KR102180061B1 - 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치에 관한 것으로, 본 발명은 섀시; 상기 섀시와 액티브 서스펜션을 통해 연결되는 타이어; 및 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의한 유체 이동에 의해 전기를 생성하는 나노발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 마찰전기를 이용한 나노발전기를 통해 액티브 서스펜션의 에너지를 수확할 수 있는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치에 관한 것이다.
마찰전기와 정전기유도를 이용한 나노발전기는 저렴한 비용, 간단한 구조, 높은 에너지 변환 효율, 및 다양한 에너지를 이용하여 발전할 수 있기 때문에 많은 주목을 받고 있는데, 최근, 많은 연구자들은 동적 에너지를 전기로 변환하는 방법 및 메커니즘을 개발하고 있으며, 이러한 마찰전기 나노발전기를 다양한 산업 분야에 적용하고 있다.
일반적으로, 액티브 서스펜션은 기존의 패시브 및 세미 액티브 서스펜션에 비해 서스펜션의 성능을 향상시키기 위해 사용되고 있는데, 이러한 액티브 서스펜션은 타이어와 노면 사이의 접촉을 유지함으로써 차량의 안정성을 보장할 뿐만 아니라 승객의 승차감을 향상시킬 수 있다.
특히, 액티브 서스펜션은 차량이 움직일 때, 액추에이터가 서스펜션에서 방출되는 에너지에 제어력을 제공함으로써 진동을 자주 발생시키는데, 본 출원인은 이러한 진동에너지를 이용하기 위해, 섀시와 타이어 사이에 마찰전기를 이용한 나노발전기를 설치하여 해당 액티브 서스펜션에서 발생되는 진동에너지로부터 전기에너지를 쉽게 수확할 수 있는 장치를 개발하였다.
본 발명은 나노발전기를 차량의 액티브 서스펜션에 설치하여 해당 액티브 서스펜션에서 발생되는 진동에 의해 유체를 해당 나노발전기 내부에서 왕복이동시켜 유체마찰에 의해 전기에너지를 수확할 수 있는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 유체마찰에 의해 수확한 전기에너지를 섀시에 연결된 진동센서로 공급함으로써 해당 진동센서가 섀시의 고주파 진동에 의한 진폭과 가속도를 각각 측정하도록 할 수 있는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치는 섀시; 상기 섀시와 액티브 서스펜션을 통해 연결되는 타이어; 및 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의한 유체 이동에 의해 전기를 생성하는 나노발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노발전기는, 일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 상기 타이어에 연결되는 공압실린더; 상기 공압실린더에 연결되고 상기 공압실린더로부터 가해지는 압력에 의해 유체마찰전기를 생성하는 발전부; 및 상기 발전부에 연결되어 상기 발전부에서 생성된 전기를 저장하는 축전부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 공압실린더는, 제1 유체가 저장되며 일단이 상기 타이어에 연결되는 실린더; 및 일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 진동에 의해 상기 실린더 내에서 이동하여 상기 발전부에 압력을 가하는 로드;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전부는, 상기 실린더의 양단에 연결되어 내부에 제2 유체가 이동가능하게 포함되는 튜브관; 및 상기 튜브관의 일정 위치에 구비되는 전극;을 포함하고, 상기 전극은 상기 튜브관의 외주면에 구비될 수 있다.
또한, 상기 축전부는, 상기 전극에 연결되는 휘스톤 회로 내에 구비되어 상기 발전부에서 생성된 전기를 저장하는 캐패시터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액티브 서스펜션은, 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 노면 충격을 1차 완충하는 스프링; 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 노면 충격을 2차 완충하는 댐퍼; 및 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 제어력에 의해 노면 충격을 능동적으로 완충하는 액추에이터;를 포함하고, 상기 액추에이터는, 공압 액추에이터 또는 유압 액추에이터로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 섀시에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의한 진폭과 가속도를 측정하는 진동센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 진동센서는, 상기 축전부에 연결되어 상기 축전부로부터 전력을 공급받아 동작 가능할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치는 일단이 섀시에 연결되고 타단이 타이어에 연결되는 공압실린더; 상기 공압실린더에 연결되고 상기 공압실린더로부터 가해지는 압력에 의해 유체마찰전기를 생성하는 발전부;를 포함하고, 상기 공압실린더는, 제1 유체가 저장되며 일단이 상기 타이어에 연결되는 실린더; 및 일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 진동에 의해 상기 실린더 내에서 이동하여 상기 발전부에 압력을 가하는 로드;를 포함하며, 상기 발전부는, 상기 실린더의 양단에 연결되어 내부에 제2 유체가 이동가능하게 포함되는 튜브관; 및 상기 튜브관의 일정 위치에 구비되는 전극;을 포함하고, 상기 전극은 상기 튜브관의 외주면에 구비될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치에 의하면, 나노발전기를 차량의 액티브 서스펜션에 설치하여 해당 액티브 서스펜션에서 발생되는 진동에 의해 유체를 해당 나노발전기 내부에서 왕복이동시켜 유체마찰에 의해 전기에너지를 수확할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유체마찰에 의해 수확한 전기에너지를 섀시에 연결된 진동센서로 공급함으로써 해당 진동센서가 섀시의 고주파 진동에 의한 진폭과 가속도를 각각 측정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치의 제 1구성도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 나노발전기의 작동 원리를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치의 제 2구성도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 나노발전기의 작동 원리를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치의 제 2구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치의 제 1구성도이다.
본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 섀시(100), 타이어(200), 나노발전기(300) 및 액티브 서스펜션(400)을 포함한다.
상기 섀시(100)는 차량의 기본을 이루는 차대로, 도 1에서는 단일의 지지부재로 도식화하였다.
상기 타이어(200)는 상기 액티브 서스펜션(400)을 통해 상기 섀시와 연결되어 차량과 노면형상(600) 사이에 접촉을 유지함으로써 노면의 충격을 흡수할 수 있다.
구체적으로, 타이어(200)는 도 1에서 제 1지지부재(210), 제 2지지부재(220), 스프링(230), 및 노면접점부재(240)로 도식화하였는데, 한 쌍의 스프링(230)을 제 1지지부재(210)와 제 2지지부재(220) 사이에 구비시킴으로써 해당 타이어가 탄성에 의해 노면의 충격을 흡수할 수 있음을 모델링하였고, 또한, 노면접점부재(240)를 노면형상(600)에 접촉시킴으로써 해당 타이어의 노면에 접촉하는 부위로 모델링하였다.
상기 나노발전기(300)는 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 상기 섀시 또는 타이어의 진동에 의한 유체 이동에 의해 전기를 생성할 수 있다.
구체적으로, 나노발전기(300)는 공압실린더(310), 발전부(320), 및 축전부(330)를 포함할 수 있다.
상기 공압실린더(310)는 일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 상기 타이어에 연결될 수 있는데, 이러한 공압실린더(310)는 실린더(311), 및 로드(312)를 포함할 수 있다.
상기 실린더(311)는 일단이 상기 타이어에 연결되며 내부에 제1 유체가 저장될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 실린더에 저장되는 제1 유체는 공기일 수 있으며, 또는 오일, 또는 물일 수도 있다.
상기 로드(312)는 일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 상기 실린더 내에서 이동 가능하게 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 로드(312)는 그 타단이 상기 섀시의 진동에 의해 상기 실린더 내에서 왕복 이동할 수 있고, 이러한 로드의 왕복 이동에 의해 해당 로드에 의해 구분되는 상기 실린더 내의 두 챔버의 체적을 변경시킬 수 있으며, 상기 실린더의 두 챔버의 체적 변경에 의해 압력을 발생시킴으로서 상기 실린더로부터 상기 발전부(320)에 양압 또는 음압을 가할 수 있다.
상기 발전부(320)는 상기 공압실린더에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의해 해당 공압실린더로부터 가해지는 압력에 의해 제2 유체를 왕복이동시키고, 상기 제2 유체의 마찰에 의해 전기를 생성할 수 있는데, 이러한 발전부(320)는 튜브관(321), 및 전극(322)을 포함할 수 있다.
상기 제2 유체는 상기 튜브관(321) 내에 구비된다. 일실시예로서, 상기 제2 유체는 DI 물방울(Deionized water droplet)로 이루어질 수 있으며, 이하, 본 발명에 기재된 제2 유체는 DI 물방울을 의미한다. 다만 상기 제2 유체는 DI 물방울에 한정되지 않으며, 튜브관(321)과의 상대적인 대전율 차이에 의하여 마찰전기를 발생시킬 수 있으면 어떠한 유체(예를 들면 일반적인 물)도 사용될 수 있다.
상기 튜브관(321)은 상기 실린더의 양단에 연결되어 내부에서 상기 제2 유체가 왕복이동할 수 있는데, 일 실시예로서 튜브관(321)은 PVDF(폴리비닐리덴플로우라이드) 튜브관으로 이루어질 수 있지만 이에 한정되지 않고, 상기 제2 유체와의 대전율 차이에 의하여 마찰전기를 발생시킬 수 있으면 어떤 재료라도 사용될 수 있다.
구체적으로, 튜브관(321)은 일단이 상기 실린더의 상부 일측단에 연결되고 타단이 상기 실린더의 하부 일측단에 연결될 수 있는데, 이러한 튜브관(321)은 예를 들어, 실린더의 상부 일측단으로부터 압력을 가하여(또는 실린더의 하부 일측단으로부터 음압을 가하여) 상기 제2 유체를 하방으로 이동시킬 수 있고, 이와 반대로, 실린더의 하부 일측단으로부터 압력을 가하여, 상기 제2 유체를 상방으로 이동시킬 수 있다.
여기서, 상기 제2 유체(313)는 상기 섀시(100)가 상승할 경우, 즉, 로드(312)가 실린더(311) 내에서 상승하여 섀시가 위로 움직일 때, 하기의 [수학식 1]에 의한 속도()로 튜브관을 통해 하부 방향으로 이동할 수 있다.
또한, 상기 제2 유체(313)는 상기 섀시(100)가 하강할 경우, 즉, 로드(312)가 실린더(311) 내에서 하강하여 섀시가 아래로 움직일 때, 하기의 [수학식 2]에 의한 속도()로 튜브관을 통해 상부 방향으로 이동할 수 있다.
한편, 상기 전극(322)은 상기 튜브관의 일정 위치에 구비될 수 있고, 특히, 해당 튜브관의 외주면에 구비될 수 있다.
구체적으로, 이러한 전극(322)은 예를 들어, CU 전극으로 이루어지면서 상기 튜브관의 중앙 부위에 구비될 수 있다.
상기 축전부(330)는 상기 발전부에 연결되어 해당 발전부에서 생성된 전기를 저장할 수 있는데, 이러한 축전부(330)는 휘스톤 회로(331), 및 캐패시터(332)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 휘스톤 회로(331)는 상기 전극에 연결되어 상기 발전부에서 발생된 전기를 정류할 수 있다.
상기 캐패시터(332)는 상기 휘스톤 회로 내에 구비되어 상기 발전부에서 생성된 전기를 저장할 수 있다.
한편, 상기 나노발전기(300)는 제2 유체(313)가 튜브관(321)과 전극(322)을 따라 이동할 때, 상기 제2 유체와 튜브관 사이의 접촉을 기반으로 마찰전기 및 정전기유도에 의해 전류를 생성할 수 있다.
도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 나노발전기에서 전기가 발생되는 원리를 나타내는 도이다.
구체적으로, 공압실린더(310)는 상기한 바와 같이, 섀시(100)의 진동에 의해 실린더(311) 내의 챔버 체적이 변함으로써 제2 유체(313)를 튜브관(321) 내부에서 이동시킬 수 있는데, 이때, 튜브관 내부의 마찰전기 전하는 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 유체(313)가 전극(322)에 도달하기 전에 전극은 (+)전하로, 튜브관은 (-)전하로 균형을 이룰 수 있다.
이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 유체(313)가 전극의 위치에 도착하는 경우, 튜브관 표면에 대전된 (-)전하에 의해 제2 유체(313)의 (+)전하가 증가하는데, 이때, 유도된 인터페이스 전위차는 (-)전하를 접지에서 전극으로 흐르게 함으로써 전류를 생성할 수 있다.
이러한 전류는 휘스톤 회로(331)에 의해 정류되고, 전하는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 유체(313)가 계속 이동하여 전극의 반대편에 위치하기 전까지 캐패시터(332)에 저장될 수 있다.
이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 유체(313)가 계속 이동하여 전극을 떠날 때, 역전류를 수신하는데, 이때, (-)전하는 유도된 계면 전위에 의해 전극을 떠나 커패시터에 저장되고, 해당 과정은 제2 유체(313)가 전극으로부터 모두 빠져 나올 때까지 계속되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 유체(313)가 전극으로부터 모두 빠져 나온 경우, 제2 유체(313)는 중립상태에 있으면서 전극은 (+)전하로 대전될 수 있다.
이후, 제2 유체(313)는 전극(322)으로 다시 돌아가는데, 제2 유체(313)가 전극의 위치로 되돌아 오는 동안, 제2 유체(313)가 도 6에 도시된 위치에 있는 경우, 튜브관(321)과 전극(322) 사이의 전위는 동등하기 때문에 전력은 없고, 제2 유체(313)가 전극의 위치에 도달하면 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기한 도 3 내지 도 5에 도시된 발전 원리와 동일한 방식에 의해 전류를 생성하여 전하를 캐패시터(332)에 저장할 수 있다.
한편, 상기 액티브 서스펜션(400)은 유압이나 공기압에 의해 제어력을 가하여 진동을 억제하는 서스펜션으로, 이러한 액티브 서스펜션은 스프링(410), 댐퍼(420), 및 액추에이터(430)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 스프링(410)은 상기 섀시(100)와 타이어(200) 사이에 연결되어 노면 충격을 수동적으로 완충할 수 있는데, 이러한 스프링은 노면 충격을 1차적으로 완충할 수 있다.
상기 댐퍼(420)는 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 노면 충격을 수동적으로 완충할 수 있는데, 이러한 댐퍼는 노면 충격을 2차적으로 완충할 수 있다.
상기 액추에이터(430)는 상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 제어력을 발생시켜 노면 충격을 능동적으로 완충할 수 있는데, 이러한 액추에이터(430)는 공압 액추에이터 또는 유압 액추에이터로 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치의 제 2구성도이다.
한편, 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치는 도 10에 도시된 바와 같이, 상기한 섀시(100), 타이어(200), 나노발전기(300) 및 액티브 서스펜션(400) 외에, 그 구성으로 진동센서(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 진동센서(500)는 상기 섀시(100)에 연결되어 해당 섀시의 진동에 의한 진폭과 가속도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 진동센서(500)는 차량의 메인 전원(미도시)으로부터 전력을 공급받아 가동할 수 있고, 특히, 나노발전기(300)의 축전부(330)에 연결되어 해당 축전부로부터 전력을 공급받아 동작 가능할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 섀시(100)의 진동에 의해 공압실린더가 튜브관(321)에 압력을 가하여 튜브관(321) 내에서 제2 유체(313)를 왕복이동시켜 튜브관(321) 외주면에 설치된 전극(322)에 전하를 유도하고, 튜브관(321)의 계속적인 이동에 의해 전극에 유도되는 전하량을 변동시키며, 전극의 유도 전하량 차이에 의해 생성되는 기전력을 캐패시터에 전력으로 저장함으로써 해당 전력을 액티브 서스펜션의 진동을 측정하기 위한 진동센서(500)의 전원으로 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100:섀시 200:타이어
210:제 1지지부재 220:제 2지지부재
230,410:스프링 240:노면접점부재
300:나노발전기 310:공압실린더
311:실린더 312:로드
313:제2 유체 320:발전부
321:튜브관 322:전극
330:축전부 331:휘스톤 회로
332:캐패시터 400:액티브 서스펜션
420:댐퍼 430:액추에이터
500:진동센서 600:노면형상
210:제 1지지부재 220:제 2지지부재
230,410:스프링 240:노면접점부재
300:나노발전기 310:공압실린더
311:실린더 312:로드
313:제2 유체 320:발전부
321:튜브관 322:전극
330:축전부 331:휘스톤 회로
332:캐패시터 400:액티브 서스펜션
420:댐퍼 430:액추에이터
500:진동센서 600:노면형상
Claims (11)
- 섀시;
상기 섀시와 액티브 서스펜션을 통해 연결되는 타이어; 및
상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의한 유체 이동에 의해 전기를 생성하는 나노발전기;를 포함하고,
상기 나노발전기는,
일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 상기 타이어에 연결되는 공압실린더;
상기 공압실린더에 연결되고 상기 공압실린더로부터 가해지는 압력에 의해 유체마찰전기를 생성하는 발전부; 및
상기 발전부에 연결되어 상기 발전부에서 생성된 전기를 저장하는 축전부;를 포함하며,
상기 공압실린더는,
제1 유체가 저장되며 일단이 상기 타이어에 연결되는 실린더; 및
일단이 상기 섀시에 연결되고 타단이 진동에 의해 상기 실린더 내에서 이동하여 상기 발전부에 압력을 가하는 로드;를 포함하고,
상기 발전부는,
상기 실린더의 양단에 연결되어 내부에 제2 유체가 이동가능하게 포함되는 튜브관; 및
상기 튜브관의 일정 위치에 구비되는 전극;을 포함하며,
상기 전극은 상기 튜브관의 외주면에 구비되고,
상기 축전부는,
상기 전극에 연결되는 휘스톤 회로 내에 구비되어 상기 발전부에서 생성된 전기를 저장하는 캐패시터;를 포함하며,
상기 제2 유체는,
상기 섀시가 상승할 경우,
하기의 수학식에 의한 속도()로 이동하는 것을 특징으로 하는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치.
(여기서, 은 섀시가 상승할 경우의 제2 유체 속도, 은 섀시 속도, 는 공압실린더의 보어 면적, 는 공압실린더의 로드 면적, 는 튜브관의 내부 단면적임)
- 삭제
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- 삭제
- 제 7항에 있어서,
상기 액티브 서스펜션은,
상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 노면 충격을 1차 완충하는 스프링;
상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 노면 충격을 2차 완충하는 댐퍼; 및
상기 섀시와 타이어 사이에 연결되어 제어력에 의해 노면 충격을 능동적으로 완충하는 액추에이터;를 포함하고,
상기 액추에이터는,
공압 액추에이터 또는 유압 액추에이터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 섀시에 연결되어 상기 섀시의 진동에 의한 진폭과 가속도를 측정하는 진동센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 진동센서는,
상기 축전부에 연결되어 상기 축전부로부터 전력을 공급받아 동작 가능한 것을 특징으로 하는 액티브 서스펜션의 에너지 수확장치.
- 삭제
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006161881A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Toyota Motor Corp | 車両懸架装置、車両制御装置、及び車両制御方法 |
KR100971152B1 (ko) | 2008-06-11 | 2010-07-20 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 차량의 현가장치를 이용한 발전장치 |
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JP2012184792A (ja) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Kyb Co Ltd | 緩衝器 |
JP2015048859A (ja) * | 2013-08-30 | 2015-03-16 | ダイハツ工業株式会社 | ショックアブソーバ |
-
2019
- 2019-09-09 KR KR1020190111287A patent/KR102180061B1/ko active IP Right Grant
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