KR20170106788A - 전기 자전거용 휠 모터 조립체 - Google Patents

Abstract

전기 자전거용 휠 모터 조립체가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 타이어와 림을 포함하는 휠 림과, 로터 및 스테이터를 포함하는 모터와, 모터를 감싸기 위해 마련되는 좌우 한 쌍의 모터하우징과, 모터하우징의 각 중심에 외측으로 돌출 마련되며 자전거의 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와, 스포크 허브와 휠 림을 연결하기 위해 봉 형태로 마련되는 복수의 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, 타이어와 림을 포함하는 휠 림과, 로터 및 스테이터를 포함하는 모터와, 모터를 감싸기 위해 마련되는 좌우 한 쌍의 모터하우징과, 모터하우징의 각 중심에 외측으로 돌출 마련되며 자전거의 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와, 스포크 허브와 휠 림을 연결하기 위해 봉 형태로 마련되는 복수의 스포크를 포함하는 전기 자전거용 휠 모터 조립체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 모터하우징은 합성수지재로 마련되고, 상기 스포크 허브는 금속재로 마련될 수 있다.

또한, 상기 스테이터는 상기 휠 허브축에 고정 마련되고, 상기 로터는 상기 모터하우징에 마련되며, 모터하우징은 휠 허브축에 베어링을 개재하여 상대 회전 가능하게 마련될 수 있다.

또한, 상기 스포크 허브는 모터하우징으로부터 돌출 마련되는 허브 바디와, 상기 허브 바디의 끝단에 마련되는 허브 플랜지를 포함하고, 상기 허브 플랜지는 원주 방향으로 복수의 스포크홀을 구비할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 모터하우징을 납작한 원반 형태로 마련하고 이 모터하우징과 휠 림을 일반 봉 형태의 스포크로 연결하고 있기 때문에 다양한 디자인을 채용할 수 있다.

또한, 본 발명에 실시 예에 따른 전기 자전거용 휠 모터 조립체는 모터하우징에 별도의 금속재 스포크 허브를 마련하여 스포크를 설치할 수 있기 때문에 모터하우징의 재질을 합성수지재로 마련할 수 있어 제조비용을 절감할 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 후륜(50)이 회전 가능하게 장착된다. 후륜(50)의 중심에는 이 후륜(50)을 회전 구동시켜 전기 자전거를 전진시키기 위한 모터(60)가 장착된다. 리어 프레임(30) 내부에는 상기에서 미들 프레임(20)에 마련되는 것으로 예시한 배터리(23)와 전자제어유닛(40)이 내장될 수도 있다.

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 림(51)과 타이어(52)를 포함하는 휠 림(53)과, 휠 림(53)의 중심에 마련되는 허브축(54)과, 허브축(54)에 결합되는 모터(60)와, 모터(60)와 휠 림(53)을 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 원형의 형상을 안정적으로 유지할 수 있다.

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 고정 결합될 수 있다.

모터(60)는 휠 모터 조립체의 중심에 마련되어 전원이 인가되면 휠에 회전 구동력을 형성하기 위한 것으로, 도 3에 도시한 바와 같이 스테이터(61) 및 로터(62)와, 이들(61,62)를 내부에 수용하는 모터 하우징(64,65)을 포함한다. 스테이터(61)는 외측에 코일(미도시)이 권선되어 있으며 바디 프레임을 이용하여 허브축(54)에 고정 체결된다., 로터(62)는 마그네트와 마그네트링(63)을 포함하며 원형의 링 형상을 갖추고 스테이터(61)의 외주면을 따라 소정 간격으로 설치되어 있다.

또한, 로터(62)는 모터 하우징(64,65)에 고정 마련되며, 허브축(54)에 대해 베어링(68)을 개재하여 연결된다. 즉, 로터(62)는 휠 회전 시 회전하지 않는 허브축(54)에 축 지지되어 있지만, 베어링(68)에 의해 상대적으로 회전하면서 모터의 회전력을 외부로 출력할 수 있다. 본 실시 예의 모터(60)는 큰 토크를 가질 수 있도록 원주가 큰 납작한 원반 형태의 모터를 사용한다. 원주가 크면 극수(자석 쌍)를 높일 수 있으며 이는 토크 증가와 비례하므로, 이는 종래 기술에 기재한 모터 및 감속유닛의 구성에서 감속유닛이 불필요해진다.

스테이터(61)와 로터(62)를 양측에서 감싸는 모터 하우징은 프런트 모터하우징(64) 및 리어 모터하우징(65)과, 각 모터하우징(64,65)의 중심에 각각 마련되는 스포크 허브(66,67)를 포함한다. 본 실시 예에서 리어 모터하우징(65)은 디스크 브레이크 및 모터(60)의 전원선이 출력되는 프레임측에 위치하고 프런트 모터하우징(64)은 외측으로 노출되지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

프런트 모터하우징(64)과 리어 모터하우징(65)의 중심에는 각각 프런트 스포크 허브(66)와 리어 스포크 허브(67)가 설치될 수 있도록 허브 결합공(64a, 65a)이 각각 마련된다. 허브 결합공(64a,65a)은 중공 형태로 마련되며, 다수의 볼트를 이용하여 모터하우징의 내측으로부터 견고하게 체결된다. 여기서, 프런트 스포크 허브(66)와 리어 스포크 허브(67)는 외관 일부를 제외하고 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 프런트 스포크 허브(66)를 일례로 예시한다.

스포크 허브(66)는 도 4에 도시한 바와 같이 원통형의 허브 바디(66a)와, 허브 바디(66a)의 외측에 마련되는 허브 플랜지(66b)를 포함한다. 허브 바디(66a)는 프런트 모터하우징(64)으로부터 소정 두께로 돌출 마련되며, 돌출된 끝단에 허브 플랜지(66b)가 마련된다.

허브 플랜지(66b)는 가장자리를 따라 복수의 스포크홀(69)을 구비한다. 얇은 금속봉 형태로 마련되는 복수의 스포크(56)는 일단은 스포크홀(69)에 연결되고 타단은 휠 림(53)에 니플(미도시)을 개재하여 연결된다.

스포크(56)는 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 림이 울퉁불퉁하게 변형된다.

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. 또한 각 허브 플랜지에 있어서 반은 추적(trailing) 스포크이며, 나머지 반은 선도(leading) 스포크이다. 스포크의 개수는 16 ~ 48개로 다양하다.

리어 스포크 허브(67)의 미설명된 참조부호 67c는 디스크 브레이크의 디스크 로터를 설치하기 위한 로터홀이다.

상기와 같이 마련되는 본 실시 예의 휠 모터 조립체(50)는 모터하우징(64,65)을 납작한 원반 형태로 마련하고 이 모터하우징과 휠 림(53)을 일반 금속봉 형태의 스포크(56)로 연결하고 있기 때문에 종래보다 다양한 디자인을 채용할 수 있다.

또한, 본 실시 예의 휠 모터 조립체(50)는 모터하우징(64,65)에 스포크(56)를 연결하기 위한 스포크 허브(66,67)를 각각 별도로 마련하여 조립되기 때문에, 모터하우징의 재질은 합성수지재로 마련하고 스포크 허브의 재질은 금속재로 마련할 수 있어 제조비용을 크게 절감할 수 있다.

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 52..타이어
53..휠 림 54..허브축
56.스포크 60..모터
61..스테이터 62..로터
64,65..모터하우징 66,67..스포크 허브
68..베어링 69..스포크홀

Claims (4)

1. 타이어와 림을 포함하는 휠 림과,
   로터 및 스테이터를 포함하는 모터와,
   상기 모터를 감싸기 위해 마련되는 좌우 한 쌍의 모터하우징과,
   상기 모터하우징의 각 중심에 외측으로 돌출 마련되며 자전거의 휠 허브축에 회전 가능하게 결합되는 스포크 허브와,
   상기 스포크 허브와 휠 림을 연결하기 위해 봉 형태로 마련되는 복수의 스포크를 포함하는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 모터하우징은 합성수지재로 마련되고,
   상기 스포크 허브는 금속재로 마련되는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스테이터는 상기 휠 허브축에 고정 마련되고,
   상기 로터는 상기 모터하우징에 마련되며, 모터하우징은 휠 허브축에 베어링을 개재하여 상대 회전 가능하게 마련되는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스포크 허브는 모터하우징으로부터 돌출 마련되는 허브 바디와,
   상기 허브 바디의 끝단에 마련되는 허브 플랜지를 포함하고,
   상기 허브 플랜지는 원주 방향으로 복수의 스포크홀을 구비하는 전기 자전거용 휠 모터 조립체.

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