KR20190023310A - 전기차용 변속기, 및 이의 제어방법 - Google Patents

전기차용 변속기, 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기는 선 기어, 피니언 기어, 링 기어, 및 캐리어를 포함하고, 상기 선 기어가 입력축을 통해서 모터로부터 회전력을 입력받고, 상기 캐리어가 출력축을 통해서 토크를 출력하는 유성 기어 세트, 상기 링 기어의 둘레를 따라서 상기 링 기어와 설정된 거리를 두고 배치되는 고정링, 및 상기 유성 기어 세트의 상기 링 기어와 상기 고정링 사이의 자기력을 형성하여, 상기 링 기어의 회전을 제어하는 제1 구속수단을 포함할 수 있다.

Description

전기차용 변속기, 및 이의 제어방법{TRANSMISSION OF ELECTRIC VEHICLE, AND THE CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전기차용 변속기에 대한 것으로, 입력축을 통해서 모터의 회전력을 전달받고, 출력축을 통해서 설정된 회전속도와 토크를 갖는 토크를 출력하는 전기차용 변속기, 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
전기차는 전기로 구동되는 모터를 탑재하여, 상기 모터에서 출력되는 동력을 이용하여 차량을 구동시킨다.
상기 모터는 종래 내연기관인 엔진과 달리, 저속 영역에서부터 비교적 고속영역에 이르기까지 출력되는 토크의 특성이 비교적 우수하여, 모터 만의 속도 및 토크 조절로 차량의 구동이 가능하다. 하지만, 변속기를 탑재하면, 모터의 크기와 용량대비 보다 우수한 동력 성능을 발휘할 수 있다.
따라서, 일반적인 전기차에서는 모터로부터의 동력을 구동륜으로 전달하는 과정에서 토크와 속도를 조절할 수 있는 변속기를 구비한다.
종래 내연기관과 함께 사용되던 변속기와는 달리 비교적 적은 변속단을 구비한 변속기를 장착하여, 변속기의 장착에 따른 중량과 비용 등의 증가는 줄이고, 모터의 크기와 용량을 줄이며, 종래 내연기관 엔진에 대응하는 동력성능을 확보할 수 있다.
비교적 간단한 구성으로 저렴하게 구성할 수 있으면서도, 동력전달 효율이 우수한 변속 메커니즘으로, 1단 변속기 또는 2단 변속기가 있는데, 1단 변속기는 감속비의 변경이 불가하여 고속 주행에 효율이 떨어지고, 2단 감속기는 내구성과 신뢰성을 확보해야만 한다.
아울러, 종래 수동 변속기에서 사용하는 싱크로 방식도 있는데, 이 경우에는 변속시 출력축으로 제공되는 토크가 완전히 차단되는 변속구간이 발생하여 변속충격이 발생할 수 있고, 변속구간에서 동력손실이 존재한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 특허 공개번호; 10-1994-0013931
본 발명의 목적은 비교적 간단한 변속기의 구조를 통해서 저속과 고속에서 변속기의 효율을 저하시키지 않으면서 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기차용 변속기, 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기는 선 기어, 피니언 기어, 링 기어, 및 캐리어를 포함하고, 상기 선 기어가 입력축을 통해서 모터로부터 회전력을 입력받고, 상기 캐리어가 출력축을 통해서 토크를 출력하는 유성 기어 세트, 상기 링 기어의 둘레를 따라서 상기 링 기어와 설정된 거리를 두고 배치되는 고정링, 및 상기 유성 기어 세트의 상기 링 기어와 상기 고정링 사이의 자기력을 형성하여, 상기 링 기어의 회전을 제어하는 제1 구속수단을 포함할 수 있다.
상기 제1 구속수단은, 상기 고정링에 고정된 제1 전자석을 포함하고, 상기 제1 전자석과 마주하는 상기 링기어의 일측에는 전도성재질이 형성될 수 있다.
상기 전도성재질은 Cu를 포함할 수 있다.
상기 입력축의 일측과 상기 캐리어의 일측 사이에 맴돌이전류(eddy current)를 발생시키는 제2 구속수단을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 구속수단은, 상기 입력축과 함께 회전하는 회전부재, 상기 회전부재의 일측 또는 상기 캐리어의 일측에 고정되는 영구자석, 및 상기 영구자석과 마주하여 상기 캐리어의 일측 또는 상기 회전부재의 일측에 고정되는 고정자를 포함할 수 있다.
상기 고정자는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
상기 모터 또는 상기 전자석으로 인가되는 전류를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서 유성 기어 세트의 선 기어 측으로 입력축의 회전력이 입력되고, 상기 유성 기어 세트의 캐리어에 연결된 출력축으로 회전력이 출력되는 전기차용 변속기의 제어방법은 운행조건을 감지하는 단계, 및 감지된 운행조건에 따라서, 제1 구속수단의 전자석의 전자기력에 의해서 유성 기어 세트의 링 기어의 회전을 구속할 수 있다.
제2 구속수단의 영구자석에 의해서 상기 입력축의 일측과 상기 캐리어의 일측에 형성된 고정자 사이에 맴돌이전류가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 유성 기어 세트의 링 기어의 회전을 전자기력으로 제어하고, 입력축과 캐리어 또는 입력축과 링 기어 사이에 맴돌이 전류를 형성하여, 저속 또는 고속에서 변속기의 효율을 저하시키지 않을 수 있다.
또한, 다양한 운전조건에 따라서 유성 기어 세트에 전자기력 또는 맴돌이전류를 형성하여 출력축의 회전속도와 토크를 연속적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제어를 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제1 회전력 전달경로를 보여주는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제2 회전력 전달경로를 보여주는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차용 변속기의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 개략적인 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 일부 단면도이다.
도 1, 및 2를 참조하면, 전기차용 변속기는 모터(100), 입력축(110), 회전부재(146), 영구자석(140), 고정자(142), 입력측 캐리어(152a), 피니언 샤프트(126), 피니언 기어(122), 선 기어(120), 링 기어(124), (130), 전자석(132), 고정링(160), 출력측 캐리어(152b), 및 출력축(150)을 포함한다.
유성 기어 세트(128)는 선 기어(120), 피니언 기어(122), 링 기어(124), 피니언 샤프트(126), 입력측 캐리어(152a), 및 출력측 캐리어(152b)를 포함한다.
그리고, 상기 입력축(110)은 상기 입력측 캐리어(152a)를 관통하여 상기 선 기어(120)와 연결되고, 상기 출력축(150)은 상기 출력측 캐리어(152b)에 연결된다. 여기서, 상기 입력축(110), 상기 선 기어(120), 및 상기 출력축(150)은 동축 선상에 배열된다.
상기 링 기어(124)의 외주면에는 전도성재질(도면 부호 미표시)이 형성되고, 이 전도성재질은 Cu를 포함할 수 있다. 또한, 상기 고정링(160)은 상기 링 기어(124)의 외주면과 설정된 간격을 두고 고정되어 배치되고, 상기 고정링(160)의 내주면에는 전자석(132)이 고정되어 배열된다.
상기 회전부재(146)는 상기 입력축(110)과 함께 회전하도록 상기 입력축(110)에 고정되고, 상기 회전부재(146)의 일면에는 영구자석(140)이 회전방향으로 설정된 간격을 두고 배열된다. 그리고, 상기 영구자석(140)과 마주하여 상기 입력측 캐리어(152a)의 일면에는 고정자(142)가 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전자석(132)이 상기 고정링(160)에 배치되어 있으나, 상기 전자석(132)이 상기 링기어(124)에 배치되고, 전도성 부재가 상기 고정링(160)에 배치될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서, 상기 영구자석(140)이 상기 회전부재(146)에 배치되고, 상기 고정자(142)가 상기 입력측 캐리어(152a)에 배치되어 있으나, 상기 영구자석(140)이 상기 입력측 캐리어(152a)에 배치되고, 상기 고정자(142)가 상기 회전부재(146)에 배치될 수 있다.
또한, 상기 고정자(142)는 맴돌이전류를 형성하기 위해서 구리(Cu) 재질로 만들어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 상기 모터(100)의 회전력은 상기 입력축으로 전달되고, 상기 입력축은 상기 선 기어(120)로 회전력을 전달한다.
상기 전자석으로 전원이 인가되면, 상기 링기어(124)의 전도성재질과 상기 전자석(132) 사이에 전자기력이 발생하여, 상기 전자석(132)이 상기 (130)을 고정시켜, 상기 링 기어(124)의 회전을 제한한다.
따라서, 상기 선 기어(120)에 의해서 상기 피니언 기어(122)가 회전하고, 상기 피니언 샤프트(126), 상기 입력측 캐리어(152a), 및 상기 출력측 캐리어(152b)가 상기 선 기어(120)를 중심으로 회전하고, 상기 출력측 캐리어(152b)에 연결된 상기 출력축(150)이 일방향으로 회전할 수 있다.
또한, 상기 영구자석(140)과 상기 고정자(142) 사이에 전자기력이 발생하여, 상기 고정자(142)와 상기 영구자석(140) 사이에 맴돌이전류(eddy current)가 형성된다.
그리고, 상기 입력축(110)과 상기 회전부재(146)의 회전력이 상기 입력측 캐리어(152a), 상기 피니언 기어(122), 및 상기 출력측 캐리어(152b)로 전달된다.
따라서, 상기 입력축(110)의 회전력은 상기 회전부재(146), 상기 영구자석(140), 상기 고정자(142), 상기 입력측 캐리어(152a), 상기 피니언 샤프트(126), 및 상기 출력측 캐리어(152b)를 통해서 상기 출력축(150)으로 직접 전달된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제어를 위한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 제어부(320)는 엔진의 운행조건을 수신하고, 수신된 운행조건(모터의 부하 또는 출력속도)에 따라서 제1 구속수단(300) 또는 모터(100) 제어한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 구속수단(300)은 전자석(132)를 포함하고, 상기 전자석(132)에 인가되는 전원을 제어할 수 있다.
상기 제어부(320)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제1 회전력 전달경로를 보여주는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 상기 전자석(132)으로 전원이 인가되고, 상기 링 기어(124)가 고정되어 입력축(110)의 속도는 유성 기어 세트(128)의 기어비에 따라서 감속되어 토크가 증가되고, 출력축(150)은 저속으로 회전할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제2 회전력 전달경로를 보여주는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 상기 전자석(132)으로 전원이 인가되지 않는 경우에, 상기 링 기어(124)는 자유회전 상태로 전환되고, 상기 입력축(110)의 회전력은 유성 기어 세트(128)를 통해서 그대로 상기 출력축(150)으로 전달되어 토크는 감소하고, 출력축(150)은 고속으로 회전할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차용 변속기의 구성도이고, 도 7에서는 도 3과 비교하여 특징적인 차이점에 대해서 설명하고, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.
도 7을 참조하면, 상기 회전부재(146)의 일면에는 영구자석(140)이 배치되고, 상기 링 기어(124)의 일면에는 상기 영구자석(140)과 마주하는 고정자(142)가 배치된다.
따라서, 상기 영구자석(140)에 전원이 인가되면, 상기 입력축(110)의 회전력은 상기 링 기어(124)와 상기 선 기어(120)로 전달되고, 결국 상기 입력축(110)의 회전력은 상기 출력축으로 출력된다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 회전부재(146)의 일면에 상기 고정자(142)가 배치되고, 상기 링 기어(124)의 일면에 상기 영구자석(140)이 배치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기차용 변속기의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, S700에서 제어가 시작되고, S710에서 운행조건이 감지된다. 여기서, 운행조건은 모터의 목표 출력토크, 목표 회전속도 등을 포함할 수 있다.
S720에서 제1조건이 만족되면, S730을 수행한다. S730에서 제어부(320)는 상기 전자석(132)으로 미리 설정된 전원을 인가하여, 변속기가 높은 토크를 출력하도록 한다.
또한, 상기 제1조건이 만족되지 않고, 제2조건이 만족되면, S735에서 제어부(320)는 상기 전자석(132)으로 인가되는 전원을 차단하고, 변속기가 높은 회전속도를 출력하도록 한다. 그리고, S740에서 제어를 종료한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서, 유성 기어 세트(128)의 링 기어(124)의 회전을 전자기력으로 제어하고, 입력축(110)과 캐리어(152a, b) 또는 입력축(110)과 링 기어(124) 사이에 맴돌이 전류를 형성하여, 저속 또는 고속에서 변속기의 효율을 저하시키지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 다양한 운전조건에 따라서 유성 기어 세트(128)의 설정된 위치에 전자기력 또는 맴돌이전류를 형성하여 출력축(150)의 회전속도와 토크를 연속적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전자석(132)은 일반적인 모터에 적용되는 회전자의 구조를 선택적으로 포함할 수 있고, 고정자와 영구자석도 일반적인 모터에 적용되는 고정자와 회전자의 구조를 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 모터 110: 입력축
120: 선 기어 122: 피니언 기어
124: 링 기어 126: 피니언 샤프트
128: 유성 기어 세트 132: 전자석
140: 영구자석 142: 고정자
146: 회전부재 150: 출력축
152a: 입력측 캐리어 152b: 출력측 캐리어
160: 고정링 300: 제1 구속수단
310: 제2 구속수단 320: 제어부

Claims (9)

  1. 선 기어, 피니언 기어, 링 기어, 및 캐리어를 포함하고, 상기 선 기어가 입력축을 통해서 모터로부터 회전력을 입력받고, 상기 캐리어가 출력축을 통해서 토크를 출력하는 유성 기어 세트;
    상기 링 기어의 둘레를 따라서 상기 링 기어와 설정된 거리를 두고 배치되는 고정링; 및
    상기 유성 기어 세트의 상기 링 기어와 상기 고정링 사이의 자기력을 형성하여, 상기 링 기어의 회전을 제어하는 제1 구속수단을 포함하는 전기차용 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구속수단은,
    상기 고정링에 고정된 제1 전자석을 포함하고, 상기 제1 전자석과 마주하는 상기 링기어의 일측에는 전도성재질이 형성된 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성재질은 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 입력축의 일측과 상기 캐리어의 일측 사이에 맴돌이전류(eddy current)를 발생시키는 제2 구속수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 구속수단은,
    상기 입력축과 함께 회전하는 회전부재;
    상기 회전부재의 일측 또는 상기 캐리어의 일측에 고정되는 영구자석; 및
    상기 영구자석과 마주하여 상기 캐리어의 일측 또는 상기 회전부재의 일측에 고정되는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정자는 구리(Cu)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 모터 또는 상기 전자석으로 인가되는 전류를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기.
  8. 유성 기어 세트의 선 기어 측으로 입력축의 회전력이 입력되고, 상기 유성 기어 세트의 캐리어에 연결된 출력축으로 회전력이 출력되는 전기차용 변속기의 제어방법에 있어서,
    운행조건을 감지하는 단계; 및
    감지된 운행조건에 따라서, 제1 구속수단의 전자석의 전자기력에 의해서 유성 기어 세트의 링 기어의 회전을 구속하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    제2 구속수단의 영구자석에 의해서 상기 입력축의 일측과 상기 캐리어의 일측에 형성된 고정자 사이에 맴돌이전류가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기차용 변속기의 제어방법.
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