KR100978150B1 - 토크변환이 가변적인 차동전기엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토크변환이 가변적인 차동엔진에 관한 것이다.차동엔진은 모터, 토크변환 스테이지, 및 부하메카니즘을 포함한다. 모터는 정속동작하고 토크변환 스테이지에 입력회전토크를 제공한다. 토크변환 스테이지는 입력회전토크를 자동차 바퀴 등의 부하에 연결된 출력축의 회전토크로 변환한다. 토크변환 스테이지는 제1 및 제2 차동 스테이지들을 구비하고, 이들 차동 스테이지는 서로 반대로 회전하는 한쌍의 축과 연결된다. 제1 차동 스테이지는 모터의 출력축에 연결된 입력축과, 각각의 축에 연결되는 제1 및 제2 출력축들을 포함한다. 제1 차동스테이지의 기어메카니즘은 모터의 회전토크를 제1 및 제2 출력축들에 전달한다. 제2 차동스테이지는 출력구동축에 연결된 출력축과, 각각의 축에 연결되는 제1 및 제2 입력축들을 구비한다. 제2 차동스테이지의 기어메카니즘은 축들에 회전속도차가 생길 때 구동축에 회전토크를 걸어준다. 축들의 회전속도는 한쪽이나 양쪽 축에부하를 걸어 가변된다. 부하메카니즘으로는 전기식과 기계식이 있다.

Description

토크변환이 가변적인 차동전기엔진{DIFFERENTIAL ELECTRIC ENGINE WITH VARIABLE TORQUE CONVERSION}
본 발명은 토크변환이 가변적인 차동엔진에 관한 것이다.
기존의 전기엔진의 큰 문제점은, 저속이나 시동속도가 아닌 비교적 좁은 범위의 출력속도에서 피크효율이 생긴다는 점이다. 기존의 엔진의 효율-속도 곡선이 도 1에 A로 표시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전기엔진은 80% 내지 100% 조금 못미친 범위의 피크효율을 얻는데, 이것이 효율-속도 곡선(A)상에 B로 표시되어 있다. 그러나, 저속과 시동속도(C로 표시)에서는 효율이 20-25%이다.
자동차와 같은 부하가 가속에 의해 동작속도에 도달해야만 할 때는 높은 시동토크가 필요하므로 이것이 문제가 된다. 시동토크는 가속에 직접 관련되는바; 가속이 클수록 필요한 시동토크도 커진다. 토크는 모터 코일의 전류에 직접 비례하므로, (정지위치로부터의 가속이나 역방향 모터토크에 의한 감속 등의) 가속토크를 위해서는 상당히 높은 모터 코일전류를 필요로 한다. 즉, 저속이나 정지상태에서 일정 토크를 생산하기 위해 모터에 필요한 전류는 고속에서 동일한 토크를 내는데 필요한 전류보다 훨씬 높은데, 이는 도 1의 효율대 출력속도 곡선의 B, C 점에 표시된 것처럼 저속에서의 모터의 효율이 고속에서보다 상당히 낮기 때문이다. 또, 모터의 에너지손실은 모터 권선의 저항에 이차전력에서 생긴 전류를 곱한 것과 같아 지수함수적으로 증가한다.
전기모터 동력시스템의 정지/시동 중에, 특히 비교적 빠른 가속이나 감속력이 제공될 때, 전기모터의 작동효율은 피크효율보다 상당히 낮고, 통상 도 1의 C점으로 표시된 것처럼 20 내지 25% 범위에 있으며, 가감속 상태에서는 이보다 낮기도 하다. 그 결과, 전기자동차는 도심에서보다 정속주행이 가능한 고속도로에서 훨씬 먼거리 주행한다.
이런 종래의 문제점들을 감안하여, 기존 설계의 토크출력대 속도 특성을 개선하고 도 1b와 같은 이상적인 엔진동작 특성을 보이는 엔진이 필요하다.
본 발명은 첫째 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서: ⒜ 출력축을 소정 회전속도로 구동하고 상기 출력축에 입력회전토크를 인가하는 모터; 및 ⒝ 상기 입력회전토크를 부하연결용 출력구동축의 회전토크로 변환하기 위해 상기 모터에 연결된 토크변환 스테이지;를 포함하고 ⒞ 상기 토크변환 스테이지에 포함된 제1 차동 스테이지는 상기 모터의 출력축에 연결된 입력축과, 상기 입력축에서 제1 및 제2 출력축에 회전토크를 전달하기 위한 기어 메카니즘을 갖고, 상기 기어메카니즘은 상기 출력축들을 각각 동일 속도 및 반대 회전방향으로 구동시키며; ⒟ 상기 토크변환 스테이지에 포함된 제2 차동 스테이지는 상기 제1 차동 스테이지의 제1 출력축에 연결된 제1 입력축, 제1 차동 스테이지의 제2 출력축에 연결된 제2 입력축, 및 제2 차동 스테이지의 제1 및 제2 입력축들 사이에 회전속도차가 일어났을 때 상 기 출력구동축에 회전토크를 인가하는 기어메카니즘을 가지며; ⒠ 상기 제2 차동 스테이지의 상기 입력축들중 하나에 연결되고, 상기 입력축에 부하를 걸어서 관련 입력축의 회전속도를 변화시키도록 제어입력에 반응하는 부하메카니즘;을 더 포함하는 차동엔진을 제공한다.
또, 본 발명은 다른 측면에서, 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서: ⒜ 출력축을 일정 속도와 소정 방향으로 구동하는 모터; ⒝ 부하를 구동하기 위한 출력구동축과 입력축을 갖되, 상기 입력축은 상기 모터의 출력축에 연결되는 트랜스미션 스테이지; 및 ⒞ 상기 트랜스미션 스테이지로부터 전력을 받기 위한 입력축을 갖고 에너지 저장기를 충전시키는 재생충전 스테이지;를 포함하고, ⒟ 상기 트랜스미션 스테이지는 제1 및 제2 차동 스테이지를 포함하고, 상기 제1 차동 스테이지는 상기 입력축에 연결된 구동메카니즘을 가지며, 상기 제2 차동 스테이지는 상기 출력구동축에 연결된 구동메카니즘을 갖고, 제1 차동 스테이지의 구동메카니즘은 제1 및 제2 차동축들을 통해 제2 차동 스테이지의 구동메카니즘에 연결되며, 상기 차동축들은 같은 속도로 서로 반대 방향으로 회전하고; ⒠ 상기 트랜스미션 스테이지는 상기 차동축들중 하나에 연결된 발전기를 포함하고, 상기 발전기는 제어입력에 반응해 재생충전 스테이지용 전력출력을 생성하며, 발전기가 작동하면 상기 차동축에 부하가 결리고 차동축들에 속도차가 생기며, 상기 제2 차동 스테이지의 구동메카니즘은 상기 출력구동축의 회전속도에 대한 상기 속도차를 전달하는 차동엔진을 제공한다.
또다른 측면에서, 본 발명은 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서: ⒜ 출 력축을 회전속도로 구동하고 이 출력축에 입력회전토크를 인가하는 제1 모터; ⒝ 상기 제1 모터의 출력축과 같은 방향으로 출력모터축을 회전속도로 구동하는 제2 모터; ⒞ 상기 제1 모터와 제2 모터의 입력회전토크를 부하연결용 출력구동축에서 회전토크로 변환하도록 상기 모터에 연결된 토크변환 스테이지;를 포함하고, ⒟ 상기 토크변환 스테이지의 제1 차동 스테이지는 입력축과, 이 입력축에서 제1 및 제2 출력축들로 회전토크를 전달하는 기어메카니즘을 포함하고, 상기 기어메카니즘은 상기 출력축들 각각을 동일한 속도와 반대 회전방향으로 구동하며; ⒠ 상기 토크변환 스테이지의 제2 차동 스테이지는 제1 차동 스테이지의 제1 출력축에 연결된 제1 입력축, 제1 차동스테이지의 제2 출력축에 연결된 제2 입력축, 및 제2 차동스테이지의 제1 및 제2 입력축들 사이에 회전속도차가 생길 때 상기 출력구동축에 회전토크를 인가하는 기어메카니즘을 포함하고; ⒡ 상기 제1 모터의 출력축에 연결된 제1 입력축, 상기 제2 모터의 출력모터축에 연결된 제2 입력축, 상기 제1 차동스테이지의 입력축에 연결된 출력축, 및 상기 출력모터축과 출력축으로부터 입력스테이지의 출력축에 회전토크를 전달하는 기어메카니즘을 포함하는 입력스테이지; 및 ⒢ 상기 제2 차동스테이지의 입력축들중 하나에 연결되고, 상기 입력축에 부하를 걸어주는 제어입력에 응답하여 관련 입력축의 회전속도를 변화시키는 부하메카니즘;을 더 포함하는 차동엔진을 제공한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 종래의 전기모터의 출력효율대 속도 곡선을 보여주는 그래프;
도 1b는 이상적인 모터의 출력효율대 속도 곡선을 나타낸 그래프;
도 2는 본 발명에 따른 토크변환이 가변적인 차동엔진의 블록도;
도 3a는 본 발명에 따른 차동엔진의 출력효율대 속도 곡선의 그래프;
도 3b는 본 발명에 따른 차동엔진의 출력토크대 속도 곡선의 그래프;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동엔진의 블록도;
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 차동엔진의 블록도;
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동엔진의 블록도;
도 7은 본 발명에 따른 차동엔진에 화학적 부하를 제공하는 물전해질 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따라 토크변환이 가변적인 차동엔진(10)의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차동엔진(10)은 전기모터(12), 기계식 유성 트랜스미션(13), 및 정속 컨트롤러(11)를 포함한다. 유성 트랜스미션(13)은 제1 차동기어박스(14)와 제2 차동기어박스(16)를 포함한다. 제1 차동기어박스(14)의 입력축은 전기모터(12)의 출력단에 연결된다. 차동기어박스(14)는 제1 및 제2 출력축(22,24)을 갖는다. 제1 출력축(22)은 뒤에 자세히 설명하는 발전모드로 동작하는 제1 발전기(26)의 회전자에 연결된다. 마찬가지로, 제2 출력축(24)은 역시 발전모드로 동작하는 제2 발전기(28)의 회전자에 연결된다. 이들 발전기(26,28)는 경우에 따라서는 모터로 작동되어, "모터/발전기"라 하기도 한다. 제2 차동기어박스(16)는 제1 및 제2 입력축(30,32)을 갖는다. 제1 입력축(30)은 제1 발전기(26)의 회전자에 연결되고, 제2 입력축(32)은 제2 발전기(28)의 회전자에 연결된다. 차동기어박스(16)의 출력축(34)은 차동엔진(10)의 구동출력을 제공하는바, 이에 대해서는 후술한다. 출력축(34)은 자동차 바퀴 등의 부하(36)에 연결되어 부하를 구동시킨다.
전기모터(12)는 연속으로 동작하고 그 출력축(20은 화살표(21) 방향으로 회전한다. 전기모터(12)의 출력축(20)은 제1 차동기어박스(14)의 입력축에 연결된다. 전기모터(12)는 출력축(34)의 운동과 무관하게 계속 회전한다. 그러나, 예컨대 자동차가 정지되어 출력이 불필요할 때는 전기모터(12)를 차단하거나 속도를 늦출 수 있다. 전기모터(12)의 속도는 정속컨트롤러(11)에 의해 제어된다. 토크의 함수로서 효율을 최대화하도록 되어 있는 전기모터(12)에 대한 비교적 작은 속도조정과는 별도로, 정속컨트롤러(12)는 모터(12)의 속도가 무단으로 변속되도록 설정된다. 전기모터(12) 대신 또는 (도 6에서 설명하는 바와 같이) 전기모터와 함께 개솔린모터를 사용하면, 최고효율(고속) 속도로 개솔린모터를 작동시키면서도, 부하변동은 커도 모터의 속도변동을 작게 하여 최적 효율을 유지할 수 있다.
출력축(34)은 조정된 속도로 회전하고, 최대 회전속도는 통상 모터(12)의 속도보다 훨씬 낮다. 이와 같은 엔진(10)의 구성에서는 어떤 방향으로도 속도가 감속되고 토크가 변환된다. 전기모터(12)가 계속 회전함에도 불구하고, 클러치나 기타 비슷한 메카니즘을 이용해 전기모터(12)를 출력축(34)에서 분리하지 않아도 출력축(34)은 완전히 정지할 수 있다. 전기모터(12)는 출력축(34)의 정지여부에 무관하게 계속 (비교적 일정 속도로) 정방향이나 역방향으로 회전한다.
출력축(34)의 회전속도는 0에서부터 전진 및 후진 속도범위로 연속적으로 가변된다. 두개의 차동기어박스(14,16)에서의 효율손실과, 발전기(26,28), 배터리 충전모듈(40,42), 정속컨트롤러(11) 및 제어기(70)에서 생기는 손실들과 무관하게, 전기모터(12)의 속도를 출력축(34)의 속도로 나눈 비율의 함수로 출력축(34)에서 토크변환이 일어난다(증가한다).
전기모터(12)의 효율은 속도와 토크의 조합에 관련되므로, 전기모터(12)에서 생기는 일정 토크에 대한 최적의 속도가 있다. 전기모터(12)의 동작 효율은 측정된 모터 토크의 함수로서 모터(12)의 속도를 변화시켜 피크값으로 유지할 수 있으므로, 그 동작효율을 최대화할 수 있다.
도 2에 의하면, 전기모터(12)의 출력축(20)은 제1 차동기어박스(14)의 입력축(17)에 연결된다. 차동기어박스(14)의 제1 출력축(22)은 화살표(23) 방향으로 회전하고, 제2 출력축(24)은 화살표(25) 방향으로 회전한다. 출력축(22)이 제1 발전기(26)의 회전자에 연결되어 있어서, 제2 차동기어박스(16)에 연결된 제1 입력축(30)은 화살표(23) 방향으로 같은 속도로 회전한다. 마찬가지로, 차동기어박스(16)에 연결된 제2 입력축(32)은 출력축(24)과 같은 방향 같은 속도로 회전한다.
차동기어박스(14)는 속도비 1:1:1인 (축 20에 연결된) 하나의 입력축(17)과 두개의 출력축(22,24)을 갖는 차동기어드라이브(도시 안됨)를 포함한다. 물론 속도비가 다를 수도 있다. 차동기어박스(14)의 입력축(17)은 모터의 출력축(20)에 연결되고 출력축(22,24)은 직각축을 통해 두개의 베벨기어에 각각 연결된다. 두개의 베벨기어 구동축에 연결된 입력축(30,32)과 출력축(34)을 갖는 제2 차동기어박스(16)에도 기어 크기를 제외하고는 유사한 차동기어시스템(도시 안됨)이 적용된다. 제1 차동기어박스(14)의 (모터(12)의 출력축(20)에 연결된) 입력축(17)과 두개의 출력축(22,24)은 비교적 낮은 토크를 겪고, 토크값을 출력축(30,32)과 공유한다. 제2 차동기어박스(16)의 출력축(34)은 훨씬 높은 토크부하를 받고, 따라서 제2 차동기어박스(16)는 제1 차동기어박스(14)보다 더 강하게 설계하는 것이 바람직하다. 입력축(17)의 토크는 출력속도(즉, 출력축(34)의 속도)를 입력속도(즉, 입력축(30)의 속도)로 나눈 값에 손실을 더한 값으로 주어진다.
차동기어박스(14)의 출력들(22,24)중 하나에 과도한 역회전 부하가 걸리면, 부하를 받는 축의 속도가 감소하는 만큼 나머지 축의 회전속도는 증가한다.
전술한 바와 같이, 제1 차동기어박스의 출력축(22,24)은 각각 제2 차동기어박스(16)의 입력축(30,32)을 구동한다. 출력축(22,24)중 하나에 하중이 걸리면, 두개의 출력축(22,24) 사이에 회전속도차가 생기고, 이런 회전속도차는 제2 차동기어박스(16)의 입력축(30,32)에도 존재한다. 전기모터(12), 출력축(20,22), 입력축(30,32)을 거치면서 생기는 큰 감속 때문에, 출력축들(22,24)에 작용하는 입력토크는 출력토크보다 훨씬 작다.
(화살표 23, 25로 표시된 바와 같이) 서로 반대로 회전하는 축(30,32)은 차동기어박스(16)의 회전 베벨기어(도시 안됨)를 구동시키는 차동입력을 제공한다. 이들 베벨기어(도시 안됨)는 출력축(34)에 연결된다. 기어드라이브 배열로 인해, 두개의 입력축(30,32)이 등속도로 회전하면 출력축(34)의 속도는 제로로 된다. 그러나, 두개의 입력축(30,32) 사이에 상대속도차가 있으면, 예컨대 축(30,32)의 하나에 부하가 걸리면, 나머지 축에는 모터 가동 전력부하가 인가되어 출력축(34)에 필요한 속도가 생긴다. 이런 부하때문에 축들(30,32)중 하나의 회전속도는 감소되고, 차동기어시스템의 동작을 통해 나머지 축의 회전속도는 증가하며, 두개의 입력축(30,32) 사이의 차동속도는 차동기어박스(16)를 통해 출력축(34)에 전달된다. 베벨기어 이외의 다른 기어구성을 이용할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 전기모터(12)는 정속컨트롤러(11)의 제어하에 정속으로 동작한다. 모터(12)의 속도는 토크 등의 부하에너지와 무관하게 엔진(10)의 설계제한내에서 또 출력축(34)의 속도와 무관하게 컨트롤러(11)에 의해 일정하게 유지된다.
입력축(30,32) 사이에 속도차를 발생시키는 메카니즘으로는 (경우에 따라서 전기모터로도 동작하는) 발전기(26,28)중 하나를 이용해 관련 입력축(30 또는 32)에 부하를 가하는 것이 있다. 전술한 바와 같이, 제1 발전기의 회전자 일단부가 제1 차동기어박스(14)의 출력축(22)에 단단히 직접 연결되고, 타단부는 제2 차동기어박스(16)의 입력축(30)에 연결된다. 마찬가지로, 제2 발전기(28)의 회전자는 일단부는 출력축(24)에 타단부는 제2 입력축(32)에 직접 연결된다. 제1 발전기(26)의 회전자는 제2 차동기어박스(16)의 출력축(22) 및 입력축(30)과 같은 속도로 회전한다. 마찬가지로, 제2 발전기(28)의 회전자는 차동기어박스(16)의 출력축(24) 및 입력축(32)과 같은 속도로 회전한다. 이들 발전기(26,28) 각각의 본체는 기어박스(14,16)의 본체와 마찬가지로 고정조립체에 단단히 장착되어, 발전기(26,28)의 하우징이 회전하지 않도록 한다.
차동기어박스(14,16)의 손실을 무시하고, 입력축(30 또는 32)의 회전속도를 낮추는데 (또는 높이는데) 필요한 역방향 회전토크는 출력토크와 관련되고 모터(12)의 회전속도를 출력축(34)의 회전속도로 나눈 비로 주어진다(그리고 한쪽 축이 부하를 받고 다른쪽 축이 구동될 때, 각각의 차동축은 상기 토크의 1/2이 필요할 것이다). 이런 관계를 기초로, 출력축(34)의 최대 회전속도에 대해 모터(12)를 작동시키는 높은 속도는 출력축(34)에 필요한 회전속도를 생성하는데 필요한 최대부하력을 감소시키는 바람직한 효과를 내고 유리하게도 발전기(26,28)용으로 비교적 소형 모터의 이용을 가능케한다. 발전기(26,28) 및 두개의 관련축(22,30;24,32) 사이에 기어비가 적용되어 발전기(26,28)가 더 빠른 속도로 회전하면 효율이 더 향상된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차동엔진(10)은 재생 충전회로(15)를 포함한다. 재생 충전회로(15)는 한 쌍의 배터리 충전모듈(40,42)을 포함한다. 제1 배터리 충전모듈(40)은 제1 발전기(26)의 출력단에 연결되고, 마찬가지로 제2 배터리 충전모듈(42)은 제2 발전기(28) 출력단에 연결된다. 배터리 충전모듈(40,42)은 에너지 저장기에 연결되는바, 에너지 저장기의 예로는 후술하는 배터리(50)나 기타 적당한 장치가 있다. 재생충전회로들은 예컨대 제동, 가감속중에, 또는 출력축(34)의 속도가 부하를 받는 어느때라도 출력축과 입력축 쌍(22,30;24,32)의 부하에 의해 재생되고, 전기모터(12)의 효율을 최적화하는 역할을 한다.
도 2에 따르면, 제1 배터리 충전모듈(40)의 출력단은 다이오드(60)를 통해 배터리(50)의 한쪽 단자에 연결된다. 마찬가지로, 제2 배터리 충전모듈(42)의 출력단도 제2 다이오드(62)를 통해 배터리(50)의 단자에 연결된다. 배터리(50)의 나머지 단자는 배터리 충전모듈(40,42)의 귀로입력단에 연결된다. 이들 다이오드(60,62)로 인해, 각각의 배터리 충전모듈(40,42)의 충전전류가 배터리(50)로 흐르고 배터리 충전모듈(40,42)의 입력단으로는 되돌아가지 않게 된다. 이들 다이오드(60,62)는 동일한 기능의 다른 소자로 교체해도 된다.
배터리 충전모듈(40,420)은 각각 제어기(70)에 연결된다. 제어기(70)의 주요 기능은 배터리 충전모듈(40,42) 각각의 동작을 독립적으로 제어하고 출력축(34)에 원하는 속도와 회전방향을 제공하는데, 이에 대해서는 후술한다. 제어기(70)는 배터리 충전모듈(40,420)을 제어하는 외에도 후술하는 다른 제어기능들을 실행하도록 적절히 프로그램된다.
차동기어박스(16)의 입력축(30,32) 사이에 회전속도차를 생기게 하여 출력축(34)의 회전속도를 조정한다. 입력축들 사이의 속도차는 출력축(22)과 입력축(30)의 어느 하나에 부하를 걸거나 출력축(24)과 입력축(32)에 부하를 걸어 생긴다. 뒤에 자세히 설명하겠지만, 출력축(30)에 부하를 걸어준다는 것은 모터/발전기(26)의 동작으로 입력축(22)과 출력축(30)의 회전 반대방향으로 힘을 가한다는 의미이다. 마찬가지로, 출력축(32)에 부하를 걸어준다는 것은 모터/발전기(28)의 동작으로 입력축(24)과 출력축(32)의 회전 반대방향으로 힘을 가한다는 의미이다. 배터리 충전모듈(40)이 발전기(26)의 전류를 받지 않으면, 출력축(22)에 는 아무 부하도 걸리지 않는다. 제2 출력축(24)에도 마찬가지로, 배터리 충전모듈(42)이 발전기(28)로부터 아무 전류도 받지 않으면 아무 부하도 걸리지 않는다. 차동기어박스(14)를 통해 출력축(22,24)에 전달되는 모터(12) 출력축(20)의 회전에 의해 발전기(26,28)의 회전자들이 회전해도, 발전기(26,28)에서 전류가 공급되지 않으면 아무 부하가 생기지 않는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입력축(30)은 제어기(70)의 출력단(F)에서 속도 및/또는 토크를 판독하는 속도/토크 센서(31)를 포함한다. 마찬가지로, 나머지 입력축(32)은 제어기(70)의 출력단(G)에서 속도 및/또는 토크를 판독하는 속도/토크 센서(33)를 포함한다.
배터리(50)에 충전전류를 공급하려면 배터리 충전모듈(40,42)중 하나를 작동시키는 제어기(70)에 발전기(26,28)중 하나로부터 전류가 공급되어야 한다. 제어기(70)에 의해 배터리 충전모듈(40)이 작동되면, 배터리 충전모듈(40)이 켜지고 발전기(26)로부터 전류가 인입되어 충전전류가 생산되며, 이 전류는 다이오드(60)를 통해 배터리(50)로 출력된다. 마찬가지로, 제어기(70)에 의해 배터리 충전모듈(42)이 작동되면 발전기(28)로부터 배터리 충전모듈(42)로 전류가 인입되어 충전전류가 생산되고, 이 전류는 다이오드(62)를 통해 배터리(50)로 공급된다. 전류인입 결과, 발전기(26)는 출력축(30)의 회전 반대방향의 힘을 발생시키고, 그 결과 차동기어박스(16)로 연결된 입력축(30)의 회전속도가 변한다. 마찬가지로, 제2 배터리 충전모듈(42)이 작동되면, 전류인입으로 인해 출력축(32)의 회전 반대방향의 힘을 발전기(28)가 발생시키고, 그 결과 차동기어박스(16)에 연결된 입력축(32)의 회전속도가 변한다. 입력축(30,32)에 생기는 힘과 최종 부하의 크기 는 제어기(70)의 제어하에 인입되는 전류의 크기에 따라 변한다. 입력축(30,32)의 속도차는 차동기어박스(16)에 의해 출력축(34)으로 전달된다. 출력축(34)의 화살표(35) 방향의 회전방향은 발전기(26,28)중 어느것이 부하를 받는가에 따라 달려있다. 이런식으로, 배터리 충전모듈(40,42)에서 생긴 충전전류는 발전기(26)에 의해 작용하는 힘(에너지)으로부터 회수되는 재생 충전전류를 포함하여, 예컨대 입력축(22,24)과 출력축(30,32)을 감속시키거나 제동시킨다. 입력축(22,24)이나 출력축(30,32)을 감속시키면 대응하는 입력축(24,22)과 출력축(30,32)의 속도가 증가하고, 출력축(34)의 속도는 차동축 쌍(22,30;24,32) 사이의 속도차와 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차동엔진(10)은 속도센서(90)와 토크센서(91)를 포함한다. 타코미터를 포함한 속도센서(90)는 출력축(34)에 연결되어 출력축(34)의 회전속도와 회전방향을 감지한다. 토크센서(91)는 출력축(34)의 토크출력을 감지한다. 출력축(34)의 토크와 속도는 궤환루프(71)내의 배터리충전 제어기(70)로 제공된다. 배터리충전 제어기(70)의 입력단(74)에서는 속도제어 입력신호를 수신한다. 배터리 충전제어기(70)는 마이크로프로세서와 같은 프로그래머블 장치를 포함하는 것이 바람직하다. 마이크로프로세서는 전술한 바와 같이 배터리 충전모듈(40,42)의 동작을 제어하는 동작 시퀀스들을 갖는 펌웨어의 프로그램을 실행하도록 적절히 프로그램된다.
도 2에 따르면, 배터리(50)의 전압과 충전전압의 차이인 충전레벨을 배터리 충전모듈(40,42)의 출력전압이 조정한다. 이와 같이 배터리 충전모듈(40,42)은 가변 전압원으로 기능한다. 본 발명에서, 배터리 충전모듈(40,42)은 하나의 사분위상을 취할 수 있는바, 이는 모듈(40,42)이 발전기(26,28)로부터 전력만을 취한다는 의미, 즉 발전기(26,28)를 발전기 모드로만 활용하여 전력을 배터리(50)로 보낸다는 의미이다. 배터리 충전모듈(40,42)은 또한 두개의 사분위상을 취할 수도 있는바, 이는 모듈(40,42)이 발전기(26,28)로부터 전력을 취해 배터리(50)로 보낼 수 있고, 또한 배터리 충전모듈(40,42)이 배터리(50)나 다른 전원으로부터도 전력을 취해 발전기(26,28)로 다시 보낼 수도 있는데, 이 경우에는 발전기(26,28)가 모터로 작동됨을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리충전 제어기(70)의 각각의 제어출력단(73,75)은 배터리 충전모듈(40,42)에 연결된다. 제어기(70)는 출력단(73,75)에 제어신호를 생성하여, 각각의 배터리 충전모듈(40,42)로부터의 출력 전압레벨을 설정한다. 동작중에, 제어기(70)는 토크/속도 센서(90)를 통해 출력축(34)의 속도와 회전방향(화살표 35)을 측정하고, 측정된 입력값을 속도제어 입력단(74)과 비교한다. 제어기(70)는 또한 각각의 입력단(76,78)에서 배터리 충전모듈(40,42)의 출력전류를 측정하고, 입력단(80)에서는 배터리(50)에서 모터(12)로 가는 전류를 측정한다. 속도제어 입력단(74)의 신호에 응답해, 배터리 충전제어기(70)는 배터리 충전모듈(40,42)중 하나를 작동시키고 발전기(26,28)중 하나에서 인입된 전류를 설정하여 각각의 입력축(30,32)에 부하를 걸어줌으로써, 출력축(34)의 회전속도를 원하는 값으로 얻는다. 배터리충전 제어기(70)는 출력축(34)의 실제 회전속도를 결정하는데 속도센서(90)의 출력을 이용하고, 실제 속도가 속도제어입력단(74)의 원하는 범위내에 없으면, 배터리 충전모듈(40,42)중 하나에서 인입된 전류를 조정하여 발전기(26,28)중 하나에 의해 입력축(30,32)중 하나에 걸리는 부하를 변화시킨다. 제어기(70)의 입력단(80,82)에서 측정한 배터리 충전모듈(40,42)의 출력전압이 배터리(50)가 완전히 충전되었음을 보여주면, 제어기(70)는 배터리 충전모듈(40,42)에 의한 배터리(50)의 충전과정을 중단한다. 배터리 충전모듈(40,42)의 최종 부하는 제거되고, 배터리(50)로부터 배터리 충전모듈(40,42)로 보내지는 모든 반전전류는 다이오드(60,62)에 의해 차단된다.
바람직하게, 모터/발전기(26)는 발전기모드로, 모터/발전기(28)는 모터 모드로 작동시키도록 모터/발전기(28)에 인가될 모터/발전기(26)의 출력전압의 활용도를 제어하기에 적당히 제어기(70)가 프로그램되어 있다. 마찬가지로, 모터/발전기(28)는 발전기모드로, 모터/발전기(26)는 모터 모드로 작동시키도록 모터/발전기(26)에 인가될 모터/발전기(28)의 출력전압의 활용도를 제어하기에 적당히 제어기(70)가 프로그램되어 있다.
전술한 바와 같이, 제어기(70)의 제어하에 배터리 충전모듈(40,42)에 의해 발전기(26,28) 각각에 생기는 전류수요를 통해, 배터리(50)를 충전하는 재생 충전전류는 출력축(34)의 회전 토크출력과 동시에 생성된다. 이 엔진(10)은, 출력축(34)이 회전할 때마다 그 회전이 일정하건, 가감속적이건 정방향이건 역방향이건 상관 없이 배터리(50)에 대한 재생 충전전류가 생산된다. 발전기(26,28)중 하나의 전류인입을 증가시키면, 엔진의 제동과정이 이루어질 수 있다. 제동과정중에, 각각의 발전기(26,28)에 의해 입력축(30,32) 각각에 걸리는 부하로 인해 출력축(34)의 제동력과 동시에 배터리(50)의 재생 충전전류가 생성된다.
배터리 충전제어기(70)는 배터리(50)의 온도, 주변온도, 모터(12)의 온도, 주변습도 등의 기타 인자들을 감시하기 위한 입력단들도 가질 수 있다. 이들 인자들은 엔진(10)의 작동과 관련된 에너지 변환과정의 효율을 최적화하는데 활용될 수 있다.
배터리(50)가 완전히 충전되는 경우, 개솔린모터, 기타 비전기식 모터, 비배터리식 모터로 전기모터(12)를 대체하는 경우, 축전성능 없는 연료전지를 전원으로 이용하는 경우, 또는 도 7에 도시된 바와 같이 배터리 충전모듈(40,42)에 대한 부하가 물전해장치(400)와 같은 화학적 부하인 경우를 고려해, 차동엔진(10)은 전자전력모듈(92)을 구비할 수도 있다(도 2 참조). 전자전력모듈(92)는 제1 및 제2 모터구동모듈(27,29)을 포함한다. 제1 모터구동모듈(27)은 제어선을 통해 모터/발전기(26)에 연결되고, 마찬가지로 제2 모터구동모듈(29)은 다른 제어선을 통해 모터/발전기(28)에 연결된다. 모터구동모듈(27)의 제어입력단(31)은 제어기(70)의 제어신호출력단(84)에 연결된다. 또, 모터구동모듈(27)의 전력입력단(33)은 출력단(C)에서 모터/발전기(26)에 연결되어 전력을 받는다. 마찬가지로, 제2 모터구동모듈(29)의 제어입력단(35)은 제어기(70)의 다른 제어신호출력단(86)에 연결되고, 전력입력단(37)은 출력단(D)에서 모터/발전기(28)로부터 전력을 받는다.
제어기(70)의 제어하에, 전자전력모듈(92), 즉 모터구동모듈(27,29)은 모터/발전기(26,28)를 모터모드와 발전기모드 두가지로 작동시키되, 이들중 하나는 모터로 나머지는 발전기로 작동시킨다. 예컨대, 전자전력모듈(92)이 제1 모터/발전기(26)를 발전기 모드로 작동시키고 제2 모터/발전기(28)는 모터 모드로 작동시키면, 제1 모터/발전기(26)는 축(22/30)에 부하를 걸어주고 전기에너지원을 제공한다. 모터/발전기(26)에서 생긴 전력은 제1 모터구동모듈(27)의 전력입력단(33)으로 출력된다. 제1 모터구동모듈(27)은 제1 발전기(26)의 전력을 모터로 구동하는 제2 모터/발전기(28)로 보낸다. 제2 모터/발전기(28)는 두개의 축쌍(22/30;24/32) 사이에 속도차를 생성시키는 방향으로 작동하고, 그 결과 출력축(34)이 적절히 회전한다.
관련 모터구동모듈(27,29)의 제어하에 모터/발전기(26,28)중 발전기로 동작하는 것에서 생산된 에너지로 모터/발전기(26,28)의 나머지에 에너지가 공급되어, 출력축(34)을 구동시키는 회전에너지원이 제공된다. 그 결과 효율이 높은 에너지변환 메카니즘이 생긴다. 전기에너지 일부는 제어기(70)와 모터구동모듈(27,29)이 제어기능을 하는데 필요하지만, 이 에너지는 "신호레벨"이므로 크지 않다.
바람직하게도, 배터리 충전모듈(40,42)과 더불어 제어기(70)로 전자전력모듈(92)을 제어하여 본 발명에 따른 차동엔진(10)의 에너지 변환 메카니즘을 개선할 수 있다. 예컨대, (전술한 바와 같이 속도차에 의해 출력축(34)을 회전시키도록) 배터리 충전모듈(40,42)을 작동시켜 관련 축쌍(22/30; 24/32)에 부하를 걸어주고 필요하다면 배터리(50)도 충전하기에 적절하게 제어기(70)를 프로그램할 수도 있다. 일단 배터리(50)가 적당히 충전되면, 전자전력모듈(92)을 이용해 모터/발전기(26,28)를 발전기와 모터 모드로 작동시켜 전술한 바와 같이 축쌍(22/30;24/32) 사이에 속도차를 일으킨다.
도 2에 따르면, 제어기(70)는 고속버스(94)를 구비할 수 있다. 고속버스(94) 는 CAN(Control Area Network)을 포함하고 다수의 차동엔진들(10) 사이의 작동상태를 교환하는 통신경로를 제공한다. 예컨대, 후륜(즉, 도 2의 부하 36)이 별도의 차동전기엔진(10)에 연결되면, 각 엔진(10)의 제어기(70)는 버스(94)를 통해 차동엔진(10) 각각과 관련된 회전모니터(96)의 출력과 함께 각각의 작동상태와 인자들을 서로 교환할 수 있다. 회전모니터(96)는 출력축(34)에 연결되고 출력축(34)의 회전반경과 속도를 측정하여 후륜, 즉 부하(36)의 최적 차동속도를 표시한다. 바람직하게, 버스(94)를 통해 작동정보를 고속으로 공유하기 때문에, 각 차동전기엔진(10)의 제어기(70)는 효율데이타, 원하는 속도, 출력속도 및 방향데이타를 공유할 수 있고, 이들 정보는 작동효율을 개선하는데 활용될 수 있다.
한편, 전술한 차동전기엔진(10)은 4가지 사분운동을 일으킬 수도 있다. 관련 발전기(26,28)에 의해 입력축(30,32)중 하나에 부하가 걸려 출력축(34)이 일정 속도로 일방향으로 부하를 받으면, 입력축, 예컨대 발전기(26)에 의해 부하를 받는 입력축(30)으로부터의 부하를 제거하여 속도를 완전 제어하에 단축할 수 있고, 그와 동시에 다른 발전기(28)는 다른 입력축(32)에 부하를 걸어주어, 예컨대 차동기어박스(16)에 의해 출력축(34)에 전달된 조정된 감속력을 생산할 수 있다. 이런 배열을 2가지 사분 제어라 한다. 출력축(34)이 정역방향 양쪽으로 회전할 수 있으므로, 엔진(10)의 구성도 4가지 사분운동 제어시스템으로 확장된다. 전자전력모듈(92)의 구성에 의해, 차동전기엔진(10)은 계속해서 4개 사분운동 제어를 한다.
출력축(34)에 연결된 부하(36)가 자동차 바퀴이면, 출력축(34)의 주어진 회 전속도를 유지하는데 필요한 토크의 크기는 부하(36)에 따라, 예컨대 자동차 바퀴가 주행하는 도로의 등급, 자동차의 공기저항 등에 따라 변한다. 어떤 경우에도, 출력축(34)에 미치는 부하(36)에 무관하게 자동차의 속도를 원하는대로 유지하는 것이 바람직하다. 속도를 일정하게 유지하기 위해, (출력축(34)의 회전방향에 따라) 발전기(26,28)에서 생기는 부하를 변화시켜 출력축(34)에 생기는 회전토크를 변동시킨다. 발전기(26,28)를 조정하여 제동효과를 낼 수도 있다. 예를 들어, 제1 발전기(26)에 필요한 전류가 제로로 감축되고 필요전류를 제2 발전기(28)에 공급하면, 자동차가 언덕을 내려갈 때(또는 다른 형태의 부하를 받을 때) 출력축(34)에 감속력이나 제동력을 생성시켜 자동차나 바퀴의 속도를 일정하게 유지할 수 있다.
전술한 바와 같은 유성 트랜스미션(13)의 배열에는 두개의 부하생성 모터/발전기(26,28)가 있다. 이들 두개의 발전기(26,28)로 인해 출력축(34)에 어느쪽 방향으로도 회전토크가 생성된다. 트랜스미션(13)의 입출력축 쌍중 하나에 발전기(26,28)중 하나만 있다면, 트랜스미션(13)은 일방향으로만 회전토크를 생성할 수 있다. 이 경우, 하나의 발전기(26)의 부하전류가 제로까지 감소될 때 출력축(34)에 연결된 부하(36)의 마찰력과 차동엔진(10)내의 마찰력으로 인해 출력축(34)의 회전을 감속시키는 힘이 생길 것이다.
본 발명에 따른 차동전기엔진(10)의 대표적인 효율대 출력속도 곡선이 도 3a에, 그리고 차동전기엔진(10)의 대표적인 출력토크대 출력속도 곡선이 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a에 의하면, 차동전기엔진(10)의 출력효율은 정방향(곡선 EF)과 역방향(곡선 ER) 양쪽으로 (요소(14,16,30,70,40,42,27,29)의 모든 손실과 무관하게 모터가 피크효율점에서 동작하고 전기모터의 피크효율이 80% 내지 100% 범위에 있다고 예상할 수 있을 때) 모터(12)의 피크효율이다. 도 3b에 의하면, 차동전기엔진(10)은 정방향(곡선 TF)과 역방향(곡선 TR) 양쪽으로 모든 속도에서 부하(예; 도 2의 차륜(36))에 피크출력토크를 인가한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 농형 유도모터/발전기용 회전자로 되는 고전류 컨덕터가 출력축(22)과 입력축(30)에 매립되어 있다. 출력축(22)과 입력축(30)은 서로 연결되어 발전기(26)의 로터를 형성하고 농형 유도발전기를 제공한다. 마찬가지로, 출력축(24)과 입력축(32)을 연결하고 이들 축(24,32)에 농형 유도모터/발전기를 형성하여 제2 모터/발전기(28)의 로터를 대체할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 도 2의 축전기인 배터리(50)가 배터리 아닌 다른 형태의 축전기, 예컨대 연료전지, 전동 플라이휠, 수퍼 커패시터일 수도 있다. 전동 플라이휠의 경우, 회전 플라이휠을 구동시키는 모터/발전기들이 배터리 충전모듈(40,42)에 의해 작동되어, 회전속도를 증가시키고 그 에너지를 운동에너지 형태로 저장한다. 저장된 에너지는 모터/발전기를 발전기 모드로 동작시키면 회수되어 운동에너지가 전기에너지로 변환된다. 발전기모드로 동작하면 회전 플라이휠의 회전이 감속되어 플라이휠에 저장된 운동에너지가 감소된다.
도 7에 도시된 것과 같이 연료전지나 연료전지에 사용되는 수소발생기로 배터리(50)를 대체하면, 배터리 충전모듈(40,42)에서 생긴 전기에너지를 이용해 연료 전지나 기타 에너지생성과정을 위한 이차연료의 생성을 통한 효과적인 가역화학반응을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 전기에너지를 이용해 수소(또는 기타 화학적으로 유용한 에너지)를 생성했으면, 이 수소를 연료전지에 사용해 화학적으로 전기로 변환할 수 있다. 주지하는 바와 같이, 연료전지의 생성물은 물이고, 물은 연료전지에 사용될 수 있지만, 이런 회수루프는 명백히 100% 보다 작다. 한편, 개솔린 엔진 등의 기계적 에너지 변환에 적당한 연료를 생산하는 화학에너지를 만드는데 전기에너지를 사용할 수도 있다. 또, 위의 과정에서 생긴 수소를 흡입공기와 함께 개솔린엔진에 사용해, 엔진의 출력은 증가시키고 오염배출은 낮출 수도 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 차동엔진의 다른 예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모터/발전기(26,28)와 재생충전회로(15)는 기계식 부하/운동에너지 저장시스템(300)으로 대체된다. 기계식 부하시스템(300)은 각각의 기계식 커플러(304,306)를 통해 축(22/39;24/32)에 연결된 기계식 플라이휠 저장장치(302)를 포함한다. 기계식 플라이휠 저장장치는 기계식 플라이휠 하나일 수도 있고, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 축 쌍(22/30)의 플라이휠(308)과 제2 축 쌍(24/2)의 플라이휠(310)일 수도 있다. 기계식 커플링은 기계식 메카니즘(예; 기어, 구동축 등), 또는 자석이나 유체 구동 커플링 메카니즘을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 다른 예에서, 모터/발전기(26,28)는 재생충전회로(15)나 다른 형태의 에너지 저장기에 연결되지 않는다. 대신, 모터/발전기(26,28)중 하나를 제어기(70)에 의해 가변적인 전기부하(320)에 연결한다. 전기부하(320)는 전기제어 저항기나 가변 전기단락부(예; 펄스폭 변조기)일 수도 있다. (앞에서 자세히 설명 한 것처럼) 출력축(34)의 실제 원하는 출력속도를 기초로 축 쌍(22/30;24/32)에 걸린 부하를 변화시키는 적절한 제어신호들을 출력하는 제어기(70)로 전기부하(320)를 제어한다. 또다른 변형례로, 축 쌍(22/30;24/32)에 걸리는 부하는 (도 5에 파단선으로 도시된) 브레이크 마찰기구(322)나 유압구동기구와 같은 기계적 부하일 수도 있다. 기계적 부하(322) 역시 제어기(70)로 제어된다. 이런 부하기구는 축 쌍(22/30;24/32) 사이에 속도차를 내게하는데는 효과적이지만, 사용된 에너지를 회수할 수 없다.
도 6에는 본 발명에 따른 또다른 차동엔진(100)이 도시되어 있다. 도 6의 차동엔진(100)은 개솔린모터(110) 또는 기타 적당한 회전운동원을 포함하고, 그 출력축(111)이 회전토크 출력을 제공한다. 개솔린모터(110)는 보조모터로서, 전기모터(12)에서 제공된 회전토크를 임시로 또는 영구적으로 대체할 수 있다. 도 2에서 설명한 전기모터(12)의 출력축(20) 역시 회전토크 출력을 제공한다.
전기모터(12)와 개솔린엔진 외에도, 차동엔진은 차동기어박스(112), 유성 트랜스미션(13) 및 재생충전회로(15)를 구비한다(도 2 참조). 차동기어박스(112)는 유성 트랜스미션(13)의 차동기어박스(16)와 비슷하지만, 축(20,111)의 동작이 동일한 방향으로 회전하고 각 토크가 추가된다는 점에서 차이가 있다. 차동기어박스(112)는 제1 및 제2 입력축(114,116)과 출력축(118)을 갖는다. 제1 입력축(114)은 전기모터(12)의 출력축(20)에 연결되고, 마찬가지로 제2 입력축(116)은 개솔린모터(110)의 출력축(111)에 연결된다. 차동기어박스(112)의 출력축(118)은 유성 트랜스미션(13)의 차동기어박스(14)의 입력축(17)에 연결된다(도 2 참조). 차동엔진(100)의 회전토크출력은 화살표(35)와 같이 어느 방향으로도 회전할 수 있는 출력축(34)에 제공된다.
차동기어박스(112)의 입력축(114,116)은 출력축(118)과 같은 속도로 회전한다. 출력축(118)은 도 2에서 설명한 바와 같이 전기모터(12)의 출력축(20)과 같은 식으로 유성 트랜스미션(13)에 회전토크출력을 제공한다. 차동엔진(100)에 대해, 차동기어박스(112)의 출력축(118)에 대한 개솔린모터(110)의 출력축(111)의 속도비는 1:1이 아니어서, 개솔린모터(110)의 유효속도를 가감시킬 수 있다. 개솔린모터(110)의 유효속도가 가감되면, 전기모터(12)의 출력축(20)과 같은 (화살표 119로 표시된) 속도로 출력축(118)이 회전할 수 있다.
도 6에 도시된 구성은, 전체적인 차동엔진(100)의 효율을 최적화하는 방식으로 전기모터(12)와 함께 개솔린모터(110)를 사용할 가능성을 제공한다. 개솔린모터(110)는 배터리의 재생충전회로에 기여하는 추가적인 회전토크입력을 제공하므로, 차동전기엔진(100)이 출력축(34)에 연결된 부하의 비효율성 내에서 손실된 것보다 큰 에너지를 제공한다면, 배터리(50)에 저장된 에너지가 순이득일 수 있다. 다른 측면에서, 개솔린모터(110)만을 회전토크 동력원으로 사용해 유성 트랜스미션(13)을 구동시킬 수 있고, 또한 충전된 배터리상태나 비배터리 시스템의 존재하에 충전시스템의 동작을 포함한 재생충전회로(15)를 통해 배터리(50)를 충전하여, 모터구동모듈(27,29)에 전력을 제공할 수도 있다. 이 구성에서는 개솔린모터(110)만 있지만, 개솔린모터(110)가 가장 효과적인 속도(즉, 피크효율점)로 회전하도록 제어할 수 있고, 이 속도를 약간 바꾸면 부하를 변동시키면서 엔 진동작을 피크효율로 유지할 수 있다.

Claims (25)

  1. 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서:
    ⒜ 출력축을 소정 회전속도로 구동하고 상기 출력축에 입력회전토크를 인가하는 제1 모터; 및
    ⒝ 상기 입력회전토크를 부하연결용 출력구동축의 회전토크로 변환하기 위해 상기 제1 모터에 연결된 토크변환 스테이지;를 포함하고
    ⒞ 상기 토크변환 스테이지에 포함된 제1 차동 스테이지는 하나의 입력축과 제1, 제2의 2개의 출력축과 기어 메커니즘을 갖는데, 제1 차동스테이지의 입력축은 제1 모터의 출력축에 연결되어 기어 메커니즘을 통해 상기 제1 및 제2 출력축에 회전토크를 전달하되, 이런 기어메카니즘에 의해 상기 제1 및 제2 출력축들이 각각 동일 속도로 서로 반대로 회전되며;
    ⒟ 상기 토크변환 스테이지에 포함된 제2 차동 스테이지는 제1 차동 스테이지의 제1 출력축에 연결된 제1 입력축, 제1 차동 스테이지의 제2 출력축에 연결된 제2 입력축, 및 제2 차동 스테이지의 제1 입력축이나 제2 입력축에 역회전 부하를 걸어주어 제1 입력축과 제2 입력축 사이에 회전속도차가 일어났을 때 상기 출력구동축에 회전토크를 인가하는 기어메카니즘을 가지며;
    ⒠ 상기 제2 차동 스테이지의 제1 및 제2 입력축들 중의 하나에 부하메커니즘이 연결되고, 이렇게 연결된 입력축에 부하메커니즘의 제어입력에 반응하여 부하가 걸려 회전속도가 변화되는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 모터가 전기모터로서 전기모터를 일정 회전속도와 소정 방향으로 작동시키기 위한 정속컨트롤러에 연결된 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 부하메카니즘이 회전자가 달린 발전기를 포함하고, 상기 회전자의 일단부는 제1 차동 스테이지의 출력축에 연결되며, 상기 회전자의 타단부는 제2 차동 스테이지의 입력축에 연결되고, 상기 부하메카니즘은 상기 제어입력에 응답해 발전기로부터 전류를 인입할 수 있는 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부하가 배터리충전회로와 축전 배터리를 포함하고, 상기 배터리충전회로는 상기 제어입력에 반응하여 배터리를 충전시키는 재생충전전류를 생산하며, 상기 배터리는 전기모터에 연결되어 에너지 저장기를 제공하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  5. 제4항에 있어서, 회전자가 달린 제2 발전기를 더 포함하고, 상기 제2 발전기의 회전자의 일단부는 제1 차동 스테이지의 나머지 출력축에 연결되며, 제2 발전기의 회전자의 타단부는 제2 차동 스테이지의 나머지 입력축에 연결되고, 이런 제2 발전기가 상기 입력축과 출력축에 의해 회전자에 걸린 회전토크에 응답해 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  6. 제5항에 있어서, 제2 배터리충전회로를 더 포함하고, 제2 배터리충전회로의 입력단은 제2 발전기의 출력단에 연결되고, 제2 배터리충전회로는 상기 제어입력에 반응하여 배터리를 충전시키는 재생 충전전류를 생산하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 차동 스테이지의 출력축과 제2 차동 스테이지의 입력축이 서로 연결되고, 이 출력축과 입력축에는 발전기용 농형 유도 회전자가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  8. 제3항에 있어서, 상기 부하는 가변 전기저항부하를 포함하고, 상기 가변 전기저항 부하는 제어입력에 반응하여 인가된 부하를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  9. 제3항에 있어서, 상기 부하가 전해화학 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  10. 제1항에 있어서, 상기 부하메카니즘이 기계식 제동장치를 포함하고, 상기 기계식 제동장치는 상기 제2 차동 스테이지의 입력축들중 하나에 연결되며 제어입력에 반응하여 입력축에 걸린 제동부하를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  11. 제2항에 있어서, 구동메카니즘을 더 포함하고, 상기 부하메커니즘에 연결되지 않은 제2 차동 스테이지의 입력축에 상기 구동메커니즘이 연결되며, 이렇게 구동메커니즘에 연결된 상기 입력축이 구동제어입력에 반응하여 가변회전속도로 회전되는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  12. 제11항에 있어서, 상기 구동메카니즘이 회전자를 갖는 발전기를 포함하고, 상기 회전자의 일단부는 상기 제1 차동 스테이지의 출력축에 연결되며, 회전자의 타단부는 상기 제2 차동 스테이지의 입력축에 연결되고, 상기 발전기는 상기 제어입력에 응답해 상기 발전기로부터 전류를 인입할 수 있는 부하에 연결되는 출력단을 갖는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구동메카니즘이 회전자가 달린 전기모터를 포함하는데, 이 전기모터의 회전자는 일단부는 제1 차동 스테이지의 출력축에 연결되며 타단부는 제2 차동 스테이지의 입력축에 연결되고, 이런 회전자가 달린 상기 전기모터는 상기 발전기에 연결되고 구동제어입력에 응답해 발전기로부터 전류를 받는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어입력과 구동제어입력을 발생시키는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기의 발전구동기는 상기 발전기에 연결되고 상기 제어입력에 응답해 발전기를 작동시켜 입력축에 부하를 걸어주며, 상기 제어기의 모터구동기는 상기 전기모터에 연결되고 상기 구동제어입력에 응답해 전기모터를 작동시켜 상기 제2 차동 스테이지의 나머지 입력축을 회전시키며, 상기 제어기의 속도센서는 상기 출력구동축에 연결되어 출력구동축의 회전속도를 감지하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어기가 네트웍 통신버스를 더 포함하고, 상기 네트웍 통신버스는 다수의 차동엔진들 사이의 인터페이스를 제공하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제어기가 토크센서를 더 포함하고, 이 토크센서는 상기 출력구동축에 연결되어 출력구동축의 회전토크를 감지하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  17. 제2항에 있어서, 출력축이 달린 제2 모터와 입력 스테이지를 더 포함하고, 상기 입력 스테이지는 상기 제1 모터의 출력축에 연결된 제1 입력축, 제2 모터의 출력축에 연결된 제2 입력축, 상기 제1 차동 스테이지의 입력축에 연결되는 출력축, 및 상기 제1 모터의 출력축과 제2 모터의 출력축으로부터의 회전토크를 상기 입력스테이지의 출력축에 전달하는 기어메카니즘을 구비하며, 상기 제2 모터의 출력축이 제1 모터의 출력축과 같은 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 모터가 개솔린모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  19. 제18항에 있어서, 상기 부하메카니즘이 회전자를 갖는 발전기를 포함하고, 상기 회전자의 일단부는 제1 차동 스테이지의 출력축에 연결되며, 회전자의 타단부는 제2 차동 스테이지의 입력축에 연결되고, 상기 부하메카니즘은 제어입력에 응답해 상기 발전기로부터 전류를 인입할 수 있는 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  20. 제19항에 있어서, 상기 부하가 배터리충전회로와 축전배터리를 포함하고, 상기 배터리충전회로는 제어입력에 응답해 배터리 충전용 재생충전전류를 생성하며, 상기 배터리는 상기 제1 모터에 연결되어 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  21. 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서:
    ⒜ 출력축을 일정 속도와 소정 방향으로 구동하는 모터;
    ⒝ 부하를 구동하기 위한 출력구동축과 입력축을 갖되, 상기 입력축은 상기 모터의 출력축에 연결되는 트랜스미션 스테이지; 및
    ⒞ 상기 트랜스미션 스테이지에 연결된 입력축을 통해 트랜스미션 스테이지로부터 전기에너지를 받아 에너지 저장기를 충전시키는 재생충전 스테이지;를 포함하고,
    ⒟ 상기 트랜스미션 스테이지는 제1 및 제2 차동 스테이지를 포함하고, 상기 제1 차동 스테이지는 상기 트랜스미션 스테이지의 입력축에 연결된 구동메카니즘을 가지며, 상기 제2 차동 스테이지는 상기 출력구동축에 연결된 구동메카니즘을 갖고, 제1 차동 스테이지의 구동메카니즘은 제1 및 제2 차동축들을 통해 제2 차동 스테이지의 구동메카니즘에 연결되며, 상기 차동축들은 같은 속도로 서로 반대 방향으로 회전하고;
    ⒠ 상기 트랜스미션 스테이지는 상기 차동축들중 하나에 연결된 발전기를 포함하고, 상기 발전기는 제어입력에 반응해 재생충전 스테이지용 전력출력을 생성하며, 발전기가 작동하면 이 발전기에 연결된 차동축에 역회전 부하가 걸려 다른 차동축과의 사이에 속도차가 생기며, 상기 제2 차동 스테이지의 구동메카니즘은 상기 속도차를 상기 출력구동축의 회전속도로 변환하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  22. 토크출력이 가변적인 차동엔진에 있어서:
    ⒜ 출력축을 소정 회전속도로 구동하고 이 출력축에 입력회전토크를 인가하는 제1 모터;
    ⒝ 상기 제1 모터의 출력축과 같은 방향으로 출력모터축을 소정 회전속도로 구동하는 제2 모터;
    ⒞ 제1 모터와 제2 모터의 입력회전토크를 부하연결용 출력구동축에서 회전토크로 변환하도록 상기 제1 모터 및 제2 모터에 연결된 토크변환 스테이지;를 포함하고,
    ⒟ 상기 토크변환 스테이지의 제1 차동 스테이지는 입력축과, 이 입력축에서 제1 및 제2 출력축들로 회전토크를 전달하는 기어메카니즘을 포함하고, 상기 기어메카니즘은 상기 제1 및 제2 출력축들 각각을 동일한 속도와 반대 회전방향으로 구동하며;
    ⒠ 상기 토크변환 스테이지의 제2 차동 스테이지는 제1 차동 스테이지의 제1 출력축에 연결된 제1 입력축, 제1 차동스테이지의 제2 출력축에 연결된 제2 입력축, 및 제2 차동스테이지의 제1 입력축이나 제2 입력축에 역회전 부하가 걸려 이들 2개 입력축 사이에 회전속도차가 생길 때 상기 출력구동축에 회전토크를 인가하는 기어메카니즘을 포함하고;
    ⒡ 상기 제1 모터의 출력축에 연결된 제1 입력축, 상기 제2 모터의 출력모터축에 연결된 제2 입력축, 상기 제1 차동스테이지의 입력축에 연결된 출력축, 및 상기 제1 모터의 출력축과 제2 모터의 출력모터축으로부터 입력스테이지의 출력축에 회전토크를 전달하는 기어메카니즘을 포함하는 입력스테이지; 및
    ⒢ 상기 제2 차동스테이지의 입력축들중 하나에 연결되고, 제2 차동스테이지의 입력축에 부하를 걸어주는 제어입력에 응답하여 관련 입력축의 회전속도를 변화시키는 부하메카니즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 모터는 전기모터를, 제2 모터는 개솔린모터를 포함하고, 상기 전기모터는 일정 회전속도와 소정 방향으로 전기모터를 구동시키는 정속컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  24. 제23항에 있어서, 상기 부하메카니즘은 회전자를 갖는 발전기를 포함하고, 상기 회전자의 일단부는 제1 차동스테이지의 출력축에 연결되며, 회전자의 타단부는 제2 차동스테이지의 입력축에 연결되고, 상기 부하메카니즘은 상기 제어입력에 응답해 발전기로부터 전류를 인입할 수 있는 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
  25. 제24항에 있어서, 상기 부하는 배터리충전회로와 축전배터리를 포함하고, 상기 배터리충전회로는 상기 제어입력에 응답해 배터리 충전용 재생충전전류를 생성하며, 상기 배터리는 전기모터에 연결되어 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 차동엔진.
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