KR20160139503A - 디스크형 전동 바퀴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전성 및 승차감이 우수한 전동 이동수단을 구현할 수 있는 디스크형 전동 바퀴 및 이를 포함하는 전동 운송수단에 관한 것이다. 본 발명은 전력공급부로부터 전력을 공급받아 동력부에 의하여 바퀴가 회동되는 디스크형 전동 바퀴에 있어서, 전력공급부는 회동디스크에 내장되되 회동디스크가 회동하더라도 회동하지 않는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 디스크형 전동 바퀴를 채용하면 승차감 및 안전성이 우수한 전동 이동수단을 구현할 수 있다.

Description

디스크형 전동 바퀴{A Disk-type Electrically-driven Wheel}

본 발명은 디스크형 전동 바퀴에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성 및 승차감이 우수한 전동 이동수단을 구현할 수 있는 디스크형 전동 바퀴에 관한 것이다.

일반적으로 자전거는 근거리를 이동하기 위한 이동수단의 하나이며, 최근에는 건강 및 체력 증진 등의 목적으로 운동 또는 취미용으로 사용되고 있다. 자전거는 통상적으로 자전거의 몸체를 이루는 프레임과, 핸들, 안장 및 프레임의 전방과 후방에 각각 설치되는 전류과 후륜(이하, 통칭하여 '휠'이라 함)으로 구성된다. 여기서, 휠은 외면에 타이어가 설치되는 금속 재질의 림과, 휠의 회전축이 결합되는 허브, 및 허브와 림을 연결하는 스포크로 구성되어 사용되거나, 또는, 제조의 용이성을 위하여 플라스틱재질로 이루어진 일체형 휠이 사용되고 있다.

자전거는 사용자가 자전거에 설치되는 페달을 밟는 페달링으로부터 동력을 얻고 페달과 별도의 체인으로 연결된 바퀴가 회전함으로써 주행을 한다. 하지만, 사용자가 자전거를 사용하여 장거리 주행을 하거나 오르막길을 오르는 경우, 사용자에 의한 페달링만으로는 자전거를 주행하기 위한 충분한 동력이 발생되지 않으므로, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 자전거의 바퀴를 회전시킬 수 있는 별도의 모터가 설치된 전기자전거가 개발되었다.

전기자전거는 별도의 모터를 동력원으로 하고, 모터에서 발생되는 동력을 모터와 별도의 체인 또는 기어로 연결되어 있는 자전거의 뒷바퀴에 전달하여 자전거의 뒷바퀴를 회전시킴으로써 자전거를 주행시킨다.

전기자전거가 페달과 전기모터가 분리돼서 작동을 하는 원리였던 것이 최근에는 페달을 밟을 때 전기모터가 이를 보조해 주는 기능으로 작동하도록 하여 자전거를 타는 사람이 운행 중에 스스로 페달을 밟을 필요 없이 손잡이에 장착되는 스위치나 레벨을 이용해서 전기모터의 힘을 조절하면 힘을 들이지 않고 페달을 움직일 수 있도록 개량되어 전기자전거의 활용이 증가하고 있다.

종래 전기자전거 휠은 림의 내주면에 스포크를 형성하고, 외주면에 타이어를 부착시켜 완성되며, 또한 전기자전거의 중앙 부분에 배터리를 장착하는 것이 일반적이다. 이 경우 배터리가 사람의 바로 아래에 위치하기 때문에 만약 배터리가 폭발하는 경우에는 인체에 치명적인 손상을 입힐 수 있다는 문제가 있으며, 또한 접이식으로 활용할 수 없다는 등의 문제가 있다.

1. 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0058836호(2014.05.15.) 2. 국제공개특허공보 제2010/077300(2010.07.08.)

본 발명은 안전성 및 승차감이 우수한 전동 이동수단을 구현할 수 있는 디스크형 전동 바퀴를 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 전력공급부로부터 전력을 공급받아 동력부에 의하여 바퀴가 회동되는 디스크형 전동 바퀴에 있어서, 전력공급부는 회동디스크에 내장되되 회동디스크가 회동하더라도 회동하지 않는 디스크형 전동 바퀴일 수 있다.

전력공급부와 회동디스크는 베어링를 통하여 연결될 수 있다.

전력공급부는 회동디스크의 측면에 장착될 수 있다.

전력공급부는 디스크 형태로서 케이스 및 덮개를 포함하고, 케이스에는 배터리를 수용하는 배터리 수용부를 포함될 수 있다.

배터리 수용부는 복수 개로서 방사형으로 배치될 수 있다.

본 측면의 전동 바퀴에는 배터리 수용부에 수용된 각 배터리의 상태를 콘트롤 할 수 있는 BMS(battery management system)가 더 구비될 수 있다.

회동디스크 소재 및 전력공급부 케이스 소재로는 알루미늄 합금, 탄소복합소재, 강화플라스틱 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 디스크형 전동 바퀴를 채용한 전동 이동수단은 승차감 및 안전성이 우수하다.

도 1a 는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크와 전력공급부가 결합된 구조를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다.
도 1b 는 도 1a 의 “A” 부분에 대한 확대도이다.
도 2는 발명의 일 측면에 따른 전력공급부를 모식적으로 나타내는 수직 단면도이다.
도 3a 는 본 발명의 일 측면에 따른 전력공급부에 대한 상면도이다.
도 3b 는 본 발명의 일 측면에 따른 전력공급부에 대한 하면도이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크에 대한 우측 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크에 동력부가 결합된 조립체에 대한 측면 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

본 발명은 안전성 및 승차감이 우수한 전동 이동수단을 구현할 수 있는 디스크형 전동 바퀴에 관한 것이다.

도 1a 는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크와 전력공급부가 결합된 구조를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다. 도 1b 는 도 1a 의 “A” 부분에 대한 확대도이다. 도 2는 발명의 일 측면에 따른 전력공급부를 모식적으로 나타내는 수직 단면도이다. 도 3a 는 본 발명의 일 측면에 따른 전력공급부에 대한 상면도이다. 도 3b 는 본 발명의 일 측면에 따른 전력공급부에 대한 하면도이다. 도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크에 대한 우측 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 회동디스크에 동력부가 결합된 조립체에 대한 우측 사시도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 디스크형 전동 바퀴는, 전력공급부(20)로부터 전력을 공급받아 동력부(50)에 의하여 바퀴가 회동되는 디스크형 전동 바퀴에 있어서, 전력공급부(20)는 회동디스크(10)에 내장되되 회동디스크(10)가 회동하더라도 회동하지 않는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 대하여 전기자전거를 예로 들어 설명한다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

일반적으로 전기자전거의 바퀴는 타이어, 그 내주에 림, 그 내주에 스포크, 그 내주에 허브, 그 내부에 동력부가 순서대로 배치된 구조를 가진다. 동력부는 전력공급부로부터 전력을 공급받아 모터를 회전함으로써 바퀴를 회동시키는 역할을 한다. 하지만 상기와 같은 일반적인 전기자전거 바퀴의 경우에는 전력공급부를 자전거 프레임 등에 설치해야 하기 때문에 폭발시 인체에 위해를 가할 수 있는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 전력공급부(20)를 바퀴에 장착하고자 하였다. 하지만 스포크 구조를 가지는 일반적인 전기자전거에서는 전력공급부(20)를 바퀴 자체에 장착하기 어렵기 때문에 본 발명에서는 스포크 구조가 아닌 디스크 형태의 바퀴를 채택하였다.

회동디스크(10)의 소재로는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 회동디스크(10)는 기존의 스포크의 역할을 수행해야 하기 때문에 충분한 강도가 요구된다. 알루미늄 합금을 사용하는 경우에는 경량화를 구현할 수 있음은 물론이고 충분한 강도도 구현할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니고 충분한 강도가 충족된다면 탄소복합재료, 강화플라스틱 등을 사용하여 회동디스크를 제조할 수도 있다. 회동디스크(10)는 다이캐스팅, 사출성형 등을 통하여 제조할 수 있다.

회동디스크(10)의 중앙부에는 개구(30)가 형성되어 있으며, 여기에는 동력부(70)가 배치될 수 있다. 동력부(50)는 회동디스크(10)와 나사, 리벳 등에 의하여 결합되며, 모터부에서 발생하는 동력을 회동디스크(10)에 전달하여 바퀴의 회동을 유도할 수 있다.

전력공급부(20)는 또한 디스크 형태를 가질 수 있다. 전력공급부(20)의 중심부에도 개구(30)가 형성되어 있으며 여기에는 동력부(70)가 관통하여 배치될 수 있다. 하지만, 회동디스크(10)와는 달리, 전력공급부(20)에는 동력부(70)가 결합되지 않으며 일정한 간격을 두고 이격되어 배치될 수 있다. 즉 회동디스크(10)가 회동하더라도 전력공급부(20)에는 영향을 미치지 않는다.

전력공급부(20)는 상부가 개구된 하부 케이스(21) 및 상부 덮개(22)를 가질 수 있다. 하부 케이스(21)에는 배터리를 수용하는 배터리 수용부(B1, B2, B3, B4 등)가 다수 형성되어 있다.

도 2에는 상부 덮개와 하부 케이스가 결합하지 않은 상태를 도시하였다. 상부 덮개(22)는 하부 케이스(21)의 일측에 나사결합 또는 원터치 장금 장치에 의한 결합 등 별도의 결합수단에 의해 결합될 수 있다. 이러한 결합은 하부 케이스(21) 및 상부 덮개(22)에 형성된 관통구(23, 24)를 통하여 이루어질 수 있다. 하지만 상기의 예에 국한되는 것은 아니다. 상기 결합수단으로는 상부 덮개(22)와 하부 케이스(21)를 결합할 수 있는 것이라면 어떠한 것이든 가능하다.

상부 덮개(22)는 하부 케이스(21)에 수용된 배터리를 외부 환경으로부터 차단하여 이물질, 수분 등의 침투를 막아 배터리의 성능을 장기간 유지하도록 한다. 이러한 기능을 강화하기 위하여 하부 케이스(21)와 상부 덮개(22)의 사이에 실링 부재를 더 포함할 수 있다.

전력 소스로는 상용의 리튬이온 배터리를 구입하여 사용할 수 있다. 리튬이온 배터리는 복수 개 사용할 수 있으며, 직렬 및 병렬 연결을 적절하게 조합함으로써 원하는 값의 전력을 유도할 수 있다. 사용 전력에 대하여는 세계 각 국가에서는 엄격하게 규제하고 있는데 그 값이 상이하다. 적절한 회로 구성을 통하여 각 국가에서 허용되는 전력으로 맞출 수 있다.

배터리는 원기둥 또는 사각기둥 등 기둥 형상을 가질 수 있다. 하지만 이에 국한되는 것은 아니다.

하부 케이스(21)는 지지부재(미도시)를 구비할 수 있다. 지지부재는 하부 케이스(21)의 내면에 설치될 수 있다. 지지부재는 하부 케이스(21)의 내부면의 곡률과 동일한 곡률로 구부러진 벽면 형상으로 형성될 수 있다. 지지부재는 배터리를 정렬시킬 수 있으며, 동시에 배터리를 하부 케이스(21)의 내면에 최대한 밀착시킴으로써 배터리의 위치를 고정시킬 수 있다.

지지부재는 적어도 하나의 배터리가 자전거가 주행되는 동안 하부 케이스(21)의 내부에서 유동되는 것을 방지함으로써 적어도 하나의 배터리가 서로 부딪힘으로써 손상되는 것을 방지할 수 있다.

배터리 수용부에 수용된 각 배터리의 상태를 콘트롤 할 수 있는 BMS(battery management system)를 더 구비할 수 있다. 이를 통하여 다수의 배터리 중 일부가 열화가 진행되어 수명이 다한 경우 이를 적절하게 교체할 수 있다. 또한 일부 배터리로의 열 폭주 등이 발생하는 경우 이에 대하여 적절하게 대응할 수 있도록 하여 배터리 시스템의 수명을 연장할 수 있다.

배터리를 복수 개 사용하는 경우 각 배터리 수용부, 즉 배터리는 회동디스크(10)의 반지름 방향으로 방사형으로 또한 대칭형으로 배치되는 것이 바람직하다. 방사형 및 대칭형으로 배치하는 것이 하중의 균형을 유지할 수 있어 안정적이기 때문이다.

전력공급부(20)의 재질로는 혹시 발생할 수 있는 배터리 팩의 폭발에 견딜 수 있는 것을 사용할 수 있다. 다만, 전기자전거의 경량화 등을 고려하면 알루미늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 적절한 강도와 경량성을 갖춘 것이라면 탄소복합재료나 강화플라스틱 등도 사용할 수 있다. 또한 가능하다면 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.

운전시 배터리에서는 열이 발생할 수 있으며, 이러한 배터리가 다수 포함된 전력공급부(20)에서는 열 폭주가 발생하여 배터리가 폭발할 염려가 상존하고 있다. 배터리가 안장 하부 등 인체와 가까운 위치에 존재하는 경우에는 인체에 심각한 손상을 가할 수 있다.

하지만 본 발명에 따르면 전력공급부(20)가 바퀴 중심부에 장착되어 있는바, 설사 배터리가 폭발한다 하더라도 그 폭발압이나 폭발열은 자전거의 양 옆 방향으로 발산되기 때문에 인체에 미치는 영향이 거의 없다. 또한 알루미늄 합금 등의 재질의 케이스로 배터리 팩을 차폐하고 있기 때문에 배터리의 폭발로 인한 위험성을 그 만큼 더 낮출 수 있다.

전력공급부(20)는 회동디스크(10)의 측면에 장착될 수 있다. 즉 회동디스크(10)의 일 측면에는 전력공급부(20)가 장착될 수 있는 홈부가 형성되어 있고, 여기에 전력공급부(20)가 삽입되어 장착된다.

전력공급부(20)와 회동디스크(10)는 베어링를 통하여 연결될 수 있다. 구체적으로는 R 베어링(41), T 베어링(42)을 통하여 연결될 수 있다. R 베어링(41), T 베어링(42) 중 어느 하나만 사용할 수도 있고, 둘 모두를 사용할 수도 있다. 도 4에는 R 베어링(41)의 개수가 4인 경우를 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절한 개수를 사용할 수 있다.

이처럼 전력공급부(20)와 회동디스크(10)가 베어링(41, 42)을 통하여 연결되기 때문에 회동디스크(10)가 회전하더라도 전력공급부(20)는 회동디스크(10)의 영향을 거의 받지 않아 회동되지 않는다(회동디스크(10)의 회전에 의한 영향은 무시할 수 있을 정도이다).

여기에서는 베어링을 이용하는 경우를 예로 들었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 전력공급부(20)에 미칠 수 있는 회동디스크(10)의 영향을 차단할 수 있는 것이라면 어떠한 매개체도 사용 가능하다.

전력공급부(20)에는 전력공급 제어부(미도시)가 구비될 수 있다. 전력공급 제어부(미도시)는 적어도 하나의 배터리와 동력부(70)에 연결될 수 있다. 전력공급 제어부는 배터리에 충전된 전류를 동력부(70)에 전달하는 기능을 제어할 수 있다.

전력공급 제어부는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리에 충전된 전류를 일괄적으로 동력부(70)에 전달할 수도 있고, 또는 하나의 배터리만 선택하여 그 배터리에 충전된 전류를 동력부(70)에 전달할 수도 있다. 전류의 공급에 관한 경우의 수는 다양하게 구성할 수 있으며, 상기 예에 국한되는 것은 아니다.

동력부(70)는 바퀴를 회전시킬 수 있는 토크를 발생시키는 부품으로서 모터(미도시)를 포함하고 있다. 동력부(70)는 모터 제어부를 구비할 수 있다. 모터 제어부는 전선(50) 등에 의해 모터부 및 전력공급 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다. 모터 제어부는 모터부로 전달되는 전류를 선택적으로 차단할 수 있는 전류 차단 신호를 발생하여 전력공급 제어부로 전달할 수 있다. 즉, 회전속도를 측정하여 이를 모터 제어부로 전달하고 이를 근거로 전력공급 제어부로부터 모터부에 공급되는 전류의 크기를 제어함으로써 자전거의 속도를 제어할 수 있다.

회동디스크(10)의 외주에는 림이 설치되고, 림의 외주에는 타이어가 설치될 수 있다. 림은 강성의 향상을 위해 금속 재질, 예컨대 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시 형태를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

10: 회동디스크 20: 전력공급부
21: 하부 케이스 22: 상부 덮개
30: 개구부 41: 베어링
42: 베어링 50: 전선
60: 기어 70: 동력부

Claims (8)

1. 전력공급부로부터 전력을 공급받아 동력부에 의하여 바퀴가 회동되는 디스크형 전동 바퀴에 있어서,
   상기 전력공급부는 회동디스크에 내장되되, 상기 전력공급부는 상기 회동디스크가 회동하더라도 회동하지 않도록 장착되어 있는 디스크형 전동 바퀴.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전력공급부와 상기 회동디스크는 베어링에 의하여 연결되어 있는 디스크형 전동 바퀴.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전력공급부는 상기 회동디스크의 측면에 장착된 디스크형 전동 바퀴.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전력공급부는 디스크 형태로서 케이스 및 덮개를 포함하고, 상기 케이스는 배터리를 수용하는 배터리 수용부를 포함하는 디스크형 전동 바퀴.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 수용부는 복수 개로서 방사형으로 배치되는 디스크형 전동 바퀴.
   
6. 제1항에 있어서,
   배터리 수용부에 수용된 각 배터리의 상태를 콘트롤 할 수 있는 BMS(battery management system)를 더 구비하는 디스크형 전동 바퀴.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 회동디스크의 소재는 알루미늄 합금, 탄소복합재료 및 강화플라스틱으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 디스크형 전동 바퀴.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 전력공급부의 케이스 소재는 알루미늄 합금, 탄소복합재료 및 강화플라스틱으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 디스크형 전동 바퀴.
   

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