KR100501673B1 - 유도기전력을 이용한 소용량 발전장치 - Google Patents

유도기전력을 이용한 소용량 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자장 속을 통과하여 이동하는 코일에 의해서 발생된 유도 기전력을 이용하는 소용량 발전장치에 관한 것으로, 회전체와, 상기 회전체의 외측 주변에 방사상으로 설치되어 자장을 형성하는 복수개의 영구자석과, 상기 회전체 내에 설치되어 회전체와 함께 회전하는 유도코일을 포함하며, 상기 유도코일은 구형으로 형성되며, 서로 직각 방향인 X방향, Y방향 및 Z방향 코일로 구성되며, 상기 각 방향 코일 중 하나는 상기 회전체의 원주면과 접하는 방향으로 회전체 내에 설치되도록 한다. 이렇게 함으로써, 배터리를 사용하지 않고 영구 자석이나 지구 자장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고 이를 전원으로 사용하기 때문에 반영구적으로 사용할 수 있으며, 종래 중금속 전지를 사용할 필요가 없어 환경오염을 방지할 수 있다.

Description

유도기전력을 이용한 소용량 발전장치{Power Generator Using Induction Voltage}
본 발명은 지구 자장 또는 영구 자석에 의해서 형성된 자장 속을 통과하는 코일에서 발생하는 유도 기전력을 이용한 발전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 회전체 내에 유도 코일을 설치하고, 회전체 주위에 영구자석을 설치하여, 상기 회전체가 회전함에 따라 상기 유도 코일이 상기 영구자석 또는 지구의 자장 내의 자기력선을 통과하면서 발생하는 유도 기전력을 소용량의 전원으로 사용할 수 있도록 하는 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 타이어에 장착되어 타이어의 공기압을 측정하는 공기압 센서는 자체 내부에 전지를 내장하고 있다. 상기 전지는 3V 수은전지로서 온도 및 사용 조건에 따라 적게는 7년에서 10년 정도의 수명을 가지고 있다. 상기 수은전지는 공기압 센서 내부에 내장되어 있기 때문에, 상기 수은전지의 수명이 다하게 되면 수은전지만을 교환할 수 없고, 공기압 센서 자체를 교환해야 하므로 비용이 많이 들고, 또한 수은으로 인한 환경오염이 문제가 되었다. 따라서, 상기 공기압 센서와 같이 소용량의 전원 공급이 필요한 장치에 반영구적으로 전원을 공급할 장치가 필요하게 되었다.
본 발명은 이러한 필요에 의해서 발명된 것으로, 자동차의 타이어와 같이 회전하는 회전체에 유도 코일을 설치하고 회전체의 주위에 복수개의 영구자석을 설치하여, 회전체의 회전에 따라 위치가 변화되는 유도 코일이 그 주위에 형성된 영구자석에 의한 자장 또는 지구의 자장과 상호작용하여 유도 기전력을 생성하도록 하고, 이를 축적하여 소용량의 전기 공급원으로 사용하는 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자장 속을 통과하여 이동하는 코일에 의해서 발생된 유도 기전력을 이용하는 소용량 발전장치로서, 회전체와, 상기 회전체의 외측 주변에 방사상으로 설치되어 자장을 형성하는 복수개의 영구자석과, 상기 회전체 내에 설치되어 회전체와 함께 회전하는 유도코일을 포함하며, 상기 유도코일은 구형으로 형성되며, 서로 직각 방향인 X방향, Y방향 및 Z방향 코일로 구성되며, 상기 각 방향 코일 중 하나는 상기 회전체의 원주면과 접하는 방향으로 회전체 내에 설치되도록 함으로써, 회전체의 회전에 따라 회전하는 유도 코일의 각 방향 코일과 영구자석 또는 지구의 자장과의 상대적인 위치 변화에 의해서 유도기전력을 발생시킨다.
또한, 본 발명의 상기 회전체가 회전함에 따라서 변화되는 상기 각각의 X방향 코일, Y방향 코일 및 Z방향 코일의 방향과 상기 영구자석의 자장 및 지구 자장 방향과의 변화에 의해서 발생하는 유도 기전력은 각각의 정류자를 거쳐서 축전기에 저장되도로 할 수 있다.
또한 본 발명의 상기 회전체는 자동차의 타이어이며, 상기 영구자석은 자동차 주위 차체에 방사상으로 소정의 각도를 사이에 두고 설치되며, 상기 유도코일은 자동차의 타이어에 설치되는 공기압 센서에 내장되어, 자동차 주행시 타이어가 회전함에 따라, 상기 영구자석의 자장 또는 지구의 자장과 상기 유도코일의 방향의 변화에 의해서 발생하는 유도 기전력을 정류하여 공기압 센서의 전원으로 사용할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 소용량 발전장치의 구성 및 작용에 대해서 자세히 살펴본다. 도 1은 본 발명에 따르는 소용량 발전장치의 구성을 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1의 유도코일을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따르는 소용량 발전기의 작용을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르는 소용량 발전장치는 회전축을 중심으로 회전하는 회전체(10)와, 상기 회전체(10)의 외측에서 방사상으로 위치되는 복수개의 영구자석(20: 20a, 20b, 20c, ...)과, 상기 회전체(10)의 내측에서 방사상으로 설치되는 유도코일(30)을 포함한다. 또한 회전체(10)의 외측에서 작용하는 지구의 자장이 하나의 구성요소가 될 수 있다.
상기 영구자석(20)은 고정된 상태로 회전체(10)의 주위에서 일정한 자장을 형성하고 있다. 일예로 영구자석(20)의 중심을 통과하는 자장은 화살표로 나타낸 것과 같이 회전체(10)의 중심을 향한다. 상기 유도코일(30)은 회전체(10) 내에 설치되고, 도 2에 도시된 바와 같이 구형으로 형성되며 서로 직각을 이루는 방향으로 코일이 감겨져 있다. 설명의 편의상 이하 도 2의 X축을 중심으로 감겨진 코일을 X방향 코일(31), Y축을 중심으로 감겨진 코일을 Y방향 코일(32), 그리고 Z축을 중심으로 감겨진 코일을 Z방향 코일(33)이라고 한다. 유도 코일(30)은 X방향 코일(31), Y방향 코일(32) 및 Z방향 코일(33)로 이루어지며. 각각의 코일은 각각 X방향 정류자(310), Y방향 정류자(320) 및 Z방향 정류자(330)와 연결되며, 각각의 정류자(310, 320, 330)는 하나로 합쳐서 축전지(50)와 연결된다. 또한, 상기 유도 코일(30)중 하나의 방향 코일은 회전체(10)의 원주면과 접하는 방향으로 위치된다. 이렇게 위치함으로써 방향 코일이 영구자석과 근접한 위치에서 영구자석(20)의 중심에서의 자장 방향과 직각으로 만날 수 있어 큰 유도 기전력을 발생시킬 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다. 본 실시예에서는 Z방향 코일(33)이 회전체(10)의 원주면과 접하도록 위치된다.
도 3은 본 발명의 작용을 보다 용이하게 설명하게 위해서, 도 1의 구성 중 회전체의 원주면과 접하는 유도코일(30)의 Z방향 코일(33)만을 도시하였으며, 영구자석(20)의 자장을 2차원적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이 상부에 위치한 영구자석(20b)은 항상 일정한 방향의 자장을 형성하고 있으며, 회전체(10)가 회전하게 되면 상기 회전체 내에 설치된 유도코일(30)이 회전하게 되어 자장 속을 통과하게 된다. 이때 상기 유도 코일의 Z방향 코일(33)과 자장과의 상대적인 방향이 변화하면서 다음 식에 의해서 유도 기전력이 발생하게 된다.
(식 1)
여기서, n은 유도코일의 감긴 횟수이며, ω는 회전체의 각속도이고, r은 코일이 감긴 반경을 의미한다. 식 1에서 알 수 있듯이 유도 기전력이 최대가 되는 지점은 Z방향 코일(33)과 영구자석(20b)이 0도의 각도차이를 가지는 지점이며, 최소가 되는 지점은 Z방향 코일(33)과 영구자석(20b)이 90도의 각도차이를 가지는 지점이 된다. 본 발명은 바람직하게는 유도기전력이 0이 되는 지점을 없애기 위해서 영구자석(20)들을 약 60도의 간격으로 복수개 설치하고 있다.
도 3에서, 유도 코일(30)이 A위치에 있을 경우, 상부 영구자석(20b)의 자장중 회전체(10)의 중심을 향하고 있는 자장(점선으로 도시된 화살표 참조)의 영향을 받으며, 상기 자장의 방향은 회전체(10)의 원주면과 접하는 방향을 가지는 Z방향 코일(33a)과 직각을 이루게 된다. 따라서, 상기 식 1에 의해서 Z방향 코일(33a)은 A 위치에서 최대의 유도 기전력이 발생한다. 또한, 회전체(10)가 회전하여 유도 코일(30)이 B의 위치에 있을 경우 상부 영구자석(20b)의 자장 방향과 Z방향 코일(33b)이 소정의 각도를 가지고 만나게 된다. 이러한 Z방향 코일(33)과 영구자석의 자장의 상대적인 위치의 변화에 따라서 Z방향 코일(33)에 유도 기전력이 발생하게 된다.
상기 영구자석(20)의 자장은 3차원적으로 발생하는 것이므로 회전체(10)의 회전시 Z방향 코일(33)뿐 만이 아니라 X방향 및 Y방향 코일(31, 32)에서도 기전력이 발생하게 된다. 이러한 기전력은 각각의 정류자(310, 320, 330)를 통해서 축전지(50)로 저장된다(도 2 참조).
또한, 본 발명은 지구상 어디에나 존재하는 지구 자장을 이용할 수 있는 것을 특징으로 한다. 지구 자장은 일반적으로 약 50 μT(마이크로 테슬러)정도의 정적 자장을 가지고 있다. 도 1의 하부에 도시한 바와 같이 지구의 자장이 존재하는 소정의 지점에서 회전체(10)가 회전하면 유도코일(30)이 회전하여 각 방향 코일(31, 32, 33)과 지구의 자장과의 사이의 각도(θ1 및 θ2)가 변화하게 되고 이때 상기 유도코일(30)의 각 방향 코일(31, 32, 33)에서 유도 기전력이 발생하게 된다. 본 발명은 상기 발생된 유도 기전력을 이용하여 소용량의 장치에 전원을 공급할 수 있다.
본 발명은 바람직한 하나의 실시예는 주행중인 자동차의 타이어의 공기압센서에 전원을 공급하는 장치로 사용된다. 즉, 상기 회전체(10)는 자동차 타이어이며, 상기 복수개의 영구자석(20)은 자동차 타이어의 상부 차체(40)에 방사상으로 설치된다. 또한 상기 유도코일(30)은 자동차의 타이어에 설치된 공기압 센서에 내장된다. 바람직한 실시예에서 구형의 유도 코일(30)은 전체 직경이 1cm이고, 유도 기전력이 최대 10V까지 생성될 수 있도록 0.08mm 두께의 코일을 100회 감아 만들었다. 이러한 구성에 의해서 주행 중 타이어가 회전하게 되면 상기 유도코일(30)과 영구자석(20)의 자장과의 위치 변화에 따라 유도 기전력이 발생하면 이를 공기압 센서의 전원으로 사용할 수 있다. 실험결과 40 km/h의 속도로 주행할 경우 최대 40V의 전압이 유도된다.
또한, 유도 코일(30)이 회전에 의해서 지면과 가까운 위치에 있을 경우에는 지구의 자장의 영향을 받아 유도 코일(30)에서 유도 기전력이 발생하게 되는데, 이 경우 발생되는 유도 기전력은 약 0.5V정도로 X방향, Y방향 및 Z방향 코일(31, 32, 33)에서 각각 유도되는 전력을 합할 경우 RMS(root mean square)값으로 약 1.2V 정도이다.
상기 공기압 센서는 지구 자장을 이용하여 얻은 기전력으로는 공기압을 측정하는데 사용하고 상기 영구자석의 자장을 이용하여 얻은 기전력으로는 RF데이터를 송신하는데 사용할 수 있다.
상기 살펴본 바와 같이, 본 발명은 배터리를 사용하지 않고 영구 자석이나 지구 자장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고 이를 전원으로 사용하기 때문에 반영구적으로 사용할 수 있으며, 종래 중금속 전지를 사용할 필요가 없어 환경오염을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 소용량 발전장치의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 유도코일을 나타내는 도면; 그리고
도 3은 본 발명에 따르는 소용량 발전기의 작용을 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 회전체 20(20a, 20b, 20c) : 영구 자석
30 : 유도 코일 31 : X방향 코일
32 : Y방향 코일 33 : Z방향 코일
40 : 차체 50 : 축전지
310, 320, 330 : 정류자

Claims (3)

  1. 자장 속을 통과하여 이동하는 코일에 의해서 발생된 유도 기전력을 이용하는 소용량 발전장치로서,
    회전체와,
    상기 회전체의 외측 주변에 방사상으로 설치되어 자장을 형성하는 복수개의 영구자석과,
    상기 회전체 내에 설치되어 회전체와 함께 회전하는 유도코일을 포함하며,
    상기 유도코일은 구형으로 형성되며, 서로 직각 방향인 X방향, Y방향 및 Z방향 코일로 구성되며, 상기 각 방향 코일 중 하나는 상기 회전체의 원주면과 접하는 방향으로 회전체 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 소용량 발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체가 회전함에 따라서 변화되는 상기 각각의 X방향 코일, Y방향 코일 및 Z방향 코일의 방향과 상기 영구자석의 자장 및 지구 자장 방향과의 변화에 의해서 발생하는 유도 기전력은 각각의 정류자를 거쳐서 축전기에 저장되는 것을 특징으로 하는 소용량 발전장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전체는 자동차의 타이어이며, 상기 영구자석은 자동차 주위 차체에 방사상으로 소정의 각도를 사이에 두고 설치되며, 상기 유도코일은 자동차의 타이어에 설치되는 공기압 센서에 내장되어,
    자동차 주행시 타이어가 회전함에 따라, 상기 영구자석의 자장 또는 지구의 자장과 상기 유도코일의 방향의 변화에 의해서 발생하는 유도 기전력을 정류하여 공기압 센서의 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 소용량 발전장치.
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