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KR101172307B1 - 전기자전거용 허브 모터 유닛 - Google Patents

전기자전거용 허브 모터 유닛 Download PDF

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KR101172307B1
KR101172307B1 KR1020100124920A KR20100124920A KR101172307B1 KR 101172307 B1 KR101172307 B1 KR 101172307B1 KR 1020100124920 A KR1020100124920 A KR 1020100124920A KR 20100124920 A KR20100124920 A KR 20100124920A KR 101172307 B1 KR101172307 B1 KR 101172307B1
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motor unit
hub
hollow shaft
transmission
input end
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강경필
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현대자동차주식회사
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Abstract

전기자전거용 허브 모터 유닛이 개시된다. 본 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛는 자전거 프레임에 설치되는 중공축; 상기 중공축 상에 구성되며, 입력단의 선단은 피동 스프로킷이 설치된 상태로, 상기 중공축에 회전 가능하게 설치되는 변속부; 상기 변속부의 입력단 외측에 회전 가능하게 설치되며, 내주면은 상기 변속부의 출력단에 고정 연결되고, 외주면은 스포크를 통하여 휠에 연결되는 허브 하우징; 상기 중공축에 회전 가능하게 설치되어 상기 허브 하우징과 조립되는 허브 커버; 상기 허브 하우징의 내부에서 상기 중공축과 상기 변속부의 입력단에 사이에 구성되어 제어신호에 따라 상기 입력단을 통하여 동력을 제공하는 모터부; 및 상기 중공축 내부에 설치되는 변속축 상에 구성되어 상기 변속부를 조작하는 변속조작부를 포함한다.

Description

전기자전거용 허브 모터 유닛{HUB MOTOR UNIT FOR ELECTRIC BICYCLE}
본 발명은 전기자전거용 허브 모터 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자전거의 후륜 측 허브와 일체로 구성되는 전기자전거용 허브 모터 유닛에 관한 것이다.
일반적으로 전기자전거용 허브 모터 유닛은 오르막 등에서의 모터 과부하 및 효율 저하로 인한 전력 손실 과다 등의 필드 문제를 겪으면서 감속기가 없는 고토크형과 감속기 조합형으로 개발되어 왔다.
또한, 별도로 일반 자전거의 외장형 또는 내장형 변속기를 함께 적용하여 모터의 부하를 줄일 수 있도록 하고 있으며, 이는 배터리 방전 등 모터 지원이 중단되었을 때 일반 자전거의 성능을 유지하기 위해 필수적으로 적용되고 있다.
도 1은 종래 허브 모터 유닛을 장착한 전기자전거의 구성도로써, 운전자가 페달링에 의해 구동 스프로킷(101)을 돌리면, 체인(103)을 통하여 후륜(105) 측 피동 스프로킷(107)으로 동력이 전달되고, 이러한 운전자의 답력에 의한 구동력은 허브 모터 유닛(100; 모터부)의 동력과 함께 스포크(109)로 연결된 후륜(105)을 구동하게 된다.
여기서, 상기 허브 모터 유닛(100; 모터부)은 배터리시스템과 모터 제어기(111)에 의해 운전자의 답력에 의한 토크와 후륜(105)의 회전속도를 검출하여 모터부 출력이 제어된다.
즉, 종래 기술에 따른 허브 모터 유닛(100; 모터부)은, 외장형 변속기가 적용된 경우, 도 2에서 도시한 바와 같이, 페달링에 의해 발생된 토크가 구동 스프로킷(101)의 기어비에 의해 변속되어 후륜(105)으로 전달되며, 변속된 토크가 허브 모터 유닛(100; 모터부)에서 발생된 토크와 합해져서 후륜(105)을 구동한다.
또한, 내장형 변속기가 적용된 경우에는 구동 스프로켓(101)에 전달된 토크가 변속기를 거쳐 후륜으로 전달되며, 역시 변속된 토크가 허브 모터 유닛(100; 모터부)에서 발생된 토크와 합해져서 후륜(105)을 구동한다.
이와 같이, 허브 모터 유닛(100; 모터부)와 함께 기존의 답력 보조용의 외장형 또는 내장형 변속 시스템을 병행 사용하는 종래 기술은 외장형 또는 내장형 변속기가 운전자의 답력에 대한 토크 증감을 목적으로 하며, 허브 모터 유닛(100; 모터부)은 증감된 토크에 추가적으로 토크를 보조하는 방식으로 적용된다.
그러나 종래 기술의 전기자전거는 허브 모터 유닛(100)은 토크 증대나 효율 제고 필요성의 대두 시, 감속기(200)의 적용 또는 더 나아가 저속 및 고속 운전 영역의 효율을 동시에 고려하기 위한 변속기의 적용이 필요하나, 운전자의 답력 보조용 변속기 이외에 또 다른 감속기(200) 또는 변속기 등을 추가로 적용하면, 부가적 중량 증가를 초래하는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 종래 기술의 전기자전거용 허브 모터 유닛(100)은 오르막 등의 주행저항이 큰 운전 영역에서 낮은 단수로 주행 시, 피동 스프로켓(107)으로 전달된 동력이 페달링 회전수 대비 낮고, 페달링 토크 대비 증가된 상태이며, 허브 모터 유닛(100; 모터부)은 낮은 회전수에 높은 토크를 지원해야 하므로 과부하 또는 효율 저하를 피할 수 없는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 단점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 모터의 출력 특성 개선을 위한 하나의 변속부로 운전자의 답력도 함께 보조하도록 하여 시스템을 단순화하고, 모터부의 회전수 및 토크 운전 범위의 축소가 가능하여 모터부의 성능 의존도를 낮추어 중량 저감이 가능한 전기자전거용 허브 모터 유닛을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 전기자전거용 허브 모터 유닛은 자전거 프레임에 설치되는 중공축; 상기 중공축 상에 구성되며, 입력단의 선단은 피동 스프로킷이 설치된 상태로, 상기 중공축에 회전 가능하게 설치되는 변속부; 상기 변속부의 입력단 외측에 회전 가능하게 설치되며, 내주면은 상기 변속부의 출력단에 고정 연결되고, 외주면은 스포크를 통하여 휠에 연결되는 허브 하우징; 상기 중공축에 회전 가능하게 설치되어 상기 허브 하우징과 조립되는 허브 커버; 상기 허브 하우징의 내부에서 상기 중공축과 상기 변속부의 입력단에 사이에 구성되어 제어신호에 따라 상기 입력단을 통하여 동력을 제공하는 모터부; 및 상기 중공축 내부에 설치되는 변속축 상에 구성되어 상기 변속부를 조작하는 변속조작부를 포함한다.
상기 변속부는 하나의 입력단과 하나의 출력단을 갖는 복수의 유성기어셋트로 구성될 수 있다.
상기 입력단의 선단부는 상기 중공축의 외주면 일측과의 사이에 복수의 베어링을 개재하여 설치될 수 있다.
또한, 상기 허브 하우징은 상기 변속부의 입력단 외주면 일측에 베어링을 개재하여 설치될 수 있다.
상기 모터부는 상기 허브 하우징의 내부에서 상기 중공축에 고정되는 스테이터; 및 상기 스테이터에 대응하여 상기 변속부 입력단의 내주면을 따라 설치되는 로터로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 스테이터는 상기 중공축에 연결 플레이트를 통하여 고정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛에 의하면, 모터의 출력 특성 개선을 위한 하나의 변속부로 운전자의 답력도 함께 보조하도록 하여 시스템을 단순화할 수 있다.
또한, 모터부의 회전수 및 토크 운전 범위의 축소가 가능하여 모터부의 성능 의존도를 낮추어 중량을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 허브 모터 유닛을 장착한 전기자전거의 구성도이다.
도 2는 종래 허브 모터 유닛의 동력전달계통 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛의 반 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛의 동력전달계통 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛의 반 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛(1)은 자전거 프레임(3)에 설치되는 중공축(5) 상에 구성된다.
즉, 상기 중공축(5) 상에는 변속부(11)와 허브 하우징(13), 허브 커버(15), 모터부(17), 및 변속조작부(19)가 구성된다.
상기 변속부(11)는 입력단(11a)의 선단에 피동 스프로킷(21)이 설치되어 페달링에 가해지는 운전자의 답력을 체인 구동력으로 전달받을 수 있도록 구성된다.
이러한 변속부(11)는 하나의 입력단(11a)과 하나의 출력단(11b)을 갖는 복수의 유성기어셋트로 구성될 수 있다.
즉, 상기 변속부(11)는 일례로 3세트의 유성기어셋트를 조합으로 8단 변속 트레인을 구성하여 모터의 증감속이 가능하게 할 수도 있으며, 구동 스프로킷(미도시) 및 피동 스프로켓(21)의 기어비를 포함한 총 기어비의 범위는 일반 자전거의 변속범위를 포함하도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 변속부(11)의 입력단(11a) 선단부는 상기 중공축(5)의 외주면 일측과의 사이에 복수의 베어링(B)을 개재하여 중공축(5)에 대하여 회전 가능하게 설치된다.
그리고 상기 허브 하우징(13)은 일측부가 상기 변속부(11)의 입력단(11a) 외측에 회전 가능하게 설치되고, 내주면 일측은 상기 변속부(11)의 출력단(11b)에 고정 연결된다.
이때, 상기 허브 하우징(13)은 그 일측부가 상기 변속부(11)의 입력단(11a) 외주면 일측에 베어링(B)을 개재하여 상기 입력단(11a)과 별개로 회전 가능하게 설치된다.
한편, 상기 허브 하우징(13)은 그 외주면이 스포크(23)를 통하여 휠(미도시)에 연결된다.
또한, 상기 허브 커버(15)는 상기 중공축(5)에 베어링(B)을 개재하여 회전 가능하게 설치된 상태로, 상기 허브 하우징(13)과 일체로 회전하도록 조립된다.
그리고 상기 모터부(17)는 허브 하우징(13)의 내부에서 상기 중공축(5)과 변속부(11)의 입력단(11a)에 사이에 구성되어 제어신호에 따라 상기 입력단(11a)을 통하여 변속부(11)에 동력을 제공한다.
즉, 상기 모터부(17)는 스테이터(17a)와 로터(17b)로 구성되는데, 상기 스테이터(17a)는 상기 허브 하우징(13)의 내부에서 상기 중공축(5)에 연결 플레이트(17c)를 통하여 고정된다.
또한, 상기 로터(17b)는 스테이터(17a)의 외주에 대응하여 회전하도록 상기 변속부(11)에 구성되는 입력단(11a)의 내주면을 따라 설치된다.
그리고 상기 중공축(5) 내부에는 변속축(25)이 구성되고, 상기 변속축(25)과 변속부(11) 사이에서 변속축(25)의 작동에 따라 변속부(11)를 변속 조작하는 상기 변속조작부(19)를 포함한다.
여기서, 상기 변속조작부(19)는 변속축(25)의 작동에 따라 변속부(11) 내부의 작동요소를 고정요소 또는 마찰요소로 작용하도록 조작하는 일반적인 구성을 적용할 수 있으며, 더욱 자세한 구성의 설명은 생략한다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 전기자전거용 허브 모터 유닛(1)의 작동은, 이하 도 3과 도 4를 통하여 설명한다.
여기서, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛의 동력전달계통 블록도이다.
즉, 본 실시예에 따른 전기자전거용 허브 모터 유닛(1)은, 도 3에서와 같이, 피동 스프로킷(21)이 허브 하우징(13) 내부에 구성되는 모터부(17)의 로터(17b)와 함께 변속부(11)의 입력단(11a)과 연결되고, 변속부(11)의 출력단(11b)은 허브 하우징(13)과 연결되어 모터부(17)에 전원이 인가되지 않을 경우, 일반 자전거와 동일한 답력 보조가 가능한 구성을 갖는다.
이러한 본 실시예에 의한 전기자전거용 허브 모터 유닛(1)의 동력전달은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 구동 스프로킷(27) 및 피동 스프로킷(21)을 통하여 전달되는 운전자의 답력에 의한 체인 구동력은 모터부(17)의 동력과 합해져서 변속부(11)의 입력단(11a)으로 전달되며, 상기 변속부(11) 내부에서 변속되어 변속부(11)의 출력단(11b)을 통하여 허브 하우징(13)으로 전달된다.
그러면, 상기 허브 하우징(13)은 스포크(23)를 통하여 연결된 휠(미도시)과 일체로 회전하여 후륜(미도시)을 구동하게 된다.
즉, 종래의 허브 모터 유닛이 페달링에 의해 발생된 토크가 구동 및 피동 스프로킷의 기어비에 의해 변속되거나 변속기를 거쳐 후륜으로 전달되어 결국은 변속된 토크가 모터부에서 발생된 토크와 합해져서 후륜를 구동하는 것과는 차이가 있다.
예를 들어, 종래의 허브 모터 유닛은 오르막 등의 주행저항이 큰 운전영역에서 낮은 단수로 주행 시, 스프로킷으로 전달된 동력이 페달링 회전수 대비 낮고, 페달링 토크 대비 증가된 상태이며, 모터부는 낮은 회전수에 높은 토크를 지원해야 하므로 과부하 또는 효율 저하를 피할 수 없는 반면, 본 실시예에 따른 허브 모터 유닛(1)은 동일하게 낮은 단수로 주행 시, 감속 변속단을 거치기 전의 회전수에서 모터부(17)가 동작하게 됨으로, 동력전달 계통상, 모터부(17) 이후에 설치된 변속부(11)가 모터부(17)의 감속기 기능을 하며, 운전자는 모터부(17)와 무관하게 낮은 단수를 제공하면서 운전이 가능하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
1; 허브 모터 유닛 3: 자전거 프레임
5: 중공축 11: 변속부
11a: 입력단 11b: 출력단
13: 허브 하우징 15: 허브 커버
17: 모터부 17a: 스테이터
17b: 로터 17c: 연결 플레이트
19: 변속조작부 21: 피동 스프로킷
23: 스포크 25: 변속축
27: 구동 스프로킷

Claims (10)

  1. 전기자전거에 구성되는 허브 모터 유닛에 있어서,
    자전거 프레임에 설치되는 중공축;
    상기 중공축 상에 구성되며, 입력단의 선단은 피동 스프로킷이 설치된 상태로, 상기 중공축에 회전 가능하게 설치되는 변속부;
    상기 변속부의 입력단 외측에 회전 가능하게 설치되며, 내주면은 상기 변속부의 출력단에 고정 연결되고, 외주면은 스포크를 통하여 휠에 연결되는 허브 하우징;
    상기 중공축에 회전 가능하게 설치되어 상기 허브 하우징과 조립되는 허브 커버;
    상기 허브 하우징의 내부에서 상기 중공축과 상기 변속부의 입력단에 사이에 구성되어 제어신호에 따라 상기 입력단을 통하여 동력을 제공하는 모터부; 및
    상기 중공축 내부에 설치되는 변속축 상에 구성되어 상기 변속부를 조작하는 변속조작부를 포함하는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변속부는
    하나의 입력단과 하나의 출력단을 갖는 복수의 유성기어셋트로 구성되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력단의 선단부는
    상기 중공축의 외주면 일측과의 사이에 복수의 베어링을 개재하여 설치되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 허브 하우징은
    상기 변속부의 입력단 외주면 일측에 베어링을 개재하여 설치되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모터부는
    상기 허브 하우징의 내부에서 상기 중공축에 고정되는 스테이터; 및
    상기 스테이터에 대응하여 상기 변속부 입력단의 내주면을 따라 설치되는 로터로 구성되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스테이터는
    상기 중공축에 연결 플레이트를 통하여 고정되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  7. 전기자전거에 장착되는 허브 모터 유닛에 있어서
    자전거 프레임의 중공축 상에 변속부를 구성하되,
    상기 변속부의 입력단에는 허브 하우징의 외부에서 피동 스프로켓이 설치되고, 상기 허브 하우징 내부에서 모터부의 로터가 설치되며, 상기 변속부의 출력단은 상기 허브 하우징의 내주면에 고정 연결되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변속부는
    하나의 입력단과 하나의 출력단을 갖는 복수의 유성기어셋트로 구성되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 입력단의 선단부는
    상기 중공축의 외주면 일측과의 사이에 복수의 베어링을 개재하여 설치되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 허브 하우징은
    상기 변속부의 입력단 외주면 일측에 베어링을 개재하여 설치되는 전기자전거용 허브 모터 유닛.
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