KR20140050765A

KR20140050765A - 수동 크랭크 발전기

Info

Publication number: KR20140050765A
Application number: KR1020120116425A
Authority: KR
Inventors: 이지영; 구대현; 박병건
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-04-30

Abstract

본 발명은 휴대용 자가 발전기에 관한 것으로서, 적은 힘으로도 크랭크를 큰 토크로 회전조작할 수 있으면서 대용량의 출력을 낼 수 있고, 회전조작시 발생하는 변속부 소음이 저감되는 휴대용 자가 발전기를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 사용자가 회전조작하도록 구비되는 크랭크; 상기 크랭크가 연결되고 사용자에 의해 조작되는 크랭크의 회전력을 입력받아 변속 후 출력하는 변속부; 상기 변속부로부터 출력되는 회전력에 의해 교류 전력을 생성하는 발전부; 및 상기 발전부의 교류 전력을 최종 출력 전압 및 전류 조건을 만족하는 직류 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환부;를 포함하며, 상기 크랭크의 크랭크암은 복수개의 암부재들이 길이방향으로 연속 배치되어 상호 중첩 및 전개 가능하도록 다단으로 연결된 구성을 가짐으로써 크랭크암의 길이 및 크랭크의 회전반경이 조절될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기를 제공한다.

Description

수동 크랭크 발전기{Manual Crank Generator}

본 발명은 휴대용 자가 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적은 힘으로도 크랭크를 큰 토크로 회전조작할 수 있으면서 대용량 출력을 낼 수 있고, 회전조작시 발생하는 변속부 내 기어 소음이 저감될 수 있는 수동 크랭크 발전기에 관한 것이다.

최근 전자기술이 비약적으로 발전함에 따라 생활 도처에 전원공급을 필요로 하는 장비의 사용이 증가하고 있으며, 각 장비의 전원공급장치로는 이차 전지의 형태, 즉 재충전이 가능한 배터리가 널리 사용되고 있다.

대표적인 이차 전지로는 납축전지, 니켈전지, 리튬이온 전지가 있으며, 이 중에 리튬이온 전지는 무게당 용량이 가장 크고 성능이 우수하여 군 및 민간용 통신장비와 같은 휴대용 전자장비의 배터리는 물론 자동차용 배터리로도 유용하게 사용되고 있다.

군용 전자장비의 경우, 일반적으로 전자장비 하나당 기본 배터리와 여분의 배터리가 함께 운반되며, 같은 종류의 배터리를 사용하지 않는 장비의 수가 증가할수록 기본 배터리와 함께 여분의 배터리 수도 증가하게 된다.

민간용 휴대 전자장비의 경우에도 오지나 산간 지방에 장시간 머무를 경우 필요한 배터리 수가 증가하게 된다.

자동차의 경우 운행 중에 배터리가 충전되나, 전자장비의 증가로 방전 또한 쉽게 되고, 특히 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 경우에는 배터리가 엔진을 완전히 대체하고 있는 상황이다.

따라서, 긴급 상황에서 배터리가 모두 방전되거나 여분이 부족하게 되면 휴대 전자장비의 원활한 운용 및 네트워킹을 유지할 수 없고, 전기자동차의 경우에는 운전이 불가능한 상황이 되어 장비 사용자의 안정성이 크게 저하된다.

이에 여분의 배터리 수를 감소시키면서 비상시에 자가 발전을 가능하게 하여 전자장비의 운용 안정성을 향상시킬 수 있는 자가 발전 시스템이 필요하다.

자가 발전 시스템으로는 휴대 장비 또는 전기자동차의 특성상 휴대가 간편하면서 인력만으로 전력을 생산할 수 있는 공지의 휴대용 발전기가 유용하다.

휴대용 자가 발전기는 수동으로 배터리 충전 등을 위한 전력을 생산하고 공급할 수 있는 소형 발전장치로, 도 1은 공지된 휴대용 자가 발전기(100)의 구성을 간략히 예시한 도면이다.

도시된 예는 발전을 위해 사용자가 크랭크(101)를 손으로 돌려야 하는 발전기로서, 크랭크(101)가 연결된 변속부(110), 변속부(110)를 통해 크랭크(101)의 회전력을 입력받아 3상 교류 전력을 생성하는 발전부(120), 발전부(120)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환부를 주된 구성으로 한다.

여기서, 변속부(110)는 크랭크(101)의 회전력을 변속하여 발전부(120)로 전달하는 복수개의 기어들로 구성되고, 발전부(120)는 회전자와 고정자로 구성된다.

또한, 전력변환부(컨버터)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 다이오드 정류기(rectifier)(130)와, 정류기(130)에서 변환된 직류 전력을 충전 전압 및 전류 조건을 만족하는 최종의 전력으로 변환하여 출력하는 충전기(charger)(140)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성에서, 사용자가 크랭크(101)를 돌려 회전시키면, 변속부(110)를 통해 전달되는 회전력에 의해 발전부(120)의 회전자가 회전되면서 교류 전력이 생성되고, 교류 전력이 정류기(130)에서 직류 전력으로 변환된 후, 충전기(140)에서 직류 전력을 배터리(200)의 충전이 가능한 전력으로 제어하여 최종 출력하게 된다.

도 2는 휴대용 자가 발전기에서 발전부(120)로부터 배터리(200)까지의 전원 흐름을 나타내는 개략도로서, 발전부(120)에서 생성된 3상 교류 전력은 다이오드 정류기(130)를 통해 제어되지 않은 상태의 직류 전력으로 충전기(140)에 공급되고, 이에 충전기(140)는 배터리(200)를 충전할 수 있는 가장 적절한 조건으로 전력을 변환하여 배터리(200)에 공급한다.

한편, 휴대용 자가 발전기는 고효율을 달성할 수 있는 최적의 부품 설계가 필요하고, 휴대성을 고려해 각 구성품의 부피와 무게를 최소화하는 것이 필요하다.

또한, 휴대용 자가 발전기는 발전을 위해 배터리 충전 전력에 대응하는 동력을 크랭크를 통해 인가해야 하고, 이를 위해 사용자 힘으로 크랭크를 일정 수준 이상의 속도 및 토크로 돌려주어야 한다.

그러나, 종래의 휴대용 자가 발전기는 크랭크의 회전조작시에 큰 토크를 얻는데 많은 힘이 드는 단점이 있고, 특히 10W 미만의 저출력이 가능할 뿐 부품 및 기구적 특성상 그 이상의 출력이 불가하다는 문제를 가지고 있다.

그 밖에 크랭크의 회전조작시에 변속부의 기어에서 발생하는 소음 등이 심각하여 소음 문제를 해결하여야 하는 과제를 안고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 성인 남자가 평균 60W의 힘을 낼 수 있다는 문헌정보를 바탕으로 시스템 효율을 고려하여 크랭크를 큰 토크로 회전조작할 수 있으면서 50W 이상의 대용량 출력을 낼 수 있고, 회전조작시 발생하는 변속부 내 기어 소음이 저감될 수 있는 휴대용 자가 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 사용자가 회전조작하도록 구비되는 크랭크; 상기 크랭크가 연결되고 사용자에 의해 조작되는 크랭크의 회전력을 입력받아 변속 후 출력하는 변속부; 상기 변속부로부터 출력되는 회전력에 의해 교류 전력을 생성하는 발전부; 및 상기 발전부의 교류 전력을 최종 출력 전압 및 전류 조건을 만족하는 직류 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환부;를 포함하며, 상기 크랭크의 크랭크암은 복수개의 암부재들이 길이방향으로 연속 배치되어 상호 중첩 및 전개 가능하도록 다단으로 연결된 구성을 가짐으로써 크랭크암의 길이 및 크랭크의 회전반경이 조절될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기를 제공한다.

바람직한 실시예로서, 상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어, 및 입력기어와 출력기어 사이에 치합된 중간기어들 중 입력기어와 중간기어들은 철 합금 재질로 이루어지고, 출력기어는 황동 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어, 및 입력기어와 출력기어 사이에 치합된 중간기어들 중 상기 중간기어와 출력기어에 헬리컬 기어가 사용된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어와, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어의 기어비가 1 : 15 ~ 40으로 설정된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어와, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어의 기어비가 1:20으로 설정된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발전부는 브러시리스(brushless) 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발전부에서 고정자 코일 권선이 집중권 권선 방식으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발전부의 고정자는 극당 슬롯수가 분수인 분수슬롯 권선(Fractional-slot winding)이 적용되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 수동 크랭크 발전기에서는 크랭크가 회전반경을 증가시킬 수 있는 길이 가변형 구조로 구성되어 회전조작시 큰 토크를 인가할 수 있고, 변속부 및 발전부의 최적화된 구성에 의해 50W 이상의 대용량 출력을 낼 수 있음은 물론 소음 발생이 최소화되는 효과가 있게 된다.

도 1은 휴대용 수동 충전장치의 일례를 간략히 도시한 구성도이다.
도 2는 휴대용 수동 충전장치의 발전기에서 배터리까지의 전원 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전기를 도시한 조립 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 내부 구성을 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전기에서 크랭크암을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 사용 상태를 예시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 적은 힘으로도 크랭크를 큰 토크로 회전조작할 수 있으면서 대용량의 출력을 낼 수 있고, 회전조작시에 발생하는 변속부 내 기어 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 휴대용 자가 발전기를 제공하고자 하는 것이다.

특히, 종래의 휴대용 자가 발전기는 알려진 바와 같이 10W 미만의 저출력만이 가능하였으나, 본 발명은 이러한 출력 한계를 극복하여 50W 이상의 대용량 출력을 낼 수 있는 수동 크랭크 발전기를 제공하고자 하는데 주된 목적이 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수동 크랭크 발전기를 도시한 조립 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수동 크랭크 발전기의 분해 사시도이다.

또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수동 크랭크 발전기의 내부 구성을 보여주는 사시도이다.

도시된 바와 같이, 휴대용 자가 발전기로서 본 발명의 수동 크랭크 발전기(1)는 기본 구성에 있어서는 종래의 구성과 차이가 없으며, 사용자가 동력을 인가하기 위한 크랭크(10), 크랭크(10)가 연결된 변속부(20), 변속부(20)를 통해 크랭크(10)의 회전력을 입력받아 교류 전력을 생성하는 발전부(26), 발전부(26)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환부(40)를 주된 구성으로 한다.

여기서, 변속부(20)는 크랭크(10)의 회전력을 입력받아 변속하여 발전부(26)로 전달하는 복수개의 기어(21,22,23)들과, 변속부(20)의 출력기어(23)와 발전부(26)의 회전자(27) 사이를 일체로 연결하는 출력축(24)으로 구성되고, 발전부(26)는 회전자(27)와 고정자(28)로 구성된다.

또한, 전력변환부(40)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(rectifier)와, 정류기에서 변환된 직류 전력을 충전 전압 및 전류 조건을 만족하는 최종의 전력으로 변환하여 출력하는 충전기(charger)를 포함하여 구성된다.

이러한 기본 구성에서 사용자가 조작하게 되는 크랭크(10)를 제외하고는 변속부(20)와, 발전부(26), 전력변환부(40)가 발전기(1)의 하우징(30) 내부에 내장되어 보호된다.

또한, 이러한 기본 구성에서 크랭크(10)의 경우 본 발명에서는 길이를 조절하여 사용할 수 있는 구조, 즉 사용시에는 길이를 늘려 사용하고 사용하지 않을 경우에는 길이를 줄여 보관할 수 있는 길이 가변형 구조가 적용된다.

길이를 늘릴 경우 축부(11)를 회전중심으로 하는 크랭크(10)의 회전반경이 늘리기 전보다 커지게 되는데, 회전반경이 증가되면 크랭크(10)의 회전조작시 적은 힘으로도 큰 토크를 얻을 수 있게 된다.

길이가 짧은 크랭크(10)가 사용되어 크랭크(10)의 회전반경이 작다면 큰 토크를 얻기 위해 많은 힘이 필요하므로, 본 발명에서는 크랭크(10)의 길이를 증가시킬 수 있는 구조를 적용하여 적은 힘으로 큰 토크를 얻을 수 있도록 하는 것이다.

크랭크(10)는 변속부(20)로의 회전력 입력을 위해 변속부 내 입력기어(21)와 일체 회전될 수 있게 연결되는 축부(11)와, 축부(11)를 중심으로 회전되도록 조작되는 크랭크암(12)과, 크랭크암(12)의 일단부에 설치되어 크랭크암(12)의 회전조작을 위해 사용자가 손으로 잡게 되는 손잡이(13)로 구성된다.

이때, 크랭크(10)의 회전반경이 변경될 수 있도록 하기 위해서는 크랭크암(12)의 길이가 변경될 수 있어야 하는바, 길이 가변형 구조를 구현하기 위해 안테나 구조와 유사한 구조의 크랭크암(12)이 사용될 수 있다.

즉, 본 발명에서 크랭크암(12)은 복수개의 암부재(12a,12b,12c)들이 길이방향으로 연속 배치되어 상호 중첩 및 전개 가능하도록 다단으로 연결, 조립된 구성을 가지며, 다단 연결된 구조의 암부재(12a,12b,12c)들을 서로 중첩시켜 길이를 축소시키거나, 반대로 전개시켜 길이를 늘린 뒤 사용할 수 있게 한다.

도 6은 크랭크(10)에서 암부재(12a,12b,12c)들을 길게 전개시켜 크랭크암(12)의 길이를 늘린 상태, 및 크랭크(10)의 회전반경을 증가시킨 상태를 보여주는 도면이다.

이와 같이 본 발명의 수동 크랭크 발전기(1)에서는 사용시에 회전반경을 늘릴 수 있는 크랭크(10)가 사용됨으로써 적은 힘으로도 큰 토크로 회전조작하는 것이 가능하도록 한다.

한편, 본 발명의 수동 크랭크 발전기(1)는 크랭크(10) 외에 각 구성품이 내장되는 하우징(30)을 포함하며, 이 하우징(30)에 기어(21,22,23)들이 조합된 구성을 갖는 변속부(20), 회전자(27)와 고정자(28)로 구성되는 발전부(26), 그리고 정류기 및 충전기의 회로 구성을 갖는 전력변환부(40)가 내장된다.

상기 하우징(30)은 내부 구성품의 조립 편의를 위해 밀폐된 내부공간을 형성하도록 조립되는 상부플레이트(31)와 메인바디(32), 하부캡(33)으로 구성되며, 상부플레이트(31), 메인바디(32), 하부캡(33)은 볼트 및 너트나 스크류 등의 체결수단에 의해 체결되어 일체로 조립된다.

이러한 하우징(30)의 구성에서, 사용상의 편의를 위해 도 7에 나타낸 바와 같이 배터리(4)를 사용하는 장비(3)(통신장비 등) 위에 본 발명의 발전기(1)를 올려놓고 사용할 수 있도록 발전기(1)의 하우징(30) 하부를 형성하는 하부캡(33)은 밑면이 편평한 형상을 갖도록 제작됨이 바람직하다.

또한, 종래의 자가 발전기는 사용시의 고정을 위해 지그를 가지며, 특히 용량이 상대적으로 큰 군용 자가 발전기의 경우 부피가 큰 지그를 사용하였으나, 이는 발전기의 휴대성을 저하시키는 요인이 되는바, 부피가 큰 기존의 지그 대신, 발전 전력을 필요로 하는 장비(3) 위에 간단히 발전기(1)를 올려놓은 뒤 흔들림이 최소화될 수 있도록 타이(52)로 장비(3)와 함께 감아 고정하는 묶음 방식의 고정기구가 적용될 수 있다(도 7 참조).

이를 위해, 타이(52)가 권취부(51)에 감겨져 있는 상태에서 사용자의 당김 작동시에 상기 타이(52)가 인출되고 권취부(51) 고정 해제 및 당김 해제시에는 타이(52)가 권취부(51)에 탄력적으로 권취될 수 있는 타이 묶음 방식의 고정기구가 하우징(30) 외부에 설치될 수 있다(하우징의 메인바디에 설치 가능함).

이러한 고정기구는 줄자가 권취부에서 인출되어 사용되고 난 뒤 보관시에는 고정 해제된 권취부에 줄자가 탄력적으로 되감겨 인입되도록 한 줄자 기구와 유사한 구성을 가지는 것이다.

이와 같이 줄자 대신 묶음 수단인 타이(52)가 사용되는 점을 제외하고는 인출 및 인입을 위한 작동 구성이 유사하고, 상기한 줄자 기구의 구성이 이미 공지된 기술이므로, 타이(52)를 포함하도록 구성되는 상기 고정기구의 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

다만, 타이(52)를 발전기(1)와 함께 장비(3)에 감아준 뒤 타이(52)의 선단부를 고리(53)에 걸어줌으로써 그 고정 상태를 유지할 수 있도록 함이 바람직하며, 이때 고리(53)는 고정기구 또는 발전기(1)의 하우징(30)에 설치될 수 있다.

그리고, 상기한 하우징(30)의 구성에서, 상부플레이트(31)와 메인바디(32)가 형성하는 하우징(30) 내측 공간에 변속부(20)와 발전부(26)가 위치되는데, 이때 복수개의 기어(21,22,23)들로 구성되는 변속부(20)가 상부플레이트(31)의 하측으로 배치되고, 변속부(20)의 하측으로 회전자(27)와 고정자(28)로 구성되는 발전부(26)가 배치된다.

또한, 메인바디(32) 하단에 조립되는 하부캡(33)은 별도 내부공간을 갖는 용기형 구조로 구비되는데, 이 하부캡(33) 내부에는 전력변환부(40)가 내장되며, 발전부(26)에서 생성된 전력이 전력변환부(40)를 통해 외부로 공급되어 배터리를 충전해야 하므로 발전부(26)의 고정자 코일(28b)과 전력변환부(40)는 전기적으로 연결되도록 접속된다.

또한, 발전기(1)에서 생성된 최종의 충전 전력을 외부로 공급해야 하므로 전력변환부(40)에는 종래의 발전기에서와 마찬가지로 통신장비(3) 등의 배터리(4) 충전단자에 접속할 수 있도록 케이블(2)이 외부로 연결된다.

한편, 변속부(20)는 사용자의 크랭크(10) 조작에 따른 회전동력이 입력되는 입력기어(21), 변속 후의 회전력이 출력되는 출력기어(23), 입력기어(21)와 출력기어(23) 사이에 개재되는 중간기어(22), 출력기어(23)에 일체로 연결되어 회전력을 발전부(26)로 전달하는 출력축(24)으로 구성되고, 여기서 중간기어(22)는 입력기어(21)와 출력기어(23) 사이에서 회전력 전달이 가능하도록 치합된 복수개의 기어들로 구성될 수 있다.

입력기어(21)는 크랭크(10)의 축부(11)에 일체로 회전될 수 있도록 연결되어 크랭크(10)로부터 사용자의 조작에 따른 회전력을 입력받게 되며, 출력기어(23)에는 출력축(24)이 일체로 회전될 수 있게 연결된다.

출력축(24)은 발전부(26)의 회전자(27)와도 일체 회전될 수 있게 연결되는 축으로, 변속부(20)에서 최종의 회전력이 출력되는 축이면서 발전부(26)로 회전력을 전달하는 축이 된다.

이로써 변속부(20)로부터 출력축(24)을 통해 변속된 회전력이 출력될 때 그 회전력이 발전부(26)의 회전자(27)로 전달되면서 출력기어(23)와 회전자(27)가 일체로 회전될 수 있게 된다.

이러한 변속부(20)의 기어(21,22,23)들은 상부플레이트(31)와 그 하측으로 위치된 지지플레이트(34) 사이에 설치되며, 각 기어의 축이 상부플레이트(31)와 지지플레이트(34)에 베어링에 의해 지지되도록 결합된다.

상기 지지플레이트(34)는 메인바디(32) 내측으로 넣어지는 플레이트로, 상부플레이트(31) 하면과의 사이에 복수개의 스페이서(35)를 개재한 상태로 고정 설치되며, 이 스페이서(35)에 의해 상부플레이트(31)와 일정 간격을 두고 고정된다.

또한, 상부플레이트(31)에는 크랭크(10)의 축부(11)가 하우징(30) 내부로 삽입될 수 있게 관통홀(31a)이 형성되고, 이 관통홀(31a)을 통해 크랭크(10)의 축부(11)가 하우징(30) 내부로 삽입되어 입력기어(21)에 일체로 연결된다.

또한, 지지플레이트(34)에는 변속부(20)의 출력축(24)이 관통하는 축홀(34a)이 형성되고, 이 축홀(34a)을 관통한 출력축(24)이 지지플레이트(34) 하측으로 위치된 발전부(26)의 회전자(27)와 결합된다.

바람직한 실시예에서, 상기 출력축(24)은 지지플레이트(34) 하측으로 길게 연장되어 회전자(27)를 관통한 상태로 그 하단부가 메인바디(32) 저면부에 형성된 축지지부(32a)에 베어링을 개재한 상태로 삽입되어 지지되는 구조가 될 수 있다.

또한, 출력축(24)에서 지지플레이트(34) 하측 위치의 부분에는 플랜지단(11a)이 일체로 형성되며, 이 플랜지단(11a)은 발전부(26)의 회전자(27) 상면에 볼트 또는 스크류로 체결되어 결합된다.

이에 출력기어(23) 및 출력축(24)이 회전되면, 플랜지단(11a)에 일체로 체결된 발전부(26)의 회전자(27)가 동시에 회전될 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 실시예에서, 변속부(20)를 구성하는 기어들 중 속도가 낮고 큰 토크가 작용하는 입력기어(21)와, 이 입력기어(21)에 치합된 중간기어(22)들은 모두 철 합금 재질(공지의 기어 강)의 기어를 사용함이 바람직하며, 이때 출력기어(23)의 경우 황동 재질의 기어를 사용함이 바람직하다.

만약, 변속부의 기어들로 플라스틱 재질의 기어들을 사용할 경우 10W 미만의 저출력에는 견딜 수 있으나 본 발명에서 목적으로 하는 50W 이상 출력의 대용량 발전기에서는 기어 파손이 발생하므로 적합하지 않다.

또한, 입력기어(21)에는 스퍼 기어(spur gear)를 사용하되, 중간기어(22) 중 일부와 출력기어(23)에는 헬리컬 기어(helical gear)를 사용함이 바람직하다.

철 합금 재질의 스퍼 기어 조합만으로 변속부(20)의 기어들을 구성할 경우 강도는 견딜 수 있으나 소음 발생이 심각해지는 문제가 있게 된다.

따라서, 변속부(20)의 기어 재질로 플라스틱 재질인 아닌 금속 재질을 사용하여 강도를 개선함과 더불어, 스퍼 기어와 헬리컬 기어를 혼합하여 사용함으로써 소음 발생을 저감시킨다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 변속부(20)의 입력기어(21)와 출력기어(23)의 기어비(속도비)로는 발전기의 부피 및 무게 저감과 효율 향상을 모두 만족시킬 수 있는 1 : 15 ~ 40의 범위 내로 설정함이 바람직하다.

여기서, 입력기어(21)와 출력기어(23)의 기어비가 1 : 15 미만일 경우, 동일 용량에서 속도에 비해 입력 토크가 상대적으로 크고, 권선이 감긴 전기자(고정자)쪽 부담이 커져서 발전기 전체의 부피가 커질 뿐만 아니라, 동손 증가로 인해 효율이 감소하는 문제가 있다.

또한, 기어비가 1 : 40을 초과할 경우, 동일 용량에서 상대적으로 속도가 커 전기자쪽 부담이 줄어드는 대신에 철심 코어쪽 부담이 커져서 철손 증가로 인해 효율이 감소할 뿐만 아니라, 발전기 자체의 부피는 줄어들지만 높은 기어비로 인해 기어의 부피가 증가하여 시스템 부피 저감에 기여를 하지 못하게 된다.

이를 고려하여 기어비를 1 : 15 ~ 40의 범위로 설정하면 동손과 철손양이 유사해져 최대 효율을 가지는 발전기를 설계할 수 있을 뿐만 아니라 부피 또한 최적의 상태가 된다.

더욱 바람직하게는 입력기어(21)와 출력기어(23)의 기어비(속도비)를 1:20으로 하는 것이 좋으며, 이는 크랭크쪽 속도 100rpm을 기준으로 한 것으로, 이 속도가 변경될 경우 최적의 기어비는 상기한 범위 내에서 적절히 변경될 수 있다.

한편, 발전부(26)는 변속부(20)의 출력축(24)에 일체로 결합된 회전자(27)와, 메인바디(32) 내측으로 고정 설치되는 고정자(28)를 포함하여 구성되며, 회전자(27)는 영구자석(27b)을, 고정자(28)는 코일 권선을 사용한 구성을 가진다.

이때, 발전부(26)를 구성함에 있어서, 영구자석(27b)이 회전축 방향으로 배치되어 자속이 축 방향(axial)으로 형성되는 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 방식이 적용될 수 있다.

즉, 도시된 실시예와 같이, 회전자(27)는 회전디스크(27a) 하면에 복수개의 영구자석(27b)이 원주방향을 따라 배열되도록 부착된 구조로 구성되고, 이 회전자(27) 하측으로 코어(28a)에 코일(28b)이 권선된 구성의 고정자(28)가 배치된다.

이때, 회전디스크(27a)에는 변속부(20)의 출력축(24)이 상하로 관통하도록 되어 있고, 출력축(24)의 플랜지단(11a)이 회전디스크(27a) 상면에 접합된 상태로 볼트나 스크류 등에 의해 체결 고정됨으로써 회전디스크(27a)가 변속부(20)의 출력축(24)과 일체로 결합되어진다.

이에 변속부(20)의 출력축(24)이 회전될 때 회전디스크(27a)를 포함한 발전부(26)의 회전자(27) 전체가 일체로 회전될 수 있게 된다.

상기 발전부(26)의 고정자(28)는 메인바디(32) 내측 저면부에 안착된 상태에서 고정되며, 이때 변속부(20)의 출력축(24)이 고정자(28)의 중앙을 통과하여 메인바디(32)의 저면부 중앙에 형성된 축지지부(32a)에 삽입되어 결합된다.

그리고, 본 발명의 실시예에서, 배터리 충전 용량을 가변시킬 수 있도록 발전부(26)를 브러시리스(brushless) 타입으로 구성함이 바람직하며, 발전기가 휴대용인 것을 고려하여 무게와 부피를 최소로 하기 위해 고정자(28)에 집중권 권선을 적용함이 바람직하다.

브러시가 있는 DC 타입의 발전부는 충전 용량이 한정적이고, 브러시의 수명으로 인해 발전기 수명이 짧아지는 문제점이 있는바, 대용량 발전기에서는 바람직하지 않다.

또한, 브러시리스 타입을 적용하면서 분포권 권선을 사용하는 경우, 발전 전압의 파형이 좋아지는 이점은 있으나, 부피가 커지는 문제점이 있게 되므로, 본 발명의 휴대용 발전기에서는 바람직하지 않다.

다만, 본 발명에서 집중권 권선을 사용하면서 극당 슬롯수가 분수인 권선, 즉 분수슬롯 권선(fractional-slot winding)(예를 들면, 16극 18슬롯, 극당 슬롯수: 9/8)이 적용하여 발전 전압의 파형을 개선한다.

그리고, 위의 설명과 도면에서 축방향(axial) 타입의 발전부, 즉 AFPM 방식으로 구성된 발전부의 예를 들어 설명하고 예시하였으나, 본 발명에서 AFPM 방식 대신 코일과 영구자석이 레이디얼(radial) 방향으로 설치된 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet) 방식으로 발전부를 구성하는 것도 실시 가능하며, 본 발명에서 발전부가 예시한 AFPM 방식으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 발전기(1)에서 전력변환부(40)는 PCB에 정류기 및 충전기 회로가 구성된 형태로 제공되어 하부캡(33) 내측에 조립되며, 이때 메인바디(32)의 저면부 하측에 간격을 두고 배치되도록 장볼트(41) 및 너트를 사용하여 조립될 수 있다.

또한, 종래의 발전기에서는 전력변환부에 다이오드 정류기를 사용하여 효율 저하 및 다이오드 특성으로 인한 운전 영역 제한의 문제점이 있었는바, 상기한 전력변환부에서 부피 저감을 위한 최소한의 스위칭 소자를 사용하여 PWM 정류기를 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 수동 크랭크 발전기의 구성에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 발전기 2 : 케이블
3 : 장비 4 : 배터리
10 : 크랭크 11 : 축부
11a : 플랜지단 12 : 크랭크암
12a, 12b, 12c : 암부재 13 : 손잡이
20 : 변속부 21 : 입력기어
22 : 중간기어 23 : 출력기어
24 : 출력축 26 : 발전부
27 : 회전자 27a : 회전디스크
27b : 영구자석 28 : 고정자
28a : 코어 28b : 코일
30 : 하우징 31 : 상부플레이트
31a : 관통홀 32 : 메인바디
32a : 축지지부 33 : 하부캡
34 : 지지플레이트 34a : 축홀
35 : 스페이서 40 : 전력변환부
41 : 장볼트 50 : 고정기구
51 : 권취부 52 : 타이
53 : 고리

Claims

사용자가 회전조작하도록 구비되는 크랭크;
상기 크랭크가 연결되고 사용자에 의해 조작되는 크랭크의 회전력을 입력받아 변속 후 출력하는 변속부;
상기 변속부로부터 출력되는 회전력에 의해 교류 전력을 생성하는 발전부; 및
상기 발전부의 교류 전력을 최종 출력 전압 및 전류 조건을 만족하는 직류 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환부;
를 포함하며, 상기 크랭크의 크랭크암은 복수개의 암부재들이 길이방향으로 연속 배치되어 상호 중첩 및 전개 가능하도록 다단으로 연결된 구성을 가짐으로써 크랭크암의 길이 및 크랭크의 회전반경이 조절될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어, 및 입력기어와 출력기어 사이에 치합된 중간기어들 중 입력기어와 중간기어들은 철 합금 재질로 이루어지고, 출력기어는 황동 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어, 및 입력기어와 출력기어 사이에 치합된 중간기어들 중 상기 중간기어와 출력기어에 헬리컬 기어가 사용된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어와, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어의 기어비가 1 : 15 ~ 40으로 설정된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변속부에서 크랭크의 회전력을 입력받도록 크랭크에 일체로 결합되는 입력기어와, 발전부의 회전자에 회전력을 전달하도록 출력축을 통해 회전자에 일체로 결합되는 출력기어의 기어비가 1 : 20으로 설정된 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 발전부는 브러시리스(brushless) 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 발전부에서 고정자 코일 권선이 집중권 권선 방식으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 7에 있어서,
상기 발전부의 고정자는 극당 슬롯수가 분수인 분수슬롯 권선(Fractional-slot winding)이 적용되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 1에 있어서,
상기 변속부와 발전부, 전력변환부가 하우징에 내장되되, 상기 하우징은 크랭크의 축부가 관통하여 변속부에 연결되도록 관통홀이 형성된 상부플레이트, 상기 변속부와 발전부가 내장되는 메인바디, 및 상기 전력변환부가 내장되는 하부캡으로 구성되고, 상기 상부플레이트와 메인바디, 하부캡이 밀폐된 공간을 형성하도록 조립되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 9에 있어서,
발전 전력을 필요로 하는 장비에 타이로 감아 고정시킬 수 있도록 상기 하우징에는, 타이가 권취부에 감겨져 있는 상태에서 사용자의 당김 작동시에 상기 타이가 인출되고 권취부 고정 해제 및 당김 해제시에는 타이가 권취부에 탄력적으로 권취될 수 있는 타이 묶음 방식의 고정기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 10에 있어서,
상기 고정기구 또는 하우징에는 장비에 감아준 타이의 선단부를 걸어 고정 상태를 유지시킬 수 있는 고리가 설치되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 9에 있어서,
상기 변속부의 기어들이 상부플레이트와, 상부플레이트로부터 복수개의 스페이서를 개재한 상태로 일정 간격을 두고 고정되는 지지플레이트 사이에 설치되고, 상기 변속부의 출력기어에 연결된 출력축이 지지플레이트를 관통하여 발전부의 회전자에 연결되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 9 또는 청구항 12에 있어서,
상기 발전부는 변속부의 출력축에 일체로 결합된 회전자와, 메인바디 내측에 고정 설치되는 고정자로 구성되고,
상기 회전자는 출력축에 형성된 플랜지단에 상면이 접합된 상태로 체결되는 회전디스크와, 이 회전디스크 하면에 고정되는 영구자석으로 구성되며,
상기 고정자는 코어에 코일이 권선된 구조로 하여 상기 회전자 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.
청구항 13에 있어서,
상기 변속부의 출력축은 상기 회전자의 회전디스크를 관통한 상태로 고정자의 중앙을 통과하여 메인바디 저면 중앙에 형성된 축지지부에 결합되는 것을 특징으로 하는 수동 크랭크 발전기.