KR102146125B1 - 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치 - Google Patents

시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치에 관한 것으로, 토크 제어에 의한 시동의 효율성 향상, 변속에 의한 시동부의 소형화, 발전 출력량의 가변에 의한 효용성 향상을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치는, 전기를 인가받아 회전력을 발생하는 2개 이상의 시동모터, 상기 시동모터 중에서 하나 이상과 연결되어 회전하는 시동축을 포함하며, 상기 시동모터의 수량의 가감을 통해 토크를 제어하고 변속하는 시동부(100)와; 상기 시동부의 회전력을 전달받아 회전하는 관성축, 상기 관성축에 고정되어 상기 관성축과 함께 회전하는 한편 관성을 통해 상기 관성축을 회전시키는 관성 휠, 상기 관성 휠과 선택적으로 연결 또는 분리되어 상기 관성 휠과 연결 시 함께 회전하여 관성을 증가시키는 하나 이상의 중량 가변 휠을 포함하는 회전에너지 저장부(300)와; 상기 회전에너지 저장부의 관성축에 선택적으로 연결되어 회전력을 전달받아 발전하는 2개 이상의 발전기를 포함하는 출력 가변형 발전부(400)와; 상기 회전에너지 저장부의 관성축을 일정 회전수로 유지하는 가변형 회전에너지 유지부(500)를 포함한다.

Description

시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치{VARIABLE TYPE GENERATOR UNIT FOR CONTROLING START TORQUE AND TRANSMISSION AND FLYWHEEL WEIGHT AND GENERATING POWER AMOUNT}
본 발명은 관성회전 에너지를 이용한 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크 제어에 의한 시동의 효율성 향상, 변속에 의한 시동부의 소형화, 발전 출력량의 가변에 따른 효용성을 향상하는 시동토크, 변속, 관성중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치에 관한 것이다.
이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.
일반적으로 발전기는 회전축의 회전력을 전기에너지로 전환하는 것으로, 모터 등으로부터 회전력을 전달받아 발전하며, 근래 들어 플라이휠의 관성회전력을 이용한 발전기가 제안된 바 있다.
본 발명의 배경기술을 알 수 있는 특허문헌(공개특허공보 제10-2006-0102475호)은 내부에 상부지지판 및 하부지지판이 각각 형성되는 본체; 상기 본체의 상부지지판 상에 설치되는 발전기; 상기 본체의 하부지지판 상에 설치되는 모터; 상기 본체 내에 수직으로 회전가능하게 설치되며, 상기 발전기와 모터의 공통회전축을 형성하는 수직 회전축; 상기 본체의 바닥면에 접하도록 상기 수직회전축의 하단에 결합되어 상기 수직회전축의 회전을 지지하는 볼케스터; 상기 수직회전축 상에 결합되어 일체로 회전되면서 상기 수직회전축에 관성회전력을 제공하는 플라이휠; 및 상기 본체의 일측에 설치되며 상기 모터의 작동을 제어하는 제어패널로 구성되며, 발전기와 모터를 연결하는 공통의 수직회전축의 하단이 볼케스터 또는 모터 내의 축베어링에 의해 지지됨에 따라 수직회전축의 마찰손실을 최소화함과 동시에 수직회전축의 진동을 최소화하여 발전기의 발전효율을 증대시킬 수 있는 것이라 하고 있으나 많은 전기를 필요로 하는 문제점이 있다.
종래 기술에 의한 발전장치는 시동 토크의 제어, 관성회전 에너지의 저장량 제어, 발전 출력량 제어 등을 고려하지 않아 효용성과 소형화와 상품성 등 여러 측면에서 문제점을 갖고 있다.
등록특허 제10-1965314호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토크 제어에 의한 시동의 효율성 향상, 변속에 의한 시동부의 소형화, 발전 출력량의 가변에 의한 효용성 향상이 가능한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치는, 전기를 인가받아 회전력을 발생하는 2개 이상의 시동모터, 상기 시동모터 중에서 하나 이상과 연결되어 회전하는 시동축을 포함하며, 상기 시동모터의 수량의 가감을 통해 토크를 제어하고 변속하는 시동부와;
상기 시동부의 회전력을 전달받아 회전하는 관성축, 상기 관성축에 고정되어 상기 관성축과 함께 회전하는 한편 관성을 통해 상기 관성축을 회전시키는 관성 휠, 상기 관성 휠과 선택적으로 연결 또는 분리되어 상기 관성 휠과 연결 시 함께 회전하여 관성을 증가시키는 하나 이상의 중량 가변 휠을 포함하는 회전에너지 저장부와;
상기 회전에너지 저장부의 관성축에 선택적으로 연결되어 회전력을 전달받아 발전하는 2개 이상의 발전기를 포함하는 출력 가변형 발전부와;
상기 회전에너지 저장부의 관성축을 일정 회전수로 유지하는 가변형 회전에너지 유지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치에 의하면, 시동 초기는 상용 전원을 사용하여 관성 회전에너지 저장하고, 그 저장된 관성 회전 에너지를 이용하여 전기를 발전하는 과정에서, 시동 토크 제어, 변속, 관성 회전에너지 저장량 제어 및 발전량 제어를 통하여, 시동부의 소형화, 다양한 발전량에 의한 효용성 제고, 다양한 용량의 부하(오토바이, 차량, 풍력 등)에 대응하는 에너지 효율화 등에 효과를 발휘시킬 수 있다.
또한, 토크 제어 시동부와 출력 가변형 발전부 및 가변형 회전에너지 유지부의 경우 일부 모터나 발전기의 보수가 필요한 경우 보수가 필요한 것을 보수하면서도 나머지 모터와 발전기의 가동을 통해 지속적이 발전이 가능하므로 고장으로 인한 휴식기 없이 가동하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 적용된 토크 제어 시동부의 구성도.
도 3은 본 발명의 토크 제어 시동부에 적용된 제1시동측 캐리어의 도면.
도 4는 본 발명의 토크 제어 시동부에 의한 토크 제어 상태를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 적용된 변속부의 변속드럼과 가변휠의 배치도.
도 6은 본 발명에 적용된 중량 가변형 회전에너지 저장부의 구성도.
도 7은 본 발명의 중량 가변형 회전에너지 저장부에 적용된 가변 관성휠의 작동 상태도.
도 8은 본 발명에 적용된 출력 가변형 발전부의 구성도.
도 9는 본 발명에 적용된 출력 가변형 발전부의 작동 상태도.
도 10은 본 발명에 적용된 가변형 회전에너지 유지부의 구성도.
도 11은 본 발명의 중량 가변형 회전에너지 저장부에 적용된 관성조력수단의 구성도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 시동토크, 변속, 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치는, 토크 제어 시동부(100), 변속부(200), 중량 가변형 회전에너지 저장부(300), 출력 가변형 발전부(500)로 구성되고, 가변형 회전에너지 유지부(400)가 부가될 수 있다.
1. 토크 제어 시동부(100).
도 2에서 보이는 것처럼, 토크 제어 시동부(100)는 2개 이상(3개를 예로 들어 설명하며 '제1 내지 제3시동모터'라 칭한다)의 제1 내지 제3시동모터(110,120,130) 및 제1 내지 제3시동모터(110,120,130)와 연결 또는 차단(1개 이상의 시동모터와 연결 유지)되며 회전력을 전달받아 회전하는 하나의 시동축(140)으로 구성된다.
제1 내지 제3시동모터(110,120,130)는 제1 내지 제3시동 휠(111,121,131)이 축 결합되어 회전력을 시동축(140)에 전달하며, 이를 위하여 바람직하게 1열로 배열된다.
제1 내지 제3시동모터(110,120,130)는 상용전원, 발전 전원(출력 가변형 발전부에서 발전한 전원), 신재생 에너지 등 다양한 전원이 사용 가능하다.
제1 내지 제3시동모터(110,120,130)는 각각의 캐리어 즉 제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)를 통해 이동한다.
도 3은 제1시동측 캐리어(112)의 일 예를 도시한 것이며, 제1시동모터(110)가 탑재되는 면적을 구비하면서 바닥(베이스의 바닥)과 마찰저항을 줄이기 위하여 바닥을 따라 구르는 하나 이상의 바퀴(112a)를 포함하고 또한 양쪽의 레일을 따라 구르는 하나 이상의 바퀴(112b)가 더 포함될 수 있다.
제2,3시동측 캐리어(122,132)는 제1시동측 캐리어(112)와 동일하므로 구체적인 설명을 생략한다.
제1 내지 제3시동모터(110,120,130)와 시동축(140)은 하나의 시동측 베이스(150)를 공용하고, 또한 이 시동측 베이스(150)는 변속부(200)가 설치된다.
시동측 베이스(150)는 시동부(100)와 변속부(200)를 함께 이동시켜 변속부(200)를 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)와 연결 또는 분리한다.
시동측 베이스(150)는 바퀴가 구성되고 별도로 구성되는 레일을 따라 이동한다.
시동측 베이스(150)는 제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)의 이동을 안내하는 제1 내지 제3레일(151,152,153)을 포함한다.
제1 내지 제3레일(151,152,153)은 바람직하게 제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)의 양쪽을 지지하는 형태이다.
제1 내지 제3시동모터(110,120,130)가 시동축(140)에 연결된 상태 또는 시동축(140)과 분리된 상태를 유지하도록 록킹장치가 구성되는 것이 바람직하다. 상기 록킹장치는 전술한 기능을 하는 다양한 구성이 가능하고 예를 들어 제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)에 나사 체결되며 제1 내지 제3레일(151,152,153)에 지지되는 록킹볼트이다.
제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)의 구동은 수동식과 전동식 모두 가능하다.
지금까지 모든 시동모터(110,120,130)가 이동형인 것으로 설명하였으나, 발전을 위하여 최소 1개의 시동모터는 시동축(140)과 항상 연결 상태를 유지하는 것도 가능하다.
시동축(140)은 시동측 베이스(150)에 제1 내지 제3시동모터(110,120,130)와 연결 또는 분리되도록 배열 및 구성되며, 제1 내지 제3시동모터(110,120,130)를 따라 배열되면서 제1 내지 제3시동휠(111,121,131)과 연결되어 회전력을 전달받는 제1 내지 제3종동휠(141,142,143)이 구비된다.
도 4의 (A)는 시동축(140)의 제1종동휠(141)만 제1시동모터(110)와 연결된 것이고, (B)는 시동축(140)의 제1,2종동휠(141,142)만 제1,2시동모터(110,120)와 연결된 것이고, (C)는 시동축(140)의 모든 종동휠 즉 제1 내지 제3종동휠(141,142,143)이 제1 내지 제3시동모터(110,120,130))와 연결된 상태를 도시한 것이다.
시동축(140)은 제1 내지 제3시동모터(110,120,130)의 회전력을 변속부(200)에 전달하며, 변속부(200)의 제1변속드럼(210)과 동력전달부재(벨트, 기어 등)로 연결된다.
2. 변속부.
변속부(200)는 토크 제어 시동부(100)의 회전속도를 변속하여 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)에 전달하는 구성으로, 2개 이상(4개를 예로 들어 설명함)의 변속드럼, 이웃하는 변속드럼들 사이를 따라 이동하는 가변휠로 구성되며, 제1변속드럼(210) - 제1가변휠(220) - 제2변속드럼(230) - 제2가변휠(240) - 제3변속드럼(250) - 제3가변휠(260) - 제4변속드럼(270)의 순서로 연결된다.
제1 내지 제4변속드럼(210,230,250,270)은 길이방향을 따라 일측에서 타측으로 가면서 점진적으로 외경이 달라(커지는 또는 작아지는)지는 형태이며, 동축의 방향이면서 길이방향의 양쪽이 서로 반대쪽에 배치되는 대칭으로 배치되고 시동측 베이스(150)에 제자리 회전 가능하게 설치된다.
제1 내지 제4변속드럼(220,230,250,270)은 이웃하는 것과 길이방향의 일측에서 타측까지 동일한 거리를 두고 설치된다.
제1변속드럼(210)은 시동축(140)과 동력전달 가능하게 연결되어 변속부(200)에서 처음으로 회전력을 전달받고, 마지막의 제4변속드럼(270)은 최종 변속된 회전력을 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)에 전달한다. 제4변속드럼(270)은 전달축(280)을 통해 회전력을 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)에 전달하며 물론, 전달축(280)없이 직접 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)에 전달하는 것도 가능하다. 제4변속드럼(270)과 전달축(280)은 동력전달부재(벨트, 기어 등)를 통해 연결된다.
제1 내지 제3가변휠(220,240,260)은 이웃하는 제1 내지 제4변속드럼(210,230)(230,250)(250,270)들의 사이에 이동 가능하게 설치되어 앞선 변속드럼의 회전력을 뒤쪽의 변속드럼에 전달하며, 제1 내지 제4변속드럼(220,230,250,270)의 외경이 달라지기 때문에 변속이 가능하다.
제1 내지 제3가변휠(220,240,260)은 예를 들어 제1 내지 제3이동축(221,241,261)을 통해 이동하도록 구성된다. 제1 내지 제3이동축(221,241,261)은 레일이나 베어링을 통해 이동 가능하게 설치되며 변속 상태의 유지를 위한 록킹장치(록킹 볼트 등)가 구성된다.
제1 내지 제4변속드럼(220,230,250,270)과 제1 내지 제3가변휠(220,240,260)은 변속 구조 상 외주면이 요철없는 평평한 구조이고 서로 간의 마찰력에 의해 회전력을 전달하며, 이들 간에 슬립이 발생하는 것을 막아 회전력의 원활한 변속과 전달을 위하여 도 5에서 보이는 것처럼, 제1 내지 제3가변휠(220,240,260)을 제1 내지 제4변속드럼(220,230,250,270)과 밀착되는 방향으로 탄력 지지하는 제1 내지 제3탄성부재(222,242,262)가 포함된다.
제1 내지 제3탄성부재(222,242,262)는 제1 내지 제3이동축(221,241,261)의 이동을 통해 제1 내지 제3가변휠(220,240,260)을 제1 내지 제4변속드럼(220,230,250,270)에 밀착시키도록 구성된다.
중량 가변형 회전에너지 저장부(300)의 관성축(310)이 일정 회전수로 회전(발전부에 의한 발전이 이루어지는 회전수)하면 토크 제어 시동부(100)와 변속부(200)는 가동이 정지되고 시동측 베이스(150)를 통해 이동하여 전달축(280)이 관성축(310)과 떨어지게 되며, 따라서, 관성축(310)은 관성에너지에 의해서만 회전하는 것이다.
3. 중량 가변형 회전에너지 저장부(300).
중량 가변형 회전에너지 저장부(300)는 변속부(200)로부터 회전력을 전달받아 회전하는 관성축(310), 관성축(310)에 고정되어 관성축(310)과 함께 회전하는 한편 관성을 통해 토크 제어 시동부(100)의 정지시에도 관성축(310)을 지속적으로 회전시키는 고정형 관성휠(320) 및 1개 이상(3개를 예로 들어 설명함)의 제1 내지 제3가변 관성휠(330,331,332)로 구성된다. 또한, 고정형 관성휠(320)을 정지시키는 브레이크가 더 포함될 수 있다.
관성축(310)은 변속부(200)의 전달축(280)과 연결되어 회전력을 전달받아 회전한다.
고정형 관성휠(320)은 중앙에 축홀이 구비된 원반형태로서 상기 축홀을 통해 관성축(310)의 둘레부에 끼워지면서 고정수단을 통해 관성축(310)에서 이탈되지 않도록 고정된다.
고정형 관성휠(320)은 정지 상태에서는 관성축(310)의 회전력에 의해 함께 회전하고, 관성축(310)이 회전한 후에는 관성에 의해 관성축(310)을 회전시키며, 따라서, 토크 제어 시동부(100)가 정지되어도 출력 가변형 발전부(400)의 발전이 이루어지도록 한다.
제1 내지 제3가변 관성휠(330,331,332)은 토크 제어 시동부(100)의 토크와 출력 가변형 발전부(400)의 용량, 발전 장치의 시동 등을 위하여 고정형 관성휠(320)의 중량을 바꾸는 것이며, 미 사용 시 고정형 관성휠(320)로부터 떨어져 있고 사용 시 고정형 관성휠(320)과 함께 회전하도록 구성된다.
제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)은 바람직하게 관성 축(310)과 간섭되지 않고 고정형 관성휠(320)과 일체화되어 고정형 관성휠(320)의 회전에 의해 회전하도록 구성되고, 따라서, 관성 축(310)의 외경보다 큰 내경의 축홀이 구비된다.
제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)은 미 사용 시 고정장치를 통해 고정 상태를 유지하고 이동 지그(340)를 통해 고정형 관성휠(320)로 이동되어 중량을 부가한다.
이동 지그(340)는 암(341)이 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)을 고정형 관성휠(320)에 붙여 고정형 관성휠(320)과 함께 회전하도록 하며, 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)이 고정형 관성휠(320)과 함께 회전할 때 자신은 회전하지 않으면서 마찰저항을 줄이기 위하여 암(341)의 단부에 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)을 지지하는 볼 베어링(342)이 구비된다.
도 7에서 보이는 것처럼, 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)을 사용하더라도 하나의 이동 지그(340)만을 사용하여 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332) 중에서 하나 이상의 가변 관성 휠을 사용하도록 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)은 외경이 다르게 즉 고정형 관성휠(320)과 가장 가까운 제1가변 관성 휠(330)이 가장 큰 외경이고 제2,3가변 관성 휠(331,332)로 가면서 외경이 작아지는 구성이다.
따라서, 제1,2가변 관성 휠(330,331)을 사용할 때 상대적으로 외경이 작은 제2가변 관성 휠(331)을 지지하고, 제1 내지 제3가변 관성 휠(330,331,332)을 사용할 때 상대적으로 외경이 작은 제3가변 관성 휠(332)을 지지하는 것이다.
4. 출력 가변형 발전부(400).
출력 가변형 발전부(400)는 관성축(310)의 회전력을 전달받아 발전하며, 발전량의 가변을 위하여 관성축(310)에 형성되는 2개 이상(3개를 예로 들어 설명함)인 제1 내지 제3전달휠(350,351,352)을 통해 회전력을 전달받아 발전하는 제1 내지 제3발전기(410,420,430)를 포함한다.
제1 내지 제3발전기(410,420,430)는 관성축(310)의 제1 내지 제3전달휠(350,351,352)에 각각 연결 또는 분리되는 제1 내지 제3발전휠(411,421,431)을 포함하고, 각각의 캐리어를 통해 이동하여 관성축(310)에 연결 또는 분리된다.
제1 내지 제3발전측 캐리어(412,422,432)는 제1 내지 제3발전기(410,420,430)가 각각 탑재되어 제1 내지 제3발전기(410,420,430)를 개별적으로 이동시키는 구성이며, 제1 내지 제3시동측 캐리어(112,122,132)와 동일하게 구성되므로 구체적인 설명을 생략한다.
도 9에서 (A)는 제1발전기(410)만 관성축(310)에 연결된 것이고, (B)는 제1,2발전기(410,420)만 관성축(310)에 연결된 것이며, 도 8은 제1 내지 제3발전기(410,420,430) 모두가 관성축(310)에 연결된 것이다.
제1 내지 제3발전기(410,420,430) 중 최소 1개의 발전기는 항상 관성축(310)과 연결 상태를 유지하는 것도 가능하다.
제1 내지 제3발전기(410,420,430)에서 발전된 전기에너지는 에너지 저장장치(ESS)에 전달되어 저장된다.
또한, 제1 내지 제3발전기(410,420,430)의 전기는 후술하는 가변형 회전에너지 유지부(500)의 모터부(510)에 공급된다.
5. 가변형 회전에너지 유지부(500).
가변형 회전에너지 유지부(500)는 토크 제어 시동부(100)의 가동을 중지한 상태에서 중량 가변형 회전에너지 저장부(300)의 관성축(310)이 발전을 위한 적정의 회전수로 회전하도록 하며, 전원을 인가받아 회전력을 발생하는 모터부(510) 및 모터부(510)에서 발생한 회전속도를 변속하여 관성축(310)에 전달하는 변속부(520)로 구성된다. 모터부(510)와 변속부(520)는 캐리어를 통해 함께 이동 가능하게 설치되며 관성축(310)이 발전을 위한 회전수로 회전할 때 관성축(310)과 떨어지고 관성축(310)의 회전이 부족할 때 관성축(310)에 연결되어 관성축(310)의 회전수를 증가시킨다.
모터부(510)는 토크 제어를 위하여 다수로서 예컨대 제1 내지 제3보조모터(511,512,513), 제1 내지 제3보조모터(510,520,530)와 연결 또는 차단되는 회전축(514), 제1 내지 제3보조모터(511,512,513)를 개별적으로 이동시켜 회전축(514)에 연결 또는 분리하는 제1 내지 제3보조측 캐리어로 구성되며, 이들의 구성은 토크 제어 시동부(100)의 시동모터와 시동측 캐리어와 동일한 구성 및 동일한 작용을 하는 것이므로 구체적인 설명을 생략한다.
변속부(520)는 제1변속드럼(521) - 제1가변 휠(522) - 제2변속드럼(523) - 제2가변 휠(524) - 제3변속드럼(525) - 제3가변 휠(526) - 제4변속드럼(527) - 전달축(528)의 순서로 배열된다.
변속드럼(521,523,525,527) 및 가변 휠(522,524,526)은 전술한 변속부(200)의 변속드럼(210,230,250,270) 및 가변 휠(220,240,260)과 동일한 구조와 배열로서 구체적인 설명을 생략한다.
가변형 회전에너지 유지부(500)는 관성축(310)이 일정 범위의 회전수를 유지하도록 하는 것으로, 관성축(310)의 회전수가 기준 범위의 하한치와 같거나 낮으면 모터부(510)에 전원을 인가하여 가변형 회전에너지 유지부(500)를 구동원으로 하여 관성축(310)을 회전시킨다.
반대로 관성축(310)의 회전수가 기준 범위의 상한치와 같거나 높으면 모터부(510)에 인가되는 전원을 차단하여 관성축(310)이 관성에 의해 회전하도록 하며, 이 때, 가변형 회전에너지 유지부(500)는 관성축(310)으로부터 떨어진다.
본 발명에 의한 시동 토크와 변속과 관성 중량 및 발전량의 제어가 가능한 가변형 발전 장치의 작용은 다음과 같다.
1. 토크 제어 시동.
가. 토크 선택 : 시동부(100)의 토크에 맞춰 제1 내지 제3시동모터(110,120,130) 중 하나 이상을 시동축(140)에 연결하며, 그 연결 작업은 다음과 같다.
예를 들어, 2개의 시동모터를 사용하는 경우, 제1,2시동측 캐리어(112,122)를 시동축(140)으로 이동시켜 제1,2시동휠(111,121)을 시동축(140)의 제1,2종동휠(141,142)과 연결(밀착)하고, 제3시동측 캐리어(132)를 통해 제3시동휠(131)을 시동축(140)의 제3종동휠(143)과 떨어뜨린다.
나. 시동 : 제1,2시동모터(110,120)에만 전원을 인가하며, 제1,2시동모터(110,120)는 회전력을 발생하고 이 회전력은 제1,2시동휠(111,121)과 제1,2종동휠(141,142) 및 시동축(140)을 통해 변속부(200)에 전달된다.
시동조력수단이 적용된 경우 시동모터(110,120,130)가 구동하기 전에 상기 시동조력수단의 모터(312)가 구동하여 관성축(310)의 링기어(311)가 회전하고 이에 따라 관성축(310)이 회전 상태로 전환되고, 관성축(310)의 회전에 의해 변속부(200), 토크 제어 시동부(100)의 시동축(140)이 회전 상태로 전환되고, 이 상태에서 시동모터(110,120,130)가 구동하여 회전 중인 시동축(140)을 회전시키게 되므로 매우 원활한 시동이 이루어진다.
시동 시 가변형 회전에너지 유지부(500)는 관성축(310)에 연결되는 것과 분리 상태인 것 모두가 가능하다.
2. 변속.
변속 값에 맞춰 제1 내지 제3가변휠(220,240,260)의 위치를 정하고 이 위치에 맞춰 제1 내지 제3가변휠(220,240,260)을 이동시킨다.
시동부(100)의 시동축(140)의 회전력은 제1변속드럼(210)에 전달되며, 제1변속드럼(210)의 회전력은 제2변속드럼(210)에서부터 제4변속드럼(270)에 의해 변속된 후 전달축(280)에 전달된다.
3. 중량 가변 관성.
가. 관성 휠 선택 : 고정형 관성휠(320)만을 사용 또는 고정형 관성휠(320)에 제1 내지 제3가변 관성휠(330,331,332) 중 하나 이상의 중량을 부가한 후 사용.
나. 관성 회전 : 변속부(200)의 전달축(280)은 관성축(310)에 회전력을 전달하여 관성축(310)이 회전하게 된다. 관성축(310)에 의해 고정형 관성휠(320)이 회전하게 되고 고정형 관성휠(320)은 관성회전력을 저장하여 이 관성회전력에 의해 관성축(310)을 회전시키게 된다.
관성축(310)의 회전은 센서를 통해 측정되며, 관성축(310)이 기준 회전수를 만족하면 시동측 베이스(150)를 통해 토크 제어 시동부(100)와 변속부(200)가 이동하여 전달축(280)이 관성축(310)으로부터 떨어지게 되고, 시동모터는 전원이 차단되어 정지한다.
이 때, 시동모터의 전원을 차단만 하고 전달축(280)을 관성축(310)과 떨어뜨리지 않을 수 있지만, 이렇게 되면 변속부(200)와 토크 제어 시동부(100)가 관성축(310)의 회전을 구속하게 되므로 관성축(310)의 관성에너지를 낮출 수 있고, 본 발명은 전달축(280)과 관성축(310)의 분리를 통해 전굴한 문제점을 해결하는 효과도 있다.
4. 출력 가변 발전.
가. 발전기 선택 : 제1 내지 제3발전기(410,420,430) 중에서 하나 이상을 관성축(310)에 연결한다. 제1 내지 제3발전기(410,420,430)와 관성축(310)의 연결은 제1 내지 제3발전측 캐리어(412,422,432)의 이동에 의해 이루어진다.
나. 발전 : 관성축(310)의 회전력은 제1 내지 제3발전휠(411,421,431) 중에서 관성축(310)에 연결된 발전휠에만 전달되어 선택된 발전기가 발전한다.
5. 중량 가변형 회전에너지 유지.
관성축(310)이 기준 회전수의 하한치 밑으로 내려가면 가변형 회전에너지 유지부(500)의 모터부(510)에 전기를 인가하고 가변형 회전에너지 유지부(500)를 이동시켜 전달축(528)을 관성축(310)에 연결한다.
관성축(310)은 가변형 회전에너지 유지부(500)에 의해 강제로 회전하게 된다.
가변형 회전에너지 유지부(500)에 의해 관성축(310)이 기준 회전수를 만족하여 관성축(310)의 회전만으로 발전이 가능하게 되면 가변형 회전에너지 유지부(500)를 관성축(310)에서 떨어뜨리고 전기를 차단하여 모터부(510)의 가동을 정지한다.
도 11은 중량 가변형 회전에너지 저장부에 관성조력수단이 부가된 예를 도시한 것으로, 관성조력수단은, 관성축(310)에 의해 회전하는 회전체(360), 회전체(360)에 의해 회전하는 회전측 마그네틱(370), 회전측 마그네틱(370)의 회전경로에 회전측 마그네틱(370)과 일정 간극을 두고 고정 설치되는 척력을 발생하는 고정측 마그네틱(380)으로 구성된다.
회전체(360)는 예를 들어, 관성축(310)에 고정되어 관성축(310)과 함께 회전하는 구동휠(361), 구동휠(361)과 동력전달부재(362)(체인 등)로 연결되는 종동휠(363), 종동휠(363)에 고정되며 회전측 마그네틱(370)이 설치되는 회전 암(364)으로 구성된다.
회전 암(364)은 종동휠(363)의 양쪽으로 돌출되는 예를 들어 자전거의 페달의 형태이다.
바람직하게 2개의 회전측 마그네틱(370)은 회전 암(364)에 180도의 대칭으로 배열된다.
고정측 마그네틱(380)은 회전측 마그네틱(370)의 회전 경로에 180도의 대칭으로 배열 고정되며, 회전측 마그네틱(370)과 동일한 극성으로 척력을 발생하고 이를 통하여 관성축(310)의 회전을 도와준다{관성축(310)의 흔들림 방지 등}.
회전측 마그네틱(370)과 고정측 마그네틱(380)은 영구자석, 전자석 모두가 가능하다.
또한, 본 발명은 조력수단으로 에어 휠(390)을 더 포함할 수 있다.
에어 휠(390)은 관성축(310)에 고정되며, 에어분사수단에 의해 분사되는 에어의 압력에 의해 관성축(310)의 회전을 도와주는 것이며 둘레부에 베인(391)이 구성된다.
2개의 베인(391)은 회전측 마그네틱(370)과 고정측 마그네틱(380)이 대향될 때 에어의 압력을 받도록 동일한 위치에 구성된다.
한편, 토크 제어 시동부(100)에 연결된 변속부(200)와 중량 가변형 회전에너지 저장부(300) 등의 중량이 무겁고 관성축(310)이 정지 상태이기 때문에 토크 제어 시동부(100)만으로 관성축(310)을 회전시키는 것이 매우 어려우므로 시동조력수단이 더 포함될 수 있다.
상기 시동조력수단은 관성축(310)에 결합되는 링기어(311) 및 전원을 인가받아 링기어(311)를 회전시키는 모터(312)로 구성된다.
모터(312)는 피니언을 통해 링기어(311)와 연결되어 링기어(311)를 회전시키며, 예를 들어 5초 ~ 7초 정도만 회전시킨 후 오프 제어되면서 상기 피니언이 링기어(311)와 분리되도록 구성된다. 상기 피니언이 링기어(311)에서 분리된 링기어(311)는 관성축(310)과 함께 회전하고 이 때, 상기 피니언과 모터(312)가 분리된 상태이기 때문에 링기어(312)가 관성축(310)가 회전하여도 상기 피니언과 모터(312)에 의한 부담을 일으키지 않는다.
토크 제어 시동부(100)는 상기 시동조력수단에 의해 회전 상태인 관성축(310)을 회전시키게 되는 것이므로 큰 부담없이 구동하고 따라서, 토크 제어 시동부(100) 등 모든 부분에서 슬립없이 정상적인 동작이 가능하다.
지금까지 설명한 토크 제어 시동부(100), 변속부(200), 중량 가변형 회전에너지 저장부(300), 출력 가변형 발전부(400), 가변형 회전에너지 유지부(500), 관성조력수단은 독립 사용이 가능하고 2개 이상이 조합되는 것도 가능하다.
100 : 토크 제어 시동부,
110,120,130 : 제1 내지 제3시동모터,
111,121,131 : 제1 내지 제3시동휠,
112,122,132 : 제1 내지 제3시동측 캐리어,
140 : 시동축, 141,142,143 : 제1 내지 제3종동휠
150 : 시동측 베이스, 151,152,153 : 제1 내지 제3레일
200 : 변속부,
210,230,250,270 : 제1 내지 제4변속드럼,
220,240,260 : 제1 내지 제3가변휠,
300 : 중량 가변형 회전에너지 저장부,
310 : 관성축, 320 : 고정형 관성휠
330,331,332 : 제1 내지 제3가변 관성휠,
340 : 이동 지그, 350,351,352 : 제1 내지 제3전달휠
360 : 회전체, 370 : 회전측 마그네틱
380 : 고정측 마그네틱, 390 : 에어 휠
400 : 출력 가변형 발전부,
410,420,430 : 제1 내지 제3발전기,
500 : 가변형 회전에너지 유지부,

Claims (14)

  1. 전기를 인가받아 회전력을 발생하는 2개 이상의 시동모터, 상기 시동모터 중에서 하나 이상과 연결되어 회전하는 시동축을 포함하며, 상기 시동모터의 수량의 가감을 통해 토크를 제어하고 변속하는 시동부와;
    상기 시동부의 회전을 변속하는 변속부와;
    상기 시동부의 회전력을 전달받아 회전하는 관성축, 상기 관성축에 고정되어 상기 관성축과 함께 회전하는 한편 관성을 통해 상기 관성축을 회전시키는 관성 휠, 상기 관성 휠과 선택적으로 연결 또는 분리되어 상기 관성 휠과 연결 시 함께 회전하여 관성을 증가시키는 하나 이상의 중량 가변 휠을 포함하는 회전에너지 저장부와;
    상기 회전에너지 저장부의 관성축에 선택적으로 연결되어 회전력을 전달받아 발전하는 2개 이상의 발전기를 포함하는 발전부와;
    상기 회전에너지 저장부의 관성축을 일정 회전수로 유지하는 가변형 회전에너지 유지부를 포함하며,
    상기 변속부는 2개 이상의 변속드럼 및 상기 변속드럼들 사이에서 상기 변속드럼의 길이방향을 따라 이동하는 가변휠로 이루어져 속도를 제어하되,
    상기 변속드럼은 길이방향의 일측에서 타측으로 가면서 점진적으로 외경이 달라지는 형태이며 동축의 방향이면서 길이방향의 양쪽이 서로 반대쪽에 배치되는 대칭으로 설치되고,
    상기 가변휠은 상기 변속드럼들 사이에 이동축을 통해 이동 가능하게 구성되며 탄성부재를 통해 상기 변속드럼과 밀착되는 방향으로 탄력 지지되는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 시동부는, 상기 시동모터가 각각 탑재되며 상기 시동모터를 개별적으로 이동시켜 상기 시동축에 연결 또는 분리시키는 시동측 캐리어를 포함하는 토크 제어 시동부이며, 상기 시동측 캐리어를 통해 상기 시동모터를 선택하여 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부는 상기 관성축에 연결되는 2개 이상의 발전휠, 상기 발전휠와 각각 연결되어 상기 발전휠의 회전력으로 발전하는 2개 이상의 발전기, 상기 발전휠과 발전기가 탑재되며 상기 발전휠과 발전기를 이동시켜 상기 발전휠을 상기 관성축에 연결 또는 분리시키는 발전측 캐리어를 포함하는 출력 가변형 발전부이며, 상기 발전기의 선택을 통해 발전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전에너지 저장부의 관성축의 회전을 도와주는 관성조력수단을 포함하고,
    상기 관성조력수단은 상기 관성축에 의해 회전하는 회전체, 상기 회전체에 의해 회전하는 회전측 마그네틱, 상기 회전측 마그네틱의 회전 경로에 고정 설치되며 상기 회전측 마그네틱과 동일한 극성을 통해 척력을 발생하는 고정측 마그네틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전에너지 저장부의 관성축을 일정 회전수로 유지하는 가변형 회전에너지 유지부를 포함하고,
    상기 가변형 회전에너지 유지부는, 전원을 인가받아 구동하는 2개 이상의 모터를 갖는 모터부 및 상기 관성축에 연결 또는 분리되며 연결 시 상기 모터부의 회전을 변속하여 상기 관성축에 전달하는 변속부를 포함하고, 상기 변속부는 길이방향의 일측에서 타측으로 가면서 외경이 달라지는 2개 이상의 변속드럼 및 상기 변속드럼들과 접촉된 상태를 유지하면서 상기 변속드럼들의 길이방향을 따라 이동하는 가변휠을 포함하여 상기 관성축의 회전을 지속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 관성축에 고정되며 둘레부에 에어의 압력을 받는 베인이 구비되어 상기 관성축의 회전을 도와주는 에어 휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 관성축의 회전수를 감지하는 센서를 포함하고, 상기 가변형 회전에너지 유지부는 상기 관성축이 기준 회전수를 만족하지 못하면 상기 관성축을 강제로 회전시키고 상기 관성축이 기준 회전수를 만족하면 상기 관성축으로부터 떨어지는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 가변형 회전에너지 유지부는 모터부 및 상기 모터부의 회전력을 변속한 후 상기 관성축에 전달하는 변속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
  13. 삭제
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 관성축을 정지상태에서 회전시켜 상기 시동부의 시동을 돕는 시동조력수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 발전 장치.
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