변속이 가능한 인휠 구동 시스템 개발에 관한 연구

Abstract

본 논문은 전동 스쿠터 등 개인용 운송 수단에 이용될 수 있는 부드러운 자동 변속이 가능하도록 설계된 인휠(in-wheel) 구동 시스템에 관한 내용이다. 전동 구동 시스템의 효용성을 높이기 위해 휠 안에 구동 시스템을 설치하여 동력 전달 메커니즘에서의 손실을 줄이고 공간 사용성을 높이기 위한 연구가 계속되고 있다. 하지만 기존에 개발된 대부분의 인휠 구동 시스템은 변속 메커니즘이 적용되지 않아 넓은 주행 속도 범위에서의 효율이 높지 못하다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해서는 구동에 이용되는 모터가 넓은 속도 범위에서 효율이 높은 영역에서 동작할 수 있도록 기계적인 변속 메커니즘이 사용되어야 한다. 본 논문의 연구는 유성 기어와 캠클러치(Cam Clutch)를 이용한 소형 고출력 인휠 구동 메커니즘을 설계하고 개발된 구동 시스템의 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 기존의 전기 자동차용으로 개발된 변속기와 달리 휠 내부에 모터와 변속기를 함께 탑재하기 위해 구동시스템을 모터 2개, 유성기어, 캠클러치로 구성하여 더욱 간단하고 컴팩트한 구조의 변속 메커니즘을 설계하였다. 또한 이를 구동하기 위한 제어기를 설계하고 속도 제어 방식을 고안하여 부드러운 변속이 이루어지도록 하였다. 개발된 인휠 구동 시스템과 제어기가 실제로 원하는 변속 작용과 충분한 출력이 나옴을 확인하기 위하여 속도와 토크를 측정할 수 있는 실험 장치를 고안하여 실용 가능한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 실제 주행 환경에서도 충분한 성능이 나옴을 확인하기 위하여 간이적인 전동 주행 장치도 추가적으로 제작하여 실험하였다.

This paper proposes an in-wheel drive system designed for enabling smooth multi-speed transmission. Most developed in-wheel drive systems have the drawback of low efficiency because they lack a multi-speed transmission system. This can be compensated by introducing a mechanical multi-speed transmission mechanism to drive motors in a wide range of speeds. In this study, a small, high-power in-wheel mechanism based on epicyclic reduction gear and cam clutch was developed, and the performance of the designed in-wheel drive system was evaluated. Because this system consists of two motors, epicyclic reduction gear, and a cam clutch, its transmission mechanism is simple and compact. In addition, a controller was designed to drive the system, and a speed control method was designed to ensure smooth multi-speed transmission. The performance of the developed in-wheel drive system and controller was evaluated experimentally by measuring torque and speed. Then, the performance of the developed system under actual driving conditions was evaluated.