KR101406304B1 - 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리 - Google Patents

자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 일체형 모터 배터리는 배터리; 발전용 권선과 모터용 권선을 구비하여 모터 기능과 발전 기능을 동시에 수행하는 발전 겸용 모터; 및 상기 발전 겸용 모터와 상기 배터리에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리의 전원을 방전하여 상기 발전 겸용 모터를 회전시키고 상기 발전 겸용 모터로부터 발전된 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충방전 회로를 포함하고, 상기 배터리의 내부에 마련된 소정의 공간에 상기 발전 겸용 모터와 상기 충방전 회로가 수용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자가 충전 시스템을 배터리 내부에 수용시킴으로써, 상기 자가 충전 시스템 자체를 소형화시키고, 더불어 상기 자가 충전 시스템이 결합되는 자전거, 장난감, 자동차 등의 장치도 소형화시킬 수 있다.
배터리, 발전 겸용 모터, 충전, 방전, 소형화

Description

자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리{Self-rechargeable allinone motor battery}
본 발명은 자가 충전이 가능한 배터리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터가 회전함에 따라 자가 충전을 수행하는 일체형 모터 배터리에 관한 것이다.
최근, 전자산업의 발달로 인하여, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 실외에서 휴대하면서 사용하는 휴대용 전자기기가 널리 보급되고 있다. 일반적으로, 이러한 휴대용 전자기기의 전력원으로서 규격화된 1차전지 또는 2차 전지가 채용된다.
그런데 상기 1차 전지는 충전이 불가능하여 1번 사용하고 폐기해야되는 문제점이 있다. 또한, 2차 전지는 충전기를 사용하여 별도의 전원장치인 콘센트에 플러그를 꽂고 일정시간 동안 재충전을 수행해야되므로, 갑작스럽게 방전이 된 경우에는 전원을 메인 회로에 공급하지 못하는 한계가 있다.
이러한 문제점에 착안하여, 기계 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 배터리를 자가 충전하는 시스템이 개시되었다.
자가 충전을 수행하는 배터리 시스템인 중에서 대표적인 것은 자동차 또는 자전거 등의 이동 수단에서 이용되는 자가 충전 시스템이다. 상기 자가 충전 시스템은 자전거 바퀴 또는 자동차 바퀴의 회전력을 전달받은 발전 모터가 전력을 생성하고, 발전 모터와 물리적으로 분리된 충전 회로가 상기 전력을 정류하여 배터리로 인가함으로써, 상기 배터리의 충전을 수행한다.
그런데 종래의 자가 충전 시스템은 모터, 배터리, 충전 회로가 서로 분리되어 구현되므로, 규모 자체가 커져서 소형화되기 어려운 문제점이 있다. 즉, 종래의 자가 충전 시스템이 특정 장치(예컨대, 자동차, 자전거, 장난감 등)의 동력원으로서 제 역할을 수행하기 위해서는, 해당 장치에서 상기 자가 충전 시스템을 수용하기 위한 넓은 공간이 필요하다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 소형화가 용이하며 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일체형 모터 배터리는, 배터리; 발전용 권선과 모터용 권선을 구비하여 모터 기능과 발전 기능을 동시에 수행하는 발전 겸용 모터; 및 상기 발전 겸용 모터와 상기 배터리에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리의 전원을 방전하여 상기 발전 겸용 모터를 회전시키고 상기 발전 겸용 모터로부터 발전된 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충방전 회로를 포함하고, 상기 배터리의 내부에 마련된 소정의 공간에 상기 발전 겸용 모터와 상기 충방전 회로가 수용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 충방전 회로는 상기 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 발전 겸용 모터로 인가시키는 인버터부; 상기 발전 겸용 모터로부터 발전된 교류 전원을 정류하는 정류부; 및 상기 정류부에서 정류된 직류 전원을 이 용하여 상기 배터리를 충전시키는 충전부를 포함한다.
또한, 상기 인버터부는 상기 배터리의 방전 단자 및 상기 발전 겸용 모터의 모터용 권선과 연결되고, 상기 정류부는 상기 배터리의 충전 단자 및 상기 발전 겸용 모터의 발전용 권선과 연결된다.
바람직하게, 상기 충방전 회로는 상기 충전부와 상기 배터리 사이에 설치되는 충전 스위치부; 상기 인버터부와 상기 배터리 사이에 설치되는 방전 스위치부; 및 상기 충전 스위치와 상기 방전 스위치부를 턴온하거나 턴오프하여 충전 또는 방전을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 자가 충전 시스템을 배터리 내부에 수용시킴으로써, 상기 자가 충전 시스템 자체를 소형화하는 장점이 있을 뿐만 아니라, 상기 자가 충전 시스템이 결합되는 자전거, 장난감, 자동차 등의 장치도 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 발전용 모터를 별도를 구비하지 않고, 하나의 모터를 이용하여 회전력을 발생시키고 배터리 충전도 수행하므로, 자가 충전 시스템의 제조 비용을 절약시키는 이점이 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리(100)를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 모터 배터리(100)는 내부에 소정 공간을 마련하고, 상기 소정 공간에 발전 겸용 모터(30)를 수용한다. 또한, 일체형 모터 배터리(100)는 상기 소정 공간에 충방전 회로(도 2의 20 참조)도 수용한다. 바람직하게 일체형 모터 배터리(100)는 원통형 형상을 가진다. 또한, 발전 겸용 모터(30)는 회전 부재(40)와 결합되고, 전원이 인가된 경우 스스로 회전할 뿐 아니라 상기 회전 부재(40)도 같이 회전시킨다. 상기 회전 부재(40)는 장난감의 바퀴, 자전거의 바퀴, 자동차의 바퀴 등과 같은 바퀴 부재(도면에 도시되지 않음)와 결합된다.
즉, 발전 겸용 모터(30)가 회전하면 상기 발전 겸용 모터(30)와 결합된 회전 부재(40)도 회전하고, 더불어 회전 부재(40)와 결합된 바퀴 부재를 회전한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 일체형 모터 배터리(100)를 수용한 장치(예컨대, 장남감, 로봇 시스템, 전기 자동차)는 모터의 회전력을 이용하여 주행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리(100)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 일체형 모터 배터리(100)는 배터리(10), 충방전 회로(20), 발전 겸용 모터(30) 및 회전 부재(40)를 포함한다.
상기 배터리(10)는 전극 조립체, 전해액, 절연판, 세퍼레이터 등을 포함하는 2차 전지로서, 일체형 모터 배터리(100)의 외형을 형성한다. 또한, 상기 배터리(10)는 발전 겸용 모터(30)로 전원을 공급하고, 상기 발전 겸용 모터(30)로부터 발전된 전원을 인가받아 충전을 수행한다. 더불어, 배터리(10)는 충방전 회로(20)와 전기적으로 연결되는 충전 단자(11, 12)와 방전 단자(13, 14)를 포함한다.
상기 발전 겸용 모터(30)는 충방전 회로(20)와 전기적으로 연결되고, 상기 충방전 회로(20)로부터 전달받은 전기 에너지를 이용하여 회전한다. 즉, 상기 발전 겸용 모터(30)는 회전 부재(40)와 결합되고, 상기 충방전 회로(20)를 통해 배터리(10)로부터 인가된 전원을 이용하여 상기 회전 부재(40)를 회전시킨다. 또한, 발전 겸용 모터(30)는 회전하면서 교류 전원을 발전하고, 상기 발전된 교류 전원을 충방전 회로(20)로 전달한다.
충방전 회로(20)는 배터리(10)의 충전 단자(11, 12)과 방전 단자(13, 14)과 전기적으로 연결되고, 더불어 발전 겸용 모터(30)와도 전기적으로 연결된다. 충방전 회로(20)는 배터리(10)로부터 인가받은 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 발전 겸용 모터(30)로 전달함으로써, 상기 발전 겸용 모터(30)를 회전시킨다. 발전 겸용 모터(30)가 직류로 구동될 수 있는 경우, 상기 충방전 회로(20)는 배터리(10)로부터 인가받은 직류 전원을 그대로 발전 겸용 모터(30)에 인가할 수 있다. 또한, 충방전 회로(20)는 상기 발전 겸용 모터(30)로부터 발전된 교류 전원을 정류하여 배터리(10)를 충전시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 발전 겸용 모터(30)의 평단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 발전 겸용 모터(30)는 회전자(rotor, 31) 및 고정자(stator, 35)를 포함한다.
회전자(31)에는 외부면을 따라 슬롯 형태로 삽입된 복수의 농형 권선(squirrel-cage winding, 32)이 구비되고, 회전자(31)의 중앙에는 회전 부재(40)과 결합되는 중공(33)이 형성된다.
또한, 고정자(35)에는 복수의 발전용 권선(37a, 37b, 37c)과 전동용 권선(36a, 36b, 36c)이 구비된다. 바람직하게, 발전 겸용 모터(30)가 평면에 세워진 상태에서, 복수의 발전용 권선(37a, 37b, 37c)과 복수의 전동용 권선(36a, 36b, 36c)은 동일한 레이어(즉, 동일한 높이)로 형성되지 않고, 서로 다른 높이로 이격되어 발전 겸용 모터(30)에 구비된다.
각각의 발전용 권선(37a, 37b, 37c)은 충전선로를 통해 충방전 회로(20)의 정류부(22)와 전기적으로 연결되고, 각각의 전동용 권선(36a, 36b, 36c)은 방전선로를 통해 충방전 회로(20)의 3상 인버터부(21)와 전기적으로 연결된다.
전동용 권선(36a, 36b, 36c)에 3상 교류 전원이 인가되면 회전 자기장이 발생하고 상기 회전 자기장에 의해 회전자(31)에 유도 전류가 발생하여, 상기 회전 자기장과 상기 유도 전류와의 상호작용에 의해 발생되는 회전력으로 회전자(31)가 회전하게 된다. 또한, 회전자(31)가 회전하면서 발전용 권선(37a, 37b, 37c)에 유도 전압이 유기되어 충전선로로 3상 교류 전원이 인가된다. 이때, 충전선로에 인가 된 3상 교류 전원은 에너지 손실 법칙을 적용받아, 상기 전동용 권선(36a, 36b, 36c)에 인가되는 3상 교류 전원 보다 세기가 약하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 충방전 회로(20)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 충방전 회로(20)는 3상 인버터부(21), 정류부(22), 충전부(23), 방전 스위치부(24), 충전 스위치부(25) 및 제어부(26)를 포함한다.
3상 인버터부(21)는 방전선로를 통하여 발전 겸용 모터(30)의 전동용 권선(36a, 36b, 36c)과 전기적으로 연결된다. 특히, 3상 인버터부(21)는 복수의 스위치 소자를 구비하고, 상기 복수의 스위치 소자를 제어하여 배터리(10)로부터 인가된 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 3상 교류 전원을 발전 겸용 모터(30)의 전동용 권선(36a, 36b, 36c)에 인가시킨다.
정류부(22)는 충전선로를 통하여 발전 겸용 모터(30)의 발전용 권선(37a, 37b, 37c)과 전기적으로 연결된다. 특히, 정류부(22)는 복수의 다이오드 소자를 구비하여, 발전 겸용 모터(30)로부터 인가받은 3상 교류 전원을 직류 전원을 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 충전부(23)로 전달한다.
충전부(23)는 정류부(22)로부터 전달받은 직류 전원을 배터리(10)의 규격 전원에 맞게 변환하여 상기 배터리(10)로 전원을 인가함으로써, 상기 배터리(10)를 충전한다.
방전 스위치부(24) 또는 충전 스위치부(25)는 FET(Field Effect Transistor) 와 같은 스위치 소자로서, 제어부(26)의 제어에 따라 턴온(turn-on)되거나 턴오프(turn-off)된다.
제어부(26)의 방전 스위치부(24) 및 충전 스위치부(25)를 제어하여, 배터리(10)의 전원을 발전 겸용 모터(30)로 인가시키고, 상기 발전 겸용 모터(30)로부터 발전된 전원을 이용하여 배터리(10)를 충전하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 제어부(26)는 전기 자동차, 전기 자전거, 장난감, 로봇 시스템 등의 메인 회로와 연결되어, 상기 메인 회로로부터 모터 구동 신호를 전달받으면 상기 방전 스위치부(24)를 턴온하여 배터리(10)의 전원을 3상 인버터부(21) 및 방전선로를 통하여 발전 겸용 모터(30)로 인가시킨다. 이때, 제어부(26)는 충전 스위치부(25)를 턴온하여, 상기 발전 겸용 모터(30)에서 발전되고 정류부(22) 및 충전부(23)에 의해서 변환된 직류 전원을 배터리(10)로 인가시킴으로써, 상기 배터리(10)를 충전시킨다.
바람직하게, 제어부(26)는 배터리 보호모듈(PCM: Protection Circuit Module)과 연동하여, 상기 배터리(10)에서 과방전이 발생하는 경우에, 상기 방전 스위치부(24)를 턴오프하여 배터리(10)의 전원이 발전 겸용 모터(30)로 인가되는 것을 방지한다. 마찬가지로, 제어부(26)는 배터리 보호모듈과 연동하여 상기 배터리(10)로 과충전이 진행되는 경우, 상기 충전 스위치부(25)를 턴오프하여 배터리(10)가 과충전되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자가 충전 시스템을 배터리 내부에 수용시킴으로써, 상기 자가 충전 시스템을 소형화시키고 상기 자가 충전 시스템이 결합되는 자전거, 장난감, 자동차, 로봇 시스템 등의 장치 자체도 소형화시킬 수 있는 장점 이 있다.
또한, 본 발명은 발전용 모터와 전동용 모터를 각각 구비하지 않고, 하나의 발전 겸용 모터(30)를 이용하여 회전력을 발생시키고 배터리 충전도 수행하므로, 자가 충전 시스템의 제조 비용을 절약시키는 효과도 있다.
아울러, 본 발명은 발전 겸용 모터(30)를 외부 동력 장치와 연결하여 회전시킬 수 있다. 외부 동력 장치는 모터가 될 수도 있고, 수동 또는 전동력에 의해 회전되는 회전축일 수 있다. 이러한 경우, 발전 겸용 모터(30)가 전력을 발전하게 되며, 이렇게 발전된 전력이 충전부(23)를 통해 배터리(10)로 인가됨으로써 배터리(10)가 충전될 수 있다. 배터리(10)가 발전 겸용 모터(30)의 발전에 의해 충전되는 과정은 이미 상술한 바 있으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 자가 충전이 가능한 일체형 모터 배터리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 발전 겸용 모터의 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 충방전 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 일체형 모터 배터리 20 : 충방전 회로
21 : 3상 컨버터부 22 : 정류부
23 : 충전부 24 : 방전 스위치부
25 : 충전 스위치부 26 : 제어부
30 : 발전 겸용 모터 31 : 회전자
32 : 농형 권선 35 : 고정자
36a, 36b, 36c : 전동용 권선 37 : 발전용 권선
40 : 회전 부재

Claims (4)

  1. 내부에 소정의 수용 공간이 형성된 배터리;
    발전용 권선과 모터용 권선을 구비하여 모터 기능과 발전 기능을 동시에 수행하는 발전 겸용 모터; 및
    상기 발전 겸용 모터와 상기 배터리에 전기적으로 연결되어, 상기 배터리의 전원을 방전하여 상기 발전 겸용 모터를 회전시키고 상기 발전 겸용 모터로부터 발전된 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충방전 회로를 포함하고,
    상기 배터리의 내부에 형성된 소정의 수용 공간에 상기 발전 겸용 모터와 상기 충방전 회로가 수용되어, 상기 배터리, 상기 발전 겸용 모터 및 상기 충방전 회로가 일체형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 일체형 모터 배터리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전 회로는,
    상기 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 발전 겸용 모터로 인가시키는 인버터부;
    상기 발전 겸용 모터로부터 발전된 교류 전원을 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부에서 정류된 직류 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전시키는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 모터 배터리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 배터리의 방전 단자 및 상기 발전 겸용 모터의 모터용 권선과 연결되고,
    상기 정류부는 상기 배터리의 충전 단자 및 상기 발전 겸용 모터의 발전용 권선과 연결되는 것을 특징으로 하는 일체형 모터 배터리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 충방전 회로는,
    상기 충전부와 상기 배터리 사이에 설치되는 충전 스위치부;
    상기 인버터부와 상기 배터리 사이에 설치되는 방전 스위치부; 및
    상기 충전 스위치 또는 상기 방전 스위치부를 턴온하거나 턴오프하여 충전 또는 방전을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 모터 배터리 장치.
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