KR101448467B1 - 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기 - Google Patents

노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기 Download PDF

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김진호
신두범
최지현
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Abstract

본 발명은 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기에 관한 것으로서, 특히, 본 발명의 공진형 선형 발전기는 차량 현가장치의 댐퍼, 댐퍼에 설치되어, 차량의 운행시 상하로 진동하며, 복수의 링(Ring)형 영구자석이 일정 간격을 두고 배치된 슬라이더부, 슬라이더부의 상측 및 하측에 설치되는 공진 스프링, 슬라이더부 외주면을 에워싸는 원통형상으로 차량에 고정 설치되어, 차량의 운행시 상하로 진동하는 복수의 링형 영구자석과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성하는 코일 유닛, 및 차량의 운행시, 차량의 진동이 완화되도록 상기 댐퍼에 설치되는 서스펜션(Suspension) 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 다양한 진동 주파수에 대응하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.

Description

노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기{Resonance linear gengrator using vibration of a road surface}
본 발명은 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차가 도로 주행할 때 발생하는 진동에 의해 현가장치의 쇽업소버(Shock Absorber)가 상하로 움직이는 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차 산업에서는 전기 자동차와 같은 친환경 자동차가 큰 줄기를 담당하고 있으며, 연소 엔진의 보조 역할만 수행하던 단계에서 벗어나 석유나 가스 자동차와 동등한 동력을 제공하는 수준까지 발전하고 있으며, 이에 따라 관련기술도 발전하고 있다. 이러한 전기 자동차에서의 핵심부품은 배터리, 전기 모터, 발전기, 보조 발전기 등이 있으며, 발전 방식에 따라 각 부품들의 크기와 설치되는 장소가 다양한다.
주행할 때, 차량에는 외부로부터 다양한 외력과 에너지가 가해진다. 특히, 노면에서 전달되는 다양한 주파수의 진동력은 차량 현가장치의 스프링과 댐퍼에 의해 감쇠되어 승객에게 전달되는데, 이러한 과정에서 소산되거나 제거되는 에너지를 이용하여 보조 발전기를 구동시키는 방식이 기존에 널리 사용되고 있다.
기존의 방식 중에 대한민국 등록특허공보 10-1238278호에는 타이어와 차체 사이를 연결하는 현가장치에 선형 발전기를 병렬로 장착하여 댐퍼에서 소모되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 구성이 개시되어 있다. 이러한 기존의 선형 발전기는 노면의 다양한 상황에 따라 입력되는 다수의 고유 진동수를 모두 활용할 수 없다.
다시 말해서, 노면 상태가 일정하지 않기 때문에 하나의 고유 진동수에 고정된 선형 발전기는 보다 작은 고유 진동수가 입력되는 경우, 제대로 동작하기 않게 되어 발전 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 다양한 크기의 고유 진동수를 모두 활용할 수 있는 선형 발전기의 필요성이 대두되고 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 10-1238278호(2013년02월22일) 2. 대한민국 등록특허공보 10-0471762호(2005년02월03일) 3. 대한민국 등록특허공보 10-0968877호(2010년07월01일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 차량의 운행시 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하면서, 다양한 크기의 고유 진동수를 모두 활용할 수 있는 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기를 제공 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기는 차량 현가장치의 댐퍼; 상기 댐퍼에 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하며, 복수의 링(Ring)형 영구자석이 일정 간격을 두고 배치된 슬라이더부; 상기 슬라이더부의 상측 및 하측에 설치되는 공진 스프링; 상기 슬라이더부 외주면을 에워싸는 원통형상으로 상기 차량에 고정 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하는 상기 복수의 링형 영구자석과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성하는 코일 유닛; 및 상기 차량의 운행시, 상기 차량의 진동이 완화되도록 상기 댐퍼에 설치되는 서스펜션(Suspension) 스프링;을 포함한다.
상기 슬라이더부는, 동일 극성이 마주 하도록 배치된 상기 복수의 링형 영구자석 사이에 자장을 통과시키는 금속 코어가 설치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 코일 유닛은, 상기 복수의 링형 영구자석과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류가 생성되는 복수의 링형 코일; 및 상기 복수의 링형 코일을 지지하도록 상기 차량에 고정설치되는 코일요크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기는 차량 현가장치의 댐퍼; 상기 댐퍼에 일정 간격으로 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하며, 복수의 링(Ring)형 영구자석이 일정 간격을 두고 배치되어 구성된 복수의 슬라이더부; 상기 복수의 슬라이더부 사이에 설치되는 복수의 공진 스프링; 상기 복수의 슬라이더부 외주면을 에워싸는 원통형상으로 상기 차량에 고정 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하는 상기 복수의 슬라이더부와의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성하는 복수의 코일 유닛; 및 상기 복수의 코일 유닛을 에워싸는 크기로 형성되어 상기 차량의 상하 운동을 지지하는 서스펜션(Suspension) 스프링;을 포함한다.
상기 복수의 슬라이더부는, 서로 다른 질량을 갖도록 형성되어, 상기 차량의 운행시 서로 다른 진동 주파수에 따라 상하로 진동하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 슬라이더부는, 동일 극성이 마주 하도록 배치된 상기 복수의 링형 영구자석 사이에 자장을 통과시키는 금속 코어가 설치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 코일 유닛은, 상기 복수의 링형 영구자석과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류가 생성되는 복수의 링형 코일; 및 상기 복수의 링형 코일을 지지하도록 상기 차량에 고정설치되는 코일요크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
차량 현가장치의 댐퍼에 설치하여 더욱 효율적인 발전을 할 수 있으며, 공진형 선형 발전기가 또 하나의 보조적인 현가장치로 작동하여 차량 운행시 진동을 추가적으로 감쇠할 수 있는 효과가 있다.
또한, 슬라이더부의 질량과 스프링 상수를 다르게 설계하여, 다양한 노면의 진동 주파수에 대응하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으므로 발전기의 효율이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 사시도, 그리고
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 공진형 선형 발전기(100)는 댐퍼(110), 슬라이더부(120), 공진 스프링(130), 코일 유닛(140), 서스펜션(Suspension) 스프링(150), 제1받침대(160), 제2받침대(165), 및 지지대(161)를 포함한다.
댐퍼(110)는 차량 현가장치의 구성요소로, 노면에 의해 발생된 서스펜션 스프링(150)의 진동을 흡수하여 상하 운동이 계속되지 않게 서스펜션 스프링(150)의 움직임을 멈추는 작용을 한다.
슬라이더부(120)는 댐퍼(110)에 설치되어, 차량 운행시 댐퍼(110)의 진동 운동과는 별도로 상하 진동하게 되는데, 후술되는 공진 스프링(130)에 의한 공진 운동이 더 수반된다. 또한, 슬라이더부(120)는 복수의 링(Ring)형 영구자석(122)이 일정 간격을 두고 배치되어 구성되며, 복수의 링형 영구자석(122)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각 동일 극성이 서로 마주 하도록 배치된다.
그리고, 복수의 링형 영구자석(122) 사이에는 자장을 통과시키는 복수의 금속 코어(121)가 설치되어 복수의 링형 영구자석(122) 사이를 지지한다. 즉, 동일 극성이 마주 하도록 배치된 복수의 링형 영구자석(122)이 서로 밀어내는 힘을 금속 코어(121)가 상쇄시켜 슬라이더부(120)가 결합된 형상을 유지하도록 복수의 링형 영구자석(122) 사이 사이에 설치된다.
공진 스프링(130)은 슬라이더부(120)의 상측 및 하측에 설치되어, 슬라이더부(120)가 상하로 진동할 때의 충격을 완화시키면서, 슬라이더부(120)가 공진 운동을 수행하도록 한다. 여기서, 진동 주파수 'w'는 공진 스프링(130)의 스프링 상수 'k'와 슬라이더부(120)의 질량 'm' 사이에 아래 [수학식 1]과 같은 관계가 형성된다.
Figure 112013091556712-pat00001
지금까지의 일련의 관련 연구를 통해 알려진 평균 노면 진동 주파수는 4Hz이며, 공진 스프링(130)의 스프링 상수 'k'와 슬라이더부(120)의 질량 'm' 값을 조절하여 다양한 공진형 선형 발전기(100)를 설계할 수 있다. 즉, 노면의 진동 주파수인 4Hz와 일치되는 진동 주파수를 갖도록 슬라이더부(120) 및 공진 스프링(130)을 설계하여, 슬라이더부(120)가 공진 운동을 수행하도록 한다.
코일 유닛(140)은 슬라이더부(120)의 외주면을 에워싸는 원통형상으로 차량에 고정 설치된다. 이러한 코일 유닛(140)은 차량 운행시 상하로 진동하는 복수의 링형 영구자석(122)과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 코일 유닛(140)은 복수의 링형 코일(141) 및 코일요크(142)를 포함한다.
복수의 링형 코일(141)에는 복수의 링형 영구자석(122)과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류가 생성된다. 복수의 링형 코일(141)에서 생성된 유도전류는 배터리(미도시)에 충전된다.
코일요크(142)는 복수의 링형 코일(141)을 지지하도록 형성되며, 제1받침대(160) 및 지지대(161)에 의해 차량에 고정 설치된다.
서스펜션 스프링(150)은 코일 유닛(140)을 에워싸는 크기로 형성되어, 댐퍼(110)에 설치되어 차량의 상하 운동을 지지한다. 즉, 서스펜션 스프링(150)은 제1받침대(160) 및 제2받침대(165) 사이에 설치되어 차량의 운행시 차량의 진동이 완화되도록 노면으로부터의 충격을 흡수한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 선형 발전기를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 공진형 선형 발전기(200)는 댐퍼(210), 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3), 복수의 공진 스프링(230-1,230-2,230-3), 복수의 코일 유닛(240-1,240-2,240-3), 서스펜션(Suspension) 스프링(250), 제1받침대(260), 제2받침대(265), 및 지지대(261)를 포함한다.
댐퍼(210)는 차량 현가장치의 구성요소로, 노면에 의해 발생된 서스펜션 스프링(250)의 진동을 흡수하여 상하 운동이 계속되지 않게 서스펜션 스프링(250)의 움직임을 멈추는 작용을 한다.
복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)는 댐퍼(210)에 설치되어, 차량 운행시 댐퍼(210)의 진동 운동과는 별도로 상하 진동하게 되는데, 후술되는 복수의 공진 스프링(230-1,230-2,230-3)에 의한 공진 운동이 더 수반된다. 또한, 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)는 각각 복수의 링(Ring)형 영구자석(222)이 일정 간격을 두고 배치되어 구성되며, 복수의 링형 영구자석(222)은 각각 동일 극성이 서로 마주 하도록 배치된다.
그리고, 복수의 링형 영구자석(222) 사이에는 자장을 통과시키는 복수의 금속 코어(221)가 설치되어 복수의 링형 영구자석(222) 사이를 지지한다. 즉, 동일 극성이 마주 하도록 배치된 복수의 링형 영구자석(222)이 서로 밀어내는 힘을 금속 코어(221)가 상쇄시켜 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)가 결합된 형상을 유지하도록 복수의 링형 영구자석(222) 사이 사이에 설치된다.
복수의 공진 스프링(230-1,230-2,230-3)은 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3) 사이에 설치되어, 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)가 상하로 진동할 때의 충격을 완화시키면서, 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)가 공진 운동을 수행하도록 한다. 여기서, 진동 주파수 'w'는 공진 스프링(230-1,230-2,230-3)의 스프링 상수 'k'와 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)의 질량 'm' 사이에 상기 [수학식 1]과 같은 관계가 형성된다.
복수의 공진 스프링(230-1,230-2,230-3)의 스프링 상수 'k'와 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)의 질량 'm'값을 조절하여 다양한 공진형 선형 발전기(200)를 설계할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 복수의 공진 스프링(230-1,230-2,230-3)의 스프링 상수 'k'를 동일한 값으로 설정하고, 제1슬라이더부(220-1), 제2슬라이더부(220-2), 및 제3슬라이더부(220-3)의 질량 'm'을 각각 다르게 설계한다.
따라서, 제1슬라이더부(220-1), 제2슬라이더부(220-2), 및 제3슬라이더부(220-3)의 진동 주파수 'w'가 서로 다른 값으로 설정되어, 각각의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)가 노면의 다양한 진동 주파수에 대응하여 공진 운동하게 된다.
복수의 코일 유닛(240-1,240-2,240-3)은 복수의 슬라이더부(220-1,220-2,220-3)의 외주면을 각각 에워싸는 원통형상으로 차량에 고정 설치된다. 이러한 복수의 코일 유닛(240-1,240-2,240-3)은 차량 운행시 상하로 진동하는 복수의 링형 영구자석(222)과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 코일 유닛(240-1,240-2,240-3)은 복수의 링형 코일(241) 및 코일요크(242)를 포함한다.
복수의 링형 코일(241)에는 복수의 링형 영구자석(222)과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류가 생성된다. 복수의 링형 코일(241)에서 생성된 유도전류는 배터리(미도시)에 충전된다.
코일요크(242)는 복수의 링형 코일(241)을 지지하도록 형성되며, 제1받침대(260) 및 지지대(261)에 의해 차량에 고정 설치된다.
서스펜션 스프링(250)은 복수의 코일 유닛(240-1,240-2,240-3)을 에워싸는 크기로 형성되어, 댐퍼(210)에 설치되어 차량의 상하 운동을 지지한다. 즉, 제1받침대(260) 및 제2받침대(265) 사이에 설치되어 차량의 운행시 차량의 진동이 완화되도록 노면으로부터의 충격을 흡수한다.
이상과 같은 공진형 선형 발전기(100,200)의 구성에 의해, 다양한 노면 진동 주파수에 대응하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있게 된다.
이상 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200 : 공진형 선형 발전기 110, 210 : 댐퍼
120, 220-1, 220-2, 220-3 : 슬라이더부
121, 221 : 금속 코어 122, 222 : 영구자석
130, 230-1, 230-2, 230-3, 230-4 : 공진 스프링
140, 240-1, 240-2, 240-3 : 코일 유닛
141, 241 : 링형 코일 142, 242 : 코일요크
150, 250 : 서스펜션 스프링 160, 260 : 제1받침대
165, 265 : 제2받침대 161, 261 : 지지대

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 차량 현가장치의 댐퍼;
    상기 댐퍼에 일정 간격으로 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하며, 복수의 링(Ring)형 영구자석이 일정 간격을 두고 배치되어 구성된 복수의 슬라이더부;
    상기 복수의 슬라이더부 사이에 설치되는 복수의 공진 스프링;
    상기 복수의 슬라이더부 외주면을 에워싸는 원통형상으로 상기 차량에 고정 설치되어, 상기 차량의 운행시 상하로 진동하는 상기 복수의 슬라이더부와의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류를 생성하는 복수의 코일 유닛; 및
    상기 복수의 코일 유닛을 에워싸는 크기로 형성되어 상기 차량의 상하 운동을 지지하는 서스펜션(Suspension) 스프링;으로 구성하되,
    상기 복수의 슬라이더부는,
    서로 다른 질량을 갖도록 형성되어, 상기 차량의 운행시 서로 다른 진동 주파수에 따라 상하로 진동하는 것을 특징으로 하는 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 코일 유닛은,
    상기 복수의 링형 영구자석과의 사이에 형성되는 자력에 의해 유도전류가 생성되는 복수의 링형 코일; 및
    상기 복수의 링형 코일을 지지하도록 상기 차량에 고정설치되는 코일요크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기.
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