KR101455149B1 - 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자전거에 사용되는 모터일체형 토크센서 장치이며, BLDC 모터가 포함된 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리를 장착한 일체형 토크센서를 제공하여 간단한 구조를 통한 내구성을 향상시키며 동시에 원가 절감 효과를 제공하며, 하우징 내부에 컨트롤러를 구성하고, 전선수용샤프트 내부를 통해 컨트롤러와 토크센서어셈블리 간의 와이어 결선을 수행하여 전선 길이를 최소화하는 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치에 관한 것이다.

Description

전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치{Torque sensor device for Electric Bicycle.}

본 발명은 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자전거에 사용되는 모터일체형 토크센서 장치이며, BLDC 모터가 포함된 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리를 장착한 일체형 토크센서를 제공하여 간단한 구조를 통한 내구성을 향상시키며 동시에 원가 절감 효과를 제공하며, 하우징 내부에 컨트롤러를 구성하고, 전선수용샤프트 내부를 통해 컨트롤러와 토크센서어셈블리 간의 와이어 결선을 수행하여 전선 길이를 최소화하는 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자전거는 운전자의 페달링에 의한 답력을 이용하여 주행한다.

따라서 운전자가 충분한 답력을 제공하지 못할 경우에는 주행할 수 없는 문제가 있는 바, 최근에는 모터의 구동력을 보조적으로 이용하여 주행할 수 있는 시스템이 개발되고 있다.

모터 동력을 보조받아 구동되는 자전거는 운전자의 다리의 구동력에 의하여 회전력을 공급받는 수동 동력 구동 시스템, 그에 따른 회전력을 검출하는 감지시스템 및 운전자의 다리에 의해 부과된 동력에 따라서 상기 수동 동력 구동 시스템에 보조 동력을 부가하는 모터 구동 시스템이 포함된다.

그런데, 다양한 노면의 경사도에 대응하여 모터 출력을 증감하는 제어 시스템의 개발이 시급한 실정임에도 토크 검출을 위한 최적의 토크 센서 기술이 제시되지 못하고 있는 상황이다.

회전축에 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서는 지속적으로 개발되고 있지만 주로 자동차에 적합하도록 개발되고 있는 실정이며, 모터 동력을 보조 동력으로 사용하는 하이브리드 자전거 등에서는 적절한 센서가 개발되지 못하고 있다.

토크 센서는 측정 방식에 따라 정현식과 회전식으로 나눌 수 있고 회전식은 회전 슬립링(slip ring)과 비접촉식으로 다시 나뉜다.

회전식의 경우 회전축에 슬립링을 장착하면 기술적인 한계로 슬립링 브러시의 마모와 노이즈에 의하여 출력 신호가 불안정해 지며, 정현식의 경우 회전축에 검출장치를 설치하여 전선이 꼬이거나 장착에 어려운 점이 단점으로 지적된다.

한편, 토션바(torsion bar)를 매개로 한 토크 센서의 경우 토션바에 장착된 슬리브의 압입으로 인한 마모가 심하여 토크 신호의 검출시 오류가 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전기 자전거의 경우에는 토크센서를 통해 감지값을 컨트롤러에서 제공받아 배터리를 통해 전원을 공급받게 된다.

따라서, 배터리를 자전거 프레임에 구성하고 컨트롤러를 통해 배터리 전원을 모터에 공급하는 구성을 가지게 된다.

이때, 문제점은 구조가 복잡하며 배선 결선이 복잡하고 길어지는 문제점이 발생하여 전기자전거를 제조하기 위한 비용 자체가 상승하는 문제점을 가지고 있었다.

대한민국공개특허번호 10-2012-0125003호(2012.11.14)

본 발명은 상기와 같은 토크 센서의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, BLDC 모터가 포함된 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리를 장착한 일체형 토크센서를 제공하여 간단한 구조를 통한 내구성을 향상시키며 동시에 원가 절감 효과를 제공하도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하우징 내부에 컨트롤러를 구성하고, 전선수용샤프트 내부를 통해 컨트롤러와 토크센서어셈블리 간의 와이어 결선을 수행하여 전선 길이를 최소화하도록 하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은 다음과 같은 구성을 갖는다.

페달기어가 장착되어 있는 페달(10)과;

상기 페달기어 외주에 장착되어 있는 체인(15)와;

압축스프링의 변위에 의해 변하는 로터의 변위를 검출하기 위한 피시비보드(1200)를 포함하여 구성되며, 일측에 원웨이클러치와 결합시키기 위한 체결부재(1100)를 형성하고 있는 토크센서어셈블리(1000)와;

외주면이 상기 체인과 맞물려짐과 동시에 중심부로는 토크센서어셈블리의 체결부재(1100)와 나사 결합되기 위한 체결홈(2100)이 형성되어 있는 원웨이클러치(2000)와;

상기 토크센서어셈블리(1000)가 일측에 결합되어 있으며, 내부에 BLDC 모터가 장착되어 있는 모터하우징(3000)과;

상기 원웨이클러치와 토크센서어셈블리 및 모터하우징의 중앙 부위를 관통하는 전선수용샤프트(4000)와;

상기 모터하우징 내부에 형성되어 피시비보드에서 제공되는 변위값을 획득하여 BLDC 모터에 동작 신호를 송출하며, 모터하우징 내부에 위치하되, 중앙 부위에 전선수용샤프트가 관통할 수 있도록 구멍을 형성하고 있는 컨트롤러(5000);를 포함하여 구성함을 특징으로 전기 자전거용 모터일체형 토크센서가 제시된다.

기타 여러 실시예 및 그 상세한 구성 및 기능은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 기재하도록 한다.

본 발명은, BLDC 모터가 포함된 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리를 장착한 일체형 토크센서를 제공하여 간단한 구조를 통한 내구성을 향상시키며 동시에 원가 절감 효과를 제공하게 된다.

또한, 하우징 내부에 컨트롤러를 구성하고, 전선수용샤프트 내부를 통해 컨트롤러와 토크센서어셈블리에 구성된 피시비보드 간의 와이어 결선을 수행하여 전선 길이를 최소화하는 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명의 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치의 사시도이며, 도 2는 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리가 구성된 사시도이며, 도 3은 각 부품 사시도이며, 도 4는 측단면도이며, 도 5는 전선수용샤프트의 단면도이며, 도 6은 전선수용샤프트 사시도이며, 도 7은 컨트롤러 촬영 사진이며, 도 8은 페달과 토크센서 장치가 체인으로 연결된 촬영 사진이며, 도 9는 피시비보드 촬영 사진.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위와 균등한 발명범위 내에서 파악되어야 한다.

일반적으로 PAS(power assist system) 이라 함은 모터 동력을 보조 동력으로 사용하는 전기 자전거의 동력 시스템을 일컫는다.

자전거의 주행환경에 따라서 경사로, 평지로, 내리막길 등이 있을 수 있는데, 출발시와 경사로 주행의 경우 혹은 평지로에서 가속을 하고자 하는 경우에는 큰 회전력이 필요한 반면, 내리막길이나 평지로는 상대적으로 적은 회전력과 페달의 회전수가 요구된다.

이와 같이, 도로의 주행환경에 따라서 필요한 회전력이 바뀌게 되며 그때마다 크랭크축의 회전수와 페달의 답력 상태 정보를 측정할 필요가 있게 된다.

도 1 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치는,

페달기어가 장착되어 있는 페달(10)과;

상기 페달기어 외주에 장착되어 있는 체인(15)와;

토크값 대비 출력값을 검출하기 위한 피시비보드(1200)를 포함하여 구성되는 하우징(900)을 포함하고 있으며, 일측에 원웨이클러치와 결합시키기 위한 체결부재(1100)를 형성하고 있는 토크센서어셈블리(1000)와;

외주면이 상기 체인과 맞물려짐과 동시에 중심부로는 토크센서어셈블리의 체결부재(1100)와 나사 결합되기 위한 체결홈(2100)이 형성되어 있는 원웨이클러치(2000)와;

상기 토크센서어셈블리(1000)가 일측에 결합되어 있으며, 내부에 BLDC 모터가 장착되어 있는 모터하우징(3000)과;

상기 원웨이클러치와 토크센서어셈블리 및 모터하우징의 중앙 부위를 관통하는 전선수용샤프트(4000)와;

상기 모터하우징 내부에 형성되어 피시비보드에서 제공되는 토크값 대비 출력값을 획득하여 기준치값과 대비하여 기준치값 이상일 경우에 외부배터리에 전원 공급 신호 및 BLDC 모터에 동작 신호를 송출하며, 중앙 부위에 전선수용샤프트가 관통할 수 있도록 구멍을 형성하고 있는 컨트롤러(5000);를 포함하여 구성되게 된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 페달기어가 장착되어 있는 페달(10)에서 상기 페달기어 외주에 체인(15)이 장착되어 있으며, 토크센서어셈블리(1000)가 결합되어 있는 원웨이클러치에 형성된 기어에 체인이 장착되는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 자전거 프레임에 전선수용샤프트(4000)이 결합되며, 전선수용샤프트에 모터 하우징(3000)과 원웨이클러치(2000)이 결합되어 있다.

상기 토크센서어셈블리(1000)는 토크값 대비 출력값을 검출하기 위한 피시비보드(1200)를 포함하여 구성되는 하우징(900)을 포함하고 있으며, 일측에 원웨이클러치와 결합시키기 위한 체결부재(1100)를 형성하고 있게 된다.

또한, 상기 원웨이클러치(2000)는 외주면이 상기 체인과 맞물려짐과 동시에 중심부로는 토크센서어셈블리의 체결부재(1100)와 나사 결합되기 위한 체결홈(2100)이 형성되어 있게 된다.

상기한 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리가 장착되어 일체형으로 동작하게 된다.

그리고, 상기 모터하우징(3000)은 토크센서어셈블리(1000)가 일측에 결합되어 있으며, 내부에 BLDC 모터(미도시)가 장착되어 있게 된다.

상기 전선수용샤프트(4000)는 원웨이클러치와 토크센서어셈블리 및 모터하우징의 중앙 부위를 관통하여 도 1과 같이 자전거 프레임에 결합되게 된다.

본 발명인 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치는 도 3에 도시한 바와 같이, 크게 토크센서어셈블리(1000), 원웨이클러치(2000), 모터하우징(3000), 전선수용샤프트(4000)를 포함하여 구성된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 전선수용샤프트 외면으로 원웨이클러치, 토크센서어셈블리, 모터 하우징이 위치하고 있으며, 내륜베어링(860)와 외륜베어링(855)이 도면과 같이 구성되게 된다.

한편, 컨트롤러(5000)가 모터하우징 내부에 형성되어 피시비보드에서 제공되는 토크값 대비 출력값을 획득하여 기준치값과 대비하여 기준치값 이상일 경우에 외부배터리에 전원 공급 신호 및 BLDC 모터에 동작 신호를 송출하게 된다.

예를 들어, 5v 입력시 토크값은 '100'이며, 출력값이 1v 라면 전원 공급 신호 및 BLDC 모터 동작 신호를 송출하지 않는다.

그러나, 기준치값이 5V이며 출력값이 5V가 감지되면 전원 공급 신호 및 BLDC 모터 동작 신호를 송출하는 것이다.

이때, 도 7에 도시한 바와 같이, 중앙 부위에 전선수용샤프트가 관통할 수 있도록 구멍을 형성하고 있게 된다.

또한, 컨트롤러는 속도를 측정할 수도 있는데, 이를 위하여 토크센서어셈블리의 피시비보드(1200)에 홀이펙트스피드센서를 구성하게 되고, 컨트롤러는 속도측정부를 더 포함하여 구성하게 된다.

상기 속도측정부는 홀이펙트스피드센서에서 제공되는 펄스값을 획득하여 속도를 측정하게 된다.

그리고, 컨트롤러는 제동시 기계적 마찰을 전기에너지로 변환하여 배터리를 충전시키기 위한 배터리충전처리부를 더 포함하여 구성할 수도 있다.

즉, 속도를 내다가 브레이크를 잡게 되면 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전시키게 되는 것이다.

상기 토크센서어셈블리(1000)는 토크값 대비 출력값을 검출하기 위한 피시비보드(1200)를 포함하여 구성되는 하우징(900)을 포함하고 있으며, 일측에 원웨이클러치와 결합시키기 위한 체결부재(1100)를 형성하고 있게 된다.

상기 토크센서어셈블리의 구성요소와 동작 관계는 본 출원인이 대한민국에 출원하여 등록된 특허등록번호 10-1168855호인 '파워어시스트시스템용 토크센서'에 구체적으로 설명하고 있어 상세한 설명을 생략하도록 하겠다.

또한, 도 5 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 전선수용샤프트(4000)는,

외부배터리와 연결된 전선을 안내하기 위하여 형성되는 전선수용중앙통로부(4100)와,

외부배터리와 연결된 전선을 전선수용중앙통로부로 인입시키기 위하여 형성되는 전선인입구멍부(4200)와,

상기 전선수용중앙통로부에 인입된 전선을 인출시키기 위하여 형성되는 전선인출구멍부(4300)를 포함하여 구성되어 배선 길이를 줄여주는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경우에는 일체형으로서 하우징 내부에 컨트롤러와 BLDC 모터가 구성되기 때문에 외부에 존재하는 배터리와 연결하기 위한 전선을 수용하기 위한 공간을 형성하기 위하여 별도의 구멍을 하우징 어느 일측에 구성하여 작업 공정을 추가하는 원인이 되었다.

또한, 전선이 외부로 노출되기 때문에 깔끔하지 못한 부분도 존재하기 때문에 구조도 복잡하지 않고 전선 결선을 최소화할 수 있는 구조가 필요하였다.

이를 위하여 외부배터리와 연결된 전선을 안내하기 위하여 전선수용중앙통로부(4100)를 전선수용샤프트의 내부에 구성하게 된다.

상기의 전선수용샤프트는 축 역할을 하면서 동시에 전선 보호의 역할을 동시에 수행하는 획기적인 구성이라 할 수 있다.

이때, 전선을 인입하기 위한 구멍과 인출하기 위한 구멍을 필요로 하기 때문에 전선인입구멍부(4200)와, 전선인출구멍부(4300)를 포함하여 구성하게 된 것이다.

상기 전선일출구멍부 주변에는 컨트롤러가 구성되어 있기 때문에 배선 길이를 최소화시킬 수 있는 것이며, 외부로부터 전선을 보호하며 동시에 외부 이물질의 유입을 최소화할 수도 있을 것이다.

그리고, 전선 길이가 최단 거리이기 때문에 전선 노이즈를 최소화시킬 수 있는 기능도 제공할 수 있을 것이며, 합선 및 단선을 막을 수 있으며, 최단 거리이기 때문에 신호 전달이 우수하며, 전선의 단소화로 제조 비용이 절감되며, 작업 공정도 단순화시킬 수 있으며, 구조 분해 및 탈착이 간단하여 유지 보수가 편리한 장점을 제공한다.

또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 토크센서어셈블리의 일측에 고정홈(950)을 더 포함하여 형성시킬 경우에 전선수용샤프트의 곡면 외주면 어느 일측에 하우징고정부(4400)를 형성하여 토크센서어셈블리에 전선수용샤프트를 고정시키게 된다.

도 9에 도시한 바와 같이, 중앙홀 어느 일측에 고정홈을 형성시키게 되며, 해당 고정홈에 상기 하우징고정부가 고정되는 것이다.

상기 하우징고정부는 토크센서어셈블리에 전선수용샤프트를 고정시키기 위한 역할이다.

상기 토크센서어셈블리에는 도 6에 도시한 바와 같이, 외륜 베어링과 내륜 베어링이 구성되게 되는데, BLDC모터가 회전할 경우에 모터하우징(3000)도 회전하며, 모터하우징에 결합되어 있는 토크센서어셈블리도 회전하게 된다.

이때, 전선수용샤프트는 회전하지 않아야 하기 때문에 베어링을 구성하여 전선수용샤프트와 토크센서어셈블리의 피시보드를 포함하고 있는 하우징(900)은 회전하지 않은 상태에서 원웨이클러치, 하우징을 제외한 토크센서어셈블리 구성 부품, 모터하우징이 회전하게 되는 것이다.

또한, 피시비보드에 연결된 전선이 회전하면 전선이 꼬이기 때문에 이를 방지하기 위해서도 하우징고정부를 구성하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 특징은 모터 하우징을 토크센서어셈블리의 하우징으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 의하면, BLDC 모터가 포함된 하우징과 원웨이클러치 사이에 토크센서어셈블리를 장착한 일체형 토크센서를 제공하여 간단한 구조를 통한 내구성을 향상시키며 동시에 원가 절감 효과를 제공하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 실시예에 한하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서는 얼마든지 다양하게 실시할 수 있으며, 그 내용이 본 발명의 권리에 포함되는 것은 당연하다 할 것이다.

900 : 하우징
1000 : 토크센서어셈블리
1100 : 체결부재
2000 : 원웨이클러치
2100 : 체결홈
3000 : 모터하우징
4000 : 전선수용샤프트
5000 :컨트롤러

Claims (2)

1. 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치에 있어서,
   페달기어가 장착되어 있는 페달(10)과;
   상기 페달기어 외주에 장착되어 있는 체인(15)와;
   토크값 대비 출력값을 검출하기 위한 피시비보드(1200)를 포함하여 구성되는 하우징(900)을 포함하고 있으며, 일측에 원웨이클러치와 결합시키기 위한 체결부재(1100)를 형성하고 있는 토크센서어셈블리(1000)와;
   외주면이 상기 체인과 맞물려짐과 동시에 중심부로는 토크센서어셈블리의 체결부재(1100)와 나사 결합되기 위한 체결홈(2100)이 형성되어 있는 원웨이클러치(2000)와;
   상기 토크센서어셈블리(1000)가 일측에 결합되어 있으며, 내부에 BLDC 모터가 장착되어 있는 모터하우징(3000)과;
   상기 원웨이클러치와 토크센서어셈블리 및 모터하우징의 중앙 부위를 관통하는 전선수용샤프트(4000)와;
   상기 모터하우징 내부에 형성되어 피시비보드에서 제공되는 토크값 대비 출력값을 획득하여 기준치값과 대비하여 기준치값 이상일 경우에 외부배터리에 전원 공급 신호 및 BLDC 모터에 동작 신호를 송출하며, 중앙 부위에 전선수용샤프트가 관통할 수 있도록 구멍을 형성하고 있는 컨트롤러(5000);를 포함하여 구성되되,
   상기 전선수용샤프트(4000)는,
   외부배터리와 연결된 전선을 안내하기 위하여 형성되는 전선수용중앙통로부(4100)와,
   외부배터리와 연결된 전선을 전선수용중앙통로부로 인입시키기 위하여 형성되는 전선인입구멍부(4200)와,
   상기 전선수용중앙통로부에 인입된 전선을 인출시키기 위하여 형성되는 전선인출구멍부(4300)를 포함하여 구성되어 배선 길이를 줄여주는 것을 특징으로 하는 전기 자전거용 모터일체형 토크센서 장치.
   
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