KR20170099186A - 전기 자전거용 휠 모터 조립체 - Google Patents

전기 자전거용 휠 모터 조립체 Download PDF

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이광현
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주식회사 만도
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Abstract

전기 자전거용 휠 모터 조립체가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 자전거의 휠 허브축에 대해 축방향으로 대향 배치된 로터 및 스테이터를 포함하는 모터와, 로터를 감싸기 위해 마련되며 휠의 림을 형성하는 모터 하우징과, 스테이터를 내측에서 지지하며 휠 허브축에 고정 마련되는 스포크 프레임과, 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와, 스포크 허브와 모터 하우징 사이를 연결하기 위해 마련되는 스포크를 포함한다.

Description

전기 자전거용 휠 모터 조립체{Wheel Motor Assembly for electric bicycle}
본 발명은 전기 자전거용 휠 모터 조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전원이 인가되면 전기 자전거에 구동력을 부여하는 모터를 포함하는 휠 모터 조립체에 관한 것이다.
일반적으로, 자전거는 근거리 이동수단의 하나로서, 최근에는 건강 등의 목적으로 운동 또는 취미용으로 널리 이용되고 있다.
최근에는 먼거리를 이동하거나 사용자의 체력소모를 줄이고자 모터의 구동력으로 주행하도록 모터를 설치한 전기 자전거가 개발되고 있다.
구동력을 제공하기 위해 자전거에 장착되는 모터 구조체는 자전거의 전륜 또는 후륜(이하, 통칭하여 '휠'이라 함)에 장착되어 휠을 회전시킴으로써 주행하도록 이루어진다. 이러한 모터 구조체는 통상적으로 모터와, 모터의 회전력을 감소시키는 감속유닛 및 감속유닛으로부터 출력된 회전력을 휠에 전달하는 동력전달유닛으로 구성된다.
그러나, 상기와 같은 모터 구조체는 필수적으로 모터, 감속유닛, 동력전달유닛이 필요함에 따라 구성 부품들 간 조립이 불편함은 물론, 구조가 복잡해지는 문제점이 있었으며, 또한 그에 따른 부피가 증가하여 설치 공간의 활용성 및 미려함이 감소되는 문제점이 있었다. 일례로, 상당한 무게가 나가는 모터의 특성으로 인해 적용할 수 있는 재질은 알루미늄 등의 고강성 금속으로 한정되며, 스포크도 이를 지지할 수 있도록 마련되어야 하기 때문에 디자인을 다양화하기가 어려웠다.
한국 공개특허 제10-2014-0038059호(2014.03.28.)
본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 모터의 구조를 단순화시키면서도 휠에 회전력을 용이하게 전달할 수 있도록 하는 한편 휠의 형상을 다양하고 미려하게 구현할 수 있도록 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자전거의 휠 허브축에 대해 축방향으로 대향 배치된 로터 및 스테이터를 포함하는 모터와, 로터를 감싸기 위해 마련되며 휠의 림을 형성하는 모터 하우징과, 스테이터를 내측에서 지지하며 휠 허브축에 고정 마련되는 스포크 프레임과, 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와, 스포크 허브와 모터 하우징 사이를 연결하기 위해 마련되는 스포크를 포함하는 전기 자전거용 휠 모터 조립체가 제공될 수 있다.
또한, 상기 로터는 휠 허브축에 대해 상대 회전하는 모터 하우징에 한 쌍이 고정 설치되고, 상기 스테이터는 한 쌍의 로터 사이에 로터에 대해 이격 마련될 수 있다.
또한, 상기 로터는 다수의 편으로 마련되는 마그네트와, 상기 다수의 마그네트가 소정 간격으로 내측면에 결합하는 마그네트링을 포함하여 상기 모터 하우징에 마련될 수 있다.
또한, 상기 스테이터는 외측에 코일이 권선되어 있는 원형의 스테이터 바디를 포함하고, 상기 코일은 필름 코일로 이루어지며, 상기 스테이터 바디의 가장자리를 따라 마련되는 복수의 코일수용홈에 각각 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 스테이터와 로터를 포함하는 모터 하우징이 휠 림의 내부에 마련되어 외부로 노출되지 않기 때문에 외관이 미려하며, 또한 모터 하우징과 휠 림을 일반적인 봉 형태의 스포크로 연결할 수 있기 때문에 다양한 디자인을 채용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 휠 모터 조립체를 채용한 전기 자전거를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체를 도시한 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체의 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 휠 모터 조립체가 적용된 전기 자전거를 도시한 도면이다. 설명에 앞서, 본 실시 예에서는 체인이 없는 전기 자전거를 일례로 예시하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 체인으로 구동되는 일반 자전거 및 다른 전기 자전거에도 통상의 기술자가 적절한 수정 및 변형을 통해 적용할 수 있다.
도면을 참조하면, 본 실시 예의 전기 자전거는 프런트 프레임(10), 미들 프레임(20), 리어 프레임(30)을 포함한다.
프런트 프레임(10)은 전륜(12)과, 핸들부(13)가 연결되는 핸들스테이(14)를 포함한다.
핸들부(13)는 핸들스테이(14)의 하단에 결합되는 핸들 스템(15)과, 이 핸들스테이(14)에 결합되는 핸들바(16)와, 이 핸들바(16)에 설치되는 핸들 그립(17)을 포함한다.
핸들 스템(15)은 핸들부(13)의 높이 조절을 위해 마련되며, 핸들바(16)는 자전거의 조향을 결정하기 위해 마련된다. 또한, 핸들 그립(17)에는 전기 자전거의 상태를 사용자에게 표시해주고 사용자의 요구사항을 버튼 또는 디스플레이를 통하여 전자제어유닛(40)으로 전달하는 인터페이스(18)가 마련된다. 이러한 인터페이스(18)는 전자제어유닛(40)과 유선 또는 무선을 통해 전기적으로 연결된다.
미들 프레임(20)의 일단에는 발전기(21)가 마련되고, 이 발전기(21)의 양 측에는 페달(22)이 회전 가능하게 장착된다. 사용자가 페달(22)을 회전시키면 이 페달(22)의 회전 에너지를 발전기(21)에서 전기 에너지로 변환하고, 발전기(21)의 전기 에너지는 미들 프레임(20)에 마련되는 배터리(23)에 축전될 수 있다.
또한, 미들 프레임(20)은 안장(24)을 설치하기 위한 새들 튜브(25)를 더 포함할 수 있다. 새들 튜브(25)는 미들 프레임(20)의 후방에 돌출 마련되는 시트튜브(26)에 높이 조절 가능하게 결합된다.
리어 프레임(30)의 단부에는 후륜이 회전 가능하게 장착된다. 후륜에는 이 후륜을 회전 구동시켜 전기 자전거를 전진시키기 위한 모터(60)가 장착되는데, 본 실시 예에서는 휠(후륜)과 모터(60)를 포함하여 휠 모터 조립체(50)로 지칭한다.
도 2는 본 실시 예에 따른 휠 모터 조립체를 도시한 사시도이며, 도 3은 휠 모터 조립체의 모터 분해 사시도이고, 도 4는 모터의 결합 단면도이다.
설명에 앞서, 본 실시 예에서는 전기 자전거의 후륜이 휠 모터 조립체(50)를 구성하는 것으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 통상의 기술자가 적절한 변형 및 수정을 하여 전기 자전거의 후륜 대신 전륜에도 설치할 수 있음은 물론이다.
본 실시 예의 휠 모터 조립체(50)는 도 2에 도시한 바와 같이 림(51)과 타이어(52)를 포함하는 휠 림(53)과, 휠 림(53)의 내부에 마련되는 모터(60)와, 휠 림(53)의 중심에 마련되는 휠 허브축(54)과, 휠 허브축(54)을 감싸고 있는 스포크 허브(55)와, 휠 림(53)과 스포크 허브(55)를 연결하는 다수의 스포크(56)를 포함한다.
휠 림(53)은 금속 프레임으로 마련되는 원형의 림(51)과, 노면과 접촉하는 타이어(52)와, 도시하지는 않았지만 타이어(52)의 내부에 마련되는 튜브를 포함한다. 공기가 주입된 튜브는 타이어(52)에 의해 완충 보호되며, 휠 림(53)은 허브축(54)과 연결되는 다수의 스포크(56)에 의해 변형되지 않고 원형의 형상을 안정적으로 유지할 수 있다.
림(51)의 내부에는 모터(60)가 마련된다. 모터(60)는 휠 허브축(54)의 축방향으로 대향해서 이격 마련되는 스테이터(61) 및 로터(63)와, 이들을 감싸고 있는 모터 하우징(51a, 51b)을 포함한다. 림(51)에 대해 자세한 것은 후술한다.
휠 허브축(54)은 휠 모터 조립체(50)의 회전 중심이 되는 샤프트를 포함하며, 전기 자전거의 리어 프레임(30)에 퀵릴리스와 같은 간편 체결수단이나 볼트와 너트 등에 의해 양단이 고정 결합될 수 있다.
스포크 허브(55)는 도 4에 도시한 바와 같이 원통형의 허브 바디(55a)와, 허브 바디(55a)의 외측에 반경 방향으로 돌출 마련되는 허브 플랜지(55b)를 포함한다. 스포크 허브(55)는 좌우 한 쌍으로 마련되어 스포크 프레임(63)을 중심에 두고 단차진 휠 허브축(54)에 양측에 베어링(57)을 개재하여 설치된다. 한 쌍의 스포크 허브(55)는 프런트 스포크 허브와 리어 스포크 허브로 구분될 수 있다.
허브 바디(55a)는 소정 두께를 가지며 휠 허브축(54)에 베어링(57)을 개재하여 회전 가능하게 마련된다. 이는 자전거의 주행 시 휠 허브축(54)은 회전하지 않는데 반해 스포크 허브(55)는 회전하기 때문이다.
허브 플랜지(55b)는 가장자리를 따라 복수의 스포크홀(55c)을 구비한다. 얇은 금속봉 형태로 마련되는 복수의 스포크(56) 일단은 스포크홀(55c)에 연결되고 타단은 휠 림(53)에 연결된다.
스포크(56)는 휠 허브축(54)과 휠의 림(51)을 연결하는데 림을 받치는 역할이 아니라 잡아당기는 역할을 한다. 예컨대, 스포크가 림을 허브 방향으로 잡아당김으로서 휠 전체가 스포크의 장력을 받아 변형을 방지하면서 원형을 유지한다. 만일, 하나의 스포크가 느슨해지면 반대편의 스포크가 그 방향으로 잡아당겨서 림은 울퉁불퉁하게 변형될 수 있다.
스포크(56)의 연결 방식은 크게 스포크가 교차하지 않고 허브에서 림으로 방사선으로 연결되는 래디알 스포크와, 스포크가 교차하는 탄젠트 스포크이 있다. 스포크 짜기(Lacing)는 통상 네 개의 그룹으로 구성되는데 반은 오른쪽 허브 플랜지에 연결되고 반은 왼쪽의 허브 플랜지에 연결된다. 스포크의 개수는 16 ~ 48개로 다양하다.
모터(60)는 휠 모터 조립체(50)에 마련되어 전원이 인가되면 휠에 회전 구동력을 형성하기 위한 것으로, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 스테이터(61) 및 로터(62)와, 이들(61,62)를 내부에 수용하는 모터 하우징(51a,51b)을 포함한다. 본 실시 예는 모터 하우징(51a, 51b)이 휠의 림(51) 역할을 수행한다.
스테이터(61)는 외측에 코일(61a)이 권선되어 있는 스테이터 바디(61b)를 포함하며, 스테이터 바디(61b)는 원형의 스포크 프레임(63)을 이용하여 휠 허브축(54)에 고정 체결된다. 코일(61a)은 조립을 용이하게 하기 위해 필름 코일을 채용할 수 있으며, 원형의 스테이터 바디(61b) 가장자리를 따라 마련되는 복수의 코일수용홈(61c)에 각각 적층 설치된다. 코일수용홈(61c)은 스테이터 바디(61b)의 외면 예컨대, 휠 허브축(54)의 축방향 일측면 또는 양측면에 마련될 수 있다. 일측면 보다 양측면에 코일(61a)을 설치할 경우 모터(60)의 출력 토크를 더 높일 수 있다.
스포크 프레임(63)은 스테이터(61)가 외면에 결합되는 원형의 스포크 링프레임(63a)과 이를 휠 허브축(54)에 고정 지지하기 위한 스포크 링크프레임(63b)을 포함한다. 본 실시 예에서 스포크 링크프레임(63b)은 창살 형태로 도시하였지만, 다양한 형태로 변형 및 수정 가능하다.
로터(62)는 마그네트(62a)와 마그네트링(62b)을 포함한다. 마그네트(62a)는 복수의 영구자석 편으로 이루어지며, 마그네트링(62b)의 내측면에 조립 편의성을 위해 접착부재를 이용하여 소정 간격으로 본딩된다.
마그네트(62a)와 마그네트링(62b)을 포함하는 로터(62)는 모터 하우징(51a,51b)에 고정 마련된다.
상술한 바와 같이 본 실시 예는 모터 하우징(51a,51b)이 휠의 림(51)을 형성한다. 예컨대, 모터 하우징(51a,51b)의 외측은 타이어(52)를 지지하며, 내측은 스테이터 프레임(63)에 의해 휠 허브축(54)에 축 지지된다.
또한, 본 실시 예의 모터(60)는 휠의 림(51)에 마련되어 원주가 크기 때문에 큰 토크를 가질 수 있다. 원주가 크면 극수(자석 쌍)를 높일 수 있으며 이는 토크 증가와 비례하므로 이는 종래 기술에 기재한 모터 및 감속유닛의 구성에서 감속유닛이 불필요해져 콤팩트화가 가능하며, 또한 상술한 바와 같이 모터(60)의 로터(62)가 스테이터(61)에 좌우측에 각각 마련되므로 좀 더 큰 토크를 내는데 용이하다.
로터(62)를 감싸는 모터 하우징(51a,51b)은 프런트 모터 하우징(51a)과 리어 모터 하우징(51b)을 포함한다.
프런트 모터 하우징(51a)과 리어 모터 하우징(51b)은 링 형상을 가지며 내부에 한 쌍의 로터(62)를 좌우 이격하여 내부에 구비한다. 프런트 모터 하우징(51a)과 리어 모터 하우징(51b)은 각각 프런트 스포크 허브와 리어 스포크 허브와 연결되는 스포크(56)가 설치될 수 있도록 허브 결합공 측면에 다수개 구비한다.
프런트 모터 하우징(51a)은 도 4에 도시한 바와 같이 단면이 'ㄷ'자 형태로 마련되어 폐쇄된 측면에 하나의 로터를 구비하며, 리어 모터 하우징(51b)은 내측에 다른 하나의 로터를 구비하여 개구된 프런트 모터 하우징(51a)에 결합된다. 로터와 로터 사이에는 휠 허브축(54)에 결합된 스테이터(61)가 같이 조립되어야 한다. 여기서, 모터 하우징(51a,51b)에 스테이터(61)와 로터(62)를 설치하는 과정은 본 실시 예에 한정되지 않고 다양한 변형 예가 가능하다.
한편, 스포크 허브(55)의 미설명된 참조부호 55d는 디스크 브레이크의 디스크 로터를 설치하기 위한 로터홀이다.
상기와 같이 마련되는 본 실시 예의 휠 모터 조립체(50)는 모터 하우징(51a,51b)을 휠의 림(51) 내부에 마련하고, 이 림(51)을 일반 금속봉 형태의 스포크(56)로 스포크 허브(55)와 연결하고 있기 때문에 종래보다 다양한 디자인을 채용할 수 있다.
또한, 본 실시 예의 휠 모터 조립체(50)는 모터(60)가 휠의 림(51)에 마련되어 원주가 크기 때문에 큰 토크를 가질 수 있다. 원주가 크면 극수(자석 쌍)를 높일 수 있으며 이는 토크 증가와 비례하므로 이는 종래 기술에 기재한 모터 및 감속유닛의 구성에서 감속유닛이 불필요해져 콤팩트화가 가능하고, 또한 상술한 바와 같이 모터(60)의 로터(62)가 스테이터(61)에 좌우측에 각각 마련되므로 좀 더 큰 토크를 내는데 용이하다.
10,20,30..프런트 프레임, 미들 프레임, 리어 프레임
12..전륜 16..핸들바
21..발전기 22..페달
40..전자제어유닛 50..휠 모터 조립체
51..림(모터 하우징) 51a..프런트 모터 하우징
51b..리어 모터 하우징 52..타이어
53..휠 림 54..휠 허브축
55..스포크 허브 56.스포크
57..베어링 60..모터
61..스테이터 62..로터

Claims (4)

  1. 자전거의 휠 허브축에 대해 축방향으로 대향 배치된 로터 및 스테이터를 포함하는 모터와,
    상기 로터를 감싸기 위해 마련되며 휠의 림을 형성하는 모터 하우징과,
    상기 스테이터를 내측에서 지지하며 상기 휠 허브축에 고정 마련되는 스포크 프레임과,
    상기 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와,
    상기 스포크 허브와 상기 모터 하우징 사이를 연결하기 위해 마련되는 스포크를 포함하는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 로터는 휠 허브축에 대해 상대 회전하는 모터 하우징에 한 쌍이 고정 설치되고,
    상기 스테이터는 한 쌍의 로터 사이에 로터에 대해 이격 마련되는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 로터는 다수의 편으로 마련되는 마그네트와, 상기 다수의 마그네트가 소정 간격으로 내측면에 결합하는 마그네트링을 포함하여 상기 모터 하우징에 마련되는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이터는 외측에 코일이 권선되어 있는 원형의 스테이터 바디를 포함하고,
    상기 코일은 필름 코일로 이루어지며,
    상기 스테이터 바디의 가장자리를 따라 마련되는 복수의 코일수용홈에 각각 설치되는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210092346A (ko) * 2020-01-15 2021-07-26 선상규 주행성능을 개선하는 자가발전 전기모빌리티

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