JP5604214B2 - 摩擦クラッチが組込まれた電気モータパワーユニット - Google Patents

摩擦クラッチが組込まれた電気モータパワーユニット Download PDF

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本発明は、電気自動車等における使用に好適な、モータに摩擦クラッチが組込まれた電気モータパワーユニット(以下、単に「パワーユニット」と称する。)に関する。
電気自動車が抱える問題の一つとして、極低速走行時に駆動モータのコギングが顕在化することにより、ドライブフィーリングが悪い、という点が挙げられる。
また、もう一つの課題として、暖房に利用する熱の確保がある。ガソリン車はエネルギー効率が悪いため、余分な熱があり、その熱を暖房に利用することができた。他方、電気自動車は、エネルギー効率が良いため、余分な熱が発生しないので、別途暖房の熱を確保する必要がある。
そこで、特許文献1〜3のものが提案されている。
特開平7−336808号公報 特開2006−67665号公報 特開2010−12970号公報
特許文献1の駆動制御装置は、走行用モータの力行トルクをオープンループ制御するトルク制御手段と、走行用モータの回転速度をフィードバック制御する速度制御手段と、トルク制御手段と速度制御手段の切換えを行う制御切換手段を具える。特許文献1の発明によれば、通常時は、トルク制御手段によりオープンループ制御し、走行用モータの回転速度が微低速領域に属する場合は、速度制御手段により、走行用モータの回転速度をフィードバック制御することで、永久磁石型同期モータの固有トルクの変動を抑制できるため、トルクセンサを使用することなく、ドライブフィーリングを改善できる、とされている。
特許文献2は、コギングトルク予測手段を具えた電気自動車の制御装置を開示する。特許文献2によれば、コギングトルク予測手段により予測されたコギングトルクを打ち消すように必要電力を補正できるので、コギングトルクが原因で発生する不具合を抑制することができる、ということである。
また、特許文献3には、電気自動車用の電気暖房装置が開示されている。特許文献3によると、電気自動車の充電時は、バッテリーを経由せずに、充電器から電気暖房装置に電力が供給されるため、運転開始時に暖房によりバッテリーが消耗することがなく、運転前に車内を快適な温度にできる、とされている。
しかし、特許文献1と2の発明は、コギングによる影響を抑えるために、複雑な制御が必要である。また、特許文献3の電気暖房装置は、電気ヒータを使用する。走行時にエンジンの廃熱を使用する暖房装置で、所望の暖房効果が得られない場合は、電気暖房装置を使用することになる。電気ヒータは、電力を非常に多く消費するため、自動車の走行距離が極端に低下してしまう。
そこで、本発明は、電気モータに摩擦クラッチ機能を付加することにより、複雑な制御をしなくても、極低速走行時のドライブフィーリングを良好に保つことができ、しかも、回転子の回転により発生する動力をパワーテイクオフとすることができるパワーユニットを提供することをその目的とする。
本発明は、
固定子と回転子を具えたモータと、
クラッチアウターに設けられたメーティングプレートと、クラッチインナーハブに設けられた摩擦板とによる摩擦クラッチと、
前記クラッチインナーハブに結合された出力軸を有してなり、
前記回転子の回転が、前記クラッチアウターを介してクラッチインナーハブと出力軸に伝達され
前記クラッチアウターの回転をパワーテイクオフし、暖房装置の動力として使用することを特徴とする電気自動車用電気モータパワーユニットにより、前記課題を解決した。
また、摩擦クラッチの係合力を調整可能とすることにより、コギング抑制を可能としている。
そして回転子とクラッチアウターは、径方向又は軸方向に配置される。
さらにブレーキ機能を付加してもよい。
なおコアレスモータ構造とすれば、モータ重量が軽くなるため慣性力が減り、動作が速くなるとともに、複数の固定子と回転子を交互に配置することで、直列回線と並列回線の切替が可能となる。
本発明によると、電気自動車用のパワーユニットに摩擦クラッチが内蔵されているため、極低速走行時には、摩擦クラッチをスリップさせることにより、パワーユニットのコギングを吸収させるという使い方が可能となる。これにより、搭乗者に与える不快感が緩和され、ドライブフィーリングが良好となる。
また、タイヤからトルク容量を上回るトルクが入力された場合は、クラッチをスリップさせることにより、パワーユニットがトルクリミッタとしても機能するため、部品の破損を防ぐことができる。
さらに、本発明のパワーユニットは、いわゆる、パワーテイクオフ機能を具えこの出力を暖房装置の動力として利用しているので、暖房用の熱を確保するとともに、暖房時の消費電力を抑えることができる。
本発明のパワーユニットの第1実施形態の概略図。 クラッチをスリップさせた場合とクラッチをスリップさせない場合の、エンジンの回転変動を比較した図。 一般的なモータの効率を示した図。 本発明のパワーユニットの第2実施形態の概略図。 本発明のパワーユニットの第3実施形態の概略図。 本発明のパワーユニットの第4実施形態の概略図。 本発明のパワーユニットの第5実施形態の概略図。 本発明のパワーユニットの第4実施形態に、ブレーキ機能を付加した形態の概略図。
以下、添付図面1〜8を参照して、本発明の実施形態を説明する。但し、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
まず、図1〜3を参照して、本発明の第1実施形態のパワーユニットについて説明する。
パワーユニット10Aは、固定子12A、回転子14A、クラッチアウター15、メーティングプレート16、摩擦板18、ピストン20、戻しばね21、クラッチインナーハブ22、及び出力軸24からなる。
固定子12Aは、アウター40に固定されている。回転子14Aは、永久磁石と磁性材料の芯から構成され、クラッチアウター15の外周に取付けられる。
クラッチアウター15の内周には、メーティングプレート16がスプライン結合されている。
摩擦板18は、クラッチインナーハブ22にスプライン結合され、クラッチインナーハブ22は、ホイール42を介してタイヤ44に連結された出力軸24の外周に取付けられる。
ピストン20は、クラッチアウター15の内周に軸方向に設けられる。
出力軸24の先端には、ブレーキディスク31が設けられ、ブレーキキャリパ33に挟持されることで、ブレーキが作動する。
パワーユニット10Aの動作について説明する。
固定子12Aに通電されると、回転子14Aが回転する。従って、回転子14Aと同じクラッチアウター15にスプライン結合されたメーティングプレート16も回転する。停車時は、メーティングプレート16と摩擦板18は係合しておらず、そのため、出力軸24に回転が伝達されないから、タイヤ44は回転しない。
発進時は、ピストン20により、戻しばね21の弾性反発力よりも大きな力が加わると、メーティングプレート16が押出されて摩擦板18と係合し、回転子14Aの回転が出力軸24により、タイヤ44を回転させ、発進する。ピストン20としては、電磁ソレノイドや油圧ピストンを用いるのが好適である。
発進時は、回転子14Aの回転数が徐々に増加しつつ、回転が伝達され、加速されるが、回転子14Aの回転数が少ない発進直後の極低速走行時には、コギングが発生する。
図2は、0.1秒間に4回、エンジンを約1150rpmから約1300rpmに回転変動するようにし、その間クラッチをスリップさせた場合とさせなかった場合のエンジンの回転数の変化を比較した図である。
図2に示すように、クラッチをスリップさせた場合は、エンジンの回転数が約1150rpmから約1200rpm強までしか変化していないことから、クラッチをスリップさせることにより、エンジンの回転変動幅が小さくなることが分かる。
そこで、本発明は、回転子14Aの回転数が一定の回数(例えば、100rpm)に達するまでは、メーティングプレート16と摩擦板18をスリップさせるように、ピストン20にかける力を調整して摩擦クラッチの係合力を調整する。これにより、モータの回転変動を吸収することができ、コギングを抑制できるため、低速運転時のドライブフィーリングを良好にすることができる。
回転子14Aの回転数が一定の回転数に達すると、メーティングプレート16と摩擦板18が滑らないで係合するように、ピストン20にかける力が調整される。
また、回転子14Aの回転数が一定値に達するまで、メーティングプレート16と摩擦板18を空転させておき、一定値に達した後にスリップさせて係合するようにしてもよい。
ピストン20にかける力の調整は、ピストン20が電磁ソレノイドの場合、電磁ソレノイドに流す電流値を調整することにより行う。すなわち、電磁ソレノイドに流す電流値を小さくすれば、ピストン20のメーティングプレート16を押出す力が小さく、メーティングプレート16と摩擦板18は係合せずに、スリップする。電磁ソレノイドに流す電流値を大きくすれば、ピストン20のメーティングプレート16を押出す力も大きくなり、メーティングプレート16と摩擦板18は係合し、回転が伝えられる。
ピストン20が油圧ピストンの場合は、油圧ポンプ(図示せず。)を設け、ポンプの油圧を調整することで、ピストン20にかける力を調整できる。
また、回転子14の回転数が一定値に達するまで、メーティングプレート16と摩擦板18をスリップ又は空転させることで、消費電力を抑えることができる、という利点もある。
図3に示すように、発進時の駆動力が大きい領域では、モータの回転数が多い方が効率がよい。従って、メーティングプレート16と摩擦板18をスリップ又は空転させながら、その間に回転子14Aの回転数を上げれば、回転子14の回転が一定の数に達した後に発進することになり、回転子14Aが回転していない状態から、いきなりメーティングプレート16と摩擦板18を係合して発進させるよりも、モータの効率がよく、電気自動車の消費電力を抑えることができる。
本発明のトルクリミッタ機能について説明する。
走行中に、タイヤ40から出力軸24を介して、メーティングプレート16と摩擦板18が係合しているときのトルクの容量を上回るトルクが入力されると、メーティングプレート16と摩擦板18がスリップすることにより、他の部品の破損を防止することができる。過負荷状態を脱すると、再び、メーティングプレート16と摩擦板18は係合する。
また、異物を噛込むなどして、固定子12Aと回転子14Aが、動作しなくなった場合は、メーティングプレート16と摩擦板18を離間させれば、出力軸24は回転自在となるため、走行中に一つのタイヤが回転しなくなる事態が生じず、車が止まることはない。
次に、本発明のパワーテイクオフ機能について説明する。
回転子14Aが回転すると、クラッチアウター15から、取出軸30に、歯車を利用してその動力が取出され、パワーテイクオフとして機能させることができる。暖房装置32の動力に、この動力を使用すれば、電気自動車の電池から電力が消費されるのを抑えることができる。従って、暖房を使用することによる電気自動車の走行距離への影響を少なくすることが可能となる。
暖房装置32としては、ヒートポンプ式や蓄熱式のものを用いるのが好適である。ヒートポンプ式は、一般にエアコンに採用されている技術であるが、一般家庭向けのセラミックヒータとエアコンの消費電力を比較すると、セラミックヒータは、ヒートポンプ式のエアコンの2.5倍〜3.5倍の電力を消費する。
従って、パワーテイクオフ機能により出力された動力と、ヒートポンプ式の暖房装置32の両方を活用することで、より高い消費電力の削減効果を奏する。
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
本実施形態では、磁性材料の芯を設けない、コアレスモータ構造とする。固定子12Bはコイルのみ、回転子14Bは永久磁石のみからなる。コアレスモータ構造とすることで、モータ重量が軽くなるため、慣性力が減り、動作が速くなる。また、芯内部で渦電流が発生することによるモータの効率低下を防ぐことができる。
以下、図5を参照して、本発明の第3実施形態について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
巻線が巻かれたモータは、低回転で高トルクであり、巻線が巻かれていないモータは、高回転で低トルクである。従って、モータのトルクを高めたい場合は、巻線の数を増やさなければならない。
巻線の数を増やさない方法で、低回転で高トルクのモータにする場合は、複数のモータを直列に接続すればよい。
そこで、本実施形態では、永久磁石のみからなる回転子14Cを3つ設け、各回転子14Cの間に、コイルのみからなる固定子12Cを設置し、固定子12Cと回転子14Cを交互に配置した。
このような構成とすることで、直列回線と並列回線の切替が可能になり、直列回線の場合は、高トルクで低回転のモータとなり、並列回線に切り替えた場合は、低トルクで高回転のモータとすることができる。
次に、以下、図6を参照して、本発明の第4実施形態について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
本実施形態のパワーユニット10Dは、固定子12D、回転子14D、クラッチアウター15D、メーティングプレート16、モータハブ17、摩擦板18、ピストン20、戻しばね21、クラッチインナーハブ22、出力軸24からなる。
回転子14Dは、モータハブ17の外周に設置され、クラッチアウター15Dは、アウター40内に設けられたモータハブ17の軸方向に連結される。クラッチインナーハブ22は、出力軸24の外周に取付けられ、出力軸24には、ピニオンギア41が具えられている。
固定子12Dに通電されると、回転子14Dが回転し、モータハブ17を介して、クラッチアウター15Dに回転が伝えられる。停車時は、メーティングプレート16と摩擦板18が係合しておらず、出力軸24に回転が伝達されないため、タイヤ44Dが回転することはない。
発進時は、ピストン20により、メーティングプレート16が押出されて摩擦板18と係合し、クラッチアウター15Dとともに出力軸24が回転する。この回転は、ピニオンギア41からリングギア43へ、デファレンシャル45を介して、アクスルシャフト47からタイヤ44Dに伝達され、発進する。
なお、本実施形態においても、第2実施形態や第3実施形態のような、コアレスモータ構造を採用してもよい。
最後に、図7を参照して、本発明の第5実施形態について、第1実施形態と異なる部分を説明する。
本実施形態では、第1実施形態のパワーユニットの軸方向に、ブレーキ機能を付加している。
図7に示すように、本実施形態のパワーユニット10Eは、アウター40にブレーキアウター53が固定され、出力軸24の外周にブレーキハブ50が配設されている。また、ブレーキアウター53にブレーキプレート51が、ブレーキハブ50にブレーキディスク52が、それぞれスプライン結合されている。
停車時は、メーティングプレート16と摩擦板18は係合しておらず、回転子14Eの回転は出力軸24に伝達されない。この際、ばね55により、ブレーキプレート51が回転子14Eの方向に押出されて、ブレーキプレート51とブレーキディスク52が係合する。これにより、ブレーキディスク52、ブレーキハブ50、出力軸24は、ロックされるため、パーキングブレーキとして機能する。
発進時は、ピストン20により、メーティングプレート16が押出されて摩擦板18と係合し、回転子14Eの回転が伝達される状態となる。これと同時に、電磁ソレノイド54に通電すると、ばね55の弾性反発力よりも大きく設定されている吸引力が電磁ソレノイド54に発生するため、ブレーキプレート51が電磁ソレノイド54に吸引され、ブレーキプレート51は、ブレーキディスク52から離間する。これにより、ブレーキが解放されるため、回転子14Eの回転が出力軸24を経由して、ホイール42に伝達され、タイヤ44が回転し、発進する。
なお、電磁ソレノイド54としては、固定鉄心にコイルを収納したものを用いるのが好適である。また、電磁ソレノイド54の替わりに、ばね55の押付け荷重に反力を与える構造の油圧式ピストンを用いてもよい。
また、坂道で発進する際は、電磁ソレノイド54により、ブレーキプレート51が吸引されるタイミングよりも、ピストン20により、メーティングプレート16が押出されるタイミングを若干早くすれば、車両が後退せず、車をスムーズに発進させることができる。
さらに、パワーユニット10Eは、電磁ソレノイド54のコイルに流す電流を調整することで、ブレーキとして作動する。すなわち、電磁ソレノイド54のコイルに流す電流を減らすことにより、ばね55の弾性反発力が電磁ソレノイド54の吸引力よりも上回ると、ブレーキプレート51が押出されて、ブレーキディスク52と係合する。これにより、出力軸24の回転が止まり、ブレーキ作動状態となる。固定子12Eと回転子14Eは、回生ブレーキとして作動する。
なお、本実施形態においても、第2実施形態や第3実施形態のような、コアレスモータ構造を採用してもよい。
また、図8に示すように、第4実施形態のパワーユニットにも、ブレーキ機能を付加することができる。ブレーキ機能の詳細は、第5実施形態と同様のため、説明は、省略する。
なお、前述した実施形態では、電気自動車の例で説明したが、本発明は、電動二輪車、建設・土木用車両、農業用車両等にも適用可能であり、それらが、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
10A、10B、10C、10D、10E パワーユニット
12A、12B、12C、12D、12E 固定子
14A、14B、14C、14D、14E 回転子
15 クラッチアウター
16 メーティングプレート
18 摩擦板
22 クラッチインナーハブ
24 出力軸
50 ブレーキハブ
51 ブレーキプレート
52 ブレーキディスク

Claims (6)

  1. 固定子と回転子を具えたモータと、
    クラッチアウターに設けられたメーティングプレートと、クラッチインナーハブに設けられた摩擦板とによる摩擦クラッチと、
    前記クラッチインナーハブに結合された出力軸を有してなり、
    前記回転子の回転が、前記クラッチアウターを介してクラッチインナーハブと出力軸に伝達され
    前記クラッチアウターの回転をパワーテイクオフし、暖房装置の動力として使用することを特徴とする、
    電気自動車用電気モータパワーユニット。
  2. 前記暖房装置がヒートポンプ式である、請求項1の電気自動車用電気モータパワーユニット。
  3. 前記摩擦クラッチの係合力を調整可能とすることにより、コギング抑制を可能とした、請求項1又は2の電気自動車用電気モータパワーユニット。
  4. 前記回転子とクラッチアウターが、径方向又は軸方向に配置されている、請求項1から3のいずれかの電気自動車用電気モータパワーユニット。
  5. 前記回転子の軸方向に、ブレーキハブ、ブレーキプレート、及びブレーキディスクが設けられることにより、ブレーキ機能が付加された、請求項1から4のいずれかの電気自動車用電気モータパワーユニット。
  6. 前記固定子がコイルのみから、前記回転子が永久磁石のみからなり、前記固定子と回転子が複数、交互に配置されている、請求項1から5いずれかの電気自動車用電気モータパワーユニット。
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