JP2017094950A - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動モータの冷却構造の簡素化およびコスト低減を図ると共に、電動モータの出力低下および効率悪化を未然に防止する。【解決手段】 電動モータ２６で構成された駆動部Ａと、複数の歯車３０〜３３からなる平行軸歯車減速機３９で構成された減速部Ｂと、車輪用軸受４６で構成された軸受部Ｃとを備え、駆動部Ａおよび減速部Ｂをケーシング２２に収容したインホイールモータ駆動装置２１であって、電動モータ２６は、ケーシング６０，６１に固定されたステータ２３を備え、ステータ２３を構成する磁性体コア５６の絶縁性部材５９の筒状部６２をケーシング６０，６１の外部に露呈させた構造を具備する。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電動モータの出力軸と車輪用軸受とを減速機を介して連結したインホイールモータ駆動装置に関する。

従来のインホイールモータ駆動装置は、例えば、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１のインホイールモータ駆動装置は、駆動力を発生させる電動モータと、その電動モータの回転を減速して出力する平行軸歯車減速機と、その平行軸歯車減速機からの出力を車輪に伝達する車輪ハブとで構成されている。

このインホイールモータ駆動装置は、電動モータと平行軸歯車減速機との間に中間プレートを設け、その中間プレートのインボード側に、電動モータを収容するモータハウジングを設けると共に、中間プレートのアウトボード側に、平行軸歯車減速機を収容するギヤハウジングを設けた構造を具備する。

電動モータは、モータハウジングに固定されたステータと、そのステータの内側で回転自在に支持されたロータ軸とで構成されている。また、平行軸歯車減速機は、電動モータのロータ軸に同軸的に連結されたモータ入力歯車と、ギヤハウジングに回転自在に支持されてモータ入力歯車と噛合する第１カウンタ歯車と、第１カウンタ歯車と同軸的に支持された第２カウンタ歯車と、車輪ハブの車軸に設けられて第２カウンタ歯車と噛合する出力歯車とで構成されている。

このインホイールモータ駆動装置では、電動モータの冷却と、平行軸歯車減速機の冷却および潤滑とを目的として、電動モータおよび平行軸歯車減速機に潤滑油を供給する必要がある。この電動モータおよび平行軸歯車減速機の潤滑構造としては、回転ポンプを内蔵させ、回転ポンプから吐出される潤滑油を軸心給油構造でもって電動モータおよび平行軸歯車減速機に供給し、回転ポンプへ還流させる循環構造が可能である。

特開２０１４−４６７４２号公報

ところで、特許文献１で開示されたインホイールモータ駆動装置では、小型でありながら高速回転および高トルクを備えた電動モータを必要とする。この電動モータを高速回転させる場合はステータおよびロータ軸での発熱が顕著であり、電動モータを高負荷（高トルク）状態で駆動する場合はコイル部での発熱が顕著である。この発熱により、電動モータを構成する磁性体コアの磁力を低下させ、その結果、電動モータの出力低下および効率悪化を招くことになる。

そのため、このインホイールモータ駆動装置において、電動モータを冷却することが重要となる。この電動モータの潤滑構造において、電動モータのステータおよびロータ軸の冷却を軸心給油構造でもって行う構造を採用した場合、電動モータのロータ軸に油路を形成しなければならない。

このように、電動モータのロータ軸に油路を形成するには、その軸に対して油路径が細い場合、ドリルによる軸孔加工が必要となる。また、このような軸心給油構造では、油路に潤滑油を圧送するための回転ポンプを設置する必要がある。

以上のような油路形成のための軸孔加工や、回転ポンプの設置は、インホイールモータ駆動装置の構造を複雑にすると共に、製品コストの低減を困難にする。また、回転するロータ軸に潤滑油が供給されることから、潤滑油による撹拌抵抗などにより、電動モータの出力低下および効率悪化を招くおそれもある。

そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、電動モータの冷却構造の簡素化およびコスト低減を図ると共に、電動モータの出力低下および効率悪化を未然に防止し得るインホイールモータ駆動装置を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、電動モータで構成された駆動部と、複数の歯車からなる平行軸歯車減速機で構成された減速部と、車輪用軸受で構成された軸受部とを備え、駆動部および減速部をケーシングに収容したインホイールモータ駆動装置であって、電動モータは、ケーシングに固定されたステータを備え、ステータを構成する磁性体コアの一部をケーシングの外部に露呈させた構造を具備することを特徴とする。

本発明のインホイールモータ駆動装置では、電動モータのステータを構成する磁性体コアの一部をケーシングの外部に露呈させたことにより、磁性体コアの一部が外気に晒されることで、電動モータのステータを空冷する。このような空冷構造を採用することで、従来の軸心給油構造で必要であった油路形成のための軸孔加工や回転ポンプの設置が不要となる。また、潤滑油による撹拌抵抗もなくなる。

本発明における磁性体コアは、導電性部材と絶縁性部材とを交互に積層した環状体構造をなし、絶縁性部材の外周部をケーシングの外部に露呈させた構造が望ましい。このような構造を採用すれば、絶縁性部材が外気に晒されることで、ステータの磁性体コアを空冷することができる。

本発明における磁性体コアは、絶縁性部材の外周部を径方向外側に延在させてケーシングの外部へ突出するフィン構造が望ましい。このような構造を採用すれば、磁性体コアがさらに外気に晒されることで、ステータの磁性体コアを効率よく空冷することができる。

本発明によれば、電動モータのステータを構成する磁性体コアの一部をケーシングの外部に露呈させた空冷構造を採用したことにより、従来の軸心給油構造で必要であった油路形成のための軸孔加工や回転ポンプの設置が不要となる。このことから、電動モータの冷却構造の簡素化およびコスト低減を図れる。また、潤滑油による撹拌抵抗もないので、電動モータの出力低下および効率悪化を未然に防止することができる。その結果、駆動部の冷却性能の向上が図れ、信頼性の高い長寿命のインホイールモータ駆動装置を提供することができる。

本発明の実施形態で、インホイールモータ駆動装置の全体構成を示す断面図である。 図１の平行軸歯車減速機を構成する歯車のみをアウトボード側から見た概要図である。 図１の電動モータのステータの一例を示す斜視図である。 図３のステータおよびケーシングを示す斜視図である。 図１の電動モータのステータの他例を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で、インホイールモータ駆動装置の全体構成を示す断面図である。 インホイールモータ駆動装置を搭載した電気自動車の概略構成を示す平面図である。 図７の電気自動車を示す後方断面図である。

本発明に係るインホイールモータ駆動装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。図７は、インホイールモータ駆動装置２１を搭載した電気自動車１１の概略平面図、図８は、電気自動車１１を後方から見た概略断面図である。

電気自動車１１は、図７に示すように、シャシー１２と、操舵輪としての前輪１３と、駆動輪としての後輪１４と、後輪１４に駆動力を伝達するインホイールモータ駆動装置２１とを装備する。後輪１４は、図８に示すように、シャシー１２のホイールハウジング１５の内部に収容され、独立懸架式の懸架装置（サスペンション）１６を介してシャシー１２の下部に固定されている。

電気自動車１１は、ホイールハウジング１５の内部に、左右それぞれの後輪１４を駆動するインホイールモータ駆動装置２１を設けることによって、シャシー１２上にモータ、ドライブシャフトおよびデファレンシャルギヤ機構などを設ける必要がなくなるので、客室スペースを広く確保でき、かつ、左右の後輪１４の回転をそれぞれ制御することができるという利点を有する。

電気自動車１１の走行安定性およびＮＶＨ特性を向上させるためにばね下重量を抑える必要があり、さらに、広い客室スペースを確保するためにインホイールモータ駆動装置２１の小型化が求められる。

図１に示す実施形態のインホイールモータ駆動装置２１は、以下の構造を具備する。これにより、コンパクトなインホイールモータ駆動装置２１を実現し、ばね下重量を抑えることで、走行安定性およびＮＶＨ特性に優れた電気自動車１１を得ることができる。

この実施形態の特徴的な構成を説明する前に、インホイールモータ駆動装置２１の全体構成を説明する。以下の説明では、インホイールモータ駆動装置２１を車両に搭載した状態で、車両の外側寄りとなる側をアウトボード側（図１の左側）と称し、中央寄りとなる側をインボード側（図１の右側）と称する。

インホイールモータ駆動装置２１は、図１に示すように、駆動力を発生させる駆動部Ａと、駆動部Ａの回転を減速して出力する減速部Ｂと、減速部Ｂからの出力を駆動輪としての後輪１４（図７および図８参照）に伝達する軸受部Ｃとを備えている。駆動部Ａと減速部Ｂはケーシング２２に収容されて、電気自動車１１のホイールハウジング１５（図８参照）内に取り付けられる。

駆動部Ａは、ケーシング２２に固定されたステータ２３と、ステータ２３の径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ２４と、ロータ２４の径方向内側に配置されてロータ２４と一体回転するモータ回転軸２５とを備えたラジアルギャップ型の電動モータ２６で構成されている。モータ回転軸２５は、毎分一万数千回転程度で高速回転可能である。ステータ２３は、磁性体コア５６にコイル５７を巻回することによって構成されている。ロータ２４は、永久磁石または磁性体が内部に配置されている。

モータ回転軸２５は、径方向外側へ一体的に延びるホルダ部２７によりロータ２４を保持している。ホルダ部２７は、ロータ２４が嵌め込み固定された凹溝を環状に形成した構成としている。モータ回転軸２５は、その軸方向一方側端部（図１の右側）が転がり軸受２８に、軸方向他方側端部（図１の左側）が転がり軸受２９によって、ケーシング２２に対して回転自在に支持されている。

減速部Ｂは、入力歯車である第１歯車３０と、中間歯車である第２歯車３１および第３歯車３２と、出力歯車である第４歯車３３とからなる平行軸歯車減速機３９で構成されている。この平行軸歯車減速機３９では、第１歯車３０と第２歯車３１とが噛合し、第３歯車３２と第４歯車３３とが噛合することにより、モータ回転軸２５の回転運動を２段で減速する。ケーシング２２のスペースなどを考慮すると、第１歯車３０と第２歯車３１からなる第１段の減速比は２〜４程度とし、第３歯車３２と第４歯車３３からなる第２段の減速比は３〜５程度とすることが好ましい。

第１歯車３０は、インボード側に延びる軸部３４をモータ回転軸２５にスプライン嵌合で連結することにより、モータ回転軸２５に同軸的に取り付け固定されている。第２歯車３１は、中間軸３５に取り付け固定されている。第３歯車３２は、中間軸３５に一体的に形成されている。第４歯車３３は、その軸部３６を減速機出力軸３７のインボード側軸部３８にスプライン嵌合で連結することにより、減速機出力軸３７に同軸的に取り付け固定されている。

第１歯車３０の軸部３４は、転がり軸受４０によってケーシング２２に対して回転自在に支持されている。第２歯車３１が取り付け固定され、第３歯車３２が一体的に形成された中間軸３５は、転がり軸受４１，４２によってケーシング２２に対して回転自在に支持されている。減速機出力軸３７が取り付け固定された第４歯車３３の軸部３６は、転がり軸受４３，４４によってケーシング２２に対して回転自在に支持されている。減速機出力軸３７のアウトボード側軸部４５は、軸受部Ｃのハブ輪４７にスプライン嵌合で連結され、減速部Ｂの出力を後輪１４（図７および図８参照）に伝達する。

第１歯車３０〜第４歯車３３および各歯車の回転軸を図２に基づいて説明する。図２は、図１の平行軸歯車減速機３９を構成する第１歯車３０〜第４歯車３３のみをアウトボード側から見た概要図である。

第１歯車３０は、モータ回転軸２５（図１参照）に取り付け固定され、その軸心Ｃ１を中心にして回転する。第２歯車３１は、中間軸３５（図１参照）に取り付け固定され、第３歯車３２は、中間軸３５に一体的に形成され、その軸心Ｃ２を中心にして回転する。第４歯車３３は、減速機出力軸３７（図１参照）に取り付け固定され、その軸心Ｃ３を中心にして回転する。なお、モータ回転軸２５と減速機出力軸３７は同軸上に配置されていることから、それぞれの軸心Ｃ１と軸心Ｃ３は一致している。

この実施形態では、モータ回転軸２５、中間軸３５および減速機出力軸３７の各軸心Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が直線Ｅ−Ｅ上に配置され、減速部Ｂの径方向のコンパクト化を図っている。ただし、各軸心Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の配置は、この実施形態のような配置に限らず、各歯車３０〜３３の噛合いを維持した状態で、ケーシング２２のスペースなどを考慮して適宜ずらしてもよい。

ここで、第１歯車３０〜第４歯車３３には、はすば歯車を用いている。はすば歯車は、同時に噛合う歯数が増え、歯当たりが分散されるので音が静かで、トルク変動が少ない点で有効である。歯車のかみあい率や限界の回転数などを考慮して、モジュールは１〜３程度が好ましい。このように、平行軸歯車減速機３９にはすば歯車を用いることで、製造が容易でコストの低減が図れ、性能面でも、静粛かつ効率のよいインホイールモータ駆動装置２１を実現することができる。

インホイールモータ駆動装置２１は、ホイールハウジング１５（図８参照）の内部に収められ、ばね下荷重となるため、小型軽量化が必須である。例えば、第１歯車３０と第２歯車３１の第１段での減速比を１／２．５、第３歯車３２と第４歯車３３の第２段での減速比を１／４．５とすれば、平行軸歯車減速機３９の減速比は約１／１１となる。このように、大きな減速比を持つ平行軸歯車減速機３９を用いた場合、毎分一万数千回転程度の高速回転の電動モータ２６と組み合わせることで電動モータ２６の小型化が図れ、コンパクトで高減速比のインホイールモータ駆動装置２１を実現できる。

軸受部Ｃは、図１に示すように、以下のような構造の車輪用軸受４６で構成されている。車輪用軸受４６は、減速機出力軸３７にトルク伝達可能に連結されたハブ輪４７と、ハブ輪４７の外周に嵌合された内輪４８と、ハブ輪４７および内輪４８の外側に配置された外輪４９と、ハブ輪４７および内輪４８と外輪４９との間に配置された複数の玉５０と、複数の玉５０を保持する保持器５１とを備えた複列アンギュラ玉軸受である。車輪用軸受４６の軸方向両端部には、泥水などの侵入防止およびグリースの漏洩防止のためにシール部材５２が設けられている。

この車輪用軸受４６は、減速機出力軸３７のアウトボード側軸部４５の端部に形成された雄ねじ部にナット５３を螺合させることにより、平行軸歯車減速機３９に締め付け固定されている。車輪用軸受４６の外輪４９は、ケーシング２２に取り付け固定されている。車輪用軸受４６の内輪４８は、減速機出力軸３７のフランジ部５４に当接することにより抜け止めされている。車輪用軸受４６のハブ輪４７にハブボルト５５で後輪１４（図７および図８参照）が連結される。

以上の構成からなるインホイールモータ駆動装置２１の全体的な作動原理を説明する。

図１に示すように、駆動部Ａにおいて、ステータ２３に交流電流を供給することによって生じる電磁力を受けてロータ２４が回転する。減速部Ｂにおいて、モータ回転軸２５の回転が平行軸歯車減速機３９の第１歯車３０〜第４歯車３３によって減速され、減速機出力軸３７を介して軸受部Ｃに伝達される。この時、モータ回転軸２５の回転が平行軸歯車減速機３９により減速されて減速機出力軸３７に伝達されるので、低トルク、高速回転型の電動モータ２６を採用した場合でも、後輪１４（図７および図８参照）に必要なトルクを伝達することが可能となる。

この実施形態では、駆動部Ａとしてラジアルギャップ型の電動モータ２６を例示したが、任意の構成を持つモータが適用可能である。例えば、ケーシングに固定されたステータと、ステータの軸方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータとを備えるアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。

このインホイールモータ駆動装置２１では、駆動部Ａに電動モータ２６を冷却するための構造が設けられている。また、減速部Ｂに平行軸歯車減速機３９を冷却および潤滑するための構造が設けられている。例えば、減速部Ｂでは、第１歯車３０〜第４歯車３３の回転による潤滑油の跳ね掛けでもって平行軸歯車減速機３９を冷却すると共に潤滑する。なお、平行軸歯車減速機３９を冷却および潤滑する構造については、種々の構造を適用することが可能であり、その構造は任意である。

この実施形態におけるインホイールモータ駆動装置２１の全体構成は、前述のとおりであるが、その特徴的な構成を以下に詳述する。

駆動部Ａは、高速回転および高トルクを必要とする小型の電動モータ２６を冷却するため、以下の構造を有する。電動モータ２６におけるステータ２３を構成する磁性体コア５６は、図１および図３に示すように、導電性部材５８（電磁鋼板）と絶縁性部材５９とを交互に積層した環状体構造を具備する。

この磁性体コア５６を構成する絶縁性部材５９は、ケーシング６０，６１の外径および内径と略同径の筒状部６２と、その筒状部６２から径方向内側へ一体的に延びる複数の板状部６３とで構成されている。この絶縁性部材５９の隣接する板状部６３間に板状の導電性部材５８が配置されている。図４に示すように、この磁性体コア５６のケーシング６０，６１への組み付けは、その左右に位置する二つのケーシング６０，６１で挟み込まれたサンドイッチ構造となっている。

この実施形態における電動モータ２６の冷却構造では、磁性体コア５６の絶縁性部材５９の一部である外周部、つまり、筒状部６２をケーシング６０，６１の外部に露呈させている。これにより、磁性体コア５６の絶縁性部材５９の筒状部６２がその全周に亘って外気に晒されることで、電動モータ２６のステータ２３を空冷する。その結果、発熱による電動モータ２６の性能劣化を防止できる。

この空冷機能を発揮させるため、絶縁性部材５９としては、熱伝導性および絶縁性に優れた素材、例えば、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックスや窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）セラミックス等の素材で製作することが好ましい。

また、この実施形態では、絶縁性部材５９の筒状部６２の周方向一部を板状部６３と対応させて径方向外側に一体的に延在させ、ケーシング６０，６１の外部へ突出するフィン６４を設けた構造としている。このようなフィン構造を採用することにより、絶縁性部材５９が外気と接触する接触面積が増大することで、ステータ２３の磁性体コア５６を効率よく空冷することができる。

このフィン構造は、ステータ２３の磁性体コア５６を効率よく空冷することから、走行風を受け易い部位、つまり、絶縁性部材５９の筒状部６２の周方向一部に設けているが、図５に示すように、絶縁性部材５９の筒状部６２の周方向全部にフィン構造を設けるようにしてもよい。このように、筒状部６２の周方向全部をフィン構造とすることで、絶縁性部材５９が外気と接触する接触面積がさらに増大するため、ステータ２３の磁性体コア５６をより一層効率よく空冷することができる。

以上のようにして、電動モータ２６のステータ２３を構成する磁性体コア５６の一部をケーシング６０，６１の外部に露呈させた空冷構造を採用したことにより、磁性体コア５６の一部が外気に晒されることで、電動モータ２６のステータ２３を空冷する。これにより、従来の軸心給油構造で必要であった油路形成のための軸孔加工や潤滑油圧送のための回転ポンプの設置も不要となるので、電動モータ２６の冷却構造の簡素化およびコスト低減が図れる。また、潤滑油による撹拌抵抗もないので、電動モータ２６の出力低下および効率悪化を未然に防止することができる。

以上の実施形態では、モータ回転軸２５の回転運動を２段で減速する平行軸歯車減速機３９に適用した場合を例示したが、モータ回転軸２５の回転運動を１段で減速する平行軸歯車減速機についても適用可能である。図６は、第１歯車６５および第２歯車６６で構成された平行軸歯車減速機６７を持つインホイールモータ駆動装置２１を例示する。なお、図６において、図１と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

図６の実施形態における減速部Ｂは、入力歯車である第１歯車６５と、出力歯車である第２歯車６６とからなる平行軸歯車減速機６７で構成されている。この平行軸歯車減速機６７では、第１歯車６５と第２歯車６６とが噛合し、モータ回転軸２５の回転運動を１段で減速する。第１歯車６５と第２歯車６６からなる減速比は１０〜１１程度とすることが好ましい。

第１歯車６５は、インボード側に延びる軸部６８をモータ回転軸２５にスプライン嵌合で連結することにより、モータ回転軸２５に同軸的に取り付け固定されている。第２歯車６６は、その軸部６９を減速機出力軸３７のインボード側軸部３８にスプライン嵌合で連結することにより、減速機出力軸３７に同軸的に取り付け固定されている。

第１歯車６５の軸部６８は、転がり軸受７０，７１によってケーシング２２に対して回転自在に支持されている。第２歯車６６の軸部６９は、転がり軸受７２，７３によってケーシング２２に対して回転自在に支持されている。

この実施形態における電動モータ２６のステータ２３は、図１に示す実施形態における電動モータ２６のステータ２３と同一の構成をなし、絶縁性部材５９の筒状部６２およびフィン６４を持つ空冷構造を具備し、その具体的構成および作用効果についての重複説明は省略する。

この実施形態では、図７および図８に示すように、後輪１４を駆動輪とした電気自動車１１を例示したが、前輪１３を駆動輪としてもよく、４輪駆動車であってもよい。なお、本明細書中で「電気自動車」とは、電力から駆動力を得る全ての自動車を含む概念であり、例えば、ハイブリッドカー等も含むものである。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

２１ インホイールモータ駆動装置
２２ ケーシング
２３ ステータ
２６ 電動モータ
３０〜３３ 歯車
３９ 平行軸歯車減速機
４６ 車輪用軸受
５６ 磁性体コア
５８ 導電性部材
５９ 絶縁性部材
６０，６１ ケーシング
６２ 外周部（筒状部）
６４ フィン
Ａ 駆動部
Ｂ 減速部
Ｃ 軸受部

Claims (3)

1. 電動モータで構成された駆動部と、複数の歯車からなる平行軸歯車減速機で構成された減速部と、車輪用軸受で構成された軸受部とを備え、前記駆動部および減速部をケーシングに収容したインホイールモータ駆動装置であって、
   前記電動モータは、前記ケーシングに固定されたステータを備え、前記ステータを構成する磁性体コアの一部をケーシングの外部に露呈させた構造を具備することを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
2. 前記磁性体コアは、導電性部材と絶縁性部材とを交互に積層した環状体構造をなし、前記絶縁性部材の外周部をケーシングの外部に露呈させた構造を具備する請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
3. 前記磁性体コアは、絶縁性部材の外周部を径方向外側に延在させてケーシングの外部へ突出するフィン構造を具備する請求項１又は２に記載のインホイールモータ駆動装置。

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