KR20230006658A - 차량용 변속 장치 - Google Patents

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허춘영
김성진
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도미래
김광선
홍재승
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Abstract

본 발명은 차량용 변속 장치에 관한 것으로서, 사전에 설정된 조건에 따라 변속부의 자세가 전환되는 차량용 변속 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치는 차량의 변속 명령을 입력 받는 변속부와, 상기 변속부의 자세 전환을 위한 구동력을 발생시키는 구동부, 및 사전에 설정된 조건의 만족 여부에 따라 상기 변속부의 자세가 전환되도록 상기 구동부를 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 구동부는, 자속을 발생시키는 제1 고정자와, 회전축을 따라 일정 간격을 두고 배치된 제1 내측 영구자석 및 제2 내측 영구자석을 구비하고, 상기 제1 내측 영구자석으로 전달된 자속에 의해 회전하는 제1 회전자와, 상기 제2 내측 영구자석과는 상이한 개수로 구비된 외측 영구자석과, 상기 제2 내측 영구자석 및 상기 외측 영구자석의 사이에 배치되는 제2 회전자, 및 상기 제1 회전자와 제2 회전자의 사이에 배치되는 클러치부를 포함한다.

Description

차량용 변속 장치{Transmission for vehicle}
본 발명은 차량용 변속 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사전에 설정된 조건에 따라 변속부의 자세가 전환되는 차량용 변속 장치에 관한 것이다.
변속 장치는 차량의 속도에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어비를 달리하도록 할 수 있으며, 운전자는 변속 레버를 조작하여 변속기(Transmission)의 기어비를 바꾸게 된다.
이러한 변속 장치의 변속 모드로는 운전자가 변속단을 바꿀 수 있는 수동 변속 모드와 운전자가 주행단(D) 선택 시 차량 속도에 따라 자동으로 변속단이 바뀌는 자동 변속 모드가 있다.
이와 함께, 하나의 변속 장치에서 수동 변속과 자동 변속을 수행할 수 있는 스포츠 모드형 변속 장치가 사용되고 있다. 스포츠 모드형 변속 장치는 기본적으로 자동 변속을 수행하면서, 운전자가 기어의 단수를 높이거나 낮추어서 수동 변속을 수행할 수 있도록 자동 변속을 하는 변속 장치 옆에 수동 변속을 할 수 있는 변속 장치가 구비될 수 있다.
변속 레버는 운전자가 조작 가능하도록 차량 내부로 노출되어 있으며, 대부분의 변속 레버는 차량의 센터페시아와 콘솔 박스 사이에 노출되어 있다.
일반적으로 운전자는 변속 레버를 이동시켜 변속단을 선택하기 때문에 변속 레버의 이동 궤적에 따른 공간이 필요하므로 주변과의 간섭이 발생하는 것이 방지되도록 설계하는 것이 요구된다.
따라서, 최근에는 다이얼 방식 또는 버튼형 방식의 변속 조작이 가능하여 변속 조작에 필요로 하는 공간을 감소시켜 차량의 공간 활용성을 높이고 변속 조작성을 향상시키고 있다.
미국 공개특허 US 2013-0220055 (2013.08.29)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사전에 설정된 조건에 따라 변속부의 자세가 전환되는 차량용 변속 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치는 차량의 변속 명령을 입력 받는 변속부와, 상기 변속부의 자세 전환을 위한 구동력을 발생시키는 구동부, 및 사전에 설정된 조건의 만족 여부에 따라 상기 변속부의 자세가 전환되도록 상기 구동부를 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 구동부는, 자속을 발생시키는 제1 고정자와, 회전축을 따라 일정 간격을 두고 배치된 제1 내측 영구자석 및 제2 내측 영구자석을 구비하고, 상기 제1 내측 영구자석으로 전달된 자속에 의해 회전하는 제1 회전자와, 상기 제2 내측 영구자석과는 상이한 개수로 구비된 외측 영구자석과, 상기 제2 내측 영구자석 및 상기 외측 영구자석의 사이에 배치되는 제2 회전자, 및 상기 제1 회전자와 제2 회전자의 사이에 배치되는 클러치부를 포함한다.
상기 클러치부는, 베이스링과, 상기 베이스링 및 상기 제2 회전자의 사이에 배치된 롤러, 및 상기 베이스링에 구비되고, 상기 베이스링에 대하여 상기 롤러에 탄성력을 제공하는 탄성부를 포함한다.
상기 베이스링은 상기 롤러가 안착되고, 상기 롤러의 이동 경로를 제공하는 안착면을 포함하고, 상기 탄성부는 일측으로 길게 형성된 판의 형태로 제공되며, 상기 탄성부의 길이 방향과 상기 롤러의 이동 경로에 대응하는 상기 안착면의 방향은 경사지어 형성된다.
상기 롤러는 적어도 하나가 구비되고, 상기 베이스링에는 상기 적어도 하나의 롤러가 안착되고, 상기 적어도 하나의 롤러 각각의 이동 경로를 제공하는 안착면이 구비되고, 상기 제2 회전자가 회전하는 경우 상기 적어도 하나의 롤러는 상기 제2 회전자에 의해 밀려 상기 안착면과 상기 제2 회전자의 내측면 간의 거리가 감소하는 지점으로 이동한다.
상기 제1 회전자는 회전 몸체에서 돌출 형성된 걸림부를 포함하고, 상기 롤러를 통하여 상기 제2 회전자의 회전력이 상기 걸림부에 전달된 경우 상기 제1 회전자가 회전한다.
상기 제1 회전자는 회전 몸체에서 돌출 형성된 걸림부를 포함하고, 상기 제1 회전자가 회전하는 경우 상기 적어도 하나의 롤러는 상기 걸림부에 밀려 상기 제2 회전자의 내측면과의 거리가 증가하는 지점으로 이동한다.
상기 걸림부는 둘레 방향으로 인접한 롤러를 사이에 두고 배치된다.
상기 제1 회전자는 회전축을 따라 길게 형성된 로터 샤프트에 결합되고, 상기 로터 샤프트에는 자성체 홀더가 구비되며, 상기 자성체 홀더에 의해 자성체가 지지된다.
상기 차량용 변속 장치는 상기 자성체의 자력 분포를 이용하여 상기 제1 회전자의 회전 각도를 감지하는 자성 센서를 더 포함한다.
상기 제어 장치는, 주차 조건이 만족된 경우 상기 변속부가 주차단의 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어하고, 수납 조건이 만족된 경우 상기 변속부가 수납 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어한다.
상기 제어 장치는 상기 변속부가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 상기 변속부가 상기 제1 변속단의 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어한다.
상기 제어 장치는 상기 변속부가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 경고 알람을 출력한다.
상기 제어 장치는 브레이크 페달의 조작 각도 및 차량의 주행 속도 중 적어도 하나를 참조하여 상기 변속 조건의 만족 여부를 판단한다.
상기 제2 내측 영구자석 및 상기 외측 영구자석 사이의 자력보다 큰 힘이 상기 제2 회전자에 작용하는 경우 제2 회전자는 단속적으로 회전한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치에 따르면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 비접촉 방식의 구동부가 이용되기 때문에 회전에 의한 소음이 감소되고 사용자에 의한 조작감이 향상되는 장점이 있다.
둘째, 자동 주차단 전환 기능(RTP; Return To Park)을 구현함에 있어서 별도의 부품을 필요로 하지 않는 장점도 있다.
셋째, 양방향 클러치를 적용함으로써 사용자에 의한 조작감 향상 및 자동 주차단 전환 기능을 동시에 구현하는 장점도 있다.
넷째, 차량의 운행 상태와 변속 조작을 비교하여 변속 조작의 오동작 여부를 판단함으로써 안전한 운행을 가능하게 하는 장점도 있다.
다섯째, 자성 센서를 이용하여 로터 샤프트의 정확한 회전 각도를 검출함으로써 구동부를 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 구동부에 의해 변속부의 변속단이 변경되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 구동부에 의해 변속부가 수납 자세로 자세 변경되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 구동부의 정면 사시도이다.
도 5는 구동부의 후면 사시도이다.
도 6은 도 4에서 A-A'의 단면도이다.
도 7은 제1 고정자를 나타낸 도면이다.
도 8은 제1 고정자의 고정 몸체를 나타낸 도면이다.
도 9는 제1 고정자의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제1 회전자의 회전 몸체를 나타낸 도면이다.
도 11은 제1 회전자의 회전 몸체에 제1 내측 영구자석 및 제2 내측 영구자석이 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11에서 C의 방향을 바라본 도면이다.
도 13은 제2 회전자를 나타낸 도면이다.
도 14는 제1 고정자에 대한 제1 회전자의 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 제2 고정자에 외측 영구자석이 결합된 것을 나타낸 도면이다.
도 16은 제1 회전자, 제2 회전자 및 외측 영구자석의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 감속비 테이블을 나타낸 도면이다.
도 18은 제2 회전자의 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 제2 회전자의 수동 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 제1 회전자, 제2 회전자 및 클러치부의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 베이스부의 후면 사시도이다.
도 22는 클러치부를 나타낸 도면이다.
도 23은 클러치부가 제1 회전자 및 제2 회전자의 사이에 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 24는 클러치부가 제2 회전자의 회전력을 제1 회전자로 전달하는 것을 나타낸 도면이다.
도 25는 제1 회전자에 의해 클러치부와 제2 회전자 간의 마찰이 제거되거나 감소되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 제1 회전자와 로터 샤프트의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 자성 센서에 의해 제1 회전자의 회전 각도가 감지되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 제어 장치에 의해 변속 신호가 출력되는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 구동부에 의해 변속부의 변속단이 변경되는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 구동부에 의해 변속부가 수납 자세로 자세 변경되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치(10)는 변속부(100), 구동부(200) 및 제어 장치(300)를 포함하여 구성된다.
변속부(100)는 차량의 변속 명령을 입력 받을 수 있다. 변속부(100)는 변속 몸체(110) 및 변속 레버(120)를 포함할 수 있다. 변속 몸체(110)는 회전축(Ax)을 기준으로 회전할 수 있다. 변속 레버(120)는 변속 몸체(110)에서 일측 방향으로 길게 형성될 수 있다. 예를 들어, 변속 레버(120)는 회전축(Ax)에 수직인 방향으로 길게 형성될 수 있다. 변속 몸체(110)가 회전함에 따라 변속 레버(120)의 길이 방향이 전환될 수 있다. 운전자는 변속부(100)를 조작하여 차량의 변속단을 전환할 수 있다. 본 발명에서 변속부(100)에 의해 전환 가능한 변속단은 주차단(P단), 후진단(R단), 중립단(N단) 및 주행단(D단)을 포함할 수 있다.
구동부(200)는 변속부(100)의 자세 전환을 위한 구동력을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)는 회전력을 발생시킬 수 있고, 해당 회전력에 의해 변속부(100)가 회전하면서 변속부(100)의 자세가 전환될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 구동부(200)의 구동력이 변속부(100)로 전달됨으로써 변속부(100)의 자세가 주차단(P단), 후진단(R단), 중립단(N단) 또는 주행단(D단)의 자세로 전환될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치(10)는 수납 자세를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명하면, 변속부(100)는 주차단의 자세에서 수납 자세로 전환될 수 있다. 수납 자세는 변속부(100)의 변속 레버(120)가 지면에 평행하거나 이와 유사하게 배치된 자세를 나타낸다. 수납 자세에서 변속부(100)의 변속단은 주차단을 유지할 수 있다. 도시되어 있지는 않으나, 변속부(100)의 변속 레버(120)를 수납하는 별도의 수납 장치(미도시)가 구비될 수 있다. 이러한 경우 수납 자세에서 변속 레버는 수납 장치에 수납되고, 미수납 자세에서 변속 레버(120)는 수납 장치에서 노출될 수 있다.
구동부(200)의 구동력은 구동력 전달 매체(400)에 의해 변속부(100)로 전달될 수 있다. 도 1 내지 도 3은 벨트의 형태로 제공된 구동력 전달 매체(400)를 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서 구동력 전달 매체(400)는 와이어 또는 기어의 형태로 제공될 수도 있다. 또는, 구동력 전달 매체(400)에 의한 구동력 중계 없이 구동부(200)의 스핀들이 변속부(100)의 스핀들에 직접 연결되어 구동부(200)의 구동력이 변속부(100)로 전달될 수도 있다.
제어 장치(300)는 사전에 설정된 조건의 만족 여부에 따라 변속부(100)의 자세가 전환되도록 구동부(200)를 제어하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 제어 장치(300)는 주차 조건이 만족된 경우 변속부(100)가 주차단의 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 차량의 시동이 꺼지거나 켜진 경우 제어 장치(300)는 변속부(100)가 주차단의 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다. 또는, 제어 장치(300)는 수납 조건이 만족된 경우 변속부(100)가 수납 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 차량이 시동이 정지되거나 버튼 등의 입력 수단이 이용되어 별도의 사용자 명령이 입력된 경우 제어 장치(300)는 변속부(100)가 수납 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다. 또는, 제어 장치(300)는 변속부(100)가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 이후에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 변속부(100)가 제1 변속단의 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 주행단의 자세인 변속부(100)가 사용자의 실수로 중립단의 자세로 전환될 수 있다. 이러한 경우 제어 장치(300)는 중립단으로의 자세 전환이 사용자에 의도에 의한 것인지 실수에 의한 것인지를 판단하고, 실수에 의한 것으로 판단되는 경우 변속부(100)가 주행단의 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다.
도 4는 구동부의 정면 사시도이고, 도 5는 구동부의 후면 사시도이며, 도 6은 도 4에서 A-A'의 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 구동부(200)는 제1 고정자(210), 제2 고정자(220), 제1 회전자(230), 외측 영구자석(240), 제2 회전자(250) 및 클러치부(260)를 포함하여 구성된다.
제1 고정자(210)는 자속을 발생시킬 수 있다. 제1 고정자(210)는 서로 분리되어 구비된 복수의 코일을 구비할 수 있다. 구체적으로, 제1 고정자(210)는 서로 다른 시간 차로 전력을 공급받아 자속을 발생시키도록 3상으로 연결된 복수의 코일을 포함할 수 있다. 3상으로 연결된 복수의 코일에 순차적으로 전력이 공급되고, 전력을 공급받은 코일이 자속을 발생시킬 수 있다. 제1 고정자(210)에 대한 자세한 설명은 도 7 및 도 8을 통하여 후술하기로 한다.
제2 고정자(220)는 외측 영구자석(240)을 지지할 수 있다. 제1 고정자(210) 및 제2 고정자(220)는 회전축(Bx)을 따라 나란히 배치될 수 있다. 본 발명에서 회전축(Bx)는 제1 회전자(230) 및 제2 회전자(250)의 회전축일 수 있다.
제1 회전자(230)는 회전 몸체(231), 제1 내측 영구자석(232) 및 제2 내측 영구자석(233)을 포함하여 구성된다. 제1 회전자(230)는 제1 고정자(210)로부터 전달된 자속에 의해 회전할 수 있다. 제1 회전자(230)에 대한 자세한 설명은 도 10 내지 도 12를 통하여 후술하기로 한다.
외측 영구자석(240)은 제1 회전자(230)의 바깥쪽에 복수 개가 링의 형태로 배치될 수 있다. 구체적으로, 외측 영구자석(240)은 제2 내측 영구자석(233)이 위치하고 있는 회전축(Bx)의 지점에서 제2 내측 영구자석(233)과 함께 동심원상에 배치될 수 있다. 외측 영구자석(240)의 개수는 제2 내측 영구자석(233)의 개수와 상이할 수 있다. 구체적으로, 외측 영구자석(240)의 개수는 제2 내측 영구자석(233)의 개수보다 많을 수 있다.
제2 회전자(250)는 제2 내측 영구자석(233)과 외측 영구자석(240)의 사이에 배치되고, 제2 내측 영구자석(233)과 외측 영구자석(240) 사이의 자력 경로를 따라 회전할 수 있다. 이 때, 제2 회전자(250)는 제1 회전자(230)의 단위 시간당 회전수와는 상이한 단위 시간당 회전수로 회전할 수 있다. 제2 회전자(250)는 복수의 폴 피스(252)(도 13 참조)를 포함할 수 있다. 폴 피스(252)가 제2 내측 영구자석(233)과 외측 영구자석(240) 간의 자력 경로를 형성함에 따라 제2 회전자(250)가 회전할 수 있게 된다. 이 때, 제1 회전자(230)의 단위 시간당 회전수에 대한 제2 회전자(250)의 단위 시간당 회전수는 제1 내측 영구자석(232)의 개수, 제2 내측 영구자석(233)의 개수 및 폴 피스(252)의 개수에 의해 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 외측 영구자석(240)의 개수는 제2 내측 영구자석(233)의 개수보다 많을 수 있는데, 이러한 경우 제2 회전자(250)의 단위 시간당 회전수는 제1 회전자(230)의 단위 시간당 회전수보다 작을 수 있다.
클러치부(260)는 제1 회전자(230)와 제2 회전자(250)의 사이에 배치될 수 있다. 클러치부(260)는 제1 회전자(230) 또는 제2 회전자(250)로부터 동력을 전달받음에 따라 제1 회전자(230) 또는 제2 회전자(250)의 회전력을 선택적으로 전달할 수 있다. 클러치부(260)의 동작에 따라 클러치부(260)와 제2 회전자(250) 간의 마찰력이 변화할 수 있다. 제1 회전자(230)로부터 동력을 전달받는 경우 클러치부(260)는 제2 회전자(250)에서 이격되거나 상대적으로 낮은 마찰력으로 제2 회전자(250)에 밀착할 수 있다. 이러한 경우 제2 회전자(250)는 클러치부(260)의 영향을 거의 받지 않은 상태에서 회전할 수 있다. 한편, 제2 회전자(250)로부터 동력을 전달받는 경우 클러치부(260)는 상대적으로 높은 마찰력으로 제2 회전자(250)에 밀착할 수 있다. 이러한 경우 제2 회전자(250)의 동력이 클러치부(260)를 통해 제1 회전자(230)로 전달될 수 있다.
제1 회전자(230), 제2 회전자(250) 및 클러치부(260)의 결합 관계 및 동력 전달 관계에 대한 자세한 설명은 도 20 내지 도 25를 통하여 후술하기로 한다.
도 7은 제1 고정자를 나타낸 도면이고, 도 8은 제1 고정자의 고정 몸체를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 고정자(210)는 고정 몸체(211) 및 코일(212u, 212v, 212w)을 포함하여 구성된다.
고정 몸체(211)는 림(211a), 레그(211b) 및 티스(211c)를 포함하여 구성된다. 림(211a)은 링의 형태로 제공될 수 있다. 림(211a)의 내측 방향으로 복수의 레그(211b)가 돌출 형성될 수 있다. 레그(211b)에는 코일(212u, 212v, 212w)이 권취될 수 있다. 이를 위하여, 림(211a)에서 돌출되는 레그(211b)의 길이는 일정 길이 이상만큼 확보될 수 있다.
복수의 레그(211b) 각각의 말단에는 티스(211c)가 구비될 수 있다. 티스(211c)는 레그(211b)에 권취된 코일(212u, 212v, 212w)의 이탈을 방지할 수 있다. 또한, 티스(211c)는 코일(212u, 212v, 212w)에서 발생된 자속의 자속 경로를 형성할 수도 있다.
레그(211b)는 9개가 구비될 수 있다. 9개의 레그(211b)는 인접한 레그(211b) 간의 간격이 동일하게 형성되도록 림(211a)에 배치될 수 있다. 도 7은 U상 코일(212u), V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)이 고정 몸체(211)에 설치된 것을 도시하고 있다. 시계 방향 또는 반시계 방향으로 U상 코일(212u), V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)이 순차적으로 레그(211b)에 권취될 수 있다. 동일한 상의 코일(212u, 212v, 212w)은 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 도 7은 U상 코일(212u), V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)이 각각 3개씩 구비된 것을 도시하고 있는데, 3개의 U상 코일(212u)이 전기적으로 서로 연결되고, 3개의 V상 코일(212v)이 전기적으로 서로 연결되며, 3개의 W상 코일(212w)이 전기적으로 서로 연결될 수 있는 것이다. 따라서, 3개의 U상 코일(212u) 중 하나의 코일에 전력이 공급된 경우 다른 2개의 U상 코일(212u)에도 전력이 공급되고, 이러한 전력 공급 방식은 V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)에도 적용될 수 있다.
전술한 3상으로 연결된 복수의 코일 중 제1 상의 코일은 U상 코일(212u)에 대응하고, 제2 상의 코일은 V상 코일(212v)에 대응하며, 제3 상의 코일은 W상 코일(212w)에 대응하는 것으로 이해될 수 있다.
이상은 레그(211b)의 개수가 9개인 것을 설명하였으나, 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면 레그(211b)의 개수는 9개의 미만이거나 9개를 초과할 수도 있다. 이하, 레그(211b)의 개수가 9개인 것을 위주로 설명하기로 한다.
도 9는 제1 고정자의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 고정자(210)는 스위칭부(500)를 통하여 차량 전력원(20)에 연결될 수 있다. 차량 전력원(20)은 차량에 구비된 배터리일 수 있으나, 본 발명의 차량 전력원(20)이 배터리에 한정되는 것은 아니다.
스위칭부(500)는 복수의 스위치(510~560)를 포함할 수 있다. 복수의 스위치(510~560)는 6개의 스위치를 포함할 수 있다.
복수의 스위치(510~560)는 병렬로 연결된 제1 내지 제3 스위치 그룹을 포함할 수 있다. 제1 스위치 그룹은 직렬로 연결된 제1 스위치(510) 및 제4 스위치(540)를 포함하고, 제2 스위치 그룹은 직렬로 연결된 제2 스위치(520) 및 제5 스위치(550)를 포함하며, 제3 스위치 그룹은 직렬로 연결된 제3 스위치(530) 및 제6 스위치(560)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(510) 및 제4 스위치(540)의 연결 부분은 3상으로 연결된 복수의 코일 중 제1 상의 코일 즉, U상 코일(212u)에 연결되고, 제2 스위치(520) 및 제5 스위치(550)의 연결 부분은 3상으로 연결된 복수의 코일 중 제2 상의 코일 즉, V상 코일(212v)에 연결되며, 제3 스위치(530) 및 제6 스위치(560)의 연결 부분은 3상으로 연결된 복수의 코일 중 제3 상의 코일 즉, W상 코일(212w)에 연결될 수 있다.
6개의 스위치(510~560) 각각의 동작은 제어 장치(300)에 의해 제어될 수 있다. 제어 장치(300)는 6개의 스위치(510~560)의 개방 및 폐쇄를 개별적으로 제어할 수 있다. 스위치(510~560)의 개별적인 동작에 의해 제1 고정자(210)에 구비된 각 코일(212u, 212v, 212w)로 차량 전력원(20)의 전력 공급 여부가 결정될 수 있다. 예를 들어, 스위치(510~560)의 동작에 의해 U상 코일(212u), V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w) 중 선택된 코일로 전력이 공급될 수 있다.
전력의 순차적인 공급은 한 쌍의 코일 단위로 수행될 수 있다. 즉, 스위치(510~560)의 동작에 의해 순차적으로 한 쌍의 코일이 포함된 전력 공급 회로가 구성되고, 해당 회로상에 존재하는 한 쌍의 코일로 전력이 공급될 수 있는 것이다. 한 쌍의 코일 각각은 서로 다른 극성의 자속을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 코일 중 하나는 N극의 자속을 발생시키고, 다른 하나는 S극의 자속을 발생시킬 수 있다. 한 쌍의 코일 중 하나는 제1 회전자(230)에 미는 힘을 작용하고, 다른 하나는 제1 회전자(230)에 당기는 힘을 작용할 수 있다.
코일 쌍은 순차적으로 변화할 수 있다. 예를 들어, U상 코일(212u) 및 V상 코일(212v)에 전력이 공급된 이후에 V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)에 전력이 공급되고, 이어서 W상 코일(212w) 및 U상 코일(212u)에 공급되며, 이러한 과정은 반복될 수 있다. 변화하는 코일 쌍에 의한 힘에 의해 제1 회전자(230)는 회전할 수 있다.
도 10은 제1 회전자의 회전 몸체를 나타낸 도면이고, 도 11은 제1 회전자의 회전 몸체에 제1 내측 영구자석 및 제2 내측 영구자석이 설치된 것을 나타낸 도면이며, 도 12는 도 11에서 C의 방향을 바라본 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 제1 회전자(230)는 회전 몸체(231), 제1 내측 영구자석(232) 및 제2 내측 영구자석(233)을 포함하여 구성된다.
회전 몸체(231)는 실린더의 형태로 제공될 수 있다. 회전 몸체(231)는 제1 회전 몸체(231a) 및 제2 회전 몸체(231b)를 포함할 수 있다. 제1 회전 몸체(231a) 및 제2 회전 몸체(231b)는 회전축(Bx)을 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 제1 회전 몸체(231a)에는 제1 내측 영구자석(232)이 결합되고, 제2 회전 몸체(231b)에는 제2 내측 영구자석(233)이 결합될 수 있다. 제1 회전 몸체(231a) 및 제2 회전 몸체(231b)는 회전축(Bx)을 따라 서로 다른 위치에 배치됨에 따라, 제1 내측 영구자석(232) 및 제2 내측 영구자석(233)은 회전축(Bx)을 따라 일정 간격을 두고 회전 몸체(231)에 배치될 수 있다.
제2 회전 몸체(231b)의 직경은 제1 회전 몸체(231a)의 직경에 비하여 작게 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면 제1 회전 몸체(231a)의 직경이 제2 회전 몸체(231b)의 직경에 비하여 작거나 동일할 수도 있다.
도 12를 참조하면, 제1 내측 영구자석(232)은 복수 개가 구비되어 제1 회전 몸체(231a)의 외측 표면에 링의 형태로 결합될 수 있다.
복수의 제1 내측 영구자석(232)은 서로 다른 극성이 서로 인접하도록 제1 회전 몸체(231a)의 외측 표면에 배치될 수 있다. 즉, N극의 영구자석에 인접하여 S극의 영구자석이 배치될 수 있는 것이다. 도 12는 8개의 제1 내측 영구자석(232)을 포함하여 제1 회전자(230)가 구성된 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면 제1 내측 영구자석(232)의 개수는 다양하게 결정될 수 있다. 다만, 제1 내측 영구자석(232)의 개수는 제1 고정자(210)에 설치된 코일의 개수와는 상이할 수 있다.
제2 내측 영구자석(233)은 복수 개가 구비되어 제2 회전 몸체(231b)의 외측 표면에 링의 형태로 결합될 수 있다.
복수의 제2 내측 영구자석(233)은 서로 다른 극성이 서로 인접하도록 제2 회전 몸체(231b)의 외측 표면에 배치될 수 있다. 즉, N극의 영구자석에 인접하여 S극의 영구자석이 배치될 수 있는 것이다. 도 12는 2개의 제2 내측 영구자석(233)을 포함하여 제1 회전자(230)가 구성된 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면 제2 내측 영구자석(233)의 개수는 다양하게 결정될 수 있다. 다만, 제2 내측 영구자석(233)의 개수는 제2 고정자(220)에 설치된 외측 영구자석(240)의 개수와는 상이할 수 있다.
제1 회전자(230)는 제1 고정자(210)에서 제1 내측 영구자석(232)으로 전달된 자속에 의해 회전할 수 있다. 제1 고정자(210)의 자속은 제1 내측 영구자석(232)을 이동시키기 위한 힘을 발생시키고, 제1 회전자(230)는 해당 힘에 의해 회전할 수 있다.
도 13은 제2 회전자를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 제2 회전자(250)는 베이스부(251), 폴 피스(252) 및 스핀들(253)을 포함하여 구성된다.
베이스부(251)의 넓은 평면은 제2 회전자(250)의 회전축(Bx)에 수직하도록 형성될 수 있다. 베이스부(251)는 중심부(251a) 및 가장자리부(251b)를 포함할 수 있다. 중심부(251a)는 가장자리부(251b)에 비하여 회전축(Bx)에 평행한 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 제1 회전자(230)를 향하는 중심부(251a)에는 함몰 공간이 형성될 수 있다. 함몰 공간에는 클러치부(260)가 수용될 수 있다.
가장자리부(251b)에는 폴 피스(252)가 연결될 수 있다. 폴 피스(252)는 복수 개가 구비되어 가장자리부(251b)에서 일측 방향으로 연장 형성될 수 있다. 복수의 폴 피스(252)는 제2 회전자(250)의 회전축(Bx)에 평행한 방향으로 긴 형상을 가질 수 있다. 복수의 폴 피스(252)는 제2 회전자(250)의 회전축(Bx)을 기준으로 링의 형상으로 배치될 수 있다. 이 때, 복수의 폴 피스(252) 중 각각의 인접한 폴 피스(252)는 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 인접한 폴 피스(252) 간의 이격 거리는 모든 인접한 폴 피스(252)에 대하여 동일하게 적용될 수 있다.
베이스부(251)에는 스핀들(253)이 구비될 수 있다. 이에, 제2 회전자(250)가 회전하는 경우 베이스부(251)에 구비된 스핀들(253)도 제2 회전자(250)와 함께 회전할 수 있게 된다. 스핀들(253)은 제2 회전자(250)의 회전력을 출력할 수 있다. 제2 회전자(250)가 회전함에 따라 스핀들(253)에 결합된 물체가 회전할 수 있게 된다.
도 14는 제1 고정자에 대한 제1 회전자의 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 제1 고정자(210)와 제1 회전자(230)는 동일한 회전축(Bx)을 기준으로 배치될 수 있다. 제1 고정자(210)의 림(211a)의 중심축과 제1 회전자(230)의 중심축이 일치할 수 있는 것이다.
제1 고정자(210)에 구비된 복수의 코일(212u, 212v, 212w)은 상별로 자속을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, U상 코일(212u)이 자속을 발생시킨 이후에 V상 코일(212v)이 자속을 발생시키고, 이어서 W상 코일(212w)이 자속을 발생시킬 수 있다. 하나의 상의 코일이 자속을 발생시킬 때 나머지 코일에 의한 자속의 발생은 중단될 수 있다. 각 상의 코일에서 발생된 자속은 제1 회전자(230)의 제1 내측 영구자석(232)으로 전달되고, 제1 내측 영구자석(232)에는 힘이 작용하게 될 수 있다. 또는, 2개의 상의 코일이 동시에 자속을 발생시킬 수도 있다. 예를 들어, U상 코일(212u) 및 V상 코일(212v)이 동시에 자속을 발생시키거나, V상 코일(212v) 및 W상 코일(212w)이 동시에 자속을 발생시키거나, W상 코일(212w) 및 U상 코일(212u)이 동시에 자속을 발생시킬 수 있다. 이 때, 동시에 자속을 발생시키는 2개의 코일 중 하나는 당기는 제1 회전자(230)에 당기는 힘을 작용하고, 다른 하나는 미는 힘을 작용할 수 있다.
제1 회전자(230)는 제1 내측 영구자석(232)에 작용한 힘에 의해 회전축(Bx)을 기준으로 회전할 수 있다. 제1 고정자(210)의 각 상의 코일(212u, 212v, 212w)에 의한 자속의 발생이 순환됨으로써 제1 회전자(230)의 회전은 지속될 수 있다.
도 15는 제2 고정자에 외측 영구자석이 결합된 것을 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 외측 영구자석(240)은 제2 고정자(220)에 결합되어 제2 고정자(220)에 고정될 수 있다.
제2 고정자(220)는 링의 형상으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2 고정자(220)의 외측 직경은 제1 고정자(210)의 외측 직경과 동일하거나 유사할 수 있다. 복수의 외측 영구자석(240)은 제2 고정자(220)의 내측면을 따라 링의 형상으로 배치될 수 있다.
복수의 외측 영구자석(240)은 서로 다른 극성이 서로 인접하도록 배치될 수 있다. 즉, N극의 영구자석에 인접하여 S극의 영구자석이 배치될 수 있는 것이다. 도 15는 20개의 외측 영구자석(240)이 제2 고정자(220)에 결합된 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면 외측 영구자석(240)의 개수는 다양하게 결정될 수 있다. 다만, 외측 영구자석(240)의 개수는 제1 회전자(230)에 설치된 제2 내측 영구자석(233)의 개수와는 상이할 수 있다. 구체적으로, 외측 영구자석(240)의 개수는 제1 회전자(230)에 설치된 제2 내측 영구자석(233)의 개수보다 많게 결정될 수 있다.
도 16은 제1 회전자, 제2 회전자 및 외측 영구자석의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 감속비 테이블을 나타낸 도면이며, 도 18은 제2 회전자의 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 복수의 폴 피스(252)는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 사이에 배치될 수 있다.
복수의 폴 피스(252)는 제2 내측 영구자석(233)과 외측 영구자석(240) 간의 자력 경로를 형성할 수 있다. 본 발명에서 폴 피스(252)는 자성체일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 폴 피스(252)는 강자성체 또는 반자성체일 수 있다. 이에, 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 사이에 배치된 폴 피스(252)는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)에 의해 동시에 자화되어 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240) 간의 자력 경로를 형성할 수 있다.
제2 회전자(250)에 구비된 복수의 폴 피스(252)의 개수는 제2 내측 영구자석(233)의 개수 및 외측 영구자석(240)의 개수와 상이할 수 있다. 예를 들어, 복수의 폴 피스(252)의 개수는 제2 내측 영구자석(233)의 개수와 상이하고, 외측 영구자석(240)의 개수와 상이할 수 있다.
주변에 존재하는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 위치에 따라 각 폴 피스(252)에 작용하는 힘의 방향이 달라질 수 있다. 특히, 복수의 폴 피스(252) 중 일부 폴 피스(252)에는 제2 회전자(250)의 원주 방향으로의 힘이 작용할 수 있다. 제1 회전자(230)가 회전하지 않는 경우 제2 회전자(250)에 구비된 복수의 폴 피스(252)에 작용하는 원주 방향으로의 힘의 합력은 0일 수 있다. 이러한 경우 제2 회전자(250)는 회전하지 않을 수 있다. 한편, 제1 회전자(230)가 회전하는 경우 제2 회전자(250)에 구비된 복수의 폴 피스(252)에 작용하는 원주 방향으로의 힘의 합력은 일정 크기를 가질 수 있다. 제2 회전자(250)는 해당 힘에 의해 회전축(Bx)을 기준으로 회전하게 된다.
제1 회전자(230)의 단위 시간당 회전수에 비하여 제2 회전자(250)의 단위 시간당 회전수는 작게 형성될 수 있다. 한편, 단위 시간 동안에 회전하는 제1 회전자(230)에 의하여 제2 회전자(250)에 작용하는 힘은 해당 시간 동안 누적될 수 있으며, 이에 제2 회전자(250)는 제1 회전자(230)에 비하여 높은 토크를 갖고 회전할 수 있다. 제2 회전자(250)의 토크는 제2 내측 영구자석(233)의 개수, 외측 영구자석(240)의 개수 및 폴 피스(252)의 개수에 따라 결정될 수 있다.
제2 내측 영구자석(233), 외측 영구자석(240) 및 폴 피스(252)의 개수에 따른 감속비는 도 17에 도시된 감속비 테이블(600)과 같이 제공될 수 있다. 여기서, 감속비는 제1 회전자(230)의 단위 시간당 회전수에 대한 제2 회전자(250)의 단위 시간당 회전수를 나타낸다. 감속비 테이블(600)에서 ns는 폴 피스(252)의 개수를 나타내고, p1은 외측 영구자석(240)의 쌍극자수를 나타내며, p2는 제2 내측 영구자석(233)의 쌍극자수를 나타낸다. 여기서, 쌍극자는 복수의 자석 중 N극 및 S극의 쌍을 나타낸다.
고정되어 회전하지 않는 고정체(Fixed), 코일(212u, 212v, 212w)로부터 자속을 입력받는 입력체(Input) 및 회전하여 최종적인 회전력을 발생시키는 출력체(Output)가 어느 것인지에 따라 감속비(Ratio)는 달라질 수 있다. 외측 영구자석(240), 제2 내측 영구자석(233) 및 폴 피스(252)가 각각 고정체, 입력체 및 출력체인 경우 감속비는 p1/p2 + 1로 결정될 수 있다. 폴 피스(252), 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)이 각각 고정체, 입력체 및 출력체인 경우 감속비는 p1/p2로 결정될 수 있다. 제2 내측 영구자석(233), 외측 영구자석(240) 및 폴 피스(252)가 각각 고정체, 입력체 및 출력체인 경우 감속비는 p2/p1 + 1로 결정될 수 있다.
이상은 외측 영구자석(240), 제2 내측 영구자석(233) 및 폴 피스(252)가 각각 고정체, 입력체 및 출력체인 것을 설명하였으나, 폴 피스(252), 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)이 각각 고정체, 입력체 및 출력체이거나 제2 내측 영구자석(233), 외측 영구자석(240) 및 폴 피스(252)가 각각 고정체, 입력체 및 출력체일 수도 있다.
도 18을 참조하면, 제2 회전자(250)가 회전함에 따라 스핀들(253)을 통하여 제2 회전자(250)의 회전력(T)이 출력될 수 있다.
복수의 폴 피스(252)의 회전력은 베이스부(251)로 집중되고, 스핀들(253)은 회전축(Bx)을 기준으로 베이스부(251)와 함께 회전할 수 있다. 스핀들(253)은 구동력 전달 매체(400)를 통하거나 직접 변속부(100)에 결합될 수 있으며, 스핀들(253)이 회전함에 따라 변속부(100)가 회전함으로써 변속부(100)의 자세가 전환될 수 있다.
제2 회전자(250)의 베이스부(251)는 제1 회전자(230)의 회전축(Bx)에 수직인 일면을 덮을 수 있다. 본 발명에서 베이스부(251)는 약자성체이거나 비금속일 수 있다. 이러한 경우 제1 회전자(230)에 구비된 제1 내측 영구자석(232)에 의한 자력이 변속부(100)에 작용하는 것이 감소될 수 있다.
도 19는 제2 회전자의 수동 회전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 제2 회전자(250)는 단속적으로 회전할 수 있다.
제1 회전자(230)의 회전이 중단된 경우 제2 회전자(250)는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 자력에 의해 회전이 방지될 수 있다. 한편, 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240) 사이의 자력보다 큰 힘이 제2 회전자(250)에 작용하는 경우 제2 회전자(250)는 단속적으로 회전할 수 있다. 이 때, 제2 회전자(250)는 인접한 폴 피스(252) 간의 거리 간격으로 단속적인 회전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 폴 피스(252)의 개수가 16개인 경우 제2 회전자(250)는 360/16=22.5도의 간격으로 단속적인 회전을 수행할 수 있다.
도 19를 참조하여 설명하면, P1 위치에 고정된 제2 회전자(250)에 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)사이의 자력보다 큰 힘이 작용하는 경우 제2 회전자(250)는 P2 위치로 회전할 수 있다. 이와 마찬가지로, P2 위치에 고정된 제2 회전자(250)는 P3 위치로 회전 가능하고, 이어서 P4 위치로 회전할 수 있다.
각각의 고정 위치에서 제2 회전자(250)는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)에 의해 회전이 방지되고 고정될 수 있다. 제2 회전자(250)의 회전을 방지하기 위한 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 힘은 고정 위치에서 가장 강하고, 나머지 구간에서 약해질 수 있다. 예를 들어, 제2 회전자(250)의 회전을 방지하기 위한 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 힘은 각 폴 피스(252)가 고정 위치에 근접할수록 커질 수 있는 것이다.
제2 회전자(250)에 작용하는 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)의 힘이 고정 위치 및 비고정 위치에서 상이하기 때문에 제2 회전자(250)는 인접한 폴 피스(252) 간의 거리 간격으로 단속적인 회전이 가능하게 된다.
제2 회전자(250)는 변속부(100)에 연결될 수 있다. 사용자가 수동 회전 모드로 변속부(100)를 조작하는 경우 제2 회전자(250)와 함께 변속부(100)도 단속적인 회전을 수행할 수 있다. 또한, 사용자에 의한 변속부(100)의 회전이 중단된 경우 제2 내측 영구자석(233) 및 외측 영구자석(240)에 의해 제2 회전자(250)가 고정되고, 이와 함께 변속부(100)도 고정될 수 있다.
이와 같이, 사용자에 의한 강제적인 변속부(100)의 회전이 수행되는 경우 전술한 바와 같이 제2 회전자(250)의 단속적인 회전이 수행될 수 있다. 즉, 사용자에 의하여 변속부(100)가 수동으로 회전하는 경우 구동부(200)는 단속적인 조작감을 제공할 수 있다. 이에, 사용자는 단속적인 힘을 감지하면서 변속부(100)를 회전시킬 수 있다.
본 발명에서 제2 회전자(250)는 제1 회전자(230)와 함께 회전할 수 있다. 제1 회전자(230)와 제2 회전자(250)의 사이에는 클러치부(260)가 구비되는데, 제2 회전자(250)에 힘이 가해지는 경우 클러치부(260)에 의해 제1 회전자(230)로 힘이 전달되어 제2 회전자(250)와 함께 제1 회전자(230)도 회전할 수 있는 것이다. 제1 회전자(230), 제2 회전자(250) 및 클러치부(260)의 동력 전달 관계에 대해서는 도 23 내지 도 25를 통하여 후술하기로 한다.
한편, 도 19는 폴 피스(252)가 출력체인 경우의 회전 패턴을 나타낸 도면으로서, 외측 영구자석(240)이 출력체인 경우 출력체는 인접한 외측 영구자석(240) 간의 거리 간격으로 단속적인 회전을 수행할 수 있다.
도 20은 제1 회전자, 제2 회전자 및 클러치부의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 21은 베이스부의 후면 사시도이고, 도 22는 클러치부를 나타낸 도면이며, 도 23은 클러치부가 제1 회전자 및 제2 회전자의 사이에 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 20 내지 도 23을 참조하면, 제1 회전자(230), 제2 회전자(250) 및 클러치부(260)는 서로 결합될 수 있다.
도 21에 도시된 바와 같이, 베이스부(251)에는 함몰 공간(S)이 포함될 수 있다. 클러치부(260)는 베이스부(251)의 함몰 공간(S)에 수용될 수 있다. 함몰 공간(S)에는 링의 형상을 갖는 내측면이 구비될 수 있다. 내측면은 클러치부(260)의 롤러(262)에 밀착할 수 있으며, 베이스부(251)의 내측면과 클러치부(260)의 롤러(262) 간의 밀착하는 정도에 따라 베이스부(251)와 클러치부(260) 간의 마찰력이 결정될 수 있다.
제1 회전자(230)는 결합링(234) 및 걸림부(235)를 포함할 수 있다. 결합링(234)은 링의 형상으로 회전 몸체(231)에서 돌출 형성되어 클러치부(260)에 결합될 수 있다. 클러치부(260)는 제1 회전자(230)에 대하여 회전 가능하도록 결합링(234)에 결합될 수 있다.
걸림부(235)는 회전 몸체(231)에서 돌출 형성될 수 있다. 걸림부(235)는 클러치부(260)의 롤러(262)로 동력을 전달하거나 롤러(262)로부터 동력을 전달받는 역할을 수행한다.
도 22를 참조하면, 클러치부(260)는 베이스링(261), 롤러(262) 및 탄성부(263)를 포함하여 구성된다.
베이스링(261)은 링의 형상으로 제공될 수 있다. 베이스링(261)의 중심에는 원의 형상으로 관통홀이 형성되고, 베이스링(261)의 외측에는 대체로 평면인 복수의 면이 구비될 수 있다. 관통홀을 통해 제1 회전자(230)의 결합링(234)이 삽입됨으로써 클러치부(260)와 제1 회전자(230) 간의 결합이 수행될 수 있다. 베이스링(261)의 외측면에는 롤러(262)가 안착될 수 있다. 이하, 롤러(262)가 안착되는 베이스링(261)의 외측면을 안착면이라 한다. 안착면은 롤러(262)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 롤러(262)는 안착면에 안착된 상태에서 안착면을 따라 이동할 수 있는 것이다. 이 때, 롤러(262)는 안착면을 따라 회전하면서 이동할 수 있다.
롤러(262)는 안착면에 배치될 수 있다. 롤러(262)는 베이스링(261)과 제2 회전자(250)의 사이에 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 롤러(262)는 안착면을 따라 이동할 수 있는데, 안착면의 위치에 따라 롤러(262)와 제2 회전자(250) 간의 마찰력이 달라질 수 있다.
탄성부(263)는 베이스링(261)에 구비되고, 베이스링(261)에 대하여 롤러(262)에 탄성력을 제공할 수 있다. 탄성부(263)는 일측으로 길게 형성된 판의 형태로 제공될 수 있다. 탄성력은 탄성부(263)의 일면에 수직인 방향으로 작용할 수 있다.
도 23을 참조하면, 탄성부(263)의 길이 방향과 롤러(262)의 이동 경로에 대응하는 안착면의 방향은 경사지어 형성될 수 있다. 탄성부(263)의 일측은 베이스링(261)에 결합되고, 타측은 롤러(262)에 탄성력을 제공할 수 있다.
롤러(262)는 적어도 하나가 구비될 수 있다. 베이스링(261)은 적어도 하나의 롤러(262) 각각의 이동 경로를 제공하는 안착면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 안착면에 하나의 롤러(262)가 안착될 수 있다.
롤러(262)는 제2 회전자(250)의 내측면과 베이스링(261)의 안착면의 사이에 배치될 수 있다. 이 때, 롤러(262)는 제2 회전자(250)의 내측면과 베이스링(261)의 안착면 중 적어도 하나에 접촉될 수 있다. 제2 회전자(250)의 내측면이 곡면이고, 베이스링(261)의 안착면이 평면인 경우 롤러(262)의 이동 경로를 따라 내측면과 안착면 간의 거리가 상이할 수 있다. 예를 들어, 안착면의 중심에서 내측면과의 거리가 가장 크고, 안착면의 가장자리에서 내측면과의 거리가 가장 작게 형성될 수 있다. 이에, 롤러(262)가 위치하는 안착면의 위치에 따라 롤러(262)와 내측면 간의 마찰력이 달라질 수 있다.
제1 회전자(230)의 걸림부(235)는 둘레 방향으로 인접한 롤러(262)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 각각의 롤러(262)별로 걸림부(235)가 구비될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 걸림부(235)가 롤러(262)를 밀어서 안착면을 따라 이동시킬 수 있는데, 이 때 걸림부(235)가 롤러(262)는 미는 힘이 탄성부(263)의 탄성력을 초과할 때 롤러(262)가 안착면을 따라 이동할 수 있다.
도 24는 클러치부가 제2 회전자의 회전력을 제1 회전자로 전달하는 것을 나타낸 도면이다.
도 24를 참조하면, 제2 회전자(250)가 회전하는 경우 적어도 하나의 롤러(262)는 제2 회전자(250)에 의해 밀려 제2 회전자(250)의 내측면과의 거리가 감소하는 지점으로 이동할 수 있다.
제2 회전자(250)의 회전에 의해 적어도 하나의 롤러(262)가 안착면을 따라 이동할 수 있다. 도 24를 참조하여 설명하면, 제2 회전자(250)가 시계 방향으로 회전하는 경우 상측에 위치하는 롤러(262)는 제2 회전자(250)의 회전에 의해 안착면을 따라 이동할 수 있다. 이하, 해당 롤러(262)를 기준으로 설명하기로 한다.
운전자가 변속 레버(120)를 조작하여 제2 회전자(250)가 회전하는 경우 제2 회전자(250)의 내측면에 접한 롤러(262)가 회전하면서 안착면을 따라 이동할 수 있다. 이 때, 롤러(262)는 안착면과 제2 회전자(250)의 내측면 간의 거리가 감소하는 지점으로 이동할 수 있다. 즉, 롤러(262)가 안착면의 가장자리쪽으로 이동할 수 있는 것이다. 이러한 경우 롤러(262)와 제2 회전자(250) 간의 마찰력이 증가하고, 제2 회전자(250)와 함께 클러치부(260)가 회전할 수 있다.
클러치부(260)가 회전하면서 회전축(Bx)을 중심으로 롤러(262)가 회전하고, 롤러(262)는 제1 회전자(230)의 걸림부(235)를 밀 수 있다. 롤러(262)를 통하여 제2 회전자(250)의 회전력이 걸림부(235)에 전달된 경우 제1 회전자(230)가 회전할 수 있다. 결국, 운전자에 의해 제2 회전자(250)가 회전하는 경우 제2 회전자(250)와 함께 제1 회전자(230)가 회전할 수 있는 것이다. 이 때, 제1 회전자(230) 및 제2 회전자(250)는 동일한 속도로 회전할 수 있다.
운전자가 변속 레버(120)를 조작하여 제2 회전자(250)를 회전시키는 경우 제2 회전자(250)와 함께 제1 회전자(230)가 회전함에 따라 변속 레버(120)에 저항력이 작용하며, 해당 저항력에 의해 운전자의 조작감이 향상될 수 있다.
도 24에서 하측에 위치하는 롤러(262)는 제2 회전자(250)의 회전에 의한 영향을 거의 받지 않을 수 있다. 즉, 제2 회전자(250)가 시계 방향으로 회전하는 경우 하측에 위치하는 롤러(262)는 안착면의 중심을 향하여 이동할 수 있다. 이러한 경우 롤러(262)와 제2 회전자(250) 간의 마찰력이 감소되면서 롤러(262)는 제2 회전자(250)에 의한 영향을 받지 않을 수 있다.
이상은 클러치부(260)에 구비된 4개의 롤러(262) 중 2개와 제2 회전자(250) 간의 관계에 대하여 설명하였으나, 나머지 2개도 이와 유사하게 동작할 수 있다.
도 25는 제1 회전자에 의해 클러치부와 제2 회전자 간의 마찰이 제거되거나 감소되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 25를 참조하면, 제1 회전자(230)가 회전하는 경우 적어도 하나의 롤러(262)는 걸림부(235)에 밀려 안착면과 제2 회전자(250)의 내측면 간의 거리가 증가하는 지점으로 이동할 수 있다.
도 25를 참조하여 설명하면, 제1 회전자(230)가 반시계 방향으로 회전하는 경우 상측에 위치하는 롤러(262)는 제1 회전자(230)의 회전에 의해 안착면을 따라 이동할 수 있다. 이하, 해당 롤러(262)를 기준으로 설명하기로 한다.
제1 회전자(230)가 반시계 방향으로 회전하는 경우 걸림부(235)가 롤러(262)를 밀 수 있다. 걸림부(235)의 힘이 탄성부(263)의 탄성력보다 큰 경우 롤러(262)가 안착면을 따라 이동할 수 있다. 안착면을 따라 이동하는 롤러(262)는 제2 회전자(250)의 내측면에서 이격될 수 있고, 제1 회전자(230)의 회전력이 클러치부(260)를 통해 제2 회전자(250)로 전달되는 것이 방지될 수 있다. 즉, 제2 회전자(250)는 클러치부(260)와는 무관하게 제1 회전자(230)와 외측 영구자석(240) 간의 상호 자기력에 의해서만 회전할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 변속 장치(10)는 자동 주차단 전환 기능(RTP; Return To Park)을 제공할 수 있다. 자동 주차단 전환 기능은 변속부(100)가 자동으로 주차단(P단)으로 전환되거나 수납 자세로 전환되는 기능을 나타낸다. 예를 들어, 변속부(100)가 비주차단인 상태에서 차량의 시동이 정지된 경우 차량용 변속 장치(10)는 변속부(100)를 주차단(P단)으로 전환하거나 수납 자세로 전환할 수 있다.
자동 주차단 동작 기능에 의해 변속 레버(120)에 연결된 제2 회전자(250)가 회전될 수 있다. 제2 회전자(250)를 회전시키기 위하여 제1 회전자(230)가 회전될 수 있다. 클러치부(260)는 제1 회전자(230) 및 제2 회전자(250)의 사이에 배치되는데, 클러치부(260)에 의해 제1 회전자(230)의 회전력이 감쇄되지 않는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 제1 회전자(230)가 회전하는 경우 클러치부(260)의 롤러(262)가 제2 회전자(250)에서 이격되기 때문에 제1 회전자(230)의 회전력은 클러치부(260)에 의해 감쇄되지 않은 상태로 제2 회전자(250)로 전달될 수 있게 된다.
도 26은 제1 회전자와 로터 샤프트의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 27은 자성 센서에 의해 제1 회전자의 회전 각도가 감지되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 제1 회전자(230)는 회전축(Bx)을 따라 길게 형성된 로터 샤프트(270)에 결합될 수 있다.
로터 샤프트(270)는 제1 회전자(230)에 결합되어 제1 회전자(230)와 함께 회전할 수 있다. 로터 샤프트(270)에는 자성체 홀더(271)가 구비될 수 있다. 자성체(272)는 자성체 홀더(271)에 지지될 수 있다. 자성체(272)는 자력을 발생할 수 있다. 자성체(272)에 의해 발생된 자력은 자성 센서(280)에 의해 감지될 수 있다.
자성 센서(280)는 자성체(272)의 자력 분포를 이용하여 제1 회전자(230)의 회전 각도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 자성 센서(280)는 제1 회전자(230)의 회전 각도를 선형적인 데이터로 출력할 수 있다. 선형적인 데이터에는 제1 회전자(230)의 자세에 따른 연속적인 회전 각도가 포함되기 때문에 자성 센서(280)에 의해 출력되는 데이터를 이용하여 제1 회전자(230)의 세밀한 회전 각도를 검출하는 것이 가능하게 된다.
자성 센서(280)는 제1 회전자(230)와는 구별되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 자성 센서(280)는 구동부(200)를 감싸는 하우징(미도시)에 고정될 수 있다. 제1 회전자(230)가 회전하는 경우 자성 센서(280)에 대하여 자성체(272)가 회전할 수 있으며, 자성 센서(280)에 의해 감지되는 자력 분포가 달라질 수 있다. 자성 센서(280)는 해당 자력 분포를 이용하여 제1 회전자(230)의 회전 각도를 감지할 수 있다.
자성 센서(280)에 의해 감지된 제1 회전자(230)의 회전 각도는 제어 장치(300)로 전달되고, 제어 장치(300)는 제1 회전자(230)의 회전 각도를 참조하면서 제1 회전자(230)를 회전시킬 수 있다.
도 28은 제어 장치에 의해 변속 신호가 출력되는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 28을 참조하면, 제어 장치(300)는 입력된 변속 명령에 대응하는 변속 신호를 출력할 수 있다.
운전자는 변속부(100)를 이용하여 차량의 변속 명령을 입력할 수 있다. 제어 장치(300)는 해당 변속 명령을 수신할 수 있다(S710). 제어 장치(300)는 수신된 변속 명령이 변속 조건을 만족하는지 판단할 수 있다(S720). 예를 들어, 제어 장치(300)는 수신된 변속 명령이 운전자의 의도에 의한 것인지 실수에 의한 것인지를 판단할 수 있다.
제어 장치(300)는 차량의 운행 상태를 참조하여 변속 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다. 또한, 제어 장치(300)는 브레이크 페달의 조작 각도 및 차량의 주행 속도 중 적어도 하나를 참조하여 변속 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 차량의 변속단이 주차단이고, 브레이크 페달의 조작 각도가 임계치의 이하인 상태에서 수신된 변속 명령이 주행단 또는 후진단으로의 변속 명령인 경우 제어 장치(300)는 변속 조건을 만족하지 못한 것으로 판단할 수 있다. 또는, 차량의 변속단이 주행단이고, 차량의 주행 속도가 임계치를 초과한 상태에서 수신된 변속 명령이 후진단 또는 주차단으로의 변속 명령인 경우 제어 장치(300)는 변속 조건을 만족하지 못한 것으로 판단할 수 있다.
변속 조건이 만족된 경우 제어 장치(300)는 변속 신호를 출력할 수 있다(S730). 예를 들어, 제어 장치(300)는 변속부(100)가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족된 경우 변속 신호를 출력할 수 있다. 출력된 변속 신호는 변속기(미도시)로 전달되어 변속단이 변경될 수 있다.
한편, 변속 조건이 만족되지 않은 경우 제어 장치(300)는 변속 신호를 출력하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(300)는 변속부(100)가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 경고 알람을 출력할 수 있다(S740).
또한, 변속 조건이 만족되지 않은 경우 제어 장치(300)는 변속 레버(120)를 이전 위치로 복귀시킬 수 있다(S750). 예를 들어, 제어 장치(300)는 변속부(100)가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 변속부(100)의 변속 레버(120)가 제1 변속단의 자세로 전환되도록 구동부(200)를 제어할 수 있다.
이와 같이 변속 조건을 고려한 제어 장치(300)의 동작에 의해 운전자로부터 의도하지 않은 변속부(100)의 변속 명령이 입력된 경우 변속부(100)의 변속이 수행되지 않고, 안정적인 차량 운행이 가능하게 된다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 차량용 변속 장치 100: 변속부
110: 변속 몸체 120: 변속 레버
200: 구동부 210: 제1 고정자
211: 고정 몸체 211a: 림
211b: 레그 211c: 티스
212u, 212v, 212w: 코일 220: 제2 고정자
230: 제1 회전자 231: 회전 몸체
231a: 제1 회전 몸체 231b: 제2 회전 몸체
232: 제1 내측 영구자석 233: 제2 내측 영구자석
240: 외측 영구자석 250: 제2 회전자
251: 베이스 252: 폴 피스
253: 스핀들 260: 클러치부
261: 베이스링 262: 롤러
263: 탄성부 270: 로터 샤프트
271: 자성체 홀더 272: 자성체
280: 자성 센서 300: 제어 장치
400: 구동력 전달 매체 500: 스위칭부 510~560: 스위치

Claims (15)

  1. 차량의 변속 명령을 입력 받는 변속부;
    상기 변속부의 자세 전환을 위한 구동력을 발생시키는 구동부; 및
    사전에 설정된 조건의 만족 여부에 따라 상기 변속부의 자세가 전환되도록 상기 구동부를 제어하는 제어 장치를 포함하되,
    상기 구동부는,
    자속을 발생시키는 제1 고정자;
    회전축을 따라 일정 간격을 두고 배치된 제1 내측 영구자석 및 제2 내측 영구자석을 구비하고, 상기 제1 내측 영구자석으로 전달된 자속에 의해 회전하는 제1 회전자;
    상기 제2 내측 영구자석과는 상이한 개수로 구비된 외측 영구자석;
    상기 제2 내측 영구자석 및 상기 외측 영구자석의 사이에 배치되는 제2 회전자; 및
    상기 제1 회전자와 제2 회전자의 사이에 배치되는 클러치부를 포함하는 차량용 변속 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 클러치부는,
    베이스링;
    상기 베이스링 및 상기 제2 회전자의 사이에 배치된 롤러; 및
    상기 베이스링에 구비되고, 상기 베이스링에 대하여 상기 롤러에 탄성력을 제공하는 탄성부를 포함하는 차량용 변속 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 베이스링은 상기 롤러가 안착되고, 상기 롤러의 이동 경로를 제공하는 안착면을 포함하고,
    상기 탄성부는 일측으로 길게 형성된 판의 형태로 제공되며,
    상기 탄성부의 길이 방향과 상기 롤러의 이동 경로에 대응하는 상기 안착면은 경사지어 형성되는 차량용 변속 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 롤러는 적어도 하나가 구비되고,
    상기 베이스링에는 상기 적어도 하나의 롤러가 안착되고, 상기 적어도 하나의 롤러 각각의 이동 경로를 제공하는 안착면이 구비되고,
    상기 제2 회전자가 회전하는 경우 상기 적어도 하나의 롤러는 상기 제2 회전자에 의해 밀려 상기 안착면과 상기 제2 회전자의 내측면 간의 거리가 감소하는 지점으로 이동하는 차량용 변속 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 회전 몸체에서 돌출 형성된 걸림부를 포함하고,
    상기 롤러를 통하여 상기 제2 회전자의 회전력이 상기 걸림부에 전달된 경우 상기 제1 회전자가 회전하는 차량용 변속 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 회전 몸체에서 돌출 형성된 걸림부를 포함하고,
    상기 제1 회전자가 회전하는 경우 상기 적어도 하나의 롤러는 상기 걸림부에 밀려 상기 제2 회전자의 내측면과의 거리가 증가하는 지점으로 이동하는 차량용 변속 장치.
  7. 제5 항 및 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 걸림부는 둘레 방향으로 인접한 롤러를 사이에 두고 배치되는 차량용 변속 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 회전축을 따라 길게 형성된 로터 샤프트에 결합되고,
    상기 로터 샤프트에는 자성체 홀더가 구비되며,
    상기 자성체 홀더에 의해 자성체가 지지되는 차량용 변속 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 자성체의 자력 분포를 이용하여 상기 제1 회전자의 회전 각도를 감지하는 자성 센서를 더 포함하는 차량용 변속 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    주차 조건이 만족된 경우 상기 변속부가 주차단의 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어하고,
    수납 조건이 만족된 경우 상기 변속부가 수납 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어하는 차량용 변속 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 수납 조건은 상기 차량의 시동 정지 및 사용자 명령 입력 중 적어도 하나를 포함하는 차량용 변속 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 변속부가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 상기 변속부가 상기 제1 변속단의 자세로 전환되도록 상기 구동부를 제어하는 차량용 변속 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 변속부가 제1 변속단의 자세에서 제2 변속단의 자세로 전환된 시점에 변속 조건이 만족되지 않은 경우 경고 알람을 출력하는 차량용 변속 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 브레이크 페달의 조작 각도 및 차량의 주행 속도 중 적어도 하나를 참조하여 상기 변속 조건의 만족 여부를 판단하는 차량용 변속 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 내측 영구자석 및 상기 외측 영구자석 사이의 자력보다 큰 힘이 상기 제2 회전자에 작용하는 경우 제2 회전자는 단속적으로 회전하는 차량용 변속 장치.
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