KR20110099767A - 구동 차축 및 이를 구비한 하이브리드 차량 또는 전기 차량 - Google Patents

구동 차축 및 이를 구비한 하이브리드 차량 또는 전기 차량 Download PDF

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KR20110099767A
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마르쿠스 클뢰프치히
하인츠-베르너 노이뮐러
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 내연 기관에, 그리고/또는 엔진 구동식으로 또는 제너레이터 구동식으로 선택적으로 작동될 수 있는 하나 이상의 전기 기계에 결합되거나 결합될 수 있으며 브레이크 장치를 포함하는, 구동 차축에 관한 것이며, 브레이크 장치는 와전류 브레이크(10)를 포함한다.

Description

구동 차축{DRIVEN VEHICLE AXLE}
본 발명은 내연 기관에, 그리고/또는 엔진 구동식으로 또는 제너레이터 구동식으로 선택적으로 작동될 수 있는 하나 이상의 전기 기계에 결합되거나 결합될 수 있으며 브레이크 장치를 포함하는, 구동 차축에 관한 것이다.
이러한 구동 차축은 하이브리드 구동 장치를 구비한 차량에서 또는 완전한 전기 차량에서 사용된다. 하이브리드 차량으로는 하나 이상의 전기 모터와 하나 이상의 추가의 다른 모터에 의해 구동되는 자동차가 지칭된다. 현재, 하이브리드 차량은 내연 기관과 전기 기계를 주로 포함한다.
하이브리드 차량으로도 지칭되는 하이브리드 전기 자동차는 다양하게 구성될 수 있다. 일반적으로, 직렬 하이브리드 구동 장치를 구비한 하이브리드 차량과, 병렬 하이브리드 구동 장치를 구비한 하이브리드 차량과, 동력 분기 장치를 구비한 차량은 구별된다. 직렬 하이브리드 구동 장치의 경우, 내연 기관은 전기 에너지 저장 장치의 충전에 사용되는 전류를 발생시키기 위해서나, 전기 모터를 직접 구동하기 위해 전기 제너레이터를 구동한다. 병렬 하이브리드 구동 장치의 경우, 하이브리드 차량은 내연 기관뿐만 아니라 전기 모터에 의해서도 구동될 수 있으므로, 내연 기관과 전기 모터는 작게 구현될 수 있다. 동력 분기 장치를 구비한 하이브리드 구동 장치는 직렬 하이브리드 구동 장치와 병렬 하이브리드 구동 장치의 특성을 조합한다. 주행중 내연 기관과 제너레이터는 주행 상태에 따라, 오로지 전기 에너지 저장 장치를 충전하고 전기 모터를 구동하거나, 대안적으로 차축을 구동할 수 있다. 다양한 작동 상태들 사이가 클러치에 의해 전환될 수 있다.
하이브리드 구동 장치를 구비한 종래의 자동차에서는, 일반적인 브레이크 장치 즉, 비교적 복잡하면서 공간을 넓게 차지하고 정기적인 정비를 요하는 통상의 유압 브레이크 시스템이 사용된다. 제너레이터에 의한 작동 시 전기 기계가 소정의 제동 작용도 유도할 수 있지만, 이러한 제동 작용은 높은 속도에서는 충분하지 않으므로, 예를 들어 유압 디스크 브레이크로서 구현될 수 있는 일반적인 브레이크 장치가 추가로 제공되어야 한다.
본 발명의 목적은, 더 간단하게 구성됨으로써 비용 면에서 유리하게 구성되는 브레이크 장치를 갖는 구동 차축을 제공하는 것이다.
상기 목적은 서두에 언급한 유형의 구동 차축의 경우 본 발명에 따라 브레이크 장치가 와전류(eddy-current) 브레이크를 포함함으로써 달성된다.
와전류 브레이크의 경우, 자계에서 회전하는 부품의 와전류 손실이 제동에 이용된다. 이로써 본 발명에 따른 구동 차축이 와전류 브레이크에 의해 제동될 수 있으므로, 운동 에너지가 열로 변환된다. 이러한 방식으로, 구동 차축은 별도의 추가 브레이크 장치(예를 들어 유압 디스크 브레이크)가 없어도, 한편으로 제너레이터 작동에서의 전기 기계의 제동 작용에 의해 그리고 추가적으로는 와전류 브레이크에 의해 높은 속도에서도 제동될 수 있다. 이러한 와전류 브레이크는 유압 브레이크 장치보다 비용 면에서 유리하며 단지 적은 공간만을 차지한다.
본 발명에 따른 구동 차축의 경우, 상기 차축은 2개의 전기 기계와 2개의 와전류 브레이크를 포함할 수 있으며, 이때 각각 하나의 전기 기계와 와전류 브레이크는 휠의 구동을 위해 제공된다. 이러한 실시예에서는 차동 장치가 생략될 수 있다.
그러나 대안적으로는, 본 발명에 따른 차축의 경우 상기 차축이 2개의 휠들의 구동을 위해 제공되고 차동 기어를 포함하는 것도 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 차축의 개선예에 따라, 상기 또는 각각의 전기 기계와, 차축에 의해 구동된 휠 사이에 변속기가 배치될 수 있다. 따라서, 전기 기계의 회전수가 증가하고 토크가 감소함으로써 전기 기계의 구성 크기가 축소될 수 있다는 장점이 제공된다. 변속기는 최적의 작동 영역에서 전기 기계가 작동될 수 있도록 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 차축의 경우 전기 기계와 와전류 브레이크 사이에 변속기가 배치될 수도 있다. 이러한 변속기에 의해 와전류 브레이크의 제동 작용이 최적화되고 확대될 수 있는데, 그 이유는 상기 제동 작용이 자계의 주파수에 따르며 회전수 및 극쌍의 수에 의해 결정되기 때문이다.
바람직하게, 본 발명에 따른 구동 차축에서 하나 이상의 와전류 브레이크는 클러치를 이용하여 스위치온되거나 스위치오프될 수 있다. 하이브리드 전기 자동차의 다양한 작동 상태들 사이는 클러치를 이용하여 전환될 수 있으며, 특히 이는 동력 분기 장치를 구비한 하이브리드 차량에서 중요하다.
본 발명에 따른 구동 차축의 경우, 제어 장치를 이용하여 와전류 브레이크의 제동 작용을 조절할 수 있는 한, 제동 작용은 더욱 개선된다. 상기의 방식으로 와전류 브레이크는, 차량 탑승자가 편안하게 느끼는 거의 일정한 감속이 휠의 특정 회전수 범위에 걸쳐서 구현될 수 있도록 구동될 수 있다. 제동 작용은 최대 제동 작용을 제한하는 휠의 정지 마찰을 초과하지 않도록 조절된다.
본 발명에 따른 차축의 경우 와전류 브레이크의 조절을 위해, 와전류 브레이크는 고정 섹션과 이에 대한 가동 섹션을 포함할 수 있으며, 이때 가동 섹션의 변위에 의해 제동 작용이 조정될 수 있다. 이로써 와전류 브레이크의 제동 작용은 작동 상태에 따라 연속적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 차축의 브레이크 장치는 주차 브레이크를 포함할 수 있다. 주차 브레이크는 필수적인데, 이는 차량이 정지한 경우에는 와전류 브레이크가 어떠한 작용도 하지 않기 때문이다.
또한, 본 발명은 하이브리드 차량 또는 전기 차량에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 차량 또는 전기 차량은 설명한 유형의 하나 이상의 차축을 포함한다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량 또는 전기 차량의 개선예에 따르면, 상기 차량은 하나 이상의 전기 기계 및/또는 하나 이상의 와전류 브레이크에 의해 방출된 열을 흡수하기 위해 형성된 가열 장치를 포함할 수 있다. 제동 과정 시 발생하는 마찰열은 하이브리드 차량 또는 전기 차량의 실내 공기 조절(air conditioning)을 위해 사용될 수 있으므로, 공기 조절 목적으로 전기 전류에 의해 열이 발생하는 것은 생략될 수 있다.
이와 관련하여 특히 바람직하게, 본 발명에 따른 하이브리드 차량 또는 전기 차량의 가열 장치는 축열 장치를 포함한다. 제동 과정 시 발생하는 열은 상기 축열 장치에 흡수되고 축적될 수 있으므로, 상기 열은 필요한 경우 실내 공기 조절을 위해 다시 방출될 수 있다.
본 발명의 추가의 장점들과 세부 사항은 도면을 참조로 실시예에 기초해서 설명하기로 한다.
도 1은 하이브리드 차량에 사용될 수 있는, 본 발명에 따른 차축의 실질적인 부품들을 도시하는 개략도이다.
차축(1)은 전기 기계(3)에 의해 구동될 수 있는 각각의 차량 휠(2)을 단부에 포함하며 대칭으로 구성된다. 전기 기계(3)의 구동 및 조절을 위해서는, 한편으로 전기 기계(3)에 연결되고 다른 한편으로 전기 연결부(5)에 연결되는 제어 장치(컨트롤러)(4)가 제공된다. 전기 기계(3)는 개략적으로 도시된 축열 장치(7)에 열 교환기에 의해 연결되는 냉각 연결부(6)를 포함하므로, 전기 기계(3)는 냉각되며 축열 장치(7)는 가열될 수 있다. 축열 장치(7)는 하이브리드 차량의 실내 공기 조절을 위해 사용될 수 있다.
차량 휠(2)과 전기 기계(3) 사이에는, 전기 기계(3)의 회전수를 증가시키고 토크를 감소시키는 변속기(8)가 배치된다. 변속기(8)는 전기 기계(3)가 최적의 회전수 범위에서 작동되도록 설계된다.
전기 기계(3)의 대향 측면에는, 전기 기계(3)를 와전류 브레이크(10)에 연결하는 변속기(9)가 배치된다. 와전류 브레이크(10)는 회전 가능한 가동 섹션(11)과, 액추에이터(13)에 의해 이동할 수 있는 고정 섹션(12)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 액추에이터(13)는 고정 섹션(12)의 선형 변위를 야기하는 전기 기어 모터로서 형성된다. 도시된 실시예에서, 고정 섹션(12)은 축(1)에 대해 축방향으로 이동할 수 있다. 그러나, 와전류 브레이크(10)의 제동 작용을 조절하기 위해 액추에이터(13)가 고정 섹션(12)을 반경 방향으로 변위시킬 수 있는 다른 실시예들도 가능하다. 별도의 액추에이터에 의해 각각 이동 가능하거나 기계적으로 변위들이 결합되는 복수의 고정 섹션들(12)이 제공될 수도 있다. 액추에이터(13)는 전기 연결부(14)에 의해, 상기 도면에 도시되지 않은 제어 장치에 연결된다.
도면에 도시된 바와 같이, 대향 배치되는 차량 휠은 전기 기계 및 와전류 브레이크에 마찬가지로 결합되며, 차축은 대칭으로 구성된다.
하이브리드 차량의 운전자가 제동 과정을 개시하면, 한편으로 전기 기계(3)가 제동 작용을 하는 동시에, 와전류 브레이크(10)의 회전 가능한 섹션(11)과 고정 섹션(12) 사이의 거리는 액추에이터(13)에 의해 좁아질 수 있으므로, 와전류 브레이크(10)는 추가 브레이크로서 작용한다. 이로써, 일반적인 유압 디스크 브레이크를 대체할 수 있는 통합된 전자기 브레이크 장치가 제공된다. 이와 같이 변속기(8, 9)가 설계됨으로써, 전기 기계(3) 및 와전류 브레이크(10)의 구성 크기가 최적화될 수 있다. 주행 작동 중, 와전류 브레이크(10)의 제동 작용은 상기 와전류 브레이크의 조절에 의해 각각의 작동 상태에 맞게 정확히 매칭될 수 있다. 회생(recuperative) 제동 시, 와전류 브레이크(10)는 비활성화될 수 있으므로, 전기 기계(3)는 제너레이터로서 작동하며 운동 에너지는 배터리 내에 저장될 수 있는 전기 에너지로 변환된다. 그러나, 예를 들어 운전자에 의해 개시된 비상 제동과 같이 더 심한 제동 작용이 요구되면, 액추에이터(13)의 액추에이팅 과정에 의해 와전류 브레이크(10)가 추가로 활성화되므로, 와전류 브레이크(10)가 추가로 작용해서 최대 제동 작용을 보장한다.
그러나, 와전류 브레이크(10)의 제동 과정 시 전기 기계(3)에 의해서도 발생되는 폐열이 축열 장치(7) 내에 축적되어 하이브리드 차량의 공기 조절에 사용될 수 있으므로, 공기 조절을 위해 전기 에너지가 사용되지 않아도 된다.

Claims (12)

  1. 내연 기관에, 그리고/또는 엔진 구동식으로 또는 제너레이터 구동식으로 선택적으로 작동될 수 있는 하나 이상의 전기 기계에 결합되거나 결합될 수 있으며 브레이크 장치를 포함하는, 구동 차축에 있어서,
    상기 브레이크 장치는 와전류 브레이크(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차축은 2개의 전기 기계(3)와 2개의 와전류 브레이크(10)를 포함하며, 이때 각각 하나의 전기 기계(3)와 와전류 브레이크(10)는 휠(2)의 구동을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차축은 2개의 휠들(2)의 구동을 위해 제공되고 차동 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 전기 기계(3)와, 차축(1)에 의해 구동된 휠(2) 사이에 변속기(8)가 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 기계(3)와 와전류 브레이크(10) 사이에 변속기(9)가 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 와전류 브레이크는 클러치를 이용하여 스위치온되거나 스위치오프될 수 있는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 와전류 브레이크(10)의 제동 작용은 제어 장치(4)에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 와전류 브레이크(10)는 고정 섹션(12)과 이에 대한 가동 섹션(11)을 포함하며, 이때 가동 섹션(11)의 변위에 의해 제동 작용이 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 브레이크 장치는 주차 브레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 차축.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 차축을 포함하는 하이브리드 차량 또는 전기 차량.
  11. 제10항에 있어서, 상기 차량은 하나 이상의 전기 기계 및/또는 하나 이상의 와전류 브레이크에 의해 방출된 열을 흡수하기 위해 형성된 가열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 또는 전기 차량.
  12. 제11항에 있어서, 가열 장치는 축열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 또는 전기 차량.
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