KR20060070547A - 전기 기계적으로 연속으로 변화 가능한 트랜스미션 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 혹은 고정 장치용의 전기 및 기계적인 동력의 조합을 제공하기 위하여 유성 기어 시스템을 사용하는 전기 기계적인 연속으로 변화가능한 트랜스미션(EMCVT)을 포함한다. 상기 EMCVT는 주 동력 입력만으로부터 이용가능한 것 보다 큰 토크 출력을 제공하도록 주 동력 입력(통상의 엔진)과 에너지 저장 유닛으로부터의 동력을 결합시키는 클러치 및 제동 시스템을 구비한다.
트랜스미션, 제동, 클러치, EMCVT, 동력(Power), 유성기어세트, 속도 분할

Description

전기 기계적으로 연속으로 변화 가능한 트랜스미션{ELECTRO-MECHANICAL CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION}
본 발명은 기계 동력 시스템 및 전기 동력 시스템을 결합한 차량 추진 시스템 혹은 고정 장치(stationary equipment)의 구동으로서 유용한 구동 시스템에 관한 것이다.
전기 구동 시스템들은 통상 대형 차량 혹은 고정 장치용으로 사용되었다. 그러나, 출력/입력 속도 비율이 증가함에 따라, 전기 모터 및 발전기가 적절한 작동 속도에서 더 이상 작동하지 못한다. 이는 구동 장치의 작동 범위의 상반부에서 전체 구동 효율을 감소시킨다. 이러한 문제는 모터들 및 발전기들을 적절한 속도 혹은 그에 인접하여 작동하는 것을 유지하도록 복수 기어들을 설정함으로써 극복될 수 있으나 얻어지는 트랜스미션(transmission)의 복잡함에 의하여 전기 구동 장치를 사용하는 이점을 감소시킨다.
전기 구동 시스템에 대한 대체 수단이 기계적으로 구동되는 시스템이다. 그러나, 종래의 기계적인 구동 시스템들은 별개의 기어 비율에 한정되어, 전기 구동 장치에서 발견되는 바와 같은 무한의 속도 비율을 허용하지 않는다. 모든 출력 속도에서 엔진과 트랜스미션 사이의 많은 동력 관리는 변속 효율성에 대해 필요하다. 순수 기계적인 구동은 별개의 속도 비율에 기인하여 엔진의 가용 동력의 유효 사용을 보장하기에 불충분하며, 순수 전기적인 구동은 더 높은 작동 속도들에서 내재적으로 더 낮은 효율을 가진다.
점증하는 연료 비용과 더욱 엄격해지는 방출 요건들로서, 대형 및 소형 차량들과 고정 장치용의 종래의 전기 및 기계적인 구동 시스템을 대체하기 위한 더욱 효과적인 구동 시스템들이 필요하다.
본 발명의 목적은 전기 및 기계적인 구동 시스템을 결합함으로써 대형 및 소형 차량들과 고정 장치용의 더욱 효율적인 구동 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 결합된 구동 시스템을 적절하게 사용할 수 있는 변속 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 차량 혹은 고정 장치용의 전기 및 기계적인 동력의 결합을 제공하기 위한 유성 기어 시스템을 사용하는 전기 기계적인 연속으로 변화가능한 트랜스미션(EMCVT;electro-mechanical continuously variable transmission)을 구비한다. 상기 EMCVT는 주 동력 입력만으로부터 사용가능한 토크 보다 큰 토크 출력을 제공하기 위하여 에너지 저장 유닛으로부터의 동력이 주 동력 입력과 결합되게 하는 클러치 및 브레이크 시스템을 구비한다.
상기 EMCVT는 또한 차량 혹은 고정 장치의 작동 변수들을 확장하기 위하여 범위 분할 시스템을 구비한다.
상기 EMCVT는 또한 주 출력 샤프트의 양 단부들 사이에 동력 분배를 제어하기 위하여 재생 조향 시스템을 구비한다.
상기 EMCVT는 또한 변속 출력이 최대 속도의 미리 선택된 비율에서 작동하는 경우 전기 계통(branch)을 체결하고 기계 계통을 통하여 모든 동력을 전달하도록 작동하며, 전기 계통의 입력부에 결합된 잠금(lockup) 브레이크를 구비한다.
상기 EMCVT는 정방향 및 역방향으로 출력을 제공할 수 있으나, 선택적으로 주 동력 입력부 혹은 주 출력 샤프트에 결합되는 역 기어 시스템을 구비할 수 있다. 역 기어 시스템에 의하여 EMCVT는 역 방향으로 출력을 제공할 수 있으며 전기 및 기계적인 부품들은 정방향과 같은 방식으로 작동한다.
작동의 구조 및 방법에 대해 본 발명 자체 및 부가적인 목적들 및 이점들이 첨부 도면과 관련하여 읽혀지는 이하의 상세한 설명으로부터 용이하게 명백해질 것이다.
도 1은 두개의 출력들, 병렬 샤프트 구조, 및 SRC 유성 기어 세트를 가진 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 2는 세개 궤도의 유성 기어 세트의 간략화된 다이아그램을 도시하며;
도 3은 두개의 출력들, 동축 샤프트 구조, 및 SRC 유성 기어 세트를 가진 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 4는 하나의 출력, 동축 샤프트 구조, 및 SRC 유성 기어 세트를 가진 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 5는 두개 속도 범위의 더블러를 구비한 도 1의 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 6은 재생 조향 시스템을 구비한 도 1의 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 7은 두개의 속도 범위의 더블러와 재생 조향 시스템을 가진 도 1의 EMCVT의 블럭도를 도시하며;
도 8은 EMCVT의 여러 작동 모드들의 엔진, 브레이크 및 클러치 구조를 나열하는 표를 도시하며;
도 9는 동력 입력에 결합된 기어를 가진 역전기를 구비한 도 1의 EMCVT의 블럭도를 도시한다.
도 1에 도시된 전기 기계적인 연속으로 변화가능한 트랜스미션이 전기 발전기(22) 및 전기 모터(24)를 사용하는 전기 구동 계통 및 샤프트 및/또는 기어들을 사용하여 각 계통으로부터의 동력을 하나의 주 출력(26)으로 재결합시키는 병렬의 기계적인 구동 계통(21) 사이에 입력(40)으로부터 동력을 분할하도록 구성된다.
도 2에 더욱 잘 도시된 바와 같이, 태양기어(12), 유성 기어들(14), 캐리어(16), 및 링 기어(18)로 구성된 간단한 유성기어 세트(10)가 내연기관 혹은 다른 주요 동력원(도시 생략)으로부터 발생된 입력(40)으로부터의 동력을 전기 구동 계통(20) 및 기계 구동 계통(21) 사이에 분배하기 위하여 사용된다.
여섯개의 위성 소자들의 조합이 가능하지만, 바람직한 실시예는 SRC 구조로 서, 즉, 전기 계통(20)에 연결된 태양 기어(12), 기계 계통(21)에 연결된 링 기어(18), 및 입력(40)에 연결된 캐리어(16)의 SRC 구조이다(도 1 참조).
전기 구동 계통은 1차 발전기(22), 1차 모터(24)로 구성되며, 에너지 저장 시스템(100)에 연결된다. 상기 에너지 저장 시스템은 배터리 뱅크(battery bank)(130), 임의의 커패시터(capacitor) 뱅크(140), 인버터들(110 및 120)과 제어기(150)로 구성된다. 동력 흐름은 정상적으로 발전기(22)와 모터(24) 사이에서 제어기(150)에 의하여 인도된다. 인버터들(110 및 120)은 발전기(22), 모터(24), 배터리 뱅크(130) 및 커패시터 뱅크(140)의 상이한 동력 특성들(전류, 전류 형태, 전압 및 주파수)을 정합시킨다. 배터리 뱅크(130)는 입력(40)으로부터 동력을 흡수하거나 제동으로부터 에너지를 흡수하는 두 방법들의 하나로 충전될 수 있다.
결합기 기어 세트(28)는 전기 계통(20)을 주 출력 샤프트(26)에 결합시킨다. 결합기 기어 세트(28)는 한 쌍의 스퍼 기어들로서 도시되는 데, 그러나, 유성 기어 세트(도 3 및 도 4 도시와 같이) 또한 더욱 개선된 동력 제어 시스템에 사용될 수 있다. 전기 계통(20)으로부터의 동력은 이 시점에서 기계 계통(21)으로부터의 동력과 결합한다.
기계 구동 계통(21)은 유성 기어 세트(10)의 소자들의 하나를 직접 주 출력 샤프트(26)에 연결시키는 간단한 샤프트로서 도시되나, 트랜스미션의 구조적인 설계 사양을 충족하도록 더욱 다양한 샤프트들 및 기어들의 조립체일 수 있다.
도 1에 도시된 여러 브레이크들과 클러치들이 기계 계통(21) 및 전기 계통(20) 사이의 동력 분할의 여러 면들을 제어하도록 사용될 수 있다. 잠금 브레이크 (80)는 선택적으로 유성 기어 세트(10)의 전기 출력 소자(SRC 구조에서는 태양 기어(12))를 지상으로 연결/차단하여 유성 기어 세트(10)의 그 소자가 동력을 전달하는 것을 방지한다.
상기 발전기 입력 클러치(160)는 선택적으로 1차 발전기(22)에 유성 기어 세트(10)의 전기 출력 소자를 연결하고/차단한다. 유성 기어 세트(10)의 전기 출력 소자(SRC 구조에서는 태양 기어(12))를 연결하기 위하여 입력 클러치(160)를 결합시키면 또한 1차 발전기(22)가 유성 기어 세트(10)로부터 동력을 흡수할 수 있다.
상기 발전기의 출력 클러치(170)는 1차 발전기(22)와 결합기 기어 세트(28)를 선택적으로 연결/차단한다. 이로써 상기 발전기(22)는 1차 모터(24)에 의하여 제공된 동력을 결합기 기어 세트(28)에 보충할 수 있다.
상기 기계적인 구동 클러치(90)는 유성 기어 세트(10)의 기계적인 출력(SRC 구조에서는 링 기어(18))을 기계 계통에 선택적으로 연결/차단한다.
상기 분할 속도 클러치(180)는 선택적으로 유성 기어 세트(10)의 두 소자들을 같이 체결/해제하여 소자들 사이의 차동 속도를 방지한다. 소정 작동 모드들에서 유성 기어 세트(10)의 모든 세 개의 소자들(태양 기어(12), 링 기어(18), 캐리어(16))을 같이 체결하는 것이 바람직하다. 도 1에서, 분할 속도 클러치(180)는 캐리어(16)와 태양 기어(12) 사이에 위치된다. 상기 클러치(180)는 대신에 태양 기어(12)와 링 기어(18) 사이 혹은 링 기어(18)와 캐리어(16) 사이에 위치될 수 있다.
분할 속도 클러치(180)를 가동시키면 캐리어(16)와 태양 기어(12)를 같이 체결한다. 유성 기어 세트(10)의 성질에 기인하여 링 기어(18)는 다른 두 소자들과 같은 속도로 회전하게 된다. 이제 반작용 토크가 세 소자들 중의 두 소자들에서 요구되며 유성 기어 세트(10)는 세 개의 입력/출력 사이에서 견고한 커플링으로 작용한다. 이와 같이 유성 기어 세트(10)를 체결할 수 있는 능력이 이하에서 설명하는 "버스트(burst) 모드" 및 엔진 시동 모드에서 요구된다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System)
전기 계통(20)에 에너지 저장 시스템을 구현하면 두 가지 면에서 변속 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 데, 통상의 기계적인 방법으로 제동시 정상적으로 상실되는 에너지가 이후 사용을 위해 회수될 수 있으며, 시스템(100)에 저장된 에너지가 최대 엔진 동력이 가해져서 엔진만으로 가능한 것 보다 더 높은 동력의 출력을 발생함과 동시에 변속 출력에 가해질 수 있다.
주 출력(26)에서의 낮은 출력 요구 동안에는 입력(40)에서 엔진으로부터 인출된 일부의 동력은 전기적인 동력으로 변환하기 위하여 발전기(22)를 사용하여 배터리 뱅크(130)로 인도될 수 있다. 엔진 출력 동력은 여분의 동력 수요를 충족하기 위하여 다소 증가될 수 있을 것이다. 충전을 위한 구체적인 조건들은 여러 작동 모드들의 설명에서 충족된다.
제동 작동 동안에는 통상의 브레이크를 통해 정상적으로 흡수되는 에너지가 트랜스미션를 통해 엔진으로 복귀될 수 있다(엔진 제동). 상기 모터(24)는 발전기로서 기능하며 상기 발전기(22)는 모터로서 기능한다. 정상적으로 발전기(22)로 복귀하여 흐르는 동력은 제어기(150)에 의하여 배터리 뱅크(130)로 전환될 수 있다. 무겁거나 연장된 제동 조건 하에서는 배터리 충전 비율 혹은 전체 용량은 초과될 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 초과 동력은 배터리 뱅크(130) 보다 더욱 높은 충전 비율을 가지는 엔진 혹은 커패시터 뱅크(140)로 인도될 수 있다. 제동 요구가 중지되면, 커패시터 뱅크(140)에 저장된 에너지는 배터리 뱅크(130)를 충전하기 위하여 사용될 수 있다. 여러 제동 과정들이 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
배터리 뱅크(130)로부터의 동력은 높은 수요의 기간 동안 입력(40)에서 엔진으로부터 인출된 동력을 보충하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 비교적 높은 성능의 최대점이 여전히 얻어질 수 있으면서 평균 작동 조건들을 충족할 수 있는 더욱 경제적인 크기로 엔진은 작아질 수 있다. 이러한 "부스트(boost)" 모드는 이하의 정방향 작동 모드 하에서 설명된다.
레이아웃(Layout)
상기 EMCVT의 코아는 세 개의 기본적인 사양들로 도시되지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1은 두 출력을 가진 병렬 샤프트 구조를 도시한다. 상기 유성 기어 세트(10)는 주 출력 샤프트(26) 둘레에 동축으로 배치되며, 1차 발전기(22)와 1차 모터(24)가 주 출력 샤프트(26)에 병렬로 배치된다. 상기 입력(40)은 대신에 주 출력 샤프트(26)에 수직이며 베벨 기어 세트(도시 생략)를 통하여 유성 기어 세트(10)에 입력을 구동하는 샤프트를 사용한다. 병렬 샤프트 구조는 트랜스미션 폭이 문제가 되는 경우에 적합하나 이에 제한되지는 않으며, 주요 부품들은 수직으로 혹은 전후 로 적층될 수 있다. 하나의 예는 궤도들 사이의 제한된 폭을 가진 궤도 차량용 구동 장치일 것이다.
도 3은 두 출력과 병렬 샤프트 입력을 가진 동축 샤프트 구조를 도시한다. 여기에서 전기 계통(20) 및 기계 계통(21)의 부품들은 별도로 위치된 에너지 저장 시스템(100) 외에 주 출력 샤프트(26) 둘레에 동축으로 배치된다. 결합기 기어 세트(28)는 유성 기어 세트이다. 상기 입력(40)은 주 출력 샤프트(26)에 병렬인 샤프트를 사용한다. 상기 입력은 대신에 주 출력 샤프트(26)에 수직이며, 베벨 기어 세트를 통하여 유성 기어 세트(10)로 입력을 구동하는 샤프트를 사용할 수 있다. 상기 동축의 이중 출력 구조는 폭의 제한이 없거나 작은 비교적 소형의 트랜스미션을 요구하는 경우에 적합하나 이에 제한되지는 않는다. 하나의 예는 가로 엔진을 사용하는 전륜 구동 차량일 것이다.
도 4는 하나의 출력과 동축의 입력 샤프트를 가진 동축 샤프트 구조를 도시한다. 부품들은 도 3 도시와 같이 배치되는 데, 단지 동력 입력(40)은 주 출력 샤프트(26)의 일 단부에 설정되어 일 단부를 출력만을 위하여 남긴다. 이러한 구조에 의하면 길고 좁은 구동 베이(bay)에 적합한 길고 좁은 인라인(in-line) 파워 트레인이 형성된다. 이러한 하나의 예는 종래의 전방 엔진 후륜 구동 차량일 것이다.
작동(Operation)
도 1 내지 도 8과 관련하여, 여러 작동 모드들이 가능하지만 다섯개의 전방 동력 모드들, 세개의 역전 동력 모드들 및 네개의 제동 모드들이 유용하다. 전형적 인 듀티 사이클(duty cycle) 동안에는 트랜스미션은 효율과 출력 동력을 최적화하기 위하여 가용 모드들 사이에서 여러 번 절환될 수 있다.
트랜스미션의 작동 모드들은 각 모드에 대한 엔진, 클러치, 및 브레이크 설정을 포함하여 도 8에 표로서 열거된다. 이들 모드들은 정방향, 역방향, 제동 및 엔진 시동의 네 부류로서 구분될 수 있다.
정방향 작동(Forward Operation):
다섯개의 작동 모드들이 출력의 정방향 회전, 즉 정방향 차량 이동을 위해 유용하다. EMCVT의 소정 적용에 대해 모든 모드들이 유용한 것은 아니다.
정방향 완전 전기 모드(Forward Full Electrical Mode):
정방향 완전 전기 모드에서 발전기 출력 클러치(170)가 결합된다. 상기 1차 발전기(22) 및 상기 1차 모터(24)는 모두 모터로서 기능하며 커패시터 및 배터리 뱅크(140, 130)에 저장된 에너지를 인출한다. 엔진 동력은 입력(40)으로부터 인출되지 않으며 1차 동력원(엔진)은 공전 작동하거나 혹은 완전히 차단될 수 있다. 이 모드는 초기 기동 동안 및 더 높은 속도로의 높은 가속과 같은 단기간의 높은 토크 출력에 가장 유용하다. 전기 모드는 또한 커패시터 뱅크(140) 및 배터리 뱅크(130)를 방전(drain)한다.
정방향 완전 전기 + 엔진 모드("버스트(Burst)" 모드):
"버스트" 모드에서 엔진은 작동되고, 기계적인 구동 클러치(90), 발전기 출력 클러치(170) 및 분할 속도 클러치(180)가 모두 결합된다. 상기 1차 발전기(22) 및 상기 1차 모터(24)는 모두 모터들로서 기능하며 커패시터 및 배터리 뱅크(140, 130)에 저장된 에너지를 인출한다. 엔진 동력이 입력(40)으로부터 인출되며 유성 기어 세트(10)(모든 소자들이 분할 속도 클러치(180)에 의하여 체결됨) 및 기계적인 구동 클러치(90)를 통해 출력 샤프트(26)에 직접 전달된다. 이 모드는 주 입력(40) 만으로 가능한 토크를 초과하는 최대 토크 출력을 단 기간(버스트) 동안에 제공하도록 사용된다. 버스트 모드는 또한 커패시터 뱅크(140) 및 배터리 뱅크(130)를 방전한다.
정방향 절약 모드(Forward Economy Mode):
절약 모드에서, 어떤 클러치도 결합되지 않는다. 단지 상기 1차 모터(24)만이 주 출력 샤프트(26)를 가동하도록 사용된다. 에너지가 커패시터 및 배터리 뱅크들(130, 140)로부터 모터(24)를 작동시키도록 인출된다. 입력(40)으로부터 아무런 엔진 동력이 인출되지 않으며 상기 1차 동력원(엔진)은 최대의 연료 절약을 위하여 공전 작동하거나 혹은 완전히 차단될 수 있다. 이 모드의 작동 기간은 배터리 및 커패시터 뱅크(130, 140)의 용량에 의하여 결정된다. 이 모드는 연료 절약을 최대화하며 및/혹은 최소 소음 수준으로 작동하도록 사용된다.
정방향 병렬 모드(Forward Parallel Mode):
병렬 모드에서, 기계적인 구동 클러치(90) 및 발전기 입력 클러치(160)는 결합되며, 엔진은 작동 중이다. 1차 동력원으로부터 제공된 동력은 EMCVT의 입력(40)으로부터 인출되어 기계 계통(21)과 전기 계통(20) 사이에 분할된다. 상기 유성 기어 세트(10)는 체결 비율에 따라 입력 토크를 분할하므로, 동력은 각각의 계통에 연결된 특정 소자의 속도에 따라 분할된다. 처음에는, 기계 계통(21)은 출력 샤프트(26)에 직접 연결된 바와 같이 회전하지 않는다. 상기 1차 발전기(22)는 상부 속도 한계 근처에서 회전하게 된다. 상기 1차 발전기(22)는 제어기에 의하여 상기 1차 모터(24)로 인도되는 전기 동력을 발생한다. 이어서 상기 1차 모터(24)는 상기 출력 샤프트(26)를 회전시킨다. 상기 모터(24) 및 발전기(22)의 전류/주파수 특징을 조정하면 전기 계통(20)의 유효 기어 비를 변화시킨다. EMCVT 속도 대역의 하반부에서 동력은 우선 전기적으로 전달된다.
출력 속도가 증가함에 따라 기계 계통(21)의 속도도 증가한다. 입력 속도가 일정하게 유지되므로 상기 1차 발전기(22)의 속도는 감소해야 한다. 이를 위하여, 전기 계통(20)의 유효 기어비는 상기 1차 모터(24)에 의하여 상기 결합기 기어 세트(28)에 공급된 동력을 감소시키도록 전류/주파수 특성을 조정하는 것에 의하여 변경된다. 결과적으로 더 많은 입력 동력이 기계적으로 전달되고 전기적으로 덜 전달된다.
마지막으로, EMCVT 속도 범위의 상단부 근처에서 상기 1차 발전기(22)는 거의 회전하지 않아 입력(40)으로부터의 동력이 단지 거의 예외적으로 기계 계통(21)만을 통하여 출력(26)으로 전달되고 전기 계통(20)에 매우 낮은 동력 수준을 발생 한다. 이상적으로, 상기 1차 발전기(22)는 대응하는 유성 기어 세트(10)의 소자에 대항하여 발생된 토크를 유지할 뿐으로 회전을 완전히 정지한다. 이하의 "완전 기계(Full Mechanical)" 모드에서 EMCVT 작동의 이러한 특수한 단계가 달성되는 경위를 설명한다.
RPM 범위의 중간 단계 동안에는 상기 1차 모터(24)로부터 작은 양(대략 10%) 의 전기 동력이 전환되며 배터리 뱅크(30)를 충전하도록 사용될 수 있다. 이어서 상기 저장된 에너지는 이후 시간에 상기 설명한 바와 같은 다른 작동 모드용으로 사용될 수 있다.
병렬 모드는 EMCVT 사용의 대부분의 경우에 대해 중요한 작동 모드이며 출력 속도가 변화하는 동안, 즉 통상의 구동에서 중간의 동력 수요 기간용으로 설계된다. 병렬 모드는 종래의 (비병렬) 하이브리드 내연/전기 구동에 비해 배터리/커패시터 뱅크의 크기를 감소시킬 뿐아니라 운행 동력에 적합하도록 더욱 작고 효과적인 주요 동력원을 사용할 수 있게 한다.
정방향 완전 기계모드(Forward Full Mechanical Mode):
기계 모드는 병렬 모드의 연장이다. 상기 설명한 바와 같이, 병렬 모드의 EMCVT 속도 범위의 상단부에서 상기 1차 발전기(22)는 거의 회전하지 않으며 이상적으로는 정지한다. 모터/발전기 기술의 전류에 대한 제한들이 발전기를 제로 속도로 유지하는 것을 불가능하게 한다. EMCVT를 완전 기계 모드에서 작동시키기 위해서는 잠금 브레이크(80)가 전기 출력 소자(SRC 구조에서는 태양 기어(12))를 지상, 통상은 트랜스미션의 외부 케이싱에 연결함으로써 유성 기어 세트(10)에 대항하여 필요한 토크 반작용을 제공하도록 도입된다. 따라서, 상기 발전기(22)는 체결되고 상기 기계 계통(21)은 출력 샤프트(26)에의 모든 동력을 공급할 책임을 부담한다. 다른 한편, 작동은 병렬 모드와 같다. 기계 모드는 일정한 시간 동안 EMCVT가 최대 속도 혹은 그에 근접하여 작동하는 경우 사용하도록 설계된다.
역방향 작동(Reverse Operation):
출력의 역방향 회전에 대해서는 세가지 작동 모드들이 사용가능하다. 정방향의 버스트 모드 및 기계 모드에 동등한 것이 역방향 모드에는 필요치 않다. 정방향 모드들의 전 범위가 역방향 모드에 대해 필요하면, 임의 기어에 의한 역방향 모드가 트랜스미션의 입력(40)에 설치될 수 있다. 이 절 뒤의 "임의 부품들(Optional Components)"을 참고하라.
역방향 완전 전기 모드(Reverse Full Electrical Mode):
상기 발전기 출력 클러치(170)는 상기와 같은 정방향 전기 모드에 대해 설명된 바와 같이 결합된다. 차이는 상기 발전기(22)와 모터(24)가 역방향 출력을 발생하도록 역방향으로 주행하는 것이다. 전기 모드는 높은 토크가 필요한 역방향 작동의 단기간 동안에 사용된다.
역방향 절약 모드(Reverse Economy Mode):
절약 모드에서 모든 클러치들은 상기 설명한 바와 같은 정방향 절약 모드에 대해 설명한 바와 같이 체결해제된다. 상기 모터(24)는 역방향 출력을 발생하도록 역방향으로 회전한다. 절약 모드는 낮은 동력 수요를 가지는 역방향 작동의 단기간에 대해 사용될 수 있다.
역방향 병렬 모드(Reverse Parallel Mode):
병렬 모드에서 상기 기계 구동 클러치(90) 및 발전기 입력 클러치(160)는 정방향 병렬 모드에 대해 상기 설명한 바와 같이 결합된다. 상기 1차 동력원(도시 생략)으로부터 제공된 동력은 EMCVT의 입력(40)으로부터 인출되며 기계 계통(21)과 전기 계통(20) 사이에 분할된다. 병렬 모드 동안에 역방향 출력 속도를 발생하기 위하여, 상기 1차 모터(24)는 주 출력 샤프트(26)를 역회전시키도록 사용된다. 기계 계통(21)에 연결된 유성 기어 세트(10)의 소자(여기서는, 주 출력 샤프트(26))는 정상 (정방향 모드) 방향에 반대로 회전하게 된다. 상기 입력(40) 및 전기 계통(21)(1차 발전기(22))에 연결된 유성 기어 세트(10)의 소자들은 정방향 모드에서와 같은 방향으로 회전한다. 상기 유성 기어 세트(10)의 각각의 소자들에 가해진 토크가 정방향 모드에서와 같은 방향이므로 기계 계통(21)에서 얻어진 네가티브 동력 흐름은 전기 계통(20)의 동력 흐름을 증가시키는 것에 의하여 보충되어야 한다. 병렬 모드에서의 역방향의 동일한 출력 속도에 대해, 상기 전기 계통(20)은 정방향 보다 더욱 많은 양의 동력을 전달하여야 한다. 상기 전기 계통(20)의 부품들은 용량이 증가되거나 역방향은 중간 속도로 느려지도록 제한되어야 한다. 이 모드 동 안, 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)의 충전이 발생한다.
병렬 모드는 역방향에 대한 주요 작동 모드이며 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)에 저장된 에너지가 작거나 거의 없는 경우 혹은 느리게에서 중간 출력 속도에 걸쳐 변화하는 중간 동력 수요의 역방향 작동의 연장된 기간 동안 사용될 수 있다.
제동 작동(Braking Operation):
종래의 트랜스미션에 대한 EMCVT의 중요한 이점은 재생 제동을 사용하는 것 - 이후의 사용을 위하여 제동 에너지를 회수 저장하는 것이다. 종래의 제동(지연) 시스템들은 차량 혹은 기계의 운동 에너지를 제거하고 열로 이를 소비함으로써 속도를 저하시킨다. 이들 종래의 시스템들은 기계적이며 유압 혹은 전기자기적인(electromagnetic) 제동 시스템으로 구성될 수 있다. 상기 EMCVT는 운동 에너지를 제거하고 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)에 전기/화학 에너지로서 저장한다. 전체 설계에 구현된 종래의 제동 시스템은 트랜스미션에 의하여 추가적인 제동력이 제공될 수 있으므로 크기가 크게 작아질 수 있다. 기계 제동 시스템이 어느 구조들에서도 도시되지는 않았지만 필요하면 추가될 수 있다.
네개 제동 모드들이 필요한 제동력과 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)의 충전 상태에 따라 사용가능하다.
제동- 최대 재생(Braking - Maximum Regeneration):
최대 재생 제동에 대해, 상기 발전기 입력 클러치(160) 및 발전기 출력 클러치(170)는 결합된다. 상기 입력(40)(엔진)은 동력을 적용하거나 흡수하지 않으며, 실제는 차단될 수 있다. 1차 모터(24)와 1차 발전기(22)는 모두 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)을 충전하는 발전기로서 기능한다. 대량의 운동 에너지들은 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)이 완전히 충전되기까지 트랜스미션 출력(26)으로부터 흡수되며, 이 모드의 제동 능력은 뱅크들(130, 140)에 의하여 흡수될 수 있는 에너지 양에 의하여 제한된다. 이 시점에서 종래의 제동 시스템 혹은 완전 엔진 제동(이하에서 설명)이 사용되어야 한다.
최대 재생 제동은 차량의 비상 정지 혹은 고정 장치의 비상 차단과 같은 높은 제동 부하의 단기간 동안에 사용된다.
제동-경 재생(Braking - Light Regeneration):
경 재생 제동에 대해, 어떤 클러치도 결합되지 않는다. 에너지는 1차 모터(24)가 발전기로서 기능하는 것을 제외하고 상기 설명한 최대 재생 모드에 설명된 바와 같이 취급된다. 상기 설명한 바와 같이, 상기 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)의 용량은 흡수된 제동 에너지 양을 제한한다.
가벼운 재생 모드는 정방향 혹은 역방향으로 "절약" 모드에서 변동하는 작은 제동에서 중간 제동의 단기간 동안에 사용된다. 일 예는 "정지 및 진행(stop and go)" 교통에서의 차량 운행일 것이다.
제동 - 병렬(Braking - Parallel):
병렬 제동 모드에서는 기계적인 구동 클러치(90)는 결합되며, 이로써 엔진 입력(40)과 전기 계통(20) 사이에 동력이 분할된다. 따라서, 상기 트랜스미션 출력(26)으로부터 흡수된 운동 에너지는 또한 분할 될 수 있다. 에너지의 일부는 상기 설명한 바와 같이 전환되어 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)에 의하여 저장되며 여분은 엔진(통상의 엔진 제동과 같이)에 의하여 흡수/소비된다.
병렬 모드는 흡수/소비될 제동 에너지가 배터리/커패시터 뱅크(130, 140)의 저장 용량을 초과하는 경우에 가장 적합하나 이에 한정되지는 않는다. 이러한 예는 상당한 경사로를 주행하는 무거운 차량의 제어일 것이다.
제동-완전 엔진 모드(Braking - Full Engine Mode):
완전 엔진 제동 모드에서, 잠금 브레이크(80)는 기계 구동 클러치(90) 및 발전기 입력 클러치(160)에 결합된다. 운동 에너지는 트랜스미션 출력(26)으로부터 흡수되어 종래의 엔진 제동의 경우와 같은 방식으로 소비된다. 이러한 모드는 배터리/커패시터 뱅크(130, 140)가 완전이며 최대 제동이 필요한 경우에 적용될 수 있다.
엔진 시동(Engine Starting):
상기 설명한 바와 같이, 트랜스미션의 듀티 사이클은 상이한 모드들을 여러번 순환하는 것을 필요로 할 수 있다. 최대 연료 절약을 달성하기 위하여 1차 동력 원(엔진)은 필요로 하지 않는 모드들(재생 제동을 가진 완전 전기 및 절약 모드들) 동안 차단되어야 한다. 이는 특히 1차 동력원이 내연기관인 경우 그러하다. 물론, 이어서 1차 동력원이 다른 모드들의 하나로 진입하기 위하여 시동되거나 재시동되는 것이 필요할 것이다.
통상의 엔진 시동 모터가 사용될 수 있으나 엔진이 작동 속도 근처에서 시동될 수 없는 점 및 시동 모터가 엔진 재시동을 위한 높은 주파수에 필요한 듀티 사이클을 가지지 못한 점의 두 가지 중요한 단점들을 가진다. 1차 발전기(22)를 엔진용 시동 모터로서 사용함으로써 별도의 부품들이 부가되지 않으며, 방출을 감소시키고 연료 절약을 증가시키는 필요한 작동 속도 근처에서 엔진이 연결될 수 있다.
시동 - 출력 정지(Starting - Output Stopped):
주출력 샤프트(26)를 정지시키면, 상기 발전기 입력 클러치(160)와 분할 속도 클러치(180)가 결합된다. 상기 1차 발전기(22)는 모터로서 기능하며, 배터리/커패시터 뱅크(130, 140)로부터 저장 에너지를 인출한다. 모든 다른 브레이크들 및 클러치들이 해제되므로, 상기 1차 발전기(22)는 상기 분할 속도 클러치(180)에 의하여 그 소자들이 같이 체결된 유성 기어 세트(10)를 통해 엔진을 회전시킬 수 있다. 엔진이 작동되면, 상기 분할 속도 클러치(180)는 해제되고 정방향/역방향 모드들의 어느 하나가 결합된다.
시동 - 주행 중의 출력(Starting - Output in Motion):
EMCVT가 엔진이 정지되고 출력 샤프트(26)가 작동중인 표 1의 정방향/역방향 모드들의 하나에 초기적으로 위치하는 조건으로부터, 상기 발전기 입력 클러치(160) 및 분할 속도 클러치(180)는 결합된다. 상기 1차 발전기(22)는 엔진용 시동 모터로서 작동한다. 엔진이 일단 작동되면 엔진이 작동 중인 도 8에 열거된 정방향/역방향 모드들의 하나로 트랜스미션은 절환된다.
대신에, 상기 EMCVT는 정방향 혹은 역방향 병렬 모드로 작동할 수 있으며 출력 샤프트(26)에의 동력을 유지할 뿐 아니라 엔진을 시동하기 위하여 동력을 제공하기 위하여 배터리/커패시터 뱅크들(130, 140)에 저장된 에너지를 사용할 수 있다.
임의 부품들(Optional Components)
기어형 역전기(Geared Reverser):
"역방향 작동"에서 설명한 바와 같이, 정방향 모드의 전 범위는 역방향에서는 정상적으로 모두 필요치는 않다. 역방향 작동에 대한 성능 수요가 아주 작거나 혹은 거의 필요치 않는 대부분의 종래의 차량 및 산업상 용도들에서 이는 적용된다. 그러나, 일정한 경우에는 모든 정방향 작동 모드들 (모든 제동 모드들을 포함)이 역방향에서 필요할 수 있다. 이러한 문제에 대한 간단한 해결 방안은 EMCVT의 입력(40) 혹은 출력(26)에 기어형 역전기를 설치하는 것이다.
도 9에 도시된 트랜스미션의 입력(40)에 역전기(90)를 설치하면, 입력(40) 하류의 모든 부품들의 방향을 단순히 역전시킨다. 모든 속도 및 토크 방향이 역전되므로 일정 계통을 통하여 흐르는 네가티브 동력은 없다. 트랜스미션은 정방향 모 드들의 어느 하나를 사용하여 역방향 출력 회전으로 작동할 것이다.
대안(도시 생략)으로서는 출력(26)에 역전기(190)를 설치하는 것이다. 그러면 최종 출력 방향과 관계없이 트랜스미션 부품들은 단지 일 방향으로만 회전한다. 출력 역전기의 주요 단점은 트랜스미션 입력(40)에 설치된 역전기에 비하여 역전기 부품들에 걸치는 토크 수준들이 더 높은 점이다. 그 결과 크기 및 무게가 증가하는 데, 이로써 입력에 역전기를 설치하는 것이 더 좋은 선택이다. 트랜스미션은 그 입력에서 요구되는 토크를 증가시키도록 작용하므로, 출력(26)에 설치된 역전기는 입력(40)에 설치된 역전기 보다 더욱 견고하여야 한다. 따라서 무게 및 복잡성이 증가하므로 대부분의 사용예들의 경우 출력에 역전기를 설치하는 것이 부적합하게 된다.
범위 분할기(Range Splitter):
기존의 발전기/모터 기술의 한계에 기인하여 범위 분할기 혹은 더블러(doubler)가 트랜스미션의 작동 성능을 증가시키기 위하여 주 출력 샤프트(26)에 설치될 수 있다. 도 5는 유성 기어 세트(10)와 저속 클러치(32) 및 고속 클러치(34)에 기초한 두개 속도 범위 분할기를 가진 병렬 샤프트 EMCVT를 도시한다. 상기 두 속도 범위 분할기는 필요하면 세개 속도 범위 분할기가 사용될 수 있지만 대부분의 사용예들에 적합하다.
재생 조향시스템(Regenerative Steering System)
EMCVT가 두 출력들을 가진 궤도 차량을 구동하는 데 사용되는 경우, 도 6에 도시된 재생 조향 시스템으로 정밀한 조향이 달성될 수 있다. 다른 출력 보다 하나의 출력이 더 느리게 회전하는 것이 필요하면, 종래의 제동-조향 시스템에서 열로서 방출되는 것 보다 동력이 더 느린측으로부터 더 빠른 측으로 전달된다.
상기 조향 방전기(54)는 트랜스미션의 입력(40)에 의하여 아이들러를 통하거나 이에 의해 직접 구동된다. 출력들 사이에서 동력 분할이 균등하면, 제로 샤프트(58)는 조향 모터(56)에 의하여 회전하는 것이 방지되며, 조향 유성 기어장치들(60)의 출력은 동일한 속도로 회전한다. 다른 측 보다 일 측의 출력을 더 빠르게 회전시키기 위하여 더 큰 동력이 필요하면, 상기 조향 모터(56)는 조향 유성기어장치들(60)의 출력을 변화시키면서 제로 샤프트(58)를 일 방향 혹은 다른 방향으로 회전시킨다. 대신에, 상기 조향 발전기(54)는 생략되며, 동력은 배터리/커패시터 뱅크들(130/140), 상기 1차 발전기(22), 상기 1차 모터(24), 혹은 이들 소자들의 조합으로부터 조향 모터(54)로 공급된다.
상기 EMCVT의 다른 고려할만한 이점은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 시스템의 공통 출력 샤프트(26)를 통해 트랜스미션 양 단부 상에 출력을 유도할 수 있는 점이다. 궤도 및/또는 차동기어들과 같은 두 개의 구동 장치들에 이중의 출력 샤프트들을 필요로 하는 차량 혹은 고정 장치들에 이는 특히 유용하다. 또한, 출력들의 하나 혹은 양자는 결합하거나 해제되어 복수의 출력 구동장치용으로 구성된 전달 케이스에 대한 필요를 제거한다.
상기 EMCVT 속도는 종래 방식의 하나에 의하여 제어될 수 있으나, 정방향 혹 은 역방향의 병렬 모드로 작동하는 경우 출력 속도와 관련하여 동력 분할을 가장 잘 최적화하기 위하여 전자적인 제어 시스템이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 전자 제어 시스템은 임의의 범위 분할기 및 재생 조향 시스템용 제어 수단 및 상기 설명한 바와 같은 여러 클러치들 및 브레이크들을 또한 구비할 수 있다.
따라서, 본 발명이 예시적인 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 이러한 설명은 한정하는 의미로서 해석되려고 의도한 것은 아니다. 예시적인 실시예들의 다양한 변경들 및 본 발명의 다른 실시예들이 이러한 설명을 참조하면 이 기술 분야의 당업자들에게 명백해질 것이다. 따라서 첨부의 특허청구범위는 본 발명의 범위에 속하는 그러한 변경들 및 실시예들을 포함할 것으로 생각된다.
따라서, 본 발명에 의하면 전기 및 기계적인 구동 시스템을 결합함으로써 대형 및 소형 차량들과 고정 장치용의 더욱 효율적인 구동 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 전기 기계적으로 연속으로 변화가능한 트랜스미션으로서:
    a) 유성 기어 세트;
    b) 입력이 상기 유성 기어 세트의 제1 소자에 결합되고, 출력이 상기 트랜스미션의 주 출력 샤프트에 결합되며, 전기 발전기, 전기 모터, 및 에너지 저장 유닛을 구비한 전기 계통;
    c) 입력이 상기 유성 기어 세트의 제2 소자에 결합되고 출력이 상기 주 출력 샤프트에 결합된 기계 계통;
    d) 상기 유성 기어 세트의 제3 소자에 결합된 주 동력 입력;
    e) 상기 발전기의 출력에 결합되며, 상기 발전기의 출력을 상기 주 출력 샤프트에/로부터 선택적으로 연결/차단하도록 작동하는 발전기 출력 클러치; 및
    f) 상기 기계 계통의 상기 출력에 결합되며, 상기 기계 계통의 상기 출력을 상기 주 출력 샤프트에/로부터 선택적으로 연결/차단하도록 작동하는 기계 구동 클러치를 구비하는 전기 기계적으로 연속으로 변화가능한 트랜스미션.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 주 동력 입력만을 사용하여 이용가능한 것 보다 높은 토크 수준에서 상기 트랜스미션이 작동할 수 있도록 상기 에너지 저장 유닛에 저장된 동력과 상기 주 동력 입력으로부터의 동력을 결합하는 부스트 모드가 가능하게 결합된 경우 상기 발전기 출력 클러치, 기계 구동 클러치, 및 유성 분할 속도 클러 치가 작동하도록 상기 유성 기어 세트의 어느 두 소자들을 같이 체결하도록 작동하는 유성 분할 속도 클러치를 더 구비하는 트랜스미션.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 저장 유닛은 배터리들의 뱅크로 구성된 트랜스미션.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 저장 유닛은 커패시터들의 뱅크와 배터리들의 뱅크로서 구성되는 트랜스미션.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 발전기로부터의 동력 출력이 상기 에너지 저장 유닛을 충전하도록 사용될 수 있게 작동하는 상기 전기 발전기에 결합된 발전기 출력 클러치를 더 구비하는 트랜스미션.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 발전기 입력 클러치는 상기 주 동력 입력에 결합된 엔진을 시동하기 위하여 상기 전기 발전기가 동력을 제공할 수 있도록 결합될 수 있는 트랜스미션.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 주 출력 샤프트에의 모든 동력이 상기 기계 계통에 의하여 구동되도록 상기 전기 계통을 체결하기 위하여 작동되며, 상기 전기 계통에 결합된 잠금 브레이크를 더 구비하는 트랜스미션.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 트랜스미션에 대해 둘 혹은 그 이상의 별개의 작동 모드들이 가능하도록 상기 출력 샤프트에 결합된 범위 분할기를 더 구비하는 트랜스미션.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 주 출력 샤프트의 두 단부들에서 상기 주 출력 샤프트가 구동력을 제공하기 위하여 사용되는 경우 출력 단부들 사이에 동력을 분할하도록 작동하는 재생 조향 시스템을 더 구비하는 트랜스미션.
  10. 제 1항에 있어서, 제동으로부터의 에너지를 상기 에너지 저장 유닛에 저장하기 위한 재생 제동 시스템을 더 구비하는 트랜스미션.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전기 계통은 상기 주 출력 샤프트에 병렬인 샤프트 둘레에 배치되는 트랜스미션.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 전기 계통은 상기 주 출력 샤프트 둘레에 동축으로 배치되는 트랜스미션.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 전기 계통은 상기 주출력 샤프트 둘레에 동축으로 배치되며 상기 주 동력 입력은 상기 주 출력 샤프트의 일 단부에 있는 트랜스미션.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 트랜스미션의 출력 방향을 역전시키며 상기 주 동력 입력에 결합된 역방향 기어 시스템을 더 구비하는 트랜스미션.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 트랜스미션의 출력 방향을 역전시키도록 작동하는 상기 주 출력 샤프트에 결합된 역방향 기어 시스템을 더 구비하는 트랜스미션.
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