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KR20160124265A - 전동 드라이브 - Google Patents

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Publication number
KR20160124265A
KR20160124265A KR1020167029239A KR20167029239A KR20160124265A KR 20160124265 A KR20160124265 A KR 20160124265A KR 1020167029239 A KR1020167029239 A KR 1020167029239A KR 20167029239 A KR20167029239 A KR 20167029239A KR 20160124265 A KR20160124265 A KR 20160124265A
Authority
KR
South Korea
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input
output
disk
print
transmission
Prior art date
Application number
KR1020167029239A
Other languages
English (en)
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KR101831822B1 (ko
Inventor
도날드 씨. 밀러
Original Assignee
폴브룩 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 엘엘씨
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 폴브룩 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 엘엘씨 filed Critical 폴브룩 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 엘엘씨
Publication of KR20160124265A publication Critical patent/KR20160124265A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101831822B1 publication Critical patent/KR101831822B1/ko

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    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/66—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing specially adapted for continuously variable gearings
    • F16H61/664—Friction gearings
    • F16H61/6649—Friction gearings characterised by the means for controlling the torque transmitting capability of the gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
    • B60K6/54—Transmission for changing ratio
    • B60K6/543—Transmission for changing ratio the transmission being a continuously variable transmission
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    • B60K6/365—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the transmission gearings with the gears having orbital motion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/40—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the assembly or relative disposition of components
    • B60K6/405—Housings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K6/485—Motor-assist type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W20/00—Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • B60W20/30—Control strategies involving selection of transmission gear ratio
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/60—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts
    • B62M6/65—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts with axle and driving shaft arranged coaxially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H15/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members
    • F16H15/02—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members without members having orbital motion
    • F16H15/04—Gearings providing a continuous range of gear ratios
    • F16H15/06—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B
    • F16H15/26—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B in which the member B has a spherical friction surface centered on its axis of revolution
    • F16H15/28—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B in which the member B has a spherical friction surface centered on its axis of revolution with external friction surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H15/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members
    • F16H15/02—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members without members having orbital motion
    • F16H15/04—Gearings providing a continuous range of gear ratios
    • F16H15/40—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which two members co-operative by means of balls, or rollers of uniform effective diameter, not mounted on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H15/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members
    • F16H15/48—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members with members having orbital motion
    • F16H15/50—Gearings providing a continuous range of gear ratios
    • F16H15/503—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which two members co-operate by means of balls or rollers of uniform effective diameter, not mounted on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H15/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members
    • F16H15/48—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members with members having orbital motion
    • F16H15/50—Gearings providing a continuous range of gear ratios
    • F16H15/52—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of another member
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

복수의 경사 볼 및 대향하는 입력 디스크 및 출력 디스크를 갖는 변속기는 그 변속비 범위에 걸쳐 무한한 수의 속도 조합을 제공한다. 변속기는 다수의 동력 경로를 제공하고 모터/발전기 기능을 제공하기 위해 전기 부품과 결합될 수 있고, 이는 이들이 개별적으로 구성될 때와 비교하여 모터 및 변속기의 전체 크기 및 복잡성을 감소시킨다. 일 실시예에서, 연속 가변 변속기의 회전형 부품은 회전자 및 고정자가 서로에 대해 대향 방향으로 동시에 회전하도록 전기 회전자 및 전기 고정자에 개별적으로 결합된다. 다른 실시예에서, 전기 회전자는 복수의 속도 조절기와 접촉하는 디스크로 또는 그로부터 토크를 전달하도록 구성되고, 반면에 전기 고정자는 아이들러를 거쳐 속도 조절기에 작동 가능하게 결합되는 샤프트에 토크를 전달하도록 구성된다.

Description

전동 드라이브 {ELECTROMOTIVE DRIVES}
관련 출원
본 출원은 2005년 10월 28일자로 출원된 미국 가출원 제60/730,995호 및 제 60/731,362호의 이익을 청구하고, 상기 출원들을 그대로 본 명세서에 참조로 포함한다.
본 발명의 실시예의 기술분야는 일반적으로 전기 기계 또는 전동 드라이브용 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 실시예는 전기 장치 및 기계 변속기를 일체화시키는 방법 및 조립체를 이용하는 드라이브에 관한 것이다.
연속 가변 변속기를 제공하기 위해, 동력이 토크 입력 디스크와 출력 디스크 사이의 하우징에 지지된 트랙션 롤러(traction roller)를 통해 전달되는 다양한 트랙션 롤러 변속기가 개발되어 왔다. 이러한 변속기에서, 트랙션 롤러는 선회시에 소정의 변속비에 따라서 직경이 변하는 원을 그리는 토크 디스크와 트랙션 롤러의 결합을 유도하는 지지 구조체 상에 장착된다.
그러나, 통상적으로 이들 해결법의 성공은 제한적인 것이었다. 예를 들면, 하나의 해결법에서, 가변 조절 가능 변속비를 갖는 차량용 구동 허브가 개시되어 있다. 이 방법은 롤러 각각의 회전축을 경사지게 하기 위해 트랙션 롤러의 각각의 측면 상에 하나씩 두 개의 아이리스 플레이트(iris plate)를 사용하는 것을 교시한다. 그러나, 아이리스 플레이트의 사용은 변속기가 시프트 중에 아이리스 플레이트를 조절하는데 필요한 다수의 부품으로 인해 매우 복잡해질 수 있다. 이 변속기의 다른 곤란한 점은 이 변속기가 롤러 각각에 대해 주로 고정형이 되도록 구성되는 가이드 링(guide ring)을 갖는다는 것이다. 가이드 링이 고정형이기 때문에, 트랙션 롤러 각각의 회전축을 시프트하는 것은 곤란하다.
이러한 초기 형태의 디자인보다 우수하게 개량된 하나로, 입력 디스크 및 출력 디스크가 그 둘레에서 회전하는 샤프트를 포함한다. 입력 디스크 및 출력 디스크는 모두 샤프트 상에 장착되고 샤프트 둘레에 등간격으로 그리고 방사상으로 배치된 복수의 볼과 접촉한다. 볼들은 두 개의 디스크와 마찰 접촉하여 입력 디스크로부터 출력 디스크로 동력을 전달한다. 샤프트 상에 그리고 볼들 사이에 동심으로 배치된 아이들러(idler)가 볼의 분리 상태를 유지하기 위한 힘을 인가하여, 볼들이 입력 디스크 및 출력 샤프트에 대하여 마찰 접촉을 이루도록 한다. 이 디자인의 중요 제한사항은 변속기의 속도비가 변화할 때, 입력 디스크 및 출력 디스크를 볼에 대항하는 충분한 마찰 접촉 상태로 유지하기 위한 수직 접촉력으로서 작용하는 축력을 발생시키고, 적절히 제어하기 위한 수단이 없다는 것이다. 구름 트랙션 연속 가변 변속기는 구동 및 피동 회전 부재가 변속 마찰 볼 상에서 미끄러지는 것을 방지하기 위해서, 저속에서 더 큰 축력을 필요로 한다는 사실로 인해, 입력 속도 및 출력 속도가 동일할 때, 과도한 힘이 고속에서 그리고 1:1 변속비에서 인가된다. 이 과도한 축력은 효율을 저하시키고 변속기가 적절한 양의 힘이 임의의 특정 기어비에 대해서 인가되는 경우보다도 상당히 빠르게 고장을 유발한다. 또한, 과도한 힘은 변속기를 시프트하는 것을 더 곤란하게 한다. 따라서, 변속비의 함수로서 생성되는 힘을 변화시키는 개량된 축 부하 발생 시스템을 갖는 연속 가변 변속기에 대한 요구가 존재한다.
가변 속도 및 일정한 동력을 발생시키는 전기 모터는 몇몇 차량 및 산업 용도로 상당히 요구되고 있다. 이러한 일정한 동력 응용분야에서, 토크 및 속도는 반비례 관계로 변한다. 예를 들면, 토크는 속도가 감소함에 따라 증가하고, 또는 토크는 속도가 증가함에 따라 감소한다. 일부 전기 모터는 이들의 정격 출력 이상으로 일정한 동력을 제공할 수 있는데, 예를 들면 1750 rpm AC 모터는 토크가 속도 증가에 따라 비례적으로 감소하도록 설계될 수 있기 때문에 속도가 1750 rpm 이상으로 증가할 때 일정한 동력을 제공할 수 있다. 그러나, 모터는 그 정격 출력 이하의 속도에서 작동할 때 단독으로 일정한 동력을 발생시킬 수 없다. 종종 토크는 일정하게 유지되거나 또는 심지어는 모터 속도가 감소함에 따라 감소한다. 제어기는 저속에서 전기 모터 내의 전류 및 토크를 증가시키는데 사용될 수 있지만, 과열을 피하기 위해 부가적으로 전류를 수용하기 위해서는 권선의 와이어 직경의 증가가 필요하다. 이는 모터가 전형적인 작동 조건에서 필요로 하는 것보다 더 크고 더 고가로 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 전기 제어기는 비용 및 복잡성을 증가시킨다. 충분한 저속 토크를 얻기 위한 다른 방법은 더 큰 모터를 사용하는 것이다. 그러나, 이는 비용, 크기, 중량을 증가시키고 모터를 동력 공급 기계와 함께 패키징하는 것이 더 어렵다. 따라서, 전기 모터에 의해 가변 속도 및 일정한 동력을 제공하기 위한 개량된 방법에 대한 요구가 존재한다. 연속 가변 변속기는 몇몇 적용예에 대한 전기 모터와 일체화되어 사용될 수 있다.
본 명세서에 도시하고 설명한 시스템 및 방법은 여러 특징이 있으며, 이들 중 하나가 그 바람직한 속성에 단독으로 관여하는 것은 아니다. 이하 설명에 의해 표현되는 바와 같이 범주를 제한하지 않고, 더 많은 현저한 특징들에 대해서 간략하게 설명한다. 이 설명을 고려한 후에, 특히 "실시예의 상세한 설명" 부분을 숙독한 후에, 어떻게 본 발명에 의한 시스템 및 방법의 특징들이 종래의 시스템 및 방법보다 우수한 여러 장점을 제공하는지를 이해할 수 있을 것이다.
또 다른 특징에서, 종축과, 종축 둘레에 방사상으로 분포되고 각각이 경사 가능한 축을 가져 그 축에 대해서 회전하는 복수의 볼과, 볼에 인접하여 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 회전형 입력 디스크와, 입력 디스크에 대향하여 볼에 인접 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 고정형 출력 디스크와, 일정한 외경부를 갖고 볼의 각각의 방사상 내향으로 위치되어 이들 각각과 접촉하는 회전형 아이들러와, 볼의 방사상 위치 및 축방향 정렬을 유지하도록 구성되고 종축에 대해서 회전 가능한 케이지와, 아이들러에 연결되어 아이들러로부터 출력된 토크를 수용하고 변속기로부터 출력된 토크를 전달하도록 구성된 아이들러 샤프트를 포함하는 가변 속도 변속기를 개시한다.
본 명세서에서 설명하는 많은 실시예와 함께 사용하기 위해, 입력 디스크와 출력 디스크와 복수의 속도 조절기 사이의 접촉력을 증가시키기 위해 축력을 인가하도록 구성된 축력 발생기가 또한 개시되고, 축력 발생기는 내경부에 나사산 보어가 형성되고 외경부 및 내경부를 갖는 종축과 동축이고 이 종축에 대해서 회전 가능한 베어링 디스크와, 그 외경부에 인접하여 베어링 디스크의 제1 측면에 부착된 복수의 주연 램프와, 복수의 베어링 디스크 램프를 결합하도록 구성된 복수의 베어링과, 베어링을 결합하도록 구성된 속도 조절기의 대향 측면들에서 입력 디스크 상에 장착된 복수의 입력 디스크 주연 램프와, 종축과 동축이고 종축에 대해서 회전 가능하며 그 외부면을 따라 수나사산이 형성된 대체로 원통형인 나사로서 이 수나사산이 베어링 디스크의 나사산 보어와 결합하도록 구성된 원통형 나사와, 나사에 부착된 복수의 중심 나사 램프와, 입력 디스크에 부착되고 복수의 중심 나사 램프에 결합하도록 구성된 복수의 중심 입력 디스크 램프를 더 포함한다.
다른 특징에서, 복수의 볼의 양 측면 상에 입력 디스크 및 출력 디스크를 이용하는 구름 트랙션 변속기 내의 복수의 속도 조절형 경사 가능한 볼을 지지하고 위치시키는 지지 케이지가 개시되고, 이 케이지는 외부 에지로부터 방사상 내향으로 연장되고 각각이 두 개의 측면을 갖는 복수의 슬롯을 구비하는 대체로 원반형 시트인 제1 및 제2 편평한 지지 디스크와, 제1 및 제2 지지 디스크 사이로 연장하는 복수의 편평한 지지 스페이서를 포함하고, 각각의 스페이서는 전방 측면, 후방 측면, 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 제1 및 제2 단부는 각각 장착면을 갖고, 각각의 장착면은 만곡면을 갖고, 스페이서는 만곡면이 그루브의 측면과 정렬되도록 지지 디스크 내의 그루브들 사이에서 지지 디스크 둘레에서 각을 이루어 위치된다.
다른 실시예에서, 변속기의 변속비를 제어하기 위해, 종축을 갖고 종축에 대해서 평면 정렬로 분포되고 각각이 입력 디스크 및 출력 디스크에 의해 대향 측면들에 접촉되는 복수의 경사 볼을 이용하는 가변 속도 구름 트랙션 변속기용 시프팅 메커니즘이 개시되고, 이 시프팅 메커니즘은 종축을 따라 연장하는 관형 변속기 축과; 복수의 볼 중 대응하는 하나를 통해 형성된 보어를 통해 각각이 연장되고, 대응하는 볼의 경사 가능한 축을 형성하여 볼이 그 축에 대해서 회전하고, 각각이 볼로부터 각각 연장되는 두 개의 단부를 갖는 복수의 볼 축과; 하나가 볼 축의 단부의 각각에 연결되고 변속기 축을 향해 방사상 내향으로 연장되는 복수의 레그와; 변속기 축에 대해서 동축으로 볼의 방사상 내향으로 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 사실상 일정한 외경부를 갖는 아이들러와; 아이들러의 각각의 단부에 하나씩 있고, 각각이 아이들러에 대면하는 편평면 및 아이들러로부터 이격되어 대면하는 볼록형 만곡면을 갖고, 볼의 대응하는 측면에 각각의 레그 모두와 접촉하기 위해 방사상으로 연장되는 두 개의 디스크형 시프트 가이드와; 각각의 레그에 대해 하나이고, 볼로부터 이격되어 대면하는 각각의 레그의 측면에 부착되는 복수의 롤러 풀리와; 시프트 가이드 중 적어도 하나로부터 축방향으로 연장되는 대체로 원통형 풀리 스탠드와; 풀리 스탠드 둘레에 방사상으로 분포되고 풀리 스탠드에 부착되는, 각각의 롤러 풀리에 대해 하나인 복수의 가이드 풀리와; 축을 통해 풀리 스탠드에 인접한 축에 형성되는 슬롯 외부로 연장되는 제1 단부 및 제2 단부를 구비하는 가요성 테더(tether)를 포함하고, 테더의 제1 단부는 또한 각각의 롤러 풀리 및 각각의 가이드 풀리 둘레에서 감겨지고, 제2 단부는 축으로부터 시프터로 연장되고, 가이드 풀리는 각각의 가이드 풀리와 그 각각의 롤러 풀리의 정렬을 유지하도록 하나 이상의 피봇 조인트 상에 각각 장착되고, 테더가 시프터에 의해 견인될 때, 제2 단부는 변속기를 시프트하기 위해 롤러 풀리의 각각을 견인한다.
다른 실시예에서, 변속기의 변속비를 제어하기 위해, 종축을 갖고 각각이 각각의 볼 중심으로부터 볼 반경을 갖는 복수의 경사 볼을 이용하는 가변 속도 변속기용 시프팅 메커니즘이 개시되고, 이 시프팅 메커니즘은 대응하는 볼을 통해 형성된 보어를 통해 각각 연장되고 대응하는 볼의 경사 가능한 축을 형성하고 각각이 볼로부터 각각 연장되는 두 개의 단부를 갖는 복수의 볼 축과; 하나의 레그가 볼 축의 각 단부에 연결되어 있고, 변속기 축을 향해 방사상 내향으로 연장되는 복수의 레그와; 볼의 각각과 동축으로 방사상 내향으로 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 사실상 일정한 반경을 갖는 대체로 원통형 아이들러와; 아이들러의 각각 단부에 하나씩 있고, 각각이 아이들러에 대면하는 편평면 및 아이들러로부터 이격되어 대면하는 볼록형 만곡면을 갖고 볼의 대응하는 측면에서 각각의 레그의 모두와 접촉하기 위해 방사상으로 연장되는 제1 및 제2 디스크형 시프트 가이드와; 가이드 휠 반경을 각각 갖고 각각의 레그에 대해 하나의 가이드 휠이 있고, 각각이 그 각각의 레그의 방사상 내향 단부에서 회전 가능하게 장착되는 복수의 가이드 휠을 포함하고, 가이드 휠은 그 각각의 시프트 가이드의 만곡면과 접촉하고, 볼록형 커브의 형상은 한 세트의 2차원 좌표에 의해 결정되고, 그 원점은 임의의 두 개의 직경 방향으로 대향하는 볼의 중심을 통해 그려진 선과 종축의 교점에 중심 설정되고, 볼록형 커브가 접점에서 가이드 휠에 사실상 접한다고 가정하면 좌표는 아이들러 및 시프트 가이드의 축방향 운동의 함수로서 가이드 휠 표면과 시프트 가이드 표면 사이의 접점의 위치를 표시한다.
또 다른 실시예에서, 엔진과, 구동 트레인과, 가변 속도 변속기를 포함하는 차량이 개시되고, 이 가변 속도 변속기는 종축과, 종축 둘레에서 방사상으로 분포되고 각각이 경사 가능한 축을 가져 그 축에 대해서 회전하는 복수의 볼과, 볼에 인접하여 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 회전형 입력 디스크와, 입력 디스크에 대향하는 볼에 인접하여 위치되고 볼의 각각과 접촉하는 회전형 출력 디스크와, 종축에 대해 동축인 사실상 일정한 외경부를 갖고 볼의 각각의 방사상 내향으로 위치되고 이들 각각과 접촉하는 회전형 아이들러와, 변속기의 종축에 대해 동축으로 장착되는 유성 기어 세트를 포함하는 가변 속도 변속기를 포함한다.
다른 실시예에서, 전기 모터와, 아이들러에 동력을 전달하는 회전형 샤프트에 부착되는 전기 모터의 고정자와, 입력 디스크에 부착되는 전기 모터의 회전자와 일체로 구성된 연속 가변 변속기가 개시된다. 전기 모터의 고정자 및 회전자는 대향 방향으로 회전하여, 출력 디스크에 큰 속도 차이 및 속도 감소를 생성한다.
다른 실시예에서, 발전기와, 회전형 허브 쉘(hub shell)에 부착되는 회전자의 자석과, 변속기의 비회전형 고정자에 부착되는 전기 회전자와 일체인 연속 가변 변속기가 개시된다. 전기는 허브 쉘이 고정자에 대해 회전할 때 발생된다.
다른 실시예에서, 전기 모터와 일체화되고 내연기관과 같은 외부 토크 전달 장치로부터의 입력을 허용하는 연속 가변 변속기가 개시된다. 전기 고정자는 아이들러에 동력을 전달하는 회전형 샤프트에 부착되고, 회전자는 변속기의 회전형 케이지에 부착되고, 내연기관은 입력 디스크에 작동 가능하게 부착된다. 이 실시예의 연속 가변 변속기는 볼 내에 3개의 입력을 갖고 출력 디스크를 통해 하나의 출력을 갖는다.
다른 실시예에서, 볼이 자성 재료로 구성되고 전기 모터의 회전자로서 작용하는 전기 모터와 일체인 연속 가변 변속기가 개시된다. 고정형 권선은 볼을 둘러싸고 변속기의 케이지를 통해 유도되는 전기를 발생시킨다.
또 다른 실시예에서, 연속 가변 변속기를 회전시키는 전기 모터/발전기 둘 중 어느 하나로 사용되는 디자인을 개시한다.
한 특징으로, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 속도 조절기와, 속도 조절기와 접촉하는 제1 디스크와, 속도 조절기와 접촉하는 제2 디스크를 갖는 전동 드라이브에 관한 것이고, 제1 및 제2 디스크는 복수의 속도 조절기의 대향 측면들 상에 서로에 대해 상대적으로 위치된다. 드라이브는 속도 조절기와 접촉하는 아이들러를 포함하고 아이들러는 속도 조절기의 방사상 내향으로 위치된다. 드라이브는 전동 드라이브의 제1 부품에 결합된 복수의 자석과, 전동 드라이브의 제2 부품에 결합된 복수의 전기 전도체를 더 포함하고 복수의 자석 및 복수의 전기 전도체는 전기 모터 또는 발전기로서 기능을 하도록 서로에 대해 상대적으로 구성된다. 드라이브는 또한 복수의 속도 조절기, 제1 및 제2 디스크, 복수의 자석 및 복수의 전도체가 전동 드라이브를 통해 적어도 하나의 동력 경로를 제공하도록 작동 가능하게 결합되도록 더 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 볼과, 볼과 접촉하는 제1 디스크, 볼과 접촉하는 제2 디스크를 갖는 전동 장치에 관한 것이고, 제1 및 제2 디스크는 복수의 볼의 대향 측면들 상에 서로에 대해 상대적으로 위치된다. 전동 장치는 또한 볼과 접촉하는 아이들러를 포함하고, 아이들러는 볼의 방사상 내향으로 위치된다. 전동 장치는 축에 대해서 회전하도록 구성된 전기 고정자를 구비할 수 있고, 전기 고정자는 제1 디스크, 제2 디스크 또는 아이들러 중 하나에 직접 결합된다. 전동 장치는 축에 대해서 회전하도록 구성된 전기 회전자를 포함할 수 있고, 전기 고정자는 제1 디스크, 제2 디스크 또는 아이들러 중 하나에 직접 결합된다. 일 적용예에서, 전기 고정자 및 전기 회전자는 전기 모터로서 또는 발전기로서 함께 기능을 하도록 서로에 대해 상대적으로 구성된다.
다른 특징에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 구성되는 복수의 볼과, 볼과 접촉하는 제1 디스크와, 제1 디스크에 부착되는 복수의 자석을 갖는 전동 변속기에 관한 것이다. 전동 변속기는 볼과 접촉하고 볼의 방사상 내향으로 위치되는 아이들러와, 아이들러에 견고하게 결합된 아이들러 샤프트를 포함할 수 있고, 아이들러 샤프트 및 아이들러는 서로 축방향으로 회전하고 병진하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서 전동 변속기는 권선 또는 코일로 구성된 복수의 전기 전도체와, 전기 전도체에 결합되고 토크를 아이들러 샤프트로 전달하도록 구성된 고정자 마운트를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 전동 장치용 아이들러 샤프트 및 고정자 마운트 조립체는 아이들러 샤프트 및 고정자 마운트를 포함한다. 아이들러 샤프트는 적어도 하나의 전기 전도체를 수용하도록 구성된 제1 보어와, 전기 전도체에 결합하는 전기 리셉터클(receptacle)을 수용하도록 구성된 제2 보어와, 전기 전도체를 아이들러 샤프트의 외부 측면으로 통과하도록 하는 슬롯(제1 보어와 연통함)을 포함한다. 아이들러 샤프트는 또한 복수의 베어링을 수용하도록 구성된 제1 복수의 축방향 그루브를 가질 수 있다. 고정자 마운트는 복수의 베어링을 수용하도록 구성된 복수의 그루브를 갖는 보어를 포함할 수 있고, 고정자 마운트는 아이들러 샤프트로 또는 그로부터 토크를 전달할 수 있다. 고정자 마운트는 복수의 전기 전도체를 지지하도록 구성된다.
일 실시예에서, 본 발명은 전동 변속기용 허브 쉘에 관한 것이다. 허브 쉘은 내경부, 외경부 및 허브 쉘의 내경부에 각을 이루어 결합된 복수의 자석을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 특징은 변속기용 시프터에 관한 것이다. 시프터는 변속기의 고정형 부품에 결합된 시프트 나사와, 시프트 너트와, 시프트 너트에 결합된 시프트 링과, 시프트 너트와 시프트 링 사이에 위치된 시프트 핀 마운트와, 시프트 핀 마운트 내에 지지된 복수의 시프트 핀을 포함한다. 시프트 나사는 시프트 핀을 수용하기 위한 적어도 하나의 슬롯을 포함할 수 있고, 시프트 너트는 시프트 나사 상에서 축방향으로 병진하여 시프트 핀과 시프트 핀 마운트의 축방향 시프트를 작용시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 본 발명은 복수의 속도 조절기를 갖는 전동 장치용 고정자 플레이트에 관한 것이다. 고정자 플레이트는 복수의 속도 조절기를 반경방향 및 축방향으로 지지하도록 구성된 복수의 오목면과, 복수의 속도 조절기를 각을 이루어 지지하도록 구성된 복수의 슬롯과, 복수의 자석을 지지하도록 구성된 보스(boss)를 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 출력 조절기와, 출력 조절기를 반경방향 또는 축방향으로 지지하도록 구성된 케이지와, 케이지에 결합된 복수의 전기 코일과, 회전형 허브 쉘과, 회전형 허브 쉘에 결합된 복수의 자석을 갖는 전동 장치에 관한 것이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 자화 출력 조절기와, 이들 출력 조절기 사이에 위치되는 복수의 코일을 갖는 전동 드라이브에 관한 것이다. 일 실시예에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 대체로 환상형인 전기 전도체와, 상기 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 대체로 환상형인 복수의 자석과, 자석에 결합된 제1 디스크와, 상기 축 둘레에 각을 이루어 배열되고 제1 디스크와 접촉하는 복수의 출력 조절기와, 전기 전도체를 지지하도록 구성된 고정자 마운트와, 고정자 마운트로 또는 그로부터 토크를 전달하도록 구성된 아이들러 샤프트를 갖는 전동 변속기에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 전동 변속기용 전기 조립체에 관한 것이다. 전기 조립체는 축 둘레에 각을 이루어 배열된 제1 세트의 대체로 환상형인 자석과, 상기 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 대체로 환상형인 전기 전도체와, 축 둘레에 각을 이루어 배열된 제2 세트의 대체로 환상형인 자석을 포함하고, 전기 전도체는 제1 및 제2 세트의 자석 사이에 위치된다.
몇몇 특징에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 속도 조절기와, 복수의 속도 조절기와 접촉하고 속도 조절기의 방사상 내향으로 위치되는 아이들러와, 속도 조절기와 접촉하는 제1 디스크와, 제1 디스크에 결합된 복수의 자석을 포함하는 전기 기계 변속기에 관한 것이다. 변속기는 외부 소스로부터 제1 디스크로 토크를 전달하기 위한 수단과, 속도 조절기를 반경방향 및 축방향으로 지지하도록 구성된 회전형 케이지와, 회전형 케이지에 결합된 복수의 전기 전도체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전기 기계 장치 내의 동력을 전달하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 회전형 샤프트 상에 전기 고정자를 장착하는 단계와, 제1 회전형 디스크 상에 전기 회전자를 장착하는 단계와, 아이들러를 샤프트에 결합하는 단계와, 전력을 전기 고정자에 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 고정자와 회전자 사이의 상호 작용에 의해 발생된 토크를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있고, 토크는 고정자로부터 샤프트로 전달되고, 토크는 회전자로부터 제1 회전형 디스크로 전달된다. 상기 방법은 또한 제1 및 제2 디스크와 아이들러에 결합된 복수의 속도 조절기를 거쳐 제2 회전형 디스크로 토크를 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 축 둘레에 각을 이루어 배열된 복수의 속도 조절기와, 속도 조절기와 접촉하는 제1 디스크와, 속도 조절기와 접촉하는 제2 디스크를 갖는 전동 드라이브에 관한 것이다. 상기 드라이브는 속도 조절기와 접촉하고 속도 조절기의 방사상 내향으로 위치되는 아이들러와, 아이들러에 견고하게 결합된 아이들러 샤프트를 가질 수 있다. 상기 드라이브는 속도 조절기를 반경방향 및 축방향으로 지지하도록 구성된 회전형 케이지와, 케이지에 회전식으로 결합된 복수의 자석과, 아이들러 샤프트에 결합된 복수의 전기 전도체를 포함할 수 있다.
다른 특징에서, 본 발명은 전기 기계 장치 내의 동력 전달 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 회전형 샤프트 상에 전기 고정자를 장착하는 단계와, 제1 회전형 디스크 상에 전기 회전자를 장착하는 단계와, 토크를 샤프트로부터 고정자로 전달하는 단계와, 토크를 회전형 디스크로부터 회전자로 전달하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 전기 기계 동력을 전달하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 회전형 샤프트를 제공하는 단계와, 회전형 샤프트를 전기 고정자에 결합하는 단계와, 회전형 케이지를 제공하는 단계를 포함하고, 케이지는 복수의 속도 조절기를 반경방향 및 축방향으로 지지하도록 구성된다. 상기 방법은 회전형 케이지를 전기 회전자에 결합하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 특징에서 본 발명은 전기 기능성을 갖는 변속기 제공 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 축 둘레에 각을 이루어 위치되는 복수의 자화 속도 조절기를 제공하는 단계와, 개별 속도 조절기들 사이에 위치되는 복수의 전기 전도체를 제공하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 전기 기계 동력 전달 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 축 둘레에 각을 이루어 위치되는 복수의 속도 조절기를 제공하는 단계와, 속도 조절기를 반경방향 및 축방향으로 지지하도록 구성된 케이지를 제공하는 단계와, 속도 조절기와 접촉하는 제1 디스크를 제공하는 단계와, 속도 조절기와 접촉하는 제2 디스크를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 속도 조절기와 접촉하고 속도 조절기의 방사상 내향으로 위치되는 아이들러를 제공하는 단계와, 아이들러에 결합된 아이들러 샤프트를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 전기 전도체를 케이지, 속도 조절기, 제1 디스크, 제2 디스크, 아이들러 또는 아이들러 샤프트에 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 자석을 케이지, 속도 조절기, 제1 디스크, 제2 디스크, 아이들러 또는 아이들러 샤프트에 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 동력 전달 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 연속 가변 변속기(CVT)를 제공하는 단계와, 전기 고정자를 CVT의 제1 회전형 부품에 결합하는 단계와, 전기 회전자를 CVT의 제2 회전형 부품에 결합하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 특징은 변속기와, 변속기의 제1 회전형 부품과 함께 회전하도록 결합된 전기 회전자와, 변속기의 제2 회전형 부품과 함께 회전하도록 결합된 전기 고정자를 갖는 전기 기계 장치에 관한 것이다.
이하의 상세한 설명을 숙독하고 첨부 도면을 참조한다면, 관련 기술 분야의 숙련자들은 상기 및 이들의 개량에 대해 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 고속단(high)으로 시프트된 변속기의 실시예의 절결 측면도이다.
도 2는 도 1의 변속기에서 저속단(low)으로 시프트된 절결 측면도이다.
도 3은 도 1의 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 변속기의 부분 단부 단면도이다.
도 4는 도 1의 변속기의 아이들러 및 램프 부조립체(ramp subassembly)의 개략 절결 측면도이다.
도 5는 도 1의 변속기의 볼 부조립체의 개략 사시도이다.
도 6은 도 1의 변속기의 시프트 로드 부조립체의 개략도이다.
도 7은 도 1의 변속기의 케이지 부조립체의 개략 절결 측면도이다.
도 8은 도 1의 변속기의 출력 디스크의 절결 측면도이다.
도 9는 일체형 전기 모터를 갖는 도 1의 변속기의 다른 실시예의 절결 측면도이다.
도 10은 도 9의 변속기의 부분 절결 사시도이다.
도 11은 도 9의 선 III-III을 따라 취한 도 9의 변속기의 절결 단부도이다.
도 12는 도 9의 변속기의 전기 및 기계 동력 경로를 도시한다.
도 13은 도 9의 변속기의 반전된 전기 및 기계 동력 경로를 도시한다.
도 14는 도 9의 변속기의 아이들러 조립체의 부분 절결 측면도이다.
도 15는 도 9의 변속기의 아이들러 조립체의 부분 개략 사시도이다.
도 16은 도 9의 변속기의 스플라인 조립체의 부분 절결 사시도이다.
도 17은 도 9의 변속기의 고정자 마운트의 사시도이다.
도 18은 도 9의 변속기의 적층물의 사시도이다.
도 19는 도 9의 변속기의 권선의 사시도이다.
도 20은 도 9의 변속기의 회전자의 사시도이다.
도 21은 도 9의 변속기의 시프트 나사의 사시도이다.
도 22는 도 9의 변속기의 부분 시프터 조립체의 사시도이다.
도 23은 3개의 경로를 통해 입력을 수용할 수 있는 변속기의 절결 측면도이다.
도 24는 도 23의 변속기의 회전자의 절결 사시도이다.
도 25는 일체형 발전기를 갖는 변속기의 절결 측면도이다.
도 26은 도 25의 변속기의 발전기의 개략 사시도이다.
도 27은 도 25의 변속기의 고정자의 사시도이다.
도 28은 도 25의 변속기의 축의 사시도이다.
도 29는 일체형 전기 모터를 갖는 도 9의 변속기의 개략 사시도이다.
도 30은 도 29의 모터의 볼의 자극의 개략도이다.
도 31은 도 9의 변속기의 다른 실시예에 의한 전기 모터의 절결 측면도이다.
도 32는 도 31의 전기 모터의 회전자 및 고정자의 사시도이다.
도 33은 도 31의 전기 모터의 전도체의 사시도이다.
도 34는 도 31의 전기 모터의 고정자의 사시도이다.
도 35는 전류 경로를 도시하는 도 31의 전기 모터의 고정자의 개략 단부도이다.
도 36은 도 31의 전기 모터의 전도체의 다른 실시예의 도면이다.
도 37은 도 31의 전기 모터의 고정자의 다른 실시예의 도면이다.
도 38은 도 23의 변속기의 다른 실시예의 절결 측면도이다.
이하 첨부도면을 이용하여 본 발명을 설명함에 있어, 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부가하여 설명하기로 한다. 여기에 제시된 설명에서 사용된 용어는 단지 본 발명의 특정의 실시예의 상세한 설명과 관련하여 이용되고 있기 때문에 임의의 한정된 또는 제한된 방식으로 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 본 발명의 실시예는 다수의 신규한 특징을 포함할 수 있고, 이들 중 하나가 그 바람직한 속성에 단독으로 관여하는 것은 아니고, 또는 여기에 설명된 발명의 실시에 필수적인 것도 아니다.
여기에 설명된 변속기는 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 미국 특허 제6,241,636호, 제6,322,475호 및 제6,419,608호에 설명되는 바와 같이 경사진 축을 갖는 속도 조절기 볼을 이용하는 유형이다. 이들 특허에 설명된 실시예 및 여기에 설명된 실시예들은 일반적으로 가변부(variator portion)에 의해 일반적으로 분리되어 있는 두 개의 측, 즉 후술되는 입력측 및 출력측을 갖는다. 편의상, 변속기의 구동측(즉, 변속기 내로 토크를 수용하는 측)을 입력측이라 명명하고, 변속기의 피동측(또는 변속기로부터 변속기의 외부로 토크를 전달하는 측)을 출력측이라 명명한다.
입력 디스크 및 출력 디스크는 속도 조절기 볼과 접촉한다. 볼이 이들의 축 상에서 기울어짐에 따라, 디스크 상에서의 한 구름 접촉점은 볼의 폴(pole) 또는 축을 향해 이동하는 데, 이때 감소하는 직경의 원에서 볼과 접촉하고, 다른 디스크 상의 구름 접촉점은 볼의 균분원(equator)을 향해 이동하여, 증가하는 직경의 원에서 디스크와 접촉한다. 만일, 볼의 축이 반대 방향으로 기울어지면, 입력 및 출력 디스크는 각각 역 관계(converse relationship)에 있게 된다. 이러한 방식으로, 출력 디스크에 대한 입력 디스크의 회전 속도 비율, 또는 변속비를, 속도 조절기 볼의 축을 단순히 기울어지게 하기만 하더라도, 넓은 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있다.
볼의 중심은 변속기의 입력측과 출력측 사이의 경계를 정의하고, 볼의 입력측 및 볼의 출력측의 양자 모두 상에 위치된 유사한 부품은 동일한 도면 부호를 사용하여 대체적으로 설명한다. 변속기의 입력 및 출력측의 양자 모두 상에 위치된 유사한 부품은 이들이 입력측 상에 위치되어 있는 경우 도면 부호의 말미에 첨자 "a"를 붙이고, 변속기의 출력측 상에 위치된 부품은 이들 각각의 도면 부호의 말미에 첨자 "b"를 대체적으로 붙인다.
도 1을 참조하면, 변속기(100)의 실시예는 종축(11)을 갖고 그 둘레에 다중 속도 조절 볼(1)이 방사상으로 분포되어 있는 것으로 도시되어 있다. 몇몇 실시예의 속도 조절 볼(1)은 종축(11) 둘레에서 이들의 소정 각도 위치에서 유지하는 반면, 다른 실시예에서 볼(1)은 종축(11) 둘레에서 자유롭게 궤도 운동한다. 볼(1)은 입력 디스크(34)에 의해 이들의 입력측에서, 그리고 출력 디스크(101)에 의해 이들의 출력측에서 접촉된다. 입력 및 출력 디스크(34, 101)는 볼(1)의 입력측 및 출력측 각각의 종축에 인접한 내부 보어로부터 볼(1)과 각각 접촉하는 방사상 점으로 연장하는 환상 디스크이다. 입력 및 출력 디스크(34, 101)는 디스크(34, 101)의 각각과 볼(1) 사이에 접촉 영역을 형성하는 접촉면을 각각 갖는다. 일반적으로, 입력 디스크(34)가 종축(11) 둘레를 회전함에 따라, 입력 디스크(34)의 접촉 영역의 각 부분은 회전하여 각각의 회전 중에 볼(1)의 각각과 순차적으로 접촉한다. 이는 출력 디스크(101)에 대해서도 마찬가지로 유사하다.
입력 디스크(34) 및 출력 디스크(101)는 단순한 디스크 형상으로 형성될 수 있거나 또는 원하는 입력 및 출력의 형태에 따라 오목형, 볼록형, 원통형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 일 실시예에서, 입력 및 출력 디스크는 중량에 민감한 적용예에 있어서 이들을 더 경량화하도록 스포크 형상이다. 이들이 속도 조절기 볼과 결합하는 디스크의 구름 접촉면은 적용예의 토크 및 효율 요건에 따라 편평형, 오목형, 볼록형 또는 다른 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 디스크가 볼과 접촉하는 오목형 프로파일은 미끄러짐(slippage)을 방지하는데 요구되는 축력의 양을 감소시키는 반면, 볼록형 프로파일은 효율을 증가시킨다. 또한, 볼(1)은 모두 이들의 각 방사상 최내측 점에서 아이들러(18)와 접촉한다.
아이들러(18)는 종축(11) 둘레에서 동축으로 위치하고 볼(1)이 방사상 위치를 유지하는 것을 보조하는 대체적으로 원통형인 부품이다. 변속기의 많은 실시예의 종축(11)을 참조하면, 입력 디스크(34) 및 출력 디스크(101)의 접촉면은 아이들러(18)가 볼(1)에서부터 방사상 내향으로 위치된 상태로 볼(1)의 중심으로부터 대체로 방사상 외향으로 배치될 수 있어, 각각의 볼(1)은 아이들러(18), 입력 디스크(34) 및 출력 디스크(101)와 3점 접촉을 형성한다. 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)는 모두 많은 실시예에서 동일한 종축(11) 둘레로 회전할 수 있는 바, 이하에서 상세히 더 설명한다.
여기에 설명한 변속기(100)의 실시예가 구름 트랙션 변속기라는 사실로 인하여, 몇몇 실시예에서, 볼(1) 접점에서 입력 디스크(34) 및 출력 디스크(101)의 미끄러짐을 방지하기 위해서 높은 축력이 요구된다. 높은 토크 전달 기간 동안 축력이 증가함에 따라, 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)가 볼(1)과 접촉하는 접촉 패치(patch)의 변형이 중대한 문제점으로 되어, 이들 부품의 효율 및 수명을 감소시킨다. 이들 접촉 패치를 통해 전달될 수 있는 토크의 양은 유한하며, 이는 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)를 만드는 재료의 항복 강도의 함수이다. 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)의 마찰 계수는 주어진 양의 토크를 전달하는데 필요한 축력의 양에 상당한 영향을 미치고, 그에 따라서 변속기의 효율 및 수명에 상당히 영향을 미친다. 트랙션 변속기의 구름 요소의 마찰 계수는 매우 중요한 가변적으로 영향을 주는 성능요소이다.
특정 코팅이 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)의 성능을 향상시키기 위해 이들의 표면에 도포될 수 있다. 실제로, 이러한 코팅은 여기에 설명된 변속기의 실시예를 실시함에 있어, 상기와 동일한 부가의 이익을 달성하기 위해 모든 구름 트랙션 변속기의 구름 접촉 요소에 유리하게 사용될 수 있다. 몇몇 코팅은 이들 구름 요소의 표면의 마찰 계수를 증가시키는 유리한 효과를 갖는다. 몇몇 코팅은 높은 마찰 계수를 갖고, 축력이 증가함에 따라 증가하는 가변 마찰 계수를 나타낸다. 마찰 계수가 높으면, 주어진 토크를 얻어낼 때 필요한 축력이 작아도 되므로, 변속기의 효율 및 수명이 증가한다. 가변 마찰 계수는 최대 토크를 전달하는데 필요한 축력의 양을 감소시킴으로써 변속기의 정격 최대 토크를 증가시킨다.
세라믹 및 서멧과 같은 몇몇 코팅은 우수한 경도 및 내마모성을 갖고, 구름 트랙션 변속기 내에서 높은 부하를 받는 구름 요소의 수명을 상당히 연장시킬 수 있다. 질화규소와 같은 세라믹 코팅은 축력이 증가함에 따라 증가하는 가변 마찰 계수인 높은 마찰 계수를 가질 수 있고, 또한 매우 얇은 층으로 이들 부품의 표면에 도포될 때 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)의 수명을 증가시킬 수 있다. 코팅 두께는 코팅에 사용되는 재료에 따라 다르며, 적용예에 따라 변경될 수 있지만, 대표적으로는 세라믹의 경우 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터, 서멧의 경우 0.75 마이크로미터 내지 4 마이크로미터의 범위를 갖는 것이 보통이다.
볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)가 여기에 설명된 변속기의 많은 실시예에서 사용되는 재료인 경화강(hardened steel)으로 제조될 때, 코팅을 도포하는데 사용되는 프로세스를 고려하는 것이 중요하다. 세라믹 및 서멧을 도포하는데 사용되는 몇몇 프로세스는 높은 온도를 요구하고, 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)의 경도를 저하시킬 수 있어, 성능을 저하시키고 조기 파손의 원인이 된다. 저온 도포 프로세스가 바람직하고, 저온 진공 플라즈마, DC 펄스식 반응 마그네트론 스퍼터링, 플라즈마 화학 기상 증착(PE-CVD), 비평형 마그네트론 물리 기상 증착 및 도금을 포함하는 몇몇 프로세스가 이용 가능하다. 비용이 낮고, 원하는 코팅 성능을 달성하기 위한 맞춤 욕조(custom bath)를 만들 수 있기 때문에 도금 프로세스가 많이 사용된다. 공증착 무전해 니켈을 갖는 탄화규소 또는 질화규소의, 또는 탄화규소 또는 질화규소를 갖는 전해 도금된 니켈의 욕조 내에 구름 요소를 침지하는 것은 대량 생산에 적합한 저온 처리법이다. 전술된 것에 부가하여 다른 재료를 사용할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이러한 도포 공정에서, 부품들은 케이지 내에 수용되어, 욕조 내에 침지되고, 용액이 모든 표면에 접촉하도록 교반된다. 코팅의 두께는 부품이 욕조 내에 침지되는 시간의 길이에 의해 제어된다. 예를 들면, 몇몇 실시예는 적절한 코팅 두께를 달성하기 위해 4시간 동안 공증착 무전해 니켈을 갖는 질화규소를 사용하여 부품을 침지할 수 있지만, 이는 단지 예일 뿐이고, 코팅을 형성하고 그 두께를 제어하기 위한 많은 여러 방법들이 알려져 있으며, 원하는 특성, 원하는 두께 및 부품이 제조되는 모재 또는 기재를 고려하여 다양하게 사용할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 변속기(100)를 보호하고, 윤활제를 수용하고, 변속기(100)의 부품을 정렬하고, 변속기(100)의 힘을 흡수하는 케이스(40) 내에 포함된 연속 가변 변속기(100)의 실시예를 도시한다. 케이스 캡(67)은 특정 실시예에서 케이스(40)를 덮는다. 케이스 캡(67)은 일반적으로 입력 샤프트가 통과하는 그 중심을 관통한 보어를 갖는 디스크와 같이 형성되고, 그의 외경부에 한 세트의 나사를 가져서 케이스(40)의 내경부의 대응하는 한 세트의 나사에 나사 결합된다. 그렇지만, 다른 실시예에서, 케이스 캡(67)은 케이스(40)에 체결되거나 또는 스냅 링 및 대응 그루브에 의해 케이스(40) 내에서 적소에 유지되고, 따라서 그 외경부에 나사산이 형성될 필요가 없을 수도 있다. 케이스 캡(67)을 부착하기 위한 체결구(fastener)를 이용하는 실시예에서, 케이스 캡(67)은 변속기(100)가 부착되는 기계류에 케이스(40)를 볼트 결합하는데 사용되는 케이스 체결구(미도시)가 케이스 캡(67)의 대응하는 구멍을 통과될 수 있도록 케이스(40)의 내경부로 연장된다. 도시된 실시예의 케이스 캡(67)은 변속기(100)의 다른 부품의 부가적인 지지를 위해 그 외경부에 인접한 영역으로부터 변속기(100)의 출력측으로 연장하는 원통형 부분을 갖는다. 도시된 변속기(100) 실시예의 중심부에는, 대체적으로 구형(球形)이고 변속기(100)의 중심선 또는 회전 종축(11)에 대해 사실상 균일하게 또는 대칭적으로 방사상으로 분포된 복수의 볼(1)이 있다. 도시된 실시예에서, 8개의 볼(1)이 사용된다. 그러나, 더 많은 또는 더 적은 볼(1)이 변속기(100)의 용도에 따라 사용될 수 있다. 예를 들면, 변속기는 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개 또는 그 이상의 볼을 포함할 수 있다. 3개, 4개 또는 5개 이상의 볼을 구비하는 것은 개별 볼(1)에 작용된 힘과 변속기(100)의 다른 부품과의 접촉점에 작용된 힘을 더 광범위하게 분포시킬 수 있고, 볼(1) 접촉 패치에서 변속기(100)가 미끄러지는 것을 방지하는데 필요한 힘을 감소시킬 수 있다. 낮은 토크 그러나 높은 변속비를 갖는 응용분야에 대한 특정 실시예에서는, 비교적 더 큰 직경의 적은 개수의 볼(1)을 사용하고, 반면에 높은 토크 및 높은 변속비를 갖는 응용분야에서의 특정 실시예는 비교적 더 큰 직경의 많은 개수의 볼(1)을 사용할 수 있다. 높은 토크 및 낮은 변속비를 갖고 높은 효율이 중요하지 않은 적용예에서의 다른 실시예는 비교적 더 작은 직경의 많은 개수의 볼(1)을 사용한다. 마지막으로, 낮은 토크를 갖고 높은 효율이 중요하지 않은 적용예에서의 특정 실시예는 비교적 더 작은 직경의 적은 개수의 볼(1)을 사용한다.
볼 축(3)은 볼(1)의 각각에 대한 회전축을 정의하도록 볼(1) 각각의 중심을 통해 연장하는 구멍을 통해 삽입된다. 볼 축(3)은 그를 중심으로 볼(1)이 회전하는 대체로 긴 샤프트이고, 볼(1)을 관통하는 구멍의 양측으로부터 연장되는 두 개의 단부를 갖는다. 특정 실시예는 원통형 볼 축(3)을 갖지만, 어떠한 형상이라도 사용할 수 있다. 볼(1)은 볼 축(3)에 대해 자유롭게 회전되도록 장착된다.
특정 실시예에서, 베어링(별도로 도시되어 있지 않음)이 볼 축(3)의 외부면과 해당 볼(1)을 관통한 보어의 표면 사이의 마찰을 감소시키는데 이용된다. 이들 베어링은 볼(1)과 이들의 대응 볼 축(3)의 접촉면을 따라 어디든지 위치되는 어떠한 유형의 베어링이어도 좋으며, 많은 실시예는 동적 기계 시스템의 설계에서 공통적인 표준 기계 원리에 의해 이러한 베어링의 수명 및 효용성을 최대화할 수 있다. 이들 실시예의 몇몇에서, 레이디얼 베어링이 볼(1)을 관통하는 보어의 각 단부에 위치된다. 상기 베어링은 볼 축(3)의 외부면 또는 보어의 내부면을 이들의 레이스(race)로서 통합할 수 있거나, 또는 베어링은 각 볼(1)의 보어 내에 그리고 각 볼 축(3) 상에 형성된 적절한 공동 내에 끼워지는 별도의 레이스를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 베어링용 공동(미도시)은 래디얼 베어링, 롤러, 볼 또는 다른 유형이 이와 같이 형성된 공동 내에 끼워져 유지될 수 있도록 적절한 직경으로 적어도 양 단부에서 각각의 볼(1)을 관통한 보어를 확장함으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 볼 축(3)은 배빗(babbit), 테플론 또는 이와 동등한 재료와 같은 마찰 감소 재료로 코팅된다.
많은 실시예는 또한 볼 축(3)의 보어 내에 윤활제는 도입함으로써 볼 축(3)과 볼(1) 사이의 마찰을 최소화한다. 윤활제는 압력원에 의해 볼 축(3) 둘레의 보어 내로 주입될 수 있거나, 또는 볼 축(3) 자체에 형성된 선조(rifling) 또는 나선형 그루브에 의해 보어 내에 흡인될 수 있다. 이하 볼 축(3)의 윤활제에 대한 추가적인 설명을 제공한다.
도 1에는 볼(1)의 회전축은, 변속기를 출력 속도가 입력 속도보다 큰 고속 비에 있게 하는 방향으로 경사진 상태로 도시되어 있다. 볼 축(3)이 수평이면, 즉 변속기(100)의 주축에 평행하면, 변속기(100)는 입력 및 출력 회전 속도가 동일한 1:1의 입력대 출력 회전 속도비에 있다. 도 2에는 볼(1)의 회전축이 변속기(100)가 저속비에 있는, 즉 출력 회전 속도가 입력 회전 속도보다 느린, 그러한 방향으로 경사진 상태로 도시되어 있다. 단순화하기 위해, 도 2에서 변속기(100)가 단지 시프트될 때 위치 또는 배향을 변경하는 부분에만 도면 부호가 붙어있다.
도 1, 도 2, 도 4 및 도 5는 변속기(100)를 시프트하도록 작동할 때, 어떠한 방식으로 볼(1)의 축이 경사질 수 있는지를 도시한다. 도 5를 참조하면, 대부분의 실시예에서 일반적으로 지주(strut)인, 복수의 레그(2)가 볼(1)을 관통하는 구멍의 단부를 지나 연장하는 볼 축(3)의 단부 각각에 인접하여 볼 축(3)에 부착된다. 각각의 레그(2)는 각각의 볼 축(3)으로의 부착점으로부터 변속기(100)의 축을 향해 방사상 내향으로 연장된다. 일 실시예에서, 레그(2)의 각각은 볼 축(3) 중 하나의 각 단부를 수용하는 관통 보어를 갖는다. 볼 축(3)은 바람직하게는 이들이 각각의 레그(2)를 지나 노출된 단부를 갖도록 레그(2)를 통해 연장된다. 도시된 실시예에서, 볼 축(3)은 유리하게는 볼 축(3)의 노출된 단부 상에 동축으로 활주 가능하게 위치된 롤러(4)를 갖는다. 롤러(4)는 레그(2)의 외부에서 레그(2)를 지나 볼 축(3) 상에 끼워지는 대체로 원통형인 휠이고 볼 축(3) 둘레에서 자유롭게 회전한다. 롤러(4)는 스프링 클립 또는 다른 이와 동등한 메커니즘을 경유하여 볼 축(3)에 부착될 수 있거나, 이들은 볼 축(3) 상에서 자유롭게 주행할 수 있다. 롤러(4)는 예를 들면 베어링의 외부 레이스가 휠 또는 구름면을 형성하는 래디얼 베어링일 수 있다. 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 롤러(4) 및 볼 축(3)의 단부는 한 쌍의 고정자(80a, 80b)에 의해 또는 이들 내에 형성된 그루브(86) 내부에 끼워진다.
일 실시예의 고정자(80a, 80b)를 도 5 및 도 7에 도시하였다. 도시된 입력 고정자(80a) 및 출력 고정자(80b)는 일반적으로 볼(1)의 양측 상에서 변속기의 종축(11) 둘레에 환상으로 위치된 평행 디스크의 형태이다. 많은 실시예의 고정자(80a, 80b)는, 아래에서 상술하는, 다수의 구멍을 갖는 사실상 균일한 두께의 대체로 환상형인 디스크인 입력 고정자 디스크(81a) 및 출력 고정자 디스크(81b) 각각으로 구성된다. 각각의 입력 및 출력 고정자 디스크(81a, 81b)는 볼(1)에 대면하는 제1 측면 및 볼(1)에서 멀어지게 대면하는 제2 측면을 갖는다. 다수의 고정자 커브(82)가 고정자 디스크(81a, 81b)의 제1 측면에 부착된다. 고정자 커브(82)는, 볼(1)을 향해 대면하는 오목면(90)과, 볼(1)에서 멀어지게 대면하고 이들 각각의 고정자 디스크(81)와 접촉하는 볼록면(91)을 각각 갖는 고정자 디스크(81a, 81b)에 부착 또는 고정되는 곡면이다. 몇몇 실시예에서, 고정자 커브(82)는 고정자 디스크(81a, 81b)와 일체형이다. 많은 실시예의 고정자 커브(82)는 대체로 균일한 두께를 갖고, 고정자 커브(82)를 서로에 대해 그리고 고정자 디스크(81)에 정렬하고 부착하는데 사용되는 적어도 하나의 개구부(별도로 도시되어 있지는 않음)를 갖는다. 많은 실시예의 고정자 커브(82) 또는 일체형 부분이 사용되는 고정자 디스크(81a, 81b)는 편평한 스페이서(83)를 수용하는 슬롯(710)을 포함하고, 이는 고정자 커브(82) 및 고정자 디스크(81a, 81b)의 추가적인 위치 설정 및 정렬을 허용한다. 편평한 스페이서(83)는 입력 고정자(80a)와 출력 고정자(80b) 사이로 연장하고 이들을 상호 연결하는 강성 재료의 대체로 편평하고 대체로 직사각형인 편부이다. 편평한 스페이서(83)는 고정자 커브(82) 내에 형성된 슬롯(710) 내에 끼워진다. 도시된 실시예에서, 편평한 스페이서(83)는 고정자 커브(82)에 체결되거나 다른 방식으로 연결되지 않지만, 몇몇 실시예에서는 편평한 스페이서(83)는 용접, 접착제 또는 체결에 의해 고정자 커브(82)에 부착된다.
도 7에 또한 도시되어 있는 적어도 각각의 단부에 보어를 갖는 대체로 원통형인 다중 원통형 스페이서(84)는 편평한 스페이서(83)의 내부에 방사상으로 위치되고 또한 고정자 디스크(81) 및 고정자 커브(82)를 연결하여 위치 설정한다. 원통형 스페이서(84)의 보어는 각각의 단부에 하나의 스페이서 체결구(85)를 수용한다. 스페이서 체결구(85)는 고정자 디스크(81a, 81b), 고정자 커브(82), 편평한 스페이서(83) 및 원통형 스페이서(84)를 함께 클램핑하여 유지하도록 설계되고, 이들이 서로 모여서 집합체로서 케이지(89)를 형성한다. 케이지(89)는 볼(1)의 각도 및 방사상 위치를 유지하고, 서로에 대해 볼(1)을 정렬한다.
볼(1)의 회전축은 변속기(100)의 축으로부터 방사상 외향으로 입력측 또는 출력측 레그(2)를 이동시킴으로써 변경되고, 이는 볼 축(3)을 경사지게 한다. 이 변경이 발생할 때, 각각의 롤러(4)는, 롤러(4)의 직경보다 약간 크고 인접한 고정자 커브(82)의 각각의 쌍 사이의 공간에 의해 형성되는, 그루브(86) 내에 끼워져서 이를 따라 움직인다. 따라서, 롤러(4)는 변속기(100)의 종축(11)과 일치하여 볼 축(3)의 운동 평면을 유지하기 위해, 각각의 고정자 커브(82)의 제1 측면(92) 및 제2 측면(93)인 고정자 커브(82)의 측면(92, 93)의 표면을 따라 구른다. 많은 실시예에서, 각각의 롤러(4)는 변속기(100)의 입력측 고정자 커브(82)의 제1 측면(92) 상에서 그리고 대응 출력 고정자 커브(82)의 대응 제1 측면(92) 상에서 구른다. 이러한 실시예에서 대표적으로, 변속기(100)의 힘은 정상 작동시에 롤러(4)가 고정자 커브(82)의 제2 측면(93)과 접촉하는 것을 방지한다. 롤러(4)는 고정자 커브(82) 사이에 형성된 그루브(86)의 폭보다 약간 직경이 작아서, 그루브(86)의 에지와 각각의 대응 롤러의 원주 사이에 작은 갭(gap)을 형성한다. 입력 고정자(80a) 및 출력 고정자(80b) 상의 고정자 커브(82)의 대향 세트가 완벽한 정렬 상태에 있으면, 롤러(4)의 원주와 그루브(86) 사이의 작은 갭은 볼 축을 약간 경사지도록 하여 변속기(100)의 종축(11)과 오정렬되도록 한다. 이 상태는 볼 축(3)이 횡방향으로 약간 이동하도록 허용되는 상황인 사이드슬립(sideslip)을 발생시키고, 이는 전체 변속기 효율을 저하시킨다. 몇몇 실시예에서, 변속기(100)의 입력 및 출력측 상의 고정자 커브(82)는 볼 축(3)이 변속기(100)의 축과 평행하게 남아 있도록 서로로부터 약간 오프셋될 수 있다. 볼(1)이 볼 축(3)에 인가할 수 있는 모든 접선력, 즉 횡축력은 볼 축(3), 롤러(4) 및 고정자 커브(82)의 제1 측면(92, 93)에 의해 흡수된다. 변속기(100)가 볼(1)의 회전축을 변경시킴으로써 더 낮은 또는 더 높은 변속비로 시프트되면, 단일 볼 축(3)의 대향 단부들 상에 위치된 롤러(4) 쌍들의 각각 하나는 그루브(86)의 각각의 측면을 구름 상승 또는 하강함으로써 이들의 각 대응 그루브(86)를 따라 대향 방향으로 이동한다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 케이지(89)는 하나 이상의 케이스 커넥터(160)로 케이스(40)에 견고하게 부착될 수 있다. 케이스 커넥터(160)는 편평한 스페이서(83)의 방사상 최외측 부분으로부터 대체로 수직 연장된다. 케이스 커넥터(160)는 편평한 스페이서(83)에 체결될 수 있거나 또는 편평한 스페이서(83)와 일체로 형성될 수 있다. 케이스 커넥터(160)의 외면에 의해 대략 형성되는 외경은 케이스(40)의 내경과 대체로 동일한 치수이고, 케이스(40) 및 케이스 커넥터(160)의 양자 모두의 구멍은 케이스 커넥터(160)를 케이스(40)에 견고하게 부착하는 표준 또는 전용 체결구의 사용을 위해 제공하여, 케이스(40)를 지지하여 이동하는 것을 방지한다. 케이스(40)는 프레임 또는 다른 구조체에 케이스(40)를 부착하게 하는 장착 구멍을 갖는다. 다른 실시예에서, 케이스 커넥터(160)는 케이스(40)의 일부로서 형성될 수 있고, 케이지(89)를 이동시키기 위해 편평한 스페이서(83) 또는 다른 케이지(89) 부품의 부착을 위한 위치를 제공한다.
도 1, 도 5 및 도 7은 측면(92, 93)의 에지에 인접한 경로를 따라 커브면(82)의 오목면(90) 상에서 구르는 레그(2)의 각각에 부착된 한 쌍의 고정자 휠(30)을 포함하는 실시예를 도시한다. 고정자 휠(30)은 볼 축(3)이 레그(2)를 통과하는 영역 내에서 일반적으로 레그(2)에 부착된다. 고정자 휠(30)은, 볼 축(3)에 대체로 수직인 레그(2)를 관통한 보어를 통과하는 고정자 휠 핀(31)에 의해, 또는 그 외의 다른 부착 방법에 의해 레그(2)에 부착될 수 있다. 고정자 휠(30)은 고정자 휠 핀(31) 상에 동축으로 그리고 활주식으로 장착되고 예를 들면 스냅 링과 같은 표준 체결구로 고정된다. 몇몇 실시예에서, 고정자 휠(30)은 고정자 휠 핀(31)에 장착된 내부 레이스 및 구름면을 형성하는 외부 레이스를 갖는 래디얼 베어링이다. 특정 실시예에서, 하나의 고정자 휠(30)은 변속기(100)가 시프트될 때, 고정자 휠(30)이 변속기(100)의 종축(11)에 대해 오목면(90)을 따라 방사상으로 구를 수 있도록 레그(2)로부터 충분한 간극(clearance)을 갖고 레그(2) 각각의 측면에 위치된다. 특정 실시예에서, 오목면(90)은 볼(1)의 중심에 의해 형성된 변속기(100)의 종축(11)으로부터 반경 둘레로 동심이 되도록 성형된다.
도 1, 도 5 및 도 7을 계속 참조하면, 변속기(100)의 종축(11)에 가장 인접한 레그(2)의 단부에 부착될 수 있는 가이드 휠(21)이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 가이드 휠(21)은 레그(2)의 단부에 형성된 슬롯 내에 삽입된다. 가이드 휠(21)은 가이드 휠 핀(22)을 구비한 또는 이와 동등한 다른 부착 방법에 의해 레그(21)의 슬롯 내에서 적소에 유지된다. 가이드 휠(21)은, 가이드 휠(21) 각각의 측면 상에서 레그(2) 내에 형성되고 슬롯의 평면에 대해 수직인 보어 내에 삽입되는 가이드 휠 핀(22) 상에 동축으로 그리고 활주식으로 장착된다. 몇몇 실시예에서, 레그(2)는 변속기(100) 부품의 제조 공차를 허용하기 위해 비교적 약간 탄성 편향하도록 설계된다. 볼(1), 레그(2), 볼 축(3), 롤러(4), 고정자 휠(30), 고정자 휠 핀(31), 가이드 휠(21) 및 가이드 휠 핀(22)은 서로 조합하여 도 5에 도시된 볼/레그 조립체(403)를 형성한다.
도 4, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예를 참조하면, 시프트는 케이스(40)의 외부에 위치한 로드(rod)(10)를 회전함으로써 작용된다. 로드(10)는 각각의 제1 단부에서 로드(10)에 부착되고 로드(10) 둘레에 감겨진 가요성 입력 케이블(155a) 및 가요성 출력 케이블(155b)을 대향하는 각각의 방향으로 감고 풀리게 하는데 이용된다. 몇몇 실시예에서, 로드(10)가 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 우측에서 좌측으로 볼 때, 입력 케이블(155a)은 로드(10) 둘레에 반시계 방향으로 감기고, 출력 케이블(155b)은 로드(10) 둘레에 시계 방향으로 감긴다. 입력 케이블(155a) 및 출력 케이블(155b) 모두는 케이스(40) 내의 구멍을 통해, 그리고 이어서 입력 가요성 케이블 하우징(151a)의 제1 단부 및 출력 가요성 케이블 하우징(151b)을 통해 연장된다. 도시된 실시예의 입력 가요성 케이블 하우징(151a) 및 출력 가요성 케이블 하우징(151b)은, 종축(11)을 향해 방사상 내향으로, 이어서 고정자 디스크(81a, 81b) 내의 구멍을 통해 종방향 외부로, 그리고 이어서 재차 방사상 내향으로 입력 케이블(155a) 및 출력 케이블(155b)을 안내하는 가요성의 긴 튜브이고, 여기서 입력 및 출력 가요성 케이블 하우징(151a, 151b)의 제2 단부는 입력 및 출력 강성 케이블 하우징(153a, 153b)의 제1 단부에 각각 삽입되고 부착된다. 입력 및 출력 강성 케이블 하우징(153a, 153b)은, 케이블(155a, 155b)이 통과하고 가요성 케이블 하우징(151a, 151b)의 제2 단부로부터 방사상 내향으로 안내되고 이어서 케이블(155a, 155b)이 고정자 디스크(81a, 81b) 내의 구멍을 종방향으로 관통하여 아이들러(18)에 인접한 강성 케이블 하우징(153a, 153b)의 제2 단부를 향하도록 하는 비가요성 튜브이다. 많은 실시예에서, 케이블(155a, 155b)은 통상의 케이블 체결구 또는 다른 접합한 부착 수단에 의해 입력 시프트 가이드(13a) 및 출력 시프트 가이드(13b)(아래에서 더 후술됨)에 이들의 제2 단부들이 부착된다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 시프트 가이드(13a, 13b)는 종축(11)을 따라 축방향으로 아이들러(18)를 위치 시키고 레그(3)를 방사상으로 위치 시켜, 볼(1)의 축 및 변속기(100)의 변속비를 변경한다.
사용자에 의해 수동으로 또는 동력원에 의해 또는 동력원의 보조에 의해, 로드(10)가 도 6에 도시된 바와 같이 우측으로부터 좌측으로 로드(10)의 축에 대해 반시계 방향으로 회전되면, 입력 케이블(155a)은 로드(10)로부터 풀리고, 출력 케이블(155b)은 로드(10) 상에 감긴다. 따라서, 출력 케이블(155b)의 제2 단부는 출력 시프트 가이드(13b)에 인장력을 인가하고, 입력 케이블(155a)은 로드(10)로부터 동일한 양으로 풀린다. 이는 아이들러(18)를 변속기(100)의 출력측을 향해 축방향으로 이동시키고, 변속기(100)를 저속단으로 시프트한다.
도 4, 도 5 및 도 7을 계속 참조하면, 도시된 시프트 가이드(13a, 13b)는 각각 내경부 및 외경부를 갖는 대체적으로 환상인 링 형태이고, 두 개의 측면을 갖도록 성형된다. 제1 측면은 각각의 시프트 가이드(13a, 13b)와 각각 연관되는 두 세트의 아이들러 베어링(17a, 17b)을 경유하여 아이들러(18)에 동적으로 접촉하여 축방향으로 이를 지지하는 대체로 곧은 표면이다. 아이들러(18)에서 멀어지게 대면하는 측면인 각각의 시프트 가이드(13a, 13b)의 제2 측면은, 시프트 가이드(13a, 13b)의 내경부를 향하는 곧은 또는 편평한 방사상 표면(14)으로부터 시프트 가이드(13a, 13b)의 외경부로 향하는 볼록 커브(97)로 전이하는 캠 측면이다. 시프트 가이드(13a, 13b)의 내경부에서, 종방향 관형 슬리브(417a, 417b)가 이 시프트 가이드(13a, 13b)로부터 관형 슬리브(417a, 417b)와 정합하기 위해 대향 시프트 가이드(13a, 13b)를 향해 축방향으로 연장된다. 몇몇 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 입력측 시프트 가이드(13a)의 관형 슬리브는 출력 시프트 가이드(13b)의 관형 슬리브를 수용하도록 관통되어 있는 그 내경부의 일부를 갖는다. 이에 따라서, 출력 시프트 가이드(13b)의 관형 슬리브의 외경부의 일부는 관형 슬리브(417a, 417b)의 일부가 입력 시프트 가이드(13a)의 관형 슬리브(417a, 417b) 내에 삽입되도록 제거되어 있다. 이는 이러한 실시예의 시프트 가이드(13a, 13b)에 추가적으로 안정성을 제공한다.
도 4에 도시된 시프트 가이드(13a, 13b)의 측단면도는, 이 실시예에서, 멀어지게 대면하는 측면의 편평한 표면(14)의 프로파일은, 볼 축(3)이 변속기(100)의 종축(11)과 평행한 경우 가이드 휠(21)이 시프트 가이드(13a, 13b)와 접촉하는 방사상 지점까지 종축(11)에 대해 수직이다. 시프트 가이드(13a, 13b)의 주연(perimeter)을 향해 이동하는 이 점으로부터, 시프트 가이드(13a, 13b)의 프로파일은 볼록 형상으로 만곡된다. 몇몇 실시예에서, 시프트 가이드(13a, 13b)의 볼록 커브(97)는 하나의 반경이 아니라 다중 반경으로 구성되거나, 쌍곡선 거동, 점근적 거동 또는 다른 방식으로 구성된다. 변속기(100)가 저속단을 향해 시프트됨에 따라, 입력 가이드 휠(21a)은 시프트 가이드(13a)의 편평부(14) 상에서 종축(11)을 향해 구르고, 출력 가이드 휠(21b)은 시프트 가이드(13b)의 볼록 만곡부(97) 상에서 종축(11)에서 멀어지도록 구른다. 시프트 가이드(13a, 13b)는 입력 시프트 가이드(13a)의 관형 슬리브에 수나사산을 형성하고 출력 슬리브(13b)의 관형 슬리브에 암나사산을 형성하거나 또는 그 반대로 하여 시프트 가이드(13a, 13b)를 서로 나사 결합시킴으로써 서로 부착될 수 있다. 입력측이든 출력측이든 시프트 가이드(13a, 13b)의 하나는 시프트 가이드(13a, 13b)의 다른 하나 내에 가압될 수도 있다. 시프트 가이드(13a, 13b)는 또한 아교, 금속 접착제, 용접 또는 이와 동등한 다른 수단과 같은 다른 방법으로 부착될 수 있다.
두 개의 시프트 가이드(13a, 13b)의 볼록 커브(97)는 캠 표면으로서 작용하여, 다수의 가이드 휠(21)과 접촉하여 이를 압박한다. 시프트 가이드(13a, 13b) 각각의 편평한 표면(14) 및 볼록 커브(97)는 가이드 휠(21)과 접촉하여, 시프트 가이드(13a, 13b)가 종축(11)을 따라 축방향으로 이동할 때 가이드 휠(21)이 종축(11)으로부터 방사상 외향으로 또는 종축(11)을 향해 방사상 내향으로 레그(2)를 가압하는 일반적으로 방사상 방향으로 시프트 가이드(13a, 13b) 표면(14, 97)을 따라 이동하여, 볼 축(3)의 각도 및 관련 볼(1)의 회전축을 변경한다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 몇몇 실시예의 아이들러(18)는 시프트 가이드(13a, 13b)의 슬리브부와 제1 측면 사이에 형성된 홈통(trough) 내에 배치되어서, 시프트 가이드(13a, 13b)와 함께 이동한다. 특정 실시예에서, 아이들러(18)는 대체로 관형이고 일 외경부를 갖고, 그 내경부의 각 단부 상에 입력 및 출력 아이들러 베어링(17a, 17b)이 있는 그 내경부의 중심부를 따라 사실상 원통형이다. 다른 실시예에서, 아이들러(18)의 외경부 및 내경부는 균일하지 않을 수 있고, 가변될 수 있거나 또는 경사형 또는 만곡형과 같은 어떠한 형상이라도 가질 수 있다. 아이들러(18)는 2개의 측면, 즉 입력 고정자(80a)에 인접한 하나와 출력 고정자(80b)에 인접한 하나를 갖는다. 아이들러 베어링(17a, 17b)은 아이들러(18)와 시프트 가이드(13a, 13b) 사이에 구름 접촉을 제공한다. 아이들러 베어링(17a, 17b)은 시프트 가이드(13a, 13b)의 슬리브부 둘레에 동축으로 배치되어, 아이들러(18)가 변속기(100)의 축에 대해서 자유롭게 회전될 수 있게 한다. 슬리브(19)는 변속기(100)의 종축(11) 둘레에 끼워지고 시프트 가이드(13a, 13b)의 내경부 내에 끼워진다. 슬리브(19)는 입력 슬리브 베어링(172a) 및 출력 슬리브 베어링(172b)에 의해 시프트 가이드(13a, 13b) 각각의 내부 베어링 레이스 표면과 작동식으로 접촉하여 유지되는 일반적으로 관형인 부품이다. 슬리브 베어링(172a, 172b)은 시프트 가이드(13a, 13b)의 레이스에 상보형인 외부 베어링 레이스를 따라 구름으로써 슬리브(19)의 회전을 제공한다. 아이들러(18), 아이들러 베어링(17a, 17b), 슬리브(19), 시프트 가이드(13a, 13b) 및 슬리브 베어링(172a, 172b)을 서로 조합하면 도 4에 도시된 아이들러 조립체(402)를 형성한다.
도 4, 도 7 및 도 8을 참조하면, 몇몇 실시예의 슬리브(19)는 아이들러 로드(171)의 나사식 삽입을 허용하도록 나사산 형성된 내경부를 갖는다. 아이들러 로드(171)는 변속기(100)의 종축(11)을 따라 위치하는 대체로 원통형인 로드이다. 몇몇 실시예에서, 아이들러 로드(171)는 슬리브(19) 내에 삽입되는 것을 허용하도록 적어도 부분적으로 그 길이를 따라 나사산이 형성된다. 변속기(100)의 출력측에 대면하는 아이들러 로드(171)의 제1 단부는 바람직하게는 슬리브(19)를 통해 나사 결합되고, 슬리브(19)의 출력측을 지나 연장되어, 출력 디스크(101)의 내경부 내에 삽입된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 출력 디스크(101)는 몇몇 실시예에서 중량을 감소시키도록 스포크 형상으로 형성되는 일반적으로 원추형 디스크이고, 그 내경부로부터 변속기(100)의 출력측을 향해 축방향으로 연장하는 관형 슬리브부를 갖는다. 출력 디스크(101)는 구동 샤프트, 휠 또는 다른 기계 장치에 출력 토크를 전달한다. 출력 디스크(101)는 이들의 출력측에서 볼(1)과 접촉하고, 1:1 이외의 변속비에서 변속기의 입력 회전과는 상이한 속도로 회전한다. 출력 디스크(101)는 슬리브(19), 아이들러(18) 및 시프트 가이드(13a, 13b)가 변속기(100)의 축과 동심을 유지하도록 제1 단부에서 아이들러 로드(171)를 안내하여 중심 설정하는 기능을 한다. 다른 방법으로는, 환상 베어링이 마찰을 최소화하도록 아이들러 로드(171)와 출력 디스크(101)의 내경부 사이에서 아이들러 로드(171) 상에 위치될 수 있다. 아이들러 로드(171), 슬리브(19), 시프트 가이드(13a, 13b) 및 아이들러(18)는 작동식으로 연결되고, 변속기(100)가 시프트될 때 모두 축방향으로 함께 이동한다.
도 2를 참조하면, 입력 시프트 가이드(13a)와 고정자(80a) 사이에 위치된 원추형 스프링(133)은 저속단을 향해 변속기(100)의 시프팅을 편의시킨다. 도 1을 참조하면, 출력 디스크(101)의 주연에 인접하여 베어링 레이스와 접촉하는 출력 디스크 베어링(102)은 변속기(100)에 의해 생성된 축력을 흡수하여 케이스(40)에 전달한다. 케이스(40)는 출력 디스크 베어링(102)을 안내하기 위한 대응 베어링 레이스를 갖는다.
도 4, 도 5 및 도 7을 참조하면, 시프트 가이드(13a, 13b)의 축방향 운동의 한계는 변속기(10)의 시프팅 범위를 한정한다. 축방향 운동은 시프트 가이드(13a, 13b)가 접촉하는 고정자 디스크(81a, 81b) 상에서 내부면(88a, 88b)에 의해 제한된다. 극단적으로 높은 변속비에서, 시프트 가이드(13a)는 입력 고정자 디스크(81a) 상에서 내부면(88a)과 접촉하고, 극단적으로 낮은 변속비에서, 시프트 가이드(13b)는 출력 고정자 디스크(81b) 상에서 내부면(88)과 접촉한다. 많은 실시예에서, 시프트 가이드(13a, 13b)의 볼록 커브(97)의 곡률은 기능적으로는 볼(1)의 중심으로부터 가이드 휠(21)의 중심까지의 거리, 가이드 휠(21)의 반경, 두 개의 가이드 휠(21)과 볼(1)의 중심 사이에 형성된 라인들 사이의 각도 및 볼(1) 축의 경사 각도에 따라 결정된다. 이러한 관계의 예는 도 25, 도 26 및 도 27을 참조하여 후술한다.
이제, 도 1, 도 5 및 도 7에 도시된 실시예를 참조하면, 하나 이상의 고정자 휠(30)은 각각의 레그(2) 내의 구멍을 통해 삽입된 고정자 휠 핀(31)으로 각각의 레그(2)에 부착될 수 있다. 고정자 휠 핀(31)은 고정자 휠(30)이 각각의 고정자 휠 핀(31) 상에서 자유롭게 회전할 수 있게 하기 위한 적절한 크기 및 디자인을 갖는다. 고정자 휠(30)은 볼(1)에 대면하는 고정자 커브(82)의 오목한 만곡면(90)을 따라 구른다. 고정자 휠(30)은 레그(2)가 축방향으로 이동하는 것을 방지하도록 그리고 변속기(100)가 시프트될 때 볼 축(3)이 용이하게 경사지는 것을 보장하도록 축방향 지지를 제공한다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 고정자(80a)에 인접하여 위치된 스포크 형상의 입력 디스크(34)는 부분적으로는 캡슐화되지만, 일반적으로는 고정자(80a)와 접촉하지 않는다. 입력 디스크(34)는 두 개 이상의 스포크를 가질 수 있거나 또는 중실 디스크일 수 있다. 스포크는 중량을 감소시키고 변속기(100)의 조립을 보조한다. 다른 실시예에서, 중실 디스크가 사용될 수 있다. 입력 디스크(34)는, 볼(1)과 접촉하는 제1 측면 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면인 두 개의 측면을 갖는다. 입력 디스크(34)는 그 내경부에 한 세트의 암나사산 또는 너트(37) 상에 동축으로 끼워지고 그로부터 방사상으로 연장하는 일반적으로 환상 디스크이다. 사용된 케이스(40)가 볼(1) 및 입력 디스크(34)를 캡슐화하는 유형이고 케이스(40) 상의 플랜지 내의 볼트 구멍을 통해 삽입된 통상의 볼트로 섀시 또는 프레임과 같은 강성 지지 구조체(116)에 장착되는 경우, 입력 디스크(34)의 외경부는 케이스(40) 내에 끼워지도록 설계된다. 전술된 바와 같이, 입력 디스크(34)는 볼(1)과 대면하는 측면인 입력 디스크(3)의 제1 측면의 립(lip) 상에서 원주방향으로 경사진 면 또는 베어링 접촉면을 따라 볼(1)과 회전 접촉한다. 또한 전술된 바와 같이, 입력 디스크(34)의 몇몇 실시예는 그 내경부 내에 삽입된 한 세트의 암나사산(37) 또는 너트(37)를 갖고, 너트(37)는 나사(35)에 나사 결합되어, 이에 의해 입력 디스크(34)를 나사(35)와 결합한다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 나사(35)는 구동 샤프트(69)에 부착되어 이에 의해 회전된다. 구동 샤프트(69)는 대체로 원통형이고, 내부 보어와, 출력측을 향해 축방향으로 대면하는 제1 단부와, 입력측을 향해 축방향으로 대면하는 제2 단부와, 대체로 일정한 직경을 갖는다. 제1 단부에서, 구동 샤프트(69)는 일반적으로 모터로부터의 기어, 스프로켓 또는 크랭크 샤프트인 입력 토크 장치에 견고하게 부착되고 이에 의해 회전된다. 구동 샤프트(69)는 나사(35)의 내경부에 형성된 대응 세트의 스플라인을 결합하여 회전시키도록 그 제2 단부로부터 연장하는 축방향 스플라인(109)을 갖는다. 일반적으로 제1 측면에서 구동 샤프트(69) 상에 동축으로 위치된 환상 디스크 상의 상승된 경사면의 세트인 중심 구동 샤프트 램프(99)의 세트는 구동 샤프트(99) 상의 스플라인(109)과 정합하는 정합 프롱(prong)을 갖고 구동 샤프트(69)에 의해 회전되고 구동 샤프트(69)를 따라 축방향으로 이동하는 것이 가능하다. 핀 링(195)은 중심 구동 샤프트 램프(99)의 제2 측면과 접촉한다. 핀 링(195)은 아이들러 로드(171) 상에 동축으로 위치된 강성 링이고, 축방향 운동이 가능하고, 아이들러 로드(171)와 정렬하여 아이들러 핀(196)을 유지하는 기능을 하는 횡단방향 보어를 갖는다. 아이들러 핀(196)은 핀 링(195)의 직경보다 약간 길고 아이들러 로드(171) 내의 긴 슬롯(173)을 통해 삽입된 긴 강성 로드이고, 핀 링(195)의 보어 내로 삽입될 때 그의 제1 및 제2 단부에서 핀 링(195)을 약간 지나 연장된다. 아이들러 로드(171) 내의 긴 슬롯(173)은, 변속기(100)가 고속단을 향해 1:1로부터 시프트될 때 핀(196)과 접촉하지 않고, 도 1에 도시된 바와 같이 볼 때 우측으로 아이들러 로드(171)의 축방향 운동을 허용한다. 그러나, 변속기(100)가 저속단을 향해 1:1로부터 시프트될 때, 긴 슬롯(173)의 입력 단부 상의 측면은 핀(196)과 접촉하고, 이는 이어서 핀 링(195)을 경유하여 중심 구동 샤프트 램프(99)에 작동식으로 접촉한다. 따라서, 아이들러 로드(171)는 변속기가 1:1과 저속단 사이에 있을 때, 중심 구동 샤프트 램프(99)에 작동식으로 연결되어, 아이들러 로드(171)가 축방향으로 이동할 때 중심 구동 샤프트 램프(99)가 또한 아이들러 로드(171)와 함께 축방향으로 이동한다. 중심 구동 샤프트 램프(99)의 램프면은 나선형, 만곡형, 선형 또는 그 외의 다른 형상일 수 있고, 대응 중심 베어링 디스크 램프(98)의 세트와 작동식으로 접촉한다. 중심 베어링 디스크 램프(98)는 중심 구동 샤프트 램프(99)에 상보형이며, 이에 대향하는 램프면을 갖는다. 변속기(100)의 출력측에 대면하는 제1 측면에서, 중심 베어링 디스크 램프(98)는 중심 구동 샤프트 램프(99)에 대면하고 중심 구동 샤프트 램프(99)와 접촉되어 이에 의해 구동된다.
중심 베어링 디스크 램프(98)는 변속기(100)의 종축(11) 둘레로 동축으로 회전하도록 위치된 대체로 환상형의 디스크인 베어링 디스크(60)에 견고하게 부착된다. 베어링 디스크(60)는 베어링 디스크 베어링(66)과 접촉하는 볼(1)에서 멀어지게 대면하는 그의 측면 상에서 그 주연에 인접한 베어링 레이스를 갖는다. 베어링 디스크 베어링(66)은 베어링 디스크(60)의 주연에서의 환상 스러스트 베어링이고, 베어링 디스크(60)와 케이스 캡(67) 사이에 위치된다. 베어링 디스크 베어링(66)은 베어링 디스크(60)를 위한 축방향 및 반경방향 지지를 제공하고, 이어서 변속기(100)의 내부를 부분적으로 캡슐화하기 위해 케이스(40)와 함께 작용하는 케이스 캡(67) 상에 베어링 레이스에 의해 지지된다.
도 1을 참조하면, 케이스 캡(67)은 그 주연에서부터 또는 주연 부근에서부터 출력 단부를 향해 연장하는 관형부를 갖고 또한 그 중심을 관통하는 보어를 갖는 구동 샤프트(69)로부터 연장하는 대체로 환상형인 디스크이다. 케이스 캡(67)은 변속기(100)에 의해 생성된 축방향 및 반경방향 힘을 흡수하고, 변속기(100)를 밀봉하여, 윤활제가 누출되고 오염물이 진입하는 것을 방지한다. 케이스 캡(67)은 고정되어 있고, 몇몇 실시예에서, 종래의 체결 방법에 의해 케이스(40)에 견고하게 부착되거나 또는 케이스(40)의 내경부 상의 대응 암나사산과 정합하는 수나사산을 그 외경부에 가질 수 있다. 전술된 바와 같이, 케이스 캡(67)은 케이스 캡(67)으로부터 관형 연장부의 출력 단부의 내부에 배치된 베어링 디스크(60)의 주연에 인접하여 베어링 디스크 베어링(66)과 접촉하는 베어링 레이스를 갖는다. 케이스 캡(67)은 또한 구동 샤프트 베어링(104)과 정합하는 그 환상부의 내경부에 인접하여 배치된 출력측에 대면하는 제2 베어링 레이스를 갖는다. 구동 샤프트 베어링(104)은 구동 샤프트(69)에 축방향 및 반경방향 지지를 제공하는 조합형 쓰러스트(thrust) 및 래디얼 베어링이다. 구동 샤프트(67)는 나사(35)에 의해 생성된 축력을 케이스 캡(67)에 전달하는, 구동 샤프트 베어링(104)과 정합하는 입력측에 대면하는 그 외경부 상에 형성된 베어링 레이스를 갖는다. 입력 베어링(105)이 구동 샤프트(69)를 더 지지한다. 입력 베어링(105)은 구동 샤프트(69) 상에 동축으로 위치되고 변속기(100)의 입력측에 대면하는 케이스 캡(67)의 내경부 상의 제3 레이스와 정합한다. 입력 베어링(105)을 위한 주행면을 제공하도록 설계된 베어링 레이스를 갖는 원통형 나사산 형성 너트인 원추 너트(106)는 구동 샤프트(69) 상에 나사 결합되고 입력 베어링(105)을 지지한다.
도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 일반적으로 종축(11) 둘레에 링을 형성하는, 다중 주연 램프(61)의 세트가 베어링 디스크(60)에 견고하게 부착된다. 주연 램프(61)는 종축(11) 둘레에 방사상으로 위치된 다중 경사면이고, 베어링 디스크(60)에 접하여 위치되거나 그 상부에 형성되고 출력 디스크에 대면한다. 경사면은 만곡형, 나선형, 선형 또는 다른 형상일 수 있고, 각각의 하나는 다중 램프 베어링(62) 중 하나에 인가된 축력을 생성하는 쐐기를 생성한다. 램프 베어링(62)은 구형이지만, 원통형, 원추형 또는 다른 기하학적 형상일 수 있고, 베어링 케이지(63) 내에 수용된다. 도시된 실시예의 베어링 케이지(63)는 개별 램프 베어링(62)을 수납하는 다중 개구부를 갖는 대체로 링 형상이다. 입력 디스크 램프(64)의 세트가 입력 디스크(34)에 견고하게 부착되거나, 또는 입력 디스크(34)의 부분으로서 형성된다. 입력 디스크 램프(64)는 몇몇 실시예에서 입력측을 향해 대면하는 램프를 갖는 주연 램프(62)에 상보형이다. 다른 실시예에서, 입력 디스크 램프(64)는 램프 베어링(62)을 방사상으로 정렬하고 중심 설정하는 베어링 레이스의 형태이다. 램프 베어링(62)은 주연 램프(61) 및 입력 디스크 램프(64)의 경사면을 감아 올리거나 감아 내림으로써 토크의 편차에 응답한다.
이제, 도 1 및 도 4를 참조하면, 축력 발생기(160)는 입력 디스크(34)와 볼(1) 사이의 수직 접촉력을 증가시키도록 발생되고 입력 디스크(34)에 인가되는 축력을 생성하는 다양한 부품으로 구성되고, 이 수직 접촉력은 마찰시에 입력 디스크(34)가 볼(1)을 회전하는데 이용하는 성분이다. 변속기(100)는 충분한 축력을 생성하여, 입력 디스크(34), 볼(1) 및 출력 디스크(101)가 이들의 접촉점에서 미끄러지지 않거나 또는 허용량만큼만 미끄러진다. 변속기(100)에 인가된 토크의 크기가 증가함에 따라, 적절한 양의 추가의 축력이 미끄러짐을 방지하는데 필요하다. 더욱이, 고속단보다 저속단에서 또는 1:1 변속비에서 더 큰 축력이 미끄러짐을 방지하기 위해 필요하다. 그러나, 고속단에서 또는 1:1에서 너무 큰 힘을 제공하는 것은 변속기(100)의 수명을 단축시키고, 효율을 감소시키고, 그리고/또는 증가된 축력을 흡수하기 위해서는 더 큰 부품을 필요로 한다. 이상적으로는, 축력 발생기(160)는 변속기(100)가 시프트되고 토크가 변경될 때 볼(1)에 인가된 축력을 변경할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 변속기(100)는 이들 목표의 양자 모두를 달성한다. 나사(35)는 주연 램프(61)에 의해 생성되는 것과 별개의 구별되는 축력을 제공하도록 설계되고 구성된다. 몇몇 실시예에서, 나사(35)는 주연 램프(61)보다 적은 축력을 생성하지만, 변속기(100)의 다른 예에서, 나사(35)는 주연 램프(61)보다 더 큰 힘을 생성하도록 구성된다. 토크의 증가시에, 나사(35)는 너트(37) 안쪽으로 약간 더 회전하여 토크의 증가에 비례하는 양만큼 축력을 증가시킨다. 변속기(100)가 1:1 변속비에 있고 사용자 또는 차량이 저속단으로 시프트하면, 아이들러 로드(171)는 슬리브(19), 슬리브 베어링(172), 시프트 가이드(13a, 13b) 및 아이들러(18)와 함께 입력측을 향해 축방향으로 이동한다. 아이들러 로드(171)는 핀(196) 및 핀 링(195)을 통해 중심 구동 샤프트 램프(99)에 접촉하여, 중심 구동 샤프트 램프(99)가 출력측을 향해 축방향으로 이동할 수 있게 한다. 중심 구동 샤프트 램프(99)의 경사면은 중심 베어링 디스크 램프(98)의 대향 경사면과 접촉하여, 중심 베어링 디스크 램프(98)가 베어링 디스크(67)를 회전시키고 주연 램프(61)를 램프 베어링(62) 및 입력 디스크 램프(64)와 결합하도록 한다. 중심 구동 샤프트 램프(99) 및 중심 베어링 디스크 램프(98)는 토크 분할 기능을 수행하여, 나사(35)로부터 주연 램프(61)로 토크의 일부를 시프트한다. 이는 주연 램프(61)를 통해 직접전달된 전달 토크의 비율을 증가시키고, 주연 램프(61)가 전술된 바와 같이 토크 민감성이므로, 생성되는 축력의 양이 증가한다.
도 1 및 도 4를 계속 참조하면, 저속단으로 시프트할 때, 아이들러(18)는 출력측을 향해 축방향으로 이동하고, 접촉 패치의 힘의 반응에 의해 저속단을 향해 견인된다. 아이들러(18)가 저속단을 향해 더 멀리 이동할수록, 더 강하게 견인된다. 접점을 가로지르는 수직력 뿐만 아니라 시프트각의 증가에 의해 증가하는 이 "아이들러 견인"은, 또한 고속단으로 시프트할 때도 발생한다. 아이들러 견인은 접촉 패치에 작용하는 횡력(transverse force)의 누적으로 인하여 발생하고, 그 효과는 스핀이라 칭한다. 스핀은 볼이 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 아이들러(18)와 접촉하는 접촉점인 3개의 접촉 패치에서 발생한다. 아이들러(18)와 볼(1) 사이의 접점에서 스핀으로부터의 합력의 크기는 볼(1)과 입력 및 출력 디스크(34, 101)의 합력의 크기에 비교하여, 최소 값을 갖는다. 아이들러(18)와 볼(1) 계면의 접촉 패치에서 생성된 최소 스핀으로 인하여, 이 접촉 패치는 이하의 설명에서 무시될 수 있을 것이다. 스핀은 입력 디스크(34) 및 볼(1)에서 그리고 출력 디스크(101) 및 볼(1)에서 접촉 패치의 효율 손실로 고려될 수 있다. 스핀은 볼(1) 및 디스크(34, 101)의 구름 방향에 수직인 횡력을 생성한다. 1:1 변속비에서, 입력 및 출력 접촉 패치에서의 스핀 또는 접촉 스핀에 의해 생성된 횡력은 동일하고 반대 방향이며 본질적으로는 상쇄된다. 이 상태에서는 아이들러(18) 상에 축방향 견인이 존재하지 않는다. 그러나, 변속기(100)가 예를 들어 저속단을 향해 시프트됨에 따라, 입력 디스크(34) 및 볼(1)에서의 접촉 패치는 볼(11)의 축 또는 폴로부터 더 멀리 이동한다. 이는 스핀뿐만 아니라 구름 방향에 대해 수직으로 생성되는 횡력을 감소시킨다. 동시에, 출력 디스크(101) 및 볼(1) 접촉 패치는 볼(1)의 축 또는 폴에 더 근접하게 이동하고, 이는 스핀 및 횡방향 합력을 증가시킨다. 이는 변속기(100)의 입력 및 출력측 상에 스핀에 의해 생성된 횡력이 동일하지 않은 상황을 발생시키고, 출력 접점 상의 횡력이 더 크기 때문에 출력 디스크(101)와 볼(1) 사이의 접촉 패치는 볼(1)의 축에 더 근접하여 이동한다. 변속기(100)가 저속단으로 더 멀리 시프트될수록, 볼(1) 상에 작용하는 접점에서의 횡력은 더 커진다. 스핀에 의해 볼(1)에 발생된 횡력은 고속단으로 시프트할 때 대향 방향으로 힘을 작용한다. 볼 축(3)에 부착된 레그(2)는 시프트 가이드(13a, 13b)에 견인을 전달하고, 시프트 가이드(13a, 13b)가 아이들러(18)에 작동식으로 부착되어 있기 때문에, 축력이 아이들러 로드(171)에 전달된다. 접점을 가로지르는 수직력이 증가함에 따라, 접촉 스핀의 영향은 모든 변속비에서 증가하고 효율이 감소한다.
도 1 및 도 4를 계속 참조하면, 변속기(100)가 저속단으로 시프트됨에 따라, 아이들러 로드(171)에 전달된 견인은 도 1에서 볼 때 좌측을 향해 축력을 초래하고, 이는 나사(35)로부터 주연 램프(61)로 입력 토크가 시프트되도록 한다. 변속기(100)가 극단적인 저속단으로 시프트될 때, 아이들러 로드(171)는 더 강하게 견인되어, 중심 구동 샤프트 램프(99)와 중심 베어링 디스크 램프(98) 사이의 상대 운동을 발생시키고, 주연 램프(61)에 더욱 많은 토크를 시프트한다. 이는 나사(35)를 통해 전달된 토크를 감소시키고, 주연 램프(61)를 통해 전달된 토크를 증가시켜, 축력의 증가를 초래한다.
이제 도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면, 전기 모터/발전기(601)[MG(610)]와 결합된 변속기(600)가 개시된다. 단순화하기 위해, 단지 변속기(100)와 변속기(600)의 차이점만을 설명할 것이다. 일 실시예에서, MG(601)는 3개의 고정자 위상을 갖는 8-극(pole) 무브러시 DC 모터이다. MG(601)는 서로 대향 방향으로 회전하는 전기 고정자(682) 및 전기 회전자(694)로 구성될 수 있다. MG(601)의 속도는 전기 회전자(694)와 전기 고정자(682) 사이의 상대 속도로 정의된다. 일 실시예에서, 전기 고정자(682)는 아이들러(18)에 작동 가능하게 부착되고, 이는 볼(1)의 유성 효과(planetary effect)에 기인하여 입력 디스크(34)의 회전을 반전하고, 따라서 아이들러(18)는 입력 디스크(34)의 반대 방향으로 회전한다.
몇몇 실시예에서, 회전형 자성 강철(steel) 실린더이고 입력 디스크(34)에 견고하게 부착되는 전기 회전자(694)는 입력 디스크(34)와 동일한 부품으로 제조될 수 있거나 또는 개별적으로 제조되어 입력 디스크(34)에 접합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전자(694)는 회전자(694)의 내경부 둘레에 환상으로 위치되어 회전자(694)의 내경부에 부착되는 영구 자석(680)을 이용한다. 다른 실시예에서, 회전자(694)에 의해 생성된 자기장은 하나 이상의 전자석을 사용한다.
전기 고정자(682)는 고정자 마운트(630)에 견고하게 부착된 다수의 적층물(686) 둘레에 감겨진 코일(684)로 구성된다. 일 실시예에서, 각각이 18개의 치형부를 갖는 24개의 동일한 실리콘 강철 적층물이 있다. 고정자 마운트(630)는 회전자(694) 및 자석(680)에 대해 전기 고정자(682)를 또한 위치 설정하고 전기 고정자(682)를 전원에 접속하는 다수의 와이어(미도시)를 유도한다. 고정자 마운트(630)는 복수의 스플라인 베어링(636)을 갖는 아이들러 샤프트(602)에 작동 가능하게 부착된다.
아이들러 샤프트(602)는 변속기(600)의 중심에 위치되고, 종축(11)과 일치하고, 아이들러(18)를 이동시키고 따라서 변속기를 시프트하기 위해 축방향 운동을 할 수 있는 긴 원통형 샤프트이다. 케이블(676)은 전기 고정자(682)로부터 유도되고 고정자 마운트(630)를 통과하여 아이들러 샤프트(602) 내부의 리셉터클(674)에서 종료되는 MG(601)의 와이어를 수용한다. 일 실시예에서, 원통형 리셉터클(674)은 전기 고정자(682)의 3개의 위상으로부터 3개의 도선을 수용하고 3개의 도선을 회전형 전도체(672)로 유도한다. 원통형 부품인 회전전형 전도체(672)는 리셉터클(674)에서의 회전형 단부로부터 전도체 캡(668)에서의 고정형 단부로 전기를 전달한다. 일 실시예에서, 회전형 전도체(672)는 회전형 단부로부터 고정형 단부로 전류를 전달하기 위해 수은과 같은 액체 금속을 사용하는 유형이다. 다른 실시예에서, 슬립 링을 사용하지만, 또 다른 적합한 방법을 이용할 수 있다. 모터 제어기(미도시)에 부착되는 3개의 도선이 전도체 캡(668)으로부터 연장된다. 모터 제어기는 전원(미도시)에 부착된다.
이제 도 9 및 도 10을 참조하면, 아이들러(18)는 변속기(600)의 입력측에 위치된다. 아이들러(18)가 변속기(600)의 입력측으로부터 출력측으로 이동함에 따라, 출력 디스크(101)의 속도가 감소한다. 또한, MG(601)가 일정한 속도에서 작동하는 경우, 회전자(694)의 속도는 회전자(694)가 입력 디스크(34)에 접합되고 전기 고정자(682) 및 아이들러(18)에 대해 일정한 속도로 회전하기 때문에 증가한다. 전체적인 효과는 MG(601)의 속도에 관련된 모든 비율에서 출력 디스크(101) 측에 상당한 속도 저감이 발생한다는 것이다.
전기 차량 및 산업용 드라이브와 같은 다수의 응용부분에서, 필요 속도를 얻기 위해서는 전기 모터로부터 출력 장치로의 rpm의 감소가 필요하다. 전기 모터(601)와 조합된 변속기(600)에서 얻을 수 있는 다른 이익은 토크의 증가이고, 이는 속도 감소의 역수와 동일하다. 이로써 상당히 작은 MG(601)가 아주 소형이더라도 주어진 적용예에서 필요로하는 토크를 생성할 수 있도록 한다. 변속기(600)와 MG(601)의 조합에서 얻을 수 있는 다른 이익은 샤프트, 케이스 및 베어링을 공유한다는 것이다. 또 다른 이익은 여러 높은 토크를 사용하는 경우에서, 입력 디스크(34)가 자성 강철로 제조되고, 입력 디스크(34) 및 회전자(694)가 일 부분으로서 제조될 때, 자석(80)을 감싸고 있는 자성 강철에 의한 추가적인 중량 및 비용을 삭감할 수 있다는 것이다. 또 다른 이익은 변속기(600)의 내부에서 사용되는 동일한 유체를 이용하여 전기 고정자(682)를 액체 냉각할 수 있다는 것이다. 전기 고정자(682) 상에 동일한 액체를 적용함으로 인해, MG(601)를 통해 상당히 더 많은 동력을 부과하는 기회를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 액체 냉각식 MG(601)는 변속기(600)에서 사용되는 것과 동일한 유체, 펌프, 호스 및 밀봉부를 이용할 수 있다. 다른 이익은 변속기(600), MG(601) 및 속도 감소기가 3개의 개별적인 장치로 구성된 경우와 비교하여, 하나의 장치로 조합될 때에 이들의 크기 및 중량을 감소할 수 있다는 것이다. 더 작은 크기 및 중량은 관성을 감소시키고 변속기(600) 및 MG(601)가 다른 방식에서 필요로 하는 것보다 더 작은 공간 내로 조립될 수 있도록 한다. 전기 차량에서, 이들의 크기가 작아지고 및 가벼워질수록 배터리 또는 연료 전지를 위한 더 많은 공간을 확보할 수 있다.
또 다른 이익은 통상의 전기 구동 트레인에서 모터를 변속기로 그리고 속도 감소기에 연결하는 커플러 및 샤프트를 제거할 수 있다는 것이다. 다른 이익은 필수적인 베어링 개수의 감소로부터, 그리고 모터와 변속기와 속도 감소기 사이의 샤프트 오정렬을 제거함으로써 얻어지는 효율의 증가이다. 또 다른 이익은 MG(601), 변속기(600) 또는 속도 감소기 내로 어떤 기계적 입력도 없다는 사실로부터 얻어진다. 이는 다수의 입력부 및 출력부를 포함하여 창조적인 구동 트레인을 디자인할 수 있는 더 많은 기회를 제공한다.
도 9 및 도 10을 계속 참조하면, 회전자(694)는 변속기(600)의 입력측에서 측면 캡(612)에 부착되어 있고, 이 측면 캡은 표준 체결구를 사용하여 회전자(694)에 견고하게 고정될 수 있다. 측면 캡(612)은 일 실시예에서 강철로 제조되는 디스크형 부품이지만, 다른 재료가 사용될 수 있다. 측면 캡(612)은 윤활유, 냉각 유체를 수용하고 변속기(600)의 부품을 보호하고 수납하는 역할을 한다. 변속기(600)의 출력측에서 단부 캡(658)은 회전자(694)에 부착된다. 단부 캡(658)은 표준 체결구를 사용하여 회전자(694)에 견고하게 고정될 수 있고 일 실시예에서 강철로 구성되지만, 다른 재료가 사용될 수 있다.
반경방향 하중을 지지할 수 있고 몇몇 실시예에서는 축방향 하중을 지지할 수 있는 출력 디스크 베어링(605)은 출력 디스크(101)의 외경부 둘레에 그리고 단부 캡(658)의 보어 내부에 위치되고, 출력 디스크(101)와 단부 캡(658) 사이의 상대적인 운동을 허용한다. 아이들러 샤프트(602) 둘레에 그리고 측면 캡(612)의 보어 내부에 위치되는 캡 베어링(626)은, 회전자(694) 및 아이들러 샤프트(602) 사이의 상대적인 운동을 제공하고, 반경방향 하중을 지지할 수 있고 몇몇 실시예에서는 축방향 하중을 지지할 수 있다. 측면 캡(612)의 축방향 운동을 방지하는 역할을 하는 쓰러스트 베어링(624)은 측면 캡(612)과 캡 와셔(628) 사이에 위치된다.
캡 와셔(628)는 변속기(600)를 통해 전달되는 가장 높은 토크를 견딜 수 있는 프레임 또는 섀시와 같은 강성의 고정 구조체에 표준 체결구에 의해 장착될 수 있는 고정형 편부인 시프트 나사(622)에 견고하게 부착된다. 시프트 너트(621)는 시프트 나사(622) 상에 나사 결합되고, 시프트 너트(621)의 회전은 아이들러 샤프트(602)가 축방향으로 이동하여 변속기(600)를 시프트하도록 한다. 시프트 너트(621)는 그 중심의 보어에서 나사 결합되는 대체로 환상형인 부품이고 높은 토크를 받지 않는다. 몇몇 실시예에서, 시프트 너트(621)는 알루미늄으로 구성되지만, 플라스틱 및 강철을 포함하는 다른 재료가 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서 변속기(600)는 수동으로 시프트되지만, 회전형 부품의 원심력, 전기 모터 또는 다른 적합한 방법을 사용하여 자동으로 시프트될 수 있다. 하나 이상의 핸들(618)이 시프트 너트(621)에 부착되어, 사용자가 더 용이하게 시프트 너트(621)를 회전시킬 수 있다. 시프트 너트(621)는 그 중심에 보어를 갖는 디스크형 시프트 링(620)에 표준 체결구로 부착된다. 일 실시예에서, 시프트 링(620)은 시프트 너트(621)와 동일한 재료로 구성되지만, 다른 재료가 사용될 수도 있다. 시프트 너트(621) 및 시프트 링(620)은 시프트 너트(621) 및 시프트 링(620)이 핀 마운트(650)에 대해 회전할 때 마찰을 최소화하는 두 개의 시프트 베어링(652a, 652b)을 포함한다.
핀 마운트(650)는 시프트 나사(622) 상에 간극을 제공하는 그 중심에 보어를 갖는 디스크형 부품이다. 핀 마운트(650) 축은 종축(11)과 동심이고 시프트 너트(621) 및 시프트 링(620) 내의 카운터보어에 의해 정렬된다. 핀 마운트(650)는 그 중심으로부터 방사상으로 연장되어 180도 이격되는 두 개의 나사산 형성 구멍을 갖지만, 더 적거나 많은 나사산 형성 구멍이 사용될 수 있다. 일 실시예에서 핀 마운트(650)의 나사산 형성 구멍 내로 나사 결합되지만 또한 프레스되고, 용접되거나 또는 그 외의 다른 적합한 방법을 사용하여 삽입될 수 있는 두 개의 시프트 핀(616a, 616b)은, 핀 마운트(650)의 보어 내로 연장되는 핀을 시프트 나사(622)의 슬롯을 통해 시프트 나사(622)의 보어 내로 나사 결합한다. 시프트 핀(616a, 616b)은 아이들러 샤프트(602) 상에 그리고 시프트 나사(622)의 보어 내부에 위치되는 두 개의 핀 베어링(654a, 654b)과 접촉한다. 핀 베어링(654a, 654b)은 회전형 아이들러 샤프트(602)와 시프트 핀(616a, 616b) 사이의 상대 운동을 제공하고 변속기(600)를 시프트함으로써 발생하는 쓰러스트 하중을 흡수한다.
도 9 및 도 10을 계속 참조하면, 고정자 베어링(614)은 아이들러 샤프트(602)와 입력 고정자(80a) 사이의 축방향 운동을 허용하고 반경방향 하중을 견디기 위해 입력 고정자(80a)의 보어 내로 아이들러 샤프트(602) 둘레에 위치한다. 아이들러 샤프트(602)의 출력측에서 샤프트 베어링(610)은 아이들러 샤프트(602) 상에서 고정자 브레이스(608)의 보어 내부에 위치된다. 몇몇 실시예에서, 샤프트 베어링(610)은 롤러가 아이들러 샤프트(602)의 경화되고 연마된 영역과 접촉하는 니들 롤러 또는 원통형 롤러 베어링이다. 이는 아이들러 샤프트(602)가 최소의 마찰로 샤프트 베어링(610)에 대해 축방향으로 이동하도록 한다. 고정자 브레이스(608)는 몇몇 실시예에서 경화강으로 제조되는 대체로 원통형인 부품이지만, 다른 적합한 재료가 사용될 수 있다. 제1 단부에서 고정자 브레이스(608)는 표준 체결구로 케이지(89)에 견고하게 부착되지만, 케이지(89)의 보어 내로 용접되고 프레스되거나 케이지(89)와 일체형으로 형성될 수 있다. 제2 단부에서 고정자 브레이스(608)는 프레임 또는 섀시와 같은 고정형 구조체에 견고하게 부착된다. 고정자 브레이스(608)와 출력 디스크(101) 사이의 상대 운동을 제공하기 위해, 하나 이상의 브레이스 베어링(604a, 604b)이 고정자 브레이스(608)의 외경부 상에 그리고 출력 디스크(101)의 보어 내부에 위치된다. 브레이스 베어링(604a, 604b)은 또한 반경방향 하중을 지지하고 몇몇 실시예에서는 축방향 하중을 지지한다.
이제 도 11, 도 15, 도 16 및 도 17을 참조하여, 아이들러 샤프트(602)와 전기 고정자(682) 사이의 토크 전달 방법을 설명한다. 아이들러 샤프트(602)는 변속기(600)의 토크 및 속도를 견디도록 디자인된 적합한 재료로 구성될 수 있고 몇몇 실시예에서는 경화강이 사용되지만, 연강, 알루미늄, 티타늄, 카본 파이버가 또한 이용될 수 있다. 아이들러 샤프트(602)는, 그 외경부 내에 아이들러 샤프트(602) 축과 평행이고 몇몇 실시예에서 스플라인 베어링(636)보다 약간 큰 반경을 갖는 통상의 종방향 그루브인 하나 이상의 샤프트 그루브(634)를 형성한다. 몇몇 실시예에서, 스플라인 베어링(636)은 전기 고정자(682)와 아이들러 샤프트(602) 사이에 토크를 전달하는 대체로 구형인 구름 요소이다. 스플라인 베어링(636)은 경화강 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 사용된 스플라인 베어링(636)의 개수 및 크기는 전달하고자하는 토크의 양과, 샤프트 그루브(634)의 반경 및 길이와, 변속기(600)의 크기에 의해 달라진다.
몇몇 실시예에서 샤프트 그루브(634)와 동일하지만, 다른 실시예에서는 더 길거나 짧을 수 있고 또한 상이한 반경을 사용할 수 있는 하나 이상의 마운트 그루브(632)가 고정자 마운트(630)의 내경부 내에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 스플라인 베어링(636)은 각각의 스플라인 베어링(636)의 중심이 샤프트 그루브(634) 및 마운트 그루브(632) 모두의 반경 깊이 사이의 중간에 있도록 위치된다. 스플라인 베어링(636)은 이들이 동일한 양으로 샤프트 그루브(634) 및 마운트 그루브(632)의 모두의 반경에 접선 방향으로 굴러 올라간다는 점에서 자체 중심 설정 특징을 갖는다. 두 개 이상의 샤프트 그루브(634) 및 마운트 그루브(632)가 사용될 때, 그리고 이들이 등거리로 각을 이루어 위치될 때, 스플라인 베어링(636)은 아이들러 샤프트(602)에 대해 전기 고정자(682)를 중심 설정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 작은 양의 간극은 자체 중심 설정이 발생하여 조립을 보조하도록 하기 위해 스플라인 베어링(636)이 제공된다. 작은 양의 간극이 제공되면, 스플라인 베어링(636)은 또한 변속기(600)가 최초로 시프트될 때 적절한 위치에 자신을 위치시킬 수 있다. 변속기(600)가 시프트될 때, 스플라인 베어링(636)은 아이들러 샤프트(602)가 축방향으로 이동하는 거리의 중간에서 샤프트 그루브(634) 및 마운트 그루브(632)를 따라 축방향으로 구른다. 샤프트 그루브(634) 및 마운트 그루브(632)의 길이는 스플라인 베어링(636)의 직경의 길이와 각각의 샤프트 그루브(634)의 스플라인 베어링(636)의 수를 곱한 값의 적어도 두 배이어야 한다. 몇몇 실시예에서 고정자 베어링(614) 및 캡 베어링(626)은 스플라인 베어링(636) 축방향 운동을 제한하는 데 사용된다.
이제 도 9, 도 11, 도 15, 도 16 및 도 17을 참조하여, 전기 와이어의 전기 고정자(682)로의 유도를 설명한다. 몇몇 실시예에서, 3개의 전기 와이어는 전술된 바와 같이, 아이들러 샤프트(602)의 샤프트 구멍(638) 내로 유도되고, 회전형 전도체(672)는 비회전형 와이어를 회전형 와이어로 변환한다. 케이블(676) 내에 수용된 와이어는 케이블 튜브(639) 내로, 아이들러 샤프트(602)의 중심 내의 중공 블라인드 구멍 내로, 이어서 아이들러 샤프트(602)의 외경부로부터 케이블 튜브(639)로 관통 구멍을 형성하는 아이들러 샤프트(602)의 부분을 따라서 축방향으로 연장되는 슬롯인 샤프트 슬롯(635)을 통해 유도된다. 3개의 전기 와이어(미도시)는 이어서 케이블(676)에서 빠져나와 고정자 마운트(630)의 와이어 캐비티(648) 내부의 3개의 고정자 위상의 각각으로 분기한다. 아이들러 샤프트(602)가 시프트 중에 입력측으로부터 출력측으로 축방향으로 그리고 그 반대로 이동함에 따라, 전기 고정자(682)에 접속된 와이어를 교대로 연장 및 단축을 수행한다. 와이어 캐비티(648)는 시프트 중에 전기 와이어에 요구되는 여분의 길이를 위한 공간을 제공한다.
전기 와이어의 유도를 보조하기 위해, 하나 이상의 조립체 구멍(646)이 고정자 마운트(630)의 외경부 내에 형성되고, 이는 와이어 캐비티(648) 내부의 와이어로의 접근을 제공한다. 또한, 고정자 마운트(630)의 벽부를 통해 축방향으로 형성된 하나 이상의 유도 구멍(644)은 3개의 전기 와이어의 각각을 이들의 각각의 고정자 위상으로 유도하는 것을 보조한다. 조립체 구멍(646) 또는 유도 구멍(644)은 와이어 및 도선이 조립체 구멍(646) 또는 유도 구멍(644)을 통해 견인되고, 함께 납땜되고, 절연되고, 이어서 와이어 캐비티(648) 내로 재삽입될 수 있도록 전기 고정자(682)로부터 전기 와이어 및 도선에 접근하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 적층 나사산 형성 구멍(642)은 전기 고정자(682)를 고정자 마운트(630)에 고정시키기 위해 고정자 마운트(630)의 방사상으로 연장된 벽부 내에 형성된다.
이제 도 9, 도 10, 도 11, 도 18 및 도 19를 참조하여, 전기 고정자(682) 및 회전자(694)를 설명한다. 몇몇 실시예에서, MG(601)는 철심을 구비하는 유형이고, 도 18의 유형의 다수의 적층물(686)이 함께 적층되고, 이어서 전도성 와이어 코일(684)이 도 19에 도시되는 유형의 전기 고정자(682)를 생성하기 위해 슬롯(690)에 의해 제공되는 공간에서 각각의 치형부(692) 둘레에 감겨진다. 몇몇 실시예에서, 18개의 슬롯(690) 및 치형부(692)가 사용되지만, 응용분야에 따라 더 적거나 많은 개수가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 적층물(686) 내의 적층 구멍(688)은 전기 고정자(682)를 고정자 마운트(630)에 고정하는데 사용된다. 기계 나사와 같은 표준 체결구가 적층 구멍(688)을 통해 삽입되고 고정자 마운트(630)의 적층 나사산 형성 구멍(642) 내에 나사 결합된다.
이제 도 9, 도 10, 도 11, 도 18, 도 19 및 도 20을 참조하면, 몇몇 실시예에서 8개의 자석(680)이 8-극 전기 모터(601)를 형성하는데 사용될 수 있지만, 더 적거나 많은 자석(680)이 사용될 수 있다. 자석(680)은 영구 자석 유형이고 경질 페라이트 세라믹, 사마륨 코발트 및 네오디뮴 붕소 철을 포함하는 적합한 재료로 제조될 수 있다. 자석(680)은 이들의 외경부에서 회전자(694)의 내경부에 정합되는 반경과, 회전자(694) 및 전기 고정자(682)와 동심인 이들의 내경부 상에 대응하는 반경을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 자석(680)과 전기 고정자(682) 사이의 거리는 자속과 그에 따라 MG(601)에 의해 생성된 토크를 최대화하기 위해 가능한 작아야 한다. 자석(680)의 절반은 극성이 남극으로부터 북극으로 방사상으로 연장되도록 자화되고 나머지 자석(680)은 북극으로부터 남극으로 방사상으로 연장되는 극성을 갖는다. 자석은 모든 다른 자석(680)이 동일한 극성을 갖도록 배열된다. 열의 소산을 보조하기 위해, 회전자(694) 내에 형성된 하나 이상의 통기 구멍(609)은 액체 냉각을 요구하지 않는 적용예에서 공기의 순환에 사용된다. 액체 냉각 또는 임의의 액체가 사용되는 적용예에서는 통기 구멍(609)은 제거된다.
이제 도 9, 도 10, 도 14 및 도 15를 참조하여, 아이들러(18) 및 관련된 부분을 설명한다. 아이들러(18)는 변속기(100)의 아이들러(18)와 매우 유사하지만 동력을 전달한다는 점이 상이하다. 아이들러(18)는 억지 끼워 맞춤, 용접, 표준 체결구, 키 결합 또는 기타 다른 적합한 방법으로 아이들러 샤프트(602)에 견고하게 부착된다. 아이들러 베어링(17a, 17b)은 아이들러(18)와 비회전형 시프트 가이드(13a, 13b) 사이의 상대 운동을 제공한다. 시프트 가이드(13a, 13b)는 이들이 이들의 내경부와 아이들러 샤프트(602) 사이에 간극을 갖고 형성되어 회전형 아이들러 샤프트(602)를 타격하지 않는 점을 제외하고는 변속기(100)의 시프트 가이드(13a, 13b)와 매우 유사하다.
이제 도 9, 도 10, 도 21 및 도 22를 참조하여, 시프트 나사(622) 및 관련된 부분을 설명한다. 몇몇 실시예에서, 시프트 나사(622) 상의 하나 이상의 플랜지 구멍(664)이 시프트 나사(622)를 고정형 물체에 견고하게 부착하기 위해 사용되지만, 시프트 나사(622)를 강성의 비회전형 물체에 부착하기 위한 다른 방법이 사용될 수도 있다. 시프트 나사(622)의 내경부에 의해 정의된 시프트 보어(660)는 전도체 캡(668), 회전형 전도체(672) 및 다른 구성품을 덮어 보호한다. 시프트 슬롯(662)이 플랜지 구멍(664)에 대향하는 단부에 형성되고, 도선(670)이 회전하는 것을 제한하고 방지하기 위해, 그리고 변속기(600)가 시프트될 때 도선(670)이 축방향으로 이동하는 것을 허용하기 위해 축방향으로 연장된다. 시프트 나사(622)의 시프트 나사산(666)은 필요한 속도뿐만 아니라 극복되어야 하는 시프트 힘에 따라 수동 또는 자동 시프팅을 수용하기 위한 피치 및 크기를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 나사산의 개수는 조립의 용이성을 향상시키고 여유로운 공차를 제공하기 위해 아이들러 샤프트(602)의 축방향 운동보다 큰 축방향 길이를 갖는다.
몇몇 실시예에서 두 개의 핀 슬롯(678a, 678b)이 시프트 나사(622)를 통해 형성되지만, 더 많거나 적은 개수가 사용될 수 있다. 핀 슬롯(678a, 678b)은 시프트 나사(622)를 따라 축방향으로 연장되고 적어도 아이들러 샤프트(602)가 축방향으로 이동할 수 있는 거리만큼 긴 길이를 갖는다. 핀 슬롯(678a, 678b)의 폭은 이동을 자유롭게 허용하기 위해 시프트 핀(616a, 616b)의 직경보다 약간 크다. 핀 마운트(650)는 간극 및 제한 없는 이동을 제공하기 위해 시프트 나사산(666)의 직경보다 약간 큰 보어를 갖는다. 변속기(600)가 시프트될 때, 시프트 너트(621)가 회전되어 핀 마운트(650)가 축방향으로 이동하도록 한다. 두 개의 나사산 형성 핀 구멍(656a, 656b)이 핀 마운트(650) 내에 방사상으로 형성되고 일 실시예에서 180도 이격된다. 변속기(600)의 크기 및 토크 정격에 따라서, 더 많거나 적은 나사산 형성 핀 구멍(656a, 656b)을 사용할 수 있다. 두 개의 시프트 핀(616a, 616b)은 이들이 핀 마운트(650)의 보어를 지나서 시프트 보어(660) 내로 연장될 때까지 나사산 형성 핀 구멍(656a, 656b) 내에 나사 결합된다. 시프트 핀(616a, 616b)은, 시프트 핀(616a, 616b)의 각각의 측면 상에 위치되고 아이들러 샤프트(602)와 시프트 핀(616a, 616b) 사이의 상대 이동을 제공할 뿐만 아니라, 축력을 흡수하는 두 개의 핀 베어링(654a, 654b)과 접촉한다. 핀 베어링(654a, 654b)은 표준 체결구에 의해 적소에서 유지될 수 있고, 일 실시예로 유지 링을 사용하여 시프트 핀(616a, 616b)으로부터 이격되어 대면하는 핀 베어링(654a, 654b)의 측면 상의 아이들러 샤프트(602)의 표면 내에 형성된 그루브 내에 삽입된다.
이제 도 9, 도 10 및 도 12를 참조하면, 로봇, 믹서(mixer), 드릴, 분쇄기, 컨베이어 등과 같은 산업 설비뿐만 아니라 전기 차량을 포함하는 몇몇 적용예에 대한 동력 경로를 설명한다. 회전자(694) 및 전기 고정자(682)가 사실상 일정한 상대 속도에서 서로 반대 방향으로 회전하기 때문에, 전기 모터(601)의 이 두 부품들은 변속기(600)에 동력을 입력한다. 회전자(694)로부터의 동력은 변속기(600)의 주연에서 회전자 경로(710)를 따르고 변속기의 출력측을 향해 입력 디스크(34)를 통해 볼(1) 내로 축방향으로 전달된다. 회전자 경로(710) 화살표는 단지 도 12의 단면도의 상부에 도시되어 있지만, 회전자 경로(710)는 도 12의 단면도의 하부에서 대칭이고 동일한 경로를 따른다는 것을 주의해야 한다. 전기 고정자(682)로부터의 동력은 전기 고정자(682)에서 시작하는 고정자 경로(712)를 따라 전달되고, 아이들러 샤프트(602) 내로 이동하고, 변속기(602)의 출력측을 향해 축방향으로 이동하고, 이어서 아이들러(18)를 통해 방사상 외향으로 그리고 볼(1) 내부로 이동한다. 고정자 경로(712) 화살표는 단지 도 12의 단면도의 상부에서 도시되어 있지만, 고정자 경로(712)는 도 12의 단면도의 하부에서 대칭의 동일한 경로를 따른다는 것을 주목해야 한다. 볼(1)에서, 회전자 경로(710) 및 고정자 경로(712) 모두로부터 수용된 동력이 병합되고, 출력이 출력 디스크(101)에 전달되고 속도 감소 경로(714)를 통해 변속기(600)에서 빠져나오고 여기서 일 방향으로 회전하는 하나의 출력 성분으로부터의 동력이 존재한다. 단일 속도 감소 경로(714)에 대향 방향으로 회전하는 회전자 경로(710) 및 고정자 경로(712)로부터 상당한 속도 감소가 이루어짐으로써, 또한 토크 증가가 일어난다. 토크 증가는 속도 감소의 역수이다.
이제 도 9, 도 10, 도 12 및 도 13을 참조하여, 도 12의 반전 동력 경로를 설명한다. 도 12의 동력 경로가 반전되는 경우, 속도는 상당히 증가하면서 토크는 감소하게 된다. 동력은 출력 디스크(101)에서 변속기로 진입하고, 동력은 속도 증가기 경로(724)를 따라, 변속기(600)의 출력측으로부터 볼(1)을 향해 축방향으로 이동한다. 동력은 볼(1)로 진입하고 이어서 두 개의 성분, 즉 반전된 회전자 경로(720) 및 반전된 고정자 경로(722)로 분할된다. 반전된 회전자 경로(720)를 따른 동력은 입력 디스크(34)로 진입하고 이어서 변속기(600)의 입력측을 향해 회전자(694)로 축방향으로 이동한다. 반전된 고정자 경로(722)를 따른 동력은 아이들러(18)로 진입하고 이어서 변속기(600)의 입력측을 향해 아이들러 샤프트(602)를 통해 전기 고정자(682) 내로 축방향으로 이동한다. 전기 고정자(682) 및 회전자(694)가 기계 동력을 수용하고 있기 때문에, MG(601)는 발전기가 되어 기계 동력을 전기로 변환한다. MG(601)는 윈드 터빈과 같은 속도 증가를 요구하는 몇몇 동력 발생 적용예에서 바람직하게 사용될 수 있다.
이제 도 23 및 도 24를 참조하면, 하이브리드 차량과 같은 다수 동력의 입력을 요구하는 적용예에 대한 동력 경로를 도시한다. 단순화하기 위해, 단지 변속기(800)와 변속기(600)의 차이점만을 설명할 것이다. 변속기(800)에서, 자석(680)은 변경된 하이브리드 고정자(802)에 부착된다. 하이브리드 고정자(802)는 변속기(600)의 입력 고정자(80a)와 유사하지만 자석(680)이 부착되는 내경부를 갖는 원통형 고정자 보스(808)를 더 포함한다. 변속기(800)에서, 하이브리드 고정자(802) 및 케이지(89)가 회전하고, 동력은 케이지(89)를 통해 볼(1) 내로 전달된다. 몇몇 실시예에서, 하이브리드 고정자(802)는 자성 강철로 제조되고, 다른 실시예에서는 고정자 보스(808)는 자성 강철로 제조되는 반면 하이브리드 고정자(802)의 잔여부는 다른 재료, 예를 들어 알루미늄, 티타늄, 비자성 강철, 플라스틱 또는 임의의 다른 적합한 재료로 제조된다. 자석(680) 및 하이브리드 고정자(802)는 하이브리드 회전자(810)를 포함한다.
변속기(600)에서와 마찬가지로, 전기 고정자(682)는 아이들러 샤프트(602)를 통해 아이들러(18) 내로 동력을 전달하고, 제3 동력원이 하이브리드 케이스(804)를 통해 진입한다. 하이브리드 케이스(804)는 변속기(600)의 회전자(694)와 유사한 회전형의 대체로 원통형인 회전 부품이고, 몇몇 실시예에서 동일한 재료로 제조된다. 하이브리드 케이스(804)는 몇몇 실시예에서 하이브리드 풀리(806)에 부착된다. 하이브리드 풀리(806)는 하이브리드 케이스(804)의 입력측에 부착되고, 몇몇 실시예에서 하이브리드 풀리(806)는 하이브리드 풀리(806) 및 하이브리드 케이스(804)가 하나의 부분이 되도록 형성된다. 다른 실시예에서, 하이브리드 풀리(806) 및 하이브리드 케이스(804)는 두 개의 개별 부분이고 하이브리드 풀리(806)는 억지 끼워 맞춤, 용접, 키 결합, 핀 결합 또는 다른 적합한 방법으로 하이브리드 케이스(804)의 주연 상에 부착된다. 몇몇 실시예에서, 하이브리드 풀리(806)는 스프로켓, 기어 또는 토크가 하이브리드 케이스(804)에 전달될 수 있는 그 외의 다른 방법으로 대체된다. 몇몇 실시예에서, 하이브리드 풀리(806)는 벨트(미도시)에 의해 내연기관(미도시)의 샤프트 상의 풀리에 연결된다. 다른 실시예에서, 하이브리드 풀리(806)는 증기 엔진 또는 다른 토크 발생 기계에 작동 가능하게 부착된다.
이제 도 23을 참조하여, 변속기(800)를 통한 동력 경로를 설명한다. 전기 고정자(682)는 동력을 하이브리드 고정자 경로(742)에 입력하고, 이는 아이들러 샤프트(602)를 통하고, 아이들러(18)를 통해, 볼(1) 내로 이동한다. 하이브리드 회전자(810)는 동력을 하이브리드 회전자 경로(744)에 입력하고, 이는 케이지(89)와 그에 따른 볼(1)을 회전시키고, 동력을 볼(1) 내로 입력한다. 하이브리드 케이스(804)는 동력을 케이스 경로(740)로 입력하고, 이는 입력 디스크(34)를 통해 볼(1) 내로 이동한다. 케이지(89)가 고정되어 회전하지 않는 변속기(100)와 달리, 변속기(800) 내에는 어떠한 고정형 부품도 없다. 출력 동력은 하이브리드 출력(746)에서 빠져나오고, 이는 볼(15)로부터 출력 디스크(101)를 통해 휠, 구동 샤프트 등과 같은 외부 부품(미도시)으로 이동한다.
도 23을 계속 참조하면, 몇몇 실시예에서 변속기(800)는 무한 가변 변속기(IVT)가 되도록 구성될 수 있고, 여기서 변속비는 전진으로부터 영(0)으로 그리고 후진으로 연속적으로 이동한다. 하이브리드 회전자(810)가 입력 디스크(34)보다 더 급속하게 회전하는 경우, 케이지(89) 및 아이들러(18)는 동일한 방향으로 회전하고 IVT가 발생한다. 입력 디스크(34), 케이지(89) 및 아이들러(18)는 모두 동일한 방향으로 회전하고, 반면에 볼(1)은 역방향으로 회전한다는 것을 주목해야 한다. 전형적인 하이브리드 차량에서, 내연기관은 전기 모터/발전기보다 상당히 낮은 속도에서 회전한다. 몇몇 실시예에서, 내연기관은 하이브리드 풀리에 부착되고, 이는 입력 디스크(34)를 구동하고, 하이브리드 회전자(810)는 하이브리드 고정자(802)에 부착되고, 이는 케이지(89)를 회전시킨다. 변속기(800)의 IVT의 변속비는 케이지(89)의 속도가 입력 디스크(34)의 속도에 대해 증가함에 따라 증가한다. 그러나, 종축(11)에 대한 볼 축(3)의 각도인 감마가 변화함에 따라, 아이들러(18) 속도가 또한 변화한다. MG(601)가 대체적으로 일정한 속도에서 회전하기 때문에, 케이지(89)의 일정한 속도에 대한 아이들러(18)의 속도의 변화는, 케이지(89)의 속도가 입력 디스크(34)의 속도에 대해 변경되도록 한다. 케이지(89)의 속도가 증가하거나 감소하기 때문에, 이는 IVT로서 구성될 때 변속기(800)의 변속비를 증가시키거나 감소시킨다.
이하의 표에서, 다양한 감마의 각도는 케이지(89)의 속도가 입력 디스크(34)의 속도보다 3배 빠르도록 설계될 때 아이들러(18)의 최종 변속비 및 속도를 나타낸다. 변속비는 입력 디스크(34)의 속도에 비교한 출력 디스크(101)의 속도이다. 감마가 -20 감마로부터 20 감마로 이동함에 따라, 아이들러(18)의 속도가 증가하는 것을 이해할 수 있다. 이는 케이지(89)와 입력 디스크(34) 사이의 속도 차이를 감소시켜, 후진에서 IVT의 변속비를 감소시킨다. 팩터(factor)는 아이들러(18)의 속도로부터 케이지(89)의 속도를 감산함으로써 얻어질 수 있다. 1의 변속비 팩터는 감마가 영(0)일 때 그 자신으로 팩터를 나눔으로써 얻어진다. 이 변속비 팩터는 네거티브 감마를 향해 감소하고 포지티브 감마를 향해 증가한다. -20의 감마로부터 20의 감마로의 변속비 팩터로 변속비를 나누면, 얻어질 수 있는 실제 변속비를 구할 수 있다.
이하의 표에서 이해될 수 있는 바와 같이 실제 변속비는 오버드라이브에서 증가하고 후진에서 감소한다. 이는 특히 고속도로 속도로 주행할 때 하이브리드 차량에 대해 특히 유리한데, 이는 변속기(800)가 내연기관 및 MG(601)의 최적 속도를 유지할 수 있는 최고 속도를 증가시키고, 변속기(800) 내로 동력을 분할하여 효율을 증가시키고, 패키징에 용이하고 융통성 있는 파워트레인 디자인을 제공하며, 입력 샤프트도 필요 없으며, 최고 속도 부품[아이들러(18)]의 속도가 감소하고, 이는 또한 효율을 향상시키기 때문이다. 이는 후진에서는 대체적으로 높은 속도를 필요하지 않기 때문에, 후진에서 또한 유리하다. 이는 변속기(800)가 모든 감마 각도에서 사용되도록 하여, 볼(1) 및 아이들러(18)의 모든 가능한 표면을 덮고, 변속기(800)의 수명을 증가시킨다. 더욱이, 하이브리드 차량은 내연기관 단독으로 또는 MG(601) 단독으로 작동될 수 있고 변속기(800)를 통한 가변 속도를 유지한다.
감마 변속비 케이지(89) 속도 아이들러(18) 속도 비율 팩터 실제 변속비
-20 2.07 3.00 11.11 0.73 2.82
-15 1.85 3.00 11.73 0.79 2.34
-10 1.60 3.00 12.41 0.85 1.88
-5 1.32 3.00 13.17 0.92 1.44
0 1.00 3.00 14.06 1.00 1.00
5 0.62 3.00 15.13 1.10 0.56
10 0.14 3.00 16.43 1.21 0.12
15 -0.46 3.00 18.11 1.37 -0.34
20 -1.29 3.00 20.40 1.57 -0.82
이제 도 25 내지 도 28을 참조하여, 변속기(850)의 발전기(851)를 설명한다. 단순화하기 위해, 단지 변속기(850)와 변속기(600)의 차이점만을 설명할 것이다. 변속기(850)에서, 동력은 도 25의 입력측(우측)의 스프로켓(870)으로부터 진입하지만, 다른 실시예에서는 토크는 기어, 풀리 또는 그 외 다른 적합한 방법을 거쳐 전달될 수 있다. 입력 디스크(34)는 도 25의 우측에 있고, 동력은 입력 디스크(34)로부터 볼(1)로 그리고 출력 디스크(101)로 전달된다. 변속기(850)에서, 단일 입력 및 단일 출력이 있고, 케이지(89)(회전되지 않음)는 고정되고 아이들러(18)는 동력을 전달하지 않지만 자유롭게 회전한다. 발전기(851)는 회전형 허브 쉘(872)과 비회전형의 슬롯 형성 고정자(858) 사이의 변속기(850)의 출력측 상에 위치된다.
출력 디스크(101)는 억지 끼워 맞춤, 용접, 표준 체결구, 키 결합 또는 기타 다른 적합한 방법으로 허브 쉘(872)에 부착된다. 몇몇 실시예에서, 자기장 손실을 최소화하기 위해 자성 강철 링(856a)을 허브 쉘(872)에 부착한다. 다른 실시예에서, 허브 쉘(872)은 자성 강철 또는 다른 자성 재료로 제조하여, 강철 링(856a)을 제거할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 발전기(851)와 접촉하는 허브 쉘(872)의 부분은 자성 재료로 제조되지만 다른 부분은 알루미늄, 복합재, 티타늄 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다.
복수의 자석(852)이 강철 링(865a)에 부착된다. 몇몇 실시예에서, 자석(852)은 변속기(850)의 종축 둘레에 방사상으로 위치된 가늘고 편평한 부품이다. 몇몇 실시예에서, 자석(852)은 종축(11)과 동심인 이들의 내경부 및 외경부에서 반경을 갖는 영구 자석이다. 몇몇 실시예에서, 제2 강철 링(856b)은 슬롯 형성 고정자(858)에 부착된다. 다른 실시예에서, 슬롯 형성 고정자(858)는 자성 강철 또는 다른 자성 재료로 제조되고 자기장 손실을 최소화하기 위해 중실형이다.
복수의 코일(862)(도 26에 최적의 예를 도시함)로 구성된 고정자(854)가 제2 강철 링(856b)에 부착된다. 코일(862)은 변속기(850)의 종축(11)과 동심이고 종축(11) 둘레에 방사상으로 위치된다. 몇몇 실시예에서, 코일(862)은 사실상 사다리꼴 형상을 형성하기 위해 권취되는 와이어로 제조된다. 낮은 동력의 적용예에서, 코일(862)은 예를 들면 회로 기판 상에 인쇄될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코일(862)은 구리, 은, 알루미늄 또는 다른 전도성 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 발전기(851)는 3개의 고정자 위상을 갖는 8극 무브러시 DC 발전기이지만, 발전기(851)는 당 기술 분야에 공지된 임의의 방법에 의해 전기를 생성하도록 설계될 수 있다.
이제 도 27 및 도 28을 참조하여, 발전기(851) 와이어의 배선을 설명한다. 코일(862)에 부착된 와이어(미도시)는 슬롯 형성 고정자(858) 내에 형성된 와이어 경로(864) 내에서 방사상으로 유도배선된다. 와이어는 코일(862)로부터 원주 방향으로 이동하고 와이어 경로(864)에 결합되고, 와이어는 축 와이어 슬롯(868)을 통해 중공 축(860) 내의 보어(866) 내로 방사상 내향으로 유도배선된다. 중공 축(860), 슬롯 형성 고정자(858), 강철 링(865b) 및 코일(862) 모두는 고정형의 비회전형 부품이고 모두 서로에게 부착된다. 이어서 와이어는 중공 축(860)의 보어(866)를 통해 이동하고 변속기(850)의 출력측(좌측)에서 빠져나간다.
이제 도 29 및 도 30을 참조하여, 볼(1)이 영구 자석인 변속기(600)의 다른 형태의 모터/발전기(900)[MG(900)]를 개시한다. MG(900)는 MG(601) 대신에 또는 MG(601)에 부가하여 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 볼(1)은 그 기계적 특성 뿐만 아니라 자성 특성에 대해 최적화되는 스트론튬 페라이트와 같은 소결 경질 페라이트 세라믹 자석 재료로 제조된다. 경질 페라이트 세라믹 자석은 경화된 공구강에 근접하는 경도를 달성할 수 있고, 재료는 강철보다 상당히 가볍다. 또한, 볼(1)의 구멍은 소결 프로세스 중에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 볼(1)은 희토류 네오디뮴 철 붕소로 제조될 수 있고, 이는 극히 강한 영구 자석을 생성한다. 네오디뮴 철 붕소 재료는 그 기계적 특성 뿐만 아니라 그 자성 특성에 대해 최적화되고 소결된다. 네오디뮴 철 붕소 자석은 경화된 공구강과 유사한 경도로 매우 경질로 제조될 수 있다. 네오디뮴 철 붕소의 부식성 성질 때문에, 몇몇 실시예에서 네오디뮴 철 붕소는 내식성 코팅이 도포되는 최종 프로세스를 수행한다. 이 코팅은 또한 고 마찰 코팅일 수 있고, 실리콘 질화물과 같은 재료가 사용된다. 또한, 코팅은 볼(1), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101) 및 몇몇 실시예에서 아이들러(18) 사이의 접촉 패치에서의 마찰을 증가시키기 위해 질감 형성된 표면을 생성할 수 있다. 또 다른 방법으로, 볼(1) 상의 질감 형성된 표면은 네오디뮴 철 붕소 또는 경질 페라이트 세라믹의 소결 프로세스 중에 형성될 수 있다.
도 30을 참조하여, 제조 프로세스 중에 볼(1) 상의 자석 북극(914) 및 남극(916)의 형성에 대하여 설명한다. 몇몇 실시예에서, 볼(1)은 북극(914) 및 남극(916)의 극축(910)이 볼 축(908)에 대해 90도는 아니지만 볼(1) 사이에 위치될 수 있는 코일 인출(coil out)(902) 및 코일 인입(coil in)(904)의 영역을 최대화하기 위해, 그리고 시프팅 중에 극축(906)의 위치에서의 변화를 허용하기 위해 각을 이루어 오프셋되도록 자화된다. 몇몇 실시예에서, 자성축(906)은 극축(910)으로부터 30도로 각을 이루어 오프셋되지만, 다른 실시예에서 극축(906)의 각도가 극축(910)으로부터 5 내지 45도로 변화될 수 있다.
도 29 및 도 30을 참조하면, 몇몇 실시예에서 북극(914) 및 남극(916)은 입력측 또는 출력측에서만 회전한다. 도 30에서, 북극(914)이 변속기(600)의 입력측 상에 위치되는 경우, 감마가 30도 이하로 유지되는 한 입력측에서 항상 회전할 수 있다. 마찬가지로, 남극(916)은 출력측에서 항상 회전할 것이다. 이는 볼(1)들 사이에서 전류 운반 전도체의 양을 최대화하기 위한 공간을 제공한다. 두 세트의 인접한 코일[주연 코일(902a, 902b) 및 내부 코일(904b)]이 볼(1)들 사이에 위치한다. 주연 코일(902b) 및 내부 코일(904b)은 북극(914)이 이들 코일(902b, 904b)을 지나 회전하도록 변속기(600)의 입력측에 위치된다. 주연 코일(902a) 및 내부 코일(904a)은 남극(916)이 이들 코일(902a, 904a)을 지나 회전하도록 변속기(600)의 출력측에 위치된다.
몇몇 실시예에서, 볼(1) 및 코일(902a, 902b, 904a, 904b)은 무브러시 DC 모터 또는 발전기로서 구성되고 따라서 코일(902a, 902b, 904a, 904b)의 극성은 전자적으로 스위칭된다. 따라서, 각각의 코일(902a, 902b, 904a, 904b)은 두 개의 볼(1)들을 끌어당기도록 제어될 수 있는 데, 이는 모든 다른 볼(1)은 그 북극(914)이 종축(11)으로부터 이격되어 방사상으로 위치되도록 위치되고, 나머지 볼(1)은 그 남극(916)이 종축(11)으로부터 이격되어 방사상으로 위치되는 경우에 그러하다. 각각의 볼(1)은 그 인접한 두 개의 볼로부터 180도 이격되어 위치된다. 각각의 코일(902a, 902b, 904a, 904b)은 MG(601)의 전기 고정자(682) 내의 적층물(686)에 상응하는 철심(미도시)을 갖는다.
이제 도 31 내지 도 35를 참조하여, 변속기(600)에 대한 다른 MG(950)를 도시한다. 단순화하기 위해, 단지 MG(950)와 MG(601)의 차이점만을 설명할 것이다. MG(905)의 고정자(988)는 대체로 환상형이고 종축(11) 주위에 방사상으로 배열된 개별적인 전도체(954)로 구성된다. MG(950)의 환상형은 고정자(988)의 각 측면 상의 자석(970, 972)이 사실상 동일한 표면 면적을 갖도록 허용하면서 표면적을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서 전도체(954)는 편평 구리 시트로 구성되지만, 알루미늄 및 은을 포함하는 다른 전도성 재료가 사용될 수 있다. 시트 금속의 두께는 전도체(954)를 통해 이동하는 전류량에 따르지만 그 최종 형성된 형상을 유지하기 위해 충분한 두께를 갖는다. 전도체(954)는 고정자(988)의 외경부를 향해 넓어지는 대체로 오목한 형상을 갖도록 위해 스탬핑되거나 다른 방식으로 형성될 수 있다. 전도체(954)는 고정자(988)의 내경부에 인접하여 대체로 축방향으로부터 고정자(988)의 외경부에서 반경 방향으로 천이한다.
몇몇 실시예에서, 전도체(954)의 측면은 360도를 전도체(954)의 수로 나눈 값과 동일한 각도를 생성한다. 전도체(954)는 정밀한 형상을 형성하고 체결 목적을 위한 개구부를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 접시 머리 나사의 동일 높이의 삽입을 허용하기 위해 구멍 내에 카운터싱크(countersink)를 포함하는 장착 구멍(962)이 전도체(954)를 고정자 마운트(968)에 체결하는데 사용된다. 몇몇 실시예에서, 구리 접시 머리 나사(미도시)는 전도체(954)를 고정자 마운트(968)에 부착하는데 사용된다. 구리 접시 머리 나사는 회로를 완성하기 위해 그리고/또는 고정자 위상을 접속하기 위해 전류를 유도하는 단자(960)에 나사 결합된다. 고정자(988)의 주연에서, 점퍼 구멍(964)은 전류를 운반하고 인접하지 않은 두 개의 전도체(954)를 접속하는 점퍼(956)의 부착을 위해 전도체(954) 내에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 점퍼 구멍(964)은 나사산 형성되고, 접시 머리 구리 나사와 같은 전류 운반 나사가 점퍼를 통해 삽입되고 점퍼 구멍(964)에 나사 결합된다. 몇몇 실시예에서, 전도체 탭(966a, 966b)은 고정자(988)의 주연에 있는 전도체(954)의 코너 내에 형성된다.
이제 도 35를 참조하여, 고정자(988)의 전류 경로를 설명한다. 고정자(988)는 3개의 고정자 위상(A, B, C)으로 구성되지만, 더 작거나 많은 고정자 위상이 사용될 수 있다. 전류 방향은 각각의 전도체(954)에서 방사상 내향 또는 외향으로 지시하고 있는 화살표에 의해 나타낸 바와 같다. 전류가 고정자(988)의 중심을 향해 흐르고 있는 경우, 고정자 위상 문자는 예를 들면, A-, B-, C- 등과 같은 마이너스 부호를 포함한다. 각각의 고정자 위상(A, B 및 C)에서, 전류는 교대로 방향을 바꾸고, 스위치 오프되고, 이어서 재차 스위치 온된다. 고정자 위상(A)의 전류는 북극으로 흐르고, 이어서 남극, 이어서 오프되고, 이어서 북극으로 흐른다. 도 35에서, 고정자 위상(A)의 전류는 북극으로 흐르고, 고정자 위상(B)의 전류는 남극으로 흐르고 고정자 위상(C)은 오프된다. 각각의 점퍼(956)는 이격된 3개의 전도체(954)인 동일한 고정자 위상에서 전도체(954)로부터 전도체(954)로 시계 방향으로 전류를 전달한다. 몇몇 실시예에서, 24개의 전도체(954)가 사용되지만, 더 많거나 적은 개수의 전도체(954)가 이용될 수 있다. 24개의 전도체 각각은 360도 고정자(988)의 15도를 차지하거나 점유한다. 몇몇 실시예에서, 12개의 점퍼(956)가 사용되지만, 이 수는 고정자 위상 및 전도체(954)에 의해 변경된다. 고정자(988)의 제1 가시적인 측면에 부착되는 6개의 점퍼(956) 및 고정자(988)의 제2 이면(미도시)에 부착되는 6개의 점퍼가 있다. 고정자(988)의 주연 외부에 표시한 문자는 고정자(988)의 제2 이면 상의 점퍼(956)의 위치를 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 점퍼(956)는 구리로 제조되고 고정자(988)의 구조를 강화한다. 단자(960)(도 31에 도시됨)는 각각의 코일의 회로를 완성하고 고정자 위상을 연결한다.
이제 도 32를 참조하면, 몇몇 실시예에서 나일론, 다른 플라스틱 또는 복합재와 같은 비전도성 링인 두 개의 클램프 링(958a, 958b)이 고정자(988)에 부착된다. 몇몇 실시예에서, 클램프 링(958a, 958b)은 클램프 링(958a, 958b) 내의 링 구멍(986)을 통해 삽입되는 나사 및 너트와 같은 표준 체결구로 상호 연결되고, 반면에 다른 실시예에서는 클램프 링(958a, 958b)은 비전도성 나사로 고정자(988)의 대향 측면의 점퍼(956)에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 클램프 링(958a, 958b)은 클램프 링(958a, 958b) 내의 링 구멍(986)을 통해 전도체(954) 내의 암나사 가공 구멍(tapped hole) 내로 나일론 나사와 같은 비전도성 나사를 나사 결합함으로써 전도체(954)에 부착된다. 클램프 링(958a, 958b)은 전도체(954)를 적소에 유지하고 고정자(988)의 구조를 강화한다.
전도체(954)는 와이어가 아니고, 고정자(988)는 구조적이기 때문에, 당 기술 분야에서 통상적인 바와 같이 수지 또는 다른 유사한 재료로 함침될 필요는 없다. 이로써 회전자(992)의 자석이 MG(950)에 의해 전개된 토크를 최대화하기 위해 서로 더 근접하여 위치되도록 하고 고정자(988) 제조 비용을 감소시킨다. 전도체(954)는 와이어보다 대체로 두껍기 때문에, 더 많은 전류가 전도체(954)에 의해 운반될 수 있고, 이는 더 많은 토크가 MG(950)에 의해 생성되도록 한다. MG(950) 내에서 와이어가 제거될 수 있으므로, 코일 권취의 비용이 절감된다. 권선을 생성하기 위한 도구 작업은 고비용이므로, 도구 작업 비용이 절감된다.
도 31 및 도 32를 참조하여, MG(950)의 자석(970, 972)을 설명한다. 두 세트의 자석(970, 972)[외부 자석(970) 및 내부 자석(972)]이 고정자(988)의 제1 및 제2 측면 상에 위치된다. 몇몇 실시예에서, 내부 자석(972), 고정자(988) 및 외부 자석(970)은 동심 반경을 갖는 단면 프로파일을 갖는다. 자석(970, 972)은 종축(11) 주위에 방사상으로 배열되고 환상형을 형성한다. 자석(970, 972)은 고정자(988)에 대면하는 표면이 고정자(988)로부터 균일한 거리가 되도록 위치된다. 이 거리는 가능한 한 가깝지만 자석(970, 972)이 고정자(988)와 접촉하지 않도록 하기 위해 제조 오류 및 공차를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 8개의 외부 자석(970) 및 8개의 내부 자석(972)이 있지만, 더 다수 또는 더 소수의 자석이 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, MG(950)는 8극 무브러시 DC 모터이지만, 그 외의 주파수 및 그 외의 극(pole) 수를 갖는 AC 또는 DC 모터를 사용할 수 있다.
환상형 자석 내부 강철이 접착제 또는 다른 적절한 방법을 사용하여 내부 자석(972)에 부착된다. 내부 강철(974)은 또한 다른 자성 재료로 제조될 수 있고 억지 끼워 맞춤, 용접, 표준 체결구 또는 다른 적합한 방법에 의해 회전자(992)에 견고하게 부착된다. 고정자 마운트(968) 및 고정자(988)는 몇몇 실시예에서 변속기(600)의 외부에 조립되고 조립 중에 부조립체로서 삽입된다. 환상형 자석 외부 강철(976)이 접착제 또는 다른 적절한 방법을 사용하여 외부 자석(970)에 부착된다. 외부 강철(976)은 또한 다른 자성 재료로 제조될 수 있고 고정자(988)가 조립된 후에 회전자(992)의 내경부 내로 삽입된다. 몇몇 실시예에서, 외부 강철(976)은 회전자(992) 내의 케이스 강철 구멍을 통해 기계 나사를 삽입하고 외부 강철(976)의 주연 내에 형성된 암나사 가공 외부 구멍(978) 내로 기계 나사를 나사 결합함으로써 회전자(992)에 견고하게 부착된다.
이제 도 36 및 도 37을 참조하여, 고정자(988)에 대한 다른 형태의 볼록형 고정자(994)를 설명한다. 볼록형 고정자(994)는 볼록형 전도체(996)가 볼록하게 형성되어, 볼록형 고정자(994)의 내경부에 가장 근접한 위치에서, 볼록형 전도체(966)가 방사상 내향으로 만곡되고 볼록형 고정자(994)의 주연에서는, 볼록형 전도체(996)가 축방향으로 만곡되는 것을 제외하고는 고정자(988)와 동일하다. 자석(미도시)은 볼록형 고정자(994)에 대면하는 표면이 볼록형 고정자(994)로부터 균일한 거리가 되도록 형성된다.
이제 도 38을 참조하여, 변속기(800)의 다른 실시예를 개시한다. 단순화하기 위해, 단지 변속기(1000)와 변속기(800)의 차이점만을 설명할 것이다. 변속기(1000)에서, 자석(680)은 하이브리드 케이스(804)의 내경부에 부착된다. 입력 디스크(34)는 하이브리드 풀리(806)에서와 같이 회전형 하이브리드 케이스(804)에 견고하게 부착된다. 전기 고정자(1022)는 다른 형태의 고정자(1018) 상의 다른 보스(1020)에 견고하게 부착된다. 다른 형태의 보스(1020)는 다른 형태의 고정자(1018)의 내경부의 주연 주위에서 그에 근접하여 위치된 원통형 돌출부이다. MG(1001)는 동일한 방향으로 입력 디스크(34)에 대해 회전한다. 하이브리드 케이스(804)는 내연기관과 같은 외부 소스에 의해 회전하기 때문에 케이지(89)는 동일한 방향으로 회전한다.
몇몇 실시예에서, 케이지(89)는 입력 디스크(34)보다 빠른 속도로 회전하고 따라서 IVT가 발생한다. 입력 디스크(34)와 케이지(89)의 회전 사이의 속도 차이는 원하는 속도 차이를 생성하도록 MG(100)의 주파수, 극수 및 고정자 위상을 설계함으로써 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 케이지(89)는 입력 디스크(34) 속도의 3배 속도에서 회전하도록 설계된다. 변속기(1000)는 단지 MG(1001)에 의해, 단지 내연기관에 의해, 또는 양자 모두에 의해 구동될 수 있다. 몇몇 전기 차량을 포함하는 적용예에서, 단지 MG(1001)만이 시동에 사용된다. 입력 디스크(34)가 회전하고 있지 않기 때문에 IVT가 발생한다. 단지 케이지(89)만이 회전하고 입력 디스크(34)는 고정되어 있을 때 변속기(1000)는 전진단 또는 후진단으로 단절 없이 시프트될 수 있다. 단지 케이지(89)에 의해서만 구동되고 있는 변속기(1000)의 변속비에서의 일부 전진 속도에서, 변속기(1000)의 출력 속도는 변속기가 동일한 감마에서 단지 입력 디스크(34)에 의해서만 구동되는 경우 출력 속도와 동일할 수 있다. 속도비가 충족되는 한, MG(1001)는 턴오프될 수 있고, 내연기관이 턴온될 수 있다. 이 동력 경로에서, 케이지(89)가 회전하지 않고 입력 디스크(34)가 회전하고 있는 경우 CVT가 발생한다. 전기 고정자(1022)가 고정이고 자석(680)은 회전하고 있기 때문에 MG(1001)는 발전기가 되고 몇몇 실시예에서 배터리를 재충전하는데 사용된다.
변속기(1000)를 통한 동력 증가는 MG(1001) 및 내연기관의 모두를 동시에 턴온함으로써 성취될 수 있다. MG(1001)는 CVT가 오버드라이브 상태이고 단지 입력 디스크(34)만이 회전하고 케이지(89)는 회전하지 않고 있을 때, CVT의 변속비를 따라 어떤 지점에서도 턴온될 수 있다. 내연기관 및 MG(1001)의 모두를 동시에 작동하는 것은 변속기(1000)를 통한 가속도 및 동력을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서, 제2 세트의 자석(680)(미도시)은 전기 모터(1001)의 동력 밀도를 증가시키기 위해 아이들러 샤프트(602)에 부착된다. 몇몇 실시예에서, 아이들러 샤프트(602)에 부착된 제2 세트의 자석(680)은 하이브리드 케이스(804)에 부착된 자석(680)보다 더 적은 개수의 극을 갖는다. 두 개의 세트의 자석(680)을 사용하는 실시예에서, 복합 전류가 전기 고정자(1022)에 전송된다.
도 38을 계속 참조하여, 변속기(1000)를 통한 동력의 경로를 설명할 것이다. 케이지 경로(1010)를 통한 동력은 전기 고정자(1022)의 내경부에서 시작되어 다른 고정자(1018)를 통해, 케이지(89)를 통해 볼(1) 내로 이동하는 화살표에 의해 표시된다. 자석 경로(1012)로부터의 동력은 자석(680)에서 시작하고, 하이브리드 케이스(804)를 통해, 입력 디스크(34)를 통해 볼(1) 내로 계속된다. 내연기관과 같은 외부 소스로부터의 동력은 하이브리드 풀리(806) 경로(1014)에서 시작하고, 하이브리드 케이스(804)를 통해, 입력 디스크(34)를 통해 볼(1) 내로 계속된다. 출력 동력은 볼(1)로부터 출력 디스크(101)를 통해, 그리고 동력 경로(1016)를 거쳐 구동 샤프트 또는 휠과 같은 외부 구동 부품으로 흐른다.
MG(601)와 결합될 때 변속기(600)는 다양한 동력 경로를 디자인 할 수 있다. 이하의 표는 410개의 동력 경로를 열거한다. 경로가 1 내지 410으로 번호를 매겼다. 동력을 전달할 수 있는 변속기(600)의 부품은 케이지(89), 입력 디스크(34), 출력 디스크(101), 아이들러(18) 및 볼(1)이다. 케이지(34) 및 아이들러(18)는 이들이 변속기(600)의 입력측으로부터 출력측을 통해 연장되도록 설계될 수 있기 때문에 동시에 모두 입력되고 출력될 수 있다. 케이지(89) 또는 아이들러(18)가 모두 입력 및 출력인 동력 경로에서는, 이는 용어 "입력/출력(In/Out)"으로 표시된다. 볼(1)은 볼(1)이 자석이고 MG(900)의 부분인 경우에서와 같이, 단지 중간 토크 전달 부품일 수 있고 또는 입력으로서 작동할 수 있다. 동력 전달 부품이 입력[즉, 동력 전달 부품이 변속기(600)에 진입하는 동력을 수용함]인 경우, 용어 "입력(In)"으로 표시되고, 동력 전달 부품이 변속기로부터 동력을 전달하는 경우 용어 "출력(Out)"으로 표시된다. 동력 전달 부품이 동력을 전달하지 않고 자유롭게 회전하는 경우 용어 "자유(Free)"로 표시되고, 동력 전달 부품이 고정인 경우 용어 "고정(Fix)"으로 표시된다.
이하는 케이지(89)가 고정될 때 동력 경로이다.
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이하는 입력 디스크(34)가 고정될 때 동력 경로이다.
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이하는 아이들러(18)가 고정될 때 동력 경로이다.
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이하는 어떠한 동력 전달 부품도 고정되지 않을 때 동력 경로이다.
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이하는 고정된 부품을 갖지 않고 입력이 볼(1)을 통해 있는 동력 경로이다.
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355 입력/출력 출력 입력 입력 입력
356 입력/출력 출력 입력 출력 입력
357 입력/출력 출력 입력 자유 입력
358 입력/출력 출력 입력 입력/출력 입력
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경로 89 34 101 18 1
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Claims (12)

  1. 입력 동력원 및 전동 장치를 포함하며,
    상기 전동 장치는,
    종축 둘레에 각을 이루어 배열되는 복수의 출력 조절기이고, 상기 복수의 출력 조절기 사이에 배치되며 상기 종축과 동축인 아이들러와 접촉하며, 각각의 출력 조절기는 제1 단부와 제2 단부를 구비한 각각의 경사질 수 있는 축에 대해서 회전할 수 있는 복수의 출력 조절기와,
    상기 복수의 출력 조절기와 접촉하며, 상기 입력 동력원으로부터 입력 토크를 받아서 상기 입력 토크를 상기 복수의 출력 조절기에 전달하도록 구성된 제1 디스크와,
    상기 복수의 출력 조절기와 접촉하며, 출력 토크를 출력 샤프트와 회전 가능한 허브 쉘 중 하나인 기계 장치에 전달하도록 구성된 제2 디스크와,
    상기 제1 디스크, 제2 디스크 및 아이들러 중 하나에 결합하는 전기 고정자와,
    상기 제1 디스크, 제2 디스크 및 아이들러 중 다른 하나에 결합하는 전기 회전자를 포함하며,
    상기 제1 디스크와 제2 디스크는 서로 상기 복수의 출력 조절기의 반대편에 위치하며, 상기 제1 디스크와 제2 디스크는 각각 복수의 슬롯을 포함하며, 각각의 슬롯은 상기 축의 제1 단부 및 제2 단부에 대응하는 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 고정자는 상기 아이들러에 결합하며, 상기 전기 고정자와 전기 회전자는 서로 반대 방향으로 회전하는 차량.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 동력원은 엔진을 포함하는 차량.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 디스크는 자성 강철을 포함하는 차량.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전동 장치는,
    상기 종축과 일치하는 중공 샤프트와,
    상기 중공 샤프트를 통해서 상기 전동 장치로부터의 전기 에너지를 전송하기 위한 와이어 세트를 포함하는 차량.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중공 샤프트는,
    적어도 하나의 전기 전도체를 수용하도록 구성된 제1 보어와,
    상기 적어도 하나의 전기 전도체에 결합하는 전기 리셉터클을 수용하도록 구성된 제2 보어와,
    상기 제1 보어와 연통되고, 상기 적어도 하나의 전기 전도체의 상기 중공 샤프트의 외부 쪽으로의 통과를 허용하는 적어도 하나의 슬롯과,
    복수의 베어링을 수용할 수 있도록 구성된 복수의 제1 축방향 그루브를 포함하는 차량.
  7. 동력이 입력되는 입력 샤프트와,
    시스템의 종축과 동축이며 종축의 둘레에 배치되는 아이들러와 접촉하며, 아이들러 둘레에 각을 이루어 배열되는 복수의 출력 조절기이고, 각각의 출력 조절기는 제1 단부와 제2 단부를 구비한 각각의 경사질 수 있는 축에 대해서 회전할 수 있는 복수의 출력 조절기와,
    상기 복수의 출력 조절기와 접촉하며, 상기 입력 동력원으로부터 입력 토크를 받아서 상기 입력 토크를 상기 복수의 출력 조절기에 전달하도록 구성된 제1 디스크와,
    상기 복수의 출력 조절기와 접촉하며, 출력 토크를 출력 샤프트와 회전 가능한 허브 쉘 중 하나인 기계 장치에 전달하도록 구성된 제2 디스크와,
    상기 제1 디스크, 제2 디스크 및 아이들러 중 하나에 결합하는 전기 고정자와,
    상기 제1 디스크, 제2 디스크 및 아이들러 중 다른 하나에 결합하는 전기 회전자를 포함하며,
    상기 제1 디스크와 제2 디스크는 서로 상기 복수의 출력 조절기의 반대편에 위치하며, 상기 제1 디스크와 제2 디스크는 각각 복수의 슬롯을 포함하며, 각각의 슬롯은 상기 축의 제1 단부 및 제2 단부에 대응하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력 샤프트는 내연기관에 결합된 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    구동 트레인을 포함하는 시스템
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전기 고정자는 상기 아이들러에 결합하며, 상기 전기 고정자와 전기 회전자는 서로 반대 방향으로 회전하는 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 종축과 일치하는 중공 샤프트와,
    상기 중공 샤프트를 통해서 상기 시스템으로부터의 전기 에너지를 전송하기 위한 와이어 세트를 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중공 샤프트는,
    적어도 하나의 전기 전도체를 수용하도록 구성된 제1 보어와,
    상기 적어도 하나의 전기 전도체에 결합하는 전기 리셉터클을 수용하도록 구성된 제2 보어와,
    상기 제1 보어와 연통되고, 상기 적어도 하나의 전기 전도체의 상기 중공 샤프트의 외부 쪽으로의 통과를 허용하는 적어도 하나의 슬롯과,
    복수의 베어링을 수용할 수 있도록 구성된 복수의 제1 축방향 그루브를 포함하는 시스템.
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