KR100618351B1

KR100618351B1 - 날갯짓 구동장치

Info

Publication number: KR100618351B1
Application number: KR1020050045222A
Authority: KR
Inventors: 정동택
Original assignee: 정동택
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-09-01

Abstract

본 발명은 날갯짓 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 날개를 상하왕복운동하여 추진력을 얻는 비행체에 설치되어 효율적으로 날개를 상하왕복운동시킬 수 있는 구동장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 날갯짓 구동장치는, 비행체의 동체에 고정되기 위한 고정자와 상기 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 구비하고 단속적으로 구동되는 회전구동수단과, 상기 회전자의 구동방향과 반대되는 방향으로 탄성력을 작용시키기 위한 탄성부재와, 일단이 상기 회전구동수단의 회전자에 고정되고 상기 회전자의 회전중심에 대해 반경방향으로 연장된 날개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

날갯짓, 회전구동수단, 모터, 비틀림, 스프링, 스프링-질량계.

Description

날갯짓 구동장치{APPARATUS FOR FLAPPING WINGS}

도 1은 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치의 일실시예의 사시도이고,

도 2는 도 1의 실시예의 정면 부분단면도이며,

도 3은 도 1의 실시예의 평면 부분단면도이고,

도 4는 종래 기술에 따른 링크 시스템을 이용한 날갯짓 구동장치의 일례의 사시도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호 설명♣

100 : 회전구동수단 200 : 탄성부재

300 : 날개

조류나 곤충은 한 쌍 또는 두 쌍의 날개를 상하왕복운동하는 날갯짓으로부터 추진력과 상승력을 얻는다. 이런 날갯짓을 모방한 비행체(Flying Vehicle), 예컨 대 날개치기형 비행기(Ornithopter)는 수직이착륙과 정지비행이 가능하다는 점에서 고정익 항공기에 비해 우수하며, 회전미익이 필요없다는 점에서 회전익 항공기에 비해 구조가 간단하고 소형화가 가능하므로 그 활용가치가 매우 높다.

지금까지 이러한 날갯짓을 구현하는 방법으로 내연기관의 피스톤 왕복운동으로 날개를 구동하거나, 전동모터에 크랭크와 커넥팅로드를 조합한 링크 시스템을 이용하여 회전운동을 왕복운동으로 바꾸는 방법이 사용되고 있다. 전자와 같은 내연기관은 중량이 크기 때문에 자체중량을 최소화해야할 항공기, 특히 소형의 모형항공기에는 후자의 방법이 널리 적용되고 있다.

종래 기술에 따른 링크 시스템을 이용한 날갯짓 구동장치의 일례로 대한민국 특허 제10-0451984호 "동력식 날개치기형 비행기"가 있다. 도 4를 참조로 종래 기술에 따른 링크 시스템을 간략히 설명하면 다음과 같다.

전기모터(221)는 구동수단으로서 스탠드(239)에 설치된 복수의 전동기어를 통해 제5 전동기어휠(245)을 회전구동한다. 제5 전동기어휠(245)이 회전하면 한 쌍의 종동휠(233, 234)이 회전하고, 한 쌍의 종동휠 각각에 설치된 커넥팅로드(235, 236)에 의해 스탠드(239)의 상부로 돌출된 지지폴(237)에 의해 선회 가능하게 설치된 한 쌍의 아암(231, 232)이 정해진 각도범위 내에서 상하로 스윙한다. 따라서 한 쌍의 아암(231, 232)에 날개를 고정하면 날갯짓을 구현할 수 있다.

그러나 종래 기술에 따른 링크 시스템을 이용한 날갯짓 구동장치는, 기어, 커넥팅로드와 같이 구동력을 전달하기 위한 부품이 다수 필요하므로 구조가 복잡하 고 중량이 크다는 문제점이 있다. 나아가 보다 큰 추진력을 얻기 위해 날개의 운동 속도를 높이면 진동이 커지고 기어, 커넥팅 로드와 같은 부품에 큰 응력이 걸린다는 문제점도 있다. 이와 같은 진동과 응력에 부품이 견디기 위해서는 구동장치가 대형화되어야 하지만, 자체 중량을 최소화해야할 비행체에 있어 중량이 큰 대형 구동장치는 적합하지 못하다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구조와 적은 중량을 가지며, 효율적인 날갯짓을 구현할 수 있는 날갯짓 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 날갯짓 구동장치는, 비행체의 동체에 고정되기 위한 고정자와 상기 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 구비하고 단속적으로 구동되는 회전구동수단과, 상기 회전자의 구동방향과 반대되는 방향으로 탄성력을 작용시키기 위한 탄성부재와, 일단이 상기 회전구동수단의 회전자에 고정되고 상기 회전자의 회전중심에 대해 반경방향으로 연장된 날개를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 회전구동수단이 단속적으로 회전하는 것을 제어하기 용이하도록 상기 회전구동수단의 고정자는 중심축과, 상기 중심축을 중심으로 배치된 복수의 전자석을 포함하고, 상기 회전구동수단의 회전자는 상기 중심축을 중심으로 회전 가능하도록 상기 고정자에 결합된 하우징과 상기 하우징 내부에 고정된 복수의 영구자석을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 탄성부재는 일단이 상기 회전자에 고정된 비틀림 스프링인 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치의 일실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예의 정면 부분단면도이며, 도 3은 도 1의 실시예의 평면 부분단면도이다.

회전구동수단(100)은 비행체의 동체에 고정되어 날개를 구동시키기 위한 회전력을 발생시키는 것으로서, 고정자와, 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 구비한다. 또한 회전구동수단은 날갯짓을 구현하기 위해 단속적으로 회전력을 발생시킬 수 있어야 하므로 제어가 용이한 전동모터인 것이 바람직하다.

전동모터(100)의 고정자에는 중심축(110)을 중심으로 복수의 전자석이 원주상으로 배치되어 있다. 즉, 중심축(110)에 대해 철심(120)이 원주상 등간격으로 배열되어 있고, 각 철심(120)에는 코일(130)이 감겨있다. 전동모터의 회전자는 고정자의 중심축(110)을 중심으로 하여 회전가능하게 고정자에 설치된다. 회전자는 원통 형상의 하우징(140)과 하우징 내부에 설치된 복수의 영구자석(150)으로 이루어진다. 이와 같은 구성의 전동모터에서 고정자의 전자석을 정해진 순서에 따라 자화시키면, 원주방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 위치하도록 회전자 내부에 설치된 영구자석(150)과 고정자의 전자석 사이에 인력 또는 척력이 작용한다. 이 인력 또는 척력이 회전자가 회전운동할 수 있는 구동력이 된다. 전동모터에 공급되는 전류의 단속 또는 공급되는 전류의 방향 전환을 통해 회전자의 회전/정지 또는 회전방향을 제어할 수 있다.

이상에서 회전구동수단은 전동모터인 것으로 설명하였으나 내연기관 기타 축을 회전시킬 수 있는 것이라면 어떤 것이라도 무방하다. 다만, 회전구동수단이 내연기관일 경우에는 단속적으로 동력을 전달할 수 있도록 클러치 등과 같은 공지의 기술이 부가되어야 한다.

한편, 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치가 회전구동수단(100)의 구동력만으로 날개를 구동한다면, 회전자의 회전관성으로 인하여 효율적인 날갯짓을 구현할 수 없다. 따라서 회전자의 회전운동을 탄성력에 의해 제한하는 탄성부재(200)가 필요하다. 탄성부재(200)는 회전자의 구동방향에 대해 탄성력을 작용시킬 수 있는 것이라면 어떤 것이라도 무방하나, 비틀림 스프링(Torsion Spring)인 것이 바람직하다. 다양한 형태의 비틀림 스프링 중에서도 원통코일형 비틀림 스프링이 더욱 바람직하다. 원통코일형 비틀림 스프링의 원통 내부에 회전구동수단(100)이 위치하게 한 다음, 스프링의 일단을 회전자에 고정하고, 타단은 회전구동수단(100)이 고정되는 물체, 예건대 비행체의 동체에 고정한다. 이 때 회전구동수단의 구동력에 의해 회전자가 회전하면 회전자는 비틀림 스프링으로부터 반발력을 받는다. 즉, 회전자는 비틀림 스프링의 탄성력에 의해 소정 각도 이상 회전하는 것이 제한되고, 회전구동수단의 구동력이 제거되면 회전자는 원래 위치로 되돌아 간다. 따라서 탄성부재(200)를 구비한 경우 회전구동수단(100)은 반드시 정방향 및 역방향의 회전에 대해 구동력을 발생시켜야 할 필요는 없으며 일방향으로만 회전구동할 수 있어도 된다. 예컨대 회전구동수단의 회전자를 정방향으로 소정각도 회전구동한 후 구동력을 제거시키면 탄성부재(200)의 탄성력에 의해 회전자는 원래 위치를 향해 되 돌아온다. 이 때 다시 회전자를 정방향으로 소정 각도 회전구동시키는 방식으로 회전자가 정방향 및 역방향 회전을 반복적으로 교번할 수 있다.

날개(300)는 회전구동수단(100)의 회전자에 그 일단이 고정된다. 또한 날개(200)는 회전자의 회전중심에 대해 반경방향으로 연장되어 있다. 즉, 날개(200)는 회전구동수단의 회전자의 정방향 및 역방향 회전에 의해 그 타단이 원주방향을 따라 날갯짓을 한다. 이 때 날개면은 회전구동수단(100)의 중심축(100) 방향으로 연장되어 있어야 한다. 따라서 날개면이 수평하도록 비행체에 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치를 설치하면 비행체는 날갯짓에 의해 상승력과 추진력을 얻을 수 있다.

날개가 부착된 회전자와 비틀림 스프링은 스프링-질량계(Spring-Mass System)를 형성한다. 이 스프링-질량계는 특정한 공진주파수를 가진다는 것이 알려져 있다. 회전구동수단의 주기적인 정방향 및 역방향 교번회전에 따른 날갯짓의 주파수가 이 공진주파수와 다르면 날갯짓이 미약하고 불규칙하다. 그러나 날갯짓의 구동주파수가 공진주파수에 근접하면 공진현상이 발생하여 날갯짓의 정역 회전각이 급격하게 증가하게 된다. 또한 이 날갯짓 구동장치에서 전류의 양을 조절하면 날갯짓의 진폭을 조절할 수 있다. 반면 종래 기술에 따른 링크시스템 방식은 링크의 길이가 변화하지 않는 한 진폭의 조정은 전혀 불가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명을 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치는 회전구동수단에 날개가 직접 고정되어 있으므로 구조가 간단하고 소모부품이 없어 유지비용이 저렴하다. 또한 스프링-질량계의 공진현상을 활용하므로 본 발명에 따른 날갯짓 구동장치가 설치된 비행체는 강력한 상승력과 추진력을 얻을 수 있는 반면, 효율이 매우 높으므로 운전비용은 훨씬 저렴해진다.

Claims

비행체의 동체에 고정되기 위한 고정자와 상기 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 구비하고 단속적으로 구동되는 회전구동수단과,

상기 회전자의 구동방향과 반대되는 방향으로 탄성력을 작용시키기 위한 탄성부재와,

일단이 상기 회전구동수단의 회전자에 고정되고 상기 회전자의 회전중심에 대해 반경방향으로 연장된 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 날갯짓 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 회전구동수단의 고정자는 중심축과, 상기 중심축을 중심으로 배치된 복수의 전자석을 포함하고,

상기 회전구동수단의 회전자는 상기 중심축을 중심으로 회전 가능하도록 상기 고정자에 결합된 하우징과 상기 하우징 내부에 고정된 복수의 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 날갯짓 구동장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 탄성부재는 일단이 상기 회전자에 고정된 비틀림 스프링인 것을 특징으로 하는 날갯짓 구동장치.