Bimotal Elevate가 탄생한 배경
Elevate는 Bimotal의 창업자이자 CEO인 Toby Ricco와 전기 모터 설계에 집중해 온 전기 엔지니어 Chad Furey의 아이디어에서 시작된다. 두 사람은 과거 Tesla에서 함께 일한 경험이 있다. 이후 Jason Roesslein과 Matt Rounds도 2020년 여름 팀에 합류한다.
Ricco는 2018년 스키 사고로 무릎을 크게 다친 뒤 산악자전거를 다시 즐기기 어려울 수 있다고 걱정한다.
오르막을 오를 때 무릎에 필요한 힘이 부족했기 때문이다. 그는 전기 자전거와 e-bike retrofit system을 찾아보지만, 대부분 무겁고 비싸며 구조가 복잡하다고 판단한다.
Ricco가 원한 것은 기존 자전거에 매우 가볍게 장착할 수 있고, 필요할 때 쉽게 탈착할 수 있는 모터 시스템이다.
이 문제의식에서 Bimotal의 시스템과 회사가 출발한다.
더 나은 전기 자전거 방식을 찾는 과정
Ricco의 무릎 회복에는 오랜 시간이 필요하다. 이 시간은 전기 자전거 설계를 새로운 방식으로 바라보는 계기가 된다. 그는 매일 퇴근 후 자전거를 바라보며 더 나은 방법이 있는지 고민한다.
일반적인 mid-drive 전기 자전거는 모터가 페달이 있는 crankshaft 앞쪽 bottom bracket에 위치한다. 대부분의 속도 영역에서는 모터가 사용자의 페달 cadence에 맞춰 감속된다.
이후 자전거 체인과 rear wheel hub에 장착된 cog를 통해 다시 증속된다. 이 구조는 모터에서 휠까지의 전체 기어비를 낮게 만들며, 같은 출력 조건에서 더 많은 모터 토크를 요구한다. 결과적으로 효율이 낮아지거나 같은 출력 대비 무거운 시스템이 될 수 있다.
다른 일반적인 전기 자전거는 hub motor를 사용한다. hub motor는 토크를 휠에 직접 전달한다. 보통 기어 감속이 제한적이거나 거의 없기 때문에, 휠에서 필요한 토크와 효율을 확보하려면 모터가 더 무거워질 수 있다.
Ricco는 “어떻게 토크를 휠에 전달할 수 있을까?”라는 질문을 반복한다. 그리고 브레이크가 큰 토크를 견딜 수 있다는 점에 주목한다.
전기 자동차는 모터와 기어박스를 통해 휠을 구동한다. 하지만 당시 e-bike 분야에는 모터 기어박스가 휠을 구동하는 방식이 존재하지 않았다.
Ricco는 브레이크 포스트 마운트에 Elevate 모터를 고정하고 바로 주행할 수 있는 간단한 구조를 목표로 삼는다.
시뮬레이션으로 전기 자전거 모터 아이디어를 구현하는 과정
Elevate 모터 아이디어가 구체화되고 Bimotal이 2019년 7월 설립되면서 실제 개발 작업이 시작된다.
Ricco는 모터 마운트 설계, quick connect system, 자전거 브레이크 로터를 통해 구동하는 기어링 구조를 개발한다.
동시에 Furey는 배터리 구동 모터의 거의 모든 요소를 시뮬레이션한다. 목표는 Elevate 시스템을 가능한 한 가볍고, 조용하며, 효율적으로 만드는 것이다. 또한 가장 높은 출력 밀도를 확보하는 것도 중요하다.
스타트업인 Bimotal은 제한된 자금 안에서 설계와 엔지니어링을 진행해야 한다.
이때 Ansys Startup Program은 Ansys 소프트웨어를 낮은 비용으로 사용할 수 있게 해준다. Furey는 이 프로그램을 통해 Ansys Motor-CAD를 활용할 수 있었다고 설명한다
Ansys Motor-CAD를 활용한 모터 설계 최적화
Furey는 MATLAB과 직접 작성한 custom script를 함께 사용한다. 이를 통해 한 번에 수만 개에서 10만 개 수준의 설계를 자동 평가한다.
이후 가능성이 높은 후보에 대해 Ansys Motor-CAD로 상세 검토를 수행한다. 설계 변수 몇 개만 바뀌어도 모델 수는 빠르게 증가한다.
예를 들어 자석 크기 10가지, 로터 크기 10가지, 열 조건 10가지를 조합하면 곧바로 1,000개의 iteration이 생성된다.
모터 설계에서는 조정할 수 있는 매개변수가 많다. 따라서 iteration 수가 폭발적으로 증가한다. Furey는 brute force approach를 활용해 다양한 조합의 기본 가능성을 빠르게 평가한다.
이후 가장 가능성이 높은 10~15개 후보를 Motor-CAD에서 더 자세히 분석한다.
Motor-CAD는 좋은 후보를 정교하게 다듬고, 설계 요소가 서로 잘 맞는지 확인하는 데 사용된다. Furey는 Motor-CAD의 열 모델을 사용해 다양한 운전 조건에서 모터 온도가 얼마나 상승하는지 파악한다.
또한 Motor-CAD가 생성하는 efficiency map은 구동 프로파일과 모터 설계의 주요 지점에서 발생하는 손실을 판단하는 데 도움을 준다.
Motor-CAD는 표면 영구자석 구조를 사용할지, 내부 영구자석 구조를 사용할지 결정하는 데도 활용된다. Furey는 Motor-CAD 안에서 토크 밀도를 더 높일 수 있는지 간단하게 실험할 수 있다고 설명한다. 즉, Motor-CAD는 Bimotal이 모터의 열 성능, 효율, 손실, 영구자석 구조, 토크 밀도를 검토하는 핵심 도구이다.
전체 시스템 최적화와 Elevate의 성능
Ricco는 Elevate 패키지가 거친 주행 환경에서도 자전거에 안정적으로 고정되도록 cam lever connector system을 설계한다. 이 커넥터 시스템은 작은 크기임에도 1,000N의 clamping force를 제공한다. 이를 통해 rough ride에서도 Elevate 패키지가 자전거에 고정될 수 있도록 한다.
Elevate 모터는 한 손에 들 수 있을 정도로 작은 시스템이다. 하지만 실제 개발에는 많은 엔지니어링이 필요하다. Ricco는 이를 전체 시스템 최적화 문제라고 설명한다. 필요한 출력이 얼마인지, 자전거에 실제로 필요한 동력이 어느 정도인지, 얼마나 많은 열을 방출해야 하는지, 방열판을 얼마나 작게 만들 수 있는지, 모터를 얼마나 작게 만들면서도 강한 반응성을 유지할 수 있는지가 모두 설계 질문이 된다.
Motor-CAD는 이러한 질문에 답하는 데 중요한 역할을 한다. 최종 Elevate 모터는 약 2파운드 무게이며 최대 750W의 출력을 생성할 수 있다. Bimotal은 Ansys 시뮬레이션을 활용해 “Keep Riding the Bike You Love”라는 목표에 맞게, 사용자가 좋아하는 기존 자전거를 계속 타면서 전기 보조 기능을 추가할 수 있는 시스템을 개발한다.
Bimotal은 Elevate 납품을 2021년 2분기에 시작할 계획이라고 설명한다. 이후에는 자전거, 스쿠터, 기타 last-mile transportation을 위한 micro electric powertrain design에 집중할 예정이다. Ricco는 자동차 없는 이동성의 장벽을 낮추기 위해 모터, 기어박스, 배터리, 전자장치 전문성을 확대하고 있으며, Ansys 도구가 모터와 기어박스 최적화를 더 빠르고 효율적으로 만든다고 설명한다.
결론
Bimotal Elevate는 기존 자전거를 포기하지 않고도 전기 보조 기능을 더할 수 있도록 설계된 탈착식 전기 자전거 모터 시스템이다.
이 시스템은 뒷바퀴 디스크 브레이크 로터에 장착되며, 필요할 때는 빠르게 설치하고 내리막이나 거친 주행 전에는 쉽게 분리할 수 있다. Bimotal은 Ansys Startup Program을 통해 Ansys Motor-CAD를 활용하고, 모터 열 해석, 효율 맵, 손실 분석, 영구자석 구조 비교, 토크 밀도 개선을 수행한다.
결국 Bimotal 사례는 시뮬레이션이 작은 스타트업의 전기 모터 개발에서도 중요한 역할을 한다는 점을 보여준다. Ansys Motor-CAD는 제한된 자원 안에서 수많은 설계 후보를 검토하고, 가볍고 효율적인 전기 자전거 모터를 구현하는 데 기여한다.
출처 : Ansys Motorizing the Bike You Love with Bimotal and Ansys Simulations
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