KR20100033375A - 로드 휠 추진 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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마이클 프레드릭 픽홀츠
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머티리얼웍스 엘엘씨
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Abstract

차량을 지지하는 로드 휠의 회전을 교호적으로 가속 및 감속하기 위한 로드 휠 추진 장치. 전기 구동 모터는 차량에 의해 유지되고, 로드 휠에 구동가능하게 연결되어, 로드 휠이 차량에 대해 회전하도록 구동시킴으로써 동력을 차량에 제공한다. 전기 구동 모터는 차량에 고정되며 반경 방향으로 안쪽에 위치해 있는 모터 스테이터(motor stator)를 포함한다. 또한, 전기 구동 모터는 로드 휠 내에 유지되며 반경 방향으로 바깥쪽에 환형 형태로 위치한 모터 로터를 포함한다. 모터 로터는 모터 스테이터와 모터 로터 사이에서 생기는 전자기력에 의해 모터 스테이터에 대하여 상대적으로 회전하도록 구동된다.

Description

로드 휠 추진 장치 및 그 제조 방법{ROAD WHEEL PROPULSION APPARATUS AND METHOD OF MAKING}
본 발명은 자동차를 지지하는 로드 휠의 회전을 교호적으로 가속 및 감속시키기 위한 로드 휠 추진 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 내부에 배치된 전기 모터에 의해 구동되는 로드 휠에 관한 것이다.
로드 휠(road wheel)은 내부의 동축적으로(coaxially) 지지된 "인휠"(in-wheel) 전기 모터에 의해 구동되고, 브레이크(braking) 시스템에 의해 회전이 감속되는 것으로 알려져 있다. 또한, "인휠" 전기 모터는 휠의 회전을 감속시키면서 동시에 차량의 배터리를 충전하는 회생 제동 효과(regenerative braking effect)를 갖는 것으로 알려져 있다.
본 기술분야에 공지된 시스템과 관련된 많은 부수적인 설계 문제를 생기게 하지 않고도, 추진 및 회생 제동을 제공하는 인휠 전기 모터가 필요하다.
로드 휠 추진 장치는 자동차(automotive vehicle)를 지지하는 로드 휠의 회전을 교호적으로 가속 및 감속시키기 위한 것이다. 본 발명의 로드 휠 추진 장치는, 차량에 의해 유지되고, 로드 휠에 구동가능하게 연결되어, 로드 휠이 차량에 대해 회전하도록 구동시킴으로써 동력(motive force)을 차량에 제공할 수 있도록 된 전기 구동 모터(electric drive motor)를 포함한다. 전기 구동 모터는, 차량에 고정되며 반경 방향으로 안쪽에 위치해 있는 모터 스테이터(motor stator)와, 로드 휠 내에 유지되며 반경 방향으로 바깥쪽에 환형 형태로 위치한 모터 로터(motor rotor)를 포함하며, 모터 로터는 모터 스테이터와 모터 로터 사이에서 생기는 전자기력에 의해 모터 스테이터에 대하여 상대적으로 회전하도록 구동된다.
다른 실시예에서, 모터는, 전기를 생성하면서, 모터가 장착된 로드 휠의 회전 속도를 로드 휠이 장착된 차량에 대해 상대적으로 감속시키는 제동력(braking force)을 생성하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 로터는 허브리스(hubless) 로드 휠을 유지하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는 모터 스테이터를 유지하며, 차량 부품에 장착하도록 된 허브(hub); 및 모터 로터를 유지하며, 허브에 대한 상대적인 회전을 위해 허브 내에 수용되어 허브에 의해 지지되는 스핀들(spindle)을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 로터는 스핀들에 의해 유지되며 허브리스 휠을 유지하도록 된 모터 로터 하우징을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 스테이터는 허브에 의해 유지되며 모터 스테이터의 스테이터 권선(stator windings)을 유지하는 환형의(annular) 모터 스테이터 권선 지지 프레임을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 스테이터 권선 지지 프레임은, 허브의 축 방향 길이(axial length)보다 더 큰 값의 축 방향 폭(axial width)을 갖는 스테이터 권선을 지지하면서 차량 부품을 위한 클리어런스(clearance)를 제공하도록 구성되고, 반경 방향으로 위치한 어레이 형태의 스캘럽(scallop)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 어레이 형태의 스캘럽은 스테이터 권선 지지 드럼 내에서 어레이 내의 각각의 스캘럽이 드럼의 반경 방향으로 바깥쪽 단부에 연결되고, 허브의 반경 방향으로 안쪽 단부에 연결되도록 지지되며, 어레이 형태의 스캘럽은 허브의 축 방향 길이보다 더 큰 값의 축 방향 폭을 갖는 스테이터 권선을 지지하면서 차량 부품에 대한 클리어런스를 제공하기 위한 형태를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 어레이 내의 스캘럽은, 스캘럽의 각각의 바깥쪽 단부가 드럼에 연결되는 위치에서는 상대적으로 축 방향으로 더 연장되고, 스캘럽의 각각의 안쪽 단부가 허브에 연결되는 위치에서는 상대적으로 축 방향으로 덜 연장되도록 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 허브는 조향 너클(steering knuckle), 스트러트 너클(strut knuckle), 서스펜션 허브 캐리어(suspension hub carrier), 및 서스펜션 차축(suspension axle)을 포함하는 부품 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 차량 부품에 제거가능하게 장착될 수 있다.
다른 실시예에서, 모터는 스테이터 권선을 적어도 부분적으로 둘러싸는 모터 챔버(motor chamber)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 허브는 모터 챔버와 로드 휠 추진 장치를 유지하는 차량 사이의 비회전 경로(non-rotating pathway)를 적어도 부분적으로 형성하며, 경로는, 전기(electricity), 물질(matter), 전기 배선, 전기 배선 도관, 냉매 유체(coolant fluid), 냉매 가스, 비활성 가스(inert gas), 냉매 도관, 및 비활성 가스 도관을 포함하는 그룹에서 선택된 임의의 하나 이상을 통과시키도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 로터는 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되며, 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면(rim surface)을 구비하도록 허브리스(hubless) 로드 휠을 포함하며, 모터 로터는 모터 로터 하우징으로부터 바깥쪽으로 연장하는 중심의 돌출부 상에 상보형의 환형 돌출면(complementary annular projection surface)을 포함하며, 모터 로터 하우징의 환형의 돌출면은 휠이 모터 로터 하우징에 장착될 때에, 허브리스 로드 휠의 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면을 체결하도록 구성되고, 각각의 환형의 면들은 휠이 모터 로터에 장착되면, 모터 로터에 대하여 휠이 상대적으로 동심원을 향하도록 제거가능하게 가압되도록 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 허브리스 로드 휠의 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면과 모터 로터의 환형의 돌출면은 각각 전체적으로 원뿔대의 형태가 될 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는, 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되도록 된 허브리드 로드 휠(hubless road wheel); 및 허브리스 로드 휠에 제거가능하고 동심원적으로 연결될 수 있고, 표준 차량의 휠 장착용 플랜지 상에 허브리스 로드 휠을 제거가능하게 장착할 수 있도록 된 가상의 휠 센터(virtual wheel center)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는, 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되도록 된 허브리스 로드 휠; 및 휠에 제거가능하면서 동심원적으로 연결되고, 통상적인 휠 정비 장비 상에 휠을 제거가능하게 장착할 수 있도록 된 정비용 휠 센터(service wheel center)를 더 포함하며, 정비용 휠 센터는 통상적인 정비 장비의 휠 장착부의 스핀들 상에 수용가능하도록 구성되고 축 방향으로 배치된 휠 파일럿 보어(wheel pilot bore)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 정비용 휠 센터는 정비용 휠 센터를 표준 차량 휠 장착용 플랜지에 장착하도록 구성된 장착용 패스너(mounting fasteners)를 수용할 수 있도록 위치한 장착용 러그 홀(mounting lug holes)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는 모터 로터에 의해 유지되는 안쪽 회전 쉴드(inner rotating shield)를 더 포함하며, 안쪽 회전 쉴드는 모터 로터에 의해 유지되고 모터 로터에 대해 밀폐된 반경 방향의 바깥쪽 림(radially outer rim)과, 고정된 차량 부품과 허브 중 하나를 유지 및 밀폐하도록 위치한 쉴드의 반경 방향의 안쪽 림(radially inner rim)에 의해 유지되는 베어링 실(bearing seal)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 안쪽 회전 쉴드는 모터 로터의 내측 부분(inboard portion)을 위한 구조적인 지지를 제공하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는, 허브를 통해 연장되어 있고, 모터 챔버와 주변 공기 사이의 유체 연통을 제공하도록 구성된 유체 통로(fluid passageway)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 챔버는 비활성 가스로 채워질 수 있다.
다른 실시예에서, 비활성 가스는 질소(Nitrogen)가 될 수 있다.
다른 실시예에서, 모터 챔버 내의 비활성 가스는 공기압보다 더 큰 값으로 가압될 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는, 원격 비활성 가스 저장소; 및 원격 비활성 가스 저장소와 모터 챔버 사이에서 유체 연통이 가능하도록 된 유체 통로를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는 모터 챔버 내의 가스 압력을 감지하기 위한 위치에 배치된 가스 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는 모터 챔버 내의 가스 압력의 감소를 검출한 경우에, 차량 조작자에게 그에 대응하는 표시를 제공하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는 모터 챔버 내의 가스 압력의 감소를 검출한 경우에, 온 보드(on board) 차량 진단 시스템에 그에 대응하는 표시를 제공하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 로드 휠 추진 장치는 전기 구동 모터에 인접해서 지지되고 차량에 대해 상대적으로 휠 회전 속도를 감속하도록 작동가능한 디스크형 브레이크 시스템을 더 포함하며, 디스크형 브레이크 시스템은, 스테이터 권선의 축 방향으로 내측의 위치에 차량에 의해 유지되도록 된 캘리퍼(caliper); 및 전기 구동 모터 및 캘리퍼가 차량에 장착될 때에 캘리퍼에 의해 수용되는 위치에 모터 로터에 의해 동축적으로 유지되는 환형의 디스크형 브레이크 로터를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 디스크형 브레이크 로터는, 디스크형 브레이크 로터의 외주 둘레로 원주 방향으로 이격된 복수의 장착부에 의해 모터 로터 상에 지지되며, 디스크형 브레이크 로터 및 모터 로터 사이의 상대적인 회전 이동을 제한하면서 상대적인 반경 이동(radial motion)이 가능하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 복수의 장착부는, 모터 로터로부터 축 방향으로 내측으로 연장된 모터 로터 포스트(motor rotor post); 및 디스크형 브레이크 로터의 외주의 외부 에지로부터 반경 방향으로 안쪽에 형성된 브레이크 로터 대응 리세스(brake rotor mating recess)를 각각 포함하며, 리세스는 각각 모터 로터 포스트 중의 하나를 수용하고 느슨하게(loosely) 체결하기 위한 위치 및 형태를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 스핀들은, 차량에 의해 유지된 기계적 구동 트레인의 기계적 구동 부품에 구동가능하게 연결되고, 모터 로터를 통해 기계적 구동 트레인의 엔진으로부터 휠까지 구동 토크(driving torque)를 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 로드 휠 추진 장치를 조립하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은, 전기 모터 로터(electric motor rotor)를 설치하는 단계; 차량에 고정되도록 된 전기 모터 스테이터(electric motor stator)를 설치하는 단계; 모터 로터 내에 모터 스테이터를 지지하는 단계; 및 모터 로터 상에 허브리스 휠을 지지하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 전기 모터 로터를 설치하는 단계는, 허브리스 휠을 유지하고, 차량 구조체에 장착된 허브 상에서의 회전을 위해 모터 로터를 지지하도록 구성된 모터 로터 하우징을 구비하는 모터 로터를 설치하는 단계; 및 스핀 성형(spin-formed) 주조(casting) 프로세스를 사용하여 모터 로터 하우징을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 전기 모터 스테이터를 설치하는 단계는, 모터 스테이터를 차량 서스펜션에 장착하도록 구성된 허브를 설치하는 단계를 포함하며, 모터 스테이터 권선 지지 프레임을 설치 및 지지하는 단계는, 스핀 성형 주조 프로세스를 사용하여, 허브를 모터 스테이터 권선 지지 프레임에 삽입 몰딩(insert molding)하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징과 장점들에 대해서는 이하의 상세한 설명, 도면, 사진, 및 부록과 관련해서 본 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 로드 휠 추진 장치상에 장착되고 차량의 너클 상에 장착된 타이어의 바깥쪽 정투영 도면이다.
도 2는 도 1의 타이어, 로드 휠 추진 장치, 및 너클의 내부 투영도이다.
도 3은 도 1의 타이어, 로드 휠 추진 장치, 및 너클의 확대 투영도이다.
도 4는 도 1의 타이어, 로드 휠 추진 장치, 및 너클의 부분 절단 내부 투영도이다.
도 5는 도 1의 로드 휠 추진 장치 및 너클의 상단 부분 단면도이다.
도 6은 도 1의 로드 휠 추진 장치 및 너클의 정면 부분 단면도이다.
도 7은 도 1의 로드 휠 추진 장치의 내부 부분 절단면도이다.
도 8은 허브 캡을 제거하고 허브리스 로드 휠로부터 제거된 것으로 나타낸, 본 발명에 따라 구성된 가상의 휠 센터의 바깥쪽 투영도이다.
도 9는 허브 캡이 제거되고 허브리스 로드로부터 제거된 것으로 도시된, 본 발명에 따라 구성된 서비스 휠 센터이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따라 구성된 로드 휠 추진 장치에 장착되고 차량의 너클에 장착된 타이어의 내부 투영도이며, 로드 휠 추진 장치의 전기 모터 로터의 스핀들에 연결된 기계적 구동 부품을 나타내고 있다.
도 11은 도 10의 기계적 구동 부품, 너클, 로드 휠 추진 장치, 밈 타이어의 정면 단면 투영도이다.
자동차를 지지하는 로드 휠의 회전을 교호적으로 가속 및 감속시키기 위한 로드 휠 추진 장치가, 도 1 내지 도 7에 도면부호 "10"으로 그 전체를 나타내고 있다. 제2 실시예에서는, 도 10 및 도 11에 도면부호 "10'"로 그 전체를 나타내고 있다. 도 10 및 도 11의 프라임 표시(')로 나타낸 도면부호는 제1 실시예에도 도시한 구성요소의 대체 구성을 나타낸다. 달리 표시하지 않는 한, 이하의 설명 부분에서는 도면을 참조하는 도면부호를 사용하며, 해당 설명 부분이 도 10 및 도 11에서의 프라임 표시를 한 도면부호에 의해 나타낸 구성요소에도 동등하게 적용된다는 것을 알아야 한다.
로드 휠 추진 장치(10)는, 자동차 로드 휠(14) 내에 지지되도록 설치되고 로 드 휠(14)이 차량에 대해 상대적으로 회전하도록 구동시키는 전기 구동 모터(12)를 포함한다. 이 전기 구동 모터(12)는 회생 제동(regenerative braking)이 가능한데, 즉 전기를 발생하는 동시에, 차량에 대해 로드 휠(14)의 회전을 감속시키는 제동력을 생성할 수 있다. 전기 구동 모터(12)에 있는 모터 로터(motor rotor: 18)의 하우징(16)은, 반경 방향으로 외부에서 환상 모양을 이루며, 로드 휠(14)에 연결되어 있다. 모터 로터(18)는 로터 권선(rotor windings) 또는 드럼 형태의 영구 자석(19)을 포함하는 구성을 갖는다. 전기 구동 모터(12)의 반경 방향으로 내부에 배치된 모터 스테이터(motor stator: 20)는, 전기 구동 모터(12)의 샤프트(shaft)와 같은 중앙에 위치하는 요소를 포함하며, 스트러트(strut) 또는 조향 너클(steering knuckle)(22)과 같은 차량 구조체나 그외 다른 적당한 차량 서스펜션 부품에 고정될 수 있다. 디스크(disk)형의 브레이크 시스템(24)은 전기 구동 모터(12)에 인접해서 지지될 수 있으며, 차량에 대한 로드 휠의 회전 속도를 감속시킬 수 있다. 로드 휠은 모터 로터(18) 상에 제거가능하게 지지될 수 있는 허브리스(hubless) 로드 휠(14)이 될 수 있다. 이 허브리스 로드 휠(14)은 모터 로터(18)의 원주상의 주변 부근에서 모터 로터에 직접 장착될 수 있다. 이러한 배치에 의하면, 토크 거리(torque path)를 짧게 할 수 있으며, 로드 휠(14)의 경량 설계가 가능하게 된다. 모터의 토크 거리는 구동 토크(drive torque)와 회생 제동 감속 토크가, 토크의 생성 지점부터 인가 지점까지 이동하여야 하는 경로이다. 토크 거리를 짧게 하면, 효율적이며 경량인 설계가 가능하게 되는데, 이는 짧은 토크 거리가 인휠 모터(12)로부터 인휠 모터(12)에 의해 생성된 구동/감속 토크를 휠/타이어 인터페이스까지 전 달하는 데에 필요한 물질의 양과 강도를 최소로 할 수 있기 때문이다.
모터 로터(18)는 모터 로터 하우징(16)을 포함할 수 있다, 모터 로터 하우징(16)은 스핀들(26)에 의해 유지되고, 허브리스 로드 휠(14)을 유지하도록 되어 있다. 다시 말해서, 모터 로터 하우징(16)은 허브리스 로드 휠(14)을 유지하면서, 차량 구조체에 장착된 허브(28)에서의 회전을 위해 수용된 스핀들(26)에 접한 모터 로터(18)를 지지할 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 모터 로터 하우징(16)은 허브(28)에 의해 회전가능하게 지지되어 있는 스핀들(26)에 연결되거나 스핀들과 일체로 형성될 수 있다. 허브(28)는 적절한 고속의 휠 베어링 상에서 스핀들(26)을 회전가능하게 지지하기게 적합한 자동차용의 휠 허브(wheel hub)가 될 수 있다. 스핀들(26)은 고강도의 금속으로 이루어질 수 있으며, 휠 베어링(wheel bearing)은 볼 베어링, 테이퍼 베어링 및/또는 다른 일반적으로 사용되는 자동차용 휠 베어링이 될 수 있다.
모터 로터 하우징(16)은 경합금(light alloy) 주조(casting), 단조(forging), 또는 압착(stamping)품이 될 수 있으며, 스핀 성형되거나, 두 가지 제조 기술을 조합한 부분 주조(part casting)/스핀-성형과 같은 기술의 조합에 의해 형성될 수 있다. 모터 로터 하우징(16)은 조립체의 동심도(concentricity) 뿐만 아니라 적절한 유지력(retention)을 보장하기 위해, 스핀들(26)에 동심원적으로 장착될 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 모터 로터 하우징(16)은 스핀들(26)의 회전축을 중심으로 더 정밀하게 동심원적으로 형성되도록, 스핀들(26)의 둘레에 스핀 성형 주조(spin-formed casting)에 의해 형성될 수 있다.
고리 모양(annular)의 경합금의 스테이터 권선 지지 프레임(30)이 스핀들 허브(28)에 의해 유지될 수 있으며, 유지 및 둘러싸는 것이 가능하도록 되어 있고, 모터 스테이터(20)의 스테이터 권선(32)을 위한 단단하고 경량인 구조체의 지지부로서 기능하도록 되어 있다. 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 전기 구동 모터(12)의 효율을 향상시키기 위해, 구리, 구리 합금 등과 같은 구조체 내에 추가의 금속성 요소를 포함할 수 있다. 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 휠/모터(12) 베어링 부하를 견디기에 충분한 구조적 강도를 제공하도록 구성될 수 있다. 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 딱딱하고 경량인 구조체와, 기능적이고 현대적인 서스펜션을 구현하고, 적용가능한 경우에는, 조향 시스템을 수용하기 위해 필요한 다양한 서스펜션 및 조향 부품을 위한 클리어런스(clearance)를 제공하기 위한 형태를 가질 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 스테이터 권선(32) 내에 배치 및 지지되고, 반경 방향으로 어레이 형태로 배치된 스캘럽(scallop: 34)을 포함할 수 있는데, 각각의 스캘럽(34)의 반경 방향의 외측 단부가 권선(32) 또는 권선을 지지하는 드럼형의 구조체에 연결되고, 각 스캘럽의 반경 방향의 내측 단부가 허브(28)에 연결된다. 스캘럽(34)은 허브(28)의 축 방향 길이(axial length)보다 더 큰 축 방향 폭(axial width)을 갖는 스테이터 권선(32)을 지지하면서, 차량 서스펜션 및/또는 조향 부품을 위한 클리어런스를 제공할 수 있는 형태를 갖는다. 더 구체적으로 말하면, 스캘럽(34)은 각각의 외측 단부가 권선(32)을 지지하는 위치에서는 축 방향으로 더 확장되는 형태를 가지며, 각각의 내측 단부가 허브(28)와 연결되는 지점에서는 축 방향으로 덜 확장된 형태를 갖는다. 이러한 배치 에 의해, 스테이터 권선(32)은 허브(28)의 축 방향 폭을 축 방향 길이보다 훨씬 더 확장할 수 있어서, 허브(28) 쪽을 향해 축 방향으로 외측으로 연장하는 차량 서스펜션 및 조향 부품을 위한 정적 및 동적 클리어런스를 제공하면서, 허브(28)의 축 방향 길이를 초과하는, 즉 로드 휠(14)의 폭에 가까워지는 넓은 축 방향 폭을 갖는 스테이터 권선(32)을 지지하기에 충분한 구조적 강도를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 큰 규모의 모터(12)를 원하는 서스펜션/조향 구조를 포함하여 패키지화할 수 있다. 예를 들어, 스캘럽 구조에 의해, 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 서스펜션/조향 피벗이 바람직할 정도로 작은 스크럽 반경(scrub radius)[스크럽 반경은 서스펜션 피벗 지점(노면까지 연장)과 휠/타이어 중심 선(노면까지 연장)을 분리시킨, 지면에서 측정한 거리]을 제공할 수 있는 지점에 위치되도록 하는 형태를 가질 수 있다. 이것이 중요한 이유는, 제로(0) 스크럽 반경으로부터의 큰 편차(deviation)에 의해 조향 시스템에 과도한 로드 부하가 입력되고, 서스펜션 시스템이 전체적으로 과도한 부하 상태가 된다. 이러한 방법은 적절한 모터, 서스펜션 및 조향 동작과 관련된 기능의 조화를 제공한다. 또한, 스캘럽을 갖춘 구성에 의해, 디스크형의 브레이크 시스템(24)의 로터(36)가, 확장 브래킷 또는 다른 유사한 구조를 사용하지 않고도, 보다 안쪽에, 인접해서, 및/또는 로드 휠(14)의 내부 림(rim)의 내면의 안쪽에 배치될 수 있다.
스핀들 허브(28)는 스트러트 또는 조향 너클(22), 서스펜션 허브 캐리어, 서스펜션 차축 또는 이와 유사한 차량 서스펜션 부품이나 다른 적절한 차량 부품에, 원주형의 배열을 이룬 패스너(fastener) 또는 임의의 다른 적절한 공지 수단을 통 해, 제거가능하게 장착될 수 있다. 스핀들 허브(28)는 제조가 용이하고, 단순하며, 경량이 되도록 설계되며, 스핀들 허브(28)를 차량의 너클(knuckle)/스핀들 캐리어(spindle carrier)에 장착하는 직접적인 수단을 제공한다. 스핀들 허브(28)는 자동차 기술 분야에서 사용되고 있는 것과 같은 종래의 구성이 될 수 있으며, 다수의 부착 지점을 포함하는 견고한 장착 구성을 포함할 수 있다. 스핀들 허브(28)는 너클(22)에, 스핀들 허브(28)의 원주 플랜지(circumferential flange)를 통해 허브 구조체의 중심 주위에 반경 방향으로 배치된 패스너를 통해 제거가능하게 고정될 수 있다. 이러한 패스너 구성에 의해, 전체 장치(10)를 단일의 조립체로서 직접 탈부착할 수 있으며, 모든 예측가능한 동작 상태에서 스테이터와 로터 사이의 갭을 정확하게 유지하는 견고하고 안정적인 구성을 보장할 수 있다. 또한, 전기적인 냉매(coolant) 라인 및 통기 라인(venting line)(38)[필요에 따라 선택적임]을 일반적으로 환상체(toroidal)인 내부 모터 챔버(40) 또는 모터(12)의 캐비티에 체결(fitting) 또는 경로설정(routing)하기 위한 실질적인 접속 전략/경로를 제공한다. 전기, 냉매 유체와 같은 유체, 비활성 기체와 같은 가스를 운반하기 위한 전기적 및/또는 유체 통로(38)(통기/가스 라인)는, 서로 독립적이든 조합되어 있든, 보호된 환경, 예컨대 조향 너클(22), 스트러트, 서스펜션 등의 기계적인 구조체를 통해, 경로설정된 전기, 통기, 및/또는 유체 또는 가스 라인을 포함함으로써, 위험한 부품, 예컨대 공기 중에 매달려 있는 600 볼트의 전기 공급선과 보호되지 못한 케이블이 쉽게 찢어질 수 있는 타이어 펑크 등과 같이 손상받기 쉬운 것보다 더 견고한 설계를 제공할 수 있다. 통로(38)들 중 하나는, 내부 챔버 또는 모터(12)[안쪽 회전 쉴드(72)에 의해 밀폐되어 있음]의 캐비티와 주변 공기 사이의 유체 연통(fluid communication)을 제공하도록, 모터 스테이터(20)로부터 스핀들 허브(28)와 너클/스핀들 캐리어를 거쳐 적절한 통기 지점까지 연장하는 전용의 벤팅 튜브가 되거나 이를 포함할 수 있다. 이와 달리, 통기는 통풍 기능을 수행하기 위한 전기적 도관(electrical conduit) 또는 냉매 연결 호스(coolant connection hose)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이와 달리, 도관이나 호스와 같은 통로(38)는 내부 모터 챔버를 원격의 가압 비활성 가스 저장체(39)와 연결하는 데에 사용될 수 있다. 다시 말해서, 본 장치는 원격의 비활성 가스 저장체(39)를 포함할 수 있으며, 유체 통로(38)는 원격의 비활성 가스 저장체(39)에 연결된 통기 튜브를 포함하여 모터 챔버와 원격의 비활성 가스 저장체(39) 사이의 유체 연통이 가능하게 된다.
스핀들 허브(28)는 전기, 물질, 전기적 배선, 전기적 배선 도관, 냉매 유체, 냉매 가스, 비활성 가스, 냉매 도관, 및 비활성 가스 도관을 통과시키기 위해 모터 챔버(40)와 너클(22) 사이에 적어도 하나 이상의 비회전(non-rotating) 경로(42)를 형성할 수 있다. 스핀들(26)과 스핀들 허브(28)의 구성은 본질적으로 간단하지만, 장치(10)가 장착된 차량의 너클(22)과 모터 구조체 사이에 단단하고 밀폐된 비회전 인터페이스를 제공한다. 이에 의해, 장치(10)가 필요로 하는 것이면 어떠한 도관이나 케이블(38)의 통로를 제공한다. 이러한 인터페이스 구성은, 민감한 부품을 보호된 환경으로 둘러싸며, 부품을 위한 최소의 경로 길이를 제공함으로써, 견고하고 경량인 배치가 가능하게 된다.
로드 휠(14)은 원뿔대 모양의 반경 방향으로 안쪽의 환형의 림 표면(rim surface)(44)을 포함할 수 있다. 모터 로터(18)는 상보성의 원뿔대 모양의 환형의 돌출 면(46)을 포함할 수 있는데, 이 돌출 면은 모터 로터 하우징(16)으로부터 바깥쪽으로 일체로 연장하며, 로드 휠(14)이 모터 로터 하우징(16) 상에 장착될 때에 로드 휠(14)의 원뿔대 모양의 환형의 안쪽 림 표면(44)과 체결가능하게 된 중심의 돌출부 또는 경사진 원주 면 상에 배치된다. 이러한 구성에 의하면, 로드 휠(14)은 모터 로터 하우징(16)에 쉽게 장착되고 쉽게 제거될 수 있으며, 로드 휠(14)을 모터 로터(18) 상에 확실하고 동심원적으로 위치시킬 수 있다. 다시 말해서, 짝을 이루는 원뿔대 요소(44, 46)는 로드 휠(14)을 모터(12)와 동심원적으로 위치시키면서, 제거가 용이하도록 한다. 이는, 적절하게 설계된 경사진 인터페이스(beveled interface)가 스퀘어 숄더(square shoulder) 설계와 관련된 바인딩(binding) 및/또는 프리즈업(freeze-up) 효과 없이, 장착 해제의 목적을 위해 용이하게 해제되기 때문에, 제거가 용이한 것이다. 이러한 프리즈업 효과는 기계적인 간섭(mechanical interference) 및/또는 부식(corrosion)과 같은 요인에 의해 생기며, 인터페이스의 직경에 따라 비례적으로 증가한다. 또한, 원뿔대 모양의 표면을 사용함으로써, 스퀘어 숄더 인터페이스 구성보다 중심 정확도를 훨씬 더 정확하게 할 수 있는데, 이는 스퀘어 숄더 인터페이스가 로드 휠(14)의 장착 및 해제를 용이하게 하도록 상호작용을 하는 면들 간에 어느 정도의 클리어런스를 필요로 하기 때문이다. 이에 대하여, 원뿔대 모양의 인터페이스 구성은, 항상 완전한 제로 핏(zeroed fitment)을 제공한다. 경사진 휠/파일럿 숄더 인터페이스는 연속적인 특성을 가질 필요는 없으며, 다른 실시예에서는 세그먼트, 스포크(spokes), 브랜치 또는 임의의 다른 적절 한 방식으로 분할될 수 있다. 또한, 반경 방향으로 안쪽의 환형의 림 표면(44)과 상보적인 모터 로터 하우징(16) 면은 완전한 원뿔대 모양 이외의, 로드 휠(14)을 모터 로터(18)로부터 용이하게 제거하면서, 로드 휠(14)을 모터 로터(18)에 대하여 중심 위치로 강제로 위치시키기에 적합한 임의의 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 반경 방향으로 안쪽의 환형의 림 표면(44)과 상보적인 모터 로터 하우징 면(46)은 로드 휠(14) 및/또는 모터 로터(18)의 회전 축을 따라 절취한, 휠 및/또는 모터 로터(18)의 단면에서 봤을 때 아치형으로 할 수도 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 장치(10)는 로드 휠(14)에 대하여 제거가능하고 동심원적으로 연결가능한 가상의 휠 센터(48)를 포함할 수 있다. 가상의 휠 센터(48)는 휠 장착 스핀들로부터 축 방향으로 바깥쪽으로 연장하는 장착용 볼트 샤프트(bolt shafts)를 수용하기 위해 휠 센터(48)의 중심 허브 영역(51)에 위치한 장착용의 러그 홀(lug hole)(50)을 포함할 수 있다. 허브리스 로드 휠(14)과 가상의 휠 센터(48)가 서로 결합되면, 휠 장착용 러그 홀 구조를 포함하는 "가상의" 일반적인 휠을 효과적으로 형성함으로써, 비구동 축(non-driven axle)에 대한 동일 타입의 허브리스 로드 휠(14)의 체결이 효과적으로 행해지고, 이들 휠 위치가 인휠(in-wheel) 모터(12)와 체결되는지 여부에 상관없이, 차량의 모든 휠 위치에 동일 타입의 허브리스 휠을 사용할 수 있게 된다. 다시 말해서, 로드 휠(14)을, 모터 로터 하우징(16)에 연결하는 것과 동일한 방식으로 "가상의" 휠 센터(48)에 연결할 수 있다. 이러한 방식의 추가의 타이어 유지 장점은, 휠이 여러 가지 휠 위치 중에서 회전이 가능하다는 것으로서, 타이어 마모를 균등하게 하고 유용한 타이어 수명 을 최대로 하므로, 대부분의 자동차 및 도로상에서 사용되는 차량에 추천된다.
가상의 휠 센터(48)는 종래의 휠 및/또는 타이어 정비(servicing) 또는 밸런싱(balancing) 장비의 휠 장착부의 스핀들을 수용하고, 로드 휠(14)이 휠 및/또는 타이어의 정비 및/또는 타이어의 교체를 위한 기존의 정비용 장비 상에 지지될 수 있도록 위치한, 축 방향으로 배치된 휠 파일럿 보어(wheel pilot bore)(56)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 가상의 휠 센터(48)는, 현재 갖추어진 임의의 설비에서 타이어 또는 로드 휠(14)에 대해 수행할 일반적인 정비 및/또는 수리가, 통상적인 타이어 수리/교체 기능을 취급할 수 있도록 한다. 비구동 방식이며 인휠 모터(12)를 포함하지 않는 허브리스 로드 휠(14)을 포함하는 차량의 경우에, 가상의 휠 센터(48)는 차량에 허브리드 로드 휠(14)을 장착하기 위한 수단으로서 인휠 모터(12)를 대신할 수 있다. 이에 의하면, 허브리스 로드 휠(14)을 종래의 방식으로 정비할 수 있게 된다. 마찬가지로, 스페어 타이어/가상의 휠 센터의 조합에 의해, 임의의 차량의 휠/타이어의 현장 교체가 가능하고, 조작자가 노면에서 펑크 등과 같은 불량을 종래의 방식대로 해결할 수 있다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 장치(10)는, 가상의 휠 센터(48)과 유사한 것으로서, 로드 휠(14)에 제거가능하면서도 동심원적으로 연결될 수 있는 서비스 휠 센터(service wheel center: 60)와, 통상적인 휠 및/또는 타이어 정비 또는 밸런싱 장비의 휠 장착부의 스핀들을 수용하고, 로드 휠(14)이 휠 및/또는 타이어 정비 및/또는 타이어 교체를 위한 이러한 장비에 대해 지지되도록 중심의 허브 영역(64)에 위치한 축 방향으로 배치된 휠 파일럿 보어(62)를 포함할 수 있다. 가상의 휠 센터 과 달리, 도 9에 나타낸 바와 같이, 서비스 휠 센터(60)는 휠 러그 홀을 포함하지 않아도 된다. 서비스 휠 센터(60)에 의해, 통상적인 타이어 수리/교체 기능을 수행하기 위한 일반적인 휠 정비 장비를 갖추고 있는 임의의 설비에서 타이어 또는 로드 휠(14)에 대해 일반적인 정비 및/또는 교체를 수행할 수 있다. 서비스 휠 센터(60)는 로드 휠(14) 및/또는 타이어에 대한 정비 조작을 수행하기 위해 허브리스 로드 휠(14) 상에 설치되고, 필요한 작업을 마찬 후에, 제거해서 차량에 실을 수 있다. 서비스 휠 센터(60)는 통상의 스페어 휠, 미니 고압 스페어 휠, 휠 지지용 공기팽창식(inflatable) 스페어 타이어, 다른 긴급 휠 장치 또는 런플랫(run-flat) 휠 및 타이어 어셈블리와 같은 긴급 교체용 휠에 제거가능하면서도 동심원적으로 연결될 수 있게 되어 있다. 따라서, 서비스 휠 센터(60)는 표준의 차량 휠 장착용 스핀들로부터 바깥쪽으로 축 방향으로 연장하는 장착용 패스너를 수용하도록 위치한 장착용 러그 홀(70)을 포함함으로써, 긴급용 휠을 차량에 장착해서 주행할 수 있다.
장치(10)는 모터 로터 하우징(16)에 의해 보유된 안쪽 회전 쉴드(72)를 포함할 수 있다. 안쪽 회전 쉴드(72)는 모터 로터 하우징(16)의 축 방향의 안쪽에 반경 방향의 바깥쪽 림에 대하여 유지되고 밀폐된 외부 림(outer rim: 74)을 포함할 수 있다. 안쪽 회전 쉴드(72)는 쉴드의 반경 방향으로 안쪽의 림 또는 환상체에 의해 유지된 베어링 실(bearing seal: 76)을 포함할 수 있다. 안쪽의 베어링 실(76)은 너클(22)과 같은 고정적인 차량 부품 및/또는 장치(10)의 스핀들 허브(28)의 외주 플랜지를 보유하고 밀폐하기 위한 위치에 배치될 수 있다. 이것은 안쪽 회전 쉴 드(72)를 안정적으로 위치시키고, 외부의 물질에 대하여 기능적인 회전 밀폐를 제공한다. 다시 말해서, 안쪽의 회전 쉴드(72)는 모터 로터 하우징(16), 스핀들(26), 및 허브(28)과 함께, 모터 스테이터(20)와 같은 모터(12)의 둘러싸이고 밀폐된 내부 부품을 회전시키는, 전체적으로 원뿔대 모양의 모터 챔버(40)를 형성하도록, 허브(28)에 대하여 밀폐한다.
안쪽의 회전 쉴드(72)는 모터(12)의 내부 부품을 완전히 둘러싸고 밀폐하기 위한 모터 챔버(40)를 완성하기 위한 형태 및 배치를 가질 수 있다. 모터 로터 하우징(16)과의 환경적으로 타이트한 접합을 제공하기 위해, 안쪽 회전 쉴드(72)의 바깥쪽 림과 모터 로터 하우징(16) 사이에 오링(O-ring) 밀폐 또는 다른 적절한 실(seal)이 배치될 수 있다. 안쪽의 회전 쉴드(72)는 로터 권선 지지 프레임(30)의 일반적인 형상을 따르는 형상을 가지면서, 스테이터 권선 지지 프레임(30)으로부터 적절한 클리어런스를 제공할 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 안쪽의 회전 쉴드(72)는, 밀폐 및 밀폐 기능 외에도, 모터 로터(18)의 축 방향의 안쪽 부분을 구조적으로 지지할 수 있다.
디스크형의 브레이크 시스템(24)은 차량의 모터 로터 하우징(16)의 축 방향으로 안쪽의 위치에 장착될 수 있는 캘리퍼(caliper; 80)를 포함할 수 있다. 환형의 디스크형 브레이크 로터(36)는 모터 로터(18)에 의해 동축적으로 유지될 수 있는데, 스테이터 권선(32)으로부터 축 방향으로 안쪽의 주변 위치 및 스테이터 권선(32)과 동심원적으로 주변 위치에 유지될 수 있고, 전기 구동 모터(12)와 캘리퍼(80)가 차량에 장착된 경우, 캘리퍼(80)에 의해 수용될 수 있는 위치에 유지될 수 있다. 특히, 이러한 구성에 의하면, 직경이 꽤 큰 브레이크 로터의 설치가 가능하고, 기계적인 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 구성에 의하면, 브레이크 시스템(24)과 로드 휠(14) 사이의 토크 거리를 가능한 짧게 함으로써, 시스템을 경량으로 설계할 수 있게 된다. 브레이크의 토크 거리는, 토크가 생성되는 지점으로부터 토크가 적용되는 지점까지 감속 토크(retarding torque)가 이동하여야 하는 거리이다. 짧은 토크 거리에 의하면 본질적으로 효과적이며 경량인 설계가 가능하게 되는데, 짧은 토크 거리에 의해 디스크형의 브레이크에 의해 생성되는 감속 토크를 브레이크에서 휠/타이어 인터페이스까지 변환하는데에 필요한 물질의 양을 최소로 할 수 있기 때문이다. 직경이 큰 로터(36)는 시스템의 효율을 높이고 전체적인 질량을 더 감축할 수 있는 기계적인 장점을 갖는다.
디스크형의 브레이크 시스템(24)을 스테이터 권선(32)으로부터 축 방향으로 안쪽의 주변 위치에 동심원적으로 위치시킴으로써, 디스크형의 브레이크 로터(36)가 차폐되지 않은 통기가 원활한 영역에 배치되어, 스테이터 권선에 영향을 미치지 않으면서, 열적 부하(thermal loads)의 신속한 발산을 가능하게 하거나, 인휠 모터(12)까지의 전달을 용이하게 한다. 디스크형 브레이크 시스템(24)의 효율적인 냉각은, 전체적인 디스크형 브레이크의 질량을 낮춰서 잠재적인 중량 감소가 가능하게 한다.
디스크형 브레이크 로터(36)는 주변 장착부(82)에 의해 모터 로터 하우징(16)에 부착될 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 디스크형 브레이크 로터(36)는 상대적인 반경 이동을 가능하게 하고, 디스크형 브레이크 로터(36)와 모터 로터 하 우징(16) 간의 상대적인 회전 이동을 제한하도록, 디스크형 브레이크 로터(36)의 외주의 주변에 원주 방향으로 이격된 복수의 반경 방향으로 자유(non-constraining) 장착부(82)에 의해 모터 로터 하우징(16) 상에 지지될 수 있다. 이에 의하면, 디스크형 브레이크 시스템(24)으로부터 모터 로터(18)로의 진동, 즉 환형의 디스크형 브레이크 로터(36)와 브레이크 시스템(24)의 브레이크 캘리퍼(80)의 계면에서 발생될 수 있는 진동의 전달을 해제하기 위해, 모터 로터 하우징(16)과 디스크형 브레이크 로터(36) 간의 "플로팅"(floating) 인터페이스를 제공한다. 자유 장착부(non-constaining mounts: 82)는 인가된 열적 부하의 주기적인 발생에 의해 생기는, 디스크형 브레이크 로터(36)의 팽창 및 수축을 감당한다. 복수개의 장착부 중의 자유 장착부(82)는 모터 로터 하우징(16)과 브레이크 로터 대응 리세스(86)로부터 안쪽으로 축 방향으로 연장하는 모터 로터 포스트(84)를 각각 포함한다. 브레이크 로터 대응 리세스는 디스크형 브레이크 로터(36)의 주변 외부 에지로부터 안쪽 반경 방향으로 형성되며, 각각의 리세스(86)는 모터 로터 포스트(84)를 각각 수용 및 체결하도록 위치 및 형성된다.
안쪽 챔버(40) 또는 모터(12)의 캐비티는 질소 등의 비활성 가스로 채워질 수 있다. 비활성 가스를 사용함으로써, 가스가 모터 스테이터 부품과 작용하지 않도록 한다. 비활성 가스를 사용하지 않으면, 모터 스테이터 부품의 열화 또는 부식에 의해 손상이 생길 수 있다. 구입이 용이한 질소는 바람직한 비활성 가스이지만, 다른 적절한 가스를 사용해도 된다. 비활성 가스는 캐비티 내에 정압(positive pressure) 환경을 구축하기 위해 주변 공기압보다 큰 값으로 압축될 수 있다. 정압 환경을 유지하게 되면, 오염 물질이 모터 하우징(16) 내에 침투하는 것을 방지할 것이다. 가스 압력 센서(90)는 모터(12) 스테이터 캐비티 내의 가스 압력을 감지함으로써, 모터(12) 스테이터 캐비티의 밀폐 완전성이 모니터링될 수 있도록 하기 위해 모터(12)의 스테이터 캐비티 내의 위치에 배치될 수 있다. 모터(12) 스테이터 캐비티 내의 가스 압력을 모니터링할 수 있는 타입의 센서는 저렴하게 구입할 수 있다. 센서(90)는, 모터(12) 스테이터 캐비티 내의 기체 압력의 감소를 검지하면 이를 차량 조작자에게 통지하도록 위치한, 유지 요건-경고 표시자(maintenance requirement-warning indicator)와 같은 표시자(indicator: 92)에 연결될 수 있다. 이와 달리 또는 이에 추가로, 센서(90)는 모터 챔버(40) 내의 기체 압력의 감소를 검지하면, 보드 상의 차량 진단 시스템(93)에 연결되어 대응하는 표시를 제공할 수 있다. 이에 따라, 각 휠의 모터 챔버(40)의 밀폐 상태는 개별적인 모니터링 및 진단이 가능하다.
도 10 및 도 11에 나타낸 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 스핀들(26)은 휠(14)에 연결될 수 있으며, 기계적 구동 부품(94)에 구동가능하게 연결될 수 있다. 기게적인 구동 부품(94)의 예로는, 차량에 있는 기계적인 구동 트레인(mechanical drive train)의 하프 샤프트(half-shaft)가 있으며, 기게적인 구동 부품(94)은 구동 토크가 기계적인 구동 트레인의 엔진으로부터 로드 휠(14)로 전달될 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 구성에 의하면, 로드 휠(14)에서의 전기 모터(12)와 차량에 있는 내연 기관으로부터 동력(motive power)이 구동 휠(14)로 전달되는 병렬형 하이브리드(paralle hybrid)로서 차량을 조작할 수 있다.
차량을 전기 또는 내연 기관을 통해 선택적으로 조작할 수 있도록 하기 위해, 결합/해제 메커니즘(96)이 구동 트레인, 예컨대 구동 트레인의 트랜스미션 내에 포함될 수 있다. 이에 의해, 구동 휠(14)에 대한 기계적인 구동 트레인의 선택적인 결합 및 해제가 가능하게 된다. 해제되면, 차량은 순수하게 전기적으로 동작하며, 내연 기관 엔진은 차단 또는 접속 해제된다. 이와 달리, 엔진이 배터리와 같은 저장매체를 통해 또는 직접 전기 모터(12)에 전기적 파워를 공급하는 제너레이터를 구동시키도록 전원이 공급될 수도 있다. 이러한 동력은 구동 상태, 토크 요건, 및 기억된 전기적 파워의 이용가능성과 같은 요인에 따라, 동시에 또는 선택적으로 양쪽 소스로부터 구동 휠(14)에 전달가능하게 될 것이다.
이에 의하면, 본 발명에 따라, 차량의 인휠 전기 구동 모터(12) 상에 단순히 장착하는 것으로, 종래의 차량에 하이브리드형의 구동 트레인을 설치할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따라 구성된 인휠 전기 구동 모터(12)의 지지 스핀들(26)은, 종래의 프론트 휠 구동 차량과 유사하며, 이러한 구조체의 고유한 양립성(compatability)을 모두 갖게 된다.
따라서, 본 발명에 따라 구성된 인휠 모터(12)는, 스핀들(26)의 안쪽 부착을 변경하고 기계적 링크(94)를 구동 샤프트에 연결함으로써 간단히 기계적인 트랜스미션에 연결될 수 있다. 이러한 변경은 표준 자동차 사용의 범위에 속할 것이다. 이러한 방식의 확실한 장점은 유연한 병렬의 하이브리드 구조를 구성함으로써 차량을, 내연 기관으로부터의 기계적인 연결을 통해 직접, 또는 이와 동시에, 통상적인 병렬의 하이브리드 구동 트레인에 대해서와 같이 기존의 트랜스미션에 넓은 변경을 가하지 않고도, 전기적 인휠 모터(12)에 의해 구동될 수 있다는 것이다.
표준 차량 옵션으로서 현재 제공되는 다중의 엔진/트랜스미션 조합은, 본 발명에 따라 구성된 인휠 모터(12)를 결합시킴으로써 용이하게 하이브리드화될 수 있으며, 이것은 전기 모터를 생산되는 모든 트랜스미션 타입에 결합시키는 것보다 훨씬 단순한 공학적 작업이 된다. 다른 장점으로는, 본 발명에 따라 구성된 인휠 모터로 훨씬 더 작은 엔진 타입을 구성할 수 있다는 것으로서, 이에 따라 중량 감소, 비용 감축, 및 소정의 거리를 이동하는 데에 필요한 연료의 분량을 크게 감소시킬 수 있다. 이러한 구성의 또 다른 장점은, 배터리나 전자 제어장치 이외의 구동 시스템의 전기 모터와 관련된 부품이 차량 내부의 공간을 차지하지 않는다는 것이다.
로드 휠 추진 장치(10)를 구성하는 프로세스는, 모터 로터 하우징(16)의 축 방향의 외측 벽(outboard wall)이 축 방향으로 더 바깥쪽이 되도록 배치하고, 하우징의 축 방향의 내측 벽(inboard wall)이, 다른 부품을 수용하기에 충분한 내부 용량을 제공하기 위해 필요한 것과 같이 로터 및 스테이터 권선 또는 영구 자석(19, 32)의 반경 두께을 감소시키기 위해 실시 가능하거나 필요한 만큼, 축 방향으로 더 안쪽이 되도록 배치하도록, 축 길이를 최대로 하고 반경 두께를 최소로 하기 위해, 모터 로터(18)를 설계 및 구성하는 단계를 포함한다. 다시 말해서, 로터 권선 또는 모터 로터(18)의 드럼형의 영구 자석(19) 및 모터 스테이터의 스테이터 권선 또는 드럼형의 영구 자석(32)은, 예컨대, 직경과 폭 모두를, 모터 부품에 이용가능한 내부 용적을 최대로 하고, 선택된 구체적인 차량 파라미터에 의해 제한되는 요소 내에서 가능한 가장 높은 시스템 효율을 얻기 위한 것과 같은 소정의 용도를 달성하 기 위해 필요한 정도까지 축 방향으로 연장되도록 구성될 수 있다.
스테이터 권선 지지 프레임(30)이 형성될 수 있고, 스테이터 권선 지지 프레임을 스핀들 허브(28)의 둘레에 몰딩하는 방식으로 허브(28)가 스테이터 권선 지지 프레임(30)에 삽입 몰딩될 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 지지 프레임(30)은 지지 프레임이 허브(28)의 회전 축을 중심으로 정확하게 동심원적으로 형성되도록 허브(28) 주위에 주조될 수 있다. 이러한 과정은 모터의 스테이터 권선(32)을 위한 단단하고 경량의 구조적인 지지와 휠/모터(12) 베어링 부하를 감당하는 데에 필요한 구조적인 요건을 제공하는 복합 성분을 형성한다. 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 모터 로터(18) 내에서의 상대적인 회전을 위해 지지되고, 모터 로터(18)는 허브리스 로드 휠(14) 내에서 동심원적으로 지지된다. 모터 로터(18)가 스핀들(26)의 주위에 주조되는 지점에서, 양 부품의 동심원 향상 정도가 이들 사이의 바람직한 허용도를 더 정확하게 유지할 수 있게 할 것이다. 다른 실시예에서, 스테이터 권선 지지 프레임(30)은 부분 주조 및 스핀 성형과 같은 기술의 조합, 즉 양 제조 기술의 요소를 조합하는 것에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 로드 휠 추진 장치(10)는 기존보다 훨씬 더 짧은 토크 거리(torque path)를 제공하면서 면서 차량 로드 휠(14)의 회전을 교호적으로 가속 및 감속하는 것에 의해, 모터(12) 및/또는 브레이크에 의해 생기는 구동/감속 토크를 전달하는 데에 요구되는 물질의 양을 최소로 함으로써 더 효과적이고 경량인 설계가 가능하다. 전기 모터 로터(18)에 의해 유지되는 브레이크 로터(36)와 전기 모터 로터(18)의 축 방향으로의 안쪽에 디스크형 브레이트 캘리퍼(80) 및 로터(36)를 위치시킴으로써, 브레이크 로터(36)의 직경을 크게 할 수 있어서, 브레이크 로터를 로드 휠(14)로부터 차폐되지 않도록 하여 브레이크 로터의 냉각 성능을 향상시킨다. 모터 로터(18)가 로드 휠(14)을 유지하도록 배치함으로써, 모터 로터(18)를 제거하지 않고도, 로드 휠(14)을 제거할 수 있다. 왜냐하면, 모터 로터(18)가 스핀들(26)에 의해 유지되고, 휠 허브(28)의 회전을 위한 자체적인 기계적 지지를 필요로 하지 않기 때문이다. 이러한 구성에 의하면, 허브리스 로드 휠(14)을 사용할 수 있게 되는데, 모터 로터 하우징(16)이, 휠 허브(28)에 의존하지 않고도, 모터 로터(18)를 스핀들(26)에 대해 지지시키도록 형성될 수 있기 때문이다. 스테이터 권선 지지 프레임(30)을 스캘럽 형태로 형성하면, 스테이터 권선(32)이 연장될 수 있는 축 방향의 거리를 최대로 하기에 충분한 구조적 강도를 제공할 수 있으며, 서스펜션 및 조향 부품을 위한 정적 및 동적 클리어런스를 제공하기 위해 허브 영역에서 충분히 협소화할 수 있다. 모터 챔버(40)는 스테이터 권선(32)과 그외 다른 내부 모터(12)를 둘러싸서 보호하고, 비활성 가스 압축을 통해 불순물을 방지할 수 있다. 허브(28)는 모터 스테이터(20)와 너클(22) 사이에 비회전 경로(non-rotating pathway)를 형성하기 때문에, 전기, 물질, 전기 배선, 전기 배선 도관, 냉매 유체, 냉매 가스, 비활성 가스, 냉매 도관, 비활성 가스 도관 등이 통과될 수 있도록 한다. 로드 휠(14)이 모터 로터(18) 상에 장착되면, 환형의 휠 및 모터(12) 로터의 결합 면의 형태는 로드 휠(14)이 모터 로터(18)에 대하여 동심원을 향해 제거가능하게 밀도록 작용한다. 가상의 휠 센터에 의해, 허브리스 로드 휠(14)은 인휠 모터(12)가 장착되지 않은 차량의 위치에 장착될 수 있다. 서비스 휠 센터(60)에 의 해, 허브리스 로드 휠(14)은 기존의 휠 정비 센터에서 정비를 받을 수 있다. 안쪽의 회전 모터(12) 로터 쉴드(72)는 로터 및 스테이터 권선(32) 사이의 공간에 불순물이 침입하는 것을 방지하도록 밀폐되고, 모터 로터(18)의 안쪽 부분을 추가적으로 지지한다. 스핀들(26)을, 차량에 유지된 기계적 구동 트레인의 기계적 구동 부품에 구동가능하게 연결함으로써, 모터 로터(18)를 통해 기계적 구동 트레인의 엔진으로부터 로드 휠(14)까지 구동 토크가 전달되도록 해서, 병렬의 하이브리드 동작이 가능하다.
이상의 본 발명에 관한 설명은, 청구범위에서 언급한 발명의 실시예를 예시하고 있을 뿐이다. 본 설명은 제한을 위한 것이 아니다. 본 설명으로부터 본 발명의 변형이 가능하다. 설명된 것 이외에도 본 발명을 실시할 수 있다.

Claims (34)

  1. 차량을 지지하는 로드 휠(road wheel)의 회전을 교호적으로 가속 및 감속하기 위한 로드 휠 추진 장치로서,
    차량에 의해 유지되고, 상기 로드 휠에 구동가능하게 연결되어, 상기 로드 휠이 상기 차량에 대해 회전하도록 구동시킴으로써 동력(motive force)을 상기 차량에 제공할 수 있도록 된 전기 구동 모터(electric drive motor)를 포함하고,
    상기 전기 구동 모터는, 차량에 고정되며 반경 방향으로 안쪽에 위치해 있는 모터 스테이터(motor stator)와, 상기 로드 휠 내에 유지되며 반경 방향으로 바깥쪽에 환형 형태로 위치한 모터 로터(motor rotor)를 포함하며, 상기 모터 로터는 상기 모터 스테이터와 상기 모터 로터 사이에서 생기는 전자기력에 의해 상기 모터 스테이터에 대하여 상대적으로 회전하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 로드 휠 추진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터는, 전기를 생성하면서, 상기 모터가 장착된 상기 로드 휠의 회전 속도를 상기 로드 휠이 장착된 차량에 대해 상대적으로 감속시키는 제동력(braking force)을 생성하는, 로드 휠 추진 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터 로터는 허브리스(hubless) 로드 휠을 유지하도록 된, 로드 휠 추진 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모터 스테이터를 유지하며, 차량 부품에 장착하도록 된 허브(hub); 및
    상기 모터 로터를 유지하며, 상기 허브에 대한 상대적인 회전을 위해 상기 허브 내에 수용되어 상기 허브에 의해 지지되는 스핀들(spindle)을 더 포함하는 로드 휠 추진 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모터 로터는 상기 스핀들에 의해 유지되며 허브리스 휠을 유지하도록 된 모터 로터 하우징을 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모터 스테이터는 상기 허브에 의해 유지되며 상기 모터 스테이터의 스테이터 권선(stator windings)을 유지하는 환형의(annular) 모터 스테이터 권선 지지 프레임을 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스테이터 권선 지지 프레임은, 상기 허브의 축 방향 길이(axial length)보다 더 큰 값의 축 방향 폭(axial width)을 갖는 스테이터 권선을 지지하면서 차량 부품에 대한 클리어런스(clearance)를 제공하도록 구성되고, 반경 방향으로 위치한 어레이 형태의 스캘럽(scallop)을 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 어레이 형태의 스캘럽은 스테이터 권선 지지 드럼 내에서 상기 어레이 내의 각각의 스캘럽이 상기 드럼의 반경 방향으로 바깥쪽 단부에 연결되고, 상기 허브의 반경 방향으로 안쪽 단부에 연결되도록 지지되며,
    상기 어레이 형태의 스캘럽은 상기 허브의 축 방향 길이보다 더 큰 값의 축 방향 폭을 갖는 스테이터 권선을 지지하면서 차량 부품에 대한 클리어런스를 제공하기 위한 형태를 갖는, 로드 휠 추진 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 어레이 내의 스캘럽은, 상기 스캘럽의 각각의 바깥쪽 단부가 상기 드럼에 연결되는 위치에서는 상대적으로 축 방향으로 더 연장되고, 상기 스캘럽의 각각의 안쪽 단부가 상기 허브에 연결되는 위치에서는 상대적으로 축 방향으로 덜 연장되도록 형성된, 로드 휠 추진 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 허브는 조향 너클(steering knuckle), 스트러트 너클(strut knuckle), 서스펜션 허브 캐리어(suspension hub carrier), 및 서스펜션 차축(suspension axle)을 포함하는 부품 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 차량 부품에 제거가능하게 장착되는, 로드 휠 추진 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 모터는 상기 스테이터 권선을 적어도 부분적으로 둘러싸는 모터 챔버(motor chamber)를 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 허브는 상기 모터 챔버와 상기 로드 휠 추진 장치를 유지하는 차량 사이의 비회전 경로(non-rotating pathway)를 적어도 부분적으로 형성하며,
    상기 경로는, 전기(electricity), 물질(matter), 전기 배선, 전기 배선 도관, 냉매 유체(coolant fluid), 냉매 가스, 비활성 가스(inert gas), 냉매 도관, 및 비활성 가스 도관을 포함하는 그룹에서 선택된 임의의 하나 이상을 통과시키도록 구성된, 로드 휠 추진 장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 로드 휠 추진 장치는 상기 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되며, 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면(rim surface)을 구비하도록 허브리스(hubless) 로드 휠을 포함하며,
    상기 모터 로터는 상기 모터 로터 하우징으로부터 바깥쪽으로 연장하는 중심의 돌출부 상에 상보형의 환형 돌출면(complementary annular projection surface)을 포함하며, 상기 모터 로터 하우징의 환형의 돌출면은 상기 휠이 상기 모터 로터 하우징에 장착될 때에, 상기 허브리스 로드 휠의 상기 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면을 체결하도록 구성되고, 상기 각각의 환형의 면들은 상기 휠이 상기 모터 로터에 장착되면, 상기 모터 로터에 대하여 상기 휠이 상대적으로 동심원을 향하도록 하는 제거가능한 형태를 갖는, 로드 휠 추진 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 허브리스 로드 휠의 상기 반경 방향으로 안쪽에 환형의 형태를 갖는 림 표면과 상기 모터 로터의 상기 환형의 돌출면은 각각 전체적으로 원뿔대의 형태인, 로드 휠 추진 장치.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되도록 된 허브리드 로드 휠(hubless road wheel); 및
    상기 허브리스 로드 휠에 제거가능하고 동심원적으로 연결될 수 있고, 표준 차량의 휠 장착용 플랜지(flange) 상에 상기 허브리스 로드 휠을 제거가능하게 장착할 수 있도록 된 가상의 휠 센터(virtual wheel center)를 더 포함하는 로드 휠 추진 장치.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 모터 로터 상에 제거가능하게 장착되도록 된 허브리스 로드 휠; 및
    상기 휠에 제거가능하면서 동심원적으로 연결되고, 통상적인 휠 정비 장비 상에 상기 휠을 제거가능하게 장착할 수 있도록 된 정비용 휠 센터(service wheel center)를 더 포함하며,
    상기 정비용 휠 센터는 통상적인 정비 장비의 휠 장착부의 스핀들 상에 수용가능하도록 구성되고 축 방향으로 배치된 휠 파일럿 보어(wheel pilot bore)를 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 정비용 휠 센터는, 상기 정비용 휠 센터를 표준 차량 휠 장착용 플랜지에 장착하도록 구성된 장착용 패스너(mounting fasteners)를 수용할 수 있도록 위치한 장착용 러그 홀(mounting lug holes)을 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  18. 제4항에 있어서,
    상기 로드 휠 추진 장치는 상기 모터 로터에 의해 유지되는 안쪽 회전 쉴드(inner rotating shield)를 더 포함하며,
    상기 안쪽 회전 쉴드는 상기 모터 로터에 의해 유지되고 상기 모터 로터에 대해 밀폐된 반경 방향의 바깥쪽 림(radially outer rim)과, 고정된 차량 부품과 상기 허브 중 하나를 유지 및 밀폐하도록 위치한 상기 쉴드의 반경 방향의 안쪽 림(radially inner rim)에 의해 유지되는 베어링 실(bearing seal)을 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 안쪽 회전 쉴드는 상기 모터 로터의 내측 부분(inboard portion)을 위한 구조적인 지지를 제공하도록 구성된, 로드 휠 추진 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 허브를 통해 연장되어 있고, 상기 모터 챔버와 주변 공기 사이의 유체 연통을 제공하도록 구성된 유체 통로(fluid passageway)를 더 포함하는 로드 휠 추진 장치.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 모터 챔버는 비활성 가스로 채워지는, 로드 휠 추진 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 비활성 가스는 질소(Nitrogen)인, 로드 휠 추진 장치.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 모터 챔버 내의 비활성 가스는 공기압보다 더 큰 값으로 가압되는, 로드 휠 추진 장치.
  24. 제11항에 있어서,
    원격 비활성 가스 저장소; 및
    상기 원격 비활성 가스 저장소와 상기 모터 챔버 사이에서 유체 연통이 가능하도록 된 유체 통로를 더 포함하는 로드 휠 추진 장치.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 모터 챔버 내의 가스 압력을 감지하기 위한 위치에 배치된 가스 압력 센서를 더 포함하는 로드 휠 추진 장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 센서는 상기 모터 챔버 내의 가스 압력의 감소를 검출한 경우에, 차량 조작자에게 그에 대응하는 표시를 제공하도록 된, 로드 휠 추진 장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 센서는 상기 모터 챔버 내의 가스 압력의 감소를 검출한 경우에, 온 보드(on board) 차량 진단 시스템에 그에 대응하는 표시를 제공하도록 된, 로드 휠 추진 장치.
  28. 제6항에 있어서,
    상기 로드 휠 추진 장치는 상기 전기 구동 모터에 인접해서 지지되고 차량에 대해 상대적으로 휠 회전 속도를 감속하도록 작동가능한 디스크형 브레이크 시스템을 더 포함하며,
    상기 디스크형 브레이크 시스템은, 상기 스테이터 권선의 축 방향으로 내측의 위치에 차량에 의해 유지되도록 된 캘리퍼(caliper); 및 상기 전기 구동 모터 및 상기 캘리퍼가 상기 차량에 장착될 때에 상기 캘리퍼에 의해 수용되는 위치에 상기 모터 로터에 의해 동축적으로 유지되는 환형의 디스크형 브레이크 로터를 포함하는, 로드 휠 추진 장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 디스크형 브레이크 로터는, 상기 디스크형 브레이크 로터의 외주 둘레로 원주 방향으로 이격된 복수의 장착부에 의해 상기 모터 로터 상에 지지되며, 상기 디스크형 브레이크 로터 및 상기 모터 로터 사이의 상대적인 회전 이동을 제한하면서 상대적인 반경 이동(radial motion)이 가능하도록 된, 로드 휠 추진 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 장착부는,
    상기 모터 로터로부터 축 방향으로 내측으로 연장된 모터 로터 포스트(motor rotor post); 및
    상기 디스크형 브레이크 로터의 외주의 외부 에지로부터 반경 방향으로 안쪽에 형성된 브레이크 로터 대응 리세스(brake rotor mating recess)를 각각 포함하며,
    상기 리세스는 각각 상기 모터 로터 포스트 중의 하나를 수용하고 느슨하게(loosely) 체결하기 위한 위치 및 형태를 갖는, 로드 휠 추진 장치.
  31. 제4항에 있어서,
    상기 스핀들은, 차량에 의해 유지된 기계적 구동 트레인의 기계적 구동 부품에 구동가능하게 연결되고, 상기 모터 로터를 통해 상기 기계적 구동 트레인의 엔진으로부터 상기 휠까지 구동 토크(driving torque)를 전달하도록 구성된, 로드 휠 추진 장치.
  32. 로드 휠 추진 장치를 조립하기 위한 방법으로서,
    전기 모터 로터(electric motor rotor)를 설치하는 단계;
    차량에 고정되도록 된 전기 모터 스테이터(electric motor stator)를 설치하는 단계;
    상기 모터 로터 내에 상기 모터 스테이터를 지지하는 단계; 및
    상기 모터 로터 상에 허브리스 휠을 지지하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 휠 추진 장치의 조립 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전기 모터 로터를 설치하는 단계는,
    상기 허브리스 휠을 유지하고, 차량 구조체에 장착된 허브 상에서의 회전을 위해 상기 모터 로터를 지지하도록 구성된 모터 로터 하우징을 구비하는 모터 로터를 설치하는 단계; 및
    스핀 성형(spin-formed) 주조(casting) 프로세스를 사용하여 상기 모터 로터 하우징을 제조하는 단계를 포함하는, 로드 휠 추진 장치의 조립 방법.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 전기 모터 스테이터를 설치하는 단계는, 상기 모터 스테이터를 차량 서스펜션에 장착하도록 구성된 허브를 설치하는 단계를 포함하며,
    모터 스테이터 권선 지지 프레임을 설치 및 지지하는 단계는, 스핀 성형 주조 프로세스를 사용하여, 상기 허브를 상기 모터 스테이터 권선 지지 프레임에 삽입 몰딩(insert molding)하는 단계를 포함하는, 로드 휠 추진 장치의 조립 방법.
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