KR20230084911A - 변속기를 구비한 전기모터 구동 유압시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 유압시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 전기모터의 구동력을 이용하여 유압펌프를 구동시켜 압유를 얻는 유압시스템에 있어서 전기모터와 유압펌프 사이에 변속기를 구비하여 유압시스템의 효율을 극대화한 것에 관한 것이다.
구체적으로, 배터리의 전력에 의해서 구동되는 전기모터로 작동되는 전기 유압시스템에 있어서, 배터리; 상기 배터리로부터 공급되는 전류로 구동되는 전기모터; 상기 전기모터의 회전수를 제어하는 인버터; 및 상기 전기모터의 회전축에 입력단이 직결되는 변속기; 및 상기 변속기의 출력단에 직결되는 유압펌프;로 이루어진 것이다.

Description

변속기를 구비한 전기모터 구동 유압시스템{A MOTOR DRIVEN HYDRAULIC SYSTEM WITH TRANSMISSION}
본 발명은 변속유압시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 전기모터의 구동력을 이용하여 유압펌프를 구동시켜 작동유를 얻는 유압시스템에 있어서 전기모터와 유압펌프 사이에 변속기를 구비하여 유압시스템의 효율을 극대화한 것에 관한 것이다.
일반적으로 굴착기, 특장차 등 중장비에 사용되는 액추에이터들은 유압실린더 또는 유압전기모터로서 유압시스템에 의해서 작동된다. 과거의 유압시스템은 엔진의 출력축에 결합되는 동력취출장치(PTO, power take-off)를 통해서 구동되는 유압펌프로 작동유를 컨트롤밸브에 공급하고, 컨트롤밸브의 개폐조작에 의해서 유압실린더 및 유압전기모터와 같은 복수의 유압액추에이터를 작동시킴으로써 중장비의 작업 목적을 달성하였다. 그러나, 최근의 친환경적인 논의로 인하여 중장비의 유압시스템을 배터리 및 전기모터에 의해서 수행되도록 하는 노력이 진행되고 있다.
즉, 엔진시동을 끄거나 또는 엔진이 없는 상태에서 오직 배터리와 전기모터 모터에 의해서 유압펌프를 구동하여 작동유를 공급하고 작동유에 의해서 작동되는 유압 엑추에이터를 구비하는 유압시스템을 제공하는 것이다.
종래의 일반적인 전기구동 유압시스템은 전기굴삭기를 예를 들어서, 붐, 암, 버켓을 위한 유압실린더가 각각 구비되되 각 유압실린더는 인버터와 메인전기모터에 의해서 구동되는 유압펌프와 그로부터 공급되는 작동유에 의해서 구동되며, 굴삭기의 주행과 회전 등을 위해서는 별도의 인버터와 서브전기모터가 구비되는 것이 일반이다.
다만, 종래의 전기모터를 이용한 중장비 유압시스템은 동시다발적으로 다양한 액추에이터 작업을 수행해야 하는 특성상 충분한 작동유를 공급하도록 전기모터와 배터리를 구비하는 것이 바람직하다.
그렇다보니, 전기유압시스템은 충분한 작동유를 복수의 액추에이터에 공급하기 위해서 대용량의 메인전기모터와 배터리를 장착하게 되지만, 경제성을 감안하면 효율적이지 못하고, 배터리 용량이 무한정 크게할 수 없다보니 쉽게 배터리가 방전되어 버리는 문제가 있다. 본 발명은 상기 등록특허에 더욱 착안하여 이와 별도로 작업의 에너지 효율성을 크게 개선할 수 있는 전기구동 유압시스템을 착안하게 되었다.
선행문헌 : 한국특허공보 10-1855872(2018. 5. 2. 등록)
본 발명은 전기적 에너지의 효율적인 사용이 가능하여 작업의 에너지 효율성을 현저하게 개선하는 전기유압시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 하나의 전기모터 및 하나의 변속기, 그리고 하나 이상의 유압펌프에 의해서 다양한 부하에 대해서 효율적으로 대응할 수 있는 전기유압시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전기유압시스템은 하나의 전기모터, 하나의 변속기, 그리고 하나 이상의 유압펌프를 직렬로 배열함으로써, 다양한 운전구간에서 효과적으로 대응하고 다양한 유압부하에 대해서 효율적으로 대응할 수 있게 된다.
본 발명의 전기유압시스템은 전체적인 시스템의 구성 중에서 전기모터의 용량을 상대적으로 작게 구성할 수 있게 되고, 이로써 배터리 관리에 효율적으로 대응할 수 있게 된다.
본 발명의 전기유압시스템은 유압부하를 감지하고 이에 따라서 전기모터의 회전수 및 변속기의 변속단을 제어하는 것으로서, 초기 기동시에 기동부하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 작동 구간별 자동변속을 통해서 원활한 유압의 공급이 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 중장비에 있어서 일반적인 전기유압시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 전기유압시스템의 일 실시예 개념도
도 3은 본 발명에 따른 전기유압시스템의 다른 실시예 개념도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 배터리의 전력에 의해서 구동되는 전기모터로 작동되는 유압시스템에 관한 것으로서,
외부전력에 의해서 충전이 가능한 배터리(100);
상기 배터리로부터 공급되는 전류로 구동되는 전기모터(200);
상기 전기모터의 회전속도(rpm)를 제어하여 구동력과 회전속도를 변환하기 위한 인버터(210);
상기 전기모터의 회전축에 입력단이 직결되는 변속기(300); 및
상기 변속기의 출력단에 직결되는 유압펌프(400);로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 유압시스템이다.
가정용 소형 전자제품에 사용되는 소형 교류 전기모터는 위상제어방식으로 속도를 조절하는 반면, 산업용 대형 교류 전기모터는 일반적으로 인버터 방식으로 속도를 제어한다. 따라서 본원 발명의 전기모터에는 속도를 제어하기 위한 인버터가 구비된다. 인버터는 배터리의 직류를 원하는 임의의 주파수를 가진 교류로 변환시켜 전기모터에 공급하여 전기모터의 회전속도를 제어한다. 즉, 인버터(I)에서 변환되는 교류의 주파수에 따라서 전기모터의 회전속도가 달라지게 된다.
본 발명은 용이한 설명을 위하여 중장비 중에서 굴착기를 실시예로 하여 설명한다. 다만, 본 발명은 굴착기에만 한정되어 적용되는 것은 아니다. 굴착기는 전기모터의 구동력을 직접 사용하여 일을 하는 장치와 전기모터의 구동력을 유압으로 변경하여 유압액추에이터를 사용하여 일을 하는 장치로 나눌 수 있다. 즉, 굴착기는 전기모터의 구동력을 직접 사용하여 일을 하는 장치는 주행장치일 수 있다. 굴착기의 주행장치는 구체적으로 주행용 전기모터R(Mr), 상기 전기모터R(Mr)의 회전속도를 조절하는 인버터R(Ir)가 구비되며, 전기모터R(Mr)의 출력축에는 선택적으로 감속기R(Dr)가 구비될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 전기 유압시스템은,
변속기의 출력단에 결합되는 유압펌프를 구비하되, 상기 유압펌프로부터 공급되는 작동유를 받아 복수의 유압액추에이터 1~k 에 선택적으로 작동유를 공급 또는 차단하기 위해 유로를 개폐제어하도록 복수개의 밸브를 구비한 메인제어밸브(MCV);와 상기 인버터, 변속기, 그리고 상기 메인제어밸브(MCV)를 제어하는 컨트롤러를 더 구비한다.
바람직하게는, 상기 배터리를 제어 관리하는 배터리관리시스템(BMS)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전기변속 유압시스템은 하나의 전기모터(M)와 상기 전기모터의 출력단에 연결되는 변속기(T)가 구비됨으로써, 기동전류로 인한 소비전력을 최소화할 수 있게 되므로 불필요한 전류소비를 최대한 억제하게 된다.
본 발명의 컨트롤러는 유압부하를 감지하는 감지센서를 구비하되, 유압부하 감지센서의 측정값에 따라서 유압펌프의 용량을 선택적으로 조절할 수 있게 되므로, 효율성이 극대화될 수 있다.
상기 유압펌프는 선택적으로 용량을 조절할 수 있는 가변용량 유압펌프(Pv)일 수 있다. 가변용량 유압펌프(Pv)는 하나의 유압펌프에 의해서 다양한 용량의 작동유를 토출할 수 있다. 컨트롤러는 상기 가변용량 유압펌프의 용량을 유압부하에 따라서 제어하도록 한다.
또는, 본 발명은 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 유압펌프는 용량이 다른 복수개의 유압펌프(P1 ~ Pn)가 병렬로 구비될 수 있다. 즉, 상기 n은 2이상의 정수로 한다. 복수개의 유압펌프는 상기 변속기의 출력단과 결합되되, 사이에 클러치가 구비됨으로써, 변속기의 출력단과 상기 유압펌프들 중 어느 하나의 입력단이 선택적으로 연결되어 작동될 수 있다. 상기 유압펌프들의 입력단은 변속기의 출력단은 상기 클러치에 의해서 결합되되, 전자적으로 제어되는 클러치(C)인 것이 바람직하고, 상기 유압펌프들의 입력단은 병렬로 배치되되, 상기 클러치에 의해서 상기 변속기의 출력단에 선택적으로 결합된다.
본 발명에 따른 전기 유압시스템의 일 실시예를 설명한다. 본 발명의 유압시스템은 하나 이상의 유압액추에이터로부터 30L/min 의 작동유가 요구되는 경우, 먼저 전기모터에 의해서 소용량(2cc/rpm)의 유압펌프 1를 4000rpm으로 구동하여 8L/min로 작동유를 공급하여 일정 유압을 유지한다. 그리고 추가적인 작동유 유량이 요구되는 경우, 유압펌프 1 대신 유압펌프 2가 선택되고, 그보다 큰 작동유 유량이 요구되는 경우, 유압펌프 3이 또는 유압펌프 4가 선택되어 변속기의 출력단에 결합되도록 한다. 또는 복수의 유압펌프 대신에 가변용량 유압펌프를 이용하여 하나의 유압펌프에 의해서 용량을 조절할 수 있도록 한다. 따라서 본 발명의 유압시스템은 전기모터와 유압펌프 사이에 변속기를 구비하게되므로, 하나의 전기모터만으로도 다양한 출력을 얻을 수 있고 이와 함께 다양한 용량의 유압펌프를 구동할 수 있게 되고 다양한 유압부하에 대응하는 작동유를 얻을 수 있게 된다.
통상적으로 유압시스템은 최소의 일정 유압을 유지할 필요가 있다. 예로서, ①전기모터를 4000 rpm 으로 아이들링 구동할 경우, 변속기는 저속단에서 유압펌프 1에 결합되고 저유량 고압의 작동유를 위하여 유압펌프 1은 8L/min 로 작동유를 지속적으로 공급하여 일정유압을 유지할 수 있으며, 고유량 고압의 작동유가 필요로 하게 되면, ②변속기는 저속단에서 고용량(8cc/rpm) 고압의 유압펌프 4에 연결되며 1250 rpm 으로 구동하여 유압펌프 4는 30L/min 로 고압 고용량으로 작동유를 공급할 수 있게 된다.
본원 발명과 같이, 하나의 전기모터와 변속기의 출력단에 연속하여 유압펌프를 구성하되, 선택적으로 서로 다른 용량의 유압펌프를 구동하게 되면, 폭넓은 용량 범위를 가지는 복수개의 유압펌프를 사용하는 것이 가능하게 되고, 특히 다른 종류의 유압펌프를 선택하는 것도 가능하게 된다. 더욱이 변속기를 이용하여 유압펌프를 직결하게 되면, 전기모터의 소비전력을 줄일 수 있는데, 특히 전기모터의 기동전력을 현저하게 줄일 수 있게 된다. 전기모터의 소비전력은 초반의 기동전력에 의해서 급증하다가 점차적으로 떨어지는 경향을 가지고 있다. 이러한 기동전력은 용량이 큰 전기모터를 사용하는 경우 온오프에 따른 기동전력은 더욱 커진다. 따라서 큰 전기모터일수록 오프시키지 않고 항상 작동되도록 해야 한다. 이때 전기모터의 구동력을 복수의 유압펌프에 선택적으로 결합시켜주는 클러치와 사이에 개재되는 변속기로 인해서 동일한 용량의 작동유를 토출하는데 사용되는 펌프를 선택함에 있어서 구동순서에 따라서 소비전력의 차이를 발생하는 것을 보여준다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 제어부, B : 배터리
L1~Ln : 배출관, L100 : 공급관,
M : 전기모터, I : 인버터, T : 변속기, C : 클러치
P1~Pn : 유압펌프, Pv : 가변용량펌프
V1~vj : 제어밸브
A1~Ak : 유압액추에이터,

Claims (3)

  1. 배터리의 전력에 의해서 구동되는 전기모터로 작동되는 유압시스템에 있어서,
    배터리;
    상기 배터리로부터 공급되는 전류로 구동되는 전기모터;
    상기 전기모터의 회전수를 제어하는 인버터;
    상기 전기모터의 회전축에 입력단이 직결되는 변속기; 및
    상기 변속기의 출력단에 직결되는 유압펌프;로 이루어진 것을 특징으로 하는 변속기를 구비한 전기모터 구동 유압시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유압펌프는 가변용량 유압펌프인 것을 특징으로 하는 변속기를 구비한 전기모터 구동 유압시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유압펌프는 용량이 다른 복수개의 유압펌프가 병렬로 구비되되, 상기 변속기와 상기 복수의 유압펌프 사이에 클러치가 구비됨으로써, 변속기의 출력단과 상기 유압펌프들 중 어느 하나의 입력단이 선택적으로 연결되어 작동되는 것을 특징으로 하는 변속기를 구비한 전기모터 구동 유압시스템.
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