KR20220097595A - 인휠 헥사모터 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차 바퀴 내부에 동력원인 모터가 구비되는 인휠 모터 방식의 차량에 있어서, 상기 바퀴는 타이어와 차중을 지지하고 동력을 전달하는 휠(wheel); 상기 휠의 허브와 디스크, 타이어와 접하는 림과 연결부인 스포크; 상기 휠의 회전력을 지지하는 전동축과 허브베어링; 및 상기 전동축과 허브베어링을 격납하고 지지하는 모터함체부; 를 포함하여 구성된다. 상기 모터함체부에는 자동차 동력원인 6개의 구동모터(헥사모터)와 구동기어와, 상기 6개의 구동기어에 외접하여 맞물리는 1개의 피동기어를 구비하되, 상기 1개 피동기어와 상기 6개 구동기어는 상기 1개 피동기어를 중심으로 그 둘레에 상기 6개의 구동기어가 육방방사형으로 배치되어, 총 7개 기어가 결합된 외접복합기어열(compound gear trains)로 형성하여, 7개 기어 동시구동에 의한 다수의 모터가 출발, 가속, 정속, 감속, 정지와 같은 모드별 협력형구동방식으로 필요 토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)으로, 전동축의 구동벡터 합력을 증대시키고, 상기 구동기어와 피동기어는 각기 반대방향 회전과, 상이한 회전각속도 및 위상각도로 상기 6개 구동 모터의 구동력을 상기 1개의 피동기어를 통해 상기 전동축과 휠 및 타이어로 전달하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다. 또한 이에 따른 진동절연 대책과 냉각방안을 제공한다.
Description
본 발명은 자동차의 동력원인 모터가 타이어와 휠(wheel)로 구성되는 바퀴 내부 휠(wheel)내에 위치하는 인휠모터 차륜구조체에 관한 것으로, 구체적으로 6개 구동모터가 휠 내부에 장착된 인휠 헥사모터 시스템으로, 휠의 스포크를 익형을 갖는 블레이드팬의 형상으로 개선하여 주행풍을 가속하고 6개 구동모터 사이공간에 냉각 핀을 갖는 냉각공기유동구로 열교환 통로를 확보하는 공랭식 냉각방식을 기본으로 수랭식 혹은 상변화물질 냉각방식과 조합하는 하이브리드냉각 시스템 및 허브스프링과 고무댐퍼를 적용한 바퀴부의 전단진동절연 시스템에 관한 것이다.
130여 년 자동차산업 역사에서 한정된 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차에서 전기자동차를 기반으로 운전자가 직접 조작하지 않아도 자동차가 주행환경을 인식해 위험을 판단하고 주행경로를 계획해 스스로 운전하는 자동차인 자율주행차(autonomous vehicle)로의 패러다임이 빠르게 변화하고 있다.
일반적으로 전기자동차는 구동방법에 따라 전동기에서 발생된 동력을 전동축(transmission shaft)과 차동장치를 통해 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과 전동기를 차량바퀴 내부에 장착하는 인휠(in-wheel) 전기구동시스템으로 구분되고, 인휠 시스템은 구현방법에 따라 구동 모터만 휠 안에 장착하여 기존 서스펜션장치와 공존하는 단순 인휠 시스템과 구동모터와 함께 제동, 조향, 현가 시스템 전체를 휠 안에 장착하는 통합 인휠 시스템으로 대별할 수 있다.
인휠모터 시스템은 바퀴의 휠(wheel)안에 구동 및 제동 장치를 일체화한 것으로 차동장치나 구동축 등의 동력전달계통(power train)의 부품을 제거하고 기계적 손실을 줄여 에너지 효율향상과 각 휠마다 구동력을 자유롭게 바꾸는 토크벡터링(torque vectoring)과 모션제어 및 능동적인 디퍼렌셜 기능 제어로 주행성능과 조향성능을 향상시키며, 차량자세제어(electric stability control)와 자동주차 시스템(smart parking assist system) 및 자율주행시스템(autonomous driving system)의 구현이 비교적 용이하다.
또한, 4륜 휠의 구동력과 제동력을 독립 제어함으로 빠른 응답성, 차량의 가감속 운동 제어와 선회운동 제어를 네 바퀴에서 직접 수행하여 고도의 운동성능 실현, 차량의 안정성 증대, 차량 중량감소로 연비개선, 실내 서비스 공간의 추가 확보로 차량 레이아웃이나 디자인의 자유도가 향상되는 장점이 있다.
그러나 인휠모터 시스템은 실제 산업에서의 응용측면에서 휠이라는 제한된 공간에 여러 기계와 전자부품들이 복잡한 구조로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구되며, 그 중 핵심부품인 모터는 소형화와 고출력 특성과 함께 내구성 확보를 위하여 열에너지로 방출되는 코일의 동손(copper loss), 코어의 철손(iron loss), 베어링과 기어 등의 기계손, 풍손과 같은 손실(입력-출력)에너지를 소산시키는 경제적 냉각방식과 바퀴의 진동절연 대책이 병행되어야 한다.
상기 인휠모터 시스템의 냉각과 진동절연문제는 전동축(transmission shaft)과 차동장치를 통해 동력을 각 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과는 다르게, 노면 충격에 의한 진동이 가장 심한 위치의 좁은 공간에 모터가 장착되어 내구성 확보가 곤란하고, 차륜 내 냉각수 배관이 어려워 공랭식 밀폐형 구조를 채택함으로써 고정자 코일 권선저항에 의한 동손과 로터 영구자석의 히스테리시스 손실 및 와전류 손실에 의한 발열과 방열, 경량화, 내습(耐濕)문제가 발생되어 고효율, 고성능화, 내구성 확보가 매우 어려운 과제이다.
특히 인휠 모터는 현가장치 아래에 위치하여 휠 중량이 증가하고 모터가 자동차 바퀴와 함께 상하운동을 함으로써 자동차의 운동성능에 커다란 영향을 끼치는 현가하질량 혹은 스프링 아래 질량(unsprung mass)의 증가로 관성력이 커져 주행 중 자동차 타이어가 노면에 밀착되는 로드홀딩(load holding, 접지력)의 악화와 스프링을 통해 차체에 전달되는 진동이 증폭되어 승차감을 저하시킨다.
휠의 림 내부에 직접 모터를 설치하여 바퀴를 직접 구동하는 인휠 모터는 1898년 페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)의 발명품으로 전륜에 트랜스미션이 없이 직접 전기모터로 구동하는 방식이 개발되었으나 내연기관 자동차에 비해 경쟁력이 떨어져 단산되었다.
근래 인휠모터 개발동향은 주로 회전자(로터)가 고정자(스테이터) 외측에 위치하여 다극구조와 고토크 출력에 유리한 외전형(exterior rotor type, 外轉型)의 형상과 유랭식 혹은 수랭식 냉각방식의 영구자석 동기전동기(permanent magnet synchronous motor: PMSM)방식으로 부족한 토크를 보완하기 위해 전동기에 감속기를 부가하고 전류밀도를 높이는 방향으로 개발되고 있다.
그러나 상기 전류밀도를 높이는 고전류 방식은 전력공식 P=Vi(P: Watts, V: Volt, i: Ampere)과 P=i²R(R: Ohm)에서 열에너지로 방출되는 모터의 손실(입력-출력)인 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)이 전류 제곱(i²)에 비례하기 때문에 발열 에너지를 소산하는 방열 문제해결이 어렵고, 출력과 진동발생 측면에서 인라인(in line)모터 구동방식에 대비하여 불리한 요인으로 작용하여 실제 산업에서 적용이 미진한 상황이다.
또한 대다수 내연기관자동차, 하이브리드자동차, 전기자동차 및 종래 인휠모터시스템의 감속기(reducer)로 채택되는 유성기어장치(planetary gear trains)는 서로 맞물리는 한 쌍의 기어가 회전할 때 한 쪽의 기어가 다른 쪽의 기어축을 중심으로 공전하는 장치로, 태양기어(sun gear), 캐리어(carrier), 내접기어, 유성피니언(planetary pinion, 대개 3개 또는 4개)으로 구성되어, 구조가 복잡하고 고속회전(대략 3,000~30,000RPM)하는 엔진 혹은 모터에서 자동차의 저속주행(0~100km/h)에 필요한 감속비를 얻기 위해서는 유성기어장치를 동일축선 상에 다단 접속함으로써 휠 내부 좁은 공간에 많은 기계부품을 고밀도로 집적하여야 한다.
상기 유성기어장치는 회전반경(R)과 질량(M)이 큰 링기어를 구동하여 바퀴와 동일한 회전방향과 각속도 및 위상으로 바퀴 구동축과 동기회전하는 구조적 특성을 갖게 됨으로써 타이어와 휠 및 인휠모터의 로터와 링기어부가 회전불균형 질량 혹은 편심질량을 발생시켜 편심축 방향 하중과 힘 및 굽힘 모멘트를 생성하여 구동축이 중립축에서 벗어나는 훨링(whirling)현상을 초래한다.
상기 훨링현상은 타이어의 편심과 대형 로터 및 링기어와 같은 회전질량 불균일 요소가 상호간 결합되어 충격과 조화가진(진동)이 증폭되며, 자동차 동력계통의 가진주파수(forcing frequency, ωf)와 고유진동수(natural frequency, ωn)가 가까워질 때 발생하는 맥놀이현상(beat phenomenon)과 주파수가 같을 때 발생하는 공진(resonance, ωf=ωn=√(k/m))현상은 탄성한계를 초과하는 변형과 동력전달계통 구조물의 파손으로 이어져 인휠모터 시스템을 실제 산업상 적용함에 있어 많은 애로사항이 발생되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 해결하기 위해 종래 인휠모터 시스템의 회전반경(R)과 질량(M)이 큰 외전형 아우터로터(outer rotor)와 감속기인 유성기어장치의 내접 혹은 링기어(ring gear)를 제거하는 구성을 제공하고자 한다.
또한, 모터 운전특성을 최적화하는 위해 모터구동을 펄스입력 함수로 디지털화하여 운행 알고리즘을 단순명쾌하게 정의할 수 있는 스텝모터를 채택함으로써, 수치제어 기반의 디지털 차량운행 제어, 다중 모터화로 고출력의 구동력 확보, 인공지능(AI) 자율주행(autonomous driving)시스템 적용 용이, 협력형모터구동방식의 다단계적 회생제동 기능으로 제동품질 향상과 승차감을 개선하고자 한다.
이와 함께, 자동차 운행에 있어 승차감과 안전도를 향상시키는 진동절연 대책으로 타이어와 휠 및 모터의 진동을 흡수하여 소산(dissipating)시키는 허브스프링과 고무댐퍼의 진동절연부를 바퀴 전동축과 상기 모터함체부 사이에 구비하여 충격과 조화가진(harmonic excitation) 진동에너지를 현가장치 전단(front end)에서 감쇠시키는 전단진동흡진(front end vibration absorber/damper)기능을 제공하고자 한다.
그리고 헥사모터의 냉각을 위해 소형모터에 적합한 고전압 저전류 모터구동으로 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)을 최소화하며, 휠 림과 허브를 연결하는 스포크를 익형(airfoil, 翼型)을 갖는 블레이드 형상으로 개선하여 주행풍을 가속하여 모터냉각에 활용하고, 냉각핀을 갖는 프로파일 단면의 냉각공기유동구를 갖는 공랭식냉각방식을 기본으로 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식의 하이브리드냉각방식을 안출하여 종래 ‘인휠 모터 시스템’보다 개선된 ‘인휠 헥사모터 시스템’을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 자동차 바퀴 내부에 동력원인 모터가 구비되는 인휠 모터 방식의 차량에 있어서, 상기 바퀴는 타이어와 차중을 지지하고 동력을 전달하는 휠(wheel); 상기 휠의 허브와 디스크, 타이어와 접하는 림과 연결부인 스포크; 상기 휠의 회전력을 지지하는 전동축과 허브베어링; 및 상기 전동축과 허브베어링을 격납하고 지지하는 모터함체부; 를 포함하여 구성된다.
상기 모터함체부에는 자동차 동력원인 6개의 구동모터(헥사모터)와 구동기어와, 상기 6개의 구동기어에 외접하여 맞물리는 1개의 피동기어를 구비하되, 상기 모터함체부 외주면에 기계제동장치인 브레이크슈(shoe)가 안치되고, 휠허브 내측의 전동축과 결합되는 마운팅디스크를 구비하되, 상기 마운팅디스크 가장자리에 마운팅홀 혹은 휠볼트구멍을 두어, 휠볼트 혹은 러그너트로 휠디스크와 체결수단을 제공하며, 상기 마운팅디스크 외주면에 상기 피동기어의 이(tooth, 齒)를 구비하도록 한다.
본 발명은 이에 따라 상기 1개 피동기어와 상기 6개 구동기어는 상기 1개 피동기어를 중심으로 그 둘레에 상기 6개의 구동기어가 육방방사형으로 배치되어, 총 7개 기어가 결합된 외접복합기어열(compound gear trains)로 형성하여,
7개 기어 동시구동에 의한 다수의 모터가 출발, 가속, 정속, 감속, 정지와 같은 모드별 협력형구동방식으로 필요 토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)으로, 전동축의 구동벡터 합력을 증대시키고, 상기 구동기어와 피동기어는 각기 반대방향 회전과, 상이한 회전각속도 및 위상각도로 상기 6개 구동 모터의 구동력을 상기 1개의 피동기어를 통해 상기 전동축과 휠 및 타이어로 전달하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 휠의 허브와 타이어와 접하는 림을 연결하는 상기 스포크는 블레이드팬 형상으로 바퀴당 10 내지 30개를 구비하도록 하여 주행풍을 흡입하여 가속하는 터보팬의 로터로 활용하여 구동기어와 피동기어, 모터부와 모터함체부를 냉각시키며, 상기 블레이드팬의 익형(airfoil, 翼型)은 길이와 직경의 비인 세장비(fineness ratio)가 2.5 내지 3.5의, 좌우대칭의 타원형 익형을 갖게 하여 자동차의 주행풍을 가속하고 공기유동 흐름을 개선하고, 상기 블레이드팬의 익형에서 생성되는 양력의 벡터합력을 차체(body)의 무게중심점보다 낮은 위치에 있는 전동축원점에 집중시켜 타이어의 접지력(로드홀딩)을 증대한다. 이 때, 앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)의 크기는, 앞전과 뒷전을 연결하는 직선인 시위선(chord line) 거리 c의 0.01c 내지 0.03c 반지름 크기의 앞전과 뒷전을 갖는 좌우대칭 타원익형의 바퀴살로 휠의 림과 허브를 연결하며, 앞전에서의 받음각 혹은 앙각(angle, α)은 주행방향 바퀴 외측과 35도 이하로, 뒷전의 방향은 바퀴 내측 방향으로 기울어지게 하여, 차량 주행시 주행풍을 흡입하여 블레이드팬 양면의 익형에서 가속하여 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 모터함체부에 격납되는 상기 6개 헥사모터(HEXA motor)는, 상기 전동축 원점 기준 극좌표의 위치를 라디안 값으로 표시할 때, 0(또는 2π), π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3에 상기 6개 헥사모터 회전축의 원점이 위치한다. 상기 6개 헥사모터와 구동기어 및 피동기어 등의 무차원 형상치수는, 2개의 인접하는 구동기어의 피치원과 외접하고, 휠림의 내주면에 내접하는 가상기어(virtual gear)의 피치원 지름을 단위 지름으로 할 때, 상기 구동기어의 피치원 값은 1/√2(0.7071), 상기 피동기어의 피치원 값은 √3(1.7320), 상기 구동기어의 잇수(Z1)는 소수(素數, prime)인 19개, 상기 피동기어의 잇수(Z2)는 소수인 47개로 하여, 기어비(Z1/Z2)가 무한소수(infinite number)를 생성(0.4042...)하도록 함으로써, 매회전마다 구동기어와 피동기어가 서로 다른 지점에서 맞물리게 운전하여 기어 치면의 면압강도(pitting resistance) 저하를 예방하여 수명계수를 늘릴 수 있다. 상기 외접복합기어열의 피치원 값은 1/√2+√3+1/√2(3.1462), 상기 모터격납구의 내경지름 값은 (1/√2+√3)/2(1.2195), 상기 모터를 격납하는 모터함체부 내경지름 값은 (3√3+3/√2)/2(3.6587), 상기 휠림의 실 내주면 내경지름 값은 3.8867~4.3068, 상기 휠디스크의 지름값은 √3 이상, 상기 마운팅디스크의 지름 값은 √3+2a(a : 이끝높이, addendum), 상기 전동축을 격납하는 모터함체부 허브의 외경지름 값은 (1/√2+√3)/2(1.2195), 상기 마운팅디스크의 볼트원지름(BCD) 크기는 (1/√2+√3)/2(1.2195) 이하에서 휠볼트러그(lug) 패턴수(3, 4, 5, 6, 7, 8)에 따라 마운팅디스크를 천공하여 마운팅홀(mounting holes) 혹은 볼트구멍(bolt holes)을 구비한다. 상기 헥사모터의 회전축은 속인 빈 중공축(hollow shaft)으로 할 수 있다. 상기 중공축은 단면에서 보아 정현파의 음의 값을 양의 값으로 전환한, 양정현파(陽正弦波, positive sinusoidal)형상의 주름관인, 양정현파중공회전축으로서, 이를 상기 헥사모터의 회전축으로 채택하여, 모터 회전자(로터)에서 전도되는 열을 중공회전축 내부 빈공간에서 외부대기로 열을 방출하는 헥사모터 로터의 열교환통로(channel)로 삼으며, 편평관(flat tube) 대비 π배 확장되어 주름진 양정현파중공회전축의 단면을 축결합의 체결 수단으로 제공하여 키(key)홈, 고정링(snap ring), 핀(pin), 스플라인(spline)을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 6개 헥사모터는 디지털 제어기능의 스텝모터를 동력원으로 채용하여, 1회전각과 회전속도가 초당 입력펄스 수에 비례하고, 위치 및 속도 제어를 위해 회전자의 위치를 검출하는 센서, 속도를 검출하는 인코더나 레졸버 및 피드백 구성을 제거한다. 상기 스텝모터는 스텝 당 0.0125 라디안(0.72도)을 회전하는 5상 스텝모터 적용으로 동기이탈(탈조)의 가능성을 줄이고, 10개 자극(magnetic pole)을 활성화하여 토크를 증가시키며, 토크리플(torque ripple)을 감소시켜 진동을 최소화하고, 부드러운 회전과 저소음 및 고토크 특성을 갖게 하며, 상기 구동기어와 상기 피동기어의 속도전달비인 0.4((1/√2)/√3)로 환산한 스텝 당 0.005 라디안(0.2828도)의 초미세 거동제어로, 1초당 2mm 이하의 위치이동 특성을 갖게 하여, 정밀한 자동차 주행과 차동(differential)기능을 구비하여, 트랙션컨트롤시스템(Traction Control System, TCS), 차동제한장치(Limited Slip Differential, LSD), 및 차동잠금장치(Locking Differential, LD) 기능을 미소 라디안(radian)단위의 수치제어(numerical control)로 구현하여 자동차 운행을 디지털 방식으로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 헥사모터, 즉 6개의 구동모터를 2개씩 짝을 이루어 I, II, III으로 지칭할 때, Ⅰ(π 및 2π 위치), Ⅱ(π/3 및 4π/3 위치), Ⅲ(2π/3 및 5π/3 위치)과 같은 조합으로, 반대 방향의 평행한 한 쌍의 짝힘(우력, couple)으로 회전 모멘트를 발생시키되, 차량의 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드 등 운전상황에 따라, 고토크가 필요한 출발과 가속 및 등판모드는 전체모터 운전(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ), 관성력과 마찰력 균형의 정속모드는 부분모터 운전(Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ운휴), 운동에너지 흡수의 감속모드는 구동+회생제동 운전(Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ회생제동), 정지모드는 전체 모터(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ) 운전정지의 정지토크 구동제어를 활용하거나, 또는 필요시 상기 6개 모터를 개별단위로 구동, 운휴, 회생제동, 정지상태를 조합하여 제어하는 협력형모터구동(cooperative motor driven)방식 혹은 토크벡터링(torque vectoring)으로 자동차의 구동력을 제어하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 모터함체부 외주면의 기계제동장치는, 상기 모터함체부 외주면과 휠의 림 내주면 사이 공극에, 휠림 내주면에는 브레이크의 압착제동에 의한 마찰열을 주행풍으로 소산하는 에어벤트(공기배출)홈을 구비한 브레이크드럼(brake drum)과, 모터함체부 외주면에는 브레이크슈(shoe)와 브레이크라이닝(lining)의 기계제동방식의 드럼브레이크 기능을 부가하여 교류 유도모터, 동기모터 등의 서비스브레이크로 활용하거나, 또는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동기능을 보조하는 기계제동기능으로, 스텝모터의 자기유지력(holding torque)을 이용한 정지토크제동기능과, 전자(電磁)제동기능의 회생발전제동을 조합한 이중(기계제동+회생발전제동) 혹은 삼중(기계제동+회생발전제동+정지토크제동) 브레이크기능을 통합하여 서비스브레이크, 보조 브레이크, 비상브레이크, 주차브레이크로 활용할 수 있다.
상기 헥사모터의 구동기어 피치원지름 값은 1/√2(0.7071), 상기 휠허브 피동기어의 피치원지름 값은 √3(1.7320) 크기로 하여, 가진(forcing)주파수ωf와 고유(natural)진동수ωn의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)를, 바퀴부의 가진주파수비r는 0.4082((1/√2)/√3)로, 모터부의 가진주파수비r는 2.4499(√3/(1/√2))로 하여 공진 주파수비 r=1과 이격시켜 가진원의 진동증폭에 의한 공진을 예방하고, 주파수비 r가 √2보다 큰 2.4494점에서 모터부의 진동을 절연시키며, 상기 6개 구동기어와 휠허브 1개 피동기어간 결합에 있어 외접복합기어열(external compound gear trains)을 구성하며, 기어 치면사이의 틈새인 백래시(backlash, 뒤틈)와 허용공차로, 자동차 바퀴부의 구동외란인 충격과 진동에너지를 치면 사이 마찰열로 변환시키고 마찰열은 주행풍으로 소산하는 방법으로 현가장치의 전단에서 완충과 보조 현가기능 및 진동절연 효과를 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 바퀴와 상기 모터의 진동 에너지 소산과 감쇠량을 증가시키기 위해, 상기 모터함체부 허브 내주면과 상기 허브베어링브라켓 원주 외주면에 지름 10mm와 높이 4mm의 요(凹)홈과, 요(凹)홈간 2mm 공극을 갖는 진동절연흡진홈을 구비하고, 강성(stiffness, k)과 감쇠비(damped ratio, ζ)를 갖고, 바퀴부의 운동에너지를 흡수하며, 조화운동으로 에너지를 소산하는 허브스프링과, 점도(viscocity)와 감쇠계수(damping coefficient, c)를 갖고 진동에너지를 흡진(absorption) 하는 점탄성 재료인 탄성중합체(elastomer)의 고무댐퍼를 교대로 상기 진동절연흡진홈에 삽입하여 진동절연흡진 기능을 갖게 할 수 있다. 상기 진동절연흡진홈은 헥사모터 개수의 정수배(6*N, N=2, 3, 4, 5)인, 12, 18, 24, 30개를 모터함체부 허브와 전동축 사이공간에 구비하고, 상기 허브스프링과 상기 고무댐퍼의 지름 값은 수납 요(凹)홈 지름 10mm의 √2배(1.4142) 크기로 탄성 압축용량을 갖게 하며, 상기 진동절연흡진홈과 상기 허브스프링 및 상기 고무댐퍼의 결합방법은, 굵기를 √2에서 1미만으로 축소시키는 인장(引張)방법으로, 요(凹)홈에 삽입한 후 이완(弛緩)시켜 탄성을 회복시키는 방법으로 위치를 고정하여, 상기 바퀴부와의 충격과 조화가진 진동에너지를 차대(섀시)의 현가장치 전단(front end)에서 감쇠 혹은 절연함으로써, 현가하질량 혹은 스프링 아래질량(unsprung mass) 감소와, 현가상질량 혹은 스프링 위질량(sprung mass) 증대로, 타이어와 노면의 밀착성인 로드홀딩(load holding, 접지력)을 개선하고, 맥놀이현상과 공진을 억제하고 동작 대역폭을 확대하는 기능으로, 현가장치의 전단에서 진동과 충격응답을 감쇠시키는 전단진동절연흡진(front end vibration isolation and absorption)기능을 갖는 보조 현가기능으로 개선된 주행감과 승차감을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 인휠 헥사모터 시스템의 냉각방식은, 휠의 스포크를 블레이드팬으로 개선하여 주행풍을 가속하여 상기 구동기어와 상기 피동기어 및 모터를 포함한 모터함체부를 대류 열전달로 냉각하는 공랭식냉각방식을 기본으로 하되, 상기 헥사모터의 상기 양정현파중공회전축을 열교환통로로 하여, 표면적이 π배 확장되는 중공회전축 내부로 주행풍을 주입시켜 로터부의 발열을 외부로 대류시켜 냉각시키며, 상기 모터함체부의 열전도와 대류용량을 더욱 확대하는 냉각공기유동구를 상기 모터함체부의 허브와 모터격납구 사이공간인 π/6, π/2, 5π/6, 7π/6, 3π/2, 11π/6 방향에, 각기 5개씩 총 30개를 육방격자형의 채움구조로 배치하며, 상기 냉각공기유동구 내측은 두께(Δx)가 얇고 방사형의 냉각 핀을 6개 갖는 육방격자형 프로파일 단면의 방열판(heat sink)으로 냉각공기유동구 반지름(R) 기준 360배(12R*30개)로 열전도와 열대류 면적(A)을 확대하여 상기 블레이드팬으로 가속된 주행풍으로 상기 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 공랭식냉각방식을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 주행풍을 이용하는 기본 공랭식냉각방식에 더하여, 상기 냉각공기유동구와 모터격납구 사이 빈 공간인 냉매자켓에, 현열(sensible heat) 냉매인 물(水)을 주입하는 수랭식냉각방식과 잠열(latent heat) 냉매인 파라핀 등을 주입하는 상변화물질냉각방식을 상기 주행풍의 공랭식냉각방식과 조합하여, “공랭식+수랭식”의 하이브리드냉각방식과,“공랭식+상변화물질냉각방식”의 하이브리드냉각방식으로, 외부 에너지 투입이 없이 주행풍과 물(水) 혹은 파라핀(paraffin) 등의 상변화물질을 이용하여 상기 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 하이브리드냉각방식을 사용할 수 있다.
또한 상기 기본 공랭식냉각방식과 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식을 조합한 하이브리드냉각방식에 있어, 상기 30개 냉각공기유동구와 상기 6개 양정현파중공회전축 후단 측의 함체실린더 내부공간에 공기챔버를 두어 냉각공기를 합류시키되, 상기 함체실린더 외부에 송풍기와 방열구 및 열교환구를 안치하여 차대(섀시)의 자동차 공조시스템과 열교환구를 유연튜브로 집속하여 통합 열계통으로 열교환이 가능한 능동형하이브리드 냉각방식을 구비하되, 주행풍이 없는 정지상태나 모터부의 이상 과열시 온도센서로 감지하여, 배터리 전원으로 송풍기를 구동하여 헥사모터부를 냉각하거나, 공조용량 초과시 방열구를 개방하여 외부로 강제송풍하는 방식으로 차대(섀시)의 배터리부 냉각시스템과 인버터와 컨버터를 포함하는 전원부 냉각시스템과 계통적으로 통합된 열교환방식으로 모터부의 폐열을 자동차공조(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) 시스템에 재활용하여 에너지 사용효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 인휠 헥사모터 시스템의 모터함체부는, 외측에 브레이크슈를 안치하는 1개 함체실린더와, 자동차 동력원인 헥사모터를 격납하는 6개 모터격납구와, 주행풍으로 헥사모터를 냉각시키는 30개 냉각공기유동구와, 전동축과 허브베어링 및 전단진동절연홈을 수납하는 1개 함체허브의 총 38개 중공실린더가 육방격자형 채움구조의 형상으로 함체부를 형성한다. 상기 함체실린더와 상기 함체허브는 두 개의 얇은 바깥층(face)으로 기능하며, 모터격납구와 냉각공기유동구는 필러(filler)로 두꺼운 중간층(core)으로 안정화하며, 상기 함체실린더의 상기 헥사모터 후단의 내부공간에는 배선공기챔버를 안치하되, 상기 6개 헥사모터의 전력선과 제어선을 배선하고 결선하며, 6개 양정현파중공회전축과 30개 냉각공기유동구의 주행풍을 합류시켜 36개 열교환 통로(채널)로 열교환 계통을 형성하며, 1개 액추에이터를 안치하여 함체실린더 외측 브레이크슈를 구동시키고, 외측면에 상하 복수개의 현가암/링크홈으로 현가장치의 지지점을 구비하며, 상기 함체실린더 배선 및 상기 공기챔버의 섀시(차대)측 외측단에는 완전응력보인 포물선 형상의 포물면앵커(parabola anchor)를 돌출형으로 형성하여, 섀시(차대)와의 접속부 혹은 지지점과 현가장치 스트럿의 안치부를 제공하되, 포물면앵커 상하측에 복수개의 현가어퍼(로어)암홈 혹은 링크홈을 배치하며, 포물면앵커 양측면에는 조향장치 너클암 혹은 링크홈을 구비하고, 포물면앵커의 초점부분에 현가홈을 배치하여, 스프링과 쇼크업소버의 현가장치 스트럿(strut)의 안치공간을 제공함으로써, 함체실린더의 육방격자형(hexagonal lattice) 채움구조와 완전응력보(fully stressed beam)인 포물선 형상을 갖는 포물면앵커의 기하학적 구조를 채택하여 모터함체부의 고강성(high-rigidity)을 발현시키는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템을 제공한다.
본 발명의 인휠 헥사모터 시스템은 휠 내부에 6개 소형 고효율 모터를 집적하여 휠의 전동축을 직접 구동하는 동력원으로 활용함으로써, 종래 단일 인휠모터에서 발생하는 구동출력, 모터냉각, 내진동성 등의 문제점을 개선하여 다양한 형태의 노면과 외부 환경조건에 직접적으로 노출되는 기존 인휠모터의 한계점을 극복하는 진보된 기술적 특성을 확보할 수 있다.
또한, 헥사모터의 구동방식을 초(秒, second)당 입력 펄스의 개수(x)를 변수로 차량의 거동(y)을 무차원 수인 라디안(radian)의 미소 단위로 특정하는 디지털 제어기술(f)을 제공하여 시스템의 국소적인 움직임을 해석하는 미분방정식으로 자동차 운행의 알고리즘을 차종이나 타이어 크기에 무관하게 단순화하고, 6개 헥사모터간 협력형회생제동방식을 제공하여 전기자동차와 자율주행자동차의 범용화를 앞당길 수 있는 기반기술로 활용이 가능하다.
도 1은 인휠 헥사모터 시스템의 분해 사시도이다.
도 2는 인휠 헥사모터 배치 단면도이다.
도 3은 외접복합기어열(7개 기어) 정면도이다.
도 4는 협력형모터구동방식 제어절차 흐름도이다.
도 5는 전동축과 피동기어 결합 단면도이다.
도 6은 전동축과 피동기어 결합 측단면도이다.
도 7은 견인용 전동기 속도-토크 특성커브이다.
도 8은 5상 스텝모터와 양정현파중공회전축 형상도이다.
도 9는 드럼브레이크 배치와 형상도이다.
도 10은 블레이드팬의 형상도이다.
도 11은 냉각공기유동구 배치도이다.
도 12는 하이브리드냉각방식 형상도이다.
도 13은 전단진동절연방식 개념도이다.
도 14는 모터함체부 허브 단면도이다.
도 15는 모터함체부 기본형상도이다.
도 16은 모터함체부 외측 단면도이다.
도 17은 포물면앵커 평면도이다.
도 18은 무차원 형상치수도이다.
도 2는 인휠 헥사모터 배치 단면도이다.
도 3은 외접복합기어열(7개 기어) 정면도이다.
도 4는 협력형모터구동방식 제어절차 흐름도이다.
도 5는 전동축과 피동기어 결합 단면도이다.
도 6은 전동축과 피동기어 결합 측단면도이다.
도 7은 견인용 전동기 속도-토크 특성커브이다.
도 8은 5상 스텝모터와 양정현파중공회전축 형상도이다.
도 9는 드럼브레이크 배치와 형상도이다.
도 10은 블레이드팬의 형상도이다.
도 11은 냉각공기유동구 배치도이다.
도 12는 하이브리드냉각방식 형상도이다.
도 13은 전단진동절연방식 개념도이다.
도 14는 모터함체부 허브 단면도이다.
도 15는 모터함체부 기본형상도이다.
도 16은 모터함체부 외측 단면도이다.
도 17은 포물면앵커 평면도이다.
도 18은 무차원 형상치수도이다.
이하 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명의 구체적 측면들을 보다 상세히 기술한다. 먼저 가장 기본적인 발명의 형태로서 본 발명의 일 측면은 동력을 전달하는 전동축(transmission shaft)과 휠(wheel)과 타이어로 구성되는 바퀴부에 있어서, 동력원인 다수 소형모터와 구동기어; 상기 모터와 전동축을 격납하는 모터함체부; 및 다수 모터 구동기어로부터 동력을 전달받는 피동기어와 마운팅디스크 및 전동축;을 포함하여 구성된다.
상기 소형모터는 동력전달의 효율성 측면에서 홀수 개보다는 회전 모멘트를 발생시키는 짝힘(우력, couple)을 이용할 수 있는 짝수 개가 바람직하며, 모터 개수는 최소 완전수(perfect number)이며 n차원 유클리드 공간(Euclidean space)에서 서로 겹치지 않는 입맞춤 수(구면접촉수, kissing number) k(n)인 ‘6’개의 모터를 전동축 주변에 연접시킨 육방격자형 헥사모터(HEXA motor)시스템으로 동력원을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 짝힘의 회전 모멘트를 생성하는 6개 헥사모터를 휠 내부공간에 안치하는 기학학적 형상은 안정상태로 유지하는 삼각형 구조물 형태인 트러스 (truss)를 형성하기 위해 수평면(지면) 기준으로 전동축의 원점을 꼭지점A로 삼아 꼭지점B와 꼭지점C에 개별 모터의 구동축을 위치시키는 방법으로 헥사모터가 안치되는 집합형 인휠헥사모터시스템을 제공한다. 이 때 헥사 모터라 함은 구동모터인 6개의 모터를 지칭한다.
구체적인 헥사모터(HEXA motor), 즉 6개 구동모터 회전축 중심의 좌표 값은 도 18에서 도시하고 있는 바와 같이 전동축 중심을 극좌표 (r, θ)의 원점으로 할 때, 극좌표 (r, θ)로 표현할 수 있으며, 6개 구동모터 회전축 중심의 위치는 r을 일정하게 두고 θ 값을 라디안으로 표현할 때 0(또는 2π), π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3 가 되고, 이들 위치에 대응되는 모터함체부에 6개의 구동모터들을 격납하고, 모터의 구동기어와 전동축상의 피동기어는 축방향 하중이 발생하지 않는 평기어를 채택하는 것이 바람직하다. 기어 크기는 무차원 형상 치수를 사용하여 상대적 크기로 나타낸다. 기준이 되는 치수는 단위 지름으로 설정하며, 이 단위 지름은 기어의 중심을 잇는 선이 만나는 피치원(230)을 참고할 때, 도 18에서와 같이 2개의 인접하는 구동기어의 피치원과 외접하고, 휠림의 내주면에 내접하는 가상기어(virtual gear)(290)의 피치원 지름을 단위 지름으로 설정한다. 본 발명의 일측면에 따르면, 이 때 구동기어의 피치원 지름은 1/√2(0.7071), 피동기어의 피치원 지름은 √3(0.7071)의 값을 갖는 외접복합기어열을 형성하게 되고, 속도전달비 0.4((1/√2)/√3)의 감속비를 가지게 된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 휠의 형상을 헥사모터 냉각에 적합하게 개선하여, 휠 림과 허브를 연결하는 스포크를 익형(airfoil, 翼型)을 갖는 블레이드 형상으로 개선함으로써 주행풍을 가속하여 모터와 기어를 냉각시키며, 상기 휠허브 디스크 연접 위치에 마운팅디스크를 안치하고 디스크를 관통하는 마운팅홀(휠볼트구멍)과 마운팅디스크 외주면에 피동기어의 이(tooth, 齒)를 구비하되 구동기어의 피치원 지름보다 큰 감속형 외접복합기어열을 구성한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 자동차의 동력원인 상기 모터의 형식과 구동방식에 관한 것으로, 상기 헥사모터는 상용 가능한 교류 혹은 직류모터 방식의 적용이 가능하나 회전각과 회전속도가 초당 입력펄스 수에 비례하고, 위치 및 속도 제어를 위해 회전자의 위치를 검출하는 센서, 속도를 검출하는 인코더나 레졸버, 피드백 구성이 필요 없으며 회전각 오차는 스텝마다 누적되지 않고 기동, 정지, 역회전 응답이 좋은 디지털 제어 기능의 스텝모터를 채용하는 방식을 제공한다.
상기 스텝모터는 미소 라디안(radian)단위의 디지털 거동과 수치제어로 자동차를 제어하고 전동축에 직결하여 초저속 동기회전과 브러시를 제거하여 신뢰성이 높고 다수의 모터가 출발, 가속, 정속, 감속, 정지와 같은 모드별 협력형구동방식으로 필요 토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)과 협력형회생제동으로 스텝모터의 탈조현상 예방, 부드러운 감속과 급작스러운 제동충격의 최소화로 제동품질과 승차감 개선, 에너지 사용의 최적화 기법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 진동절연방안으로서 타이어와 휠 및 모터함체부의 가진주파수와 고유진동수의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)가 √2보다 클 때, 진동 전달률이 1보다 작아지는 진동특성에 준거하여 구동기어는 1/√2, 피동기어는 √3 크기로 설정하여 공진예방과 진동절연에 활용하고 바퀴와 휠 및 모터의 진동을 흡수하여 소산시키는 진동흡수기(damper)로 모터함체부 허브와 전동축 사이공간에 허브스프링과 점탄성 재료인 탄성중합체(elastomer)의 고무댐퍼를 복수 개 삽입하여 자동차 현가시스템의 전단에서 자동차의 진동과 충격응답을 감쇠시키는 전단진동흡진기능을 제공하여 주행감과 승차감을 개선한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 인휠 헥사모터 시스템의 제동기능에 관하여, 상기 모터함체부 외주면과 휠림 내주면 사이 공극에 드럼브레이크 기능을 부가하여 기계제동기능의 서비스 브레이크로 활용하거나, 스텝모터의 자기유지력(holding torque)을 이용한 정지토크제동기능, 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동에 의한 전자(電磁)제동기능을 조합하여 이중(기계제동+회생발전제동) 혹은 삼중(기계제동+회생발전제동+정지토크제동)의 제동기능을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 인휠 헥사모터 시스템의 냉각방식에 관하여 휠의 스포크(spoke)를 익형(airfoil)을 갖는 블레이드팬 형상으로 개선하며, 상기 모터함체부에 냉각핀을 갖는 프로파일 단면의 냉각공기유동구로 모터 열의 전도와 대류면적을 확대하여 주행풍으로 모터를 냉각하는 공랭식모터냉각방식을 기본으로, 모터격납구와 냉각공기유동구 사이 빈공간을 냉각제로 물(水) 혹은 열에너지 저장 물질로 높은 잠열(latent heat)과 열전도도를 갖는 파라핀과 같은 상변화물질(Phase Change Material, PCM)로 충진하여 모터 냉각용량을 확대하는 수랭식냉각, 상변화물질냉각, 하이브리드냉각 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인휠 헥사모터의 모터함체부는 상기 모터, 전동축, 구동기어와 피동기어, 냉각공기유동구, 냉각수 혹은 상변화물질 수납공간, 진동충격 절연부 등을 수납 혹은 격납하고, 외주면에는 브레이크어셈블리의 브레이크슈를 안치하며, 함체부의 고강성(high-rigidity) 특성을 확보하기 위해 원형관을 다중으로 집속하는 벌집형상의 육방격자형(hexagonal lattice) 채움구조와 완전응력보(fully stressed beam)인 포물선 형상의 기하학적 구조를 갖는 자동차 섀시 연결부를 제공한다.
이하, 첨부 도면 들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
실시예1: 인휠 헥사모터와 협력형모터구동방식
본 발명의 제1측면은 자동차의 바퀴내 동력전달장치(power train)인 인휠 헥사모터 시스템에 관한 것으로 도 1은 인휠 헥사모터 시스템의 분해 사시도, 도 2는 6개 인휠 헥사모터 배치정면도, 도 3은 외접복합기어열(7개 기어) 정면도, 도 4는 협력형모터구동방식 제어절차 흐름도를 예시한다.
상기 헥사모터(100)는 동력전달의 효율성 측면에서 홀수 개보다는 크기는 같고, 반대 방향의 평행한 한 쌍의 힘으로 작용과 반작용의 두 힘에 의한 회전 모멘트를 발생시키는 짝힘(우력, couple)을 이용할 수 있는 짝수 개가 바람직하다.
또한, 짝수 개의 다중모터의 개수는 자신을 제외한 양의 약수의 합으로 표현[2^(n-1)(2^n-1)]할 수 있는 양의 정수로 최소 완전수(perfect number)이며 n차원 유클리드 공간에서 서로 겹치지 않는 단위원의 개수인 입맞춤 수(혹은 구면 접촉수, kissing number) k(n)인 ‘6’개 모터를 바퀴와 전동축 원점O(0, 0)에 수평으로 연접시킨 육방격자형(Hexagonal lattice)모터시스템으로 자동차의 동력원을 형성하는 인휠 헥사모터 시스템(In-wheel HEXA-motor system)을 안출한다.
상기 짝힘의 회전 모멘트를 생성하는 6개 헥사모터(100)를 휠(310) 내부공간에 안치할 때 안정상태를 유지하는 삼각형 구조물인 트러스(truss)의 형상을 갖도록 수평면(지면) 기준으로 전동축 원점(390)을 꼭지점A로 삼아 꼭지점B와 꼭지점C에 개별 모터 회전축(120)을 0 또는 2π, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3의 원점좌표 값을 갖는다.(상기 라디안 값의 엄밀한 위치 표기방법은 (r, 7π/4), (r, 5π/3), (r, 15π/8)과 같은 극좌표 표시로 나타내어야 하나 꼭지점 혹은 헥사모터 회전축의 개별 원점을 라디안 값만 사용하여 나타내는 방법으로 이하에서 동일한 표기법을 사용하여 간단하게 표시하기로 한다.)
상기 헥사모터(100)의 구동방식은 자동차의 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드별 상황에 대응하는 협력형모터구동(cooperative motor driven)(140) 방식이 바람직하며, 이를 위해 짝힘효과가 발현되도록 전동축 원점(390)을 중심으로 대칭방향, 예컨대 π, 2π 위치의 헥사모터(100)간 짝을 형성하여 Ⅰ(π-2π), Ⅱ(π/3-4π/3), Ⅲ(2π/3-5π/3)의 짝을 조합하는 방식으로 운전하는 것이 바람직하다.
상기 협력형모터구동방식(140)은 출발기동과 가속모드에서는 전체 모터의 출력토크를 전동축(370)(도 6 참조)으로 전달하고, 감속과 정지모드에서는 일부 모터를 회생발전제동(580)모드로 전환하여 브레이크 기능과 에너지 재생으로 운동에너지를 배터리에 전기에너지로 저장하는 한편, 급격한 감속 혹은 제동상황에서 발생할 수 있는 유도모터와 동기모터의 실속예방과 스텝모터(170)의 탈조방지 및 완만한 감속-부드러운 제동-정지모드로 천이할 수 있는 다목적 효과를 거양할 수 있다.
상기 협력형모터구동방식(140)은 드라이버와 컨트롤러 등을 포함한 헥사모터제어부(840)(도시하지 않음)는 차량의 각종 센서나 가속페달이나 브레이크페달 등의 데이터 연산으로 차량구동과 속도 및 조향계통을 제어하는 전자제어장치(Electronic Control Unit, ECU)와, 자동차 에너지원인 배터리부의 충방전과 열관리 등을 수행하는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)과, 카메라, 레이더, 라이다, 인공지능(AI) 기술 등으로 운전자의 조작 없이 자동차 스스로 운행이 가능한 자율주행시스템(Autonomous Driving System, ADS) 등과 상호 연동하여 운전하며, 전술한 바와 같은 기능을 포함하는 동작에 대하여 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명인 인휠 헥사모터 시스템(10)이 적용되는 전기자동차의 운전은 전자제어장치(ECU), 배터리관리시스템(BMS), 자율주행시스템(ADS) 등과 상호 연동된 헥사모터제어부(840)에서 운전상황에 따른 운전모드를 판단(S101)하되, 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드 등(S102)의 주행상태별 운전모드에 따라 헥사모터(100) 인가펄스 수를 연산하여 구동펄스와 구동전류를 공급하여 모터를 구동(S103)한다.
이후, 헥사모터제어부(840)는 차량의 운전모드별 목표속도를 판단(S104)하여 규정속도에 미달할 경우 인가펄스 수를 높이는 피드백(feedback)을 시키거나, 자동차의 관성력과 마찰력을 판정(S105)한 결과 정속 혹은 등속운전일 경우(S106) 등속운전 상태를 유지하고, 내리막길과 같이 관성력이 마찰력보다 큰 상태(S107)는 회생발전제동모드로 전환을 결정(S108)하고 바퀴당 6개 헥사모터의 회생발전 모터수를 결정(S109)하여 배터리를 충전하되 제동 목표값과 속도차를 비교(S110)하여 피드백 과정을 반복하며 회생발전 모터수를 조절(S109)한다.
한편, 등속운전 여부를 판단(S106)하는 과정에서 주행속도를 높이는 가속운전(S111)일 경우 헥사모터제어부(840)는 인가펄스 수를 증가(S112)시켜 차량을 가속시키며 주행 목표속도를 판정(S113)하여 미달할 경우 인가펄스를 추가로 증가시키는 피드백 과정을 갖게 하고, 목표속도에 도달한 경우에는 이륜구동 혹은 사륜구동별로 헥사모터(100)의 구동토크를 배분(S114)한다.
상기 등속운전 여부를 판단(S106)하는 과정에서 교차로 진입이나 급커브 구간 혹은 안전지대 같은 감속운전(S115) 모드일 경우 회생발전제동모드로 전환을 결정(S116)하고 바퀴당 6개 헥사모터의 회생발전 모터수를 결정(S117)하여 배터리를 충전하되 제동 목표값과 속도차를 비교(S110)하여 피드백 과정을 거쳐 회생발전 모터수를 조절(S117)한다.
상기 인휠 헥사모터 시스템(10)의 협력형모터제어(S119)는 전륜 혹은 후륜의 이륜구동은 총 12개(6*2), 사륜구동은 총 24개(6*4)의 다중모터를 그룹화 혹은 개별 모터단위로 제어하여 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드 등 운전모드에 따라 인가펄스 수를 연산하여 헥사모터를 구동(S103)함으로써 차량운전 알고리듬의 단순화와 디지털화로 전자제어장치(ECU), 배터리관리시스템(BMS), 자율주행시스템 등의 가용성(Availability, Uptime/(Uptime + Downtime))을 높여 전기자동차 동력계통(Power Train)의 신뢰성(Reliability)을 향상시킨다.
구체적으로 고토크가 필요한 출발과 가속 및 오르막길 등판 모드는 전체모터(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)구동, 관성력과 마찰력이 균형을 이루는 정속모드는 (Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ운휴), 운동에너지를 흡수하여야 하는 내리막길과 감속모드에서는 (Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ회생제동), 또는 (Ⅰ구동, Ⅱ+Ⅲ회생제동), 정지모드는 (Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ) 전력차단으로 정지토크제동을 유지하는 헥사모터(100)간 협력형모터구동방식(140)과 함께 보다 세밀한 제어가 필요할 경우 6개 모터의 개별 독립제어에 의한 독립구동 제어방식은 보다 정밀한 구동, 가속, 감속 및 제동모드를 제공할 수 있다.
상기 구동방식은 종래 1개 모터로 구동력을 공급하는 인라인 모터와 기존 인휠모터의 단점을 해소할 수 있는 제어방법으로, 출발과 가속 및 회전시 사륜구동 모드에 의한 제어력과 접지력을 강화하고 정속에서는 전륜 혹은 후륜의 이륜구동 모드 전환으로 연비를 개선하며, 사륜구동과 이륜구동 및 헥사모터 간 협력형 모터구동방식(140)을 조합하여 회생발전제동(580)모드 전환으로 발생되는 충격과 진동을 최소화하여 부드러운 제동성능을 제공하고 전압과 전류제어에 의한 개별 모터제어로 에너지 사용효율을 높일 수 있는 제어방법이다.
상기 협력형모터구동방식(140)의 특성은 전후좌우 네바퀴 헥사모터(100)의 개별 독립제어로 속도와 토크를 최적으로 분배하는 토크 벡터링(torque vectoring) 알고리즘으로 브레이크잠금방지시스템(ABS, Anti-lock Braking System), 가속 시 타이어(300)가 견인력을 잃고 헛돌게 될 때 바퀴가 헛돌지 않도록 해당 바퀴를 감속시키는 TCS(Traction Control System), 차체 거동과 조향의 안정성을 제공하는 차체자세제어장치(VDC, Vehicle Dynamic Control), 급경사로 하강 운전시 일정속도를 유지해 주는 경사로저속주행장치(DBC: Downhill Brake Control), 언덕길 정차 후 발진 시 차량이 뒤로 밀리는 것을 방지해 주는 경사로밀림방지장치(HAC: Hill start Assist Control)기능 등을 용이하게 구현할 수 있다.
한편, 대다수 하이브리드자동차, 전기자동차의 감속기(reducer)로 채택되는 유성기어장치(planetary gear trains)는 서로 맞물리는 한 쌍의 기어가 회전할 때 한 쪽의 기어가 다른 쪽의 기어축을 중심으로 공전하는 장치로, 태양기어(sun gear), 캐리어(carrier), 내접기어, 유성피니언(planetary pinion, 대개 3개 또는 4개)으로 구성되어, 구조가 복잡하고 고속회전(대략 5,000 ~ 50,000RPM)하는 전동기에서 자동차의 저속주행(0~100km/h)에 필요한 충분한 감속비를 얻기 위해서는 유성기어장치를 동일축선 상에 다단접속하기 때문에 휠 내부 좁은 공간에 많은 기계부품을 고밀도로 집적하여야 하는 구조형상이 불가피하다.
상기 유성기어장치를 인휠모터 시스템의 감속기로 적용할 때 발생하는 또 다른 문제는 회전반경(R)과 질량(M)이 큰 내접 혹은 링기어(ring gear)가 바퀴와 동일한 각속도와 위상을 갖는 동위상 회전(in phase whirl)과 회전불균형 질량에 의해 발생하는 공진(resonance)으로, 이는 타이어와 휠의 가진주파수(ωf)와 모터부와 섀시(차대) 및 보디(차체)부의 고유진동수(ωn)의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)가 1이 되는 공진점을 제공하여 전동축과 베어링 등의 동력전달 계통에 큰 진동에너지를 전달하고 손상과 파괴를 초래함으로 질량과 강성을 재검토하여야 한다.
근래 인휠모터 개발동향은 주로 회전자(로터)가 고정자(스테이터) 외측에 위치하여 다극구조와 고토크 출력에 유리한 외전형(exterior rotor type) 형상과 유랭식 혹은 수랭식냉각방식의 영구자석동기전동기(permanent magnet synchronous motor: PMSM)방식으로 부족한 토크를 보완하기 위해 감속기를 부가하고 전류밀도를 높이는 방향으로 개발되고 있다.
그러나 상기 고전류 구동방식은 전력공식 P=Vi(P:Watts, V:Volt, i:Ampere)와 P=i²R(R: Ohm)에서 열에너지로 방출되는 모터 손실(입력-출력)인 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)이 전류 제곱(i²)에 비례하는 발열과 진동 및 소음발생 측면에서 불리한 요인으로 작용하여 인라인(in line)모터 구동방식 대비 고효율, 고성능화, 내구성 확보가 어려운 과제이다.
인휠모터 시스템은 바퀴(wheel) 안에 구동 및 제동장치를 일체화한 것으로 차동장치와 같은 별도 동력전달장치 없이 모터가 직접 바퀴를 구동시켜 각 휠에 독립적인 구동과 제동 및 조향토크를 분배할 수 있어 운동성능과 선회능력 향상 및 차량 레이아웃이나 디자인 자유도가 향상되는 장점을 가지고 있으나, 노면충격에 의한 진동이 가장 심한 위치에 모터가 장착되어 내구성 문제와 함께 휠 내부 좁은 공간에 모터를 장착함으로써 방열, 경량화, 내습(耐濕)문제가 발생된다.
본원 발명에서는 상기와 같은 진동절연과 협소한 휠(310) 내부 공간문제를 고려하여 외전형 로터와 바퀴와 동일한 회전방향, 각속도, 위상으로 동기회전하고 회전반경(R)과 질량(M)이 큰 내접 혹은 링기어를 사용하는 유성기어는 기어열(gear trains) 구성요소에서 제거하는 대신, 소형 모터 6개를 동력원으로 채택하고, 기어 크기는 피치원(230) 지름(D)값으로 2개의 인접하는 구동기어에 외접하고 휠림의 내주면에 내접하는 가상기어(virtual gear gear)의 크기를 단위지름(1)으로 할 때, 구동기어(200)의 지름은 1/√2(0.7071), 피동기어(210)의 지름은 √3(1.73202) 크기로 축방향 하중이 발생하지 않는 평기어(spur gear)의 외접복합기어열(240)을 휠디스크(340)에 연접하여 안치한다(도 3 및 도 18 참조).
상기 외접복합기어열(240)은 전동축(370)상 피동기어(210)와 헥사모터(100)의 구동기어(200)는 육방방사형으로 기어열을 형성하여(도 3), 6개 구동기어(200)가 피동기어(210)와 전동축(370)을 직접 구동하게 되며 속도전달비 0.4((1/√2)/√3)의 감속비와 각기 시계방향과 반시계방향의 상이한 회전방향과 각속도, 위상을 갖게 하여 바퀴부(30)의 충격과 조화가진(진동)을 흡수하고 감쇠할 수 있도록 한다.
상기 구동기어(200)와 피동기어(210)의 반대방향 회전과 상이한 피치원(230) 지름에 의한 각기 상이한 각속도 회전 및 위상각의 비동기 회전은 공진예방과 조화가진 증폭을 억제할 수 있는 유효한 진동억제 대책으로 가진주파수(forcing frequency, ωf) 혹은 구동주파수 영역을 넓게 확산하고 자동차 진동 운동에너지를 기어 치면(齒面)의 마찰열로 전환하고 대기로 소산시켜 동력전달계통 구조물의 손상, 자동차 운행의 안정성 저하를 예방한다.
상기 진동흡수와 진동절연은 굴곡진 노면의 요철(凹凸, bump)과 타이어(300)를 포함한 바퀴부(30)의 회전불균형질량(편심질량, 偏心質量, eccentricity mass)으로 야기되는 바퀴부(30) 진동으로 야기되는 가진주파수와 고유진동수가 가깝게 접근할 때의 맥놀이와 주파수가 같을 때 발생하는 공진(resonance, ω=ωn=√(k/m))현상을 억제하는 방안으로 종래 1개 대형모터와 유성기어 감속기의 인휠모터 시스템의 문제점을 해소할 수 있는 개선된 방안이다.
상기 6개 소형모터를 인휠 헥사모터 시스템에 적용하는 것은 1개 대형모터로 바퀴를 구동하는 종래 방식에서 야기되는 진동문제를 일정부분 해소하여 로드홀딩(접지력)을 개선하고, 헥사모터(100)의 고전압 저전류 구동으로 동손 최소화와 협력형모터구동방식(140)을 적용하여 개선된 토크와 출력특성 및 개별 모터의 분산제어로 회생발전제동(580)기능과 조합된 제동기능을 시현할 수 있다.
상기 인휠 헥사모터 시스템(10)의 바람직한 실시예의 특징은, 종래 인휠모터 시스템의 문제점을 해소하기 위해 6개 소형 모터를 활용한 협력형모터구동방식 혹은 토크벡터링(torque vectoring), 및 고전압과 저전류 구동방식을 채택하고, 휠(310)의 휠스포크(330)를 익형(airfoil)을 갖는 블레이드팬(600) 형상으로 개선하여 주행풍(640)을 활용한 공랭식냉각방식(660)을 활용하며, 이에 더하여 수랭식냉각방식(670)과 상변화물질냉각방식(680)을 조합한 하이브리드냉각방식(690)으로 방열특성을 개선하는 것이다.
또한, 실제 산업에서의 응용측면에서 인휠모터는 제한된 공간인 휠 내부에 기계와 전기전자 부품들이 복잡한 구조로 장착되기 때문에 부품 소형화, 내구성확보, 모터의 냉각과 진동절연 대책이 반드시 요구되며 보다 상세한 헥사모터(100) 형식은 실시예 3, 모터냉각방식은 실시예 5, 충격과 진동절연(isolation)방식은 실시예 6, 그리고 헥사모터의 바람직한 격납방법은 실시예 7에서 기술한다.
실시예2: 휠허브 마운팅디스크와 피동기어
실시예 2는 인휠 헥사모터 시스템(100) 휠허브(350)의 피동기어(210)와 전동축(370)을 결합하는 마운팅디스크(380)에 관한 것으로, 도 5는 전동축과 피동기어 결합 단면도, 도 6은 전동축과 피동기어 및 구동기어 결합 측단면도를 예시한다.
본 실시예에 따르면, 상기 인휠 헥사모터(100)의 구동력을 바퀴부(30)로 전달하는 외접복합기어열(220)에서 바람직하게는 인접하는 2개 구동기어에 외접하고 휠림의 내주면에 내접하는 가상기어(virtual gear)(290)의 크기를 단위지름(1)으로 삼아(도 18 참조) 피치원(230) 지름(D)값으로 구동기어(200)의 피치원 지름은 1/√2(0.7071), 피동기어(210)의 피치원 지름은 √3(1.73202)의 크기로 속도전달비 0.4((1/√2)/√3)의 감속비로 1개 피동기어(210)와 6개 구동기어(200)의 총 7개 기어가 육방방사형으로 결합된다. 이에 따라 7개 기어의 동시 기어(齒車)구동에 의한 토크벡터링(torque vectoring)으로 전동축원점(390) 방향의 구동 벡터합력을 증대시킨다,
상기 피동기어(210)는 전동축(370)과 결합되는 마운팅디스크(380)와 통합된 형상이 바람직하며 디스크를 관통하는 마운팅홀(mounting hole)(810)을 구비하고 휠 디스크(340)와 맞대기로 덧붙여 휠볼트(820) 혹은 러그너트(lug nuts)로 휠(310)을 결합하는 체결수단과 전동축(370)과 휠디스크(340)를 조이는 휠허브캡(830)을 제공하며, 마운팅디스크(380) 외주면에 피동기어(210)의 이(tooth, 齒)를 구비하여 6개 구동기어(200)가 결합되는 외접복합기어열(220)을 형성하고, 마운팅디스크(380) 외주면과 피동기어(210)와 구동기어(200)를 감싸는 윤활유박스(280)를 취부하여 점착력이 큰 그리스(grease) 윤활로 기어부의 마찰과 마모를 줄인다.
상기 외접복합기어열(220)은 자동차의 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드별 상황에 대응하는 실시예1의 협력형모터구동(140)방식으로 운전되며, 통상 평기어(spur gear)의 동력전달 효율은 98~99.5%로 0.5~2%의 에너지는 불가피하게 열에너지로 손실되는 열역학 관점에서 타이어와 휠 및 모터의 충격과 진동에너지는 기어의 마찰과 열손실의 상보적 에너지교환과 등치된다.
진동관련 산업응용에서 가진(forcing)주파수와 고유(natural)진동수의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)가 √2보다 클 때, 진동전달률비(T.R.)가 1보다 작아져 진동이 절연되고 √2보다 작을 때 1보다 커지는 진동 증폭현상이 발생되는 점을 고려하여, 바퀴부(30)의 충격과 진동을 절연하기 위해서는 타이어(300)의 편심 억제와 회전불균형질량을 최소화하는 한편, 회전체 간의 회전방향과 각속도 및 위상이 반전되는 역위상(out of phase)회전은 훨링(whirling)과 축의 굽힘진동을 최소화하여 진동과 공진을 억제하는 유효한 방안이다.
자동차와 같은 진동구조물에서 맥놀이 진동 예방과 공진점에서의 진동전달률비(T.R.)을 낮추는 기술적 사상은 유의미한 진동절연 대책으로 피동기어(210)의 √3 피치원(230) 지름 값과 구동기어(200)의 1/√2 피치원(230) 지름값을 갖는 상이한 기어비의 외접복합기어열(220)은 굴곡진 노면 요철(凹凸, bump)과 타이어 편심을 포함한 바퀴부의 회전불균형질량(편심질량, eccentricity mass)등으로 초래되는 충격과 조화가진(진동)에 의한 맥놀이현상(beat phenomenon)과 공진(resonance, ωf=ωn=√(k/m))을 억제하는 대책으로 활용한다.
상기 인휠 헥사모터 시스템(10)의 외접복합기어열(220)은 바퀴부(20)와 모터부(10)의 회전방향이 시계방향과 반시계방향으로 서로 다르고 속도전달비 0.4((1/√2)/√3)의 감속비와 함께, 7개 기어의 외접복합기어열(220) 구성시 치면(齒面)사이 벌어진 틈새인 백래시(260)와 치수 허용공차로 바퀴부(30)의 구동외란인 충격과 진동 에너지를 기어 치면의 마찰열로 변환시켜 주행풍(640)으로 소산하는 방법으로 진동의 완충과 냉각효과를 개선하며 상세한 진동절연방식은 실시예6에 상술한다.
상기 특성을 정리하면 상기 외접기어열(220)은 피치원(230) 지름 값으로 구동기어(200)는 1/√2(0.7071), 피동기어(210)는 √3(1.73202)의 형상치수로 속도전달비 0.4의 감속비와 상이한 각속도 및 위상의 비동기 회전으로 진동전달률비(T.R.)를 낮추어 헥사모터(100)의 진동을 절연시키며 전동축(370)상의 피동기어(210)는 마운팅 디스크(380)와 통합된 형상으로 디스크 외주면에 피동기어(210)의 이(tooth, 齒)를 구비하여 6개 구동기어(200)가 결합되는 외접복합기어열(220)을 형성한다.
실시예3: 스텝모터와 양정현파중공회전축
실시예 3은 실시예 1의 인휠 헥사모터 시스템의 동력원인 6개 소형 다중모터의 형식과 구동방식 및 모터 회전축 등에 관한 실시예를 도 7의 견인용 전동기 속도-토크 특성커브, 도 8의 5상 스텝모터와 양정현파중공회전축 형상도를 참조하여 설명한다.
본 발명의 또 다른 측면인 모터 형식과 구동방법에서 바퀴 구동용 모터는 전기자동차의 핵심 구성요소로 산업상 이용에 있어 효율을 높이기 위한 절대적 선택요소는 존재하지 않고 방식별 장점을 취사선택하여 활용하고 단점을 보완하는 개선방향을 도출하여 시스템 설계에 반영하는 것이 바람직하다.
자동차와 같은 견인용 전동기(traction motor)는 운전 특성상 출발과 등판로 주행은 높은 토크가 필요하고, 시내주행은 중간토크, 고속주행은 낮은 토크가 필요하다. 또한 인휠모터 시스템의 경우 모터 경량화와 고효율화, 빠른 응답성과 함께 배터리 용량삭감과 연비향상을 위해 고효율화 및 경량화가 필수적으로 요구되고 있다.
상기 견인용 전동기의 구동성능은 저속영역에서 정격토크, 중고속영역에서 정격출력과 넓은 속도범위에서 수시로 기동, 가속, 정속, 감속, 정지하여야 하는 가변 운전영역 특성 때문에 교류 유도전동기(비동기)나 동기전동기보다는 직류전동기가 상대적으로 유리하고 저속에서 높은 토크 구현과 상대적으로 높은 효율 및 소형화가 가능한 영구자석형 직류기가 자동차 동력원으로 더욱 바람직하다.
상기 특성은 에너지를 많이 소모하는 로터(180) 전기자(armature)권선을 영구자석으로 대체하면 에너지 절감에서도 유리하며, 휠(310) 내 동력원이 위치하는 인휠모터에서 높은 효율과 소형화는 필연적이며 모터 구동제어의 용이성, 영구자석 전동기의 냉각성능 향상과 저진동화 기술이 요구된다.
영구자석 직류기는 브러시를 갖는 일반직류전동기, 무정류자 직류전동기(BLDC motor), 스텝모터(170), 서보모터 등으로 분류되나 본 실시예에서는 견인용 전동기의 요구조건을 감안하여 회전각과 회전속도가 초당 입력펄스 수에 비례하고, 위치와 속도 제어를 위해 회전자의 위치를 검출하는 센서, 속도를 검출하는 인코더나 레졸버, 피드백 구성이 불필요하고 회전각 오차는 스텝마다 누적되지 않고 기동, 정지, 역회전 응답성이 좋은 디지털 제어기능의 스텝모터(170)를 채용한다.
상기 스텝모터(170)는 전기모터의 디지털 버전으로 스텝핑모터, 펄스모터로도 알려져 있으며 일반적 특성과 실시예는 수많은 기술문헌과 특허로 널리 공지되고 활용되고 있으므로 본 실시예에서는 자동차와 같은 견인용 전동기(traction motor) 특성과 관련된 사항과 종래 스텝모터의 기본기능을 보완하여 인휠 헥사모터 시스템(10)에 적용할 때 요구되는 개선방안 위주로 기술한다.
스텝모터(170)의 종류는 고정자 상의 수에 따라 2상, 3상, 4상, 5상 권선형으로 구분되며, 회전자(로터)의 형태에 따라 가변자기저항(variable reluctance, VR)형, 영구자석(permanent magnet, PM)형 및 하이브리드(hybrid, HB)형으로 크게 나눌 수 있으며, 구동방식에 따라 유니폴라(unipolar, 단극성) 구동, 바이폴라(bipolar, 쌍극성) 구동 등으로 구분된다.
스텝모터(170)는 일반적으로, 모터 총회전각은 입력펄스의 총 수에 비례하고, 모터 회전속도는 1초 동안 입력펄스 수에 정비례하며, 1 스텝당 각도오차는 5%(±0.05°)이내, 회전각 오차는 스텝마다 누적되지 않고, 회전각 검출을 위한 피드백이 불필요하며, 초저속 동기회전이 가능하여 기동 및 정지 응답성이 양호하고, 직류모터에 필요한 브러시 교환 등과 같은 유지보수가 불필요하며, 신뢰성이 높고 간단한 제어계로 상대적 가격이 저렴하며, 견인용 전동기에 필요한 기동, 정지, 역회전의 응답이 우수한 장점과 함께 미소 라디안(radian)단위의 디지털 거동과 수치제어(numerical control)로 자동차의 거동을 제어하는 특성을 가진다.
상기 스텝모터(170)는 많은 장점에도 불구하고 타 방식의 모터에 비해 관성부하에 취약하며, 크기에 비해서 상대적 토크가 적으며, 고속 회전상태에서 급격한 감속시 탈조(脫調)하기 쉬운 단점을 갖고 있기 때문에 자동차와 같은 견인용 전동기(traction motor)에 대한 적용은 탈조 억제방안, 토크와 관성모멘트 증대방안, 진동억제 대책 등이 실제 산업상 응용에서 요구된다.
스텝모터(170)는 컨트롤러에서 드라이버로 출력되는 펄스신호와 정확하게 동기화하여 매우 정확한 위치 확인 및 스피드 제어를 수행하고, 저속에서 높은 토크특성과 낮은 진동 및 위치결정 오차가 누적되지 않아 고정밀도 위치 결정이 가능하고, 제어를 위한 별도의 피드백 신호와 인코더가 필요 없는 단순한 구동 시스템으로 타방식에 대비하여 상대적 저비용으로 자동차 동력원으로 응용할 수 있다.
스텝모터(170)의 장점은 도 7에서 도시된 바와 같이 저속과 중속 범위에서의 높은 토크와 정토크영역(constant torque region)(150), 고속주행에서의 정출력영역(constant power region)(160)을 갖고 있어 넓은 속도범위에서 수시로 출발, 가속, 감속, 정지하는 견인용 전동기 특성에 적합하고, 모터에 단 방향 명령을 전송하는 개루프(open loop) 제어는 명령에 대한 높은 추종성과 입력 펄스와 동시에 작동하는 높은 반응성 및 동기운전의 응답성은 6개 헥사모터(100)를 집합형으로 운전하는 협력형모터구동방식(140)의 적용이 용이하다.
스텝모터(170)의 회전 속도는 1초당 입력 펄스 수를 제어하여 특정한 각도로 회전함으로써 모터 속도를 제어할 수 있고, 입력 펄스 수 또는 주파수를 변경하여 모터 회전을 자유롭게 변경할 수 있어 위치제어와 동기화가 높은 속도제어 모터로 작동하며, 위치 결정 후 제어신호가 없어도 회전자가 멈추었을 때 정지위치를 유지하는 홀딩토크(holding torque, 자기유지력)를 유지하는 특성으로 견인용 전동기로 사용시 기계제동 장치가 필요치 않아 비용절감이 가능하다.
실제 산업상에 주로 이용되는 스텝모터(170)는 2상과 5상 모터로 2개 컵(cup)과 영구자석으로 이루어진 로터(180)를 회전시키기 위해 활성화되는 극(pole)의 조합인 상(phase, 相)의 수에 따라 2상 모터는 ‘A’‘B’ 2개 상과 8개 자극(magnetic pole), 5상 모터는 ‘A’‘B’‘C'‘D’‘E’ 5개 상과 10개 자극이 스테이터(190)를 구성하며 분해능(resolution)은 2상 모터가 1회전 당 200개 스텝(스텝당 0.0314라디안, 1.8도), 5상 모터가 1회전 당 500개 스텝(스텝당 0.0125라디안, 0.72도)을 갖는다.
상기 2상과 5상 모터의 주요 특성을 간추리면, 2상 모터는 제어방법이 간단하고 저렴한 드라이버 적용할 수 있어 경제적이나 구동시 토크리플이 증대(대략 29%)되어 진동이 크고 부드러운 운전이 어려운 반면, 5상 모터는 2상 모터 보다 상대적으로 고가이나 작은 스텝각도로 토크리플이 감소(대략 5%)되어 진동이 매우 작고 높은 분해능과 높은 가속과 감속율 및 동기성이 우수하다는 특성을 가진다.
상기 5상 모터는 스텝당 0.72도(°/step)를 이동하여 2상 모터의 1.8도(°/step)보다 더 작은 스텝 각으로 오버슈팅이나 언더슈팅에 의한 동기이탈(탈조)의 가능성이 낮으며, 2상 모터보다 많은 상(phase)을 활성화함으로써 토크를 증가시키며, 토크리플(torque ripple)을 감소시켜 진동을 최소화하고, 부드러운 회전특성을 갖기 때문에, 내진동성과 저소음 및 고토크 특성을 갖는 5상 스텝모터(170)가 자동차의 견인용 전동기에 더욱 바람직하다.
상기 5상 스텝모터(170)를 실시예1의 인휠 헥사모터 시스템(10)의 구동모터로 채택하여 1 스텝(0.72°=0.0125라디안)의 거동거리를 215/55R17 타이어(D668.3mm, R334mm)기준으로 환산하면 타이어 1회전 거동거리는 209.8583Cm(2πR), 1스텝 거동거리는 4.1971mm(2πR/500)이나 외접복합기어열(220)의 속도전달비 0.4((1/√2)/√3)의 감속비로 실제 1스텝 거동거리는 1.6788mm(4.1971mm*0.4)가 되며, 1초당 0.005 라디안 혹은 약 2mm 이하 위치이동 특성은 내연기관 동력계통이나 5,000~50,000 RPM의 고속회전에서 정격특성이 나타나는 교류유도전동기(비동기) 혹은 동기전동기에서는 구현하기가 매우 어려운 구동방식이다.
상기 1초당 약 2mm 이하의 위치 이동특성에 따른 초저속 동기회전과 저속에서의 높은 토크 특성 및 세밀한 디지털제어에 의한 차량주행과 차동(differrencial)기능과 정토크영역(150)과 정출력영역(160) 특성에 더하여, 실시예 1의 모드별 협력형모터구동방식(140)으로 모드별 필요 토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)과 협력형회생발전제동(580) 방식의 조합은 스텝모터(170)의 탈조를 예방하고 부드러운 감속과 정지특성 시현, 에너지 사용의 최적화 기법을 제공한다.
자동차 주행속도를 215/55 R17 타이어(D668.3mm, R334mm) 장착 바퀴의 분당회전수(分當廻轉數, revolutions per minute, RPM)로 환산하면 바퀴 1회전당 2.0985m(2πR) 거동으로 시속100km는 초당27.7777m, 분당1.666.6666m, 시속200km는 초당55.5555m, 분당3,333.333m, 시속300km는 초당83.3333m, 분당5,000m로 바퀴의 회전수는 시속100km는 794RPM, 시속200km는1,588 RPM, 시속300km는 2,382RPM의 비교적 저속회전 특성을 갖고 있다.
상기 분당회전수(RPM)를 시속으로 환산한 주행속도는 1000RPM-50km(1000 *60*2.098m*0.4), 2000RPM-100km(2000*60*2.098m*0.4), 3000RPM-151km(3000*60* 2.098m*0.4), 4000RPM-201km(4000*60*2.098m*0.4), 5000RPM-251km(5000*60* 2.098m*0.4)의 운전특성은 도로여건과 법정 제한속도를 고려할 때 스텝모터(170)의 구동특성인 1000 RPM 미만의 정토크영역(150)과 2000~3000 RPM의 정출력영역(160)의 토크와 출력특성에 적합하다.
자동차는 수시로 반복되는 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드 운전이 필요하며, 시내주행과 같은 저속의 정토크영역(150) 및 정속주행과 법정 제한속도가 적용되는 고속도로와 같은 정출력영역(160)이 병존하는 견인용 전동기로 고속회전(5,000~50,000RPM)에서 정격출력 특성이 나타나고 중저속 운전에 필요한 감속을 위한 다단 유성기어장치가 필요한 교류유도전동기(비동기)나 동기전동기보다는 저속회전(~1,000RPM)과 중속회전(~5,000RPM)에서 정격출력 특성을 갖는 스텝모터(170)가 연비개선과 에너지 절감 측면에서 유리하다.
본 실시예에 따르면, 상기 스텝모터(170)를 견인용 전동기로 활용함에 있어 스텝모터(170) 회전축(120)을 중실축(solid shaft)으로 할 수도 있으나, 중공축(hollow shaft)을 채택할 수 있으며 속이 빈(hollow) 관(cylinder)을 회전축으로 하면 방열 측면에서 보다 우수하다. 나아가, 상기 중공축은 회전축에 수직인 단면에서 보아 정현파의 음(-)의 값을 양(+)의 값으로 전환한 양정현파(陽正弦波, positive sinusoidal) 주름관(corrugated tube) 형상을 갖는 양정현파중공회전축(130)으로 채용함으로써, 헥사모터 회전축의 내부와 외부면적이 편평관(flat tube) 혹은 중실축(solid shaft) 대비 π배 확장되는 기하적 형상을 갖게 할 수도 있다.
상기 속이 빈 중공축(hollow shaft)을 모터 회전축(120)으로 채용하면 단위 회전반경(R)과 질량(M)에서 관성모멘트(I=1/2M(R1²+R2²)(R1-내경, R2-외경)가 속이 꽉 찬 중실축(solid shaft)의 관성모멘트(I=1/2MR²) 대비 11.11~25%가 증대되어 토크출력 특성을 개선하고, π배 확장되는 단면을 활용한 모터 조립공정의 성력화로 헥사모터 생산비 절감과 기하공차를 개선할 수 있다.
상기 헥사모터(100)의 조립공정에 있어 로터(180)인 영구자석과 로터컵, 베어링, 구동기어(200) 등을 모터회전축(120)과 결합할 때 양정현파중공회전축(130)의 마루와 골에 대향하여 맞물리는 형상으로 체결하면, 축과 보스(boss)(270)간 결합시 필요한 키(key)홈, 스플라인(spline), 세레이션(serration), 고정링(snap ring), 핀(pin) 등이 불필요하고 억지 끼워맞춤 등으로 야기되는 축의 편심이동과 상호간 미끄럼 및 편심하중과 응력집중을 예방할 수 있는 유효한 수단이다.
또한, 상기 양정현파중공회전축(130)은 π배 확장되는 단면의 속이 빈 중공관을 로터(180)의 열교환 통로(channel)로 활용하여 열원인 영구자석과 로터(180) 코어를 냉각시켜 로터(180)의 자속밀도 감소를 예방함으로써 모터 출력의 저하를 예방할 수 있으며 보다 상세한 냉각방식은 실시예 5, 진동절연대책은 실시예 6, 회생제동과 조합하는 제동기능은 실시예 4에 기술한다.
본 실시예에 따르면, 일반적으로 3000RPM 이하 저속 회전수를 갖는 자동차 바퀴부의 동력원으로 스텝모터(170)를 채택하되 고전압 펄스입력으로 전동기의 출력과 토크를 증가시키며, 스텝모터(170)의 회전축(120)을 중실축 뿐 아니라 중공축으로 채택할 수도 있으며, 상기 중공축에서 한 걸음 더 나아가 상기 양정현파중공회전축(130)으로 개선하여 관성모멘트(I) 증대와 모터냉각을 위한 열교환통로 확보, 2상 스텝모터보다 작은 스텝 각(0.72도)을 갖는 5상 모터방식으로 토크리플을 감소시켜 진동 저감과 토크특성을 개선할 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 실시예1에 상술한 6개 모터의 협력형모터구동방식(140)으로 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드와 같은 운전모드별 소요토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)과 회생발전제동(580) 및 7개 기어 외접복합기어열(220)의 동시구동으로 스텝모터(170)의 탈조를 예방하고, 헥사모터(100)의 협력형모터구동방식(140)으로 중저속 회전속도인 1,000 ~ 3000RPM에서 정토크와 정출력을 생성하는 방법으로 스텝모터의 단점을 극복하고 에너지 사용을 최적화할 수 있다.
실시예4: 인휠헥사모터의 제동방식
실시예 4는 실시예1의 인휠 헥사모터 시스템의 제동기능에 관한 것으로 도 9는 드럼 브레이크 배치와 형상도, 도 10의 블레이드팬 형상도를 참조하여 설명한다.
종래 자동차의 운동에너지를 기계적 마찰을 통하여 열 에너지로 바꿔 발생한 열을 대기중에 소산시켜 감속과 정지 혹은 주차 등 제동기능을 제공하는 브레이크(제동장치)의 종류는 주행중 감속 혹은 정지기능의 상용(service or foot)브레이크, 상용브레이크를 보완하는 보조브레이크(auxiliary brake)와 주차상태를 유지하는 주차브레이크(parking brake)로 대별할 수 있고 상용브레이크는 형식에 따라 드럼브레이크방식과 디스크브레이크방식으로 구분할 수 있다.
실시예 2의 스텝모터(170)와 협력형모터구동방식(140)은 정지시 매우 큰 유지토크(holding torque)를 갖고 있어 모터의 회생발전제동(580)과 조합하여 제동기능을 설계할 경우 상용 혹은 서비스브레이크 등의 위치 유지기구를 필요로 하지 않는 장점을 갖고 있으나, 상기 보조브레이크와 주차상태를 유지하는 주차브레이크는 실제 산업응용에서 안전측면에서 필요하고 스텝모터(170) 이외 다른 형식의 모터를 채택할 경우 기계제동기능을 갖는 서비스브레이크의 필요성이 있다.
상기 기계제동방식은 바퀴와 동일한 회전방향과 각속도 및 위상으로 회전하는 디스크로터의 회전불균형질량으로 편심축방향 하중과 현가하질량을 증가시키고 협소한 휠 내부 공간을 잠식하는 디스크브레이크방식보다, 휠림(320)의 섀시(720)측 내주면에 브레이크드럼(510)을 취부하고 상기 휠림(320)의 대향면인 모터함체부(70) 함체실린더(700) 외주면에 브레이크슈(brake shoe)(520)와 브레이크라이닝(brake lining)(530) 및 앵커핀(570)의 브레이크 어셈블리를 부가하여 자기배력작용(self servo action)특성을 갖는 드럼브레이크방식(500)이 내부공간이 협소하고 많은 기계부품이 집적되는 인휠모터 시스템에서 바람직하다.
본 발명의 기계제동기능은 상기 함체실린더(700)의 수평방향(π, 2π) 외주면에 기계제동장치인 브레이크슈(520)와 슈(shoe)에 장착된 브레이크라이닝(530)을 앵커핀(570)으로 고정하여 안치하고, 휠림(320) 내주면에 브레이크의 압착제동에 의한 마찰열을 주행풍(640)으로 소산하는 에어벤트(공기배출)홈을 구비한 브레이크드럼(510)을 취부하여 교류 유도모터, 동기모터의 서비스 브레이크로 활용하거나 스텝모터(170)의 보조브레이크 및 주차브레이크 기능으로 조합한다.
상기 드럼브레이크방식(500) 기능은 모터함체부(70)의 헥사모터(100) 후단의 배선공기챔버(750) 내측공간에 휠실린더를 안치하여 유압으로 작동시키거나 액추에이터(540)를 안치하되, 모터함체부(70) 실린더(700) 외주면을 천공하여 브레이크슈(520)와 앵커핀(570)으로 작동되는 브레이크 어셈블리로 구비하여 마찰력에 의한 기계제동기능을 부가하되, 자기배력작용을 고려하여 리딩슈(leading shoe)(550)와 트레일링슈(trailing shoe)(560)의 특성에 따라 리딩트레일링슈 식(leading trailing shoe type), 투리딩슈 식(two leading shoe type), 듀오서보 식(duo servo type) 등 여러 상용 가능한 방식에서 적의 선택한다.
상기 제동방식(50)의 기계제동기능은 자기유지력(정지토크, holding torque)을 이용한 정지토크제동(590)의 브레이크 기능과 인버터와 컨버터 및 배터리로 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동(580)의 전자(電磁)제동기능을 조합하는 이중(기계제동+회생발전제동) 혹은 삼중(기계제동+회생발전제동+정지토크제동)의 제동기능을 제공한다.
상기 이중 혹은 삼중 제동기능의 조합은 자기유지력(holding torque)을 이용한 정지토크제동(590) 기능과 상기 회생발전제동(580) 기능을 보완하는 보조브레이크나 주차브레이크로 활용이 가능하며, 안전을 위해 제동기능이 충분히 확보되어야 하고 정면충돌 상황과 같은 돌발 상황에서 회생발전제동(580) 기능의 단계적 감속모드 없이 바로 정지모드로 천이하는 비상 브레이크 기능을 제공한다.
통상적인 회생발전제동(580)방식의 전자(電磁)브레이크 기능은 운동에너지를 전기에너지로 회수하여 모터구동에 재활용할 수 있어 마찰력을 이용하는 기계제동 방식과 차별화되는 장점을 발휘하나 차량에 갑작스러운 제동충격을 가하기 때문에 부드럽고 쾌적한 주행을 저해하는 불편한 요소이다.
본 발명에 따르면 이러한 제동충격을 완화하고 부드러운 감속과 제동기능을 실현하는 방법으로 실시예 1의 협력형모터구동방식(140)의 회생발전제동 기능을 전륜구동과 후륜구동 혹은 사륜구동방식에 따라 다수(12개 혹은 24개)의 헥사모터를 정밀하게 제어하는 것에 더하여 기계제동과 정지토크제동 기능을 이중 혹은 삼중으로 조합하는 다중 협력회생제동시스템(cooperative regenerative braking system) 기능을 자동차의 감속과 정지모드에 적용하고 돌발 상황시 비상브레이크 기능을 추가하여 승차감을 개선하고 제동품질과 주행안전성을 향상시킬 수 있다.
실시예5: 인휠헥사모터의 냉각방식
실시예 5는 본 발명의 인휠 헥사모터 시스템 냉각계통에 관한 것으로 도 10은 블레이드팬 형상도, 도 11은 냉각공기유동구 배치도, 도 12는 하이브리드냉각방식 형상도를 예시한다.
자동차 핵심부품인 모터의 소형화와 고출력 및 내구성 확보에 필수불가결한 냉각기술은 인휠모터 설계 핵심기술로 열에너지로 방출되는 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R), 코어철손(iron loss, hysteresis + eddy current loss), 베어링, 기어 등의 기계손과 풍손의 손실에너지를 소산시켜 발열과 방열문제를 해소하고 경량화, 내습(耐濕), 고효율, 고성능화라는 상반된 조건을 경제적으로 충족시키는 것은 실제 산업에서의 응용측면에서 매우 어려운 과제이다.
인휠모터 냉각기술은 모터의 고효율, 고성능화, 내구성 확보를 위한 핵심기술로 휠이라는 제한된 공간에 여러 기계와 전자부품들이 복잡한 구조로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구되며, 모터가 구조상 차륜 내에 위치하여 냉각수 배관이 어렵고, 가혹한 외부환경으로부터 모터를 보호하여야 하기 때문에 밀폐형 구조를 채택할 경우 냉각에 매우 불리한 요인으로 작용하기 때문에 모터와 모터함체부의 방열설계가 매우 중요하다.
모터의 자체발열을 줄이기 위해서는 철심 두께 축소, 소재변경, 영구자석 배치변경 등으로 모터 손실을 줄여 열발생을 감소시켜야 하며, 발생된 열을 효과적으로 방열하기 위해서 모터와 모터함체부 표면에서 외기와의 강제대류로 모터를 냉각하는 공랭식이나 냉각액 배관을 연결하여 모터 내부로 냉각유체를 순환시키는 수랭식 혹은 유랭식 냉각방식이 일반적으로 적용되고 있다.
다극 구조와 고토크 출력에 유리한 외전형(exterior rotor type) 인휠모터의 경우 부족한 토크를 보완하기 위해 전동기에 감속기를 부가하고 고 토크 특성을 충족시키기 위해 약 50 A의 고전류 구동방식으로 운전함으로써 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)은 전류 제곱(i²)에 비례한 발열로 나타나며, 코일부 절연체 손상과 영구자석의 자속밀도 감소 및 모터 출력저하로 고효율, 고성능화, 내구성 확보라는 상반된 조건을 충족시키기가 매우 어렵다.
본원 발명의 인휠 헥사모터 시스템(10)은 상기 외전형(外轉型) 인휠모터의 저전압 고전류 구동과는 반대로 고전압 저전류 구동에 유리한 소형모터 6개를 집합형으로 상기 모터함체부(70)에 격납하는 구조로 고정자 코일 권선저항의 동손에 의한 발열을 상대적으로 줄일 수 있고, 다중모터(100)를 격납하는 모터함체부(70)의 형상 개선으로 열교환 면적을 키워 열전도와 대류용량을 증가시킨다.
상기 고전압 저전류 구동의 소용량 고효율의 집합형 모터는 전자기 회로의 토크식 τ=NBAi(N: 코일 턴수, B: 자기력 선속밀도, A: 코일 단면적, i: 전류)에서 NBA를 증대시키고 전류(i)를 감소시켜도 동일한 토크를 생성할 수 있기 때문에 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시킬 때 단일 대형 인휠모터 대비 상대적 고토크 생성과 열저항 및 열손실을 최소화(i²R)하여 동력계통(파워트레인)의 전기적 또는 기계적 성능을 최적화한다.
상기 모터의 일반적인 열전달 과정은 열의 이동을 나타내는 경로함수로 고체 내부의 열전달 과정인 전도(conduction)와 유체 흐름의 복합적 효과를 나타내는 대류(convection)에 관련된 푸리에 열전도 법칙은 아래와 같다.
상기 법칙에서 주어지는 바와 같이 헥사모터(100)를 격납하는 모터함체부(70)의 냉각공기유동구(610)는 열전도 계수가 높은 알루미늄(k=237W/mk) 재질이 유리하며, 전도에 의해 이동하는 열량(Qcd)증대는 결국 방열판(heat sink)과 모터함체부 등의 열교환 면적(A)은 크게 하고 두께(Δx)는 얇게 하는 한편, 계(system)의 내부와 외부 온도차(ΔT)는 크게 하는 냉각방식이 필요하다.
상기 푸리에 열전도 법칙에 준거한 냉각시스템은 열전도와 열대류 전달용량의 확대를 위해 휠스포크(spoke)(330)를 익형(airfoil)을 갖는 블레이드 형상으로 개선한 블레이드팬(600)과, 모터함체부(70)에 안치되는 다수 냉각핀(620)의 프로파일 단면을 갖는 냉각공기유동구(610)와, 내부 단면적이 π배 확장되는 상기 양정현파중공회전축(130)을 열교환 통로(channel)로 삼으며, 상기 블레이드팬(600)으로 자동차의 주행풍(640)을 가속하고 공기유동 흐름을 개선하여 열전도와 열대류 계수를 향상시키는 개방형 모터함체부(70) 형상을 안출한다.
우선 휠림(320)과 허브디스크(340)를 연결하는 휠스포크(330)를 익형(airfoil)을 갖는 블레이드팬(600) 형상으로 개선하여 주행풍(640)을 흡입하는 터보팬의 로터로 모터냉각에 활용하되, 블레이드 앞전(leading edge)에서의 받음각(앙각, angle, α)은 주행방향 바퀴 외측과 대략 35도 이하로 하고 뒷전(trailing edge)은 바퀴 내측 방향으로 기울어지게 휠림(320)과 허브디스크(340)를 연결한다.
상기 휠스포크(330)의 블레이드 익형은 자동차 주행속도는 항공기 대비 저속이므로 비점성과 비압축성 유동에 적용되는 뉴턴의 제2법칙과 베르누이(Bernoulli) 방정식 p+1/2ρV²=const(속도가 증가하면 압력이 감소하고 속도가 감소하면 압력이 증가)에 준거하여 양력(lift, 揚力)을 크게 하는 상하좌우 비대칭의 얇은 비행기 날개 익형보다 가혹한 환경에서 회전하는 블레이드 팬(600)의 파손을 예방하고 주행풍(640)을 양면에서 가속하는 좌우대칭 타원익형을 갖는 블레이드팬(600)이 구조적으로 바람직하다.
상기 블레이드팬(600)은 세장비(fineness ratio, 길이와 직경의 비)가 3 내외의 상하 동형인 유선형 혹은 타원익형과, 앞전과 뒷전을 연결하는 직선인 시위선(chord line) 거리c가 대략 0.02 크기 반지름의 앞전과 뒷전을 갖는 좌우대칭 익형으로 휠스포크(330)의 형상을 개선함으로써, 주행풍(640)을 양면에서 가속하는 터보팬의 로터기능을 갖게 하여, 휠스포크(330)의 익형에서 생성되는 양력의 벡터합력을 차체(body)의 무게중심점보다 낮은 위치에 있는 전동축원점(390)에 집중시켜 타이어(300)의 접지력(로드홀딩)을 증대하되, 휠(310) 크기인 휠인치(휠지름)에 따라 10~30개 블레이드팬(340)으로 휠림(320)과 휠디스크(340)를 연결하는 것이 바람직하다.
상기 블레이드팬(600)의 주행풍(640) 가속기능에 더하여 헥사모터(100)를 격납하는 모터함체부(70) 형상을 함체허브(730)와 모터격납구(110) 사이공간에 냉각공기유동구(610)를 큰 원(함체실린더, 함체허브, 모터격납구) 사이 공간에 접선의 형태로 작은 원(냉각공기유동구)을 반복적으로 채워 넣은 아폴로니안 개스킷(Apollonian gasket)의 벌집형상으로 배치하여 모터함체부(70)의 강성(rigidity)을 높이며, 냉각공기유동구(610) 내측은 두께(Δx)가 얇은 냉각핀(620)을 갖는 프로파일 단면으로 열교환 단위면적(A)을 대폭 확대하여 마찰열이 발생하는 외접복합기어열(220)의 치면(齒面) 냉각과 브레이크라이닝(530)과 브레이크드럼(510)의 방열 및 헥사모터(100)의 발열을 냉각시키는 공랭식냉각방식(660)을 기본 냉각방식으로 채택한다.
상기 냉각공기유동구(610) 위치는 함체실린더(700), 함체허브(730), 모터격납구(110) 사이공간인 π/6, π/2, 5π/6, 7π/6, 3π/2, 11π/6 방향에 각기 5개씩 총 30개를 안치하되, 형상치수 산출은 2개원이 접하고 외접원이 있을 때 3개원의 접촉원(osculating circles) 혹은 소디원(Soddy circle)의 크기를 구하는 데카르트 방정식(Descartes' equation)을 활용하여, 내접원의 반지름 a b, 외접원의 반지름 c, 3 원과 접하는 4번째 원인 접촉원(kissing circle)의 반지름 x를 구하면 냉각공기유동구(610)의 크기를 구할 수 있다.
상기 냉각공기유동구(610) 크기는 가상기어(virtual gear)(290)의 크기인 단위지름(D)(1) 대비 0.1이상이 되는 A(0.354438)-1개, B(0.167334)-2개, C(0.100240)-1개, D(0.154701)-1개의 총 30개(5개*6개소)를 확보하며, 나머지 빈 공간은 냉매자켓(630)으로 활용하여 현열(sensible heat)을 이용하는 물(水) 혹은 열에너지 저장과 온도조절 기능물질로 높은 잠열(latent heat)과 열전도도를 갖는 파라핀(paraffin)과 같은 상변화물질(狀變化物質, PCM, phase change material)을 충진하여 열에너지를 저장하고 방출시켜 냉각효율을 향상시킨다.
상기 냉각공기유동구(610) 내부(반지름: R)는 6개 냉각핀(620)의 육방격자형 프로파일 단면을 채택하면 냉각공기유동구(610) 반지름(R) 크기의 12배(2πR+6R)배로 확대되어 전체 냉각공기유동구(610)의 열교환 면적이 반지름R 대비 360배(12R*30개)의 열전도와 열대류 면적(A)을 갖는 방열판(heat sink) 기능으로, 블레이드팬(600)으로 가속된 주행풍(640)을 흡입시켜 냉각핀(620)과 냉매자켓(630) 및 헥사모터(100)를 냉각함으로써 헥사모터(100)의 냉각 효율을 개선한다.
이에 더하여, 로터(180)의 열교환 통로인 상기 양정현파중공회전축(130)은 실시예3과 같이 축 내부공간이 빈 실린더형 구조물로 속이 꽉 찬 중실축(solid shaft)에 대비하여 열 매복 공간의 축소와 표면적이 π배 확장되어 열방출 면적이 증대되어 전자기 회전체 내부공간의 열량(Qcd)을 외부로 방출하는 부수적인 효과와 양정현파중공회전축(120) 내부 음정현파 치(齒)에 의한 전도와 대류가 발생하므로 헥사모터(100)의 냉각효율을 더 높일 수 있는 구조적 특성을 갖는다.
상기 특성은 영구자석과 로터(180)의 발열이 회전축(120)과 모터함체부(70)로 전달되어 열원이 집중되는 영구자석과 로터 코어의 높은 온도상승은 자속밀도를 감소시켜 모터 출력을 저하시키기 때문에 양정현파중공회전축(130)은 속이 꽉 찬 중실(solid) 회전축에 비해 재료 역학적인 비틀림이나 굽힘 강도를 더욱 향상시키고 동일 체적 대비 편평관보다 π배 확장되는 단면적으로 주름(wrinkling)과 좌굴(buckling)을 방지하며, 개선된 인장, 비틀림(torsion), 굽힘, 압축 강도가 대폭 개선되고 열이 매복하는 공간이 대폭 감축된다.
상기 기본 공랭식냉각방식(660)의 성능을 더욱 개선하는 방안으로 모터함체부(70)의 냉각공기유동구(610)와 모터격납구(110) 사이 빈 공간인 냉매자켓(630)에 냉각수로 물을 주입하는 수랭식(water cooling)냉각방식(670)이나 파라핀(paraffin), 이온화합물 등의 상변화물질(PCM)을 주입하여 축열과 방열효과를 더욱 개선하는 상변화물질냉각방식(680)을 공랭식냉각방식(660)과 조합하는 하이브리드냉각방식(690)을 제공한다.
상기 수랭식냉각방식(670) 혹은 상변화물질 냉각방식(680)과 조합된 하이브리드 냉각방식(690)의 특징은 냉각수로 비열이 높은 물(1cal/g℃) 혹은 많은 열을 흡수하여 방출하는 잠열재 또는 열 조절 기능 물질인 파라핀과 같은 상변화물질(PCM)을 외부 에너지원을 이용하여 냉각채널 사이를 유동시키는 것이 아니라 열용량이 작고 열전도율이 낮은 공기(0.31kcal/Nm³℃)인 주행풍(640)을 블레이드팬(600)으로 가속하여 냉각공기유동구(610)로 흡입시켜 헥사모터(100)를 냉각하고 배출하는 무동력의 공랭식냉각방식(660)이다.
상기 하이브리드냉각방식(690)의 특성을 더욱 개선하는 방법으로 상기 헥사모터(100)의 후단인 배선공기챔버(750)와 포물면앵커(parabola anchor)(710)의 외측 모서리 공간에 송풍기(650)를 부가하여 배터리 전원으로 주행풍(640)을 강제 송풍하여 냉각공기유동구(610)와 양정현파중공회전축(130)을 냉각시키고, 냉각된 공기유동관이 냉매인 냉각수 혹은 상변화물질과 헥사모터(100)의 열을 흡수하여 열교환이 이루어지는 능동형 하이브리드냉각방식(690)이다.
상기 능동형 하이브리드냉각방식(690)은 송풍기(650)의 열교환구(780)를 유연튜브(flexible tube)로 접속하여 헥사모터(100)의 폐열을 차대(섀시)로 이송하고, 주행풍이 없는 정지상태나 모터부의 이상 과열시 온도센서로 감지하여 배터리 전원으로 송풍기(650)를 구동하여 모터부를 냉각하거나, 공조용량 초과시 방열구(770)를 개방하여 외부로 강제송풍하는 열교환 방식이다.
상기 능동형 하이브리드냉각방식(690)은 상기 기본 공랭식냉각방식(660) 혹은 하이브리드냉각방식(690)과 함께 차대(720) 혹은 자동차의 배터리부 냉각시스템과 인버터 및 컨버터 등의 전원부 냉각시스템을 계통적으로 통합하여 배터리부와 전원부 및 모터부의 폐열을 자동차 공조(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC)시스템에 재활용하여 에너지 사용효율을 향상시키는 것이 더욱 바람직하다.
상기 공랭식냉각방식(660)과 수랭식냉각방식(670) 혹은 상변화물질냉각방식(680)이 조합되는 하이브리드냉각방식(690)의 잠열저장 및 방출기능은 높은 현열과 잠열 에너지를 갖는 물(水)과 상변화물질(PCM)을 히트싱크로 활용함으로써 높은 에너지저장 밀도와 저장된 에너지를 방출하는 등온적 저장과정을 갖는다.
본 발명의 냉각시스템(60)을 정리하면 휠스포크(330)를 익형(airfoil)을 갖는 블레이드팬(600) 형상을 개선하여 차량 주행에 따른 주행풍(640)을 가속하여 마찰열이 발생하는 기어(齒車), 브레이크드럼과 슈, 동손과 철손 등에 의한 헥사모터(100) 발열이 전도되는 모터함체부(70), 양정현파중공회전축(130), 방사형의 냉각핀(620)을 갖는 프로파일 단면의 냉각공기유동구(610)를 열교환 통로로 활용하는 공랭식냉각방식(660)을 기본 냉각방식으로 제공한다.
이에 더하여 함체실린더(700)와 모터격납구(110) 및 냉각공기유동구(610) 사이 내부공간인 냉매자켓(630)에 냉매로 물(水) 혹은 파라핀 등의 상변화물질(PCM)을 충진하여 상기 공랭식 냉각방식(660)과 조합하는 공랭식+수랭식, 공랭식+상변화물질냉각식의 하이브리드냉각방식(690)과 자동차공조시스템(HVAC)과 통합된 능동형 하이브리드냉각방식을 제공하여 고토크, 고효율, 고출력 특성과 수명연장과 고성능화, 내구성 확보의 장애요인인 헥사모터(100)의 방열특성을 개선한다.
실시예6: 인휠헥사모터의 진동절연(isolation)방식
본 발명의 제6측면은 인휠 헥사모터 시스템의 진동절연 시스템으로 도 13은 전단진동절연방식 개념도이다. 도 14는 허브스프링과 고무댐퍼가 삽입되는 진동절연흡진홈이 구비되는 모터함체부 허브 단면도를 예시한다.
구동력을 생성하는 모터가 타이어 휠허브 내에 있는 인휠모터 시스템은 현가장치 아래에 모터가 위치하여 휠의 중량 증가가 불가피하고 자동차 바퀴와 같이 상하운동을 하기 때문에 관성력이 증가하여 주행 중 타이어와 노면의 밀착성인 로드홀딩(load holding, 접지력)이 악화되기 때문에 현가장치의 스프링을 통해 차대와 차체로 전달되는 진동이 증대되어 승차감을 저하시킨다.
자동차는 주행 중 노면으로부터 충격과 엔진 혹은 모터의 조화가진(진동)이 작용하여 차대와 차체는 진동하며, 기존의 전통적 현가방식은 타이어 공기압의 굴신운동에 의한 흡진기능과, 코일스프링과 쇼크업소버(shock absorber)로 구성되는 스트럿(strut)과 한쪽 단의 지지점이 2개인 암(arm)과 양단이 1개의 지지점을 갖는 링크(link)기구의 기하학적 결합구조(geometry)에 따라 맥퍼슨(MacPherson)식, 더블위시본(double wishbone)식, 토션빔 액슬(torsion beam axle)식, 멀티링크(multi link)식 등으로 타이어의 공기압과 스트럿이 조합된 이원 현가시스템으로 특정할 수 있다.
일반적으로 회전불균형질량(편심질량, eccentricity mass)은 편심축방향 하중과 힘(가진력)을 받고, 굽힘모멘트를 생성하여 구동축이 중립축(neutral axis)에서 벗어나는 훨링(whirling)현상을 초래하며, 타이어와 휠의 편심과 대형 로터 및 링기어와 같은 회전질량 불균일 요소가 상호간 결합되고 진동의 변위전달률인 변위비(X/Y)는 가진주파수(forcing frequency, ωf)와 고유진동수(natural frequency, ωn)의 비율인 주파수비(r, r=ωf/ωn)가 1이 될 때 진동이 증폭되어 탄성한계를 초과하는 변형과 동력전달계통 구조물의 파손으로 이어져 인휠모터 시스템을 실제 산업상 적용함에 있어 많은 애로사항이 발생되고 있다.
자동차는 타이어와 휠, 전동축, 각종 기어 등이 같은 방향으로 회전하고 회전 각속도와 위상이 같은 동위상(in phase) 회전에서 축의 각운동인 훨링(whirling)과 축의 굽힘진동이 증폭되어 가진주파수(forcing frequency, ωf)와 고유진동수(natural frequency, ωn)가 가까워질 때 발생하는 맥놀이현상(beat phenomenon)과 주파수가 같을 때 발생하는 공진(resonance, ωf=ωn=√(k/m))에 대한 진동절연대책이 실제 산업응용에서 긴요하다.
상기 진동절연대책으로 본 실시예는 실시예1의 1개 피동기어(210)와 6개 구동기어(200)의 7개 기어가 결합되는 외접복합기어열(220)은 각기 시계방향과 반시계방향의 다른 회전방향과 각속도 및 위상각도로 운전되는 역위상(out of phase) 회전특성을 갖게 되어 타이어(300)와 휠(310)로 구성되는 바퀴부(30)의 편심에 의한 회전불균형 질량과 동위상(in phase) 회전에서 나타나는 축의 각운동인 훨링(whirling)과 축의 굽힘진동을 최소화한다.
또한 전동축(370)상 피동기어(210) 피치원 지름은 √3, 구동기어(200)는 1/√2로 함으로써 가진주파수(forcing frequency, ωf)와 고유진동수(natural frequency, ωn)의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)는 타이어와 휠 기준 0.4082((1/√2)/√3), 모터와 차대 및 차체 기준 2.4494(√3/(1/√2))가 되어 공진점(r=ωf/ωn=1)에서 이격됨으로써 공진을 예방하고, 주파수비r가 √2보다 큰 2.4494점에서 진동을 절연시킨다.
상기 기어의 피치원 지름(D) 조절방법은 진동공학 이론과 실제 산업응용에서 가진주파수(ωf)와 고유진동수(ωn)의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)가 √2보다 클 때, 진동 전달률이 1보다 작아져 진동이 절연되고, √2보다 작을 때 1보다 커지는 진동 증폭현상이 발생되는 점과, 바퀴와 휠의 가진력이 6개 구동기어(200)와 헥사모터(100)로 분산되며, 피동기어(210)와 구동기어(200)간의 치면사이 틈새인 백래시(backlash, 뒤틈)(260)와 기어 치수 허용공차 등과 동력전달의 효율과 모터 손실 및 진동에너지의 열소산과 상호 상보적 함수 관계에 준거한 것이다.
통상 평기어(spur)의 동력전달 효율은 98~99.5%로 0.5~2%의 에너지는 불가피하게 열에너지로 손실되고 기어의 법선과 원주 및 반지름방향 치면사이의 틈새인 백래시(260)와 기어 치수 허용공차는 헥사모터(100) 코일의 동손(copper loss, i²R), 코어의 철손(hysteresis loss + eddy current loss), 베어링, 기어 등의 기계손을 마찰열로 열에너지로 소산시키고 바퀴의 진동과 충격을 감쇠시키는 방안이다.
본 실시예에서는 외접복합기어열(220)의 상이한 기어비와 백래시(260)와 허용공차 및 다른 회전방향과 각속도 및 위상각도로 운전되는 역위상 회전특성으로 진동에너지를 열에너지로 소산시키고 공진점(r=ωf/ωn=1)을 이격시키는 것에 더하여, 전동축(370)과 함체허브(730) 사이공간에 허브스프링(410)과 고무댐퍼(420)를 활용한 전단진동절연(front end vibration isolation)(400)기능을 도입한다.
상기 전단진동절연(400)기능은 부가적인 질량-탄성계(부진동계)를 자동차의 주(primary)진동계인 현가장치(440)에 추가하여 넓은 운전영역에서 진동응답 크기를 감소시켜 조화가진되는 주질량의 응답을 제어하고 진동에너지를 현가장치(440)의 주질량과 전단진동절연(400) 장치의 부질량으로 분산하여 주어진 운전영역 내에서 진동을 감소시켜 더욱 개선된 주행감과 승차감을 제공한다.
상기 부질량계인 전단진동절연(400)기능은 스프링상수 혹은 스프링강성(spring stiffness, k)을 갖고 감쇠비(damping ratio, ζ)가 0≤ζ≤0.05 사이인 허브스프링(410)과 감쇠계수(damping coefficient, c)를 갖는 탄성중합체(elastomer)로 점탄성 거동으로 감쇠를 증가시켜 진동에너지를 소산(dissipating)시키는 고무댐퍼(420)로 구성하여 타이어(300)와 휠(310)의 진동을 흡진하여 주진동계인 현가장치(440) 전단(front end)에서 일부 진동 에너지를 절연(isolation)하여 차량전체 현가용량을 증대시킨다.
상기 허브스프링(410)과 고무댐퍼(420)는 허브베어링(360)을 내장한 허브베어링브라켓(740)과 함체허브(730) 사이공간에 삽입하되, 허브베어링브라켓(740) 원주면에 외접하는 지름 10mm의 오목(凹)홈과, 함체허브(730)에 내접하는 지름 10mm의 오목(凹)홈이 대향하는 진동절연흡진홈(430)을 연속으로 구비하여 허브스프링(410)과 고무댐퍼(420)를 수납하는 공간으로 활용한다.
상기 진동절연흡진홈(430)은 헥사모터 개수의 정수배(6*N, N=2, 3, 4, 5)인 12, 18, 24, 30개가 바람직하며 톱니높이는 주름반경 5mm에서 1mm를 제거한 4mm로 톱니 사이에 2mm 공극을 확보함으로써 허브스프링(410)과 고무댐퍼(420) 삽입 공정과 바퀴부(30)와 모터함체부(70)간 진동허용 공극(Air Gap)으로 삼아 조화가진(진동)과 충격에너지를 절연하고 흡진하는 것이 바람직하다.
상기 바퀴부(30)와 모터함체부(70) 사이에 위치하는 진동절연흡진홈(430)의 2mm 진동허용 공극은 진동공학에서 인체(운전자)의 진동감각 한계가 1~8Hz의 진동수와 10^-2mm(0.01mm)의 변위진폭을 갖고, 기계장치(자동차)의 진동감각 한계가 10~100Hz의 진동수와 0.01~1mm의 변위진폭을 갖는 점을 고려할 때, 상기 바퀴부(30)와 모터함체부(70)간 진동허용 공간인 2mm 공극은 적절한 설계기준이다.
또한 표준화된 허용 진동수 측면에서도 회전 불균형 질량을 갖고 회전하는 편심타이어(예: 215/55 R17 타이어)를 장착한 자동차 바퀴 회전수인 조화가진(harmonic excitation) 진동수를 예시하면 시속100km는 13Hz, 시속200km는 26Hz, 시속300km는 39Hz로 인체나 기계장치의 진동감각 한계인 100Hz 범위내에 있어 굴곡진 노면 요철(凹凸, bump)과 편심타이어의 회전불균형질량에 의한 조화가진(진동)을 흡수하고 축적하는 허브스프링(410)과 내부감쇠저항으로 공진영역의 진폭X을 줄여 진동을 절연하는 고무댐퍼(420)로 구성되는 전단진동절연(400)기능은 공진제어 대책으로 유효한 진동절연(isolation)방식이다.
상기 허브스프링(410)은 제작이 쉽고 효율이 좋은 원통형 압축코일 스프링(helical compressive spring)과 고무댐퍼(420)는 원통형 고무줄 형상으로, 흡진기인 전단진동절연(400)부의 부질량(ma)과 현가장치(440) 주질량(mp)의 질량비(μ, μ=ma/mp)를 0.05≤μ≤0.25 범위 내에서 전단진동절연(400)부의 설계 요구 강성을 선정하되, 허브스프링(410)의 코일지름(D)과 고무댐퍼(420) 크기는 수납 홈 직경 10mm의 √2배(1.4142)로 탄성 압축용량을 확보하여 충격가진의 변형율(εs)에 대응하고 진동절연 영역의 강성을 확보하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 허브스프링(410)과 고무댐퍼(420)의 고정방법은 스프링과 댐퍼의 한 단을 고정하고 길이 방향으로 잡아당겨 지름 혹은 굵기를 축소시키는 인장(引張)방법으로 요(凹)형의 진동절연흡진홈(430)에 삽입한 후 이완(弛緩)하여 탄성을 회복시켜 위치를 고정하면, 응력집중과 전단을 야기하는 볼트나 쐐기와 같은 부품이 없어도 손쉽게 고정할 수 있으며, 헥사모터(10)부와 바퀴부(30)의 충격과 진동을 절연시켜 진동으로 인한 구조물의 피로 감소와 현가성능 개선 및 승차감을 향상시킨다.
상기 전단진동절연(400) 기능을 갖는 고무댐퍼(420)는 상실계수가 크기 때문에 손실률이 크며 분자간 마찰에 의해 에너지 손실이 발생하여 에너지를 흡수하는 용도에 쓰이는 점탄성(viscoelasticity)을 갖는 고분자 재료를 활용하면, 공진점에서의 진동 전달률비(transmissibility ratio, T.R.)를 3.5 이하로 낮추어 현가장치(440)의 전단(front end)에서 폭 넓은 운전영역에서 충격과 진동에너지의 응답크기를 감소시켜 공진을 억제하고 감쇠처리하는 전단진동절연(400)기능을 갖게 한다.
상기 전단진동절연(400) 기능은 코일스프링과 쇼크업소버로 구성되는 기존 현가시스템을 보조하는 개선된 방식으로 1차-타이어(300)의 공기압, 2차-허브스프링(510)과 고무댐퍼(420), 3차-코일스프링과 쇼크업소버의 스트럿(strut)(450)의 개선된 삼원 현가장치(440) 시스템으로 바퀴부(30)의 충격과 진동에너지를 감쇠시켜, 결국 현가하질량 혹은 스프링 아래질량(unsprung mass) 감소와 등치되는 현가 상질량 혹은 스프링 위질량(sprung mass) 증대효과를 갖게 된다.
상기 진동절연부(40) 기능을 정리하면, 헥사모터 구동기어(200)와 전동축(370)상 피동기어(210)의 피치원(230) 형상치수를 1/√2과 √3으로 달리하는 감속기어열과 시계방향과 반시계방향의 다른 회전방향과 각속도 및 위상각도로 운전되는 역위상(out of phase) 회전특성을 갖게 하여 진동전달률비(T.R.)를 낮추어 굴곡진 노면 요철(凹凸, bump)과 타이어 편심을 포함한 바퀴부의 회전불균형질량(편심질량)등으로 초래되는 충격과 조화가진(진동) 억제대책으로 활용한다.
상기 방식에 더하여 구동기어(200)와 피동기어(210)간 치면(齒面)사이 틈새인 백래시(backlash, 뒤틈)(260)와 기어 치수 허용공차에 의한 진동에너지의 열소산과, 허브스프링(410)과 점탄성 재료인 고무댐퍼(420)를 허브베어링브라켓(740)과 함체허브(730)사이 공간에 12, 18, 24, 30개를 삽입하여 타이어(300)의 노면 요철(凹凸, bump)주행과 회전불균형질량(편심질량)에 의한 진동에너지를 현가장치(440) 전단(front end)에서 절연(isolation)하고 흡진(absorption)하는 전단진동절연(400)기능을 부가하여 주행성능과 승차감 향상 및 차량 구조물의 피로를 억제한다.
실시예7: 인휠 헥사모터 시스템의 모터함체부
본 발명의 제7측면은 실시예 1부터 실시예6까지 상술한 제반 부품을 수납 및 격납하여 기능을 구현하게 하는 인휠 헥사모터 시스템의 함체에 관한 것으로 도 15는 모터함체부 기본형상도, 도 16은 모터함체부 외측 단면도, 도 17은 포물면앵커 평면도를 예시한다.
재료역학적으로 구조물의 부재(member)나 기계요소가 경제적으로 소기의 기능을 발현하기 위해서는 물체/재료(body/material)에 작용하는 외력(external force) 또는 하중(load)에 저항하는 힘인 내력(internal force)과 변형(strain)에 대응하는 강도와 강성을 가져야 하며, 강도(strength)는 재료의 고유한 성질에 관련되고 강성(rigidity)은 재료의 성질과 기하학적 형상에 좌우된다.
재료역학적 관점에서 두께가 t이고 중선에 대한 반지름이 r인 두께가 얇은 원형관의 전단응력(shear stress, τ)은 τ=T/(2πr²t)(T: 작용토크, r: 반지름, t: 두께)로 주어지므로 주름(wrinkling)이나 좌굴(buckling)이 일어나지 않는 범위 내에서 두께를 얇게 하고 재료를 중립축 원점O에서 가장 멀리 떨어진 곳에 위치시키는 설계기법은 굽힘응력을 최대로 하는 강건한 형상으로, 무게는 감소시키면서 응력과 비틀림 각을 키워 굽힘강도를 향상시킬 수 있다.
인휠 헥사모터 시스템(10) 모터함체부(70)의 디자인은 재료절감과 강성을 확보하기 위해 원형관을 다중 집속한 형상을 갖게 하는 것이 바람직하며, 도 15에서 도시한 것과 같이 6개의 모터격납구(110)와 30개 냉각공기유동구(610)와 1개 함체실린더(700) 및 1개 함체허브(730) 총 38개(6+30+1+1) 중공실린더의 원주면이 상호 연접하여 집속되면, 함체실린더(700)와 함체허브(730)는 바깥층(face)을 형성하고 6개의 모터격납구와 30개의 냉각공기유동구(610)는 중간층(core) 혹은 필러(filler)로 기능하여, 바깥층과 두꺼운 중간층이 집속되는 육방격자형(hexagonal lattice) 채움구조와 냉각공기유동구(610)의 아폴로니안 개스킷(Apollonian gasket)구조의 기하학적 형상은 모터함체부(70)의 강성(rigidity)을 더욱 키우는 유효한 방법이다.
상기 모터함체부(70) 모터격납구(110) 위치는 0(또는 2π), π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3가 되며, 냉각공기유동구(610)의 위치는 함체허브(730)와 헥사모터(100) 사이공간인 π/6, π/2, 5π/6, 7π/6, 3π/2, 11π/6 방향의 위치에서 함체실린더(700)과 함체허브(730) 사이 공간에 30개의 중공실린더를 아폴로니안 개스킷형상으로 집속함으로써 재료의 기하학적 형상에 좌우되는 강성과 내진동성을 키워 자동차의 하중과 충격 및 조화가진의 외력(external force)에 저항하는 강성(rigidity)을 확보한다.
상기 모터함체부(70)는 6개의 헥사모터(100) 및 구동기어(200)와 1개의 피동기어(210), 전동축(370), 냉각공기유동구(610), 냉매자켓(630), 진동절연흡진홈(430), 함체실린더(700), 브레이크슈(520), 포물면앵커(parabola anchor)(710), 현가홈(490), 현가어퍼암/링크홈(460), 현가로어암/링크홈(470) 등으로 인휠 헥사모터 시스템(10)의 브라켓인 모터함체부(70)를 형성하며, 배선공기챔버(750)와 포물면앵커(710)의 모서리 부분에 송풍기(650), 방열구(770), 열교환구(780), 전력배선인출구(760)를 안치한다.
상기 모터함체부(70)를 바퀴 외측면에서 살펴보면 전동축 원점(390)에서 방사상으로 전동축(370)과 허브베어링(360)이 내장된 베어링브라켓(740) 및 마운팅디스크(380)와 전동축과 모터함체부(70)간 진동절연을 위한 진동절연흡진홈(430)을 안치하여 휠허브(350)를 형성하며, 그 외부 방향에는 육방격자형으로 6개 헥사모터(100)를 격납하는 모터격납구(110)와 격납구 사이 공간에 냉각공기유동구(610)가 아폴로니안 개스킷 채움구조로 배열되는 다공(多孔) 원통의 벌집형상을 갖는다.
한편, 상기 함체실린터(700) 내부 헥사모터(100) 후단에는 배선공기챔버(750)를 두어 헥사모터(100)의 입출력 전원선과 제어선을 배선하여 전력배선인출구(760)로 결선하며, 6개의 양정현파중공회전축(130)과 30개 냉각공기유동구(610)를 통과한 냉각공기를 합류시켜 방열구(770), 열교환구(780)와 열교환 계통을 형성하고, 함체실린더(700) 외측 수평방향(π, 2π)에 취부되는 브레이크슈(520) 구동을 위한 액추에이터(540) 혹은 유압구동 휠실린더를 안치하고 외측면 상하부에 현가장치(440)의 지지점인 현가어퍼암/링크홈(460)과 현가로어암/링크홈(470)을 구비한다.
상기 함체실린터(700)의 후단부측 형상은 재료역학적으로 완전응력보(fully stressed beam)인 포물선 형상의 포물면앵커(parabola anchor)(710)를 안치하되 측면에 조향암/링크홈(480)을 구비하여 조향장치의 타이로드와 조향암 혹은 조향링크를 결속하고, 포물면앵커(710) 상부면에 현가어퍼암/링크홈(460)과 하부면에 현가로어암/링크홈(470)으로 현가장치(440)의 지지점을 제공하며, 초점부분에 현가장치(440)의 코일스프링과 쇼크업소버 혹은 댐퍼의 스트럿(strut)(450)을 안치하는 현가홈(490)을 구비함으로써 최대허용 굽힘응력(bending stress)과 전단응력(shear stress)을 갖는 형상으로 모터함체부(70)의 강성(rigidity)을 확보하며 타이어(300)와 휠(310)을 자동차 섀시(720)에 장착할 수 있는 수단을 제공한다.
상기 모터함체부(70)와 섀시(720)를 연결하는 암과 링크는 2점 사이를 연결하는 기구(機構)로 한쪽 단의 지지점이 2개인 암(arm)과 양단이 1개의 지지점을 갖는 링크(link)로 구분되고, 기하학적 결합구조(geometry)는 조향방식(이륜조향, 사륜조향)과 구동방식(전륜구동, 후륜구동, 사륜구동)에 따라 다양한 조향(steering)장치와 현가(suspension)장치의 기술방식이 있으나 그 구체적 결합구조는 본원 발명의 범주를 넘어서나, 본원에서는 스트럿(450)을 안치하는 현가홈(490)과 10개소(조향-2개, 현가-8개)의 지지점인 암과 링크홈을 제공하여 차종과 조향방식 및 구동방식에 따라 허브 캐리어, 컨트롤 암(링크), 트레일링 암(링크), 어퍼 암(링크), 로어 암(링크), 안티롤바(스테빌라이저)링크, 토 컨트롤 링크, 래터럴 링크 등의 지지점을 제공하여 타이어(300)와 휠(310), 인휠헥사모터시스템(10), 현가장치(440) 및 차대(720)로 연결되는 기구와 기하학적 결합구조에서 조립강성을 확보하여 최적의 세팅을 찾을 수 있게 한다.
상기 인휠 헥사모터(100) 모터함체부(70)를 정리하면 재료역학적으로 강도(strength)는 재료의 고유한 성질에 관련되고 강성(rigidity)은 재료의 성질과 기하학적 형상에 좌우되기 때문에 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴강 등의 특수강 혹은 합금강으로 제작하여 차대(섀시)와 차체(보디)의 하중을 충분한 지지할 수 있는 고강도(high strength)특성을 확보하고, 총 38개(6+30+1+1) 중공실린더의 원주면이 상호 연접하는 육방격자형 채움구조와 포물면앵커(parabola anchor)와 같은 완전응력보의 기하학적 형상으로 고강성(high-rigidity)을 발현시키는 것이 바람직하다.
실시예8: 인휠 헥사모터 시스템의 무차원 형상치수 정리
본 발명의 제8측면은 실시예 1부터 실시예7까지 상술한 인휠 헥사모터 시스템의 무차원 형상치수에 관한 것으로 도 18은 무차원 형상치수를 예시한다.
상기 인휠 헥사모터 시스템(10)의 형상치수는 소형, 중형, 대형 등 휠 크기와 자동차 종류에 따라 적의 조절하되, 기어 크기는 두 기어의 중심을 잇는 선이 만나는 피치원(230) 지름값으로 휠림(320)의 내주면과 2개 구동기어(200) 피치원(230)에 접하는 꼭지점을 갖는 이등변 삼각형에 외접하는 크기의 가상기어(virtual gear)(290)를 상정하고 그 크기를 단위지름인 “1”로 삼아 구동기어(200), 피동기어(210), 외접복합기어열(220)과, 모터격납구(110), 헥사모터(100), 모터함체부(70) 등의 크기를 상대적 비율인 무차원수의 기준 값으로 제시하여 실제 산업응용에서 유효적절하게 활용할 수 있게 한다.
본 실시예의 바람직한 무차원 형상치수는 상기 가상기어(290) 피치원지름(D: 1)을 기준으로 상기 구동기어 크기는 1/√2(0.7071), 상기 피동기어는 √3(1.7320), 상기 외접복합기어열은 1/√2+√3+1/√2(3.1462)로, 상기 모터격납구는 (1/√2+√3)/2 (1.2195), 상기 모터함체부 내경지름은 (3√3+3/√2)/2(3.6587)로 하고, 휠림 내경지름은 3.8867~4.3068일 때 휠림과 모터함체부 실린더 사이 공극은 함체 두께(Δt)를 뺀 0.1140-Δt ~ 0.3240-Δt, 상기 휠디스크의 지름값은 √3 이상, 상기 마운팅디스크의 지름 값은 √3+2a(a: 이끝높이, addendum), 상기 전동축을 격납하는 함체허브는 (1/√2+√3)/2(1.2195) 미만, 상기 마운팅디스크의 볼트원지름(BCD)(800) 크기는 (1/√2+√3)/2(1.2195) 이하에서 휠볼트 러그(lug) 패턴수(3, 4, 5, 6, 7, 8)에 따라 마운팅디스크를 천공하여 마운팅홀 혹은 휠볼트구멍을 구비하여 다양한 크기의 볼트원지름을 갖는 휠과 마운팅디스크를 체결하는 방법이 바람직하다.
한편, 상기 헥사모터의 구동력을 바퀴부로 전달하는 외접복합기어열(220)의 기어 잇수는 피니언인 구동기어(200) 잇수(Z1)는 기어가 맞물릴 때 인벌루트(involute) 곡선이 시작되는 기초원의 일부를 깎아먹는 언더컷(undercut, 절하)을 방지하기 위해 17~24개 중 물림에 좋은 소수(素數, prime)값인 19개로 하고 피동기어(210) 잇수(Z2)도 소수인 47개로 기어비(Z1/Z2)가 무한소수(infinite number)를 생성(0.4042...)토록 함으로써, 매회전마다 계속 같은 지점에서 물려 두 개 기어가 접촉할 때 기어 표면이 설계된 수명시간 내에 견딜 수 있는 하중 값인 면압강도(pitting resistance)를 저하시키는 정수(integer)비보다 매회전마다 구동기어(200)와 피동기어(210)가 서로 다른 지점에서 물려 기어 수명계수를 늘리는 것이 더욱 바람직하다.
10 : 인휠 헥사모터 시스템
100 : 헥사모터 110 : 모터격납구
120 : 모터회전축 130 : 양정현파중공회전축
140 : 협력형모터구동방식 150 : 정토크영역
160 : 정출력영역 170 : 스텝모터
180 : 로터 190 : 스테이터
20 : 기어부
200 : 구동기어 210 : 피동기어
220 : 외접복합기어열 230 : 피치원(pitch circle)
240 : 이뿌리원(dedendum circle)
250 : 이끝원(addendum circle)
260 : 백래시(backlash, 뒤틈) 270 : 보스(boss), 키
280 : 윤활유박스 290 : 가상기어(virtual gear)
30 : 바퀴부
300 : 타이어 310 : 휠(wheel)
320 : 휠림 330 : 휠스포크
340 : 휠디스크 350 : 휠허브
360 : 허브베어링 370 : 전동축(transmission shaft)
380 : 마운팅디스크 390 : 전동축원점(O)
40 : 진동절연부
400 : 전단진동절연 410 : 허브스프링
420 : 고무댐퍼 430 : 진동절연흡진홈
440 : 현가장치 450 : 스트럿(strut)
460 : 현가어퍼암/링크홈 470 : 현가로어암/링크홈
480 : 조향암/링크홈 490 : 현가홈
50 : 제동방식
500 : 드럼브레이크방식 510 : 브레이크드럼(brake drum)
520 : 브레이크슈(brake shoe) 530 : 브레이크라이닝(brake lining)
540 : 액추에이터 550 : 리딩슈(leading shoe)
560 : 트레일링슈(trailing shoe) 570 : 앵커핀
580 : 회생발전제동 590 : 정지토크제동
60 : 냉각시스템
600 : 블레이드팬 610 : 냉각공기유동구
620 : 냉각핀 630 : 냉매자켓
640 : 주행풍 650 : 송풍기
660 : 공랭식냉각방식 670 : 수랭식냉각방식
680 : 상변화물질냉각방식 690 : 하이브리드냉각방식
70 : 모터함체부
700 : 함체실린더 710 : 포물면앵커(parabola anchor)
720 : 섀시(차대) 730 : 함체허브
740 : 허브베어링브라켓 750 : 배선공기챔버
760 : 전력배선인출구 770 : 방열구
780 : 열교환구
800 : 볼트원지름(BCD) 810 : 마운팅홀(mounting hole)
820 : 휠볼트/러그너트 830 : 휠허브캡
840 : 인휠헥사모터제어부(도시하지 않음)
100 : 헥사모터 110 : 모터격납구
120 : 모터회전축 130 : 양정현파중공회전축
140 : 협력형모터구동방식 150 : 정토크영역
160 : 정출력영역 170 : 스텝모터
180 : 로터 190 : 스테이터
20 : 기어부
200 : 구동기어 210 : 피동기어
220 : 외접복합기어열 230 : 피치원(pitch circle)
240 : 이뿌리원(dedendum circle)
250 : 이끝원(addendum circle)
260 : 백래시(backlash, 뒤틈) 270 : 보스(boss), 키
280 : 윤활유박스 290 : 가상기어(virtual gear)
30 : 바퀴부
300 : 타이어 310 : 휠(wheel)
320 : 휠림 330 : 휠스포크
340 : 휠디스크 350 : 휠허브
360 : 허브베어링 370 : 전동축(transmission shaft)
380 : 마운팅디스크 390 : 전동축원점(O)
40 : 진동절연부
400 : 전단진동절연 410 : 허브스프링
420 : 고무댐퍼 430 : 진동절연흡진홈
440 : 현가장치 450 : 스트럿(strut)
460 : 현가어퍼암/링크홈 470 : 현가로어암/링크홈
480 : 조향암/링크홈 490 : 현가홈
50 : 제동방식
500 : 드럼브레이크방식 510 : 브레이크드럼(brake drum)
520 : 브레이크슈(brake shoe) 530 : 브레이크라이닝(brake lining)
540 : 액추에이터 550 : 리딩슈(leading shoe)
560 : 트레일링슈(trailing shoe) 570 : 앵커핀
580 : 회생발전제동 590 : 정지토크제동
60 : 냉각시스템
600 : 블레이드팬 610 : 냉각공기유동구
620 : 냉각핀 630 : 냉매자켓
640 : 주행풍 650 : 송풍기
660 : 공랭식냉각방식 670 : 수랭식냉각방식
680 : 상변화물질냉각방식 690 : 하이브리드냉각방식
70 : 모터함체부
700 : 함체실린더 710 : 포물면앵커(parabola anchor)
720 : 섀시(차대) 730 : 함체허브
740 : 허브베어링브라켓 750 : 배선공기챔버
760 : 전력배선인출구 770 : 방열구
780 : 열교환구
800 : 볼트원지름(BCD) 810 : 마운팅홀(mounting hole)
820 : 휠볼트/러그너트 830 : 휠허브캡
840 : 인휠헥사모터제어부(도시하지 않음)
Claims (16)
- 자동차 바퀴 내부에 동력원인 모터가 구비되는 인휠 모터 방식의 차량에 있어서,
상기 바퀴는 타이어와 차중을 지지하고 동력을 전달하는 휠(wheel);
상기 휠의 허브와 디스크, 타이어와 접하는 림과 연결부인 스포크;
상기 휠의 회전력을 지지하는 전동축과 허브베어링; 및
상기 전동축과 허브베어링을 격납하고 지지하는 모터함체부; 를 포함하고,
상기 모터함체부에는 자동차 동력원인 6개의 구동모터(헥사모터)와 구동기어와, 상기 6개의 구동기어에 외접하여 맞물리는 1개의 피동기어를 구비하되,
상기 모터함체부 외주면에 기계제동장치인 브레이크슈(shoe)가 안치되고, 휠허브 내측의 전동축과 결합되는 마운팅디스크를 구비하되, 상기 마운팅디스크 가장자리에 마운팅홀 혹은 휠볼트구멍을 두어, 휠볼트 혹은 러그너트로 휠디스크와 체결수단을 제공하며, 상기 마운팅디스크 외주면에 상기 피동기어의 이(tooth, 齒)를 구비하도록 하여,
상기 1개 피동기어와 상기 6개 구동기어는 상기 1개 피동기어를 중심으로 그 둘레에 상기 6개의 구동기어가 육방방사형으로 배치되어, 총 7개 기어가 결합된 외접복합기어열(compound gear trains)로 형성하여, 7개 기어 동시구동에 의한 다수의 모터가 출발, 가속, 정속, 감속, 정지와 같은 모드별 협력형구동방식으로 필요 토크를 배분하는 토크벡터링(torque vectoring)으로, 전동축의 구동벡터 합력을 증대시키고, 상기 구동기어와 피동기어는 각기 반대방향 회전과, 상이한 회전각속도 및 위상각도로 상기 6개 모터의 구동 모터의 구동력을 상기 1개의 피동기어를 통해 상기 전동축과 휠 및 타이어로 전달하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 휠의 허브와 타이어와 접하는 림을 연결하는 상기 스포크는 블레이드팬 형상으로 바퀴당 10 내지 30개를 구비하도록 하여 주행풍을 흡입하여 가속하는 터보팬의 로터로 활용하여 구동기어와 피동기어, 모터부와 모터함체부를 냉각시키며,
상기 블레이드팬의 익형(airfoil, 翼型)은 길이와 직경의 비인 세장비(fineness ratio)가 2.5 내지 3.5의, 좌우대칭의 타원형 익형을 갖게 하여 자동차의 주행풍을 가속하고 공기유동 흐름을 개선하며,
상기 블레이드팬의 익형에서 생성되는 양력의 벡터합력을 차체(body)의 무게중심점보다 낮은 위치에 있는 전동축원점에 집중시켜 타이어의 접지력(로드홀딩)을 증대하며,
앞전(leading edge)과 뒷전(trailing edge)의 크기는, 앞전과 뒷전을 연결하는 직선인 시위선(chord line) 거리 c의 0.01c 내지 0.03c 반지름 크기의 앞전과 뒷전을 갖는 좌우대칭 타원익형의 바퀴살로 휠의 림과 허브를 연결하며, 앞전에서의 받음각 혹은 앙각(angle, α)은 주행방향 바퀴 외측과 35도 이하로, 뒷전의 방향은 바퀴 내측 방향으로 기울어지게 하여, 차량 주행시 주행풍을 흡입하여 블레이드팬 양면의 익형에서 가속하여 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 모터함체부에 격납되는 상기 6개 헥사모터(HEXA motor)는, 상기 전동축 원점 기준 극좌표의 위치를 라디안 값으로 표시할 때, 0(또는 2π), π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3에 상기 6개 헥사모터 회전축의 원점이 위치하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 6개 헥사모터와 구동기어 및 피동기어의 무차원 형상치수는, 2개의 인접하는 구동기어의 피치원과 외접하고, 휠림의 내주면에 내접하는 가상기어(virtual gear)의 피치원 지름을 단위 지름으로 할 때, 상기 구동기어의 피치원 값은 1/√2(0.7071), 상기 피동기어의 피치원 값은 √3(1.7320), 상기 구동기어의 잇수(Z1)는 소수(素數, prime)인 19개, 상기 피동기어의 잇수(Z2)는 소수인 47개로 하여, 기어비(Z1/Z2)가 무한소수(infinite number)를 생성(0.4042...)하도록 함으로써, 매회전마다 구동기어와 피동기어가 서로 다른 지점에서 맞물리게 운전하여 기어 치면의 면압강도(pitting resistance) 저하를 예방하여 수명계수를 늘리는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 외접복합기어열의 피치원 값은 1/√2+√3+1/√2(3.1462), 상기 모터격납구의 내경지름 값은 (1/√2+√3)/2(1.2195), 상기 모터를 격납하는 모터함체부 내경지름 값은 (3√3+3/√2)/2(3.6587), 상기 휠림의 실 내주면 내경지름 값은 3.8867~4.3068, 상기 휠디스크의 지름값은 √3 이상, 상기 마운팅디스크의 지름 값은 √3+2a(a : 이끝높이, addendum), 상기 전동축을 격납하는 모터함체부 허브의 외경지름 값은 (1/√2+√3)/2(1.2195), 상기 마운팅디스크의 볼트원지름(BCD) 크기는 (1/√2+√3)/2(1.2195) 이하에서 휠볼트러그(lug) 패턴수(3, 4, 5, 6, 7, 8)에 따라 마운팅디스크를 천공하여 마운팅홀(mounting holes) 혹은 볼트구멍(bolt holes)을 구비하여 휠디스크와 마운팅디스크를 체결하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 헥사모터의 회전축은 속인 빈 중공축(hollow shaft)인 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 중공축은 단면에서 보아 정현파의 음의 값을 양의 값으로 전환한, 양정현파(陽正弦波, positive sinusoidal)형상의 주름관인, 양정현파중공회전축으로서, 이를 상기 헥사모터의 회전축으로 채택하여, 모터 회전자(로터)에서 전도되는 열을 중공회전축 내부 빈공간에서 외부대기로 열을 방출하는 헥사모터 로터의 열교환통로(channel)로 삼으며, 편평관(flat tube) 대비 π배 확장되어 주름진 양정현파중공회전축의 단면을 축결합의 체결 수단으로 제공하여 키(key)홈, 고정링(snap ring), 핀(pin), 스플라인(spline)을 제거하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 6개 헥사모터는 디지털 제어기능의 스텝모터를 동력원으로 채용하여, 1회전각과 회전속도가 초당 입력펄스 수에 비례하고, 위치 및 속도 제어를 위해 회전자의 위치를 검출하는 센서, 속도를 검출하는 인코더나 레졸버 및 피드백 구성을 제거하며,
상기 스텝모터는 스텝 당 0.0125 라디안(0.72도)을 회전하는 5상 스텝모터 적용으로 동기이탈(탈조)의 가능성을 줄이고, 10개 자극(magnetic pole)을 활성화하여 토크를 증가시키며, 토크리플(torque ripple)을 감소시켜 진동을 최소화하고, 부드러운 회전과 저소음 및 고토크 특성을 갖게 하며, 상기 구동기어와 상기 피동기어의 속도전달비인 0.4((1/√2)/√3)로 환산한 스텝 당 0.005 라디안(0.2828도)의 초미세 거동제어로, 1초당 2mm 이하의 위치이동 특성을 갖게 하여, 정밀한 자동차 주행과 차동(differential)기능을 구비하여, 트랙션컨트롤시스템(Traction Control System, TCS), 차동제한장치(Limited Slip Differential, LSD), 및 차동잠금장치(Locking Differential, LD) 기능을 미소 라디안(radian)단위의 수치제어(numerical control)로 구현하여 자동차 운행을 디지털 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 헥사모터, 즉 6개의 구동모터를 2개씩 짝을 이루어 I, II, III으로 지칭할 때, Ⅰ(π 및 2π 위치), Ⅱ(π/3 및 4π/3 위치), Ⅲ(2π/3 및 5π/3 위치)과 같은 조합으로, 반대 방향의 평행한 한 쌍의 짝힘(우력, couple)으로 회전 모멘트를 발생시키되, 차량의 출발, 가속, 정속, 감속, 정지모드 등 운전상황에 따라, 고토크가 필요한 출발과 가속 및 등판모드는 전체모터 운전(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ), 관성력과 마찰력 균형의 정속모드는 부분모터 운전(Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ운휴), 운동에너지 흡수의 감속모드는 구동+회생제동 운전(Ⅰ+Ⅱ구동, Ⅲ회생제동), 정지모드는 전체 모터(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ) 운전정지의 정지토크 구동제어를 활용하거나, 또는
필요시 상기 6개 모터를 개별단위로 구동, 운휴, 회생제동, 정지상태를 조합하여 제어하는 협력형모터구동(cooperative motor driven)방식 혹은 토크벡터링(torque vectoring)으로 자동차의 구동력을 제어하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 모터함체부 외주면의 기계제동장치는, 상기 모터함체부 외주면과 휠의 림 내주면 사이 공극에 안치하되, 휠림 내주면에는 브레이크의 압착제동에 의한 마찰열을 주행풍으로 소산하는 에어벤트(공기배출)홈을 구비한 브레이크드럼(brake drum)과, 모터함체부 외주면에는 브레이크슈(shoe)와 브레이크라이닝(lining)의 기계제동방식의 드럼브레이크 기능을 부가하여 교류 유도모터 또는 동기모터의 서비스브레이크로 활용하거나, 또는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동기능을 보조하는 기계제동기능으로, 스텝모터의 자기유지력(holding torque)을 이용한 정지토크제동기능과, 전자(電磁)제동기능의 회생발전제동을 조합한 이중(기계제동+회생발전제동) 혹은 삼중(기계제동+회생발전제동+정지토크제동) 브레이크기능을 통합하여 서비스브레이크, 보조 브레이크, 비상브레이크, 주차브레이크로 활용하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 헥사모터의 구동기어 피치원지름 값은 1/√2(0.7071), 상기 휠허브 피동기어의 피치원지름 값은 √3(1.7320) 크기로 하여, 가진(forcing)주파수ωf와 고유(natural)진동수ωn의 비율인 주파수비(r=ωf/ωn)를, 바퀴부의 가진주파수비 r은 0.4082((1/√2)/√3)로, 모터부의 가진주파수비 r는 2.4499(√3/(1/√2))로 하여 공진 주파수비 r=1과 이격시켜 가진원의 진동증폭에 의한 공진을 예방하고, 주파수비 r가 √2보다 큰 2.4494점에서 모터부의 진동을 절연시키며, 상기 6개 구동기어와 휠허브 1개 피동기어간 결합에 있어 외접복합기어열(external compound gear trains)을 구성하며, 기어 치면사이의 틈새인 백래시(backlash, 뒤틈)와 허용공차로, 자동차 바퀴부의 구동외란인 충격과 진동에너지를 치면 사이 마찰열로 변환시키고 마찰열은 주행풍으로 소산하는 방법으로 현가장치의 전단에서 완충과 보조 현가기능 및 진동절연 효과를 개선하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 8항의 어느 한 항에 있어서, 상기 바퀴와 상기 모터의 진동 에너지 소산과 감쇠량을 증가시키기 위해, 상기 모터함체부 허브 내주면과 상기 허브베어링브라켓 원주 외주면에 지름 10mm와 높이 4mm의 요(凹)홈과, 요(凹)홈간 2mm 공극을 갖는 진동절연흡진홈을 구비하고, 강성(stiffness, k)과 감쇠비(damped ratio, ζ)를 갖고, 바퀴부의 운동에너지를 흡수하며, 조화운동으로 에너지를 소산하는 허브스프링과, 점도(viscocity)와 감쇠계수(damping coefficient, c)를 갖고 진동에너지를 흡진(absorption)하는 점탄성 재료인 탄성중합체(elastomer)의 고무댐퍼를 교대로 상기 진동절연흡진홈에 삽입하여 진동절연흡진 기능을 갖게 하되, 상기 진동절연흡진홈은 헥사모터 개수의 정수배(6*N, N=2, 3, 4, 5)인, 12, 18, 24, 30개를 모터함체부 허브와 전동축 사이공간에 구비하고, 상기 허브스프링과 상기 고무댐퍼의 지름 값은 수납 요(凹)홈 지름 10mm의 √2배(1.4142) 크기로 탄성 압축용량을 갖게 하며, 상기 진동절연흡진홈과 상기 허브스프링 및 상기 고무댐퍼의 결합방법은, 굵기를 √2에서 1미만으로 축소시키는 인장(引張)방법으로, 요(凹)홈에 삽입한 후 이완(弛緩)시켜 탄성을 회복시키는 방법으로 위치를 고정하여, 상기 바퀴부의 충격과 조화가진 진동에너지를 차대(섀시)의 현가장치 전단(front end)에서 감쇠 혹은 절연함으로써, 현가하질량 혹은 스프링 아래질량(unsprung mass) 감소와, 현가상질량 혹은 스프링 위질량(sprung mass) 증대로, 타이어와 노면의 밀착성인 로드홀딩(load holding, 접지력)을 개선하고, 맥놀이현상과 공진을 억제하고 동작 대역폭을 확대하는 기능으로, 현가장치의 전단에서 진동과 충격응답을 감쇠시키는 전단진동절연흡진(front end vibration isolation and absorption)기능을 갖는 보조 현가기능으로 개선된 주행감과 승차감을 제공하는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 인휠 헥사모터 시스템의 냉각방식은, 상기 휠의 스포크를 블레이드팬으로 개선하여 주행풍을 가속하여 상기 구동기어와 상기 피동기어 및 모터를 포함한 모터함체부를 대류 열전달로 냉각하는 공랭식냉각방식을 기본으로 하되, 상기 헥사모터의 상기 양정현파중공회전축을 열교환통로로 하여, 표면적이 π배 확장되는 중공회전축 내부로 주행풍을 주입시켜 로터부의 발열을 외부로 대류시켜 냉각시키며, 상기 모터함체부의 열전도와 대류용량을 더욱 확대하는 냉각공기유동구를 상기 모터함체부의 허브와 모터격납구 사이공간인 π/6, π/2, 5π/6, 7π/6, 3π/2, 11π/6 방향에, 각기 5개씩 총 30개를 육방격자형의 채움구조로 배치하며, 상기 냉각공기유동구 내측은 두께(Δx)가 얇고 방사형의 냉각 핀을 6개 갖는 육방격자형 프로파일 단면의 방열판(heat sink)으로 냉각공기유동구 반지름(R) 기준 360배(12R*30개)로 열전도와 열대류 면적(A)을 확대하여 상기 블레이드팬으로 가속된 주행풍으로 상기 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 공랭식냉각방식을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 10항의 어느 한 항에 있어서, 상기 주행풍을 이용하는 기본 공랭식냉각방식에 더하여, 상기 냉각공기유동구와 모터격납구 사이 빈 공간인 냉매자켓에, 현열(sensible heat) 냉매인 물(水)을 주입하는 수랭식냉각방식과 잠열(latent heat) 냉매인 파라핀 등을 주입하는 상변화물질냉각방식을 상기 주행풍의 공랭식냉각방식과 조합하여, “공랭식+수랭식”의 하이브리드냉각방식과,“공랭식+상변화물질냉각방식”의 하이브리드냉각방식으로, 외부 에너지 투입이 없이 주행풍과 물(水) 혹은 파라핀(paraffin) 등의 상변화물질을 이용하여 상기 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 하이브리드냉각방식을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 11항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 공랭식냉각방식과 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식을 조합한 하이브리드냉각방식에 있어, 상기 30개 냉각공기유동구와 상기 6개 양정현파중공회전축 후단 측의 함체실린더 내부공간에 공기챔버를 두어 냉각공기를 합류시키되, 상기 함체실린더 외부에 송풍기와 방열구 및 열교환구를 안치하여 차대(섀시)의 자동차 공조시스템과 열교환구를 유연튜브로 집속하여 통합 열계통으로 열교환이 가능한 능동형하이브리드 냉각방식을 구비하되, 주행풍이 없는 정지상태나 모터부의 이상 과열시 온도센서로 감지하여, 배터리 전원으로 송풍기를 구동하여 헥사모터부를 냉각하거나, 공조용량 초과시 방열구를 개방하여 외부로 강제송풍하는 방식으로 차대(섀시)의 배터리부 냉각시스템과 인버터와 컨버터를 포함하는 전원부 냉각시스템과 계통적으로 통합된 열교환방식으로 모터부의 폐열을 자동차공조(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) 시스템에 재활용하여 에너지 사용효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
- 제1항 내지 12항의 어느 한 항에 있어서, 인휠 헥사모터 시스템의 상기 모터함체부는, 외측에 브레이크슈를 안치하는 1개의 함체실린더와, 자동차 동력원인 헥사모터를 격납하는 6개 모터격납구와, 주행풍으로 상기 헥사모터를 냉각시키는 30개 냉각공기유동구와, 상기 전동축과 허브베어링 및 전단진동절연홈을 수납하는 1개 함체허브의 총 38개 중공실린더가 육방격자형 채움구조의 형상으로 함체부를 형성하되, 상기 함체실린더와 상기 함체허브는 두 개의 얇은 바깥층(face)으로 기능하며, 모터격납구와 냉각공기유동구는 필러(filler)로 두꺼운 중간층(core)으로 안정화하며, 상기 함체실린더의 상기 헥사모터 후단의 내부공간에는 배선공기챔버를 안치하되, 상기 6개 헥사모터의 전력선과 제어선을 배선하고 결선하며, 6개 양정현파중공회전축과 30개 냉각공기유동구의 주행풍을 합류시켜 36개 열교환 통로(채널)로 열교환 계통을 형성하며, 1개 액추에이터를 안치하여 함체실린더 외측 브레이크슈를 구동시키고, 외측면에 상하 복수개의 현가암/링크홈으로 현가장치의 지지점을 구비하며, 상기 함체실린더의 배선공기챔버의 섀시(차대)측 외측단에는 완전응력보인 포물선 형상의 포물면앵커(parabola anchor)를 돌출형으로 형성하여, 섀시(차대)와의 접속부 혹은 지지점과 현가장치 스트럿의 안치부를 제공하되, 상기 포물면앵커 상하측에 복수개의 현가어퍼(로어)암홈 혹은 링크홈을 배치하며, 포물면앵커 양측면에는 조향장치 너클암 혹은 링크홈을 구비하고, 상기 포물면앵커의 초점부분에 현가홈을 배치하여, 스프링과 쇼크업소버의 현가장치 스트럿(strut)의 안치공간을 제공함으로써, 상기 함체실린더의 육방격자형(hexagonal lattice) 채움구조와 완전응력보(fully stressed beam)인 포물선 형상을 갖는 포물면앵커의 기하학적 구조를 채택하여 모터함체부의 고강성(high-rigidity)을 발현시키는 것을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 시스템.
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