KR20180132505A - 전기차량용 구동장치 - Google Patents

Abstract

차량의 주행상황에 따라 최적의 동력을 구현할 수 있게 여러 개의 동력 특징을 가지며, 차량의 운전 조건에 따라 효율적인 운전을 가능하게 하는 전기 차량용 구동장치가 개시된다. 상기 구동장치는, 내부에 수납공간이 구비된 하나의 하우징; 상기 하우징의 길이방향으로 회전 가능하게 연장하는 구동축; 상기 구동축에 상기 길이 방향을 따라 이격 배치되어 동축 결합하는 모터; 및 상기 구동축의 일단에 설치되는 라쳇 클러치를 포함한다.

Description

전기차량용 구동장치{Driving apparatus for electric vehicle}

본 발명은 차량의 주행상황에 따라 최적의 동력을 구현할 수 있게 여러 개의 동력 특징을 가지며, 차량의 운전 조건에 따라 효율적인 운전을 가능하게 하는 전기 차량용 구동장치에 관한 것이다.

전기 차량은 하나의 전기 모터로 모든 동력을 구현하여 주행성능을 확보하기 때문에 전기 모터는 자동차를 주행할 수 있도록 충분히 큰 용량이어야 하고 가속성능 및 등판능력을 구현하기 위해 다단 변속기를 사용하게 된다.

하나의 전기 모터를 사용할 경우, 주행상황에 따라 모든 주행패턴을 만족하도록 대용량의 모터를 사용하게 되는데, 일반주행 상황에서는 모터 성능의 일부만을 사용함으로써 에너지 효율이 저하되고 불필요한 동력을 소비하게 된다.

이를 해결하기 위해, 가령 대한민국등록특허공보 제10-1454870호에서는, 두 개의 모터를 병렬로 설치하는 병렬 방식이 사용되고 있으나, 병렬 방식은 두 개의 모터를 별개의 구조로 연결 배치함으로써 장착 공간을 넓게 차지함과 더불어 중량 증가로 효율이 떨어짐과 더불어 제조비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 두 개의 모터를 병렬로 설치한 경우, 하나의 기어박스에 두 개의 모터가 각각 연결되는 구조인 바, 두 개의 모터를 같은 회전수로 동기화시킬 경우 구동력의 충격이 발생하며 이로 인해 동력손실과 소음이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 국내등록특허공보 제10-1667974호에서도 구동케이스 내측에 별도의 회전력을 발생시키는 제1회전자와 제1고정자, 및 제2회전자와 제2고정자를 설치한 상태로 제1동력전달부와 제2동력전달부가 각각의 회전력을 구동축으로 선택적으로 전달되게 하는 전기 차량용 구동장치를 개시하고 있으며, 이 특허에 의하면, 전기 차량의 주행조건에 맞게 최적의 주행 성능을 구현할 수 있음과 더불어 구조가 간단하여 전기 차량에 장착시 장착공간을 작게 차지함으로 인해 설치작업을 용이하게 할 수 있다는 이점을 갖는다.

그러나 전자석과 아우터플레이트/이너플레이트, 및 복귀 스프링을 적용함으로써, 제1 및 제2동력전달부의 구조가 복잡하고 플레이트 간의 마찰에 의해 동력전달이 효율적으로 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고 동력 전달의 효율성이 향상된 전기 차량의 구동장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 일방향 클러치를 개재하여 구동축과 연결되는 모터에서 모터의 후진 방향의 회전력이 라쳇 클러치를 통해 구동축에 전달되도록 할 수 있는 전기 차량의 구동장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 내부에 수납공간이 구비된 하나의 하우징; 상기 하우징의 길이방향으로 회전 가능하게 연장하는 구동축; 상기 구동축에 상기 길이 방향을 따라 이격 배치되어 동축 결합하는 모터; 및 상기 구동축의 일단에 설치되는 라쳇 클러치를 포함하며, 상기 모터는, 상기 구동축에 결합하여 상기 모터의 회전력을 선택적으로 상기 구동축에 전달하는 일방향 클러치; 상기 클러치를 개재하여 상기 구동축에 결합하고 외주면에 영구자석이 설치된 회전자; 및 상기 회전자에 대응하여 상기 회전자와 이격되어 상기 하우징의 내면에 설치된 고정자로 구성되고, 상기 라쳇 클러치는, 상기 구동축의 일단으로부터 내부에 형성된 삽입 홈에 순차로 삽입되는 복구 스프링와 라쳇 샤프트; 상기 하우징의 외측에 설치되고, 구동 샤프트가 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 라쳇 샤프트를 밀어주도록 하는 액추에이터; 상기 구동축의 외부에서 상기 구동축을 통과하여 상기 라쳇 샤프트에 결합하고, 상기 구동축을 따라 상기 길이방향으로 이동 가능한 라쳇 키; 및 상기 회전자에 결합되어 회전하고, 상기 라쳇 키가 선택적으로 결합하는 다수의 티스(teeth)가 형성된 라쳇 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 구동장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 티스는 걸림면과 경사면을 구비하고, 상기 걸림면이 상기 라쳇 키를 접촉 가압하도록 상기 라쳇 키가 상기 라쳇 기어와 결합하면, 상기 회전자의 회전이 상기 라쳇 기어와 상기 라쳇 키를 통하여 상기 구동축에 전달된다.

바람직하게, 상기 라쳇 키는 상기 구동축을 기준으로 서로 반대방향으로 연장하여 한 쌍으로 구성될 수 있다.

상기의 구성에 의하면, 상기 모터가 일방향 클러치를 개재하여 구동축과 연결되는 구조임에도, 모터의 후진 방향의 회전력이 라쳇 클러치를 통해 구동축에 전달되어 구동축이 후진 방향으로 회전함으로써 바퀴가 후진하여 목적한 위치로 이동하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 차량용 구동장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 차량의 후진과 회생 발전을 위한 구동장치를 보여준다.
도 3(a)과 3(b)은 라쳇 기어의 일 예를 나타낸다.
도 4(a)와 4(b)는 라쳇 클러치의 동작 전과 후를 각각 보여준다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 차량용 구동장치를 나타낸다.

하우징(10) 내부에서 도면의 좌측에서 우측으로 이어지는 길이방향을 따라 구동축(20)이 연장하며, 하우징(10)과의 접촉 부분에 각각 베어링(30, 32)이 개재된다.

하우징(10) 내부의 수납공간에는 한 쌍의 영구자석 모터(100, 200)가 구동축(20)에 동축 결합되어 직렬로 배치된다. 이 실시 예에서는 2개의 모터(100, 200)를 예로 들고 있지만, 이에 한정되지 않는다.

영구자석 모터(100, 200)는 각각 회전자(120, 220)와 회전자(120, 220)에 결합된 영구자석(130, 230), 그리고 영구자석(130, 230)으로부터 일정 간격 이격되어 회전자(120, 220)를 따라 하우징(10) 내측면에 설치된 고정자(110, 210)로 구성된다. 미설명부호 112, 212는 각각 고정자 코일을 나타낸다.

도 1에 나타낸 것처럼, 영구자석(130, 230)은 회전자(120, 220)의 외측 단면에 붙일 수 있는데, 이와 달리 외측 단면 내부에 매립할 수 있다.

고정자 코일(112, 212)은 외부로 돌출된 높이가 최소화될 수 있는 권선방법, 가령 전개형 코어에 직권선 또는 헤드핀 방식을 사용할 수 있다.

이 실시 예에 의하면, 각 회전자(120, 220)는 일방향 클러치(140, 240)를 개재하여 구동축(10)에 결합된다.

일방향 클러치(140, 240)는 말 그대로 한쪽 방향으로만 회전하는 클러치를 말하며, 클러치의 구성을 구비하여 회전자(120, 220)와 구동축(10) 간에 차량이 전진하는 방향의 회전력을 전달 또는 분리하는 기능을 수행한다.

일방향 클러치(140, 240)는, 가령 베어링을 개재하여 동축 결합하는 내륜(142)과 외륜(144)으로 구성되며, 잘 알려진 것처럼, 내륜(142)과 외륜(144)이 다양한 구조를 구비할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구조를 갖는 전기 차량용 구동장치의 동작에 대해 설명한다.

각 영구자석 모터(100, 200)는 하나의 MCU(Motor Control Unit)와 TCU(Torque Control Unit)에 의해 제어되며, 동일전압과 동일주파수로 주행조건에 맞게 제어되어 차량을 주행하도록 하는 것으로 가정한다.

다시 말해, 하나의 MCU와 모터 중간에 TCU가 설치되어 TCU가 모터(100, 200)를 선택하여 회전을 시키는데, TCU는 모터의 구동축(20)의 토크와 연계되어 최적의 모터를 선택하고 운전하게 한다.

모터(100)의 출력을 32㎾로 가정하고, 모터(200)의 출력을 56㎾로 가정하여 구성한다.

회전자(120, 220)와 구동축(20) 사이에 개재되는 일방향 클러치(140, 240)에서, 내륜(142, 242)은 구동축(20)과 구속된 관계이고, 외륜(144, 244)은 회전자(120, 220)와 구속된 상태에서 회전력을 전달하거나 분리 기능을 수행한다.

모터(100)에 전원을 인가하여 32㎾의 출력으로 낮은 토크 주행을 하여 전기에너지 소모를 최적화시킬 때, 모터(200)는 전원 차단 상태인데, 구동축(20)의 속도가 모터(200)의 회전자(220)보다 높으므로 일방향 클러치(240)에 의해 회전자(220)는 회전정지 상태를 유지한다.

이때, 모터(200)의 고정자(210)와 회전자(220)의 영구자석(230)은 강한 자력으로 억지구속상태가 유지되어 회생발전을 할 수 없다.

중간 토크의 운전조건이 요구되면 모터(200)에 전원을 인가하는데, 모터(100)와 동일한 전압과 주파수로 통전되므로 모터(100)와 동일한 회전속도로 상승하여 회전력이 구동축(20)에 전달된다.

이어, 모터(100)에 인가되던 전원이 차단되어 모터(100)의 고정자(110)와 영구자석(130) 간의 강한 자력에 의해 모터(100)가 정지되고, 전원이 인가된 모터(200)으로부터의 56㎾의 출력으로 중간 토크 주행을 하게 된다.

여기서, 전원이 차단된 모터(100)의 회전자(120)의 속도보다 구동축(20)의 회전속도가 높으므로 일방향 클러치(140)에 의해 구동축(20)과 회전자(120)가 분리된다.

한편, 높은 토크 주행을 하고자 하는 경우, 모터(100)에 전원을 인가하면, 상기한 것처럼, 모터(200)와 동일한 전압과 주파수로 통전되므로 모터(200)와 동일한 회전속도로 상승하고, 그 결과 일방향 클러치(140)에 의해 구동축(20)과 회전자(120)가 결합되어 모터(100)의 회전력이 구동축(20)에 전달된다.

결과적으로, 모터(100)로부터의 32㎾의 출력과 모터(200)로부터의 56㎾ 출력이 합해져 88㎾의 출력으로 토크 주행을 하게 된다.

종래, 일 예로, 영구자석 모터를 적용한 현대자동차의 아이오닉(상표명) 자동차의 경우, HV(Hybrid Vehicle) 차량의 구동모터는 32㎾이고, EV(Electric Vehicle) 차량의 구동모터는 88㎾이다. HV 차량은 시내주행과 낮은 토크 영역에서 운전성능에 문제가 없고 연비 성능이 매우 우수하며, EV 차량은 모든 범위의 토크를 만족하여 주행성능이 아주 좋으나 주행거리가 부족한 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 구동장치는 적용할 경우, 하나의 하우징 내에 두 개의 모터를 동축으로 직렬 연결함으로써, 낮은 토크에서 32㎾로 주행하고, 중간 토크에서는 56㎾로 자동 전환되어 주행 후 높은 토크가 요구되는 운전조건이 발생하면 32㎾ ＋ 56㎾ = 88㎾ 조건으로 전환되어 주행성능을 완벽히 만족시킬 수 있다.

또한, 두 개의 영구자석 모터가 물리적 충돌을 하거나 불필요한 회생발전으로 생길 수 있는 문제를 일방향 클러치를 사용하여 해결할 수 있으며, 차량의 주행조건에 맞는 최적의 모터가 작동하므로 배터리 에너지 절감 및 주행거리 연장이 가능하다.

상기의 일 실시 예는 차량이 전진하는 방향에 대응하여 설치된 일방향 클러치에 의해 후진과 회생 발전이 불가능한 구조이므로 운전조건에 따라 후진과 회생발전이 가능한 구조가 추가될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 차량의 후진과 회생 발전을 위한 구동장치를 보여준다.

구동축(20)의 일단에 라쳇 클러치가 설치되는데, 라쳇 클러치는 일방향 클러치(140)의 동작을 간섭하지 않도록 설치된다.

구동축(20)의 일단으로부터 내부에 삽입 홈(22)이 형성되고, 이 삽입 홈(22)에 복구 스프링(350), 라쳇 샤프트(320) 및 액추에이터 구동 샤프트(310)가 순차로 끼워진다.

삽입 홈(22)의 입구에는, 가령 이탈방지 플레이트(미도시)를 설치하여 최후장의 라쳇 샤프트(320)가 삽입 홈(22)으로부터 이탈되지 않도록 할 수 있다.

액추에이터 구동 샤프트(310)는 모터형 또는 솔레노이드형 액추에이터(300)로부터 돌출되는데, 액추에이터(300)에 인가되는 전원에 의해 전진 또는 후진 구동을 하는데, 전진 구동에 의해 라쳇 샤프트(320)에 힘을 가한다.

라쳇 키(330)의 일단은 구동축(20)의 외측으로부터 구동축(20)을 통과하여 라쳇 샤프트(320)에 결합하는데, 라쳇 키(330)에 대응하는 구동축(20)의 부분에는 라쳇 키(300)의 이동을 위한 관통 홈(미도시)이 형성된다.

바람직하게, 라쳇 키(330)는 구동축(20)을 기준으로 서로 반대방향으로 연장하여 한 쌍으로 구성된다.

모터(100)의 회전자(120)에 라쳇 기어(340)의 결합 돌기(342)가 끼워져 고정되는데, 회전자(120)의 회전에 따라 같이 회전하게 된다.

도 3(a)과 3(b)은 라쳇 기어의 일 예를 나타낸다.

라쳇 기어(340)는 원형으로 형성될 수 있으며, 내부 가장자리를 따라 다수 개의 기어 티스(teeth)(344)가 형성되는데, 이 예에서는 4개의 티스가 형성된다.

여기서, 각 티스(344)는, 도 3(b)에 나타낸 것처럼, 경사면과 걸림면을 구비한다.

도 3(a)과 3(b)을 참조하면, 라쳇 기어(340)가 B 방향(후진 방향)으로 회전하면 라쳇 키(330)가 티스(344)의 걸림면에 접촉하여 라쳇 기어(340)의 회전력이 라쳇 키(330)를 통하여 구동축(20)에 전달된다. 반면, 라쳇 기어(340)가 A 방향(전진 방향)으로 회전하면 라쳇 키(330)가 티스(344)의 경사면에 접촉하여 티스(344)로부터 이탈되어 라쳇 기어(340)의 회전력이 구동축(20)에 전달되지 않는다. 이에 대해서는 후술한다.

이하, 상기의 구조를 갖는 구동장치의 라쳇 클러치에 의한 후진 동작에 대해 설명한다.

도 4(a)와 4(b)는 라쳇 클러치의 동작 전과 후를 각각 보여준다.

라쳇 클러치에서 후진 또는 회생발전 이외에 액추에이터의 작동이 정지된 상태를 유지한다. 따라서, 도 4(a)와 같이, 액추에이터(300)가 작동하지 않으면, 최초 위치에서 라쳇 키(330)는 라쳇 기어(340)와 결합하지 않는다.

본 발명의 후진 메커니즘을 요약하면, 후진시 모터 회전자의 회전력이 라쳇 클러치를 통해 구동축에 전달되어 차량이 이동하며, 이때 회전자와 결합된 일방향 클러치는 구조적 특징에 의해 물림상태가 해제되어 회전하지 않는다.

차량이 정지한 상태에서 후진을 위해 후진 스위치를 작동시키면 모터(100)가 후진 방향(도 3(a)의 B 방향)으로 회전하는데 일방향 클러치(140)에 의해 구동축(20)은 회전하지 않는다.

이때, 도 4(b)와 같이, 액추에이터(300)가 작동하면서 액추에이터 구동 샤프트(310)가 전진하면서 라쳇 샤프트(320)를 밀게 되고, 라쳇 샤프트(320)에 결합된 라쳇 키(330)가 회전자(120)에 고정된 라쳇 기어(340)에 삽입된다.

상기한 것처럼, 라쳇 기어(340)가 후진 방향(B 방향)으로 회전하면 라쳇 키(330)가 티스(344)의 걸림면에 접촉 가압하여 라쳇 기어(340)의 회전력이 라쳇 키(330)를 통하여 구동축(20)에 전달된다.

그 결과, 모터(100)의 후진 방향의 회전력은 라쳇 기어(340), 라쳇 키(330)를 통해 구동축(20)에 전달되어 구동축(20)이 후진 방향으로 회전함으로써 바퀴가 후진하여 목적한 위치로 이동한다.

여기서, 라쳇 키(300)와 라쳇 기어(340)의 역방향 기어 결합은 정지된 상태와 낮은 회전속도로 안전하게 진행되어 후진이 이루어진다.

후진 완료 후, 전진을 위해 차량 기어를 변경하면 액추에이터(300)가 정지되고 라쳇 기어(340)가 전진 방향(A 방향)으로 회전하여 라쳇 키(330)가 티스(344)의 경사면에 접촉하여 티스(344)로부터 이탈되는데, 이때 복구 스프링(350)의 복원력에 의해 라쳇 키(300)와 라쳇 샤프트(320)는 최초 위치로 복귀하여 다음 명령을 대기한다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 발명에 의하면 단순하고 강한 구조에 의해 후진과 전진이 발생하므로 상용화 기술로 최고의 가치를 갖는다.

전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 하우징
20: 구동축
30, 32: 베어링
100, 200: 모터
110, 210: 고정자
120, 220: 회전자
130, 230: 영구자석
140, 240: 일방향 클러치

Claims (3)

1. 내부에 수납공간이 구비된 하나의 하우징;
   상기 하우징의 길이방향으로 회전 가능하게 연장하는 구동축;
   상기 구동축에 상기 길이 방향을 따라 이격 배치되어 동축 결합하는 모터; 및
   상기 구동축의 일단에 설치되는 라쳇 클러치를 포함하며,
   상기 모터는,
   상기 구동축에 결합하여 상기 모터의 회전력을 선택적으로 상기 구동축에 전달하는 일방향 클러치;
   상기 클러치를 개재하여 상기 구동축에 결합하고 외주면에 영구자석이 설치된 회전자; 및
   상기 회전자에 대응하여 상기 회전자와 이격되어 상기 하우징의 내면에 설치된 고정자로 구성되고,
   상기 라쳇 클러치는,
   상기 구동축의 일단으로부터 내부에 형성된 삽입 홈에 순차로 삽입되는 복구 스프링와 라쳇 샤프트;
   상기 하우징의 외측에 설치되고, 구동 샤프트가 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 라쳇 샤프트를 밀어주도록 하는 액추에이터;
   상기 구동축의 외부에서 상기 구동축을 통과하여 상기 라쳇 샤프트에 결합하고, 상기 구동축을 따라 상기 길이방향으로 이동 가능한 라쳇 키; 및
   상기 회전자에 결합되어 회전하고, 상기 라쳇 키가 선택적으로 결합하는 다수의 티스(teeth)가 형성된 라쳇 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 구동장치.
2. 청구항 1에서,
   상기 티스는 걸림면과 경사면을 구비하고,
   상기 걸림면이 상기 라쳇 키를 접촉 가압하도록 상기 라쳇 키가 상기 라쳇 기어와 결합하면, 상기 회전자의 회전이 상기 라쳇 기어와 상기 라쳇 키를 통하여 상기 구동축에 전달되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 구동장치.
3. 청구항 2에서,
   상기 라쳇 키는 상기 구동축을 기준으로 서로 반대방향으로 연장하여 한 쌍으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 구동장치.
   
   
   
   
   
   

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