KR101692022B1 - 차량 타이어휠용 자가 발전 장치 - Google Patents

차량 타이어휠용 자가 발전 장치 Download PDF

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Abstract

차량의 휠에 부착되어 차량의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 자가 발전 장치로써 내구성이 좋으며 모든 속도 대역에서 발전이 가능한 광대역, 고효율의 자가 발전 장치가 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치는 차량 휠의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 하우징, 영구자석, 코일, 에너지 저장부를 포함한다. 하우징은 원통 곡선형으로 형성되어 차량의 휠에 원주방향을 따라 배치된다. 영구자석은 하우징의 내부에 마련된다. 코일은 하우징의 양단 사이에서 진자 운동하도록 하우징의 외면에 이격되게 권취된다. 에너지 저장부는 코일에 전기적으로 연결되어 코일로부터 에너지를 받아 저장한다.

Description

차량 타이어휠용 자가 발전 장치{Energy harvester for vehicle tire wheel}
본 발명은 차량 타이어휠용 자가 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 휠에 부착되어 차량 휠의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 자가 발전 장치에 관한 것이다.
근래에 자동차의 안전과 관련한 시장이 급격하게 성장하고 있다. 특히나 타이어 정보 기반 안전제어 시스템이 급속하게 발전하고 있다.
미국은 2007년부터 출시되는 모든 차량에 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS, Tire Pressure Monitoring System)의 설치를 의무화하였으며, 유럽도 2012년부터 이를 의무화하였다. TPMS는 타이어 내 적정한 공기압을 유지하여 연비를 높이고 불필요한 타이어 마모를 줄일 수 있도록 한다. 이러한 TPMS에서 시작한 타이어 정보 기반 안전제어 시스템은 TMS(Tire Mounted Sensor System)을 지나 스마트 타이어 모니터링 시스템(Smart Tire System)으로 발전해나가고 있다.
스마트 타이어 모니터링 시스템은 압력, 온도, 가속도 센서의 신호를 무선통신으로 송수신하여 연비를 높이고, 자동차를 제어함으로써 승객의 안전을 지켜줄 수 있는 차세대 핵심 기술로 주목을 받고 있다. 그런데 많은 정보량을 통신하기 위해서는 많은 에너지가 필요하므로, 자동차의 바퀴 주위에 버려지는 에너지를 수집하여 이를 타이어 정보 기반 안전제어 시스템의 전력원으로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 주로 타이어의 변형 에너지나 바퀴의 회전 운동 에너지 등을 압전 효과(Piezoelectricity)나 전자기 유도(Electromagnetism) 등을 이용하여 전기 에너지로 변환하는 연구가 이루어지고 있다.
이 중 압전 효과를 이용한 소형 발전 장치는 압전 재료의 변형을 전기로 변환하는데 압전 재료가 반복적으로 장시간 노출될 경우 재료의 피로 파괴 문제가 일어날 수 있다.
이에 반해 전자기 유도 현상을 이용한 발전 장치는 재료의 변형을 필요로 하지 않으며 타이어 내 고온 및 고압 환경에서도 안정적인 발전이 가능한 장점이 있으나 구조가 복잡하고 특정 속도 구간에서만 발전이 되므로 에너지 변환 효율이 낮고 발전되는 전력량이 많지 않다는 단점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2013-0056415(2013. 05. 30.)
본 발명은 차량의 휠에 부착되어 차량의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 자가 발전 장치로써 내구성이 좋으며 모든 속도 대역에서 발전이 가능한 광대역, 고효율의 자가 발전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치는 차량 휠의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 하우징, 영구자석, 코일, 에너지 저장부를 포함한다. 하우징은 원통 곡선형으로 형성되어 차량의 휠에 원주방향을 따라 배치된다. 영구자석은 하우징의 내부에 마련된다. 코일은 하우징의 양단 사이에서 진자 운동하도록 하우징의 외면에 이격되게 권취된다. 에너지 저장부는 코일에 전기적으로 연결되어 코일로부터 에너지를 받아 저장한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 하우징은 휠 중심에서 배치 위치까지의 거리의 반인 곡률 반경을 갖을 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 차량 타이어휠용 자가 발전 장치는 하우징의 양단에 각각 설치되어 코일의 충격력을 흡수하는 한 쌍의 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 하우징의 곡률반경과 코일의 곡률반경이 같도록 코일이 권취될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 에너지 저장부는 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자가 발전 장치는 내구성이 좋다.
또한 본 발명에 따른 자가 발전 장치를 이용하면 넓은 속도범위에서 발전이 이루어지므로 에너지 변환 효율이 좋고, 발전되는 전력량이 클 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치가 차량의 휠에 원주방향을 따라 배치된 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치에서 하우징의 곡률반경과 휠 중심에서 배치 위치까지의 거리와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량 타이어휠용 자가 발전 장치의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치의 확대도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 후술하는 실시 예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 구성요소들의 형상이나 크기 등은 실제보다 과장될 수 있다. 그리고 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그 공지 기술에 대한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치가 차량의 휠에 원주방향을 따라 배치된 것을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치에서 하우징의 곡률반경과 휠 중심에서 배치 위치까지의 거리와의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 차량 타이어휠용 자가 발전 장치의 확대도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 차량 타이어휠용 자가 발전 장치(100)는 차량 휠(W)의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 하우징(110), 영구자석(120), 코일(130), 에너지 저장부(140)를 포함한다.
하우징(110)은 원통 곡선형으로 형성되어 차량의 휠(W)에 원주방향을 따라 배치된다. 하우징(110)은 도시된 것처럼 휠(W)의 외주면에 배치될 수도 있고, 휠(W)의 프레임에 배치될 수도 있다.
하우징(110)은 전기가 통하지 않고, 자석에 붙지 않는 플라스틱, 유리, 알루미늄 등으로 제작하는 것이 바람직하다. 하우징(110)의 양 끝단은 그 직경이 중앙부의 직경보다 크도록 반지름 방향으로 연장 형성될 수 있다. 이 경우 외주면에 권취되는 코일(130)이 그 양단 사이에서 안정적으로 진자 운동할 수 있다.
영구자석(120)은 하우징(110)의 내부에 마련된다. 영구자석(120)은 막대형상으로 이루어질 수 있다. 영구자석(120)은 자계를 발생시켜 하우징(110)의 외부에 권취된 코일(130)이 휠(W)의 진동에 의해 좌우로 움직일 때 전자기 유도 현상에 의하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 하우징(110) 내부에 고정되게 설치될 수 있다.
코일(130)은 하우징(110)의 양단 사이에서 진자 운동하도록 하우징(110)의 외면에 이격되게 권취된다. 코일(130)이 하우징(110)의 외면에서 좌우로 잘 움직이도록 그 곡률반경을 하우징의 곡률반경과 같게 형성할 수 있다.
에너지 저장부(140)는 코일(130)에 전기적으로 연결되어 코일(130)로부터 에너지를 받아 저장한다. 에너지 저장부(140)는 코일(130)의 양단에 직접 연결될 수 있다. 그리고 에너지 저장부(140)는 코일(130)에서 발생된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다. 또한 에너지 저장부(140)는 전기에너지를 저장할 수 있는 소자로서, 충전기(rechargeable battery) 또는 커패시터(capacitor) 등을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 이루어진 차량 타이어휠용 자가 발전 장치의 동작에 대해 설명하기로 한다. 차량 휠(W)이 진동하여 하우징(110)의 외면에 권취된 코일(130)이 좌우로 움직이게 되면, 하우징(110) 내부의 영구자석(120)에 의해 형성된 자계가 변하여 코일(130)에 전류가 흐르게 된다. 코일(130)에서 발생한 전기는 충전기나 커패시터를 구비한 에너지 저장부(140)에 의해 저장되었다가 필요 시 차량의 타이어 정보 기반 안전제어 시스템에 공급될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 것처럼, 하우징(110)은 차량의 휠(W) 중심에서 배치 위치까지의 거리의 반인 곡률 반경을 갖을 수 있다. 즉, 하우징의 곡률 반경을 L이라 하고, 차량의 휠 중심에서 하우징의 배치 위치까지의 거리를 R이라고 할 경우, L=1/2R이 될 수 있다. 하우징(110)이 이와 같은 곡률 반경을 갖는 경우, 휠(W)의 각속도와 하우징(110)의 외면에 권취되어 진자 역할을 하는 코일(130)의 주파수는 항상 일치하게 된다. 즉, 휠(W)이 어느 속도로 회전하든 코일(130)의 주파수가 휠(W)의 각속도와 일치하므로, 코일(130)은 공진하게 된다. 따라서, 차량 타이어휠용 자가 발전 장치는 작은 사이즈로도 큰 에너지를 수확할 수 있게 된다. 또한, 특정 속도가 아닌 넓은 속도범위에서 발전이 이루어지므로 에너지 변환 효율이 좋게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치(200)의 확대도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 타이어휠용 자가 발전 장치(300)의 확대도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 하우징(210, 310)의 양단에는 코일(230, 330)의 충격력을 흡수하는 한 쌍의 탄성부재(250, 350)가 각각 설치될 수 있다. 탄성부재(250, 350)는 코일 스프링(250)일 수도 있고 댐퍼(350)일 수도 있다. 하우징(210, 310)의 양단에서 진자와 같은 왕복운동을 하는 코일(230, 330)의 주파수와 자동차 휠(W)의 각속도가 항상 일치하기 때문에 코일(230, 330)은 공진하게 된다. 따라서 코일(230, 330)이 하우징(210, 310)의 양단에 가하는 충격량은 커지게 된다. 코일 스프링(250)이나 댐퍼(350)와 같은 탄성부재가 이러한 충격량을 흡수하여 코일(230, 330)과 하우징(210, 310)이 충격에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 차량 타이어휠용 자가 발전 장치(200, 300)의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
W: 차량의 휠
100, 200, 300: 차량 타이어휠용 자가 발전 장치
110, 210, 310: 하우징
120, 220, 320: 영구자석
130, 230, 330: 코일
140, 240, 340: 에너지 저장부
250: 코일 스프링
350: 댐퍼

Claims (5)

  1. 차량 휠의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치에 있어서,
    차량의 휠에 원주방향을 따라 배치된 원통 곡선형의 하우징;
    상기 하우징의 내부에 고정되게 설치된 영구자석;
    상기 하우징의 양단 사이에서 진자 운동하도록 상기 하우징의 외면에 이격되게 권취된 코일; 및
    상기 코일에 전기적으로 연결되어 상기 코일로부터 에너지를 받아 저장하는 에너지 저장부;
    를 포함하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 곡률반경과 코일의 곡률반경이 같도록 코일이 권취된 것을 특징으로 하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은 휠 중심에서 배치 위치까지의 거리의 반인 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징의 양단에 각각 설치되어 상기 코일의 충격력을 흡수하는 한 쌍의 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 타이어휠용 자가 발전 장치
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