JP2008132941A - ホイール駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でモータの冷却性を高めることができるホイール駆動装置を提供する。
【解決手段】懸架装置１３０を介して車両に取付けられたケース３と、ケース３内に設けられてステータ２１及びロータ２２を含むモータ２０と、ケース３内に回転自在に設けられ、その一端が減速機３０を介してロータ２２に連絡されるとともに他端がホイールハブ８５を介してホイール１２０に連絡された出力軸８０と、ケース３内に所定量貯溜されたオイル１１とを備え、モータ２０によりホイール１２０を駆動するホイール駆動装置１において、ロータ２２の回転方向を、出力軸８０の回転方向と逆方向に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータ及びロータを含むモータによってホイールを駆動するホイール駆動装置に関し、特にそのモータの冷却性向上に関する。

従来、懸架装置を介して車両に取付けられたケースと、そのケース内に設けられてステータ及びロータを含むモータと、上記ケース内に回転自在に設けられ、その一端が減速機を介して上記ロータに連絡されるとともに他端がホイールハブを介してホイールに連絡された出力軸と、上記ケース内に所定量貯溜されたオイルとを備え、上記モータにより上記ホイールを駆動するホイール駆動装置が知られている。

一般的にモータの効率は温度によって変化するため、モータの温度を最も効率の良い温度付近に維持しておくことが望ましい。しかし上記ホイール駆動装置に用いられるモータは、ステータに設けられたステータコイルに電流が流れることにより発熱するので、温度維持のためには冷却が必要とされる。

通常、モータの冷却は潤滑油と兼用のオイルによって行われる。特許文献１には、オイルの循環経路を工夫することによりモータの冷却効率を向上させたホイール駆動装置（インホイールモータ）が開示されている。

図６は、特許文献１のインホイールモータに代表される従来のホイール駆動装置の動力伝達形態を示すスケルトン図である。モータ２２０のロータ軸２５（モータ出力軸）と、ホイール１２０を駆動する出力軸８０とがプラネタリギヤ２３０（減速機）を介して連結されている。プラネタリギヤ２３０は、サンギヤ２３１、ピニオンギヤ２３２、リングギヤ２３３及びキャリヤ２３４で構成されている。そしてロータ軸２５はサンギヤ２３１に、出力軸８０はキャリヤ２３４にそれぞれ連結され、リングギヤ２３３はホイール駆動装置のケース３に固定されている。

モータ２２０が作動してロータ軸２５がロータ回転方向Ａ９に回転すると、その駆動力はプラネタリギヤ２３０を介して出力軸８０に伝達される。このとき、出力軸８０はロータ軸２５の回転数よりも低回転となり、トルクが増幅される（減速作用）。また出力軸回転方向Ａ２はロータ回転方向Ａ９と同方向となる。
特開２００５−７３３６４号公報

ところで、オイルによってモータを冷却するためには、オイルをその循環経路において冷却する必要がある。オイルの冷却方法として、オイルを貯溜するケースを介して外気に放熱させる方法（以下第１冷却方法ともいう）と、オイルクーラー等の専用冷却装置を用いる方法（以下第２冷却方法ともいう）とがある。

部品点数削減、重量削減およびコスト削減の観点から、オイルの冷却系は、第１冷却方法のみによるか、第２冷却方法を併用するにしてもオイルクーラー等を可及的に小型・小容量のものとするのが望ましい。そのためには上記第１冷却方法の冷却性が高いことが望ましい。

しかしながら従来のホイール駆動装置では、以下に述べるように第１冷却方法の冷却性に不利な点があった。

図７は、図６に示すホイール駆動装置の、モータ２２０位置における縦断面を模式的に示す図である。図を見易くするために、ステータ２２１とロータ２２２とを含むモータ２２０を想像線（二点鎖線）で示す。ステータ２２１はケース３に固定され、ロータ２２２がロータ軸２５と一体に回転する（ロータ回転方向Ａ９）。

図７において、図の左側が車両前方である。従って、前進時には白抜き矢印で示す車両進行方向Ｓに車両が進行する。出力軸回転方向Ａ２はホイール１２０の回転方向と同じであるから、前進時には図示の状態で左回りとなる。そして上述のようにロータ回転方向Ａ９は出力軸回転方向Ａ２と同じ設定なので図示のように左回りとなる。

ケース３には所定量のオイル１１が貯溜され、オイル溜り２１０が形成されている。オイル１１はオイル溜り２１０から図外のオイルポンプによって汲み上げられ、各部の潤滑や冷却（特にステータ２２１の冷却）に供された後、再びオイル溜り２１０に戻される。オイル溜り２１０の油面２１０ａは停止状態においては水平であるが、ロータ２２２がロータ回転方向Ａ９に回転しているときには図示のように前傾する。これは、オイル１１がロータ２２２に掻き揚げられたり、ロータ２２２の回転に引きずられたりすることにより、全体的に後方に寄せられるからである。

一方、前進時には後向きの走行風Ｗがケース３の前面に当たる。従って、ケース３の前面においてはケース３と走行風Ｗとの熱交換が促進され、ケース３の背面よりも放熱性が高くなっている。しかしながら、オイル溜り２１０が後方に寄っているために、オイル１１と放熱性の高いケース３の前面との接触面積が小さく、油面２１０ａが水平である状態よりも冷却性が不利になっているのである。

本発明は、上記のような事情に鑑み、簡単な構造でモータの冷却性を高めることができるホイール駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、懸架装置を介して車両に取付けられたケースと、上記ケース内に設けられてステータ及びロータを含むモータと、上記ケース内に回転自在に設けられ、その一端が減速機を介して上記ロータに連絡されるとともに他端がホイールハブを介してホイールに連絡された出力軸と、上記ケース内に所定量貯溜されたオイルとを備え、上記モータにより上記ホイールを駆動するホイール駆動装置において、上記ロータの回転方向が、上記出力軸の回転方向と逆方向に設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のホイール駆動装置において、上記ケース内を、上記モータが収納されたモータ室と上記減速機が収納された減速機室とに区画するとともに、上記モータ室内に貯溜されたオイルと上記減速機室内に貯溜されたオイルとの相互干渉を抑制する隔壁が設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のホイール駆動装置において、上記減速機は、上記ロータに連結されたサンギヤと、上記ケースに固定されたキャリヤと、上記出力軸に連結されたリングギヤとで構成されるシングルピニオンプラネタリギヤを含むことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のホイール駆動装置において、上記ケースの外周面の、少なくとも車両前方下側に冷却フィンが設けられていることを特徴とする。

請求項１の発明によると、以下説明するように、簡単な構造でモータの冷却性を高めることができる。

本発明のホイール駆動装置は、ロータの回転方向が出力軸の回転方向と逆方向に設定されている。従って、車両前進時に、オイル溜りのオイルがロータに掻き揚げられたりロータの回転に引きずられたりすることにより、全体的に前方に寄せられる。その結果、ケース前面との接触面積が停止時に比べて増大する。

一方、前進時には後向きの走行風がケースの前面に当たる。従ってケースの前面においてはケースと走行風との熱交換が促進され、ケースの背面よりも放熱性が高くなっている。オイル溜りのオイルは、その放熱性の高くなっているケース前面とより広い接触面積で接触するので、放熱量が増大し、冷却性が向上する。

請求項２の発明によると、以下説明するように、より安定的にモータの冷却性を向上させることができる。

本発明のホイール駆動装置は、ケース内が隔壁によってモータ室と減速機室とに区画され、上記モータ室内に貯溜されたオイルの油面と上記減速機室内に貯溜されたオイルの油面との相互干渉が抑制されている。従って、例えば減速機にロータ回転と同方向に回転する部材がある等して、減速機室内のオイルがロータ室内のオイルと逆方向に寄るようなことがあったとしても、その影響がロータ室内のオイルに及び難い。つまりモータ室において、減速機室内のオイルからの干渉が抑制されてより安定的に狙い通りのオイルの挙動を達成することができるので、安定したモータの冷却性向上効果を得ることができる。

なお、隔壁は、必ずしもケース内をモータ室と減速機室とに完全に隔絶するものである必要はなく、各室内のオイルの相互干渉が抑制される程度に区画するものであれば足りる。例えば隔壁に、モータ室と減速機室とを連通させる最小限の油穴等が設けられていても良い。

請求項３の発明によると、簡単な構造のシングルピニオンプラネタリギヤ（以下単にプラネタリギヤともいう）によって減速機を構成することができる。またこのプラネタリギヤは、キャリヤが固定要素となっているので、サンギヤとリングギヤとが互いに逆方向に回転する。そのサンギヤにロータが連結され、リングギヤに出力軸が連結されているので、結局出力軸はロータと逆方向に回転する。

このようにプラネタリギヤは、減速機を構成するとともに、出力軸の回転方向をロータの回転方向に対し逆回転させる回転方向変換手段としても作用する。従って、別途手段を用いることなく簡素な構成で減速機と回転方向変換手段とを得ることができる。

請求項４の発明によると、少なくとも車両前方下側において、冷却フィンによってケースと走行風との接触面積が増大するので放熱性が向上する。従って、そのケースの車両前方下側に寄せられたオイルの冷却性が一層向上する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施形態に係るホイール駆動装置１の縦断面図である。また図２はホイール駆動装置１の動力伝達状態を示すスケルトン図である。

図１において、図の上方が車両の上方を示す。また図１は左前輪を示すものであるが、同様の構成が全ての駆動輪に設けられている。

ホイール駆動装置１は図１に示すように、懸架装置１３０（上方のストラットアッセンブリ１３１および下方のロアアーム１３２）を介して車両に取付けられたケース３と、ケース３内に設けられたモータ２０と、減速機であるプラネタリギヤ３０と、ケース３内に回転自在に設けられた出力軸８０と、ケース３内に所定量貯溜されたオイル１１と、オイル溜り１０からオイル１１を吸い上げ、昇圧させて潤滑または冷却用の油路に吐出するオイルポンプ５０等を主要な構成要素とする。

モータ２０は、主にステータ２１とロータ２２とからなる。ステータ２１は、略円筒状のステータコアにコイルが巻回されたもので、ケース３に固設されている。ロータ２２は、そのステータ２１の内周側に設けられた略円筒状の部材であり、その中心には回転自在にケース３に支持されたロータ軸２５を備える。ステータ２１のコイルに所定の電流を流すことにより、電磁力によってロータ２２が回転し、その駆動力がロータ軸２５から出力されるように構成されている。なおロータ軸２５の軸心部には軸方向にロータ軸２５を貫通するロータ軸油路２７が形成されている。

図２はホイール駆動装置１の動力伝達形態を示すスケルトン図である。この図に示すように、プラネタリギヤ３０の主な構成は、中心に設けられたサンギヤ３１と、このサンギヤ３１に噛合し、サンギヤ３１から放射状等距離の複数位置（当実施形態では図５に示すように４箇所）に配設されたピニオンギヤ３２と、サンギヤ３１と同軸のリング状部材の内周面で各ピニオンギヤ３２と噛合するリングギヤ３３と、各ピニオンギヤ３２を、互いの相対位置を維持させつつ支持するキャリヤ３４とからなる。このようにプラネタリギヤ３０はシングルピニオンプラネタリギヤと呼ばれるタイプのものである。

サンギヤ３１はロータ軸２５と連結されている。またキャリヤ３４はケース３に固定されている。そしてリングギヤ３３は出力軸８０と連結されている。

図１に戻って説明を続ける。出力軸８０の基端側はプラネタリギヤ３０の出力要素（リングギヤ３３）に連結されており、先端側はケース３から突出してホイール１２０と連結されている。詳しくは、出力軸８０の先端側は、フランジ部を有する略円筒状のホイールハブ８５に挿嵌され、ナット８１で固定されている。ホイールハブ８５のフランジ部には略円板状のブレーキロータ８７と共にホイールディスク１２１がボルト・ナット１０３によって固定されている。ホイールディスク１２１の外周は、タイヤ１２２の内周面に嵌挿されている。ホイールディスク１２１とタイヤ１２２とが一体となってホイール１２０を構成している。

以上の構成によって、出力軸８０、ブレーキロータ８７およびホイール１２０は一体回転する。ブレーキロータ８７は、ブレーキ時に図外のブレーキパッドに挟まれ、その摩擦力によって制動力が得られるように構成されている。

ケース３の内部はケース３から延設された隔壁７によってモータ室５とプラネタリギヤ室９（減速機室）とに区画されている。モータ室５にはモータ２０が収納され、プラネタリギヤ室９にはプラネタリギヤ３０が収納されている。モータ室５およびプラネタリギヤ室９には所定量のオイル１１が封入されている。オイル１１は各室５，９の底部でオイル溜り１０を形成している。隔壁７には適宜油穴が設けられ、両室間でオイル１１の連通がなされるように構成されている。

モータ２０を挟んでプラネタリギヤ３０と反対側に、オイルポンプ５０が設けられている。オイルポンプ５０は、ロータ軸２５に連結されたオイルポンプロータの回転によってオイル溜り１０からオイル１１を吸い上げ、昇圧させて潤滑または冷却用の油路に吐出する。オイルポンプ５０の吸入口には、ケース３内で下方に延びる油路５７が接続されており、油路５７の下端にはモータ室５のオイル溜り１０の底部付近に開口するオイルストレーナ５５が取付けられている。

オイルポンプ５０の吐出口には、ケース３内の油路（上流側から順に６１，６２，６３）が接続されている。最下流の油路６３は、ステータ２１の上方で軸方向に延びている。そしてケース３に、一端が油路６３に開口し、他端が下方のモータ室５に開口する油穴６４，６５が形成されている。油穴６４は油路６３とステータ２１のステータコアの上方とを連通させ、油穴６５は油路６３とステータ２１のコイルの上方とを連通させる。

図３は、図１のIII−III線断面図である。図示の状態で、左側が車両前方である。図を見易くするために、ステータ２１とロータ２２とを含むモータ２０を想像線（二点鎖線）で示す。図示のように、ケース３の車両前方下側には、薄板状の冷却フィン１５が略水平に多数列設されている。図３は、ロータ２２が停止している状態を示しており、このときオイル溜り１０の油面１１ａは水平である。

次に、ホイール駆動装置１の動作について説明する。まず図２を参照して各軸の回転動作について説明する。図示のように、モータ２０のロータ軸２５は、前進時に、ホイール１２０側から見て右回りに回転する（ロータ回転方向Ａ１）。ロータ軸２５と連結されたプラネタリギヤ３０のサンギヤ３１も一体となって右回りに回転する。ピニオンギヤ３２は、キャリヤ３４がケース３に固定されていることから、その軸位置が固定された状態でサンギヤ３１に噛合して左回りに回転する。従って、ピニオンギヤ３２に噛合するリングギヤ３３も左回りに回転する。このとき、リングギヤ３３の回転数はロータ軸２５の回転数（絶対値）よりも低回転となり、トルクが増幅されている（減速作用）。そしてリングギヤ３３と一体の出力軸８０およびホイール１２０も同じく左回りに回転する（出力軸回転方向Ａ２）。

結局、出力軸回転方向Ａ２はロータ回転方向Ａ１とは逆向きになる。車両後退時は、ロータ軸２５がロータ回転方向Ａ１に対して逆回転し、それに伴って出力軸８０も出力軸回転方向Ａ２に対して逆回転する。

次に、オイル１１の流れ、すなわち潤滑・冷却系について説明する。モータ２０の駆動に伴い、特にステータ２１のコイルが発熱し、モータ２０の温度を上昇させようとする。モータ２０の効率は温度によって変化する。そこでモータの温度を最も効率の良い温度付近に維持するため、ステータ２１の冷却に重点をおいた潤滑・冷却系が設定されている。

まずオイルポンプ５０の作動により、オイル溜り１０のオイル１１がオイルストレーナ５５を経由して油路５７に吸い上げられる。このとき、オイルストレーナ５５によって異物等が捕捉され、オイル１１が浄化される。油路５７からオイルポンプ５０の吸入口に導かれたオイル１１は、オイルポンプ５０によって昇圧され、吐出口から吐出される。

オイルポンプ５０から吐出されたオイル１１の多くは、油路６１，６２，６３からさらに油穴６４，６５を経てステータ２１に落下し、これを冷却する。ステータ２１を冷却したオイル１１は、続いて各部に分散しつつ落下し、その他の部材の冷却や回転部材の潤滑を行った後、最終的にオイル溜り１０に戻される。

一方、オイルポンプ５０から吐出されたオイル１１の一部はロータ軸油路２７に導かれる。ロータ軸油路２７に導かれたオイル１１は、ロータ軸油路２７の先端から噴出して出力軸８０の基端部やプラネタリギヤ３０等を冷却および潤滑した後、オイル溜り１０に戻される。

オイル１１は、以上のようなサイクルを繰り返しながらケース３内を循環する。各部を熱交換により冷却したオイル１１は、そのままでは温度が上昇するので冷却する必要がある。オイル１１の冷却方法として、上述のようにケース３を介して外気に放熱させる第１冷却方法と、オイルクーラー等を用いる第２冷却方法とがあるが、当実施形態では、部品点数削減、重量削減およびコスト削減の観点から、第１冷却方法のみによる冷却系が採用されている。

図４は、車両の前進走行中における図３に対応する図である。白抜き矢印Ｓが車両進行方向を示す。また車両進行方向Ｓと逆向きの矢印Ｗは走行風を示す。またこのとき、ロータ回転方向Ａ１は図示の状態で右回り、出力軸回転方向Ａ２はその逆の左回りとなる。

前進時には相対的に後向きの走行風Ｗがケース３の前面に当たる。従って、ケース３の前面においてはケース３と走行風Ｗとの熱交換が促進され、ケース３の背面よりも放熱性が高くなっている。しかもケース３の前方下側に冷却フィン１５が列設されているので、その放熱性が一層高められている。

一方、オイル溜り１０の油面１１ａは、ロータ２２の停止時（停車時）には図３に示すように水平であるが、ロータ２２がロータ回転方向Ａ１に回転している前進時には図４に示すように後傾する。これは、オイル１１がロータ２２に掻き揚げられたり、ロータ２２の回転に引きずられたりすることにより、全体的に前方に寄せられるからである。

オイル溜り１０が前寄りとなることによって、放熱性の高められたケース３の前方下側とオイル１１との接触面積が拡大し、冷却性が高められる。

この作用・効果は、図７に示す従来技術と対照的である。図７に示す従来技術では出力軸回転方向Ａ２とロータ回転方向Ａ９とが同じであるため、オイル溜り２１０が後寄りとなっており、油面２１０ａが水平である状態よりもオイル１１の冷却性に対して不利となっている。それに対して図４に示す当実施形態では、油面１１ａが水平である状態よりもオイル１１の冷却性に対して有利であり、その差は歴然である。

なお、油面１１ａの後傾をより促進させるために、ロータ２２がオイル１１をより掻き揚げ易く、又は引きずり易くする手段を用いても良い。例えばロータ２２の側面に、オイル１１をすくう板や突起等を設けても良い。

次にケース３から延設された隔壁７の作用について説明する。図５は、図１のV−V線断面図であって、車両前進走行中の状態を示す。上下前後の方向は図４に準ずる。上述のようにプラネタリギヤ３０のリングギヤ３３は出力軸８０と一体回転している。つまりリングギヤ回転方向Ａ３は出力軸回転方向Ａ２と同方向である。

このため、モータ室５においてはオイル溜り１０が前寄りとなっている反面、プラネタリギヤ室９においてはオイル溜り１０ｂが後寄りとなり、油面１１ｂが前傾している。オイル１１がリングギヤ３３に掻き揚げられたり、リングギヤ３３の回転に引きずられたりするからである。

しかしながら、モータ室５とプラネタリギヤ室９とは上述のように隔壁７で区画されているため、プラネタリギヤ室９におけるオイル１１の挙動がモータ室５のオイル１１に干渉し難くなっている。従って、モータ室５におけるオイル溜り１０の前寄り状態が安定し、冷却性向上効果が安定的に維持される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で適宜変更が可能である。

例えば上記実施形態では、オイル１１の冷却系として、第１冷却方法のみによるものを採用した。その方がオイルクーラー等（第２冷却方法）を併用する冷却系よりも本発明の効果を顕著に奏するが、これは第２冷却方法の併用を排除する趣旨ではなく、第２冷却方法を採用しても良い。その場合には、第１冷却方法による冷却性の向上により、第２冷却方法への依存度を低減できるので、オイルクーラー等をより小型化・小容量化することができる。

また、上記実施形態では減速機としてプラネタリギヤ３０を用いた。プラネタリギヤ３０は、減速機として機能するとともに出力軸回転方向Ａ２をロータ回転方向Ａ１に対して逆向きにする回転方向変換手段としても機能するので、ホイール駆動装置１の小型軽量化に対して特に有利であるが、必ずしもこれを用いる必要はなく、プラネタリギヤ以外の機構による減速機を用いても良い。また従来技術のようにプラネタリギヤを回転方向が逆転しない形態の減速機として用いたり、減速機自体を省略したりして、別途何らかの回転方向変換手段を用いるようにしても良い。

また上記実施形態では冷却フィン１５を略水平に列設したが、冷却フィン１５の列設方向はこれに限定するものではなく、略垂直その他任意の方向に列設しても良い。

本発明の一実施形態に係るホイール駆動装置の縦断面図である。 上記ホイール駆動装置の動力伝達形態を示すスケルトン図である。 図１のIII−III線断面図である。 車両の前進走行中における図３に対応する図である。 図１のV−V線断面図であって、車両前進走行中の状態を示す。 従来のホイール駆動装置のスケルトン図である。 図６に示すホイール駆動装置の、モータ位置における縦断面を模式的に示す図である。

符号の説明

１ ホイール駆動装置
３ ケース
５ モータ室
７ 隔壁
９ プラネタリギヤ室（減速機室）
１１ オイル
１５ 冷却フィン
２０ モータ
２１ ステータ
２２ ロータ
３０ プラネタリギヤ（シングルピニオンプラネタリギヤ）
３１ サンギヤ
３３ リングギヤ
３４ キャリヤ
８０ 出力軸
８５ ホイールハブ
１２０ ホイール
Ａ１ ロータ回転方向
Ａ２ 出力軸回転方向

Claims (4)

1. 懸架装置を介して車両に取付けられたケースと、
   上記ケース内に設けられてステータ及びロータを含むモータと、
   上記ケース内に回転自在に設けられ、その一端が減速機を介して上記ロータに連絡されるとともに他端がホイールハブを介してホイールに連絡された出力軸と、
   上記ケース内に所定量貯溜されたオイルとを備え、
   上記モータにより上記ホイールを駆動するホイール駆動装置において、
   上記ロータの回転方向が、上記出力軸の回転方向と逆方向に設定されていることを特徴とするホイール駆動装置。
2. 上記ケース内を、上記モータが収納されたモータ室と上記減速機が収納された減速機室とに区画するとともに、上記モータ室内に貯溜されたオイルと上記減速機室内に貯溜されたオイルとの相互干渉を抑制する隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１記載のホイール駆動装置。
3. 上記減速機は、上記ロータに連結されたサンギヤと、上記ケースに固定されたキャリヤと、上記出力軸に連結されたリングギヤとで構成されるシングルピニオンプラネタリギヤを含むことを特徴とする請求項１または２記載のホイール駆動装置。
4. 上記ケースの外周面の、少なくとも車両前方下側に冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のホイール駆動装置。

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