JP2022086642A - 車両用動力伝達装置 - Google Patents

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Kensuke Kobayashi
隆司 福塚
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Abstract

【課題】電磁ノイズの高周波成分を低減することができる車両用動力伝達装置を提供する。【解決手段】車両用動力伝達装置100は、車両の駆動輪にインバータで制御される回転機10の駆動力を動力伝達経路Aにより伝達するためのものであり、動力伝達経路A上で機械的な連結を行う機械的連結部材として回転機10の回転機軸S1とロータ11の間に介装されるスペーサー11aを備え、スペーサー11aが電気絶縁材料によって構成されている。【選択図】図2

Description

本発明は、車両用動力伝達装置に関する。
従来、電動車両においては、モータを動力源とする動力伝達経路をインバータに起因するインバータノイズが伝搬することが知られている。このインバータノイズは、例えば、パワーケーブルとモータコイルを経てモータロータに伝わり、更に、モータロータからドライブシャフトを経てタイヤにより絶縁されたサスペンションに伝播する。このインバータノイズが伝播する要因は動力伝達経路上の回転軸で軸電圧の高周波成分が生じることにある。この軸電圧の高周波成分が動力伝達経路をドライブシャフトへと伝播すると、ラジオ受信に影響を与える電磁ノイズ(ラジオノイズ)が生じる要因になる。
下記の特許文献1には、動力伝達装置が開示されている。この動力伝達装置において、モータから発生したトルクは、出力軸から係合部を介して車軸に伝達され、車輪に伝達される。このときに生じる軸電圧を抑制するために、車軸と出力軸が係合する係合部の表面に絶縁被膜が形成されている。
特開2014-176176号公報
しかしながら、特許文献1に開示の動力伝達装置を採用する場合、係合部の表面に形成された絶縁被膜のような薄膜では、軸電圧の高周波成分を抑制するのが難しい。このため、軸電圧の高周波成分によって生じる、電磁ノイズの高周波成分を低減できないという問題が生じ得る。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズの高周波成分を低減することができる車両用動力伝達装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
車両(1)の駆動輪(3)にインバータ(4)で制御される回転機(10)の駆動力を動力伝達経路(A)により伝達する車両用動力伝達装置であって、
上記動力伝達経路上で機械的な連結を行う機械的連結部材(11a,16a,S1,S2,S3,G1,G2,G3)を備え、上記機械的連結部材が電気絶縁材料によって構成されている、車両用動力伝達装置(100,200,300,400,500,600)、
にある。
上記の車両用動力伝達装置において、インバータで制御される回転機の駆動力は動力伝達経路により駆動輪に伝達される。この動力伝達経路は、インバータに起因する軸電圧の高周波成分が駆動輪のドライブシャフトに伝播する伝播経路となる。そこで、この動力伝達経路上で機械的な連結を行う機械的連結部材が電気絶縁材料によって構成された絶縁部材であれば、軸電圧の高周波成分が動力伝達経路をドライブシャフトまで伝搬してこのドライブシャフトから放射されるのを機械的連結部材の電気絶縁材料によって抑制できる。これにより、電磁ノイズの高周波成分を低減することが可能になる。
以上のごとく、上記の態様によれば、電磁ノイズの高周波成分を低減できる車両用動力伝達装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1にかかる車両の概要を示す平面図。 実施形態1の車両用動力伝達装置の模式図。 図2のIII-III線矢視断面図。 図1中の動力伝達経路の上流側の等価回路を示す図。 実施形態2の車両用動力伝達装置について図2に対応した模式図。 実施形態3の車両用動力伝達装置について図2に対応した模式図。 図6中の減速機の部分断面図。 実施形態4の車両用動力伝達装置について図7に対応した部分断面図。 実施形態5の車両用動力伝達装置について図7に対応した部分断面図。 実施形態6の車両用動力伝達装置について図2に対応した模式図。
以下、電力変換装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、典型的には、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載され、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う車載用電力変換装置に好適に適用される。
なお、本明細書では、特に断わらない限り、回転軸の軸方向である第1方向を矢印Xで示し、回転軸の径方向である第2方向を矢印Yで示し、回転軸の周方向である第3方向を矢印Zで示すものとする。
(実施形態1)
図1に示されるように、実施形態1に係る車両1は、車体2と、左右の駆動輪3と、インバータ4と、バッテリ5と、回転機10と、減速機20と、を備える電動車両である。
回転機10は、モータの機能と発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータとして構成されている。回転機10は、モータ軸である回転機軸(以下、「回転軸」といもいう。)S1と、回転機軸S1と一体回転する回転子としてのロータ11と、コイル13が巻き線された固定子としてのステータ12と、を備えている。回転機10は、インバータ4により制御される。
インバータ4は、回転機10の3相(U相、V相、W相)のいずれかの電極に接続された複数のスイッチング素子(図示省略)を有する半導体モジュールであり、電力変換を行うためのものである。インバータ4は、回転機10のコイル13に電気的に接続され、且つハーネス6を介してバッテリ5に電気的に接続されている。
減速機20は、回転機10の駆動力を駆動輪3に伝達するためのものであり、回転機10と駆動輪3との間で動力伝達経路Aを構成している。減速機20には、3つの回転軸S2,S3,S4が設けられている。回転軸S2は、3つの回転軸S2,S3,S4の中で、回転機10側を上流とし駆動輪3側を下流として形成される動力伝達経路Aの最上流に設けられている。回転軸S3は、動力伝達経路Aにおいて回転軸S2と回転軸S4との間に設けられている。回転軸S4は、ディファレンシャルギアG5と2つの駆動輪3を繋ぐように設けられており、駆動輪3を駆動する駆動軸(ドライブシャフト)として構成されている。この減速機20は変速機とも称呼される。
図2に示されるように、実施形態1の車両用動力伝達装置(以下、単に「動力伝達装置」ともいう。)100は、車両1の駆動輪3にインバータ4で制御される回転機10の駆動力を動力伝達経路Aにより伝達する装置である。動力伝達経路Aは、回転機10及び減速機20によって構成される。
動力伝達装置100は、4つの回転軸S1,S2,S3,S4と、4つのベアリング15,21,22,23と、3つの動力伝達部16,24,25と、を備えている。
回転機10の回転機軸S1は、第1方向Xに延びており、軸受けである2つのベアリング15により回転可能に支持されるように構成されている。
回転軸S2は、回転機軸S1の軸線上で第1方向Xに延びており、軸受けである2つのベアリング21により回転可能に支持された減速機軸である。回転軸S2は、動力伝達部16を介して回転機軸S1に繋がっており、回転機軸S1と一体回転するように構成されている。回転軸S2の軸周には、第1ギアG1が設けられている。
動力伝達部16は、スプライン結合によるものである。スプライン結合は、特に図示しないものの、回転機軸S1及び回転軸S2のいずれか一方をスプライン軸として、このスプライン軸の軸周に設けられた外歯が、回転機軸S1及び回転軸S2のいずれか他方に軸端部に設けられたスプライン穴に挿入されて内歯に係合することによって、回転機軸S1と回転軸S2が一体回転可能に結合される形態をいう。このようなスプライン結合は、ギア係合による動力伝達部のように静電容量を持つ結合構造に対して、静電容量を持たない結合構造である。
回転軸S3は、回転軸S2と平行な位置で第1方向Xに延びており、軸受けである2つのベアリング22により回転可能に支持された減速機軸である。回転軸S3の軸周には、回転軸S2の第1ギアG1と噛み合う第2ギアG2と、第2ギアG2と平行に配置された第3ギアG3と、が設けられている。このため、回転軸S2と回転軸S3は、第1ギアG1と第2ギアG2とのギア係合を利用した係合部である動力伝達部24を介して互いに繋がっている。第1ギアG1は、回転軸S2の軸周に設けられた減速ギアであり、第2ギアG2及び第3ギアG3はいずれも、回転軸S2,S3の軸周に設けられた減速ギアである。
回転軸S4は、回転軸S3と平行な位置で第1方向Xに延びており、軸受けである2つのベアリング23により回転可能に支持されている。回転軸S4の軸周には、回転軸S3の第3ギアG3と噛み合う第4ギアG4が設けられている。このため、回転軸S3と回転軸S4は、第3ギアG3と第4ギアG4とのギア係合を利用した係合部である動力伝達部25を介して互いに繋がっている。
2つの動力伝達部24,25はいずれも、ギア係合を利用したものであり、スプライン係合を利用した動力伝達部16とは異なり静電容量を持つ。即ち、2つの動力伝達部24,25のそれぞれにおいて、互いに噛み合う2つのギアの間に大きな静電容量が形成された状態が生じる。2つの回転軸S1,S2は、3つの動力伝達部16,24,25の中で動力伝達部24,25よりも動力伝達経路A(図1を参照)の上流側に位置する上流側回転軸である。
動力伝達経路Aにおいて、3つの動力伝達部16,24,25は、回転機10の駆動力を4つのギアG1,G2,G3を介して回転軸S4に機械的に伝達するように構成されている。
図2及び図3に示されるように、回転機10のケース10aには、回転機軸S1と、ロータ11と、ステータ12と、ベアリング15と、が収容されている。ステータ12には、周方向である第3方向Zに沿って複数のコイル13が内蔵されている。
図3に示されるように、回転機10は、回転機軸S1とロータ11の間に介装されたスペーサー11aと、を有する。スペーサー11aは、動力伝達経路上Aで回転機軸S1とロータ11を機械的に連結する機械的連結部材である。このスペーサー11aは、径方向である第2方向Yの断面について、円筒形状となるように構成されている。ロータ11は、磁石及び導体からなるロータコア(コア部)である。
スペーサー11aは、電気絶縁材料によって構成された機械的連結部材(絶縁部材)に相当する。このスペーサー11aは、その全部或いは一部が電気絶縁材料によって構成されていれば足りる。
スペーサー11aの電気絶縁材料として、典型的には、樹脂、カーボン、セラミックスなどを採用することができる。特には、この電気絶縁材料として、樹脂やカーボンに比べて、耐久性及び絶縁率に優れており、且つ樹脂に比べて油の環境下で膨潤しにくいセラミックスを用いるのが好ましい。さらに好ましくは、アルミナセラミックスを用いる。アルミナセラミックスは、絶縁率が高く且つ安価であるため汎用性に優れている。
ここで、図1の中の動力伝達経路AのうちシャフトS2の周辺部までの等価回路は、図4のような等価回路によって示される。この等価回路において、スペーサー11aを絶縁部材とすることによって、インバータ4のスイッチング制御時に回転機軸S1で軸電圧の高周波成分(具体的には、ベアリングの絶縁破壊により接地後に残留するパルス状の軸電圧や、インバータ4のスイッチング制御により接地後に残留するパルス状の軸電圧)が生じるのを抑制することができる。このとき、スペーサー11aを絶縁部材とすることで絶縁被膜のような薄膜では得られないような、軸電圧の高周波成分の抑制効果が得られる。また、ベアリング15の絶縁破壊を防ぐことができるため電磁ノイズが小さくなり、ベアリング15の耐久性も向上する。
実施形態1の動力伝達装置100において、インバータ4で制御される回転機10の駆動力は動力伝達経路Aにより駆動輪3に伝達される。この動力伝達経路Aは、インバータ4に起因する軸電圧の高周波成分が駆動輪3の回転軸S4(ドライブシャフト)に伝播する伝播経路となる。
そこで、本実施形態のように、この動力伝達経路A上で機械的な連結を行うスペーサー11aが電気絶縁材料によって構成された絶縁部材であれば、軸電圧の高周波成分が動力伝達経路Aを回転軸S4まで伝搬してこの回転軸S4から放射されるのをスペーサー11aの電気絶縁材料によって抑制できる。これにより、電磁ノイズの高周波成分を低減することが可能になる。
次に、上述の実施形態1に関連する他の実施形態について図面を参照しつつ説明する。他の実施形態において、実施形態1の要素と同一の要素には同一の符号を付しており、当該同一の要素についての説明を省略する。
(実施形態2)
図5に示されるように、実施形態2の動力伝達装置200は、回転機10及び動力伝達部16のそれぞれの構造が実施形態1の動力伝達装置100のものと相違している。
動力伝達装置200において、回転機10は、スペーサー11aに相当する部材を備えていない。即ち、回転機10において、ロータ11が回転機軸S1に直に接合されているか、或いはロータ11と回転機軸S1との間に介装された部材が導電性を有する材料からなる。
また、動力伝達部16には、回転機10の回転機軸S1と減速機20の減速機軸である回転軸S2とを機械的に連結する軸継手16aが設けられている。この軸継手16aは、実施形態1のスペーサー11aと同様の電気絶縁材料によって構成された機械的連結部材(絶縁部材)に相当する。この軸継手16aを絶縁カップラということもできる。この軸継手16aは、その全部或いは一部が電気絶縁材料によって構成されていれば足りる。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
実施形態2の動力伝達装置200によれば、軸電圧の高周波成分が回転機10の回転機軸S1から減速機20の回転軸S2へ伝播するのを絶縁部材である軸継手16aによって防ぐことができる。また、回転機10のスペーサー11aに比べて小型の軸継手16aのみを絶縁部材とすることで電気絶縁材料の使用量を少なく抑えることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
なお、実施形態2に特に関連する変更例では、軸電圧の高周波成分の伝播抑制効果を高めるために、軸継手16aに加えて、実施形態1の絶縁部材であるスペーサー11aを備える構造を採用することができる。
(実施形態3)
図6に示されるように、実施形態3の動力伝達装置300は、回転機10及び減速機20のそれぞれの構造が実施形態1の動力伝達装置100のものと相違している。
動力伝達装置300において、回転機10は、実施形態2の場合と同様に、スペーサー11aに相当する部材を備えていない。また、図6及び図7に示されるように、減速機20の第1ギアG1の全体が電気絶縁材料によって構成されている。第1ギアG1は、実施形態1のスペーサー11aと同様の電気絶縁材料によって構成された機械的連結部材(絶縁部材)に相当する。この第1ギアG1を絶縁ギアということもできる。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
実施形態3の動力伝達装置300によれば、軸電圧の高周波成分が減速機20の回転軸S2から回転軸S3へ伝播するのを絶縁部材である第1ギアG1によって防ぐことができる。また、回転機10のスペーサー11aに比べて小型の第1ギアG1のみを絶縁部材とすることで電気絶縁材料の使用量を少なく抑えることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
なお、実施形態3に特に関連する変更例では、軸電圧の高周波成分の伝播抑制効果を高めるために、実施形態3の第1ギアG1に加えて、実施形態1の絶縁部材であるスペーサー11aと、実施形態2の絶縁部材である軸継手16aと、の少なくとも一方を備える構造を採用することができる。さらに、第1ギアG1に代えて或いは加えて、第2ギアG2、第3ギアG3及び第4ギアG4の少なくとも1つを絶縁ギアとすることもできる。
(実施形態4)
図8に示されるように、実施形態4の動力伝達装置400は、減速機20の第1ギアG1の構造が実施形態3の動力伝達装置300のものと相違している。
動力伝達装置400において、減速機20の第1ギアG1は、回転軸S2の軸周に設けられたギア円筒部G1aと、ギア円筒部G1aの外周に設けられたギア歯部G1bと、を有する。そして、ギア円筒部G1aが実施形態3の場合と同様の電気絶縁材料によって構成されている。即ち、第1ギアG1の一部が電気絶縁材料によって構成されている。
その他の構成は、実施形態3と同様である。
実施形態4の動力伝達装置400によれば、第1ギアG1の一部のみに電気絶縁材料を使用することによって、実施形態3の場合に比べて、電気絶縁材料の使用量を少なく抑えることができ、低コスト化を図るのに有効である。また、噛み合い時に衝撃や摩耗を受け易いギア歯部G1bではなく、ギア円筒部G1aに電気絶縁材料を使用することによって、衝撃や摩耗に弱い電気絶縁材料を利用することが可能になる。勿論、ギア円筒部G1aに衝撃や摩耗に強い電気絶縁材料を利用することもできる。即ち、電気絶縁材料の衝撃性能や摩耗性能を考慮する必要がない。
その他、実施形態3と同様の作用効果を奏する。
なお、実施形態4に特に関連する変更例では、第1ギアG1のギア円筒部G1aに代えて、ギア歯部G1bのみに電気絶縁材料を使用した構造を採用することができる。また、軸電圧の高周波成分の伝播抑制効果を高めるために、実施形態4の第1ギアG1に加えて、実施形態1の絶縁部材であるスペーサー11aと、実施形態2の絶縁部材である軸継手16aと、の少なくとも一方を備える構造を採用することができる。さらに、第1ギアG1に代えて或いは加えて、第2ギアG2、第3ギアG3及び第4ギアG4の少なくとも1つについてその一部に電気絶縁材料を使用することもできる。
(実施形態5)
図9に示されるように、実施形態5の動力伝達装置500は、減速機20の第1ギアG1及び回転軸S2のそれぞれの構造が実施形態3の動力伝達装置300のものと相違している。
動力伝達装置500において、減速機20の回転軸S2は、その全体が電気絶縁材料によって構成されている。回転軸S2は、実施形態3の第1ギアG1と同様の電気絶縁材料によって構成された機械的連結部材(絶縁部材)に相当する。この回転軸S2を絶縁軸ということもできる。一方で、第1ギアG1は導電性を有する材料からなる。
その他の構成は、実施形態3と同様である。
実施形態5の動力伝達装置500によれば、第1ギアG1に代えて、軸周に第1ギアG1が設けられている回転軸S2に電気絶縁材料を使用することによって、衝撃や摩耗に弱い電気絶縁材料を利用することが可能になる。
その他、実施形態3と同様の作用効果を奏する。
なお、実施形態5に特に関連する変更例では、軸電圧の高周波成分の伝播抑制効果を高めるために、実施形態5の回転軸S2に加えて、実施形態1の絶縁部材であるスペーサー11aと、実施形態2の絶縁部材である軸継手16aと、実施形態3の絶縁部材である第1ギアG1と、実施形態4の絶縁部材である第1ギアG1と、の少なくとも1つを備える構造を採用することができる。さらに、回転軸S2に代えて或いは加えて、回転軸S3及び回転軸S4の少なくとも一方に電気絶縁材料を使用することもできる。
(実施形態6)
図10に示されるように、実施形態5の動力伝達装置600は、回転機10の構造が実施形態1の動力伝達装置100のものと相違している。
動力伝達装置600において、回転機10は、スペーサー11aに相当する部材を備えていない代わりに、回転機軸S1に電気絶縁材料を使用している。回転機軸S1は、実施形態1のスペーサー11aと同様の電気絶縁材料によって構成された機械的連結部材(絶縁部材)に相当する。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
実施形態6の動力伝達装置600によれば、軸電圧の高周波成分が回転機10の回転機軸S1から減速機20の回転軸S2へ伝播するのを絶縁部材である回転機軸S1によって防ぐことができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
なお、実施形態6に特に関連する変更例として、回転機軸S1と回転軸S2の両方に電気絶縁材料を使用した構造を採用することができる。
本発明は、上述の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上述の各実施形態の特徴部分を適宜に組み合わせた変更例を実施することもできる。
上述の実施形態では、回転機10の回転機軸S1と減速機20の回転軸S2とが別体である場合について例示したが、これに代えて、回転機軸S1が回転軸S2のような別の回転軸と一体化された軸構造を用いることもできる。この場合、例えば、インバータ4を備えた回転機10と減速機20とが一体化されたトラクションユニット(E-Axle)における軸構造や、駆動輪3のハブ内部に回転機10が装備されるインホイールモータにおける軸構造などに、上述の実施形態を適用することができる。
1…車両、3…駆動輪、4…インバータ、10…回転機、11…ロータ、11a…スペーサー(機械的連結部材)、16a…軸継手(機械的連結部材)、20…減速機、100,200,300,400,500,600…車両用動力伝達装置、A…動力伝達経路、G1,G2,G3…減速ギア(機械的連結部材)、G1a…ギア円筒部、G1b…ギア歯部、S1…回転機軸(機械的連結部材)、S2,S3…減速機軸(機械的連結部材)

Claims (7)

  1. 車両(1)の駆動輪(3)にインバータ(4)で制御される回転機(10)の駆動力を動力伝達経路(A)により伝達する車両用動力伝達装置であって、
    上記動力伝達経路上で機械的な連結を行う機械的連結部材(11a,16a,S1,S2,S3,G1,G2,G3)を備え、上記機械的連結部材が電気絶縁材料によって構成されている、車両用動力伝達装置(100,200,300,400,500,600)。
  2. 上記回転機は、回転機軸(S1)と、上記回転機軸と一体回転するロータ(11)と、上記回転機軸と上記ロータの間に介装され上記回転機軸と上記ロータを機械的に連結するスペーサー(11a)と、を有し、上記スペーサーが上記機械的連結部材に相当する、請求項1に記載の車両用動力伝達装置。
  3. 上記回転機と上記駆動輪との間で上記動力伝達経路を構成する減速機(20)を備え、
    上記減速機は、減速機軸(S2,S3)と、上記減速機軸の軸周に設けられた減速ギア(G1,G2,G3)と、を有する、請求項1または2に記載の車両用動力伝達装置。
  4. 上記回転機の回転機軸(S1)と上記減速機の上記減速機軸とを機械的に連結する軸継手(16a)を備え、上記軸継手が上記機械的連結部材に相当する、請求項3に記載の車両用動力伝達装置。
  5. 上記減速機の上記減速機軸と上記減速ギアとの少なくとも一方が上記機械的連結部材に相当する、請求項3または4に記載の車両用動力伝達装置。
  6. 上記減速ギアは、上記機械的連結部材に相当し、上記減速機軸の軸周に設けられたギア円筒部(G1a)と、上記ギア円筒部の外周に設けられたギア歯部(G1b)と、を有し、上記ギア円筒部と上記ギア歯部のいずれか一方が上記電気絶縁材料によって構成されている、請求項5に記載の車両用動力伝達装置。
  7. 上記電気絶縁材料としてセラミックスが用いられている、請求項1~6のいずれか一項に記載の車両用動力伝達装置。
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