KR101792309B1 - 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 차량, 특히 경량 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템(1, 1', 1")에 관한 것이다. 컨버터 시스템(1, 1', 1")은 차량에 연결하기 위한 지지 하우징(10, 10', 10"), 지지 하우징(10, 10', 10") 내에 적어도 부분적으로 배열된 전자기계 에너지 컨버터를 가지며, 상기 전자기계 에너지 컨버터는 스테이터(21, 21')에 대해 구동 축(7, 40) 주위에서 회전가능한 로터(22, 22')와 하나 이상의 스테이터(21, 21')를 가지며, 연결 요소에 로터(22, 22')를 연결하는 파워 트랜스미션 장치를 포함한다. 특정의 저렴한 설계가 가능하고 유지보수가 용이해지며 열 문제가 감소된다.

Description

전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템{ELECTROMECHANICAL CONVERTER SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES}
본 발명은 전기 차량, 특히 경량 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템에 관한 것이다.
차량용 전기 또는 전자기계 컨버터 시스템은 종래 기술에 널리 공지되었고, 예를 들어, 소위 전기 차량의 추진을 위한 전기 에너지를 기계적 구동 에너지로 변환하기 위하여 사용된다. 또 다른 응용에서, 차량 내의 전자기계 컨버터 시스템은 기계적 작동으로부터 전기 에너지를 생성하는데 사용된다. 이는 전기 휠 구동부(래인지 익스텐더(range extender))의 공급을 위한 내연 기관의 작동으로부터 전기 에너지를 생성하는 차량 발전기를 포함한다.
에너지 비용이 증가됨에 따라, 예컨대, 전기 차량이지만 또한 특히 경량 전기 차량의 분야에서 신규한 유형이 도입되는, 다양한 차량 유형이 최근에 상당히 발전되었다. 또한, "이-바이크(e-bikes)"로 불리는 전기 자전거에 추가로, 매일 사용하기에 적합한 전기 스쿠터와 전기 모터가 달린 자전거가 이용될 수 있다. 이들은 전기 모터와 같이 전자기계 컨버터 시스템을 통하여 전기 에너지에 의해 전적으로 또는 부분적으로 동력이 공급된다.
특정 유형의 경량 전기 차량은 적어도 부분적으로 전기 에너지에 의해 추진되지만 탑승자의 근육의 힘에 의해 보조로 추진될 수 있는 소위 "하이브리드-이-바이크"이다. 특히, 후자의 차량에 따라, 또한 발전기와 같이 작동하는 전자기계 컨버터 시스템은 탑승자가 생성한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하고 이 에너지를 모터에 직접 공급하거나 이를 임시로 저장하기 위한 전기 모터에 추가로 사용될 수 있다.
그러나, 현재 사용가능한 전자기계 컨버터 시스템은 전기 차량, 특히 경량 전기 차량 내에서 사용하기에 이상적이지 못하고 종종 부적절한 효율을 나타낸다. 그러나, 특히 효율은 실제 연관된 차량의 범위를 결정한다.
예를 들어, 휠 허브 모터와 같은 통상적인 컨버터 시스템은 이의 설계로 인해 작동 중에 높은 온도를 생성하고, 이에 따라 컨버터 시스템의 짧은 수명에 따른 높은 유지보수 비용을 야기한다.
따라서, 이의 목적은 긴 수명을 가지며 용이한 유지보수가 허용되는, 전기 차량, 특히 경량 전기 차량의 기술적 요건에 적합한 차량용 전기 커버터 시스템을 제공하는 데 있다.
이 목적은 청구항 제 1항에 따른 전기 컨버터 시스템 및 제 15항에 따른 전기 차량에 의해 해결된다. 종속항은 본 발명의 선호되는 실시 형태를 설명한다.
본 발명의 주요 목적은 적어도 제 1 및 제 2 축방향 섹션과 함께 지지 하우징 내의 전자기계 에너지 컨버터의 특정 배열에 있으며, 제 1 섹션은 구동 축에 수직인 제 2 축보다 큰 직경을 갖는다. 에너지 컨버터는 스테이터 및 로터를 포함하도록 형성되며, 스테이터와 로터는 적어도 부분적으로 제 1 섹션 내에 배열된다. 제 2 섹션은 연결 요소 또는 로터의 베어링을 위해 형성된다.
이에 따라, 지지 하우징의 넓은 표면을 통하여 선호되는 방식으로 에너지 컨버터의 작동 중에 스테이터 내에서 주요하게 생성되는 열 에너지를 분산시킬 수 있으며, 제 2 섹션은 연결 요소 및/또는 로터의 베어링에 적합하다. 따라서, 예를 들어 특히 비용-효율적이고 및/또는 저-유지보수 베어링을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 컨버터 시스템에 따라 증가된 열 분산 및 동시에 감소된 제조 비용이 가능하다. 증가된 열 분산으로 인해, 유지보수 비용이 바람직하게 감소될 뿐만 아니라 컨버터 시스템의 모든 부분들이 더 적은 열 부하에 노출된다. 이는 에너지 컨버터 및/또는 파워 트랜스미션 장치가 윤활제를 이용하여 작동될 때 특히 선호되는 경우이며, 더 작아진 열 부하에 따라 윤활제는 높은 수준의 효율로 이상적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 문헌에서, 전기 차량은 적어도 부분적으로 전기를 이용하여 동력이 공급되는 단일- 또는 다-트랙 차량, 특히 로드 차량을 의미하는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 전기 차량은 경량 전기차량, 예를 들어 전기식 2-륜차 또는 3-륜차 또는 전기식 자전거, 페델렉(pedelec), 스쿠터, 휠체어, 4륜 오토바이(quad bike) 또는 카트(kart)이다. 500 kg 이하의 자중(empty weight)이 특히 선호되며, 게다가 배터리를 포함하여 100 kg 이하가 선호된다.
본 발명에 따라서, 컨버터 시스템은 차량에 연결하기 위한 지지 하우징을 포함하고, 지지 하우징은 차량에 연결하기 위하여 형성되고, 적어도 로터 및 스테이터를 갖는 적어도 부분적으로 전자기계 에너지 컨버터를 포함한다. 따라서, 지지 하우징은 차량의 몸체 또는 프레임 또는 전기 차량에 대한 나사 연결, 플러그 연결, 또는 용접 연결을 위해 형성될 수 있다.
하나 이상의 전자기계 에너지 컨버터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 및/또는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 작동된다. 전자기계 에너지 컨버터는 이에 따라 바람직하게는 전기 모터 및/또는 발전기와 같은 하나 이상의 전기 장치를 포함할 수 있다. 특히, 전자기계 에너지 컨버터는 전기적 에너지가 기계적 에너지로부터 생성되는 발전기 작동 모드와 기계식 에너지가 전기 에너지로부터 생성되는 모터 작동 모드 모두로 작동될 필요가 없고, 이는 특정 응용에 따라 특히 선호될 수 있다.
하나 이상의 로터가 스테이터에 대해 구동 축 주위에서 회전가능하게 배열되고, 연결 요소를 이용하여 로터를 연결하는 파워 트랜스미션 장치에 연결된다. 이때, 파워 트랜스미션 장치는 연결 요소로부터 로터로 및/또는 로터로부터 연결 요소로 토크를 전달하기 위한 임의의 적합한 설계를 포함할 수 있다.
연결 요소는 임의의 적합한 설계일 수 있고, 컨버터 시스템의 입력 및/또는 출력으로서 기능을 한다. 특히, 특정 응용에서 발생되는 힘에 따라 재료와 설계가 선택되어야 한다. 연결 요소는 예를 들어, 샤프트 및/또는 플랜지를 포함할 수 있고, 바람직하게는 차량의 다른 구성요소에 용이한 연결을 허용하기 위하여 지지 하우징의 외측에 적어도 부분적으로 배열된다.
특히 바람직하게 연결 요소는 예를 들어 모터와 같은 시스템의 응용의 경우 전기 차량용 구동 휠 도는 차량 휠의 허브와 같은 휠 조립체에 대한 연결을 위해 형성된다. 특히 바람직하게 연결 요소는 휠 허브와 일체로 형성된다. 이 경우에, 연결 요소는 기계식, 유압식 또는 전자자기 브레이크 장치용으로 적합하게 형성될 수 있다.
대안으로, 연결 요소는 예를 들어, 하부 브래킷 발전기 또는 하부 브래킷 모터와 같은 응용의 경우 하부 브래킷 샤프트에 대한 연결을 위해 형성될 수 있다. 바람직하게, 이 실시 형태에서, 연결 요소는 하부 브래킷 샤프트와 일체로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 연결 요소는 하나 이상의 스프로켓 또는 톱니형 디스크를 포함할 수 있고, 전기 차량이 휠 조립체의 추진은 예를 들어, 체인 또는 톱니형 벨트를 통하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따라서, 지지 하우징은 적어도 제 1 축방향 섹션 및 제 2 축방향 섹션을 포함하고, 제 1 축방향 섹션은 구동 축에 대해 수직 또는 횡방향으로 제 2 섹션보다 큰 직경을 갖는다. 제 1 및 제 2 섹션은 축방향으로 구동 축에 대해 평행한 일 방향으로 배열된다. 에너지 컨버터의 로터 및 스테이터는 지지 하우징의 제 1 섹션 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 제 2 섹션은 로터 및/또는 연결 요소의 베어링을 위해 형성되고, 예를 들어, 롤러 베어링 또는 레이디얼 베어링과 같은 베어링 유닛을 포함할 수 있다.
에너지 컨버터, 파워 트랜시미션 장치 및 연결 요소의 전술된 배열에 따라 조립체의 설계가 단순해지고 이에 따라 비용 효율적으로 된다. 추가로 상이한 직경을 갖는 제 1 섹션과 제 2 섹션을 포함한 지지 하우징을 형성함에 따라 특히 우수한 냉각 용량이 가능하고 제 1 섹션의 확대된 직경은 스테이터의 영역에서 지지 하우징의 확대된 표면을 형성한다. 전자기계 에너지 컨버터 내의 열이 스테이터의 영역에서 주요하게 전개됨에 따라 전자기계 컨버터의 우수한 냉각이 허용되고 동시에 제 2 섹션은 로터 및/또는 연결 요소의 이상적인 지지가 허용된다.
따라서, 예를 들어 최대 토크에 대한 휠 구동의 성능은 주어진 에너지 컨버터에 따라 증가될 수 있다. 그 결과, 예를 들어 트레일러의 견인력에 대한 페이로드, 또한 해당 전기 차량의 등판 능력(climbing ability)과 등판력이 선호되는 방식으로 향상된다.
전술된 바와 같이, 전자기계 에너지 컨버터는 기계적 에너지를 전기 에너지로 또는 전기 에너지를 기계식 에너지로 변환하는 모든 적합한 장치를 포함할 수 있다.
에너지 컨버터의 스테이터는 전술된 바와 같이 지지 하우징의 제 1 섹션 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 향상된 열 분산을 구현하기 위하여, 스테이터는 바람직하게는 제 1 섹션 내에 전체적으로 배열된다.
전자기계 에너지 컨버터의 설계에 따라, 스테이터는 작동 중에 해당 자기장을 생성하기 위하여 영구 자석 폴 슈(permanent magnetic pole shoe) 또는 전자석 또는 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 로터는 예를 들어, 필요 시에 기계 정류기 장치에 연결되는 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 로터는 영구 자석 요소를 포함하도록 형성된다. 따라서, 컨버터는 전자 정류기, 즉 브러쉬 없이 작동될 수 있다. 특히, 로터는 로터가 지지 하우징에 고정 또는 장착되는 하나 이상의 베어링 장치를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전자기계 에너지 컨버터는 모터 및/또는 발전기를 포함한다. 특히, 해당 모터 또는 발전기는 전기 차량의 특정 요건, 특히 파워에 관해 적합해야 한다.
본 발명에 따르는 전자기계 에너지 컨버터는 예를 들어 축방향 플럭스 장치(axial flux machine), 가로방향 플럭스 장치(transverse flux machine) 또는 반경방향 플럭스 장치(radial flux machine)와 같이 형성될 수 있다. 내부 또는 외부 로터 장치가 구성될 수 있으며, 열 방출의 요인으로 내부 로터 장치가 선호되며, 즉 중공-원통형 형태의 스테이터가 구동 축에 대해 수직인 방향으로 로터를 둘러싸는 장치가 선호된다. 특히 바람직하게, 에너지 컨버터는 브러쉬리스 직류 장치(BDLC) 또는 동기식 장치(PMSM)와 같이 형성된다. 게다가, 소위 "공심형(ironless)" 장치, 예를 들어, 효율적인 전자 프리휠링을 허용하고 개별 기계식 프리휠을 설정할 수 있는 공심형 스테이터(ironless stator)를 갖는 장치가 허용될 수 있다.
전자기계 에너지 컨버터는 다수의 모터를 포함하고, 이의 상들은 응용에 따라 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 요구 시에, 전자기계 에너지 컨버터는 최대 효율을 보장하고 컨버터의 작동을 제어하기 위한 제어 장치를 포함한다.
제어 장치는 예를 들어, 단일 또는 복합-4분면 작동(1 내지 4 사분면)을 위해 형성될 수 있으며, 복합-사분면 작동의 경우 모터 작동 또는 발전기 작동이 가능하다. 게다가, 컨버터 시스템은 특히 다용성이다.
대안으로 또는 추가로, 제어 장치는 전자 정류를 위해 형성될 수 있다. 이를 위해, 제어 장치는 홀 센서 또는 "자성 홀 인코더(Magnetic Hall encoder)"와 같은 로터 위치 센서를 포함할 수 있다.
제어 장치는 추가로 에너지 컨버터 시스템의 전자식 프리휠을 허용하도록 형성될 수 있다. 여기서, 예를 들어 모터의 경우, 모터는 특정 저 파워 분산에 따른 작동 지점에서 저 구동력의 모드로 작동된다.
게다가, 다수의 모터/발전기의 경우에, 제어 장치는 예를 들어, 전자기계 클러치를 사용함으로써 연결 요소와의 개별 장치의 변환가능한 연결을 위해 형성될 수 있다. 이러한 설계에 따라 특히 상이한 작동 지점에 따른 상이한 모터/발전기 또는 모터/발전기의 경우에 하중 분배가 가능하다.
제어 장치는 전자기계 컨버터와 일체로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 제어 장치는 유지보수의 경우 용이한 분해가 가능하도록 플러그 연결에 의해 컨버터에 연결된다.
전술된 바와 같이, 지지 하우징은 차량에 대한 연결을 위해 본 발명에 따라 형성되고, 예를 들어, 해당 공동 내에서 로터 및 스테이터를 포함한 적어도 부분적으로 전자기계 컨버터를 포함한다. 지지 하우징 자체는 이에 따라 차량의 특정 설계에 적합해질 수 있으며 예를 들어 직사각형으로 설계될 수 있다. 바람직하게는, 지지 하우징은 실질적으로 원통형으로 형성되고, 전술된 구동 축과 평행하게 이의 종방향 축을 따라 배향된다. 바람직하게는, 지지 하우징은 구동 축을 따라 대칭 또는 회전 대칭 구조로 형성된다.
그러나, 지지 하우징이 전체적으로 원통형으로 형성될 필요가 없기 때문에, 제 1 및 제 2 섹션의 직경은 반경방향으로의 각각의 섹션의 각각의 최대 선형 팽창 및 이에 따라 구동 축에 대해 수직인 것으로 본 발명의 문헌에서 이해된다.
지지 하우징은 임의의 적합한 재료, 예를 들어 스틸, 알루미늄, 성형 재료 또는 복합 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 지지 하우징은 스테인리스 스틸로 제조된다. 지지 하우징은 단일 또는 다수의 부분으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 지지 하우징, 특히 제 1 및 제 2 섹션은 일체로 형성된다.
지지 하우징은 예를 들어, 샤프트 또는 전자 주요부와 같이 냉각 및/또는 관통-공급 구성요소를 위한 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 지지 하우징은 그러나 이동식 부분의 오염을 방지하기 위하여 작동 중에 실질적으로 폐쇄된다. 후자의 경우, 지지 하우징은 바람직하게는 스테이터 및 로터의 적어도 부분적인 배열을 위해 공동을 포함하도록 형성되어야 한다. 바람직하게는, 공동은 지지 하우징의 제 1 섹션 내에 적어도 일부가 형성된다.
바람직하게는, 지지 하우징은 열 분산을 추가로 증대시키기 위하여 냉각 플레이트 또는 냉각 립 상에서, 제 1 섹션의 외측에서 또는 냉각 요소와 함께 대안으로 또는 추가로 형성될 수 있다.
전자기계 에너지 컨버터에 추가로, 지지 하우징은 에너지 컨버터를 위한 제어 장치 및/또는 전술된 파워 트랜스미션 장치와 같은 추가 구성요소를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 섹션은 전술된 바와 같이 축방향으로 배열된다. 이 경우에, 섹션은 다른 섹션에 의해 적용되는 바와 같이 이격된 방식으로 구동 축을 따라 배열될 수 있고, 바람직하게는 지지 하우징의 제 1 및 제 2 섹션은 서로 나란히 축방향으로 배열된다.
지지 하우징의 제 1 및 제 2 섹션의 치수는 각각의 응용에 따라 선택되어야 하고, 제 1 섹션의 직경은 최상의 열 분산이 가능하도록 적절히 커야 한다. e-바이크에 대한 구동부로서 시스템의 적용의 경우, 직경은 5 cm 내지 10cm로 선택되어야 한다. 제 2 섹션은 전술된 바와 같이 제 1 섹션보다 작은 직경을 포함하고, 제 2 섹션의 직경은 바람직하게는 제 1 섹션의 직경의 25% 내지 50%이다.
바람직하게는, 지지 하우징의 제 1 섹션은 전기 차량에 연결하기 위한 체결 수단을 포함한다. 전체 설계의 향상된 안정성과는 별도로, 본 발명의 선호되는 형태는 생성된 열이 주변 공기뿐만 아니라 부분적으로 차량 프레임을 통하여, 적용 시에 측면 스탠드와 같이 지지 하우징에 부착된 부분을 통하여 분산될 수 있기 때문에 전자기계 에너지 컨버터의 보다 향상된 냉각이 추가로 허용된다. 특히, 연결은 바람직하게는 우수한 열 접촉을 제공해야 한다.
제결 수단은 모든 적합한 형태를 포함할 수 있고, 특히 하나 이상의 볼트 연결부 또는 대응 보어에 의해 형성된다. 체결 수단은 이의 제조 동안에 지지 하우징과 일체로 형성될 수 있거나 또는 그 후에 예를 들어 용접 조인트에 의해 이에 연결된다. 체결 수단은 바람직하게는 차량 프레임의 포크-단부에 연결하도록 형성된다.
바람직하게는, 지지 하우징의 제 2 섹션은 축방향 통로 개구를 포함하고, 로터는 로터 샤프트를 포함하며, 여기서 로터 샤프트는 통로 개구를 통하여 연장된다.
본 실시 형태에 따라 개구를 통하여 연장되는 로터 샤프트에 의해 파워 트랜스미션 장치에 대한 로터의 용이한 연결이 허용된다. 이에 관해, 로터 샤프트는 에너지 컨버터와 파워 트랜스미션 장치 사이의 토크 전달을 하도록 작동된다.
이 문헌에서, 로터는 바람직하게는 적용 시에 로터 샤프트에 연결되고 제 1 섹션 내에 배열되는 로터 휠을 포함하도록 형성될 수 있다. 로터 휠은 본 발명에서 에너지 컨버터의 구성에 따라 자기장을 생성하기 위하여 작동 중에 사용되고, 이는 적어도 전기 코일 및/또는 자석을 포함할 수 있다. IPM 장치의 경우, 자석은 바람직하게는 로터 시트 플레이트 내에 매립된다.
바람직하게는 로터 샤프트의 직경은 로터 휠의 직경보다 작고, 이에 따라 파워 트랜스미션 장치의 방향으로 에너지 컨버터로부터의 열 전도가 가능한 작아진다. 특히 바람직하게는 로터 샤프트의 직경은 최대로 로터 휠의 직경의 절반에 해당한다. e-바이크의 구동부와 같이 시스템의 응용의 경우, 로터 샤프트의 직경은 예를 들어 1 cm 내지 2 cm일 수 있다.
전술된 바와 같이, 지지 하우징의 제 2 섹션은 연결 요소 및/또는 로터의 베어링에 대해 형성된다. 본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 제 2 섹션은 연결 요소의 지지를 위해 형성된 적어도 반경방향의 외부 표면을 포함한다.
이 문헌에서, 제 2 섹션의 외부 표면은 축방향 통로 개구에 반경방향으로 마주보는 지지 하우징의 영역으로서 이해된다. 반경방향 외부 표면은 바람직하게는 구동 축에 대해 평행하게 배열되고, 특히 바람직하게는 원통형으로 형성된다. 바람직하게는, 반경방향 외부 표면은 구동 축과 동축을 이루어 배열된다.
이러한 배열은 특히 연결 요소에 영향을 미치는 가능한 가로방향 힘이 안전하게 분산될 수 있기 때문에 시스템의 안정성을 추가로 향상시킨다. 이는 작동 중에 진동 페달링 운동(oscillating pedaling movement)으로 인해 페달-조작식 발전기와 같이 시스템의 응용의 경우 특히 선호된다.
바람직하게는 특히 반경방향 외부 표면과 지지 하우징의 제 2 섹션 상에서 연결 요소를 피벗회전가능하게 지지하는 적어도 제 1 베어링 유닛이 제공된다. 제 2 섹션의 비교적 작은 반경방향 직경에 따라 지지 하우징 상에서 외부 장치가 바람직하게는 설계 안정성을 추가로 향상시키면서 컨버터 시스템의 제조 비용을 추가로 감소시키는 작은 직경을 갖는 베어링 유닛의 적용이 가능하다.
베어링 유닛은 모든 적합한 설계를 가질 수 있으며, 바람직하게는 베어링 유닛은 롤링 베어링, 특히 레이디얼 베어링이다. 바람직하게는, 베어링 유닛은 구동 축과 동축을 이루어 배열된다.
파워 트랜스미션 장치는 에너지 컨버터의 로터 및 토크 전달을 위한 연결 요소에 연결된다. 이를 위해, 파워 트랜스미션 장치는 전술된 바와 같이 모든 적합한 설계를 가질 수 있으며, 각각 에너지 컨버터의 로터 샤프트 또는 로터에 각각 연결될 수 있다.
바람직하게는, 파워 트랜스미션 장치 및 전자기계 에너지 컨버터는 로터 샤프트가 파워 트랜스미션 장치 내로 축방향으로 연장되도록 구동 축을 따라 배열된다. 이 유형의 배열에 따라 본 컨버터 시스템의 특히 컴팩트한 설계가 가능하고 이에 따라 매우 바람직하다.
로터 샤프트의 적절한 형성에 따라, 파워 트랜스미션 장치는 지지 하우징의 제 2 섹션에 대해 축방향으로 배열될 수 있으며, 이에 따라 로터 샤프트는 전술된 지지 하우징 내에서 축방향 통로 개구를 통하여 로터 또는 로터 휠과 파워 트랜스미션 장치를 연결한다. 바람직하게는, 파워 트랜스미션 장치는 지지 하우징의 제 2 섹션의 영역에 배열된다.
전술된 바와 같이, 파워 트랜스미션 장치는 모두 적합한 형태일 수 있다. 바람직하게는, 파워 트랜스미션 장치는 적어도 기어 기구를 포함한다. 기어 기구는 작동 속도 범위가 에너지 컨버터의 작동 지점으로 조절될 수 있기 때문에 추가 향상된 효율이 가능하고 각각의 응용에 적합한 기어 비 또는 기어 감속을 포함한다. 전기 차량의 응용의 경우, 기어 기구는 바람직하게는 대략 1:10 내지 대략 1:30, 바람직하게는 1:12 내지 1:21, 및 바람직하게는 1:18인 기어 감속을 포함한다.
이에 관하여 기어 기구는 하나 이상의 기어 스테이지를 포함할 수 있으며 및/또는 기어박스와 같이 형성될 수 있다. 기어 기구는 예를 들어, 치형 벨트 구동부와 같이 형성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 기어 기구는 CVT(연속 가변 변속기)와 같이 형성될 수 있으며 및/또는 기계식 또는 전기식 클러치를 포함할 수 있다. 전자 기어박스 및/도는 전자 클러치의 제어는 바람직하게는 전술된 제어 장치를 통하여 수행될 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 파워 트랜스미션 장치는 유성 기어를 포함한다. 유성 기어는 바람직하게는 하나 이상의 축방향으로 배열된 선 기어를 포함하고, 추가로 하나 이상의 기어 스테이지를 포함할 수 있다. 유성 기어는 예를 들어 일련의 유성 기어 트레인 또는 단계형 유성 기어(stepped planetary gear)와 같이 형성될 수 있다. 단일-열 단계식 유성 기어(single-row stepped planetary gear)가 특히 선호되며, 이에 따라 2개의 기어 스테이지를 갖는 기어가 선호되지만 유성 연동 장치 세트당 단지 하나의 롤러 베어링이 선호된다.
선 기어는 디스크-형태 또는 원통형으로 형성될 수 있다. 선 기어에 추가로, 유성 기어는 단일 또는 다수의 유성 휠 및/또는 중공 휠을 포함하고, 선 기어와 유성 휠뿐만 아니라 유성 휠과 중공 휠은 토크를 전달하기 위해 서로 맞물린다. 배열에 따라, 기어 휠, 즉 선 기어, 유성 휠 및 중공 휠은 외부 및/또는 내부 톱니를 포함하도록 형성될 수 있다. 하나 이상의 유성 휠은 정지 또는 회전 유성 캐리어에 피벗회전가능하게 연결될 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 로터 및 선 기어는 일체로 형성된다. 그 결과, 컨버터 시스템의 설계가 추가로 단순화된다. 선 기어는 예를 들어 가요성 커플링에 의해 로터에 연결될 수 있고, 이에 따라 베어링은 예를 들어, 비-강성 차량 프레임으로 인해 컨버터의 편향 시에 충돌하지 않는다.
바람직하게는, 로터 및 선 기어는 적어도 부분적으로 중공 구조로 형성되며, 이에 따라 컨버터 시스템의 중량이 감소된다. 게다가, 해당 공동은 예를 들어 공기와 같은 유체의 흐름을 통하여 추가로 향상된 냉각 기능을 위해 또는 전기 연결 케이블, 샤프트의 관통 공급을 위해 사용될 수 있다.
유성 기어의 적용 시에, 입력 및 출력에 관한 상이한 배열이 하기에서와 같이 허용될 수 있다. 본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 컨버터 시스템은 전기 차량, 특히 경량 전기 차량용 휠 구동 시스템이다.
특히 이러한 장치에 따라, 바람직하게는 연결 요소는 토크 전달을 위해 적용 시에 하나 이상의 유성 휠을 통하여 선 기어에 맞물리고, 선 기어에 대해 동축을 이루어 배열된 중공 휠을 포함한다. 바람직하게는, 중공 휠은 차량 휠 또는 구동 휠의 허브와 같이 전기 차량의 휠 조립체에 대해 연결하기 위한 체결 수단을 포함할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 중공 휠은 허브 또는 허브 몸체와 일체로 형성될 수 있다.
따라서, 전기 차량의 휠 조립체와 실질적으로 동축을 이루는 파워 트랜스미션 장치를 형성할 수 있으며, 이에 따라 매우 컴팩트한 조립체가 제공된다. 이에 따라 휠 면의 외측에서 구동 축을 따른 에너지 컨버터의 배열은 작동 중에 매우 바람직하며, 매우 우수한 냉각 기능이 제공된다.
전기 차량에 대한 휠 구동 시스템과 같이 컨버터 시스템의 적용의 본 경우에, 모터와 같이 구성된 에너지 컨버터에 의해 이에 따라 로터에 연결된 선 기어에 의해 추진된다. 선 기어는 토크 전달을 위해 적합한 중공 휠에 직접 연결될 수 있으며, 바람직하게는 선 기어는 하나 이상의 유성 휠과 연결되고 유성 휠은 토크를 전달하기 위하여 중공 휠에 연결된다.
이 문헌에서, 유성 휠은 전술된 바와 같이 유성 캐리어에 피벗회전가능하게 장착될 수 있고, 바람직하게는 각각의 회전 축은 구동 축에 평행하게 형성된다. 바람직하게, 유성 캐리어는 지지 하우징과 확고히 연결되고, 특히 바람직하게는 지지 하우징의 제 2 섹션과 확고히 연결된다. 따라서, 선 기어에 연결된 로터로부터 차량 휠로의 기어 감속이 야기된다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 컨버터 시스템은 사용 중에 유연하다. 휠 조립체에 직접 연결된 구동 시스템과 같이 형성되는 것과는 별도로, 컨버터 시스템은 대안으로 특히 일련의 하이브리드 전기 차량에 대한 하부 브래킷 발전기 및/또는 모터와 같이 사용될 수 있다.
특히, 하부 브래킷 발전기 또는 모터와 같이 시스템을 사용할 때, 유성 기어는 유성 캐리어와 같이 형성되는 연결 요소와 선 기어 사이에서 힘 또는 토크를 전달하기 위하여 형성될 수 있다. 이 경우에 중공 휠은 바람직하게는 지지 하우징에 연결되고, 유성 캐리어는 지지 하우징의 제 2 섹션에 피벗회전가능하게 연결된다.
페달-조작식 발전기를 사용할 때, 발을 이용하여 작동되는 각각의 페달에 대하여 페달 축이 예를 들어 유성 캐리어를 구동시킨다. 유성 휠은 선 기어를 구동하고 내부 톱니형 중종 휠 상에서 구동되어 토크가 에너지 컨버터의 로터 상에서의 선 기어와 페달을 갖는 연결 요소 사이에서 전달될 수 있다.
바람직하게는, 로터는 축방향 공동을 포함한다. 특히 바람직하게는, 연결 요소는 공동 내에 적어도 일부가 배열되는 구동 샤프트를 포함한다. 바람직하게는 축방향 공동은 로터 및 지지 하우징을 통하여 통로 개구와 같이 연속적으로 형성된다. 따라서, 예를 들어, 페달-조작식 제너레이터 내에서 사용의 경우에 파워 트랜스미션 장치와 지지 하우징을 통하여 앞을 향하여 구동 샤프트/페달 축을 유도할 수 있고, 이에 따라 컨버터 시스템의 가장 컴팩트한 설계가 제공된다. 특히 바람직하게, 연결 요소는 구동 샤프트에 연결된 2개의 페달을 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 지지 하우징은 적어도 제 2 베어링 유닛을 갖는 제 3 축방향 섹션을 포함한다. 제 2 베어링 유닛은 구동 샤프트를 제 3 섹션에 피벗회전가능하게 연결한다. 전술된 바와 같이, 또한 제 2 베어링 유닛은 발마직하게는 롤러 베어링과 같이 형성된다.
본 장치에 따라 작동 중에 발생되는 궁극적인 가로방향 힘이 확고히 분산될 수 있기 때문에 컨버터 시스템의 특히 견고한 설계가 가능하다. 바람직하게는, 제 2 베어링 유닛은 지지 하우징의 제 3 섹션의 반경방향 외부 표면 상에서 구동 축과 동축을 이루어 배열된다.
일반적으로 구동 축을 따른 지지 하우징의 개별 섹션들의 배열은 임의적일 수 있으며, 각각의 응용에 따라 선택될 수 있다. 바람직하게는, 제 3 섹션은 파워 트랜스미션 장치에 대해 축방향으로 마주보는 지지 하우징의 측면 상에 배열된다. 게다가, 구동 샤프트는 전자자기 에너지 컨버터의 양 측면 상에서 축방향으로 장착되고, 이에 따라 시스템은 본 실시 형태에서 특히 견고해진다.
본 발명의 선호되는 실시 형태에 따라서, 컨버터 시스템은 각각 에너지 컨버터를 갖는 제 1 및 제 2 지지 하우징을 포함한다. 지지 하우징은 파워 트랜스미션 장치를 통하여 이격되고 구동 축을 따라 배열되며, 즉 제 1 및 제 2 지지 하우징은 파워 트랜스미션 장치의 마주보는 측면 상에서 구동 축을 따라 배열된다.
선호되는 실시 형태에 따르는 컨버터 시스템의 설계는 최대 구동 토크를 증가시키기 위하여 예를 들어, 휠 구동 시스템과 같은 응용에서 선호된다. 대안으로, 더 작은 에너지 컨버터가 필요한 출력을 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 컨버터 시스템의 설계 크기가 재차 감소될 수 있다.
이 문헌에서, 제 1 및 제 2 지지 하우징, 연관된 2개의 에너지 컨버터뿐만 아니라 파워 트랜스미션 장치는 전술된 바와 같이 형성될 수 있고, 여기서 지지 하우징 및/또는 에너지 컨버터는 임의의 경우에 동일하게 형성된다. 예를 들어, 제 1 에너지 컨버터는 제 2 에너지 컨버터와는 상이한 출력 파워를 갖는다. 따라서, 기울기에 따라 또는 운반되는 중량에 따라 구동력은 개개의 에너지 컨버터를 맞물리거나 또는 맞물림해제함으로써 제어될 수 있으며, 이에 따라 컨버터 시스템의 효율이 추가로 증가된다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 지지 하우징은 각각의 에너지 컨버터의 로터 샤프트가 파워 트랜스미션 장치 내로 연장되는 방식으로 배열된다. 이를 위해, 각각의 제 2 섹션을 갖는 지지 하우징은 파워 트랜스미션 장치에서 서로 마주보게 배열되어야 한다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 지지 하우징 내에 배열된 에너지 컨버터는 일체로 형성된 로터를 포함한다. 이 문헌에서, 특히 제 1 로터 휠은 제 1 지지 하우징의 제 1 섹션 내에 배열될 수 있고, 제 2 로터 휠은 제 2 지지 하우징의 제 1 섹션 내에 배열될 수 있다. 특히 바람직하게는, 로터는 하나 이상의 선 기어와 추가로 일체로 형성된다.
전기 차량, 특히 경량 전기 차량은 적어도 컨버터 시스템을 포함한다. 이 문헌에서, 컨버터 시스템은 차량에 연결하기 위한 지지 하우징, 지지 하우징 내에 적어도 부분적으로 배열된 전자기계 에너지 컨버터 및 파워 트랜스미션 장치를 포함한다. 에너지 컨버터는 스테이터에 대해 구동 축 주위에서 회전가능한 로터뿐만 아니라 적어도 스테이터를 갖는다. 파워 트랜스미션 장치는 로터를 연결 요소에 연결한다. 지지 하우징은 제 1 축방향 섹션과 제 2 축방향 섹션을 포함하고, 제 1 섹션은 구동 축에 수직인 방향으로 제 2 섹션보다 큰 직경을 갖는다. 제 2 섹션은 로터 및/또는 연결 요소의 베어링에 대해 형성되고, 에너지 컨버터의 스테이터 및 로터는 제 1 축방향 섹션 내에 배열된다.
본 발명에 따른 전기 차량의 개별 구성요소의 형성에 관하여, 컨버터 시스템의 선호되는 실시 형태에 따라 상기 설명이 참조된다.
본 발명은 선호되는 실시 형태에 따라 하기에서 추가로 설명된다.
도 1a는 전기 차량의 휠 조립체 내의 사용 위치에서 본 발명에 다른 컨버터 시스템의 제 1 실시 형태를 도시하는 사시도.
도 1b는 도 1a의 실시 형태의 제 2 사시도.
도 2는 구동 축을 따른 도 1의 실시 형태의 예시적 단면도.
도 3은 구동 축을 따른 본 발명에 따르는 컨버터 시스템의 제 2 실시 형태의 예시적 단면도.
도 4는 구동 축을 따른 본 발명에 따르는 컨버터 시스템의 제 3 실시 형태의 예시적 단면도.
도 1a 및 도 1b에는 본 발명에 따른 컨버터 시스템(converter system, 1)의 제 1 실시 형태가 사시도로 도시된다. 컨버터 시스템(1)은 전기 차량(이 경우에 전기 모터 자전거(electric moped))의 후방 휠 조립체 상에서 사용 위치에 있는 것으로 도면에 도시된다. 전기 차량은 후방 스윙 암(rear swing arm, 2)이 연결되는 프레임(도시되지 않음)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 후방 스윙 암(2)은 장치의 용이한 조립 및 분해를 허용하기 위하여 프레임에 나사-장착가능하도록 형성된다. 휠 조립체는 본 형태에서 림 및 해당 관형 타이어(5)를 포함하는 차량 휠(3)을 추가로 포함한다.
도 1a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 컨버터 시스템(1)은 후방 스윙 암(2)의 링-형태의 포크-단부(6)에 의해 전기 차량의 프레임에 연결되는 지지 하우징(10)을 포함한다. 지지 하우징(10)은 원통형으로 형성되고 구동 축(drive axis, 7)에 대해 동축을 이루어 배열된다. 컨버터 시스템(1)의 지지 하우징(10)의 축방향으로, 유성 기어(12)(도 1a 및 도 1b에 도시되지 않음)을 포함하고 차량 휠(3)에 대한 연결부로서 형성되는 중공 휠(11)이 배열된다. 중공 휠(11)은 이 문헌에서 허브 쉘(hub shel)과 같이 형성되고 중공 휠(11)을 차량 휠(3)을 연결하는 다수의 스포크(18)를 위한 소켓(도시되지 않음)을 포함한다. 중공 휠(11) 또는 허브 휠은 명확함을 위해 도면에 도시되지 않은 자전거 기어용 제동 시스템 및/또는 체인 링을 포함할 수 있다.
지지 하우징(10)에 마주보는 중공 휠(11)의 측면에서, 컨버터 시스템(1)은 사용 위치에서 후방 스윙 암(2)의 추가 포크-유형 포크-단부(8) 내에 보유되는 구동 축(7)을 따라 축방향으로 배열된 지지 축(13)을 포함하도록 형성된다.
컨버터 시스템(1)의 제 1 실시 형태의 세부 설계는 도 2의 개략도를 기초로 하기에서 설명된다. 이때, 도 2에는 구동 축(7)을 따른 컨버터 시스템(1)의 단면도가 도시된다. 명확함의 요인으로, 후방 스윙 암(2) 및 차량 휠(3)과 같이 전기 차량의 추가 구성요소가 도 2에 도시되지 않는다.
도 1a 및 도 1b에 관해 전술된 바와 같이, 컨버터 시스템(1)은 본 실시 형태에 따르는 3개의 주요 구성요소, 즉 지지 하우징(10), 유성 기어(12)를 갖는 중공 휠(11) 및 지지 축(13)을 포함한다. 지지 하우징은 제 1 섹션(14)에 대해 축방향으로 배열된 제 2 섹션(15) 및 휠 면(9) 외측에 배열된 제 1 섹션(14)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 구동 축(7)에 수직인 방향, 이에 따라 휠 면(9)에 대해 평행한 방향으로 제 1 섹션은 하기에서 상세히 설명되는 제 2 섹션(15)보다 큰 직경을 갖는 것으로 도시된다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 지지 하우징(10)은 제 1 및 제 2 섹션(14, 15)과 일체로 형성된다. 지지 하우징(10)은 회전 대칭 원통형 기본 형태를 가지며 구동 축(7)을 따라 동축으로 배열된다. 본 실시 형태에 따라서, 지지 하우징(10)은 스테인리스 스틸을 포함한다.
지지 하우징(10)의 제 1 섹션(14)은 전자기계 에너지 컨버터, 즉 본 실시 형태에 따르는 모터(20)를 포함한다. 모터(20)는 본 실시 형태에서 자기장을 생성하기 위하여 몇몇의 전기 코일(도시되지 않음)과 함께 형성되는 제 1 섹션(14) 내에 동축을 이루어 배열된 중공-원통형 스테이터(21)를 포함한다. 모터(20)는 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15) 내로 로터 휠(23)로부터 축방향으로 연장되는 로터 샤프트(24) 및 원통형으로 형성된 로터 휠(23)을 포함하는 구동 축(7) 주위에서 회전가능한 로터(22)를 추가로 포함한다.
로터 휠(23)은 본 경우에 영구 자석 장치를 포함하여 작동 중에, 즉 전류를 스테이터(21)의 코일에 공급할 때 회전 자기장이 생성되어 로터(22)가 이동한다.
본 경우에 모터(20)는 3-상 브러쉬리스 DC 모터와 같이 형성된다. 명확함을 위해, 전기 연결부, 필요한 정류기, 및 모터(20)용 제어 장치가 도면에 도시되지 않는다. 모터(20)는 약 1 Nm 내지 3 Nm의 연속 토크를 가지며 4 Nm 내지 10 Nm의 피크 토크를 생성할 수 있다. 감속 기어(12)로 인해 컨버터(1)는 30 Nm 내지 60 Nm의 연속 토크뿐만 아니라 약 100 Nm의 피크 토크를 제공한다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 로터 샤프트(24)는 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)을 통하여 연장된다. 제 2 섹션(15)은 이에 따라 축방향 통로 개구를 포함하도록 형성되며, 상기 개구의 직경은 로터 샤프트(24)의 직경보다 다소 크다.
따라서, 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)은 로터 샤프트(24)의 연결을 위해 그리고 모터(20)로부터 유성 기어(12)와 같이 형성된 동력 전달 장치로 토크 또는 힘의 전달을 위해 제공된다. 제 2 섹션(15)은 그러나 중공 휠(11)과 같이 형성된 연결 요소의 피벗회전식 장착을 위해 추가로 제공된다. 이를 위해, 레이디얼 베어링(25)은 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)의 반경방향 외부 표면(16)에 부착된다. 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)은 이에 따라 컨버터 시스템(1)의 출력부의 피벗회전식 장착을 위해 제공된다. 이때, 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)의 작은 직경은 바람직하며, 약 30 mm 내지 약 40 mm의 비교적 작은 내부 직경을 갖는 종래의 레이디얼 베어링(25)이 결과적으로 사용될 수 있다.
게다가, 작동 중에 스테이터(21) 내에서 생성된 열은 지지 하우징(10)의 제 1 섹션(14)의 비교적 넓은 표면을 통하여 잘 분산될 수 있다. 이 문헌에서, 한편 휠 면(9) 외측에서 지지 하우징(10) 내의 제 1 섹션(14)의 배열은 공기스트림을 통한 작동 중에 또는 주변 공기를 통하여 모터(20)의 우수한 냉각 기능을 제공하고, 다른 한편으로는 후방 스윙 암(2)의 포크-단부(6)의 원형 접촉 영역은 전기 차량(도시되지 않음)의 프레임과 지지 하우징(10) 사이에 우수한 열 접촉을 제공하여 모터(20) 내에서 생성된 열은 바람직하게는 전기 차량의 프레임과 후방 스윙 암(2)을 통하여 바람직하게 분산될 수 있다.
본 실시 형태에 따라서, 중공 휠(11)은 제 2 레이디얼 베어링(26)을 통하여 지지 축(13)에 추가로 장착된다. 이러한 목적으로, 지지 축(13)은 중공-원통형으로 형성된 지지 섹션을 포함하고, 지지 섹션의 직경은 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)의 직경에 대해 구동 축에 대하여 수직인 방향으로 일치된다.
2개의 레이디얼 베어링(25, 26)을 갖는 본 발명의 배열은 특히 바람직하게는 중공 휠(11), 이에 따라 중공 휠에 연결된 차량 휠(3)의 베어링을 제공하며, 이에 따라 굽힘부(bend)를 가질 경우에 특히 가로방향 힘이 후방 스윙 암(2)과 지지 축(13) 및 지지 하우징(10)을 통하여 전기 차량의 프레임으로부터 안전하게 분산된다. 추가로 장치에 따라 중공 휠(11)의 실질적으로 폐쇄된 형태가 허용되며, 이에 따라 중공 휠(11) 내에 배열된 유성 기어(12)와 또한 모터(20)가 로터 샤프트(24)를 따른 특정 밀봉 수단의 필요 없이 수분과 오염물로부터 보호된다.
통전 모터(current-carrying motor, 20)의 사용 위치에서, 스테이터(21)와 로터(22) 사이에 작용하는 필드는 중공 휠(11)의 추진을 위한 토크 또는 힘을 생성한다. 여기서, 생성된 토크는 로터(22)로부터 유성 기어(12), 이에 따라 중공 휠(11)에 전달된다. 이러한 목적으로, 로터 샤프트(24)는 외부 톱니를 갖는 축방향으로 배열된 선 기어(도시되지 않음)와 일체로 형성된다. 선 기어와 같이 형성된 로터 샤프트(24)는 선 기어와 맞물리기 위한 외부 톱니를 포함하는 선 기어의 톱니를 통하여 전체적으로 3개 또는 4개의 유성 휠(27)을 이동시킨다. 유성 휠(27)은 제 1 유성 캐리어(planet carrier, 28a)와 제 2 유성 캐리어(28b) 사이에 피벗회전가능하게 장착된다. 유성 휠(27)의 회전 축은 구동 축(7)에 평행하게 이어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 유성 캐리어(28a)는 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)에 토크-방지 방식으로(torque-proof) 연결되고, 제 2 유성 캐리어(28b)는 지지 축(13)의 지지 섹션에 토크-방식 방식으로 연결된다. 유성 휠(27)은 유성 캐리어(28a, 28b)의 주연부 상에 균등하게 배열된다. 추가 안정화를 위해, 3개의 암(29)이 2개의 유성 캐리어(28a, 28b)를 토크-방지 방식으로 서로 연결하는 유성 휠(27) 사이에서 반경방향으로 배열된다.
출력 측에서, 유성 휠(27)은 유성 휠(27)에 해당하는 내부 톱니를 포함하는 중공 휠(11)에 토크-방지 방식으로 연결되는 기어 링(30) 내에서 추가로 맞물린다. 따라서, 모터(20)의 구동 토크는 선 기어, 유성 휠(27) 및 기어 링(30)을 통하여 중공 휠(11)에 전달될 수 있고, 이에 따라 전기 차량의 차량 휠(3)의 추진을 위해 사용될 수 있다.
유성 기어(12)는 단일-열 단계식 유성 기어와 같이 형성되고, 이에 따라 2개의 기어 스테이지를 포함한다. 중공 휠(11) 상에서의 출력 및 선 기어 상에 구동 장치가 배열될지라도, 대략 1:16의 기어 비에 따른 기어 감속이 바람직하게 수행될 수 있다. 기어 비는 1:12 내지 1:21 사이에서 선택되어야 한다.
효율 증대를 위해, 중공 휠(11)은 윤활제를 포함할 수 있으며, 이에 따라 유성 기어(12) 또는 선 기어는 윤활제로 적어도 부분적으로 습윤된다. 따라서, 유성 기어(12) 내에서의 마모가 바람직하게 감소될 수 있다. 본 실시 형태에 따르는 컨버터 시스템(1)의 형태는 모터(20) 내에서 생성된 열이 지지 하우징(10)의 제 2 섹션(15)을 통하여 중공 휠(11)에, 이에 따라 윤활제에 일부만이 전달되기 때문에 이 문헌에서 특히 선호된다.
게다가, 컨버터 시스템(1)의 본 실시 형태가 선호되며, 이는 장치에 따라 원통형으로 형성된 모터(20)의 사용이 허용되고 이에 따라 디스크-유형의 모터에 비해 제조하기에 보다 비용효율적이고 비교적 큰 토크를 생성할 수 있기 때문이다. 특히 높은 토크가 필요한 응용의 경우, 컨버터 시스템(1)은 대안으로 다수의 모터를 포함하도록 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 컨버터 시스템(1')의 해당 제 2 실시 형태가 도 2에 대응하는 개략적 단면도의 도 3에 도시된다.
컨버터 시스템(1')의 제 2 실시 형태는 도 1 및 도 2에 관해 설명된 제 1 실시 형태에 실질적으로 대응하고, 도 3에 따른 컨버터 시스템(1')은 총 2개의 모터(20')를 포함하도록 형성된다. 모터(20')는 전술된 모터(20)에 관해 더 작게 형성되며, 이에 따라 컨버터 시스템(1')의 보다 컴팩트한 설계가 가능하다.
각각의 모터(20')는 해당 지지 하우징(10') 내에 배열되고, 제 1 섹션(14)과 제 2 섹션(15)을 갖는 지지 하우징(10')의 기본적 레이아웃이 도 1 및 도 2에 관해 전술된 실시 형태에 대응한다.
지지 하우징(10')과 모터(20')는 실질적으로 휠 면(9)에 대해 축방향으로 대칭을 이루도록 형성되며, 모터(20')는 공통 로터 샤프트(24)를 포함한다. 모터(20')는 재차 원통형이고 3-상이며 브러쉬리스 DC 모터와 같이 형성되며, 로터 샤프트(24)와 일체로 형성된 선 기어(도시되지 않음)의 추진은 이전에 설명된 바와 같이 수행된다.
모터(20')의 로터(22)와 스테이터(21)는 여기서 유도된 전압의 상 변이가 발생되지 않도록 기계적으로 정렬된다. 따라서 단지 하나의 제어 장치 또는 파워 전기장치(도시되지 않음)를 이용하여 양 모터(20') 모두를 작동시킬 수 있다. 이 목적으로, 예를 들어, 제어 장치에 연결되는 로터 위치 감지를 위한 센서가 배열될 수 있다. 개별 모터 상의 전기적 연결과 접촉은 전기적으로 대칭을 이루고 이에 따라 모터들 간에 최소한의 보상 전류만이 있거나 아예 없도록 형성된다.
도 1 및 도 2에 따라 전술된 실시 형태와 비교할 때, 본 경우에 지지 하우징(10)의 부피에 대한 표면의 비율은 증가되고, 이는 모터(20') 내에 생성된 열이 주변 공기 또는 후방 스윙 암(2)으로 더 우수하게 분산될 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 모터는 높은 전류를 이용하여 영구적으로 작동될 수 있으며, 이에 따라 높고 일정한 토크가 가능하다.
초기에 언급된 제어 장치(도시되지 않음)는 다수의 모터(20')를 갖는 장치의 경우 단지 제한된 리플(ripple)을 갖는 정상 전류 프로파일을 생성하기 위해 형성될 수 있다. 제어 장치는 예를 들어 필드-배향된 제어부일 수 있으며, 이때 소위 "필드 취약(field weakening)"으로 불리는 제어부에 따라 넓은 속도 범위가 가능하여 적절한 경우 매뉴얼 기어박스가 제거될 수 있다. 제어 장치는 복합적인 유지보수를 가능하게 하는 후방 스윙 암(2)의 내측 또는 외측에 신장된 하우징(도시되지 않음) 내에 배치될 수 있다.
게다가, 제어 장치는 차량 휠(3)이 자유롭게 서행할 수 있도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 제어 장치는 전자 프리휠 회로를 포함할 수 있다. 전자 프리휠 회로는 파라미터화될 수 있으며, 이에 따라 모터(20')를 제한된 범위로 구동시키거나 다소 이를 감속시키기 위해 노-부하 손실(no-load loss)의 보상이 허용되고, 이에 따라 전기적으로 제동가능하고 에너지를 회복시킬 수 있다.
도시되지 않은 대안의 실시 형태에서, 절반의 폴 피치(half pole pitch)가 모터(20')의 스테이터(21)와 로터(22)를 공간적으로 뒤튼다. 이에 따라 다-폴 모터를 사용함으로써 거의 토크 리플이 야기되지 않지만 3-상 모터(20')에 대해 단지 제어 장치만이 이용될 수 있기 때문에 비용이 덜 든다.
본 발명에 따르는 컨버터 시스템(1")의 대안의 제 3 실시 형태는 도 4의 예시적 단면도에 도시된다. 본 실시 형태에 따르는 컨버터 시스템(1")은 예를 들어, 전기 자전거의 하부 브래킷 영역에서 연결을 위한 페달-조작식 발전기 또는 모터와 같이 형성된다.
컨버터 시스템(1")의 예시적 도면이 구동 또는 페달 축(40)을 따라 단면이 도시된다. 하부 브래킷 발전기 또는 모터와 같은 본 장치는 일련의 하이브리드 전기 차량에 대해 특히 유용하며, 이는 차량의 추진이 발을 이용하여 수행되고 배터리 동력식 전기 모터를 통하여 보조됨을 의미한다.
도 4에 따르는 컨버터 시스템(1")의 실시 형태는 실질적으로 도 1 내지 도 3에 관해 설명된 실시 형태에 대응하며, 이에 따라 대응 구성요소 또는 모듈은 동일한 도면부호가 제공된다. 전술된 바와 같이, 컨버터 시스템(1")은 또한 본 발명에 따라서 제 1 섹션(14)과 제 2 섹션(15)을 포함하는 지지 하우징(10")을 포함한다. 지지 하우징(10)의 제 1 섹션(14)에서 페달-조작식 발전기(41)는 본 경우에 중공-원통형 스테이터(21')와 로터(22')를 포함한다. 로터(22)는 여기서 로터 샤프트(24')와 로터 휠(23')을 포함하도록 형성된다. 전술된 실시 형태와 대조적으로, 로터(22')는 축방향으로 연속되는 공동을 갖는 페달 축(40)을 따라 형성된다. 로터(22')에 대해 동축을 이루는 공동 내에서, 구동 샤프트(42)는 페달 축과 같이 형성된다. 구동 샤프트(42)는 대응 페달(도시되지 않음)과의 단부 연결을 위해 형성된다. 이를 위해, 구동 샤프트(42)는 본 경우에 레이디얼 베어링(44)을 통하여 지지 하우징의 제 3 섹션(17)의 반경방향 외부 표면(16) 상에 장착되는 연결 섹션(43)을 포함한다. 지지 하우징(10")의 제 3 섹션(17)에 마주보는 측면 상에서, 구동 샤프트(42)는 유성 캐리어(28'b)와 같이 연결된 연결 요소와 일체로 형성된다. 유성 캐리어(28'b)는 이 경우에 또 다른 페달(도시되지 않음)에 대한 연결을 위해 형성되고, 전술된 바와 같이 3개의 암(29)을 통하여 유성 캐리어(28'a)에 토크-방지 방식으로 연결된다.
페달 발전기와 같이 컨버터 시스템(1")의 본 발명의 응용에서, 구동 샤프트(42)에 연결된 페달(도시되지 않음)을 통하여 발에 의해 추진된다. 따라서, 추진은 토크-방지 방식으로 구동 샤프트에 연결된 유성 캐리어(28'a, 28'b)를 통하여 수행된다. 유성 캐리어(28'a, 28'b)는 여기서 레이디얼 베어링(25)에 의해 지지 하우징(10")의 제 2 섹션(15)의 반경방향 외부 표면(16)에 장착된다.
도 4에 따라서, 레이디얼 베어링(25, 44)은 지지 하우징(10")의 제 1 섹션(14)보다 작은 직경을 갖는다. 작동 중에, 유성 캐리어(28'a, 28'b)는 내부 톱니를 가지며 지지 하우징(10")에 토크-방지 방식으로 연결되는 기어박스 하우징(45)과 페달 발전기(41)의 로터(22')로 유성 캐리어(28'a, 28'b)로부터 힘 또는 토크를 전달하는 로터 샤프트(24')와 일체로 형성되는 선 기어(도시되지 않음) 사이에서 이어지는 3개의 반경방향으로 균등하게 이격된 유성 휠(27)을 추진시킨다. 이에 따라, 로터(22')는 추진되고, 스테이터(21')와 휠(23') 사이에 자기장이 생성되며, 발전기(41) 내에서 전류가 생성된다.
작동 중에 생성된 전기적 에너지는 모터 내로 직접 공급될 수 있거나, 또는 모터가 현재 에너지를 허용하지 않을 경우 축적기 내에 또는 배터리 내에 저장될 수 있으며, 도 1 내지 도 3에 따라 형성된 구동 장치에 필요 시에 공급될 수 있다.
본 발명은 전술된 실시 형태를 기초로 설명된다. 그러나, 본 발명은 본 실시 형태에 제한되지 않는다. 특히, 설명된 실시 형태에 따라 다수의 변경 또는 추가가 가능하다. 예를 들어,
-도 4의 실시 형태에 따르는 페달 발전기(41)는 하부 브래킷 모터(bottom bracket motor)와 같이 작동될 수 있고,
-구동 샤프트(42)는 체인 또는 톱니형 벨트에 의해 차량의 후방 휠 상의 스프로켓(sprocket)과의 연결을 위해 형성되는 하나 이상의 체인 링을 포함하고,
-컨버터 시스템(1)은 도 1 및 도 2의 실시 형태에서 스윙 암(2)과 양 측면에서 연결되지 않지만 예를 들어 3- 또는 4-휠 차량에서의 응용의 경우 지지 하우징(10)을 통하여 연결되며,
-모든 전술된 실시 형태에서, 기계식 또는 전기식 프리휠이 제공되며,
-중공 휠(11) 또는 유성 기어(12, 12')와 로터(22, 22') 사이에 브레이크 유닛, 기어 쉬프트 및/또는 클러치가 제공되며,
-도 1 내지 도 3에 따른 실시 형태에서, 중공 휠(11)은 전기 차량의 차량 휠(3)과 일체로 형성되고,
-지지 하우징(10)은 플라스틱 또는 알루미늄으로부터 적어도 부분적으로 형성되며,
-지지 하우징의 제 1 섹션(14)과 제 2 섹션(15)은 신속 분리 체결구 또는 나사 연결부에 의해 서로 연결되고 및/또는
-모터(20)는 동기 장치(synchronous machine; PMSM)와 같이 형성된다.

Claims (17)

  1. 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템에 있어서,
    차량에 연결하기 위한 지지 하우징(10, 10', 10"), 상기 지지 하우징(10, 10', 10")은 제 1 축방향 섹션(14)과 제 2 축방향 섹션(15)을 포함하고;
    하나의 로터(22, 22') 및 하나 이상의 스테이터(21, 21')와 함께 지지 하우징(10, 10', 10") 내에 부분적으로 배열된 전자기계 에너지 컨버터, 스테이터(21, 21')와 로터(22, 22')는 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 1 섹션 내에 부분적으로 배열되고 상기 로터(22, 22')는 스테이터(21, 21')에 대해 구동 축(7, 40) 주위에서 회전가능하고; 및
    허브 쉘로서 형성된 연결 요소에 로터(22, 22')를 연결하는 파워 트랜스미션 장치를 포함하여 구성되고,
    상기 파워 트랜스미션 장치는 중공 휠(11) 내에 배열된 유성 기어(12, 12')를 포함하고,
    상기 중공 휠과 나란한 축방향에서, 지지 하우징의 제 2 축방향 섹션이 중공휠의 지지를 위해 형성되고 상기 제 1 축방향 섹션이 하우징, 스테이터 및 로터를 위해 형성되도록 상기 지지 하우징이 배열되고, 상기 제 1 및 제 2 섹션이 상기 중공 휠의 외측에 인접하여 배열되고;
    상기 제 1 지지 하우징의 제 1 축방향 섹션이 상기 지지 하우징의 제 2 축방향 섹션보다 반경방향으로 더 큰 최대 선형 팽창부를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 1 축방향 섹션(14)은 전기 차량에 연결하기 위한 체결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 2 축방향 섹션(15)은 축방향 통로 개구를 포함하고, 로터(22, 22')는 로터 샤프트(24, 24')를 포함하며, 로터 샤프트(24, 24')는 개구를 통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 2 축방향 섹션(15)은 연결 요소를 지지하기 위해 형성된 반경방향 외부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 2 축방향 섹션(15)에 연결 요소를 피벗회전가능하게 연결하는 베어링 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")과 파워 트랜스미션 장치는 로터 샤프트(24, 24')가 파워 트랜스미션 장치 내로 축방향으로 연장되도록 구동 축(7, 40)을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 유성기어는 하나이상의 축방향으로 배열된 선기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 로터 샤프트(24, 24')와 선 기어는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연결 요소는 선기어와 동축으로 배열된 링기어를 포함하고, 상기 링기어는 토크의 전달을 위해 상기 선기어와 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 링 기어(11)는 전기 차량의 휠 장치에 연결하기 위한 체결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 연결 요소는 선기어와 동축으로 배열된 링기어를 포함하고, 상기 링기어는 토크의 전달을 위해 상기 선기어와 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 링 기어는 전기 차량의 휠 장치에 연결하기 위한 체결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 연결 요소는 로터(24, 24') 내에 형성된 축방향 공동 내에 부분적으로 배열되는 구동 샤프트(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 지지 하우징(10, 10', 10")은 제 2 베어링 유닛을 갖는 제 3 축방향 섹션(17)을 추가로 포함하고, 제 2 베어링 유닛은 지지 하우징(10, 10', 10")의 제 3 축방향 섹션(17)에 구동 샤프트(42)를 피벗회전가능하게 연결하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 제 3 축방향 섹션(17)은 파워 트랜스미션 장치에 대해 축방향으로 마주보게 배열된 지지 하우징(10, 10', 10")의 측면에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  16. 제 1항에 있어서, 각각 하나 이상의 에너지 컨버터를 갖는 제 1 및 제 2 지지 하우징(10, 10', 10")이 제공되고, 제 1 및 제 2 지지 하우징(10, 10', 10")은 구동 축(7, 40)을 따라 배열되고 파워 트랜스미션 장치에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 전자기계 컨버터 시스템.
  17. 제 1항에 따른 컨버터 시스템(1, 1', 1")을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
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