KR20170092487A

KR20170092487A - 프로펠러로 달리는 전기자동차 등 각종 운송기관

Info

Publication number: KR20170092487A
Application number: KR1020170076956A
Authority: KR
Inventors: 오성
Original assignee: 오성
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2017-08-11

Abstract

본 발명은 지금까지 각종 비행체들에 주로 사용해왔던 프로펠러(회전날개)를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 적용하여, 보다 적은 동력원으로 보다 큰 추력을 얻어 각종 운송기관들이 에너지 효율을 높여 운행할 수 있도록 하는 발상전환의 발명이다. 이것은 현재 일부 상용되고 있는 전기운송기관들이 모터로(각 운송기관 본체의 무게가 실어있는) 바퀴의 회전축을 직접 회전시켜 구동시키기 때문에 돌림힘(torque)의 회전반지름이 극히 적어 모터의 구동의 힘이 크게 들지만, 본 발명은 프로펠러로 추력을 얻어 각종 차량, 기차, 선박 등을 추진시켜나가기 때문에 바퀴 등을 회전시키는 돌림힘이 커지게 되어 보다 적은 프로펠러를 회전시키는 모터의 구동의 힘으로도 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들을 추진시켜 운행할 수 있게 해준다. 또한 본 발명은 본 발명에서 사용하게 되는 깃단회전날개를 제공해줌으로써, 지금까지 탄소연료 기반한 내연기관 엔진시대에서 전기모터에 기반한 전기차로 급속히 변해가고 있는 이 시대에 프로펠러를 사용하는 신개념의 전기운송기관 시대를 열게 해준다.

Description

프로펠러로 달리는 전기자동차 등 각종 운송기관{The Electric Vehicle Driving by Propellers}

본 발명은 지금까지 각종 비행체들에만 주로 사용해왔던 프로펠러(회전날개)를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 적용하여 보다 적은 동력원으로 보다 큰 추력을 얻어 각종 운송기관들이 저비용, 고효율로 운행될 수 있도록 하는 발상전환의 발명이다.

이것은 현재 일부 상용되고 있는 전기 운송기관들이 모터로(각 운송기관 본체의 무게가 실어 있는) 바퀴의 회전축을 직접 회전시켜 구동시키기 때문에 돌림힘의 회전반지름이 극히 적어 모터의 구동의 힘이 크게 들지만, 본 발명은 프로펠러로 추력을 얻어 각종 차량, 기차, 선박 등을 추진시켜 나가기 때문에 바퀴 등을 회전시키는 돌림힘(torque)이 커지게 되어 보다 적은 모터의 구동의 힘으로도 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들을 추진시켜 운행할 수 있게 해준다.

또한 본 발명에서 사용하는 프로펠러는 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 사용할 수 있도록 각 제품의 크기에 맞게 하고, 필요로 하는 충분한 추력을 만들어내며, 안전하게 운행될 수 있도록 하는 운송기관용 깃단회전날개를 제공하는 것이다. 곧 본 발명에서 제공하는 깃단회전날개는 기존 프로펠러 등에서 발생되는 플러터(fluttering)나 진동을 막아주고, 회전날개의 회전관성을 크게 해주어 회전이 원활하게 이루어지도록 하며, 날개의 회전을 통해 발생되는 기류의 흩어짐을 막아주고 한데 모아주어 보다 안정적이고 강한 추력을 만들어내는 회전날개이다.

뿐만 아니라 본 발명에서 제공하는 보호망덮개는 본 발명의 회전날개를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 사용하여 상용화시키는데 있어서 회전날개의 회전에 의한 위험으로부터 안전성을 확보하고, 공기를 날개쪽으로 모아주어, 날개에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해줌으로써 회전날개의 효능을 증대시켜준다.

우리가 수레나 카트, 유모차, 휠체어 등을 쉽게 끌 수 있는 것은 바퀴의 회전운동의 돌림힘(torque)을 이용한 것이다. 이에 대한 물리이론은 다음과 같다.

"돌림힘(torque)은 회전운동에서 힘에 대응되는 물리량이다. 예를 들어 문을 열때 똑같은 힘을 주더라도 그 힘이 문의 회전축에서 얼마나 멀리 떨어져 있느냐에 따라 문을 더 쉽게 열 수도 더 어렵게 열 수도 있다. 따라서 돌림힘에는 회전반지름이 어떻게든 개입돼 있다.

실제로 돌림힘

(그리스어로 타우)는 다음과 같이 정의된다.

이다. 여기서

는 힘이고

은 힘이 작용하는 점의 위치벡터이다. 이 두 벡터가 벡터곱으로 곱해져서 돌림힘

를 정의한다. 벡터곱의 크기는 두 벡터가 이루는 각도의 사인값에 비례한다. 곧,

이다. 이때 θ는 두 벡터가 이루는 각도이다. 따라서 두 벡터가 평행하면(즉 각도가 0도이거나 180도이면) 돌림힘은 0이다. 이는 우리의 직관과도 일치한다. 문을 회전축의 바깥쪽으로 당기거나 안쪽으로 밀면 문은 돌아가지 않는다. 또한 돌림힘이 최대가 되려면 작용점까지의 위치벡터와 힘이 서로 수직이어야 한다. 이 또한 우리의 직관에 매우 부합하는 현상이다.

돌림힘은 회전운동에서 힘의 역할을 하는 물리량으로서 F=ma에 대응되는 회전운동의 방정식은 τ=Iα이다. 여기서 I는 회전관성으로서 회전운동의 질량에 해당하는 양이고 α는 각가속도이다.

다음으로 바퀴의 회전운동에 대해 알아보면,

위 그림처럼 바퀴가 미끄러지지 않고 지면에 계속 맞닿아 오른쪽으로 굴러가면 바퀴는 지면과 닿는 점 O를 중심하고 회전하는 것과도 같다. 따라서 바퀴의 반지름을 r, 바퀴의 질량을 M이라고 하면 평행축정리에 의해 I=I_com+Mr²이다.

이 결과를 바퀴의 회전운동에너지를 알아보기 위해 강체의 회전운동에너지 공식

에 넣으면

…(1)을 얻는다. 여기서 υ_com=rω의 관계를 이용하였다. 이 관계는 회전운동의 기본관계식으로서 바퀴가 굴러갈 때도 성립한다.

상기 식(1)을 보면, 굴러가는 바퀴의 운동에너지는 두가지로 구성되어있음을 알 수 있다. 식(1)의 첫째 항은 바퀴가 질량중심을 지나는 축을 중심으로 회전할 때의 회전운동에너지이다. 그리고 둘째항은 질량중심이 속도 υ_com으로 운동할 때의 운동에너지이다. 따라서 굴러가는 바퀴는 질량중심을 지나는 축으로 회전하는 회전운동에너지와 질량중심이 직선으로 운동하는 에너지의 합이다."

상기 이론을 근거로 수레나 유모차, 휠체어 등을 끄는 것과 모터가 바퀴의 회전축을 돌려 바퀴를 회전시키는 것은 어떠한 차이가 있는지 비교해보고자 한다.

수레나 유모차, 휠체어 등을 끄는 것은 바퀴의 회전이 점 O를 중심하고 회전하는 것이기 때문에 수레 등을 끄는 힘은 바퀴의 중심(회전축)에서 작용함으로 바퀴의 돌림힘의 회전반지름이 바퀴의 반지름과 같게 되어 바퀴의 크기에 비례하여 큰 돌림힘으로 작용한다. 이에 반해 모터가 바퀴의 회전축을 돌려 바퀴를 회전시키는 것은 돌림힘의 회전반지름이 거의 없는 상태에서 모터가 바퀴의 회전축을 회전시키는 것과 같기 때문에 모터의 구동의 힘은 바퀴를 회전시키는 돌림힘에는 극히 적게 작용하게 된다. 그렇기 때문에 모터로 바퀴를 회전시키기 위해서는 보다 큰 모터의 구동의 힘이 필요하게 된다.

이와 마찬가지로 프로펠러로 자동차를 달리게 하는 것은 수레나 휠체어 등을 끄는 것과 같이 바퀴의 반지름이 돌림힘의 회전반지름으로 작용하기 때문에 보다 적은 프로펠러 구동의 힘으로도 바퀴를 회전시켜 달릴 수 있게 해준다. 곧 프로펠러로 자동차를 달리게 하는 것은 모터로 직접 바퀴의 회전축을 구동시키는 힘보다도 훨씬 적은 힘으로도 바퀴를 회전시켜 달리게 한다는 것이다.

깃단회전날개 10-2017-0048657, 2017. 04. 25. 4쪽, 도면 3.

상대성이론 강의 : 이종필 저, 2015, ISBN 978-89-6262-103-7 93420, 316~319쪽 신·재생에너지공학:(사)일본화학공학회 SCE·Net편, 2014, ISBN 978-89-5526-863-8 93560, 95쪽

현재 전기로 운행되는 자동차 등 전기운송기관들의 문제점은 모터로(각 운송기관 본체의 무게가 실어있는) 바퀴의 회전축을 직접 회전시켜 구동시키기 때문에 돌림힘의 회전반지름이 극히 적어 모터의 구동의 힘이 매우 커야 한다는 것이다.

그래서 본 발명은 지금까지 기존 비행체들에만 주로 사용해왔던 프로펠러를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 적용하여 보다 적은 동력의 에너지로 보다 큰 추력을 얻어 각종 운송기관들이 보다 적은 비용으로 효율을 높여 운행될 수 있도록 하고자 한다.

또한 본 발명에서 사용하는 프로펠러는 각종 차량, 기차, 선박 등에 사용해야 하기 때문에 각 제품의 크기에 맞게 적당한 크기여야 하며, 그 크기로 각 제품이 필요로 하는 충분한 추력을 만들어내고 소음이 적은 프로펠러(깃단회전날개)를 제공하고자 한다.

뿐만 아니라 본 발명은 회전날개를 각종 운송기관들에 상용화시키는데 있어서 회전날개의 회전에 의한 위험으로부터 안전성을 확보하고 회전날개의 효능을 증대시키는 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 프로펠러로 달리는 전기자동차 등 각종 운송기관은 지금까지 각종 비행체들에만 주로 사용해왔던 프로펠러를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 적용하여 보다 적은 동력원으로 보다 큰 추력을 얻어 각종 운송기관들이 저비용, 고효율로 운행될 수 있도록 하기 위한 것이다.

이것은 현재 일부 상용되고 있는 전기자동차 등 전기운송기관들이 모터로(각 운송기관 본체의 무게가 실어있는) 바퀴의 회전축을 직접 돌려 구동시키기 때문에 돌림힘의 회전반지름이 극히 적어 모터의 구동의 힘이 크게 들지만, 본 발명은 프로펠러로 추력을 얻어 각종 차량, 기차, 선박 등을 추진시켜 나가기 때문에 바퀴 등을 회전시키는 돌림힘(torque)이 커지게 되어 보다 적은 모터의 구동의 힘으로도 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들을 추진시켜 운행할 수 있게 해준다.

본 발명에서 사용하는 프로펠러는 기존 프로펠러와는 다르게 날개의 회전속도가 빠른 깃단(blade tip) 부분에 날개를 부착한 회전날개로, 회전날개 전체의 항력이나 회전풍손 등의 회전손실을 줄이고, 프로펠러 깃단부분의 빠른 회전속도를 얻어 보다 강력한 추력을 만드는 깃단회전날개(출원번호 10-2017-0048657, 2017.04.25.)를 사용한다.

특히 본 발명에서 사용하는 깃단회전날개는 도 1과 같이 기존 프로펠러 등에서 발생되는 플러터(fluttering)나 진동을 막아주고, 회전날개의 회전관성을 크게 해주어 회전이 원활하게 이루어지도록 해주는 깃끝고정고리(105)와 깃안고정고리(106)를 부착한 깃단회전날개를 사용하며, 여기에 깃끝고정고리(105)와 깃안고정고리(106)의 폭(108)을 길게하여 날개(102)의 회전을 통해 발생되는 기류의 흩어짐을 막아주고 한데 모아주어 보다 안정적이고 강한 추력을 만들어내는 본 발명의 운송기관용 깃단회전날개를 사용한다.

또한 본 회전날개의 효능을 증대시켜주는 본 발명의 보호망덮개는 본 회전날개를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 사용하여 상용화시키는데 있어서 도 4와 같이 본 깃단회전날개의 회전에 의한 위험으로부터 보호해주고, 이물체들이 들어가지 못하도록 막아주며, 공기(406)를 날개(102)쪽으로 모아줌으로써 날개(102)에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해주어 회전날개의 추력을 증가시켜준다.

본 발명은 탄소연료 기반한 내연기관 엔진시대에서 전기모터에 기반한 전기차로 급속히 변해나가고 있는 이 시대에 프로펠러를 사용하는 신개념의 전기운송기관시대를 열게 해준다.

본 발명은 기존 전기기관이 전기 모터로 바퀴의 회전축을 직접 회전시켜 구동시키는 것보다 프로펠러를 사용하여 바퀴 등의 돌림힘을 크게 해주어 보다 적은 구동의 힘으로도 각종 운송기관들의 운행을 가능하게 해주기 때문에 에너지 효율을 높여주어 매우 경제적이다.

본 발명의 운송기관용 깃단회전날개는 각종 차량, 기차, 선박 등 각종 운송기관들에 장착시켜 저비용·고효율로 보다 강력한 추력을 얻어 운행해 나갈 수 있게 해준다.

본 발명은 현재 운행 중에 있는 각종 운송기관들에도 별도로 장착시켜 사용하기가 용이하다.

본 발명은 각종 차량, 기차, 선박, 비행기 등 각종 운송기관 제조생산업에 대변혁을 가져오게 한다.

도 1은 운송기관용 깃단회전날개의 정면도와 단면도이다.
도 2는 깃단회전날개 회전축의 측면도와 단면도이다.
도 3은 고정장치의 정면도와 단면도이다.
도 4는 보호망덮개의 정면도와 단면도이다.
도 5는 본 발명의 동력시스템 전체 구성도이다.

본 발명은 기존 대부분의 운송기관들이 사용하고 있는 화석연료를 기반한 내연기관의 엔진을 사용하지 않고, 전기 모터에 기반한 동력을 사용한다.

본 발명에서 사용되는 전원은 배터리나 무동력·무연료·무비용으로 각 운송기관이 필요로 하는 일정한 전력을 자체적으로 무한히 계속 발전시켜내는(각종 운송수단 및 중장비용) 무한자가발전기(출원번호 10-2017-0067109, 2017.05.29.)를 사용한다.

본 발명에서 사용하는 프로펠러는 기존 프로펠러와는 다르게 날개의 회전속도가 빠른 깃단(blade tip) 부분에 날개를 부착한 회전날개로, 회전날개 전체의 항력이나 회전풍손 등의 회전손실을 줄이고, 프로펠러 깃단부분의 빠른 회전속도를 얻어 보다 강력한 추력을 만들어내는 깃단회전날개(특허출원번호 10-2017-0048657, 2017.04.25.)를 사용한다.

특히 본 발명에서 사용하는 깃단회전날개는 도 1과 같이 기존 프로펠러 등에서 발생되는 플러터(fluttering)나 진동을 막아주고, 회전날개의 회전관성을 크게 해주어 회전이 원활하게 이루어지도록 깃끝고정고리(105)와 깃안고정고리(106)를 부착한 깃단회전날개를 사용하며, 여기에 깃끝고정고리(105)와 깃안고정고리(106)의 폭(108)을 길게하고, 두 고정고리 사이의 앞쪽은 날개(101)를 설치하고 뒷쪽은 날개형깃대(102)로 연결시켜 고정시키며, 깃안고정고리(106)와 중심부(104)를 연결판(103)으로 연결하여, 날개(102)의 회전을 통해 발생되는 기류의 흩어짐을 막아주고, 한데 모아주어 보다 안정적이고 강한 추력을 만들어내는 본 발명의 운송기관용 깃단회전날개를 사용한다.

연결판(103) 중심부(104)는 회전축(107)과 연결하기 위해 중앙에 정사각형의 홈(104)을 만든다.

도 2는 깃단회전날개의 회전축의 측면도와 단면도로, 중앙부분(202)은 회전날개중심부(104)와 연결할 수 있도록 정사각형으로 하고, 회전날개를 회전축과 고정시키기 위해 중앙부분(202) 앞쪽은 고정대(201)를 고정시켜 제작하고, 뒷쪽은 고정너트(205)로 고정시킬 수 있도록 볼트나사(203)를 만든다. 또한 회전축 뒷쪽 단면(204)은 모터와 커플링 등으로 연결시키기 위해 한쪽이나 양쪽 일부를 단면도(204)와 같이 직선으로 제작한다.

도 3은 깃단회전날개(301)를 쉽게 회전시킬 수 있도록 해놓은 고정장치로, 깃단회전날개(301)의 무게로 인한 기계적 마찰 등 회전부하를 줄이기 위해 회전축(202)과 연결되는 고정프레임(303)부위에 베어링(304)을 설치하여 깃단회전날개(301)가 원활하게 회전할 수 있도록 해놓은 장치이다. 본 고정장치의 바깥고정장치와 중심부 사이의 날개의 공기가 흐르는 부분은 날개형깃대(305)로 연결시킨다.

도 4는 본 회전날개의 보호망덮개로 본 회전날개를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 사용하여 상용화하는데 있어서 도 4와 같이 보호망(402)을 통해 회전날개의 회전에 의한 위험으로부터 보호해주고 이물체들이 들어가지 못하도록 막아주며, 덮개(401)와 바깥테두리(403)는 부딪치는 공기를 날개(102) 쪽으로 모아주어 날개(102)에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해줌으로써 회전날개의 추력을 증가시켜준다.

또한 회전날개의 무게로 인한 기계적 마찰 등 회전부하를 줄이고, 회전날개의 이탈을 막으며 원활하게 회전할 수 있도록 보호망덮개 쪽에 회전축받침베어링(405)을 설치하고 연결부위(404)를 고정장치에 연결하여 고정시킨다

깃단회전날개의 동력(Power)는 각 날개(102)에 부딪치는 바람에너지와 날개(102)의 회전속도에 의해 발생된 양력의 합으로 이루어진다. 한개의 날개(102)에 부딪치는 바람에너지는 다음과 같은 공식에 의해 간단히 계산된다.

이며, 여기서 ρ는 공기밀도, A는 날개(102)의 깃각에 의해 형성되는 날개가 바람을 맞는 직각면적, n은 날개의 1초당 회전수, r₀는 날개(102)의 평균 회전반지름이며, 바람에너지 단위는 kgm²/sec³[W]이다.

본 회전날개의 크기는 각 제품이 필요로 하는 동력(Power)과 제품의 크기에 맞추어 적당한 크기로 제작하면 된다. 일반적으로 자동차에는 회전날개의 직경을 0.6m~1.2m, 버스, 트럭, 기차 등은 1.4m~2.4m로 제품의 크기와 필요로 하는 동력에 맞게 제작한다.

각종 선박에는 선박의 크기에 따라 2~3개의 본 회전날개를 선박의 상판에 설치하여 운항할 수 있다.

도 5는 본 발명의 동력시스템 전체 구성도이다.

각 운송기관 제품에 맞는 운송기관용 깃단회전날개(501)가 제작되면, 고정장치(503)로 본 회전날개(501)를 회전시킬 수 있도록 설치해 놓고, 보호망덮개(504)를 고정장치(503)에 연결시킨다. 회전날개(501)의 회전축(502)과 모터(505)의 회전축을 커플링 등으로 연결시킨다. 그리고 속도조절장치(506)와 전원(507)을 연결시켜 각 운송기관의 제품들에 장착시켜 본 발명의 동력시스템을 작동시키면 된다.

101 날개
102 날개형깃대
103 연결판
104 중심부 정사각형의 홈
105 깃끝고정고리
106 깃안고정고리
107 회전축
108 고정고리폭
109 깃단회전날개 배면도
201 고정대
202 중앙부분 정사각형
203 고정볼트나사
204 회전축 뒷쪽 끝 단면(도)
205 고정너트
301 깃단회전날개
302 회전축
303 고정프레임
304 베어링
305 날개형깃대
401 덮개
402 보호망
403 바깥테두리
404 (고정장치와의)연결부위
405 회전축받침베어링
406 기류
501 깃단회전날개
502 회전축
503 고정장치
504 보호망덮개
505 모터
506 속도조절장치
507 전원(배터리나 무한자가발전기)

Claims

프로펠러로 달리는 전기자동차 등 각종 운송기관으로, 본 발명은 각종 비행체들에 주로 사용해왔던 프로펠러(회전날개)를 각종 차량, 기차, 선박 등의 운송기관들에 적용함으로써, 프로펠러의 추력이 바퀴 등의 돌림힘으로 작용하여 보다 적은 동력원으로 보다 큰 추력을 얻어 운행될 수 있도록 해주는, 프로펠러를 주 동력(추력)으로 사용하는 신개념의 각종 운송기관.
본 발명에서 사용하는 운송기관용 깃단회전날개로, 본 회전날개는 깃단회전날개(출원번호 10-2017-0048657, 2017.04.25.)의 하나로, 깃끝고정고리(105)와 깃안고정고리(106)의 폭(108)을 길게하고, 두 고정고리사이의 앞쪽은 날개(101)를 설치하고, 뒷쪽은 날개형 깃대(102)로 연결시켜 고정시키며, 깃안고정고리(106)와 중심부(104)를 연결판(103)으로 연결하여, 날개(102)의 회전을 통해 발생된 기류의 흩어짐을 막아주고 한데 모아주어 보다 안정적이고 강한 추력을 만들어내는 깃단회전날개.
청구항 2에 있어서 회전날개의 회전축으로, 도 2와 같이 중앙부분(202)는 회전날개 중심부(104)와 연결할 수 있도록 정사각형으로 하고, 회전날개를 회전축과 고정시키기 위해 중앙부분(202) 앞쪽은 고정대(201)를 고정시켜 제작하고, 뒷쪽은 고정너트(205)로 고정시킬 수 있도록 볼트나사(203)를 만들고 회전축 뒷쪽은 모터와 커플링 등으로 연결시키기 위해 한쪽이나 양쪽 일부를 단면도(204)와 같이 직선으로 제작한 것.
도 3과 같이 깃단회전날개(301)를 쉽게 회전시킬 수 있도록 해놓은 고정장치로, 깃단회전날개(301)의 무게로 인한 기계적 마찰 등 회전부하를 줄이기 위해 회전축(302)과 연결되는 고정프레임(303)부위에 베어링(304)을 설치하여 깃단회전날개가 원활하게 회전할 수 있도록 해놓은 고정장치
본 깃단회전날개의 보호망덮개로, 도 4와 같이 보호망(402)은 회전날개의 회전에 의한 위험으로부터 보호해주고, 회전날개가 이물체들이 들어가지 못하게 막아주며, 덮개(401)와 바깥테두리(403)는 공기를 날개(101) 쪽으로 모아줌으로써 날개(101)에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해주어 회전날개의 추력을 증가시켜주는 보호망덮개.
청구항 5에 있어서 공기의 항력을 적게 하고 공기를 날개쪽으로 모아주어 날개(101)에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해주는 덮개(401)와 그형상.
청구항 5에 있어서 공기를 날개쪽으로 모아주어 날개(101)에 부딪치는 공기의 밀도를 크게 해주는 바깥테두리(403).
청구항 5에 있어서 회전날개의 무게로 인한 기계적 마찰 등 회전부하를 줄이고, 회전날개의 이탈을 막으며 원활하게 회전할 수 있도록 보호망덮개 쪽에 설치한 회전축받침베어링(405).