KR20140038029A - 전기 자전거 - Google Patents

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KR20140038029A
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김일용
고창복
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주식회사 만도
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Abstract

전기 자전거가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거는 페달에 의해 전기를 발생시키는 전기 자전거에 있어서, 전륜 및 핸들이 마련되는 프론트 프레임과, 페달 및 안장이 마련되는 센터 프레임과, 후륜이 마련되는 리어 프레임과, 센터 프레임에 마련되며 내부에 구획된 두 공간을 갖는 하우징과, 하우징을 관통하며 페달이 양 단부에 마련되는 페달샤프트와, 하우징의 일측 공간에 마련되며 페달샤프트에 입력측이 연결되어 회전 속도를 증가시키는 증속부와, 하우징의 타측 공간에 마련되며 증속부의 출력측과 연결되는 발전부를 포함한다.

Description

전기 자전거{ELETRIC BICYCLE}
본 발명은 전기 자전거에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페달과 바퀴를 연결하는 체인이 없는 전기 자전거에 관한 것이다.
자전거는 기본적으로 사람이 두 발로 페달을 밟고, 그 페달을 밟아서 돌리는 힘을 체인을 이용하여 바퀴에 전달함으로써 동작한다. 하지만, 체인은 그 구조가 복잡하고, 자전거 내에서 점유면적이 크며, 바퀴에서 이탈되거나 탑승자의 옷자락이 끼여 오염되는 등의 다양한 문제를 유발한다.
최근에는 이러한 문제를 감안하여 체인이 없는 전기 자전거가 개발되어 사용되고 있다.
한국 공개특허 제10-2012-0001834(2012.01.05.) 상기 문헌은 본 출원인이 출원한 체인이 없는 전기 자전거이다. 이 전기 자전거는 바퀴를 회전시키는 모터와 모터에 전원을 공급하는 배터리와 이들을 컨트롤하기 위한 전자제어장치를 포함하여, 전자제어장치에 의해 모터에 전원이 공급되면 모터가 바퀴를 회전시키는 방식으로 구동된다. 또한, 상기 문헌은 페달의 구동에 의해 전기를 발생시키는 발전기를 포함하고 있다. 즉, 전기 자전거는 외부 콘센트를 이용하여 배터리를 충전하거나 발전기와 연결된 페달을 회전 동작함으로써 충전할 수 있다. 전기 자전거에서 요구되는 발전기는 페달의 회전력을 전기 에너지로 최대한 효율적으로 변환해야 하며, 같은 효율일 경우 보다 콤팩트한 사이즈를 가지도록 해야 한다.
본 발명의 실시 예는 보다 콤팩트하며 발전 효율이 높은 발전기를 갖는 전기 자전거를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기 자전거는 페달에 의해 전기를 발생시키는 전기 자전거에 있어서, 전륜 및 핸들이 마련되는 프론트 프레임과, 페달 및 안장이 마련되는 센터 프레임과, 후륜이 마련되는 리어 프레임과, 센터 프레임에 마련되며 내부에 구획된 두 공간을 갖는 하우징과, 하우징을 관통하며 페달이 양 단부에 마련되는 페달샤프트와, 하우징의 일측 공간에 마련되며 페달샤프트에 입력측이 연결되어 회전 속도를 증가시키는 증속부와, 하우징의 타측 공간에 마련되며 증속부의 출력측과 연결되는 발전부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징은 내부를 구획하는 격벽을 일체로 마련할 수 있다.
또한, 상기 증속부는 태양기어와, 태양기어의 외주에 치합하여 자전하는 복수의 위성기어와, 상기 복수의 위성기어의 중심축을 연결하는 캐리어와, 상기 하우징 내면에 마련되며 위성기어의 외주와 치합하여 위성기어가 공전하도록 하는 링기어를 포함하고, 상기 캐리어는 상기 페달샤프트와 직접 연결되고, 상기 태양기어는 발전부와 직접 연결될 수 있다.
또한, 상기 발전부는 로터와 스테이터를 구비하고, 상기 태양기어는 로터와 연결될 수 있다.
또한, 상기 로터는 태양기어와 결합하는 로터축을 더 구비하고, 상기 로터축은 상기 하우징은 내부에 마련되는 격벽에 회전 가능하게 씰 결합될 수 있다.
또한, 상기 증속부는 적어도 2단으로 마련되며, 입력측 증속부의 태양기어는 출력측 증속부의 캐리어와 연결될 수 있다.
또한, 상기 적어도 2단의 증속부는 직렬로 마련되며, 상기 입력측 증속부가 하우징 외측에 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거는 페달의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 발전부와, 페달의 회전 속도를 내부적으로 증속하기 위한 증속부를 전기 자전거의 페달 하우징에 내부에 마련함으로써 발전기의 콤팩트화를 효과적으로 구현하였다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거는 발전부와 증속부를 페달 하우징을 구획하여 분할 배치함으로써 구조를 단순화하였으며, 나아가 증속부를 직렬로 2단 배치함으로써 증속비를 높여 발전 효율을 증대시켰다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거의 발전기를 분해 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기의 증속부를 분해 도시한 사시도이다.
도 6는 도 4의 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거의 사시도이다. 도면을 참조하면, 전기 자전거는 프론트 프레임(100), 센터 프레임(200), 및 리어 프레임(300)을 포함한다.
프론트 프레임(100)과 센터 프레임(200)과 리어 프레임(300)은 각 프레임의 일단에서 프레임을 관통하는 힌지축(미도시)에 의해 축 결합되어, 힌지축을 중심으로 회동하면서 접철된다.
프론트 프레임(100)의 일단은 핸들튜브(110)를 구비하여 앞바퀴(12)와 핸들부(10)가 마련되는 핸들스템(14)이 결합된다. 앞바퀴(12)는 핸들스템(14)의 하측에 마련되며, 조향을 위한 핸들부(10)는 상측에 마련된다. 핸들부(10)는 핸들스템(14)에 중앙이 결합되는 핸들바(16)를 포함하며, 핸들바(16)는 양 끝단에 핸들 그립(17) 및 앞바퀴(12)와 뒷바퀴(62)의 제동을 위한 브레이크 레버(18)를 포함한다.
여기서, 핸들스템(14)은 제1클램프(13)를 이용하여 자전거 접철 시 핸들부(10)를 프론트 프레임(100)의 측면에 위치하도록 할 수 있으며, 제2클램프(15)를 이용하여 핸들바(16)의 높이 조절이 가능하게 마련된다. 또한, 핸들 그립(17)은 전기 자전거의 가속 및 변속을 위한 엑셀 레버(19a)와, 전기 자전거의 상태를 사용자에게 표시해주고 사용자의 요구사항을 버튼을 통하여 조작할 수 있도록 하는 인터페이스장치(19b)를 구비한다. 인터페이스장치(19b)는 전기 자전거의 구동에 필요한 발전기, 배터리, 모터 등의 전자부품들을 제어하는 전자제어장치(미도시)와 전기적으로 연결된다.
또한, 핸들스템(14)의 하단에는 앞바퀴(12)가 회전 가능하게 결합된다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이 앞바퀴(12)와 뒷바퀴(62)가 동일선(A) 상에 위치할 수 있도록 핸들스템(14)은 측면으로 일부를 밴딩하여 마련된다. 다른 방식으로 앞바퀴(12)는 통상적인 자전거처럼 포크형상으로 이루어진 핸들스템(14)에 결합될 수도 있다.
센터 프레임(200)의 일단에는 페달 하우징(210)이 마련된다. 페달 하우징(210)에는 한 쌍의 페달(20)이 양측에서 회전 가능하게 마련되고, 그 내부에는 발전기(400)와 전자제어장치(ECU, 40)가 마련된다. 발전기(400)는 사용자가 페달(20)을 회전시키면 페달(20)의 회전력을 전기적 에너지로 변환하고, 변환된 전기적 에너지는 배터리(30)에 축전된다. 발전기(400)에 대해서는 후술한다.
또한, 센터 프레임(200)은 안장(50)를 설치할 수 있도록 새들 프레임(220)을 포함한다. 새들 프레임(220)은 안장(50)을 설치할 수 있는 안장튜브를 후방에 구비하며, 안장튜브에는 안장(50)의 높이를 조절할 수 있는 새들봉(52)이 결합된다. 새들 프레임(220)은 센터 프레임(200)과 일체로 마련되거나 별도로 마련된 후 용접이나 볼팅을 통해 조립될 수 있다.
리어 프레임(300)에는 뒷바퀴(62)가 회전 가능하게 장착되며, 뒷바퀴(62)는 모터(64)에 의해 회전하면서 자전거를 전진시킨다.
또한, 리어 프레임(300)에는 발전기(400)를 통해 변환된 전기적 에너지를 축전시키는 배터리(30)가 내장될 수 있다. 이때, 배터리(23)는 리어 프레임(20) 뿐만 아니라 프론트 프레임(100)에 내장될 수도 있다.
여기서, 전기 자전거의 발전기(400)와 ECU(40)는 센터 프레임(200)에 설치되고, 배터리(30)는 리어 프레임(300)에 설치되는 것으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 각 프레임(100,200,300)은 모두 내부에 수용 공간을 가지고 있으므로, 각 부품들은 현재 설치된 프레임 외 주위의 다른 프레임에도 설치 가능함은 물론이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 페달에 설치되는 발전기를 도시한 분해 사시도이며, 도 5는 도 4의 일부 분해 사시도이고, 도 6은 도 4의 단면도이다.
도면을 참조하면, 발전기(400)는 센터 프레임(200)에 마련되는 하우징(410)과, 하우징(410)을 관통하여 페달(20)이 양 끝단에 마련되는 페달샤프트(420)와, 페달샤프트(420)에 입력측이 연결되어 증속 회전하는 적어도 하나의 증속부(430)와, 증속부(430)의 출력측과 연결되는 발전부(450)를 포함한다.
하우징(410)은 내부에 중공을 갖는 원통 형상으로 마련되며, 원호 형상의 페달 하우징(210)에 결합된다. 페달 하우징(210)과 하우징(410)은 일체로 마련될 수도 있다. 하우징(410)의 외주에는 센터 프레임(200)과 조립을 위한 장방형의 네크(412)가 돌출 마련되며, 좌우 측면으로 개방된 중공에는 하우징커버(414,416)가 각각 결합된다.
또한, 하우징(410)의 내부에는 증속부(430)와 발전부(450)를 쉽게 설치할 수 있도록 중앙에 격벽(418)이 마련된다. 격벽(418)은 하우징(410)과 일체로 마련되거나 또는 별개로 마련되어 조립될 수 있다. 격벽(418)은 페달샤프트(420)가 통과하는 관통공을 구비하지만, 이는 발전부(450)에 의해 가려지기 때문에 증속부(430)에 충전되는 구리스는 발전부(450)로 새지 않는다.
페달샤프트(420)는 하우징(410)을 관통하며, 양 단부에 각각 페달(20)을 구비한다. 하우징커버(414,416)에는 각각 베어링(422,424)이 개재되어 페달샤프트(420)가 상대 회전 가능하도록 지지한다.
증속부(430)는 도 5에 확대 도시한 바와 같이 페달링에 의한 증속부의 입력측 회전 속도보다 발전부(450)로 공급되는 증속부의 출력측 회전 속도를 증속시키기 위한 것이다. 본 실시 예에서는 20:1 정도의 기어 증속비를 갖도록 하기 위해 제1증속부(430)와 제2증속부(440)를 구비한다.
제1증속부(430)는 제1태양기어(432)와, 제1태양기어(432)의 외주에 치합하여 회전하는 복수의 제1위성기어(434)와, 복수의 제1위성기어(434)의 중심축을 연결하는 제1캐리어(436)와, 제1위성기어(434)의 외주와 치합하도록 하우징(410) 내면에 마련되는 제1링기어(438)를 포함한다.
제1태양기어(432)의 중심에는 중공이 형성되어 페달샤프트(420)가 관통하며, 제1위성기어(434)는 세 개가 한 세트로 마련된다. 세 위성기어(434)들의 중심축은 베어링(435)을 개재하며 원판상의 캐리어(436)로 연결된다.
제2증속부(440)는 제2태양기어(442)와, 제2태양기어(442)의 외주에 치합하여 회전하는 복수의 제2위성기어(444)와, 복수의 제2위성기어(444)의 중심축을 연결하는 제2캐리어(446)와, 제2위성기어(444)의 외주와 치합하도록 하우징(410) 내면에 마련되는 제2링기어(448)를 포함한다. 제2링기어(448)은 제1링기어(438)를 연장하여 사용할 수 있다.
제2태양기어(442)의 중심에는 중공이 형성되어 페달샤프트(420)가 관통하며, 제2위성기어(446)는 세 개가 한 세트로 마련된다. 세 위성기어(446)들의 중심축은 베어링(445)을 개재하며 원판상의 캐리어(446)로 연결된다.
제1증속부(430)와 제2증속부(440)는 직렬로 마련된다. 증속부(430,440)와 발전부(450)의 조립이 용이하도록 입력측인 제1증속부(430)가 하우징(410)의 외측에 마련되어 페달샤프트(420)와 직접 연결되며, 출력측인 제2증속부(440)가 내측에 마련되어 발전부(450)와 직접 연결된다. 더 큰 증속을 원할 경우 추가되는 제3~n 증속부는 직렬로 연속 배치한다.
제1증속부(430)는 회전 속도의 증속을 위해 제1캐리어(436)가 증속부의 입력측에 해당되며, 제1태양기어(432)가 증속부의 출력측에 해당한다. 즉, 제1증속부(430)의 제1캐리어(436)가 회전하면 제1유성기어(434)가 제1링기어(438)를 따라 공전 및 자전하며, 그에 따라 제1유성기어(434)와 치합하고 있는 제1태양기어(432)가 증속되어 자전한다.
제1태양기어(432)는 제2증속부(440)의 제2캐리어(446)와 직접 연결된다. 제2캐리어(446)가 회전하면 제2유성기어(444)가 제2링기어(448)를 따라 공전 및 자전하며, 그에 따라 제2유성기어(444)와 치합하고 있는 제2태양기어(442)가 증속되어 자전한다.
제2태양기어(442)는 발전부(450)와 연결된다.
발전부(450)는 중심에 마련되는 로터(452)와, 로터(452)와 전자기적으로 상호 작용하는 스테이터(454)를 포함한다. 로터(452)는 외주에 복수의 영구자석(453)을 구비하며, 스테이터(454)는 권선된 다수의 코일(455)을 구비한다. 회전력에 의해 전기를 생성하는 발전부(450)의 구성은 일반적인 것이므로, 상세한 설명은 생략한다.
로터(452)는 내부에 중공을 구비하여, 페달샤프트(420)가 관통하도록 한다. 이는 페달샤프트(420)는 제1증속부(430)의 입력측과 직접 연결되는데 반해, 로터(452)는 제2증속부(440)의 출력측과 직접 연결되어 상대 회전하기 때문이다. 상대 회전을 위해 로터(452)와 페달샤프트(420)는 그 사이에 베어링을 개재하거나 중공을 두고 이격 설치될 수도 있다.
또한, 로터(452)는 페달샤프트(420)의 길이방향으로 연장 마련되는 로터축(456)을 구비한다. 로터축(456)은 제2증속부(440)의 제2태양기어(442)와 직접 연결된다. 또한, 로터축(456)은 격벽(418)의 관통공에 회전 가능하게 씰 결합되어 증속부(430,440) 내부의 구리스가 발전부(450)로 유입되는 것을 방지한다.
그러면, 상기와 같은 구성을 갖는 전기 자전거의 발전기 동작을 도 6을 참조하여 설명 하기로 한다.
사용자가 페달(20)을 밟아 돌리면, 페달샤프트(420)는 먼저, 제1증속부(430)의 제1캐리어(436)를 회전시킨다. 제1캐리어(436)가 회전하면 제1유성기어(434)는 제1링기어(438)를 따라 공전하는 한편 자전하며, 그 결과 제1유성기어(434)와 치합하고 있는 제1태양기어(432)가 자전한다. 이 과정을 통해 페달(20)의 회전 속도는 1차 증속된다.
이어서, 제1증속부(430)의 제1태양기어(432)는 제2증속부(440)의 제2캐리어(446)를 회전시킨다. 제2캐리어(446)가 회전하면 제2유성기어(444)는 제2링기어(448)를 따라 공전하는 한편 자전하며, 그 결과 제2유성기어(444)와 치합하고 있는 제2태양기어(442)가 자전한다. 이 과정을 통해 페달의 회전 속도는 2차 증속된다.
이어서, 제2태양기어(442)는 발전부(450)의 로터(452)를 회전시키며, 로터(452)와 스테이터(454)의 전자기적 상호 작용에 의해 발생된 전기 에너지는 배터리(30)에 축전된다. 배터리(30)에 축전된 전기 에너지는 ECU(40)에 의해 제어되면서 모터(54)를 구동하여 전기 자전거가 전진되도록 한다.
10..핸들부 12..앞바퀴
20..페달 30..배터리
40..전자제어장치(ECU) 50..안장
62..뒷바퀴 100..프론트 프레임
200..센터 프레임 300..리어 프레임
400..발전기 410..하우징
420..페달샤프트 430,440..제1,제2증속부
450..발전부

Claims (7)

  1. 페달에 의해 전기를 발생시키는 전기 자전거에 있어서,
    전륜 및 핸들이 마련되는 프론트 프레임과,
    페달 및 안장이 마련되는 센터 프레임과,
    후륜이 마련되는 리어 프레임과,
    상기 센터 프레임에 마련되며 내부에 구획된 두 공간을 갖는 하우징과,
    상기 하우징을 관통하며 페달이 양 단부에 마련되는 페달샤프트와,
    상기 하우징의 일측 공간에 마련되며 상기 페달샤프트에 입력측이 연결되어 회전 속도를 증가시키는 증속부와,
    상기 하우징의 타측 공간에 마련되며 상기 증속부의 출력측과 연결되는 발전부를 포함하는 전기 자전거.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징은 내부를 구획하는 격벽을 일체로 마련하는 전기 자전거.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 증속부는 태양기어와, 태양기어의 외주에 치합하여 자전하는 복수의 위성기어와, 상기 복수의 위성기어의 중심축을 연결하는 캐리어와, 상기 하우징 내면에 마련되며 위성기어의 외주와 치합하여 위성기어가 공전하도록 하는 링기어를 포함하고,
    상기 캐리어는 상기 페달샤프트와 직접 연결되고, 상기 태양기어는 발전부와 직접 연결되는 전기 자전거.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 발전부는 로터와 스테이터를 구비하고,
    상기 태양기어는 로터와 연결되는 전기 자전거.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 로터는 태양기어와 결합하는 로터축을 더 구비하고,
    상기 로터축은 상기 하우징은 내부에 마련되는 격벽에 회전 가능하게 씰 결합되는 전기 자전거.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 증속부는 적어도 2단으로 마련되며,
    입력측 증속부의 태양기어는 출력측 증속부의 캐리어와 연결되는 전기 자전거.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 2단의 증속부는 직렬로 마련되며,
    상기 입력측 증속부가 하우징 외측에 마련되는 전기 자전거.
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