JP2012244810A - インホイールモータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率を向上できるインホイールモータを提供する。
【解決手段】インホイールモータ１０は、ハブ１２と、ハブ１２の一面側を貫通し当該ハブ１２を回転自在に支持する第１固定軸部材２０と、第１固定軸部材２０と同軸でハブ１２の他面側を貫通し当該ハブ１２を回転自在に支持する第２固定軸部材２４と、ハブ１２の内周面に固定されリング状の内歯ギア５２と、ハブ１２の内部に配置され第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４の少なくとも一方に固定されたモータベース３６と、モータベース３６に固定され、内歯ギア５２と噛合する複数の駆動ギア４４のそれぞれに回転力を付与する複数のモータ２６と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、インホイールモータ、特にインホイールモータの駆動効率を向上する技術に関する。

従来、車両を走行させるための駆動源の１つとしてインホイールモータが利用されている。例えば、電動二輪車、電動車椅子、モータ付きスクータ、電動台車、ゴルフカート、電動自転車等がある。このようにモータの駆動力により走行する車両は、特に発進時に大きなトルクを必要とする。したがって、インホイールモータは、発進時のトルクを確保するために複数のギアを組み合わせた減速機構を備えている。例えば、特許文献１に記載される構造は、車輪のハブの内部に収納されたモータのロータがギア列を介してハブの内壁面に固定されたリング状の内歯ギアに接続されている。そして、ロータの回転をギア列を介してハブ側に伝達する際に減速を行い所望値までトルクアップを図っている。

特許第３８０３２５２号明細書

ところで、上述のようなインホイールモータを用いた車両の場合、バッテリの１充電あたりの走行距離をできるだけ延ばしたいという要望がある。つまり、インホイールモータの駆動効率の改善が望まれている。しかし、特許文献１のように、減速機構を用いる場合、駆動力を伝達する伝達ギア段数を多段として減速しているので、伝達ギア段数の増加に起因した回転エネルギの伝達損失が生じる。結果としてインホイールモータの駆動効率が低下して、１充電あたりの走行距離を低下させているという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動効率を向上できるインホイールモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインホイールモータは、外周に車輪が結合されるべき円筒形状のハブと、ハブの一面側を貫通し当該ハブを回転自在に支持する第１固定軸部材と、第１固定軸部材と同軸でハブの他面側を貫通し当該ハブを回転自在に支持する第２固定軸部材と、ハブの内周面に固定されたリング状の内歯ギアと、ハブの内部に配置され、第１固定軸部材と第２固定軸部材の少なくとも一方に固定されたモータベースと、モータベースに固定され、内歯ギアと噛合する複数の駆動ギアのそれぞれに回転力を付与する複数のモータと、を含む。

この態様によると、複数のモータのそれぞれにより回転する複数の駆動ギアがハブの内周面に固定された内歯ギアと直接噛合する。つまり、モータを複数用いて、各モータで発生できるトルクを重畳することにより、内歯ギアを回転させるために必要なトルクを確保する。この場合、駆動力を伝達する伝達ギア段数は実質的に１段となるので、従来のような多段のギア噛合構造に比べて回転エネルギの伝達損失が低減できる。また、この場合、内歯ギアを回転させるために必要なトルクを複数のモータで分担することになる。したがって、個々のモータの負荷はモータを１個で構成する場合に比べて低減され、各モータのトルクを発生するために必要なエネルギもモータ数で割った値に低減される。つまり、１つのモータの駆動により内歯ギアを所望のトルクで回転させる場合のバッテリ消費効率と、複数のモータで分担して内歯ギアを同じトルクで回転させる場合のバッテリ消費効率とはほぼ同じになる。したがって、複数のモータを用いることにより、バッテリ消費は同等でも回転エネルギの伝達損失が低減される分だけインホイールモータ全体としての駆動効率が改善できる。

本発明によれば、駆動力の伝達損失を低減できるので、バッテリの１充電あたりの走行距離を延ばすことが可能な駆動効率を改善したインホイールモータが提供できる。

本実施形態のインホイールモータを適用した車両の車輪部分の拡大図である。 本実施形態のインホイールモータの内部構造を説明するための部分断面図である。 本実施形態のインホイールモータに搭載される一方向クラッチの動作を説明する説明図である。 本実施形態のインホイールモータの各モータの配置とギアの噛合状態を説明する斜視図である。 本実施形態のインホイールモータの各モータの配置例を説明する説明図である。 本実施形態のインホイールモータの各モータと駆動回路の関係を説明するブロック図である。 本実施形態のインホイールモータのハブの他の構成を説明する説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）を図面に基づいて説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、本実施形態のインホイールモータを適用した車両の車輪部分の拡大図である。インホイールモータ１０は、円筒形状のハブ１２の内部に複数のモータを内蔵するもので、ハブ１２の外周部には放射線状に延びる複数のスポーク１４の一端側が固定されている。また、スポーク１４の他端側は、タイヤ部１６を支持するリム１８に固定されている。リム１８は、ハブ１２とスポーク１４で結合されて車輪の骨格を形成する。また、ハブ１２から突出する第１固定軸部材２０（図１の場合、ハブ１２の片側から突出する第１固定軸部材２０のみを図示）が車両のフレームの一部であるフォーク２２に固定支持されている。したがって、ハブ１２、スポーク１４、タイヤ部１６、リム１８からなる車輪は第１固定軸部材２０および第１固定軸部材２０と対をなす第２固定軸部材を中心に回転するように構成されている。

なお、図１の場合、車輪は、ハブ１２、スポーク１４、タイヤ部１６、リム１８を含む、いわゆるスポークホイールを示しているが、スポーク１４の代わりに円板を用いた、いわゆるディスクホイールでもよい。

図２から図５を用いて、インホイールモータ１０の内部構造を説明する。インホイールモータ１０は大別して、ハブ１２と、このハブ１２の左右から突出する第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４と、ハブ１２の内部に収納された複数のモータ２６、動力伝達機構２８とで構成されている。

ハブ１２は、外周に車輪が結合されるべき円筒形状の部品で、本実施形態の場合、ハブ１２は、一方面に開口部３０ａを有するカップ形状の第１部材３０と、開口部３０ａを封止する円板形状または蓋形状の第２部材３２とで構成される。ハブ１２は鉄や鋳物、ステンレス鋼等で形成することができる。このように、ハブ１２が蓋形状の第２部材３２を含むことにより、第２部材３２の取り外しによりインホイールモータ１０の内部露出が容易になり、組立性の向上に寄与できる。また、内部のモータやギアの着脱が容易になりメンテナンス時の作業性の向上にも寄与できる。なお、ハブ１２の完全な内部気密は必要ないが、水等が浸入しない程度の防水レベルを実現しておくことが好ましい。例えば、第１部材３０と第２部材３２との接合部分にＯリング等を介在させて防水シール機能を持たせることが好ましい。また、回転側である第２部材３２と固定側である第１固定軸部材２０との間や、回転側である第１部材３０と固定側である第２固定軸部材２４との間にラビリンスを設け、液体の浸入を抑制するようにしてもよい。

ハブ１２を構成する蓋形状の第２部材３２は、当該ハブ１２の回転中心と同軸となる中央部に第１固定軸部材２０を貫通可能とする貫通口３２ａを有する。また第２部材３２の貫通口３２ａに対応する部分には、第１固定軸部材２０を軸として第２部材３２、つまりハブ１２を回転自在に支持する第１ベアリング３４が固定されている。また、第２部材３２の内部側、つまり、ハブ１２の内部には、複数配置されるモータ２６の基台となるモータベース３６が、第１固定軸部材２０に固定されて配置される。図２の場合、第１固定軸部材２０とモータベース３６を一体として１部材で構成する例を示しているが、第１固定軸部材２０とモータベース３６を別部材で形成し、溶接や圧入、またはその複合処理により接合してもよい。第１固定軸部材２０とモータベース３６を１部材で構成する場合、モータベース３６に対する第１固定軸部材２０の鉛直精度の確保が容易になる。また、第１固定軸部材２０とモータベース３６を別部材で構成する場合、個々の部品の加工が容易となるメリットがある。このように、モータベース３６は第１固定軸部材２０と一体化され、その周囲を第２部材３２、すなわちハブ１２が回転するように構成される。

第１固定軸部材２０は、例えば鉄やステンレス鋼で形成され、図２に示すように内部にモータ２６を駆動するための信号線や電力線等の駆動ライン３８を通すライン孔２０ａが形成されている。図２の場合、ライン孔２０ａは説明のため比較的大径で描いているが、駆動ライン３８の配索作業ができる程度の直径があればよい。したがって、第１固定軸部材２０の直径やライン孔２０ａの直径は、インホイールモータ１０を組み付ける車両の自重やその車両の積載重量等を考慮して定められる付加加重に耐え得る剛性が得られるように適宜選択することが望ましい。モータベース３６は第１固定軸部材２０と一体で形成される場合は同一材料で形成されるが、別部品として形成される場合は、異なる材料で形成してもよい。

同様に、ハブ１２を構成するカップ形状の第１部材３０は、当該ハブ１２の回転中心と同軸となる中央部に第２固定軸部材２４を貫通可能とする貫通口３０ｂを有する。また第１部材３０の貫通口３０ｂに対応する部分には、第２固定軸部材２４を軸として第１部材３０、つまりハブ１２を回転自在に支持する第２ベアリング４０が固定されている。また、第１部材３０の内部側、つまり、ハブ１２の内部には、複数配置されるモータ２６の各ロータケース４２の回転に応じて回転する複数の駆動ギア４４の回転中心となるギア固定軸４６を支持する固定軸ベース４８が、第２固定軸部材２４に固定されて配置されている。図２の場合、第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８を一体として１部材で構成する例を示しているが、第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８を別部材で形成し、溶接や圧入、またはその複合処理により接合してもよい。第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８を１部材で構成する場合、固定軸ベース４８に対する第２固定軸部材２４の鉛直精度の確保が容易になる。また、第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８を別部材で構成する場合、個々の部品の加工が容易となるメリットがある。このように、固定軸ベース４８は第２固定軸部材２４と一体化され、その周囲を第１部材３０、すなわちハブ１２が回転するように構成される。

第２固定軸部材２４は、例えば鉄やステンレス鋼で形成される。固定軸ベース４８は第２固定軸部材２４と一体で形成される場合は同一材料で形成されるが、別部品として形成される場合は、異なる材料で形成してもよい。

また、第１部材３０の内部側、つまり、ハブ１２の内部には、モータ２６の回転力をハブ１２側に伝達するための動力伝達機構２８の一部を構成するギアホルダ５０が固定されている。このギアホルダ５０には、動力伝達機構２８の一部を構成するリング状の内歯ギア５２がネジ５４等の締結部材によって固定されている。内歯ギア５２と駆動ギア４４とが噛合することによりロータケース４２の回転力が第１部材３０すなわちハブ１２に伝達される。なお、本実施形態では、ギアホルダ５０、内歯ギア５２、駆動ギア４４、ギア固定軸４６で動力伝達機構２８を構成している。

モータ２６は、ステータコア５６、ステータ固定軸５８、コイル６０、ロータケース４２、マグネット６２等を含んで構成されている。
ステータコア５６は、ケイ素鋼板等の磁性材を積層した後に、表面に電着塗装や粉体塗装等による絶縁コーディングを施して形成される。ステータコア５６は、外周方向に突出する複数の突極（図示せず）を有するリング状であり、各突極にはコイル６０が巻回されている。また、ステータコア５６の内周側は圧入や溶接またはその複合処理によりステータ固定軸５８に固定され、このステータ固定軸５８がモータベース３６に圧入や溶接またはその複合処理により固定されている。コイル６０の巻き線端末は、モータベース３６の底面から引き込まれている駆動ライン３８とコネクタ等を介して接続され、コイル６０は磁界の発生に必要な電力の供給を受ける。

本実施形態の場合、ロータケース４２はカップ形状であり、マグネット６２の発生する磁気を通す役目を果たすことが望ましいので、鉄などの軟磁性体により形成されていることが望ましい。カップ形状のロータケース４２は、内周面にリング状のマグネット６２を支持すると共に、マグネット６２の内周側に僅かな空間を隔てて、コイル６０が巻回されたステータコア５６を収納する。ロータケース４２のカップ形状の底部に設けられた開口部には、カップ形状の軸受ホルダ６４がネジ等の締結手段によって固定されている。軸受ホルダ６４の内周面は、ステータ固定軸５８に内輪側が固定された第３ベアリング６６の外輪側に固定されている。本実施形態の場合、マグネット６２、ロータケース４２および軸受ホルダ６４でモータ２６の回転体を構成している。後述する駆動回路により３相の略正弦波状の電流がコイル６０に通電されると、コイル６０はステータコア５６の突極に回転磁界を発生する。そして、マグネット６２の駆動用磁極と回転磁界との相互作用により回転駆動力が生じて、ロータケース４２がステータ固定軸５８の周囲を電流量と電圧量に応じたトルクと回転速度で回転可能となる。なお、上述の説明では、ロータケース４２と軸受ホルダ６４とを別部品で形成してネジ等で接合している例を示したが、ロータケース４２と軸受ホルダ６４を一体形成してもよい。この場合、部品点数の削減やコスト低減に寄与できる。

なお、本実施形態の場合、ロータケース４２をカップ形状とすることで、ステータコア５６およびコイル６０、すなわちステータの少なくとも一部をハブ１２内部に露出させるように露出口４２ｂを形成している。モータ２６の駆動時にはコイル６０で発熱する。コイル６０で発生した熱はステータ固定軸５８を介してモータベース３６に伝わり放熱されるが、本実施形態に場合、ロータケース４２が露出口４２ｂを有し、コイル６０を含むステータの一方面をハブ１２の内部に露出させることで放熱効果を高めている。このように、露出口４２ｂを形成することで、ステータコア５６およびコイル６０の全体をケーシングで覆う場合に比べて放熱効率が高まり、発熱によるモータ性能の低下が抑制できる。また、ロータケース４２はモータ駆動時に回転駆動しているので、ロータケース４２の内部で発生した熱を露出口４２ｂから追い出すような気流を形成するようなフィンを露出口４２ｂの周縁やロータケース４２の内部底面側に設けてもよい。

回転体の一部を構成する軸受ホルダ６４には、ギア固定軸４６を回転中心とする駆動ギア４４が直接接続されてもよいが、本実施形態の場合、軸受ホルダ６４と駆動ギア４４との間に一方向クラッチ６８を介在させている。一方向クラッチ６８は種々の構造のものを採用できる。例えば、図３は、スプラグ方式の一方向クラッチ６８の概略構造および動作を示す。一方向クラッチ６８は、駆動ギア４４の外周側と接合される内輪６８ａと、軸受ホルダ６４の内周側と接合される外輪６８ｂの間に連結腕７０で連結された複数のスプラグ７２を備える。そして、スプラグ７２が一方向に回転したときのみ内輪６８ａと外輪６８ｂとの間でトルクの伝達が可能になる。図３において、外輪６８ｂが矢印ａ方向に回転した場合、ひょうたん型のスプラグ７２の外輪６８ｂ側が矢印ｂ方向に傾くと共に内輪６８ａ側が矢印ｃ方向に傾く。この場合、スプラグ７２は外輪６８ｂと内輪６８ａの間の空間で転倒する姿勢となり、外輪６８ｂおよび内輪６８ａとスプラグ７２との接触力が弱くなる。その結果、外輪６８ｂと内輪６８ａは相対的に空転する。つまり、軸受ホルダ６４側のトルクが駆動ギア４４側に伝達されないようになる。一方、外輪６８ｂが矢印ｄ方向に回転した場合、スプラグ７２の外輪６８ｂ側が矢印ｅ方向に傾くと共に内輪６８ａ側が矢印ｆ方向に傾く。この場合、スプラグ７２は外輪６８ｂと内輪６８ａの間の空間で起立する姿勢となり、外輪６８ｂおよび内輪６８ａとスプラグ７２との接触力が高まる。その結果、外輪６８ｂと内輪６８ａは一体となって回転し、軸受ホルダ６４側のトルクが駆動ギア４４側に伝達可能となる。

このように、軸受ホルダ６４と駆動ギア４４との間に一方向クラッチ６８を介在させることにより、ハブ１２を回転させながらもモータ２６の電力駆動を停止させることができる。例えば、下り坂を走行するときにはモータ２６による動力が不要なときに場合がある。この場合、一方向クラッチ６８によりモータ２６を動力伝達機構２８側から切り離すことにより、モータ２６が有する鉄損や第３ベアリング６６が有する軸受ロスがハブ１２の回転に影響しないようにできる。その結果、効率的なハブ１２の回転が可能になる。また、モータ２６を停止させることによりステータコア５６とマグネット６２との間で発生するコギングによる振動を実質的に排除できるので、車両の乗り心地の向上に寄与できる。さらに、適宜モータ２６の駆動を停止させられるためバッテリの消費を抑制できる。また、モータ２６が回生ブレーキとして機能して車両を減速させてしまうことが防止できるので、運動エネルギのロスを抑制できる。なお、一方向クラッチとして、スプラグ方式の他にローラクラッチ方式も適用可能であり、同様な効果が得られる。また、後述するように本実施形態のインホイールモータ１０を電動アシスト自転車の駆動部として用いる場合、一方向クラッチ６８によりモータ２６を動力伝達機構２８側から切り離すことにより、ペダルを漕いで進む場合の踏力を軽減できるという効果もある。

このように構成されるインホイールモータ１０の動作を説明する。
図示しない車両に設けられたアクセル装置の開度を調整することにより、駆動回路（不図示）から３相の略正弦波状の電流が駆動ライン３８を介してコイル６０に通電される。その結果、コイル６０はステータコア５６の突極に回転磁界を発生する。そして、マグネット６２の駆動用磁極と回転磁界との相互作用により回転駆動力が生じて、マグネット６２と共にロータケース４２を回転させる。ロータケース４２は、軸受ホルダ６４を介して駆動ギア４４に接続されているので、ロータケース４２と駆動ギア４４は同速で回転する。駆動ギア４４は内歯ギア５２と噛合している。したがって、ロータケース４２の回転により内歯ギア５２が固定された第１部材３０が回転する。第１部材３０と第２部材３２は、ネジ１２ａ等の締結部材によってハブ１２として一体化されていて、第１固定軸部材２０および第２固定軸部材２４を固定回転軸として回転する。つまり、第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４とが固定された車体に対して、ハブ１２、つまり車輪が回転して車両の走行を実現する。

ところで、本実施形態の場合、モータ２６の回転体は多段の減速機構を介さず内歯ギア５２にトルクを伝達する。つまり、複数のモータ２６で発生するトルクを重畳することにより必要トルクを確保して、その重畳トルクを内歯ギア５２に直接伝達させる。この場合、各モータ２６と内歯ギア５２の間に多段の減速機構を介さないので、各モータ２６は、比較的低回転で高トルクの仕様のものが使用可能となる。そして、そのトルクを重畳して所望のトルクを得る。また、この場合、内歯ギア５２を回転させるために必要なトルクを複数のモータ２６で分担することになる。例えば３個のモータ２６でトルク分担する場合、個々のモータ２６の負荷はモータを１個で構成する場合に比べて低減され、各モータ２６で求められるトルクを発生するために必要なエネルギも概ね１／３になる。つまり、１つのモータの駆動により内歯ギア５２を所望のトルクで回転させる場合のバッテリ消費効率と、複数のモータで分担して内歯ギア５２を同じトルクで回転させる場合のバッテリ消費効率とはほぼ同じになる。したがって、複数のモータ２６を用いることにより、バッテリ消費は同等でも回転エネルギの伝達損失が低減される分だけインホイールモータ１０全体としての駆動効率が改善できる。

図４（ａ）は、本実施形態におけるモータ２６の配置例を示す説明図であり、図４（ｂ）は、各モータ２６が回転させる駆動ギア４４と内歯ギア５２の噛合状態を示す説明図である。図４（ａ）の場合、３個のモータ２６を搭載する例を示している。図４（ａ）に示すように、モータベース３６は円周方向に等間隔にモータ２６を支持する。図２で説明したように、モータ２６のステータ固定軸５８はモータベース３６に固定され、ギア固定軸４６は固定軸ベース４８に固定されているため、モータ２６が駆動しても第１固定軸部材２０とモータベース３６および第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８は回転しない。

一方、図４（ｂ）に示しように、各モータ２６の駆動ギア４４は、内歯ギア５２と噛合しているので、モータ２６が駆動して駆動ギア４４が回転することにより内歯ギア５２が回動する。つまり、ハブ１２を回転させる。この場合、モータ２６とハブ１２との間に存在する伝達ギア段数は１段になるので、多段の伝達ギアを必要とする減速機構を備えるインホイールモータに比べて回転エネルギの伝達損失が低減できる。つまり、この伝達損失の低減分は少なくともインホイールモータ１０の駆動効率を改善できる。

モータ２６を複数として、それぞれ対応する複数の駆動ギア４４で内歯ギア５２を回転させているので、モータ２６の発生するトルクが駆動ギア４４と内歯ギア５２との歯数比で定まる減速比でトルクアップされる。そして、そのトルクがモータ２６の数に応じて重畳させる。つまり、内歯ギア５２を回転させるために必要なトルク、特に車両発進時に必要なトルクが定まれば、各モータ２６の性能および駆動ギア４４と内歯ギア５２との歯数比、モータ２６数を決定することができる。

前述したように、内歯ギア５２を回転させるために必要なトルクを各モータ２６で分担している。この場合、モータ２６の数が増加するほど１つの駆動ギア４４にかかるトルクが低減できる。その結果、各駆動ギア４４の摩耗を軽減するというメリットがある。さらに、複数のモータ２６を設けることにより、個々のモータ２６の能力を小さくできる。その結果、安価なモータの利用が可能となり、コスト低減に寄与できる。なお、各モータ２６の特性は揃えておくことが望ましい。例えば、起動トルクと無負荷回転数を各モータ２６で揃える。このようにモータ２６の特性を揃えておくことで、起動や定常回転時に特定のモータの負荷が増加する等のアンバランス状態が発生することが防止可能となり、ハブ１２のスムーズな回転が実現できると共に、各モータ２６の寿命の平均化ができる。

駆動ギア４４や内歯ギア５２は金属材料で形成してもよいが、自己潤滑性のある材料で形成してもよい。例えば、駆動ギア４４または内歯ギア５２の少なくとも一方をＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）で形成してもよい。ＰＥＥＫは、熱可塑性の超耐熱高分子樹脂であり、耐疲労性・耐衝撃性・耐クリープ性に優れ、耐薬品性では濃硫酸以外は使用可能であり、ガス・金属イオンの溶出が少ない材料であり、耐発熱性、耐衝撃性、耐腐食性等が要求されるインホイールモータ１０への使用に適している。このように、駆動ギア４４または内歯ギア５２の少なくとも一方を自己潤滑性のある材料で構成することにより、駆動ギア４４と内歯ギア５２との間の摩擦を軽減して回転エネルギの損失をさらに軽減することが可能になる。その結果、インホイールモータ１０全体としての駆動効率のさらなる向上に寄与できる。

図５（ａ）、図５（ｂ）は、モータベース３６に支持されるモータ２６の等間隔配置を説明する説明図である。図５（ａ）は、３個のモータ２６を１２０°間隔で配置した例である。また、図５（ｂ）は、４個のモータ２６を９０°間隔で配置した例である。

モータ２６をインホイールモータ１０の固定軸、つまり第１固定軸部材２０および第２固定軸部材２４を中心とした円周上に均等の角度間隔で配置する。このように配置することで、内歯ギア５２に対する駆動ギア４４によるトルク伝達が内歯ギア５２の円周方向で偏ることなく、内歯ギア５２のスムーズな回転が実現できる。

図５（ａ）に示すように、モータ２６を３個とすることで、ハブ１２内部の限られた空間を最大限に利用してモータ２６を収納することができる。つまり、デットスペースを最小限にしつつ、可能な限り大きな出力のモータ２６を配置できる。ところで、複数のモータ２６を円周状に等間隔で配置する場合、その中央部分に空間が形成できる。本実施形態では、この空間を第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４とを連結する場合に、軸部材である連結軸７４が通過する通過領域Ａとして利用する。言い換えれば、この連結軸７４が通過する通過領域Ａを形成するように、通過領域の周囲にモータ２６を周状配置している。第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４を連結軸７４で連結することにより、第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４の同軸精度を向上させることができる。もし、第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４の同軸精度が低い場合、車両のフォークの支持中心に対してハブ１２、すなわちインホイールモータ１０の回転中心が傾いて固定されることになる。その結果、車輪回転時に車両を上下左右に振動させたり、その振動に伴う異音や騒音の発生を招く原因になる。この振動、異音、騒音等の発生は、乗り心地低下の原因にもなる。本実施形態のように、連結軸７４により第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４を連結して同軸精度を向上することで、インホイールモータ１０を搭載する車両の乗り心地を改善できる。また、振動、異音、騒音等の低減は、回転エネルギの損失低減につながるので、インホイールモータ１０の駆動効率の向上にさらに寄与できる。

なお、連結軸７４を用いて第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４を連結する場合、第１固定軸部材２０と一体化されたモータベース３６および第２固定軸部材２４と一体化された固定軸ベース４８に連結軸７４が接続されるべき凹部を形成してもよい。そして、この凹部に連結軸７４を圧入してもよい。また、凹部に挿入して位置決めした後に溶接することにより両者を接合してもよい。または圧入と溶接の複合処理により接合してもよい。また、連結軸７４の端部に雄ネジを形成しモータベース３６および固定軸ベース４８に雌ネジを形成してネジ締結するようにしてもよい。また、第１固定軸部材２０とモータベース３６および第２固定軸部材２４と固定軸ベース４８とがそれぞれ別部品で構成される場合は、モータベース３６および固定軸ベース４８に貫通穴を設け、連結軸７４と第１固定軸部材２０および第２固定軸部材２４を直接連結してもよい。この場合、同軸精度をさらに向上させることができる。このように、本実施形態の場合、複数のモータ２６を周状配置することで、インホイールモータ１０の第１固定軸部材２０および第２固定軸部材２４の配置軸線上にモータやギア等が存在しないので、第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４の連結が可能になる。なお、連結軸７４によって第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４とを連結する場合、第１固定軸部材２０と接合されているモータベース３６の剛性が高まり、モータ２６の支持剛性が向上できる。そのため、固定軸ベース４８を省略してモータ２６をモータベース３６で片持ち状態で支持するようにすることもできる。この場合、部品点数の削減、インホイールモータ１０の軽量化、ハブ１２の内部空間の縮小化等に寄与できる。

モータ２６の数は、部品点数や組み立て作業性等の点で３個とすることが好ましいが、インホイールモータ１０を適用する車両の仕様や用途によって適宜選択することが好ましい。例えば、図５（ｂ）のように、モータ２６を４個にする場合、内歯ギア５２に伝達するトルクが同じであれば、各モータ２６の能力を３個の場合に比べて低下させることができる。つまり、３個の場合に比べ小型で安価なモータ２６を利用できる。また、モータ２６の小型化によりより広い通過領域Ａを確保可能となり、モータ２６が３個の場合に比べ、直径の大きな連結軸７４が利用できる。つまり、第１固定軸部材２０と第２固定軸部材２４の同軸精度を向上しつつ、固定軸全体としての軸剛性を向上できる。その結果、車両自重や搭載重量に起因する部材の歪みを抑制すると共に同軸精度の維持が可能となり、振動、異音、騒音の抑制に寄与できる。このように、安価なモータ２６を利用したい場合や、車輪に大きな衝撃が加わることが予想されて固定軸の剛性を高めたい場合等は、モータ２６の数を４個やそれ以上に適宜増やすようにしてもよい。

なお、発明者らは、実験の結果、内歯ギア５２の歯数は、駆動ギア４４の歯数の３〜１２倍にすることが、本実施形態のインホイールモータ１０の構成に適していることを見いだした。具体的には、内歯ギア５２の歯数に対する駆動ギア４４の歯数の比には、次の制約がある。下限については、内歯ギア５２の内周に複数の駆動ギア４４が入り、なお且つ駆動ギア４４同士が接触しないように配置されなければならないため、歯数比は３倍以上が必要となる。一方、上限については、駆動ギア４４は、歯の強度と伝達効率を考慮すると、モジュール１．０、歯数７以上が必要とされることが見いだされた。内歯ギア５２は、例えばハブ１２の内径が１０８ｍｍの場合、その中に複数のモータ２６を配置することを考慮すると、モジュール１．０とすると歯数８４が上限となるので、歯数比は１２倍以下である必要がある。この歯数比３〜１２倍の間で、インホイールモータ１０を搭載する車両の種類や用途により内歯ギア５２と駆動ギア４４の歯数を適宜選択して決定することが望ましい。例えば、内歯ギア５２の回転数、つまり車輪の回転数を２２２／ｍｉｎとし、歯数比を６．４とした場合、駆動ギア４４側の回転数、つまりモータ２６の回転数は１４２１／ｍｉｎとすると、直径５０ｃｍの車輪を備えた車両は約２０．９ｋｍ／ｈで走行できる。

ところで、複数のモータを用いる場合、モータは個々の駆動回路を有し、個別に回転数制御を行うのが一般的である。それに対し、本実施形態の場合、図６に示すように、複数のモータ２６は、ブラシレスモータであって、各ブラシレスモータは共通の駆動回路７６によって駆動される。上述したように、各モータ２６が回転させる駆動ギア４４は内歯ギア５２と噛合することにより各駆動ギア４４の位相は同期して常に一定に維持される。したがって、各モータ２６を同一のタイミングで同一の駆動信号により制御可能となる。このように、複数のモータ２６を共通の駆動回路７６、すなわち１つの駆動回路で駆動することにより、各モータの同期駆動のための制御が必要なくなり、駆動制御が簡略化できると共に、コスト軽減に寄与できる。なお、上述のように、内歯ギア５２と駆動ギア４４が噛合することにより各モータ２６の位相は同期するので、回転状態の監視は１つのモータ２６に対して行えばよい。たとえば、所定のモータ２６の回転部分の状態をセンサ等により検出したり、所定のモータ２６の通電状態を検出して回転状態を監視し、その結果を駆動回路７６にフィードバックして、インホイールモータ１０全体としての回転制御に反映させればよい。また、別の例としては、各モータ２６について回転状態を監視し、その結果を駆動回路７６にフィードバックして、回転制御に反映させてもよい。

ところで、図２の場合、第１部材３０は円筒状の胴部と、その胴部を塞ぐ底部とからなるカップ形状の一体部品としているが、これに限られない。例えば、図７に示すように、第１部材３０を円筒形状の第３部材７８と、この第３部材７８の一方の開口端を封止する円板形状または蓋形状の第４部材８０とで構成してもよい。このように、ハブ１２を円筒形状の第３部材７８と円板形状の第２部材３２および第４部材８０で構成することにより、第２部材３２および第４部材８０を個別に第３部材７８から外し、ハブ１２の左側面または右側面のいずれからもインホイールモータ１０の内部にアクセスできる。この構成により、例えばギアやモータ等の構成部品の交換性やメンテナンス性が向上する。また、ギアにグリースを塗布する場合や、内部に浸入した異物、例えば砂等を除去する場合でも、メンテナンス部位に応じて第２部材３２のみ、または第４部材８０のみの取り外すだけで作業が可能になる。つまり、インホイールモータ１０を車両から取り外すことなくメンテナンスが可能になる。

また、第２部材３２と第３部材７８または第３部材７８と第４部材８０の組み合わせのうち少なくとも一方はネジ１２ａ等の締結部材によって結合され、ネジ１２ａの締結方向は第１固定軸部材２０（または第２固定軸部材２４）の軸方向と一致させておくことが望ましい。このように、ネジ１２ａの締結方向を第１固定軸部材２０の軸方向と一致させておくことにより、第２部材３２や第４部材８０の着脱時にドライバ等の締結工具を第１固定軸部材２０の軸方向から接近させることが可能になり、作業性が向上する。

本実施形態は、車両が停止状態から最大速度までモータ２６の制御により完全カバーする電動車両に適用するインホイールモータ１０の例を示した。変形例においては、例えば、ハブ１２内部に前進回転時でも適宜モータ２６の動力接離ができるクラッチ機構を設け、電動アシスト仕様にしてもよい。例えば、電動アシスト自転車の駆動部としてインホイールモータ１０を利用する場合、発進時にクラッチ機構をインホイールモータ１０に接続して、モータ２６によるモータアシストを行う。そして、所定の速度を超えた場合や運転者の要求があった場合にクラッチ機構を離脱させ、ペダル回転力のみで自転車を走行させるようにしてもよい。また、自転車を漕ぐ力（トルク）の検出器を回路に組み込むことによって、トルクに応じたレベルのアシストをインホイールモータ１０で行うようにしてもよい。さらに、本実施形態のインホイールモータ１０と他の駆動源を組み合わせて、インホイールモータ１０を含む複数の駆動源を同時使用モードで使用したり、選択使用モードで使用するようにしてもよい。

また、図２に示す構造では、モータベース３６を第１固定軸部材２０に固定する例を示しているが、モータベース３６を第２固定軸部材２４側に固定してもよい。この場合、ハブ１２の内部におけるモータ２６と内歯ギア５２の配置が逆になる。

上述の実施形態では、インホイールモータ１０を搭載する車両を特定することなく構造や効果を説明したが、このようなインホイールモータ１０を適用する車両の例としては、例えば、電動二輪車、電動車椅子、モータ付きスクータ、電動台車、ゴルフカート、電動自転車等がある。このように、本実施形態のインホイールモータ１０は自走タイプの車輪またはトルクアシストタイプ車輪を構成可能であり、上述した例と同様の効果を得ることができる。また、上述の例ではアウターロータタイプのモータ２６を用いて説明したが、インナーロータタイプのモータで構成することも可能で、同様の効果が得られる。

以上、実施形態に係るインホイールモータの構成について説明した。これらの実施形態は例示であり、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもない。実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であり、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０ インホイールモータ、 １２ ハブ、 ２０ 第１固定軸部材、 ２４ 第２固定軸部材、 ２６ モータ、 ２８ 動力伝達機構、 ３０ａ 開口部、 ３０ 第１部材、 ３２ 第２部材、 ３６ モータベース、 ４４ 駆動ギア、 ５２ 内歯ギア、 ６８ 一方向クラッチ、 ７６ 駆動回路、 ７８ 第３部材、 ８０ 第４部材。

Claims (10)

1. 外周に車輪が結合されるべき円筒形状のハブと、
   前記ハブの一面側を貫通し当該ハブを回転自在に支持する第１固定軸部材と、
   前記第１固定軸部材と同軸で前記ハブの他面側を貫通し当該ハブを回転自在に支持する第２固定軸部材と、
   前記ハブの内周面に固定されたリング状の内歯ギアと、
   前記ハブの内部に配置され、前記第１固定軸部材と前記第２固定軸部材の少なくとも一方に固定されたモータベースと、
   前記モータベースに固定され、前記内歯ギアと噛合する複数の駆動ギアのそれぞれに回転力を付与する複数のモータと、
   を含むことを特徴とするインホイールモータ。
2. 前記複数のモータは、前記第１固定軸部材と前記第２固定軸部材とを連結した場合に、軸部材が通過する通過領域を形成するように前記通過領域の周囲に周状配置されることを特徴とする請求項１記載のインホイールモータ。
3. 前記複数のモータは、ブラシレスモータであって、各ブラシレスモータは共通の駆動回路によって駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のインホイールモータ。
4. 前記複数のモータは、３個以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインホイールモータ。
5. 前記モータの回転体と前記駆動ギアとの間に、一方向クラッチを介在させていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のインホイールモータ。
6. 前記内歯ギアの歯数は、前記駆動ギアの歯数の３〜１２倍であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインホイールモータ。
7. 前記ハブは、一方面に開口部を有するカップ形状の第１部材と、前記開口部を封止する円板形状の第２部材とで構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のインホイールモータ。
8. 前記第１部材は、円筒形状の第３部材と、当該第３部材の一方を封止する円板形状の第４部材とで構成されることを特徴とする請求項７記載のインホイールモータ。
9. 前記第２部材と前記第３部材または前記第３部材と前記第４部材の組み合わせのうち少なくとも一方は締結部材によって結合され、前記締結部材の締結方向は前記第１固定軸部材の軸方向と一致することを特徴とする請求項８に記載のインホイールモータ。
10. 前記駆動ギアまたは内歯ギアの少なくとも一方は、自己潤滑性のある材質で形成されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のインホイールモータ。

Images