KR20190024426A - 전기자동차용 파워트레인 - Google Patents

전기자동차용 파워트레인 Download PDF

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Abstract

본 발명은 와전류에 의한 동력전달을 통해 트랙션 모터에 전달되는 부하를 일부 지연시켜 전류 소모를 저감하는 전기자동차용 파워트레인을 개시한다.
본 발명의 전기자동차용 파워트레인은 전기자동차의 구동원인 트랙션 모터, 상기 트랙션 모터의 구동력을 전달받아 상기 트랙션 모터의 구동력을 차륜에 전달하는 감속기, 상기 트랙션 모터와 상기 감속기 사이에 위치하여 상기 트랙션 모터의 동력을 와전류에 의하여 상기 감속기로 전달하는 전자기 클러치를 포함하며, 상기 감속기는 상기 모터의 구동력을 상기 전자기 클러치를 통하여 전달받는다.

Description

전기자동차용 파워트레인{Power train for electric vehicles}
본 발명은 와전류에 의한 동력전달을 통해 트랙션 모터에 전달되는 부하를 일부 지연시켜 전류 소모를 저감하는 전기자동차용 파워트레인에 관한 것이다.
전기자동차(electric vehicle)는 배터리의 전원을 이용하여 주행이 가능한 자동차로서, 종래의 전기자동차용 파워트레인은 트랙션 모터와 감속기가 직결되어 동력이 전달되며, 차량 특성에 따른 기어비를 통해 구동 축으로 동력이 전달된다.
이러한 전기자동차의 파워트레인은 트랙션 모터의 최대 토크에 따라 발진 성능이 결정되는데, 차량 발진 시 최대 토크가 발생되며 트랙션 모터가 저효율로 구동된다.
이러한 종래의 전기자동차의 파워트레인은 시내주행과 같이 발진이 빈번한 조건에서는 트랙션 모터가 저효율로 구동되는 시간이 증가하게 되므로 전류 소모가 많아져 연비 저하가 발생되는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0148939호(2016. 12. 27 공개)
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 전기자동차의 발진 시 와류발생에 의한 동력전달 방식을 통하여 트랙션 모터의 저효율 동작 시간을 단축시킴으로써 전류 소모를 최소화할 수 있는 전기자동차의 파워트레인을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기자동차의 구동원인 트랙션 모터, 상기 트랙션 모터의 구동력을 전달받아 상기 트랙션 모터의 구동력을 차륜에 전달하는 감속기, 상기 트랙션 모터와 상기 감속기 사이에 위치하여 상기 트랙션 모터의 동력을 와전류에 의하여 상기 감속기로 전달하는 전자기 클러치를 포함하며, 상기 감속기는 상기 모터의 구동력을 상기 전자기 클러치를 통하여 전달받는 전기자동차용 파워트레인을 제공한다.
상기 트랙션 모터에는 전자기 클러치 방향으로 모터 입력축이 형성되고, 상기 감속기에는 전자기 클러치 방향으로 변속기 출력축이 형성되며, 상기 전자기 클러치는 상기 모터 입력축에 연결되는 프론트 커버, 상기 프론트 커버의 프론트 커버 밴딩부 내측에 결합되는 영구자석, 상기 프론트 커버의 내측에 배치되는 터빈, 상기 변속기 출력축을 수용하며 상기 터빈과 결합되는 스플라인 허브, 그리고 상기 스플라인 허브와 직결되며 발진 구간에서는 상기 프론트 커버와 상기 스플라인 허브를 이격시키고 상기 발진 구간 이후 주행 구간에서는 상기 프론트 커버와 상기 스플라인 허브를 직결시키는 록업 클러치부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 프론트 커버는 상기 트랙션 모터의 상기 모터 입력축을 수용하는 입력축 수용홀, 내주면에 상기 영구자석이 결합되는 프론트 커버 밴딩부, 상기 트랙션 모터의 반대편인 내측면의 중심에 상기 변속기 출력축이 결합되는 출력축 수용홀, 상기 출력축 수용홀의 내주면에 배치되어 상기 스플라인 허브의 외주면에 결합되는 베어링, 그리고 상기 주행 구간에서 상기 록업 클러치부와 직결되는 록업링을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스플라인 허브는 상기 변속기 출력축을 직결시키는 스플라인 홀, 상기 터빈과 결합시키는 스플라인 결합홀, 상기 록업 클러치부를 고정하는 고정돌출부, 그리고 상기 록업 클러치부의 위치를 지지하는 스토퍼를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 록업 클러치부는 질량체, 상기 질량체와 상기 고정돌출부를 연결하고 탄성력을 제공하는 지지스프링, 그리고 상기 질량체의 일측에 제공되어 발진구간에서 상기 록업링과 이격되고 발진구간 이후 주행구간에서는 상기 록업링과 밀착 직결되는 마찰재를 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 실시예는 전기자동차의 발진 시 와전류 발생에 의한 동력전달방식으로 저효율 동작 시간을 단축시켜 전류 소모를 최소화하여 연비를 증대시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인의 전자기 클러치를 분해하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 프론트 커버를 다른 측면에서 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 터빈, 스플라인 허브, 그리고 록업 클러치부를 확대 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인의 전자기 클러치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인의 발진 구간에서의 작동 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인의 주행 구간에서의 작동 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 따른 전기자동차용 파워트레인의 전체 구성을 도시한 도면으로서 특히 전자기 클러치와 감속기의 단면을 도시하고 있다. 도 2는 전자기 클러치를 분해하여 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 도 2의 구성 중 일부를 확대 도시하고 있으며, 도 5는 전자기 클러치의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 파워트레인은 트랙션 모터(100), 감속기(300), 그리고 전자기 클러치(500)를 포함한다.
전기자동차의 구동원인 트랙션 모터(100)는 모터 입력축(110)을 구비한다. 모터 입력축(110)은 전자기 클러치(500) 방향으로 배치되어 트랙션 모터(100)의 회전력을 전자기 클러치(500)로 전달한다.
감속기(300)는 트랙션 모터(100)의 회전력을 전자기 클러치(500)를 통하여 전달받는다. 감속기(300)에는 전자기 클러치(500)로부터 회전력이 전달되는 변속기 출력축(310)이 전자기 클러치(500) 방향으로 배치된다. 즉, 감속기(300)의 변속기 출력축(310)은 후술하는 스플라인 허브(570)에 결합된다.
감속기(300)는 클러치 수용부(330)를 포함할 수 있다. 클러치 수용부(330)는 감속기(330)를 이루는 케이스에서 일부가 연장되어 전자기 클러치(500)의 일부 또는 전체가 수용될 수 있도록 제공되는 것이 바람직하다. 전자기 클러치(500)는 트랙션 모터(100)와 감속기(300) 사이에 배치되어 트랙션 모터(100)의 구동력을 전달받아 회전하며, 회전력을 감속기(300)로 전달한다.
전자기 클러치(500)는 프론트 커버(510), 영구자석(530), 터빈(550), 스플라인 허브(570), 그리고 록업 클러치부(590)를 포함한다.
프론트 커버(510)는 입력축 수용홀(511), 프론트 커버 리브(512), 그리고 프론트 커버 밴딩부(513)을 포함할 수 있다.
프론트 커버(510)의 입력축 수용홀(511)은 트랙션 모터(100)의 모터 입력축(110)이 수용되어 결합되는 부분이다.
프론트 커버(510)는 모터 입력축(110)과 결합하여 함께 회전한다. 이러한 입력축 수용홀(511)은 프론트 커버 리브(512)에서 트랙션 모터(100)를 마주보는 외측면의 중심에서 연장될 수 있다. 따라서, 모터 입력축(110)이 회전할 때, 모터 입력축(110)의 회전 속도와 동일한 회전 속도로 프론트 커버(510)가 회전한다.
프론트 커버(510)의 프론트 커버 리브(512)는 회전축을 중심으로 방사상 방향으로 연장되어 대략 원형으로 이루어진다.
프론트 커버(510)의 프론트 커버 밴딩부(513)는 프론트 커버 리브(512)로부터 감속기 방향을 향하는 회전중심축과 나란한 방향으로 연장된다. 프론트 커버 밴딩부(513)는 그의 내주면이 일정한 면적을 갖는 원호를 형성하는 형태로 제공된다. 프론트 커버 밴딩부(513)는 그의 내주면에 돌출부(A)가 일정한 간격으로 형성된다. 그리고 돌출부(A)들 사이에는 홈부(B)가 제공된다. 즉, 프론트 커버 밴딩부(513)는 그의 내주면이 돌출부(A)에 의해 일정한 간격으로 구획된다. 프론트 커버 밴딩부(513)의 내측면 돌출부(A) 사이에 제공된 홈부(B)에는 영구자석(530)이 결합된다.
프론트 커버 리브(512)에는 트랙션 모터(100)의 반대편인 내측면의 중심에 변속기 출력축(310)을 수용하는 출력축 수용홀(515)이 형성된다. 변속기 출력축(310)은 스플라인 허브(570)에 결합되어 출력축 수용홀(515)에 수용될 수 있다. 그리고 출력축 수용홀(515)에는 베어링(519)이 배치된다. 베어링(519)은 외륜은 출력축 수용홀(515)의 내주면에 결합되고, 내륜은 스플라인 허브(570)의 외주면에 결합된다. 따라서 프론트 커버(501)는 스플라인 허브(570)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다.
록업링(517)이 프론트 커버(510)에 제공된다(도 2 내지 도 4에서는 영구자석 결합 부위를 보여주기 위해서 또한 록업 메커니즘을 설명하기 위하여 편의상 록업링(517)을 터빈(550)과 함께 도시하였다). 록업링(517)은 발진구간에서는 록업 클러치부(590)와 이격되어 있고, 주행구간에서는 록업 클러치부(590)와 밀착 결합되어 스플라인 허브(570)의 회전이 프론트 커버(510)의 회전과 동기화된다.
영구자석(530)은 상술한 바와 같이 프론트 커버 밴딩부(513)의 내주면에 제공된 홈부(B)에 결합된다. 영구자석(530)은 일정한 크기로 제공되어 생산성을 향상시킬 수 있다.
터빈(550)은 프론트 커버(510)의 프론트 커버 밴딩부(513)의 내주측에 배치된다. 터빈(550)은 대략 원통형으로 제공되며 영구자석(530)과 상호작용으로 와전류가 발생할 수 있을 정도의 공간이 형성될 수 있는 크기로 제공된다. 즉, 터빈(550)은 그의 외경이 영구자석(530)이 이루는 직경보다 작게 이루어져 영구자석(530)과 간격이 떨어져 배치된다.
터빈(550)은 중심부에 스플라인 허브(570)가 결합된다. 터빈(550)에는 스플라인 허브(570)가 리벳 또는 볼트 등의 체결부재에 의해 결합된다. 터빈 외주면부(551)가 터빈 리브(553)로부터 연장되어 터빈(550)의 외주면을 이룬다. 터빈 외주면부(551)는 중심축과 나란한 방향으로 일정한 폭을 가지는 것이 바람직하다.
스플라인 허브(570)는 상술한 바와 같이 변속기 출력축(310)이 결합되어 구동력을 차량의 구동륜 측으로 직접 전달할 수 있다. 변속기 출력축(310)은 스플라인 홀(571) 내측에 결합되어 스플라인 허브(570)와 직결될 수 있다.
스플라인 허브(570)는 터빈(550)과 결합된다. 스플라인 허브(570)와 터빈(550)의 결합을 위해 스플라인 결합홀(573)이 제공될 수 있다.
스플라인 허브(570)는 록업 클러치부(590)를 고정하는 고정돌출부(575), 그리고 록업 클러치부(591)에 대한 스토퍼(577)를 포함할 수 있다.
록업 클러치부(590)는, 도 4 내지 도 7에서와 같이, 스플라인 허브(570)와 고정돌출부(575)를 이용하여 결합될 수 있다. 또한, 록업 클러치부(590)는 터빈(550)과 결합하는 것도 가능하다. 록업 클러치부(590)는 질량체(591), 지지스프링(593), 그리고 마찰재(595)를 포함할 수 있다.
지지스프링(593)은 질량체(591)와 고정돌출부(575)를 연결하고, 스토퍼(577)와 함께 질량체(591)의 위치를 지지한다. 원심력이 록업 클러치부(590)에 충분히 가해지면 질량체(590)의 외측에 제공되는 마찰재(595)가 록업링(517)과 밀착 직결되어 록업 클러치부(590)의 회전이 록업링(517)과 동기화된다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예의 작동 과정은 다음과 같다.
도 6은 초기 발진단계에서 트랙션 모터(100)의 회전력이 전자기 클러치(500)를 통해서 변속기 출력축(310)으로 전달되는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 전기자동차용 파워트레인에 별도의 전력공급장치(도시생략)에 의해 전력이 공급되기 전, 전자기 클러치(500)의 상태는 프론트 커버(510)와 록업 클러치부(590)가 이격되어 있는 상태이다. 따라서, 트랙션 모터(100)와 감속기(300)도 이격되어 있다.
전력이 공급되어 트랙션 모터(100)가 구동되면 모터 입력축(110)이 회전한다. 모터 입력축(110)이 회전하면 프론트 커버(510)도 회전한다. 그리고, 프론트 커버 밴딩부(513) 내측에 결합되어 있는 영구자석(530)의 회전에 의하여 와전류가 발생한다. 영구자석(530)의 회전에 의하여 발생되는 와전류는 터빈(550)을 회전시키고, 터빈(550)과 결합되어 있는 스플라인 허브(570)도 회전하게 된다. 스플라인 허브(570)의 회전은 스플라인 홀(571)에 수용되어 있는 변속기 출력축(310)을 회전시켜 회전력을 감속기(300)로 전달하게 된다.
즉, 초기 발진 구간에서는, 트랙션 모터(100)와 감속기(300)가 이격되어 있어, 전자기 클러치(500)가 발생시키는 와전류에 의하여 트랙션 모터(100)의 동력을 감속기(300)로 전달함으로써, 전달 부하를 일부 지연시키게 된다.
도 7은 발진단계 이후의 주행단계에서 트랙션 모터(100)의 회전력이 전자기 클러치(500)를 통해서 변속기 출력축(310)으로 전달되는 과정을 도시한 도면이다.
터빈(550)의 회전이 빨라져서 원심력이 록업 클러치부(590)의 지지스프링(593)의 인력보다 커지면 질량체(591) 사이의 간격이 벌어지고 마찰재(595)가 록업링(517)과 밀착 직결되어 록업링(517)과 같이 회전하게 된다(주행단계). 도 7을 참고하여 설명하면, 모터 입력축(110)의 회전은 프론트 커버(510)를 회전시키고 프론트 커버(510)에 제공되는 록업링(517)도 함께 회전한다. 록업링(517)의 회전은 록업링(517)에 밀착되어 있는 마찰재(595)를 통해 록업 클러치부(590)를 회전시키고, 록업 클러치부(590)의 회전은 스플라인 허브(570)를 통해 변속기 출력축(310)에 전달된다.
도 8은 본 발명의 실시예의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a)는 기존 방식의 전기자동차의 전류 소모 패턴을 나타내는 그래프이다. 기존 방식의 전기자동차는 초기 발진 시부터 트랙션 모터의 동력이 감속기로 직접 전달되므로, 고 토크가 발생되어 이에 따라 전류가 많이 소모된다.
도 8의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 전류 소모 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차는 초기 발진 구간에서 트랙션 모터에 전달되는 부하가 일부 지연되므로 전류 소모를 최소화할 수 있다. 이에 따라 연비 개선이 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100. 트랙션 모터 110. 모터 입력축
300. 감속기 310. 변속기 출력축
330. 클러치 수용부 500. 전자기 클러치
510. 프론트 커버 511. 입력축 수용홀
512. 프론트 커버 리브 513. 프론트 커버 밴딩부
515. 출력축 수용홀 517. 록업링
519. 베어링 530. 영구자석
550. 터빈 551. 터빈 외주
553. 터빈 리브 570. 스플라인 허브
571. 스플라인 홀 573. 스플라인 결합홀
575. 고정돌출부 577. 스토퍼
590. 록업 클러치부 591. 질량체
593. 지지스프링 595. 마찰재

Claims (5)

  1. 전기자동차의 구동원인 트랙션 모터,
    상기 트랙션 모터의 구동력을 전달받아 상기 트랙션 모터의 구동력을 차륜에 전달하는 감속기,
    상기 트랙션 모터와 상기 감속기 사이에 위치하여 상기 트랙션 모터의 동력을 와전류에 의하여 상기 감속기로 전달하는 전자기 클러치를 포함하며,
    상기 감속기는 상기 모터의 구동력을 상기 전자기 클러치를 통하여 전달받는
    전기자동차용 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랙션 모터에는 전자기 클러치 방향으로 모터 입력축이 형성되고,
    상기 감속기에는 전자기 클러치 방향으로 변속기 출력축이 형성되며,
    상기 전자기 클러치는
    상기 모터 입력축에 연결되는 프론트 커버,
    상기 프론트 커버의 내측에 결합되는 영구자석,
    상기 프론트 커버의 내측에 배치되는 터빈,
    상기 변속기 출력축을 수용하며 상기 터빈과 결합되는 스플라인 허브, 그리고
    상기 스플라인 허브와 결합되며 발진 구간에서는 상기 프론트 커버와 상기 스플라인 허브를 이격시키고 상기 발진 구간 이후 주행 구간에서는 상기 프론트 커버와 상기 스플라인 허브를 직결시키는 록업 클러치부를 포함하는
    전기자동차용 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 프론트 커버는
    상기 트랙션 모터의 상기 모터 입력축을 수용하는 입력축 수용홀,
    내주면에 상기 영구자석이 결합되는 프론트 커버 밴딩부,
    상기 트랙션 모터의 반대편인 내측면의 중심에 상기 변속기 출력축이 결합되는 출력축 수용홀,
    상기 출력축 수용홀의 내주면에 배치되어 상기 스플라인 허브의 외주면에 결합되는 베어링, 그리고
    상기 주행 구간에서 상기 록업 클러치부와 직결되는 록업링을 포함하는
    전기자동차용 파워트레인.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 스플라인 허브는
    상기 변속기 출력축을 직결시키는 스플라인 홀,
    상기 터빈과 결합시키는 스플라인 결합홀,
    상기 록업 클러치부를 고정하는 고정돌출부, 그리고
    상기 록업 클러치부의 위치를 지지하는 스토퍼를 포함하는
    전기자동차용 파워트레인.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 록업 클러치부는
    질량체,
    상기 질량체와 상기 고정돌출부와 연결하고 탄성력을 제공하는 지지스프링, 그리고
    상기 질량체의 일측에 제공되어 발진구간에서 상기 록업링과 이격되고 발진구간 이후 주행구간에서는 상기 록업링과 밀착 직결되는 마찰재를 포함하는
    전기자동차용 파워트레인.
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