JP2006029438A - 車両用駆動装置及びこれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動機の各ロータの動作制御が容易な車両用駆動装置及びこれを備えた自動車を提供する。
【解決手段】 本発明の車両用駆動装置１Ａは、一つのステータ２１でインナーロータ２２及びアウターロータ２３をそれぞれ駆動する電動機を備える。そして、リングギア３４、サンギア３５及びキャリア３６を有し、サンギア３５に接続された出力軸３２とキャリア３６に接続された出力軸３３との間の差動を許容する遊星差動機構３を備え、アウターロータがリングギア３４に接続された入力軸３１に連結されるとともに、インナーロータ２２が出力軸３２に連結される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一つのステータで二つのロータを駆動する電動機を備えた車両用駆動装置及びこの駆動装置を備えた自動車に関する。

車両用駆動装置として、一つのステータで二つのロータを駆動する電動機を備え、これらのロータによって左右の車輪をそれぞれ独立して駆動する駆動装置が知られている（特許文献１）。その他本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開平５−２７６７１９号公報 特開２０００−１４２１３５号公報 特開平９−１７２７０５号公報

上記特許文献１に記載された駆動装置は、差動装置を備えていないので機械的に左右輪の差動を許容することができない。左右輪に回転差及びトルク差の少なくとも一方を付与するには、各ロータの動作を例えば車両の舵角や車速等の運転状態に基づいてそれぞれ制御しなければならず、制御が難しくなる問題がある。

そこで、本発明は電動機のロータの動作制御が容易な車両用駆動装置及びこれを備えた自動車を提供することを目的とする。

本発明の車両用駆動装置は、一つのステータで二つのロータを駆動する電動機を備えた車両用駆動装置において、入力軸及び二つの出力軸を有し前記二つの出力軸間の差動を許容する三軸式差動装置を備え、前記二つのロータのいずれか一方のロータが前記入力軸に連結されるとともに、他方のロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明によれば、一方のロータのトルクは、三軸式差動装置によって二つの出力軸間の差動が許容されつつこれらの出力軸に機械的に分配される。そのため、電動機のロータの動作制御が容易となる。また、例えば、二つの出力軸にトルク差の付与が必要なときには、これらの出力軸のいずれか一方に接続された他方のロータのトルクを制御すればよい。この場合、一方のロータが出力軸の駆動用、他方のロータがトルク差の付与用としてそれぞれ役割分担されているため、二つのロータの動作を各別に制御する形態と比して各ロータの制御が容易となる。更に、例えば、二つの出力軸を車両の左右輪に接続してこれらを駆動する場合には、二つの出力軸の差動が機械的に許容されるため左右輪に適宜な回転数差（回転速度差）が機械的に付与される。その上で、アンダーステアが生じた場合等のように左右輪の回転差に加えてトルク差の付与が更に必要なときには、出力軸に接続されたロータのトルクを制御することにより左右輪へ容易にトルク差を付与することができる。

本発明の車両用駆動装置において、前記二つのロータのいずれか一方のロータが変速機を介して前記入力軸に連結されてもよい（請求項２）。この場合は、変速機によってロータの回転速度が減速又は増速されてロータの回転が二つの出力軸に伝達される。これにより二つの出力軸のトルクを増加又は減少できる。

以上の駆動装置においては、前記二つのロータとして、インナーロータと前記インナーロータの外側を旋回するアウターロータとを備え、前記アウターロータが前記入力軸に連結されるとともに、前記インナーロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されてもよいし（請求項３）、これとは反対に、前記前記インナーロータが前記入力軸に連結されるとともに、前記アウターロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されてもよい（請求項４）。

また、本発明は、上述した車両用駆動装置により車輪を駆動する自動車として具現化してもよい（請求項５）。この発明によれば、上述した車両用駆動装置の特徴を生かし、車輪の駆動制御が容易な自動車を提供できる。

以上説明したように、本発明によれば、二つのロータのいずれか一方のロータが三軸式差動装置の入力軸に連結されるとともに、他方のロータが三軸式差動装置の二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されているので、ロータの動作制御が容易な車両用駆動装置及び車輪の駆動制御が容易な自動車を提供できる。

（第１実施形態）
図１は、本発明の車両用駆動装置を搭載した電気自動車の前輪側の要部を模式的に示したものである。車両用駆動装置（以下単に駆動装置という場合がある）１Ａは、電動機２と三軸式差動装置としての遊星差動機構３とを備えている。電動機２は中空円筒状の一つのステータ２１と、ステータ２１の内側に配置された中空円筒状のインナーロータ２２と、ステータ２１（インナーロータ２２）の外側に配置された中空円筒状のアウターロータ２３とを備えている。これら二つのロータ２２，２３はステータ２１に対してそれぞれ所定のギャップを形成するようにして同軸に設けられている。二つのロータ２２，２３はそれぞれ独立して同軸上で回転できる。

電動機２は、二つの電流成分を有する複合電流によって駆動される。この複合電流はステータ２１に設けたコイル２４にインバータ（不図示）を介して供給され、二つの回転磁場が発生するように制御される。一方の回転磁場はインナーロータ２２を駆動するためのものであり、他方の回転磁場はアウターロータ２３を駆動するためのものである。複合電流を制御して二つの回転磁場をそれぞれ変化させることにより、インナーロータ２２及びアウターロータ２３をそれぞれ独立に動作制御することができる。各ロータ２２，２３を目標回転数（回転速度）及び目標トルクで駆動するために必要な複合電流は、周知の手法を用いて取得すればよいが、例えばインナーロータ２２及びアウターロータ２３のそれぞれの回転数及びトルクを複合電流に対応させたマップを予め実験的に求めて電動機２の制御装置（不図示）に記憶させ、これを参照することにより取得できる。

遊星差動機構３は、入力軸３１と左右二つの出力軸３２，３３とからなる三軸を有し、入力軸３１を回転軸としたリングギア３４と、左側の出力軸３２を回転軸としたサンギア３５と、右側の出力軸３３を回転軸としたキャリア３６とを備えている。キャリア３６には、リングギア３４と噛み合うアウターピニオンギア３７と、アウターピニオンギア３７及びサンギア３５のそれぞれと噛み合うインナーピニオンギア３８とが回転可能に連結されている。即ち、遊星差動機構３はいわゆるダブルピニオン型である。リングギア３４、サンギア３５、及びキャリア３６はそれぞれの回転軸を一致させた状態で回転可能に配置されている。

図２に遊星差動機構３の共線図を示す。共線図とは、縦軸にサンギア（Ｓ）、リングギア（Ｒ）、及びキャリア（Ｃ）のそれぞれの回転数（回転速度）をとり、横軸に互いの間隔がリングギア（Ｒ）に対するサンギヤ（Ｓ）の歯数比となるようにしてこれらをそれぞれ配置した周知の速度線図である。この図から明らかなように、本実施形態の遊星差動機構３では、サンギア３５、リングギア３４、及びキャリア３６の回転数が図の破線で示した一本の直線で結ばれ、かつリングギア３４の回転数がサンギア３５の回転数とキャリア３６の回転数との平均値と等しい（つまりＳＲ間の距離とＲＣ間の距離が等しい）。従って、遊星差動機構３は、出力軸３２，３３間の差動を許容する差動機構として機能する。なお、一つピニオンがキャリアに連結されるいわゆるシングルピニオン型の場合には、サンギアとリングギアとが逆回転し、共線図の横軸においてＳ、Ｃ、Ｒの並び順となるので、上述の関係を構築できず本実施形態と等価な差動機構を構成することができない。

図１に示したように、遊星差動機構３の入力軸３１には上述したアウターロータ２３が連結されている。そして、左側の出力軸３２には車輪４が、右側の出力軸３３には車輪５がそれぞれ連結され、これらの出力軸３２，３３によって車輪４，５がそれぞれ駆動される。なお、図１においては、出力軸３２，３３が車輪４，５まで延びてこれらに直接連結されているように示されているが、実際の出力軸３２，３３は図示しないフロントアクスル（ドライブシャフト）及びフロントハブ等を介して車輪４，５に連結されている。

以上の電気自動車によれば、左右の車輪４，５にトルク差を付与する必要がない場合には、インナーロータ２２がフリーで回転するように動作制御（０トルク制御）することにより、アウターロータ２３のトルクが車輪４，５に均等に配分され、なおかつ遊星差動機構３にて車輪４，５に適宜な差動が機械的に許容される。このため、スムーズなコーナーリングが実現される。そして、例えばコーナーへの進入車速が過剰でアンダーステアが生じる場合等のように左右の車輪４，５へトルク差を付与する必要が生じたときには、インナーロータ２２のトルク制御を行うことにより、アンダーステア等を打ち消す方向に適切なトルク差を車輪４，５へ付与することができる。

例えば、アウターロータ２３が１０のトルクで、インナーロータ２２が０のトルクでそれぞれ制御されている場合には、左右の車輪４，５にはそれぞれ５のトルクが配分され、かつ適切な差動が許容されて運転される。ここで、左右の車輪４，５の合計トルクを維持しつつ左側の車輪４のトルクの配分を減らす必要がある場合には、車輪４の回転方向に対して逆方向に作用するトルクをインナーロータ２２に発生させるとともに、そのトルクと同量のトルクをアウターロータ２３に加算すればよい。例えば１のトルクをインナーロータ２２に発生させた場合には、アウターロータ２３のトルクを１０から１１に増やす。これにより、左側の車輪４には４．５のトルクが、右側の車輪５には５．５のトルクがそれぞれ配分され、１のトルク差が付与される。つまり、車輪４から車輪５へ０．５のトルク移動が実現される。一方、左側の車輪４のトルクの配分を増やす必要がある場合には、車輪４の回転方向と同方向のトルクをインナーロータ２２に発生させ、そのトルクと同量のトルクをアウターロータ２３から減算すればよい。例えば１のトルクをインナーロータ２２に発生させる場合には、アウターロータ２３のトルクを１０から９に減らす。これにより、左側の車輪４には５．５のトルクが、右側の車輪５には４．５のトルクがそれぞれ配分され、１のトルク差が付与される。つまり、車輪５から車輪４へ０．５のトルク移動が実現される。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態を説明する。図３に示した本実施形態の駆動装置１Ｂは、図１の駆動装置１Ａに変速装置としての減速機６を追加したものである。駆動装置１Ａと同一の構成については同一符号を付して重複説明は省略する。図３に示したように、減速機６はシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、固定されたリングギア６１と、電動機２のアウターロータ２３と連結されたサンギア６２と、遊星差動機構３の入力軸３１と連結されたキャリア６３とを備えている。キャリア６３には、サンギア６２及びリングギア６３のそれぞれと噛み合うピニオンギア６４が回転可能に連結されている。図４に示したように、減速機６は、サンギア６２に入力されたアウターロータ２３の回転が減速されてキャリア６３に伝達され、キャリア６３に伝達された回転が遊星差動機構３の入力軸３１に入力される。このため、アウターロータ２３のトルクを増幅して遊星差動機構３に伝達することができる。その他の作用は第１実施形態と同一である。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明する。図５に示したように、この実施形態の駆動装置１Ｃは、アウターロータ２３を出力軸３３に連結し、インナーロータ２２を遊星差動機構３の入力軸（リングギア３４）に連結したものである。つまり、駆動装置１Ｃは、第１実施形態におけるインナーロータ２２とアウターロータ２３の役割を入れ替えたものに相当する。従って、インナーロータ２３のトルクが左右の車輪４，５にそれぞれ均等に配分され、アウターロータ２３のトルクを制御することにより、左右の車輪４，５の間でトルク移動を実現することができる。なお、図５においては、図１と同一の構成には同一符号を付してある。

本発明は、上述した実施形態に限定されず種々の形態で実施できる。例えば、図６及び図７に示したように、本発明に係る三軸式差動装置として、ディファレンシャルケース９１と、ディファレンシャルケース９１に回転可能に連結されたピニオンギア９２と、ピニオンギア９２と噛み合うサイドギア９３，９４とを備えた差動装置９を用いてもよい。この差動装置９は上述した遊星差動機構３と機構的に等価である。この場合には、ディファレンシャルケース９１の回転軸が入力軸３１に相当し、サイドギア９３の回転軸が左側の出力軸３２に，サイドギア９４の回転軸が右側の出力軸３３にそれぞれ相当する。図６は図１の遊星差動機構３を、図７は図３の遊星差動機構３を差動装置９にそれぞれ置換したものである。従って、インナーロータ２２は出力軸３２に、アウターロータ２３はディファレンシャルケース９１（入力軸３１）にそれぞれ連結されている。また、図示は省略したが、図５の遊星差動機構３を差動装置９に置換してもよい。この場合には、インナーロータ２２を差動装置９のディファレンシャルケース９１（入力軸３１）に、アウターロータ２３を出力軸３３にそれぞれ連結すればよい。

本発明の駆動装置は、電動機のみで駆動する電気自動車の他、内燃機関と電動機とを備えこれらの原動機を同時に又は適宜に使い分けるように構成した、いわゆるハイブリッド車にも適用できる。また、本発明の駆動装置によって後輪を駆動するようにしてもよい。更に、本発明の駆動装置によって前後輪（四輪）を駆動するようにしてもよい。この場合、駆動装置を２台搭載し、一方を前輪の駆動に、他方を後輪の駆動にそれぞれ利用する形態としてもよい。また、例えば図８に示したように、駆動装置１Ａの出力軸３２，３３をプロペラシャフト７，８に連結して、前側差動機構１０及びフロントアクスル１１を介して前輪１２，１２を、後側差動機構１３及びリアアクスル１４を介して後輪１５，１５を駆動するようにしてもよい。この場合、遊星差動機構３を図６及び図７に示した差動装置９に置換してもよい。また、駆動装置１Ｂ及び駆動装置１Ｃも以上と同様に適用できる。このように、本発明の駆動装置を四輪の駆動に適用した場合には、遊星差動機構３はいわゆるセンターデフとして機能し、前後輪の差動を許容しつつ前後輪にトルク差を付与することができる。なお、この場合の駆動方式は、フルタイムの四輪駆動でもよいし、必要に応じて前後の駆動を切り替えることができるパートタイムの四輪駆動でもよい。

また、電動機の構成は上述したものに限定されず、例えば、円筒状のステータの内周側に二つのロータを配置するように構成してもよい。また、電動機の回転を増速する必要があれば、図９に示したように、固定されたリングギア１６１と、遊星差動機構３の入力軸に連結されたサンギア１６２と、アウターロータ２３に連結されたキャリア１６３とを備えた増速機１６を設けてもよい。この場合にも遊星差動機構３を図６及び図７に示した差動装置９に置換してもよい。

第１実施形態に係る電気自動車の前輪側の要部を模式的に示した図。 図１の遊星差動機構の共線図を示した図。 第２実施形態に係る電気自動車の前輪側の要部を模式的に示した図。 図３の減速機の共線図を示した図。 第３実施形態に係る電気自動車の前輪側の要部を模式的に示した図。 図１の遊星差動機構をこれと等価な差動装置に置換した形態を示した図。 図３の遊星差動機構をこれと等価な差動装置に置換した形態を示した図。 駆動装置を四輪の駆動に利用した形態を模式的に示した図。 増速機を設けた駆動装置を模式的に示した図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 車両用駆動装置
２ 電動機
３ 遊星差動機構（三軸式差動装置）
６ 減速機（変速機）
９ 差動装置（三軸式差動装置）
１０ 増速機（変速機）
２１ ステータ
２２ インナーロータ（ロータ）
２３ アウターロータ（ロータ）
３１ 入力軸
３２，３３ 出力軸

Claims (5)

1. 一つのステータで二つのロータを駆動する電動機を備えた車両用駆動装置において、
   入力軸及び二つの出力軸を有し前記二つの出力軸間の差動を許容する三軸式差動装置を備え、
   前記二つのロータのいずれか一方のロータが前記入力軸に連結されるとともに、他方のロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されることを特徴とする車両用駆動装置。
2. 前記二つのロータのいずれか一方のロータが変速機を介して前記入力軸に連結されることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
3. 前記電動機は、前記二つのロータとして、インナーロータと前記インナーロータの外側を旋回するアウターロータとを備え、
   前記アウターロータが前記入力軸に連結されるとともに、前記インナーロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用駆動装置。
4. 前記電動機は、前記二つのロータとして、インナーロータと前記インナーロータの外側を旋回するアウターロータとを備え、
   前記前記インナーロータが前記入力軸に連結されるとともに、前記アウターロータが前記二つの出力軸のいずれか一方の出力軸に連結されることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項の車両用駆動装置を備え、前記車両用駆動装置により車輪を駆動する自動車。
   

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