KR20170129812A - 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터 - Google Patents

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Abstract

특허문헌 2에 나타낸 무단 변속 장치는 적어도 2개의 회전 발전기/모터를 필요로 하고, 또한, 그 회전 발전기/모터의 외부에 무단 변속 장치가 있으므로, 중앙축 방향의 두께를 얇게 하는 것이 곤란하고, 컴팩트하게 되지 않았다. 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 어느 하나를 수반하여 시계 방향으로 회전하는 회전자와, 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 어느 하나를 수반하여 반 시계 방향으로 회전하는 회전자와, 계자 자석을 환상으로 배설한 고정자의 직경 방향 내측
에 의해 둘러싸인 부분에 공간을 구성한다. 구성한 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴 또는 톱니바퀴를 삽입하면, 마찰바퀴는 구동력 전달반에 당접함으로써 우력을 받아 회전하고, 톱니바퀴는 구동력 전달 톱니바퀴에 당접함으로써 우력을 받아 회전하여, 마찰바퀴나 톱니바퀴를 관통하고 있는 구동축으로 출력할 수 있으므로 변속 장치를 포함하는 전체를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

Description

변속 장치 내장의 회전 발전기/모터
영구 자석이나 전자석에 의한 계자 자석을 환상으로 배설하여 이룬 고정자에 대하여, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 한쪽에 구동력 전달반(drive disk) 또는 구동력 전달 톱니바퀴(drive gear) 중 적어도 어느 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖고, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 다른 쪽에 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 적어도 어느 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 반 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖는 회전 발전기/모터에 있어서, 시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 고정자의 직경 방향 내측에 의해 둘러싸인 부분에 공간을 구성하고, 구성한 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴나 톱니바퀴를 삽입하면, 마찰바퀴는 구동력 전달반에 당접함으로써 우력(偶力)을 받아 회전하고, 톱니바퀴는 구동력 전달 톱니바퀴에 당접함으로써 우력을 받아 회전하여, 마찰바퀴나 톱니바퀴를 관통하고 있는 구동축으로 출력할 수 있는 구조를 갖는 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터에 관한 것이다.
특허문헌 6에는 서로 역회전하는 디스크가 대면하는 공간에 마찰바퀴를 삽입하여 무단 변속 장치로 하는 구조가 개시되어 있다. 이 경우에는, 서로 역회전하는 디스크를 구동하는 원동기에 대해서는 기재가 없고, 디스크판과 원동기의 관계에 대해서는 불명하다.
특허문헌 2에는 서로 역회전하는 복수의 대구경 박형의 회전 발전기/모터를 중앙축으로 연접하여 전기 자동차의 구동용 모터로서 사용하는 경우에, 상측의 구동용 모터의 회전자의 측판으로서의 마찰판과 하측의 구동용 모터의 회전자의 측판으로서의 마찰판에 의해 끼인 공간에 상하의 마찰판에 당접하도록 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴를 삽입함으로써, 마찰바퀴를 회전시켜 구동축에 토크를 출력하는 무단 변속 장치가 개시되어 있다. 여기에서는, 마찰바퀴가 삽입되는 공간을 구성하는 마찰판을 상측의 모터의 회전자 또는 하측의 모터의 회전자라고 기술하고 있어, 독립한 각각의 회전 발전기/모터가 존재하는 것을 나타내고 있다. 따라서, 이 무단 변속 장치는 독립한 적어도 2개의 회전 발전기/모터와 그 양 회전 발전기/모터의 중앙축 방향 사이의 공간을 차지하는 무단 변속 장치의 적어도 3개의 구조물로 중앙축 방향을 구성하는 장치로서, 예를 들면, 차량을 구동시키는 장치로서 차량의 캐빈 부분의 바닥 밑에 설치한 경우, 대체로 50㎝ 이상의 공간을 점유하므로, 차량에서의 캐빈 부분의 바닥의 높이를 조종자의 좌석에 비해 상당히 높은 위치로 설정하지 않을 수 없는 등, 회전 발전기/모터의 중앙축 방향의 장치 전체의 두께에서 오는 제약이 있었다.
특허문헌 4에서는 회전 발전기/모터의 내부나 그 주변에 톱니바퀴를 배설하고, 컴팩트한 구조로 변속 가능한 회전 발전기/모터를 구성하고 있다. 특허문헌 5에서는 회전 발전기/모터의 주변에 존재하는 톱니바퀴 군을 유효하게 전환하여, 회전 발전기/모터를 중심으로 하는 구동 장치 전체를 컴팩트하게 정리하고 있다.
특허문헌 3에는 직경이 크고 중앙축 방향을 얇게 구성하는 것을 용이하게 하는 트로이달 코어 모터의 구조가 개시되어 있다. 종래의 전자강을 뚫어서 전기자로 하는 경우에는, 일반적인 전자 강판의 사이즈가 약 60㎝ 사방이므로 약 60㎝를 초과하는 직경을 갖는 모터의 구성은 곤란함이 있었다. 트로이달 코어 모터는 권철심을 사용할 수 있으므로, 약 60㎝를 초과하는 것과 같은 큰 직경의 모터도 용이하게 제작 가능하다. 그러나, 반면, 트로이달 코어 모터에 사용되는 권철심은, 전자강의 타발 적층의 경우와 달리, 슈라우드(하우징, 케이스 등의 외장부, 권철심측이 회전할 때는 내장부를 포함함)에 부착하는 것이 곤란했다. 특허문헌 3은, 자극부를 겸한 부착구를 사용함으로써, 권철심에 부착을 위한 구멍의 천공 등을 실시하여 그 특성을 열화시키지 않고 권철심을 슈라우드에 부착하는 것을 가능하게 했다. 그 중에서도, 특허문헌 3의 단락 0050과 도 13에 명시된 자극부를 겸한 부착구에 있어서는, 상기 자극부를 겸한 부착구의 대략 절반 부분을 비자성체로 구성하는 예가 기재되어 있다. 이것은, 본 발명과 같이 트로이달 코어와 트로이달 코어를 부착하는 측과의 사이의 거리가 매우 긴 경우에 있어서, 자성체를 절약하는 것이 가능해지기 때문에, 매우 참고가 된다.
현시점에서 미공개된 특허문헌 1에는 본 발명과 동일한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터가 기재되어 있다. 본 발명은 이 특허문헌 1에 3개의 실시예를 추가한 것이다.
특허문헌 1: 일본 특허 제5878662호: 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터; 특허문헌 2: 일본 특허공보 제5432408호: 서로 역회전하는 복수의 회전 발전기/모터와 그 사이에 삽입된 마찰바퀴로 이루어진 무단 변속 장치; 특허문헌 3: 일본 특허공보 제5292656호: 트로이달 코어 모터의 자극부를 겸한 부착구; 특허문헌 4: 일본 공개특허공보 특개2010-263761: 변속기 내장 모터; 특허문헌 5: 일본 공개특허공보 특개2002-204504: 차량용 동력 전달 시스템 및 이를 탑재한 자동차; 특허문헌 6: 일본 공개특허공보 특개평05-263888: 서로 역회전하는 디스크판에 당접하는 마찰바퀴에 의한 무단 변속 장치;
특허문헌 2에서 개시된 서로 역회전하는 복수의 회전 발전기/모터와 그 사이에 삽입된 마찰바퀴로 이루어진 무단 변속 장치는 큰 직경을 갖기 때문에 플라이휠 효과가 있어 급격한 회전수의 변화가 곤란한 것을 무단 변속 장치가 변속을 신속하게 행함으로써 해결해 왔다. 또한, 회전 발전기/모터의 급격한 회전수의 변화는 막대한 전류를 소비하여 에너지 절약이 되지 않는 것을 무단 변속 장치가 회전 발전기/모터의 회전수를 변화시키지 않고 구동축의 급격한 회전수의 변화를 가능하게 하여 에너지 절약도 해결해 왔다. 그러나, 그 구성에는 적어도 2개의 회전 발전기/모터를 필요로 하고, 또한, 그 회전 발전기/모터의 외측에 닿는 부분에 마찰바퀴로 이루어진 무단 변속 장치가 있어서 각각 독립된 공간을 점유하고 있으므로, 회전 발전기/모터의 중앙축 방향의 두께를 얇게 하는 것이 곤란하고, 컴팩트하게 되지 않았다. 본 발명은 종래의 적어도 2개 이상으로 이루어진 회전 발전기/모터와 변속 장치를 재검토하여, 새로이 변속 장치를 포함하는 회전 발전기/모터 전체의 중앙축 방향의 두께를 얇고 컴팩트하게 하는 것이 과제이다.
영구 자석 또는 전자석을 환상으로 배설한 고정자에 대하여, 구동력 전달반이나 구동력 전달 톱니바퀴의 적어도 어느 하나를 수반하여 시계 방향으로 회전하는 적어도 1개 이상의 회전자와, 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴의 적어도 어느 하나를 수반하여 반 시계 방향으로 회전하는 적어도 1개 이상의 회전자와, 고정자의 직경 방향 내측에 의해 둘러싸인 부분에 공간을 구성하고, 구성한 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 적어도 1개 이상의 마찰바퀴 또는 톱니바퀴가 회전자측의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴에 당접하도록 삽입하면, 마찰바퀴나 톱니바퀴는 당접한 회전자측의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴로부 터 우력을 받아 회전력을 구동축에 출력할 수 있고, 변속 장치를 포함하는 전체를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
특허문헌 2에서 개시된 무단 변속 장치의 구성에서는 회전자의 중앙축 방향의 두께를 컴팩트화할 수 없었던데다, 복수의 회전 발전기/모터와 무단 변속 장치를 조합시킬 때의 미묘한 조정 등에 메인터넌스 소요를 증대시키는 요인이 존재했다. 그러나, 본 발명에 의하면, 1개의 회전 발전기/모터 중에 서로 역회전하는 회전자를 갖고, 또한, 변속을 위한 마찰바퀴 또는 톱니바퀴의 적어도 1개를 이미 내장하고 있기 때문에, 대폭으로 컴팩트화할 수 있다. 또한, 내장하고 있는 회전자측의 구동력 전달반에 당접하고 있는 마찰바퀴나 구동력 전달 톱니바퀴에 당접하고 있는 톱니바퀴는, 그 직경에 의해, 고정자에 배설된 계자 자석과 회전자간의 자석의 공극을 회전 발전기/모터에 외압이 있어도 항상 적정하게 유지할 수 있으므로, 제조시나 메인터넌스시에 조정을 필요로 하는 부분이 대폭으로 감소하는 등, 효과가 있다.
도 1은 본 발명인 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 기본 구조를 나타내고 있다. 즉, 계자 자석을 배설한 고정자와, 상기 고정자를 끼워넣도록 하여 시계 방향으로 회전하는 회전자와 반 시계 방향으로 회전하는 회전자로, 대향한 회전자가 서로 역회전하는 공간을 구성하고 있다. 적어도 2개의 서로 역회전하는 회전자가 대면하는 공간에는 구동축으로 관통된 마찰바퀴 또는 톱니바퀴의 적어도 1개 이상이 있고, 그 원주부를 시계 방향으로 회전하는 회전자측과 반 시계 방향으로 회전하는 회전자측의 각각에 당접시켜, 회전자측으로부터 우력을 받아 회전하고, 구동축에 회전력을 출력한다. 또한, 이 도면을 포함하여 도면의 대부분에서는, 주요한 구성을 명시할 때의 시야를 가리는 것을 피하기 위해, 마찰바퀴가 당접하는 구동력 전달반이나 톱니바퀴가 당접하는 구동력 전달 톱니바퀴나 회전 발전기/모터의 전체를 덮는 하우징이나 케이스나 전원이나 전선의 기재를 생략하여 표시하는 경우가 있다.
도 2는 권철심에 권선하여 구성한 트로이달 코어이다. 트로이달 코어는 직경이 큰 경우의 전기자의 제조에 유리하다. 트로이달 코어 권선은 중앙축 주변에 설치한 정류자 기구나 슬립링을 통해 회전 자계를 발생시키는 전원에 접속한다.
도 3의 (A)는 시계 방향으로 회전하는 트로이달 코어를 특허문헌 3의 자극부를 겸한 부착구로 유지하고, 베어링을 통해 중앙축에 부착한 경우의 평면도이다. 도 3의 (B)는 트로이달 코어와 부착구의 단면도이다.
도 4의 (A)는 반 시계 방향으로 회전하는 트로이달 코어를 특허문헌 3의 자극부를 겸한 부착구로 유지하고, 베어링을 통해 중앙축에 부착한 경우의 평면도이다. 단, 구동력 전달반이 있으면 부착구가 안 보이게 되므로, 이 도면에서는 구동력 전달반을 제외한 기재로 되어 있다. 도 4의 (B)는 트로이달 코어와 부착구의 단면도이다.
도 5의 (A)는 환상의 비자성체에 계자 자석을 배설한 고정자의 평면도이다. 고정자의 직경에 닿는 부분에는, 구동축에 의해 관통되고 3개의 전진 방향으로 나아가기 위해 사용하는 마찰바퀴와, 1개의 후방으로 나아가기 위해 사용하는 마찰바퀴, 및 1개의 공극 조정바퀴가 배치되어 있다. 마찰바퀴는 회전자측의 구동력 전달반에 당접하고 있다. 공극 조정바퀴는 회전자측의 구동력 전달반에 당접하여 회전하면서, 고정자측의 자석과 회전자측의 자석간의 공극을 적절하게 유지한다. 회전자측의 구동력 전달반에 당접하고, 우력을 받아 회전하고 있는 복수의 마찰바퀴와 구동축과의 접속과 절단은 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행하여진다. 도 5의 (B)는 고정자의 a-a' 부분에 매립된 계자 자석을 나타내고 있다. 도 5의 (C)는 고정자의 단면과, 구동축에 관통되고 구동축의 접속과 절단을 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행할 수 있는 마찰바퀴를 나타내고 있다.
도 6은 구동축에 관통되고 당접한 회전자측의 구동력 전달반으로부터 우력을 받아 전진 방향으로 구동시키기 위한 3개의 마찰바퀴와, 후진 방향으로 구동시키기 위한 1개의 마찰바퀴와, 구동력 전달반에 당접하여 회전하면서 고정자측의 자석과 회전자측의 자석간의 공극을 적절하게 유지하는 1개의 공극 조정바퀴로 구성되는 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 단면도이다. 이 예에서는, 동력 단속 장치에 의해, 구동축과 마찰바퀴의 접속과 절단을 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행하고, 전진 3단, 후진 1단의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 구성한 것을 나타내고 있다.
도 7의 (A)는 환상의 비자성체에 계자 자석을 배설한 고정자의 평면도이다. 고정자가 구성하는 평면의 직경에 닿는 부분에는 구동축에 의해 관통되고 당접한 회전자측의 구동력 전달 톱니바퀴로부터 우력을 받아 회전하고 전진 방향으로 나아가기 위해 사용하는 3개의 톱니바퀴와, 후방으로 나아가기 위해 사용하는 1개의 톱니바퀴와, 공극 조정용의 1개의 톱니바퀴가 배치되어 있다. 구동축과 톱니바퀴의 접속과 절단은 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행하여진다. 도 7의 (B)는 고정자의 a-a' 부분에 매립된 계자 자석을 나타내고 있다. 도 7의 (C)는 고정자의 단면과, 구동축에 관통되어 구동축과의 접속과 절단을 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행할 수 있는 톱니바퀴를 나타내고 있다.
도 8은 구동축에 관통되어 당접한 회전자측의 구동력 전달 톱니바퀴로부터 우력을 받아 전진 방향으로 구동시키기 위한 3개의 톱니바퀴와, 후진 방향으로 구동시키기 위한 1개의 톱니바퀴와, 공극 조정용의 1개의 톱니바퀴로 구성되는 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 단면도이다. 이 예에서는, 동력 단속 장치에 의해, 구동축과 톱니바퀴의 접속과 절단을 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행하고, 전진 3단, 후진 1단의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 구성한 것을 나타내고 있다.
도 9의 (A)는 관통된 구동축 위를 고정자의 직경 방향으로 임의로 슬라이드할 수 있는 기구를 갖는 1개의 마찰바퀴와, 고정자측의 자석과 회전자측의 자석간의 공극을 적절히 유지하기 위한 2개의 공극 조정바퀴가 나타나있다. 도 9의 (B)는 고정자의 a-a' 부분에 매립된 계자 자석을 나타내고 있다. 도 9의 (C)는 고정자의 단면과, 구동축 위를 슬라이드할 수 있는 마찰바퀴와, 회전자측의 자석과 고정자측의 자석간의 공극을 적절하게 유지하기 위한 공극 조정바퀴를 나타내고 있다.
도 10은 구동축에 관통되어 고정자의 직경 방향으로 슬라이드할 수 있고, 무단 변속 장치를 구성하는 1개의 마찰바퀴와, 고정자측의 자석과 회전자측의 자석간의 공극을 유지하기 위한 1개의 공극 조정바퀴가 배치된 구조인 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 단면도이다.
도 11의 (A)는 트로이달 코어 부분의 평면도이다. 도 11의 (B)는 트로이달 코어의 자극부에 나타나는 극성이, 통상의 집중 권취 등과 달리, 어느 방향으로도 동일한 극성을 나타내는 것을 나타내고 있다.
도 12는 시계 방향으로 회전하는 복수의 회전자와 반 시계 방향으로 회전하는 복수의 회전자로 구성한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 일례를 나타내고 있다.
도 13의 (A)는 시계 방향으로 회전하는 회전자에 영구 자석을 배설한 예를 나타내고 있다. 도 13의 (B)는 고정자에 배설하는 계자 자석에 집중 권취의 전자석을 배설한 예를 나타내고 있다. 도 13의 (C)는 반 시계 방향으로 회전하는 회전자에 영구 자석을 배설한 예를 나타내고 있다.
도 14의 (A)는 고정자의 계자 자석에 집중 권취의 전자석을 서로 역회전하는 회전자에 영구 자석을 사용했을 때의 구동축 주변의 단면도이다. 도 14의 (B)는 고정자의 계자 자석에 집중 권취의 전자석을, 서로 역회전하는 회전자에 영구 자석을 사용했을 때의 전자석을 알 수 있는 개소에서의 단면도이다.
도 15의 (A)는 시계 방향으로 회전하는 회전자에 영구 자석을 배설한 예를 나타내고 있다. 도 15의 (B)는 도 13의 집중 권취의 계자 자석을 2개의 트로이달 코어에 의한 계자 자석으로 치환한 예를 나타내고 있다. 도 15의 (C)는 반 시계 방향으로 회전하는 회전자에 영구 자석을 배설한 예를 나타내고 있다.
도 16의 (A)는 고정자에는 2개의 트로이달 코어에 의한 계자 자석을, 회전자에는 영구 자석을 사용한 본 발명의 구동축이 있는 부분에서 본 단면도이다. 도 16의 (B)는 고정자에는 2개의 트로이달 코어에 의한 계자 자석을, 회전자에는 영구 자석을 사용한 본 발명의 구동축이 없고, 부착구가 있는 부분에서 본 단면도이다.
도 17은 구동축에 직교하는 방향으로 축을 형성하고, 축 위에 공극 조정 톱니바퀴를 증설한 일례이다. 동일한 증설은 마찰바퀴와 공극 조정바퀴의 조합으로도 실시할 수 있다.
도 18의 (A)는 환상의 비자성체에 계자 자석을 배설한 고정자의 평면도이다. 고정자가 구성하는 평면의 직경에 닿는 부분에는 구동축에 의해 관통되고 당접한 회전자측의 구동력 전달 톱니바퀴로부터 우력을 받아 회전하고, 나아가기 위해 사용하는 톱니바퀴가 앞바퀴를 돌리기 위해 3개, 뒷바퀴를 돌리기 위해 3개로 각각 구성되어, 4륜 구동의 구조를 실현하고 있다. 구동축과 톱니바퀴의 접속과 절단은 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행하여진다. 도 18의 (B)는 고정자의 a-a' 부분에 매립된 계자 자석을 나타내고 있다. 도 18의 (C)는 고정자의 단면과, 구동축에 관통되어 구동축과의 접속과 절단을 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 행할 수 있는 톱니바퀴를 나타내고 있다.
도 19는, 자동차의 캐빈 바닥 아래에, 전진 3단, 후진 1단의 변속 장치를 갖는 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 설치한 예를 나타내고 있다.
도 20은, 자동차의 캐빈 바닥 아래에, 4륜 조타(4WS)용으로 4륜의 회전수를 개별적으로 변경 가능하게 하는 마찰바퀴를 갖는 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 설치한 예를 나타내고 있다.
도 21은 중앙 부분에 4방향의 구동축으로 다른 회전수의 출력이 가능한 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 설치하고, 그 외측의 4개소에 회전 날개를 배설한 헬리콥터의 예를 나타내고 있다.
도 22의 (A)는 공중 공모의 정면도이다. 도 22의 (B)는 선박 내의 중앙 부분에 다른 회전수를 4방향으로 개별로 출력 가능한 구동축을 갖는 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 3기 갖고, 선체의 갑판에서 선박 밑바닥까지 뚫고 내부에 회전 날개를 가진 덕트를 12기 배설한 공중 공모의 평면도이다. 도 22의 (C)는 공중 공모의 측면도이다.
본 발명은 복수의 회전자 중 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 어느 하나를 수반한 적어도 한 쌍의 서로 역회전하는 회전자가 대면하여, 고정자의 직경 방향 내측과의 부분에 공간을 구성하고, 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴 또는 톱니바퀴를, 그 원주 부분을 회전자측의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 어느 하나에 당접하도록 설치함으로써 실현된다. 따라서, 설치된 마찰바퀴나 톱니바퀴는 서로 역회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 어느 하나로부터의 우력을 받아 회전하고, 그 회전력을 구동축에 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명에 사용하는 회전 발전기/모터에는 2개 이상의 회전자를 내장하고 있고, 그 회전자가 서로 역방향으로 회전할 수 있다면, 어떤 형식의 회전 발전기/모터라도 좋다. 즉, 고정자를 영구 자석으로 할지, 전자석으로 할지는 선택 가능하고, 전기자의 권선도 집중 방식 또는 분포 방식 또는 트로이달 방식 또는 그 외의 방식이라도 선택 가능하다. 또한, 액시얼 갭(axial gap) 형식 쪽이 단순하기는 하지만, 고정자에 사용하는 계자 자석의 형상을 대체로 U자형으로 함으로써, 레이디얼 갭(radial gap) 형식으로의 구성도 가능하다.
이와 같이, 본 발명을 구성할 때의 회전 발전기/모터의 선택에 제한을 가하도록 하는 요인은 적다. 그러나, 본 발명의 변속 장치의 변속 가능 범위는 회전 발전기/모터의 직경에 의해 규제되고, 직경이 작으면, 변속에서의 선택 범위가 적고, 직경이 클수록 변속 가능 범위를 크게 할 수 있다. 이러한 본 발명의 변속 가능 범위에 있어서의 특성으로부터, 직경이 큰 회전 발전기/모터를 용이하게 또한 저렴하게 제작할 수 있는 트로이달 코어 모터에서의 실시예를 나타내고, 다른 형식의 회전 발전기/모터는 특징 있는 부분의 제시에 그친다.
대표 도면이기도 한 도 1은 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 기본적인 구성을 나타낸 일례이다. 이 예에서는, 고정자(110)측의 계자 자석에 영구 자석(140)을 사용하고, 회전자(121, 122)측에 트로이달 코어(210)를 사용하고, 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)와 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122) 사이에 마찰바퀴(310)를 삽입한 예를 나타내고 있다. 이 도면에서는, 주요한 구성을 명시할 때의 시야를 가로막는 것을 막기 위해, 마찰바퀴(310)가 당접하는 구동력 전달반(160)이나 회전 발전기/모터의 전체를 덮는 하우징이나 케이스나 전원이나 전선의 기재를 생략하여 표시하고 있다.
도 1에 기재된 회전자(121, 122)를 구성하는 트로이달 코어(210)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 권철심(211)에 트로이달 코어 권선(212)하여 구성된다. 트로이달 코어(210)에는 취급할 때에 잡는 부분이 없으므로, 임의의 트로이달 코어 권선(212)과 서로 이웃한 트로이달 코어 권선(212) 사이의 간극이 되는 부분에 도 3과 도 4에 나타낸 바와 같이 자극부를 겸한 부착구(221)를 끼워넣어 중앙축(100)으로 회전 가능하게 부착한다.
도 5에서 나타낸 고정자(110)는 구동축(150)과 일체화되어 구성된다. 즉, 고정자(110)의 원주 위의 한 점으로부터, 중앙축(100)을 통과하여, 고정자(110)의 다른 한 점에 이르는 경로로 구동축(150)이 통과하고 있다. 또한, 구동축(150)에는 동력 단속 장치가 내장된 마찰바퀴(311)가 전진용으로서 3개, 후진용으로서 1개 배치되어 있다. 또한, 구동축(150)에 부착되어는 있으나, 구동축(150) 위에 있어도 동력적으로 접속하지 않고 공전하는 상태의 공극 조정바퀴(312)가 1개 배치되어 있다. 마찰바퀴(311)가 내장하는 동력 단속 장치는 종래부터 사용되어 온 클러치 장치나, 잠금과 해제 기능이 부착된 래칫 기구 등, 기존의 기술로부터 제작된다.
도 6에는 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)측의 구동력 전달반(160)과 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122)측의 구동력 전달반(160)이 대면하여 구성하는 공간에, 구동축(150)에 뚫린 전진용의 마찰바퀴(311)가 3개, 후진용의 마찰바퀴(311)가 1개, 공극 조정바퀴(312)가 1개 설치되어 있다. 각 마찰바퀴(311)에는 구동축(150)과의 단속을 임의로 행할 수 있는 동력 단속 장치가 내장되어 있다. 이 동력 단속 장치에 의해, 도 6에서는 마찰바퀴(311)를 임의로 1개 선택하여 구동축(150)에 접속하고, 이른바 전진 3단, 후진 1단의 회전 발전기/모터를 구성하고 있다.
도 7 내지 도 8은, 도 5 내지 6의 마찰바퀴(311)를 대신하여, 톱니바퀴(420)를 사용하고 있다. 즉, 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)측의 구동력 전달 톱니바퀴(170)와 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122)측의 구동력 전달 톱니바퀴(170)가 대면하는 공간에 설치되고, 원주의 일단을 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)측의 구동력 전달 톱니바퀴(170)에, 타단을 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122)측의 구동력 전달 톱니바퀴(170)에 당접시켜 우력을 얻는 전진용의 톱니바퀴(421) 3개와, 후진용의 바퀴(421) 1개와, 공전하고 있어 구동축(150) 위에 있어도 동력적으로는 접속이 없는 공극 조정 톱니바퀴(422) 1개가 구비된다. 전진용의 톱니바퀴(421)와 후진용의 톱니바퀴(421)에는 선택적으로 임의의 톱니바퀴(421)를 구동축(150)에 접속 가능하게 하는 동력 단속 장치가 내장되어 있다. 따라서, 도 7 내지 도 8도 전진 3단, 후진 1단의 회전 발전기/모터를 구성하고 있다.
도 9 내지 도 10에서는 구동축(150)을 따라 길이 방향으로 톱니를 구성하고, 거기에 슬라이드 장치를 통해 감합하여 슬라이드하는 마찰바퀴(313)를 설치한다. 그러면, 마찰바퀴(313)는 회전자(120)에 수반하는 구동력 전달반(160)의 범위 내에서 구동축(150) 위를 임의의 위치로 이동할 수 있으므로, 무단계 변속 장치를 구성할 수 있다. 또한, 후진용의 마찰바퀴의 부착은 없으므로, 통상, 후진시에는, 회전자(120)를 전진할 때와는 역방향으로 회전시킨다. 단, 중앙축(100)을 분리하여 본 발명을 구성한 경우, 마찰바퀴(313)는 고정자(110)의 직경 위를 반대측까지 슬라이드 가능하게 되므로, 회전자(120)의 역회전은 불필요해진다.
도 11은 본 발명의 대표 도면 등에서 사용한 트로이달 코어(210)가 생성하는 자극의 특성을 나타낸 것이다. 트로이달 코어(210)에 형성된 자극부(222)에는 N극이면 N극에서, 어떤 방향도 동일한 N극을 나타낸다. 이것은, 도 14에서 나타낸 집중 권취 전기자(510)의 경우의 극성과 대조적이다.
도 12는 복수의 회전자(121, 122)를 회전자 사이 연결재(123)로 연결하여 적층하여, 큰 토크를 얻기 위한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 일례이다. 필요로 하는 토크에 따라, 적층수는 증가할 수 있다.
도 13은 고정자(110)측에 전기자(전자석)(130)를 사용하고, 회전자(121, 122)에 영구 자석(140)을 사용하고, 대면하여 서로 역방향으로 회전하는 회전자(121)와 회전자(122) 사이에 마찰바퀴(310)를 배치한 경우의 개념도이다.
도 14에서는 (B)와 같이 고정자(110)에 집중 권취 전기자(510)가 배치되어 있다. 집중 권취 전기자(510)에서는, 일단에 N극을 발생시키면, 타단은 S극과 다른 극성을 나타낸다. 이것은, 도 11에서 나타낸 트로이달 코어(210)의 경우와 대조적이다.
도 15 내지 도 16에서는, 도 13 내지 14에 사용한 집중 권취 전기자(510)를 2개의 트로이달 코어(210)로 바꾼 일례이다. 또한, 회전자(121, 122)측도 트로이달 코어(210)로 하는 것도 가능하다. 이와 같이, 어떠한 방식이라도, 서로 역회전하는 회전자(121, 122)측의 구동력 전달반(160) 또는 구동력 전달 톱니바퀴(170)가 대면하여 공간을 구성하고, 그 공간에 구동축(150)에 의해 관통된 마찰바퀴(310) 또는 톱니바퀴(421)의 적어도 하나 이상을 배치할 수 있다면, 본 발명을 실현할 수 있다.
본 발명을 실시하는 형태를 나타낸 도 5 내지 도 14 및 도 16에는 구동축(150)에 설치된 공극 조정바퀴(312) 또는 공극 조정 톱니바퀴(422) 중 어느 하나가 기재되어 있다. 공극 조정바퀴(312)나 공극 조절 톱니바퀴(422)는 회전자(120)에 가해지는 외압 등에 대항하여, 자극간의 공극을 유지하는 것이 목적이다. 그러나, 도 5 내지 도 14 및 도 16에서, 외압이 마찰바퀴(310)나 톱니바퀴(421)나 공극 조정바퀴(312)나 공극 조정 톱니바퀴(422)의 정확히 바로 위에 가해진 경우에는, 회전체의 특성상, 작용한 점에서 90 °뒤쳐져서 효과가 나타나는 점이 발생하므로, 실제로 공극의 변화를 생기게 하는 곳에서는 공극의 변화를 방지하는 것이 아무것도 없는 상태가 된다. 따라서, 도 17의 일례와 같이 공극 조정 톱니바퀴(422)나 공극 조정바퀴(312)를 추가해도 좋다. 그와 같이 고정자의 자극과 회전자의 자극의 공극을 마찰바퀴(310)나 톱니바퀴(421)나 공극 조정바퀴(312)나 공극 조정 톱니바퀴(422)에 의해 4개소에서 유지하는 구조를 구성할 수 있는 경우에는, 자극간의 공극을 극소로 설계할 수 있으므로, 회전 발전기/모터의 토크의 향상에도 기여할 수 있다.
본 발명의 도 5 내지 도 16의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터에서는 구동축(150)이 1개이지만, 중앙축(100)을 끼워서 복수개의 구동축(150)을 부착할 수 있다. 도 18은 앞바퀴를 구동시키기 위한 구동축(150)과 뒷바퀴를 구동시키기 위한 구동축(150)을 나누어, 4륜 구동을 실현하고 있다.
도 19는 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)측의 구동력 전달반(160) 또는 구동력 전달 톱니바퀴(170)와, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122)측의 구동력 전달반(160) 또는 구동력 전달 톱니바퀴(170)가 대면하여 구성하는 공간에 구동축(150)에 의해 뚫린 마찰바퀴(310) 또는 톱니바퀴(421)의 적어도 하나 이상이 삽입되어 변속 장치를 구성한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 자동차 캐빈의 바닥 아래에 설치한 일례를 나타내고 있다. 이 경우에는, 톱니바퀴(421)에 의해, 전진 3단, 후진 1단의 구조를 실현하고 있다.
본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 직경이 큰 경우에는, 회전 발전기/모터가 1개임에도 불구하고, 큰 직경에서 얻어지는 큰 토크와, 변속 장치에서의 변환에 의한 고회전을 함께 가진 개별로 다른 회전수의 구동력을 동시에 복수 출력 가능하다. 도 20 내지 도 21에서는 시계 방향으로 회전하는 회전자(121)측의 구동력 전달반(160)과, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자(122)측의 구동력 전달반(160)이 대면하여 구성하는 공간 중에 4개의 방향에 설치한 구동축(150)에 의해 뚫린 마찰바퀴(310)가 각각 슬라이딩 가능하게 부착되어 있어, 개별로 다른 회전수를 각 구동축(150)으로 출력할 수 있다. 따라서, 1개의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터이면서, 도 20에서는 자동차에서의 4륜 조타(4WS)를 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 도 21에서는 드론 형상의 대형 헬리콥터를 실현할 수 있다.
본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터에는 공극 조정 마찰바퀴나 공극 조정 톱니바퀴가 있기 때문에, 공극을 용이하게 유지할 수 있다. 따라서, 직경을 크게 한 경우의 효과인 토크 증가를 충분히 발휘할 수 있다. 예를 들면, 직경 40 내지 50m의 변속기 내장의 회전 발전기/모터 1기에 직경 30m 정도의 회전 날개를 4기 돌리는 구조를 몇 가지 조합하면, 공중 페리나 공중 공모를 구성할 수 있다. 도 22는 공중 공모의 일례이다.
본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터를 전기 자동차에 사용할 때, 상기 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터가 복수 있는 마찰바퀴(310) 또는 톱니바퀴(421) 중 어느 하나를 동력 단속 장치에 의해 선택적으로 구동축에 접속하는 방식은, 컴퓨터에 의한 프로그래밍 제어에 의해, 목적에 따른 효과적인 주행 방법을 제공해 준다. 예를 들면, 마찰바퀴(310)나 톱니바퀴(421)의 전진의 1단째(Low)에 넣는 동력 단속 장치에 전자 클러치를 사용하여, 전자력을 가감할 수 있도록 하면, 반 클러치를 실현할 수 있다. 또한, 차속의 데이터로부터 회전 발전기/모터의 최적인 회전수와, 복수 있는 마찰바퀴(310) 또는 톱니바퀴(421) 중 어느 1개를 구동축(150)에 접속할지를 컴퓨터에 의한 프로그래밍 제어로 선택할 수 있게 된다. 즉, 언덕길에서의 발진도, 스포티한 주행을 선택하는 것도, 반대로 경제적이고 얌전한 주행을 선택하는 것도 비교적 용이하다. 따라서, 상기 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 특성으로서의 컴퓨터에 의한 프로그래밍 제어의 용이성은 장래 예상되는 전기 자동차의 자동 제어나 자동 운행에 가장 적합한 구동용 모터의 제공을 가능하게 한다.
실시예 1
도 6, 도 8, 도 10, 도 12, 도 14 및 도 16은, 영구 자석이나 전자석에 의한 계자 자석을 환상으로 배설하여 이룬 고정자에 대하여, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 한쪽에 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 적어도 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖고, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 다른 쪽에 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 적어도 어느 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 반 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖는 회전 발전기/모터에 있어서, 시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 고정자의 직경 방향 내측에 의해 둘러싸인 부분에 공간을 구성하고, 구성한 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴 또는 톱니바퀴를 삽입하면, 마찰바퀴는 구동력 전달반에 당접함으로써 우력을 받아 회전하고, 톱니바퀴는 구동력 전달 톱니바퀴에 당접함으로써 우력을 받아 회전하여, 마찰바퀴나 톱니바퀴를 관통하고 있는 구동축으로 출력할 수 있는 것을 특징으로 하는 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 실시예이다.
실시예 2
도 6, 도 8, 도 12, 도 14, 도 16 및 도 19는, 실시예 1에 기재한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터에 있어서, 마찰바퀴나 톱니바퀴와 구동축 사이의 접속을 동력 단속 장치에 의해 접속과 절단을 임의로 선택 가능하게 한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 실시예이다.
실시예 3
도 10, 도 20, 도 21, 도 22는, 실시예 1에 기재한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터에 있어서, 마찰바퀴를 구동축 위에서 슬라이딩 가능하게 한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터의 실시예이다.
회전 발전기/모터에 대해서는, 대형 차량이나 전차 등 중량이 커지는 차량을 구동시키기 위한 큰 토크와, 헬리콥터나 드론 등의 항공기에 탑재할 수 있는 경량화의 상반하는 2개의 요구가 있다. 이 2개를 동시에 실현하기 위해서는, 큰 직경으로 해서 회전 발전기/모터의 토크를 버는 동시에, 직경이 커져도 원주부에서의 자석간의 적절한 공극의 유지를 할 수 있을 필요가 있고, 또한, 회전 발전기/모터의 원주부에 회전을 위한 구조를 집중시켜서 중앙부를 공동화하여 경량화를 도모하는 것이 필요하다. 본 발명의 시계 방향으로 회전하는 회전자측의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자측의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴가 대면하는 공간에 구동축으로 뚫린 마찰바퀴 또는 톱니바퀴를 삽입하여 구동력을 이끌어내는 구조는 구동축으로 뚫린 공극 조정 마찰바퀴 또는 공극 조정 톱니바퀴가, 또는 구동축으로 뚫린 마찰바퀴 또는 톱니바퀴의 자체가 각각의 직경을 갖고, 회전 발전기/모터의 원주부에 설치된 자석 사이의 공극을 회전 발전기/모터의 직경에 관계없이 0.5㎜ 정도의 극히 좁은 상태로 유지하는 것을 용이하게 한다. 따라서, 큰 토크와 경량화의 2가지 요구를 동시에 만족할 수 있으므로, 전차의 동력으로서도 헬리콥터의 동력으로서도 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터는 구조가 간단하고 부품점수가 적고, 외압이 있는 경우에도 공극을 적절하게 유지하는 구조를 갖고 있으며, 설치할 때 조정할 개소도 적게 하므로, 전기 자동차의 구동 모터로서 사용하는 경우에는 제조 비용이나 운영 비용을 인하하는 효과가 있다.
100 중앙축
110 고정자
120 회전자
121 (시계 방향으로 회전하는) 회전자
122 (반 시계 방향으로 회전하는) 회전자
123 회전자 사이 연결재
130 전기자(전자석)
140 영구 자석
150 구동축
160 구동력 전달반[드라이브 디스크]
170 구동력 전달 톱니바퀴[드라이브 기어]
210 트로이달 코어
211 권철심
212 트로이달 코어 권선[트로이달 코어 코일]
221 부착구
222 부착구의 자극부
310 마찰바퀴[트렉션　롤러]
311 (동력 단속 장치 부착) 마찰바퀴
312 공극 조정바퀴[에어 갭 조정 롤러]
313 (슬라이드 장치 부착) 마찰바퀴
420 톱니바퀴(트렉션 기어)
421 (동력 단속 장치 부착) 톱니바퀴
422 공극 조정 톱니바퀴[에어 갭 조정 기어]
510 집중 권취 전기자
511 적층 전자 강판
512 집중 권취 권선
513 집중 권취 전기자 유지구
611 항공기
612 갑판 운용 감시 폴
613 추진 방향 제어 로터
614 경계 감시 레이더

Claims (3)

  1. 영구 자석이나 전자석에 의한 계자 자석을 환상으로 배설하여 이룬 고정자에 대하여, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 한쪽에 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 적어도 어느 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖고, 상기 환상의 고정자의 중심인 축 방향의 다른 쪽에 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴 중 적어도 어느 하나를 수반하여 중앙축에 회전 가능하게 부착되어 반 시계 방향으로 회전하는 회전자를 적어도 1개 이상 갖는 회전 발전기/모터에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 반 시계 방향으로 회전하는 회전자의 구동력 전달반 또는 구동력 전달 톱니바퀴와, 고정자의 직경 방향 내측에 의해 둘러싸인 부분에 공간을 구성하고, 구성한 상기 공간에 구동축에 의해 관통된 마찰바퀴 또는 톱니바퀴를 삽입하면, 마찰바퀴는 구동력 전달반에 당접함으로써 우력을 받아 회전하고, 톱니바퀴는 구동력 전달 톱니바퀴에 당접함으로써 우력을 받아 회전하여, 마찰바퀴나 톱니바퀴를 관통하고 있는 구동축으로 출력할 수 있는 것을 특징으로 하는 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터.
  2. 제 1 항에 있어서, 마찰바퀴나 톱니바퀴와 구동축 사이의 접속을, 동력 단속 장치에 의해 접속과 절단을 임의로 선택 가능하게 한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터.
  3. 제 1 항에 있어서, 마찰바퀴를 구동축 위에서 슬라이딩 가능하게 한 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터.
KR1020177029472A 2015-05-15 2016-02-22 변속 장치 내장의 회전 발전기/모터 KR101969704B1 (ko)

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