BionX 사의 새로운 전기자전거용 허브모터 시스템

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전기자전거의 세상이 활짝 피려고 하고 있습니다.

전기자전거 ebike 시스템은 현재 전 세계적으로 대략 3개 정도의 메이저 브랜드가 경쟁 중에 있습니다.

독일 BOSCH 사의 ebike 시스템
세계3대 자동차부품 제조사 중 하나인 BOSCH사가 내 놓은 전기자전거 시스템 입니다.
중앙구동식 모터와 콘트롤러, 그리고 배터리까지 구성된 시스템이며, 2세대 모델이 출시된 상태입니다.
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일본 파나소닉사의 ebike 시스템
오래전 부터 PAS ebike를 만들어 온 PANASONIC 최근 자사 솔루션을 시스템화 하여 보쉬와의 본격적 표준경쟁에 뛰어들 태세 입니다.
보쉬와 같이 자전거 중앙 크랭크쪽에 구동 모터가 위치하는 방식입니다.

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캐나다 BionX 사의 ebike 시스템
바이온엑스사는 역시 세계 3대 자동차 부품 제조사 중 하나인 MAGNA사가 인수하여 현재 마그나의 자회사 입니다.
이렇게, 전기자전거 시스템은 최근 세계 메이저 자동차 부품 회사에 의해 표준화 경쟁이 진행되고 있습니다.
BionX사의 ebike 시스템은 보쉬나 파나소닉 같이 중앙구동식 모터가 아닌 바퀴축 허브에 모터가 합쳐진 허브모터 방식입니다.image

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앞으로, 이런 3종류의 전기자전거 시스템의 장/단점을 비교 분석해 보려고 하는데, 우선 BionX사의 허브모터 시스템의 신제품을 먼저 소개해 볼까 합니다.

BionX사는 원래 캐나다의 조그마한 벤처기업으로서 가볍고 완성도 높은 전기자전거 키트를 개발 생산해 왔었습니다. 그러다 MAGNA 사에 인수되었고, 마그나의 지원 하에 ebike시스템의 시스템 통신을 자동차의 CAN통신 표준으로 통합하고, 보다 효율적이고 가벼운 허브모터 개발에 주력해 왔습니다. 

보쉬나 파나소닉의 ebike시스템과 달리 허브모터 시스템이기때문에 기존의 자전거 프레임의 개조 없이 BionX ebike 키트를 설치하여 자전거를 전기자전거로 탈바꿈시킬 수 있다는 장점이 있으며, 허브모터가 내리막길 등에서는 다이나모의 역할까지 하여 내리막길에서는 배터리 충전까지 되는 장점도 있습니다.

반면, 단점은, 구동계열이 아닌 바퀴축에 모터가 달린 허브모터 방식이기 때문에, 적절한 기어변속을 통해 Torque를 조절할 수 없고 오직 모터의 출력 조절로만 토크를 제어할 수 밖에 없는데, 통상 큰 토크를 얻기가 어렵다는 단점이 있습니다.

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2013년 최고사양 모델. 노말 토크 9Nm, 순간 최대 토크 40Nm 사양임을 알 수 있습니다.

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SL 모터는 350w 급 출력에 peak torque 40Nm, 그리고 3.5kg의 무게입니다. 이는 같은 350w급 일반적인 중국산 허브모터에 비해 더 가볍고, 더 튼튼하며, 출력대비 더 큰 토크를 발생시킬 수 있는, 현존하는 가장 고성능 허브모터입니다.

이번에 BionX사에서는 2014년 신제품 모터에 대한 teaser 이미지를 공개하고 신제품의 특징을 릴리즈하였습니다.
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신제품 D-Series 모터의 티저 이미지 달랑 한장만이 일부분만 공개되었습니다만, 이 사진 한장 만으로도 얼마나 혁신적인 모터기술의 발전이 이루어 졌는지를 눈치챌 수 있습니다.

신제품 모터의 특징은 더 가벼워지고, 특히 더 큰 토크를 제공하게 되었다는 점 입니다.. 어떻게 출력은 그대로인데, 토크는 크게 향상시키는 요술을 부린 것일까요?

그 비결은 크게 두가지: 모터의 직경을 키우고, 영구자석의 투입량을 줄였기 때문입니다.

BionX사에서는 이러한 특징에 몇가지 네이밍까지 하였습니다.
ITS(Increased Tangential Speed) 모터의 코일과 자석을 모터하우징의 최대한 바깥쪽에 위치시킴으로서 회전속도를 증가시켰습니다.

MCR(Magnetic Component Reduction) 무거운 무게의 영구자석 부품을 줄여 무게의 증가를 억제하였습니다.

NSC(Non Structural Cover) 허브모터는 통상 모터하우징이 자전거의 전체 하중을 지탱해야 하기에 구조적으로 튼튼해야 하고, 하우징 무게가 증가하게 됩니다. BionX사는 구조적으로 모터하우징이 하중을 받지 않도록 설계하여 가벼운 모터 하우징을 구현하였습니다.

STC(Spoke To Center) 모터하우징의 무게를 대폭 줄이게 된 구체적인 비결은 하중이 전달되는 휠 스포크의 지지를 모터하우징이 하지 않고, 휠 스포크가 허브 중앙까지 바로 연결되는 구조에 있습니다. 이로서 모터하우징은 하중을 지탱할 필요 없이 모터 구동력을 지탱하는데 필요한 구조적 강도만 확보하면 되도록 된 것이지요.

이러한 혁신을 통한 성능의 향상은,

무게의 증가는 3.5kg에서 3.9kg으로 11% 증가하는데 그쳤으면서도 토크는 노말 토크 9Nm에서 25Nm으로 무려 250% 증가, 피크토크는 40Nm에서 50Nm으로 20%나 증가시켰습니다.

허브모터 시스템이 중앙구동식 시스템에 비해 가장 부족했던 성능이 바로 토크였던 것을 감안해 볼 때, BionX의 D-series 모터는 허브모터 ebike로도 중앙구동식 ebike시스템과 동등한 수준의 토크를 확보하여 일상적인 자전거 주행에서 가장 전기모터가 필요한 언덕길에서의 power assist 능력을 대폭 향상시키게 된 것으로 기대됩니다.

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