인휠헥사모터

인휠헥사모터(In-Wheel Hexa Motor)는 휠에 6개 모터를 육방격자 형태로 집적한 인휠모터이다. 인휠헥사모터는 다양한 형태의 노면과 외부 환경조건에 직접적으로 노출되는 기존 인휠모터의 한계점을 극복하는데 치중을 두고 있다.

2021년 5월 4일에 베세토튜브 사이트에 기재된 "전기차 전동화(electrification) 기술과 동력계통(power trains)의 끝판왕(The final boss)인 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)시스템" 문서에서 소개되었다.

기본형상 구조와 특/장점

인휠헥사모터(In wheel HEXA motor) 시스템은 종래 인휠모터 시스템의 문제점인 저출력과 내구성 및 경제적 냉각방식과 진동절연 특성을 개선할 수 있다.

핵심은 휠 내부에 1개의 대형모터 대신 모터함체부에 6개 소형모터를 육방격자형으로 안치하는데 있다. 6개 헥사모터는 전동축 원점 기준 극좌표의 위치를 라디안 값으로 위치를 표시할 때, 0(또는 2π), π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3에 6개 헥사모터 회전축의 원점이 위치하게 하며 모터 회전축은 속이 빈 양정현파(陽正弦波) 중공회전축으로 하여 로터의 열교환 통로(channel)로 삼는다.

인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)는 휠(wheel) 내부에 소형 고효율의 6개(HEXA) 모터를 육방격자(Hexagonal Lattice)형으로 집적하여 휠의 전동축을 직접 구동하는 방식으로 6개 모터간 협력형 모터 구동방식을 제공한다. 모터함체부에는 자동차 동력원인 6개의 구동모터(헥사모터)와 구동기어와, 상기 6개의 구동기어에 외접하여 맞물리는 1개의 피동기어를 구비하고, 모터함체부 외주면에 기계제동장치인 브레이크슈(shoe)와 휠허브 내측의 전동축과 결합되는 마운팅디스크를 구비한다. 1개 피동기어와 상기 6개 구동기어는 상기 1개 피동기어를 중심으로 그 둘레에 상기 6개의 구동기어가 육방방사형으로 배치되어, 총 7개 기어가 결합된 외접복합기어열(compound gear trains)로 형성하는 형상을 갖는다.

디지털 차량운행 제어

헥사모터의 구동방식을 초(秒, second)당 입력 펄스의 개수(x)를 변수로 차량의 거동(y)을 무차원 수인 라디안(radian)의 미소 단위로 특정하는 디지털 제어기술(f)을 제공하여 수치정보를 매개수단으로 하여 차량운행을 자동제어 한다. 시스템의 국소적인 움직임을 해석하는 미분방정식으로 자동차 운행의 알고리즘을 차종이나 타이어 크기에 무관하게 단순화하고, 6개 헥사모터간 협력형 회생제동방식을 제공하여 전기차와 자율주행차의 범용화를 앞당길 수 있는 기반기술로 활용이 가능하다. 헥사모터 구동을 펄스입력 함수로 디지털화하여 운행 알고리즘을 단순 명쾌하게 정의할 수 있는 스텝모터를 채택함으로써, 수치제어 기반의 디지털 차량운행 제어, 다중 모터화로 고출력의 구동력 확보하고 다단계적 회생제동 기능으로 제동품질 향상과 승차감을 개선한다.

디지털 제어기능의 6개 헥사모터는 1회전각과 회전속도가 초당 입력펄스 수에 비례하고, 위치 및 속도 제어를 위해 회전자의 위치를 검출하는 센서, 속도를 검출하는 인코더나 레졸버 및 피드백 구성을 제거한다.

헥사모터의 디지털 구동방식은 정밀한 자동차 주행과 차동(differential)기능을 구비하여, 트랙션컨트롤시스템(Traction Control System, TCS), 차동제한장치(Limited Slip Differential, LSD), 및 차동잠금장치(Locking Differential, LD) 기능을 미소 라디안(radian)단위의 수치제어(numerical control)로 구현하여 자동차 운행을 디지털 방식으로 제어할 수 있다.

진동에너지의 흡수와 소산

자동차 운행에 있어 승차감과 안전도를 향상시키는 진동절연 대책으로 허브스프링과 고무댐퍼의 전단진동절연부를 바퀴 전동축과 상기 모터함체부 사이에 설치하는 방식으로 타이어와 휠 및 모터의 진동을 흡수하여 소산(dissipating)한다.

전단진동절연부는 현가장치 전단(front end )에서 현가하질량 혹은 스프링 아래질량(unsprung mass) 감소와, 현가상질량 혹은 스프링 위질량(sprung mass) 증대로, 충격과 조화가진(harmonic excitation) 진동에너지를 감쇠시키는 전단진동흡진(front end vibration absorber/damper)기능을 제공한다.

허브스프링과 고무댐퍼의 전단진동절연부는 타이어와 노면의 밀착성인 로드홀딩(load holding, 접지력)을 개선한다. 맥놀이현상과 공진을 억제하고 동작 대역폭을 확대하는 기능을 갖는 보조 현가기능으로 개선된 주행감과 승차감을 제공할 수 있다.

냉각 솔루션

헥사모터의 냉각을 위해 소형모터에 적합한 고전압 저전류 모터구동으로 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)을 최소화하고 휠 림과 허브를 연결하는 스포크를 익형(airfoil, 翼型)을 갖는 블레이드팬(blade fan) 형상으로 개선한다. 블레이드팬(blade fan)은 주행풍을 가속하여 모터냉각에 활용하고, 냉각핀을 갖는 프로파일 단면의 냉각공기 유동구를 갖는 '공랭식냉각방식'을 기본으로 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식의 '하이브리드냉각방식'을 제공한다.

휠의 허브와 타이어와 접하는 림을 연결하는 스포크는 블레이드팬 형상으로 바퀴당 10 내지 30개를 구비하도록 하여 주행풍을 흡입하여 가속하는 터보팬의 로터로 활용하여 구동기어와 피동기어, 모터부와 모터함체부를 냉각시킨다. 이에 더하여 헥사모터의 양정현파중공회전축을 열교환통로로 하여, 표면적이 π배 확장되는 중공회전축 내부로 주행풍을 주입시켜 로터부의 발열을 외부로 대류시켜 냉각시키며, 모터함체부의 열전도와 대류용량을 더욱 확대하는 냉각공기유동구를 30개 구비한다.

냉각공기유동구는 모터함체부의 허브와 모터격납구 사이공간인 π/6, π/2, 5π/6, 7π/6, 3π/2, 11π/6 방향에, 각기 5개씩 총 30개를 육방격자형의 채움구조로 배치하고, 육방격자형 프로파일 단면의 방열판(heat sink) 열전도와 열대류 면적(A)을 확대한다. 냉각공기유동구 내측은 두께(∆x)가 얇고 방사형의 냉각 핀을 블레이드팬으로 가속된 주행풍으로 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시키는 공랭식냉각방식을 특징으로 하는 인휠 헥사모터 냉각시스템을 제공한다.

기본 공랭식냉각방식에 더하여, 냉각공기유동구와 모터격납구 사이 빈 공간인 냉매자켓에, 현열(sensible heat) 냉매인 물(水)을 주입하는 ‘수랭식냉각방식‘과 잠열(latent heat) 냉매인 파라핀 등을 주입하는 '상변화물질냉각방식'을 주행풍의 공랭식 냉각방식과 조합한다.

즉, "공랭식+수랭식"의 하이브리드냉각방식과,"공랭식+상변화물질냉각방식"의 하이브리드냉각방식으로, 주행풍과 물(水) 혹은 파라핀(paraffin) 등의 상변화 물질을 이용하여 기어열, 헥사모터, 기계브레이크 및 모터함체부를 냉각시킨다.

기본 공랭식냉각방식과 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식을 조합한 '하이브리드냉각방식'에 있어, 30개 냉각공기 유동구와 6개 양정현파 중공회전축 후단 측의 함체실린더 내부공간에 공기챔버를 두어 냉각공기를 합류시킨다. 이에 더하여 함체실린더 외부에 송풍기와 방열구 및 열교환구를 안치하여 차대(섀시)의 자동차 공조시스템과 열교환구를 유연튜브로 집속하여 통합 열계통으로 열교환이 가능한 '능동형하이브리드 냉각방식'을 구비한다.

주행풍이 없는 정지상태나 모터부의 이상 과열시에는 온도센서로 감지하여, 배터리 전원으로 송풍기를 구동하여 헥사모터부를 냉각하거나, 공조용량 초과시 방열구를 개방하여 외부로 강제송풍하는 방식이 에너지 절약차원에서 유용하다. 차대(섀시)의 배터리부 냉각시스템과 인버터와 컨버터를 포함하는 전원부 냉각시스템과 계통적으로 통합된 열교환방식으로 모터부의 폐열을 자동차공조(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) 시스템에 재활용하여 에너지 사용효율을 향상시킬 수 있다.

기계 제동

모터함체부 외주면에는 브레이크슈(shoe)와 브레이크라이닝(lining)의 기계 제동방식의 드럼브레이크 기능을 부가하여 교류 유도모터, 동기모터 등의 서비스브레이크로 활용하거나, 또는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동기능을 보조하는 기계제동기능을 갖는다.

브레이크슈에 대응하는 모터함체부 외주면의 기계제동장치 모터함체부 외주면과 휠의 림 내주면 사이 공극에, 휠림 내주면에는 브레이크의 압착제동에 의한 마찰열을 주행풍으로 소산하는 에어벤트(공기배출)홈을 구비한 브레이크드럼(brake drum)을 구비한다.

기계 제동장치는 교류 유도모터, 동기모터 방식의 교류동력 계통을 채택할 경우 서비스브레이크로 활용하거나, 직류동력 계통의 경우 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 회생발전제동기능을 보조하는 기계제동기능으로 활용한다. 기계제동기능에 더하여 스텝모터의 자기유지력(holding torque)을 이용한 정지토크제동기능과, 전자(電磁)제동기능의 회생발전제동을 조합한 이중(기계제동+회생발전제동) 혹은 삼중(기계제동+회생발전제동+정지토크제동) 브레이크기능을 통합하여 서비스브레이크, 보조 브레이크, 비상브레이크, 주차브레이크로 활용할 수 있다.

참고자료

• 〈전기차 전동화(electrification) 기술과 동력계통(power trains)의 끝판왕(The final boss)인 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)시스템〉, 《베세토튜브》, 2021-05-04

같이 보기

• 휠
• 모터
• 인휠모터
• 인휠시스템

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