행성 기어박스의 토크 밀도는 평행축 설계 대비 약 46% 더 높을 수 있는데, 이는 하중을 여러 개의 행성 기어들 사이에 분산시키기 때문입니다. 이러한 특성 덕분에 전기차에서 매우 효율적이며, 차량의 구동계 무게를 14%에서 22% 정도 줄이면서도 더 나은 가속 성능을 제공합니다. 2023년에 실시된 출력 밀도 극대화 연구에서는 또 다른 흥미로운 결과를 보여주었습니다. 소형화된 행성 기어 구성은 모터가 생성하는 킬로와트당 약 8~12세제곱센티미터의 공간을 절약할 수 있습니다. 이 정도면 큰 양처럼 들리지 않을 수 있지만, 배터리로 꽉 찬 전기차를 설계할 때는 실제로 매우 중요한 요소입니다.
행성기어는 하중을 분산시키는 설계 덕분에 동일한 공간을 차지하면서 일반 헬리컬 기어 구성 대비 약 33% 더 높은 토크를 처리할 수 있습니다. 제조업체들이 기어 이의 형상과 베어링 배치 방식을 창의적으로 설계함으로써, 이처럼 소형화된 9.5리터 규격의 하우징 내에서 약 1,650~2,200뉴턴미터(Nm)의 토크를 달성하고 있습니다. 이를 부피당 값으로 환산하면 약 21.3Nm/세제곱센티미터(cm³) 정도입니다. 보그워너(BorgWarner)와 같은 업계의 주요 기업을 예로 들 수 있습니다. 그들은 실제 테스트를 통해 스마트 냉각 시스템이 급경사 오르기나 장거리 과적 운행 등 엔진이 고강도로 작동할 때에도 출력을 안정적으로 유지시켜 준다는 것을 입증했습니다. 이러한 열 관리 기술은 혹독한 운전 조건에서도 성능을 지속 가능하게 만드는 핵심 요소입니다.
DC 플래네타리 기어 모터는 고속 회전 브러시리스 모터와 다단계 감속기구를 결합하여 120x180밀리미터에 불과한 소형 공간 안에 모두 통합합니다. 이러한 콤팩트한 설계 덕분에 모듈식 스케이트보드 구조에 설치하기 매우 용이합니다. 작년 말경부터 신규 전기차의 약 5대 중 4대가 후륜에 이러한 직결형 플래네타리 모터를 도입하고 있습니다. 3단 모델의 경우, 약 18:1에서 34:1 사이의 감속비를 처리할 수 있습니다. 인상적인 점은 다양한 온도 조건에서도 우수한 성능을 유지하며, 기계적 효율을 92%에서 94% 이상으로 꾸준히 유지한다는 것입니다. 이러한 성능은 고효율 운송 시스템 설계 시 매우 중요한 요소입니다.
행성 기어 시스템의 기계적 효율은 일반적으로 여러 개의 기어 치합부에 하중이 분산되기 때문에 단계당 약 95~98퍼센트에 도달합니다. 제조업체들이 치형을 최적화하고 더 나은 재료를 사용하면, 지난해 네이처지에 발표된 연구에 따르면 일반 평행축 기어 대비 미끄러짐 마찰 손실을 약 21% 줄일 수 있습니다. 이것이 전기차(EV)에 중요한 이유는 무엇일까요? 바로 이러한 DC 행성 기어 모터가 다양한 속도 범위에서도 최고 효율을 유지할 수 있기 때문입니다. 이는 도심 교통에서 끊임없이 정지와 출발을 반복하며 하루 종일 빈번하게 가속이 필요한 자동차에 매우 중요합니다.
행성 기어 감속기와 영구 자석 모터를 결합하면 실제 운전 조건에서 파워트레인 전체의 효율이 9.34% 향상됩니다. 동심원 구조는 동력 전달 경로의 길이를 최소화하여 가속 시 관성 손실을 18% 줄입니다. 전략적으로 배치된 원추 롤러 베어링은 회전 마찰을 추가로 감소시켜 회생 제동 중 에너지 낭비를 6.7% 감소시키는 데 기여합니다.
열적으로 안정적인 합성 오일을 기반으로 한 첨단 윤활유를 사용하면 지속적으로 높은 토크가 가해지는 혹독한 조건에서 작동 온도를 약 23도 섭씨 정도 낮출 수 있다. 제조업체들이 설계에 냉각 채널과 상변화 물질을 함께 적용할 경우, 기존의 수동 냉각 방식 대비 약 41퍼센트 더 많은 열을 제거할 수 있다. 이는 특히 고온이 발생하는 핵심 부위에서 오일의 분해를 방지하는 데 큰 차이를 만든다. 그 결과 현대의 성형 기어박스는 250뉴턴미터의 지속 하중을 처리할 때에도 약 89퍼센트의 효율을 유지한다. 또한 요즘에는 거의 언급되지 않지만 마찬가지로 중요한 추가적인 이점이 하나 있는데, 전통적인 헬리컬 기어 대비 약 19퍼센트 더 조용하게 작동하여 공장 근로자들과 주변 지역 사회의 소음 공해를 줄일 수 있다는 점이다.
행성 기어박스는 토크 부하를 한 번에 하나의 부품에만 가하는 대신 여러 개의 행성 기어에 분산시켜 작동합니다. 이러한 설계 방식은 마모를 방지하여 250 뉴턴미터를 훨씬 초과하는 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있게 해줍니다. 대부분의 고품질 모델들은 전기차가 급출발할 때 발생하는 급격한 토크 변화에도 견딜 수 있도록 경화된 강철이나 특수 합금으로 제작됩니다. 이러한 강철 부품들의 높은 탄소 함량은 약 1,200 메가파스칼 이상의 뛰어난 강도를 제공하여 정상적인 작동 조건 하에서는 휘거나 파손되지 않습니다. 실제 현장 테스트에서도 인상적인 결과가 나타났는데, 만 번이 넘는 작동 사이클을 거친 후에도 이 기어박스 시스템은 효율성이 단지 0.8%만 감소하며 성능을 그대로 유지했습니다. 이러한 내구성 덕분에 제조업체에서 실시한 수명 테스트에서 전통적인 평행축 형식 대비 수명이 거의 3분의 2 가량 앞서는 것으로 나타났습니다.
DC 시스템용 플래너리 기어 모터는 정확한 기어비 덕분에 로터 동역학이 바퀴와 액슬에서 발생하는 움직임과 일치할 때 관성을 적절히 매칭할 수 있게 해줍니다. 이러한 정렬이 이루어지면 일반적인 직결 구동 시스템 대비 약 39% 정도 낮은 비틀림 진동이 발생하여, 자동차가 0에서 60mph까지 가속할 때 거북한 흔들림 없이 훨씬 더 부드럽게 주행됩니다. 현장 테스트 결과, 모든 요소가 정확하게 매칭되었을 때 전류 루프의 응답 속도가 약 22% 빨라지는 것으로 나타났습니다. 이는 거친 움직임(cogging effect)을 줄일 뿐 아니라 베어링 수명 연장에도 기여하며, 도시 내 자주 반복되는 정지-출발 운전 상황에서 베어링 수명이 약 17% 향상된다는 현장 데이터를 통해 입증되었습니다.
DC 플래네타리 기어 모터의 행성 기어 시스템을 통해 단일 스테이지에서는 3:1에서 시작하여 다중 스테이지를 함께 사용할 경우 100:1을 훨씬 초과하는 다양한 감속비를 얻을 수 있습니다. 이러한 범위 덕분에 엔지니어들은 모터가 필요한 용도에 따라 성능을 정밀하게 조정할 수 있습니다. 언덕 오르기처럼 저속에서 최대 출력이 요구되는 응용 분야도 있는 반면, 고속도로 주행 시 효율성이 더 중요하게 작용하는 경우도 있습니다. 작년에 발표된 연구에 따르면, 2단 행성 기어 구조를 사용하면 모터의 최대 회전 속도가 약 38퍼센트 감소하지만 동일한 토크 출력을 유지할 수 있습니다. 이는 제조업체들이 성능을 희생하지 않으면서도 더 작고 가벼운 모터를 설계할 수 있음을 의미합니다.
대부분의 전기차(EV)는 92~95%의 고효율과 소형화된 패키징을 위해 단일단계 플래네타리 감속기를 사용한다. 그러나 전기 상용차에 대한 연구에서는 중부하 조건에서 다단계 시스템이 주행거리를 12~18% 향상시킬 수 있음을 보여준다. 다만 복잡성이라는 대가가 따르는데, 다단 변속기는 부품 수가 23% 더 많지만 최적화된 기어 변속을 통해 모터를 소형화할 수 있게 해준다.
행성기어 변속기는 여러 구성 요소에 걸쳐 하중을 분산시킬 수 있고 기존 엔진과 전기 모터 양쪽의 입력을 처리할 수 있기 때문에 하이브리드 차량에서 매우 잘 작동합니다. 이러한 기어 시스템은 가솔린 동력과 전기 동력을 오가는 전환 과정을 다른 대안들보다 훨씬 부드럽게 만들어 줍니다. 회생 제동의 경우, 이러한 변속 장치는 일반적으로 정지할 때 손실되는 에너지의 약 15~22%를 다시 회수할 수 있습니다. 에너지 관리 최적화에 대한 연구에서도 흥미로운 결과가 나타났습니다. 엔지니어들이 기어비를 적절하게 조정하면, 고정된 기어비만 사용하는 시스템과 비교했을 때, 정지와 출발이 빈번한 도심 교통 상황에서 행성기어 변속기를 장착한 자동차가 주행 중 거의 9.3% 더 많은 에너지를 회수할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 성능 저하 없이 연료 효율을 개선하고자 하는 제조사들에게 매력적인 선택지를 제공합니다.
행성 기어 시스템은 세 가지 주요 부품이 함께 작동함으로써 뛰어난 성능을 발휘합니다. 중심부에 위치한 태양 기어(sun gear), 캐리어(carrier)에 연결된 여러 개의 작은 행성 기어(planet gears), 그리고 전체를 둘러싸고 있는 큰 링 기어(ring gear)가 그것입니다. 일반적으로 태양 기어가 동력 전달의 시작점 역할을 하며, 이는 행성 기어들을 작동시키게 됩니다. 이러한 작은 기어들은 실제로 동시에 태양 기어와 링 기어에 접촉하면서 힘이 여러 지점에 분산되는 놀라운 시스템을 만들어냅니다. 이 구성의 장점은 공간 활용 효율성이 매우 뛰어나면서도 동력을 효과적으로 전달할 수 있다는 점입니다. 따라서 공간이 매우 중요한 전기차(EV)에서 특히 DC 모터와 함께 사용되는 경우, 이러한 행성 기어 구조가 현대 전기차 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다.
대부분의 전기차 구동계는 태양 기어(sun gear)가 주 입력 샤프트 역할을 하며 토크를 행성 기어(planet gears)로 전달한다. 이 작은 기어들이 태양 기어 주위를 회전하면서 동시에 고정된 링 기어(ring gear)와 맞물리면 속도 감속 효과가 발생한다. 이러한 구성이 우수한 이유는 여러 개의 기어 이가 동시에 접촉하기 때문에 전력 분배가 시스템 전반에 걸쳐 균등하게 이루어진다는 점이다. 이는 부하 처리 능력이 향상되고 시간이 지나도 부품 마모가 적어진다는 것을 의미한다. 택시나 배달 밴처럼 많은 사이클을 반복하는 차량의 경우, 이러한 마모 저항성은 장기적으로 매우 중요하다.
다수의 행성 기어는 시스템 전반에 걸쳐 토크를 본질적으로 균형 있게 분산시켜, 일반 스퍼 기어 시스템보다 연속 하중을 33% 더 높게 견딜 수 있도록 합니다. 이러한 자동 부하 분산은 급가속 및 회생 제동으로 인해 발생하는 비대칭 응력 하에서도 내구성을 보장하며, 행성 기어 방식이 특히 요구 조건이 높은 EV 환경에서 매우 강한 내구성을 갖도록 만듭니다.
토크 밀도는 기어박스 크기에 비해 처리할 수 있는 토크의 양을 의미합니다. 행성 기어박스는 다수의 기어들 사이에 하중을 분산시키기 때문에 높은 토크 밀도를 제공하며, 이는 효율성을 높이고 마모를 줄이는 데 기여합니다.
행성 기어는 컴팩트한 설계와 높은 토크 밀도를 제공함으로써 전기차 파워트레인을 개선합니다. 이로 인해 구동계를 더 가볍게 만들고 효율적인 동력 관리가 가능해지며, 정체가 잦은 도심 주행과 같이 다양한 속도 영역에서도 높은 효율을 유지하는 데 도움을 줍니다.
예, 행성 기어박스는 부하 분배를 효과적으로 관리하고 기존 동력원과 전기 동력원 사이의 원활한 전환을 제공할 수 있기 때문에 하이브리드 차량에 매우 적합하며, 회생 제동 시스템에도 이상적입니다.
행성 기어박스는 기존 헬리컬 기어보다 약 19% 더 조용하여 산업 현장 근로자와 주변 지역 사회의 소음 공해 감소에 기여합니다.
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