KR101407722B1 - 자가발전형 쿼드콥터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자가발전형 쿼드콥터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비행시 발생하는 프로펠러의 회전운동에너지를 전자기유도 현상을 이용하는 에너지변환장치를 통해 전기에너지로 변환하여 배터리를 충전함에 따라 배터리의 전력을 일정한 수준으로 유지시켜 비행 가능 시간을 더욱 증대시킴으로써 장시간 비행이 가능하여 정찰 등의 업무 수행 능력을 크게 향상시킬 수 있도록 한 자가발전형 쿼드콥터에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 본체; 상기 본체의 전후 좌우에 각각 설치된 구동모터; 상기 구동모터의 구동축에 설치된 프로펠러; 상기 본체에 설치되어 구동모터의 구동 전원을 공급하는 배터리; 상기 본체와 상기 구동모터의 구동축에 설치되어 상기 프로펠러의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리의 충전 전원을 공급하는 에너지변환장치;로 구성됨을 특징으로 하는 자가발전형 쿼드콥터를 기술적 요지로 한다.

Description

자가발전형 쿼드콥터{Self-powered quadcopter}

본 발명은 자가발전형 쿼드콥터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비행시 발생하는 프로펠러의 회전운동에너지를 전자기유도 현상을 이용하는 에너지변환장치를 통해 전기에너지로 변환하여 배터리를 충전함에 따라 배터리의 전력을 일정한 수준으로 유지시켜 비행 가능 시간을 더욱 증대시킴으로써 장시간 비행이 가능하여 정찰 등의 업무 수행 능력을 크게 향상시킬 수 있도록 한 자가발전형 쿼드콥터에 관한 것이다.

[문헌 1] 한국 공개특허 제10-2012-0065546호, 2012.06.12.자 공개.

[문헌 2] 한국 특허등록 제10-0812756호, 2008.03.05.자 등록.

일반적으로 쿼드콥터(Quadcopter)는 2개의 프로펠러를 가진 헬리콥터의 구조를 응용하여 개발한 비행체로서, 일반 헬리콥터의 프로펠러 수보다 많은 총 4개의 프로펠러의 회전 운동에 의해 발생하는 양력을 이용하여 동체를 비행하는 비행체이다.

즉, 쿼드콥터는 본체의 전후 좌우에 각각 전동모터의 구동으로 회전 운동하는 프로펠러가 설치되고 상기 본체에는 전동모터의 구동 전원을 제공하는 배터리가 설치된 구조이다.

이러한 쿼드콥터는 배터리로 구동되고 무선 조종이 가능한 소형 비행체이면서 호버링을 비롯하여 다양한 형태로 기동함은 물론이고 안정적인 비행이 가능한 장점을 가진다. 따라서 쿼드콥터는 최근 군용 정찰기, 민간 정찰기뿐만 아니라 취미생활용 완구로도 크게 각광받고 있다.

상기와 같이 쿼드콥터의 사용 범위가 널리 확대됨에 따라 자연스럽게 이에 대한 관심도 증대됨으로써 쿼드콥터의 성능 향상 등을 위한 연구개발이 활발하게 진행되고 있는데, 이는 문헌 1, 2를 통해 알 수 있다.

상기 문헌 1은 분해 조립이 용이한 구조를 가진 쿼드콥터에 관한 기술로서, 이는 제어유닛과 배터리가 설치된 본체와, 상기 본체의 전후 좌우에 구동모터의 구동으로 회전 운동하는 4개의 프로펠러가 설치된 레그부재로 구성되되, 상기 본체는 상하로 탈착 가능하게 결합되는 상부케이스와 하부케이스로 구성되고, 상기 레그부재는 본체의 전후 좌우에 결합되어 상부케이스와 하부케이스의 결합 상태로 고정시키는 구성이다.

상기 문헌 2는 요잉제어가 용이한 쿼드콥터에 관한 기술로서, 이는 본체의 전후 좌우에 각각 회전 운동하는 총 4개의 메인 프로펠러가 설치되고, 상기 본체의 상부에 반대로 회전 운동하는 1개의 요잉제어 프로펠러가 설치된 구성이다.

상기와 같이 쿼드콥터의 성능 향상을 위한 연구개발이 활발하게 진행되고는 있지만, 쿼드콥터의 비행 가능 시간을 증대시키기 위한 연구개발은 현재 미진한 생태를 보이고 있다.

즉, 쿼드콥터는 배터리의 전원을 통해 구동모터가 구동되면서 4개의 프로펠러가 회전 운동하여 발생하는 양력으로 비행하는 구조임에 따라, 상기 배터리의 용량에 따라 그 비행 가능 시간이 결정되는데, 보통 10~20분의 비행 가능 시간을 갖는다.

그렇다고 배터리의 용량을 높이면 그 무게와 부피도 같이 증가하기 때문에 비행 성능과 비행 효율도 저하되므로 배터리의 용량을 무한정으로 높일 수도 없는 상황이다.

따라서 종래의 쿼드콥터는 비행 가능 시간이 짧으므로 그 활용범위가 극히 제한될 수밖에 없다. 이에 따라 배터리의 용량을 높이지 않고도 쿼드콥터의 비행 가능 시간을 극대화시킬 수 있는 기술에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 프로펠러와 함께 회전 운동하는 막대자석과 그 회전 반경 외측에 설치된 유도코일 간에 발생하는 전자기유도 현상을 통해 발생시킨 전기에너지로 배터리를 충전하여 비행 시간을 증대시킨 구조를 가진 자가발전형 쿼드콥터를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 유도코일이 프로펠러의 외측에 설치된 보호링에 권선되고 막대자석이 구동모터의 구동축에 프로펠러와 함께 설치되는 간단한 구조를 가진 자가발전형 쿼드콥터를 제공하는데도 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 막대자석의 동작 반경을 적절히 가변하여 전자기유도 현상에 따른 전기에너지의 세기가 용이하게 제어되는 구조를 가진 자가발전형 쿼드콥터를 제공하는데도 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는, 본체; 상기 본체의 전후 좌우에 각각 설치된 구동모터; 상기 구동모터의 구동축에 설치된 프로펠러; 상기 본체에 설치되어 구동모터의 구동 전원을 공급하는 배터리; 상기 본체와 상기 구동모터의 구동축에 설치되어 상기 프로펠러의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리의 충전 전원을 공급하는 에너지변환장치;로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 에너지변환장치는 상기 본체의 전후 좌우에 각각 상기 프로펠러를 내포하도록 원형으로 둘러 설치된 보호링; 상기 보호링에 권선된 유도코일; 상기 구동모터의 구동축에 고정 설치되어 상기 구동모터의 작동에 따라 프로펠러와 함께 회전 운동하면서 상기 유도코일의 주변 자기장을 변화시켜 상기 유도코일로 교류전류를 유도하는 회전자성체; 및 상기 유도코일과 배터리의 사이에 연결 설치되어 상기 유도코일에서 유도되는 교류전류를 직류전류로 정류하여 배터리의 충전 전원을 공급하는 정류기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 회전자성체는 양단이 서로 다른 극성을 띠며 상기 유도코일에서 유도되는 교류전류의 세기가 배터리의 충전 전원으로 사용 가능케 하는 회전 반경과 자력을 가진 막대자석으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 회전자성체는 상기 프로펠러와는 평면상에서 90°각도를 이루도록 설치됨을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는, 비행시 에너지변환장치를 통해 프로펠러의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환한 후 배터리를 계속 충전함에 따라 배터리의 전력이 일정한 수준으로 유지됨으로써 비행 시간이 더욱 증대되어 정찰 등의 업무 수행 능력을 크게 향상시킬 수 있고, 배터리로부터의 전원 공급이 원활함으로써 다양한 정찰장비 등의 장착이 가능하여 활용도를 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선도.

본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는 본체의 전후 좌우에 각각 설치되어 본체에 구비된 배터리의 전원으로 작동되는 구동모터의 구동축에 설치된 총 4개의 프로펠러가 구동모터의 작동에 의해 고속으로 회전 운동하면서 하방으로 작용하는 양력에 의해 비행하는 소형 비행체이다.

특히, 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는 배터리의 전체적인 용량을 높이지 않고 간단하게 결합되어 프로펠러의 회전 운동에 의해 발생하는 전자기유도 현상을 이용한 에너지변환장치를 통해 발생하는 전기에너지를 간단한 구조와 배터리의 1회 완충한 이후의 비행 가능 시간을 극대화시킨 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는 상기 에너지변환장치의 간단한 설치 구조를 통해 비행 가능 시간을 극대화시킨 것도 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터는 상기 에너지변환장치를 통해 발생하는 전기에너지의 세기를 자유롭게 조절하여 배터리의 충전을 안정적이게 한 것도 특징으로 한다.

이러한 특징들은 쿼드콥터의 비행시 고속으로 회전 운동하는 프로펠러의 운동에너지를 전자기유도현상을 통해 전기에너지로 변환하여 배터리의 충전 전원으로 공급하는 에너지변환장치가 구비된 구조에 의해 달성된다.

즉, 각 프로펠러의 회전반경을 따라 그 외측에 둥글게 설치된 보호링, 상기 보호링에 권선된 유도코일, 상기 프로펠러와 함께 구동모터의 구동축에 일체로 설치된 회전자성체, 상기 유도코일의 양단과 배터리의 입력단자 혹은 충전단자의 사이에 설치된 정류기를 포함하여 구성된 에너지변환장치에 의한 것이다.

따라서 쿼드콥터의 비행을 위해 각각의 구동모터의 작동에 의해 프로펠러가 고속으로 회전 운동할 때, 회전자성체가 프로펠러와 함께 회전하면서 유도코일의 주변 자기장을 변화시켜 교류전류를 발생시키고 상기 교류전류는 정류기에 의해 직류전류로 정류되면서 배터리의 충전 전원으로 공급되게 된다.

이에 따라 쿼드콥터의 비행시 구동모터의 작동에 따른 배터리의 방전과 에너지변환장치에 따른 배터리의 충전이 동시에 이루어지면서 배터리의 전력이 일정한 수준으로 유지됨에 따라 배터리의 전력에 의해 좌우되는 비행 가능 시간을 크게 증대시킬 수 있다.

그리고 회전자성체가 프로펠러와 구동모터의 사이에서 프로펠러와 함께 구동축에 설치되는 구조이므로 간단하게 구성할 수 있다. 또한, 회전자성체의 고속으로 회전 운동함은 물론이고 그 동작 반경을 보호링의 내경보다 작은 범위 내에서 적절히 가변 가능함에 따라 전자기유도 현상에 따른 전기에너지의 세기를 용이하게 제어할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자가발전형 쿼드콥터(100)는, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 크게 본체(10), 구동모터(20), 프로펠러(30), 배터리(40), 및 에너지변환장치(50)로 구성된다.

먼저, 상기 본체(10)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 쿼드콥터(100)의 전체적인 골조를 이루는 것으로, 이는 중앙에 위치하는 메인프레임(11)과, 상기 메인프레임(11)의 전후 좌우에 각각 고정 설치된 지지프레임(12)으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 지지프레임(12)의 단부에는 프로펠러(30)를 회전 운동시키는 구동모터(20)가 설치되고, 상기 메인프레임(11)에는 구동모터(20)로 구동 전원을 공급하는 배터리(40)가 설치된다.

도시하지 않았지만 메인프레임(11)의 하부에는 쿼드콥터(100)의 사용 목적에 따라 카메라 등과 같은 탐지장비가 설치되는 브래킷이 더 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 메인프레임(11) 또는 지지프레임(12)의 하부에는 본체(10)의 이착륙시 본체(10)가 지면으로의 이착륙이 안정되도록 안착수단이 더 설치될 수도 있다.

다음으로, 상기 구동모터(20)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본체(10)의 전후 좌우에 각각 배치되게 설치되고 배터리(40)의 충전 전원에 의해 작동되어, 상기 프로펠러(30)를 회전 운동시키는 역할을 하는 것이다.

이때 구동모터(20)는 본체(10)의 각 지지프레임(12)의 단부에 수직 설치되고, 구동모터(20)의 구동축(21)에는 상기 프로펠러(30)가 설치되는 것이 바람직하다.

도시하지 않았지만 구동모터(20)의 작동 제어를 위해 본체(10)의 메인프레임(11)에는 구동모터컨트롤러가 각각 설치되고, 구동모터컨트롤러를 무선컨트롤러를 통해 원격에서 제어 가능하도록 구동모터컨트롤러와 무선컨트롤러를 무선으로 연결하는 무선모듈이 설치되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 프로펠러(30)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(10)의 전후 좌우에 각각 회전 가능하게 배치되어 본체(10)의 하방으로 양력을 발생시켜 본체(10)를 비행시키는 역할을 한다.

즉, 프로펠러(30)는 총 4개로 구성되어 구동모터(20)의 구동축(21)에 설치되어 구동모터(20)의 작동에 의해 고속 회전 운동하면서 양력을 발생시켜 본체(10)의 비행을 가능하게 한다.

이때 프로펠러(30)의 크기는 작게 5㎝ 이하로 크게 20㎝ 이상으로 다양한 크기로 구성할 수 있고, 그 형태도 2개의 회전날개 또는 3개의 회전날개 또는 4개의 회전날개 또는 그 이상의 회전날개를 가진 형태로 구성할 수 있는데, 이러한 프로펠러(30)의 크기와 형태는 쿼드콥터(100)의 사용 목적에 맞도록 적절하게 선택하면 된다.

다음으로, 상기 배터리(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 본체(10)에 설치되어 프로펠러(30)를 회전 운동시키는 각 구동모터(20)의 접속단자와 연결되는 것으로, 이는 구동모터(20)에 구동 전원을 공급하여 프로펠러(30)를 고속 회전 운동시키는 역할을 한다.

여기서 배터리(40)는 구동모터(20)의 구동 전압에 대응되도록 일정 전압을 가진 복수 개의 배터리(40)로 구성되어 상호 직렬로 연결 설치되는 것이 바람직하지만, 구동모터(20)의 구동 전압과 동일한 한 개의 배터리(40)로 구성되어 단독 설치되는 것도 가능하다.

다음으로, 상기 에너지변환장치(50)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본체(10)와 구동모터(20)의 구동축(21)에 설치되어 프로펠러(30)의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리(40)를 자가 충전하는 역할을 한다.

즉, 에너지변환장치(50)는 각 프로펠러(30)의 회전 운동에 의해 자성체와 코일 사이에서 작용하는 전자기유도 현상에 의해 발생하는 교류전류를 이용하여 배터리(40)를 충전하는 것이다.

여기서 에너지변환장치(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 보호링(51), 유도코일(52), 회전자성체(53), 및 정류기(54)로 구성되는 것이 바람직한데, 이는 프로펠러(30)와 함께 회전 운동하는 회전자성체(53)의 고속 회전 운동을 통해 유도코일(52)의 주변 자기장을 변화시켜 교류전류를 유도 발생시키기 위한 것이다.

상기 보호링(51)은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본체(10)의 지지프레임(12)에 설치되되 프로펠러(30)의 외측에 그 회전반경을 따라 원형으로 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 보호링(51)은 프로펠러(30)의 회전 운동시 다른 물체와의 충돌을 방지하면서 그 외주면에 권선되는 유도코일(52)이 프로펠러(30)의 회전 반경을 따라 원형으로 형성되도록 한다.

상기 유도코일(52)은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 보호링(51)의 외주면을 따라 권선되고, 그 양단은 정류기(54)의 입력단자와 연결 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 유도코일(52)에서는 회전자성체(53)의 회전 운동에 의해 그 주변 자기장에 변화가 발생하면서 교류전류가 유도된다.

상기 회전자성체(53)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 프로펠러(30)와 함께 구동모터(20)의 구동축(21)에 고정 설치되어, 구동모터(20)의 작동에 따라 프로펠러(30)와 함께 고속 회전 운동하면서 유도코일(52)의 주변 자기장을 변화시켜 유도코일(52)에 교류전류를 유도하는 것이다.

여기서 회전자성체(53)는 양단이 서로 다른 극성을 가지면서 유도코일(52)에서 유도되는 교류전류의 세기가 배터리(40)의 충전 전원으로 사용 가능하도록 충분한 회전 반경과 자력을 가진 막대자석으로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 회전자성체(53)는 프로펠러(30)의 회전 운동할 때 회전 밸런스가 유지되도록 프로펠러(30)의 하측에 위치하면서 평면상에서 프로펠러(30)와는 90°간격을 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 회전자성체(53)는 그 동작 반경을 보호링(51)에 감긴 유도코일(52)과 접촉되지 않을 정도의 동작 반경 내에서 적절히 가변할 수 있는데, 이는 유도코일(52)로 유도되는 교류전류의 세기를 용이하게 제어하기 위함이다.

상기 정류기(54)는 도 2에 도시된 바와 같이 본체(10)에 설치되어 각 유도코일(52)에서 유도된 교류전류를 직류전류로 정류하여 배터리(40)의 충전 전원을 제공하는 역할을 한다.

이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 정류기(54)의 입력단자는 각 유도코일(52)의 양단에 연결되고 정류기(54)의 출력단자는 배터리(40)의 충전단자 혹은 입력단자에 연결되는 것이 바람직하다.

따라서 회전자성체(53)의 회전 선속도와 동작 반경, 그리고 보호링(51)에 감긴 유도코일(52)의 권선수가 큼에 따라 쿼드콥터(100)의 비행시 프로펠러(30)의 회전운동에너지에서 변환된 전기에너지가 배터리(40)의 충전 전원으로 충분히 사용 가능함으로써 배터리(40)의 충전 전압에 의해 좌우되는 쿼드콥터(100)의 비행 가능 시간을 크게 증대시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 자가발전형 쿼드콥터(100)는 비행 중 구동모터(20)의 작동에 따라 배터리(40)가 방전되더라도 에너지변환장치(50)의 작용에 의해 프로펠러(30)의 회전운동에너지로부터 변환된 전기에너지로 배터리(40)를 계속해서 충전함에 따라 배터리(40)의 전력이 일정한 수준으로 유지되면서 비행 시간을 크게 증대시킬 수 있다.

이에 따라 쿼드콥터(100)의 장시간 비행을 가능하게 하여 정찰 등의 업무 수행 능력을 더욱 향상시킬 수 있고 배터리(40)로부터의 전원 공급이 원활하게 되어 다양한 탐지장비을 장착하여 활용도를 크게 높일 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예 뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

10: 본체 11: 메인프레임
12: 지지프레임
20: 구동모터 21: 구동축
30: 프로펠러
40: 배터리
50: 에너지변환장치 51: 보호링
52: 유도코일 53: 회전자성체
54: 정류기
100: 쿼드콥터

Claims (4)

1. 본체(10);
   상기 본체(10)의 전후 좌우에 각각 설치된 구동모터(20);
   상기 구동모터(20)의 구동축(21)에 설치된 프로펠러(30);
   상기 본체(10)에 설치되어 구동모터(20)의 구동 전원을 공급하는 배터리(40);
   상기 본체(10)와 상기 구동모터(20)의 구동축(21)에 설치되어 상기 프로펠러(30)의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리(40)의 충전 전원을 공급하는 에너지변환장치(50);로 구성되고,
   상기 에너지변환장치(50)는,
   상기 본체(10)의 전후 좌우에 각각 상기 프로펠러(30)를 내포하도록 원형으로 둘러 설치된 보호링(51);
   상기 보호링(51)에 권선된 유도코일(52);
   상기 구동모터(20)의 구동축(21)에 고정 설치되어 상기 구동모터(20)의 작동에 따라 프로펠러(30)와 함께 회전 운동하면서 상기 유도코일(52)의 주변 자기장을 변화시켜 상기 유도코일(52)로 교류전류를 유도하는 회전자성체(53); 및
   상기 유도코일(52)과 배터리(40)의 사이에 연결 설치되어 상기 유도코일(52)에서 유도되는 교류전류를 직류전류로 정류하여 배터리(40)의 충전 전원을 공급하도록 입력단자는 각 유도코일(52)의 양단에 연결되고 출력단자는 배터리(40)의 충전단자 혹은 입력단자에 연결되는 정류기(54);를 포함하여 구성되어,
   상기 에너지변환장치(50)의 작용에 의해 프로펠러(30)의 회전운동에너지로부터 변환된 전기에너지로 배터리(40)를 계속해서 충전함에 따라 배터리(40)의 전력이 일정한 수준으로 유지되면서 비행 시간을 증대시킬 수 있게 됨을 특징으로 하는 자가발전형 쿼드콥터.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전자성체(53)는,
   양단이 서로 다른 극성을 띠고 상기 유도코일(52)에서 유도되는 교류전류의 세기가 배터리(40)의 충전 전원으로 사용 가능케 하는 회전 반경과 자력을 가진 막대자석으로 구성됨을 특징으로 하는 자가발전형 쿼드콥터.
   
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 회전자성체(53)는,
   상기 프로펠러(30)와는 평면상에서 90°각도를 이루도록 설치됨을 특징으로 하는 자가발전형 쿼드콥터.
   

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