KR20180092404A - 전동발전을 이용한 충전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전동발전을 이용하여 생성된 전기 에너지를 충전하는 전동발전을 이용한 충전장치에 관한 것으로, 전기를 발전하는 전동발전부 및 상기 전동발전부의 발전 동작에 의해 생성되는 전기 에너지를 충전하는 충전부를 포함하되, 상기 충전부는 상기 전동발전부의 전동권선측으로 연결 또는 차단을 위한 릴레이, 상기 전동발전부의 발전전압에 의해 배터리를 충전시키기 위한 충전기, 상기 배터리의 저전압을 감지하기 위한 저전압 감지부, 및 상기 저전압 감지부의 입력에 따라 상기 릴레이의 동작을 제어하고, 상기 충전기의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전동발전을 이용한 충전장치{CHARGING DEVICE USING ELECTRIC POWER GENERATION}
본 발명은 전동발전을 이용한 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동발전을 이용하여 생성된 전기 에너지를 충전하는 전동발전을 이용한 충전장치에 관한 것이다.
현대 생활에서 필수품으로 정착된 스마트폰이나 태블릿 PC, 노트북 등은 배터리에 충전된 전류를 이용하여 구동되며, 이러한 배터리의 소모가 발생되면 충전과정이 요구된다.
특히, 다양한 앱을 구동하고 또 넓은 화면을 갖는 스마트폰이나 태블릿 PC가 급속히 보급 및 대중화됨에 따라 배터리의 소모에 따른 잦은 충전이 요구되며, 상기 전류가 소진된 배터리의 충전을 위해서는 반드시 상용전원이나 보조전원을 이용하여야 한다.
전기자동차의 경우도 마찬가지이다.
전기 자동차(Electric Vehicle; EV)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 전기 자동차는, 크게 전기 배터리만을 이용하는 전기 자동차와, 다른 동력원, 예를 들어 가솔린과 전기 배터리를 함께 사용하는 하이브리드 전기 자동차를 포함한다.
배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시 켜서 자동차를 구동시키는 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었다. 그러나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못했다. 최근 화석연료 등 에너지 자원의 부족, 가솔린 자동차에 의한 환경오염 등의 문제에 의해 전기 자동차에 대한 연구가 활발해지고 있다.
이러한 전기 자동차의 보급 확대와 운용 활성화를 위해서는 충전 인프라 구축이 필수적이며, 전력 전달 기기인 충전 스탠드와 충전 시스템의 개발이 무엇보다도 필수적이다.
따라서, 종래에는 상용전원 제공되지 아니하는 야외에서는 배터리의 충전이 어려운 한계성을 갖게 되었다.
한국등록특허공보 제1616966호(등록일: 2016.04.25., 명칭: 자가 발전구조를 갖는 휴대기기용 충전장치)
본 발명은 전동기를 이용하여 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기 에너지를 충전할 수 있는 전동발전을 이용한 충전장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전동발전을 이용한 충전장치는, 전기를 발전하는 전동발전부 및 상기 전동발전부의 발전 동작에 의해 생성되는 전기 에너지를 충전하는 충전부를 포함하되, 상기 충전부는 상기 전동발전부의 전동권선측으로 연결 또는 차단을 위한 릴레이; 상기 전동발전부의 발전전압에 의해 배터리를 충전시키기 위한 충전기; 상기 배터리의 저전압을 감지하기 위한 저전압 감지부; 및 상기 저전압 감지부의 입력에 따라 상기 릴레이의 동작을 제어하고, 상기 충전기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 충전부는 상기 배터리의 충전상태를 표시하는 충전상태 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전동발전부는 전동권선이 N상으로 권선되고, 발전권선이 2N상으로 권선된 고정자; 상기 고정자의 상단에 위치하여 회전되는 제1 회전자; 상기 고정자의 하단에 위치하여 회전되는 제2 회전자; 및 상기 제1 회전자 및 제2 회전자를 연결하여 동일방향으로 회전되도록 중앙부에 위치한 회전축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자는 원판형 영구자석이며, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자의 각 N극이 상기 고정자 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 배터리 또는 외부에서 전달되는 전원의 전압을 이용하여 전동발전 동작시켜 발전이 이루어지게 하고, 전동발전의 발전전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써 전기 에너지가 없는 상황에서도 발전에 의해 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동발전을 이용한 충전장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동발전을 이용한 충전장치의 전동발전부를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전동발전을 이용한 충전장치의 고정자의 권선상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동발전을 이용한 충전장치의 고정자의 권선상태를 일자로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동발전을 이용한 충전장치를 나타낸 도면으로서, 전동발전을 이용한 충전장치는 전동발전부(100) 및 충전부(200)를 일체로 구현하여 배터리(300)의 전원에 따라 전동발전부(100)가 전동기로서 동작함과 동시에 전동발전부(100)의 발전 동작에 의해 배터리(300)를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 배터리(300)의 소모전력이 전동발전부(100)로부터 발전되어 배터리(300)로 충전되는 전력보다 적다는 가정으로 진행된다.
전동발전부(100)는 도 2에 도시한 바와 같이, 고정자(110), 제1 회전자(120), 제2 회전자(130), 및 회전축(140)을 포함하여 구성한다.
고정자(110)는 전동권선(M)이 N상으로 권선되고, 발전권선(G)이 2N상을 권선된다.
제1 회전자(120)는 고정자(110)의 상단에 위치하여 회전되되, 원판형으로 형성되되, 더욱 바람직하게는 내측 중앙이 관통된 도넛 형태이며, 영구자석으로 N극이 고정자(110) 방향으로 배치되도록 한다.
제2 회전자(130)는 고정자(110)의 하단에 위치하여 회전되되, 제1 회전자(120)와 동일한 형태인 원판형으로 형성되되, 내측 중앙이 관통된 도넛 형태로 영구자석으로 N극이 고정자(110) 방향으로 배치되도록 한다.
여기서, 영구자석은 네오디뮴 마그네트(Nd1 Fe14 B1)을 이용함이 바람직하다. 네오디뮴 마그네트는 네오디뮴-철-붕소로 이루어져 있는 현존하는 가장 강력한 영구자석 재료이다.
회전축(140)은 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)를 연결하여 동일방향으로 회전되도록 중앙부에 위치한다.
즉, 제1 회전자(120)는 고정자(110)의 상단에 위치시키고, 제2 회전자(130)는 고정자(110)의 하단에 위치시키되, N극이 고정자(110)측을 향하도록 하게 하여 상하 자석이 같은 방향으로 회전하도록 구성된다.
이때, 자속밀도는 필요한 가우스를 보유해야 하고, 고정자(110)는 평판 원형의 고정자(110)에 방사상(Radial to shaft)으로 한 겹으로 전동권선(M)과 발전권선(G1,G2)이 양면 와인딩되어 있다. 여기서, 필요한 가우스는 적어도 3400 내지 4500 가우스인 것이 바람직하다.
이때, 전동발전부(100)의 고정자(110)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 전동권선(M)은 N상으로 권선하고, 발전권선(G1,G2)은 2N상으로 배합 권선한다. 그리고 각 상은 직렬 연결하며, 전동권선(M)은 배터리(300)의 릴레이(210)에 연결하고, 발전권선(G1,G2)은 충전기(220)에 연결한다.
상기와 같은 구성으로 형성되는 전동발전부(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
고정자(110)의 전동권선(M)을 배터리(300) 전원에 연결하면 전동권선(M)은 통전된다. 이때 N극상에 배선된 전동코일(M)에는 전류가 흐르게 되고, 플레밍의 왼손법칙에 따라 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)는 회전하게 된다.
제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)의 전체면이 N극이므로 항상 N극을 유지하고, 전류의 방향은 일정하기 때문에 스위칭 스테이지는 불필요하다.
따라서 고정자(110)의 상하 양면은 동일한 현상으로 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)가 선형 토오크를 발생시키면서 토크 리플 없이 회전하게 된다.
제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)의 영구자석은 포텐셜(패시브) 에너지를 가지고 있으므로 당초 기자력을 갖고 있다.
고정자(110)에 통전이 되면 고정자(110)에는 액티브 에너지(전기에너지)가 입력되어 기자력으로 변환된다. 따라서 두 기자력은 합성되어 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)는 회전하게 되고, 이때 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)의 자석의 에너지와 고정자(110)의 전기에너지가 합해져서 출력 에너지로 나타나는데, 자석의 종류에 따라 고효율을 얻을 수 있다.
고정자(110)에서 전동권선(M)과 일체형으로 와인딩되어 있는 발전권선(G1,G2)은 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)가 회전될 때 발전이 된다.
이때, 발전 전압은 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)의 속도에 따라 증감하게 된다.
마그네틱 필드에서 발생하는 모든 마그네틱 플럭스는 발전기측으로 출력될 수 있고, 이에 따라 마그네틱 필드의 자속밀도를 높게 하면 효율이 더욱 높아지게 된다.
전동 발전부는 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)를 영구자석으로 구성하고, 고정자에 교번 전류를 입력하는 방식을 택함으로써 영구자석의 에너지가 1000W이고, 전기에너지가 100W이면 두 에너지가 합성된 운동 에너지는 200W가 됨에 따라 전기 에너지만을 기준으로 입력 에너지와 출력에너지를 비교하면 약 200%의 초효율이 된다.
충전부(200)는 릴레이(210), 충전기(220), 저전압 감지부(230), 표시부(240), 및 제어부(250)를 포함하여 구성한다.
릴레이(210)는 배터리(300)의 전원을 전동발전부(100)의 전동권선 측으로 연결 또는 차단한다.
충전기(220)는 전동발전부(100)의 발전전압에 의해 배터리(300)를 충전시킨다.
저전압 감지부(230)는 배터리(300)의 저전압을 감지한다.
표시부(240)는 배터리(300)의 충전상태를 표시한다. 이때, 표시부는 LED 를 통해 표시될 수 있음이 바람직하다.
제어부(250)는 저전압 감지부(230)의 입력에 따라 릴레이 동작을 제어하고, 충전기(220)의 동작을 제어하며, 충전 중에 충전표시를 점등시키거나 동작상태를 표시부(240)에 표시하도록 제어한다.
배터리(300)는 전동발전부(100)에서 발전한 전기 에너지를 충전부(200)에 의해 저장한다.
여기서, 전동발전부(100)와 충전부(200)는 동시에 동작되는 것이 아니라 전동발전부(100)에 의해 일정시간 발전이 이루어진 후에 충전됨이 바람직하다.
즉, 기동이 된 후에는 발전기 출력이 전동기 입력으로 사용되어 계속적으로 전기 에너지를 공급할 수 있고, 이 전기 에너지로 배터리를 충전시키며, 전동발전을 이용한 충전장치는 전기자동차나 전기 스쿠터 등에 널리 사용될 수 있습니다.
또한, 전동발전부(100)는 초효율(OVER-UNITY ENERGY)의 전동 발전기로서, 모터의 제1 회전자(120) 및 제2 회전자(130)를 영구자석으로 구성하고, 고정자(110)에는 교번 전류를 입력하는 방식을 이용하는 것인데, 활성 에너지(고정자의 전기 에너지)와 비활성 에너지(회전자의 자기 에너지)의 합은 불변한다는 "에너지 보존 법칙"에 의하여 이룩되는 자석모터의 현상을 이용함으로써 활성 에너지(비용이드는 에너지)만을 기준으로 계산하면 초효율이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명은 배터리 또는 외부에서 전달되는 전원의 전압을 이용하여 전동발전 동작시켜 발전이 이루어지게 하고, 전동발전의 발전전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써 전기 에너지가 없는 상황에서도 발전에 의해 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 전동발전을 이용한 충전장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100 : 전동발전부 110 : 고정자
120 : 제1 회전자 130 : 제2 회전자
140 : 회전축 200 : 충전부
210 : 릴레이 220 : 충전기
230 : 저전압 감지부 240 : 표시부
250 : 제어부 300 : 배터리

Claims (4)

  1. 전기를 발전하는 전동발전부 및 상기 전동발전부의 발전 동작에 의해 생성되는 전기 에너지를 충전하는 충전부를 포함하되,
    상기 충전부는 배터리의 전원을 상기 전동발전부의 전동권선측으로 연결 또는 차단하는 릴레이;
    상기 전동발전부의 발전전압에 의해 배터리를 충전시키기 위한 충전기;
    상기 배터리의 저전압을 감지하기 위한 저전압 감지부; 및
    상기 저전압 감지부의 입력에 따라 상기 릴레이의 동작을 제어하고, 상기 충전기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동발전을 이용한 충전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전부는 상기 배터리의 충전상태를 표시하는 충전상태 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동발전을 이용한 충전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전동발전부는 전동권선이 N상으로 권선되고, 발전권선이 2N상으로 권선된 고정자;
    상기 고정자의 상단에 위치하여 회전되는 제1 회전자;
    상기 고정자의 하단에 위치하여 회전되는 제2 회전자; 및
    상기 제1 회전자 및 제2 회전자를 연결하여 동일방향으로 회전되도록 중앙부에 위치한 회전축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동발전을 이용한 충전장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 회전자 및 제2 회전자는 원판형 영구자석이며, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자의 각 N극이 상기 고정자 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전동발전을 이용한 충전장치.
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