KR20230040588A

KR20230040588A - 무단변속 파워트레인

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Publication number: KR20230040588A
Application number: KR1020210123919A
Authority: KR
Inventors: 윤경선; 윤고은; 윤지은
Original assignee: 윤경선
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-23
Also published as: WO2023043157A1

Abstract

본 발명은 무단변속 파워트레인에 관한 것으로서, 변속부와 모터를 일체형으로 구성하되 변속부는 다단 변속기어장치로 구성하고, 변속부의 입력 측과 출력 측에 각각 모터를 구성하며, 입력 측 모터가 제1 변속기어장치를 구동시키고 제1 변속기어장치는 다시 제2 변속기어장치를 구동시켜 감속하므로 써 변속 중에 충격이 발생하지 않고, 출력 측 모터에 의하여 제2 변속기어장치의 회전을 제어하여 변속할 수 있는 무단변속 파워트레인에 관한 것이다.
상기 제1 변속기어장치는 제1 모터에 결합된 제1 선기어와, 이에 치차 결합되어 있는 제1 유성기어와 제1 유성캐리어, 변속부 하우징에 고정 설치되어 제1 유성기어와 치차 결합되어 있는 제1 링기어로 이루어지고;
상기 제2 변속기어장치는 제1 유성캐리어에 치차 결합된 제2 선기어, 제2 선기어와 치차 결합되어 있는 제2 유성기어 및 제2 유성캐리어, 제2 유성기어 외주 면에 치차 결합되어 있는 제2 링기어로 이루어져지며;
입력 측에 설치된 제1 모터의 회전이 변속부의 제1 변속기어장치 및 제2 변속기어장치에 의하여 감속됨과 더불어 출력 측에 설치된 제2 모터로 제2 링기어의 회전을 제어하여 출력축 토크와 회전수를 조절하여 변속하도록 구성되어 있다.

Description

무단변속 파워트레인 {Continuously Variable Power Train}

본 발명은 무단변속 파워트레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변속기어의 상시 맞물림 상태에서 변속이 무단으로 이루어질 수 있도록 하므로 써, 변속 충격이 발생하지 않고 토크 저하가 없어 고 출력의 구동력을 얻을 수 있는 무단변속 파워트레인에 관한 것이다.

최근 환경문제에 대한 관심과 인식이 높아지면서 온실가스 감축을 목표로 하는 다양한 환경규제에 따라 자동차산업 패러다임은 종래의 내연기관 자동차에서 점차 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차, 연료전지 전기 자동차 등의 전력 기반 자동차로 변화하고 있다.

일반적으로, 자동차에서 가장 중요한 기술로 꼽히는 것은 엔진과 변속기이며, 변속기의 완성도가 높으면 제한적인 엔진의 아쉬움도 상쇄시킬 수 있다.

그러나 종래의 내연기관 차량이나 하이브리드 차량의 변속기는 그 구조가 복잡하여 크고 무거우며, 유압장치 등을 추가로 설치해야 하기 때문에, 이들 변속기를 전기차의 변속기로 사용할 경우 변속으로 얻어지는 효율 대비 상실하는 에너지가 더 큰 문제점이 있었다.

반면에, 모터는 저속에서부터 최대 토크를 발휘할 수 있는 특성이 있기 때문에 전기차에는 종래의 복잡한 변속기를 사용하지 않고 간단한 구조의 단일 기어 비를 가진 감속기나 2단 변속기 등이 사용되고 있으나, 차량의 등판능력을 만족시키면서 어느 정도 고속 주행성능을 만족시키는 감속기를 사용하기 위해서는 상대적으로 큰 용량의 모터를 사용해야만 했다.

그리고 주행 속도에 따라 적절한 속도로 변속할 수 없는 종래 감속기의 특성상 저속에서 큰 토크로 주행할 수밖에 없어 많은 전류가 필요하고, 고속이나 정속 주행 시에는 과도한 속도로 모터를 구동시켜야 하기 때문에 에너지 소비가 많아 열이 많이 발생하며, 전비(단위 전력당 주행거리, km/kWh) 효율이 좋지 않아 주행거리가 짧아지기 때문에 배터리를 자주 충전해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 에너지의 적절한 사용으로 전비를 향상시켜 주행거리를 늘리면서도 주행성능을 향상시켜 차량이 요구하는 최대 등판성능과 최고 속도성능을 충족시킬 수 있는 전기차 파워트레인에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.

공개특허공보 등록번호 10-1787994(2017.10.13) 공개특허공보 등록번호 10-1927493(2018.12.04) 공개특허공보 공개번호 10-2021-0055562(2021.05.17) 공개특허공보 공개번호 10-2021-0165277(2021.06.22)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로서, 변속기어의 상시 맞물림 상태에서 모터의 제어에 의하여 무단으로 변속할 수 있게 하므로 써, 높은 동력전달 효율을 구현하여 차량에서 요구하는 최대 등판성능과 최고 속도성능을 충족시키며, 내구성과 신뢰성이 우수한 무단변속 파워트레인을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 장점은 토크의 끊김 없이 무단으로 변속하여 모터의 최고 출력효율을 지속적으로 끌어낼 수 있다는 점에 있으며, 이는 모터도 특정 영역 대에서 가장 이상적인 효율을 끌어내는 구간이 존재하기 때문에, 무단변속으로 이 부분의 활용도를 더욱 높게 끌어올리면서도 변속충격이 없도록 하여 최적의 주행상태를 유지할 수 있으며, 적은 전류로 큰 토크를 얻을 수 있도록 하므로 써 전비를 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 것에도 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 무단변속 파워트레인은,

변속부 하우징의 일 측에 구성되어 변속부로 회전력을 공급할 수 있도록 설치된 제1 모터; 상기 제1 모터의 회전력을 공급받아 이를 감속하여 제2 변속기어장치로 회전력을 전달하는 제1 변속기어장치; 상기 제1 변속기어장치의 회전력을 받아 출력축으로 회전력을 내 보내는 상기 제2 변속기어장치; 상기 제2 변속기어장치의 회전력을 제어할 수 있도록 설치된 제2 모터를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 변속기어장치 및 상기 제2 변속기어장치는 상기 변속부 하우징 내부에 설치되고, 상기 변속부 하우징 일 측의 상기 제1 모터와 타 측의 상기 제2 모터는 상기 변속부와 결합하여 설치되며, 상기 제1 모터의 회전을 상기 제1 변속기어장치 및 상기 제2 변속기어장치를 통하여 출력축으로 출력함과 더불어, 상기 변속부 하우징 타 측에 설치된 상기 제2 모터에 의하여 상기 제2 변속기어장치의 회전을 제어하는 것에 의하여 달성될 수 있다.

상기 제1 변속기어장치는, 상기 제1 모터의 회전력을 전달받도록 설치된 제1 선기어(Sun Gear); 상기 제1 선기어 외주 면에 치차 결합된 다수의 제1 유성기어; 상기 제1 유성기어는 회전 가능한 상태로 제1 유성캐리어에 결합되어 있으며, 상기 제1 유성기어 외주 면에 제1 링기어를 치차 결합시켜 설치하되, 상기 제1 링기어는 회전하지 않도록 상기 변속부 하우징에 고정 설치하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제1 선기어 이의 수가 s이고 상기 제1 링기어 이의 수가 r이라고 할 경우, 상기 제1 유성캐리어의 회전수는 1+(r/s)로써 고정된 감속 비로 상기 제1 모터의 회전을 감속하는 것이 가능하다.

상기 제2 변속기어장치는, 상기 제1 변속기어장치의 회전력을 받는 제2 선기어; 상기 제2 선기어 외주 면에 치차 결합된 다수의 제2 유성기어; 상기 제2 유성기어는 회전 가능한 상태로 제2 유성캐리어에 결합되어 있으며, 상기 제2 유성기어 외주 면에 치차 결합된 제2 링기어를 포함하여 구성하므로 써, 상기 제1 변속기어장치와 더불어 상기 변속부를 다단으로 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2 유성캐리어의 일 측은 출력축으로 구성하며, 상기 제2 링기어는 상기 제2 모터의 회전자와 결합되어 상기 제2 모터의 회전을 전달받아 상기 출력축의 회전력을 변속하는 것이 좋다.

그리고 상기 제2 링기어와 결합된 링기어 디스크의 제2 중공축 외주 면에는 일 방향 클러치를 설치하여 상기 제2 링기어의 역방향 회전을 제한할 수 있도록 하고, 더불어 상기 변속부 하우징의 상기 제2 링기어 외주 면에 전자석클러치를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 무단변속 파워트레인에 의하면, 무단으로 변속비를 제공하여 모터의 최고 효율을 지속적으로 이끌어내므로 써 전기차에서 요구하는 최대 등판성능과 최고 속도성능을 충족시킬 수 있으며, 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 가벼운 중량으로 높은 동력전달 효율을 구현하여 전비를 향상시킬 수 있고, 변속에 에너지 소모가 없으면서 부드럽게 변속할 수 있다.

특히, 변속부에 적용된 유성기어 방식은 고속에서도 안정적이고, 그 크기에 비하여 고효율의 감속 비를 얻을 수 있으며, 감속 비에 반비례하여 전달되는 토크가 커지므로, 기어 상시 맞물림 방식으로 구성된 변속기어장치의 회전을 제어하는 것만으로도 무단으로 변속할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

이와 같이 변속기어가 상시 맞물림 상태에서 변속작용이 무단으로 이루어질 수 있도록 하되, 회전력 제어방식을 2개의 모터와 변속기어장치로 하므로 써 변속 중에 충격이 발생하지 않고 토크 저하가 없으며, 변속을 부드럽게 하여 정숙성과 내구성이 우수함은 물론, 모터가 불필요하게 고속으로 회전하지 않아도 충분한 토크를 발휘할 수 있어 모터의 발열현상을 방지할 수 있다.

따라서, 간단한 구성으로 제조원가를 낮추면서도 전비가 우수하여 주행거리를 늘릴 수 있고, 더욱 성능 좋은 고 출력의 모터를 채용할 수 있어 대형 차량은 물론 선박 등 다른 종류의 산업용으로도 사용할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 전체 구성품을 분리하여 나열한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 변속부 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 변속부만을 발췌하여 분리상태를 나열한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 모터부 단면을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 내부 구성을 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다.

또한, 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만 사용되며, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 하며, 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명 무단변속 파워트레인은, 변속기구 및 모터를 일체형으로 구성하여 구조가 간단하며, 자체 중량을 줄임으로써 제품의 제조 편의성은 높이고 제조 단가는 낮출 수 있어 시장 경쟁력을 높이는 한편, 감속 비가 높아 출력 특성이 우수한 고속 모터를 채용하는 것이 가능하고, 콤팩트한 크기로 차량 또는 기타 산업용으로 활용도가 우수한 모터 일체형 변속기를 제공할 수 있으며, 특히, 변속이 무단으로 이루어져 변속 충격이 없는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

먼저, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2와 도 3을 참조하면, 제1 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인은 변속부(200)의 입력 측에 제1 모터(100)가 구성되고, 출력 측에 제2 모터(300)가 결합되어 있으며, 변속부(200) 외주 면에는 클러치부(400)를 포함하므로 써 변속부(200)의 회전을 제어하는 것에 의하여 달성될 수 있다.

도 1과 도 3과 도 6을 참조하면, 제1 모터(100)는, 제1 모터 하우징(110) 내에 다수의 제1 모터 코어(121)와 제1 모터 코일(122)로 구성된 제1 모터 고정자(120)를 설치하고, 제1 중공축(132)에 결합된 제1 모터 회전자(130)는 그 내부에 다수의 쌍을 이루는 영구자석(131)을 포함하여 구성하는 것이 좋다.

이때, 모터 회전자(130)는 매립 영구자석 동기식 릴럭턴스 모터(IPM-SynRM: Interior Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor) 방식으로 영구자석(131)을 구성하므로 써 전자기력 효율을 높이고 고속 회전에서도 역기전력이 발생하지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제1 모터 고정자(120)는 제1 모터 하우징(110)에 결합하여 그 내부에 구성되어 있는 제1 모터 회전자(130)를 회전시키도록 하며, 제1 모터 회전자(130)는 제1 선기어(221)와 더불어 제1 모터 하우징(110)에 회전 구속되도록 입력 측 베어링(111)에 축 결합하는 것이 바람직하다.

도 3과 도 4와 도 5를 참고하면, 제1 모터 회전자(130)의 제1 중공축(132)에는 제1 선기어(221)를 결합하여 제1 변속기어장치(220)로 회전력을 전달하도록 구성하는 것이 좋다.

상기 제1 변속기어장치(220)는, 제1 모터 회전자(130)의 회전력을 받는 제1 선기어(221)와, 제1 유성기어 베어링(223)에 의하여 제1 유성캐리어(224)에 회전 구속된 다수의 제1 유성기어(222), 제1 유성기어(222)의 외주 면에 치차 결합된 제1 링기어(225)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 제1 링기어(225)는 변속부 하우징(210)에 고정하여 회전하지 않도록 설치하며, 제1 유성캐리어(224)의 중심에는 제2 선기어(231)를 결합하여 제1 유성캐리어(224)의 회전력을 제2 변속기어장치(230)로 전달하는 것이 좋다.

상기 제2 변속기어장치(230)는, 상기 제1 유성캐리어(224)의 회전력을 받는 제2 선기어(231)와, 제2 유성기어 베어링(233)에 의하여 제2 유성캐리어(234)에 회전 구속된 다수의 제2 유성기어(232), 상기 제2 유성기어(232)의 외주 면에 치차 결합된 제2 링기어(236)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제2 링기어(236)의 일 측은 링기어 디스크(240)와 결합하고, 링기어 디스크(240)에 형성된 제2 중공축(241)은 제2 모터 회전자(330)에 결합할 수 있는 구조로 구성하여 제2 모터(300)의 회전을 받도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 제2 유성캐리어(234)의 일 측은 출력축(235)으로 형성하여 제2 중공축(241)을 관통하여 외부로 회전력을 출력할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 링기어 디스크(240)의 제2 중공축(241) 외주 면에는 일 방향 클러치(242)를 설치하되, 일 방향 클러치(242)의 외주 면은 변속부 하우징(210)에 고정하므로 써 제2 링기어(236)가 역회전하지 못 하도록 구속시키는 것이 좋다.

더불어, 제2 링기어(236)의 외주 면에는 링기어 요홈(237)을 형성하여 변속부 하우징(210)에 설치된 전자석클러치(410)의 제어에 의하여 회전력을 구속할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 1과 도 3과 도 6을 참조하면, 제2 모터(300)는, 제2 모터 하우징(310) 내에 다수의 제2 모터 코어(321)와 제2 모터 코일(322)로 구성된 제2 모터 고정자(320)를 설치하고, 제2 중공축(241)에 결합된 제2 모터 회전자(330)는 그 내부에 다수의 쌍을 이루는 영구자석(331)으로 구성하는 것이 좋다.

상기 제2 모터 고정자(320)는 제2 모터 하우징(310)에 결합하여 그 내부에 구성된 제2 모터 회전자(330)를 회전시키며, 제2 모터 회전자(330)는 제2 유성캐리어(234)의 출력축(235)에 출력축 베어링(311)에 의하여 회전 구속되도록 결합하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 작동되는 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

동일 축 상에 설치된 제1 모터(100)와 변속부(200) 및 제2 모터(300);

제1 모터 회전자(130)에 결합된 제1 선기어(221)의 회전에 의하여 제1 변속기어장치(220)가 회전하며, 상기 제1 변속기어장치(220)의 제1 유성캐리어(224)는 다시 제2 선기어(231)를 통하여 제2 변속기어장치(230)로 회전력을 전달하고, 제2 유성캐리어(234)에 형성된 출력축(235)을 통하여 회전력을 출력하므로, 제1 모터(100)가 회전을 시작하면 제1 변속기어장치(220)와 제2 변속기어장치(230)를 통하여 감속된 회전수로 출력축(235)이 회전을 하게 된다.

이때, 제1 변속기어장치(220)의 감속 비가 1대 4, 제2 변속기어장치(230)도 1대 4라고 가정할 때, 제1 모터(200) 대 출력축(235)의 감속 비는 1대 16이 되는 것이다. 즉, 제1 모터(100)가 16회전할 때 출력축(235)이 1회전하게 된다.

위의 작동을 자세히 설명하면, 제1 모터(100)가 회전을 시작하면 제1 모터 회전자(130)가 제1 중공축(132)에 결합되어 있는 제1 선기어(221)를 회전시키며, 이에 따라 제1 선기어(221)와 치차 결합된 상태로 제1 링기어(225)와도 치차 결합되어 있는 제1 유성기어(222)가 제1 선기어(221) 외주 면을 따라 자전 및 공전을 하게 된다.

이때, 제1 링기어(225)가 변속부 하우징(210)에 고정 결합되어 있기 때문에, 제1 유성기어(222)에 회전 구속되어 있는 제1 유성캐리어(224)는 제1 유성기어(222)의 공전에 따라 회전을 하게 되며, 이러한 회전에 의하여 제1 유성캐리어(224) 중앙에 결합되어 있는 제2 선기어(231)를 제1 변속기어장치(220)의 감속 비로 회전시키게 되는 것이다.

이와 같이, 제2 선기어(231)가 회전을 하면 제2 선기어(231)에 치차 결합된 상태로 제2 링기어(236)와도 치차 결합되어 있는 제2 유성기어(232)가 제2 선기어(231)의 외주 면을 따라 자전 및 공전을 하게 된다.

이때, 제2 링기어(236)는 역회전하지 않아야 하며, 만약 제2 링기어(236)가 부하 없이 회전 반대방향으로 회전을 하게 된다면 제1 모터(100)의 회전력이 출력축(235)으로 전달되지 못하고 제2 링기어(236)만 공회전시키는 결과를 초래하게 될 것이다.

따라서, 제1 모터(100)만 회전할 경우에는 링기어 디스크(240)의 제2 중공축(241)에 설치된 일 방향 클러치(242)에 의하여 제2 링기어(236)의 역회전을 제한하므로 써 제2 변속기어장치(230)의 감속 비를 얻을 수 있는 것이다.

더불어, 제2 링기어(236)의 외주 면에 설치된 전자석클러치(410)를 작동시켜 제2 링기어(236)의 회전을 제어하여 일 방향 클러치(242)의 작동을 더욱 확고하게 할 수도 있다.

상기와 같은 작동에 의하여, 제2 유성기어(232)에 회전 구속된 제2 유성캐리어(234)가 제2 유성기어(232)의 공전에 따라 회전을 하게 되며, 제2 유성캐리어(234)의 일 측에 형성된 출력축(235)을 통하여 회전력을 외부로 출력하게 되는 것이다.

이와 같은 구성과 작동으로, 출발 시 적은 토크로도 큰 회전력을 발생시켜 출발이 쉽도록 하고, 제1 모터(100)의 회전이 빨라질수록 점차 빠른 회전력을 출력하므로 써 저속 단계에서의 변속을 용이하게 이룰 수 있는 것이다.

저속 단계에서 점차 속도를 증가시킨 후 제1 모터(100)의 회전 한계점에 다다르기 전에, 클러치부(400)의 전자석클러치(410)를 해제하고 이와 더불어 제2 모터(300)를 회전시키면, 제2 중공축(241)의 링기어 디스크(240)에 결합되어 있는 제2 링기어(236)가 회전을 하게 되므로, 이에 반비례하여 제2 유성기어(232)의 자전 회전수가 줄게 되고, 따라서 점차 감속 비가 낮아져 출력축(235)은 더 빠르게 회전하게 되어 고속의 회전을 용이하게 구현할 수 있는 것이다.

더불어, 제2 모터(300)의 회전력을 출력축(235)으로 함께 전달할 수 있어서 더욱 큰 토크로 출력축(235)을 회전시키게 된다.

제2 모터(300)의 회전이 점차 빨라져, 제2 선기어(231)의 회전수와 제2 모터(300)의 회전수가 같아지게 되면 제2 유성기어(232)는 더는 자전하지 않고 공전만 하게 되며, 이 상태는 제1 모터(100)와 제2 모터(300)가 효율을 최대로 발휘하여 출력축(235)을 회전시키는 상태가 된다.

상기와 같이 제1 모터(100)와 제2 모터(300)의 최고 효율을 이끌어 내면서 제1 모터(100)와 제2 모터(300)의 회전속도를 제어하여 가속하거나 감속하므로 써 차량의 속도에 따른 최고 효율을 지속적으로 이끌어 낼 수 있는 것이다.

반면, 차량의 후진 시 출력축(235)을 역회전시키고자 할 경우에는, 전자석클러치(410)를 작동시켜 제2 링기어(236)의 회전을 억제한 상태에서 제1 모터(100)를 역회전시키면 상기 저속 회전 시와 동일한 동력전달 계통에 의하여 변속부(200)의 감속 비로 출력축(235)이 역회전하므로 차량을 후진시킬 수 있다.

상기와 같이 제1 변속기어장치(220) 및 제2 변속기어장치(230)에 의하여 2단으로 변속부(200)를 구성할 시에는, 제1 모터(100)가 제1 변속기어장치(220)를 통과시켜 보낼 수 있는 최대 회전수와 제2 모터(300)의 최대 회전수를 동일하게 맞추더라도 충분한 회전과 변속을 이룰 수 있기 때문에, 종래의 전기차 모터보다 훨씬 적은 토크로도 같은 출력을 얻을 수 있어 전비를 높일 수 있으며, 그로 인하여 추가로 배터리를 증설하지 않고도 주행거리를 늘릴 수 있는 것이다.

다음은, 본 발명의 제2 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

설명의 편의를 위해 본 발명의 제1 실시 예와 구성 및 작동이 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호로 인용하고, 이에 대해 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명 무단변속 파워트레인의 제2 실시 예에 따른 내부구성을 도시한 단면도로서, 다른 구성은 제1 실시 예와 대부분 유사하지만 변속부(200)의 변속기어장치를 하나로 구비한 점이 상이하다.

도 1과 도 2와 도 7을 참조하면, 제2 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인은, 변속부(200)의 입력 측에 제1 모터(100)를 구성하고, 출력 측에 제2 모터(300)가 결합되어 있으며, 변속부(200) 외주 면에는 클러치 부(400)를 포함하여 구성하므로 써 변속부(200)의 회전을 제어할 수 있도록 한다.

도 1과 도 6과 도 7을 참조하면, 제1 모터(100)는, 제1 모터 하우징(110) 내에 다수의 제1 모터 코어(121)와 제1 모터 코일(122)로 구성된 제1 모터 고정자(120)를 설치하고, 제1 중공축(132)에 결합된 제1 모터 회전자(130)는 그 내부에 다수의 쌍을 이루는 영구자석(131)으로 구성하는 것이 좋다.

제1 모터 고정자(120)는 제1 모터 하우징(110)에 결합하여 그 내부에 구성되어 있는 제1 모터 회전자(130)를 회전시키도록 하며, 제1 모터 회전자(130)는 제1 선기어(221)와 더불어 제1 모터 하우징(110)에 회전 구속되도록 입력 측 베어링(111)에 축 결합하는 것이 바람직하다.

도 4와 도 5와 도 7을 참고하면, 제1 모터 회전자(130)의 중앙에는 제1 중공축(132)을 형성하도록 하며, 제1 중공축(132)의 내부를 관통하여 제1 선기어(221)를 결합하여 제2 변속기어장치(230)로 회전력을 전달하도록 하는 것이 좋다.

제2 변속기어장치(230)는, 제1 모터(100)의 회전 토크를 받는 제1 선기어(221)와, 제2 유성기어 베어링(233)에 의하여 제2 유성캐리어(234)에 회전 구속된 다수의 제2 유성기어(232), 제2 유성기어(232)에 치차 결합된 제2 링기어(236)로 구성하는 것이 바람직하다.

제2 링기어(236)의 일 측은 링기어 디스크(240)와 결합하며, 링기어 디스크(240)에 형성된 제2 중공축(241)은 제2 모터 회전자(330)에 결합할 수 있는 구조로 구성하여 제2 모터(300)의 회전을 받도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 제2 유성캐리어(234)의 일 측은 출력축(235)으로 형성하여 제2 중공축(241)을 관통하여 외부로 회전력을 전달할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 제2 링기어(236)의 외주 면에는 링기어 요홈(237)을 형성하여 변속부 하우징(210)에 설치된 전자석클러치(410)의 작동에 의하여 회전력을 구속할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 1과 도 6과 도 7을 참조하면, 제2 모터(300)는, 제2 모터 하우징(310) 내에 다수의 제2 모터 코어(321)와 제2 모터 코일(322)로 구성된 제2 모터 고정자(320)를 설치하고, 제2 중공축(241)에 결합된 제2 모터 회전자(330)는 그 내부에 다수의 쌍을 이루는 영구자석(331)으로 구성하는 것이 좋다.

상기 제2 모터 고정자(320)는 제2 모터 하우징(310)에 결합하여 그 내부에 구성된 제2 모터 회전자(330)를 회전시키며, 제2 모터 회전자(330)는 제2 유성캐리어(234)의 출력축(235)에 출력축 베어링(311)에 의하여 회전 구속되도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인의 작동되는 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1 모터 회전자(130)에 결합된 제1 선기어(221)의 회전에 의하여 제2 변속기어장치(230)가 회전하며, 제2 유성캐리어(234)의 출력축(235)을 통하여 회전력을 출력하므로, 제1 모터(100)가 회전을 시작하면 제2 변속기어장치(230)에 주어진 감속 비로 출력축(235)이 회전을 하게 된다.

위의 작동을 자세히 설명하면, 제1 모터(100)가 회전을 시작하면 제1 중공축(132)에 결합되어 있는 제1 선기어(221)가 회전하며, 이에 따라 제1 선기어(221)와 치차 결합된 상태로 제2 링기어(236)와도 치차 결합되어 있는 제2 유성기어(232)가 제1 선기어(221) 외주 면을 따라 자전 및 공전을 하게 된다.

이때, 제2 링기어(236)는 역회전하지 않아야 하며, 만약 제2 링기어(236)가 부하 없이 회전 반대방향으로 회전을 한다면 제1 모터(100)의 회전이 출력축(235)으로 전달되지 못하고 제2 링기어(236)만 공회전시키는 결과를 초래할 수 있다.

더불어 제2 링기어(236)의 외주 면에 설치된 전자석클러치(410)를 작동시켜 제2 링기어(236)의 회전을 제어하므로 써 일 방향 클러치(242)의 작용을 보다 확고하게 이룰 수도 있다.

이와 같은 작동으로, 출발 시 적은 토크로도 큰 회전력을 발생시켜 출발이 쉽도록 하고 제1 모터(100)의 회전이 빨라질수록 점차 빠른 회전력을 받음으로 써 저속 단계에서의 속도 변속을 용이하게 이룰 수 있다.

저속 단계에서 점차 속도를 증가시킨 후 제1 모터(100)의 회전 한계점에 다다르기 전에, 전자석클러치(410)를 해제하고 이와 더불어 제2 모터(300)를 회전시키면, 제2 중공축(241)의 링기어 디스크(240)에 결합된 제2 링기어(236)가 회전을 하게 되므로, 이에 반비례하여 제2 유성기어(232)의 자전 회전수가 줄게 되고 이에 따라 점차 감속 비가 낮아져 출력축(235)은 더 빠르게 회전하게 되어 고속의 회전을 용이하게 구현할 수 있는 것이다.

더불어 제2 모터(300)의 회전력을 출력축(235)으로 함께 전달할 수 있어서 더욱 큰 토크로 출력축(235)을 회전시키게 된다.

제2 모터(300)의 회전이 점차 빨라져, 제1 선기어(221)의 회전수와 제2 모터(300)의 회전수가 같아지게 되면 제2 유성기어(232)는 더는 자전하지 않고 공전만 하게 되며, 이 상태는 제1 모터(100)와 제2 모터(300)의 효율을 최대로 발휘하여 출력축(235)을 회전시키는 상태가 된다.

반면, 차량의 후진 시 출력축(235)을 역회전시키고자 할 경우에는, 전자석클러치(410)를 작동시켜 제2 링기어(236)의 회전을 억제한 상태에서 제1 모터(100)를 역회전시키면 상기 저속 회전 시와 동일한 동력전달 계통에 의하여 제2 변속기어장치(230)의 감속 비로 역회전하게 되는 것이다.

상기와 같이 제2 변속기어장치(230)에 의하여 변속부(200)를 구성할 시에는, 제1 모터(100)가 제2 변속기어장치(230)를 통과시켜 보낼 수 있는 최대 회전수와 제2 모터(300)의 최대 회전수를 동일하게 맞추더라도 충분한 회전과 변속을 이룰 수 있기 때문에, 종래의 전기차 모터보다 적은 토크로도 같은 출력을 얻을 수 있어 전기차의 전비를 높일 수 있으며, 그로 인하여 추가로 배터리를 증설하지 않고도 주행거리를 늘릴 수 있는 것이다.

상기와 같은, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무단변속 파워트레인은 더욱 구조가 간단하여, 소형 전기차나 전기 삼륜차 및 전기 이륜차 등 상대적으로 큰 토크가 필요하지 않는 전기차량이나 산업용 기계장치에도 사용될 수 있다.

100 제1 모터 110 제1 모터 하우징
111 입력 측 베어링 120 제1 모터 고정자
121 제1 모터 코어 122 제1 모터 코일
130 제1 모터 회전자 131 영구자석
132 제1 중공축 200 변속부
210 변속부 하우징 220 제1 변속기어장치
221 제1 선기어 222 제1 유성기어
223 제1 유성기어 베어링 224 제1 유성캐리어
225 제1 링기어 230 제2 변속기어장치
231 제2 선기어 232 제2 유성기어
233 제2 유성기어 베어링 234 제2 유성캐리어
235 출력축 236 제2 링기어
237 링기어 요홈 240 링기어 디스크
241 제2 중공축 242 일 방향 클러치
300 제2 모터 310 제2 모터 하우징
311 출력축 베어링 320 제2 모터 고정자
321 제2 모터 코어 322 제2 모터 코일
330 제2 모터 회전자 331 영구자석
400 클러치부 410 전자석클러치

Claims

변속부 하우징(210)의 일 측에 구성되어 변속부(200)로 회전력을 공급할 수 있도록 설치된 제1 모터(100);
상기 제1 모터(100)의 회전력을 공급받아 제2 변속기어장치(230)로 회전력을 변속하여 전달하는 제1 변속기어장치(220);
상기 제1 변속기어장치(220)의 회전력을 전달받아 출력축(235)으로 회전력을 내 보내는 상기 제2 변속기어장치(230);
상기 제2 변속기어장치(230)의 회전력을 제어할 수 있도록 설치된 제2 모터(300); 를 포함하여 구성하며,
상기 제1 변속기어장치(220) 및 상기 제2 변속기어장치(230)는 상기 변속부 하우징(210) 내부에 설치되고, 상기 제1 모터(100)의 회전을 상기 제1 변속기어장치(220) 및 상기 제2 변속기어장치(230)를 통하여 상기 출력축(235)으로 출력함과 더불어, 상기 제2 모터(300)에 의하여 상기 제2 변속기어장치(230)의 회전을 제어하여 변속하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 변속기어장치(220)는,
상기 제1 모터(100)의 회전력을 받도록 설치된 제1 선기어(221);
상기 제1 선기어(221)의 외주 면에 치차 결합된 다수의 제1 유성기어(222);
상기 제1 유성기어(222)는 회전 가능한 상태로 제1 유성캐리어(224)에 결합되어 있으며, 상기 제1 유성기어(222) 외주 면에는 제1 링기어(225)를 치차 결합시켜 설치하되, 상기 제1 링기어(225)는 회전하지 않도록 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 변속기어장치(230)는,
상기 제1 변속기어장치(220)의 회전력을 전달받는 제2 선기어(231);
상기 제2 선기어(231)의 외주 면에 치차 결합된 다수의 제2 유성기어(232);
상기 제2 유성기어(232)는 회전 가능한 상태로 제2 유성캐리어(234)에 결합되어 있으며, 상기 제2 유성기어(232) 외주 면에 치차 결합된 제2 링기어(236)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 유성캐리어(234)의 일 측은 출력축(235)으로 형성하며,
상기 제2 링기어(236)는 상기 제2 모터(300)의 회전력을 전달받아 상기 제2 유성기어(232)를 통하여 상기 제2 유성캐리어(234)의 회전을 제어하므로 써 출력축(235) 회전력을 변속하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 링기어(236)와 결합된 링기어 디스크(240)의 제2 중공축(241)에는 일 방향 클러치(242)를 설치하여 역방향 회전을 제한할 수 있도록 하며,
더불어, 상기 제2 변속기어장치(230) 외주 면에 전자석클러치(410)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 5에 있어서,
상기 일 방향 클러치(242) 대신 회전 베어링을 설치하고,
상기 제2 모터(300)의 회전 토크로 상기 제2 변속기어장치(230)의 회전을 제어하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 5에 있어서,
상기 전자석클러치(410) 대신에 다판 클러치를 구성하여, 상기 제2 변속기어장치(230)의 회전을 제어하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
변속부 하우징(210)의 입력 측에 설치되어 변속부(200)로 회전력을 공급할 수 있도록 설치된 제1 모터(100);
상기 제1 모터(100)는 제1 모터 회전자(130)에 결합된 제1 선기어(221)를 통하여 회전력을 제2 변속기어장치(230)로 전달할 수 있도록 구성하고,
상기 제2 변속기어장치(230)는,
상기 제1 모터 회전자(130)에 결합된 상기 제1 선기어(221);
일 측이 출력축(235)으로 형성된 제2 유성캐리어(234);
상기 제2 유성캐리어(234)에 회전 구속된 다수의 제2 유성기어(232);
상기 제2 유성기어(232) 외주 면에 치차 결합되어 있는 제2 링기어(236)로 구성되어 있으며,
상기 제1 선기어(221)는 상기 제1 모터(100)의 회전력에 따라 회전하면서 그 외주 면에 치차 결합된 상기 제2 유성기어(232)에 회전력을 전달하고, 상기 제2 유성기어(232)는 그 내부에 치차 결합된 상기 제1 선기어(221)와, 외주 면에 치차 결합된 상기 제2 링기어(236) 사이에서 자전과 공전을 하므로 써,
상기 제2 유성기어(232)의 공전에 따라 회전을 하는 상기 제2 유성캐리어(234)의 회전력이 상기 출력축(235) 회전력이 되도록 하며,
상기 변속부 하우징(210)에 결합된 제2 모터(300)의 제2 모터 회전자(330)가 상기 제2 링기어(236)에 연결되게 하므로 써, 상기 제2 모터(300)의 회전력에 의하여 상기 제2 링기어(236)의 회전을 제어하여 상기 출력축(235) 토크와 회전수를 조절하여 변속하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 모터(100)의 회전력을 상기 제1 링기어(225)로 입력하고, 상기 제1 변속기어장치(220)의 상기 제1 선기어(221)를 상기 변속부 하우징(210)에 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 변속기어장치(220)는,
유성기어 대신 평 기어(Spur Gear) 또는 헤리컬 기어(Helical Gear)로 구성하되, 상기 제1 모터 회전자(130)의 회전력을 받도록 구동 피니언기어를 구성하고, 상기 구동 피니언기어와 치차 결합하여 피동기어를 설치하며,
상기 피동기어는 상기 제2 변속기어장치(230)의 상기 제2 선기어(321)를 회전시킬 수 있도록 결합하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.
청구항 1, 또는 청구항 8에 있어서,
상기 제1 모터 회전자(130) 및 상기 제2 모터 회전자(330) 내부의 다수의 쌍을 이루는 영구자석(131)(331)은 매립 영구자석 동기식 릴럭턴스 모터(IPM-SynRM) 방식으로 구성하는 것을 특징으로 하는 무단변속 파워트레인.