WO2014051288A1 - 다단 모터 - Google Patents

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WO2014051288A1
WO2014051288A1 PCT/KR2013/008382 KR2013008382W WO2014051288A1 WO 2014051288 A1 WO2014051288 A1 WO 2014051288A1 KR 2013008382 W KR2013008382 W KR 2013008382W WO 2014051288 A1 WO2014051288 A1 WO 2014051288A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
shaft
rotor
magnetic force
motor
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/008382
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
유동식
Original Assignee
Yoo Dong Sik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yoo Dong Sik filed Critical Yoo Dong Sik
Publication of WO2014051288A1 publication Critical patent/WO2014051288A1/ko

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

Definitions

  • the present invention relates to a multi-stage motor, and more specifically, it is possible to increase or decrease high speed, low speed, and rotational force to efficiently use current, and to form small, medium, large, etc. through the number of auxiliary motors.
  • the present invention relates to a multi-stage motor which can be used not only in the automobile field but also in various industrial applications.
  • the motor structure used so far is limited in the amount of energy generated through the problem that the opposite area between the rotor and the stator is limited to only one side of each other, so that a small volume is inevitably generated due to the small volume of the motor.
  • the opposing area between the stator and the rotor was increased to increase the size of the motor.
  • such a large-sized motor causes an increase in production cost, and it is impossible to accommodate a large motor in a narrow space, so the minimization of a motor with a large force is in urgent reality.
  • the present invention is to fundamentally solve the conventional problems as described above, it is possible to increase or decrease the high speed, low speed and rotational force to efficiently use the current, and through the number of auxiliary motors small, medium, large
  • the purpose of the present invention is to provide a multi-stage motor that can be used in various industrial applications as well as the automotive field.
  • the present invention is directed to a motor mounted on a shaft of a body to generate power;
  • a magnetic force unit having a stator coil fixed inside the housing and the body of the fuselage and having a rotor interposed between the stator coil and a magnet rotatably;
  • a main drive unit which is integrally coupled with the rotor via a magnet of the magnetic force unit, and which receives a rotational force from the magnetic force unit to rotate the shaft;
  • a plurality of auxiliary driving parts formed to receive the shaft at the rear of the main driving part and having a planetary gear assembly inserted into a rotor center of the magnetic part to selectively increase the rotational force on the shaft through rotational force;
  • And after calculating and processing the rotational direction, the rotational speed, and the magnetic pole position of the magnetic force unit calculates an output value on the main driver and the auxiliary driver, and applies a current to the magnetic part, but is installed in close proximity to the main driver and the auxiliary driver.
  • the signal processed by the arithmetic processing unit sequentially transmits the pulse signal generated from the PWM generator to the ECU, and sends the command value from the ECU to the PCU formed by the DC / DC converter and inverter. And a controller for supplying current to the main driver and the auxiliary driver.
  • the main driving unit and the auxiliary driving unit is characterized in that it further comprises a cooling pipe to cool the heat generated by the rotational force therein.
  • the auxiliary driving unit is characterized in that the selective drive is possible by individually turning on, off the IGBT through the ECU of the controller.
  • the planetary gear assembly may include a sun gear integrally rotating on the shaft, a plurality of planetary gears rotating in engagement with the sun gear, and a ring gear rotating in engagement with the planetary gears to transmit power on the shaft. It is done.
  • the planetary gear assembly stops the rotation of the planetary gear by rotating the rotor to which the rotational force is applied from the magnetic force portion to increase the rotational force by rotating the sun gear in the same direction as the shaft, and by stopping the rotor of the power cut off from the magnetic force portion
  • the planetary gear is characterized by blocking the rotational force from the shaft by idling with the sun gear on the ring gear.
  • the control unit includes an encoder on the rotor of the main drive unit and the planetary gear assembly of the auxiliary drive unit, and is fixed on the housing of the fuselage to detect the rotational direction, the rotational speed, and the magnetic pole position of the magnetic force from the encoder.
  • a signal processing unit including a detection sensor, a vehicle speed sensor, and a battery controller, and an arithmetic processing unit for arithmetic processing of signals detected from an encoder detector, a current sensing sensor, and a vehicle speed sensor, and a PWM generator for converting the arithmetic processing signals into pulse signals.
  • an ECU for generating an output signal according to the pulse signal generated by the signal processing unit, and generating a three-phase alternating current by the signal of the ECU and sending it to the main driver and the auxiliary driver to generate and transmit a low voltage.
  • the ECU of the control unit generates an output signal according to the pulse signal of the signal processing unit, a power supply and shutdown signal through a key, a drive signal of the output generation unit, a stop signal of the output blocking unit, and a transmission lever. Characterized in that the output signal is generated by the forward rotation, reverse rotation signal.
  • the control unit may alternatively use one of a battery or an external power source for power supply, and the battery may be charged using an external power source.
  • the multi-stage motor is characterized in that it can be utilized on a synchronous motor or an induction motor.
  • the present invention can increase or decrease the high speed, the low speed, and the rotational force so that the current can be used efficiently, and the number of auxiliary motors can be formed into small, medium, large, etc. It offers effects that can be used in a variety of industrial applications as well as the automotive sector.
  • FIG. 1A and 1D are side and cross-sectional views showing a multi-stage motor according to the present invention.
  • FIG. 2a and 2b is a perspective view showing a planetary gear assembly of a multi-stage motor according to the present invention
  • FIG. 3 is a front view and a perspective view showing a shaft of a multi-stage motor according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a cooling pipe of a multi-stage motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the interior of the auxiliary drive unit of the multi-stage motor according to the present invention.
  • 6a to 6c are a perspective view and a cross-sectional view showing a planetary gear assembly of a multi-stage motor according to the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram showing a control unit of a multi-stage motor according to the present invention.
  • Figure 1a and 1d is a side view and a cross-sectional view showing a multi-stage motor according to the present invention
  • Figures 2a and 2b is a perspective view showing a planetary gear assembly of a multi-stage motor according to the present invention
  • Figure 3 is a shaft of the multi-stage motor according to the present invention It is a front view and a perspective view shown.
  • the present invention relates to a multi-stage motor, wherein the magnetic force unit 10, the main drive unit 20, the auxiliary drive unit 30a (30b) 30c, the control unit 40 as a component.
  • the magnetic force unit 10 includes a housing H of the body 1 and a stator coil 11 fixed therein, and interposed between the magnet 12 so as to be rotatable from the stator coil 11.
  • the rotor 13 is provided.
  • the body 1 accommodates the magnetic force part 10, the main drive part 20, and the auxiliary drive parts 30a, 30b, and 30c which will be described later through a plurality of space parts, so that the main drive part 20 and the auxiliary drive part 30a ( 30b) 30c is comprised so that each may be arrange
  • the magnetic force portion 10 accommodated on the body 1 includes a stator coil 11.
  • the stator coil 11 is integrally fixed to the inside of the housing H to be described later.
  • the stator coil 11 as a stator rotates the rotor 13 accommodating a plurality of magnets 12 therein so as to rotate the shaft S formed at the center of the body 1.
  • the unexplained symbol S ' is a nut part formed at the front end of the shaft S so as to utilize the rotational force of the shaft S in any device, and the shaft S is provided with a key but the key groove is formed. It is fixed to the rotor 13 of the main drive unit 20 to be described later, and is fixed to mesh with the sun gear 31 of the auxiliary drive unit 30a, 30b, 30c is configured to rotate with the shaft (S). .
  • the front part of the shaft (S) is provided with a projection jaw (S ") to prevent the rotor 13 of the main drive unit 20 to be pushed forward on the shaft (S), the main drive unit 20 of The hub ring 58 is installed between the rotor 13 and the bracket 2, and the hub ring 58 is installed between the bracket 2 and the auxiliary driving units 30a, 30b and 30c, respectively.
  • the driving unit 20 and the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c are prevented from being pushed left and right on the shaft S and are fixed in position by maintaining the gap.
  • the housing (H) of the main drive unit 20 and the auxiliary drive unit (30a) (30b) (30c) is provided with a wiring hole 6 to connect the wiring, the cooling pipe hole 7 and the encoder detector 42 Connect hole is provided to connect the connect line, and the main driving unit 20 and the auxiliary driving unit 30a, 30b, 30c and the bracket (2), the front cover (3) and the rear cover (4) by connecting
  • a bolt hole 5 is provided to fix it.
  • a front cover 3 of the front end portion of the housing H is provided with a bolt hole 5 so as to attach an external device.
  • a rear end portion of the rear cover 4 is provided.
  • the fixing ring 8 supports the stator coil 11 and the cooling pipe P to prevent flow.
  • the main drive unit 20 is integrally coupled with the rotor 13 via the magnet 12 of the magnetic force unit 10, and receives the rotational force from the magnetic force unit 10 shaft (S) Rotate).
  • the main driving unit 20 is configured to basically rotate the shaft S for the first time, when a current is generated on the stator coil 11 of the magnetic force unit 10 described above, on the space inside the stator coil 11 that is the stator.
  • the corresponding rotor 13 is rotated by magnetic force. Therefore, as the corresponding rotor 13 is rotated about the stator coil 11, the shaft S fixed to the rotor 13 also rotates together.
  • the auxiliary drive unit 30a, 30b, 30c is formed by receiving the shaft (S) in the rear of the main drive unit 20, in the center of the rotor 13 of the magnetic force unit 10 It is provided with a planetary gear assembly 35 that is inserted into the shaft (S) to selectively increase the rotational force through the rotational force.
  • the auxiliary drive unit 30a, 30b, 30c is the shaft (S) when the main drive unit 20 rotates the shaft (S).
  • the auxiliary driving units 30a, 30b and 30c are continuously installed on the shaft S accommodated in the main driving unit 20 and rotated. Can be installed by adjusting.
  • the auxiliary driving units 30a, 30b and 30c are different from the main driving unit 20 when the current is generated on the stator coil 11 of the magnetic force unit 10 described above.
  • the rotor 13 corresponding to the space rotates by magnetic force, and the planetary gear assembly 35 described later is inserted into the center space of the rotor 13 accommodating the magnet 12.
  • the configuration of the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c will be described in detail later.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a cooling pipe of a multi-stage motor according to an embodiment of the present invention.
  • the main driving unit 20 and the auxiliary driving unit (30a, 30b, 30c) is characterized in that it further comprises a cooling pipe (P) to cool the heat generated by the rotational force therein.
  • the cooling pipe P is accommodated on the outer circumferential surfaces of the main driving unit 20 and the auxiliary driving units 30a, 30b and 30c inside the body 1, and transmits a rotational force on the shaft S 20.
  • the heat generated from the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c the outer circumferential surfaces of the main driving unit 20 and the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c mean between the housing H and the stator coil 11.
  • the radiator cools the power control unit (PCU), the battery, and the IGBT through a water pump in the radiator, and then, through the cooling pipe (P) line, the main driving unit 20 and the auxiliary driving unit ( It may be formed to have a structure that is circulated back to the radiator after passing through the 30a) (30b) (30c).
  • PCU power control unit
  • EV battery
  • IGBT cooling pipe
  • main driving unit 20 main driving unit 20
  • auxiliary driving unit It may be formed to have a structure that is circulated back to the radiator after passing through the 30a) (30b) (30c).
  • This is described when applied to the electric vehicle, hybrid vehicle, plug-in hybrid vehicle, EV, HEV, FCV vehicle as described above, it is not limited to this may be changed slightly when applied to other industries.
  • both ends of the cooling pipe (P) is provided with a connection pipe (P '), one side is the cooling water is introduced, one side is connected to the hose (not shown) to be circulated to the radiator coolant is discharged and circulated to the radiator .
  • the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c may be selectively driven by individually turning on and off the IGBTs through the ECU of the controller 40. This configuration is to enable the individual drive through the ECU of the controller 40 to be described later, which will be described later.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing the interior of the auxiliary drive of the multi-stage motor according to the present invention
  • Figure 6a to 6c is a perspective view and a cross-sectional view showing the planetary gear assembly of the multi-stage motor according to the present invention.
  • the planetary gear assembly 35 is a sun gear 31 that is integrally rotated on the shaft (S), a plurality of planetary gears 32 to rotate in engagement with the sun gear 31, and the planetary gear 32 and It is characterized by having a ring gear 33 to rotate in engagement with each other to transmit power on the shaft (S).
  • the planetary gear assembly 35 together with the main driving unit 20 that exerts the initial driving force on the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c, which are formed in plural as described above, enhances the rotational force of the shaft S. It will play a role.
  • a plurality of planetary gears 32 which are configured to rotate together with the shaft S, have a sun gear 31 fixed in the center by receiving a shaft S at the center thereof, and mesh with an outer circumference of the sun gear 31. It is provided with a ring gear 33 to be inscribed with the planetary gear (32). In this case, a plurality of protrusions 37 are formed on the outer surface portion of the ring gear 33 to mesh with the rotor 13 of the magnetic force portion 10 described above to interlock with each other.
  • the planetary gear assembly 35 may be broadly divided into a sun gear 31, a planetary gear 32, a ring gear 33, and a carrier 50, and a cover C, a second bearing B ′, and a lidena ( 51), oil seal (57), snap ring (52), rivet pin (53), washer (54), fixing bolt hole (55) and bolt tab (56) to which the fixing bolt is fastened.
  • Gear oil is injected to prevent wear of the planet 31, the planetary gear 32, the ring gear 33, the second bearing B 'and the like.
  • the planetary gear 32 is provided with a pinhole so that the rivet pin 53 can be mounted, the pinhole is provided with a plurality of oil grooves so that the gear oil can be injected, the oil groove is a planetary gear 32 It is provided in a streamlined form in the opposite direction of rotation, and forms a plurality of oil grooves on the side surface of the planetary gear 32 to reduce wear and friction loss.
  • the carrier 50 is formed in a separate form consisting of a female, male and fixed through the rivet pin (53).
  • the washer 54 is mounted to reduce friction between the planetary gear 32 and the carrier 50.
  • An oil groove is formed in the direction of the carrier 50 in which the washer 54 is in close contact to reduce wear and frictional loss.
  • the cover (C) is composed of a pair on both sides of the planetary gear assembly 35, and the stator coil 11 and the magnet 12, which are stator coils and stator coils 31, planetary gears 32, and ring gears 33, are spaced apart from each other. ), A second bearing B 'is inserted into the cover C between the sun gear 31 and the ring gear 33 so as to maintain an interval of the rotor 13 accommodating).
  • the outside of the second bearing (B ') is equipped with a lidena 51 to prevent the leakage of gear oil.
  • the oil seal 57 may be inserted into the jaw that the cover C and the ring gear 33 contact with each other to further prevent leakage of the gear oil.
  • the planetary gear assembly 35 and the rotor 13 may be rotatable together at a position where the magnetic force portion 10 into which the magnet 12 is inserted is fixed to the outside of the ring gear 33.
  • the projection 37 is provided to facilitate the separation and fixing of the rotor (13).
  • Fixing grooves 52a are provided at left and right sides of the sun gear 31 so that the snap rings 52 can be inserted, and the snap rings 52 have left and right outer surfaces and a second bearing B 'of the carrier 50. Positioned on the left and right inner side of the left and performs the role of preventing departure.
  • the bracket 2 is formed in a structure that accommodates a plurality of auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c.
  • the shaft S also lengthens together.
  • the first bearing (B) which can partially secure the long shaft (S) to reduce the vibration generated during the rotation of the shaft (S), and also to prevent the bending of the shaft (S) We can plan.
  • the cover C is mounted on the planetary gear assembly 35 to fix the bracket to fix the encoder 41 to one side, and the rotor 13 and the planetary gear from the encoder detector 42. It is possible to detect the rotation direction and magnetic pole position, the rotational speed of the assembly (35) and the like. At this time, the cover (C) is provided with a fixing bolt tab (41a) for fixing the encoder (41).
  • the detection method and the shape of the detector can be used in various ways.
  • the planetary gear assembly 35 stops the rotation of the planetary gear 32 by rotating the rotor 13 to which the rotational force is applied from the magnetic force unit 10 so that the sun gear 31 is in the same direction as the shaft S.
  • the rotational force is increased to increase the rotational force
  • the planetary gear 32 idles together with the sun gear 31 on the ring gear 33 by stopping the rotor 13 from which the electric power is cut off from the magnetic force portion 10. Cut off the torque.
  • various patterns are exerted through the characteristics of the planetary gear 32.
  • the planetary gear assembly 35 is configured to further increase rotational force through the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c while the shaft S is rotating through the main driving unit 20.
  • the ring gear 33 engaged with the rotor 13 rotates from the stator coil 11 to the magnetic force portion 10 formed on the 30a, 30b, 30c, and the main drive portion 20 is rotated. Since the sun gear 31 engaged with the shaft S being rotated together rotates together, the planetary gear 32 accommodated therein is rotated about the sun gear 31 in a stopped state. Therefore, it is to transmit the rotational force on the shaft (S) through the planetary gear assembly (35).
  • the ring gear 33 also maintains the stopped or reverse rotation state. Due to the rotational force of the shaft S and the sun gear 31, the planetary gear 32 therein rotates on the ring gear 33 which is stopped or reversely rotated, thereby idling.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a control unit of a multi-stage motor according to the present invention.
  • control unit 40 grasps the rotation direction and the rotational speed and the magnetic pole position of the rotor 13 to perform arithmetic processing, and then the main driving unit 20 and the auxiliary driving unit 30a, 30b, 30c. ) And an output value is applied to the magnetic force unit 10.
  • the control unit 40 rotates and stimulates the rotor 13 in which the magnet 12 of the magnetic force unit 10 is accommodated in order to rotate the above-described main drive unit 20 and the auxiliary drive units 30a, 30b, and 30c. It detects the position, rotational speed, etc. and serves to send the above-described data to the operation processing unit so as to supply or cut off the current on the stator coil 11 again.
  • the control unit 40 includes an encoder 41 on the planetary gear assembly 35 of the rotor 13 and the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c of the main driving unit 20, the body ( Encoder detector 42, current detection sensor 45, vehicle speed sensor 43 is fixed on the housing (H) of the 1 to sense the rotational direction and rotational speed and magnetic pole position of the magnetic force portion 10 from the encoder (41) And a battery controller, and an arithmetic processing unit for arithmetic processing of the signals detected from the encoder detector 42, the current sensor 45 and the vehicle speed sensor 43, and a PWM generator for converting the arithmetic processing signals into pulse signals.
  • a ECU for generating an output signal according to the pulse signal generated by the signal processor 44, and generating a three-phase alternating current by the signal of the ECU.
  • a PCU having a DC / DC converter for transferring to a circuit, etc., and an output unit 46 via an IGBT for applying current on the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c, and a battery for supplying current; And an energy storage device.
  • the controller 40 is obtained from the encoder detector 42, the vehicle speed sensor 43, and the current sensor 45 installed in close proximity to the main driver 20 and the auxiliary driver 30a, 30b, 30c.
  • the signal processed by the arithmetic processing unit sequentially transmits the pulse signal generated from the PWM generator to the ECU, and transmits a command value from the ECU to a PCU formed of a DC / DC converter and an inverter, thereby driving the main driver 20 and the auxiliary driver ( It is characterized by supplying a current on the 30a, 30b, 30c.
  • control unit 40 includes an encoder detector 42 fixedly formed on the body 1 so as to detect a rotation direction, a rotation speed, and a magnetic pole position of the rotor 13, and the encoder detector ( And an encoder 41 rotating and passing on 42.
  • the main driver 20 Since the encoder 41 is formed on the rotor 13, the main driver 20 also rotates the encoder 41 through the rotation of the rotor 13 to detect the rotational direction, rotation speed, and magnetic pole position.
  • the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c may be formed and detected on the ring gear 33 cover C of the planetary gear assembly 35 which rotates integrally with the rotor 13. At this time, the respective information and the vehicle speed sensor 43 and the current sensing sensor sensed by the encoder detector 42 on the main driving unit 20 and the plurality of auxiliary driving units 30a, 30b and 30c through the encoder 41.
  • the information generated at 45 is transmitted to an Arithmetic and Logic Unit to calculate the rotational force of the main driving unit 20 and the auxiliary driving units 30a, 30b and 30c, and to adjust the rotational speed in accordance with the set sequence.
  • the calculated information is adjusted or the rotational force of the main driver 20 is weak so that additional rotational force required through the auxiliary driver 30a, 30b, 30c is transmitted to the ECU.
  • the ECU selectively selects a current on the stator coil 11 of the magnetic force unit 10 through the Insulated Gate Bipolar mode Transistor (IGBT) formed on the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c through the information obtained from the arithmetic processing unit. By controlling the supply and blocking of the rotation of the rotor 13 via the magnet 12 is controlled.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar mode Transistor
  • the IGBT is a kind of power semiconductor, and precisely means a switching semiconductor. It is possible to implement or prevent the flow of electricity by using other components or circuits. It is suitable to use the IGBT because it is possible to obtain a high horsepower and a high torque through the auxiliary driving unit 30a, 30b, 30c of the rotational force of the main driving unit 20. In addition, the energy storage device stores the current of the battery as much as possible to supply a current to the PCU.
  • the motor is divided into the open-loop control and the close-loop control according to the type of control, and the motor is classified into torque control (current control), speed control, and position control according to the method of controlling the motor.
  • the control of the motor is performed by controlling the torque, that is, controlling the current applied to the motor, and the speed control and position control of the motor also control power, that is, current applied to the motor. I am doing it. Therefore, the current detection sensor detects by changing the magnitude of the current applied to the motor to a voltage, and in the general motor driver detects using the Hall sensor.
  • the detected current value is converted into an analog signal to a digital signal, processed by a microprocessor, and the PWM signal generation is also processed and instructed by the ECU.
  • the pulse train of the encoder 41 is counted in order to detect the position of the rotor 13, the current position of the rotor 13 can be known. It sends to the ECU and from the ECU back to the output PCU, when the current command from the ECU is given to the three-phase converter (inverter) it is converted into a three-phase AC current command.
  • the inverter generates a three-phase output having a phase difference of 120 ° with respect to the single phase input, where the current phase of each phase is generated with reference to the position of the rotor 13.
  • the multi-stage motor is not composed of two poles of the N pole and the S pole, and is formed of several poles, and several cycles are periodically repeated per motor rotation.
  • the generated current command value of each phase is compared with the actual current value detected from the current detector, and the current value of each phase is given to the processing unit, and is then input to the inverter from the ECU through a PWM generator (Pulse Width Modulation).
  • PWM generator Pulse Width Modulation
  • This complicated calculation transmits the PWM signal, which additionally calculates the lack of horsepower and torque in accordance with the above-described set sequence, to the ECU.
  • the operation is processed through a high speed microprocessor.
  • the current position is generally counted based on the Z phase of the encoder 41. Therefore, the time point at which the Z phase output appears in the encoder is referred to as the position initial point. From this, the 360 ° position of the magnet 12 is calculated in relation to the resolution (number of pulses per revolution) of the A and B phases of the encoder 41. Therefore, when the resolution of the encoder 41 is high, more precise data can be obtained in detecting the position of the rotor 13.
  • the initial position of the magnet 12 becomes important data because the permanent magnet needs to apply a voltage, such as a phase, to the three-phase terminal of the motor.
  • the initial position of the rotor 13 is designated with data of U, V, and W phases of the encoder 41.
  • the number of pulses of the encoder 41 is counted, calculated, and set. Doing. Since the position of the rotor 13 is countered on the basis of the Z phase, it is calculated using a method of initializing and recounting the pulses of the Z phase output encoder of the encoder 41.
  • the information detected from the encoder detector 42, the vehicle speed sensor 43, and the current sensor 45 is transmitted to the calculation processor again, and the value of the current calculated from the calculation processor is transmitted back to the ECU.
  • the above-mentioned calculated value of the current is supplemented with the current value or the value of the excess current through the value of the current corresponding to the sequence set from the main driver 20 and the auxiliary driver 30a, 30b, 30c or insufficient current. It means to cut off the current.
  • the current is transferred from the ECU to a PCU (Power Control Unit) formed of a DC / DC converter and an inverter, and the currents on the main driver 20 and the auxiliary driver 30a, 30b, 30c. Will be supplied.
  • PCU Power Control Unit
  • the converter has a non-isolated DC chopper method and a method of insulating high voltage and low voltage with a transformer.
  • various types of DC-DC converters are used in electric vehicles because DC conversion is required for various purposes.
  • PAM Pulse Amplitude Modulation
  • a lower voltage power is required than a driving motor. If it is OFF, it is connected to ground (zero voltage) via diode. By changing the ON / OFF time ratio, it is possible to produce an arbitrary voltage lower than that of the battery.
  • the transistor is turned on, a current flows in the coil, and when the transistor is turned off, the counter electromotive force generated by the coil is performed at all.
  • the inverter is a power converter that converts DC power into AC power. In addition to changing DC to AC, the inverter converts the voltage and frequency of three-phase alternating current by the ECU's signal to increase the rotational speed of the induction motor and the synchronous motor. Control, torque control, system control and magnetic flux density can be kept constant. In addition, it consists of a converter that boosts the voltage of a low voltage battery to a high voltage to drive a motor requiring a high current, a supercapacitor to reduce high frequency ripple, and six IGBT elements for driving and regenerative braking of the motor.
  • the three-phase inverter is a bidirectional circuit composed of three reversible choppers, which can perform both driving and regenerative motors.
  • the controller 40 when the controller 40 sends a pulse signal from the ECU to the PCU, the controller 40 outputs the three-phase alternating current generated in the PCU on the main driver 20 and the auxiliary drivers 30a, 30b, and 30c.
  • the signal sensed by the sensing plate 41 is sequentially transmitted to the arithmetic processing unit and the ECU through the encoder detector 42, and the values are transferred from the ECU to the main driver 20 and the auxiliary driver 30a, 30b, 30c.
  • the IGBT is turned on and off by applying to the IGBT installed in the unit, the three-phase AC current generated in the PCU is output on the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c.
  • the encoder 41 since the encoder 41 outputs three signals, the phase A of the reference pulse string and the phase B of 90 degrees later than that of the encoder 41 correspond to the accuracy of the encoder 41 per revolution. It has a Z-phase which outputs pulses and outputs one pulse at a specific position per revolution.
  • the rotation speed and the encoder in the method of counting the rotation speed by counting the pulse train of the encoder 41 first
  • the period of the encoder 41 pulse calculates a high-speed pulse train from the start of one encoder 41 pulse to the next start.
  • the pulse counting method has a problem in that the number of pulses input in a unit time at a low speed decreases the precision of calculating the pulse width at low speed. Therefore, in general, if the speed is less than 100 to 200rpm, the pulse width is detected and the speed is calculated.
  • Such a configuration can be applied to other fields, but when applied to a vehicle, the mode driving function is possible, so that it can be used by setting it appropriately for sports, constant speed driving, city driving, novice driving, and a battery uses a secondary battery. And the battery state can be checked through the battery controller, so that the current is supplied by adjusting the number of auxiliary driving units 30a, 30b, 30c additionally formed according to the remaining battery capacity.
  • the input signal of the vehicle speed sensor is processed according to the rotation speed of the wheel to determine the appropriate rotation of the auxiliary drive unit 30 to apply a current.
  • the current is supplied to only the auxiliary driving units 30a and 30b which are normally operated except for the auxiliary driving unit 30c in which the abnormality occurs, thereby continuing the operation.
  • an electric shock may be prevented by cutting off the current of the battery in a dangerous situation such as a collision accident.
  • the number of driving of the auxiliary driving units 30a, 30b, 30c can be automatically adjusted sequentially at the maximum speed or at a constant speed of the shaft S, thereby achieving an energy saving effect.
  • the controller 40 may be configured to display the current values of the current main driver 20 and the auxiliary drivers 30a, 30b, 30c on an arbitrary set value (existing set output value and torque, etc.) set by the ECU. By comparing the current output value and torque, etc., the command value (value within the error range) is output again to rotate the main driver 20 and the auxiliary driver 30a, 30b, 30c.
  • the ECU of the controller 40 generates an output signal according to the pulse signal of the signal processor 44, and a power supply and cutoff signal through a key, a drive signal of the output generator, and an output cutoff unit.
  • the output signal is generated by the stop signal and the forward rotation and reverse rotation signals of the transmission lever.
  • the key, the output generator, the output blocker, and the transmission lever are directly operated by the user to transmit a forced command to the ECU.
  • the key includes the power supply of the controller 40, the main driver 20, and the auxiliary driver 30a ( 30b) serves to turn on / off the output power of 30c.
  • the output generation unit controls the torque and rotation speed by sending a signal to the ECU according to a vehicle speed or a load condition so as to detect an operation amount and a speed of the user and generate an intended driving torque change.
  • the output blocking unit is to stop the rotation by blocking the rotational force of the main drive unit 20 and the auxiliary drive unit (30a) (30b, 30c) is rotating. And, with the regenerative braking through the main drive unit 20 to perform the role of the generator together.
  • by generating an output signal by the forward rotation and reverse rotation signal of the transmission lever it is possible to adjust the rotation direction of the above-described main drive unit 20 and the auxiliary drive unit 30a, 30b, 30c.
  • the output generating unit, the output blocking unit, the transmission lever is applied to the car
  • the key corresponds to the car key that can start the car
  • the output generating unit is the vehicle forward or backward
  • the output cut-off portion corresponds to the brake to reduce the rotation speed so that the vehicle can stop
  • the transmission lever is to run the car forward or backward, neutral and parking, etc. It can be said that it corresponds to the transmission.
  • control unit 40 is one of a battery or an external power source to be used for power supply, characterized in that the battery can be charged through the external power source.
  • the battery can be used by integrally combining or using a direct connection from the outside to supply power to the control unit 40.
  • the multi-stage motor may charge the battery through regenerative braking of the main driver 20.
  • the multi-stage motor may be utilized on a synchronous motor or an induction motor of an AC motor.
  • a multi-stage motor of the present invention can be used as an induction motor, a synchronous motor, and the like, thereby enabling various applications.
  • the synchronous motor and the induction motor of the AC motor may be a squirrel-cage, a rotor-type induction motor, a rotor-type, a permanent magnet type, a PM-rotor, a reluctance type. It can be used on the synchronous motor of reluctance.
  • the magnets 12 of the main driving unit 20 and the auxiliary driving units 30a, 30b, and 30c may be formed in various ways without being limited to the positions and arrangements shown in the drawings.
  • the present invention can increase or decrease the high speed, low speed, and rotational force to efficiently use the current, and can be formed into small, medium, large, etc. through the number of auxiliary motors. Provides an effect that can be used in the application.
  • Cooling pipe hole 8 Retaining ring
  • main drive part 30a, 30b, 30c auxiliary drive part

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Abstract

본 발명은 동체(1)의 샤프트(S) 상에 장착되어 동력을 발생시키는 모터에 있어서; 상기 동체(1)의 하우징(H)과 내부에 고정된 스테이터 코일(11)을 구비하고, 상기 스테이터 코일(11)로부터 회전 가능하게 자석(12)을 개재하는 회전자(13)를 구비하는 자력부(10); 상기 자력부(10)의 자석(12)을 개재하는 회전자(13)와 일체로 결합되고, 자력부(10)로부터 회전력을 전달받아 샤프트(S)를 회전시키는 메인구동부(20); 상기 메인구동부(20)의 후방에 샤프트(S)를 수용하여 형성되고, 자력부(10)의 회전자(13) 중심부에 삽설하여 회전력을 통해 샤프트(S) 상에 선택적으로 회전력을 더욱 증가시키는 유성기어 어셈블리(35)를 구비하는 다수의 보조구동부(30a)(30b)(30c); 및 상기 자력부(10)의 회전방향 및 회전속도와 자극위치를 파악하여 연산처리한 후, 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 출력값을 계산하여 자력부(10)로 전류를 인가하는 제어부(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 본 발명은, 고속과 저속 및 회전력을 증가 또는 감소시킬 수 있어 전류를 효율적으로 사용가능하고, 보조 모터의 수를 통해 소, 중, 대형 등으로의 형성이 가능해져 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 적용분야에 사용가능한 효과를 제공한다.

Description

다단 모터
본 발명은 다단 모터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고속과 저속 및 회전력을 증가 또는 감소시킬 수 있어 전류를 효율적으로 사용가능하고, 보조 모터의 수를 통해 소, 중, 대형 등으로의 형성이 가능해져 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 적용분야에 사용가능한 다단 모터에 관한 것이다.
통상적으로, 지금까지 사용되고 있는 모터구조는 로터와 스테이터간의 대향면적이 서로 한쪽으로만 국한되는 문제를 통해 발생되는 에너지의 크기는 한정될 수밖에 없어 모터의 구조상 작은 부피로는 적은 힘을 발생할 수밖에 없게 됨으로 큰힘(마력, 토크)을 얻어내기 위해서는 스테이터와 로터의 대향면적을 크게 하여 모터의 크기가 대형화가 될 수 밖에 없었다. 하지만, 이렇게 대형화의 모터는 제작 원가상승을 초래하게 되고, 좁은 공간 상에 큰 모터를 수용할 수 없게 됨으로 큰힘을 가진 모터의 최소화가 절실한 현실에 놓여있다.
일예로, 한국 공개특허공보 제10-2009-0045971호에 따르면, ‘고정축과, 상기 고정축에 회전가능하게 결합된 요커(Yoke)디스크와, 상기 요커디스크의 일면에 원주방향으로 복수개 고정된 자석을 구비한 자력부를 축방향으로 다단 구비한 회전자와, 상기 요커디스크에 대향 하도록 상기 고정축에 고정된 코어(Core)디스크와, 상기 자석에 대응하도록 상기 코어 디스크의 일면에 원주방향으로 복수개 고정된 코일을 구비한 고정부를 축방향으로 다단 구비한 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.’를 제시한다.
하지만, 이러한 모터는 단순히 고정자의 코일이 전류를 발생하여 고정축을 회전하는 것으로 한번에 다수의 자력부를 회전시켜야 하는 문제가 발생한다. 이는, 적절한 제어장치가 없어 다단의 자력부가 형성되어 있더라도 개별적인 회전이 불가능하고, 전체 회전만을 하기 때문에 불필요한 회전력이 가미되는 문제가 발생된다.
이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 고속과 저속 및 회전력을 증가 또는 감소시킬 수 있어 전류를 효율적으로 사용가능하고, 보조 모터의 수를 통해 소, 중, 대형 등으로의 형성이 가능해져 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 적용분야에 사용가능한 다단 모터를 제공하려는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동체의 샤프트 상에 장착되어 동력을 발생시키는 모터에 있어서; 상기 동체의 하우징과 내부에 고정된 스테이터 코일을 구비하고, 상기 스테이터 코일로부터 회전 가능하게 자석을 개재하는 회전자를 구비하는 자력부; 상기 자력부의 자석을 개재하는 회전자와 일체로 결합되고, 자력부로부터 회전력을 전달받아 샤프트를 회전시키는 메인구동부; 상기 메인구동부의 후방에 샤프트를 수용하여 형성되고, 자력부의 회전자 중심부에 삽설하여 회전력을 통해 샤프트 상에 선택적으로 회전력을 더욱 증가시키는 유성기어 어셈블리를 구비하는 다수의 보조구동부; 및 상기 자력부의 회전방향 및 회전속도와 자극위치를 파악하여 연산처리한 후, 메인구동부와 보조구동부 상에 출력값을 계산하여 자력부로 전류를 인가하되, 메인구동부 및 보조구동부 상에 근접하여 설치된 인코더 검출기와 차속센서 및 전류감지센서로부터 얻어진 정보를 통해 연산처리부에서 처리한 신호를 PWM발생기로부터 발생된 펄스신호를 ECU로 순차적 전송하고, ECU로부터 지령값을 DC/DC 컨버터와 인버터로 형성된 PCU로 전송하여 메인구동부 및 보조구동부 상에 전류를 공급하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 메인구동부와 보조구동부는 내부에 회전력에 의해 발생되는 열을 냉각하도록 냉각파이프를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조구동부는 제어부의 ECU를 통해 IGBT를 개별적으로 온, 오프하여 선택 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유성기어 어셈블리는 샤프트 상에서 일체로 회전하는 선기어와, 상기 선기어와 맞물려 회전하는 다수의 유성기어와, 상기 유성기어와 서로 맞물려 회전하는 링기어를 구비하여 샤프트 상에 동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 유성기어 어셈블리는 자력부로부터 회전력이 부가된 회전자가 회전함으로 유성기어의 회전을 멈춰 선기어가 샤프트와 동일 방향으로 회전하여 회전력을 증가하고, 자력부로부터 전력이 차단된 회전자의 멈춤으로 유성기어는 링기어 상에서 선기어와 함께 공회전하여 샤프트로부터 회전력을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 메인구동부의 회전자 및 보조구동부의 유성기어 어셈블리 상에 인코더를 구비하고, 동체의 하우징 상에 고정되어 인코더로부터 자력부의 회전방향과 회전속도 및 자극위치를 감지하는 인코더 검출기, 전류감지센서, 차속센서 및 배터리 콘트롤러를 구비하며, 인코더 검출기, 전류감지센서 및 차속센서로부터 검출한 신호를 연산처리하는 연산처리부와 연산처리한 신호를 펄스 신호로 전환하는 PWM발생기를 구비하는 신호처리부를 구비하고, 상기 신호처리부에서 발생한 펄스신호에 의하여 출력신호를 발생시키는 ECU를 구비하며, 상기 ECU의 신호에 의해 3상 교류전류를 발생시켜 메인구동부 및 보조구동부로 보내면서 저전압을 생성하여 전달하는 DC/DC 컨버터를 구비하는 PCU와 보조구동부 상에 전류를 인가하게 IGBT를 개재하는 출력부를 구비하고, 전류를 공급하기 위한 배터리 및 에너지 저장장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부의 ECU는 신호처리부의 펄스 신호에 의하여 출력신호를 발생시킴과 함께 키(Key)를 통한 전원 공급 및 차단신호와, 출력발생부의 구동신호와, 출력차단부의 정지신호 및 변속기 레버의 정회전, 역회전신호에 의해 출력신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 전원공급을 위해 배터리 또는 외부전원 중 하나를 택일하여 사용하되, 상기 배터리의 경우 외부전원을 통해 충전 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다단모터는 동기모터 또는 유도모터 상에도 활용 가능한 것을 특징으로 한다.
한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 고속과 저속 및 회전력을 증가 또는 감소시킬 수 있어 전류를 효율적으로 사용가능하고, 보조 모터의 수를 통해 소, 중, 대형 등으로의 형성이 가능해져 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 적용분야에 사용가능한 효과를 제공한다.
도 1a 및 1d는 본 발명에 따른 다단 모터를 나타내는 측면도 및 단면도,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 다단 모터의 유성기어 어셈블리를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 다단 모터의 샤프트를 나타내는 정면도 및 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다단 모터의 냉각파이프를 나타내는 모식도,
도 5는 본 발명에 따른 다단 모터의 보조구동부의 내부를 나타내는 단면도,
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 다단 모터의 유성기어 어셈블리를 나타내는 사시도 및 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 다단 모터의 제어부를 나타내는 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1a 및 1d는 본 발명에 따른 다단 모터를 나타내는 측면도 및 단면도이고, 도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 다단 모터의 유성기어 어셈블리를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 다단 모터의 샤프트를 나타내는 정면도 및 사시도이다.
본 발명은 다단 모터에 관련되며, 자력부(10), 메인구동부(20), 보조구동부(30a)(30b)(30c), 제어부(40)를 구성요소로 한다.
본 발명에 따른 자력부(10)는 상기 동체(1)의 하우징(H)과 내부에 고정된 스테이터 코일(11)을 구비하고, 상기 스테이터 코일(11)로부터 회전 가능하게 자석(12)을 개재하는 회전자(13)를 구비한다. 동체(1)는 다수의 공간부를 통하여 후술하는 자력부(10), 메인구동부(20), 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 수용하여 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 각각 배치할 수 있도록 구성된다. 이러한, 동체(1) 상에 수용된 자력부(10)는 스테이터 코일(11)을 구비하게 되는데, 이러한 스테이터 코일(11)은 하우징(H)의 내부에 일체로 고정 형성되어 후술하는 자석(12)이 수용된 회전자(13)를 회전시킬 수 있도록 코일과 적층철심으로 구성된다. 이렇게 고정자인 스테이터 코일(11)은 내부에 다수개의 자석(12)을 수용한 회전자(13)를 회전시켜 동체(1)의 중심부에 형성된 샤프트(S)를 회전시킬 수 있게 된다.
이때, 미설명된 부호 S'는 샤프트(S)의 선단에 형성되어 샤프트(S)의 회전력을 어떠한 장치에도 활용할 수 있도록 구성된 너트부이고, 샤프트(S)에는 부호는 부여하지 않았지만 키홈을 형성하여 후술하는 메인구동부(20)의 회전자(13)와 고정되고, 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 선기어(31)와 맞물려 고정됨으로 상기 샤프트(S)와 함께 회전할 수 있도록 구성된다. 이때, 샤프트(S)의 전방부에는 돌출턱(S")을 구비하여 메인구동부(20)의 회전자(13)가 샤프트(S) 상에서 전방으로 밀려나는 것을 방지하고, 메인구동부(20)의 회전자(13)와 브라켓(2) 사이에 허브링(58)을 설치하고, 브라켓(2)과 보조구동부(30a)(30b)(30c) 사이에 상기 허브링(58)을 각각 설치하여 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)가 샤프트(S) 상에서 좌, 우로 밀려나는 것을 방지하며 간격유지로 정위치 고정되게 된다.
여기서, 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 하우징(H)은 배선을 연결할 수 있도록 배선구(6)를 구비하였고, 냉각파이프홀(7) 및 인코더 검출기(42) 커넥트 선을 연결할 수 있도록 커넥트홀을 구비하고, 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)와 브라켓(2)과 프론트 커버(3)와 리어커버(4)를 연결시켜 고정할 수 있도록 볼트홀(5)을 구비하였으며, 하우징(H)의 선단부의 프론트 커버(3)는 외부기기를 부착할 수 있도록 볼트홀(5)이 구비되어 있고, 후단부는 리어 커버(4)를 형성하여 샤프트(S) 및 제1베어링(B)을지지한다. 또한, 고정링(8)은 스테이터 코일(11)과 냉각파이프(P)를 지지하여 유동을 방지하는 역할을 수행한다.
또, 본 발명에 따른 메인구동부(20)는 상기 자력부(10)의 자석(12)을 개재하는 회전자(13)와 일체로 결합되고, 자력부(10)로부터 회전력을 전달받아 샤프트(S)를 회전시킨다. 메인구동부(20)는 상기 샤프트(S)를 기본적으로 최초 회전시키는 구성으로 상술한 자력부(10)의 스테이터 코일(11) 상에 전류가 발생되면 고정자인 스테이터 코일(11) 내부의 공간 상에 대응되는 회전자(13)가 자력에 의해 회전하는 구조이다. 그럼으로, 상기 스테이터 코일(11)을 중심으로 대응하는 회전자(13)가 회전됨에 따라 상기 회전자(13)와 고정되는 샤프트(S)도 함께 회전하게 된다.
또, 본 발명에 따른 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 상기 메인구동부(20)의 후방에 샤프트(S)를 수용하여 형성되고, 자력부(10)의 회전자(13) 중심부에 삽설하여 회전력을 통해 샤프트(S) 상에 선택적으로 회전력을 더욱 증가시키는 유성기어 어셈블리(35)를 구비한다. 상술한 메인구동부(20)가 최초의 샤프트(S)를 회전시키는 구성이라면, 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 메인구동부(20)가 샤프트(S)를 회전시킬 시 샤프트(S)의 회전력을 더욱 증가하여 마력, 토크 등을 향상하기 위한 구조이다. 이러한, 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 메인구동부(20)에 수용되어 회전하는 샤프트(S) 상에 연속하여 설치되는 바, 하나 이상을 추가하여 모터의 사용 및 필요한 용도에 맞게 개수를 조절하여 설치 가능하다.
그리고, 상기 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 메인구동부(20)와는 다르게 상술한 자력부(10)의 스테이터 코일(11) 상에 전류가 발생되면 고정자인 스테이터 코일(11) 내부의 공간 상에 대응되는 회전자(13)가 자력에 의해 회전하게 되고, 자석(12)을 수용하는 회전자(13)의 중심 공간 상에 후술하는 유성기어 어셈블리(35)가 삽설하게 된다. 이러한, 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 구성은 후술하여 자세히 설명토록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다단 모터의 냉각파이프를 나타내는 모식도이다.
이때, 상기 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 내부에 회전력에 의해 발생되는 열을 냉각하도록 냉각파이프(P)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 냉각파이프(P)는 동체(1)의 내부에 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 외주면 상에 수용되어 샤프트(S) 상에 회전력을 전달하는 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)로부터 발생되는 열을 냉각하도록 한다. 이때, 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 외주면이라 함은 하우징(H)과 스테이터 코일(11)의 사이를 뜻한다. 일예로, 모터가 하이브리드 자동차 상에 설치될 경우 라디에이터에서 워터펌프를 거쳐 PCU(Power Control Unit)와 배터리 및 IGBT를 냉각시킨 후, 냉각파이프(P) 라인을 통해 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 지나 다시 라디에이터로 순환되는 구조로 형성될 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 전기자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, EV, HEV, FCV 자동차 상에 적용되었을 때를 설명한 것이고, 다른 산업분야에 적용 시 다소 변경될 수 있음으로 이에 한정하지 않는다. 이때, 냉각파이프(P)의 양끝단부에는 연결파이프(P')를 구비하여 한쪽은 냉각수가 유입되고, 한쪽은 냉각수가 배출되어 라디에이터로 순환되게 호스(미도시)와 연결되어 상기 라디에이터로 순환된다.
그리고, 상기 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 제어부(40)의 ECU를 통해 IGBT를 개별적으로 온, 오프하여 선택 구동이 가능한 것을 특징으로 한다. 이러한 구성은 후술하는 제어부(40)의 ECU를 통하여 개별 구동이 가능하게 형성하는 것으로 이는 후술하여 설명토록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 다단 모터의 보조구동부의 내부를 나타내는 단면도이고, 도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 다단 모터의 유성기어 어셈블리를 나타내는 사시도 및 단면도이다.
이때, 상기 유성기어 어셈블리(35)는 샤프트(S) 상에서 일체로 회전하는 선기어(31)와, 상기 선기어(31)와 맞물려 회전하는 다수의 유성기어(32)와, 상기 유성기어(32)와 서로 맞물려 회전하는 링기어(33)를 구비하여 샤프트(S) 상에 동력을 전달하는 것을 특징으로 한다. 유성기어 어셈블리(35)는 상술한 바와 같이 다수개로 형성되는 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 최초의 구동력을 발휘하는 메인구동부(20)와 함께 샤프트(S)의 회전력을 증강하는 역할을 수행하게 된다. 중앙에 샤프트(S)를 수용하여 키홈방식을 통해 고정되는 선기어(31)를 구비하여 샤프트(S)와 함께 회전하도록 구성되고, 상기 선기어(31)의 외주에 맞물리는 다수의 유성기어(32)를 구비하며, 상기 유성기어(32)와 내접되게 링기어(33)를 구비하게 된다. 이때, 링기어(33)의 외면부 상에는 다수의 돌기(37)를 형성하여 상술한 자력부(10)의 회전자(13)와 맞물려 서로 연동하게 된다.
상기 유성기어 어셈블리(35)는 크게 선기어(31), 유성기어(32), 링기어(33) 및 캐리어(50)로 나눌수 있으며, 커버(C), 제2베어링(B'), 리데나(51), 오일씰(57), 스냅링(52), 리베트 핀(53), 와셔(54), 고정볼트가 체결되는 고정볼트홀(55) 및 볼트탭(56) 등으로 조립될 수 있으며 내부에는 선기어(31), 유성기어(32), 링기어(33) 및 제2베어링(B') 등의 마모를 방지하게 기어오일이 주입되어 있다. 이는, 유성기어(32) 내부에는 리베트 핀(53)이 장착될 수 있도록 핀홀을 구비하고, 상기 핀홀에는 기어오일이 주입될 수 있도록 오일홈을 다수개 구비되며, 오일홈은 유성기어(32)의 회전 반대방향으로 유선형의 형태로 구비되어 있고, 상기 유성기어(32)의 측면부 상에도 다수개의 오일홈을 형성하여 마모 및 마찰 손실을 줄이게 된다. 또한, 캐리어(50)는 암, 수로 이루어져 분리된 형태로 형성되어 리베트 핀(53)을 통하여 고정시킨다.
그리고, 유성기어(32)와 캐리어(50)의 사이에 마찰을 줄이기 위하여 와셔(54)가 장착되는 것이 적합하다. 와셔(54)가 밀착하는 캐리어(50) 방향에는 오일홈을 형성하여 마모 및 마찰 손실을 줄인다. 커버(C)는 유성기어 어셈블리(35)의 양측에 한쌍으로 이루어져 있고, 상기 선기어(31), 유성기어(32), 링기어(33) 전체 간격과 고정자인 스테이터 코일(11)과 자석(12)을 수용한 회전자(13)의 간격을 유지할 수 있도록 선기어(31)와 링기어(33) 사이에 커버(C)에는 제2베어링(B')을 삽설하게 된다. 이때, 샤프트(S)의 끝단에 설치된 제1베어링(B)의 크기를 다소 작게 형성하여 샤프트(S)가 후방으로 밀리는 것을 방지하는 역할을 수행하는 것이 적합하다. 그리고, 상기 제2베어링(B')의 외측에는 기어오일의 누출을 방지하기 위하여 리데나(51)를 장착하게 된다. 이때, 커버(C)와 링기어(33)가 맞닿는 턱 상에 오일씰(57)을 삽설하여 기어오일의 누출을 더욱 방지할 수 있다.
덧붙여, 링기어(33)의 외부에는 자석(12)이 삽입된 자력부(10)가 고정되는 위치로 유성기어 어셈블리(35)와 회전자(13)가 함께 회전이 가능하도록 구성되는 바, 이때, 상기 회전자(13)의 이탈방지 및 고정이 용이하도록 돌기(37)를 구비한다. 선기어(31)의 좌, 우에는 스냅링(52)이 삽설될 수 있도록 고정홈(52a)을 구비하고, 스냅링(52)은 캐리어(50)의 좌, 우 외측면과 제2베어링(B')의 좌, 우 내측면에 위치하여 좌, 우 이탈을 방지하는 역할을 수행한다. 그리고, 브라켓(2)은 다수개의 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 수용하는 구조로 형성됨으로 상기 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 많이 추가할수록 샤프트(S)도 함께 길어짐으로 상기 긴 샤프트(S)를 부분적으로 고정할 수 있는 제1베어링(B)을 수용하여 고정함과 동시에 샤프트(S)의 회전시 발생하는 진동을 줄이고, 샤프트(S)의 휨을 방지하는 효과도 도모할 수 있다.
그리고, 커버(C)의 경우 유성기어 어셈블리(35) 상에 장착되어 일측면에 인코더(41)를 고정 시킬 수 있도록 브라켓을 고정시켰으며, 인코더 검출기(42)로부터 회전자(13) 및 유성기어 어셈블리(35) 등의 회전방향 및 자극위치, 회전속도 등을 감지할 수 있도록 한다. 이때, 커버(C) 상에는 인코더(41)를 고정시키는 고정볼트탭(41a)을 구비한다. 하지만, 인코더(41) 및 인코더 검출기(42)의 경우 검출방법 및 검출기의 형태는 다양하게 변화 시켜 사용가능하다.
또한, 상기 유성기어 어셈블리(35)는 자력부(10)로부터 회전력이 부가된 회전자(13)가 회전함으로 유성기어(32)의 회전을 멈춰 선기어(31)가 샤프트(S)와 동일 방향으로 회전하여 회전력을 증가하고, 자력부(10)로부터 전력이 차단된 회전자(13)의 멈춤으로 유성기어(32)는 링기어(33) 상에서 선기어(31)와 함께 공회전하여 샤프트(S)로부터 회전력을 차단한다. 이런, 유성기어 어셈블리(35)의 구성은 유성기어(32)의 특성을 통하여 여러 가지 패턴이 발휘하게 되는 바, 이러한 특성을 설명하자면 선기어(31)의 회전방향을 왼쪽방향으로 회전시키면 유성기어(32)는 왼쪽방향으로 회전하고, 유성기어(32)가 맞물린 상태의 링기어(33)는 오른쪽방향으로 회전한다. 그리고 선기어(31)와 링기어(33) 사이에 수용된 유성기어(32)의 회전을 멈추면 선기어(31)와 링기어(33)는 전체가 동일한 방향으로 회전하게 된다. 또한 내부에 수용된 유성기어(32)가 회전하면 선기어(31)를 중심으로 유성기어가(32)가 링기어(33) 상에서 회전하게 된다.
이러한 유성기어 어셈블리(35)는 메인구동부(20)를 통해 샤프트(S)가 회전하고 있는 상태에서 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 통해 추가적으로 회전력을 더욱 증가하기 위한 구조로 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 형성된 자력부(10)에 스테이터 코일(11)로부터 회전자(13)가 회전함과 동시에 맞물린 링기어(33)가 회전하게 되고, 메인구동부(20)를 통해 회전되고 있는 샤프트(S)에 맞물린 선기어(31)가 함께 회전하게 됨으로 내부에 수용된 유성기어(32)는 회전을 멈춘 상태로 선기어(31)를 중심으로 회전하게 된다. 그럼으로, 유성기어 어셈블리(35)를 통해 샤프트(S) 상에 회전력을 전달하게 되는 것이다.
그리고 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 형성된 자력부(10)에 스테이터 코일(11)로부터 회전자(13)의 회전을 차단하면, 회전자(13)와 연동되는 링기어(33)의 회전이 멈추어 샤프트(S)를 통해 회전하는 선기어(31)가 함께 회전하여도 유성기어(32)는 링기어(33)의 내부에서 회전을 시행함으로 공회전하여 샤프트(S)로부터 회전력을 차단하게 된다. 다시 말해 최초에 메인구동부(20)를 통해 샤프트(S)를 회전시키게 되면 동축의 샤프트(S) 상에 설치되는 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 선기어(31)도 함께 회전하게 된다. 하지만 보조구동부(30a)(30b)(30c)에는 자력부(10)의 스테이터 코일(11)로부터 회전자(13)가 정지된 상태임으로 링기어(33) 또한 정지 또는 역회전 상태를 유지하게 되어 샤프트(S) 및 선기어(31)의 회전력에 의해 내부의 유성기어(32)는 정지 또는 역회전되는 링기어(33) 상에서 회전하게 됨으로 공회전한다.
이때, 보조구동부(30a)(30b)(30c)에 형성된 자력부(10)의 스테이터 코일(11) 상에 전류를 공급하게 되면 자력이 발생하여 회전자(13)와 맞물린 링기어(33)가 회전하게 되고, 샤프트(S)와 맞물려 회전하는 선기어(31)와 함께 링기어(33)가 동일 방향으로 회전하게 됨으로 내부의 유성기어(32)는 정지하게 된다. 이로써, 정지된 유성기어(32)를 통하여 선기어(31)와 링기어(33)는 함께 회전하게 됨으로 메인구동부(20)의 동력에 의하여 샤프트(S) 상에 전달된 상태에서 다수개의 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 동력이 함께 전달됨에 따라 토크가 증가하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 다단 모터의 제어부를 나타내는 블록도이다.
또, 본 발명에 따른 제어부(40)는 상기 회전자(13)의 회전방향과 회전속도 및 자극위치를 파악하여 연산처리한 후, 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 출력값을 인가하여 자력부(10)로 전류를 인가한다. 제어부(40)는 상술한 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 회전하기 위하여 자력부(10)의 자석(12)이 수용된 회전자(13)의 회전방향 및 자극위치, 회전속도 등을 감지하여 재차 스테이터 코일(11) 상에 전류를 공급시키거나 차단할 수 있도록 앞서 설명한 데이터를 연산처리부로 신호를 보내는 역할을 수행한다.
이때, 상기 제어부(40)는 메인구동부(20)의 회전자(13) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 유성기어 어셈블리(35) 상에 인코더(41)를 구비하고, 동체(1)의 하우징(H) 상에 고정되어 인코더(41)로부터 자력부(10)의 회전방향과 회전속도 및 자극위치를 감지하는 인코더 검출기(42), 전류감지센서(45), 차속센서(43) 및 배터리 콘트롤러를 구비하며, 인코더 검출기(42), 전류감지센서(45) 및 차속센서(43)로부터 검출한 신호를 연산처리하는 연산처리부와 연산처리한 신호를 펄스 신호로 전환하는 PWM발생기를 구비하는 신호처리부(44)를 구비하고, 상기 신호처리부(44)에서 발생한 펄스신호에 의하여 출력신호를 발생시키는 ECU를 구비하며, 상기 ECU의 신호에 의해 3상 교류전류를 발생시켜 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)로 보내는 인버터와 저전압을 생성하여 ECU 및 센서 회로 등에 전달하는 DC/DC컨버터를 구비하는 PCU와 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 전류를 인가하게 IGBT를 개재하는 출력부(46)를 구비하고, 전류를 공급을 위한 배터리 및 에너지 저장장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부(40)는 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 근접하여 설치된 인코더 검출기(42)와 차속센서(43) 및 전류감지센서(45)로부터 얻어진 정보를 통해 연산처리부에서 처리한 신호를 PWM발생기로부터 발생된 펄스신호를 ECU로 순차적 전송하고, ECU로부터 지령값을 DC/DC컨버터와 인버터로 형성된 PCU로 전송하여 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이 제어부(40)는 회전자(13)의 회전방향, 회전속도, 자극위치를 감지할 수 있도록 동체(1) 상에 고정 형성되는 인코더 검출기(42)를 구비하고, 상기 인코더 검출기(42) 상에 회전하여 통과하는 인코더(41)를 구비하게 된다.
이러한, 메인구동부(20)는 인코더(41)가 회전자(13) 상에 형성되기 때문에 회전자(13)의 회전을 통해 인코더(41)도 함께 회전하여 회전방향, 회전속도 및 자극 위치를 감지할 수 있고, 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 회전자(13)와 일체로 회전하는 유성기어 어셈블리(35)의 링기어(33) 커버(C) 상에 형성되어 감지한다. 이때, 인코더(41)를 통해 메인구동부(20)와 다수의 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 인코더 검출기(42)에서 감지된 각각의 정보 및 차속센서(43) 및 전류감지센서(45)에서 발생된 정보를 연산처리부(Arithmetic and Logic Unit)로 전송하게 되어 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 회전력을 계산하고, 설정된 시퀀스에 맞추어 회전수를 계산하여 조절하거나 메인구동부(20)의 회전력이 약해 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 통한 추가적인 회전력이 필요하다고 계산된 정보를 다시 ECU로 전송하게 된다. 연산처리부로부터 얻은 정보를 통해 ECU가 상기 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 형성된 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)를 통해 자력부(10)의 스테이터 코일(11) 상에 선택적으로 전류의 공급 및 차단을 시행하게 됨으로 자석(12)을 개재하는 회전자(13)의 회전을 컨트롤한다.
상기 IGBT는 전력용 반도체의 일종으로 정확하게는 스위칭용 반도체를 뜻하는 바, 전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 것은 다른 부품이나 회로를 사용하여 구현할 수 있지만, 본 발명의 다단 모터의 경우 정밀제어를 통하여 메인구동부(20)의 회전력을 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 통하여 고 마력 및 고 토크를 얻을 수 있도록 하는 것임으로 IGBT를 사용하는 것이 적합하다. 또한, 에너지 저장장치는 배터리의 전류를 최대한 저장하여 PCU로 전류를 공급하는 역할을 수행한다.
다시 말해, 모터는 제어하는 형태에 따라 크게 Open-Loop Control과 Close-Loop Control이 있고, 모터를 제어하는 방법에 따라 토크제어(전류제어), 속도제어 및 위치제어로 분류된다. 이러한, 모터의 제어는 토크의 제어 즉 모터에 인가되는 전류를 제어함으로 이루어지며 모터의 속도제어 및 위치제어도 최종적으로 모터에 인가되는 전력 즉 전류를 제어하며 이루어짐으로 모터의 제어는 전류제어를 기본으로 하고 있다. 따라서, 전류 검출센서는 모터 상에 인가되는 전류의 크기를 전압으로 바꾸어 검출하게 되며 일반적인 모터 드라이버에서는 홀센서를 이용하여 검출한다. 이렇게 검출된 전류의 값을 아날로그신호를 디지털신호로 변경하여 마이크로 프로세서의 연산에 의해 처리하고, PWM의 신호 발생도 연산 처리한 후 ECU에서 지시하게 된다. 이는, 모터는 3상 교류전류를 제어해야 되기 때문에 3상 변환기(인버터)가 있어야 하고, 다단모터 상에 회전자(13)의 자극 위치를 검출할 수 있는 센서가 필요하다.
이러한, 회전자(13)의 위치를 검출하기 위하여 인코더(41)의 펄스열을 계수하면 회전자(13)의 현재 위치를 알 수 있음으로 위치 정보 및 속도를 연산처리부에서 연산처리한 후, 신호를 ECU로 보내고 ECU에서 다시 출력부인 PCU로 보내고, ECU로부터 받은 전류 명령을 3상 변환기(인버터)에 주어지면 3상 교류전류 명령으로 전환하게 된다. 그럼으로 상기 인버터는 단상 입력에 대해 120° 위상차를 갖는 3상 출력을 발생하게 되며 이때 각 상의 현재 위상은 회전자(13)의 위치를 참조하여 발생하게 된다. 이러한, 다단모터의 내부에는 N극과 S극 두 개의 자극으로 구성되어 있지 않고, 여러 개의 극으로 형성되어 있으며 모터 1회전 당 정기적으로 여러 주기가 반복하게 되어 있다. 이렇게, 생성된 각 상별 전류 명령 값은 전류 검출기로부터 검출되는 실제 전류 값과 비교하여 각 상별 전류값을 연산처리부로 주어지고, 다시 PWM 발생기(Pulse Width Modulation)를 통하여 ECU에서 인버터로 입력하게 된다. 이렇게 복잡한 계산은 연산처리부에서 상술한 설정된 시퀀스에 맞게 마력 및 토크가 부족한 부분을 추가적으로 계산한 PWM 신호를 다시 ECU로 전송 하게 된다. 이때, 연산처리는 고속 마이크로 프로세서(micro processor)를 통해 처리한다.
그리고, 회전자(13)가 인코더(41)를 통해 현재 위치를 검증하는 방법은 일반적으로 인코더(41)의 Z상을 기준으로 하여 현재 위치를 카운트하게 된다. 따라서 인코더에서 Z상의 출력이 나타나는 시점을 위치 초기점이라고 하고 여기에서부터 자석(12)의 360°위치를 인코더(41) A상과 B상의 분해능(1회전 당 펄스 수)과 관계하여 계산하게 된다. 그러므로 인코더(41)의 분해능이 높으면 회전자(13)의 위치를 검출하는데 있어서 더욱 절밀한 데이터를 구할 수 있게 된다. 이러한, 자석(12)의 초기 위치가 중요한 데이터가 되는데 영구자석의 경우 위치에 따른 위상과 같은 전압을 모터 3상단자에 인가해 주어야 하기 때문이다. 그럼으로 모터에 전원을 투입하여 기동하고자 할 경우 반드시 자석(12)의 위치를 알고 있어야 하며 이러한 이유로 A, B, Z상 이외에 U, V, W상을 같이 출력시키는 방법을 사용한다. 전원 투입 시 회전자(13)의 초기 위치는 인코더(41)의 U, V, W상의 데이터를 가지고 지정하게 되며, 일반적으로 정상 회전 시에는 인코더(41)의 펄스 수를 카운터하고 계산하여 설정하도록 하고 있다. 회전자(13)의 위치는 Z상을 기준으로 카운터하기 때문에 인코더(41)의 Z상 출력 시인코더의 펄스를 초기화하고 재카운터하는 방법을 이용하여 계산하고 있다.
즉, 인코더 검출기(42)와 차속센서(43) 및 전류감지센서(45)로부터 감지된 정보를 다시 연산처리부로 전송하고, 연산처리부로부터 계산된 전류의 값을 ECU로 다시 전송하게 된다. 상술한 계산된 전류의 값은 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)로부터 설정된 시퀀스에 맞는 전류의 값 또는 부족한 전류의 값을 통해 전류를 보충 및 과한 전류의 값을 통해 전류를 차단 등을 말하는 것이다. 그리고 다시 ECU로부터 DC/DC컨버터(DC/DC Converter)와 인버터(Inverter)로 형성된 PCU(Power Control Unit)로 전송하여 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 전류를 공급하게 되는 것이다.
또한, 컨버터는 비절연형의 직류초퍼 방식과 트랜스로 고전압과 저전압을 절연하는 방식이 있으며 일예로 전기 자동차에서는 여러 가지 용도로 직류의 변환이 필요함으로 각종 DC-DC 컨버터가 사용되고 있다. 전원 전압을 오르내리도록 하면 교류모터를 넓은 속도 영역과 토크 영역에서 양호한 효율로 동작 할 수 있다. 이것이 PAM(펄스진폭변조)라고 하며 또한 전기 자동차의 헤드라이트나 와이퍼, 진동파워스티어링 등을 작동시키려면 구동용 모터보다 저압의 전원이 필요함으로 강압 초퍼에서의 트랜지스터를 ON시키면 부하는 전지(고전압)로 연결되고, OFF시키면 다이오드를 경유하여 접지(전압제로)로 연결된다. ON/OFF의 시간 비율을 변화시켜면 전지보다 낮은 임의의 전압을 만들 수 있게 된다. 트랜지스터를 ON시키면 코일에 전류가 흐르고, 트랜지스터를 OFF 시키면 발생하는 코일의 역기 전력을 다에서 수행한다.
또한, 인버터는 DC의 전력을 AC의 전력으로 바꾸는 전력 변환장치로 써, DC를 AC로 바꾸는 것 이외에 ECU의 신호에 의해 3상 교류의 전압과 주파수를 변환시켜 유도 전동기 및 동기 전동기의 회전속도를 제어하며, 토크제어와 시스템제어 및 자속 밀도를 일정하게 유지킬 수 있다. 그리고, 고압의 전류가 필요한 모터의 구동을 위해 저전압 배터리의 전압을 고전압으로 승압하는 컨버터, 고주파 리플을 저감하기 위해 슈퍼커패시터 및 모터의 구동과 회생제동 등을 위한 6개의 IGBT 소자 등으로 구성되어 있으며 3상 인버터는 3회로의 가역 초퍼로 구성된 쌍방향 회로임으로 모터의 구동과 회생의 양쪽 모두 수행할 수 있다.
즉, 제어부(40)는 ECU에서 펄스 신호를 PCU로 보내게 되면, PCU에서 발생한 3상 교류 전류를 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 출력하는 역할을 수행하게 되고, 감지판(41)으로부터 감지된 신호를 인코더 검출기(42)를 통해 연산처리부 및 ECU로 순차적 전송하며, ECU로부터 값을 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)에 설치된 IGBT로 인가함으로 상기 IGBT를 ON, OFF 됨에 따라 PCU에서 발생한 3상 교류 전류를 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 출력하게 된다.
또한, 회전자(13)의 속도 검출 방법으로는 인코더(41)가 3가지 신호를 출력하기 때문에 기준 펄스열의 A상과 이보다 90°위상이 늦은 B상이 1회전 당 인코 더(41)의 정밀도 만큼 펄스를 출력하고 1회전 당 특정한 위치에서 1개의 펄스를 출력하는 Z상을 가지고 있다. 자석(12)을 수용한 회전자(13)의 속도를 검출하기 위하여 인코더(41)를 사용할 경우 디지털 연산에 적용하면 먼저 인코더(41) 펄스열을 계수하여 회전 속도를 알아내는 방법에서 회전 속도와 인코더(41)의 펄스 수는 ‘회전속도 = (카운터 펄스 수/단위시간) 1회전 당 인코더 펄스 수’그리고, 인코더(41)의 펄스 폭을 검지하는 방법은 ‘회전속도 = (1/인코더 펄스 주기)(폭)×단위시간/1회전 당 인코더 펄스 수’의 식에서 인코더(41) 펄스의 주기는 인코더(41) 펄스 하나의 시작에서 다음 시작 때 까지 고속의 펄스열을 계산하게 된다. 상기 식에서 보는 바와 같이 펄스 계수방법은 저속의 경우 단위시간에 입력되는 펄스의 수가 작아 저속으로 펄스폭을 계산하는 정밀도가 낮아져 서로간의 문제점을 안고 있다. 그래서 일반적으로 100∼200rpm 미만의 경우에는 펄스폭을 검출하여 속도를 계산하는 방법을 사용하고 그 이상이 되면 펄스 수를 계산하여 회전속도를 구하는 방법을 사용한다.
이러한, 구성은 다른 분야에 적용하여 사용할 수 있지만, 자동차 상에 적용할 경우 모드운전 기능이 가능해 스포츠, 정속주행, 시내주행, 초보운전 등 자신에 맞게 설정하여 사용가능해 지고, 배터리는 2차전지를 사용하며 배터리 상태를 배터리 콘트롤러를 통해 확인이 가능함으로 배터리의 잔량에 따라 추가적으로 형성된 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 수를 조정하여 전류를 공급한다. 또한, 차동차의 경우 바퀴의 회전 속도에 따라 차속센서의 입력 신호를 연산처리하여 적절한 보조구동부(30)의 회전을 결정하여 전류를 인가하게 된다. 또한, 일예로 보조구동부(30c)의 이상이 발생되면 이상이 발생한 보조구동부(30c)를 제외한 정상작동되는 보조구동부(30a)(30b)에만 전류를 공급하여 운행을 계속하게 된다. 또한, 추돌사고 등 위험한 상황에서 배터리의 전류를 차단하여 감전사고를 예방하게 된다. 또한, 샤프트(S)의 최고 속도 또는 일정한 속도에서 순차적으로 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 구동 수를 자동 조절할 수 있어 에너지 절약효과를 도모하게 된다.
즉, 일예로 제어부(40)는 ECU에서 설정된 임의의 설정값(기존의 설정된 출력값 및 토크 등) 상에 현재의 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 현재값(현재의 출력값 및 토크 등)을 비교하여 지령값(오차범위 내의 값)을 재차 출력하여 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)를 회전시킨다.
그리고, 상기 제어부(40)의 ECU는 신호처리부(44)의 펄스 신호에 의하여 출력신호를 발생시킴과 함께 키(Key)를 통한 전원 공급 및 차단신호와, 출력발생부의 구동신호와, 출력차단부의 정지신호 및 변속기 레버의 정회전, 역회전신호에 의해 출력신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 상기 키와, 출력발생부, 출력차단부, 변속기 레버는 사용자가 직접 작동하여 ECU에 강제 명령을 전달하는 것으로 상기 키는 제어부(40)의 전원과 메인구동부(20), 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 출력 전원을 ON/OFF하는 역할을 수행한다. 그리고, 출력발생부는 사용자의 조작량 및 속도를 검출하여 의도한 구동 토크 변화를 발생시킬 수 있도록 차속이나 부하 등의 조건에 따라 ECU에 신호를 보내어 토크 및 회전속도를 제어하는 역할을 수행한다.
또한, 출력차단부는 회전하고 있는 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 회전력을 차단하여 회전을 멈추도록 하는 것이다. 그리고, 메인구동부(20)를 통해 회생제동을 함께하여 발전기의 역할도 함께 수행할 수 있도록 한다. 또, 변속기 레버의 정회전, 역회전신호에 의해 출력신호를 발생시키는 것으로 상술한 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 회전방향을 조절할 수 있도록 하는 것이다. 일예로, 상기 키, 출력발생부, 출력차단부, 변속기 레버의 경우 자동차에 적용하여 사용하게 된다면, 키는 자동차의 시동을 걸 수 있는 자동차키에 해당하고, 출력발생부는 자동차가 전진 또는 후진 등을 조작량을 통해 속도를 실행할 수 있는 엑셀페달에 해당하며, 출력차단부는 자동차가 정지를 할 수 있도록 회전수를 감속시키는 브레이크에 해당하고, 변속기 레버는 자동차를 전진 또는 후진, 중립 및 주차 등을 실행할 수 있는 변속기에 해당한다고 볼 수 있다.
또한, 상기 제어부(40)는 전원공급을 위해 배터리 또는 외부전원 중 하나를 택일하여 사용하되, 상기 배터리의 경우 외부전원을 통해 충전 가능한 것을 특징으로 한다. 이러한 제어부(40) 상에 전원을 공급하기 위하여 배터리를 일체로 결합하여 사용할 수 있도록 하거나 외부에서 전원을 직접 연결하여 제어부(40)의 전원을 공급할 수 있도록 하는 것이다. 그리고, 상기 다단모터는 메인구동부(20)의 회생제동을 통하여 배터리를 충전할 수도 있다.
상기 다단모터는 교류모터의 동기모터 또는 유도모터 상에도 활용 가능한 것을 특징으로 한다. 이러한, 본원 발명의 다단모터는 유도 모터 및 동기 모터 등으로 사용할 수 있어 다양한 활용이 가능하다. 이러한, 교류모터의 동기모터와 유도모터는 카고형(squirrel-cage), 로터형(wound-rotor)의 유도모터와 로터형(wound-rotor), 영구자석형(PM-rotor), 리럭턴스형(reluctance)의 동기모터 상에 사용이 가능하다. 그리고, 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 자석(12)의 경우 도면 상에 도시된 위치 및 배치에 한정하지 않고 다양하게 형성가능하다.
이와 같이, 본 발명은 고속과 저속 및 회전력을 증가 또는 감소시킬 수 있어 전류를 효율적으로 사용가능하고, 보조 모터의 수를 통해 소, 중, 대형 등으로의 형성이 가능해져 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 적용분야에 사용가능한 효과를 제공한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
1: 동체 2: 브라켓
3: 프론트 커버 4: 리어커버
5: 볼트홀 6: 배선구
7: 냉각파이프홀 8: 고정링
10: 자력부 11: 스테이터 코일
12: 자석 13: 회전자
20: 메인구동부 30a, 30b, 30c: 보조구동부
31: 선기어 32: 유성기어
33: 링기어 35: 유성기어 어셈블리
37: 돌기 40; 제어부
41: 인코더 42: 인코더 검출기
43: 차속센서 44: 신호처리부
45: 전류감지센서 46: 출력부
50: 캐리어 51: 리데나
52: 스냅링 53: 리베트 핀
54: 와셔 55: 고정볼트홀
56:　볼트탭 57: 오일씰
58: 허브링 S: 샤프트
B, B': 제1, 2베어링 P: 냉각파이프
H: 하우징

Claims (9)

  1. 동체(1)의 샤프트(S) 상에 장착되어 동력을 발생시키는 모터에 있어서;
    상기 동체(1)의 하우징(H)과 내부에 고정된 스테이터 코일(11)을 구비하고, 상기 스테이터 코일(11)로부터 회전 가능하게 자석(12)을 개재하는 회전자(13)를 구비하는 자력부(10);
    상기 자력부(10)의 자석(12)을 개재하는 회전자(13)와 일체로 결합되고, 자력부(10)로부터 회전력을 전달받아 샤프트(S)를 회전시키는 메인구동부(20);
    상기 메인구동부(20)의 후방에 샤프트(S)를 수용하여 형성되고, 자력부(10)의 회전자(13) 중심부에 삽설하여 회전력을 통해 샤프트(S) 상에 선택적으로 회전력을 더욱 증가시키는 유성기어 어셈블리(35)를 구비하는 다수의 보조구동부(30a)(30b)(30c); 및
    상기 자력부(10)의 회전방향 및 회전속도와 자극위치를 파악하여 연산처리한 후, 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 출력값을 계산하여 자력부(10)로 전류를 인가하되, 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 근접하여 설치된 인코더 검출기(42)와 차속센서(43) 및 전류감지센서(45)로부터 얻어진 정보를 통해 연산처리부에서 처리한 신호를 PWM발생기로부터 발생된 펄스신호를 ECU(Electronic Control Unit)로 순차적 전송하고, ECU로부터 지령값을 DC/DC 컨버터와 인버터로 형성된 PCU로 전송하여 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 전류를 공급하는 제어부(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인구동부(20)와 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 내부에 회전력에 의해 발생되는 열을 냉각하도록 냉각파이프(P)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조구동부(30a)(30b)(30c)는 제어부(40)의 ECU(Electronic Control Unit)를 통해 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)를 개별적으로 온, 오프하여 선택 구동이 가능한 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어 어셈블리(35)는 샤프트(S) 상에서 일체로 회전하는 선기어(31)와, 상기 선기어(31)와 맞물려 회전하는 다수의 유성기어(32)와, 상기 유성기어(32)와 서로 맞물려 회전하는 링기어(33)를 구비하여 샤프트(S) 상에 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유성기어 어셈블리(35)는 자력부(10)로부터 회전력이 부가된 회전자(13)가 회전함으로 유성기어(32)의 회전을 멈춰 선기어(31)가 샤프트(S)와 동일 방향으로 회전하여 회전력을 증가하고, 자력부(10)로부터 전력이 차단된 회전자(13)의 멈춤으로 유성기어(32)는 링기어(33) 상에서 선기어(31)와 함께 공회전하여 샤프트(S)로부터 회전력을 차단하는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(40)는 메인구동부(20)의 회전자(13) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)의 유성기어 어셈블리(35) 상에 인코더(41)를 구비하고, 동체(1)의 하우징(H) 상에 고정되어 인코더(41)로부터 자력부(10)의 회전방향과 회전속도 및 자극위치를 감지하는 인코더 검출기(42), 전류감지센서(45), 차속센서(43) 및 배터리 콘트롤러를 구비하며, 인코더 검출기(42), 전류감지센서(45) 및 차속센서(43)로부터 검출한 신호를 연산처리하는 연산처리부와 연산처리한 신호를 펄스 신호로 전환하는 PWM발생기를 구비하는 신호처리부(44)를 구비하고, 상기 신호처리부(44)에서 발생한 펄스신호에 의하여 출력신호를 발생시키는 ECU를 구비하며, 상기 ECU의 신호에 의해 3상 교류전류를 발생시켜 메인구동부(20) 및 보조구동부(30a)(30b)(30c)로 보내면서 저전압을 생성하여 전달하는 DC/DC 컨버터를 구비하는 PCU와 보조구동부(30a)(30b)(30c) 상에 전류를 인가하게 IGBT를 개재하는 출력부(46)를 구비하고, 전류를 공급하기 위한 배터리 및 에너지 저장장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부(40)의 ECU는 신호처리부(44)의 펄스 신호에 의하여 출력신호를 발생시킴과 함께 키(Key)를 통한 전원 공급 및 차단신호와, 출력발생부의 구동신호와, 출력차단부의 정지신호 및 변속기 레버의 정회전, 역회전신호에 의해 출력신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(40)는 전원공급을 위해 배터리 또는 외부전원 중 하나를 택일하여 사용하되, 상기 배터리의 경우 외부전원을 통해 충전 가능한 것을 특징으로 하는 다단 모터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다단모터는 동기모터 또는 유도모터 상에도 활용 가능한 것을 특징으로 하는 다단 모터.
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