KR102209286B1 - 자가발전 전기자전거 - Google Patents

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KR102209286B1
KR102209286B1 KR1020190101574A KR20190101574A KR102209286B1 KR 102209286 B1 KR102209286 B1 KR 102209286B1 KR 1020190101574 A KR1020190101574 A KR 1020190101574A KR 20190101574 A KR20190101574 A KR 20190101574A KR 102209286 B1 KR102209286 B1 KR 102209286B1
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Abstract

본 발명은 자가발전 발전기를 이용한 전기자전거에 관한 것으로 페달과 연관돤 자전거 하우징내에 발전기를 설치하여 자전거 이용시 페달의 발구룸 작용으로 전기를 생산한 후 생산된 전기를 자전거프레임에 설치된 직류변환기(DC-DC-CONVERTER)를 거쳐 전압을 승압시켜 기설치된 축전지에 지속적으로 충전시킴으로서, 축전지를 분리하여 충전할 필요가 없는 관계로 전기를 아낄 수 있고, 자전거 이용시 방전의 염려가 없는 관계로 기존 자전거의 필수 구성요소인 페달스프라켓, 체인, 변속장치등이 필요없는, 즉, 체인없는 전기자전거도 만들 수 있어 자전거 외관을 깔끔하게 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

자가발전 전기자전거{omitted}
본 발명은 자가발전형 발전기를 이용한 전기자전거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전기를 이용하여 자전거 이용자가 페달의 발구룸 작용으로 전기를 생성시켜 축전지에 전기가 충전되도록 함으로서, 축전지 방전의 염려가 없고, 축전지를 분리하여 충전하지 않음으로, 별도의 시간 낭비와, 충전시 필요한 전기를 절약할 수 있는 자가발전 전기자전거에 관한 것이다.
일반적으로 전기자전거는 페달쪽 부분에는 센터드라이브 구동방식인 모터를, 앞바퀴나 뒷바퀴쪽 부분에는 허브구동방식인 모터를 설치하여 자전거에 설치된 축전지의 전기를 공급받아, 모터의 회전동력을 이용 구동바퀴를 구동시켜, 자전거가 주행하도록 구성되며, 모터를 구동시키기 위한 전원을 충전, 저장하는 축전지를 자전거프레임의 일정부위에 설치하여 전원을 공급하고 핸들에 설치된 속도조절기를 이용하여 자전거 속력을 빠르게 느리게하도록 구성한 것이다.
그러나, 종래의 전기 자전거는 모터의 동력으로 구동바퀴를 구동시킴으로 모터의 전력원인 축전지가 빨리 소모되어 장거리 운행의 어려움이 발생하고, 축전지를 분리하여 충전해야하는 번거로움과 주기적 충전으로 전기를 낭비하는 문제점이 있어 가장 친환경적인 교통수단에 어긋난다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하고자 하는 본 발명의 주목적은 페달구동계 부분에 자가발전기를 설치하여 페달구동시 전기를 생성시켜 생성된 전기가 자전거에 설치된 축전지에 지속적으로 충전되도록 함으로서, 축전지의 사용시간을 늘려주어 축전지의 방전을 방지함과 방전이 우려가 없음으로 체인을 매개로한 구동체계가 필요없는 전기자전거를 제공할 수 있다는 것이다. 즉, 변속기,스프라켓, 체인이 필요없는 무체인 자가발전 전기자전거도 제작할 수 있다는 것이다.
상기 목적을 해결키위해 본 발명은 페달구동계 부분에 발전기, 페달중심축, 구동링기어,발전기축 기어들을 결합하여 자전거이용자의 페달 발구룸 작용으로 발전기들이 전기를 생산시키고, 생산된 전기가 직류변환기(30)를 거쳐 기설치된 축전지에 지속적으로 충전되도록 함으로서 자전거이용자가 축전지(31) 방전의 우려 및 축전지를 분리하여 충전해야하는 불편을 해소키 위한 것으로 2가지 방식을 적용한다.
하나는, 체인없는 자전거로 축전지의 힘으로만, 허브모터(40)를 구동시켜 주행하는 킥보드 방식으로 주행중 자전거이용자가 체인 및 스프라켓이 없는 페달을 밟아줌으로서 하우징(18)내에 수용되어 결합된 발전기축(22) 및 구동링기어(15)가 페달 구동시 회전하면서 전기를 생성시켜 축전지에 지속적으로 충전이 되게하는 방식과
둘째는 체인있는 자전거로, 일반자전거식으로 주행하거나 축전지의 전기 힘을 이용하여 주행하는 방식을 혼용하는 PAS방식으로 일반자전거 방식으로 사용시 페달의 구동으로 스프라켓에 결합된 구동링기어와 구동링기어와 치합되어 있는 발전기축 기어들이 회전하면서 전기를 생성시켜 축전지에 지속적으로 충전되도록 하는 방식이 있다.
프레임의 중간부의 페달과 연관된 페달중심축(12) 하우징내에 페달의 구동으로 페달중심축과 치합되어 있는 구동링기어에 내접하여 전기를 만드는 직류발전기가 설치되고, 생성된 전기는 프레임의 일정부위에 설치된 직류변환기(DC-DC-Converter)를 거쳐 전압이 승압되어 전기자전거 주동력원인 축전지에 저장되며, 저장된 축전지의 동력전원을 허브모터(40)의 전기선에 연결시켜 뒤바퀴에 장착된 허브모터를 구동시킴으로 뒤바퀴가 구동되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 발전기를 이용하여 자가발전한 전기를 자전거에 설치된 축전지에 저장시킴으로 전기자전거를 주행거리, 주행시간에 상관없이 지속적으로 사용할 수 있고, 축전지 방전의 염려가 없는 관계로 페달쪽 스프라켓(43), 구동바퀴쪽 스프라켓, 변속기 장치, 체인이 없는 전기자전거도 만들 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
제 1도 본 발명의 자가발전기를 이용한 무체인 전기자전거 외관도.
제 2도 본 발명의 자가발전기를 이용한 무체인 전기자전거 결합 사시도,
제 3도 본 발명의 자가발전기를 이용한 무체인 전기자전거 발전기가 하우징내에 수용된 발전기 결합 단면도.
제 4도 본 발명의 자가발전기를 이용한 무체인 전기자전거 페달구동계 결합 사시도
제 5도 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 전기자전거 외관도,
제 6도 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 전기자전거 결합 사시도.
제 7도 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 전기자전거 발전기축과 하우징커버 결합도.
제 8도 본 발명의 자가발전기를 이용한 발전기와 전기기판 사시도
상기 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로 권리범위는 실시예에 한정하지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도1은 본 발명의 자가발전기를 이용한 전기자전거 외형을 도시한 외관도로서 스프라켓, 변속기,체인이 없는 무체인 전기자전거이다,
자전거 프레임의 전방에는 앞바퀴가 설치되며 상부에는 안장이 설치되고 프레임의 후방에는 뒤바큇가 설치되고, 프레임의 중간부 하단에는 페달(10)에 의해 회전하는 페달중심축(12)과 크랭크암(11)이 하우징(18)과 결합되며, 프레임의 일정부위에 축전지(31)와 직류변환기(30)가 설치되며, 뒤바퀴에는 축전지의 전기 힘의 도움을 받아 회전하는 허브모터(40)가 설치된다.
상기 앞바퀴와 연결된 핸들에는 속도제어기(41), 축전지충전표시기(42), 전기자전거 제어장치등이 설치되고 뒤바퀴의 중심에는 허브모터가 설치된다. (속도제어기,축전지충전표시기,허브모터,직류변환기는 기상품화되고 널리 인지된 것으로 도식 및 설명 생략)
도2는 본 발명의 핵심적 구성부분으로 자가발전형 발전기를 중심으로 각 구성부분들의 결합관계를 나타낸 사시도이며, 자전거 프레임의 하우징안에 설치되며, 하우징의 내경에 발전기하우징(20)과 결합될 수 있도록, 하우징 내경 일정부위에 일자형 사각파인홈(28)이 새겨져 발전기하우징 외경 일정부위에 새겨진 볼록사각형(29)과 결합된다. 조립순서는 발전기하우징안 발전기 각각의 동경안에 직류발전기가 조립된 발전기하우징(20)을 자전거프레임과 용접으로 결합된 하우징(18)과 결합한후 발전기하우징커버(21)를 조립한후 발전기하우징커버에 전기선을 각각의 발전기로부터 직렬로 연결되도록 인출하여 하우징의 발전기전기선인입구(24)를 통해 프레임의 일정부 위에 설치된 직류변환기(30)에 연결시킨다.
도3은 발전기가 하우징내에 수용된 결합단면도로 자가발전 발전기는 소형발전기 2~4개를 묶어서 이뤄지는데 축전지의 용량에 따라 소형 직류발전기 2개, 3개,4개 형태로 구성된다.
소형발전기는 발전기하우징안 각각의 동공에 널리 인지된 발전기 제작형태로 제작되며(발전기 제작은 널리 공지된 형태로 도면도식 및 구현 설명 생략) 발전기하우징의 고정 방법으로는 자전거 본체 하우징 내경의 일정부위에 새겨진 사각파인홈(28)과 발전기하우징 외경의 일정부위에 새겨진 볼록사각형(29)과 결합되도록 하며 각각의 소형발전기 회전축 한쪽 끝단에는 강화프라스틱으로 만든 기어(23)를 결합시켜 발전기 각축의 기어들이 페달구동부의 구동링기어(15)의 안쪽에서 내접하여 동일 방향으로 회전하게 한다. 구동링기어의 잇수보다 소형발전기 각축에 결합된 기어잇수가 적은 관계로 구동링기어 회전보다 발전기의 각축들은 빠르게 회전한다. 즉. 페달의 발구룸 작용으로 페달중심축의 1회전보다 많이 회전한다. 구동링기어 잇수가 120개고 발전기기어의 잇수가 20개면 페달 1회전시 발전기축의 회전수는 6회전이 된다.
발전기의 각축들을 빠르게 회전하게 만드는 이유는 렌쯔의 법칙, E = - n dΦ /dt에 따라, 기전력(V)을 많이 생기게하려면, 자속을 세게하거나, 코일수를 많이 감거나, 시간의 변화에 따른 속도를 높여주어야 하는데 소형발전기인 관계로 자력이 센 큰 자석을 넣거나, 코일수를 많이 감거나 할 수 없어 회전수를 높이는 방법이 기전력을 높게하는 방법중 제일 효과적이기 때문이다.
도4는 하우징내에 수용되는 자가발전기 무체인 전기자전거 페달구동계 결합단면도로서 페달중심축(12),구동링기어(15), 구동링기어커버(16), 스냅링(46)으로 구성되며. 구동링기어는 구동링기어커버와 용접 또는 큰 스냅링(46)으로 결속되며, 구동링기어 커버의 가운데 구멍 내경에는 사각형이나 기어산(17)을 새겨 페달중심축 일정부위에 새겨진 사각형모형이나, 기어산(14)과 결합되도록하여 페달의 발구룸 작용으로 페달중심축이 회전하면 동일방향으로 구동링기어도 회전하게 된다. 구동링기어가 회전하면 구동링기어의 내경에 새겨진 기어와 소형발전기 각축들이 내접하여 치합되어 있는 관계로 발전기 각축의 기어들이 동일방향으로 구동링기어의 회전수보다 빠르게 회전함으로서 발전기의 유도코일에 전기가 생성되게 된다.
각각의 발전기에서 생성된 전기는 직류로서, 직렬로 취합되도록하여 자전거프레임의 일정부위에 설치된 직류변환기( BOOST, DC-DC-Converter)로 보내지고 직류변환기(30)를 거친 승압전기는 축전지(31)로 보내져 충전된다.
도5는 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 전기자전거 외관도로서 페달중심축의 한쪽부위 사각형과 구동스프라켓(43) 중공상의 사각동공이 결합되고 체인(44)을 매개로 뒤바퀴의 후륜스프라켓과 연결된다.
도6은 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 자전거 결합사시도로서 도2의 체인없는 전기자전거 결합사시도와 구별되는 사항은 구동링기어(15)가 하우징(18)내에 수용되어 있지 않고 구동스프라켓(43)과 용접으로 결합된다는 점과 스프라켓쪽 하우징커버(19)에는 발전기갯수 만큼의 발전기축인입구(45) 구멍이 나있어 구멍으로 발전기축들이 들어가고 발전기축 기어(23)들이 결합된후 구동링기어(15)와 치합된다는 점이다. 발전기축 기어와 구동링기어를 하우징 밖으로 도출한 이유는 좀더 용량이 큰 발전기를 사용함으로서 높은 전압을 가진 전기를 생산하기 위해서이다.
도7은 본 발명의 자가발전기를 이용한 체인있는 전기자전거 발전기가 페달측 구동스프라켓상의 구동링기어와 결합되는 페달구동계 단면도로서 페달중심축(12), 구동링기어(15), 구동스프라켓(43)으로 구성되며 구동링기어는 구동스프라켓의 한쪽면에 용접으로 결합되며 하우징상에 수용되는 발전기의 각축들이 하우징커버의 작은동공(45)으로 돌출되어 발전기축 기어(23)들이 결합된후 구동링기어와 치합되며 페달중심축의 회전시 발전기의 각축들도 회전하게 된다.
도7은 하우징내에 수용된 도3의 발전기는 발전기를 크게 만들 수 없는 단점이 있어 이를 개선키 위한 것으로 용량이 큰 발전기를 결합시키기 위해 구동부의 구동링기어(15)를 구동스프라켓상(43)에 결합한 후 발전기 각축기어들이 하우징커버(19)의 외부에서 구동링기어와 치합되도록 한 것이다.
도8은 본 발명의 자가발전기를 이용한 발전기와 전기기판 사시도로 발전기는 발전기하우징(20), 발전기커버(21), 발전기축기어(23)로 구성되며 발전기하우징 동공안에 자석,계자전선,브러시,정류자,발전기축등으로 발전장치가 만들어지고 발전장치에서 브러시를 통해 인출된 각각의 전기선은 발전기하우징커버의 한쪽면에 새겨진 전기기판(25)에서 직렬연결 형태로 취합되며, 발전기하우징커버 외부의 한곳에는 직류변환기에 보내지는 +,- 단자(26)가 설치된다.
본 발명의 자가발전형 발전기를 이용한 전기자전거는 자전거이용자가 발힘으로 페달(10)을 구동하면,페달중심축(12)이 회전하고, 페달중심축과 결합된 구동링기어(15)가 회전하고, 구동링기어와 치합되어 있는 소형발전기 각축기어들이 회전하면 발전기의 회전자가 돌아가면서 유도전기가 생성되고, 생성된 전기는 발전기하우징 커버에 만들어진 전기기판(25)에서 직렬로 연결되어 취합되어 직류변환기(30)를 거쳐 축전지에 저장된다.
전기자전거가 주로 이용하는 축전지 전압은 24V, 36V, 48V의 축전지로서 발전기에서 생성된 전기가 축전기에 저장되기 위해서는 축전기의 전압보다 조금 높아야 한다. 왜냐하면 전기는 전압이 높은쪽에서 낮은쪽으로 흐르므로, 생성된 전기가 축전기에 저장되려면 축전지의 전압보다 조금 높아야 한다. 소형발전기인 관계로 높은 전압을 만들 수 없고, 페달회전축의 회전수도 빨랐다, 늦었다 차이가 나는 관계로 생성되는 전압도 차이가 생긴다. 이러한 이유로 승압 직류변환기를 이용하여 전압를 승압 하여 축전지에 보냄으로서 전기가 저장된다.
직류발전기 유도기전력 공식은 E = PZΦ N/60a (P는 극수, Z는 전기자총도체수, Φ는 매극의 자속수 N은 발전기회전수(rpm) a는 파권이냐, 중권이냐에 따라 파권직류기이면 a는 2, 중권이면 a는 극수와 동일한 a=p ). 즉, 이공식에서 보듯 유기기전력을 높게하기 위해서는 회전수를 높여야 하는데, 본 발명에서는 페달의 회전수와 구동링기어와 내접하여 회전하는 발전기 회전수는 일정한 한계가 있게된다. 즉, 자전거이용자가 천천히 페달을 밟게되면 유기기전력은 낮고, 빠르게 페달을 밟게되면 유기기전력은 높아지나 회전수의 일정한 한계로 발전기수를 늘려 직렬연결시킴으로서 기전력을 높이거나, 직류변환기를 설치하여 전압을 승압시켜 축전지로 전기를 보내주어야 축전지에 전기가 저장된다.
축전기의 전기는 구동허브모터(40)로 보내지며, 구동허브모터가 회전하면 뒤바퀴가 앞으로 회전하면서 나아가고 핸들에 설치된 속도제어기(41)의 조작에 따라 전기자전거의 속도가 변화되며, 전기자전거의 구동으로 축전지가 방전되기 시작하나, 페달의 구동을 자전거이용자가. 지속적으로 하여주면 전기가 생산되어 축전지에 전기를 충전시켜 줌으로서 방전의 염려는 없게된다.
10. 페달 11. 크랭크암 12. 페달중심축 13, 베아링 14.페달중심축사각부(기어부)
15.구동링기어. 16.구동링기어커버 17.구동링기어커버사각부(기어부)
18. 하우징. 19.하우징커버
20. 발전기하우징, 21. 발전기하우징커버 22. 발전기축 23. 발전기축기어
24.발전기전기선인입구 25.전기기판 26.전기기판단자 27.발전기
28 하우징결합구 29.발전기결합구 30. 직류변환기 31. 축전지
40. 허브모터 41. 속도제어기 42.축전지량표시기 43.구동스프라켓 44.체인
45. 발전기축인입구 46.스냅링

Claims (6)

  1. 전기자전거 프레임과 결합되고 페달중심축,구동링기어,발전기를 수용하는 하우징;
    하우징(18) 내측에 구비되어 전기자전거 이용자의 페달 발구룸 작용으로 회전하는 페달중심축(12),구동링기어(15), 링기어커버(16),베어링(13)으로 구성된 구동부; 구동링기어와 발전기 각축기어(23)들이 결합되어 전기를 생산하는 발전기장치; 전기자전거 프레임의 일정부위에 설치되는 축전지(31)와 직류변환기(30); 전기자전거 뒤바퀴를 구동시키는 허브모터(40); 전기자전거 핸들에 설치되어 전기자전거 속도를 변화시키는 속도제어기(41), 축전지충전표시기(42)를 포함하되,
    전기를 생산하는 발전기장치는 발전기하우징(20), 발전기하우징커버(21), 발전기축기어(23), 전기기판(25)으로 구성되며, 발전기하우징은 발전기하우징내 동공안에 2 ~ 4개의 발전기를 수용하는데 발전용량에 따라 180도 방향으로 2개의 발전기, 120도 방향으로 3개의 발전기 또는 90도 방향으로 4개의 발전기로 제작되며, 발전기커버에는 발전기에서 생산한 전기들이 직렬로 취합될 수 있도록 전기기판이 새겨지고, 발전기 각축의 끝단에는 강화프라스틱으로 제작된 발전기축 기어(23)가 부착되어 구동링기어에 새겨진 기어와 결합되는 것을 특징으로 하는 자가발전 전기자전거.
  2. 제 1항에 있어서 하우징은 전기자전거 프레임과 용접으로 결합되며, 하우징 안쪽 내경 일정부위에 일자형 파인사각(28)홈이 새겨져, 발전기 하우징 외경 일정부위에 새겨진 볼록사각형(29)과 결합되어 발전기하우징이 고정되게 하고, 하우징커버(19)의 중앙 동공에는 베어링(13)이 끼워지고, 체인있는 전기자전거 한쪽 하우징커버에는 발전기수 만큼의 동공(45)이 새겨지며, 페달중심축이 하우징커버의 중앙 동공에 치합되는 것을 특징으로 하는 자가발전 전기자전거.
  3. 제 1항에 있어서 구동부의 구동링기어(15)는 구동링기어커버(16)와 용접이나 스냅링(46)으로 결합되고, 구동링기어커버는 중앙동공상의 내측 기어(17)와 결합되고, 구동링기어커버가 이격되지 않도록 작은 스냅링(46)으로 고정되며,구동링기어가 하우징안에 수용되지 않고 구동스프라켓과 결합될 경우에는 구동링기어커버가 필요없고 구동링기어(15)가 용접으로 직접 결합되는 것을 특징으로 하는 자가발전 전기자전거.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서 자전거 프레임의 일정부위에 직류변환기(30)를 설치하여 발전기에서 생산한 전기의 전압를 승압시켜 축전지에 저장되도록 하는 것을 특징으로 하는 자가발전 전기자전거.
  6. 삭제
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