KR102497841B1 - 다중 바 연결 전기 구동 시스템 - Google Patents

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KR102497841B1
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이안 더블유 헌터
티모시 에이 포포노프
피터 지 매든
딘 류비치치
토마스 모리아티
스콧 티 퍼쳐스
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인디고 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

허브 어셈블리, 제1 회전 어셈블리, 제2 회전 어셈블리, 및 제3 회전 어셈블리를 포함하되, 허브 어셈블리는 제1 회전 어셈블리, 제2 회전 어셈블리, 및 제3 회전 어셈블리가 동축 정렬되고 서로 독립적으로 회전 운동을 할 수 있는 회전축을 정의하는 회전 모터 시스템; 및 제1 및 제3 회전 어셈블리 각각에 연결되고 허브 어셈블리에 연결되되, 허브 조립체의 회전축이 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 제한하고, 제1 회전 어셈블리 및 제3 회전 어셈블리의 서로에 대한 상대적 회전에 응하여 허브 어셈블리의 회전축을 정의된 경로를 따라 병진 이동시키는 다중 바 연결 기구를 포함하는, 전기 구동 시스템.

Description

다중 바 연결 전기 구동 시스템
관련 출원
본 출원은 2016년 9월 13일에 출원된 미국 가출원 제62/393,982호 및 2017년 5월 30일에 출원된 미국 가출원 제62/512,469호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시는 본원에 참조로서 통합된다.
기술 분야
구현예는 일반적으로 전기 모터 구동 어셈블리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 2개의 자유도(예를 들어, 휠의 회전 운동 및 휠의 회전축을 가로지르는 방향으로의 휠의 병진 운동)를 갖는 휠의 작동을 생성할 수 있는 전기 모터 구동 어셈블리에 관한 것이다.
점점 많은 기업들이 차량을 추진하기 위한 수단으로서 전기 모터를 사용하는 차량을 개발하고 있다. 그리고, 전기 모터는 특히 연소 엔진과 비교하여 매우 콤팩트하고 효율적으로 설계될 수 있기 때문에, 이들은 또한 차량의 휠에, 또는 각각의 휠에 매우 가깝게 장착되는 전기 모터를 갖는 인-휠(in-wheel) 또는 허브 모터(hub motors)로서 사용된다. 차량 구동 시스템을 위한 더욱 새롭고 더욱 혁신적인 디자인의 일부는 휠을 회전시킬 뿐만 아니라 회전축을 가로지르는 방향으로 휠을 이동시킬 수도 있다. 즉, 이들은 2개의 자유도, 즉 도로를 따라 차량을 추진하기 위한 회전 운동 및 차량에 대한 액티브 서스펜션(active suspension)을 제공하는 병진 운동을 생성할 수 있다.
이러한 시스템의 일례는 미국 특허 제8,519,575호에 기술되어 있으며, 로렌츠 힘(Lorentz-force), 선형 액추에이터의 사용에 기초한다. 2개의 자유도를 달성하기 위하여, 2개의 서로 반대 방향인 선형 액추에이터 및 휠 림을 지지하는 캠 어셈블리와 접하는 캠 팔로워들의 장치로 구성되는 선형-회전 변환기(linear-to-rotary converter)를 사용한다. 선형 액추에이터는 휠 회전축의 반대 측면 상에 놓여 서로 대향한다. 2개의 대향하는 선형 액추에이터가 캠 팔로워를 서로를 향하여 또는 서로로부터 멀어지게 동기화되어 이동하도록 작동될 때, 선형-회전 변환기는 그 운동을 휠의 순수한 회전으로 변환시킨다. 2개의 선형 액추에이터가 캠 팔로워를 동일한 방향(즉, 회전축 및 다른 방향으로 작동하는 방향)으로 이동하도록 작동될 때, 이는 캠 어셈블리 및 캠 어셈블리가 부착된 휠이 휠의 회전축을 가로지르는 방향으로 병진하게 한다.
일반적으로, 하나의 양태에서, 본 발명은 회전 모터 시스템 및 다중 바 연결 기구(multi-bar linkage mechanism)를 포함하는 전기 구동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 회전 시스템은 허브 어셈블리, 제1 회전 어셈블리, 제2 회전 어셈블리, 및 제3 회전 어셈블리를 포함하며, 여기에서 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 각각의 제1 회전 어셈블리, 제2 회전 어셈블리, 및 제3 회전 어셈블리는 회전축과 동축 정렬되며 회전축을 중심으로 다른 2개와는 독립적으로 회전 운동이 가능하다. 다중 바 연결 기구는 제1 및 제3 회전 어셈블리 각각에 연결되고 허브 어셈블리에 연결되며, 허브 어셈블리의 회전축이 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 허브 어셈블리의 운동을 제한한다. 다중 바 연결 기구는 허브 어셈블리의 회전축이 제1 회전 어셈블리 및 제3 회전 어셈블리의 서로에 대해 상대적인 회전에 대응하여 정의된 경로를 따라 병진하게 한다.
일반적으로, 다른 양태에서, 본 발명은 회전 모터 시스템 및 다중 바 연결 시스템을 포함하는 전기 구동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 회전 모터 시스템은 허브 어셈블리, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자(stator) 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 포함하며, 여기에서 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 각각의 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리는 회전축과 동축 정렬되며 회전축을 중심으로 서로 독립적으로 회전 운동이 가능하다. 다중 바 연결 기구는 각각의 제1 및 제2 코일 고정자 어셈블리에 연결되고 허브 어셈블리에 연결된다. 다중 바 연결 기구는 허브 어셈블리의 회전축이 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 허브 어셈블리의 운동을 제한하고, 이는 허브 어셈블리의 회전축이 제1 코일 고정자 어셈블리 및 제2 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대해 상대적인 회전에 대응하여 정의된 경로를 따라 병진하게 한다.
다른 구현예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다중 바 연결 기구는 4-바 연결 기구, 예를 들어, 와트 연결(Watt's linkage) 기구이다. 다중 바 연결 기구는 지지 구조체, 크랭크샤프트 어셈블리, 제1 스윙 암, 및 제2 스윙 암을 포함하며, 여기에서 제1 스윙 암은 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 지지 구조체 상의 제1 위치에서 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가지고, 제2 스윙 암은 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 지지 구조체의 제1 위치와 상이한 지지 구조체 상의 제2 위치에서 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가진다. 크랭크샤프트 어셈블리는 허브 어셈블리를 포함한다. 크랭크샤프트 어셈블리는 크랭크샤프트, 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제1 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암, 및 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제2 반경 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암을 포함한다. 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암은 크랭크샤프트의 양단에 위치한다. 제1 반경 방향은 제2 반경 방향과 반대이다.
또 다른 구현예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전기 구동 시스템은 제1 코일 고정자 어셈블리를 제1 스윙 암에 연결하는 제1 토크 링크 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 제2 스윙 암에 연결하는 제2 토크 링크를 더 포함한다. 그리고, 회전축을 둘러싸는 휠 림을 포함하며, 자기 회전자 어셈블리는 휠 림이 자기 회전자 어셈블리와 함께 회전축을 중심으로 회전하도록 휠 림에 결합된다. 휠 림은 또한 회전 모터 시스템을 둘러싸고 있다. 회전 모터 시스템은, 제1 자기 회전자, 제1 코일 고정자 어셈블리, 제1 자기 회전자가 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 회전자 베어링 어셈블리, 및 제1 코일 고정자 어셈블리가 제1 자기 회전자에 대해 독립적으로 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제1 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제1 전기 모터; 및 제2 자기 회전자, 제2 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리가 제1 자기 회전자 및 제1 코일 고정자 어셈블리에 대해 독립적으로 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제2 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제2 전기 모터를 포함하며, 여기에서 자기 회전자 어셈블리는 회전축을 중심으로 함께 회전하도록 서로 결합된 제1 및 제2 자기 회전자를 포함한다. 제1 및 제2 전기 모터는 축방향 자속 모터(axial flux motors)이다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 발명은 섀시, 및 복수의 휠 어셈블리를 포함하는 차량을 특징으로 한다. 적어도 하나의 휠 어셈블리는, 허브 어셈블리, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자(stator) 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 포함하는 회전 모터 시스템을 포함하며, 여기에서 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 각각의 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리는 회전축과 동축 정렬되며 회전축을 중심으로 서로 독립적으로 회전 운동이 가능하다. 그리고, 이는 각각의 제1 및 제2 코일 고정자 어셈블리 각각에 연결되고 허브 어셈블리에 연결된 다중 바 연결 기구를 포함한다. 다중 바 연결 기구는 허브 어셈블리의 회전축이 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 허브 어셈블리의 운동을 제한하고, 이는 허브 어셈블리의 회전축이 제1 코일 고정자 어셈블리 및 제2 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대해 상대적인 회전에 대응하여 정의된 경로를 따라 병진하게 한다. 휠 어셈블리는 또한 회전축을 둘러싸는 휠 림을 포함하며, 자기 회전자 어셈블리는 휠 림이 자기 회전자 어셈블리와 함께 회전축을 중심으로 회전하도록 휠 림에 결합된다.
휠 어셈블리의 다른 구현예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다중 바 연결 기구는 4-바 연결 기구, 예를 들어, 와트 연결(Watt's linkage) 기구이다. 다중 바 연결 기구는 지지 구조체, 크랭크샤프트 어셈블리, 제1 스윙 암, 및 제2 스윙 암을 포함하며, 여기에서 제1 스윙 암은 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 지지 구조체 상의 제1 위치에서 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가지고, 제2 스윙 암은 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 지지 구조체의 제1 위치와 상이한 지지 구조체 상의 제2 위치에서 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가진다. 크랭크샤프트 어셈블리는 허브 어셈블리를 포함한다. 크랭크샤프트 어셈블리는 크랭크샤프트, 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제1 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암, 및 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제2 반경 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암을 포함한다. 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암은 크랭크샤프트의 양단에 위치한다. 제1 반경 방향은 제2 반경 방향과 반대이다. 적어도 하나의 휠 어셈블리는 또한 제1 코일 고정자 어셈블리를 제1 스윙 암에 연결하는 제1 토크 링크 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 제2 스윙 암에 연결하는 제2 토크 링크를 포함한다. 회전 모터 시스템은, 제1 자기 회전자, 제1 코일 고정자 어셈블리, 제1 자기 회전자가 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 회전자 베어링 어셈블리, 및 제1 코일 고정자 어셈블리가 제1 자기 회전자에 대해 독립적으로 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제1 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제1 전기 모터를 포함한다. 그리고 회전 모터 시스템은 제2 자기 회전자, 제2 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리가 제1 자기 회전자 및 제1 코일 고정자 어셈블리에 대해 독립적으로 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제2 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제2 전기 모터를 포함하며, 여기에서 자기 회전자 어셈블리는 회전축을 중심으로 함께 회전하도록 서로 결합된 제1 및 제2 자기 회전자를 포함한다.
전술한 내용은, 동일한 참조 부호가 상이한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 예시적인 구현예에 대한 다음의 보다 상세한 설명을 통하여 명백해질 것이다. 도면은 반드시 실제 축척을 갖는 것은 아니며, 대신 예시적인 구현예에 중점을 둔다.
도 1은 와트 연결을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 와트 연결 중심점의 예시적인 병진 경로를 도시하는 그래프이다.
도 3은 와트 연결 구동 시스템의 일 구현예의 개략도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 와트 연결 구동 시스템의 구성 요소의 병진 운동을 도시하는 개략도이다.
도 5a는 다중 바 연결 구동 시스템의 다른 구현예를 개략적인 형태로 나타낸다.
도 5b는 다른 고정자를 볼 수 있도록 회전자 및 고정자 중 하나의 부분이 제거된 도 5a의 다중 바 연결 구동 시스템을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6f는 도 5a 및 도 5b에 도시된 다중 바 연결 구동 시스템의 병진 운동의 순서를 도시하는 개략도이다.
도 7은 도 5a 및 도 5b에 나타낸 다중 바 연결 구동 시스템에서 사용될 수 있는 것과 같은 2-모터 축방향 자속 구동의 구성 요소를 도시한다.
도 8은 차량에 사용하기 위한 다중 바 연결 구동 시스템의 사시도이다.
도 9는 내부 구조를 나타내도록 일부 구성 요소가 제거된, 도 8에 나타낸 다중 바 연결 구동 시스템의 사시도이다.
도 10은 도 8의 다중 바 연결 구동 시스템에 사용되는 다중 바 연결 구조의 사시도이다.
도 11a 및 도 11b는 코일 고정자 어셈블리가 제거된, 도 8에 나타낸 다중 바 연결 구동 시스템에 사용되는 2-모터 축방향 자속 구동의 직각 및 사시 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 코일 고정자 어셈블리가 포함된, 도 11a 또는 도 11b에 나타낸 축방향 자속 모터 중 하나의 직각 및 사시 단면도이다.
도 13은 도 8에 나타낸 다중 바 연결 구동 시스템을 사용한 차량을 도시하는 개략도이다.
도 14는 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리의 다른 구현예를 도시한다.
도 15는 도 14의 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리에 사용되는 축방향 자속 모터의 개략적인 단면도이다.
도 16은 도 14의 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리에 사용되는 축방향 자속 모터의 개략적인 정면도이다.
도 17은 도 14의 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 일반 작동 모드 동안 연결 장치의 작동을 도시하는 도 14의 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리의 개략적인 측면도이다.
도 19는 차동 작동 모드 동안 연결 장치의 작동을 도시하는 도 14의 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리의 개략적인 측면도이다.
도 20a 및 도 20b는 도 18a 및 도 18b에 도시된 장치의 상호 연결된 연결부를 나타낸다.
도 21은 코일 고정자 어셈블리와 서스펜션 암 사이의 링크에 대한 대안적인 장치를 나타낸다.
도 22는 서스펜션 암 내에서 스핀들이 연결되는 선형 베어링의 상세부를 나타낸다.
도 23은 도 19에 도시된 구동 시스템을 사용하는 차량을 나타낸다.
도 24는 도 15에 나타낸 전기 모터에 대한 베어링의 대안적인 장치를 나타낸다.
도 25a 내지 도 25c는 스윙 암을 사용하여 회전축이 횡방향으로 이동할 수 있는 경로를 정의하는 대안적인 가이드 기구를 도시한다.
예시적인 구현예의 설명은 다음과 같다.
도 1은 와트 연결(100)을 도시하는 개략도이다. 와트 연결은 연결 중 하나의 중심점(105)이 연결에 의해, 선(110)으로 표시된 바와 같이 그 상당 부분이 실질적으로 직선인 소정의 경로를 따라 이동하도록 제한되는 기계적인 연결 장치이다. 와트 연결은 3개의 이동 가능한 로드를 포함하고, 이 특정 실시예에서, 동일한 길이의 2개의 더 긴 로드(115 및 120)는 중심점이 점(105)인 더 짧은 로드(125)에 의해 함께 연결된다. 3개의 로드의 단부는 힌지점을 중심으로 회전할 수 있도록 힌지 결합된다. 로드(115)의 일 단부는 힌지점(127)에서 고정 마운트(126)에 연결되고, 로드(115)의 다른 단부는 힌지점(128)에서 더 짧은 로드(125)의 일 단부에 연결된다. 로드(120)의 일 단부는 힌지점(129)에서 더 짧은 로드(125)의 다른 단부에 연결되고, 로드(120)의 다른 단부는 다른 힌지점(131)에서 제2 고정 마운트(130)에 연결된다. 고정 마운트(126 및 130)는, 예를 들어 공통 베이스 또는 공통 구조체에 결합됨으로써 서로에 대하여 제 위치에 고정된다. 이 예에서는 단지 3개의 이동 가능한 로드가 있지만, 와트 연결은 2개의 고정 마운트 간의 연결이 제4 바(bar)로 고려된다는 사실 때문에 또한 일반적으로 4-바 연결로 지칭된다.
도 1로부터 명백한 바와 같이, 로드들의 말단점들이 서로 연결되어 구속되더라도, 로드들의 배향이 변경될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 로드의 초기 위치가 실선으로 표시된 요소들에 의해 나타낸 바와 같다고 가정한다. 로드(115)가 힌지점(127)에 대해 반시계 방향으로, 도면에 A로 표시된 점선으로 나타낸 다른 위치로 회전됨에 따라, 로드(120)는 힌지점(131)을 중심으로 시계 방향으로 회전할 것이고, 짧은 로드(125)는 그의 중심점에 대해 시계 방향으로 회전할 것이다. 또한, 로드(115)가 시계 방향으로, 도면에 B로 표시된 점선으로 나타낸 다른 위치로 회전한다면, 로드(120)는 반시계 방향으로 회전할 것이고, 짧은 로드(125) 또한 그의 중심점에 대해 반시계 방향으로 회전할 것이다. 와트 연결의 특징은, 로드의 배향이 연결 장치에 의해 허용되는 모든 가능한 배향을 커버하는 방식으로 변화함에 따라, 짧은 로드(125)의 중심점(105)은 정의된 경로를 따르고, 와트 연결 장치는 그 중심점이 항상 정의된 경로에 놓이도록 제한한다는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정의된 경로의 형상은 상당한 부분이 실질적으로 선형인 숫자 8이다.
도 3에 도시된 구현예는 2개의 전기 모터와 조합된 와트 연결을 사용하여 휠(미도시)을 회전 구동하고 휠의 회전축을 가로지르는 방향으로 휠을 제어 가능하게 병진시키는 구동 시스템(300)을 구성한다. 즉, 이는 2개의 자유도를 갖는 구동 시스템이다.
구동 시스템(300)은 서로 상대적인 위치에 고정된 2개의 전기 모터(340 및 345, 삼각형 물체로 도시됨)를 포함한다. 이는 또한 2개의 동일한 길이의 스윙 암(315 및 320) 및 짧은 크랭크 암(325)으로 이루어진 연결 장치를 포함한다. 이들은 각각 도 1에 나타낸 전술한 로드(115, 120 및 125)에 상응한다. 스윙 암(315)의 일 단부에는 전기 모터(340)에 의해 구동되는 풀리(pulley)(350)가 있고, 스윙 암(320)의 원단에는 전기 모터(345)에 의해 구동되는 다른 풀리(355)가 있다. 스윙 암(315)의 다른 단부(풀리(350)의 단부 반대)에는, 제2 풀리(358)가 있다. 풀리(358)에는 동축 정렬된 엘보우 기어(360)가 부착된다. 마찬가지로, 스윙 암(320)의 다른 단부(풀리(355)의 단부 반대)에는, 엘보우 기어(360 및 365)와 동일한 크기이며 동축 정렬된 다른 엘보우 기어(365)가 부착된 풀리(363)가 있다. 크랭크 암(325)의 중심점에는 2개의 엘보우 기어(360 및 365)와 크기가 동일하고 그와 맞물린 크랭크 기어(370)가 있다. 스윙 암(315) 상에서 구동 벨트(375)는 풀리(350)를 풀리(358)에 연결하고, 스윙 암(320) 상에서 다른 구동 벨트(380)는 풀리(355)를 풀리(363)에 연결한다. 풀리(350 및 358)는 풀리(355 및 363)와 동일한 구동비를 갖는다.
도 3의 연결 구동 시스템(300)이 작동하는 방법을 이해하기 위해, 2개의 모터(340 및 345)가 이에 부착된 풀리(350 및 355)를 동일한 속도 및 동일한 방향(예를 들어, 시계 방향)으로 회전시키는 경우를 고려한다. 이 경우, 벨트(375)는 또한 시계 방향으로, 2개의 풀리(350 및 358)의 크기의 비율에 의해 결정되는 속도로 풀리(360)를 구동할 것이다. 마찬가지로, 벨트(380)는 시계 방향으로, 2개의 풀리(355 및 363)의 크기의 비율에 의해 결정되는 속도로 풀리(365)를 구동할 것이다. 모터(340)가 풀리(350)를 시계 방향으로 2ω의 회전 속도로 구동시킬 경우, 두 풀리(즉, 풀리(350 및 358) 및 풀리(355 및 363))의 비율이 1:2인 것으로 가정하면, 풀리(358)는 시계 방향으로 절반의 속도, 즉 ω로 회전할 것이다. 기어(360, 365 및 370)가 동일한 비율이기 때문에, 기어(370) 및 이에 부착되는 구동 샤프트(373)는 반시계 방향으로 ω의 속도로 회전하고자 할 것이다. 마찬가지로, 모터(345)가 풀리(355)를 시계 방향으로 2ω의 회전 속도로 구동시킬 경우, 풀리(363)는 시계 방향으로 절반의 속도, 즉 ω로 회전할 것이고, 기어(370) 및 이에 부착되는 구동 샤프트(373)는 다시 반시계 방향으로 ω의 속도로 회전하고자 할 것이다. 이러한 작동 조건(즉, 동일한 속도로 작동하는 2개의 모터)은 2개의 모터 모두가 기어(370)를 ω의 속도로 회전하게 하고, 이는 크랭크 기어(370)를 지지하는 크랭크 암(325)에 가해지는 토크가 0이 되게 한다. 즉, 2개의 모터(340 및 345) 모두를 동일한 속도와 동일한 방향으로 작동시키는 것은, 구동 시스템이 구동 샤프트의 순수한 회전 운동을 생성하게 할 것이다. 어떠한 연결에도 토크가 가해지지 않으므로, 그들의 배향 또는 위치는 변경되지 않는다. 따라서, 이러한 구동 조건 하에서, 스윙 암(315 및 320)은 정지 상태로 유지되고 위치상 "잠긴다(locked)".
전술한 논의에서, 모터가 서로 상이한 속도로 작동되는 경우 상이한 상황이 발생한다는 것은 명백하다. 이 경우, 크랭크 암에 토크가 가해지며, 이 토크로 인해 연결의 배향은 변경된다. 이를 이해하기 위해, 모터(345)가 속도를 2ω보다 약간 초과하는 속도로 증가시키는 경우 위의 상황에서 어떤 경우가 발생하는지를 고려한다. 이러한 경우가 발생하면, 기어(365)는 크랭크 기어(370)가 회전하는 속도보다 높은 속도로 회전하도록 강제될 것이다. 이러한 경우가 발생할 수 있는 유일한 방법은, 기어(365)가, 회전 이외에, 크랭크 기어(370) 주위에서 또한 "걷는(walks)" 것이다. 이는, 결과적으로, 토크가 크랭크(325)에 가해져 링크가 서로에 대한 배향을 변경시키고, 구동 샤프트가 와트 링크에 의해 부과된 정의된 경로를 따라 이동하게 한다. 즉, 구동 샤프트(372)가 구동 샤프트의 축을 가로지르는 방향으로 이동하거나 병진하게 할 것이다. 또한, 2개의 모터의 속도가 상이한 한, 링크는 배향을 계속 변경하고, 구동 샤프트의 축은 소정의 경로를 따라 계속 이동할 것이다.
2개의 모터가 구동 샤프트의 순수한 회전 운동을 생성하기 위해 동일한 속도로 작동하고 있다고 가정하면, 일 지점으로부터 다른 지점으로 구동 샤프트의 위치를 변경하는 것은 2개의 모터의 위상 관계를 변경함으로써 달성된다. 위상 변화가 달성되는 속도는, 구동 샤프트가 와트 링크에 의해 결정된 새로운 위치로 전환되는 속도를 결정한다.
전술한 설명에서는, 간략화를 위하여 풀리의 크기가 동일하고 기어의 크기가 동일하고 비율이 같았음을 가정하였다. 이는 반드시 그러할 필요는 없다. 풀리의 크기는 상이할 수 있고, 기어의 크기 역시 상이할 수 있다. 임의의 경우에서, 순수한 회전 운동을 달성하기 위한 주요 작동 조건은 기어(365) 및 기어(360) 둘 모두가 동일한 속도로 크랭크 기어(370)를 회전시키는 것이다. 그 다음, 하나의 모터 또는 다른 모터 속도의 임의의 변화는 구동 샤프트(372)의 병진 운동을 야기할 것이다. 다르게 말하면, 모터(340) 또는 모터(345) 중 어느 하나의 임의의 위상 변화는 이에 상응하는 구동 샤프트(372)의 병진 운동을 야기할 것이다.
도 3에 나타낸 구성이 차량의 휠을 위한 구동 시스템으로 사용되는 경우, 모터(340 및 345)는, 예를 들어 차량의 프레임 또는 섀시에 부착되고 휠 림과 타이어는 구동 샤프트(372)에 부착될 것이다. 이러한 장치는, 2개의 자유도를 가지기 때문에, 차량을 추진하는 것 뿐만 아니라 도로 표면 위의 섀시의 높이를 능동적으로 제어하는데 사용될 수 있다(이 기능은 액티브 충격 흡수 기능을 제공할 수 있다).
다중 바 링크 구동 시스템의 다른 구현예는 도 3의 2개의 모터를 크랭크의 중심에 위치한 회전축을 갖는 단일 전기 모터에 결합한다. 다중 바 링크 구동 시스템(500)의 이러한 다른 구현예의 개략도를 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
구동 시스템(500)은 2개의 스윙 암(515 및 520) 및 2개의 스윙 암(515 및 520)의 상응하는 단부들 사이에서 연결되는 크랭크 어셈블리(534)를 포함한다. 크랭크 어셈블리(534)는 크랭크샤프트(535c)의 회전축에 대하여 가로지르는 방향으로 각각 연장되고 서로에 대해 180°로 배향된, 크랭크샤프트(535c)의 각 단부에 각각 하나씩인 2개의 크랭크 암(535a 및 535b)을 갖는 크랭크샤프트(535c)를 포함한다. 스윙 암(520)의 일 단부는 베어링을 통해 크랭크 암(535a)에 회전 가능하게 연결되고, 스윙 암(520)의 다른 단부는 다른 베어링을 통해 마운트 구조체(570a)에 회전 가능하게 연결된다. 마찬가지로, 스윙 암(515)의 일 단부는 그 자신의 베어링을 통해 크랭크 암(535b, 미도시)에 회전 가능하게 연결되고, 스윙 암(515)의 다른 단부는 또 다른 베어링을 통해 마운트 구조체(570b)에 회전 가능하게 연결된다. 요소들의 이러한 조합은 도 3에 나타낸 것과 유사한 4-바 링크 장치를 구성하고, 링크의 배향이 변화할 때 크랭크샤프트의 회전축을 제한하여 정의된 경로를 따르도록 한다.
구동 시스템(500) 내의 전기 모터는 2개의 고정자 어셈블리(540 및 545) 및 회전자 어셈블리(530)를 포함하며, 이들 각각은 다른 2개의 구성 요소에 대해 독립적으로 회전할 수 있도록 베어링을 사용하여 크랭크샤프트(535c) 상에 장착된다. 회전자 어셈블리(530)는 회전자 어셈블리(530) 상에 휠 림 및 타이어(미도시)를 장착하기 위해 그 주위에 볼트 링(550)을 포함한다.
도면을 간략화하기 위해 베어링은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있지 않음에 유의하여야 한다. 그러나, 이들은 후술되는 도 7에 명시적으로 나타낸다. 또한, 도 7과 관련하여 명백해지듯이, 전술한 구현예의 모터는, 고정자 어셈블리가 코일 고정자 어셈블리이고, 회전자 어셈블리가 자기 회전자 어셈블리인 전기 축방향 자속 모터이다. 또한, 때로는 참조되는 구성 요소가 고정되어 있고 회전하지 않는다는 것을 암시하는 것으로 해석될 수 있는 단어 "고정자"는 본 맥락에서 그렇게 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 본원에 설명된 고정자 어셈블리는 회전자 어셈블리의 회전축과 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 구동 시스템이 2개의 자유도, 즉 회전 및 병진을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 기능은 중요한 특징이다.
도 5a 및 도 5b로 돌아가면, 각각의 스윙 암(515 및 520)은 상응하는 고정자 어셈블리(540 및 545)에 기계적으로 연결된다. 스윙 암(520)은 2개의 윙 연장부(536a 및 536b)를 갖는다. 토크 링크(539a 및 539b)는 윙 연장부(536a 및 536b) 각각을 고정자 어셈블리(545)에 연결한다. 마찬가지로, 구동 시스템의 다른 측면 상에서, 스윙 암(515)은 또한 2개의 윙 연장부(537a 및 537b, 미도시)를 갖는다. 그리고 토크 링크(538a 및 538b)는 윙 연장부(537a 및 537b) 각각을 고정자 어셈블리(540)에 연결한다. 토크 링크(539a 및 539b)는 고정자 어셈블리(545)에 의해 발생된 토크를 스윙 암(520)에 전달하기 위한 것이고, 토크 링크(538a 및 538b)는 고정자 어셈블리(540)에 의해 발생된 토크를 스윙 암(515)에 전달하기 위한 것이다.
각각의 고정자 어셈블리(540 및 545)가 베어링을 갖는 크랭크샤프트 상에 장착됨으로써 크랭크샤프트(535c)의 축을 중심으로 자유롭게 회전하지만, 이들을 다중 바 연결에 연결하는 토크 링크는 이 동작을 제한하여, 제한없이 자유롭게 회전하는 것을 방지한다. 실제로, 토크 링크는 고정자 어셈블리의 회전을 허용된 좁은 회전 범위 이내로 제한한다. 이러한 제한된 회전 범위는, 코일 고정자 어셈블리 상의 코일에 구동 신호를 제공하기 위해 정류 또는 다른 수단을 사용하는 대신, 구동 신호를 고정자 어셈블리 내의 코일에 연결하는 와이어 하니스(wire harness)를 사용할 수 있게 한다.
도 5a에서, 지점 A, B, C, 및 D로 표시된 4개의 지점이 있다. 이들 지점은 4개의 거리, 즉: AB, AC, CD 및 BD를 정의한다. AB는 토크 링크의 길이를 나타내고, CD는 크랭크 암의 길이를 나타내고, AC는 크랭크샤프트의 축과 고정자 어셈블리에 대한 토크 링크의 부착점 사이의 반경방향 거리를 나타내고, BD는 크랭크 암이 스윙 암에 연결되는 지점과 토크 링크가 스윙 암의 연장 윙에 연결되는 지점 사이의 거리를 나타낸다. 설명된 구현예에서, 이들 길이는 서로에게 다음과 같은 관계를 갖도록 설계된다: AB = CD 및 AC = BD. 이는 평행사변형을 정의한다. 이러한 장치의 결과로서, 수직에 대한 고정자 어셈블리의 회전은, 스윙 암이 마운팅 구조체에 연결되는 지점을 중심으로 상응하는 동일 방향으로의 동일한 회전으로 전환된다. 즉, 고정자 어셈블리(545)가 시계 방향으로 회전하는 경우, 이는 스윙 암(520)을 상향 방향으로 가압할 것이며, 이는 또한 마운팅 구조체(570a)에 대한 스윙 암(520)의 시계 방향의 회전에 상응한다.
도 5a 및 도 5b의 다중 바 연결 구동 시스템은 도 3에 나타낸 구현예와 유사한 방식으로 작동한다. 구동 신호가 각각의 고정자 어셈블리(540 및 545)에 가해져 양 구동 신호가 동일한 토크를 생성하고 회전자 어셈블리(530)가 시계 방향으로 회전하도록 가압할 경우, 회전자 어셈블리(530)의 순수한 회전 운동이 발생한다. (주: 회전 방향은 모터의 한쪽 측면, 이 경우에는 고정자 어셈블리(545)가 위치하는 측면의 관점을 기준으로 하여 본다. 이는 설명의 나머지 전체에 걸쳐 사용되는 관례일 것이다.) 스윙 암(515 및 520)의 배향은 고정되어 있고 크랭크샤프트(535c)는 횡방향으로 이동하지 않을 것이다. 이는, 고정자 어셈블리(540)에 의해 크랭크샤프트(535c) 상에 부과된 토크는 고정자 어셈블리(545)에 의해 크랭크샤프트(535c) 상에 부과된 토크에 의해 상쇄되기 때문이다. 연결 상의 토크는 크기가 같고 방향이 반대이므로, 어떠한 연결 상에도 순 토크를 생성하지 않는다.
한편, 하나의 고정자 어셈블리 상의 구동 신호가 다른 구동 신호에 대해 변경되면, 크랭크 어셈블리 상에 순 토크가 발생하여, 그 배향/위치를 변경시킬 것이다. 결과적으로, 크랭크샤프트가 회전하고 있는 동안, 크랭크샤프트는 또한 다중 바 연결에 의해 정의된 경로를 따라 이동할 것이다.
다중 바 연결 시스템이 크랭크샤프트를 병진시키기 위해 어떻게 작동되는지를 이해하기 위하여, 자기 회전자 어셈블리가 어떠한 요인에 의해 회전하는 것이 방지되고 스윙 암이 이동되는 경우를 고려한다. 크랭크샤프트(535c) 및 (휠이 장착될) 회전자 어셈블리(530)가 상방 위치(도 6a)로부터 하방 위치(도 6f)로 이동(또는 병진) 될 때의 구동 시스템 요소의 다양한 상대 위치를 도시하는 도 6a 내지 도 6f를 통하여 시각화될 수 있다. 도면들 각각의 하향 화살표는 회전자 어셈블리 및 크랭크 어셈블리가 이동되고 있는 방향을 나타낸다. 회전자 어셈블리(540)가 도 6a에 도시된 위치로부터 하향 이동함에 따라, 크랭크 어셈블리 및 스윙 암(515 및 520)은 이를 따라 내려간다. 동시에, 토크 링크(538 및 539)는 고정자 어셈블리(540 및 545)가 스윙 암(515 및 420)이 각각의 마운트(570a 및 570b)를 중심으로 회전하는 것과 동일한 방향으로 회전하게 할 것이다. 스윙 암(520)의 하향 이동은 그의 장착부(570b)를 중심으로 하는 반시계 방향의 회전을 나타낸다. 따라서, 고정자 어셈블리(545)는 크랭크샤프트(535c)를 중심으로 동일한 양만큼 반시계 방향으로 회전하도록 강제될 것이다. 다중 바 연결 구동 시스템의 다른 측면에서, 스윙 암(515)의 하향 이동은 그의 장착부(570a)를 중심으로 하는 시계 방향의 회전을 나타낸다. 따라서, 고정자 어셈블리(540)는 크랭크샤프트(535c)를 중심으로 시계 방향으로 회전하도록 강제될 것이다.
도 6c 내지 도 6f에 의해 나타낸 바와 같이, 회전자 어셈블리(530)의 축이 크랭크샤프트(535c)의 축에 대한 다중 바 연결에 의해 정의된 경로를 따라 더 아래로 이동함에 따라 요소들의 상대적인 이동은 계속된다. 도면에 도시된 고정자 어셈블리(540 및 545)는, 회전자 어셈블리(530)가 도 6f에 의해 표시된 그의 하방 위치를 향해 이동될 때 이들 요소의 회전을 시각화하는 데 유용할 참조 슬롯을 갖는다는 점에 유의한다. 또한, 고정자 어셈블리의 회전 방향을 식별하는 화살표가 있다는 점에 유의한다.
도 6a 내지 도 6f에 도시된 이동은 적절한 구동 신호를 고정자 어셈블리(540 및 545)에 적용함으로써 생성될 수 있다는 점은 명백하다. 구동 신호는, 회전자 어셈블리(530) 상에 회전자 어셈블리(530)의 회전이 없도록 하는 0의 순 토크를 가하도록 해야 하는 한편, 동시에 고정자 어셈블리(540 및 545)가 서로에 대해 반대 방향으로 회전하도록 해야 한다. 예를 들어, 고정자(545)가 (회전자 어셈블리(530) 상의 전자기력을 통해) 토크를 가하여 그 자체가 반시계 방향으로 회전하는 경우(그리고 결과적으로 회전자 어셈블리를 시계 방향으로 회전하도록 가압할 경우), 고정자(545)는 또한 스윙 암(520)을 밀어 올리는 토크 링크(539a 및 539b)를 통해 스윙 암(520)에 힘을 가한다. 이어서, (작은 가속도에서 힘의 합이 0이기 때문에) 크랭크 어셈블리(534)를 하향 방향으로 밀어 내리는, 크랭크 어셈블리(534)에서 균형을 맞추는 힘이 있어야 한다. 그 결과, 크랭크 어셈블리(534)는 스윙 암(520)을 밀어 내린다. 결과적으로, 스윙 암(520)은, 스윙 암(520)이 크랭크 어셈블리(534)에 연결되는 곳을 아래로 밀어내고, 스윙 암(520)이 토크 링크(539a 및 539b)에 연결되는 곳을 위로 밀어내는 힘을 가진다. 사실상, 회전 토크는 스윙 암(520)에 가해져 스윙 암(520)이 반시계 방향, 즉, 고정자 어셈블리(545)가 회전하는 동일한 방향으로 회전을 시작하게 한다. 고정자 어셈블리(540) 및 스윙 암(515)의 회전자 어셈블리(530)의 다른 측면에서도 유사한 동작이 발생한다.
2개의 고정자 어셈블리(540 및 545) 모두가 이에 상응하는 스윙 암(515 및 520)을 상향 방향으로 회전시키는 방식으로 회전될 경우, 스윙 암(515, 520)(및 구동 샤프트(530))은 위로 이동한다. 2개의 고정자 어셈블리(540 및 545) 모두가 스윙 암(515 및 520)을 하향 방향으로 회전시킬 경우, 스윙 암(515 및 520)(및 회전자 어셈블리(530))은 아래로 이동한다. 하나의 스윙 암이 다른 스윙 암이 위로 회전되는 동안 아래로 회전하고 있는 경우, 그리고 토크가 균형을 이룰 경우, 스윙 암(515 및 520)은 이동하지 않는다.
요약하면, 병진없이 회전자 어셈블리(530)를 회전시키기 위해 동일한 토크가 2개의 고정자 어셈블리(540 및 545) 모두에 동일한 방향으로 가해진다. 이 경우, 각각의 스윙 암에 가해진 적용된 모멘트(moment)는 상쇄되고 회전자 어셈블리가 회전한다. 회전자 어셈블리(530)를 병진시키기 위해, 동일하지만 반대인 토크가 2개의 고정자 어셈블리(540 및 545) 모두에 가해진다. 이로 인하여 스윙 암(515 및 520)은 동일한 방향으로 이동한다.
다중 바 연결 구동 시스템은 선형 시스템이기 때문에, 롤러 어셈블리(530)의 회전 및 크랭크샤프트(535c)(및 회전자 어셈블리(530))의 병진 운동 모두는 각각의 운동의 유형을 개별적으로 생성하는 데 필요한 신호를 추가함으로써 달성될 수 있다. 즉, 적절한 구동 신호의 사용을 통해, 회전자 어셈블리는 회전하도록, 동시에 상하로 병진하도록 만들어질 수 있다.
전술한 논의에서 관성 효과는 무시된다. 관성 효과가 추가되면, 이는 필요한 토크 및 힘의 크기를 변화시키지만, 다중 바 연결 구동 시스템이 작동하는 일반적인 원리를 변화시키지 않는다. 또한, 위의 논의에서, 토크가 동일한 기호의 같은 크기일 경우 회전이 발생하고, 토크가 서로 반대 기호의 동일한 크기일 경우 이동(또는 병진)이 발생하는 것을 설명하였다. 이는 정의된 병진 운동의 경로를 따르는 모든 지점이 아닌 일부 지점에서 적용된다(도 2 참조). 일반적으로, 다른 지점에서는, 소량의 "혼선(cross-talk)" 또는 "비-직교성(non-orthogonality)"이 존재한다.
전술한 구현예에서 사용될 수 있는 전기 구동 모터(600)의 구조의 예를 도 7에 나타내었다. 여기에는 동축을 따라 함께 결합된, 동축 정렬된 2개의 축방향 자속 모터를 포함한다. 이 경우, 이들은 도 5에 도시된 다중 바 연결 구동 시스템과 관련하여 논의된 크랭크 어셈블리(534)에 상응하는 크랭크 어셈블리(602) 상에 장착된다. 크랭크 어셈블리(602)는 크랭크샤프트(603a)의 양단에 위치하고 서로에 대하여 180°로 배향된 크랭크 암(603b 및 603c)을 갖는 크랭크샤프트(603a)를 포함한다. 도 7에서, 2개의 모터는 모터 #1 및 모터 #2로서 식별된다.
일반적으로, 각각의 축방향 자속 모터는 2개의 자기 회전자 어셈블리(608) 사이에 끼워져 있는 코일 고정자 어셈블리(606)를 갖는다. 각각의 코일 고정자 어셈블리(606)는, 디스크의 환형 영역 주위 및 내부에 배열된 코일 어레이(612)를 가지고 크랭크샤프트(603a) 상에 회전 가능하게 장착되는 원형 디스크(610)이다. 각각의 자기 회전자 어셈블리(608)는 또한 크랭크샤프트(603a) 상에 회전 가능하게 장착되는 원형 디스크이다. 각각의 자기 회전자 어셈블리(608)의 각각의 디스크 상에는 디스크의 환형 영역 주위에 분배된 방사상으로 배향된 바 형상의 영구 자석 어레이(614)가 장착된다. 자기 회전자 어셈블리(608) 상의 자석 어레이(614)는 코일 고정자 어셈블리(606) 상의 코일 어레이(612)와 정렬된다.
동축 정렬된 2개 모터의 자기 회전자 어셈블리(608)는 공통의 허브 어셈블리(616)에 견고하게 부착되어, 결과적으로, 허브 어셈블리(616)와 크랭크샤프트(603a) 사이에 위치하는 베어링(618) 위에 올라타게 된다. 따라서, 다수의 자기 회전자 어셈블리(608)는 일 유닛으로서, 크랭크샤프트(603a)를 중심으로 함께 자유롭게 회전한다.
자기 회전자 어셈블리(608) 사이에 끼워진 코일 고정자 어셈블리(606)의 디스크는, 허브 어셈블리(616)가 디스크와 접촉하지 않고 통과하는 원형의 중앙 개구(620)를 갖는다. 따라서, 코일 고정자 어셈블리(606) 및 허브 어셈블리(616)는 서로 독립적으로 회전할 수 있다. 각각의 코일 고정자 어셈블리(606)는 하우징(622)에 의해 그 주변부 주위에 지지되어, 결과적으로, 베어링 세트(624)를 통해 크랭크샤프트(603a)에 회전 가능하게 장착되고 그 위에 올라타게 된다. 베어링(624)은 자기 회전자 어셈블리(608)가 할 수 있는 것처럼, 하우징(622) 뿐 아니라 지지된 코일 고정자 어셈블리(606) 또한 크랭크샤프트(603a) 상에서 자유롭게 회전할 수 있게 한다. 자기 고정자 어셈블리(608) 모두가 크랭크샤프트(603a) 상에서 단일 구조체로서 회전하지만, 각각의 코일 고정자 어셈블리(606)는 다른 코일 고정자 어셈블리에 대해 독립적으로, 그리고 허브 어셈블리(616)에 대해 독립적으로 크랭크샤프트(603a) 상에서 회전한다.
2개의 영구 자석 어레이 내의 자석은 하나의 자석이 디스크의 환형 영역을 따라 이동할 때 규칙적인 간격으로 방향을 역으로 바꾸는 축방향 자기장을 생성하도록 서로에 대해 배열된다. 자석 어레이에 의해 생성된 축방향 자기장은 코일 어셈블리(608) 상의 코일의 반경 방향으로 배향된 권선(612)과 교차한다. 전류가 코일 권선을 통과할 때, 전류와 자기장의 상호 작용은 자기 회전자 어셈블리(608) 및 코일 고정자 어셈블리(606) 상에 로렌츠 힘을 생성한다. 접선 방향으로 향하는 힘은, 자기 회전자 어셈블리(608)의 디스크가 크랭크샤프트(603a)에 대해 일 방향으로 회전하고, 코일 고정자 어셈블리의 디스크가 크랭크샤프트(603a)에 대해 그 반대 방향으로 회전하도록, 디스크를 회전시키는 토크를 가한다.
전기 구동 모터가 전술한 바와 같이 연결 장치에 결합될 경우, 자기 회전자 어셈블리는 크랭크샤프트를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있지만; 각각의 코일 고정자 어셈블리는 제한된 회전 범위 내에서만 작동하도록 연결에 의해 제한된다. 자기 회전자 어셈블리(608)는 주로 이들이 결합되는 휠에 토크를 가하는 용도로 사용되는 반면; 코일 고정자 어셈블리(606)는 주로 연결에 토크를 가하여 전술한 바와 같이 서로에 대한 배향을 변경시키는 용도로 사용된다.
차량에 사용될 수 있는 것과 같은, 다중 바 연결 구동 시스템을 휠에 통합하는 구현예를 도 8 내지 도 12b에 나타내었다. 전동 휠 어셈블리(800)는 림(806) 상에 장착된 타이어(804)를 포함한다. 이중 축방향 자속 모터는 림(806)으로 둘러싸인 공간 내에 수용되고, 전술한 바와 설계상 유사한 다중 바 연결 시스템(801)에 결합된다.
또한 도 10을 참조하면, 다중 바 연결 시스템(801)은 커플링(809)에 의해 차량의 서스펜션에 부착되는 지지 구조체(807)를 포함한다. 지지 구조체(807)의 일 단부에는 스프링 장착(spring-loaded) 베어링 기구(816)에 의해 지지 구조체(807)에 부착되는 스윙 암(815)이 있다. 지지 구조체(807)의 다른 단부에는 다른 스프링 장착 베어링 기구(817)에 의해 지지 구조체에 부착되는 다른 스윙 암(820)이 있다.
스프링 장착 베어링 구조체(816 및 817)의 스프링이 없다면, 구동 시스템은, 구동 시스템에 전원이 공급되지 않을 경우 구동 시스템이 부착되는 섀시 또는 차량이 지면에 가장 근접하는 위치에 물리적으로 고정될 것이다(즉, 스윙 암(815 및 820)은 최상위 위치를 점할 것이다). 스프링 장착 베어링 어셈블리(816 및 817) 내의 스프링은 구동 모터에 지속적으로 전력을 공급할 필요 없이 구동 시스템을 중간 또는 정상 위치로 유지할 것이다.
베어링 구조체(817 및 816)와 대향하는 각각의 스윙 암(815 및 820)의 단부는 크랭크 어셈블리(834)에 회전 가능하게 각각 결합된다. 크랭크 어셈블리(834)는 크랭크샤프트(803a)의 각각의 단부에 하나씩, 2개의 크랭크 암(803b 및 803c)을 갖는 크랭크샤프트(803a)로 구성된다. 크랭크샤프트(803a)는 2개의 베어링 세트(818 및 824)를 지지한다. 베어링(818)은 자기 회전자 어셈블리(812)가 장착된 허브 어셈블리(810)를 회전 가능하게 지지하고(도 11a 및 도 11b 참조), 베어링(824)는 자기 회전자 어셈블리(812) 사이의 코일 고정자 어셈블리(814)를 보유하는 하우징(822)을 회전 가능하게 지지한다(도 8 및 도 9 참조). 베어링(818)은 모든 자기 회전자 어셈블리(812)가 부착되는 허브 어셈블리(810)가 크랭크샤프트(803a)를 중심으로 회전할 수 있게 한다. 한편, 베어링(824)은 지지 하우징(822)이 그 각각의 코일 고정자 어셈블리(814)와 함께 크랭크샤프트(803a)를 중심으로, 그리고 서로 독립적으로 또한 회전할 수 있게 한다. 각각의 하우징(822)은, 커버(842)를 가지고, 이 커버를 통해 지지되는 코일 고정자 어셈블리(814)에 대한 연결을 행하고 구동 신호를 공급하는 케이블이 통과한다.
각각의 자기 회전자 어셈블리(812)는 기계적으로 함께 연결되는 2개의 디스크(813)로 구성된다. 각각의 디스크(813)는 디스크(813)의 환형 영역 주위에 배열된 영구 자석 어레이(826)를 보유한다. 영구 자석의 자기 모멘트는 축방향으로 정렬되고, 회전자 어셈블리의 원주 주위를 이동함에 따라 주기적으로 방향을 바꾼다. 하나의 디스크(813) 상의 자석(826)은 한 쌍의 디스크 내의 다른 디스크 상의 자석(826)과 정렬되고, 그들의 자기 모멘트는 동일한 방향을 가리켜 코일 고정자 어셈블리 내의 코일에 주어진 자기장을 향상시킨다.
도 11a 및 도 11b를 다시 참조하면, 허브 어셈블리(810)는 한 쌍의 회전자 지지 어셈블리(819) 사이에 끼워지고 볼트(821)의 링으로 함께 체결된 림 지지 디스크(809)의 3개 부분으로 이루어진다. 각각의 회전자 지지 어셈블리(819)는 한 쌍의 자기 회전자 어셈블리(812)를 지지한다. 코일 고정자 어셈블리(814)(도 12a 및 12b 참조)는 각 쌍의 자기 회전자 어셈블리(812) 사이에 위치한다. 허브 어셈블리(810)는 베어링(818 및 824)과 함께, 크랭크샤프트(803a)가 통과하는 구멍(811)을 정의한다.
각각의 스윙 암(815 및 820)은 크랭크샤프트 어셈블리(834)에 결합되는 스윙 암의 단부에 볼트로 고정된 윙 연장부 플레이트(830)를 포함한다. 윙 연장부 플레이트(830)는 토크 링크(832)가 스윙 암에 연결되는 2개의 지점을 제공한다. 토크 링크의 다른 단부는 하우징(822)에 연결된다. 전술한 바와 같이, 토크 링크(832)는 코일 고정자 어셈블리(814)에 의해 발생된 토크가 스윙 암(815 및 820)으로 전달되는 방식을 제공한다.
도 13은 승객 운반체 또는 섀시(910) 상에 장착되는, 전술한 바와 같은 4개의 다중 바 연결 구동 시스템(920)을 포함하는 차량(900)의 개략도이다. 이 예에서, 각각의 구동 시스템(920)은 통상적인 차량 휠 어셈블리에 의해 일반적으로 점유되는 공간을 차지한다. 이 특정 예는 4개의 다중 바 연결 구동 시스템(920)을 갖는 것을 특징으로 하지만, 전면 또는 후면 중 하나에만 이러한 2개의 구동 시스템을 가질 수 있다. 또한, 다중-연결 구동 시스템을 이용하는 다른 유형의 차량이 고려될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 휠이 다중 바 연결 구동 시스템을 사용하여 구현되는, 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 휠을 갖는 차량이 고려될 수 있다.
도 14는 차량을 전방으로 추진시키기 위한 타이어 (1012)의 회전 운동 및 휠과 서스펜션 어셈블리(1010)가 장착된 차량용 액티브 서스펜션의 일부를 제공하기 위한 타이어의 병진(즉, 상하) 운동 모두를 생성할 수 있는 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리(1010)의 다른 구현예를 나타낸다. 이는 모터 어셈블리(1100)가 모터 어셈블리의 제어 하에 상하로 슬라이딩할 수 있도록 슬라이딩 가능하게 장착되는 2개의 서스펜션 암(1020a 및 1020b)을 갖는 서스펜션 포크로 지지되는 축방향 자속 전기 모터 어셈블리(1100)를 포함한다. 한 쌍의 초승달 형상의 연결(1030a 및 1030b)(도 14에서는 단지 하나만 볼 수 있음)은 전기 모터 어셈블리의 회전 가능한 부분을 서스펜션 암(1020a 및 1020b) 상의 앵커 지점에 물리적으로 연결한다. 서스펜션 암(1020a 및 1020b) 상단 부근의 연결 브래킷(1036)은 각각의 암(1020a 및 1020b) 상에서의 클램프 조임을 통해 서로에 대한 고정된 위치를 견고하게 유지한다.
도 15를 참조하면, 모터 어셈블리(1100)는 2개의 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b) 및 외측 자기 회전자(1104a 및 1104b)와 중앙 자기 회전자(1104c)를 포함하는 3개의 자기 회전자로 구성된 자기 회전자 어셈블리를 포함한다. 하나의 코일 고정자 어셈블리(1102a)는 자기 회전자(1104a 및 1104c) 사이에 이격되도록 끼워지고, 다른 코일 고정자 어셈블리(1102b)는 자기 회전자(1104c 및 1104b) 사이에 이격되도록 끼워진다. 각각의 외측 자기 회전자(1104a 및 1104b)는, 허브 어셈블리 또는 중앙 원통형 스핀들(1106)을 따라 배열되는 대체로 원형 링 형상의 구조체이며, 그 축은 스핀들(1106)의 축과 정렬된다. 중앙 자기 회전자(1104c)는 베어링 어셈블리(1108)를 통해 스핀들(1106) 상에 장착되어, 스핀들(1106)의 축에 의해 정의되는 회전축(1107)을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다. 중앙 자기 회전자(1104c)의 둘레 주위에는, 다른 2개의 자기 회전자(1104a 및 1104b)가 (하나의 자기 회전자(1104a)는 칼라(1110)의 한 측면에, 다른 자기 회전자(1104b)는 칼라(1110)의 다른 측면에) 부착되는 원통형 칼라(collar)(1110)가 있다. 이러한 장치로, 2개의 외측 자기 회전자(1104a 및 1104b)는 중앙 자기 회전자(1104c)와 함께 회전축 및 스핀들(1106)을 중심으로 회전한다.
또한 일반적으로 디스크 형상의 구조체인 각각의 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)는 베어링 어셈블리(1109a 및 1109b)에 의해 스핀들(1106) 상에 또한 각각 장착되어, 서로 독립적으로, 그리고 자기 회전자 어셈블리에 대해 독립적으로 스핀들(1106)의 축에 의해 정의된 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 각각의 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)는 환형 영역(1112)을 가지며, 환형 영역(1112) 내에는 디스크 주위에 분배된 코일 어레이(1114)가 있다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 코일 어레이 내의 코일에 전기적으로 연결하기 위한 커넥터(1116)가 또한 있으며, 이를 통하여 구동 신호가 코일에 전달된다. 코일은, 구동 전류가 모터를 작동시키도록 통과하는 대체로 방사상으로 배향된 전류 경로를 생성하도록 제작되거나 권취된다.
각각의 외측 자기 회전자(1104a 및 1104c)는 링 형상이고 환형 영역(1118)을 가지며, 중앙 자기 회전자(1104c)는 디스크 형상이고 환형 영역(1120)을 갖는다. 3개의 자기 회전자가 스핀들(1106) 상에 장착될 경우, 환형 영역(1118 및 1120)은 대체로 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)의 환형 영역들(1112)과 정렬된다. 각각의 자기 회전자 주위 및 환형 영역 내에는 영구 자석 어레이(1122)가 있다. 곧 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 자석(1122)은, 코일 고정자 어셈블리의 코일 권선과 교차하고 하나의 축 방향으로부터 반대 방향의 축 방향으로 교번하는 축방향 자기장을 생성하도록 배치된다.
설명된 구현예는 또한 칼라(1110)를 둘러싸고 이로부터 멀리 연장되며, 타이어(미도시)가 장착될 수 있는 림(1126)을 지지하는 스포크 어셈블리(1124)를 포함한다. 경량화(weight saving) 수단으로 재료로 속이 채워진 링 대신 스포크 어셈블리를 사용한다. 서스펜션 암(1020b) 상에 장착된 브레이크 캘리퍼(1129) 뿐 아니라 스포크 어셈블리(1124)에 부착된 브레이크 디스크(1128)가 또한 있다.
모터 어셈블리는 공통 회전축을 따라 함께 결합되는 동축 정렬된 2개의 축방향 플럭스 모터로 볼 수 있다. 이는 좌측의 모터 #1 및 우쪽의 모터 #2로 도 15에 표시되어 있다. 모터 #1는 자기 회전자(1104a)와 자기 회전자(1104c)의 좌측 절반에 끼워져 있는 코일 고정자 어셈블리(1102a)로 표시되고, 모터 #2는 자기 회전자(1104c)의 우측 절반과 자기 회전자(1104b)의 사이에 끼워져 있는 코일 고정자 어셈블리(1102b)로 표시된다. 이 경우, 자기 회전자는 모두 함께 연결되어 함께 회전한다.
모터 어셈블리(1100)가 일체형 휠 및 서스펜션 어셈블리(1010) 내로 통합되는 방법과, 전체 시스템이 회전 및 병진 운동을 생성하도록 작동하는 방법이 도 16, 도 17, 도 18a 및 도 18b를 참조하여 설명될 것이다.
스핀들(1106)의 단부에는, 서스펜션 암(1020a 및 1020b) 내부의 중공 영역 내에 각각 보유된 2개의 선형 베어링(1140a 및 1140b)이 있다. 선형 베어링(1140a 및 1140b)은 각각의 서스펜션 암(1020a 및 1020b) 내에서 상하로 슬라이딩할 수 있고, 이는 스핀들(1106) 또한 상하로 이동할 수 있게 한다. 상술한 구현예의 선형 베어링(1140b)을 도 22에 보다 상세히 나타내었다. 이는 암(1020b) 내부의 중공형 공간 내에 고정된 2개의 블록(1150a 및 1150b)을 포함한다. 2개의 블록(1150a 및 1150b) 사이에는 견고하게 연결된 원통형 가이드(1152)가 있다. 칼라 베어링(1154)은 가이드(1152)를 둘러싸고 있으며 가이드(1152)의 상하로 주행할 수 있다. 모터 및 휠을 지지하는 스핀들(1106)은 칼라 베어링(1154)에 연결된다.
도 18a 및 도 18b로 돌아가면, 초승달 형상의 연결(1030a)은 서스펜션 암(1020a) 및 코일 고정자 어셈블리(1102a) 상의 고정된 위치 사이를 연결한다. 서스펜션 암(1020a)에 대한 연결은 베어링 마운트(1142a)를 통하며, 코일 고정자 어셈블리(1102a)에 대한 연결은 다른 베어링 마운트(1144a)를 통한다. 마찬가지로, 초승달 형상의 연결(1030b)은 서스펜션 암(1020b) 및 코일 고정자 어셈블리(1102b) 상의 고정된 위치 사이를 연결한다. 서스펜션 암(1020b)에 대한 연결은 베어링 마운트(1142b)를 통하며, 코일 고정자 어셈블리(1102b)에 대한 연결은 다른 베어링 마운트(1144b)를 통한다.
초승달 형상의 연결은 서스펜션 암 및 코일 고정자 어셈블리에 부착되어, 스핀들(1106)의 축과 교차하는 수직 축(1146)을 중심으로 이들 사이에 회전 대칭이 이루어진다. 즉, 휠 및 서스펜션 어셈블리(1010)가 축(1146)을 중심으로 180° 회전하는 경우, 연결 및 그의 부착 지점의 위치는 동일하게 나타날 것이다.
연결은 휠이 다음 방식으로 이동하게 한다. 도 18a에 나타낸 바와 같이 코일 고정자 어셈블리(1102b)가 임의의 양만큼 시계 방향으로 회전되는 경우, 이는 2개의 결과를 가질 것이다. 이는 서스펜션 암(1020a 및 1020b) 내에서 스핀들(1106) 및 베어링(1140a 및 1140b)을 하향 방향으로 밀어낼 것이다. 그리고 코일 고정자 어셈블리(1102a)가 동일한 양만큼 반시계 방향으로 회전하게 할 것이다. 결과적인 구성은 도 18b에 도시된 바와 같다.
이는, 구동 전류가 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)에 가해질 때 시스템이 작동하는 방법과 관련하여 영향을 미친다. 우선, 구동 전류가 코일 고정자 어셈블리(1102a)에 가해져 코일 고정자 어셈블리(1102a)를 반시계 방향(A로 식별되는 화살표로 표시됨)으로 회전시키고 (휠을 포함하는) 자기 회전자 어셈블리를 시계 방향으로 회전시키는 토크를 생성한다고 가정한다. 우선, 구동 전류가 코일 고정자 어셈블리(1102b)에 가해져 코일 고정자 어셈블리(1102b)를 시계 방향(B로 식별되는 화살표로 표시됨)으로 회전시키고 (휠을 포함하는) 자기 회전자 어셈블리를 반시계 방향으로 회전시키는 토크를 생성한다고 가정한다. 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)에 가해지는 구동 전류에 의해 생성되는 결과적인 토크의 크기가 동일한 경우, 코일 고정자 어셈블리(1102a)에 의해 자기 회전자 어셈블리 상에서 생성된 토크는 코일 고정자 어셈블리(1102b)에 의해 자기 회전자 어셈블리 상에서 생성된 토크에 의해 정확하게 균형을 이룰 것이다. 따라서, 자기 회전자 어셈블리에 가해지는 순 토크는 0일 것이며, 부착된 휠과 함께 회전하지 않고 정지 상태를 유지할 것이다. 그러나, 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)는 화살표로 표시된 바와 같이 서로 반대 방향으로 회전하게 된다. 이는 연결(1030a 및 1030b)에 의해, 스핀들(1106) 및 부착된 타이어를 하향 또는 반대 방향으로 밀어낼 것이며; 서스펜션 암이 부착된 차량을 상향으로 밀어 올릴 것이다.
이제 도 19의 참조로 설명될 다른 동작 모드를 고려한다. 이 경우, 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)에 가해진 구동 전류가 자기 회전자 어셈블리를 동일한 방향으로 회전시키는 것을 가정한다. 보다 구체적으로, 코일 고정자 어셈블리(1102a)에 가해진 구동 전류는 자기 회전자 어셈블리를 시계 방향으로 회전시키고, 또한 코일 고정자 어셈블리(1102a)를 반시계 방향(E로 식별되는 화살표로 표시됨)으로 회전시킨다. 그리고, 코일 고정자 어셈블리(1102b)에 가해진 구동 전류는 자기 회전자 어셈블리를 시계 방향으로 회전시키고, 또한 코일 고정자 어셈블리(1102b)를 반시계 방향(E로 식별되는 화살표로 표시됨)으로 회전시킨다. 연결(1030a)은 코일 고정자 어셈블리(1102a)에 의해 가해진 토크를 스핀들(1106)에 전달하여 하향 이동시키고; 연결(1030b)은 코일 고정자 어셈블리(1102b)에 의해 가해진 토크를 스핀들(1106)에 전달하여 상향 이동시킨다. 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)에 가해진 구동 전류가 동일한 크기의 토크를 생성하도록 선택된다고 가정할 경우, 스핀들(1106) 상에 가해지는 힘은 정확하게 서로 균형을 이루고, 스핀들(1106)은 정지 상태를 유지할 것이다(즉, 스핀들은 상하 어느 방향으로도 이동하지 않을 것이다). 한편, 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b) 모두는 자기 회전자 어셈블리를 동일한 방향으로 회전시킬 것이기 때문에, 휠은 그 방향으로 회전할 것이다.
요약하면, 일반 작동 모드라 하는 하나의 작동 모드 및 차동 작동 모드라 하는 다른 작동 모드, 2가지의 작동 모드가 있다. 일반 모드에서, 2개의 코일 고정자 어셈블리에 가해진 구동 신호는 자기 회전자 어셈블리 상에 동일한 크기의 동일한 기호를 가진 토크를 생성한다. 순수한 일반 모드 작동 동안, 휠은 회전하지만 휠의 병진(상하) 운동은 없다. 차동 모드에서, 2개의 코일 고정자 어셈블리에 가해진 구동 신호는 자기 회전자 어셈블리 상에 동일한 크기의 서로 반대의 기호를 가진 토크를 생성한다. 순수한 차동 모드 작동 동안, 휠은 회전하지 않지만 휠의 병진(상하) 운동이 있다. 코일 고정자 어셈블리에 대한 구동 전류를 적절히 선택함으로써, 2가지 유형의 운동의 조합이 동시에 생성될 수 있다.
개념적으로, 전술한 연결 시스템은, 휠의 병진 운동을 생성하기 위해 함께 작동하는 2개의 기계적 시스템으로 볼 수 있다. 하나의 시스템은 스핀들이 소정의 경로(이 경우, 선형 경로)를 따라 이동하도록 제한하는 서스펜션 포크 및 내부 선형 베어링에 의해 형성된다. 다른 시스템은 2개의 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대한 상대적인 회전 운동을 서스펜션 포크에 의해 정의된 소정의 경로를 따르는 스핀들(또는 회전 요소)의 병진 운동으로 변환하는 연결 장치에 의해 형성된다. 도시된 구현예에서, 연결 장치는 4-바 연결 장치에 상응한다는 점에 주목한다.
2개의 기계적 시스템은 도 20a 및 20b에 의해 도시되어 있다. 암(1020b) 내부의 선형 베어링(1140b)은 스핀들(1106)의 축이 선형 베어링 내의 가이드에 의해 정의된 선형 경로를 따라 상하로 이동하도록 제한한다. 전기 모터에 의해 발생된 토크에 응하여 스핀들을 그 경로에 따라 이동시키는 연결 장치는 4개의 바 또는 링크(1180a, 1180b, 1182a 및 1182b)를 포함하는 다중 바 연결 기구이다. 4개의 링크 중 2개는 코일 고정자 어셈블리를 서스펜션 암 상의 고정된 위치에 연결하는 요소로 표시된다. 일 측면에서, 링크(1180b)는, 코일 고정자 어셈블리(1102b)의 회전축(베어링 마운트(1144b)로 표시됨)으로부터 암(1020b) 상의 앵커 지점(1142b)까지의 고정된 거리에 위치하는 코일 고정자 어셈블리(1102b) 상의 지점 사이에 있다. 다른 측면(도면에 나타낸 측면도에서 부분적으로 감춰짐)에서, 링크(1180a)는, 코일 고정자 어셈블리(1102a)의 회전축(베어링 마운트(1144a)로 표시됨)으로부터 암(1020a) 상의 앵커 지점(1142a)까지의 고정된 거리에 위치하는 코일 고정자 어셈블리(1102a) 상의 지점 사이에 있다. 나머지 2개의 링크(1182a 및 1182b)는 스핀들(1106) 및 코일 고정자 어셈블리(1102b 및 1102a) 상의 베어링 마운트(1144b 및 1144a) 사이의 연결로 각각 나타내었다. 도 20a 및 20b에서, 이들 2개의 링크는 요소(1182b 및 1182a)로 표시된다. 4개의 링크는 효과적으로 힌지점에서 함께 연결된 단부를 갖는다. 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)는 링크(1182a 및 1182b)에 적절한 토크를 가함으로써 4개 링크의 물리적 배열을 변경시키고, 이들을 회전시켜 링크를 재구성한다. 링크의 재구성은 스핀들이 선형 베어링에 의해 정의된 선형 경로를 따라 이동하게 한다.
도 23은 4개의 휠 각각을 구동하는 4개의 전기 모터 구동 시스템(1202)을 포함하는 차량(1200)을 나타낸다(측면도에서는 2개의 구동 시스템만을 도시함). 각각의 전기 모터 구동 시스템(1202)은 통상적인 휠 및 서스펜션 어셈블리에 의해 점유되는 공간을 차지하며, 차량의 프레임 또는 몸체에 부착된다. 비록 설명된 구현예는 각각의 휠에 하나씩인 4개의 구동 시스템(1202)을 포함하지만, 차량은 전방 휠(또는 후방 휠)에만 구동 시스템을 사용할 수도 있다. 다른 구현예는, 본원에 기술된 전기 모터 구동 시스템에 의해 구동되는, 1륜, 2륜 및 3륜형 차량 또는 하나 이상의 휠을 구비한 개인용 운송 시스템을 포함한다.
전술한 구현예에서, 연결은 초승달 형상을 가지고, 서로 정렬된 서스펜션 암 상의 지점에 고정된다. 그러나, 연결 및 그의 앵커 지점의 형상은 특별히 중요하지 않다. 설명된 구현예에서, 초승달 형상은 도시된 설계에 의해 부과된 소정의 물리적 제약을 만족시키도록 선택되었다. 다른 형상 및/또는 배열이 분명히 가능하다. 예를 들어, 도 21을 참조하면, 직선 바 연결(1160a 및 1160b)을 사용하고, 각각의 연결은 포크 서스펜션 부재로부터 이격되어 연장되는 탭(1162a 및 1162b) 상에 각각 고정된다.
설명된 구현예에서, 각각의 코일 고정자 어셈블리는 상응하는 연결에 의해 지지 구조체(즉, 서스펜션 암) 상의 앵커 지점에 연결되고, 휠의 축은 서스펜션 암 내에서 슬라이딩하는 선형 베어링에 의해 정의된 경로만를 따라 이동하는 것으로 제한된다. 선형 베어링은, 다른 구현예로 또한 사용될 수 있는 슬라이드 기구의 특정 예이다. 소정의 횡방향 경로를 따르도록 축의 이동을 제한하기 위해서는 슬라이드 기구 외에 사용될 수 있는 다른 방법이 있다. 예를 들어, 간단한 스윙 암 또는 스윙 암 장치가 차량의 프레임과 휠의 엑셀 사이에서 사용될 수 있다. 이 경우, 휠의 상하 이동은 엄격하게 선형 경로를 따르기보다는, 스윙 암의 길이에 의해 정의되는 반경으로 만곡된 경로를 따를 것이다.
도 25a 내지 도 25c는 스윙 암(1194)을 사용하여 축(1106)이 이동할 수 있는 경로(즉, 그 반경이 스윙 암(1194a 및 1194b(도면에서는 스윙 암(1194a)에 의해 시각적으로 가려짐))의 길이에 의해 결정되는 아크)를 정의하는 구현예의 예를 나타낸다. 구동 시스템이 연결되는 차량의 프레임 또는 지지체는 블록(1188)로 표시된다. 전기 모터에 의해 발생된 토크에 응하여 스핀들(1106)을 그 경로에 따라 이동시키는 연결 장치는 4개의 바 또는 링크(1190a, 1190b, 1192a 및 1192b)를 포함하는 다중 바 연결 기구이다. 4개의 링크 중 2개는 코일 고정자 어셈블리를 프레임(1188) 상의 고정된 위치에 연결하는 요소로 표현된다. 일 측면에서, 링크(1190b)는, 코일 고정자 어셈블리(1102b)의 회전축(베어링 마운트(1194b)로 표시됨)으로부터 프레임(1188) 상의 앵커 지점(1196b)까지의 고정된 거리에 위치하는 코일 고정자 어셈블리(1102b) 상의 지점 사이에 있다. 모터의 다른 측면(도면에 나타낸 측면도에서 부분적으로 감춰짐)에서, 링크(1190a)는, 코일 고정자 어셈블리(1102a)의 회전축(베어링 마운트(1194a)로 표시됨)으로부터 프레임(1188) 상의 앵커 지점(1196a)까지의 고정된 거리에 위치하는 코일 고정자 어셈블리(1102a) 상의 지점 사이에 있다. (프레임(1188) 상의 2개의 앵커 지점(1196a 및 1196b)는 동일 선상에 있고 스핀들(1106)로부터 동일한 거리에 있음에 유의한다.) 나머지 2개의 링크는 스핀들(1106) 및 코일 고정자 어셈블리(1102b 및 1102a) 상의 베어링 장착부(1196b 및 1196a) 사이의 연결로 각각 표시된다. 도 25a 내지 25c에서, 이들 2개의 링크는 요소(1192b 및 1192a)로 표시된다. 4개의 링크는 효과적으로 힌지점에서 함께 연결된 단부를 갖는다. 코일 고정자 어셈블리(1102a 및 1102b)는 링크(1192a 및 1192b)에 적절한 토크를 가함으로써 4개 링크의 물리적 배열을 변경시키고, 이들을 회전시켜 링크를 재구성한다. 링크의 재구성은 스핀들이 스윙 암(1194a 및 1194b)에 의해 정의된 만곡된 경로를 따라 이동하게 한다.
도 25a 내지 25c에 나타낸 순서에서, 코일 고정자 어셈블리(1102b)가 시계 방향(만곡된 실선 화살표로 나타냄)으로 회전하고 코일 고정자 어셈블리(1102a)가 반시계 방향(만곡된 점선 화살표로 나타냄)으로 회전할 경우, 스핀들(1106) 및 링크(1190a 및 1190b)의 앵커 지점 사이의 거리는 증가하고 휠은 하향으로 밀린다. 코일 고정자 어셈블리의 반대 방향으로의 회전은 휠을 상향으로 당긴다.
또 다른 공지된 접근이 또한 가능하다. 사용될 수 있는 다중 바 연결 또한 존재하며, 그 예는 당업자에게 잘 알려져 있다.
또한, 예를 들어, 코일 고정자 어셈블리의 경우에서와 같이, "고정자"라는 단어의 사용은 그 요소가 고정적이며 회전 또는 이동할 수 없다는 것을 의미하지 않는다는 것이 전술한 설명으로부터 명백해야 한다. 때로 이 단어는 이보다 제한된 의미를 부여받을 수 있지만, 본원에서는 이를 의도하지 않는다. 이는 코일 고정자 어셈블리 또한 모터 어셈블리의 회전축을 중심으로 회전한다는 전술한 설명으로부터 명백해야 한다.
설명된 구현예에서 사용되는 베어링의 배열은 2개의 코일 고정자 어셈블리 및 자기 회전자 어셈블리가 서로 독립적으로 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는, 사용될 수 있는 많은 대안 중 하나인 것으로 이해되어야 한다. 베어링의 표층 중 하나로서 스핀들을 모두 사용할 필요는 없다. 도 24는 베어링(1209a 및 1209b)이 코일 고정자 어셈블리를 자기 회전자 어셈블리 상에 회전 가능하게 장착하는 대안적인 장치를 나타낸다. 또한, 허브 어셈블리는 스핀들(1106)로 표현되었지만, 회전축을 따라 2개의 모터를 지지하는 다른 장치일 수 있다.
설명된 구현예에서는 구동 시스템으로부터 이용 가능한 제2 자유도를 사용하여 차량용 액티브 서스펜션을 제공하는 것을 구체적으로 언급하였지만, 제2 자유도는 구동 시스템이 사용되는 용도에 따라 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 구동 시스템은 비행기 또는 다른 항공기의 모터로 사용될 수 있으며, 이 경우 제2 자유도는, 예를 들어, 블레이드의 피치를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 구동 시스템이 기계 장비에 사용되는 경우, 제2 자유도는 부품의 선형 또는 병진 운동을 요구하는 다른 목적을 위해 사용될 수 있습니다.
다른 구현예들은 청구범위 내에 있다. 예를 들어, 특정 4-바 연결, 즉 와트 연결이 설명되었으나, 이와 유사한 거동을 나타내며 와트 연결을 대신하여 사용할 수 있는 다수의 다른 다중-바 연결 장치가 있다. 제한하려는 의도 없이, 다른 실시예는 4개와 상이한 개수의 연결 바를 가진 다중 바 연결, 체비세프(Chebyshev) 연결 및 포셀리에-립킨(Peaucellier-Lipkin) 연결을 포함한다. 또한, 축방향 자속 모터 이외의, 예를 들어, 자기 회전자 및 코일 고정자 어셈블리, 또는 코일 회전자 및 자기 고정자 어셈블리를 가진 다른 형식의 전기 모터, 또는 스위치 저항 기술, 정류기, 단일 또는 다중-위상 구동, 또는 DC 구동 등을 기반으로 하는 전기 모터 등을 포함하는 전기 모터가 사용될 수 있다.
예시적인 구현예를 특별히 나타내고 설명하였지만, 첨부된 청구범위에 포함되는 구현예의 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (24)

  1. 허브 어셈블리, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 포함하되, 상기 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리 각각은 상기 회전축과 동축 정렬되며 상기 회전축을 중심으로 회전 운동이 가능한 회전 모터 시스템; 및
    상기 제1 코일 고정자 어셈블리 및 제2 코일 고정자 어셈블리 각각에 연결되고 상기 허브 어셈블리에 연결되되, 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축이 상기 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 상기 허브 어셈블리의 이동을 제한하고, 제1 코일 고정자 어셈블리 및 제2 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대한 상대적 회전에 응하여 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축을 상기 정의된 경로를 따라 병진 이동시키는 다중 바 연결 기구를 포함하고,
    상기 다중 바 연결 기구가 상기 자기 회전자 어셈블리의 제1 측에 있는 상기 제1 코일 고정자 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 스윙 암과, 상기 자기 회전자 어셈블리의 제2 측에 있는 상기 제2 코일 고정자 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제2 스윙 암과, 상기 회전축에 평행하고 상기 제1 스윙 암에 회전 가능하게 연결되고 상기 제2 스윙 암에 회전 가능하게 연결된 부재를 포함하는 것인 전기 구동 시스템.
  2. 허브 어셈블리, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 포함하되, 상기 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 상기 자기 회전자 어셈블리, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리 각각은 상기 회전축과 동축 정렬되며 상기 회전축을 중심으로 회전 운동이 가능한 회전 모터 시스템;
    상기 제1 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리 각각에 연결되고 상기 허브 어셈블리에 연결되되, 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축이 상기 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 제한하고, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대한 상대적 회전에 응하여 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축을 상기 정의된 경로를 따라 병진 이동시키는 다중 바 연결 기구;
    상기 제1 코일 고정자 어셈블리를 상기 다중 바 연결 기구에 연결하는 제1 토크 링크 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리를 상기 다중 바 연결 기구에 연결하는 제2 토크 링크로서, 상기 제1 및 제2 토크 링크는 상기 제1 및 제2 코일 고정자 어셈블리의 회전을 허용된 회전 범위 내로 제한한 것인, 제1 토크 링크 및 제 2 토크 링크
    를 포함하는 전기 구동 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다중 바 연결 기구는 4-바 연결 기구인, 전기 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 4-바 연결 기구는 와트 연결 기구인, 전기 구동 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 다중 바 연결 기구는 지지 구조체, 크랭크샤프트 어셈블리, 제1 스윙 암, 및 제2 스윙 암을 포함하되, 상기 제1 스윙 암은 상기 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 상기 지지 구조체 상의 제1 위치에서 상기 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가지고, 상기 제2 스윙 암은 상기 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 상기 지지 구조체의 상기 제1 위치와 상이한 상기 지지 구조체 상의 제2 위치에서 상기 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가진, 전기 구동 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 크랭크샤프트 어셈블리는 상기 허브 어셈블리를 포함하는, 전기 구동 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 크랭크샤프트 어셈블리는 크랭크샤프트, 상기 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제1 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암, 및 상기 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제2 반경 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암을 포함하는, 전기 구동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 크랭크 암 및 상기 제2 크랭크 암은 상기 크랭크샤프트의 양단에 위치하는, 전기 구동 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 반경 방향은 상기 제2 반경 방향과 반대인, 전기 구동 시스템.
  10. 삭제
  11. 제2항에 있어서, 상기 회전축을 둘러싸는 휠 림을 더 포함하되, 상기 자기 회전자 어셈블리는 상기 휠 림이 상기 자기 회전자 어셈블리와 함께 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 상기 휠 림에 결합된, 전기 구동 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 휠 림은 상기 회전 모터 시스템을 둘러싸고 있는, 전기 구동 시스템.
  13. 제2항에 있어서, 상기 회전 모터 시스템은,
    제1 자기 회전자, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리, 상기 제1 자기 회전자가 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 회전자 베어링 어셈블리, 및 상기 제1 코일 고정자 어셈블리가 상기 제1 자기 회전자에 대해 독립적으로 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제1 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제1 전기 모터; 및
    제2 자기 회전자, 상기 제2 코일 고정자 어셈블리, 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리가 상기 제1 자기 회전자 및 상기 제1 코일 고정자 어셈블리에 대해 독립적으로 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제2 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제2 전기 모터를 포함하되, 상기 자기 회전자 어셈블리는 상기 회전축을 중심으로 함께 회전하도록 서로 결합된 상기 제1 및 상기 제2 자기 회전자를 포함하는, 전기 구동 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 전기 모터는 축방향 자속 모터인, 전기 구동 시스템.
  15. 섀시; 및
    복수의 휠 어셈블리를 포함하는 차량으로서, 상기 휠 어셈블리 중 적어도 하나는,
    허브 어셈블리, 자기 회전자 어셈블리, 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 제2 코일 고정자 어셈블리를 포함하되, 상기 허브 어셈블리는 회전축을 정의하고, 상기 자기 회전자 어셈블리, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리, 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리 각각은 상기 회전축과 동축 정렬되며 상기 회전축을 중심으로 서로 독립적으로 회전 운동이 가능한 회전 모터 시스템;
    상기 제1 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리 각각에 연결되고 상기 허브 어셈블리에 연결되되, 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축이 상기 회전축에 대해 가로지르는 방향으로 정의된 경로를 따라 이동하도록 제한하고, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리의 서로에 대한 상대적 회전에 응하여 상기 허브 어셈블리의 상기 회전축을 상기 정의된 경로를 따라 병진 이동시키는 다중 바 연결 기구;
    상기 회전축을 둘러싸는 휠 림(상기 자기 회전자 어셈블리는 상기 휠 림이 상기 자기 회전자 어셈블리와 함께 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 상기 휠 림에 결합됨);
    상기 제1 코일 고정자 어셈블리를 상기 다중 바 연결 기구에 연결하는 제1 토크 링크 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리를 상기 다중 바 연결 기구에 연결하는 제2 토크 링크로서, 상기 제1 및 제2 토크 링크는 상기 제1 및 제2 코일 고정자 어셈블리의 회전을 허용된 회전 범위 내로 제한한 것인, 제1 토크 링크 및 제 2 토크 링크
    를 포함하는, 차량.
  16. 제15항에 있어서, 상기 다중 바 연결 기구는 4-바 연결 기구인, 차량.
  17. 제16항에 있어서, 상기 4-바 연결 기구는 와트 연결 기구인, 차량.
  18. 제15항에 있어서, 상기 다중 바 연결 기구는 지지 구조체, 크랭크샤프트 어셈블리, 제1 스윙 암, 및 제2 스윙 암을 포함하되, 상기 제1 스윙 암은 상기 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 상기 지지 구조체 상의 제1 위치에서 상기 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가지고, 상기 제2 스윙 암은 상기 크랭크샤프트 어셈블리에 회전 가능하게 연결된 제1 단부 및 상기 지지 구조체의 상기 제1 위치와 상이한 상기 지지 구조체 상의 제2 위치에서 상기 지지 구조체에 회전 가능하게 연결된 제2 단부를 가진, 차량.
  19. 제18항에 있어서, 상기 크랭크샤프트 어셈블리는 상기 허브 어셈블리를 포함하는, 차량.
  20. 제18항에 있어서, 상기 크랭크샤프트 어셈블리는 크랭크샤프트, 상기 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제1 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암, 및 상기 크랭크샤프트로부터 멀어지는 제2 반경 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암을 포함하는, 차량.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 크랭크 암 및 상기 제2 크랭크 암은 상기 크랭크샤프트의 양단에 위치하는, 차량.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제1 반경 방향은 상기 제2 반경 방향과 반대인, 차량.
  23. 삭제
  24. 제15항에 있어서, 상기 회전 모터 시스템은,
    제1 자기 회전자, 상기 제1 코일 고정자 어셈블리, 상기 제1 자기 회전자가 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 회전자 베어링 어셈블리, 및 상기 제1 코일 고정자 어셈블리가 상기 제1 자기 회전자에 대해 독립적으로 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제1 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제1 전기 모터; 및
    제2 자기 회전자, 상기 제2 코일 고정자 어셈블리, 및 상기 제2 코일 고정자 어셈블리가 상기 제1 자기 회전자 및 상기 제1 코일 고정자 어셈블리에 대해 독립적으로 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 하는 제2 코일 베어링 어셈블리를 포함하는 제2 전기 모터를 포함하되, 상기 자기 회전자 어셈블리는 상기 회전축을 중심으로 함께 회전하도록 서로 결합된 상기 제1 및 상기 제2 자기 회전자를 포함하는, 차량.
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