KR20240053147A - 무인운반차용 인휠 구동모듈 - Google Patents

Abstract

인휠 타입의 구동모듈이 소개된다. 구동모듈은 중앙홀을 갖는 휠; 중앙홀에 설치되며, 일단에 모터를 장착하고 타단에 토크 전달체를 장착하기 위한 휠하우징; 및 토크 전달체에서 출력되는 모터의 토크를 휠에 전달하는 제1 휠커버를 포함한다. 제1 휠커버의 일측은 토크 전달체에 결합되고 타측은 휠에 결합된다.

Description

무인운반차용 인휠 구동모듈{In-Wheel Drive Module For Automated Guided Vehicles}

본 발명은 인휠 구동모듈, 특히 무인운반차(Automated Guided Vehicle: AGV)에 사용되는 인휠 구동모듈에 관한 것이다.

전기차에서 모터가 기존 내연기관차의 엔진 역할을 수행한다. 전기차의 구동시스템은 모터가 차축에 연결되고 차축에 연결된 2개의 휠이 함께 구동되는 인라인(In-line) 방식, 그리고 각 휠에 모터가 장착되고 모터에 의해 휠이 구동되는 인휠(In-wheel) 방식으로 분류될 수 있다.

인휠 방식은 모터에서 휠로의 동력 전달 경로 및 구조가 간단하여, 에너지 손실이 적고 소형화 및 경량화가 가능한 잇점이 있다. 인휠 방식은 시스템의 설계 및 안정성 측면에서 난이도가 높아, 자동차에 적용된 예가 거의 없다. 무인운반차의 경우, 인휠 방식 채용의 잇점이 크다.

한국특허공개 제2022-0063625호에 인휠 구동시스템이 소개되어 있다. 구동시스템은 모터, 감속기 및 휠로 구성된다. 휠은 무인운반차의 바디에 연결되는 하우징 내측에 설치되고, 모터는 하우징의 외측에 별도 설치된다. 휠 내에 감속기가 설치되고, 모터의 구동력은 감속기를 통해 휠로 전달된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한다. 본 발명은 소형으로 컴팩트하게 제작 가능한 인휠 구동모듈을 제공하고자 한다.

휠과 별도로 설치된 모터는 이송체, 예로서 무인운반차의 설계에 있어 공간활용을 제한한다. 보다 컴팩트한 구동모듈의 설계가 요구된다. 본 발명은 종래보다 개선된 인휠 구동모듈을 제공하고자 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.

위 목적들은 청구범위에 기재된 발명들, 구성들에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 인휠 구동모듈은 특징적으로 중앙홀을 갖는 휠; 중앙홀에 설치되며, 일단에 마련된 제1 안착홈 및 타단에 마련된 제2 안착홈을 갖는 휠하우징; 휠하우징의 제1 안착홈에 장착된 모터; 휠하우징의 제2 안착홈에 장착되며, 모터로부터의 토크를 전달하는 토크 전달체; 및 토크 전달체를 덮으며, 토크 전달체에서 출력되는 토크를 휠에 전달하는 제1 휠커버를 포함한다. 토크 전달체와 모터는 휠의 회전 중심축 선상에 배열된다.

일실시예에 의하면, 상기 모터는 방사방향 안쪽의 로터 및 로터 둘레에 배치된 스테이터를 구비하며, 토크 전달체는, 로터의 축 선상에 회전중심이 놓이며 로터로부터 선기어를 통해 토크를 전달받는 감속기이다.

일실시예에 의하면, 상기 선기어는 로터의 일단에 일체로 형성된다.

일실시예에 의하면, 상기 로터의 일단이 토크 전달체에 연결되며, 로터의 타단에 로터의 회전을 감지하기 위한 엔코더가 근접 설치되고, 엔코더는 로터의 축 선상에서 놓인다.

일실시예에 의하면, 인휠 구동모듈은 상기 제1 휠커버의 반대편 측에 배치되어 휠하우징을 구속하며, 중앙에 큰 홀이 마련된 제2 휠커버; 및 큰 홀을 통해 휠하우징과 결합된 모터커버를 더 포함한다. 인휠 구동모듈은 모터커버를 이용하여 무인운반차의 바디에 조립될 수 있도록 구성된다.

일실시예에 의하면, 상기 모터커버는 제2 안착홈을 덮는 디스크; 디스크의 일면에 돌출된 크라운; 및 디스크의 타면에 크라운 측으로 형성된 캐비티를 포함한다.

일실시예에 의하면, 인휠 구동모듈은 상기 무인운반차의 바디에 연결하기 위한 레그 프레임을 더 포함한다.

일실시에에 의하면, 상기 레그 프레임은 어퍼 파트; 및 어퍼 파트에 회전 가능하게 연결된 수평 탑 및 수직의 휠마운트를 갖는 로어 파트를 포함한다. 마운트에 마운팅홀이 마련되고, 마운팅홀에 모터커버의 크라운이 끼워지고, 마운트에 디스크가 결합된다.

본 발명에 의한 인휠 구동모듈은 컴팩트하게 구성되어 소형으로 제작될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 인휠 구동모듈은 진동 및 소음 발생이 적을 수 있고, 나아가 정밀하고 신속한 모터 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 구동모듈의 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 인휠 구동모듈의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 인휠 구동모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 인휠 구동모듈의 단면도이다.

이하 본 발명의 여 러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.

본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.

도 1 내지 도 4는 일실시예에 따른 인휠 구동모듈의 여러 뷰들을 보여준다. 인휠 구동모듈은 이송체의 바디에 연결 설치되며, 하나의 모듈로서 운반체에 착탈 가능하도록 구성된다. 일실시예에 의하면 인휠 구동모듈은 무인운반차에 적용된다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 인휠 구동모듈은 이송체의 레그 프레임(1) 내측에 설치된다. 인휠 구동모듈은 휠(10), 휠(10) 내에 배치된 휠하우징(20), 및 휠하우징(20)의 양 사이드에 마련된 휠커버(50,60)를 구비한다. 휠하우징(20) 내에 모터(30)와 토크 전달체가 설치된다. 실시예에 의하면 토크 전달체는 유성기어 감속기(40)이며, 모터(30)와 감속기(40)는 휠(10)의 회전 중심축 선상에 놓인다. 모터(30)의 구동력은 모터(30)에 축 연결된 감속기(40)를 통해 휠(10)로 높은 토크로 전달된다. 감속기(40)와 휠(10)은 휠커버(50)에 의해 연결된다.

레그 프레임(1)은 어퍼 파트(2)와 로어 파트(3)를 구비한다. 어퍼 파트(2)는 이송체의 바디에 고정되며, 로어 파트(3)는 어퍼 파트(2)에 축 연결되어 회전 가능하다. 휠(10)의 조향을 위한 작은 모터가 어퍼 파트(2)에 설치될 수 있다. 로어 파트(3)는 어퍼 파트(2)에 연결되는 상부의 수평 탑(4) 및 수직의 휠마운트(5)를 구비한다. 휠마운트(5)에는 마운팅홀(6)이 구비되며, 휠마운트(5)의 내측에 인휠 구동모듈이 설치된다.

인휠 구동모듈의 휠(10)은 캐스터(11) 및 캐스터(11) 내측의 중공의 코어(12)를 갖는다.

캐스터(11)는 예로서 충격 흡수 및 소음 저감을 위해 탄성을 갖는 고분자화합물로 제작된다. 바람직하게는 캐스터(11)는 내마모성 및 반발 탄성이 우수한 폴리우레탄으로 제작된다. 캐스터(11)의 접지면은 매끄러운 표면을 갖거나 또는 패턴을 가질 수 있다.

코어(12)는 중앙홀(14)을 가지며 드럼 형태로 형성되어 캐스터(11)를 방사방향으로 지지한다. 코어(12)는 고하중을 지지할 수 있도록 강성 재질, 예로서 알루미늄, 스틸 등의 금속으로 제작되며, 측면 림에는 원주방향을 따라 볼팅 체결을 위한 홀(13)이 형성되어 있다. 코어(12)의 내주면, 즉 휠하우징(20)이 밀착되는 면에는 원주방향을 따라 베어링 안착면(15)이 형성된다. 베어링 안착면(15)은 코어(12)의 폭방향 양측에 마련된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 휠하우징(20)은 코어(12)의 중앙홀(14)에 내에 설치된다. 휠하우징(20)은 폭방향 일단(도 3 및 도 4에서 오른쪽)의 제1 안착홈(22) 및 타단(도 3 및 도 4에서 왼쪽)의 제2 안착홈(23)을 구비한다. 휠(10)의 회전 중심에 중앙홀(14)의 중심이 놓이며, 제1 안착홈(22)과 제2 안착홈(23)은 휠(10)의 회전 중심 선상에 놓인다. 제1 안착홈(22)과 제2 안착홈(23)의 사이에 격벽(24)이 마련되며, 격벽(24)에는 제1 안착홈(22)과 제2 안착홈(23)을 연결하는 통로(25)가 마련된다. 격벽(24)은 제1 안착홈(22)과 제2 안착홈(23)에 각각의 부품이 안착되어 위치 고정될 수 있도록 하기 위한 것으로, 리브, 리테이너 등 기타 구조를 포함하는 개념으로 이해될 필요가 있다. 휠하우징(20)과 코어(12)의 베어링 안착면(15) 사이에 휠 베어링(21a,21b: 21)이 개재된다.

휠하우징(20)의 제1 안착홈(22)에 휠(10)의 구동을 위한 모터(30)가 설치된다. 통상 전기차의 구동에 교류모터가 사용된다. 이 실시예에 의하면, 기동 토크가 크고 제어가 간단하며 소형으로 제작 가능한 직류모터, 예로서 BLDC(blushless direct current) 모터가 사용된다.

모터(30)는 프레임 없이, 코일이 감긴 스테이터(31)와 영구자석이 장착된 로터(32)로 간단히 구성된다. 스테이터(31)는 방사방향 바깥쪽에 배치되며, 로터(32)는 방사방향 내측에 배치된다. 스테이터(31)에 전류가 공급되면, 로터(32)가 회전한다.

로터(32)의 일측(도 3 및 도 4에서 왼쪽)에는 제1 모터 베어링(33)이 마련되며, 타측(도 3 및 도 4에서 오른쪽)의에는 제2 모터 베어링(34)이 마련된다. 제1 및 제2 모터 베어링(33,34)은 로터(32)가 스테이터(31)와 이격되어 안정적으로 회전할 수 있도록 한다. 제1 모터 베어링(33)은 제2 안착홈(23) 내에서 휠하우징(20)과 로터(32) 사이에 배치되며, 제2 모터 베어링(34)는 후술되는 모터커버(70)와 로터(32) 사이에 개재된다.

모터커버(70)는 휠하우징(20)의 제1 안착홈(22)을 덮는다. 모터커버(70)는 원반형의 디스크(71) 및 외측으로 돌출된 크라운(72)을 구비한다. 모터커버(70)의 중앙에는 크라운(72) 측으로 형성된 캐비티(74)가 마련되며, 캐비티(74)의 둘레를 따라 돌출된 원형의 리브(73)가 마련된다. 제2 모터 베어링(34)은 캐비티(74) 내에서 로터(32)와 모터커버(70) 사이에 개재된다. 실시예에 의하면, 제2 모터 베어링(34)은 리브(73)의 내주면에 배치된다.

모터커버(70)는 모터(30)가 제1 안착홈(22)에 위치 고정될 수 있도록 휠하우징(20)에 볼팅 고정된다. 디스크(71)에는 휠하우징(20)에 볼팅 고정하기 위한 제1 체결홀(75)이 마련된다.

모터커버(70)는 휠마운트(5)에 고정된다. 휠마운트(5)의 마운팅홀(6)에 모터커버(70)의 크라운(72)이 끼워지며, 휠마운트(5)로부터 삽입된 패스터(7)에 의해 모터커버(70)가 휠마운트(5)에 고정된다. 모터커버(70)의 디스크(71)에는 패스터(7)가 삽입되는 제2 체결홀(75)이 마련된다. 모터커버(70)는 휠(10)을 레그 프레임(1)에 장착하기 위한 요소로서, 보다 구체적으로는 모터(30)에 의해 회전하지 않는 휠하우징(30)을 레그 프레임(1)에 고정한다.

휠하우징(20)의 제2 안착홈(23)에 감속기(40)가 설치된다. 감속기(40)는 유성기어 감속기로서, 예로서 선기어(41), 선기어(41)에 치합된 위성기어(42,44), 위성기어(42,44)와 치합된 링기어(미도시) 및 캐리어(43,45)를 구비한다. 모터(30)의 로터(32)는 통로(25)를 통해 선기어(41)의 일단에 맞물린다. 선기어(41)의 타단은 위성기어(42,44)에 치합된다. 로터(32)의 회전력은 선기어(41)를 통해 감속기(40) 내로 전달되고, 캐리어(45)를 통해 출력된다. 감속기(40)는 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다.

휠하우징(20)은 모터(30)와 감속기(40)가 동일 축선상에 정렬되어, 휠(10) 내에 컴팩트하게 설치될 수 있도록 한다. 휠(10)의 회전 중심에 로터(32)가 배치되며, 로터(32)의 회전축 선상에 감속기(40)의 회전 중심이 위치된다. 이 실시예에 의하면, 모터(30)의 회전력이 감속기(40) 온전히 전달될 수 있으며, 휠(10)이 높은 토크로 빠르게 구동되더라도 소음이나 진동의 발생이 적다. 이 실시예에 따른 인휠 구동모듈은 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능이 우수하다.

일실시예에 의하면, 선기어(41)는 로터(32)와 일체로 구성된다. 예로서 분말금속의 압축 성형 및 소결을 통해 선기어(41)를 갖는 로터(32)가 제조될 수 있다. 모터(30)의 회전력이 그대로 감속기(40)에 전달되도록 하기 위해서는 로터(32)와 선기어(41) 간의 축 정렬 및 서로 간의 긴밀한 치합이 요구된다. 로터(32)와 일체로 구성된 선기어(41)는 이러한 요구에 부합하며, 인휠 구동모듈의 제조 비용 및 조립 공수의 저감 잇점을 제공한다.

캐리어(43,45)는 감속기(40)의 회전 중심, 즉 선기어(41)의 회전축으로부터 각 위성기어(42,44)의 회전축 간 거리가 동일하게 유지될 수 있도록 한다. 고부하, 고신뢰성, 저소음이 요구되는 경우 감속기(40)에 캐리어(43,45)가 사용된다. 다른 예로서, 감속기(40)는 캐리어(43,45) 없이 구성될 수 있다.

일실시예에 의하면, 감속기(40)는 높은 토크의 출력 및 소음 저감을 위해 2단으로 구성된다. 선기어(41)의 타단에 기어비가 서로 다른 제1 선기어 및 제2 선기어가 마련된다. 위성기어(42,44)는 제1 위성기어(42)와 제2 위성기어(44)를 구비한다. 제1 선기어는 제1 위성기어(42)에 맞물리며, 제2 선기어는 제2 위성기어(44)에 맞물린다. 링기어는 제1 위성기어(42)가 맞물리는 제1 링기어 및 제2 위성기어(44)가 맞물리는 제2 링기어를 구비한다. 캐리어(43,45)는 제1 위성기어(42)를 지지하는 제1 캐리어(43) 및 제2 위성기어(44)를 지지하는 제2 캐리어(45)를 구비한다. 로터(32)의 회전력은 선기어(41)를 통해 감속기(40) 내로 입력되어, 제2 캐리어(45)에서 출력된다.

휠커버(50,60)는 제1 휠커버(50)와 제2 휠커버(60)를 구비한다. 제1 휠커버(50)와 제2 휠커버(60) 중 적어도 어느 하나는 휠(10)과 일체로 형성될 수 있다. 이 실시예에 의하면, 휠커버(50,60)는 휠(10)과는 별도로 제작되며, 체결부재를 이용하여 휠(10)에 견고히 결합된다.

도 1 및 도 4에서 보기에, 제1 휠커버(50)는 휠(10)의 좌측에서 코어(12)의 측면 림에 볼팅 고정되며, 제2 휠커버(60)는 휠(10)의 우측에서 코어(12)의 측면 림에 볼팅 고정된다. 제1 휠커버(50) 및 제2 휠커버(60)에는 각각 코어(12)에 볼팅 고정하기 위한 제1 볼팅홀(51,61)이 마련된다. 코어(12)의 양 측면 림에는 제1 휠커버(50) 및 제2 휠커버(60)를 볼팅 고정하기 위한 홀(13)이 각각 마련된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 휠커버(50)는 휠하우징(20)의 제2 안착홈(23)을 덮으며, 감속기(40)의 제2 캐리어(45)와 볼팅 고정된다. 제1 휠커버(50)에는 제2 캐리어(45)와의 볼팅 체결을 위한 제2 볼팅홀(52)이 마련되며, 제2 캐리어(45)에는 제2 볼팅홀(52)에 대응하는 고정홀(46)이 마련된다. 선기어(41)로부터 입력된 모터(30)의 회전력은 제2 캐리어(45)에서 높은 토크로 출력되어 제1 휠커버(50)로 전달된다. 제1 휠커버(50)는 코어(12)에 고정되어 있다. 모터(30)에 의해 제2 캐리어(45)가 회전하면 휠(10)이 회전한다.

제2 휠커버(60)는 중앙에 큰 홀(62)을 갖는다. 큰 홀(62)을 통해 모터커버(70)가 휠하우징(20)과 조립된다. 제2 휠커버(60)는 코어(12)의 측면 림을 덮으며, 휠(10)의 좌우 무게 밸런스를 조절한다. 또한 제2 휠커버(60)는 휠하우징(20)이 중앙홀(14)에 위치 고정되어 밖으로 빠져 나오지 않도록 구속한다. 도 4에서 보듯이, 제2 휠커버(60)는 휠하우징(20)의 방사방향 바깥쪽 테두리를 구속하며, 모터커버(71)는 휠하우징(20)의 방사방향 테두리를 구속한다. 제1 휠커버(50) 또한 휠하우징(20)이 중앙홀(14)에 위치 고정되어 밖으로 빠져 나오지 않도록 구속한다.

인휠 구동모듈은 대략 모터(30)의 구동력에 의해 회전하는 회전체 및 레그 프레임(1)에 고정되는 고정체로 구성된다. 대표적으로 제1, 제2 휠커버(50,60) 및 휠(10)은 회전체이며, 휠하우징(20) 및 모터커버(70)는 고정체이다. 모터(30)는 휠하우징(20)의 제1 안착홈(22) 내에 고정되며, 감속기(40)는 제2 안착홈(23) 내에 고정된다.

모터커버(70)의 캐비티(74) 내에 모터(30)의 회전수, 속도 및 회전방향 등 모터(30)의 모션을 감지하기 위한 엔코더(9)가 설치된다. 엔코더(9)는 로터(32)의 회전축 선상에 배치되며, 엔코더(9)와 마주하는 로터(32)의 타단에는 마그넷이 설치된다. 엔코더(9)가 마그넷에 근접하여 로터(32)의 회전축 선상에 배치되므로, 로터(32)의 모션 감지 및 제어가 신속 정밀할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.

보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.

1: 레그 프레임 9: 엔코더
10: 휠 11: 캐스터
12: 휠코어 20: 휠하우징
30: 모터 31: 스테이터
32: 로터 40: 감속기
41: 선기어 43,45: 캐리어
50,60: 휠커버 70: 모터커버

Claims (6)

1. 중앙홀을 갖는 휠;
   상기 중앙홀에 설치되며, 일단에 마련된 제1 안착홈 및 타단에 마련된 제2 안착홈을 갖는 휠하우징;
   상기 휠하우징의 제1 안착홈에 장착된 모터;
   상기 휠하우징의 제2 안착홈에 장착되며, 모터로부터의 토크를 전달하는 토크 전달체, 토크 전달체와 모터는 휠의 회전 중심축 선상에 배열됨; 및
   상기 토크 전달체를 덮으며, 토크 전달체에서 출력되는 토크를 휠에 전달하는 제1 휠커버를 포함하는 무인운반차용 인휠 구동모듈.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 방사방향 안쪽의 로터 및 로터 둘레에 배치된 스테이터를 구비하며,
   상기 토크 전달체는, 로터의 축 선상에 회전중심이 놓이며 로터로부터 선기어를 통해 토크를 전달받는 감속기이며,
   상기 선기어는 로터의 일단에 일체로 형성된 무인운반차용 인휠 구동모듈.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 방사방향 안쪽의 로터 및 로터 둘레에 배치된 스테이터를 구비하며,
   상기 로터의 일단이 토크 전달체에 연결되며, 로터의 타단에 로터의 회전을 감지하기 위한 엔코더가 근접 설치되고, 엔코더는 로터의 축 선상에서 놓인 무인운반차용 인휠 구동모듈.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 휠커버의 반대편 측에 배치되어 휠하우징을 구속하며, 중앙에 큰 홀이 마련된 제2 휠커버; 및
   상기 큰 홀을 통해 휠하우징과 결합된 모터커버를 더 포함하고,
   상기 모터커버를 이용하여 무인운반차의 바디에 조립될 수 있도록 구성된 무인운반차용 인휠 구동모듈.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 모터커버는,
   상기 제2 안착홈을 덮는 디스크;
   상기 디스크의 일면에 돌출된 크라운; 및
   상기 디스크의 타면에 크라운 측으로 형성된 캐비티를 포함하는 무인운반차용 인휠 구동모듈.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 무인운반차의 바디에 연결하기 위한 레그 프레임을 더 포함하며, 레그 프레임은,
   어퍼 파트; 및
   상기 어퍼 파트에 회전 가능하게 연결된 수평 탑 및 수직의 휠마운트를 갖는 로어 파트를 포함하며,
   상기 마운트에 마운팅홀이 마련되고,
   상기 마운팅홀에 모터커버의 크라운이 끼워지고, 마운트에 디스크가 결합된 무인운반차용 인휠 구동모듈.