KR102258295B1 - 하이브리드 드론용 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설치 공간이 상대적으로 적어 드론용에 적합한 구조를 갖는 하이브리드 드론용 발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진을 구동하여 배터리를 충전하는 구동 장치를 포함하는 하이브리드 드론용 발전기에 있어서, 엔진 회전축에 결합하여 회전축과 같이 회전하는 회전자 및 드론 내부 구조물에 고정되고, 상기 회전자 내부에 안착되어 상기 회전자의 회전에 따라 유도되는 전기를 생성하여 외부로 안내하는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 드론용 발전기{Generator for hybrid drone}

본 발명은 하이브리드 드론용 발전기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 엔진에 의하여 배터리를 충전하고 모터를 구동하는 동력 장치를 갖는 하이브리드 드론용 발전기에 관한 것이다.

일반적인 드론은 배터리에 저장된 전기를 이용하여 모터를 구동하는 방식으로 비행하나, 배터리의 한계로 비행시간이 30분 이내이다.

상기한 문제를 해결하기 위하여 여러 개의 배터리나 대용량의 배터리를 드론에 탑재하는 것이 가장 손쉬운 방법이나 드론에 장착되는 배터리의 개수가 무한정 증가될 수는 없으며, 특히 대용량 배터리는 무겁기 때문에 드론에 장착되는데 여러 가지 문제점이 발생된다.

상기한 기존 배터리의 문제점을 극복하기 위해 무게가 가벼우면서도 오랜 시간을 사용할 수 있는 리튬폴리머 배터리를 적용하는 기술이 개발되었으나, 리튬폴리머 배터리 역시 한 시간 이상의 전원공급이 어렵고, 주변 환경에 의하여 사용시간이 변경되는 단점이 있다.

상기와 같은 기존 드론의 대안으로 제시된 것이 하이브리드 드론으로서 배터리의 전력으로 모터가 작동하는 것은 기존 드론 시스템과 같지만, 상기 배터리를 충전할 수 있는 별도의 엔진과 상기 엔진에 직결되어 전기를 생성하는 발전기를 추가적으로 장착한 것이다.

특히, 엔진의 동력을 이용한 발전기를 구동하여 전력을 생산하여 배터리를 충전하므로, 배터리에 의한 모터 구동시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 장점이 있어 다양한 방식들에 제안되고 있다.

예를 들어 등록특허 제2009772호, 등록특허 제1820420호 및 등록특허 제1863631호는 하이브리드 드론의 다양한 구성들을 개시하고 있다.

상기한 바와 같이 하이브리드 드론은 내연기관, 특히 엔진과 상기 엔진 회전축에 직결되어 전력을 생성하는 발전기를 반드시 포함한다. 여기서 엔진은 무인 항공기 또는 RC 비행기용 엔진 등이 지속적으로 개발되어 드론에 적합한 특성을 나타내나, 발전기의 경우에는 일반적인 지상용 발전기를 적용하여 크기 및 형상이 드론용에 적합하지 않은 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 설치 공간이 상대적으로 적어 드론용에 적합한 구조인 하이브리드 드론용 발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진을 구동하여 배터리를 충전하는 구동 장치를 포함하는 하이브리드 드론용 발전기에 있어서, 엔진 회전축에 결합하여 회전축과 같이 회전하는 회전자 및 드론 내부 구조물에 고정되고, 상기 회전자 내부에 안착되어 상기 회전자의 회전에 따라 유도되는 전기를 생성하여 외부로 안내하는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 회전자는 하우징과 상기 하우징 내부에 환형으로 배치되는 자석셋을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 하우징은 내경부에 상기 자석셋이 배치되는 원통 형상의 림; 엔진 회전축이 결합하는 원통형상의 허브; 및 상기 허브의 측면과 상기 림의 측면을 연결하는 스포크를 포함하고, 상기 하우징의 폭은 상기 하우징 직경의 20% 내지 30%인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 스포크는 상기 허브 측면에 연장되는 원판 형상의 스포크 베이스와 상기 스포크 베이스에서 연장되어 상기 림 측면에 연결되는 복수의 단위 스포크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 단위 스포크는 상기 림의 측면에서 연장되는 수평부와 상기 스포크 베이스에 연장되는 수직부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 단위 스포크는 반경 방향으로 폭이 줄어드는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 고정자는: 링부, 치형부, 상기 치형부 끝단에 형성되는 외형부 및 내경부를 포함하는 코어;와 상기 코어에 권취되는 코일을 포함하고, 상기 코어가 드론 구조물에 고정되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 내경부에는 중심 방향으로 돌출형성되는 고정부를 포함하고, 상기 고정부에는 고정홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 코어는 상기 고정홀에 삽입되는 고정로드를 더 포함하고, 상기 고정로드에 의하여 드론 구조물에 고정자가 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 기 자석셋은 복수의 단위 자석을 포함하고, 상기 단위 자석의 착자 방향은 시계방향으로 '←', '↑', '→' 및 '↓' 순으로 순차적으로 반복되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 드론용 발전기는 내부에 자석이 부착되는 케이싱과, 상기 케이싱 내부에 배치되는 고정자를 포함하여, 외륜이 회전하는 형태 구성되어 얇은 두께로도 소정의 출력이 생성이 가능하여 드론 설치 시 요구 공간을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 드론용 발전기의 구성을 나타내는 조립도이며,
도 2는 도 1에 도시된 회전자의 구성도이며,
도 3은 도 2에 도시된 하우징의 구성도이며,
도 4는 도 2에 도시된 스포크의 구성도이며,
도 5는 도 1에 도시된 자석셋의 배치도이며,
도 6은 도 1에 도시된 고정자의 구성도이며,
도 7은 도 6에 도시된 코어의 구성도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 하이브리드 드론용 발전기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외륜이 회전하는 형태로, 폭이 좁은 원통형상의 회전자(10)와 상기 회전자 내부에 배치되는 폭이 좁은 원통형의 고정자(60)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 회전자(10)는 엔진의 출력축에 연결되어 회전하고, 상기 고정자(60)는 외부 부재에 고정되며, 상기 회전자(10)의 회전에 의하여 상기 고정자(60) 권선에 전기가 유도되며, 유도된 전기는 별도의 배터리에 저장되거나, 드론 구동용 메인 모터에 직접 공급된다.

먼저 상기 회전자(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(11)과 상기 하우징(11) 내부에 배치되는 자석셋(12)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 자석셋(12)은 동일한 크기의 단위 자석(13)이 원통형으로 연속되어 배치된다.

상기 하우징(11)은 도 3에 도시된 바와 같이, 외곽에 폭이 좁은 원통형상의 림(20), 상기 림(20)의 원점과 동일한 원점이며, 림(20) 내부에 배치되는 허브(30)와 상기 허브(30)의 일측면과 상기 림(20)의 일측면을 연결하는 스포크(40)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 림(20)의 내부에는 자석셋(12)이 배치되며, 상기 자석셋(12)은 림(20) 내경부에 부착되어 고정된다.

한편, 상기 스포크(40)는 상기 허브(30) 측면에서 수직으로 연장형성되는 스포크 베이스(41)와 상기 스포크 베이스(41)와 상기 림(20)을 연결하는 복수의 단위 스포크(42)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 단위 스포크(42)는 스포크 베이스(41)에서 림(20) 방향으로, 즉, 반경 방향으로 폭이 줄어드는 형태로 구성되어, 동일한 강도를 유지하면서, 하우징(11) 전체의 중량과 관성모멘트를 줄이는 효과를 제공한다.

상기 단위 스포크(42)는 상기 림(20)의 측면에서 수평으로 연장되는 수평부(43)와 상기 수평부(43) 끝단에서 상기 스포크 베이스(41)까지 수직으로 연장되는 수직부(44)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 스포크(40)의 구조는 림(20)과 허브(30) 사이의 공간을 충분히 확보할 수 있어, 림(20) 폭과 동일한 자석셋(12)을 적용할 수 있어, 최대 발전 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 하우징(11)의 폭은 림(20)의 폭에 상기 수평부의 폭을 합한 것으로, 상기 폭을 b, 하우징(11)의 직경이 D라 할 경우,

상기 b는 0.2D 내지 0.3D로 설정하는 것이 바람직하다.

이때 상기 b가 0.2D 미만인 경우에는 직경에 비하여 설치할 수 있는 자석셋(11)의 폭이 좁아 발전기 출력이 낮은 단점이 있고, b가 0.3D를 초과하는 경우 전체 발전기의 폭이 넓어 많은 설치면적을 요구하여 드론용으로 부적절하다.

따라서, 하우징(11)의 폭은 하우징(11) 직경의 20% 내지 30%로 설정하는 경우 드론용으로 사용하기에 가장 효율적이다.

한편, 허브(30)는 원통형상으로 구성되며, 중앙에는 엔진출력 축 또는 엔진 출력축에 연결되는 회전축이 결합하는 허브홀(31)이 형성되어 있다.

기타 고정을 위한 나사홀 등이 형성되어 있으며, 별도의 회전축이 상기 허드홀(31)에 결합되면 상기 나사홀 등에 의하여 허브(30)와 회전축이 직결된다.

따라서, 엔진의 출력축이 회전하는 경우, 상기 하우징(20) 전체가 회전한다.

한편, 상기 림(20) 내경부에는 상기한 바와 같이 복수의 단위 자석(13)이 환형으로 배치된다.

상기 단위 자석(13)의 착자 방향은 도 5에 도시된 바와 같은 할박배열(Halbach array)로 배치된다.

여기서 착자방향은 '→'는 자석의 극이 SN으로 배치되는 것을 의미한다. 나머지 방향 역시 동일한 규칙을 따른다.

각 단위 자석(13)의 착자 방향은 특정한 위치에서 시계방향으로 '←', '↑', '→', '↓' 순으로 배치된다.

즉, 상기와 같은 할박배열은 환형의 자석셋(12) 원점을 중심으로 12시에 배치된 단위 자석(13)의 착자 방향이 '←'인 경우, 반시계 방향으로 상기 자석셋(12)을 단위 자석(13)만큼 회전시키는 경우, 다음 12시에 위치하는 자석은 '↑'이고, 다음 회전 시에는 '→' 및 '↓' 이고 이후에는 순차적으로 반복되는 형태로 배치되는 것을 의미한다.

상기와 같은 자석셋(12)의 배치는 단순한 배치에 비하여 월등한 전기적 특성을 나타낸다.

한편 상기 고정자(60)는 도 6에 도시된 바와 같이, 코어(70)와 상기 코어(70)에 권취되는 복수의 코일(80)을 포함하여 구성된다. 상기 복수의 코일(80)은 3상 결선이 되도록 서로 전기적으로 연결되며, 외부와의 연결을 위하여 별도의 인출선을 포함하여 구성되나, 상기 코일(80)의 결선과 연결 구조는 통상의 방식으로 구현된다.

그리고 상기 코어(70)의 폭은 상기 림(20)의 내면 폭과 동일하게 구성하여 림(20) 내면에 부착되는 자석셋(12)의 폭과 대응되도록 한다.

또한, 상기 코어(70)는 도 7에 도시된 바와 같이, 환형의 링부(71)와 상기 링부(71) 외면에서 반경 방향으로 연장되는 복수의 치형부(72), 상기 각 치형부(72) 끝단에 형성되는 외형부(73)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 각 치형부(72)에 코일(80)이 권취되며, 치형부(72)의 수는 요구하는 사양에 따라 적절히 선택되며, 원주방형으로 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 외형부(73)는 상기 치형부(72)에서 연장 형성되며 외면은 고정자(60) 직경으로 구성되는 전체 원에 일치하는 원호로 구성된다.

또한, 상기 코어(70)는 링부(71) 내부에 형성되는 내경부(74)를 포함하며, 상기 내경부(74)는 상기 허브(30)의 외경보다 크게 형성하여 허브(30)와 간섭이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 내경부(74)에는 고정자(60)의 고정을 위한 복수의 고정부(75)가 내경방향으로 연장형성된다. 상기 고정부(75)의 내경 방향 높이는 허브(30)와 간섭이 발생하지 않도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 고정부(75)는 고정로드(77)가 결합하는 고정홀(76)을 포함하며, 필요한 경우 상기 고정홀(76)에는 고정로드(77) 일측과 결합을 위한 나사산이 형성될 수 있으며, 필요한 경우 상기 고정홀(76)은 하나의 고정부(75)에 복수개 형성될 수도 있다.

그리고 상기 고정로드(77)는 상기 하우징(11)이 위치하는 반대방향으로 돌출되며, 상기 고정로드(77)의 타측이 드론의 내부 구조물에 결합하여 전체 고정자(60)를 고정한다.

필요한 경우, 상기 고정로드(77)는 통상의 볼트로 구성하고, 볼트의 헤드부가 상기 하우징(11) 방향에 배치시키는 경우 나사산부가 반대로 배치되어 역시 드론 내부 구조물에 고정자(60)를 고정시킬 수 있다.

또한 상기 코일(80)에서 유도되는 전기를 외부로 인출하는 인출선 역시 상기 하우징(11)이 위치하는 반대방향에 설치되는 것이 배터리 또는 제어기와의 연결측면에서 유리하다.

상기한 바와 같이, 하우징(11)의 폭을 하우징(11)의 직경에 비하여 좁게 형성하여 전체 발전기(100) 형태가 원판 형태로 구성되어 드론에 장착 시 높은 공간효율을 제공하는 장점이 으며, 또한 회전자(10)와 고정자(60)가 별도로 구성되어 유지 보수가 편리한 효과를 제공한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하이브리드 드론용 발전기를 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10: 회전자 11: 하우징
12: 자석셋 13: 단위 자석
20: 림 30: 허브
31: 허브홀 40: 스포크
41: 스포크 베이스 42: 단위 스포크
43: 수평부 44: 수직부
60: 고정자 70: 코어
71: 링부 72: 치형부
73: 외형부 74: 내경부
75: 고정부 76: 고정홀
77: 고정로드 80: 코일
100: 하이브리드 드론용 발전기

Claims (10)

1. 엔진을 구동하여 배터리를 충전하는 구동 장치를 포함하는 하이브리드 드론용 발전기에 있어서,
   엔진 회전축에 결합하여 회전축과 같이 회전하는 회전자 및 상기 엔진 회전축 반대방향의 드론 내부 구조물에 고정되고, 상기 회전자 내부에 안착되어 상기 회전자의 회전에 따라 유도되는 전기를 생성하여 외부로 안내하는 고정자를 포함하고,
   상기 회전자는 하우징과 상기 하우징 내부에 환형으로 배치되는 자석셋을 포함하고,
   상기 하우징은 내경부에 상기 자석셋이 배치되는 원통 형상의 림;
   엔진 회전축이 결합하는 원통형상의 허브; 및
   상기 허브의 측면과 상기 림의 측면을 연결하는 스포크를 포함하고,
   상기 하우징의 폭은 상기 하우징 직경의 20% 내지 30%이며,
   상기 스포크는 상기 허브 측면에 연장되는 원판 형상의 스포크 베이스와 상기 스포크 베이스에서 연장되어 상기 림 측면에 연결되는 복수의 단위 스포크를 포함하며,
   상기 단위 스포크는 상기 림의 측면에서 직선으로 연장되는 수평부와 상기 스포크 베이스에 직선으로 연장되어 상기 수평부와 직각인 수직부를 포함하는 것을 특징으로 하이브리드 드론용 발전기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서, 상기 단위 스포크는 반경 방향으로 폭이 줄어드는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론용 발전기.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자는:
   링부, 치형부, 상기 치형부 끝단에 형성되는 외형부 및 내경부를 포함하는 코어;와 상기 코어에 권취되는 코일을 포함하고, 상기 코어가 드론 구조물에 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론용 발전기.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 내경부에는 중심 방향으로 돌출형성되는 고정부를 포함하고, 상기 고정부에는 고정홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론용 발전기.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 코어는 상기 고정홀에 삽입되는 고정로드를 더 포함하고, 상기 고정로드에 의하여 드론 구조물에 고정자가 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론용 발전기.
   
10. 청구항 1에 있어서, 상기 자석셋은 복수의 단위 자석을 포함하고, 상기 단위 자석의 착자 방향은 시계방향으로 '←', '↑', '→' 및 '↓' 순으로 순차적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론용 발전기.
    

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