[논문]비접촉식 자전거 발전기 및 충전 시스템 개발에 관한 연구

박황근; 원시태

비접촉식 자전거 발전기 및 충전 시스템 개발에 관한 연구
A study on the contactless generator and recharge system for a bicyle 원문보기

한국금형공학회지 = Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering, v.11 no.2, 2017년, pp.29 - 36

박황근 (서울과학기술대학교 산업대학원 기계디자인금형공학과) , 원시태 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the non-contact type bicycle generator system considering the recharge is developed to use the eco-friendly energy source when the bicycle is operating. The following three main factors are considered in this study. One of factors is that the intensity of the rotating magnet is in the range of 2,700~4,300 [Gause]. The next factor is that the separation distance of rotating magnet and bicycle rim is in the range of 1.5-3.0 mm. The last factor is that the pedaling speed is in the range of 55 RPM [Wheel speed 5.6Km]~150 RPM [Wheel speed 15.25Km] consirering with the 5 staged gear transmission. The obtained results are as followed. (1) The generator output voltage gradually increases from 3V to 10V with the pedaling speed increases, at the separation distance is less than 2.5 mm and the operating voltage of the LED lamp is generated at a pedaling speed of 60 RPM or more. (2) The output current of the generator increases from 20mA to 40mA with the pedaling speed increases, at a separation distance is less than 2.0 mm and the operating current of the LED lamp is generated at a pedaling speed of 60 RPM or more. (3) When the separation distance was 3.0 mm, the output voltage and current are significantly lower than those of the bicycle LED lamp is generated. (4) The charging time is expected to be 12.24 ~ 17.65 hours when the magnitude of the magnet is 3,400[Gauss] at a pedaling speed of 55 RPM or more. (5) As a result of this study, it is thought that the non-contact type bicycle generator system considering the recharge can replace the conventional friction power generation system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 자전거를 이용하는 사용자가 운행 시 피로를 감소시키고 소음과 진동을 감소시킬 수 있으며, 자전거를 이용한 친환경 에너지원을 언제든지 사용할 수 있도록 자전거에서 충전시스템을 구비한 비접촉식 자전거 발전기시스템을 개발하고 활용 가능성을 제시하였다.
본 연구는 일반인이 자전거를 운행할 때 친환경 에너지원을 언제든지 사용할 수 있도록 충전을 고려한 비접촉식 자전거 발전기 시스템을 개발하였다. 성능실험의 주요 3종류의 인자는 2, 700 ~ 4300 [Gauss] 범위를 갖는 회전 자석과 , 회전자석과 자전거 림[Rimi과의 이격 거리는 1.

제안 방법

알루미늄 합금은 비강도가 우수하고, 튜브 직경을 가장 크게 할 수 있기 때문에 경량 프레임의 소재로 많이 사용하고 있다. 따라서 본 연구는 경량화와 가격을 고려하여, 대중적으로 많이 사용하는 알루미늄 프레임 자전거로 설정하였다.
따라서, 본 연구는 충전이 가능한 DC발전기를 사용하고, 자전거 림과 영구자석에서 발생하는 맴돌이전류를 이용한 비접촉식 자가 발전기를 고려하였다.
본 연구에서는 자전거 주행 시 일반인의 평균 페달링의 55, 65, 75, 85 RPM을 기준으로 하였다.
자전거의 발전기 성능실험은 신체 건강한 10명의 대학생을 대상으로, 실험 전에 실험자세 및 절차에 대하여 설명한 후 자전거를 페달링하는 실험을 실시하였다.
한편 체인형 발전시스템은 체인의 회전시 소형스프라켓이 체인흠을 따라 회전하며 발전과 함께 충전시스템을 추가하였다. 이 발전기의 특징은 자전거의 체인에 직접 부착하기 때문에 미관상의 문제와 체인에 이물질이 발생하며, 스프라켓의 회전시 체인의 구동력을 기반으로 하므로 자전거 속도저하를 초래하고 진동과 소음이 발생하는 단점이 있다.

대상 데이터

5 mm로 되어서 회전체와의 간섭을 발생시킬 수 있는 문제가 발생한다. 따라서 이격 거리는 2.0 mm ~ 2.5 mm 이 안정적이고, 본 실험결과에서는 이들 값중 출력 전압과 전류가 우수한 2.0 mm 이격거리를 선정하였다.
있다. 또한, 자석의 세기는 Table 8에서 보는 바와 같이 3400 Gauss와 4300 Gauss가 유의한 차이가 없지만 3400 Gauss의 무게는 1.74g이고 4300 Gauss는 3.19g 이므로 더 가벼운 3400 Gauss를 최적의 조건으로 선정하였다.
이들 램프중 LED램프는 친환경 제품으로 각광받고 있고, 긴 수명과 점멸 성능이 매우 우수하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 본연구에서는 LED램프를 선정하였고, LED 라이트를 점등할 때 필요한 출력 전압은 2-3 [V], 전류량은 20 [mA] 이다'3).
개발하였다. 성능실험의 주요 3종류의 인자는 2, 700 ~ 4300 [Gauss] 범위를 갖는 회전 자석과 , 회전자석과 자전거 림[Rimi과의 이격 거리는 1.5 ~ 3.0 mm 범위에서, 5단 변속기어를 고려한 자전거의 페달링 속도는 55 RPM [선속도 5.6 Km] ~ 150 RPM [선속도 15.25 Km] 범위에서 고려하였다. 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다

데이터처리

회전하는 바퀴 앞에 실험조건 별 이격거리로 띄워진 회전자석이 맴돌이전류가 생겨 회전을 하게 되면 연결된 모터의 역기전력이 발생하게 된다. 그 역기전력을 lab view 프로그램을 이용하여 전압값 [V] 을 출력하였다.

성능/효과

1) 발전기 출력 전압은 이격 거리가 2.5 mm 이하에서, 페달링 속도가 증가할수록 3 V에서 10 V로 점진적으로 증가하며, 페달링 속도 60 RPM 이상에서 LED 램프의 작동 전압을 발생하였다.
2) 발전기 출력 전류는 이격 거리 2.0 이하에서, 페달링 속도가 증가 할수톡 20mA에서 40mA 증가하며, 페달링 속도 60 RPM이상에서, 자전거 LED 램프 작동 전류가 발생하였다.
3) 이격 거리가 3.0 mm에서 발생하는 출력 전압 및 전류값은 자전거 LED 램프 작동에 현저하게 낮아 의미가 없음을 알 수 있었다.
4) 충전 소요시간은 본 실험 조건 중 자석의 세기가 3400 [Gauss] 인 경우 1224 ~ 17.65 시간이 소요될 것으로 예상된다.
5) 본 연구결과 비접촉 발전 및 충전시스템이 기존의 마찰방식에 의한 발전시스템을 대체할 수 있을 것으로 생각된다.
0로 하는 경우에는 자석세기가 가장 큰 4300 Gauss에서도 페달링 속도가 80 RPM, 3400 Gauss에서는 페달링 속도가 100 RPM, 2700 Gauss]서는 페달링 속도가 120 RPM이 필요함을 알 수 있다. 따라서 이격거리가 3.0 mm에서는 본 실험에서 사용한 자석의 세기에서 출력되는 전압은 현저하게 낮아 의미가 없음을 알 수 있다.
또한 회전자석과 자전거 림[Ri끼과의 이격거리는 3.0 mm일 경우 발전 효율이 급격히 감소함을 알 수 있었다. 외부로부터 회전체를 보호하기 위하여 두께가 1 mm 정도인 하우징을 고려하여야하기 때문에 1.
이상의 결과를 정리하면 이격거리가 3.0 mm에서는 본 실험에서 사용한 자석의 세기에서 발생하는 전류는 현저하게 낮아 의미가 없음을 알 수 있다.
5mm의 동일한 페달링 속도에서의 출력전압보다도 작게 나타나고 있다. 이상의 결과를 정리하면 자전거 LED 라이트를 점등을 위한 전압은 2-3 V 이고, 충전 전압은 리튬 이온 2차 전지의 경우 약 4.2 V를 고려하면 이격거리가 1.5 ~ 2.5mm인 경우에는 자석세기 2700 ~ 4300 Gauss 범위에서 페달링 속도가 60 RPM 이상에서는 충분한 전압을 발생시킬 수 있을 것으로 생각된다. 또한 이격거리를 3.
이상의 결과에서 충전시간은 자석세기 3400 Gauss인 경우, 페달링 속도 55 RPM에서는 17.65시간, 65 RPM에서는 15.79시간, 75 RPM에서는 13.95 시간, 85 RPM에서는 1224시간이 소요 될 것으로 예상된다.

후속연구

자전거의 램프용 랜턴 또한 여분의 배터리를 준비하여 사용하고 있는데, 자전거 랜턴용 배터리는 3시간에서 10시간 정도 사용 후 교체하는 것이 일반적이다. 그러나 사용 중인 랜턴이나 기기의 배터리가 소모되면 비상용 배터리와 충전을 위한 장치가 필요하기 때문에 전원 공급이 가능한 자전거를 이용하여 충전한다면 휴대기기의 사용뿐만 아니라 자전거의 야간 운전 시 시야 확보를 통한 안전한 운전을 할 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (10)

B. H. An, "Bicyle Industry Analysis", Institute of Sports Science, SOSFO, pp. 26-28, 2006.
J. Y. Lee, J. C. Lee, H. C. Kim, "Wired and wireless communication service subscriber statistics", Institute of Transportation, Fall, pp. 216-225, 1998.
J. Y. Lee, D. Y. Ku, C. K. Han, "A Study of a Manual Generator System for 50Wh Battery Charge", Electrical Engineering, Vol 61, No. 2, pp. 223-229, 2011.
M. H. Choi, etals, "Environment-Friendly Bycle using Private Power Station", Korea Institute of Electronics and Telecommunications, Vol.3, No.2, pp. 296-299, 2009.
이만호외 2명, "자전거 자동변속장치를 이용한 주행성능에 관한 연구", 국민대학교 자동차공학전문대학원, p. 1771
K. B. Kwon, "Bicycle Frame specification (draft) established", KSPO, pp. 48-50, 2006.
Max Glaskin, "Bicyle Science", Myoung-In Munhwa-sa, pp. 68-95, 2013.
신현승외, "자동차전기", 골든벨, 2003, pp47-60, p. 223, 2003.
J. K. Park , "Principles and Applications of the lithium secondary battery", Hongreung Science Publishers, 2010.
Jinrong Qian, "The power supply to minimize battery charge time", EP&C, Vol. 231, 2007.

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