KR20220008569A - 자동차 바퀴 타이어를 이용하는 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

발전시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 발전시스템은, 회전구동하여 자동차의 위치를 변경시키는 자동차 바퀴의 타이어 또는 타이어와 인접하여 장착되어 전기를 생산하는 발전시스템으로서, 상기 타이어의 내주면을 따라 N극과 S극이 일정 간격 이격되어 교번 배치되는 영구자석부; 상기 영구자석부가 탑재된 타이어와 대응되는 자동차 바퀴의 타이어 내주면 또는 타이어 외주면과 인접하여 배치되는 유도코일부; 및 상기 자동차의 내부에 탑재되고, 유도코일부로부터 획득되는 전기에너지를 저장하는 전력저장부;를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하고, 생산되는 전력을 일정 레벨 범위 내로 유지할 수 있는 발전시스템을 제공할 수 있다.

Description

자동차 바퀴 타이어를 이용하는 발전시스템{Electric Generating System Using Vehicle Wheel Tire}
본 발명은 자동차 바퀴 타이어를 이용하는 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템에 관한 것이다.
인류의 화석연료 사용으로 인한 지구 온난화 현상에 따른 환경 오염 문제가 한계에 다다르고 있고, 세계적인 관심사로 대두됨에 따라 세계 각국의 자동차 업체와 자동차 관련기관에서는 공해발생의 주범으로 지목받고 있는 내연기관 자동차를 대신할 수 있는 무공해 자동차 즉, 전기 자동차, 수소 발전 전기자동차, 태양전지를 이용한 자동차 등의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 이러한 추세와 더불어 무공해 자동차의 주 동력원인 배터리, 수소의 지연폭발, 태양전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
상기와 같은 무공해 자동차 중 전기 자동차는 주동력원인 배터리에 의해 구동되는 모터로 이루어지거나 화석연료를 이용한 엔진과 배터리에 의해 구동되는 모터를 선택적으로 사용하는 하이브리드 타입 전기자동차가 있다.
이러한 전기 자동차는 충전된 배터리를 이용하여 모터를 구동하여 차량을 운행하고, 배터리가 소진되면 배터리를 재충전하여야 하는 불편함이 있다. 특히 주 동력원이 모터로만 이루어진 자동차의 경우 장거리 주행이 어렵고, 배터리의 용량을 크게 하는 경우 배터리의 무게가 증가하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 자동차의 주행 중 배터리를 충전하는 방안이 제안되었다.
한국 공개 특허공보 제2002-0008137호에는 전기 자동차의 자가 발전장치가 개시되어 있다.
개시된 전기자동차는 차량 양측의 후륜에 고정 장착되고, 축받이에 의해 후륜과 동시에 회전되도록 장착된 차륜축에 베벨기어 장치가 설치되며, 이 베벨기어 장치에 의해 회전되는 대형 회전륜이 설치되고, 이 대형 회전륜에 의해 구동되어 배터리를 충전하는 고속 발전기를 구비한다.
상술한 바와 같은 전기자동차는 주행과 연계하여 발전기가 구동되도록 되어 있으므로 배터리 충전효과를 극대화할 수 없다.
한국 공개 특허공보 제2000-010126호에는 전기 자동차의 보조 충전장치가 개시되어 있다.
개시된 전기자동차는 자동차의 전방부 또는 양측부를 통해 유입되는 공기를 포집하는 호퍼와, 호퍼를 통해 유입되는 바람을 통해 유입되는 공기의 흐름을 이용하여 회전력을 발생시키는 팬과, 팬의 구동력을 발전기에 전달 및 단락시키는 팬구동력 단속부와, 팬의 회전수를 전기적 신호로 검출하는 회전수 검출센서와, 자동차의 지붕에 설치되는 솔라셀을 구비한다.
상기 전기자동차는 주행 중에 발생되는 풍력을 이용하게 되므로 자동차의 공기저항을 증가시켜 충분한 배터리 충전효과를 기대할 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차(10)의 바퀴 회전축(13)에 발전기(11)를 장착하여, 회생제동 시 발전을 수행하여 전력을 배터리(12)에 저장하는 기술이 개발되었다. 그러나, 도 1에 도시된 종래 기술 역시 회생제동 시점을 정확히 제어해야 하는 문제점이 있으며, 감속 시에만 회생제동이 작동하고, 비감속 시에는 회생제동이 작동하지 않아 전기생산에 제약점이 많다. 또한, 바퀴 회전축의 저속 회전시와 고속 회전시에 회생제동에 의해 수득하는 전력량의 레벨이 서로 다른 문제점이 있다.
따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한국공개특허공보 제10-1998-0007950호 (공개일자: 1998년 06월 05일)
본 발명의 목적은, 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 자동차 바퀴 타이어를 이용하는 발전시스템은, 회전구동하여 자동차의 위치를 변경시키는 자동차 바퀴의 타이어 또는 타이어와 인접하여 장착되어 전기를 생산하는 발전시스템으로서, 상기 타이어의 내주면을 따라 N극과 S극이 일정 간격 이격되어 교번 배치되는 영구자석부; 상기 영구자석부가 탑재된 타이어와 대응되는 자동차 바퀴의 타이어 내주면 또는 타이어 외주면과 인접하여 배치되는 유도코일부; 및 상기 자동차의 내부에 탑재되고, 유도코일부로부터 획득되는 전기에너지를 저장하는 전력저장부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 영구자석부는, 상기 타이어를 외주면에 탑재하는 휠프레임과 인접하는 타이어의 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착되는 제1 영구자석부;를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 유도코일부는, 상기 타이어의 내경부와 대향하는 휠프레임의 외주면에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제1 영구자석부와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산하는 제1 유도코일부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 영구자석부는, 상기 타이어의 바깥쪽 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착되는 제2 영구자석부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도코일부는, 상기 타이어의 외경부와 대향하는 차체에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제2 영구자석부와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산하는 제2 유도코일부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 영구자석부는, 선형 금속 소재로 구성된 영구자석일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도코일부는, 자동차 바퀴의 외주면을 감싸는 구조로 형성된 자체의 내측면에 인접하여 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 타이어의 내주면에 장착된 영구자석부를 구성하는 영구자석의 수량은, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 내의 속도일 경우, 영구자석의 수량을 N개로 설정하고, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 미만일 경우, 영구자석의 수량을 2N개로 설정하고, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위를 초과할 경우, 영구 자석의 수량을 N/2개로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 영구자석부는, 상기 타이어의 내측 내주면으로부터 방사형 구조로 일정 각도만큼 이격되어 다수 형성된 제1 슬라이딩 레일; 상기 제1 슬라이딩 레일에 타이어의 회전 운동에 의해 제1 슬라이딩 레일을 따라 외주면 방향으로 슬라이딩되는 제1 영구자석; 및 상기 제1 슬라이딩 레일 내부 탑재되고, 타이어의 회전속도가 기설정된 속도를 초과할 경우 제1 영구자석의 위치를 원심력에 의해 외주면 방향으로 슬라이딩 되도록 허용하고, 기설정된 속도 미만일 경우 제1 영구자석의 위치를 본래의 위치로 복원하는 탄성복원부재;를 포함하는 구성일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 발전시스템에 따르면, 특정 구조의 영구자석부, 유도코일부 및 전력저장부를 구비함으로써, 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 발전시스템에 따르면, 자동차 바퀴의 회전속도 범위에 따라 제1 영구자석 및 제2 영구자석의 수량을 변경함으로써, 생산되는 전력을 일정 레벨 범위 내로 유지할 수 있는 발전시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차 바퀴를 이용한 발전시스템을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 발전시스템의 제1 영구자석부 및 제1 유도코일부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타내는 정면 투시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 발전시스템의 제2 영구자석부 및 제2 유도코일부를 나타내는 단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전시스템을 나타내는 구성도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 도시된 발전시스템의 제1 영구자석부 및 제1 유도코일부를 나타내는 단면도가 도시되어 있다.
또한, 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전시스템을 나타내는 정면 투시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 2에 도시된 발전시스템의 제2 영구자석부 및 제2 유도코일부를 나타내는 단면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 발전시스템(100)은, 회전구동하여 자동차의 위치를 변경시키는 자동차 바퀴의 타이어 또는 타이어와 인접하여 장착되어 전기를 생산하는 발전시스템이다.
본 실시예에 따른 발전시스템(100)은, 특정 구조의 영구자석부(110), 유도코일부(120) 및 전력저장부(130)를 구비함으로써, 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 발전시스템(100)을 구성하는 각 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 발전시스템(100)은 유도 기전력을 이용하여 전기를 생산한다.
구체적으로, 코일(도체)과 근접하여 영구자석의 N극 또는 S극이 변하도록 움직이면 코일에 쇄교하는 자속의 변화에 의하여 기전력이 발생하는데 이러한 형상을 전자기 유도라 한다. 이때, 발생되는 기전력을 유도 기전력이라 하고, 코일에 흐르는 전류를 유도 전류라 한다.
전자기 유도에 의한 기전력의 방향은 코일에 영구자석을 움직이는 방향, 영구자석의 극성(N극, S극)에 의하여 결정된다.
렌쯔의 법칙에 따르면, 유도 기전력의 방향에 있어서는, 유도 기전력은 코일을 통한 자속이 증가하게 될 때 이것을 감소시키는 방향으로, 감소시킬 때에는 증가시키는 방향으로 발생하여 유도전류가 흐른다는 것을 정의하고 있다. 다시 말해 유도 기전력은 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생기게 되는 것이다.
또한, 플레밍의 오른손 법칙에 따르면, 도체가 자속을 끊었을 때 생기는 유도 기전력의 방향은 오른손으로 엄지손가락, 집게손가락, 가운데 손가락을 서로 직각으로 펴고 집게손가락을 자장의 방향에, 엄지손가락을 운동하는 방향을 가리키면 가운데 손가락은 유도 기전력의 방향이 된다.
본 실시예에 따른 발전시스템은, 상기 설명한 전자기 유도를 이용하여 전기를 생산하게 된다.
본 실시예에 따른 발전시스템(100)은, 크게 두 가지 실시예로 구분할 수 있으며, 첫 번째 실시예는 영구자석부(110)의 위치를 휠프레임과 인접하는 타이어의 내주면에 인접하여 장착하는 경우이고, 두 번째 실시예는 영구자석부(110)의 위치를 타이어의 바깥쪽 내주면에 장착하는 경우이다.
각각의 경우에 대해서 유도코일부(120)의 장착 위치 또한 그에 대응되어 변경됨이 바람직하다.
즉, 영구자석부(110)는, 타이어의 내주면을 따라 N극과 S극이 일정 간격 이격되어 교번 배치될 수 있다. 또한, 유도코일부(120)는, 영구자석부(110)가 탑재된 타이어와 대응되는 자동차 바퀴의 타이어 내주면 또는 타이어 외주면과 인접하여 배치됨이 바람직하다.
이때, 전력저장부(130)는, 자동차의 내부에 탑재되고, 유도코일부(120)로부터 획득되는 전기에너지를 저장할 수 있다.
경우에 따라서, 두 가지 실시예를 동시에 포함하는 실시예의 구성도 가능하다 하겠다.
우선 첫 번째 실시예인 영구자석부(110)의 위치를 휠프레임과 인접하는 타이어의 내주면에 인접하여 장착하는 경우에 대해 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 영구자석부(111)는 타이어를 외주면에 탑재하는 휠프레임과 인접하는 타이어의 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착될 수 있다.
이때, 제1 유도코일부(121)는, 타이어의 내경부와 대향하는 휠프레임의 외주면에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제1 영구자석부(111)와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산함이 바람직하다.
또한, 제1 유도코일부(121)를 구성하는 유도 코일들은 무철실(coreless) 방식으로 권선할 수 있다. 이때, 권선의 체적 밀도를 상대적으로 높게 설계할 수 있으며, 코깅 토크(cogging torque)에 의해 발생하는 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 첫 번째 실시예의 변형예가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 타이어의 내주면에 장착된 영구자석부(110)를 구성하는 영구자석의 수량은, 해당 자동차 바퀴의 회전속도에 따라 변경될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 자동차 바퀴의 회전속도 범위에 따라 제1 영구자석부(111) 및 제2 영구자석부(112)의 수량을 변경함으로써, 생산되는 전력을 일정 레벨 범위 내로 유지할 수 있는 발전시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 내의 속도일 경우, 영구자석의 수량을 N개로 설정할 수 있다.
또한, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 미만일 경우, 영구자석의 수량을 2N개로 설정하고, 해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위를 초과할 경우, 영구 자석의 수량을 N/2개로 설정할 수 있다.
이러한 제어를 구현하기 위해 도 4에 도시된 구성을 채택할 수 있다.
도 4에 대해 상세히 설명하면, 본 실시예에 따른 발전시스템(100)은, 특정 구조의 제1 슬라이딩 레일(141), 제1 영구자석부(111) 및 탄성복원부재(144)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 제1 슬라이딩 레일(141)은, 타이어의 내측 내주면으로부터 방사형 구조로 일정 각도만큼 이격되어 다수 형성될 수 있다.
제1 영구자석부(111)는, 제1 슬라이딩 레일(141)에 타이어의 회전 운동에 의해 제1 슬라이딩 레일(141)을 따라 외주면 방향으로 슬라이딩될 수 있다.
이때, 탄성복원부재(144)는 제1 슬라이딩 레일(141) 내부 탑재되는 구성으로서, 타이어의 회전속도가 기설정된 속도를 초과할 경우 제1 영구자석부(111)의 위치를 원심력에 의해 외주면 방향으로 슬라이딩 되도록 허용할 수 있다. 반면, 타이어의 회전속도가 기설정된 속도 미만일 경우 제1 영구자석부(111)의 위치를 본래의 위치로 복원할 수 있다.
이 경우, 채택되는 탄성복원부재(144)로서 기 설정된 임계압력에 의해 좌굴되거나 변형되는 이중 코일스프링 또는 판스프링일 수 있다.
다음으로 두 번째 실시예인 영구자석부(110)의 위치를 타이어의 바깥쪽 내주면에 장착하는 경우에 대해 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 장착되는 제2 영구자석부(112)는, 타이어의 바깥쪽 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착될 수 있다. 이때, 영구자석부(110)는, 선형 금속 소재로 구성된 영구자석일 수 있다.
바람직하게, 제2 유도코일부(122)는, 타이어의 외경부와 대향하는 차체에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제2 영구자석부(112)와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산할 수 있다.
이때, 유도코일부(120)는, 자동차 바퀴의 외주면을 감싸는 구조로 형성된 자체의 내측면에 인접하여 장착될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 발전시스템에 따르면, 특정 구조의 영구자석부(110), 유도코일부(120) 및 전력저장부(130)를 구비함으로써, 자동차 바퀴 타이어의 내부 또는 타이어와 인접하여 장착되는 영구자석 및 유도코일을 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 발전시스템에 따르면, 자동차 바퀴의 회전속도 범위에 따라 제1 영구자석부(111) 및 제2 영구자석부(112)의 수량을 변경함으로써, 생산되는 전력을 일정 레벨 범위 내로 유지할 수 있는 발전시스템을 제공할 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
11: 휠프레임
12: 타이어
100: 발전시스템
110: 영구자석부
111: 제1 영구자석부
112: 제2 영구자석부
120: 유도코일부
121: 제1 유도코일부
122: 제2 유도코일부
130: 전력저장부
141: 제1 슬라이딩 레일
142: 제2 슬라이딩 레일
143: 중량부재
144: 탄성복원부재

Claims (5)

  1. 회전구동하여 자동차의 위치를 변경시키는 자동차 바퀴의 타이어 또는 타이어와 인접하여 장착되어 전기를 생산하는 발전시스템으로서,
    상기 타이어의 내주면을 따라 N극과 S극이 일정 간격 이격되어 교번 배치되는 영구자석부(110);
    상기 영구자석부(110)가 탑재된 타이어와 대응되는 자동차 바퀴의 타이어 내주면 또는 타이어 외주면과 인접하여 배치되는 유도코일부(120); 및
    상기 자동차의 내부에 탑재되고, 유도코일부(120)로부터 획득되는 전기에너지를 저장하는 전력저장부(130);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석부(110)는,
    상기 타이어를 외주면에 탑재하는 휠프레임과 인접하는 타이어의 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착되는 제1 영구자석부(111);
    를 포함하고,
    상기 유도코일부(120)는,
    상기 타이어의 내경부와 대향하는 휠프레임의 외주면에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제1 영구자석부(111)와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산하는 제1 유도코일부(121);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석부(110)는,
    상기 타이어의 바깥쪽 내주면에 일정 각도만큼 이격되어 N극과 S극이 장착되는 제2 영구자석부(112);
    를 포함하고,
    상기 유도코일부(120)는,
    상기 타이어의 외경부와 대향하는 차체에 일정 간격 이격되어 연속적으로 장착되어, 제2 영구자석부(112)와의 전자기 유도에 의해 전기를 생산하는 제2 유도코일부(122);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석부(110)는, 선형 금속 소재로 구성된 영구자석이고,
    상기 유도코일부(120)는, 자동차 바퀴의 외주면을 감싸는 구조로 형성된 자체의 내측면에 인접하여 장착되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타이어의 내주면에 장착된 영구자석부(110)를 구성하는 영구자석의 수량은,
    해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 내의 속도일 경우, 영구자석의 수량을 N개로 설정하고,
    해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위 미만일 경우, 영구자석의 수량을 2N개로 설정하고,
    해당 자동차 바퀴의 회전속도가 기 설정된 범위를 초과할 경우, 영구 자석의 수량을 N/2개로 설정하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
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