KR20000019252A - 2개의 추진모우터를 이용하는 전기자동차용 무단자동변속기의기계장치 - Google Patents

Abstract

전기자동차의 추진모우터를 2개를 채용하고, 1개는 유성기어 장치에 연결하여 차량추진 및 감속장치로 이용하고 다른 1개는 차동기어 장치에 연결하여 차량추진 및 감속제어 장치로 이용하며, 두 장치를 결합함에 특수보조기어 장치를 사용하며 기타 보조장치를 그림(제1도)와 같이 조립하여 추진모우터 2개를 각각 독립된 제어를 하면 수 백대 일에서 2:1 가깝게 초광범위한 감속비로 무단자동 변속시키며 추진용 모우터 2개를 고효율 회전수 범위내에서 준 정속도 제어하여 차량속도를 변하게 하는 과정에 자동으로 감속비가 변하므로 변속을 위한 별도의 제어 장치가 필요없고 고장이 없으며 부품교환등 정비, 보수도 필요없고 제작이 간단하고 값이 싸며 광범위한 감속비와 저전류로 강한 토르크를 발생하여 고효율적인 모우터 운전으로 초절전형 전기자동차로 될 수 있어 밧데리의 용량을 크게 줄일 수 있는 전기자동차 시대를 앞당길 획기적인 전기자동차용 무단 자동 변속기의 기계장치

Description

2개의 추진모우터를 이용하는 전기 자동차용 무단 자동 변속기의 기계 장치

1) 발명의 배경 및 목적.

석유의 매장량은 한정되어 있고 고갈되어 가고 있으며 석유에너지를 이용하는 자동차에 의한 환경오염 또한 심각하다.

그래서 무한한 태양에너지 등을 이용할 수 있는 전기자동차 시대의 도래는 필연적이다. 하지만 아직까지 일반화 되지 못하고 있는것은 기존 전기자동차에서 가장 큰 문제 점인 밧데리에 의한 무게, 부피, 주행거리 그리고 재충전 때문이다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 밧데리 자체의 개발도 중요하지만, 차량 추진용 모우터에서 전기 에너지가 소비될 때 순수차체 추진용으로 이용되는 외에 모우터, 브레이크, 타이어 등에서 발열과 마모로 에너지가 소비되는 손실을 최대한 줄여 고효율적인 운전을 함으로서 기본적으로 에너지를 절약하는 것이 더욱 중요하다. 모우터의 특성상 무부하로 기동시킬때에도 정격 회전수에 도달할때까기 정격 전류 몇 배의 고전류가 소비되는 바, 특히 차량용 추진모우터에서는 승차인원, 경사길, 교통체증, 급정거, 급발진, 추월 등 다양한 부하 변동으로 모우터의 발열은 필연적이다. 이러한 모우터의 발열, 브레이크나 타이어의 발열과 마모도 따지고 보면 모두 밧데리에서 제공되는 에너지의 소비이다. 이러한 전기에너지의 불필요한 소비를 본 발명에서는 추진용 모우터의 고효율적인 운전을 통하여 최소화시켜 밧데리의 무게와 부피를 죽여 대기오염이 거의 없는 전기자동차 시대를 앞당기는데 목적이 있다.

2) 발명이 속하는 기술분야 및 그분야의 종래기술.

본 발명은 전기자동차에 사용할 수 있는 초 광범위한 변속비를 가진 무단자동변속기의 기계장치로서, 기존 자동차에 채용될 수 있는 종래 변속기들을 살펴보면 다음과 같다.

첫 째, 가장 원시적인 감속기로서 클러치가 없고 일정한 감속비로 고정된 기어만 사용한 것으로 일반 가솔린 엔진 차량의 소형 승용차 1단의 최고 감속비가 약 15대 1이나 되지만, 승차인원이 많거나, 오르막길에서는 악세레타를 많이 밟아 엔진 회전수를 많이 올리면서 반클러치를 써 클러치 슬립을 시켜 많은 열과 마모를 가져오면서 실제 수 십대 일의 기어비 효과를 내어야만 엔진이 정지하지 않고 출발할수 있다. 전기 자동차에서도 발진시 강한 토르크를 얻으려면 큰 감속기어를 사용해야하지만 그땐 차량이 고속 주행시 모우터도 초고속으로 회전해야 하므로 전기적 저효율은 말할것도 없고, 대형 모우터의 회전자 고속회전에 의한 엄청난 원심력 때문에 기계적 기술문제로 감속비가 큰 기어는 사용이 불가능 하다. 그래서 기어비 고정형 감속기를 사용할때는 일반 가솔린 엔진의 승용차 1단 감속비보다 훨씬 적어지며 반면에 모우터의 출력을 크게 설계 할 수 밖에 없다. 이 대형 모우터가 저감속기어와 사용 될 때, 차량 운전시 모든 상황 변화에 따라 부하 변동에 의한 차량의 속도변화는 오로지 전류만으로 제어 해야한다. 열 발생은 전류 제곱에 비례하는 원리를 생각하면 에너지 손실은 필연적으로 엄청나다.

둘 째, 일반 클러치가 있는 수동변속기로서 일반 가솔린엔진은 피스톤의 흡입, 압축 그리고 라이너와의 마찰, 메탈베아링의 면마찰, 흡배기 발브작동용 캠구동, 냉각수, 냉각팬, 발전기, 에어콘, 파워핸들등 기본적인 엄청난 부하때문에 악세레타에서 발을 떼며 클러치를 밟는 순간 엔진의 회전수가 급속히 떨어져 기어 변속이 아주 용이하다. 하지만 전기 자동차에서는 수십마력 대형 모우터의 대직경, 대중량의 회전자가 고속중 전원을 차단하고 클러치를 밟아도, 마찰계수가 아주 작은 두 개의 특수베아링과 공기저항만으로는 회전속도가 급속히 떨어 질 수가 없어 기어변속이 어려우며 회전자 속도를 줄이기 위해서는 외부의 큰 에너지가 필요하다. 모우터의 회전력 자체가 밧데리의 전기 에너지이며 이 에너지를 버리기 위해 또 다른 에너지를 소비해야 하는 셈이다.

세 째, 토크 컨버터, 다판클러치, 유성기어등으로 구성된 자동 변속기는 변속기 자체의 저효율 특성, 무게, 부피, 제어장치의 복잡, 가격등 더욱 비 경제적이며 에너지 소비가 더 크다.

위의 3가지 종래의 변속기들이 전기자동차에 채용되어 대형 추진모우터 1개와 결합되어 정지에서 발진, 오르막길 운전, 급가속 등의 과부하 상황일 때 모우터의 발열과 저효율 운전은 불가피하며, 고속 주행중 급정거, 급감속시에는 고속회전중인 모우터의 회전자도 급정지 급감속 시켜야 하기 때문에 전기 에너지에 의해 만들어진 중량의 회전자 고속 회전에너지가 결국 타이어나 브레이크의 발열과 마모로 허비되는 것 역시 막을 수 없다.

일반산업기계에 이용되는 전기모우터는 대부분 정속도 운전과 완만한 부하변동으로 정격 전류 범위내에서 작동되므로 일반적인 공기 냉각만으로 설계된 효율과 온도 범위내에서 운전할 수 있다. 하지만, 전기자동차에서는 다양한 부하 변동과 회전수 변화를 대형모우터 1개와, 앞서 설명한 종래의 변속기 들로서는 모우터의 정속도 운전이 불가능하여 대 전류 증가로 토르크를 발생시켜 부하 변동에 대응해야 하므로 모우터의 발열, 특수냉각장치, 저효율 운전등 "불필요한 에너지 소비과다"라는 과제를 해결 할 수 가 없다. 본 발명에서는 소형 모우터 2개를, 유성기어 장치의 3요소, 차동기어 장치의 3요소, 그리고 특수 헤리칼기어와 보조장치등으로 3차원적인 변속을 통해, 열발생은 전류제곱에 비례하고, 힘발생은 속도제곱에 비례하는 원리를 충족시킬수 있는 수백대 일에서 2대1에 가까운 자동차에서는 초광범위한 무단자동변속 장치와 함께 고효율 회전수 범의 내에서 준 정속도 운전으로 저전류로 고토르크를 발생시키며 기본적으로 에너지를 절약하여 밧데리의 용량을 줄이고 줄어든 밧데리의 무게가 모우터에 부하 경감으로 피드 백 되어 초절전형 전기자동차를 만들어, 전기자동차에서의 "불필요한 에너지 소비과다"라는 과제를 해결 할 수 있다.

그림(제1도) : 변속장치 전체 구성도

그림(제1도)의

1) 유성기어 장치 : (R), (P), (S), (C1)으로 구성되어 있는 것

2) 차동기어 장치 1 : (D1), (D2), (D3), (D4), (C2), (L6), (L7)으로 구성되어 있는 것

3) 보조기어 장치 : (H1), (H2), (H3), (H4), (B1), (B2), (L1), (L2)로 구성되어 있는 것

4) 보조장치 : (O.C), (P.L)로 구성되어 있는 것

5) 차동기어 장치 2 : (D5), (D6), (D7), (D8), (C3), (L3), (L4)로 구성되어 있는 것

6) 최종 감속기어 : (H5), (H6)으로 구성되어 있는 것

※ 도면의 주요부품에 대한 부호의 설명

(S) : 선기어 (H1), (H2), (H3), (H4), (H5), (H6) : 헤리칼기어

(P) : 유성기어 (O.C) : 일방향 베아링 혹은 클러치

(R) : 링기어 (P.L) : 조작레바

(C1) : 캐리어 1 (M1), (M2) : 추진모우터

(C2) : 캐리어 2 (C3) : 캐리어 3

(D1), (D2), (D3), (D4), (D5), (D6), (D7), (D8), (B1), (B2) : 베벨기어

(L1), (L2), (L3), (L4), (L5), (L6), (L7), (L8) : 축

4) 발명의 구성 및 작용

가) 구성 (기본원리)

ㄱ) 유성기어 장치

그림(제1도)에서 유성기어장치의 캐리어 1(C1)을 차량 추진용으로 사용하여 최종감속기어(H5)와 (H6)을 통하여 차량 바퀴용 차동장치인 차동기어 장치 2에 연결시켜놓고 유성기어 장치의 선기어(S)를 추진모우터(M1)로 회전시키면 캐리어 1(C1)이 정지 상태일 때, 링기어(R)의 회전수는 선기어(S)와 링기어(R)의 설계된 기어비만큼 감소되고 회전 방향이 선기어(S)와 반대 방향으로 헛돌게 된다. 이때 링기어(R)을 강한 힘으로 감속, 정지, 역전, 증속의 동작을 연속, 무단으로 변속시키면 정지해 있던 캐리어 1(C1)이 선기어(S)와 같은 방향으로 회전하면서 차를 발진시킨다. 링기어(R)의 감속, 정시, 역전, 증속 동작을 제2의 추진모우터(M2)를 일정방향으로 회전을 증속만 시키는 과정에 일어나도록 하며 다음장 도표(1) 「유성기어 기본원리」 와 같이 선기어(S)와 링기어(R)의 회전 변화에 따라 다양한 회전비가 형성되어 케리어 1(C1)의 변속을 만들어 내는 원리이다.

ㄴ) 차동기어 장치 1

그림(제1도) 차동기어 장치 1에서 캐리어 2(C2)를 일정하게 회전시켜놓고, 제2의 추진모우터(M2)를 회전시켜 베벨기어(D2)를 캐리어 2(C2)와 같은 방향으로 회전시키면 캐리어 2(C2)와 베벨기어(D2)의 회전수 차이만큼 증감되어 베벨기어(D1)을 회전시키게 되는데 이때 베벨기어(D2)의 회전수가 캐리어 2(C2)의 2배가 될 때까지 베벨기어(D1)의 회전수는 감소하고, 베벨기어(D2)의 회전수가 캐리어 2(C2)의 회전수가 꼭 2배일 때 베벨기어(D1)은 정지하고, 다시 베벨기어(D2)의 회전수가 캐리어 2(C2)의 2배 이상이 되면, 2배에서 더 증가한 회전수만큼 베벨기어(D1)을 정지에서 회전방향이 바뀌어 역회전 시킨다. 즉, 캐리어 2(C2)가 일정하게 회전하면 베벨기어(D2)가 캐리어 2(C2)와 같은 방향으로 회전이 증가 하는 것 만으로 베벨기어(D1)의 회전수가 감소, 정시, 역전, 증속 되며 추진모우터(M2)의 강한 회전력과 같은 큰 토르크를 가지며 베벨기어(D1)의 감속, 정시, 역전, 증속이 무단 연속으로 일어난다. 이때 캐리어 2(C2)의 회전 제어는 추진모우터(M1)으로부터 받으며 추진모우터(M2)로 부터는 제어될수 없게 한다. 그리고 베벨기어(D2)와 캐리어 2(C2)의 회전 변화를 주어 다음장 도표(2)「차동기어 장치기본원리」처럼 베벨기어(D1)에 다양한 회전 변화를 만들어내 유성기어 장치의 링기어(R)에 전달해 변속기의 최종변속비를 다양하게 제어한다.

ㄷ) 보조기어 장치

그림(제1도)에서 유성기어 장치와 차동기어 장치 1을 서로 결합하여 회전력을 주고 받아 다양한 감속비를 결정함에 있어 아주 중요한 기어로서, 보조기어 장치의 헤리칼기어(H1)의 구조는 웜나사에 가깝도록 기어각이 아주크고, 헤리칼기어(H2)는 구조가 평기어에 가깝도록 기어각이 아주 작으며 직각으로 결합되어 동력 전달 방향을 바꾸어주며 헤리칼기어(H1)의 회전력은 아주 원활하게 헤리칼기어(H2)에 전달되어 이(H2)에 연결된 차동기어 장치1의 캐리어 2(C2)의 회전수를 쉽게 제어 할 수 있지만, 헤리칼기어(H2)의 회전이 헤리칼기어(H1) 쪽으로는 전달되지 못하게 되어있다. 그래서 추진모우터(M2)에 의해 차동기어 장치 1의 베벨기어(D2)가 회전수 변화를 받을때 그 변화를 그대로 베벨기어(D1)의 회전수 변화를 주고, 이 베벨기어(D1)의 회전력 변화가 보조기어 장치의 베벨기어(B1)과 (B2)그리고 헤리칼기어(H3)과 (H4)에 의해 회전력 전달방향과 회전 방향을 바꾸어 유성기어 장치의 링기어(R)을 제어하게 된다. 특히 보조기어 장치의 헤리칼기어(H1)과(H2)는 회전력을 한쪽방향으로만 전달하는 기능과, 두 헤리칼기어(H1)과 (H2)의 기어비에 의해 추진모우터(M2)의 초기회전수와 차량 발진시 기동력을 결정하는 중요한 역할을 하는 기어로서 이 두 헤리칼기어의 기능이 없으면 변속기 전체의 기능이 상실한다. 보조기어 장치의 나머지 기어들 (H3), (H4), (B1), (B2)는 단순히 동력을 전달 방향과 회전 방향을 바꾸어 전달하고 전달받는 역할을 한다. 도표(3) 「보조기어 작동원리도」 참조.

※ 헤리칼기어(H2)는 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)에만 연결되어 있고 베벨기어(D1)과 (B1)을 연결하는 축(L6)은 (H2)의 중심으로 관통되어 베아링 역할만 한다.

※ 헤리칼기어 (H1),(H2)의 기어각 방향은, 차동기어 장치 1중 캐리어 2(C2)와 베벨기어 (D1), (D2)의 회전방향이 클러치 OFF시 항상 같도록 설계해야 한다.

ㄹ) 추진용 모우터 (M1),(M2)

그림(제1도)와 같이 추진용모우터를, 기존의 1개를 절반 이하의 출력 2개로 만들어 유성기어 장치의 선기어(S)와 차동기어 장치 1의 베벨기어(D2)에 연결하여 각각 독립된 제어 장치로부터 제어 받아 효율적인 회전수 범위 내에서 준 정속도로 회전하는, 본 변속장치 설계상 2개의 추진모우터는 필수적이다. 하지만 꼭 변속기 작동 이유만으로 2개로 만든것만은 아니고, 차량의 주행 상황에 따라 부하변동에 따른 속도 조절을 꼭 대형모우터 1개만으로 할때보다 필요에 따라 각각제어를 하여 효율적인 운전을 할 수 있다. 특히 도표(4)에서와 같이 유성기어의 구조상 어느 한 모우터의 부하 변화는 반드시 유성기어(P)에 의해 서로 상대편에 영향을 주어 부하 분담을 모우터의 특성상 자동적으로 나누게 되어있다. 1개일때보다 2개로 하였을때의 효율적 가치가 얼마나 큰지에 대해서는 기계적, 전기적, 물리적으로 해석하려면 많은 지면이 필요해 생략하고, 일반 가솔린 엔진에서도 배기개스의 산소량, 흡입공기량, 엔진회전수, 부하, 연료분사량과 시기등 많은 요소의 점검을 통해 컴퓨터로 제어하는 점을 감안 할 때 오늘날 모우터 제어기술과 컴퓨터발달로 1개의 모우터를 2개로 하여 각각 독립된 제어를 하는것이 그리 큰 어려움은 아니다. 그보다 훨씬 많은 잇점이 있다. 특히 본 변속기와 병합해서 전기자동차 추진용으로 이용하면 다음 각종 기능별에서 보면 명백해지겠지만 그야 말로 이상적인 에너지, 초절약형 추진장치가 될 것이다. 도표(4) 「두개의 추진용 모우터 작동원리」 참조.

ㅁ) 보조장치

그림(제1도)와 같이 일방향 베아링 혹은 클러치(O.C)를 똑같은것을 두 개 마주보게 할 때 반대의 기능이 있어 내측은 스플라인 구조로 유성기어 장치의 캐리어 1(C1)과 연결된 축에 결합되고 외측은 도그 클러치 형태의 구조로 작동레바(P.L)과 반드시 1개씩만 결합되게 되어 있다. 이 장치는 오르막길 정지했다가 전진시 역진을 막고 내리막길 정지했다가 후진시 전진을 막아 운전을 용이하게 할 뿐더러 발진할 때 역진시 엄청난 토르크에 대응하는 전류의 소비를 막아 에너지를 절약하는데 더 큰 목적이 있다.

ㅂ) 최종감속기어 및 차동기어 장치 2

그림 (제1도) 에서와 같이 모든 차량에 필수적으로 채용되는 일반적인 바퀴용 차동장치이다.

나) 작용 (기능)

여기 소개하는 다양한 기능은 가장 기본적인 것으로 전기자동차에서 최상의 기능이라 생각한다. 각 기능별 별표에 의한 추진모우터의 회전수, 차속도, 감속비 등은 아래와 같이 설계 되었을때의 예일 뿐이며 실제 자동차의 종류, 용도등에 따라 각 기어들의 비를 조절하면 더욱 효과적인 고효율 운전을 할 수 있다.

·유성기어 장치의 선기어(S) : 링기어(R) = 1 : 2로 가정

·보조기어 중 헤리칼기어(H1) : (H2) = 1 : 2로 가정

·다른 모든 기어비는 서로 맞물린것들 상호간 = 1 : 1로 가정

·회전수 뒤에는 모두 R. P. M. 생략

·감속비와 차속은 근사치 (단, 차속은 Km/h)

·추진모우터(M1)과 동일 축 방향의 기어들의 회전 방향은 (M1) 모우터 정면에서 봤을 때(연결카플링 쪽에서) 시계 방향은 그대로, 그 반대일때는(-)로 표시.

·추진모우터(M2)와 동일축 방향의 기어들의 회전 방향은 (M2) 모우터의 뒤에서 봤을 때 시계방향은 그대로, 그 반대 방향은(-)로 표시.

·차량의 타이어의 직경을 0.6m로 가정

첫 째, 클러치 기능 (표1참조)

그림(제1도)에서 보조 장치의 조작레바(P.L)이 전진 위치에서 고정되고 차량의 브레이크가 반드시 밟혀 정지상태일 때, 즉 유성기어장치의 캐리어 1(C1)이 정지상태에서, 추진모우터(M1)을 임의의 회전수로 기동시키면, 이 회전력은 유성기어 장치의 선기어(S)를 회전시키고 동시에 유성기어(P)를 자전만시켜 링기어(R)을 기어비 만큼 감속되고 회전 방향이 반대로 되어 회전시키게 된다. 동시에 선기어(S)와 축(L1)으로 연결된 보조기어의 헤리칼기어(H1)과 (H2)에 의해 기어비 만큼 감소되고, 전달력이 직각으로 바뀌어 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)를 회전시킨다. 동시에 유성기어장치의 선기어(S)와 반대 방향으로 회전중인 링기어(R)도 보조기어 장치의 헤리칼기어(H4)와 (H3)에 의해 회전방향이 한번더 반대로 바뀌고 베벨기어(B2)와 (B1)에 의해 전달력이 직각으로 바뀌어 차동기어 장치 1의 베벨기어(D1)을 캐리어 2(C2)와 동일방향으로 회전시키며, 따라서 추진모우터(M2)를 캐리어 2(C2) 회전방향과 같은 방향으로 공회전시키게 된다. 즉, 추진모우터(M2)에 전류를 흘리지 않고 헛따라 돌게만 하면 추진모우터(M1)의 회전수에 관계없이 유성기어 장치의 차량 추진용으로 사용되는 캐리어 1(C1)은 항상 정지 상태며 두 추진모우터가 고속 회전 중 차가 정지한, 클러치 OFF기능이다.

그리고, 클러치 OFF기능 상태에서 추진모우터(M1)의 회전수를 일정하게 유지시키며, 헛돌고 있는 추진모우터(M2)에 전류를 보내어 요구되는 량만큼 회전을 증가시키면, 추진모우터(M2)와 직결된 차동기어 장치 1의 베벨기어(D2)를 같은량만큼 회전을 증가시키고 베벨기어(D2)의 증가량만큼 베벨기어(D1)의 회전수를 반대로 감소시키게된다. 이 베벨기어(D1)의 감소량은 보조기어(B1),(B2),(H3),(H4)를 통하여 전달 방향과 회전방향이 바뀌어 유성기어장치의 링기어(R)의 회전수를, 강한힘 즉, 추진모우터(M2)의 회전력과 맞먹는 토르크로 감소시키게 된다. 이 링기어(R)의 회전 감소는 주어진 기어비만큼 더욱 감소되고 토르크는 증대되어 추진 모우터(M1)의 회전력과 협력하여 캐리어 1(C1)을 선기어(S)와 같은 방향으로 회전시키게 되며 차가 발진하게 된다. 이때가 클러치 ON기능이다. 최초 차량 발진시 차량의 부하 상태에 따라 추진모우터(M1)의 회전수를 결정하여 일정하게 유지시켜놓고 추진모우터(M2)의 회전수를 최초 클러치 OFF상태에서 회전을 증가시켜 차를 발진 시키면, 추진모우터(M2)의 회전증가가 일정할때, 차량의 속도도 항상 일정하여 발진 순간의 감속비와 토르크를 자유롭게 조절할 수 있다.

표1)과 같은 수치의 감속비 계산은, 도표(4)에서와 같이 추진모우터(M2)의 속도변화는 반드시 다른 추진모우터(M1)에도 변화를 준다. 즉, 유성기어장치의 유성기어(P)의 기어 중심점(Q)를 통해 선기어(S)와 링기어(R)을 각각 결합하는 두점(a)와 (b)의 상호 작용으로 회전력이 고루 분산되어, 모우터의 특성상 각 추진모우터(M1),(M2)가 필요하는 회전력에 알맞는 전류부담이 분배되어 이 유성기어 장치의 캐리어 1(C1)의 회전력을 공동 분담하게된다. 그래서 두 모우터(M1),(M2)의 평균 회전수와 최종 감속기어를 통과한 차량 바퀴의 회전수를 비교하여 최종 감속비를 계산 할 수 있다. 물론 이것은 근사치이며 더욱 정확한 감속비는 두 추진모우터(M1)과 (M2) 그리고 각종 기어들 간에 상호작용을 물리적, 전기적 힘을 백터적인 해석을 검토하여 두 모우터(M1),(M2)의 출력을 설계하면 표1)에서의 감속비 값은 실제와 최대한 가깝게 될 수 있을것이다. 표1)의 예와같이 초기 차량발진시 감속비는 최종감속기어의 변경과 함께 수 백대 일까지 설계 할 수있어 그야말로 저전류, 저발열, 고토르크로 차를 발진 시킬 수 있다.

둘 째, 일반 증속기능

첫째의 클러치 ON기능에서 추진모우터(M2)의 회전수를 계속해서 증가시키는 동작으로 이뤄진다.

참고로 추진모우터(M2)의 X회전 증가시 감속비 구하는 일반식을 만들어 보자.

그림(제1도)에서.

ㄱ) 유성기어 장치에서 선기어(S)와 링기어(R)의 기어비를 a : b라 하고.

ㄴ) 보조기어 장치의 헤리칼기어(H1)과 (H2)의 기어비를 c : d라하고.

ㄷ) 나머지 모든 기어들은 맞물린 것 상호간의 기어비를 모두 1 : 1이라고 하면.

클러치 OFF상태에서 추진모우터(M1)의 임의의 회전수를 N이라고 하면 이때 헛돌고 있는 추진모우터(M2)의 회전수는 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)와 베벨기어(D1)에 의해 결정 되므로 캐리어 2(C2)의 회전수는

N × c/d 이다.

그리고 베벨기어(D1)의 회전수는 유성기어 장치의 링기어(R)의 회전수와 같으므로

N × a/b 이다.

그러므로 추진모우터(M2)의 회전수는 베벨기어(D2)와 같으며

N×c/d+(N×c/d-N×a/b)=2N×c/d-N×a/b 이다.

이 클러치 OFF상태의 추진모우터(M2)의 회전수를 X회전 증가 시키면 증가된 (M2)의 회전수는

2N×c/d-N×a/b+X 이다.

그런데 유성기어 장치의 링기어(R)은 추진모우터(M2)의 회전 증가분 X만큼 감소되고 캐리어 1(C1)은

X×b/(a+b) 만큼 증속된다.

두 추진모우터(M1)과 (M2)의 평균 회전수는

(N+2N×c/d-N×a/b+X)/2 이다.

여기에다 캐리어 1(C1)의 회전수, X×b/(a+b)를 나누면 감속비가 나온다.

식에서 보는 바와 같이 두 추진모우터(M1)과 (M2)의 평균회전수는 대단히 크고 초기 차량발진시의 추진모우터(M2)의 증가량 X는 아주 적어 초기 감속비는 엄청나게 크지만 X량이 증가하여 추진모우터(M1)의 회전수 N에 가까워지면 감속비가 2 : 1에 가까워 짐을 알 수 있다.

참고로 표2)의 일반 증속기능에서 기어비 a : b = 1 : 2, c : d = 1 : 2 추진모우터(M1)의 임의의 초기 회전수를 2400 R. P. M. 으로 했을 때 차량발진 초기에는 약 46 : 1의 감속비에서 차량속도가 증가함에 따라 일반차량의 감속비와 비슷하게 변함을 알 수 있다.

세 째, 파워기능

앞서 설명한 기능들은 추진모우터(M1)의 회전수를 일정하게 유지시켜 놓고 추진모우터(M2)의 변속만으로 유성기어 장치 캐리어 1(C1)의 변속을 만들어 내었다. 그리고 추진모우터(M2)의 변속은 보조기어 장치의 두 헤리칼기어(H1)과 (H2)에 의해 캐리어 2(C2)의 변속을 시킬수 없어 순전히 베벨기어(D1)으로 통하여 유성기어 장치의 링기어(R)을 최종적으로 변속을 시켰다.

이때 캐리어 1(C1)의 회전은 선기어(S)의 고정시 링기어(R)의 변화량에 의한 공식에 준하여 일어난다고 설명했다. 그러나 파워기능에서는 복잡한 양상으로 나타난다. 즉, 여기서는 추진모우터(M2)를 일정한 회전수로 운전하면서 추진모우터(M1)에다 회전수 변화를 주어 최종변속을 시키는 것으로 표3)과 같이 추진모우터(M1)의 회전수를 증가키면 오히려 차속도는 감소하며 감속비는 증가하고, 추진모우터 (M1)의 회전수를 감소시키면 반대 현상이 나타난다. 지금 추진모우터(M1)의 회전수를 증가시켜보자. 그림(제1도)에서 유성기어 장치의 선기어(S)의 회전수가 증가하면 이때 링기어(R)이 고정(변화가 없다는 뜻) 일때의 유성기어의 원리에 의해 캐리어 1(C1)은 특수한 비로 증가한다. 예를들어 선기어(S) : 링기어(R)의 기어비가 a : b 라면 캐리어 1(C1)은 선기어(S)의 회전수×a/(a+b) 배로 증가한다. 그리고 다른한편 추진모우터(M1)의 회전수는 그림(제1도)에서 축(L1)을 지나 보조기어장치의 헤리칼기어(H1),(H2)를 통하여 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)도 동시에 증속 시킨다. 캐리어 2(C2)의 회전이 추진모우터 (M1)에 의해 증가되면, 추진모우터 (M2)의 회전은 일정 유지되어 있으므로 캐리어 2(C2)의 회전수와 베벨기어(D2)와의 회전차이가 줄어들게 되고, 베벨기어(D1)과의 회전차이는 증가되어 유성기어 장치의 링기어(R)을, 감소나 정지 혹은 역전상태에서 그 앞단계로, 즉(-)방향으로 회전을 증가 시켜 결국 캐리어 1(C1)을 감속시키게된다. 이때의 유성기어 장치의 캐리어 1(C1)의 회전수 감소량은 유성기어 원리에 의해 선기어(S) 고정시(회전량 변화가 없다는 뜻) 링기어(R)구동에 의한 비율로 변화 시킨다. 즉, 앞에서와 같이 유성기어 장치의 선기어(S)와 링기어(R)의 기어비를 a : b라고 하면 캐리어 1(C1)의 회전수는 링기어(R)의 회전수×b/(a+b) 가 된다. 그런데 추진모우터(M1) 회전력 전달 경로를 보면 선기어(S)는 모우터(M1)과 직결되어 있으므로 1 : 1로 전달 받는다. 하지만 링기어(R)은 추진모우터(M1)의 회전력이 축(L1)을 지나 두 헤리칼기어(H1)과 (H2)의 기어비 만큼 감소되어 차동기어 1의 캐리어2(C2)의 회전을 증속시킨다. 앞의 차동기어 기본원리에서 차동기어 장치 1의 베벨기어(D2)의 회전고정하에서 베벨기어(D1)의 회전량을 캐리어 2(C2)증가량의 2배로 증가시켜 결국 유성기어 장치 링기어(R)로 돌아오게 된다.

보조기어장치의 헤리칼기어(H1)과 (H2)의 기어비가 m : n이라고 하면,

추진 모우터(Ml)의 1회전 증가때

선기어(S)의 회전수는 1회전 증가하지만,

링기어(R)의 회전수는 2×m/n회전 (-)방향으로 증가하게 된다.

그리고 유성기어 장치의 캐리어 1(C1)의 회전수는

선기어(S)에 의해서

1) a/(a+b)배 증가하고

링기어(R)에 의해서

2) 2×m/n×b/(a+b)배 로 (-)방향으로 증가하게 된다.

1)의 식과 2)의 식에서 식1)은 캐리어 1(C1)을 증속시키는 힘이고 식2)는 캐리어 1(C1)을 감속시키는 힘이므로 식2)의 값이 적당히 크도록 모든 기어비를 설계하면, 추진모우터(M1)의 증속에도 차속은 감소하고 감속비는 증가하게 된다. 오버드라이브 기능은 파워기능 1의 역기능이므로 설명을 생략하고 표3)과 같이 파워기능 1은 고속주행중 약간 오르막길을 만났을 때 1개의 추진모우터(M1)만 증속시켜 차속은 미약하게 감속시키고 감속비는 증가시켜 적당한 토르크로 모우터의 발열을 막는다. 오버드라이브 기능은 고속주행시 내리막길을 만났을 때 모우터(M1)의 속도를 감소 시키면 유성기어 장치 내부기어들끼리의 상대속도가 떨어져 소음, 마찰등을 줄이고 차속은 증가하고 감속비는 감소하여 더욱 고효율 운전을 할 수 있는 기능이다.

네 째, 복합기능

앞의 3가지 기능들은 추진모우터(M1),(M2)의 "둘중 어느 하나는 일정 회전수로 운전하고 나머지 한 개로 증 감속 시켰을때의 기능들이다. 그러나 위의 복합기능은 추진용모우터(M1)과 (M2)의 두 개의 모우터를 동시에 적당한 회전수로 증속했을 때 얻는 기능들로, 설명은 중복되므로 생략하고 파워기능 2는 표4)처럼 어느 일정한 감속비에서 추진모우터 2개를 동시에 일정비율로 증속시키면 감속비는 변하지 않고 차속도만 증가시켜 급가속, 추월등 강력한 힘으로 차속을 증가 시키는 기능이다. 그리고 정속기능은 표4)와같이 적당한 회전수로 두 모우터를 증속하면 차의 속도는 일정하고 감속비만 증가되어 완전한 정속기능으로 더욱 가파른 오르막길 주행시 일정 차속을 얻고 싶을 때 기능이다.

※ (표1,2,3,4)는 앞서 설명한대로 주어진 기어비에 의한 특징이므로 기어비가 변하면 아주 다양하게 차량용도 종류에 맞게 설계 할 수 있다.

※ 후진 기능은 전진 상태에서 조작레바(P.L)을 후진 위치에 두고 전진 상태의 추진모우터(M1),(M2)의 회전 방향을 반대로 하면 된다. ＜원리는 전진과 같으므로 생략＞

아래와 같은 특징으로 전기자동차의 추진모우터를 고효율적인 운전을 통하여 에너지 절약의 주효과를 가져와 부차적 효과로 밧데리 용량을 줄일 수있고 밧데리 경감으로 차량공간도 넓어지며 차량 전체의 무게가 즐어들어 제동거리도 짧아지며 타이어와 브레이크의 마모와 발열도 줄이며 차가 정지중에도 에어콘이나 브레이크용 진공 펌퍼도 작동 시킬수 있다.

※특 징

가) 완전 자동으로 무단 변속을 한다.

나) 변속 범위가 수 백대 일에서 약 2대1에 가깝게 아주 광범위 하다.

다) 클러치가 없으면서 완벽한 클러치 기능이 있다.

라) 추진용모우터로 차의 속도 변화와 동시에 감속비가 자동으로 변하므로 변속을 위한 별도의 에너지나 제어 장치가 일체 필요 없다.

마) 기어만으로 구성되어 있어 기어 파손 외에는 일체의 고장, 부품교환, 정비, 보수가 필요없다.

바) 제작비가 저렴하고 반 영구 적이다.

사) 승차인원, 오르막길 등 어떤 부하 변동에도 자유자재로 감속비를 변경시켜 저전류, 저발열로 강한 토르를 발생한다.

아) 교통체증이 격심해 가다 서다를 반복할때도 추진모우터를 정지시킬필요가 없고 경사길에서도 역진됨이 없어 강한 기동 전류가 필요 없다.

자) 기존 전기자동차에 사용하는 대형모우터 1개를 절반 이하의 출력으로 2개의 모우터로 사용하므로 1개일때의 중량의 회전자 관성의 증감에 따른 에너지 소비도 줄이고 대전력 모우터 제어 장치를 소전력 제어장치로 대체하므로서 전력 제어장치에서 발열되고 소비되는 에너지도 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 그림(제1도)에서 유성기어 장치의 캐리어 1(C1)을 차량바퀴 구동용으로하고, 선기어(S)에 추진용모우터(M1)을 연결하여 회전시키면, 캐리어 1(C1)이 정지했을 때 링기어(R)은 설계 기어비 만큼 선기어(S)의 회전수보다 감소되고 회전방향이 반대로 된다. 이때 링기어(R)의 회전을 감속, 정지 그리고 역회전 시키되 이 과정이 강한 토르크를 가지고 무단 연속으로 행해지게 하여 캐리어 1(C1)이 선기어(S)와 같은 방향으로 회전하여 증속되어 차량 속도를 증가시키는 원리를 이용한 것으로, 링기어(R)의 회전 변화 제어를 제2의 추진모우터(M2)의 회전 증가에 따라 이뤄지도록 하는 것.
2. 그림(제1도)에서 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)를 일정하게 회전시켜놓고 캐리어 2(C2)와 같은 방향으로 베벨기어(D2)를 제2의 추진모우터(M2)에 의해 회전 시키면 추진모우터(M2)의 회전이 증가함에 의해 베벨기어(D1)의 회전이 감소, 정지, 역회전, 증가 되며 이 과정이 추진모우터(M2)의 회전력과 같은 토르크를 가지고 무단 연속적으로 일어나는 원리를 제1항의 유성기어 장치중 링기어 제어에 이용함에 있어 캐리어 2(C2)의 속도 제어는 다른 제1의 추진모우터(M1)에 의해 제어 받을수만 있도록 하는 것.
3. 그림(제1도)와 같이 유성기어 장치와 차동기어 장치 1을 보조기어 장치로 결합할 때, 도표(3) 보조기어 작동 원리와 같이, 보조기어 장치의 헤리칼기어(H1)의 구조를 웜나사의 구조와 비슷하게 기어각을 아주 크게하고 헤리칼기어(H2)의 구조는 평기어에 가깝도록 기어각을 아주 작게하여 직각으로 결합시켜 추진모우터(M1)으로부터의 회전력을 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)에 전달함에 있어 아주 원활하게 전달할수만 있고 추진모우터(M2)의 회전이 캐리어 2(C2)에 전달되지 못 하고 전부 차동기어 장치 1의 베벨기어(D1),(D2),(D3),(D4)를 통하여 그리고 보조기어장치의 헤리칼기어(H3),(H4)와 베벨기어(B1),(B2)등을 통하여 유성기어 장치의 링기어(R)에 전달되어 캐리어 1(C1)의 회전력을 제어할 수 있도록 보조해주는 것.
4. 그림(제1도) 보조장치와 같이 일방향 클러치 혹은 베아링(O.C)를 같은 종류 2개를 내측은 스플라인 구조로 유성기어 캐리어 1(C1)과 연결된 축에 서로 마주보며 일정 거리를 두고 결합되어 각기 반대의 기능을 하게 하고 외측은 도그 클러치식 구조로 작동레바(P.L)과 반드시 조작에 의해서만 1개씩 결합되게 하여 차가 경사길 정지하여 발진중 역진을 막아주고 발차시 큰 기동전류를 막아 에너지 손실을 방지하는 장치
5. 전기자동차의 추진용모우터를 (제1도)와 같이 2개로 제작하여 각각 독립된 제어기로 제어를 하며, 그 중1개의 추진모우터(M1)은 유성기어 장치의 선기어(S)에 연결시켜 구동하고 동시에 차동기어 장치 1의 캐리어 2(C2)의 회전을 제어하며 다른 1개의 추진모우터(M2)는 차동기어 장치 1의 베벨기어(D2)에 연결하여 추진모우터(M2)의 회전력은 전부 유성기어장치의 링기어(R)에 전달되어 결국 추진모우터(M1),(M2)의 2개가 유성기어 장치 캐리어 1(C1)에 회전력을 일으키게 하며 도표(4)와 같은원리에 의해 항상 두 모우터(M1),(M2)에 부하 분담이 동시에 일어나면서 차량속도 변속 및 감속비 제어도 두 모우터에 의해 동시에 이뤄지게 하는 것.
6. 제1항에서 제5항까지 다섯 개 항의 원리를 이용하여 차량의 종류와 용도에 맞도록 각 장치속의 기어비를 알맞게 설계제작하여 그림(제1도)와 같이 모든 장치들을 결합해 추진모우터(M1),(M2)를 2개의 독립된 제어기로부터 용도에 맞도록 제어하여 두 추진모우터(M1),(M2)의 회전수와 회전력을 변화 시킬 때 차량속도 변화와 동시에 감속비가 변하여 저속에서 초고감속비, 고속에서 저감속비로 자동 무단 변속되어 모우터를 고효율, 저발열, 저전류로 운전할 수 있어 에너지 절약을 기본으로 하고 고장이 없고, 정비, 보수, 부품 교환이 필요 없고 변속제어를 위하여 추진모우터(M1),(M2) 제어외에 별도의 제어장치가 필요없는 것들을 특징으로 하는

   "2개의 추진 모우터를 이용하는 전기 자동차용 무단 자동 변속기의 기계장치"