JP5267340B2

JP5267340B2 - インホイールモータの動力伝達機構

Info

Publication number: JP5267340B2
Application number: JP2009135120A
Authority: JP
Inventors: 一哉荒川; 弘一奥田; 監介吉末
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: JP2010280295A

Description

この発明は、車両の各駆動輪毎に電動モータを個別に取り付けたインホイールモータの動力伝達機構に関するものである。

従来、車両の各駆動輪毎に電動モータを個別に取り付けたインホイールモータが知られており、その一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されたインホイールモータでは、ホイール内にモータ本体が設けられている。このモータ本体のステータは支持ロッドに取り付けられており、そのステータに界磁コイルが取り付けられている。前記支持ロッドの一端部にはフランジが設けられており、そのフランジ部分が車体に結合されている。

一方、モータ本体のロータには永久磁石が取り付けられており、ロータは軸受を介して支持ロッドにより回転可能に支持されている。さらにロータの外周面には、ロータとホイールとの間で動力の断切をおこなう遠心クラッチが設けられている。そして、モータ本体の始動初期には、ロータの回転速度の上昇にともなって遠心クラッチが係合されてロータからホイールにトルクが徐々に、かつ、滑らかに伝達される。また、車両走行時に、モータ本体の故障によってロータの回転が減速した場合には、遠心クラッチが解放されてロータとホイールとの連係が遮断される。なお、車両用のインホイールモータは、特許文献２ないし４にも記載されている。

特開２００７−８９２３８号公報特開２００８−２０７７３９号公報特開２００４−１２９３９０号公報特開２００３−２１１９８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているインホイールモータでは、ロータの回転速度に依存して遠心クラッチが係合または解放される構成であるため、モータ本体における効率の良好な運転状態でモータ本体を駆動できるとは言い難く、車両全体としての燃費を向上することが困難であった。

この発明は上記事情を背景としてなされたものであって、電動モータと車輪との間の動力伝達経路を接続または遮断するにあたり、電動モータを効率が相対的に良好な領域で運転させることにより、車両全体としての燃費を向上することの可能な、インホイールモータの動力伝達機構を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、タイヤが取り付けられたホイール内に設けられた電動モータと、この電動モータと前記ホイールとの間の動力伝達経路を接続および遮断することのできる、インホイールモータの動力伝達機構において、前記動力伝達経路には、動力を伝達または遮断できる第１クラッチが設けられた第１経路と、動力を伝達または遮断できる第２クラッチが設けられた第２経路とが並列に配置されており、前記第１クラッチは、前記タイヤが所定速度未満で回転するときは動力を伝達し、かつ、前記タイヤが所定速度以上で回転するときは動力を遮断する構成の第１遠心クラッチであり、前記第２クラッチは、前記電動モータが所定速度未満で回転するときは動力を遮断し、かつ、前記電動モータが所定速度以上で回転するときは動力を伝達する構成の第２遠心クラッチと、その第２遠心クラッチと前記タイヤとの間に配置され、かつ、前記タイヤのトルクを前記電動モータに伝達する方向の動力を伝達し、かつ、前記電動モータのトルクを前記タイヤに伝達する方向の動力を遮断する構成の一方向クラッチとを含むことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記電動モータが前記所定回転速度未満で回転するときは、前記第１遠心クラッチが動力を前記タイヤに伝達し、かつ、前記第２遠心クラッチおよび前記一方向クラッチが動力を遮断する構成であることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１の構成に加えて、前記電動モータとの間で動力が伝達されることのない副タイヤと、この副タイヤと動力伝達可能に接続されたエンジンとを有し、そのエンジンのトルクが前記副タイヤに伝達されて車両が走行しており、前記タイヤが所定回転速度以上で空転して第１遠心クラッチにより第１経路が遮断され、かつ、前記第２クラッチおよび前記一方向クラッチにより前記第２経路が遮断され、かつ、前記電動モータが停止している時に、前記車両における加速要求が低下した場合は、前記第２クラッチおよび前記一方向クラッチにより前記第２経路で動力が伝達されて前記タイヤのトルクが前記電動モータに伝達される前に、前記電動モータの回転速度を、予め上昇させておく制御をおこなうことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、第１遠心クラッチは、タイヤが所定速度未満で回転するときは動力を伝達し、かつ、タイヤが所定速度以上で回転するときは動力を遮断する。また、第２遠心クラッチは、電動モータが所定速度未満で回転するときは動力を遮断し、かつ、電動モータが所定速度以上で回転するときは動力を伝達する。さらに、一方向クラッチは、タイヤのトルクを電動モータに伝達する方向の動力を伝達し、かつ、電動モータのトルクを前記タイヤに伝達する方向の動力を遮断する。したがって、電動モータの効率が良好な運転領域、つまり、タイヤが所定速度未満で回転するときは、電動モータのトルクをタイヤに伝達できる。さらに、電動モータの効率が良好でない領域では、電動モータを停止できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果を得られる他に、電動モータが所定速度未満で回転するときは、第１遠心クラッチが動力をタイヤに伝達し、かつ、第２遠心クラッチおよび一方向クラッチが動力を遮断する。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果を得られる他に、エンジンのトルクが副タイヤに伝達されて車両が走行しており、タイヤが所定回転速度以上で空転し、かつ、第１経路が遮断され、かつ、第２経路が遮断され、かつ、電動モータが停止している時に、車両における加速要求が低下した場合は、第２経路が接続されてタイヤのトルクが電動モータに伝達される前に、電動モータの回転速度を、予め上昇させておく。これにより、第２経路が接続されるときのショックを抑制できる。

この発明における動力伝達機構の構成を示す概念図である。図１に示す動力伝達機構を有する車両の模式図である。図２に示す車両における電動モータの制御を示すマップである。図２に示す車両でおこなわれる制御例を説明するタイムチャートである。図２に示す車両でおこなわれる他の制御例を説明するタイムチャートである。

つぎに、この発明のインホイールモータを有する車両の構成例を、図２に基づいて説明する。車両１は前輪２および後輪３を有し、前輪２にはそれぞれ電動モータ４が取り付けられている。具体的に説明すると、前輪２はタイヤ５が取り付けられたホイール（図示せず）を有しており、そのホイール内に電動モータ４が設けられている。電動モータ４はケーシング（図示せず）の内部にロータ（図示せず）およびステータ（図示せず）を設けて構成されており、そのケーシングがサスペンション（図示せず）を介在させて車体（図示せず）に取り付けられている。

前記電動モータ４と前輪２との間の動力伝達経路の構成を、図１に基づいて説明する。電動モータ４のロータと一体回転する回転軸６が設けられており、その回転軸６とタイヤ５との動力伝達経路は、相互に並列に配置された第１経路７および第２経路８を有している。そして、第１経路７を接続および遮断するクラッチとして、遠心クラッチ９が設けられている。この遠心クラッチ９は内輪１０と外輪１１とを有しており、外輪１１がコネクティングドラム１２を介在させてタイヤ５に接続されている。また、内輪１０が回転軸６に動力伝達可能に接続されている。遠心クラッチ９の構成を具体的に説明すると、外輪１１には、遠心力の変化にともなって半径方向に動作するウェイト（図示せず）が取り付けられている。そして、外輪１１の回転速度が相対的に低く遠心力が相対的に弱い場合は、ウェイトが内輪１０に接触して、内輪１０と外輪１１との間で動力が伝達される。これに対して、外輪１１の回転速度が相対的に上昇して遠心力が相対的に強くなると、ウェイトが内輪１０から離れて、内輪１０と外輪１１との間の動力が遮断される。このように、遠心力の変化により、係合および解放が機械的に（自動的に）切り替わる特性の遠心クラッチは、例えば、特開２００７−３０９４５２号公報に記載されている。この実施例では、遠心クラッチ９は、タイヤ５が所定速度Ｖａ以上で回転するときは動力が遮断され、かつ、タイヤ５が所定速度Ｖａ未満で回転するときは動力が伝達されるように、遠心クラッチ９が構成されている。この所定速度Ｖａ未満では、電動モータ４の効率が相対的に良好となる。

一方、第２の経路８には遠心クラッチ１３が設けられている。この遠心クラッチ１３は内輪１４と外輪１５とを有しており、内輪１４が回転軸６に接続されている。遠心クラッチ１３の構成を具体的に説明すると、内輪１４には、遠心力の変化にともなって半径方向に動作するウェイト（図示せず）が取り付けられている。そして、内輪１４回転速度が相対的に高くなり遠心力が相対的に強くなると、ウェイトが外輪１５に接触して、内輪１４と外輪１５との間で動力が伝達される。これに対して、内輪１４の回転速度が相対的に低下して遠心力が相対的に弱くなると、ウェイトが外輪１５から離れて、内輪１４と外輪１５との間の動力が遮断される。このように、遠心力の変化により、係合および解放が機械的に（自動的に）切り替わる特性の遠心クラッチは、例えば、特開２００７−１９２３８号公報に記載されている。この実施例では、遠心クラッチ１３は、電動モータ４が所定速度Ｖａ以上で回転するときは動力が伝達され、かつ、電動モータ４が所定速度Ｖａ未満で回転するときは動力が遮断される構成である。

このまた、第２経路８における遠心クラッチ１３とタイヤ５との間には一方向クラッチ１６が設けられている。この一方向クラッチ１６は、外輪１７および内輪１４を有しており、一方向クラッチ１６の内輪１５が、遠心クラッチ１３の外輪１５と共通の部品により構成されているため、便宜上、同じ符号を付してある。また外輪１７はコネクティングドラム１２に動力伝達可能に接続されている。この一方向クラッチ１６は、車両１が前進する方向にタイヤ５が回転し、そのタイヤ５のトルクを内輪１５に伝達する向きでは係合されるとともに、電動モータ４のトルクが内輪１５に伝達された場合は、解放される構成である。つまり、外輪１７の回転速度が内輪１５の回転速度を超えている場合に係合され、外輪１７の回転速度が内輪１５の回転速度以下である場合は解放されるように、一方向クラッチ１６が構成されている。

さらに、車両１には電力供給装置（図示せず）が搭載されており、その電力供給装置と電動モータ４とが電気回路により接続されている。この電力供給装置は、充電および放電の両方をおこなうことのできる二次電池を有しており、その二次電池はバッテリまたはキャパシタのいずれでもよい。また、電力供給装置は、二次電池の他に、燃料電池を有していてもよい。さらにまた、車両１には後輪３に動力を伝達するエンジン１８が搭載されている。このエンジン１８は燃料を燃焼させて発生する熱エネルギを動力に変換する動力装置であり、そのエンジン１８にはオルタネータ（図示せず）が動力伝達可能に接続されている。このオルタネータは前記蓄電装置に接続されている。さらに、エンジン１８から後輪３に至る動力伝達経路に、変速機１９およびプロペラシャフト２０および終減速機２１が設けられている。さらに、エンジン１８および電動モータ４を制御する電子制御装置（図示せず）が設けられており、その電子制御装置に、車速、アクセル開度、前後輪の回転速度、蓄電装置の充電量などを検知するセンサやスイッチの信号が入力される。

つぎに、図２に示された車両１の制御および作用を説明する。まず、車両１が停止しているときにアクセルペダルが踏み込まれた場合は、車両１を発進させるために電動モータ４に電力が供給されて、電動モータ４が力行制御される。ここで、電動モータ４の制御を図３のマップにより説明する。図３のマップでは横軸にタイヤ５の回転速度が示され、縦軸では電動モータ４の力行制御および回生制御が区別されている。図３のマップにおいて、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満である領域Ａで、電動モータ４が電動機として駆動されると、電動モータ４のトルクが遠心クラッチ９に伝達される。この遠心クラッチ９は、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満では係合されて、電動モータ４のトルクが第１経路７を経由してタイヤ５に伝達されて駆動力が発生する。なお、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満では、遠心クラッチ１３が遮断されており、第２経路８では動力伝達がおこなわれない。

このように、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満では、図３の領域Ａに示すように、電動モータ４が力行制御され、そのトルクがタイヤ５に伝達される。また、電動モータ４の運転状態が領域Ａにあるときは、エンジン１８が運転されており、そのエンジントルクが変速機１９およびプロペラシャフト２０および終減速機２１を経由して後輪３に伝達されて駆動力を発生し、車両１の前輪２および後輪３で駆動力が発生する。つまり、車両１の発進時には、低摩擦係数路または坂道での走行性能を確保するため四輪駆動車（４ＷＤ）となる。

ついで、車両１が発進した後にアクセルペダルが踏み込まれた状態で車速が上昇し、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ以上の領域Ｂになると、遠心クラッチ９が遮断され、かつ、電動モータ４への電力の供給が停止されて、電動モータ４が停止する。このように、電動モータ４が停止すると、遠心クラッチ１３が遮断され、かつ、一方向クラッチ１６も解放される。また、領域Ｂでは、エンジントルクが後輪３に伝達されて車両１が走行する、二輪駆動車となる。前記領域Ｂで電動モータ４を力行制御すると、ステータを構成する電磁鋼板の鉄損や、電動モータ４の回転時における引き摺り抵抗、例えば、冷却または潤滑をおこなうオイルの撹拌抵抗、回転軸６を支持するベアリングにおける回転抵抗、遠心クラッチ１３の接触抵抗などにより、エンジン１８の燃費が悪化するが、この実施例では領域Ｂでは電動モータ４が停止されるため、その不具合を防止できる。

一方、車両１が走行中にアクセルペダルが戻されて、車両１が惰力走行する場合について説明する。前記のように、タイヤ５が回転速度Ｖａ以上で回転している場合は、前記一方向クラッチ１６が係合されてタイヤ５のトルクが遠心クラッチ１３の外輪１５に伝達される。また、遠心クラッチ１３でも動力伝達がおこなわれて外輪１５のトルクが内輪１４に伝達され、そのトルクが電動モータ４に伝達される。なお、領域Ｃにあるとき遠心クラッチ９では動力が遮断される。このように、図３のマップに領域Ｃで示すように、タイヤ５が回転速度Ｖａ以上で回転している場合は、車両１の惰力走行による運動エネルギが電動モータ４に伝達され、その電動モータ４が発電機として機能する回生制御がおこなわれる。電動モータ４が回生制御されると、前輪２に対して制動力が付加される。

さらに、車両１が惰力走行中に車速が一層低下して、タイヤ５の回転速度が回転速度Ｖａ未満となる領域Ｄにおいては、遠心クラッチ１３では動力が遮断され、かつ、遠心クラッチ９では動力が伝達される。このため、タイヤ５のトルクが第１経路７を経由して電動モータ４に伝達され、電動モータ４で回生制御がおこなわれる。このようにして、電動モータ４で発電された電力（電気エネルギ）は蓄電装置に充電される。これにより、エンジン１８の動力でオルタネータで発電をおこない、発生した電力を蓄電装置に充電する量が増加することを抑制でき、エンジン１８の燃料消費量の増加を抑制できる（燃費が向上する）。

つぎに、車両１の走行中に、タイヤ５の回転速度が図３のマップで領域Ｂから領域Ａに移行する場合の制御例を、図４のタイムチャートを参照しながら説明する。まず、時刻ｔ１以前においては、タイヤ５の回転速度（タイヤ速）が所定速度Ｖａ以上で一定であり、かつ、電動モータ４の回転速度（モータ速）が零ｒｐｍであり、電動モータ４のトルク（モータトルク）は零Ｎｍである。ついで、タイヤ５の回転速度が低下して所定速度Ｖａに近づく時刻ｔ１以降は、電動モータ４に電力が供給されて力行制御がおこなわれ、電動モータ４のトルクおよび回転数が上昇する。

ここで、電動モータ４のトルクの上昇は一時的であり、再度、トルクは零Ｎｍに戻されるが、電動モータ４の回転速度は、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満になった時点に相当する回転速度で空転する。この実施例では、遠心クラッチ９で動力伝達がおこなわれると、タイヤ５の回転速度と、電動モータ４の回転速度とが一致するように、動力伝達経路が構成されているため、電動モータ４の回転速度が所定速度Ｖａ直前で待機する。

ついで、時刻ｔ２でタイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満になると、電動モータ４のトルクが零Ｎｍから上昇される（力行制御）とともに、時刻ｔ２以降は、電動モータ４の回転速度の低下に同期して、タイヤ５の回転速度が低下する。そして、時刻ｔ３以降は電動モータ４の回転速度およびタイヤ５の回転速度が一定の回転速度Ｖになっている。このように、図３のマップで領域Ｂであるときに、タイヤ５の回転速度が低下すると、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満になる前に、予め電動モータ４の回転速度を、タイヤ５の回転速度が所定速度Ｖａ未満となったときの値に同期させておくことにより、領域Ｂから領域Ａに切り替わって遠心クラッチ９で動力伝達が開始されるときのショック（係合ショック）を抑制できる。

さらに、車両１の走行中に、タイヤ５の回転速度が図３のマップで領域Ｂから領域Ｃに移行する場合の制御例を、図５のタイムチャートを参照しながら説明する。まず、時刻ｔ１以前においては、アクセルｏｎ（アクセルペダルが踏まれている）であり、かつ、領域Ｂであるためにエンジントルクにより車両１が走行しており、タイヤ５は回転速度Ｖで従動回転する。また、電動モータ４のトルクは零Ｎｍであり、かつ、回転速度は零ｒｐｍ（停止）である。

そして、時刻ｔ１でアクセルペダルの踏み込み量が減少されると、電動モータ４に電力が供給されて力行制御がおこなわれ、電動モータ４のトルク（正のトルク）および回転数が上昇する。ここで、電動モータ４のトルクの上昇は一時的であり、再度、トルクは零Ｎｍに戻されるが、電動モータ４の回転速度は、タイヤ５の回転速度である所定速度Ｖに相当する回転速度に維持される。この実施例では、遠心クラッチ９で動力伝達がおこなわれると、タイヤ５の回転速度と、電動モータ４の回転速度とが一致するように、動力伝達経路が構成されているため、電動モータ４の回転速度が所定速度Ｖで待機する。

ついで、時刻ｔ２でアクセルｏｆｆ（アクセルペダルが完全に戻された）になると、タイヤ５のトルクが電動モータ４に伝達されて、電動モータ４が回生制御されてトルク（負のトルク）が発生するとともに、タイヤ５の回転速度と電動モータ４の回転速度とが略一定となっている。このように、図３のマップで領域Ｂであるときに、アクセルペダルの踏み込み量が減少する（車両１における加速要求が低下する）と、アクセルペダルが完全に戻される前に、予め電動モータ４の回転速度を、タイヤ５の回転速度に同期させておく。したがって、領域Ｂから領域Ｃに切り替わって一方向クラッチ１６が係合され、かつ、遠心クラッチ１３で動力伝達が開始されるときのショック（係合ショック）を抑制できる。なお、領域Ａと領域Ｄとの間の切り替え、または領域Ｃと領域Ｄとの間の切り替えは、電動モータ４の回転速度と、タイヤ５との回転速度とが一致している状態でおこなわれるため、各クラッチの係合時にショックが生じることはない。

ここで、この実施例に基づいて説明した構成と、この発明の構成との対応関係を説明すると、遠心クラッチ９が、この発明の第１クラッチおよび第１遠心クラッチに相当し、遠心クラッチ１３および一方向クラッチ１６が、この発明の第２クラッチに相当し、遠心クラッチ１３が、この発明の第２遠心クラッチに相当し、後輪３のタイヤが、この発明の副タイヤに相当する。

１…車両、４…電動モータ、５…タイヤ、７…第１経路、８…第２経路、９，１３…遠心クラッチ、１６…一方向クラッチ、１８…エンジン。

Claims

タイヤが取り付けられたホイール内に設けられた電動モータと、この電動モータと前記ホイールとの間の動力伝達経路を接続および遮断することのできる、インホイールモータの動力伝達機構において、
前記動力伝達経路には、動力を伝達または遮断できる第１クラッチが設けられた第１経路と、動力を伝達または遮断できる第２クラッチが設けられた第２経路とが並列に配置されており、
前記第１クラッチは、前記タイヤが所定速度未満で回転するときは動力を伝達し、かつ、前記タイヤが所定速度以上で回転するときは動力を遮断する構成の第１遠心クラッチであり、
前記第２クラッチは、前記電動モータが所定速度未満で回転するときは動力を遮断し、かつ、前記電動モータが所定速度以上で回転するときは動力を伝達する構成の第２遠心クラッチと、その第２遠心クラッチと前記タイヤとの間に配置され、かつ、前記タイヤのトルクを前記電動モータに伝達する方向の動力を伝達し、かつ、前記電動モータのトルクを前記タイヤに伝達する方向の動力を遮断する構成の一方向クラッチとを含む
ことを特徴とするインホイールモータの動力伝達機構。
前記電動モータが前記所定回転速度未満で回転するときは、前記第１遠心クラッチが動力を前記タイヤに伝達し、かつ、前記第２遠心クラッチおよび前記一方向クラッチが動力を遮断する構成であることを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータの動力伝達機構。
前記電動モータとの間で動力が伝達されることのない副タイヤと、この副タイヤと動力伝達可能に接続されたエンジンとを有し、そのエンジンのトルクが前記副タイヤに伝達されて車両が走行しており、前記タイヤが所定回転速度以上で空転して第１遠心クラッチにより第１経路が遮断され、かつ、前記第２クラッチおよび前記一方向クラッチにより前記第２経路が遮断され、かつ、前記電動モータが停止している時に、前記車両における加速要求が低下した場合は、前記第２クラッチおよび前記一方向クラッチにより前記第２経路で動力が伝達されて前記タイヤのトルクが前記電動モータに伝達される前に、前記電動モータの回転速度を、予め上昇させておく制御をおこなうことを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータの動力伝達機構。