상태에서는 모터를 꽤 오래 켤 수도 있었습니다.
전압을 실제로 제한하기 위해 제너 다이오드를 사용했습니다. 제너 다이오드는 일반 다이오드와 비슷하지만, 항복 전압에 도달하면 역방향으로 전류를 흘립니다. 이를 통해 전압을 해당 항복 전압 부근에서 대체로 일정하게 유지할 수 있습니다. 앞서 말했듯이 목표 전압은 5V였으므로, 제너 전압이 5.1V인 제너 다이오드를 사용했습니다.
마지막으로 LED를 표시등으로 사용했습니다. LED가 약 3V에서 켜지기 시작하고 5V에서는 매우 밝게 빛나기를 원했기 때문에, 원하는 정확한 점등 순서를 얻기 위해 LED와 저항 몇 개를 직렬로 연결했습니다. 몇 번 시도한 끝에 330Ω 저항과 170Ω 저항을 사용해 약 500Ω의 저항값을 구현했습니다.
이 회로도를 실제로 구현하기 위해 모든 부품을 만능기판에 납땜했습니다. 여기서는 출력과 입력의 전선을 필요할 때마다 연결하고 분리할 수 있도록 나사 단자가 유용했습니다. 솔직히 만능기판에 납땜한 것은 이번이 처음이었고(전반적으로 납땜 경험이 많지 않습니다), 사진만 봐도 알 수 있듯이 결과가 썩 좋지는 않았습니다 ㅋㅋㅋ. 앞으로 더 연습해야 할 기술임이 분명합니다.
또한 전원 출력에는 우연히 발견한 USB 모듈을 사용했습니다(버리려다가 아마 쓸 수 있겠다는 생각이 들어서 남겨 두었습니다). 처음에는 이것으로 휴대전화를 충전했지만, 저장한 에너지가 휴대전화를 제대로 충전하기에는 턱없이 부족하다는 것을 알게 되었습니다(그래도 휴대전화가 충전 중이라는 것을 인식해서 신이 났습니다). 의외로 가장 유용했던 용도는 USB로 충전하는 오실로스코프를 충전하는 것이었습니다. 저는 맥용 USB 어댑터를 늘 깜빡하는 편이라, 이 장치는 비상용 충전기로서 정말 유용합니다.
전체적으로 돌아보면 이 프로젝트는 대성공이었습니다! 시작할 때만 해도 무언가를 충전할 수 있다는 것은 허황된 꿈처럼 느껴졌는데, 실제로 이 장치로 오실로스코프를 충전할 수 있어서 정말 기쁩니다. 예전에도 폐기된 3D 프린터 부품으로 무언가를 만든 적이 있지만, 이번 작업이 확실히 가장 만족스러웠습니다. 또한 경험이 거의 없는 사람들과 함께 작업할 수 있었던 것도 정말 많은 것을 배우는 계기였습니다. 모두가 이번 프로젝트를 통해 앞으로 더 발전시키고 싶은 새로운 기술(CAD, 회로 설계, 응력을 고려한 설계 등)을 익혔다고 생각합니다. 개인적으로 깨달은 점 중 하나는, 설계할 때는 제게 너무나 당연해 보였던 설계 선택이 다른 사람의 작업을 검토할 때는 전혀 당연하게 보이지 않는다는 것입니다. 그 결과, 나중에 돌아보면 완전히 불필요했던 설계 변경과 재출력을 빠르게 여러 번 진행해야 했습니다. 아마 가장 큰 원인은 Fusion을 사용할 때 제가 다른 사람의 작업을 볼 때는 느끼지 못하는 방식으로 ‘몰입 상태’에 들어가기 때문인 것 같습니다. 분명 제가 개선해야 할 부분입니다.
설계 자체에 관해서는 더 많은 에너지를 얻으려면 더 큰 커패시터 뱅크가 필요할 것입니다. 하지만 솔직히 말해 3조 줄을 저장하는 커패시터 뱅크를 사용하더라도 더 많은 에너지가 좋다고 말할 것 같습니다! 제가 가장 바꾸고 싶은 부분은 USB 포트 하나만이 아니라 더 많은 출력 단자를 추가하는 것입니다. 아마 제가 가지고 있는 바나나 플러그가 여기에는 적합할 것 같습니다. 또한 최대 전압이 5V라고 해서 공칭 전압이 5V인 물체만 사용해야 한다는 뜻은 아닙니다. 제 생각에는 이 발전기는 공칭 전압이 약 3.3V이지만 5V에서도 문제없이 작동하는 부품(또는 공칭 전압이 5V지만 3V에서도 괜찮은 부품)에 오히려 더 적합합니다. 이 용도에 해당하는 것으로는 라디오 정도 외에는 딱히 떠오르는 것이 없지만, 앞으로 이 장치를 사용할 때 꼭 염두에 두겠습니다. 당분간은 제 수동 오실로스코프 충전기로 사용하고 있습니다 ㅋㅋ. 읽어 주셔서 감사합니다!
원문: https://www.instructables.com/Stepper-Motor-Generator-1/
https://www.instructables.com/Stepper-Motor-Generator-1/