KR102654790B1 - 전기 구동체용 단일 축 구동장치 - Google Patents

전기 구동체용 단일 축 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 전기 에너지로 주행할 수 전기 자동차용 단일 축 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간소한 부품 수에 의해 구동장치의 경량화가 가능하고, 주행속도의 제어가 용이하며, 또한 무단 변속(가속 및 감속)이 가능한 전기 자동차용 단일 축 구동장치에 관한 것이다.

Description

전기 구동체용 단일 축 구동장치{SINGLE SHAFT DRIVE FOR ELECTRIC Mobility}
본 발명은 배터리의 전기 에너지로 주행하는 전기 구동체용 단일 축 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간소한 부품 수에 의해 구동장치의 경량화가 가능하고, 주행속도의 제어가 용이하며, 또한 무단 변속(가속 및 감속)이 가능한 구동체용 단일 축 구동장치에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 전기 구동체용 구동장치는 전기 에너지를 통해 구동되는 2륜, 3륜 또는 4륜 구동체의 구동장치로 채용할 수 있으나, 본 발명에서는 예시적인 목적으로 전동 바이크, 전동 킥보드, 전동 자전거 등의 2륜 자동차에 채용된 것을 바람직한 실시 예로 설명한다.
전기자동차는 내연기관과는 달리 전기 에너지를 통해 구동되는 전기모터의 회전력을 이용하여 주행할 수 있다.
상기한 전기 자동차는 전기모터에서 발생되는 회전력을 단순한 감속기로 감속하여 구동륜을 구동하도록 하는 동력전달구조가 주로 사용되었으나, 최근에는 전기모터로의 회전력을 보다 효율적으로 구동륜으로 전달하도록 함으로써 주행거리를 연장하고 구동성능을 개선시키기는 위한 변속시스템에 대한 연구가 활발해 지고 있다.
전술한 전기자동차는 전기모터의 특성이 우수하여 단일 기어비를 갖는 감속기가 널리 사용되고 있으나, 감속기만 사용할 경우 전기모터의 용량이 커져야 하는 문제가 있기 때문에 최근에는 전기모터를 최대한 효율적으로 주행할 수 있는 2단 변속 장치가 개발되어지고 있다.
그러나, 종래의 2단 변속장치는 하기의 특허문헌 0001과 특허문헌 0002에 상세히 개시된 바와 같이 2단 변속을 구현하기 위해, 2개의 마찰클러치 또는 유체클러치를 필요로 하고 있으며, 이에 의해 변속기의 부피가 커지고, 제조원가가 증가될 뿐 아니라, 전기 에너지의 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 종래의 2단변속장치는 다수의 외접기어와, 록킹 장치, 시프트 기구 등의 구성이 적용되고 있어, 그 구조가 매우 복잡하고, 조립성이 저하되며, 구성 부품의 수가 증가 및 복잡한 연결관계에 의해 동력원의 동력이 출력축에 신속하게 전달되지 못하는 동력손실 현상이 발생되어, 변속성능이 저하되는 문제가 있다.
위와 같은 종래의 2단 변속장치는 1단에서 2단으로의 변속시, 변속 충격과 마찰손실이 발생되어, 탑승자의 승차감을 저하시키고 안전운전을 방해하게 되는 등 여러가지 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결하기 위해 창안하기에 이르렀고 괄목할 만한 성과가 있어 이를 본 발명을 통해 제안하고자 한다.
[참조문헌]
특허문헌 0001: 등록특허공보 등록번호 10-1532834(2015.06.24)
특허문헌 0002: 등록특허공보 등록번호 10-1952775(2019.02.21)
본 발명은 간소한 부품 수에 의해 구동장치의 경량화가 가능하고, 주행속도의 제어가 용이하며, 또한 무단 변속(가속 및 감속)이 가능한 전기 구동체용 단일 축 구동장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 목적에 따른 해결수단은,
하우징 내에 회전가능하게 축받이된 구동축(303)과, 전술한 구동축에 연결된 차동기어(302)를 포함하는 차동기어 하우징(301)과;
회전자(222)의 외경에 기어(223)를 갖추고 전술한 구동축(303) 선상에 회전가능하도록 전술한 차동기어 하우징(301)에 결합되는 제2 모터(220)와;
상기 차동기어 하우징(301) 내에 고정되는 고정자(211)와, 내경에 기어(213)를 갖추고 상기 차동기어 하우징(301)에 회전가능하게 결합되는 회전자(210a)를 포함하는 제2 모터(210)와;
상기 구동축(303)을 관통되게 수용하고 상기 제 1 및 제2 모터(210)(220)의 양 기어(223)(213)사이에 위치되는 유성기어(232)를 회전가능하게 지지하고, 상기 차동기어 하우징(301)에 고정되게 결합되는 캐리어(231)를 포함하는 전기 구동체용 단일 축 구동장치를 특징으로 한다.
전술한 제1 및 제2 모터(210)(220)는 구동체의 컨트롤러에 의해 제어된다.
즉, 구동체 출발시 컨트롤러는 제2 모터의 구동을 제어(On)한다. 이렇게 하면 제2 모터의 기어와 맞물린 유성기어 및 차동기어가 회전되어 구동축이 회전된다.
구동체 출발 후 컨트롤러는 제2 모터가 제1 모터 보다 조금 빠르게 구동되도록 제어하여 가속을 진행시키고 정해진 속도에 도달하면 모터와 출력측의 모두가 일체가 되어 더 이상 유성기어는 작동하지 않는다.
즉, 출발시는 감속기로 작동하고, 가속시는 무단 변속기로 작용하다가 두 개의 모터의 속도가 일치가 되면 모터가 구동체를 구동하는 직결구동이 된다.
반대로, 감속운전의 경우 컨트롤러는 제1 및 제2 모터의 회전속도가 점점 느리게 구동(On)되도록 제어한다.
일 실시 예로서, 일방향 베어링의 내측은 캐리어에 조립되고 외측은 차동기어 하우징에 결합될 수 있다. 이렇게 하면 제2 모터(220)가 구동될 때, 제1 모터(210)가 역방향으로 회전되지 않도록 함으로써 감속작용에 의해 제1 모터(210)의 용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
일 실시 예로서, 동력 인출 부위의 차동기어가 제거되고 캐리어에서 연결된 림에 타이어를 부설함으로써 2륜용 및 인휠 구동체에 채용가능한 감속기 및 무단변속기를 구현한다.
본 발명은 전기 구동체의 출발과, 가속 및 주행에 따른 무단에 의해 자동으로 변속되므로 구동체의 주행에 에너지 손실을 최소화하고 안정적으로 주행할 수 있다. 그래서 무단 변속이 가능한 전기 구동체용 단일 축 구동장치를 제공한다.
또한 본 발명은 구성이 간소하여 경량화할 수 있기 때문에 2륜 또는 3륜 전기 구동체에 특히 유용한 전기 구동체용 단일 축 구동장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 구동체용 구동장치를 예시한 요부 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 모터와 변속장치의 결합관계를 도시한 구동장치의 요부 종단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 및 제2 모터와 변속장치의 결합관계를 도시한 구동장치의 요부 종단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제2 모터와 변속장치를 발췌하여 도시한 요부 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전기 구동체용 단일 축 구동장치의 캐리어를 2륜 구동체의 차륜에 채용한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 모터가 구동할 때, 제1 모터가 역방향으로 회전되지 못하도록 캐리어에 결합되는 일방향 베어링을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 인용된 간행물, 특허출원, 및 특허를 포함한 모든 참고문헌은, 마치 각 참고문헌이 인용에 의해 본 명세서에 통합되는 것으로 개별적으로 그리고 명시적으로 표시되고 그 전체가 본 명세서에 기재된 것과 동일한 정도로, 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 발명을 설명하는 맥락에서(특히 하기 청구범위의 맥락에서), 단수 지시어 및 "적어도 하나" 및 유사한 지시어의 사용은, 본 명세서에서 달리 표시되거나 문맥 상 명백히 모순되지 않는 한, 단수 및 복수 둘 다를 포함하는 것으로 해석된다. 하나 이상의 항목들의 목록 다음에 "적어도 하나"라는 용어를 사용하는 것(예를 들어, "A 및 B 중 적어도 하나")은, 본 명세서에서 달리 표시되거나 문맥 상 명백히 모순되지 않는 한, 나열된 항목들로부터 선택된 하나의 항목(A 또는 B), 또는 나열된 항목들 중 둘 이상의 조합(A 및 B)을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 값들의 범위 기재는, 본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한, 그 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 언급하는 것의 약식 방법으로서의 역할을 하는 것으로 의도되고, 각각의 개별 값은 마치 본 명세서에서 개별적으로 기재된 것처럼 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에 설명된 모든 방법은 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥 상 명백히 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.
본 명세서에 제공된 임의의 모든 예, 또는 예시적 표현(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 본 명세서의 어떤 표현도, 비청구된 임의의 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 표시하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들은 도면에 예시하고 여기에서 이를 상세히 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것들로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명할 것이다.
그러나, 본 발명에 관한 설명은 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
예를 들어, 실시 예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시 예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니기 때문에 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 명세서에서, 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시 예에서 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명하지 않는다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 사전적 의미에 제한되지 않으며, 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
일반적으로, 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 전기 구동체용 구동장치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 전기 구동체용 단일 축 구동장치(100)를 예시한 요부 단면도이다.
전술한 전기 구동체용 단일 축 구동장치(100)는, 제 1 및 제 2 모터(210)(220)와 변속장치(230) 및 차동장치(300)가 내장된 구동장치 하우징(201)을 포함한다.
전술한 구동장치 하우징(201)은 구동체의 차체(도면에는 미도시)에 고정될 수 있게 설치 된다. 구동장치 하우징(201)은 차동장치(300)와 변속장치(230)의 분해 조립을 위해 세분될 수 있다.
전술한 양 모터(210)(220)는 모두 원통 방향 자속 모터(CFPM)로서, 차동장치의 구동축(303)의 축선상에 이중으로 장착되어 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 도시된 변속장치(230)와 제1 모터(210)의 결합관계를 도시한 구동장치의 요부 종단면도를 보여준다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 제1 모터(210)는 여자코일(211)을 갖춘 고정자와 영구자석(212)을 갖춘 회전자(210a)를 포함한다.
전술한 영구자석(212)은 도 2에 도시된 바와 같이 전술한 회전자(210a)의 외경에 일정간격으로 복수로 마련되어 있고, 회전자(210a)의 내경에는 기어(213)가 마련되어 있다.
전술한 제2 모터(220)는 도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석을 갖춘 고정자(220a)와 여자코일(221)을 갖춘 회전자(222)를 포함한다.
전술한 고정자(220a)는 구동축(303)의 외경에 회전가능하게 구동장치 하우징(201)의 내에 견고히 고정되어 있고, 회전자(222)는 고정자(220a)의 외경에 결합되는 회전가능하게 결합되어 있는데, 그 내경에 일정간격으로 고정되도록 부착된 복수의 영구자석과 그 외경에 마련된 기어(223)를 포함한다.
전술한 제2 모터(220)는 도면에는 도시되어 있지 않으나, 구동축(303) 선상에서 회전될 수 있도록 구동장치 하우징(201)에 축받이되어 있다.
전술한 변속장치(230)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 양 모터(210)(220) 사이에 설치되는데, 전술한 변속장치(230)는 차동기어 하우징(301)에 결합되는 캐리어(231)와 전술한 제1 및 제2 모터(210)(220)의 양 기어(213)(223)에 동시에 물려 있는 유성기어(232)를 포함한다.
전술한 캐리어(231)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 구동축(303)이 관통되는 구멍(도면부호 미표기)이 마련되어 있고, 전술한 유성기어(232)는 복수개로 구성될 수 있고, 각각의 유성기어(232)는 캐리어(231)에 회전될 수 있도록 결합되어 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 후술하는 차동장치 하우징(301, 도 1)에 고정되게 결합되어 있다.
따라서, 전술한 캐리어(231)의 유성기어(232)는 제1 또는 제2 모터(210)(220)의 회전시 양 기어(213)(223)에 의해 회전되면서 캐리어(231)가 회전된다.
그래서, 컨트롤러(도면에는 미도시)의 제어에 따라 제1 및/또는 제2 모터(210)(220)는 선택적 혹은 동시에 구동되므로 구동체의 가속과 감속을 무단으로 변속하는 것이 가능해진다.
전술한 제1 및 제2 모터(210)(220)는 자동차 운전자의 제어에 따라 컨트롤러(도면에는 미도시)에 의해 제어된다.
전술한 차동장치(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 구동축(303)의 양 단부에 차륜(310, 도 5)이 장착되어 전술한 양 모터(210)(220)의 구동시 그 동력을 차륜으로 제공한다.
도 1에서, 도면부호 301은 차동장치 하우징이고, 302는 차동기어이다.
전술한 구동축(303)은 구동장치 하우징(201)에 회전가능하게 축받이되어 있다.
도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명에 따른 전기 구동체용 구동장치의 캐리어를 2륜 구동체의 차륜에 결합한 예를 도시한 도면으로, 도면에서 볼 수 있듯이 전술한 캐리어(231)를 2륜 구동체(도면에는 미도시)의 차륜(310)에 결합할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명에 따른 제2 모터(220)가 구동할 때, 제1 모터(210)가 역회전할 수 없도록 캐리어(231)에 결합되는 일방향 베어링(205)을 도시한 도면이다.
즉, 제1 모터의 회전자(210a)가 일방향으로만 회전가능하게 구동장치 하우징(201) 내에 일방향 베어링(205)을 설치함으로써 전술한 제2 모터(220)가 구동할 때 제1 모터(210)는 역회전되지 않는다. 그래서 구동장치는 감속작용이 발현된다.
도 6에서, 도면부호 206은 래칫 휠이고, 206a는 래칫(ratchet)이며, 207은 폴(pawl)이다. 전술한 폴(207)에 의해 동력은 한 방향으로만 전달할 수 없다.
전술한 일방향 베어링(205)을 구동장치 하우징(201) 내에 장착하는 것은 래칫과 폴을 이해하는 사람이면 쉽게 적용할 수 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 전술한 전기 자동차용 단일 축 구동장치에 따른 구동에 대하여 설명한다.
구동체 출발시 전술한 구동장치(100)는, 제2 모터(220)의 구동에 의해 출발할 수 있다.
즉, 제2 모터(220)에 전기가 공급되면, 회전자가 회전하면서 기어에 물려 잇는 유성기어에 의해 캐리어(231)는 구동축을 중심으로 회전되면서 회전력이 차동기어 하우징(301)으로 전달되므로 구동체는 출발할 수 있다.
구동체가 출발하면, 컨트롤러는 제2 모터가 점점 빠르게 구동되도록 제어하여 제1 모터와 제2 모터의 속도(출력측의 회전수)가 일체(동일)하게 되면 더 이상 유성기어는 동작(회전)하지 않게 된다.
반대로, 감속운전의 경우 컨트롤러는 제1 및 제2 모터의 회전속도가 점점 느리게 구동되도록 제어한다.
그러므로, 본 발명은 전술한 양 모터와 양 모터 사이에 연결된 유성기어를 갖춘 캐리어 만으로 구동체를 구동시킬 수 있으므로, 구동장치(100)의 구성이 매우 간소할 뿐만 아니라 경량화가 가능하여 2륜 전기 구동체에 매우 유용하게 채용될 수 있다.
전술한 제1 및 제2 모터는 주행시 같은 방향으로 회전되도록 제어되고, 제2 모터는 후진하는 방향으로, 제1 모터는 저속 전진방향으로 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명한 것일 뿐 본 발명이 속한 기술분야에 통상의 지식을 가진 사람이면 본 발명을 기초로 다양한 응용 예나 변경 예를 실시할 수 있는 것이나, 이러한 응용 예나 변경 예는 본 발명자가 의도하는 진정한 의미의 기술적 사상과 청구범위에서 정의한 권리범위에 포함된다는 것을 미리 밝혀두는 바이다.
100: 구동장치
201: 구동장치 하우징
210: 제1 모터
210a: 제1 모터의 회전자
211: 제1 모터의 여자코일
212: 제1 모터의 영구자석
213, 213: 기어
220: 제2 모터
220a: 제2 모터의 고정자
221: 제2 모터의 여자코일
222: 제2 모터의 회전자
230: 변속장치
300: 차동장치
301: 차동장치 하우징
302: 차동기어
303: 구동축

Claims (3)

  1. 구동체의 차체에 고정된 구동장치 하우징(201) 내에 회전가능하게 결합되는 구동축(303)과;
    구동축(303) 상에 결합되는 차동기어(302)를 포함하고, 상기 구동축(303)에 회전가능하게 결합되는 차동기어 하우징(301)과;
    상기 구동장치 하우징(201) 내에 결합되되, 외경에 기어(223)를 포함하고 자력에 의해 회전되는 회전자(222)를 갖추고, 구동축(303)에 결합되는 제2 모터(220)와;
    상기 제2 모터(220)의 회전자(222)와 이웃하게 상기 구동장치 하우징(201) 내에 고정되되, 내경에 기어(213)을 갖추고 자력에 의해 회전되는 회전자(210a)를 포함하고, 상기 구동장치 하우징(201) 내에 결합되는 일방향 베어링(205)과 연결되어 한 방향으로만 회전되도록 상기 제2 모터(220) 주위에 결합되는 제1 모터(210)와;
    상기 구동축(303)에 회전할 수 있게 결합되고, 상기 제 1 및 제2 모터(210)(220)의 양 기어(223)(213) 사이에 양 기어(223)(213)와 맞물리는 복수의 유성기어(232)를 회전가능하게 지지하고, 상기 차동기어 하우징(301)과 결합되는 캐리어(231)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동체용 단일 축 구동장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07156673A (ja) * 1993-12-01 1995-06-20 Nissan Motor Co Ltd 電気自動車用駆動装置
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