KR20010078929A

KR20010078929A - 파워 축척 및 재활용 브레이크 시스템과 이를 활용한 모터시스템

Info

Publication number: KR20010078929A
Application number: KR1020010028548A
Authority: KR
Inventors: 정경채
Original assignee: 정경채
Priority date: 2001-05-19
Filing date: 2001-05-19
Publication date: 2001-08-22

Abstract

본 발명은 파워 축적 및 재활용 브레이크 시스템을 장착한 전기모터로서 운전중에 브레이크 제동(1-22)으로 소멸되는 관성 에너지를 탄성 스프링(1-27)에 저장하였다가 출발시 재활용하는 시스템 모터로서 모터 구조는 팬케이크(pancake)타입의 구조로서 전기 자전거 및 스쿠터에 활용이 가능하도록 하였으며, 도.1의 세로축 중심선의 우측부에는 구동모터로 구성하고 있으며 좌측부는 파워 축적 및 재활용 브레이크 시스템으로 구성한 신개념의 모터 브레이크 시스템임. 모터가 운전 중에는 브레이크 시스템과는 회전전달이 되지 않으며 브레이크를 잡으면 모터 로터 휠과 회전 연결이 되어 정지시 까지의 회전 관성에너지를 브레이크에 저장하게 됨. 출발시 브레이크를 놓으면 축적된 파워가 모터의 로터 휠에 전달되어 모터를 기동하지 않고도 무동력으로 구동이 가능도록 구성된 시스템으로 모터 기동시의 피크 로더(Peak Load)를 해소시킬 수가 있어 에너지를 절감할수 있는 성 에너지형 동력 전달장치임.

그리고 본 시스템은 유성치차 장치를 사용하여 자전거 휠 1바퀴를 제동시킬 경우 유성치차의 감속비의 원리를 이용하여 출발시는 4-5바퀴의 거리를 무동력 운전할 수가 있으며 이러한 기능을 갖춘 브레이크 시스템을 장착한 신개념의 자전거 및 스쿠터 전용의 Motor 시스템이다.

Description

파워 축척 및 재활용 브레이크 시스템과 이를 활용한 모터 시스템{The power's accumulation ＆ recycle brake system and these utilizing motor system}

본 발명은 자전거 및 스쿠터의 구동 모터에 브레이크 제동시 관성 모우멘트를 축적하였다가 기동시 파워를 재활용하여 무동력 출발(start)이 되도록 모터내에 브레이크 시스템을 내장한 신개념의 자전거 및 스쿠터 구동 모터로서 피크로더(peak load)없이 출발할 수 있으며 출발시 과부하에 의한 밧데리 전력소모도 줄일 수 있을 것으로 사료됨. 또한 유성치차의 특성을 이용하여 로터 휠(Roter wheel)이 정지할 때까지 회전수의 4-5배 회전수를 스타트시에 얻을 수 있는 성 에너지화한 구동 드라이브 메카니즘 기술임.

전기구동 자전거 및 스쿠터는 향후 단거리 교통 수단의 중요한 부분으로서 에너지 절감형 구동 드라이브 개발이 필수적이며 앞으로 끊임없는 개발이 이루어 질 것으로 판단됨. 또한 엘피지(LPG), 가솔린(Gasoline)연료에 의한 일산화탄소의 환경오염을 막을 수 있는 저비용·무공해 환경 에너지 기술분야임.

종래의 기술은 미국에서 자전거 전용 디시 전동모터를 개발후 자전거에 장착하여 시판하고 있으나 고가로서 가격과 성능의 발란스를 맞추기가 어렵다고 보아지며 일반적인 제동 시스템을 활용함으로써 출발시 로터의 순간 과부하로 인한 에너지 손실을 막을 수가 없으며 특히 경사지나 산악지형에 사용하기가 무리한 것으로 판단됨. 국내에서는 자전거 전동 모터의 개발 및 상용화는 아직 초보 단계로 볼 수 있으며 아직 상용화 시켜 활용된 것은 없는 실정임. 종래의 파워 축적 브레이크 방식은 일반 상용화되어 있는 자전거에 별도 파워 축적 브레이크 방식의 유성장치를 구성하여 밸트에 브레이크압을 가함으로써 힘의 전달을 온, 오프하는 방식으로 기계요소의 파손 위험이 많아 실용화가 어려운 실정임.

따라서 본 발명의 목적은 회전 기기의 정지때 소멸되는 회전 관성에너지를 축적하였다가 출발시 재활용할 수 있는 파워 축적 및 재활용 브레이크 시스템을 장착한 디시 및 센서리스 비엘디시(Sensorless bldc) 모터를 개발하고 출발시 무동력으로 파워를 얻은 후 모터를 기동함으로써 피크 로더가 없는 운전을 할 수 있는 모터를 개발하는데 있음. 또한 밧데리 수명을 연장하고 평지는 물론 경사 및 산악에서도 사용할 수 있는 자전거 및 스쿠터 전용의 신개념 파워 축적 및 재활용 브레이크 시스템 장착모터를 개발하여 상용화 하는데 있음.

본 기술을 더 확대해서 일반 페달 방식의 자전거 및 산업용의 중소형 모터 브레이크 시스템에도 본 발명의 시스템을 응용 활용하여 에너지 절감을 할 수 있도록 할 것임.

도1은 파워 축적 및 재활용 브레이크를 부착한 전기 모터 조립 단면도

도2는 모터 로터 휠에 부착할 백스톱 구조도

도3은 모터 로터 휠에 부착할 라쳇트 구조도

도4는 브레이크 시스템 작동용 포크 및 발란스 핀 구성도

도5는 페달 자전거에 파워 축적 및 재할용 브레이크를 장착한 스프로켓트 구성도

도6은 관성에너지의 축적과 재활용 원리 계통도

[도면의 부호 설명]

1-1. 고정 샤프트 1-15. 슬리브

1-2. 모터 스테이터 지지 카버 1-16. 포크

1-3. 권선 및 철심 1-17. 속도 동기 슬리브

1-4. 로터 철심 및 영구 자석 1-18. 포크 지지 핀

1-5. 로터 휠 1-19. 포크 발란스핀

1-6. 모터 제어기판 1-20. 코일스프링

1-7. 로터 휠 지지 베어링 1-21. 링크

1-8. 백스톱 고정키 1-22. 브레이크 와이어

1-9. 내치차 1-23. 유성치차 지지 박스

1-10. 내치차 지지 베어링 1-24. 파워카운터기어

1-11. 유성치차 1-25. 슬리브 푸시 스프링

1-12. 유성치차 지지 핀 1-26. 백스톱

1-13. 태양치차 1-27. 탄성스프링

1-14. 태양치차 지지 베어링 1-28. 자전거 림 부착휠

2-1. 백스톱 외륜 2-3. 백스톱 롤라

2-2. 백스톱 내륜 2-4. 볼트 취부 홀

3-1. 라쳇트 외륜 3-3. 라쳇트

3-2. 라쳇트 내륜 3-4. 볼트 취부 홀

4-1. 포크발란스 핀 4-2. 고정 너트

5-1. 스프로켓트 5-2. 로크 너트

본 발명의 구성에 대한 상세 설명을 하면 도.1은 자전거 및 스쿠터 전용으로 설계된 팬케이크(pancake) 타입의 콤팩트한 모터 구조로서 그 구성은 고정 샤프트(1-1)에 팬케이크 타입의 고정 커버(1-2, 1-23)를 설치한 후 우측커버 상에는 모터의 스테이트 철심과 권선(1-3)을 설치하고 내부에는 모터의 로터(1-4)를 설치하여 모터의 수직 센터상에 있는 회전휠(1-5)과 연결하고 로터 휠 지지 베어링(1-7)을 넣어 로터 회전력을 전달이 되도록 구성함. 모터 좌측부에는 커버부를 유성치차 지지 박스(1-23)로 하여 유성치차(1-11)를 유성치차 지지 핀(1-12)으로 고정시키고 내치차(1-9) 외경부에 치차를 가공하고 슬리브(1-15)를 설치하여 속도 동기 슬리브(1-17)와 슬리브 푸시 스프링(1-25)에 의해서 모터 회전 중에도 충격없이 파워 카운터 기어(1-24)에 연결이 되도록 구성하였으며 태양치차(1-13)에는 백스톱이나 라쳇트의 내륜부(2-2, 3-2)를 연결하고 외륜부는 모터 로터 휠(1-5)에연결하여 운전중에는 유성치차부(1-9, 1-11, 1-13)는 회전하지 않도록 구성하였음.

탄성스프링(1-26)은 그 일단을 내치차의 내면에 연결하고 다른 끝단은 태양치차(1-13)에 연결하여 브레이킹시에는 파워가 축적되도록 구성하였음.

슬리브(1-15)를 파워 카운터 기어(1-24)에 연결되도록 브레이크 와이어를 당기면 링크(1-21)를 통해 포크(1-16)가 작동하도록 구성하였으며 브레이크 와이어를 놓으면 코일 스프링(1-20)에 의해 자동적으로 회전 연결이 끊기도록 구성하였음.

본 발명의 작동 원리를 첨부한 도.1∼도.6까지 도면을 참고로 상세하게 설명을 하면 자전거 및 스쿠터 전용 모터를 콤팩트하게 팬케이크 타입으로 만들어서 브레이크 제동(1-22)시 소멸되는 에너지를 탄성스프링(1-27)에 축적하였다가 출발 (모터기동)시 재활용하는 파워 축적 및 재활용 브레이크 시스템을 일체화한 시스템 모터로서 모터의 수직센터를 중심으로 우측부는 구동모터(1-2, 3, 4, 5, 6, 7)로 되어 있고 좌측부는 파워 축적 브레이크 시스템(1-7∼1-26)으로 구성된 신개념의 모터 시스템임. 모터의 로터휠(1-5)과는 도.2의 백스톱 기구 혹은 도.3의 라쳇트 기구의 외륜(2-1, 3-1)을 연결시켜서 모터가 정회전(시계 진행 방향)시에는 유성기어박스의 태양치차(1-13)와 연결된 피구동체인 내륜(2-2, 3-2)은 회전하지 않고 정지하게 되며 자전거나 스쿠터가 달리던 중 모터를 정지시키고 브레이크 제동(1-22)을 시킬 경우 링크(1-21)를 통해 포크(1-16)가 슬리브(1-15)를 밀어서 속도 동기 슬리브(1-17) 및 슬리브 푸시 스프링(1-25)의 안내를 받으며 모터 로터 휠(1-5)상에 있는 파워 카운터 기어(1-24)에 물리면서 유성치차 박스 속의 내치차(1-9) 및 태양치차(1-13)에 물려 있는 탄성 스프링(1-26)에 정지시 소멸되는 관성 에너지를전부 축적하면서 정지하게 된다. 브레이크 링크 와이어(1-22)를 풀면 포크 쉬프트용 코일스프링(1-20)에 의해서 모터 로터 휠(1-5)과는 자동적으로 회전 전달이 단절되면서 탄성 스프링(1-26)에 축적된 파워가 유성치차 박스 내의 내치차(1-9)를 역전(반시계 방향)하게 하고 유성치차(1-11)는 유성치차 지지 박스(1-23)에 유성치차 지지 핀(1-12)으로 케리지를 고정시켰기 때문에 태양치차(1-13)는 진행방향 정회전(시계방향)을 하게 되며 태양치차(1-13)와 백스톱기구(도.2) 혹은 라쳇트기구(도.3)의 내륜(2-2, 3-2)이 연결되어 있으므로 내륜이 구동이 되어 정회전 (시계방향)시에 피구동체인 외륜(2-1, 3-1)도 정회전하게 되어 외륜과 연결된 모터의 로터의 휠(1-5)을 정회전 시킴으로서 모터의 구동없이 브레이크에 축적되어 있던 힘으로 회전 운동이 가능해짐. 유성치차의 감속 비에 따라 브레이크 작동시 정지회전보다 출발시는 4-5배까지의 회전 거리를 낼 수 있어 평균 10m이상의 거리를 무동력 운전이 가능해진다. 이러한 축적 관성에너지를 이용하여 경사진 곳, 산악 등에서의 출발이 용이해지고 모터의 초기 스타트 기동시 300%∼600% 정도의 피크 로더를 해소할 수 있어 밧데리 및 전력 소모를 줄일 수 있음.

또한 모터의 로터 휠(1-5)을 역회전(후진-반시계 방향) 할 경우는 태양치차(1-13)에 물려있는 백스톱 기구(도.2)나 라쳇트 기구(도.3)의 내륜(2-2, 3-2)도 역회전하면서 짧은 거리지만, 역회전시의 회전 모우멘트도 축적하였다가 전진시에 활용할 수가 있음. 또한 브레이크 제동시 속도동기 슬리브(1-17)를 통한 파워 카운터 기어(1-24)에 슬리브(1-15)연결을 함으로써 물리적으로 순간적인 충격 등으로 인한 파손, 진동을 완화시킬 수 있는 매카니즘으로 구성하였음. 도.5의 작동 및 구성원리는 모터 부분을 제거시키고 현재 사용되고 있는 자전거용 스프로켓트(5-1)을 설치하면 페달방식의 자전거에 상기 설명의 파워 축적 브레이크 시스템 기능을 가진 자전거를 응용 개발할 수가 있음.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면 모터의 기동시 순간 피크 로더(peak load)를 획기적으로 줄일 수 있는 성 에너지 구동모터를 제작하여 활용할 수가 있으며 현재 일반 산업용 모터에 사용되고 있는 스라스터 브레이크(Thrust Brake)에 본 개발품을 적용한다면 일반 산업용에 기동 토르크를 줄이면서 운전할 수 있는 모터 개발에도 응용 활용이 가능할 것으로 사료됨.

또한 제동시 축적된 파워를 기동시 동력없이 10∼15미터 전진시켜주는 파워가 있으므로 페달방식의 일반 자전거에도 본 발명의 브레이크 시스템을 구성하면 도.5와 같은 방식으로 구성할 수 있으며 경사면 및 산악에서도 쉽게 출발할 수 있는 자전거를 개발할 수가 있을 것임. 또한 브레이크 제동시 급제동 충격 등으로 넘어지거나 하는 안전상의 문제도 해결할 수 있을 것임.

Claims

도.1와 같이 모터내에 직접 내장한 파워 축적 브레이크 시스템으로 태양치차(1-13)와 로터 휠(1-5)간의 연결을 백스톱(도.2)이나 라쳇트(도.3)로 연결하고 모터의 로터 관성에너지를 축적 저장할 수 있도록 하기 위한 기능으로 유성치차 박스를 만들어서 내치차(1-9)와 태양치차(1-13)에 탄성 스프링을 연결시켜 힘을 저장하고 사용할 수 있도록 하며 이의 작동을 위한 기능으로는 카운터 기어(1-24), 슬라브 푸시 스프링(1-25), 속도 동기 슬리브(1-17), 포크(1-16) 및 슬리브(1-15)를 구성시키고 브레이크의 온, 오프 작동은 포크를 자동으로 백모션시켜 주는 코일스프링(1-20)을 포크 지지 핀에 삽입시켜 브레이크를 오프하면 회전단절이 자동으로 될 수 있도록 하는 에너지 축적과 재활용이 되는 브레이크 장치.

(도.6의 관성 에너지의 축적과 재활용 원리 참고)
도.1 모터 구조에서 지지 카버에 스테이터(1-3)를 고정시키고 로터(1-4)를 로터 휠(1-5)에 연결시켜 각종 구동요소(자전거 림, 스쿠터 타이어, 브레이크 드럼 등등)를 로터 휠(1-5)에 직접 부착하여 사용할 수 있도록 하는 구성 방법과 또한 본 발명의 브레이크 시스템을 로터 휠(1-5)에 도.1과 같이 직접 부착시킬 수 있도록 구성한 모터 방식.
도.5와 같이 도.1에서 모터 부분을 제거하고 로터 휠(1-5)상에 자전거 페달의 소프로켓체인과 연결시킬수 있도록 여러단의 소프로켓(5-1)을 설치하여 페달을 밟아서 운전할 수 있도록 하고 청구항 1의 브레이크 시스템을 장착하여 사용할 수 있도록 구성시키는 방법.
도.1과 같이 팬 케이크 타입의 케이스를 모터 및 유성치차 박스로 사용하고 유성치차의 고정 핀을 케이스에 고정시켜 태양치차와 내치차의 회전방향을 반대가 되도록 하여 탄성스프링의 끝단을 내치차와 태양치차에 고정시켜 로터의 관성 에너지를 축적 저장할수 있도록 하고, 태양치차(1-13)와 로터 휠(1-5)과의 연결은 백스톱이나 라쳇트로 연결시켜 태양치차와 로터휠이 구동(Drive)과 피구동(Driven)의 주체에 따라 회전이 되고, 되지 않도록 구성하는 방법과 내치차의 외경에 외치차를 가공하여 로터 휠(Rotor Wheel)에 운동전달을 연결시키고 끊을 수 있도록 포크(1-16), 슬리브(1-15), 속도 동기 슬리브(1-17), 슬라브 푸시 스프링(1-25), 카운터 기어(1-24)로 구성하는 방법 및 이의 작동을 브레이크 와이어(1-22)를 사용하여 온, 오프가 가능하도록 링크(1-21) 및 코일 스프링(1-20)을 사용하여 작동할 수 있도록 구성하는 방법.