KR20130095001A

KR20130095001A - 회생제동형 구동휠

Info

Publication number: KR20130095001A
Application number: KR1020120016348A
Authority: KR
Inventors: 이승환
Original assignee: 이승환
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-27
Also published as: KR101302046B1

Abstract

본 발명은 전기자동차에 장착되어 사용되는 구동휠에 관한 것으로서, 전원공급을 받으면 회전축(110)이 회전하고, 전원공급이 차단된 상태에서 관성력에 의하여 회전축(110)이 회전되면 회전 방향에 역행하는 방향의 토크 및 기전력이 발생되는 발전기겸용모터(100); 상기 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)에 맞물려 무단으로 변속이 이루어지는 무단변속기(200); 상기 무단변속기(200)의 출력축(210)에 연결되어 회전하는 휠(300);를 포함하여 구성되어 상기 휠(300)마다 독립적인 구동과 제동이 이루어지며, 제동 초기 충격을 방지하고 제동 후반부에도 일정 수준의 제동력이 유지될 수 있으며, 모듈화된 제품으로 생산하여 다양한 종류의 차체에 적용이 가능하다.

Description

회생제동형 구동휠{Regenerating Brake Type Drive Wheel}

본 발명은 각각의 휠마다 독자적인 모터와 변속기가 포함된 모듈화된 장치로서, 별도의 브레이크 시스템이 구비되지 않더라도 모터의 발전 과정에서 발생되는 토크를 제동력으로 사용하여 독립적인 구동과 제동이 가능한 것을 특징으로 한다.

환경문제에 대한 관심이 높아지면서 자동차 기술은 오염물질을 줄이는데 주력하고 있고, 친환경 자동차의 지향형으로 전기자동차의 개발이 진행되고 있다.

그러나 전기자동차의 가장 큰 약점은 축전지의 에너지 밀도가 내연기관 자동차의 연료에 비해 크게 낮음으로 인하여 전기자동차의 일충전 주행거리가 내연기관 자동차보다 짧다는 것이다. 이를 극복하기 위하여 운전효율의 증대에 관한 다양한 연구들이 진행되고 있으며 그 중 한 방법으로 회생제동 개념을 들 수 있다. 회생제동이란 제동 시 자동차의 운동에너지를 브레이크에서 마찰에너지로 소모하는 기계적 제동 방법과는 달리 구동모터를 발전기로 운전하여 그 운동에너지를 다시 전기에너지로 변환시켜 축전지에 충전시키는 방법을 말한다.

회생제동의 가장 큰 장점은 효율이 증대된다는 점이다. 회생 에너지량은 회생제동의 빈도에 따라 달라질 수 있으나, 제동 시 운동에너지를 마찰에너지로 소모시키는 기계적 제동과 비교 시 에너지 효율이 월등히 높을 것으로 예측된다. 또한, 주행저항을 감소시킬 수 있다.

기계적 제동력만을 채택한 경우에는 그 응답성을 높이기 위하여 대부분의 경우 브레이크 패드를 디스크에 밀착시키는데 이로 인하여 발생하는 마찰저항(brake drag)은 전체 주행저항의 12~25%에 달한다. 기계적 제동에 회생제동 방식을 함께 이용하면 패드를 디스크에 밀착시키지 않더라도 빠른 응답성을 유지할 수 있기 때문에 마찰저항 제거를 통하여 주행부하를 줄일 수 있다.

그러나 회생제동 방식을 구현하기 위해서는 다음과 같은 문제가 있다. 자동차의 속도가 줄어들수록 모터의 회전속도가 낮아져 필요한 크기의 제동력을 얻지 못하게 된다. 또한 회생제동의 제동력 크기는 모터의 회전속도와 비례하기 때문에 제동 초기에 제동력이 크게 작용하여 운전자에게 충격을 느끼게 한다.

아울러 종래의 전기자동차는 각각의 휠마다 독자적인 구동장치와 제동장치가 구비되는 것이 아니라 차체 내부에 가솔린엔진 및/또는 모터를 설치하고 동력전달장치(변속기, 클러치, 구동축 등을 포함)를 통하여 각 휠로 구동력을 전달하는 방식을 채택하고 있는 바 차량 구조가 복잡해지고 차량의 용도에 따른 자유로운 설계변경이 어렵다는 문제점도 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 자체적으로 독자적인 구동과 제동이 이루어지도록 모듈화된 구동휠을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.

둘째, 제동시 관성력에 의한 차량(자동차)의 진행 속도에 따라 발전기겸용모터의 회전 속도가 자동적으로 조절되어 초기 제동시 충격을 완화할 수 있는 새로운 개념의 구동휠을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

셋째, 제동시 발전기겸용모터에서 발생되는 역방향 토크에 의하여 차량의 진행 속도가 감소되더라도 발전기겸용모터의 회전 속도의 급격한 감소를 방지하여 제동력이 일정 수준 이상 유지되는 새로운 개념의 구동휠을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

넷째, 다양한 형태의 차체에 적용이 가능하고 차체 내부 공간을 적극적으로 활용할 수 있는 새로운 개념의 모듈화된 구동휠을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명은 전기자동차에 장착되어 사용되는 구동휠에 관한 것으로서, 전원공급을 받으면 회전축(110)이 회전하고, 전원공급이 차단된 상태에서 관성력에 의하여 회전축(110)이 회전되면 회전 방향에 역행하는 방향의 토크 및 기전력이 발생되는 발전기겸용모터(100); 상기 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)에 맞물려 무단으로 변속이 이루어지는 무단변속기(200); 상기 무단변속기(200)의 출력축(210)에 연결되어 회전하는 휠(300); 를 포함하여 구성되어 상기 휠(300)마다 독립적인 구동과 제동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.

첫째, 자체적으로 독자적인 구동과 제동이 이루어지도록 모듈화된 구동휠을 제공한다.

다시 말하면, 각 휠(300)마다 개별적인 무단변속기(200)와 발전기겸용모터(100)가 포함된 모듈화된 구동휠을 제공함으로써 전원을 공급할 경우 독자적인 구동이 가능하고, 전원 공급이 차단되면 관성력으로 주행하는 차량에 의하여 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 회전하면서 역방향 토크가 발생하게 되는데 이러한 역방향 토크를 제동력으로 활용하게 된다. 따라서 별도의 제동장치(예를 들어 디스크 로터나 디스크 패드, 및 이를 작동시키는 기계장치)를 구비하지 않더라도 제동이 가능하다.

둘째, 제동시 관성력에 의한 차량(자동차)의 진행 속도에 따라 발전기겸용모터의 회전 속도가 자동적으로 조절되어 초기 제동시 충격을 완화할 수 있다.

다시 말하면, 제동신호가 수신되면 발전기겸용모터(100)로 공급되던 전원이 차단되어 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 멈추게 되나 주행하던 차량은 관성력으로 주행을 계속하게 되고, 휠(300)과 무단변속기(200)를 통하여 맞물려 있는 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)은 비자발적으로 회전을 계속하게 되는데, 이러한 회전에 의하여 기전력이 발생함은 물론 비자발적인 회전에 역행하는 방향으로 토크가 발생하게 된다. 이러한 역방향 토크는 차량의 제동력으로 작용하여 차량이 멈추게 되는 것이다. 이러한 제동력(역방향 토크)의 크기는 발전기겸용모터(100)의 회전각속도에 비례하게 되는데, 고속 주행과 저속 주행 시 [휠(300)의 회전각속도/발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도] 비율을 비교하면 무단변속기(200)의 작동으로 고속 주행을 하는 경우 그 값이 더 크게 된다. 즉 고속 영역으로 갈수록 휠(300)의 회전각속도가 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도에 비하여 커지고, 저속 영역으로 갈수록 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도가 휠(300)의 회전각속도에 비하여 커지게 된다. 따라서 제동 초기(고속 영역) 발전기겸용모터(100)의 역방향 토크에 의한 제동 충격을 완화할 수 있다.

셋째, 제동시 발전기겸용모터에서 발생되는 역방향 토크에 의하여 차량의 진행 속도가 감소되더라도 발전기겸용모터의 회전 속도의 급격한 감소를 방지하여 제동력이 일정 수준 이상 유지될 수 있다.

다시 말하면, 이미 살펴본 바와 같이 무단변속기(200)의 작동으로 저속 영역으로 갈수록 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도가 휠(300)의 회전각속도에 비하여 커지게 된다. 따라서 제동에 의하여 차량의 속도가 점점 줄면서 휠(300)의 회전각속도가 감소하더라도 무단변속기(200)의 작동으로 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도가 급격히 감소하는 것을 방지하여 제동력을 일정 수준 이상 유지할 수 있다.

넷째, 다양한 형태의 차체에 적용이 가능하고 차체 내부 공간을 적극적으로 활용할 수 있다.

다시 말하면, 차체 내부에 별도의 동력전달장치나 제동장치를 장착할 필요가 없으므로 다양한 형태의 차체에 본 발명을 적용할 수 있으며, 차체 내부 공간을 화물적재 공간이나 탑승 공간으로 적극적으로 활용할 수 있다.

도1은 본 발명의 구체적 실시예를 도시하는 사시도이다.
도2는 본 발명의 구체적 실시예의 단면구조를 도시하는데, 무단변속기(200)의 내부 구조는 도시를 생략하였다.
도3은 도2의 단면 A-A를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 전기자동차에 장착되어 사용되는 구동휠에 관한 것이다.

발전기겸용모터(100)는 전원공급을 받으면 일반적인 모터와 마찬가지로 회전축(110)이 회전하여 휠(300)에 구동력을 전달하게 된다.

일반적인 모터들과 마찬가지로 본 발명의 발전기겸용모터(100)는 전동기 기능과 함께 발전기 기능을 겸비하게 되는데, 외부에서 전원이 공급되지 않는 상태에서 회전축(110)을 돌려주면 기전력이 발생하게 된다. 또한 회전축(110)의 회전 방향에 역행하는 방향의 토크가 발생하게 되는데 이러한 역방향 토크는 휠(300)의 제동력으로 활용하게 된다.

즉 가속페달의 가속 신호에 따라 발전기겸용모터(100)에 전원이 인가되면 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 회전하여 휠(300)에 구동력을 전달하게 되고, 이에 따라 차량의 주행이 이루어지는데, 브레이크 페달을 밟게 되면 제동 신호에 따라 발전기겸용모터(100)로 공급되던 전원이 차단되어 회전축(110)의 회전이 멈추어야 하나 주행하던 차량이 관성력으로 계속 주행함에 따라 전원이 인가되지 않은 상태에서 회전하는 휠(300)에 의하여 발전기겸용모터(100)가 회전하며서 발전이 이루어진다. 또한 이러한 발전 과정에서 회전축(110)의 회전 방향에 역행하는 방향으로 발생되는 토크는 휠(300)의 회전을 방해하는 제동력으로 작용하게 된다.

본 발명에 사용되는 발전기겸용모터(100)의 구체적인 종류나 규격 등은 특정 범위로 한정되지 않으며 본 발명이 적용될 차체의 크기나 사용 목적 등을 고려하여 적정 규격의 제품을 선택하면 된다.

무단변속기(200)는 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)에 맞물려 무단으로 변속이 이루어진다.

무단변속기란 일반적으로 CVT(Continuously Variable Transmission)라고 불리우는데, 크게 벨트 풀리 방식과 트랙션 구동 방식으로 구분될 수 있다.

벨트 풀리 방식은 현재 가장 광범위 하게 실용화가 되어있고 실제 양산차종에 적용이 되고 있는 방식으로써 구동 풀리와 종동 풀리로 구성되어 있고 벨트에 의해 동력이 전달되는 방식이다. 트랙션 구동 방식은 “탄성유막을 통하여 금속의 전동체를 이용한 동력전달”이라는 의미를 가진다. 금속 롤러와 레이스를 사용하는 방식으로 원환면상에 홈을 만든 2장의 회전원판을 대향시켜 중간에 배치한 수개의 롤러를 상호 접촉시켜 마찰력에 의해 힘을 전달하는 기구이며, 상호간의 회전 유효 반경을 변화시킴으로써 무단 변속의 효과를 얻는다. 마찰면 사이에 윤활유를 넣어 금속 접촉이 아닌 EHL(Elasto Hydro dynamic Lubrication)의 효과를 발생시켜 얇은 유막의 전달력에 의해 토크를 전달한다. 해당 방식은 효율 개선이 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다. 기존의 트랙션 구동방식은 Full Toroidal 과 Half Toroidal로 구분된다.

이러한 2가지 방식과는 달리 최근에는 구동로터로 입력되는 토크가 카운터로터를 거쳐 종동로터로 전달되는 내구면 무단변속기 무단변속기(ISCVT: Inner Spherrical Continuously Variable Transmission)가 개발되고 있으며, 토크 전달에 효과적인 무단변속 기술로서 동력원의 회전운동을 왕복운동으로 변환하여 왕복운동의 각도변화에 따라 회전동력을 출력하는 원리로 작동되는 자동무단변속기(EST: Environment & Energy-efficiency, Spontaneous Stepless Transmission)가 사용되기도 한다.

본 발명에 적용되는 무단변속기(200)의 종류나 규격 등은 특정 범위로 한정되지 않으며 본 발명이 적용될 차체의 크기나 사용 목적, 휠의 규격, 발전기겸용모터(100)의 종류나 규격 등을 고려하여 적정 규격의 제품을 선택하면 된다.

휠(300)은 무단변속기(200)의 출력축(210)에 연결되어 회전한다. 휠(300) 구체적인 형상이나 규격 등도 특정 범위로 한정되지 않으며 차체의 크기나 사용 목적, 발전기겸용모터(100)의 종류나 규격, 무단변속기(200)의 종류나 규격 등을 고려하여 적정 규격의 제품을 선택하면 된다.

이와 같이 각각의 휠(300)마다 개별적인 발전기겸용모터(100)와 무단변속기(200)가 결합되어 하나의 독립된 모듈을 이루게 되면 각 휠(300)마다 독립적인 구동과 제동이 이루어지게 된다. 아울러 다양한 형태와 종류 차체 구동휠을 자유롭게 선택하여 장착할 수 있으며 차체 내부에 별도의 동력전달장치를 설치할 필요가 없어 차체 내부 공간을 적극 활용할 수 있다.

도2를 보면 본 발명의 구체적 실시예의 단면 구조가 좀 더 구체적으로 도시되어 있는데, 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)은 무단변속기(200)의 중심부를 관통하여 무단변속기(200)의 출력축(210) 외부로 돌출된다. 즉 무단변속기(200)와 맞물려 회전력을 전달하는 회전축(110)의 끝단부가 무단변속기(200)의 중심부를 관통하여 외부로 돌출된 형태가 되는 것이다.

이러한 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)은 무단변속기(200)의 출력축(210)과는 맞물리지 않으며 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)의 중심부를 통과하여 외부로 돌출되며, 무단변속기(200)의 출력축(210) 외부로 돌출된 발전기겸용모터(100)의 회전축(110) 끝단부에는 썬기어(120)가 결합되어 회전축(110)과 함께 회전한다.

한편 변속이 이루어진 무단변속기(200)의 출력축(210)에는 캐리어(220)가 결합되어 출력축(210)과 함께 회전하는데, 캐리어(220)의 구체적 형상은 특별히 한정되지 않으며, 출력축(210)에 결합되어 함께 회전하며 다수 개의 유성기어(230)를 장착할 수 있는 공간을 제공할 수 있는 형태라면 어떤 형태라도 무방하다.

이러한 캐리어(220)에는 3개의 유성기어(230)가 120도 간격으로 배열되도록 설치되고 이러한 유성기어(230)의 중심에는 발전기겸용모터(100)의 회전축(110) 끝단부에 결합되는 썬기어(120)가 위치하여 유성기어(230)와 맞물리게 된다.

따라서 유성기어(230)는 무단변속기(200)의 출력축(210)에 결합되어 함께 회전하는 캐리어(220)에 의하여 무단변속기(200)의 출력축(210)을 중심으로 그 주위를 전체적으로 회전(공전)함과 동시에 발전기겸용모터(100)의 회전축(110) 끝단부에 결합된 썬기어(120)와 맞물려 자체적으로 회전(자전)을 하게 된다.

링기어(310)는 전체적으로 원형의 링 형상을 하고 있으며 내측면에는 유성기어(230)와 맞물리는 기어가 구비되어 있다. 이러한 링기어(310)는 휠(300)에 결합되어 휠(300)과 함께 회전한다(도3 참조).

링기어(310)는 유성기어(230)와 맞물려 유성기어(230)를 통하여 발전기겸용모터(100)의 회전력을 전달받아 회전하게 되고, 링기어(310)가 회전함에 따라 휠(300)이 회전하면서 차량의 주행이 이루어지게 된다.

이 경우 유성기어(230)는 태양의 주위를 맴도는 지구와 같이 자전과 공전을 함께 하면서 링기어(310)에 회전력을 전달하게 되어 보다 큰 토크를 휠(300)로 전달할 수 있다.

이와 같이 모듈화된 구동휠에는 밧데리(400)와 제어부(500)도 함께 일체형으로 모듈화될 수 있는데. 밧데리(400)는 발전기겸용모터(100)와 연결되어 발전기겸용모터(100)의 작동에 필요한 동력을 공급한다. 아울러 제동 과정에서는 역으로 발전기겸용모터(100)에서 발생된 기전력을 공급받아 충전이 이루어지게 된다.

제어부(500)는 가속신호와 제동신호를 수신하여 발전기겸용모터(100)의 작동을 제어하는 역할을 한다. 즉 가속신호가 수신되면 그에 따라 발전기겸용모터(100)로 밧데리(400)의 전원을 공급하여 차량의 주행이 이루어지도록 하고, 제동신호가 수신되면 발전기겸용모터(100)로 공급되는 밧데리(400)의 전원을 차단하고, 휠(300)와 연결된 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 관성력에 의하여 회전하면서 발생되는 기전력을 밧데리(400)로 공급하여 밧데리(400)를 충전시킨다.

물론 이러한 제어부(500)와 밧데리(400)는 각각의 휠(300)과 일체형 모듈로 구성할 수도 있고, 차량 한대에 하나의 제어부(500)와 밧데리(400)만 구비되어 차량에 구비된 모든 모든 구동휠을 함께 제어하는 방식이 될 수도 있다.

제동신호가 수신되면 발전기겸용모터(100)로 공급되던 전원이 차단되어 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 멈추게 되나 주행하던 차량은 관성력으로 주행을 계속하게 된다. 따라서 휠(300)과 무단변속기(200)를 통하여 맞물려 있는 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)은 비자발적으로 회전을 계속하게 되는데, 이러한 회전에 의하여 기전력이 발생함은 물론 비자발적인 회전에 역행하는 방향으로 토크가 발생하게 된다. 이러한 역방향 토크는 차량의 제동력으로 작용하여 차량이 멈추게 되는 것이다.

이러한 제동력(역방향 토크)의 크기는 발전기겸용모터(100)의 회전각속도에 비례하게 되는데, 고속 주행과 저속 주행 시 [휠(300)의 회전각속도/발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도] 비율을 비교하면 무단변속기(200)의 작동으로 고속 주행을 하는 경우 그 값이 더 크게 된다. 즉 고속 영역으로 갈수록 휠(300)의 회전각속도가 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도에 비하여 커지고, 저속 영역으로 갈수록 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도가 휠(300)의 회전각속도에 비하여 커지게 된다. 따라서 제동 초기(고속 영역) 발전기겸용모터(100)의 역방향 토크에 의한 제동 충격을 완화할 수 있고, 제동에 의하여 차량의 속도가 점점 줄면서 휠(300)의 회전각속도가 감소하더라도 무단변속기(200)의 작동으로 발전기겸용모터(100) 회전축(110)의 회전각속도가 급격히 감소하는 것을 방지하여 제동력을 일정 수준 이상 유지할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

100:발전기겸용모터
110:회전축
120:썬기어
200:무단변속기
210:출력축
220:캐리어
230:유성기어
300:휠
310:링기어
400:밧데리
500:제어부

Claims

전기자동차에 장착되어 사용되는 구동휠에 관한 것으로서,
전원공급을 받으면 회전축(110)이 회전하고, 전원공급이 차단된 상태에서 관성력에 의하여 회전축(110)이 회전되면 회전 방향에 역행하는 방향의 토크 및 기전력이 발생되는 발전기겸용모터(100);
상기 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)에 맞물려 무단으로 변속이 이루어지는 무단변속기(200);
상기 무단변속기(200)의 출력축(210)에 연결되어 회전하는 휠(300);
를 포함하여 구성되어 상기 휠(300)마다 독립적인 구동과 제동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 회생제동형 구동휠.
제1항에서,
상기 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)은 상기 무단변속기(200)의 중심부를 관통하여 상기 무단변속기(200)의 출력축(210) 외부로 돌출되고,
상기 무단변속기(200)의 출력축(210) 외부로 돌출된 상기 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)에 결합되어 회전축(110)과 함께 회전하는 썬기어(120);
상기 무단변속기(200)의 출력축(210)에 결합되어 출력축(210)과 함께 회전하는 캐리어(220);
상기 캐리어(220)에 장착되는 다수 개의 유성기어(230); 및,
상기 휠(300)에 결합되며 상기 유성기어(230)와 맞물려 회전하는 링기어(310);
가 더 포함되고, 상기 썬기어(120)는 상기 유성기어(230)들 사이의 중심에 위치하여 상기 유성기어(230)들과 맞물리는 것을 특징으로 하는 회생제동형 구동휠.
제1항 또는 제2항에서,
상기 발전기겸용모터(100)와 연결되는 밧데리(400); 및,
가속신호와 제동신호를 수신하여 상기 발전기겸용모터(100)의 작동을 제어하는 제어부(500);
가 더 포함되고,
상기 제어부(500)는,
가속신호가 수신되면 상기 밧데리(400)의 전원을 상기 발전기겸용모터(100)로 공급하여 상기 휠(300)를 회전시키고,
제동신호가 수신되면 상기 발전기겸용모터(100)로 공급되는 상기 밧데리(400)의 전원을 차단하고, 상기 휠(300)와 연결된 발전기겸용모터(100)의 회전축(110)이 관성력에 의하여 회전하면서 발생되는 기전력을 상기 밧데리(400)로 공급하여 상기 밧데리(400)를 충전시키는 것을 특징으로 하는 회생제동형 구동휠.