KR101740690B1 - 차량 타이어용 자가 발전 장치 - Google Patents

차량 타이어용 자가 발전 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101740690B1
KR101740690B1 KR1020150134045A KR20150134045A KR101740690B1 KR 101740690 B1 KR101740690 B1 KR 101740690B1 KR 1020150134045 A KR1020150134045 A KR 1020150134045A KR 20150134045 A KR20150134045 A KR 20150134045A KR 101740690 B1 KR101740690 B1 KR 101740690B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
permanent magnet
coil
piezoelectric element
energy
tire
Prior art date
Application number
KR1020150134045A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170035220A (ko
Inventor
김영철
이한민
서종호
이동현
선경호
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020150134045A priority Critical patent/KR101740690B1/ko
Publication of KR20170035220A publication Critical patent/KR20170035220A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101740690B1 publication Critical patent/KR101740690B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/001—Devices for manually or automatically controlling or distributing tyre pressure whilst the vehicle is moving
    • B60C23/002—Devices for manually or automatically controlling or distributing tyre pressure whilst the vehicle is moving by monitoring conditions other than tyre pressure or deformation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • B60C23/041—Means for supplying power to the signal- transmitting means on the wheel
    • B60C23/0411—Piezoelectric generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/20—Devices for measuring or signalling tyre temperature only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

차량의 타이어에 부착되어 차량의 진동에너지와 충격 및 변형에너지를 전기에너지로 변환하는, 구조가 간단하고 효율이 좋은 차량 타이어용 자가 발전 장치가 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치는 영구자석, 코일, 한 쌍의 스프링, 압전소자, 에너지 저장부를 포함한다. 코일은 영구자석의 외측에 영구자석과 이격하여 권취된다. 한 쌍의 스프링은 영구자석의 상부와 하부에 연결되어 영구자석에 탄성복원력을 제공한다. 압전소자는 영구자석과 스프링 사이에 결합된다. 에너지 저장부는 코일 및 압전소자에 전기적으로 연결되어 코일 및 압전소자에서 발생한 에너지를 저장한다.

Description

차량 타이어용 자가 발전 장치{Energy harvester for vehicle tire}
본 발명은 차량 타이어용 자가 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 타이어에 부착되어 차량 타이어의 진동에너지와 충격 및 변형에너지를 전기에너지로 변환하는 차량 타이어용 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.
그런데 이러한 종래의 차량용 자가 발전 장치는 구조가 복잡하며 한 가지의 에너지만을 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있도록 되어있어 효율성이 떨어진다는 문제가 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2012-0126006호(2012. 11. 20.)
본 발명은 차량의 타이어에 부착되어 차량의 진동에너지와 충격 및 변형에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 자가 발전장치로써, 구조가 간단하고 효율이 좋은 자가 발전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치는 영구자석, 코일, 한 쌍의 스프링, 압전소자, 에너지 저장부를 포함한다. 코일은 영구자석의 외측에 영구자석과 이격하여 권취된다. 한 쌍의 스프링은 영구자석의 상부와 하부에 연결되어 영구자석에 탄성복원력을 제공한다. 압전소자는 영구자석과 스프링 사이에 결합된다. 에너지 저장부는 코일 및 압전소자에 전기적으로 연결되어 코일 및 압전소자에서 발생한 에너지를 저장한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 에너지 저장부는 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 차량 타이어용 자가 발전 장치는 영구자석과 나란하게 영구자석의 좌우에 배치되어 영구자석에 척력을 제공하는 한 쌍의 외부자석을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치는 구조가 간단하면서도 차량의 타이어에 부착되어 차량의 진동에너지와 충격 및 변형에너지를 전기에너지로 변환할 수 있으므로 효율이 좋다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치가 차량의 타이어 내부에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치가 차량의 타이어 내부에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 3은 비선형 진동의 출력파워와 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 스프링의 탄성복원력과 외부 자석의 척력이 결합된 총복원력과 변위의 관계를 나타낸 그래프이다.
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 타이어용 자가 발전 장치가 차량의 타이어 내부에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 차량 타이어용 자가 발전 장치(100)는 영구자석(110), 코일(120), 한 쌍의 스프링(130), 압전소자(140), 에너지 저장부(150)를 포함한다. 차량 타이어용 자가 발전 장치(100)는 차량의 타이어 내부에 부착되어 차량 타이어의 진동에너지와 충격 및 변형에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
영구자석(110)은 막대형상으로 이루어질 수 있다. 영구자석(110)은 자계를 형성하고 영구자석(110)의 외부에 권취된 코일(120)에 대해 상대 운동하면서 전자기 유도 현상에 의하여 코일(120)에 전기가 발생되도록 한다. 도 1에서 도시된 영구자석(110)은 N극이 위를, S극이 아래를 향하도록 배치되었으나 반대의 경우도 무방하다.
코일(120)은 영구자석(110)의 외측에 영구자석(110)과 이격하여 권취된다. 영구자석(110)이 코일(120)에 대해 상하로 움직임에 따라 코일(120)에 유도 전류가 흐르게 된다. 코일(120)이 영구자석(110)과 이격되어 권취된 상태로 고정될 수 있도록, 영구자석(110)과 코일(120) 사이에는 영구자석(110)을 둘러싼 원통형의 부재(미도시)가 설치될 수 있다.
한 쌍의 스프링(130)은 영구자석(110)의 상부와 하부에 연결되어 영구자석(110)에 탄성복원력을 제공한다. 스프링(130)은 코일(120) 스프링(130)일 수 있다. 한 쌍의 스프링(130)이 영구자석(110)에 탄성복원력을 제공하므로 영구자석(110)은 상하로 왕복운동을 할 수 있다.
압전소자(140)는 영구자석(110)과 스프링(130) 사이에 결합된다. 압전소자(140)는 기계적 응력을 걸면 전압이 발생하는 수정이나 압전 세라믹스를 사용한 소자로서 압력을 가하면 전압이 변화하게 된다.
에너지 저장부(150)는 코일(120) 및 압전소자(140)에 전기적으로 연결되어 코일(120) 및 압전소자(140)에서 발생한 에너지를 저장한다. 에너지 저장부(150)는 코일(120) 및 압전소자(140)의 양단에 전기적으로 직접 연결될 수 있다. 에너지 저장부(150)는 코일(120)에서 발생된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다. 또한 에너지 저장부(150)는 전기에너지를 저장할 수 있는 소자로서, 배터리(battery)나 커패시터(capacitor) 등을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 이루어진 차량 타이어용 자가 발전 장치(100)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
차량의 타이어에 진동이나 충격이 가해지면 차량의 타이어 내부에 부착된 차량 타이어용 자가 발전 장치(100)에도 진동이나 충격이 가해진다. 그러면 상하 스프링(130)에 의해 지지되던 영구자석(110)이 상하로 진동하게 된다. 따라서 영구자석(110)의 외부에 권취된 코일(120)에 전자기 유도 현상에 의해 유도 전류가 생성되고, 이 유도전류는 에너지 저장부(150)에 저장된다. 이 때 영구자석(110)과 스프링(130) 사이에는 압전소자(140)가 연결되어 있으므로 진동하는 영구자석(110)은 압전소자(140)에 충격을 가하게 된다. 따라서 압전소자(140)에도 전류가 흐르게 되고 이 전류도 역시 에너지 저장부(150)에 저장된다. 그리고 진동하는 영구자석(110)에 의해 압전소자(140)에 기계적 응력이 가해지지 않더라도, 타이어가 회전하면서 눌림에 따라 압전소자(140)에 기계적 응력이 가해질 수 있다. 이 경우에도 압전소자(140)에는 전류가 흐르게 되고 이 전류에 의해 에너지 저장부(150)에 전기 에너지가 저장된다.
전술한 바와 같이 차량 타이어용 자가 발전 장치(100)를 이용하면, 차량의 타이어에 가해지는 진동에너지와 충격에너지로부터 전기에너지를 수집할 수 있게 된다. 따라서 상대적으로 고출력, 고효율의 전기 에너지를 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 타이어용 자가 발전 장치가 차량의 타이어 내부에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 차량 타이어용 자가 발전 장치(200)는 영구자석(210)과 나란하게 영구자석(210)의 좌우에 배치되어 영구자석(210)에 척력을 제공하는 한 쌍의 외부자석(250)을 더 포함할 수 있다. 한 쌍의 외부자석(250)은 영구자석(210)과 동일한 방향으로 배치된다. 즉, 도시된 것처럼 영구자석(210)이 N극을 위를 향하도록 배치되면 한 쌍의 외부자석(250)도 N극이 위를 향하도록 배치된다.
이와 같이 배치된 한 쌍의 외부 자석(250)은 영구자석(210)에 척력을 제공하게 된다. 외부자석이 영구자석(210)에 척력을 제공하게 되면 영구자석(210)은 자석의 척력과 스프링(230)의 탄성복원력에 의해 쌍안정(Bi-stable) 진동을 하게 된다. 즉, 스프링(230)의 복원력을 Fs라 하고, 자석의 척력을 Fm이라고 하면, 영구자석(210)의 총 복원력 Fr=Fs-Fm이 된다. 이러한 스프링의 탄성복원력과 외부 자석의 척력이 결합된 총복원력과 변위의 관계를 그래프로 나타내면 도 4와 같다. 영구자석(21)이 쌍안정 진동을 한다는 것을 도 4에서 확인할 수 있다.
도 3은 비선형 진동의 출력파워와 주파수의 관계를 그래프로 나타낸 것인데, 도 3에서 확인할 수 있듯이 영구자석(210)이 쌍안정 진동을 하게 되면 주파수 대역폭이 넓어짐과 더불어 inter-well motion에 의해 큰 진동이 발생하여 출력 파워 또한 커지는 장점을 갖게 된다.
결론적으로, 차량 타이어용 자가 발전 장치가 한 쌍의 외부자석(250)을 더 포함하면 넓은 주파수 대역에서 고출력의 전기 에너지를 획득할 수 있다. 즉, 넓은 속도 구간에서 고출력의 전기 에너지를 획득할 수 있게 된다.
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.
100, 200: 차량 타이어용 자가 발전 장치 110, 210: 영구자석
120, 220: 코일 130, 230: 한 쌍의 스프링
140, 240: 압전소자 150: 에너지 저장부
250: 한 쌍의 외부자석

Claims (3)

  1. 영구자석;
    상기 영구자석의 외측에 상기 영구자석과 이격하여 권취된 코일;
    상기 영구자석의 상부와 하부에 연결되어 상기 영구자석에 탄성복원력을 제공하는 한 쌍의 스프링;
    상기 영구자석과 스프링 사이에 결합된 압전소자;
    상기 코일 및 상기 압전소자에 전기적으로 연결되어 상기 코일 및 상기 압전소자에서 발생한 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및
    상기 영구자석과 나란하게 상기 영구자석의 좌우에 배치되어 상기 영구자석에 척력을 제공하는 한 쌍의 외부자석을 포함하고,
    상기 영구자석은 외부자석과 스프링에 의해 쌍안정(Bi-stable)진동하는 차량 타이어용 자가 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 타이어용 자가 발전 장치.
  3. 삭제
KR1020150134045A 2015-09-22 2015-09-22 차량 타이어용 자가 발전 장치 KR101740690B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150134045A KR101740690B1 (ko) 2015-09-22 2015-09-22 차량 타이어용 자가 발전 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150134045A KR101740690B1 (ko) 2015-09-22 2015-09-22 차량 타이어용 자가 발전 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170035220A KR20170035220A (ko) 2017-03-30
KR101740690B1 true KR101740690B1 (ko) 2017-05-29

Family

ID=58503416

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150134045A KR101740690B1 (ko) 2015-09-22 2015-09-22 차량 타이어용 자가 발전 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101740690B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102610967B1 (ko) 2023-04-03 2023-12-06 권병철 타이어의 변형을 이용한 발전장치

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107521294A (zh) * 2017-08-31 2017-12-29 江苏大学 一种汽车胎压监测系统的发电装置
CN107769611B (zh) * 2017-10-31 2019-03-15 长春工业大学 基于汽车悬架振动的压电-电磁复合式宽频能量俘获装置
KR102066056B1 (ko) 2018-09-06 2020-01-14 금호타이어 주식회사 나선형 비드를 이용하여 유도전력을 충전하는 타이어
KR102193891B1 (ko) * 2018-12-20 2020-12-23 한국기계연구원 타이어용 진동 에너지 수확장치, 이를 포함하는 센서 통합 시스템 및 스마트 타이어 시스템 및 이를 사용한 가속도신호 전송방법
US11203235B2 (en) * 2020-05-05 2021-12-21 Enervibe Ltd System for tires pressure and wear detection
KR102566645B1 (ko) * 2021-12-22 2023-08-14 한국타이어앤테크놀로지 주식회사 타이어에 설치되는 발전장치
CN116461257B (zh) * 2023-05-12 2024-04-12 广东海洋大学 一种胎压监测装置、方法、系统、车轮和运载工具

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008526176A (ja) * 2004-10-21 2008-07-17 ソシエテ ドゥ テクノロジー ミシュラン 小型化圧電式振動エネルギー回収装置
WO2011132212A2 (en) 2010-04-19 2011-10-27 Wisepower Srl Non-linear generator of electricity

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120126006A (ko) 2011-05-10 2012-11-20 한양대학교 산학협력단 에너지 하베스팅 압전 타이어

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008526176A (ja) * 2004-10-21 2008-07-17 ソシエテ ドゥ テクノロジー ミシュラン 小型化圧電式振動エネルギー回収装置
WO2011132212A2 (en) 2010-04-19 2011-10-27 Wisepower Srl Non-linear generator of electricity

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102610967B1 (ko) 2023-04-03 2023-12-06 권병철 타이어의 변형을 이용한 발전장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170035220A (ko) 2017-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101740690B1 (ko) 차량 타이어용 자가 발전 장치
US10461670B2 (en) Generator and method for converting vibrational energy into electrical energy
Bowen et al. Energy harvesting technologies for tire pressure monitoring systems
Kim et al. An electromagnetic energy scavenger from direct airflow
JP2008526596A (ja) タイヤモジュール及びタイヤモジュールを有する空気タイヤ
JP2007515916A (ja) 走行機構構成部分
KR101448467B1 (ko) 노면 진동을 활용한 공진형 선형 발전기
JP2013187928A (ja) 振動発電装置
WO2014119202A1 (ja) 磁歪式振動発電装置
CN106026776A (zh) 磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置
KR101520728B1 (ko) 하이브리드 발전장치
WO2012054994A3 (en) Vibration actuated apparatus for electrical energy production and monitoring of inertial displacements
KR101692022B1 (ko) 차량 타이어휠용 자가 발전 장치
Tang et al. Non-contact frequency-up-conversion energy harvester for durable & broad-band automotive TPMS application
KR101777943B1 (ko) 자기 발전 타이어
CN113630038B (zh) 用于胎压监测系统的微型电磁-压电复合振动俘能器
CN112187006B (zh) 电力传感器及其基于mems的电力设备振动微能量采集装置
CN101478218A (zh) 微型线性震动器
JP6009426B2 (ja) タイヤ状態監視装置
CN113193721A (zh) 基于升频装置的宽频带电磁振动俘能器
EP3525329B1 (en) Vibration energy harvester
JP2013539339A (ja) エネルギー収穫／タイヤ圧、温度、及びタイヤデータ送信器
CN214959233U (zh) 一种基于升频装置的宽频带电磁振动俘能器
KR200445991Y1 (ko) 자동차 배터리 충전전원장치
CN105529899A (zh) 高效稳定电磁发电装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 4