JP2014517672A - 電気モータのロータに組み込まれたギアボックス技術分野 - Google Patents

Abstract

ギアボックスを有する電気モータであり、ギアボックスは、モータのメインロータと、出力シャフトとの間のギア比の変更を可能にする。ギアボックスは、モータのメインロータにより画定される空間内に位置する。

Description

本発明は、ギアボックスを有する電気モータに関し、ギアボックスは、モータのメインロータと、モータの出力シャフトとの間の、ギア比の変更を可能にする。

多くの場合、アウトゴーイングシャフトの回転運動の望ましい使用に応じて、電気モータの出力回転速度を変更することが望まれる。これを実現するため、ギアボックスは、通常電気モータと直列に取り付けられる。ギアボックスは、プラネタリータイプまたはその他のタイプでもよいが、プラネタリーギアタイプギアボックスが、そのコンパクトさのため、好まれることが多い。車のエンジンの始動モータには、通常プラネタリーギアタイプギアボックスが設けられ、それは、モータの回転速度を減少させ（それに応じてトルクを増加させ）、エンジンを始動するのに適切な回転速度およびトルクにする。

車両における電気モータの別の広がりつつある利用法は、例えば、ハイブリッドまたは完全電気自動車における、駆動源としての使用である。これらの目的のため、モータと駆動ホイールとの間のギア比が、車速に対応して変えることができれば有益であることが見出されてきた。電気モータは大きなモータ速度範囲を有するが、さまざまなギア比を有するギアボックスを用いることにより、高車速でモータがあまり高いモータ速度で作動しない一方で、高い初期駆動トルクのドライブラインを実現することが可能である。さらに、モータ速度を低下させることにより、ベアリングなどの摩耗の減少とともに、多大な効率の利点を得ることができる。利点は、電磁損失、冷却ファン損失、および摩擦損失を低減させることにより、得られる。非常に低いギアを有するギアボックスを提供することにより、低い車速で駆動ホイールに大きなトルクを適用することも可能である。

今日、市場に出回っている多くのギアボックス／モータアセンブリがある。これらのギアボックス／モータアセンブリはすべて、ギアボックスおよびモータが直列に搭載される、すなわち、ギアボックスがモータの延長として搭載される、という共通点がある。これは、ギアボックス／モータアセンブリの幅または長さについて、寸法の増大につながる。

特許文献１は、モータのロータ内に収容された差動装置を有する電気モータを開示している。しかしながら、モータ／差動装置アセンブリに、ギアボックスは含まれていない。

欧州特許第２２２６２１１号

本発明の目的は、小さい寸法を有する電気モータ／ギアボックスアセンブリを提供することである。

一体化された差動装置を有する電気モータ／ギアボックスアセンブリを提供することも、本発明の目的である。

上記および他の問題は、電気モータであって、モータのロータと、出力シャフトとの間のギア比の変更を可能にするギアボックスを有し、ギアボックスは、モータのメインロータにより画定される空間内に位置する、電気モータにより解決される。

出力シャフトの一定の速度にモータ速度を制御するために、ギアボックスは、ロータから出力シャフトへ２つの異なるギア比を提供するように、駆動されてもよい。

２つの異なるギア比の間のギアシフトは、第１または第２のクラッチアセンブリを係合することにより行われてもよい。

これは、例えば、第１クラッチアセンブリの係合が、ロータと出力シャフトを直接接続し、第２クラッチアセンブリの係合が、中空シャフト、出力シャフト上の少なくとも１つのデュアル直径歯付ホイールおよび歯付ホイールを介し、ロータを出力シャフトに接続する。

滑らかなギアシフトを実現するために、クラッチアセンブリは、第１または第２のクラッチアセンブリのいずれかの係合が、係合されないクラッチアセンブリを自動的に解放するように配置される、複数の摩擦ディスクを備えるクラッチアセンブリであってもよい。

クラッチの摩擦リングのドラッグ損失を取り除くことによってギアアセンブリの効率を増加させるために、クラッチアセンブリは、第１および第２の歯付クラッチホイール、および内部歯付クラッチリングを備えてもよく、クラッチリングは、第１および第２の歯付ホイールの間の係合の間で移動可能であり、第１および第２のギアホイールの間にアイドリング位置が設けられ、内部歯付クラッチリングが第１歯付クラッチホイールにも第２歯付クラッチホイールにも係合されないようになっている。

本発明は、四輪駆動の道路車両の電気駆動車軸にも関し、駆動車軸は、モータのロータと出力シャフトとの間のギア比の変更を可能にするギアボックスを有する電気モータを備え、ギアボックスは、モータのメインロータにより画定される空間内に位置する。

ギアおよびその種のものを省くことができるように、電気モータは、前記車軸と同軸上に配置されてもよい。

車両のトラクションを増大させるために、電気モータを備えるトルクベクトル化ユニットが前記車軸と同軸に配置されてもよく、前記車軸の前記第１側と前記第２側との間のトルク分配における変化をもたらす。

以下では、発明は、添付の図面を参照して記載される。

本発明によるモータに備えられるギアボックスの第１実施形態の部品を示す斜視図である。 図１の実施形態を示す分解図である。 図１および２に示される実施形態の断面図である。 図１の視点と同一の斜視図であるが、発明によるモータに備えられるギアボックスの第２の実施形態を示す。 図４の実施形態の、図２の視点と同一の分解図を示す。 図３の視点と同一の図であるが、図４および５の実施形態を示す トルクベクトル化機能を有する差動装置に接続された発明によるギアボックスを有するモータを示す断面図である。

図１〜３を参照すると、電気モータ１１０のロータ１００の空間内に位置するギアボックスが示されている。ギアボックスは、第１クラッチ１２０、第２クラッチ１３０を備え、第１クラッチは、係合するとロータから直接出力シャフト１５０にトルクを伝え、第２クラッチは、ロータから出力シャフトにギアボックスを介してトルクを伝え、ギアボックスは、後述する方法でロータ１１０の空間内に取り付けられる。クラッチアクチュエータ１４０は、第１クラッチかそれとも第２クラッチが係合されるかを決定する。

上記に示されたように、第２クラッチは、ロータからギアボックスにトルクを伝える。これは、中空歯付シャフト１６０を介して行われ、中空歯付シャフト１６０は、出力シャフト上にジャーナルされ、出力シャフトと歯付シャフト１６０との間の相対的回転が許容されるようになっている。歯付シャフト１６０は、デュアル歯付ホイール１８０の第１歯付面１７０に係合される。デュアル歯付ホイール１８０の第２歯付面１９０は、出力シャフトの歯付面２００に係合している。

第１および第２のクラッチは、これらが同時に係合されないように構成される。クラッチアクチュエータを作動させることにより、ユーザーは、係合されるクラッチをどれにするか決めることができる。デフォルトで、１つのクラッチが係合された場合、他は解放される。これは、クラッチとクラッチアクチュエータとの間の協働により達成され、クラッチアクチュエータは、駆動されると、第２クラッチを圧縮し、第２クラッチがロータから中空シャフト１６０にトルクを伝え、クラッチアクチュエータは、また同時に第１クラッチを圧縮から解放し、第１クラッチがトルクを伝えないようになっている。もしクラッチアクチュエータが駆動されなければ、スプリング１６５は、第１クラッチを圧縮し、第２クラッチを圧縮から解放し、第１クラッチが直接出力シャフトにトルクを伝え、一方第２クラッチが中空シャフトにトルクを伝えないようになっている。

上記は、本発明の機能のむしろ概略である。以下で、より詳細に記載される。

図１を参照すると、電気モータのロータにより画定される空間内に位置するギアが示されている。第１クラッチ１２０および第２クラッチ１３０がバスケット２１０内に位置し、これらの中央部分には歯２１５が設けられ、歯２１５は、長手方向に自由にスライドするが、ロータとともに回転させられるように、ロータの内側面の溝（図示せず）と動作可能なように関連している。アクチュエータ１４０（図１には示されていない）もバスケット２１０に接続され、第１クラッチまたは第２クラッチのいずれかが、ロータから、バスケット２１０を介し、出力シャフトまたは中空シャフトのいずれかにトルクを伝える。

クラッチアクチュエータが、トルクを中空シャフト１６０に向かわせるように駆動された場合、トルクにより、中空シャフト１６０がロータの方向と同じ方向に回転する。中空シャフトへの係合により、デュアル歯付ホイール１８０は、ロータと反対方向に回転するが、デュアル歯付ホイールの他の歯付面が出力シャフトの歯付面２００と協働したときは、出力シャフト上の駆動方向が、ロータの回転方向と同じになる。

図示の実施形態では、３つのデュアル歯付ホイール１８０が示されている。しかしながら、デュアル歯付ホイールの数は、発明の理解には全く関係がない。ある場合には、より多くのデュアル歯付ホイールを設けることが必要かもしれず、ある場合には、１つまたは２つのデュアル歯付ホイールのみが設けられるように、ホイールの１つまたは２つを省くことが可能であろう。２つ以上のデュアル歯付ホイールを有するのは、中空ベアリングおよび中空シャフト上のラジアル荷重が低減され、伝達可能なトルクが増加するからである。また、それぞれの歯付ホイール接点への負荷が減少する。避けるのが賢明である一実施形態は、１つの歯付ホイールのみを備えるものである。１つのデュアル歯付ホイールのみが用いられるとすると、中空シャフト１６０上に作用する横力が存在するが、横力は、２つ以上のデュアル歯付ホイールが用いられれば避けられる。

図示の実施形態では、中空シャフトの歯付面１７０は、歯付面２００よりも小さな直径を有する（デュアル歯付ホイールの歯付面は、対応して、それぞれ、小さい、および大きい）。これは、第２クラッチ１３０が係合され、第１クラッチ１２０が解放されたときの、ロータに対する出力シャフトの回転速度の減少につながる。しかしながら、これは、メインロータと比べて出力シャフトのより高い回転速度が望まれるならば、単に、中空シャフトの歯付面、デュアルトルクホイールの歯付面、および出力シャフトの歯付面２００の、直径を変えることにより、変更するのは容易である。

第１クラッチ１２０が係合され、第２クラッチ１３０が解放されている場合、出力シャフトの歯付面２００は、デュアル歯付ホイールが回転するよう駆動し、中空シャフト１６０は、デュアル歯付ホイールにより駆動される。しかしながら、第２クラッチ１３０は係合していないので、トルクはこのクラッチには伝えられない。

もしギアボックスが、ロータから出力シャフトへスピードを低下させるように構成されるならば（上記で開示されたように）、第１クラッチが係合されて第２クラッチが解放された場合、中空シャフトは、ロータ速度よりも高速度で回転する。残念ながら、これは、第２クラッチにおける摩擦によるいくらかのエネルギー損失につながる。このクラッチのディスクは、異なる速度で回転するからである。

第２クラッチにおけるエネルギー損失に関連する問題を軽減するために、図４〜６に示される、本発明の代替実施形態を採用することが可能である。この実施形態は、第１クラッチ１２０および第２クラッチ１３０を除き、先に開示された実施形態と同一である。第１クラッチ１２０および第２クラッチ１３０の機能は、内部歯付クラッチリング３００を備えるクラッチアセンブリによって置き換えられ、内部歯付クラッチリング３００の内部歯は、中空シャフト上のスプラインと接触し、内部歯付クラッチリング３００は、第１歯付クラッチホイール３１０および第２歯付クラッチホイール３２０との係合の間で移動可能であり、第１歯付クラッチホイール３１０および第２歯付クラッチホイール３２０は、第１実施形態の第１クラッチ１２０および第２クラッチ１３０とそれぞれ同様に、中空シャフト１７０および出力シャフト１５０に接続される。

クラッチリング３００は、アクチュエータ３３０により軸方向に移動可能であり、アクチュエータ３３０は、スプリング３４０を介してクラッチリング３００に接続される。スプリング３４０は、アクチュエータ３４０が駆動されたときに、クラッチリングを望まれる方向に付勢する。

図４および図６に見られるように、第１歯付クラッチホイール３１０と第２歯付クラッチホイール３２０との間に、空間３５０が存在する。この空間は、モータの作動の間のギアシフトを可能にするために必要である。すべての場合において、第１歯付クラッチホイール３１０と第２歯付クラッチホイール３２０の回転速度は異なるからである。第１歯付クラッチホイール３１０と第２歯付クラッチホイール３２０との間に空間を設けることにより、クラッチリング３００がこの空間に位置する場合のギアのアイドリング位置、すなわちトルクが伝えられない位置、が存在する。

この実施形態の利点は、クラッチリングのアイドリング位置が実際に使用可能なことであり、言及されたように、この実施形態では、摩擦損失が非常に小さく、この実施形態により、モータを駆動ホイールとの回転から切り離すことが可能になる。図示の実施形態では、クラッチリングは、アクチュエータ３２０またはアクチュエータ３３０のいずれかを駆動させることにより、動かされることができ、いずれのアクチュエータも駆動されないと、クラッチリングは、ニュートラル位置をとる。

ギアをシフトするため、またはニュートラル位置からギアを接続するため、係合されるクラッチホイールの回転速度を、クラッチリングの回転速度と同一またはほぼ同一にすることが重要である。これは、モータ速度を、係合されるクラッチホイールの回転速度と対応する値に制御することにより、達成可能であるが、同期リングを設けることによっても達成可能である。同期リングは、クラッチリングとクラッチホイールとが係合する前に、摩擦力がモータを、加速または減速させるように、設計される。さらに、同期リングは、クラッチリングおよびクラッチホイールが同一または同様の回転速度を有するまで、クラッチリングおよびクラッチホイールを係合させないという機能を有する。同期リングの機能は、当業者には公知であるから、より詳細には記載されない。

上記の電気モータは、例えば、自動車、大型トラック、バスまたは同種のもののような、車両のドライブトレインに望ましくは設置される。本発明によるドライブトレインの一部は、図７に示され、差動装置を駆動する電気モータ１１０を含み、差動装置は、それぞれ左ホイールシャフトおよび右ホイールシャフト（図示せず）にそれぞれ接続される。差動装置は異なるホイールの速度を許容し、それは、同じ車軸で２つの駆動ホイールを有する自動車を回転させるときに必要である。さらに、トルクベクトル化ユニットが設けられてもよく、２つのホイールシャフト間にトルク差を提供する。トルクベクトル化は、駆動ホイールの１つがトラクションを失った場合に特に有用である。もしトルクベクトル化の可能性がなければ、すべての駆動トルクは、回転しているホイールに失われる。差動装置は、必ず同じトルクが駆動軸上の両ホイールに伝えられるようにするからである。もしホイールが回転していれば、そのホイールを回転させるのに必要なトルクは、当然大きく減少する。従って、同じ車軸上の他のホイールは、回転しているホイールを回転させるのに必要とされるトルクのみを伝える。

図７を参照し、電気車軸１０００は、メインロータにより画定される空間内に組み込まれた本発明によるギアボックスを有する電気推進モータ１１０を含み、差動機構１２２０およびトルクベクトル化装置１２４０は、左ホイールシャフトおよび右ホイールシャフト（図示せず）に接続されるように構成される。電気推進モータ１１０は、望ましくは車軸１０００と同軸上に配置され、２つの同軸に配列されたプラネタリーギア１２２２ａ、１２２２ｂを備える差動装置１２２０に両側部で接続され、電気推進モータ１２１０は、サンギア１２２４ａ、１２２４ｂを駆動する。左ホイールシャフトおよび右ホイールシャフトは、各プラネタリーギア１２２２ａ、１２２２ｂのプラネタリーキャリア１２２６ａ、１２２６ｂに接続される。各プラネタリーギア１２２２ａ、１２２２ｂのリングギア１２２８ａ、１２２８ｂは、外面を有し、外面は、例えば歯により、トルクベクトル化装置１２４０に接続可能である。

トルクベクトル化装置１２４０は、車軸１２００と同軸上に配置された電気モータ１２４２を含み、モータ１２４２の回転軸が、電気推進モータ１１０の回転軸に合うようになっている。電気モータ１２４２は、差動機構１２２０の遠位、すなわちプラネタリーギア１２２０ａ、１２００ｂの１つと隣接するホイールシャフトとの間に、離れて配置される。

トルクベクトル化装置１２４０の電気モータ１２４２は、第２プラネタリーギア１２２２ｂのリングホイール１２２８ｂに直接接続されてもよく、また第１プラネタリーギア１２２２ａのリングホイール１２２８ａに、車軸１２００と平行に延びる回転可能なバランシングシャフト１２４４を介し接続されてもよく、またプラネタリーギア１２２２ａのリングギア１２２８ａと係合するためのギアが設けられてもよい。バランシングシャフト１２４４のギアは、バランシングシャフト１２４４の回転によりプラネタリーギア１２２２ａにトルクを伝えるように構成され、プラネタリーギア１２２２ａに伝えられたトルクは、電気推進モータ１１０により他のプラネタリーギア１２２２ｂに伝えられたトルクに対し反対の方向を有する。

リングホイール１２２８ａ、１２２８ｂは、ギアリダクションを介し、トルクベクトル化装置の電気モータ１２４２にさらに接続されてもよい。ギアリダクションは、サイクロイド駆動、差動プラネタリーギア、ダブルサイクロイド駆動、または電気モータの回転シャフト上に配置される３つ以上のディスクを有するマルチサイクロイド駆動であってもよい。この種のギアリダクションは、同出願人による同時係属出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０７０２５３に記載されている。

さらなる実施形態では、ギアリダクションが省かれ、トルクベクトル化ユニットの電気モータが、差動機構の第２プラネタリーギアのリングホイールに直接接続され、また差動機構の第２プラネタリーギアのリングホイールに、バランシングシャフトを介し接続される。このような実施形態は、電気モータの極度のパフォーマンスを要求するが、使用されるコンポーネントが少ないという点で有利である。

当然のことながら、添付の請求項によって定められる範囲から逸脱せずに、前記の実施形態が組み合わせられてもよい。本発明は特定の実施形態を参照して上述されたが、ここに示した特定の形態に限定されるものではない。むしろ、発明は添付の請求項によってのみ限定され、特定の上記のもの以外の他の実施形態も、これらの添付の請求項の範囲内で、同等に可能である。特に、本発明の範囲から逸脱せずに、異なる実施形態に記載された特徴を自由に組み合わせることが可能である。

特許請求の範囲において、「備える／備えている」という用語は、他の要素またはステップの存在を除外しない。さらに、個々に記載されたが、複数の手段、要素または方法ステップは、例えば単一のユニットまたはプロセッサにより行ってもよい。また、個々の特徴は、異なる請求項に含まれる場合があるが、これらは有利に組み合わせられることもでき、異なる請求項に含めることは、特徴の組み合わせが、実行可能および／または有利、でないことを意味しない。加えて、単数の参照は、複数を除外しない。「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、「第１」、「第２」等の用語は、複数を除外しない。特許請求の範囲の引用符号は、単に例を明らかにするものとして提供され、何らかの形で特許請求の範囲を限定するものと見なされるべきではない。

Claims (10)

1. ギアボックスを有する電気モータであって、ギアボックスは、モータのメインロータと、出力シャフトとの間のギア比の変更を可能にし、ギアボックスは、モータのメインロータにより画定される空間内に位置することを特徴とする、電気モータ。
2. ギアボックスは、ロータから出力シャフトへの２つの異なるギア比を提供するように駆動されることができる、請求項１に記載の電気モータ。
3. ２つの異なるギア比の間のギアシフトは、第１または第２のクラッチアセンブリの係合によって提供される、請求項２に記載の電気モータ。
4. 第１クラッチアセンブリの係合は、ロータと出力シャフトとを直接接続する、請求項３に記載の電気モータ。
5. 第２クラッチアセンブリの係合は、ロータを出力シャフトに、中空シャフト、出力シャフト上の少なくとも１つのデュアル直径歯付ホイールおよび歯付ホイールを介して接続する、請求項３または４に記載の電気モータ。
6. クラッチアセンブリは、複数の摩擦ディスクを備えるクラッチアセンブリである、請求項３〜５のいずれかに記載の電気モータ。
7. クラッチアセンブリは、第１および第２の歯付クラッチホイールと、内部歯付クラッチリングとを備え、前記クラッチリングは、第１および第２の歯付ホイール間の係合の間で移動可能である、請求項３〜５のいずれかに記載の電気モータ。
8. 四輪駆動の道路車両の電気駆動車軸であって、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気モータを備える、電気駆動車軸。
9. 請求項８に記載の駆動車軸であって、前記電気モータは、前記車軸と同軸上に配置される、駆動車軸。
10. 請求項８または９に記載の駆動車軸であって、電気モータを備えるトルクベクトル化ユニットを備え、前記電気モータは、前記車軸と同軸上に配置され、前記車軸の前記第１側と前記第２側との間のトルク分配の変化をもたらす、駆動車軸。

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