KR20190021064A - 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터 - Google Patents

하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 액츄에이터를 적용하여 전진 또는 후진 시 스테이터의 회전을 효과적으로 제어할 수 있는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 개시한다.
본 발명의 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터는 엔진의 토크를 전달하는 입력축에 결합되어 함께 회전하는 임펠러, 상기 임펠러와 마주하는 위치에 배치되며 출력축에 결합되는 터빈, 상기 터빈을 사이에 두고 상기 임펠러와 상반된 바깥쪽 위치의 상기 출력축 상에 배치되는 스테이터를 포함하고, 상기 임펠러와 상기 스테이터는 상기 출력축 상의 제1 베어링 및 제2 베어링에 의해 각각의 개별 회전이 가능하게 구비되며, 상기 터빈과 양쪽으로 마주하는 상기 임펠러와 상기 스테이터의 대응 원주면 상에는 기어비에 따라 토크의 전달력을 끌어올리는 마그네틱 기어부를 포함하고, 상기 임펠러와 상기 터빈 간에는 작동 중 와전류를 일으켜 상기 출력축의 회전 속도를 높이기 위한 와전류 환부를 포함하며, 상기 스테이터는 외륜에 연계되어 차량의 전진 또는 후진을 위한 모터의 회전 방향에 따라 상기 스테이터의 회전 상태를 구속하거나 구속해제하는 외부 액츄에이터를 포함한다.

Description

하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터{Electromagnetic torque converters for hybrid and electric vehicles}
본 발명은 외부 액츄에이터를 적용하여 전진 또는 후진 시 스테이터의 회전을 효과적으로 제어할 수 있는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터에 관한 것이다.
제어 시스템과 변속기는, 예를 들어 유럽 특허 공보 EP 1,939,503 A호에서 공지되어 있다. 공지된 무단 변속기는 제1 가변 풀리 또는 구동 가변 풀리, 제2 가변 풀리 또는 피동 가변 풀리 및 이음매 없는 가요성 변속기 구성요소 또는 구동 벨트를 포함하는 베리에이터 유닛(variator unit)을 포함한다.
이음매 없는 가요성 변속기 구성요소 또는 구동 벨트는 풀리를 둘러싸고 풀리와 마찰 접촉하는 몇몇의 공지된 타입 중 하나일 수 있다.
또한, 변속기는 각각 전진 구동과 후진 구동과 결합하는 두 개 이상의 클러치를 포함하는, DNR 세트(Drive-Neutral-Reverse-set)라고도 할 수 있는, 유성 기어 장치 또는 에피사이클릭(epicyclic) 기어 장치와, 특히 자동차를 정지(standstill) 상태에서 초기 가속하는 동안, 구동 토크를 증폭하는 토크 컨버터를 포함한다.
공지된 토크 컨버터는 동력 변속기 효율을 증대시키기 위하여 초기 가속으로부터 잠시 후 결합, 즉 폐쇄되는 로크업 클러치를포함한다.
변속기는 제1 풀리와 제2 풀리 사이의 속도비를 제공하며, 속도비는 변속기의 제어 시스템을 이용하여 풀리를 적절하게 작동함으로써 변속기에 의해 커버되는 속도비 범위 내에서 임의의 값으로 제어된다.
자세하게, 각각의 풀리는 그 사이에 구동 벨트가 유지되는 두 개의 시브를 포함하고, 하나의 시브는 개별적인 풀리 축을 따라 축방향으로 이동 가능하도록 배열되며, 제어 시스템에 의하여 동력이 공급된다. 이를 위하여, 공지된 제어 시스템은 두 개의 압력 실린더를 포함하고, 각각의 실린더는 각각의 이동 가능한 풀리 시브와 관련된다.
또한, 제어 시스템은 제1 풀리와 관련되는 압력 실린더에서 제어를 통하여 압력 레벨을 달성하는 제1 밸브와 제2 풀리와 관련되는 압력 실린더에서 제어를 통하여 압력 레벨을 달성하는 제2 밸브를 포함한다. 실린더 압력은 각각의 풀리의 시브 사이의 구동 벨트에 개별적으로 가해지는 클램핑 힘을 결정하고, 결과적으로 변속기에 의하여 전달되는 토크와 속도비를 결정한다.
또한, 제어 시스템은 DNR 세트의 두 개의 클러치 중 어느 하나의 제어 가능하고 점진적이며, 따라서 부드러운 결합, 즉 폐쇄를 달성하는 클러치 결합 밸브와, 토크 컨버터의 록업 클러치를 결합하는 록업 시프트 밸브를 포함한다.
제어 시스템에는 제어 시스템 주 라인으로 가압 유압유의 흐름을 제공하는 펌프가 제공된다. 주 라인의 유압, 즉 라인 압력은 제어 시스템의 라인 압력 밸브를 이용하여 규제된다. 클러치 결합 밸브, 록업 시프트 밸브 및 제1 밸브와 제2 밸브 중 하나 이상은 주 라인으로부터 제어 시스템의 개별적인 하류 라인으로 유체를 직접적으로 또는 간접적으로 이동시키고 각각의 밸브와 개별적으로 연결되는 하류 라인에서 유압을 규제하도록 배열된다.
라인 압력, 클러치 결합, 록업 시프트, 제1 밸브 및 제2 밸브는 모두 개별적인 전자기 액추에이터 또는 솔레노이드를 이용하여 제어될 수 있다. 일반적으로, 솔레노이드는 각각의 밸브에 작용하는 파일럿 압력 또는 밸브 제어 압력을 발생시키는 파일럿 밸브를 효과적으로 작동시켜 각각의 밸브를 간접적으로 제어한다. 하지만, 솔레노이드는 직접적으로, 즉 기계적으로, 개별적인 밸브를 작동시키는 것도 가능하다.
유럽 특허공보 제1,939,503호(2008. 7. 2 공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 특히 기능은 유지하면서 비용을 감소하여, 전진 및 후진을 위한 제어 시스템을 최적화하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 외부 액츄에이터를 이용하여 전진 또는 후진 시 스테이터의 회전을 효과적으로 제어할 수 있는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엔진의 토크를 전달하는 입력축에 결합되어 함께 회전하는 임펠러, 상기 임펠러와 마주하는 위치에 배치되며 출력축에 결합되는 터빈, 상기 터빈을 사이에 두고 상기 임펠러와 상반된 바깥쪽 위치의 상기 출력축 상에 배치되는 스테이터를 포함하고, 상기 임펠러와 상기 스테이터는 상기 출력축 상의 제1 베어링 및 제2 베어링에 의해 각각의 개별 회전이 가능하게 구비되며, 상기 터빈과 양쪽으로 마주하는 상기 임펠러와 상기 스테이터의 대응 원주면 상에는 기어비에 따라 토크의 전달력을 끌어올리는 마그네틱 기어부를 포함하고, 상기 임펠러와 상기 터빈 간에는 작동 중 와전류를 일으켜 상기 출력축의 회전 속도를 높이기 위한 와전류 환부를 포함하며, 상기 스테이터는 외륜에 연계되어 차량의 전진 또는 후진을 위한 모터의 회전 방향에 따라 상기 스테이터의 회전 상태를 구속하거나 구속해제하는 외부 액츄에이터를 포함하는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 제공한다.
상기 스테이터의 외륜 부위는 톱니 형상의 기어치형으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 외부 액츄에이터는 피벗식 힌지 고정점으로부터 회동 가능하게 고정되고, 한쪽 끝단은 탄성지지되며 다른 쪽 끝단은 구속 또는 구속해제를 위한 유격거리를 조절하는 작동편에 의해 지지되는 걸림쇠 형태로 이루어진다.
상기 작동편은 작동 지점이 한쪽으로 편중된 형태의 회전형 원판으로 구비될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예는 하이브리드 또는 전기차에 적용 시 스테이터의 톱니 구조를 구속하거나 구속해제하는 외부 액츄에이터를 이용하여 간편하게 전진 및 후진을 위한 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 간편한 기술구성으로 기능은 유지하면서 유지비용을 줄일 수 있고, 전진 및 후진을 위한 제어 시스템을 최적화하는 등의 효과도 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 축 방향으로 잘라 나타내보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위해 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 축 방향으로 잘라 나타내보인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 외부 액츄에이터에 의한 스테이터의 구속 및 구속해제에 따른 작동 상태를 대략적으로 나타내보인 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터의 분해 상태를 나타내보인 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터의 결합 상태를 나타내보인 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에만 한정되지는 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙여 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 축 방향으로 잘라서 나타내보인 단면도로, 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터를 도시하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터는 임펠러(13)와 터빈(17) 및 스테이터(19)를 포함한다.
임펠러(13)는 엔진의 토크를 전달하는 입력축(11)에 결합되어 함께 회전한다.
터빈(17)은 임펠러(13)와 마주하는 위치에 배치되며 복수의 볼트에 의해 출력축(15)과 함께 회전할 수 있도록 결합된다. 여기서, 출력축(15)은 소정의 변속기로 연계되거나 구동 차축으로 연계되는 등 다양한 형태로 실시될 수 있다.
스테이터(19)는 터빈(17)을 사이에 두고 임펠러(13)와 상반된 바깥쪽 위치하도록 한다. 스테이터(19)도 출력축(15) 상에 배치된다.
임펠러(13)와 스테이터(19)는 출력축(15) 상의 제1 베어링(15a) 및 제2 베어링(15b)에 의해 각각 개별적 회전이 가능하게 구비된다. 즉, 임펠러(13)와 터빈(17) 및 스테이터(19)는 출력축(15) 상의 제1 베어링(15a)과 제2 베어링(15b)에 의해 각각 개별적인 자유 회전이 가능하도록 비접촉식으로 형성된다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터는 임펠러(13)와 터빈(17) 및 스테이터(19) 간에는 기계적인 접촉 없이도 소정의 기어비로 토크를 증배시키기 위한 마그네틱 기어부(21)와, 작동 중 출력축(15)의 회전 속도를 입력축(11)에 상당한 수준으로 끌어올리기 위한 와전류 환부(23)를 더 포함한다.
마그네틱 기어부(21)는 터빈(17)과 양쪽으로 마주하는 임펠러(13)와 스테이터(19)의 대응 원주면 상에 각각 마련된다. 마그네틱 기어부(21)는 소정의 기어비로 토크의 전달력을 끌어올리는 역할을 할 수 있도록 구비된다.
즉, 마그네틱 기어부(21)는 터빈(17)을 사이에 두고 양쪽 바깥으로 위치하는 임펠러(13)와 스테이터(19)의 대응면에 각각에 나열된 복수의 영구자석으로 구성할 수 있다.
여기서, 임펠러(13)의 대응면에 나열된 복수의 영구자석은 임펠러 폴(13a)이라 하고, 스테이터(19)의 대응면에 나열된 복수의 영구자석은 스테이터 폴(19a)이라 칭한다.
임펠러 폴(13a)과 스테이터 폴(19a)은 임펠러(13)와 스테이터(19)의 대응면 각각에 원주 방향으로 나열된다. 임펠러 폴(13a)과 스테이터 폴(19a)은 원주 방향으로 각각의 극성을 교차 배열시켜 임펠러(13)의 회전에 의해 발생하는 소정 기어비의 자기장으로부터 비접촉식 임펠러(13) 및 터빈(17) 간의 토크를 증배시켜 전달할 수 있게 된다.
마그네틱 기어부(21)는 임펠러 폴(13a)과 스테이터 폴(19a) 상호 간의 자기장을 집중시킬수록 성능 향상을 도모할 수 있다. 이와 같은 사정에 따라, 임펠러(13)와 스테이터(19) 사이에 위치하는 터빈(17)의 경우, 그 재질을 금속(동, 알루미늄)으로 실시하는 것이 좋다.
나아가, 마그네틱 기어부(21)는 터빈(17)의 원주 방향을 따라 관통된 복수의 삽입홀(17b)을 형성하고, 이 삽입홀(17b)에는 소정의 터빈 폴(17a)이 더 결합된 형태로도 실시할 수 있다.
이때, 터빈 홀(17a)은 철 소재를 적용하여 임펠러 폴(13a)과 스테이터 폴(19a) 상호 간의 자기장 영향을 극대화 할 수 있다.
와전류 환부(23)는 임펠러(13)와 터빈(17) 간에 형성된다. 와전류 환부(23)는 작동 중에 소정의 와전류를 일으켜 출력축(15)의 회전 속도를 마그네틱 기어부(21)의 기어비 이상 예를 들면, 입력축(11)에 상응한 수준으로 높이는 역할을 한다.
와전류 환부(23)는 임펠러 폴(13a)과 이에 대응되는 터빈(17)의 요크(17c)로 대별된다.
임펠러 폴(13a)은 터빈(17)과 마주하는 임펠러(13)의 대응면에 원주 방향으로 나열되는 복수의 영구자석으로 구비된다. 요크(17c)는 임펠러 폴(13a)에 대응하여 소정의 와전류 발생을 기인할 수 있는 형태로, 터빈(17)의 플랜지 끝단에 형성된 환상의 대응체로 이루어진다.
요크(17c)는 임펠러 폴(13a)과 직접적으로 마주하지 않고, 터빈(17)의 플랜지 외곽 선단에 붙여 터빈(17)의 일정 두께만큼 간격을 두고 임펠러 폴(13a)과의 와전류 발생을 위한 상관 관계를 형성하도록 실시한다.
와전류 환부(23)의 경우, 차량이 경사로의 중간에 위치한다거나 할 때 등 소정의 와전류로부터 차가 뒤로 밀리지 않을 만큼의 동력을 전달한다든지 도심지의 시내 주행에서 신호대기 중 운전자가 차량의 브레이크에서 발을 떼놓는 동작만으로 서행을 일으키는 크리프(Creep) 현상을 구현하는 역할을 한다.
마그네틱 기어부(21)와 와전류 환부(23)를 형성하는 임펠러 폴(13a)은, 도 1에서처럼 이원화된 일련의 영구자석이 이중으로 중첩된 구조로 실시할 수 있다. 즉, 마그네틱 기어부(21)를 형성하는 임펠러 폴(13a)과 와전류 환부(23)를 형성하는 임펠러 폴(13a)은 서로 다른 직경의 환형 임펠러 폴(13a)이 이중으로 중첩된 구조로 적용될 수 있다.
또, 마그네틱 기어부(21)와 와전류 환부(23)를 형성하는 임펠러 폴(13a)은 도 2에서처럼 일원화된 일련의 영구자석이 하나로 통일된 구조도 가능하다.
도 2에서와 같은 마그네틱 기어부(21)와 와전류 환부(23)를 형성하는 임펠러 폴(13a)의 통일 구조는 도 1의 이원화 구조에 비해 부품 수를 줄임으로써, 생산성을 높이는 것은 물론, 전반적인 생산기술상의 설계 자유도를 향상시키는 기술효과를 얻는다.
이때, 터빈(17)은 도 2에서와 같이 소정의 절곡 형상으로 연장된 플랜지의 내부 공간 안으로 임펠러(13)를 함입하는 형태로 이루어진다.
이와 같은 본 발명의 실시 예를 하이브리드 및 전기차에 적용하고자 하는 경우, 후진 시 출력축(15)에 부하가 생기면 스테이터(19)가 역회전하게 된다. 따라서, 출력축(15)을 고정할 수 있는 구조가 필요하다.
이러한 구조의 일환으로, 본 발명의 스테이터(19)는 외륜에 연계되어 차량의 전진 또는 후진을 위한 모터의 회전 방향에 따라 스테이터(19)의 회전 상태를 구속 또는, 구속해제할 수 있는 외부 액츄에이터(25)를 포함한다.
즉, 스테이터(19)의 외륜 부위는 톱니 형상의 기어치형(19b)으로 형성된다.
외부 액츄에이터(25)는, 피벗식 힌지 고정점(25a)으로부터 회동 가능하게 고정된 걸림쇠(25c) 형태로 이루어진다.
걸림쇠(25c)는 도 3에서 도시한 바와 같이, 한쪽 끝단은 스프링에 의해 탄성지지되고, 다른 쪽 끝단은 스테이터(19)의 외륜 부위 즉, 톱니 형상의 기어치형(19b)을 구속 또는 구속해제하기 위한 유격거리를 조절하는 작동편(25b)에 의해 지지된 형태로 실시할 수 있다.
여기서, 작동편(25b)은 작동 지점이 한쪽으로 편중된 형태의 회전형 원판과 같은 형태 등 다양하게 실시할 수 있다.
작동편(25b)은 운전자가 직접 조작하는 형태 또는 전자적인 내부 제어 프로세스에 의해 제어될 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터의 작동 관계를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 엔진의 토크가 전달되는 입력축(11)에 의해 임펠러(13)가 회전하면서 임펠러 폴(13a)과 스테이터 폴(19a) 간에 형성된 마그네틱 기어부(21)의 기어비로 토크 증배를 일으키면서 터빈(17)의 회전을 유발한다.
동시에, 임펠러(13)와 터빈(17) 상호 간에 형성된 와전류 환부(23)에서 소정의 와전류를 일으켜 출력축(15)이 마그네틱 기어부(21)의 기어비 이상 예를 들면, 입력축(11)의 회전 속도에 상응하는 수준에 이를 수 있도록 하는 역할을 병행하게 된다.
여기서, 모터의 정방향 회전을 전진 방향이라 하고, 반대로 모터의 역방향 회전을 후진 방향이라 한다면, 전진 방향 회전 즉, 모터의 정방향 회전 시에는 외부 액츄에이터(25)로 스테이터(19)의 외륜에 형성된 기어치형(19c)에 대한 구속을 해제시켜 출력축(15)이 전진 방향으로 회전하도록 제어한다.
이와는 반대로, 후진 방향의 회전 즉, 모터의 역방향 회전 시에는 외부 액츄에이터(25)를 이용하여 스테이터(19)의 외륜에 형성된 기어치형(19c)을 구속시켜 스테이터(19)가 역회전 하지 않도록 고정시켜 출력출(15)이 후진 방향으로 회전하도록 제어하게 된다.
스테이터(19)의 구속 또는 구속해제는 작동편(25b)의 동작에 따라 피벗식 힌지 고정점(25a)으로부터 유격거리가 조절되는 걸림쇠(25c)에 의해 이루어진다.
이때, 걸림쇠(25c)의 유격거리는 작동편(25b)의 회전 상태에 따른 미는 힘에 의해 스테이터(19)의 기어치형(19c)을 구속하거나, 작동편(25b)의 또 다른 회전 상태에 따라 미는 힘이 사라졌을 때, 걸림쇠(25c)의 타단에 설치된 스프링과 같은 탄성지지점의 복원력에 의해 스테이터(19)의 기어치형(19c)에 대한 구속을 해제하게 된다.
본 발명의 실시 예는 작동유를 사용하지 않고, 기계적인 접촉도 없는 비접촉식이므로 주기적인 보수가 필요 없고, 운행 중에 발생하는 저크(Jerk) 현상을 개선하는가 하면, 크리프(Creep) 현상을 효과적으로 구현하는 등의 효과까지 기대할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시 예는 스테이터의 톱니 구조를 구속하거나 구속해제하는 외부 액츄에이터로부터 간편하게 전진 및 후진을 위한 제어가 가능하여 하이브리드 또는 전기차에 적용하는 등의 기술효과를 얻는다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능한 범주 내에서는 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
11. 입력축
13. 임펠러, 13a. 임펠러 폴
15. 출력축, 15a. 제1 베어링, 15b. 제2 베어링
17. 터빈, 17a. 터빈 폴, 17b. 삽입홀, 17c. 요크
19. 스테이터, 19a. 스테이터 폴, 19c. 기어치형
21. 마그네틱 기어부
23. 와전류 환부
25. 외부 액츄에이터, 25a. 고정점, 25b. 작동편, 25c. 걸림쇠

Claims (4)

  1. 엔진의 토크를 전달하는 입력축에 결합되어 함께 회전하는 임펠러,
    상기 임펠러와 마주하는 위치에 배치되며 출력축에 결합되는 터빈,
    상기 터빈을 사이에 두고 상기 임펠러와 상반된 바깥쪽에 위치하도록 상기 출력축 상에 배치되는 스테이터를 포함하고,
    상기 임펠러와 상기 스테이터는 상기 출력축 상의 제1 베어링 및 제2 베어링에 의해 각각의 개별 회전이 가능하게 구비되며,
    상기 터빈과 양쪽으로 마주하는 상기 임펠러와 상기 스테이터의 대응 원주면 상에는 기어비에 따라 토크의 전달력을 끌어올리는 마그네틱 기어부를 포함하고,
    상기 임펠러와 상기 터빈 간에는 작동 중 와전류를 일으켜 상기 출력축의 회전 속도를 높이는 와전류 환부를 포함하고,
    상기 스테이터는 외륜에 연계되어 차량의 전진 또는 후진을 위한 모터의 회전 방향에 따라 상기 스테이터의 회전 상태를 구속하거나 구속해제하는 외부 액츄에이터를 포함하는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터의 외륜 부위는 톱니 형상의 기어치형으로 형성된 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 액츄에이터는 피벗식 힌지 고정점으로부터 회동 가능하게 고정되고, 한쪽 끝단은 탄성지지되고 다른 쪽 끝단은 구속 또는 구속해제를 위한 유격거리를 조절하는 작동편에 의해 지지된 걸림쇠 형태로 이루어지는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 작동편은 작동 지점이 한쪽으로 편중된 형태의 회전형 원판으로 구비되는 하이브리드 및 전기차용 전자기 토크 컨버터.
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