KR102010770B1 - 전기자전거 구동시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자전거 구동시스템에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 축방향 권선형 모터를 이용하여 전기자전거의 구동을 효율적으로 증가시킬 수 있는 전기자전거 구동시스템에 대한 것이다.
본 발명에 따른 전기자전거 구동시스템은 모터수단과, 기어수단과, 동력전달연결부를 포함한다. 상기 모터수단은 모터하우징과, 회전축과, 스테이터부와, 한 쌍의 로터부를 구비하여 전기자전거의 휠을 구동하기 위한 회전력을 발생한다. 상기 모터하우징은 내부에 수용부가 형성된다. 상기 회전축은 상기 수용부에 회전 가능하게 장착된다. 상기 스테이터부는 복수의 코어와 코일을 구비하여 상기 모터하우징에 고정결합되어 회전자계를 형성한다. 상기 코어는 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 일정간격 이격하여 배치된다. 상기 코일은 상기 회전축의 축방향으로 자속을 발생시킬 수 있게 상기 코어에 권선된다. 상기 로터부는 로터판과, 복수의 영구자석을 구비하여 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 회전축을 따라 상기 스테이터부의 양측면에 배치된다. 상기 로터판은 원반 형상으로 회전축에 고정결합된다. 상기 영구자석은 상기 스테이터부와 상기 로터판 사이에서 원주 방향으로 일정간격 이격하여 상기 스테이터부와 마주보는 상기 로터판의 일측면에 상기 코어와 대응되게 장착된다. 상기 기어수단은 상기 모터수단의 회전력을 감속시켜 전기자전거의 페달축으로 전달할 수 있도록 상기 페달축이 관통하여 결합된다. 상기 동력전달연결부는 상기 모터수단의 회전력을 상기 기어수단으로 전달할 수 있게 상기 회전축과 상기 기어수단을 연결한다.
본 발명에 의하면, 축방향 권선형 모터를 구비한 전기자전거 구동시스템을 제공함으로써, 모터의 회전력을 증가시키기 위하여 모터의 크기를 크게 하지 않더라도 모터의 회전력을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 축방향 권선형 모터를 통해 전달받은 회전력을 큰 감속비로 감속시킬 수 있는 기어수단을 구비한 전기자전거 구동시스템을 제공함으로써, 전기자전거의 구동효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기어수단을 구성하는 유성기어와 기어하우징이 나일론으로 형성되므로써, 기어수단이 가지는 작동소음을 줄일 수 있다.

Description

전기자전거 구동시스템{Drive system for electric bicycle}

본 발명은 전기자전거 구동시스템에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 축방향 권선형 모터를 이용하여 전기자전거의 구동을 효율적으로 증가시킬 수 있는 전기자전거 구동시스템에 대한 것이다.

전기자전거는 모터의 토크력을 활용하여 사용자가 큰 힘을 들이지 않고 주행할 수 있는 자전거를 의미한다. 즉, 전기자전거는 기본적으로 사용자의 힘으로 페달을 밟아서 움직이되, 오르막이나 평지에서는 배터리의 충전된 전기에너지로 모터를 활용하여 보다 쉽게 동작되는 자전거이다.

최근에는 건강을 생각한 레저 활동에 대한 사람들의 관심이 크게 증가하고 있고, 환경을 고려한 2륜 및 3륜 전기자전거의 사용 인구가 크게 증가하고 있다.

종래의 경우, 출발 또는 경사지역에서의 운행시 모터가 전달하는 회전력이 부족하여 밀림현상이나 소음 등이 발생하는 문제점이 있었다. 상기의 문제점을 해결하기 위해서는 모터의 회전력을 증가시킬 필요가 있다. 모터의 회전력은 자기장을 통과하는 면적과 비례하여 증가하며, 도 5에 도시된 바와 같이 자기장이 통과하는 면적은

이다. 즉, 자기장이 통과하는 면적을 증대시키면 회전력이 증가됨을 알 수 있다. 그러나 전기자전거는 미관상 또는 그 공간활용의 효율성을 따졌을 때 모터를 너무 크게 형성할 수 없다는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0038056호(공개일 2014.03.28) 대한민국 등록특허 제10-0944657호(등록일 2010.02.22)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 한정된 공간 내에서 자기장이 통과하는 면적이 크게 형성되는 축방향 권선형 모터를 이용하여 전기자전거의 구동을 효율적으로 증가시킬 수 있는 전기자전거 구동시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 축방향 권선형 모터를 통해 전달받은 토크력을 큰 감속비로 감속시켜 전기자전거의 폐달축으로 전달할 수 있는 전기자전거 구동시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 전기자전거 구동시스템은 모터수단과, 기어수단과, 동력전달연결부를 포함한다. 상기 모터수단은 모터하우징과, 회전축과, 스테이터부와, 한 쌍의 로터부를 구비하여 전기자전거의 휠을 구동하기 위한 회전력을 발생한다. 상기 모터하우징은 내부에 수용부가 형성된다. 상기 회전축은 상기 수용부에 회전 가능하게 장착된다. 상기 스테이터부는 복수의 코어와 코일을 구비하여 상기 모터하우징에 고정결합되어 회전자계를 형성한다. 상기 코어는 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 일정간격 이격하여 배치된다. 상기 코일은 상기 회전축의 축방향으로 자속을 발생시킬 수 있게 상기 코어에 권선된다. 상기 로터부는 로터판과, 복수의 영구자석을 구비하여 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 회전축을 따라 상기 스테이터부의 양측면에 배치된다. 상기 로터판은 원반 형상으로 회전축에 고정결합된다. 상기 영구자석은 상기 스테이터부와 상기 로터판 사이에서 원주 방향으로 일정간격 이격하여 상기 스테이터부와 마주보는 상기 로터판의 일측면에 상기 코어와 대응되게 장착된다. 상기 기어수단은 상기 모터수단의 회전력을 감속시켜 전기자전거의 페달축으로 전달할 수 있도록 상기 페달축이 관통하여 결합된다. 상기 동력전달연결부는 상기 모터수단의 회전력을 상기 기어수단으로 전달할 수 있게 상기 회전축과 상기 기어수단을 연결한다.

또한, 상기의 전기자전거 구동시스템에 있어서, 상기 기어수단은 복수의 유성기어부와, 링기어와, 캐리어와, 기어하우징을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 유성기어부는 상기 페달축을 중심으로 원주 방향을 따라 위치한다. 상기 링기어는 상기 복수의 유성기어부와 치합되도록 상기 복수의 유성기어부를 감싸며 상기 페달축과 일체로 회전한다. 상기 캐리어는 일측면에는 중공의 동력전달축과 타측면에는 기어장착부를 구비한다. 상기 동력전달축은 상기 회전축의 회전력을 전달받을 수 있게 상기 동력전달연결부에 결합되며 상기 페달축이 관통하여 장착된다. 상기 기어장착부는 상기 복수의 유성기어부를 상기 페달축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 각각의 유성기어부가 결합된다. 상기 기어하우징은 내부에 상기 캐리어와 상기 링기어를 수용하며 상기 복수의 유성기어부와 치합된다.

또한, 상기의 전기자전거 구동시스템에 있어서, 상기 유성기어부는 제1유성기어와 제2유성기어를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제1유성기어는 상기 기어하우징과 치합하도록 상기 캐리어에 회전할 수 있게 결합된다. 상기 제2유성기어는 상기 링기어와 치합하며 상기 제1유성기어와 일체로 회전하도록 상기 제1유성기어와 결합된다.

또는, 상기의 전기자전거 구동시스템에 있어서, 상기 동력전달연결부는 타이밍벨트인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 축방향 권선형 모터를 구비한 전기자전거 구동시스템을 제공함으로써, 모터의 회전력을 증가시키기 위하여 모터의 크기를 크게 하지 않더라도 모터의 회전력을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 축방향 권선형 모터를 통해 전달받은 회전력을 큰 감속비로 감속시킬 수 있는 기어수단을 구비한 전기자전거 구동시스템을 제공함으로써, 전기자전거의 구동효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기어수단을 구성하는 유성기어와 기어하우징이 나일론으로 형성되므로써, 기어수단이 가지는 작동소음을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자전거 구동시스템의 일 실시예의 개념도,
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 모터수단과 기어수단의 분해도,
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 모터수단과 기어수단의 정면도,
도 4의 (a)는 도 1에 도시된 실시예의 모터수단의 사시도,
도 4의 (b)는 도 1에 도시된 실시예의 모터수단과 BLDC모터의 모터 회전수에 따른 토크를 나타낸 그래프,
도 5는 종래의 모터수단의 사시도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 전기자전거 구동시스템의 일 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 전기자전거 구동시스템은 모터수단(10)과, 기어수단(30)과, 동력전달연결부(50)를 포함한다.

모터수단(10)은 전기자전거의 휠을 구동하기 위한 회전력을 발생시키는 역할을 한다. 이를 위하여 모터수단(10)은 모터하우징(11)과, 회전축(13)과, 스테이터부(15)와, 로터부(19)를 구비한다.

모터하우징(11)은 내부에 수용부(12)가 형성되어, 회전축(13)과 스테이터부(15) 및 로터부(19)를 수용한다.

회전축(13)은 수용부(12)에 회전 가능하게 장착된다.

스테이터부(15)는 모터하우징(11)에 고정결합되어 회전자계를 형성한다. 이를 위하여 스테이터부(15)는 코어(16)와 코일(18)을 구비한다.

코어(16)는 회전축(13)을 중심으로 원주 방향을 따라 일정간격 이격하여 복수개가 배치된다.

코일(18)은 회전축(13)의 축방향으로 자속을 발생시킬 수 있게 코어(16)에 권선된다.

로터부(19)는 스테이터부(15)에 전원이 공급되면 스테이터부(15)와 상호작용하여 회전축(13)을 회전시키는 역할을 한다. 이를 위하여 로터부(19)는 로터판(20)과 복수의 영구자석(22)을 구비하여 스테이터부(15)와 일정한 공극을 형성하면서 회전하도록 스테이터부(15)의 양측면에 한 쌍이 배치되도록 회전축(13)의 양단에 고정결합된다.

로터판(20)은 원반 형상으로, 회전축(13)에 고정결합된다.

영구자석(22)은 스테이터부(15)와 로터판(20) 사이에서 원주 방향으로 일정간격 이격하여 스테이터부(15)와 마주보는 로터판(20)의 일측면(20a)에 코어(16)와 대응되게 복수개가 장착된다. 이때, 영구자석(22)은 로터판(20)의 일측면(20a)에 각각 N극과 S극이 교번되게 노출되도록 배치되어 장착된다.

기어수단(30)은 모터수단(10)의 회전력을 감속시켜 전기자전거의 페달축(3)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위하여 기어수단(30)은 복수의 유성기어부(31)와, 링기어(35)와, 캐리어(37)와, 기어하우징(41)을 구비한다.

유성기어부(31)는 제1유성기어(32)와 제2유성기어(34)를 구비하며, 페달축(3)을 중심으로 원주 방향을 따라 복수개가 위치한다. 본 실시예에서 유성기어부(31)는 5개가 배치되는 것이 바람직하다.

제1유성기어(32)는 기어하우징(41)과 치합하도록 캐리어(37)에 회전할 수 있게 결합된다. 여기서 제1유성기어(32)는 나일론으로 이루어지는 것이 바람직하다.

제2유성기어(34)는 링기어(35)와 치합하며, 제1유성기어(32)와 일체로 회전하도록 제1유성기어(32)와 결합된다. 여기서 제2유성기어(34)는 나일론으로 이루어지는 것이 바람직하다.

링기어(35)는 제2유성기어(34)와 치합되도록 유성기어부(31)를 감싸며, 페달축(13)과 일체로 회전한다.

캐리어(37)는 모터수단(10)의 회전력을 전달받아 유성기어부(31)를 회전시키는 역할을 한다. 이를 위하여 캐리어(37)는 일측면에는 동력전달축(38)을 구비하고 타측면에는 기어장착부(40)를 구비한다.

동력전달축(38)은 회전축(13)의 회전력을 전달받을 수 있게 동력전달연결부(50)에 결합되며, 페달축(3)이 관통하여 장착되도록 중공으로 형성된다.

기어장착부(40)는 복수의 유성기어부(31)를 페달축(3)을 중심으로 회전시킬 수 있도록 각각의 유성기어부(31)가 결합된다.

기어하우징(41)은 내부에 캐리어(37)와 링기어(35)를 수용하며, 제1유성기어(32)와 치합된다. 여기서 기어하우징(41)은 나일론으로 이루어지며, 고정되어 회전하지 않는다.

동력전달연결부(50)는 모터수단(10)의 회전력을 기어수단(30)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위하여 동력전달연결부(50)는 회전축(13)과 동력전달축(38)에 연결된다. 이때, 동력전달연결부(50)는 타이밍벨트인 것이 바람직하다.

본 실시예의 경우, 스테이터부(15)에 전원이 공급되면 코어(16)에 권선된 코일(18)에 유입되는 전류에 의하여 코일(18)의 극성이 순차적으로 변하면서 회전자계가 형성된다. 그러면 로터부(19)에는 로터판(20)에 복수개 장착된 영구자석(22)에 의한 전자기력이 형성되어 척력과 인력에 의해 로터부(19)에 회전력이 발생된다. 로터부(19)의 회전력은 로터판(20)에 의하여 회전축(13)으로 전달된다. 즉, 로터판(20)이 일정 공극을 기준으로 스테이터부(15)에 대응되어 회전하는 동안 회전축(13) 역시 로터판(20)의 회전에 따라 회전하게 된다. 그러면 동력전달연결부(50)에 의하여 모터수단(10)의 회전력이 동력전달축(38)으로 전달된다.

종래의 전기자전거용 모터는 도 5에 도시된 바와 같이 반경방향으로 자속이 발생하는 모터이다. 모터의 회전력은 자기장이 통과하는 면적과 비례하여 증가하는데, 도 5의 경우 자기장이 통과하는 면적은

으로, 자기장이 통과하는 면적을 증대시키면 회전력이 증가됨을 알 수 있다. 그러나 전기자전거는 미관상 또는 공간활용의 효율성에 의하여 모터의 크기에 제약이 따른다. 반면, 본 실시예의 경우, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 자기장이 통과하는 면적은

이다. 그래서 종래의 모터에 비하여 한정된 공간 내에서 자기장이 통과하는 면적을 크게 형성하도록 할 수 있다. 그래서 전기자전거의 미관상 또는 공간활용의 효율성에 맞춰 모터수단(10)을 형성시킬 수 있다.

모터수단(10)의 회전력을 전달받아 동력전달축(38)이 회전하면 제1유성기어(32)는 기어장착부(40)를 중심으로 회전하면서 기어하우징(41)의 내주면을 따라 페달축(3)을 중심으로 회전하게된다. 이때 제2유성기어(34)는 제1유성기어(32)와 일체로 회전하면서 링기어(35)의 내주면을 따라 페달축(3)을 중심으로 회전하게 된다. 즉, 유성기어부(31)는 기어장착부(40)를 중심으로 자전하면서 페달축(3)을 중심으로 공전한다. 링기어(35)는 제2유성기어(34)와 치합되어 제2유성기어(34)의 회전에 의해 회전하게 된다. 이때 페달축(3)은 링기어(35)와 일체로 회전한다. 여기서 유성기어부(31)와 링기어(35) 및 기어하우징(41)은 항상 맞물려 있고, 유성기어부(31) 및 기어하우징(41)은 나일론으로 형성되므로 작동소음을 줄일 수 있다. 또한, 모터수단(10)의 회전력을 효율적으로 감속시켜 출발 또는 경사진 지형을 오를 경우 사용자가 용이하게 페달을 밟아 전기자전거를 구동시킬 수 있다.

3 : 페달축 10 : 모터수단
11 : 모터하우징 12 : 수용부
13 : 회전축 15 : 스테이터부
16 : 코어 18 : 코일
19 : 로터부 20 : 로터판
22 : 영구자석 30 : 기어수단
31 : 유성기어부 32 : 제1유성기어
34 : 제2유성기어 35 : 링기어
37 : 캐리어 38 : 동력전달축
40 : 기어장착부 41 : 기어하우징
50 : 동력전달연결부

Claims (4)

1. 내부에 수용부가 형성된 모터하우징과, 상기 수용부에 회전 가능하게 장착된 회전축과, 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 일정간격 이격하여 배치된 복수의 코어와 상기 회전축의 축방향으로 자속을 발생시킬 수 있게 상기 코어에 권선되는 코일을 구비하여 상기 모터하우징에 고정결합되어 회전자계를 형성하는 스테이터부와, 상기 회전축에 고정결합된 원반 형상의 로터판과 상기 스테이터부와 상기 로터판 사이에서 원주 방향으로 일정간격 이격하여 상기 스테이터부와 마주보는 상기 로터판의 일측면에 상기 코어와 대응되게 장착된 복수의 영구자석을 구비하여 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 회전축을 따라 상기 스테이터부의 양측면에 배치된 한 쌍의 로터부를 구비하여 전기자전거의 휠을 구동하기 위한 회전력을 발생하는 모터수단과,
   상기 모터수단의 회전력을 감속시켜 전기자전거의 페달축으로 전달할 수 있도록 상기 페달축이 관통하여 결합되는 기어수단과,
   상기 모터수단의 회전력을 상기 기어수단으로 전달할 수 있게 상기 회전축과 상기 기어수단을 연결하는 동력전달연결부를 포함하며,
   상기 기어수단은 상기 페달축을 중심으로 원주 방향을 따라 위치한 복수의 유성기어부와, 상기 복수의 유성기어부와 치합되도록 상기 복수의 유성기어부를 감싸며 상기 페달축과 일체로 회전하는 링기어와, 일측면에는 상기 회전축의 회전력을 전달받을 수 있게 상기 동력전달연결부에 결합되며 상기 페달축이 관통하여 장착되는 중공의 동력전달축과 타측면에는 상기 복수의 유성기어부를 상기 페달축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 각각의 유성기어부가 결합되는 기어장착부를 구비하는 캐리어와, 내부에 상기 캐리어와 상기 링기어를 수용하며 상기 복수의 유성기어부와 치합되는 기어하우징을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기자전거 구동시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 유성기어부는
   상기 기어하우징과 치합하도록 상기 캐리어에 회전할 수 있게 결합된 제1유성기어와,
   상기 링기어와 치합하며 상기 제1유성기어와 일체로 회전하도록 상기 제1유성기어와 결합된 제2유성기어를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기자전거 구동시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 동력전달연결부는 타이밍벨트인 것을 특징으로 하는 전기자전거 구동시스템.
4. 삭제

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