KR20010035552A - 동력바퀴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바퀴 자체가 동력을 갖도록 전동기 (또는 전동기 및 감속기)와 바퀴를 일체화한 동력바퀴에 관한 것으로서, 바퀴제어장치(1)의 제어하에, 전지(2)로부터 전원을 인가 받아 구동력을 발생시키는 매입형 영구자석 동기 전동기(3); 상기 전동기(3)의 출력을 적정 수준으로 감속시킨 후, 그 일단에 연결된 차체의 자동차 바퀴(5)에 각각 전달하는 감속기(7); 및 운전자로부터 입력된 조작 명령에 근거하여, 상기 과정을 총괄 제어하는 차량제어부(9)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 전동기(3) 및 감속기(7)는 상기 바퀴(5)와 동일축상에서 일체로 결합된 구조로 되어 있어, 경량화 및 고효율화를 달성함으로써, 동일한 전지 에너지를 이용하면서도 차량을 가능한 최장 거리로 운행할 수 있게 하며, 또한 다양한 사양의 동력 바퀴를 미리 제작하여 두면 사용하고자 하는 차량의 제원에 맞는 동력바퀴를 선정하여 탑재함으로써 원하는 운전 성능을 구비한 전기 자동차나 지게차, 골프카 등을 보다 용이하게 제작할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Description

동력바퀴{Dynamics Wheel}

본 발명은 동력바퀴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자동차 등의 차량바퀴에 동축상으로 일체 연결되어, 자체 발생된 동력을 적정하게 감속하여 바퀴에 직접 전달함으로써 보다 고효율의 동력전달이 가능할 수 있도록 하기 위하여, 동력발생 및 전달장치가 차량바퀴에 일체화 된 동력바퀴에 관한 것이다.

전세계적으로 승용차, 상용차 등 차량의 수가 급격히 증가됨에 따라, 자동차에서 배출되는 이산화탄소와 질소산화물 및 휘발성 유기 산화물 등의 배기가스로 인하여 지구의 대기가 급격히 오염되고, 지구 온난화가 계속되고 있는바, 그 대책으로 90년대 초반부터 전기 자동차 등 전기를 동력원으로 하는 자동차에 대한 관심이 높아져서 현재 국내외적으로 많은 연구가 이루어지고 있다.

전기 자동차는 크게 볼 때 차체와 동력을 발생시키는 추진부로 구성되는데, 이 중 상기 추진부는 전원을 공급하는 전지와; 상기 전지에 의해 공급되는 전원을 이용하여 동력을 발생시키는 전동기; 및 상기 전동기를 적절히 제어하여 발생된 동력을 필요한 곳에 공급하는 전동기 제어장치로 구성된다.

이 중 연구자들의 관심이 집중되는 분야는 상기 전동기 및 상기 전동기 제어장치이며, 그 중에서도 전기 자동차의 연비를 향상시키기 위한 경량화 연구 내지는 출력밀도 향상연구, 즉 한정된 전지의 에너지를 이용하여 보다 더 멀리 운행할 수 있도록 추진부를 구성하는 액츄에이터(Actuator) 자체의 효율을 높이는 한편, 무게는 가볍게 만들기 위한 연구가 그 핵심을 이루고 있는 것이다.

한편, 상기 추진부의 종류에는, 사용되는 전동기의 수에 따라 분류해 볼 때, 전동기를 1대만 이용하는 집중식 형태와, 전동기를 2대 또는 4대 이용하는 분산형 형태가 있는바, 그 동안의 국내외 연구는 주로 집중식 형태에 관심을 보이고 있고, 분산구조인 다중 전동기에 의한 전기 자동차 개발에는 연구가 미흡한 상태이다.

종래의 전기 자동차는, 발생된 동력을 각각의 바퀴에 전달하기 위하여, 일단 전동기의 출력축에 감속기를 고정구비한 후, 상기 감속기에 의해 적정 속도로 감속된 동력을 차동기어를 통해 좌우측 바퀴로 각각 분배함으로써, 동력축의 출력이 바퀴까지 전달되도록 하는 구조를 가지고 있었다.

그러나, 상기와 같이 엔진과 전동기를 각각 1대씩만 사용하는 종래의 전기 자동차는, 대부분의 경우 직류 전동기나 유도 전동기를 사용함에 따라 효율 및 출력비 면에서 상대적으로 낮다는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 상기 전동기에서 발생된 후 상기 감속기에 의해 감속된 동력이 상기 차동기어를 반드시 거쳐야만 최종적으로 바퀴에 전달되었으므로, 전달 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 차량바퀴는 추진력을 가지는 다른 액츄에이터 등의 출력을 간접적으로 전달받아 회전하였던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 동일한 전지 에너지를 이용하면서도, 전기 자동차나 이와 유사한 구조를 가지는 골프카, 지게차 등의 차량을 가능한한 최장 거리로 운행할 수 있도록 하는 고효율·초경량의 동력바퀴를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 동력바퀴를 적용한 전기 자동차의 개략적인 구성을 도시한 것이고,

도 2는 도 1에 도시된 차량바퀴(5)와 감속기(7) 및 매입형 영구자석 동기 전동기(3)를 포함하여 구성된 동력바퀴의 일 실시예를 도시한 분해 사시도이고,

도 3은 도 2의 상기 매입형 영구자석 동기 전동기(3)의 분해 사시도이고,

도 4는 도 3의 고정자 철심을 도시한 사시 사진이고,

도 5는 도 3의 결합상태를 도시한 부분절개 단면도이고,

도 6은 도 2에 도시된 상기 감속기(7)의 분해 사시도이고,

도 7은 도 6에 도시된 캐리어 본체 및 덮개(73a, 73b)만을 도시한 측면 사진이고,

도 8은 도 7의 캐리어(73a, 73b) 내부에 도 6의 태양기어(71) 및 유성기어(72)를 결합한 상태를 도시한 사시 사진이고,

도 9는 본 발명에 따른 동력바퀴의 동력발생 및 동력 전달을 위한 전체 구성들의 결합장치가 일반 바퀴의 제어부와 결합된 상태를 도시한 사진이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 바퀴제어장치 2 : 축전지

3 : 전동기 5 : 차량바퀴

7 : 감속기 9 : 차량제어부

31 : 고정자 철심 32 : 권선코일

33 : 내부 프레임 34 : 영구자석

35 : 회전자 철심 36 : 회전축

37 : 외부 프레임 38 : 전면 커버

39 : 후면 커버 71 : 태양(sun) 기어

72 : 유성(planetary) 기어 72a : 유성기어 결합구

73a, 73b : 캐리어 본체 및 덮개 74 : 내접 스퍼어 기어

75 : 기어 케이스 75a, 75b : 바퀴 결합부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동력바퀴는, 차량의 바퀴에 회전 동력을 전달하기 위한 장치에 있어서, 상기 바퀴의 회전축과 동일축 상에서 직접 연결되는 회전 구동축을 갖되, 상기 회전 구동축을 구동시켜 상기 바퀴에 회전동력을 전달하는 동력발생수단; 및 상기 동력발생수단과 동일축 상에서 일체로 결합되되, 상기 회전 구동축의 회전속도를 기 설정된 비율로 감속하여 상기 바퀴에 전달하는 감속수단을 포함하여 구성되는 것에 그 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 동력바퀴에서는, 상기 동력발생수단으로 매입형 영구자석 전동기를 사용함과 아울러, 이에 의해 발생된 회전 구동력이 별도의 중간 회전축 없이 상기 감속수단만을 거쳐 직접 차량바퀴에 전달되므로 고효율을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 동력바퀴의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 동력바퀴를 적용한 전기 자동차의 개략적인 구성을 도시한 것으로서, 바퀴제어장치(1)의 제어하에, 전지(2)로부터 전원을 인가받아 구동력을 발생시키는 매입(埋入) 형 영구자석 동기 전동기(3); 상기 전동기(3)의 출력을 적정 수준으로 감속시킨 후, 그 일단에 연결된 차체의 바퀴(5)에 전달하는 감속기(7); 및 운전자로부터 입력된 조작 명령에 근거하여, 상기 과정을 총괄제어하는 차량제어부(9)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 전동기(3) 및 감속기(7)는 도면에 도시된 바와 같이, 상기 바퀴(5)와 동일축상에서 상호 일체로 결합된 구조로 되어 있다. 상기 전동기(3)의 정격은 47Nm, 22kW, 4000rpm, 최대치는 120Nm, 60kW, 7500rpm의 것을 사용하였으며, 상기 감속기(7)의 감속비는 약 6:1이 되도록 구성하였으며, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기(3)는 유도 전동기나 동기 전동기 또는 브러쉬레스(brushless) 전동기 등 다양하게 대체 가능하다.

도 2는 도 1에 도시된 상기 차량바퀴(5)와 감속기(7) 및 매입형 영구자석 동기 전동기(3)를 구비하는 동력바퀴의 일 실시예를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 상기 매입형 영구자석 동기 전동기(3)의 분해 사시도로서, 내주측을 따라 방사상으로 다수의 슬롯(slot)이 형성된 고정자 철심(31)(도 4 참조); 상기 슬롯에 삽입권취된 권선코일(32); 상기 권선코일(32)이 삽입권취된 상기 고정자 철심(31)이 내부에 장착되는 내부 프레임(33); 상기 고정자 철심(31)의 내측 공간부에 회전가능하도록 구비되되, 영구자석(34)이 4개 매입되어 있는 회전자 철심(35); 상기 회전자 철심(35)의 중공부에 삽입고정되어 상기 회전자 철심(34)과 일체로 회전하는 회전축(shaft)(36); 상기 내부 프레임(33) 외측에 구비되는 외부 프레임(37); 및 상기 외부 프레임(37)의 전/후면을 밀폐하는 전면 커버(38) 및 후면 커버(39)를 포함하여 구성되어 있으며, 도 5는 도 3의 결합상태 부분절개 단면도이다.

도 6은 도 2에 도시된 상기 감속기(7)의 분해 사시도로서, 상기 전동기(3) 회전축(36)의 일단에, 상기 회전축(36)과 일체로 회전가능하도록 고정결합되는 태양기어(sun gear)(71); 상기 태양기어(71)의 외주면에서, 상기 태양기어(71)와 이가 맞물리도록 구비되어, 상기 태양기어(71)의 회전시 그 외주면을 따라 연동회전하는 유성기어(planetary gear)(72); 상기 태양기어(71) 및 유성기어(72)가 내장결합되되, 유성기어 결합구(72a)에 의해 상기 유성기어(72)와 일체로 회전가능하도록 결합되어, 상기 전동기(3)에 의해 발생된 회전 구동력을 소정 속도로 감속하여 상기 차량바퀴(5)에 전달하기 위한 중간 매개역할을 수행하는 캐리어의 본체 및 덮개(73a, 73b); 상기 유성기어(72)의 연동회전시 공전(公轉)경로를 제공하는 스퍼어기어(74); 및 상기 구성요소들이 내측에 삽입구비되되, 일측에는 상기 차량바퀴(5) 내측과 대응결합하기 위한 다수의 바퀴결합부(75a)가 형성된 기어 케이스(75)를 포함하여 구성되어 있으며, 도 7은 상기 캐리어 본체 및 덮개(73a, 73b)만을 도시한 측면 사진이고, 도 8은 도 7의 캐리어(73a, 73b) 내부에 상기 태양기어(71) 및 유성기어(72)를 결합한 상태를 도시한 사시 사진이며, 도 9는 본발명에 따른 동력바퀴의 동력발생 및 동력 전달을 위한 전체 구성요소( 즉, 도 3 및 도 6의 전체 구성의 결합장치 )가 일반바퀴의 제어부와 결합된 상태를 도시한 사진이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 동력바퀴의 동력 전달 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 운전자가 가속 페달(accelerator padal)이나 감속 페달(brake pedal) 등을 밟는 등의 동작을 취하면, 상기 차량제어부(9)는 이를 감지하여 상기 바퀴제어장치(1)에 감지된 동작에 해당하는 신호를 인가하며, 상기 바퀴제어장치(1)는 인가된 신호에 근거하여, 상기 고정자 권선(12)에 교류 전원을 인가하고, 이에 따라 상기 고정자 철심(31)에 주기적으로 변하는 자극이 생성되게 된다.

이와 같이 생성된 자극과, 상기 고정자 철심(31)의 내부에 구비된 상기 회전자 철심(35)에 매입된 상기 영구자석(34)의 자극 사이에는 자극의 변화에 따라 인력 및 척력이 번갈아 가면서 작용하고, 이 힘에 의해 상기 회전자 철심(35)이 고속으로 회전하게 되어 회전 구동력을 얻을 수 있게 된다.

고속으로 회전하는 상기 회전자 철심(35)의 회전 구동력은 그 내부에 일체로 끼움결합된 상기 회전축(36)을 거쳐, 그 끝단 동일축 상에 결합된 상기 캐리어(19)를 통해 상기 감속기(7)에 전달된다.

상기 감속기(7)는 상기 태양기어(71), 상기 유성기어(20) 및 상기 내접 스퍼어 기어(74)를 이용하여 적절한 수준의 감속이 이루어지도록 설계되어 있는바, 그 감속이 이루어지는 과정에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.

상기 전동기 회전축(35)이 고속으로 회전하기 시작하면, 상기 회전축(35)에 고정결합되어 일체로 회전하는 상기 태양기어(71) 역시 동일 속도로 회전하고, 이에 따라 상기 태양기어(71)에 이가 맞물려 있는 상기 유성기어(72)는 상기 태양기어(71)의 회전에 연동되어 자전(自轉)함과 동시에, 상기 태양기어(71)의 축을 중심으로 상기 스퍼어 기어(74)의 내주면을 따라 공전(公轉)한다.

이때, 상기 태양기어(71)의 잇수를 상기 내접 스퍼어 기어(74)의 잇수 보다 작도록 형성하면, 그 잇수 비(比)에 해당하는 만큼의 감속이 이루어지게 되는바, 본원발명은 상기에서 설명한 바와 같이 약 6:1의 감속비를 갖도록, 상기 내접 스퍼어 기어(74)의 잇수를 보다 많이 형성하였으며, 따라서 최종적으로 상기 차량바퀴(5)에 전달되는 회전력은 상기 전동기(3)의 최초 회전속도에 비해 소정 정도 감속된 속도가 전달되며, 따라서 감속비 만큼 큰 토크를 얻을 수 있게 되는 것이다.

베벨기어를 사용하는 종래의 일반적인 감속기는 효율이 90% 미만이어서 손실되는 에너지가 많은 것은 물론, 동력전달 축이 어긋남에 따라 구조가 복잡해지는 단점이 있었으나, 본 발명에서는 상기 감속기(7)에 상기 유성기어(20)를 사용함으로써 효율을 약 98%까지 올릴 수 있었으며, 또한 동력전달 축도 동일축 상에 형성함으로써 약 95%의 고효율화를 달성할 수 있게 되어, 상기 차량바퀴(5)까지의 동력전달효율을 극대화하여 경량화 및 고효율화를 달성할 수 있게 된다.

상기 차량바퀴(5) 두 개에 본 발명에 따른 동력전달장치가 구비된 동력바퀴에 의하면, 차량 전체 무게 1686kg(축전지 400kg 및 운전자 70kg 포함)에 대해, 평균시속 60km/h, 최고시속 130km/h, 정지상태에서 100km/h 까지의 가속능력 약 21초의 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명에 따른 동력바퀴는 일반적인 전기 자동차에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 그 밖에 골프카, 지게차, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 휠체어, 전기 버스, 전기 트력, 완구용 자동차 등 다양한 종류의 차량에 적용하는 것이 가능하다.

상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 동력바퀴는, 동력발생 및 전달장치가 차량바퀴에 일체화되어 경량화 및 고효율화를 달성함으로써, 동일한 전지 에너지를 이용하면서도 차량을 가능한 최장 거리로 운행할 수 있게 하며, 또한 동력전달장치가 부착된 다양한 사양의 동력바퀴를 미리 제작하여 두면 사용하고자 하는 차량의 제원에 맞는 바퀴를 선정하여 탑재함으로써 원하는 운전 성능을 구비한 전기 자동차나 지게차, 골프카 등을 보다 용이하게 제작할 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 차량용 바퀴;

   상기 바퀴의 회전축과 동일축 상에서, 상기 바퀴에 일체로 결합되어, 상기 바퀴의 회전 구동력을 발생시키는 동력발생수단; 및

   상기 동력발생수단에 의해 발생된 회전 구동력을 기 설정된 비율로 감속하여 상기 바퀴에 전달하는 감속수단을 포함하여 구성되는 동력바퀴.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력발생수단은 매입형 영구자석 전동기인 것을 특징으로 하는 동력바퀴.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력발생수단은 유도 전동기인 것을 특징으로 하는 동력바퀴
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력발생수단은 브러쉬레스(brushless) 전동기인 것을 특징으로 하는 동력바퀴
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 감속수단은 유성기어를 사용하여 감속하는 것을 특징으로 하는 동력바퀴.
6. 차량의 바퀴에 회전 동력을 전달하기 위한 장치에 있어서,

   상기 바퀴의 회전축과 동일축 상에 직접 연결되는 회전 구동축을 갖되, 상기 회전 구동축을 구동시켜 상기 바퀴에 회전동력을 전달하는 동력발생수단을 포함하여 구성되는 동력바퀴의 동력전달장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 동력발생수단과 동일 축 상에서 일체로 결합되되, 상기 회전 구동축의 회전속도를 기 설정된 비율로 감속하여 상기 바퀴에 전달하는 감속수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동력바퀴의 동력전달장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 동력발생수단은 매입형 영구자석 전동기인 것을 특징으로 하는 동력바퀴의 동력전달장치.