JP2008172975A - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低速回転時にモータドライバ回路およびモータコイルに過大電流が流れるのを防止できる信頼性の高いインホイールモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 車輪用軸受Ａ、モータＢ、およびこのモータＢと車輪用軸受との間に介在した減速機を有し、モータＢに駆動電流を流すモータドライバ回路５１を設けたインホイールモータ駆動装置とする。前記モータドライバ回路５１には、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定する回転域対応電圧変更手段５８を設ける。
【選択図】 図４

Description

この発明は、自動車に搭載されるモータ、減速機、および車輪用軸受が連結されたインホイールモータ駆動装置に関する。

従来、電気自動車で使用されるインホイールモータ駆動装置として、車輪用軸受（ハブベアリング）と減速機、モータが連結され、モータの駆動トルクを、減速機で倍増（回転数では減速）し、車輪用軸受を介してタイヤに伝達する構成のものがある。この減速機には、遊星歯車を使用したものが用いられたりするが、コンパクト化を図るため、サイクロイド減速機が使用される。また、モータおよびこれを制御するモータドライバ回路もコンパクト化される（例えば、特許文献１）。
特開２００６−２５８２８９号公報

上記インホイールモータ駆動装置では、コンパクト化を図る結果、減速機およびモータの信頼性確保が重要な課題となる。特に装置の冷却性能は信頼性確保の上での課題のひとつで、小さなサイズすなわち小さな表面積での冷却が必要となり、付随する冷却ユニットのサイズが大きくなると同時に、この冷却のための消費エネルギが大きくなってしまう。そのため、極力、モータコイル巻線やモータドライバ回路に過大電流が流れることを回避したい。

インホイールモータ駆動装置のモータにはＤＣモータが使用されるが、このＤＣモータの場合、モータの回転に伴い逆起電圧がモータコイルに発生する。そこで、モータの最高回転数時にもモータコイルに印加電流を流しトルクを発生させるために、モータドライバ回路の構成として、発生する最大の逆起電圧以上の一定の電圧をモータコイルに印加させる構成を採るのが一般的である。この構成の場合、高速回転に対応するためは、モータへの印加電圧は数１００Ｖもの高電圧が必要となる。このような高電圧を印加することは、モータ制御が正常に行われている上では問題はないが、モータドライバ回路にノイズが重畳し、誤動作した場合には、逆起電圧が低い低速回転時に過大な電流がモータコイルおよびモータドライバ回路に流れて、モータの耐久性を低下させるといった問題がある。

この発明の目的は、低速回転時にモータドライバ回路およびモータコイルに過大電流が流れるのを防止できる信頼性の高いインホイールモータ駆動装置を提供することである。

この発明のインホイールモータ駆動装置は、車輪用軸受、モータ、およびこのモータと上記車輪用軸受との間に介在した減速機を有し、上記モータに駆動電流を流すモータドライバ回路を設けたインホイールモータ駆動装置において、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定する回転域対応電圧変更手段を、上記モータドライバ回路に設けたことを特徴とする。
この構成によると、上記の回転域対応電圧変更手段を有するため、モータ回転数とモータ駆動電圧との関係を、低速回転で低い電圧、高速回転で高い電圧の関係とすることができる。そのため、高速回転時の高い逆起電圧の影響を緩和することができて、回転数によらず略一定の電圧をモータに印加することができる。その結果、低速回転時にモータドライバ回路およびモータコイルに過大電流が流れるのを防止でき、信頼性の高いインホイールモータ駆動装置とすることができる。

この発明において、上記減速機がサイクロイド減速機であっても良い。サイクロイド減速機はコンパクト化に優れるので、コンパクトなインホイールモータ駆動装置が実現される。

この発明において、上記モータドライバ回路は、モータコイルの電流の制御をＰＷＭ（パルス幅変調）方式で行うものであって良い。ＰＷＭ方式によると、パルス幅で電流を制御するため、電圧制御を電流制御と独立して行えて、回転速度に応じた電圧制御を、電流値に影響させずに簡単に行うことができる。

この発明において、上記回転域対応電圧変更手段は、複数のバッテリの接続形態を変更することで、多段階にモータ駆動電圧を変更し、これによって、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定するものであっても良い。ここで「多段階」とは、２段階以上を言う。
このように複数のバッテリの接続形態を変更することで電圧を変更する構成であると、回転域対応電圧変更手段が簡単な構成で実現できる。

この発明において、上記回転域対応電圧変更手段は、モータ回転数とモータ駆動電圧とを略比例関係とするものであっても良い。
逆起電圧は回転数に比例するため、モータ回転数とモータ駆動電圧とを略比例関係とすると、モータ回転数が変わっても、モータ駆動に要するモータへの印加される電圧がより一定化される。

この発明のインホイールモータ駆動装置は、車輪用軸受、モータ、およびこのモータと上記車輪用軸受との間に介在した減速機を有し、上記モータに駆動電流を流すモータドライバ回路を設けたインホイールモータ駆動装置において、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定する回転域対応電圧変更手段を、上記モータドライバ回路に設けたため、低速回転時にモータドライバ回路およびモータコイル巻線に過大電流が流れるのを防止でき、信頼性の高いインホイールモータ駆動装置とすることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１に、車両の車輪用軸受Ａと電動式のモータＢとの間に減速機Ｃを介在させ、車輪用軸受Ａで支持されるハブとモータＢの出力軸２４とを同軸心上で連結したインホイールモータ駆動装置を示す。減速機Ｃは、サイクロイド減速機であって、モータＢの出力軸２４に同軸に連結される入力軸３２に偏心部３２ａ，３２ｂを形成し、偏心部３２ａ，３２ｂにそれぞれ軸受３５を介して曲線板３４ａ，３４ｂを装着し、曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動を車輪軸受へ回転運動として伝達する構成である。

すなわち、減速機Ｃにつき、モータＢの回転を曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動とし、この偏心運動を回転運動としてハブに伝達するサイクロイド減速機とすることにより、コンパクトで大きな減速比が得られる減速機Ｃとこの減速機Ｃのコンパクトな配置構造を有するインホイールモータ駆動装置である。上記サイクロイド減速機Ｃは、部品点数が少なくコンパクトに設計でき、１段で１／１０以上の大きな減速比を得ることができる。

モータＢは、外部のモータドライバ回路５１によって駆動され、その電流源はバッテリ５２によって供給される。モータドライバ回路５１は、外部のアクセル５４から出力されるアクセル信号に従い、モータＢの駆動電流を制御するものである。また、モータドライバ回路５１は、モータＢの回転数を回転センサ５３で検出し、モータＢの回転制御に利用する構成である。アクセル５４は、車両のアクセルペダル（図示せず）と、このアクセルペダルの踏み込み量を電気信号であるアクセル信号に変換するアクセル信号生成手段（図示せず）とで構成される。

図２，図３は、インホイールモータ駆動装置の機械部分の具体的構成例を示す。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。車輪用軸受Ａは、軸受の転走面を形成した内方部材２がハブを構成する第３世代型の内輪回転タイプとされている。

この車輪用軸受Ａは、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を形成した内方部材２と、これら外方部材１およびハブ２の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。内方部材２は、車両の車輪を取付けるハブを兼用する。この車輪用軸受Ａは、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転走面３，４は断面円弧状であり、各転走面３，４は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材１とハブ２との間の軸受空間のアウトボード側端は、シール部材７でシールされている。

外方部材１は静止側軌道輪となるものであって、減速機Ｃのアウトボード側のハウジング３３ｂに取付けるフランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ１ａには、周方向の複数箇所にボルト挿通孔１４が設けられている。また、ハウジング３３ｂには、ボルト挿通孔１４に対応する位置に、内周にねじが切られたボルト螺着孔４４が設けられている。ボルト挿通孔１４に挿通した取付ボルト１５をボルト螺着孔４４に螺着させることにより、外方部材１がハウジング３３ｂに取付けられる。

内方部材２は、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するアウトボード側材９と、このアウトボード側材９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材９に一体化されたインボード側材１０とでなる。これらアウトボード側材９およびインボード側材１０に、前記各列の転走面４が形成されている。インボード側材１０の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、周方向複数箇所にハブボルト１６の挿入孔１７が設けられている。アウトボード側材９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１３がアウトボード側に突出している。このパイロット部１３の内周には、前記貫通孔１１のアウトボード側端を塞ぐキャップ１８が取付けられている。

モータＢは、筒状のハウジング２２に固定したステータ２３と出力軸２４に取付けたロータ２５との間にアキシアルギャップを設けたアキシアルギャップ型のＤＣモータである。出力軸２４は、減速機Ｃのインボード側のハウジング３３ａの筒部に２つの軸受２６で片持ち支持されている。出力軸２４とハウジング３３ａ間の隙間のインボード側端は、シール部材２７でシールされている。また、ハウジング２２のインボード側の開口にはキャップ２８が装着され、ハウジング２２の周壁部には冷却液流路２９が設けられている。この冷却液流路２９に潤滑油もしくは水溶性の冷却剤を流すことにより、モータＢのステータ２３が冷却される。

減速機Ｃは、上記のようにサイクロイド減速機であり、図３のように外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板３４ａ，３４ｂが、それぞれ軸受３５を介して入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着してある。これら各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン３６を、それぞれハウジング３３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材１０に取付けた複数の内ピン３８を、各曲線板３４ａ，３４ｂの内部に設けられた複数の円形の貫通孔３９に挿入状態に係合させてある。入力軸３２は、モータＢの出力軸２４とスプライン結合されて一体に回転する。なお、入力軸３２はインボード側のハウジング３３ａと内方部材２のインボード側材１０の内径面とに２つの軸受４０で両持ち支持されている。

モータＢの出力軸２４が回転すると、これと一体回転する入力軸３２に取付けられた各曲線板３４ａ，３４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動が、内ピン３８と貫通孔３９との係合によって、内方部材２に回転運動として伝達される。出力軸２４の回転に対して内方部材２の回転は減速されたものとなる。

前記２枚の曲線板３４ａ，３４ｂは、互いに偏心運動による振動が打ち消されるように１８０°位相をずらして入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着され、各偏心部３２ａ，３２ｂの両側には、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動によって発生する回転軸に直交する軸回りの慣性偶力よる振動を打ち消すように、各偏心部３２ａ，３２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト４１が装着されている。

図３（Ｂ）に拡大して示すように、前記各外ピン３６と内ピン３８には軸受４２，４３が装着され、これらの軸受４２，４３の外輪４２ａ，４３ａが、それぞれ各曲線板３４ａ，３４ｂの外周と各貫通孔３９の内周とに転接する。したがって、外ピン３６と各曲線板３４ａ，３４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン３８と各貫通孔３９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材２に回転運動として伝達することができる。

この車輪用軸受装置は、減速機Ｃのハウジング３３ｂまたはモータＢのハウジング２２の外周部で、ナックル等の懸架装置（図示せず）を介して車体に固定される。

図４は、モータドライバ回路５１の構成例を示す。モータドライバ回路５１は、アクセル信号等による外部モータ指令値（モータドライバ回路５１に対する外部から与えられるモータ指令値）に応じてモータＢの駆動を制御するものであり、電圧可変回路５５と、インバータ５６と、モータ制御用コントローラ５７とでなる。
モータドライバ回路５１は、バッテリ５２から給電される直流電流を、モータ制御用コントローラ５７の指令に従い、インバータ等のパワー回路５６により、回転磁界を発生させるための各相のモータコイルのモータ電流に変換してモータＢに流すものである。パワー回路５６は、内部のトランジスタを効率良く駆動するＰＷＭドライバ５６ａを有し、このＰＷＭドライバ５６ａによりチョッピングされたモータ駆動電圧がモータＢに印加される。
モータ制御用コントローラ５７は、その基本機能として、上記アクセル信号等による外部モータ指令値に応じ、モータ回転速度を変えるようにパワー回路５６に指令を与える手段である。

この実施形態では、上記基本構成のモータドライバ回路５１において、モータ駆動電圧をモータＢの回転数に応じて変化させる回転域対応電圧変更手段５８を設け、この手段５８を、バッテリ５２とパワー回路５６との間に介在させた電圧可変回路５５と、モータ制御用コントローラ５７に設けた回転域対応電圧変形指令生成手段５７ａとで構成している。電圧可変回路５５は、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータからなる。回転域対応電圧変形指令生成手段５７ａは、モータ駆動電圧となる電圧可変回路５５の出力電圧がモータＢの回転数に応じて可変となるように、電圧可変回路５５に指令を与える指令信号を生成する手段である。

回転域対応電圧変更手段５８は、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定する。
図６には、前記回転域対応電圧変更手段５８がモータＣの回転数によってモータ駆動電圧を可変にする一例を示している。この例では、回転域対応電圧変更手段５８は回転数に比例したモータ駆動電圧を作り出している。
この回転数に比例したモータ駆動電圧を作り出す場合、回転域対応電圧変更手段５８の電圧可変回路５５として、例えば図５に示す回路が用いられる。この回路は、バッテリ５２（図４）から入力端子６１を経て印加される電圧を、モータ制御コントローラ５７（図４）の出力となる指令電圧により、オペアンプ６３およびトランジスタ６４を介して制御するものである。上記オペアンプ６３の反転入力端子には、電源電圧の出力端子６２間の電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分割した電圧を入力し、非反転入力端子に指令電圧を入力する回路とされる。

上記構成の作用を説明する。モータＢとしてＤＣモータが使用されるこのインホイールモータ駆動装置の場合、先述したように、モータＢを回転させると、ロータ２５に配した永久磁石の作り出す磁界がステータ２３のモータコイルを横切り、これによりモータコイルに図７のように逆起電圧が発生する。この逆起電圧は回転数に比例する。このため、モータＢに電流駆動として利用できる電圧は、モータ駆動電圧から逆起電圧を減算した量となる。そこで、回転域対応電圧変更手段５８が前記したように回転数に比例したモータ駆動電圧を作り出すものとすると、図７の図中にｅ１，ｅ２で示すように、回転数に左右されず略一定の電圧をモータに印加することができる。なお、回転域対応電圧変更手段５８が作り出すモータ駆動電圧は、必ずしも図６のように回転数と比例した関係でなくても良いが、低速回転域でのモータ駆動電圧は低く抑えることが望ましい。

参考例として、図８には、回転数に関係なくモータ駆動電圧を一定とした場合の例を示す。この場合、低速回転域ではモータＢに印加される電圧が過大となり、また高速回転域では低くなってしまうことが分かる。モータＢに流す電流の大きさは、インバータ等のパワー回路５６内に構成されるＰＷＭドライバ５６ａ（図４）によって設定されるため、通常は低速回転時にモータＢに印加される電圧が過大になっても問題ないが、インホイールモータ駆動装置では、モータＢがコンパクトであるため、モータコイルの電流は高くなり、外部へのノイズが大きくなる。その結果、前記ＰＷＭドライバ５６ａやモータ制御用コントローラ５７（図４）にノイズが載る可能性があり、場合によっては、低速回転時にモータへの電流源（モータ駆動電圧−逆起電圧）が大きい状態で、誤動作により過大な電流を流す恐れがある。このインホイールモータ駆動装置では、回転域対応電圧変更手段５８により、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定するので、上記したような問題を防ぐことができ、信頼性を向上させることができる。

この実施形態において、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータからなる前記電圧可変回路５５の出力電圧の可変範囲は、バッテリ電圧（図４では５００Ｖ）以下であっても良いし、これを超えるような範囲であっても良い。高圧電圧を発生できるように電圧可変回路５５を設計すれば、モータＢへの電流源（モータ駆動電圧−逆起電圧）を高速回転域で大きくとれ、高速回転域でのモータトルクを大きくできるといったメリットがある。

図６および図７で示したように、前記回転域対応電圧変更手段５８が作るモータ駆動電圧は、回転数の変化に応じて連続可変となるのが望ましいが、例えば図９のように電圧可変回路５５を、複数のスイッチ（ここではリレー接点）Ａ１，Ｂ１，Ｃ１やバッテリＥ１〜Ｅ４などで構成し、スイッチＡ１，Ｂ１，Ｃ１の切り換えによって電圧を切り換える方式としても良い。図９の電圧可変回路５５では、スイッチＡ１をオンにすると、同じ端子電圧を有する４個のバッテリＥ１〜Ｅ４はすべて並列に接続され、最終的に得られる電圧Ｅはバッテリ１個の端子電圧となる。また、スイッチＢ１をオンにすると、バッテリＥ１とバッテリＥ２、およびバッテリＥ３とバッテリＥ４が直列に接続され、得られる電圧Ｅはバッテリ２個を直列接続して得られる電圧となる。また、スイッチＣ１をオンにすると、すべてのバッテリＥ１〜Ｅ４が直列に接続され、得られる電圧Ｅはバッテリ４個を直列接続して得られる電圧となる。よって、回転数が低速域から高速域になるに従って、オンにするスイッチをＡ１→Ｂ１→Ｃ１と順次切り換えていくことで、電圧を多段階にわたって高めることができる。なお、図９において、コンデンサＣｅは、電圧可変時に発生するノイズを除去するためのものである。

なお、上記各実施形態は、一つの車輪におけるインホイールモータ駆動装置について説明したが、車両の各車輪を駆動するモータに対して、上記各実施形態で述べたインホイールモータ駆動装置が適用される。
また、上記各実施形態は、減速機Ｃがサイクロイド型である場合につき説明したが、この発明は、減速機Ｃを他の各種構成のものとした場合にも適用することができる。

この発明の一実施形態にかかるインホイールモータ駆動装置の全体の構成を示す説明図である。 同インホイールモータ駆動装置の車輪用軸受、減速機、およびモータを示す破断側面図である。 （Ａ）は図２のIII-III 線に沿う断面図、（Ｂ）は同図（Ａ）の部分拡大断面図である。 同インホイールモータ駆動装置のモータドライバ回路の一例のブロック図である。 モータドライバ回路における電圧可変回路の具体的な構成例を示す回路図である。 同モータドライバ回路における電圧可変回路から出力されるモータ駆動電圧とモータ回転数との関係を示すグラフである。 モータコイルに印加される電圧とモータ回転数との関係を示すグラフである。 モータ駆動電圧を一定とした場合に、モータコイルに印加される電圧とモータ回転数との関係を示すグラフである。 モータドライバ回路における電圧可変回路の他の具体的構成例を示す回路図である。

符号の説明

５１…モータドライバ回路
５８…回転域対応電圧変更手段
Ａ…車輪用軸受
Ｂ…モータ
Ｃ…減速機
Ｅ１〜Ｅ４…バッテリ

Claims (5)

1. 車輪用軸受、モータ、およびこのモータと上記車輪用軸受との間に介在した減速機を有し、上記モータに駆動電流を流すモータドライバ回路を設けたインホイールモータ駆動装置において、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定する回転域対応電圧変更手段を、上記モータドライバ回路に設けたことを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
2. 請求項１において、上記減速機がサイクロイド減速機であるインホイールモータ駆動装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記モータドライバ回路は、モータコイルの電流の制御をＰＷＭ方式で行うものであるインホイールモータ駆動装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、上記回転域対応電圧変更手段は、複数のバッテリの接続形態を変更することで、多段階にモータ駆動電圧を変更し、これによって、低速回転域でモータ駆動電圧を低くし、高速回転域でモータ駆動電圧を高く設定するものであるインホイールモータ駆動装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、上記回転域対応電圧変更手段は、モータ回転数とモータ駆動電圧とを略比例関係とするものであるインホイールモータ駆動装置。

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