KR20200049645A - 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치 - Google Patents

주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치 Download PDF

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KR20200049645A
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power generation
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박원성
황만영
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박원성
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Abstract

본 발명은 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형의 발전 기능을 하거나 방전 기능으로서의 전환 작동이 가능한 동시에 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전 방식을 통해 충전회로로 공급되게 하여 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능을 극대화 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 자전거에 상기 자전거의 휠과 연동해서 회전하도록 설치되며, 복수의 자석이 원형의 궤적을 따라 설치되는 자석 회전부와, 상기 자석 회전부와 마주 보도록 상기 자전거에 설치되며, 상기 자석과 대응되는 복수의 코일이 원형의 궤적을 따라 설치되는 코일 지지부와, 상기 코일 지지부의 코일에 대한 전원 공급용의 방전 회로부 및 상기 코일에서 발생된 전기의 충전을 위한 충전 회로부 그리고 상기 방전 회로부 및 충전 회로부와 전기적인 접속이 이루어진 상태로 상기 자전거에 설치되는 이차전지를 포함하는 전원부와, 상기 코일 지지부로부터 돌출되는 형태로 하나 또는 둘 이상 형성되는 동시에 각각은 상기 전원부의 충전 회로부와 전기적으로 연결되어 상기 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전을 기반으로 상기 충전 회로부에 공급하는 보조 충전부를 포함하여 구성된다.

Description

주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치{Generator for bicycle with driving motor functions}
본 발명은 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형의 발전 기능을 하거나 방전을 통한 모터로서의 기능 전환이 가능한 동시에 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전 방식을 통해 충전회로로 공급되게 하여 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능을 극대화 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 10월 30일자로 출원된 한국특허출원 제10-2018-0131094호의 국내우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근 온실가스의 배출량 증가에 따른 지구 온난화 문제 및 저공해 에너지 기술의 발달 등에 의해서 하이브리드 차량 내지 전기자전거 등 친환경 차량이 출시되고 있다.
전기자전거는 배터리 및 모터를 이용하여 주행용 휠에 동력을 전달함으로써, 폐달을 밟지 않고도 주행할 수 있는 편리함을 제공한다.
그러나 기존의 전기자전거는 배터리의 현재 충전량에 해당하는 거리만큼 주행이 가능하므로, 원거리 주행 시 중간에 배터리가 모두 방전되면서 전동 주행 기능이 상실되는데 따른 불편함 또는 사용자의 부주의 등으로 배터리의 충전량이 부족할 시 얼마 가지를 못해 전동 주행 기능이 상실되는데 따른 불편함 및 이의 방지를 위해 배터리를 수시로 충전하는데 따른 불편함 등 많은 불편함을 발생하는 것이었다.
부연 설명하면, 기존의 전기자전거는 배터리가 모두 방전될 경우 새로운 배터리로 교체하기 전까지는 전동 주행 기능이 완전히 상실되는 것이므로, 배터리의 잔량을 수시로 확인해야 하는 동시에 예비 배터리를 항시 휴대해야 하는 등 여러 난점을 발생시키는 것이었다.
이에, 본 출원인은 전기자전거에 장착되어 해당 전기자전거의 주행 시 휠의 회전 동력을 이용하여 발전 및 충전을 하고, 충전된 전원을 해당 전기자전거의 주행 동력으로 제공할 수 있는 기술 개발에 오랜 기간 매진한 결과, 코일의 회전 궤적 바깥쪽에서 발생되어 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸되는 전기를 회수하여 충전전류로 사용할 수 있도록 하는 기술을 개발하여 해당 기술을 포함하는 본 발명을 제안하게 되었다.
한국 등록특허 제10-0928433호(2009.11.24.공고.), “발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거” 한국 공개특허 제10-2012-0008938호(2012.02.01.공개.), “견인식 발전 겸용 전동기를 갖는 자전거”
본 발명의 실시 예는 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형의 발전 기능을 하며, 오르막길 주행이나 그 밖의 필요에 따라 모터로 전환 작동이 가능한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 발전 동작 중 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전 방식을 통해 충전회로로 공급되게 함으로써, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능이 극대화될 수 있도록 한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치를 제공한다. 다시 말해, 코일의 회전 궤적 바깥쪽에서 발생되어 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸되는 전기를 회수하여 충전전류로 사용할 수 있음에 따라, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능의 극대화를 구현하는 동시에 해당 전기자전거의 주행 거리 및 주행 속도 등의 성능에 향상이 이루어지게 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 자석의 극성 조합 및 배치가 발전 기능의 극대화를 위한 최적화된 형태를 갖도록 함으로써, 발전 기능으로 작동 시 발전 효율이 극대화되는 동시에 궁극적으로 충전 효율이 크게 향상되도록 한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는, 자전거에 상기 자전거의 휠과 연동해서 회전하도록 설치되며 복수의 자석이 원형의 궤적을 따라 설치되는 자석 회전부와, 상기 자석 회전부와 마주 보도록 상기 자전거에 설치되며 상기 자석과 대응되는 복수의 코일이 원형의 궤적을 따라 설치되는 코일 지지부와, 상기 코일에 유도되는 전기의 충전을 위한 충전 회로부 및 상기 충전 회로부와 접속되어 충전 기능을 하는 이차전지를 포함하며 상기 이차전지의 전원을 상기 코일에 공급하는 기능을 가지면서 상기 자전거에 설치되는 충방전부와, 상기 코일 지지부로부터 돌출되는 형태로 하나 또는 둘 이상 형성되는 첨단부재를 포함하며 상기 첨단부재 각각은 상기 충전 회로부와 전기적으로 연결되어 상기 코일 및 코일 지지부 주변의 전기를 첨단방전을 기반으로 상기 충전 회로부에 공급하는 보조 충전부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조 충전부는 상기 충전 회로부로 공급되는 전기를 기정해진 정격전압으로 조정하는 전압 조정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자석 회전부는 상기 자석들의 극성 배치가 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 교차가 이루어지는 것일 수 있다. 여기서, 상기 자석들은 극성 배치가 동일한 세 자석이 하나의 그룹을 형성하면서 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 상기 그룹들의 교차가 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 상기 자전거의 휠 회전 동력을 증속된 회전 동력으로 상기 자석 회전부에 전달하는 회전동력 증속 전달부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전동력 증속 전달부는 상기 자전거의 휠 회전축과 연동하여 회전되는 구동기어 및 상기 구동기어에 치합되어 상기 구동기어의 회전 시 증속용 기어비를 통해 상기 자석 회전부에 증속된 회전 동력을 제공하는 하나 또는 둘 이상의 종동기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전동력 증속 전달부는 상기 자전거의 휠 회전축 및 상기 자석 회전부의 종동축 간 회전 비율이 1:6이 되도록 상기 구동기어 및 종동기어 간의 기어비가 1:6의 증속비 형태로 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 상기 자석 회전부는 상기 자석의 삽입 결합을 위한 자석 결합홀이 관통되게 형성되는 동시에 상기 코일 지지부는 상기 코일의 삽입 결합을 위한 코일 결합홀이 관통되게 형성되어, 가운데의 코일에 대해 양쪽의 자석들이 각각 대응되도록 상기 코일 지지부를 중심으로 양쪽에 상기 자석 회전부가 각각 배치되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 상기 코일에 대한 상기 이차전지의 전원 공급을 온/오프하는 기능 전환 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기능 전환 스위칭부는 상기 자전거에 설치되는 기울기 감지센서 및 상기 기울기 감지센서를 통해 감지되는 기울기 값을 기반으로 상기 자전거의 오르막길 주행 여부를 판단하여 상기 이차전지의 상기 코일에 대한 전원 공급을 제어하는 방전 제어부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는, 자전거에 상기 자전거의 휠과 연동해서 회전하도록 설치되며 복수의 자석이 원형의 궤적을 따라 설치되는 자석 회전부와, 상기 자석 회전부와 마주 보도록 상기 자전거에 설치되며 상기 자석과 대응되는 복수의 코일이 원형의 궤적을 따라 설치되는 코일 지지부와, 상기 코일에 유도되는 전기의 충전을 위한 충전 회로부 및 상기 충전 회로부와 접속되어 충전 기능을 하는 이차전지를 포함하며 상기 이차전지의 전원을 상기 코일에 공급하는 기능을 가지면서 상기 자전거에 설치되는 충방전부와, 상기 코일 지지부의 둘레로부터 상기 코일 지지부의 일면과 동일 평면상의 외측 방향으로 돌출되는 첨단부재를 포함하되, 상기 첨단부재는 상기 코일 지지부의 둘레를 따라 하나 또는 둘 이상으로 형성되는 동시에 상기 첨단부재 각각은 상기 코일 지지부로부터 돌출되는 방향의 선단으로부터 상기 코일들의 바깥쪽 일단을 연결한 가상의 원의 원둘레 까지의 거리가 6㎜ 내지 8㎜가 되도록 형성되며, 상기 코일 지지부의 둘레로부터 외측 방향을 따라 형성되고 있는 전기가 상기 첨단부재를 통한 첨단방전을 기반으로 흘러오면 사전에 정해진 정격전압의 충전지에 충전시키는 충전 콘트롤러를 포함하는 보조 충전부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 코일 지지부의 상기 코일의 굵기는 0.36㎜ 내지 0.44㎜의 범위 내에서 정해지는 것일 수 있다.
또한, 상기 충방전부의 이차전지 및 상기 보조 충전부의 충전지는 동일한 전지이거나 서로 다른 전지일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형 발전 기능을 하는 발전장치가 오르막길이나 내리막길 또는 평지 등 해당 자전거가 주행 중인 도로 상황 내지 총 주행거리에 대한 배터리의 현재 잔여량 등을 고려하여 발전 기능 또는 방전 기능으로서의 전환 작동이 가능하게 된다.
또한, 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형 발전 기능을 하는 발전장치가 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전 방식을 통해 충전회로로 공급되게 함으로써, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능이 극대화될 수 있게 된다. 다시 말해, 기존에는 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸 처리되던 코일 회전 궤적 바깥쪽의 전기를 첨단방전을 기반으로 회수하여 충전전류로 사용할 수 있음에 따라, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능의 극대화가 가능한 동시에 해당 전기자전거의 주행 거리 및 주행 속도 등의 성능에 향상이 이루어지게 된다.
또한, 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형 발전 기능을 하는 발전장치가 자석의 극성 조합 및 배치를 발전 기능의 극대화를 위한 최적화된 형태로 형성함으로써, 발전 기능으로 작동 시 발전 효율이 극대화되는 동시에 궁극적으로 충전 효율이 크게 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치의 외형을 간략하게 예시한 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 요부를 예시한 측면도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 자석 회전부 및 코일 지지부를 예시한 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치의 전기적 구성을 예시한 블록도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 자석 회전부의 일 예를 예시한 도면
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 코일 지지부를 예시한 측면도
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 보조 충전부의 구성을 예시한 구성도
도 8은 도 7의 실시 예에서 보조 충전부의 첨단부재 설치 예를 개념적으로 예시한 구성도
이하의 본 발명에 관한 상세한 설명들은 본 발명이 실시될 수 있는 실시 예이고 해당 실시 예의 예시로써 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명의 실시에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 기재된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서 후술되는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
발명에서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”,　“…모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치의 외형을 간략하게 예시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 요부를 예시한 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 자석 회전부 및 코일 지지부를 예시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치의 전기적 구성을 예시한 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 자석 회전부(100), 코일 지지부(200), 충방전부(300) 및 보조 충전부(400)를 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 회전동력 증속 전달부(500), 기능 전환 스위칭부(600) 및 하우징(700)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
자석 회전부(100)는 자전거(10)에 자전거(10)의 휠(11)과 연동해서 회전하도록 설치되며, 이러한 자석 회전부(100)는 복수의 자석(110)이 원형의 궤적을 따라 설치된다.
본 실시 예를 기준으로 설명하면, 자석 회전부(100)는 원형의 회전판(110) 및 이러한 회전판(110)의 일면 또는 양면에 그 둘레를 따라 복수의 자석(120)이 결합되고, 여기서 회전판(110)의 둘레를 따라 관통형의 자석 결합홀(111)들이 형성되어 이러한 자석 결합홀(111)별로 자석(120)이 끼워져 결합되는 형태일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 자석 회전부(100)는 자전거(10)의 휠(11)과 연동해서 회전되는 동시에 복수의 자석(120)이 원형의 궤적을 따라 설치됨으로써, 자전거(10)의 주행에 따른 자전거(10)의 휠(11) 회전 시 연동해서 회전되면서 그 자석(120)들이 원형의 궤적을 그리며 회전되는 조건을 만족하는 범위 내에서 다양한 형태로 실시될 수 있다.
부연 설명하면, 자석 회전부(100)는 사각이나 다각형의 판 형태 또는 판 형태가 아닐 수도 있으며, 자석(120)이 원형의 궤적을 따라 설치되는 조건을 만족하는 범위에서 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 도 5에 도시된 것처럼, 자석 회전부는 자석들의 극성 배치가 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 교차가 이루어지는 것일 수 있다. 본 실시 예를 기준으로 설명하면, 자석 회전부의 자석들은 극성 배치가 동일한 세 자석이 하나의 그룹을 형성하면서 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 상기 그룹들의 교차가 이루어지는 형태를 갖는다.
이러한 구성에 의해서, 자석 회전부(100) 및 코일 지지부(200) 간 코깅(cogging) 토크가 최소화되면서 발전효율이 크게 향상되게 된다. 본 출원인은 실험 결과 발전효율이 30% 증가되도록 할 수 있었다.
다시 도 1 내지 도 4로 돌아가서, 본 실시 예에서는 자석 회전부(100)가 자전거(10)의 후륜과 연동하여 회전되며, 자석(120)이 영구자석인 것을 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
코일 지지부(200)는 자석 회전부(100)와 마주 보도록 자전거(10)에 설치되며, 이러한 코일 지지부(200)는 자석 회전부(100)의 자석(110)과 대응되는 복수의 코일(210)이 원형의 궤적을 따라 설치된다.
본 실시 예를 기준으로 설명하면, 코일 지지부(200)는 원형의 지지판(210) 및 이러한 지지판(210)의 일면 또는 양면에 그 둘레를 따라 복수의 코일(220)이 결합되고, 여기서 지지판(210)의 둘레를 따라 관통형의 코일 결합홀(211)들이 형성되어 이러한 코일 결합홀(211)별로 코일(220)이 끼워져 결합되는 형태일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 코일 지지부(200)는 자석 회전부(100)와 마주보는 동시에 자석 회전부(100)의 회전에 따라 원형의 궤적을 그리면서 회전되는 자석(120)들과 대응되는 코일(220)들이 원형의 궤적을 따라 설치되는 조건을 만족하는 범위 내에서 다양한 형태로 실시될 수 있다.
부연 설명하면, 코일 지지부(100)는 사각이나 다각형의 판 형태 또는 판 형태가 아닐 수도 있으며, 코일(120)이 원형의 궤적을 따라 설치되는 조건을 만족하는 범위에서 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 상술한 것처럼, 자석 회전부(100)에 자석(120)의 삽입 결합을 위한 자석 결합홀(111)이 관통되게 형성되는 동시에 코일 지지부(200)에 코일(220)의 삽입 결합을 위한 코일 결합홀(211)이 관통되게 형성됨에 따라, 가운데의 코일(220)에 대해 양쪽의 자석(120)들이 각각 대응되도록 코일 지지부(200)를 중심으로 양쪽에 자석 회전부(100)가 배치될 수 있고, 이를 통해 자전거(10)의 휠(11) 회전에 따른 자석 회전부(100)들의 회전 시 코일 지지부(200)의 코일(220)을 통한 발전 효율이 향상될 수 있다.
충방전부(300)는 코일 지지부(200)의 코일(220)에 유도되는 전기의 충전을 위한 충전 회로부(310) 및 이러한 충전 회로부(310)와 접속되어 충전 기능을 하는 이차전지(320)를 포함하며, 이차전지(320)의 전원을 코일 지지부(200)의 코일(220)에 공급하는 기능을 가지면서 자전거(10)에 설치된다. 이에 따라, 충방전부(300)는 이차전지(320) 및 코일 지지부(200)의 코일(220)들과 접속되어 이차전지(320)의 전원을 코일(220)들에 공급하는 방전 회로부(330)를 포함할 수 있다.
보조 충전부(400)는 코일 지지부(200)로부터 돌출되는 형태로 하나 또는 둘 이상 형성되는 첨단부재(410)를 포함하며, 이러한 첨단부재(410) 각각은 충방전부(300)의 충전 회로부(310)와 전기적으로 연결되어 코일(220) 및 코일 지지부(200) 주변의 전기를 첨단방전을 기반으로 충방전부(300)의 충전 회로부(310)에 공급하는 기능을 한다. 여기서, 보조 충전부(400)는 충방전부(300)의 충전 회로부(310)로 공급되는 전기를 기정해진 정격전압으로 조정하는 전압 조정부(430)를 더 포함할 수 있다.
이러한 보조 충전부(400)의 구성에 의해서, 자석 회전부(100)의 회전에 따라 코일 지지부(200)의 코일(211)을 통해 발전 기능이 진행되는 과정 중 충방전부(300)의 충전회로부(310)로 공급되지 못하고 코일(211) 및 코일 지지부(200)의 주변에서 소실되는 전기를 첨단부재(410)를 통해 첨단방전 방식으로 회수함에 따라, 결과적으로 충방전부(300)의 충전 기능이 크게 향상될 수 있게 된다.
도 6을 참조하여 부연 설명하면, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 코일 지지부를 예시한 측면도이다.
도시된 바와 같이, 코일 지지부(200)의 지지판(210)에는 보조 충전부(400)의 첨단부재(410)를 설치하기 위한 하나 또는 둘 이상의 인입홈(213)이 형성되며, 이러한 인입홈(213)별로 첨단부재(410)가 그 일측을 지지판(210)의 둘레로부터 바깥쪽으로 돌출시킨 상태로 인입 설치된다. 또한, 지지판(210)의 일면에는 인입홈(213)과 통하는 코일 배선홈(212)이 형성되며, 이러한 코일 배선홈(212)을 따라 보조 충전 코일(420)이 배선되면서 첨단부재(410) 및 충방전부(300)를 전기적으로 연결함으로서, 첨단부재(410)를 통해 회수되는 전기가 충방전부(300)로 공급되어 충전된다.
또한, 본 실시 예에서는 지지판(210)의 둘레를 따라 90° 간격으로 인입홈(213)이 형성되어 4개의 첨단부재(410)가 지지판(210)의 둘레를 따라 90° 간격으로 배치되는 것을 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨단부재(410)가 180° 간격으로 배치되는 2개의 구성 내지 단일 구성 등 발전 용량, 지지판(210)의 크기 내지 자석 회전부(100)의 rpm 등을 고려하여 다양한 개수로 설치될 수 있는 것이다.
상술한 보조 충전부(400)의 구성에 의해서, 자석 회전부(100)의 회전에 따라 코일 지지부(200)의 코일(220)에 전기가 유도되는 발전 과정 중에 충방전부(300)의 충전 회로부(310)로 공급되지 못하고 소실되는 전기를 첨단부재(410)를 통한 첨단방전 방식을 통해 회수하여 충전시킴으로써, 발전 및 충전 효율이 크게 향상될 수 있다.
다시 도 1 내지 도 4로 돌아가서, 회전동력 증속 전달부(500)는 자전거(10)의 휠(11) 회전 동력을 증속된 회전 동력으로 자석 회전부(100)에 전달하는 기능을 한다.
이러한 회전동력 증속 전달부(500)는 자전거(10)의 휠 회전축(12)과 연동하여 회전되는 구동기어 및 이러한 구동기어에 치합되어 구동기어의 회전 시 증속용 기어비를 통해 자석 회전부(100)에 증속된 회전 동력을 제공하는 하나 또는 둘 이상의 종동기어를 포함할 수 있다.
그리고 본 실시 예에서는 이러한 회전동력 증속 전달부(500)가 자전거(10)의 휠 회전축(12) 및 자석 회전부(100)의 종동축(530) 간 회전 비율이 1:6이 되도록 구동기어 및 종동기어 간의 기어비가 1:6의 증속비 형태로 이루어진 것을 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 회전동력 증속 전달부(500)의 구성에 의해서, 자전거(10)의 휠(11) 회전에 따른 휠 회전축(12)의 회전 속도가 6배의 증속이 이루어지면서 자석 회전부(100)의 종동축(530)에 전달되고, 이에 따라 자전거(10)의 휠(11)이 한 바퀴 회전할 때 자석 회전부(100)는 6 바퀴의 회전을 하게되면서 코일 지지부(200)의 코일(220)을 통한 발전 효율이 크게 향상될 수 있게 된다.
부연 설명하면, 본 출원인은 국내를 기준으로 자전거의 법정 속도인 25㎞/h로 주행 시 70w 내외의 발전 용량이 확보되도록 할 수 있었다.
그리고 도 4의 미설명 부호 240은 종동축(530)의 회전 및 그에 따른 자석 회전부(100)의 회전 시 코일 지지부(200)가 회전되지 않고 정지된 상태를 유지할 수 있도록 하는 베어링을 예시한 것이다.
기능 전환 스위칭부(600)는 코일 지지부(200)의 코일(220)에 대한 이차전지(320)의 전원 공급을 온/오프하는 기능을 한다.
다시 말해, 기능 전환 스위칭부(600)는 본 실시 예에 따른 자전거용 발전장치가 발전기로써 작동되거나 모터로써 작동되는 기능 선택이 이루어지도록 한다.
그리고 본 실시 예에서는 기능 전환 스위칭부(600)가 자전거(10)에 설치되는 기울기 감지센서(610) 및 이러한 기울기 감지센서(610)를 통해 감지되는 기울기 값을 기반으로 자전거(10)의 오르막길 주행 여부를 판단하여 이차전지(320)의 코일(220)에 대한 전원 공급을 제어하는 방전 제어부(620)를 포함하는 것을 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 기능 전환 스위칭부(600)는 사용자가 조작하는 수동 스위치의 형태 등 코일 지지부(200)의 코일(220)에 대한 전원 공급을 온/오프 제어하는 조건을 만족하는 범위 내에서 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상술한 기능 전환 스위칭부(600)의 구성에 의해서, 본 실시 예에 따른 자전거용 발전장치가 자전거(10)의 오르막길 주행 시 모터로써 작동되어 해당 자전거(10)의 주모터와 함께 오르막길 주행을 위한 동력을 제공하고, 평지나 내리막길을 주행 시 발전기로써 작동되어 발전 전기를 충방전부(300)의 이차전지(320)에 충전시키게 된다.
그리고 상술한 자석 회전부(100), 코일 지지부(200), 충방전부(300), 보조 충전부(400), 회전동력 증속 전달부(500) 및 기능 전환 스위칭부(600)는 하우징(700)의 내부에 수용되어 외부로부터 가려지는 상태로 설치된다.
상술한 도 1 내지 도 6의 실시 예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형 발전 기능을 하며, 오르막길이나 내리막길 또는 평지 등 해당 자전거가 주행 중인 도로 상황 내지 총 주행거리에 대한 배터리의 현재 잔여량 등을 고려하여 발전 기능 또는 방전 기능으로서의 전환 작동이 가능하다.
또한, 코일 주변에서 소실되는 전기를 첨단방전 방식을 통해 충전회로로 공급되게 함으로써, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능을 극대화 한다.
또한, 자석의 극성 조합 및 배치가 발전 기능의 극대화를 위한 최적화된 형태를 가짐으로써, 발전 기능으로 작동 시 발전 효율을 극대화시키는 동시에 궁극적으로 충전 효율을 크게 향상시킨다.
다음은 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서 보조 충전부의 구성을 예시한 구성도이고, 도 8은 도 7의 실시 예에서 보조 충전부의 첨단부재 설치 예를 개념적으로 예시한 구성도이다.
설명에 앞서, 본 실시 예에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치와 비교하여 보조 충전부(1400)의 구성에서 차이점이 있고, 따라서 이하의 설명에서 보조 충전부(1400)를 중심으로 설명하며, 보조 충전부(1400)를 제외한 나머지 구성은 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치와 동일하므로, 도 1 내지 도 6에 따른 실시 예의 해당 구성들 및 작용을 참조하면 될 것이다. 또한, 일부 설명에서 도 1 내지 도 6에 따른 실시 예의 구성 및 부호를 사용하였음을 밝혀 둔다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 보조 충전부(1400)는 코일 지지부(200)의 둘레로부터 코일 지지부(200)의 일면과 동일 평면상의 외측 방향으로 돌출되는 첨단부재(1410)를 포함하되, 이러한 첨단부재(1410)는 코일 지지부(200)의 둘레를 따라 하나 또는 둘 이상으로 형성된다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 첨단부재(1410) 각각은 코일 지지부(200)로부터 돌출되는 방향의 선단으로부터 코일(220)들의 바깥쪽 일단을 연결한 가상의 원의 원둘레 까지의 거리(L)가 6㎜ 내지 8㎜가 되도록 형성된다.
다시 도 7을 참조하면, 보조 충전부(1400)는 충전 콘트롤러(1420)를 포함하는 것으로서, 충전 콘트롤러(1420)는 코일 지지부(200)의 둘레로부터 외측 방향을 따라 형성되고 있는 전기가 첨단부재(1410)를 통한 첨단방전을 기반으로 흘러오면 사전에 정해진 정격전압의 충전지(1430)에 충전시키는 기능을 한다. 부연 설명하면, 코일 지지부(200)의 둘레로부터 외측 방향을 따라 형성되고 있는 전기를 도면에서 점선으로 예시하였으며, 기존에는 이러한 전기가 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸되고, 이로 인해 하우징에 열이 발생되는 것이었다.
그리고 충전 콘트롤러(1420)의 세부 구성은 공지된 기술을 통해 여러 형태로 구현될 수 있을 것이므로, 본 실시 예에서 이에 대한 구체적인 설명 및 도시는 생략하였다.
또한, 충방전부(300)의 이차전지(320) 및 보조 충전부(1400)의 충전지(1430)는 동일한 전지이거나 서로 다른 전지일 수 있다.
또한, 코일 지지부(200)의 코일(220)의 굵기는 0.36㎜ 내지 0.44㎜의 범위 내에서 정해지는 것일 수 있다.
아래의 표 1은 본 실시 예를 따른 보조 충전부(1400)가 적용된 경우 및 적용되지 않은 경우의 전기 자전거의 발전 전압 및 전류 그리고 주행 가능 거리를 예시한 것으로서, 25㎞/h의 속도로 주행시를 기준으로 한 것이고, 또한 적용된 이차전지가 정격전압/전류가 36V/8A인 리튬이온전지인 것을 예로 한 것이다.
다시 말해 첨단부재(1410)는 그 돌출 방향의 선단으로부터 코일의 바깥쪽 일단까지의 거리가 7㎜가 되도록 형성되고, 코일(220)의 굵기는 0.4㎜인 조건으로 보조 충전부(1400)가 전기 자전거에 적용된 시험예 및 본 실시 예에 따른 보조 충전부가 적용되지 않은 전기 자전거를 통해 25㎞/h의 속도로 주행 시 발전 전압 및 전류, 주행 가능 거리를 측정한 결과이다.
발전 전압 발전 전류 주행 거리
보조 충전부 적용 및 코일 굵기 0.4㎜ 64V 1.8A 40㎞
보조 충전부 미적용 및 코일 굵기 0.4㎜ 48V 1.1A 28㎞
예시된 바와 같이, 본 실시 예의 보조 충전부(1400)를 적용 시 발전 전압, 발전 전류 및 주행 거리의 모든 측면에서 향상된 결과값이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 이러한 시험 결과는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치에서도 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 실시 예들을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치는, 오르막길이나 내리막길 또는 평지 등 해당 자전거가 주행 중인 도로 상황 내지 총 주행거리에 대한 배터리의 현재 잔여량 등을 고려하여 발전 기능 또는 방전 기능으로서의 전환 작동이 가능하다.
또한, 기존에는 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸 처리되던 코일 회전 궤적 바깥쪽의 전기를 첨단방전을 기반으로 회수하여 충전전류로 사용할 수 있게 함으로써, 충전 효율의 극대화 및 그에 따른 에너지 절약 기능의 극대화가 가능한 동시에 해당 전기자전거의 주행 거리 및 주행 속도 등의 성능에 향상을 가능케 한다.
부연 설명하면, 본 출원인은 기존에는 하우징 접지 등의 방식을 통해 소멸 처리되던 코일 회전 궤적 바깥쪽의 전기를 회수하여 충전전류로 사용할 경우, 해당 발전장치의 발전 및 충전 효율이 크게 개선될 수 있을 것이라는 점에서 착안 후, 이에 대한 오랜 기간의 연구를 통해 상술한 첨단부재를 설치하는 구성 및 첨단부재가 코일 지지부로부터 돌출되는 방향의 선단으로부터 코일의 바깥쪽 일단까지의 길이가 6㎜ 내지 8㎜가 되도록 형성하는 구성 그리고 이에 적합한 충전 콘트롤러를 완성하게 된 것이다.
또한, 자전거의 휠 회전 동력을 기반으로 증속형 발전 기능을 하는 발전장치가 자석의 극성 조합 및 배치를 발전 기능의 극대화를 위한 최적화된 형태로 형성함으로써, 발전 기능으로 작동 시 발전 효율이 극대화되는 동시에 궁극적으로 충전 효율이 크게 향상될 수 있게 된다.
이상과 같이 본 설명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정하여 저서는 안되며, 후술되는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적인 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 자전거 11 : 휠
12 : 휠 회전축 100 : 자석 회전부
110 : 회전판 111 : 자석 결합홀
120: 자석 200 : 코일 지지부
210 : 지지판 211 : 코일 결합홀
212 : 코일 배선홈 213 : 인입홈
220: 코일 240 : 베어링
300 : 충방전부 310 : 충전 회로부
320 : 이차전지 330 : 방전 회로부
400.1400 : 보조 충전부 410,1410 : 첨단부재
420 : 보조 충전 코일 430 : 전압 조정부
500 : 회전동력 증속 전달부 510 : 구동기어
520 : 종동기어 530 : 종동축
600 : 기능 전환 스위칭부 610 : 기울기 감지센서
620 : 방전 제어부 700 : 하우징
1420 : 충전 콘트롤러 1430 : 충전지

Claims (13)

  1. 자전거에 상기 자전거의 휠과 연동해서 회전하도록 설치되며, 복수의 자석이 원형의 궤적을 따라 설치되는 자석 회전부;
    상기 자석 회전부와 마주 보도록 상기 자전거에 설치되며, 상기 자석과 대응되는 복수의 코일이 원형의 궤적을 따라 설치되는 코일 지지부;
    상기 코일에 유도되는 전기의 충전을 위한 충전 회로부 및 상기 충전 회로부와 접속되어 충전 기능을 하는 이차전지를 포함하며, 상기 이차전지의 전원을 상기 코일에 공급하는 기능을 가지면서 상기 자전거에 설치되는 충방전부;
    상기 코일 지지부로부터 돌출되는 형태로 하나 또는 둘 이상 형성되는 첨단부재를 포함하며, 상기 첨단부재 각각은 상기 충전 회로부와 전기적으로 연결되어 상기 코일 및 코일 지지부 주변의 전기를 첨단방전을 기반으로 상기 충전 회로부에 공급하는 보조 충전부를 포함하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  2. 자전거에 상기 자전거의 휠과 연동해서 회전하도록 설치되며, 복수의 자석(120)이 원형의 궤적을 따라 설치되는 자석 회전부(100);
    상기 자석 회전부와 마주 보도록 상기 자전거에 설치되며, 상기 자석과 대응되는 복수의 코일(220)이 원형의 궤적을 따라 설치되는 코일 지지부(200);
    상기 코일에 유도되는 전기의 충전을 위한 충전 회로부 및 상기 충전 회로부와 접속되어 충전 기능을 하는 이차전지를 포함하며, 상기 이차전지의 전원을 상기 코일에 공급하는 기능을 가지면서 상기 자전거에 설치되는 충방전부;
    상기 코일 지지부의 둘레로부터 상기 코일 지지부의 일면과 동일 평면상의 외측 방향으로 돌출되는 첨단부재를 포함하되, 상기 첨단부재는 상기 코일 지지부의 둘레를 따라 하나 또는 둘 이상으로 형성되는 동시에 상기 첨단부재 각각은 상기 코일 지지부로부터 돌출되는 방향의 선단으로부터 상기 코일들의 바깥쪽 일단을 연결한 가상의 원의 원둘레 까지의 거리가 6㎜ 내지 8㎜가 되도록 형성되며, 상기 코일 지지부의 둘레로부터 외측 방향을 따라 형성되고 있는 전기가 상기 첨단부재를 통한 첨단방전을 기반으로 흘러오면 사전에 정해진 정격전압의 충전지에 충전시키는 충전 콘트롤러를 포함하는 보조 충전부를 포함하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 충전부는 상기 충전 회로부로 공급되는 전기를 기정해진 정격전압으로 조정하는 전압 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자석 회전부는 상기 자석들의 극성 배치가 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 교차가 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자석들은 극성 배치가 동일한 세 자석이 하나의 그룹을 형성하면서 시계 방향 또는 반시계 방향을 기준으로 한쪽 방향을 따라 상기 그룹들의 교차가 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자전거의 휠 회전 동력을 증속된 회전 동력으로 상기 자석 회전부에 전달하는 회전동력 증속 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전동력 증속 전달부는 상기 자전거의 휠 회전축과 연동하여 회전되는 구동기어 및 상기 구동기어에 치합되어 상기 구동기어의 회전 시 증속용 기어비를 통해 상기 자석 회전부에 증속된 회전 동력을 제공하는 하나 또는 둘 이상의 종동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전동력 증속 전달부는 상기 자전거의 휠 회전축 및 상기 자석 회전부의 종동축 간 회전 비율이 1:6이 되도록 상기 구동기어 및 종동기어 간의 기어비가 1:6의 증속비 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자석 회전부는 상기 자석의 삽입 결합을 위한 자석 결합홀이 관통되게 형성되는 동시에 상기 코일 지지부는 상기 코일의 삽입 결합을 위한 코일 결합홀이 관통되게 형성되어, 가운데의 코일에 대해 양쪽의 자석들이 각각 대응되도록 상기 코일 지지부를 중심으로 양쪽에 상기 자석 회전부가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일에 대한 상기 이차전지의 전원 공급을 온/오프하는 기능 전환 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기능 전환 스위칭부는 상기 자전거에 설치되는 기울기 감지센서 및 상기 기울기 감지센서를 통해 감지되는 기울기 값을 기반으로 상기 자전거의 오르막길 주행 여부를 판단하여 상기 이차전지의 상기 코일에 대한 전원 공급을 제어하는 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일 지지부의 상기 코일의 굵기는 0.36㎜ 내지 0.44㎜의 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 충방전부의 이차전지 및 상기 보조 충전부의 충전지는 동일한 전지이거나 서로 다른 전지인 것을 특징으로 하는 주행용 모터 기능을 병행하는 자전거용 발전장치.
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KR100928433B1 (ko) 2009-05-21 2009-11-24 장석호 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거
KR20120008938A (ko) 2010-07-21 2012-02-01 장석호 견인식 발전 겸용 전동기를 갖는 자전거

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