KR20090052679A - 전동 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인력 또는 모터에 의해 구동되는 전동 자전거에 관한 것으로, 전륜 내부에 발전기를 구비하여 주행중 자전거의 운동에너지를 전기에너지로 회수 및 저장하여 주행용 동력원으로 활용할 수 있도록 하고, 복잡한 동력전달 및 제어수단이 필요 없는 간단한 구조를 통해 자전거의 속도가 일정 한도 이상 높아져야만 발전이 이루어지도록 하여 주행성능과 에너지효율을 높일 수 있는 전동 자전거를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전동 자전거는, 전륜과 후륜이 구비된 차체, 상기 후륜에 구동력을 전달하기 위한 페달 및 모터, 상기 전륜에 내장된 발전수단, 상기 모터에 주행을 위한 동력을 공급하고 전륜에서 발생된 전력을 저장하는 배터리 등을 포함하여 구성된다.

전륜, 내부휠, 외부휠, 코일, 자석

Description

전동 자전거 {ELECTRIC BICYCLE}

본 발명은 필요에 따라 모터를 구동시켜 주행력을 높일 수 있는 전동 자전거에 관한 것으로, 주행 시 자가발전을 하여 저장된 전력을 주행 동력으로 이용하고, 주행 속도에 따라 발전기를 작동 또는 정지시켜 주행 연비 및 성능을 향상시킬 수 있는 전동 자전거에 관한 것이다.

일반적으로 자전거는 사람이 페달을 밟아 바퀴를 구동시키는 인력 구동방식으로 주행하게 되나, 선택적으로 모터의 동력을 이용하여 바퀴를 구동시킬 수 있는 전동 자전거도 저렴하고 간단한 교통수단으로 이용되고 있다.

통상적인 전동 자전거에서, 뒷바퀴의 경우 가속 시에만 인력 또는 모터의 구동력에 의해 회전하고 비가속 시에는 자전거의 관성운동에 따라 종동 회전하게 되며, 구동력이 가해지지 않는 앞바퀴의 경우 상시 종동 회전하게 된다. 특히, 하향 경사진 도로를 내려갈 때에는 인력 또는 모터의 구동력을 이용하지 않는 상태로 가속 주행이 이루어진다. 따라서, 자전거의 주행 시에는 인력 또는 모터의 구동력이 필요 없을 때가 많고, 이때 자전거의 운동에너지를 회수하여 주행용으로 재사용 할 수 있다면, 전동 자전거의 주행성능과 에너지효율을 높이는데 매우 바람직한 효과를 기대할 수 있을 것이다.

그러나, 자전거의 경우 발전기의 설치 공간 및 위치를 확보하기가 어렵기 때문에, 종래의 전동 자전거에는 이러한 발전 구조의 적용이 어려웠고, 이에 따라 모터의 구동 전원으로 배터리에 기충전된 전력에만 의존할 수밖에 없어 배터리의 용량 한계로 인해 주행성능이 매우 제한적이고, 에너지 효율도 떨어지는 문제가 있다.

더욱이, 발전기를 자전거에 설치한다고 해도, 자전거의 출발 후 가속시나 상향 경사로를 오르는 경우 등과 같이 주행을 위한 동력을 많이 필요할 때에 발전을 행하는 것은 에너지 효율 면에서 비효율적인 것이 되므로, 속도가 어느 정도 이상으로 확보된 상태에서 발전이 이루어지는 것이 바람직한데, 이를 위해서는 클러치와 같은 기계적 연결수단과 이를 속도에 따라 동력 전달 또는 차단동작하도록 작동시키기 위한 제어수단이 필요하여 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전륜 내부에 발전기를 구비하여 주행중 자전거의 운동에너지를 전기에너지로 회수 및 저장하여 주행용 동력원으로 활용할 수 있도록 하고, 복잡한 동력전달 및 제어수단이 필요 없는 간단한 구조를 통해 자전거의 속도가 일정 한도 이상 높아져야만 발전이 이루어지도록 하여 주행성능과 에너지효율을 높일 수 있는 전동 자전거를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 전륜과 후륜이 구비된 차체; 상기 후륜의 종동스프라켓에 체인을 통해 연결되고 양측에 페달이 구비된 구동스프라켓; 출력축이 상기 구동스프라켓 또는 종동스프라켓에 체인을 통해 연결되어 후륜에 구동력을 가하는 모터; 및 상기 모터에 주행을 위한 전원을 공급하는 충전식 배터리를 포함하며, 상기 전륜은 차체의 축지지부에 결합되는 주축과, 상기 주축에 구비된 고정자와, 상기 고정자의 외부를 이격 상태로 감싸는 형태로 구비되며 고정자와 독립적으로 회전 가능하도록 상기 주축에 결합된 휠과, 상기 휠의 외주부에 결합된 타이어를 포함하고, 서로 마주하는 상기 고정자의 외주부와 휠의 내주부 중 일측에는 코일이 권선되고, 타측에는 자석이 설치되어 전륜의 회전에 따라 발전된 전력을 상기 배터리에 저장하여 모터의 구동원으로 사용하도록 된 것을 특징으 로 하는 전동 자전거가 제공된다.

상기한 본 발명의 전동 자전거에서, 상기 전륜의 휠은 고정자와 독립적으로 회전 가능하도록 주축에 결합된 내부휠과, 상기 내부휠의 외주부에 직접 또는 간접적으로 밀착된 상태로 회전 가능하게 결합되어 자전거의 주행 시 지면을 따라 회전되는 외부휠을 포함하고, 상기 고정자의 외주부와 내부휠의 내주부 중 일측에 코일이 권선되고 타측에 자석이 설치되어 상기 외부휠의 회전시 가해지는 마찰력이 자석과 코일에 의한 정지력보다 크면 내부휠이 회전되어 발전동작이 이루어지도록 구성될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 내부휠과 외부휠 사이에 개재되어 마찰에 의해 회전력을 전달하는 림 형태의 전달체를 더 포함하여 구성될 수도 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전륜에 내장된 발전기를 구비하여 자전거의 설치 공간 및 위치 제한한 따른 제약 없이 주행에 적합한 대용량의 발전이 가능하도록 함으로써, 전동 자전거의 주행 성능 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 특히, 주행 시 외부휠로부터 내부휠에 가해지는 마찰력이 일정 이상이 되면 내부휠이 회전되도록 하여 복잡한 제어장치 없이도 자전거의 속도에 따라 적합할 때에만 선택적으로 발전이 이루어지도록 함으로써, 주행 성능 및 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 외부휠과 내부휠 사이에 전달체를 설치하여 이를 매개로 회전력이 전 달되도록 함으로써, 전달체의 적절한 재질 및 가공 선택을 통해 보다 저렴하고 효과적인 마찰구조를 구현할 수 있고, 외부휠과 내부휠의 직접 마찰에 의한 손상을 방지하여 내구성 및 유지보수 편의성을 향상시킬 수 있다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전동 자전거의 일실시예를 구동계를 중심으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동 자전거는 전방과 후방에 각각 전륜(101)과 후륜(155)이 구비된 차체(103)와, 체인(133)을 통해 후륜(155)의 종동스프라켓(152)과 연결되고 양측에 페달(131)이 구비된 구동스프라켓(130)과, 체인(140)을 통해 상기 구동스프라켓(130)과 연결된 모터(110)와, 이 모터(110)에 전력을 공급하는 배터리(90) 등으로 구성되며, 상기 전륜(101)의 내부에 발전수단이 구비된 구조로 이루어진다.

상기 구동스프라켓(130)은 각각 후륜(155) 측 체인(133)과 모터(120) 측 체인(140)이 권취되는 한 쌍의 스프라켓이 동일축에 결합된 구조로 이루어진다.

도 2에 상기 전륜(101)의 상세 구조가 도시되어 있으며, 이를 함께 참조하여 설명하면, 상기 전륜(101)은 차체의 바퀴축 지지부에 양측이 결합되는 주축(10)과, 이 주축(10)에 장착된 고정자(20)와, 이 고정자(20)의 외부를 소정 간격 이격된 상태로 감싸는 커버 형태로 이루어져 상기 주축(10)에 베어링(01)을 매개로 회전가능하게 결합된 내부휠(30)과, 이 내부휠(30)의 외주면에 회전 가능하게 결합된 외부휠(60)과, 상기 내부휠(30)의 외주면과 외부휠(60)의 내주면 사이에 개재된 림 형태의 전달체(50)와, 상기 외부휠(60)의 외주부에 결합된 타이어(70)로 이루어진다.

상기 고정자(20)는, 대략 두꺼운 디스크 형태로 형성되어 상기 주축(10)에 고정된 코어(25) 및 이 코어(25) 외주부를 따라 구비되며 코일(23)이 감겨진 권선부(21)로 이루어진다.

상기 내부휠(30)은 바퀴의 몸체를 이루는 동시에 상기 고정자(20)와 대응되는 발전용 회전자 기능을 하도록 된 것으로, 고정자(20)의 권선부(21)와 마주하는 그 내주면을 따라 소정 간격으로 다수의 자석(41)이 장착된 구조를 갖는다. 각 자석(41)의 사이에는 자석(41)의 설치 및 고정을 위한 자석가이드(43)가 구비된다.

상기 외부휠(60)은 타이어(70)와 함께 지면을 따라 구르면서 회전되는 것으로, 내부휠(30)과의 접촉부에서 발생되는 마찰력의 크기에 따라 내부휠(30)이 함께 회전되거나 정지 상태를 유지하도록 한다. 이를 위해, 상기 내부휠(30)과 외부휠(60)은 각각의 외주면과 내주면이 직접 접촉되어 마찰되는 구조로 이루어질 수도 있으나, 도시된 바와 같이 별도의 전달체(50)를 양자 사이에 개재하여 간접적으로 접촉되도록 하는 것이 내구성 및 유지보수 면에서 바람직하다.

상기 전달체(50)는 회전지지구조에 사용되는 부싱과 유사하되, 통상의 부싱과 같이 마찰저항을 최소화하는 것보다는 어느 정도 마찰저항이 발생되도록 적절하 게 재질 및 표면처리, 면고르기 등과 같은 가공방법이 선택될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 전동 자전거는 탑승자가 페달을 밟거나 모터(120)를 구동시키면 상기 구동스프라켓(130)에 가해진 회전력이 체인(153)을 통해 종동스프라켓(152)에 전달되고, 이에 따라 후륜(155)이 회전되어 노면을 주행할 수 있게 된다. 따라서, 사용자의 선택에 따라 인력 또는 모터에 의한 주행을 할 수 있고, 특히 고속주행을 하거나 상향 경사진 길을 오를 때와 같이 많은 동력이 소요되는 경우, 보다 편리하고 빠른 주행이 가능하게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명의 전동 자전거는 주행 속도에 따라 상기 전륜(101)의 내부휠(30)이 정지 상태를 유지하거나 회전되어 선택적으로 발전을 행하게 되고, 이와 같이 생성된 전력은 상기 배터리(90)에 저장되어 모터(120)의 구동을 위한 동력원으로 재사용된다.

예를 들어, 자전거가 정지 상태에서 주행을 시작하면, 지면과의 마찰에 의해 전륜(101)의 타이어(70)가 회전하면서 외부휠(60)도 함께 회전되고, 자전거의 주행 속도가 저속일 때에는 상기 전달체(50)를 통해 작용되는 외부휠(60)과 내부휠(30) 간의 마찰력이 작으므로, 내부휠(30)은 내부의 자기력에 의해 정지 상태를 유지한다.

자전거가 가속을 하여 상기 외부휠(60)의 회전속도가 빨라짐에 따라 상기 전달체(50)를 통한 외부휠(60)과 내부휠(30) 간의 마찰력이 증가된다. 이러한 마찰력 증가는 외부휠(60)과 내부휠(30) 간의 상대적 운동속도 증가에 의해, 주행속도 증가에 따른 지면으로부터의 가압력 증가에 의해, 또한 마찰로 인한 온도 상승에 따 른 전달체(50)의 팽창에 의해 이루어진다. 상기 전달체(50)를 통해 가해지는 마찰력이 내부휠(30)에 작용되는 자기력 이상이 되면, 상기 내부휠(30)도 외부휠(60)과 함께 회전하게 되고, 이에 따라, 내부휠(30)의 자석(41)에 의해 형성된 자기장 내에서 고정자(20)의 코일(23)이 상대운동 하게 되므로, 유도전류에 의한 발전이 이루어지게 된다.

따라서, 자전거의 출발 초기나 상향 경사로를 오를 때와 같이 바퀴가 저속 회전될 때는 발전이 이루어지지 않아 발전에 소비되는 구동력 손실이 없으므로, 자전거의 주행 성능 저하를 방지할 수 있고, 자전거의 고속 주행시에는 회전되는 바퀴의 운동에너지를 일부 사용하여 전력을 생산함으로써 에너지를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

또한, 휠몸체에 내장된 코일(23)과 자석(41)의 상대 운동에 의해 바퀴 자체에서 발전하는 구조로 이루어지므로, 자전거 외부에 별도의 발전기를 부가 설치할 필요가 없어 설치 공간 및 위치의 제약으로 인한 문제가 해소되며, 특히 회수된 전력을 주행용 동력원으로 활용하기에 충분한 발전기 용량을 확보할 수 있다.

그리고, 상기 전달체(50)를 통해 외부휠(60)과 내부휠(30)이 간접 마찰되도록 함으로써, 마찰에 의한 손상을 줄이면서도 적절한 회전력을 전달할 수 있는 전달체(50)의 재질 및 가공 선택을 통해 외부휠(60)과 내부휠(30)의 직접 마찰 방식에 비해 보다 저렴하고 효과적인 마찰 구조를 얻을 수 있으며, 직접 마찰에 의한 외부휠(60)과 내부휠(30)을 손상을 줄여 바퀴의 수명을 연장시키고, 사용기간 경과에 따라 마멸된 전달체(50)만을 교체하면 되므로 유지보수 비용도 절감할 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 일정 속도 이상이 되면 발전이 이루어지도록 내부휠(30)과 외부휠(60)이 분할되어 상호 간의 마찰력에 따라 연동 회전되도록 구성된 것을 예시하였으나, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 보다 간단한 구조로서 상기 내부휠(30)과 외부휠(60)이 일체로 하나의 휠을 이루어 전륜(101)이 회전되기만 하면 발전이 이루어지도록 구성될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전동 자전거의 일실시예를 도시한 개략적 구성도이다.

도 2는 본 발명의 요부인 발전기가 내장된 전륜을 도시한 단면도이다.

Claims (3)

1. 전륜(101)과 후륜(155)이 구비된 차체(103); 상기 후륜(155)의 종동스프라켓(152)에 체인(133)을 통해 연결되고 양측에 페달(131)이 구비된 구동스프라켓(130); 출력축이 상기 구동스프라켓(130) 또는 종동스프라켓(152)에 체인(140)을 통해 연결되어 후륜(155)에 구동력을 가하는 모터(110); 및 상기 모터(110)에 주행을 위한 전원을 공급하는 충전식 배터리(90)를 포함하며,

   상기 전륜(101)은 차체의 축지지부에 결합되는 주축(10)과, 상기 주축(10)에 구비된 고정자(20)와, 상기 고정자(20)의 외부를 이격 상태로 감싸는 형태로 구비되며 고정자(20)와 독립적으로 회전 가능하도록 상기 주축(10)에 결합된 휠과, 상기 휠의 외주부에 결합된 타이어(70)를 포함하고, 서로 마주하는 상기 고정자(20)의 외주부와 휠의 내주부 중 일측에는 코일(23)이 권선되고, 타측에는 자석(41)이 설치되어 전륜(101)의 회전에 따라 발전된 전력을 상기 배터리(90)에 저장하여 모터(110)의 구동원으로 사용하도록 된 것을 특징으로 하는 전동 자전거.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전륜(101)의 휠은 고정자(20)와 독립적으로 회전 가능하도록 주축(10)에 결합된 내부휠(30)과, 상기 내부휠(30)의 외주부에 직접 또는 간접적으로 밀착된 상태로 회전 가능하게 결합되어 자전거의 주행 시 지면을 따라 회전되는 외부 휠(60)을 포함하고, 상기 고정자(20)의 외주부와 내부휠(30)의 내주부 중 일측에 코일(23)이 권선되고 타측에 자석(41)이 설치되어 상기 외부휠(60)의 회전시 가해지는 마찰력이 자석(41)과 코일(23)에 의한 정지력보다 크면 내부휠(30)이 회전되어 발전동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동 자전거.
3. 제2항에 있어서,

   상기 내부휠(130)과 외부휠(160) 사이에 개재되어 마찰에 의해 회전력을 전달하는 림 형태의 전달체(150)를 더 포함하는 전동 자전거.

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