KR102172335B1 - 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론에 관한 것이다. 상기 팬장치는, 충전식 배터리로부터 전력을 공급받아 작동하는 모터와, 상기 모터의 구동축에 고정되어 회전하는 프로펠러를 포함하는 팬과; 상기 프로펠러의 회전시 발생하는 공기의 유동압력을 받아 종동하는 로터와, 상기 로터로부터 회전토오크를 전달받아 구동하여 전력을 생산하는 발전기를 갖는 발전부와; 상기 발전부에서 생산된 전력을 상기 배터리로 전달하여 배터리를 충전하는 충전수단을 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 드론의 팬 하부에 설치되어, 비행 중 프로펠러 하부로 내려오는 공기의 유동압력을 받아 작동하며 전력을 발생하고 이를 충전기로 보내어 드론의 비행시간을 연장시킬 수 있게 하며, 또한, 발전부 로터의 회전속도가 증가할 때 로터의 관성모멘트를 증대시키는 관성모멘트발생부를 가져, 유동압력의 영향을 크게 받지 않고 안정적인 발전을 수행할 수 있다.

Description

발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론{Drone having fan device with generator}

본 발명은 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론 관한 것이다.

무선통신 방식을 통해 원격 제어되는 드론은, 처음에는 군사용으로 개발되어 단순한 사격연습에 사용되었으나, 전자 통신기술의 지속적 발전에 따라 군사용 뿐 아니라 그 이외의 다양한 분야로 확대 보급되고 있다.

가령, 사람이 쉽게 접근할 수 없는 각종 재해나 사고지역 또는 정글이나 오지 또는 화산지역 등으로 투입되어, 현장의 상황파악이나 인명구조 또는 방송용 영상을 얻기 위하여 사용되기도 하고, 배송회사에서 물품수송의 상업적 목적으로 운용한다거나, 감시카메라를 대신하는 보안 및 관제서비스에 적용되기도 한다. 또한, 최근에는 드론의 일반화에 따라 많은 사람들이 취미생활을 목적으로 드론을 구입하기도 한다.

이러한 드론은 지상의 콘트롤러로부터 송출되는 제어신호를 통해 원격 제어된다. 드론 오퍼레이터는 드론과 매칭된 콘트롤러를 이용해 드론의 비행이나 영상촬영 등 필요한 동작을 수행하게 한다.

최근에는 태블릿피씨나 스마트폰 등을 포함하는 모바일기기에서 구동되는 드론 제어 애플리케이션도 개발된 바 있다. 이러한 애플리케이션은 기존의 투박하고 커다란 콘트롤러를 따로 가지고 다닐 필요 없이, 자신이 늘상 휴대하고 있는 스마트폰으로 드론을 간단히 제어할 수 있어 매우 간편하다.

한편, 종래의 일반적인 드론은, 양력을 출력하는 다수의 팬과, 상기 팬에 전력을 공급하는 배터리를 기본적으로 구비한다. 상기 팬은, 본체에 고정된 상태로 배터리로부터 인가된 전력에 의해 회전력을 발생하는 모터와, 상기 모터의 구동축에 고정되는 프로펠러로 구성된다.

그런데 드론이 갖는 공통적인 문제 중 하나는, 모터의 전력소모가 심해 비행시간이 짧다는 것이다. 가령, 배터리를 완전 충전시켰다 하더라도 대략 10분 정도면 전력이 바닥나 그만큼 비행거리에 제약이 많은 것이다. 따라서, 예컨대 드론이 귀환하는 중에 방전되어 지상이나 강물로 추락하여 드론을 분실할 수 있는 것이다.

이에, 드론의 비행시간을 연장하기 위한 기술로서 국내등록특허 제10-1564254호(드론 무선 충전시스템)가 제안되기도 하였다. 상기 충전시스템은, 드론의 비행경로상에 다수의 무선충전소를 설치하여, 드론이 비행 중, 무선충전소에 착륙하여 전력을 공급받도록 하는 기술이다.

그런데 상기한 충전시스템은, 드론의 비행을 위해 다수의 무선충전소를 설치해야 한다는 번거로움이 있었다. 더욱이 기존 전봇대로도 복잡한 상황에서 무선충전소까지 설치한다면 거리 미관이 지나치게 복잡해질 수 있게 된다. 특히, 개별 무선충전소에 전력을 공급하기 위한 전력선도 따로 연결하고 전력도 공급해야 하므로 안전상의 문제는 차치하더라도 막대한 설치비용과 운용비용이 소요된다는 문제도 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 드론의 팬 하부에 설치되어, 비행 중 프로펠러 하부로 내려오는 공기의 유동압력을 받아 작동하며 전력을 발생하고 이를 충전기로 보내어 비행시간을 연장시킬 수 있게 하는 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 발전부 로터의 회전속도가 증가할 때 로터의 관성모멘트를 증대시키는 관성모멘트발생부가 구비되어, 유동압력의 영향을 크게 받지 않고 안정적인 발전을 수행할 수 있는 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론은, 충전식 배터리를 구비한 드론본체와; 상기 드론본체에 장착된 상태로 상기 배터리로부터 전력을 공급받아 작동하여 양력을 출력하는 것으로서, 드론본체에 고정되는 모터 및 상기 모터의 구동축에 고정되는 프로펠러를 포함하는 팬과; 상기 프로펠러의 하부에 위치된 상태로 프로펠러의 회전시 발생하는 공기의 유동압력을 받아 종동하는 로터와, 상기 로터로부터 회전토오크를 전달받아 구동하여 전력을 생산하는 발전기를 갖는 발전부와; 상기 발전부에서 생산된 전력을 상기 배터리로 전달하여 배터리를 충전하는 충전수단을 포함하고, 상기 프로펠러와 로터는 상호 단절된 상태로 대응 배치되며, 상기 프로펠러와 로터를 그 내부에 수용하며 프로펠러에 의해 발생한 공기의 유동압력을 로터로 가이드하는 윈드터널이 포함된다.

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상기와 같이 이루어지는 본 발명의 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론, 드론의 비행 중 프로펠러 하부로 내려오는 공기의 유동압력을 받아 작동하여 전력을 발생하고 이를 충전기로 보내어 드론의 비행시간을 연장시킬 수 있게 한다.

또한, 본 발명의은, 발전부 로터의 회전속도가 증가할 때 로터의 관성모멘트를 증대시키는 관성모멘트발생부를 가져, 공기 유동압력 증감의 영향을 크게 받지 않고 안정적인 발전을 수행할 수 있다.

아울러, 본 발명은, 별도의 동력소모 없이, 비행 중 배터리의 충전을 계속적으로 수행하므로 그만큼 비행시간을 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부를 갖는 팬장치를 채용한 드론의 구조 및 작동원리를 설명하기 위해 나타내 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부를 갖는 팬장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 상기 도 2에 도시한 풍향가이더의 사시도이다.
도 4는 상기 도 2에 도시한 관성모멘트발생부의 작동 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부를 갖는 팬장치(31)를 채용한 드론(11)의 구조 및 작동원리를 설명하기 위해 나타내 보인 도면이다.

도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 드론(11)은, 제어부(15) 및 충전용 배터리(17)가 장착되는 드론본체(13)와, 상기 드론본체(13)의 각 아암(13a) 단부에 설치되는 다수의 팬장치(31)를 포함한다. 상기 아암(13a)은 드론본체(13)의 외측으로 연장되며 대칭을 이루고 상기 팬장치(31)를 지지하는 부분이다.

상기 팬장치(31)는, 배터리(17)로부터 전력을 공급받아 작동하여 양력을 출력하는 팬(33)과, 상기 팬(33)의 하부에 설치되며 팬(33)으로부터 내려오는 공기의 유동압력을 받아 작동하여 전력을 생산하는 발전부(37)와, 상기 팬(33)과 발전부(37)의 사이에 설치되는 풍향가이더(35)를 포함한다.

상기 발전부(37)에서 생산된 전력은 충전케이블(도 2의 43)을 통해 배터리(17)로 전달되어 충전된다. 이와같이 드론(11)의 비행 중, 전력을 계속적으로 생산하여 배터리(17)로 전달함으로써 배터리(17)의 전력소모 속도를 늦출 수 있다. 드론(11)의 비행거리가 증가한다는 의미이다.

특히 상기 발전부(37)는 팬(33)의 프로펠러(도 2의 33c)와 물리적으로 분리된 것이므로, 팬(33)의 부하(負荷)로서 작용하지 않는다. 즉, 팬(33) 자체의 효율을 떨어뜨리지 않으며, 오직 팬(33)에 의해 야기된 공기의 유동압력만으로 작동하는 것이다.

아울러, 후술하는 바와같이, 상기 발전부(37)에는 관성모멘트발생부(도 2의 45)가 구비되어 있다. 상기 관성모멘트발생부(45)는 발전부(37)를 구성하는 로터(37c)의 관성모멘트를 최대한 일정하게 유지시켜 로터(37c)의 회전속도가 급격히 떨어지지 않도록 한다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 팬장치(31)의 구성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 팬장치(31)는, 상기 아암(13a)의 단부에 고정되며 배터리(17)로부터 전력을 공급받아 동작하여 양력을 출력하는 팬(33)과, 상기 팬(33)의 하부에 결합하며 팬(33)으로부터 하향 유동하는 공기의 스트림라인을 유도하는 풍향가이더(35)와, 상기 풍향가이더(35)의 하부에 구비되는 발전부(37)를 포함한다.

먼저, 상기 팬(33)은, 아암(13a)의 단부에 고정되는 일정직경의 케이싱(33f)과, 상기 케이싱(33f)의 내부에 고정되며 지지력을 제공하는 써포터(33a)와, 상기 써포터(33a)에 고정된 상태로 배터리(17)의 전력에 의해 작동하여 회전토오크를 발생하는 모터(33b)와, 상기 모터(33b)의 구동축에 고정되는 프로펠터(33c)를 갖는다.

본 실시예에서는 프로펠러(33c)가 모터(33b)의 하부에 위치하도록 설치되어 있지만, 경우에 따라 프로펠러(33c)가 모터(33b)의 상부에 위치되도록 장착할 수 도 있다.

상기 써포터(33a)는 모터(33b)를 지지하는 브라켓으로서, 배터리(17)로부터 연장된 전력선(미도시)을 지지하며, 전력선이 모터(33b)에 안정적으로 접속된 상태가 되게한다.

상기 프로펠러(33c)는 모터(33b)의 작동시 고속 회전하며 양력을 발생한다. 이와같은 프로펠러(33c)의 작동에 의해 팬(33) 상부의 공기는 케이싱(33f) 내부로 빨려들어가 프로펠러(33c)를 통과한 후 케이싱(33f) 하부로 분출한다. 케이싱(33f)을 하향 통과하는 공기는 프로펠러(33c)에 의해 운동에너지를 가지게 된다.

상기 프로펠러(33c)의 회전속도는 통상의 드론과 마찬가지로 제어부(15)에 의해 콘트롤된다.

상기 팬(33)의 하부에 설치되는 풍향가이더(35)는 케이싱(33f)에 대해 나사식으로 결합하는 요소로서, 팬(33)으로부터 하향 분출되는 공기를 통과시키며 공기의 흐름을 가이드한다. 이와같이 풍향가이더(35)가 팬(33)에 대해 나사 결합하므로 경우에 따라 팬(33)으로부터 풍향가이더(35)를 분리할 수 도 있다.

도 3에 상기 풍향가이더(35)를 별도로 도시하였다.

도 3에 도시한 바와같이, 상기 풍향가이더(35)는, 팬(33)의 케이싱(33f) 하단에 나사식으로 결합하는 케이싱(35a)과, 상기 케이싱(35a)이 제공하는 내부공간에 고정되는 다수의 가이드베인(35b)을 포함한다.

이러한 구성을 갖는 풍향가이더(35)는, 프로펠러(33c)에 의해 하부로 분출하는 공기를 통과시키며, 공기의 스트림라인을 대략 나선형으로 변형시킨다. 상기 풍향가이더(35)를 통과한 공기는 나선형의 흐름을 가지며 로터(37c)에 바람직한 각도로 부딪혀 로터(37c)를 회전시킨다.

상기 풍향가이더(35)는 제트엔진 내부의 스테이터베인(Stator vane)을 연상케한다.

한편, 도 1에 도시한 바와같이, 상기 풍향가이더(35) 하부에 위치하는 발전부(37)는, 풍향가이더(35)의 케이싱(35a)에 나사 결합하는 케이싱(37g)과, 상기 케이싱(37g)의 내부에 설치되는 써포터(37a)와, 상기 써포터(37a)에 지지되는 발전기(37b)와, 상기 발전기(37b)의 회전축(37d)에 고정되는 로터(37c) 및 관성모멘트발생부(45)를 포함한다.

상기 케이싱(37g)은 팬(33)의 케이싱(33f)과 동일한 내경을 갖는 원통형부재로서, 풍향가이더(35)에 대해 나사식으로 결합한다. 따라서 발전부(37)를 풍향가이더(35)로부터 분리할 수 도 있다. 더 나아가 상기 풍향가이더(35)를 분리한 상태로 팬(33)에 발전부(37)를 바로 결합할 수 도 있다.

상기 써포터(37a)는 케이싱(37g)의 내부에 고정된 브라켓으로서 발전기(37b)를 케이싱(37g)의 중심축부에 지지한다. 상기 발전기(37b)의 회전축(37d)과 모터(33b)의 구동축이 동축상에 위치함은 물론이다.

상기 발전기(37b)는 상부로 연장된 회전축(37d)을 가지며, 회전축(37d)의 축회전시 전력을 발생하여 충전케이블(43)로 인가한다. 상기 충전케이블(43)은 발전기(37b)와 접속된 전력선으로서 그 연장단부에 플러그(43a)를 가지며 아암(13a)에 구비된 접속포트(13b)에 끼워진다.

상기 접속포트(13b)는 배터리(17)와 전기적으로 내부 연결되며, 외부로부터 인가된 전력을 배터리(17)로 전달한다. 당연히, 드론본체(13)의 내부에는, 접속포트(13b)로 인가된 전력이 배터리(17)로 공급게 하는 회로기판(미도시)이 내장된다.

결국 상기 발전기(37b)에서 생산된 전력은, 충전케이블(43)과 접속포트(13b)를 거쳐 배터리(17)로 건너가 배터리(17)내에 충전되는 것이다..

상기 로터(37c)는 프로펠러(33c)에 의해 하향 유동하는 공기의 운동에너지를 받아 회전하며 회전축(37d)을 축회전시킨다. 상기 회전축(37d)이 축회전함에 의해 전력이 생산됨은 상기한 바와같다.

특히 상기 로터(37c)는 프로펠러(33c)로부터 물리적으로 분리되어 있다. 발전부(37)에 의해 팬(33) 자체의 효율이 떨어지지 않음을 의미한다.

한편, 상기 관성모멘트발생부(45)는, 상기 회전축(37d)에 고정되며 도 4에 도시한 바와같이, 회전축(37d)을 중심으로 대칭을 이루는 다수의 레디얼로드(37e)와, 각 레디얼로드(37e)에 이동 가능하도록 장착되는 관성웨이트(37f)를 포함한다.

상기 레디얼로드(37e)는 그 일단부가 회전축(37d)에 고정된 상태로 반지름 방향으로 연장된 선형부재로서 연장단부에는 스토퍼(37k)를 갖는다.

또한, 상기 레디얼로드(37e)에 끼워지는 관성웨이트(37f)는 레디얼로드(37e)의 길이방향을 따라 위치이동 가능한 부재로서, 회전축(37d)의 회전시 발생하는 원심력을 받아 상기 스토퍼(37k)측으로 이동한다. 가령, 도 4에 도시한 바와같이, 회전축(37d)가 화살표 c 방향으로 회전할 때, 원심력을 받아 화살표 f 방향으로 이동하는 것이다.

특히, 상기 레디얼로드(37e)는, 반지름방향으로 연장되며 상향 경사져 있다. 즉, 수평면에 대해 각도 θ만큼 기울어져 있는 것이다. 상기 레디얼로드(37e)의 기울기 각도(θ)는 5도 내지 30가 바람직하며, 경우에 따라 상기 각도보다 더 크거나 작을 수 도 있다.

상기와 같이 레디얼로드(37e)를 기울게 형성한 것은, 이를테면 회전축(37d)이 회전하지 않을 때에, 관성웨이트(37f)가 회전축(37d)에 최대한 근접하도록 하기 위한 것이다. 즉, 관성웨이트(37f)가 회전축(37d)에 가까울수록, 정지하고 있는 회전축(37d)을 축회전시키기 위한 기동 요구 토오크가 작기 때문이다.

상기 관성웨이트(37f)는 회전축(37d)의 회전속도가 빨라질수록 스토퍼(37k)까지 이동한 상태로 멈추어 로터(37c)와 같은 속도로 회전한다. 이와같이 관성웨이트(37f)가 회전함에 따라 회전축(37d)의 축회전이 안정적으로 유지된다.

가령, 팬(33)으로부터 내려오는 공기의 유동압력이 순간적으로 작아지더라도, 관성웨이트(37f)에 의한 관성모멘트의 작용에 의해 회전축(37d)의 회전속도가 어느정도 유지되는 것이다.

한편, 상기 팬(33)과 풍향가이더(35)와 발전부(37)를 이루는 케이싱(33f,35a,37g)은 동일한 내경을 가지며, 수직으로 연장된 유동장을 제공하는 윈드터널(41)을 이룬다. 이와같이, 윈드터널(41)을 형성함으로써 상부에서 내려온 공기의 운동에너지가 발전부(37)로 효율적으로 전달될 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

11:드론 13:드론본체 13a:아암
13b:접속포트 15:제어부 17:배터리
31:팬장치 33:팬 33a:써포터
33b:모터 33c:프로펠러 33f:케이싱
35:풍향가이더 35a:케이싱 35b:가이드베인
37:발전부 37a:써포터 37b:발전기
37c:로터 37d:회전축 37e:레디얼로드
37f:관성웨이트 37g:케이싱 37k:스토퍼
41:윈드터널 43:충전케이블 43a:플러그
45:관성모멘트발생부

Claims (9)

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5. 충전식 배터리를 구비한 드론본체와;
   상기 드론본체에 장착된 상태로 상기 배터리로부터 전력을 공급받아 작동하여 양력을 출력하는 것으로서, 드론본체에 고정되는 모터 및 상기 모터의 구동축에 고정되는 프로펠러를 포함하는 팬과;
   상기 프로펠러의 하부에 위치된 상태로 프로펠러의 회전시 발생하는 공기의 유동압력을 받아 종동하는 로터와, 상기 로터로부터 회전토오크를 전달받아 구동하여 전력을 생산하는 발전기를 갖는 발전부와;
   상기 발전부에서 생산된 전력을 상기 배터리로 전달하여 배터리를 충전하는 충전수단을 포함하고,
   상기 프로펠러와 로터는 상호 단절된 상태로 대응 배치되며,
   상기 프로펠러와 로터를 그 내부에 수용하며 프로펠러에 의해 발생한 공기의 유동압력을 로터로 가이드하는 윈드터널이 구비되는 것을 특징으로 하는 발전부를 갖는 팬장치가 구비된 드론.
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