KR100917586B1 - 하이브리드 자전거 - Google Patents

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황성호
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Abstract

본 발명은 하이브리드 자전거에 관한 것으로, 하이브리드 자전거의 구동륜에 장착되며, 상기 구동륜의 구동력을 발생하는 모터(31), 상기 모터(31)에 전원을 공급하는 배터리(10), 상기 모터(31)의 구동력을 감속하는 감속기(40), 상기 모터(31)의 주행모드를 선택하는 모드스위치(12), 상기 하이브리드 자전거의 핸들(4)에 설치되어 상기 모터(31)의 구동력을 선택하는 스로틀(13), 페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 상기 구동륜에 전달하는 구동스프라켓(8), 상기 구동스프라켓(8)의 일측에 설치되어 상기 구동스프라켓(8)의 회전을 감지하는 회전감지센서(15) 및 상기 모드스위치(12)로부터 선택된 주행모드에 기초하여 상기 모터(31)의 구동을 제어하는 제어부(23)를 포함하는 구성을 마련한다.
상기한 바와 같은 하이브리드 자전거를 이용하는 것에 의해, 구동륜에 장착된 모터케이스 내부에 감속기를 내장하여 사람의 페달력과 모터의 구동력을 함께 이용하여 하이브리드 자전거를 구동함으로써, 하이브리드 자전거의 등판능력, 운전거리 및 최대 속도를 향상시킬 수 있다.
하이브리드 자전거, 모터, 감속기, 주행모드, 동력보조

Description

하이브리드 자전거{HYBRID BICYCLE}
본 발명은 하이브리드 자전거에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사람의 페달링에 의한 페달력과 모터의 구동력으로 주행시킬 수 있는 하이브리드 자전거에 관한 것이다.
자전거는 사용자의 페달링(pedaling)에 의한 페달력을 이용하여 주행하는 것이다. 따라서 평지에서는 그 주행에 어려움이 없으나, 언덕 등의 경사로를 올라갈 때에는 많은 힘이 필요하게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 최근에는 사용자의 페달력에 더해 모터의 구동력을 사용하여 주행할 수 있도록 모터를 장착한 자전거가 개발되었다.
이러한 기술의 일예가 대한민국 공개특허공보 2007-0113523호(2007년 11월 29일 공개)와 2003-0024010호(2003년 3월 26일 공개) 등에 개시되어 있다.
하지만, 기존의 모터를 장착한 자전거는 감속기가 없어 언덕이 많은 한국 지형에서 운전이 힘든 문제점이 여전히 존재하였다.
또한, 외부에 감속기를 장착하여 개발된 일부 자전거의 경우, 감속기의 구조 가 복잡하여 잔고장이 빈번하게 발생하고, 모터와 감속기를 연결하는 구성이 추가됨에 따라 전체적인 크기가 커지며, 체인이 외부로 드러남에 따른 안전사고의 위험성이 증대되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구조의 감속기가 장착된 하이브리드 자전거를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 하이브리드 자전거에서 발생되는 잔고장 및 안전사고의 위험을 감소시킨 하이브리드 자전거를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 하이브리드 자전거의 구동륜에 장착되며, 상기 구동륜의 구동력을 발생하는 모터(31), 상기 모터(31)에 전원을 공급하는 배터리(10), 상기 모터(31)의 구동력을 감속하는 감속기(40), 상기 모터(31)의 주행모드를 선택하는 모드스위치(12), 상기 하이브리드 자전거의 핸들(4)에 설치되어 상기 모터(31)의 구동력을 선택하는 스로틀(13), 페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 상기 구동륜에 전달하는 구동스프라켓(8), 상기 구동스프라켓(8)의 일측에 설치되어 상기 구동스프라켓(8)의 회전을 감지하는 회전감지센서(15) 및 상기 모드스위치(12)로부터 선택된 주행모드에 기초하여 상기 모터(31)의 구동을 제어하는 제어부(23)를 포함하고, 상기 감속기(40)는 상기 모터(31)에 일체로 설치되고, 상기 모터(31)의 로터(36)로부터 구동력을 전달받아 감속하는 다수개의 유성기어(42), 상기 유성기어(42)와 결합되어 회전하는 캐리어(41) 및 상기 유성기어(42)에 의해 감속된 구동력을 상기 구동륜에 전달하는 샤프트(43)를 포함하고, 상기 모드스위치(12)는 상기 스로틀(13)에 따라 상기 모터(31)를 구동하는 스로틀 주행모드, 페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 이용하는 일반 주행모드 및 상기 페달력과 상기 모터(31)의 구동력을 동시에 이용하는 동력보조 주행모드를 선택하며, 상기 제어부(23)는 상기 모드스위치(12)가 상기 동력보조 주행모드로 선택된 경우, 페달링을 시작하는 기동시에는 상기 모터(31)의 최대 출력의 일정 비율로 설정되는 최초 출력으로 상기 모터(31)를 구동하고, 기동한 이후에는 상기 회전감지센서(15)로부터 감지된 회전속도에 비례한 출력으로 상기 모터(31)를 구동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 모터(31) 및 감속기(40)와 일체로 형성되고, 상기 모드스위치(12)가 상기 일반 주행모드로 선택된 경우, 상기 모터(31)의 부하가 페달(7)에 전달되는 것을 방지하도록 상기 모터(31)의 부하를 감쇄하는 일방향 클러치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 구동륜에 장착된 모터케이스 내부에 감속기를 내장하여 사람의 페달력과 모터의 구동력을 함께 이용하여 하이브리드 자전거를 구동함으로써, 하이브리드 자전거의 등판능력, 운전거리 및 최대 속도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 하이브리드 자전거의 전체적인 운전능력을 향상시키는 효과가 있다.
그리고, 모터와 감속기를 일체로 형성하여 구조를 간단하게 함으로써, 모터 및 감속기의 잔고장을 방지하고, 감속기가 외부에 드러나게 장착된 경우 발생했던 안전사고의 위험을 제거할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 구성이 사시도로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 하이브리드 자전거의 제어장치의 구성이 블록 구성도로 도시되어 있으며, 도 3a 내지 도 3c에는 도 1에 도시된 모터부의 구성이 분해 사시도로 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 전체 구성을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 자전거의 프레임(1)의 선단에는 전륜(2)이 구비되고, 후단에는 후륜(3)이 구비된다. 상기 후륜(3)은 일반적으로 구동륜이 된다. 즉, 상기 후륜(3)은 아래에서 설명할 모터(31)의 구동력 또는 사용자가 페달(7)을 밟는 페달력에 의해 회전한다. 상기 후륜(3)의 회전축에는 페달링에 의한 페달력을 전달받는 종동스프라켓(3a)이 설치된다.
상기 프레임(1)의 선단 상부에는 핸들(4)이 구비되어 상기 전륜(2)의 주행방향을 제어할 수 있게 한다. 상기 프레임(1)의 상부 일측에는 사용자가 앉을 수 있는 안장(5)이 구비된다.
상기 프레임(1)의 중앙부에 구비되는 페달축에는 크랭크(6)와 구동스프라 켓(8)이 설치되고, 상기 크랭크(6)의 일단부에는 페달(7)이 구비된다. 상기 페달(7)은 사용자의 페달력을 전달받는 부분이다. 그리고, 상기 페달링에 의한 페달력에 따른 구동스프라켓(8)의 회전을 후륜(3)의 종동스프라켓(3a)으로 전달하는 체인(9)이 구비된다.
상기 안장(5)의 하부에 구비되는 프레임(1)에는 배터리(10)가 설치되고, 상기 후륜(3)의 회전축 상에는 상기 배터리(10)로부터 전원을 공급받아 구동력을 발생하는 모터부(30)가 설치된다. 상기 모터부(30)의 구성은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 후술하기로 한다.
또한, 상기 배터리(10)는 충전가능한 배터리이며, 배터리(10)의 충전은 상용전원을 이용하거나 하이브리드 자전거의 주행시 전륜(2) 또는 후륜(3)의 회전에 의해 생성되는 발전에 의해 충전할 수도 있다.
다음, 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 하이브리드 자전거는 배터리(10)에 역전압이 인가되는 것을 방지하는 역전압보호부(11), 상기 핸들(4)에 설치되는 모드스위치(12), 스로틀(13) 및 브레이크(14), 상기 구동스프라켓(8)에 설치되는 회전감지센서(15), 상기 배터리(10)와 함께 프레임(1)에 설치되는 제어장치(20) 및 상기 후륜(3)의 회전축 상에 설치되는 모터부(30)를 포함한다.
모드스위치(12)는 사용자로부터 주행모드를 선택받고, 스로틀(13)은 모터(31)의 구동력을 선택받으며, 브레이크레버(14)는 상기 전륜(2) 및 후륜(3)의 제어동작을 선택한다. 이때, 상기 주행모드는 모터(31)의 구동력을 이용한 스로틀 주행모드, 상기 페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 이용한 일반 주행모드 및 상 기 페달력과 모터(31)의 구동력을 동시에 이용하는 동력보조 주행모드를 포함한다.
그리고, 회전감지센서(15)는 구동스프라켓(8)의 회전속도를 감지하여 그 감지신호를 아래에서 설명할 제어장치(20)의 제어부(23)로 전달한다. 이에 따라, 제어부(23)는 구동스프라켓(8)의 회전속도에 따라 모터(31)의 구동을 제어하여 모터(31)의 구동력과 페달링에 의한 페달력을 동시에 이용하는 동력보조시스템(Power Assistance System)의 동력보조 주행모드로 주행하도록 제어한다.
제어장치(20)는 상기 모드스위치(12), 스로틀(13), 브레이크(14) 및 회전감지센서(15)로부터 출력되는 신호를 전달받아 모터(31)의 구동을 제어한다. 이러한 제어장치(20)는 전압발생부(21), 보호회로(22), 제어부(23), 게이트 드라이버(24), 모터구동부(25), 과전류보호부(27) 및 단선보호부(28)를 포함하여 구성된다.
전압발생부(21)는 레귤레이터(Regulator)로 이루어지고, 상기 배터리(10)로부터 공급되는 전원, 예를 들어 24V의 전원을 이용해 제어부(23) 및 모드스위치(12)의 구동에 필요한 전압, 예를 들어 5V의 전압을 발생시켜 공급한다. 그리고, 보호회로(22)는 상기 스로틀 주행모드 및 동력보조 주행모드 시에 상기 배터리(10)로부터 공급되는 전원을 감지하여 상기 배터리(22)의 저전압 여부를 검사하고, 급출발을 방지하여 배터리(10) 및 제어장치(20)를 보호하는 역할을 한다.
제어부(23)는 상기 모드스위치(12)를 통해 선택된 주행모드에 따라 모터(31)의 구동을 제어한다. 즉, 상기 제어부(23)는 스로틀 주행모드 시에 상기 스로틀(13)로부터 전달되는 조절신호에 따라 모터(31)의 구동속도를 제어하도록 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, 이하 'PWM'이라 함) 제어신호를 게이트 드라이 버(24)로 전달한다. 또, 상기 제어부(23)는 동력보조 주행모드 시에는 상기 회전감지센서(15)로부터 전달되는 상기 구동스프라켓(8)의 회전에 따라 모터(31)의 구동속도를 제어하도록 PWM 제어신호를 게이트 드라이버(24)로 전달한다.
모터 구동부(25)는 상기 모터(31)로 구동신호를 전달하도록 스위칭 역할을 수행하기 위해 3상 풀 브리지(3-Phase Full Bridge) 방식으로 이루어진다. 상기 모터 구동부(25)는 6개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT'라 함)(도면 미도시)와 상기 IGBT에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위한 방열부(Heat Sink)(26)를 구비한다. 그리고, 게이트 드라이버(24)는 상기 제어부(23)의 PWM 제어신호에 따라 상기 모터 구동부(25)의 IGBT를 구동한다.
과전류보호부(27)는 분류기(SHUNT) 등으로 이루어지고, 모터(31)에 가해지는 전류를 감지하여 제어부(23)로 전달하며, 단선보호부(28)는 상전선의 단선(short) 여부를 감지하여 제어부(23)로 전달한다.
모터부(30)는 내부에 회전속도를 감지하는 홀센서(32)가 구비된 모터(31), 모터(31)의 구동력을 감속하는 감속기(40) 및 상기 일반 주행모드시 모터(31)의 부하가 후륜(3)의 종동스프라켓(3a)을 통해 페달(7)에 전달되는 것을 방지하는 일방향 클러치(50)를 포함하여 구성된다.
이어서, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 모터부(30)의 구성을 설명한다.
상기 모터(31)는 내부의 전기자가 고정되고, 영구자석인 계자가 회전하는 외전형(外轉形) 블러시리스 직류모터(Brushless Direct Current Motor)로 구성된다.
상기 모터(31)는 도 3c에 도시된 바와 같이, 일측에 구비되는 제 1샤프트(34), 제 1샤프트(34)에 결합되는 커버(35) 및 로터(36)가 순차적으로 결합된다. 상기 로터(36)는 영구자석인 계자로써, 모터(31)의 구동시 회전하도록 구성된다.
그리고, 상기 로터(36)의 외부에 구비되는 스테이터(39)는 고정된 전기자이다. 상기 스테이터(39)에는 상기 모터구동부(25)의 구동신호를 전송하는 모터와이어(37)가 연결되고, 상기 스페이터(39)와 홀센서(32) 사이에는 절연판(38)이 구비된다.
그리고, 상기 스테이터(39)에 결합되는 감속기(40)는 상기 모터(31)의 로터(36)로부터 구동력을 전달받아 이를 감속하는 다수개의 유성기어(42), 상기 유성기어(42)와 결합되어 회전하는 캐리어(41) 및 제 2샤프트(43)를 포함하여 구성된다. 즉, 상기 유성기어(42)가 상기 로터(36)의 회전축에 맞물려 회전하면서 상기 모터(31)의 구동력을 감속시키고, 상기 제 2샤프트(43)는 상기 유성기어(42)에 의해 감속된 구동력을 후륜(3)에 전달한다.
이와 같이, 상기 감속기(40)는 모터(31)와 일체로 형성되기 때문에 간단한 구조를 갖도록 하는 것이 가능하고, 고출력/고토크의 구동력을 하이브리드 자전거의 후륜(2)에 직접 전달한다. 이에 따라, 본 발명은 하이브리드 자전거의 운전거리, 최대 속도 및 등판능력을 증가시켜 하이브리드 자전거의 전반적인 운전능력을 향상시킬 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 제어방법을 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4에는 본 발명의 바림직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하이브리드 자전거의 제어방법은 모드스위치(12)가 사용자로부터 주행모드를 선택받으면서 시작된다(S10).
단계 S10에서 선택된 주행모드가 스로틀 주행모드인 경우(S11), 제어부(23)는 미리 저장된 제어논리에 따라 사용자로부터 스로틀(13)이 조절된 양을 검사하고(S12), 검사된 조절량에 따라 모터(31)의 구동을 제어하도록 PWM 제어신호를 게이트 드라이버(24)로 출력한다(S13). 즉, 하이브리드 자전거는 배터리(10)로부터 전원을 공급받은 모터(31)의 구동력을 이용해 주행하게 된다.
그리고, 단계 S10에서 선택된 주행모드가 동력보조 주행모드인 경우(S14), 회전감지센서(15)는 사용자가 페달(7)을 밟음에 따른 구동스프라켓(8)의 회전속도를 감지하여 그 감지신호를 제어부(23)로 전달한다(S15). 그러면, 제어부(23)는 상기 감지신호에 따라 모터(31)의 구동을 제어한다(S16).
예를 들어, 도 5에는 도 4에 도시된 하이브리드 자전거의 제어방법에 따른 동력보조 주행모드시 제어방법을 예시하는 그래프가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(23)는 사용자가 페달(7)을 밟아 페달링을 시작하는 기동시에는 모터(31)의 최대(max) 출력의 20%에 해당하는 출력으로 모터(31)를 구동하도록 모터구동부(25)를 제어한다.
이어서, 회전감지센서(15)에서 감지된 페달(7)의 회전속도가 모터(31)의 최대 출력의 80%에 해당하는 회전속도까지의 구간인 경우, 제어부(23)는 감지된 회전속도에 비례하여 모터(31)를 상기 최대 출력의 20% 내지 100% 출력으로 증가시켜 구동하도록 모터구동부(25)를 제어한다.
그리고, 회전감지센서(15)로부터 감지된 페달(7)의 회전속도가 모터(7)의 최대 출력의 80%에 해당하는 회전속도 이상이면, 제어부(23)는 모터(31)를 최대 출력으로 구동하도록 모터구동부(25)를 제어한다.
이와 같이, 동력보조 주행모드에서 하이브리드 자전거는 페달링에 의한 페달력과 모터(31)의 구동력을 함께 이용해 주행하게 된다.
여기서, 단계 S13 및 단계 S16에서 일방향 클러치(50)는 모터(31)의 구동력을 후륜(3)으로 전달하도록 동작한다.
반면, 단계 S10에서 선택된 주행모드가 일반 주행모드인 경우(S17), 하이브리드 자전거는 페달링에 의한 페달력만을 이용하여 주행하게 된다. 이때, 모터(31)의 부하가 페달(7)로 전달되는 것을 방지하기 위해, 일방향 클러치(50)가 모터(31)의 부하를 감쇄하도록 동작한다(S18).
한편, 단계 S10에서 선택된 각 주행모드에 따라 주행을 하는 도중에 제어부(23)는 주행모드가 변경되도록 모드스위치가 다시 조작되는가를 검사한다(S20). 만약, 모드스위치가 다시 조작되면, 제어부(23)는 단계 S11 내지 단계 S20을 반복수행한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 후륜에 모터와 감속기를 일체로 설치하여 감속기의 설치구조를 간단하게 하고, 모터의 출력을 향상시킨다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구 범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 자전거의 제어장치의 구성을 보인 블록 구성도.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 모터부의 구성을 보인 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 바림직한 실시 예에 따른 하이브리드 자전거의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
도 5는 도 4에 도시된 하이브리드 자전거의 제어방법에 따른 동력보조 주행모드시 제어방법을 예시하는 그래프.
《도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명》
1: 프레임 2: 전륜
3: 후륜 4: 핸들
5: 안장 6: 크랭크
7: 페달 8: 구동스프로켓
9: 체인 10: 배터리
11: 역전압보호부 12: 모드스위치
13: 스로틀 14: 브레이크레버
15: 회전감지센서 20: 제어장치
21: 전압발생부 22: 보호회로
23: 제어부 24: 게이트 드라이버
25: 모터구동부 26: 방열부
27: 과전류보호부 28: 단선보호부
30: 모터부 31: 모터
32: 홀센서 33: 모터하우징
34: 제 1샤프트 35: 커버
36: 로터 37: 모터와이어
38: 절연판 39: 스테이터
40: 감속기 41: 캐리어
42: 유성기어 43: 제 2샤프트
50: 일방향 클러치

Claims (2)

  1. 하이브리드 자전거의 구동륜에 장착되며, 상기 구동륜의 구동력을 발생하는 모터(31),
    상기 모터(31)에 전원을 공급하는 배터리(10),
    상기 모터(31)의 구동력을 감속하는 감속기(40),
    상기 모터(31)의 주행모드를 선택하는 모드스위치(12),
    상기 하이브리드 자전거의 핸들(4)에 설치되어 상기 모터(31)의 구동력을 선택하는 스로틀(13),
    페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 상기 구동륜에 전달하는 구동스프라켓(8),
    상기 구동스프라켓(8)의 일측에 설치되어 상기 구동스프라켓(8)의 회전을 감지하는 회전감지센서(15) 및
    상기 모드스위치(12)로부터 선택된 주행모드에 기초하여 상기 모터(31)의 구동을 제어하는 제어부(23)를 포함하고,
    상기 감속기(40)는 상기 모터(31)에 일체로 설치되고, 상기 모터(31)의 로터(36)로부터 구동력을 전달받아 감속하는 다수개의 유성기어(42), 상기 유성기어(42)와 결합되어 회전하는 캐리어(41) 및 상기 유성기어(42)에 의해 감속된 구동력을 상기 구동륜에 전달하는 샤프트(43)를 포함하고,
    상기 모드스위치(12)는 상기 스로틀(13)에 따라 상기 모터(31)를 구동하는 스로틀 주행모드, 페달(7)을 밟는 페달링에 의한 페달력을 이용하는 일반 주행모드 및 상기 페달력과 상기 모터(31)의 구동력을 동시에 이용하는 동력보조 주행모드를 선택하며,
    상기 제어부(23)는 상기 모드스위치(12)가 상기 동력보조 주행모드로 선택된 경우, 페달링을 시작하는 기동시에는 상기 모터(31)의 최대 출력의 일정 비율로 설정되는 최초 출력으로 상기 모터(31)를 구동하고, 기동한 이후에는 상기 회전감지센서(15)로부터 감지된 회전속도에 비례한 출력으로 상기 모터(31)를 구동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자전거.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모터(31) 및 감속기(40)와 일체로 형성되고, 상기 모드스위치(12)가 상기 일반 주행모드로 선택된 경우, 상기 모터(31)의 부하가 페달(7)에 전달되는 것을 방지하도록 상기 모터(31)의 부하를 감쇄하는 일방향 클러치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자전거.
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