JP7431529B2 - 車両の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の左右輪を駆動する駆動装置に関する。

従来、二つのモーター（電動機）で車両の左右輪を駆動する駆動装置が知られている。例えば、左右輪の各々に個別のモーターを接続し、左右輪を互いに独立して駆動できるようにしたものが提案されている。このような駆動装置では、左右のモーターの駆動力を相違させることで、左右輪に回転数差やトルク差を生じさせることができる。これにより、車両の旋回性能や旋回時の車体安定性が改善されうる（特許文献１参照）。

特開2017-184523号公報

特許文献１に記載の技術では、モーターに電力を供給するインバーターを減速機やモーターのケースと一体化させた構造を採用している。このような構造は、モーターやインバーターで発生した熱が駆動装置内にこもりやすく、駆動装置の冷却効率を向上させにくいという課題がある。このような課題に対し、インバーターをモーターから離隔した位置に配置し、各々で発生した熱を分散させることで冷却効率を向上させることも考えられる。しかしながら、インバーターとモーターとの間を接続する給電ライン（例えば給電ケーブルやバスバーなど）が長くなり、電気抵抗が増加してしまう。また、装置全体のサイズが大きくなり、空間利用効率が低下してしまう。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、コンパクトかつ簡素な構成で冷却効率を改善できるようにした車両の駆動装置を提供することである。なおこの目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）開示の車両の駆動装置は、車両の左右輪を駆動する左モーター及び右モーターとギアボックスと電力変換装置とを備える。ギアボックスは、左モーター及び右モーターのトルクを増幅して左右輪の各々に伝達する歯車機構を内蔵し、左モーターと右モーターとの間に挟装される。電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して左モーター及び右モーターの双方に給電する。また、ギアボックスは、左モーター及び右モーターの各々が内装される左右のモーターハウジングに対して、ギアボックス内の左右輪軸が左モーター及び右モーターの軸の下方かつ前後方向にオフセットするように配置される。さらに、電力変換装置は、左右のモーターハウジングの間に橋架された状態で固定されるベースプレートと、ベースプレートの下面に取り付けられるコンデンサーと、ベースプレートの上面に取り付けられる半導体モジュールと、を有する。コンデンサーは、左右のモーターハウジングとギアボックスとで囲まれた凹部に配置されるとともに、凹部の内側にてギアボックスに対し所定の間隔をあけて配置される。所定の間隔は、車両の走行時に走行風が通過する空間である。

電力変換装置を左右のモーターハウジング間に橋架された状態で固定することで、コンパクトかつ簡素な構成で冷却効率を改善することができる。

実施形態としての車両の駆動装置を分解して示す模式的な斜視図である。 駆動装置の模式的な正面図である。 駆動装置の内部構造を説明するための模式的な断面図である。

［１．構成］
以下、図面を参照して実施形態としての車両の駆動装置１０について説明する。この駆動装置１０は、車両の左右輪間に介装される。駆動装置１０は、左右輪の駆動／制動力（駆動／制動トルク）の大きさを能動的に制御することでヨーモーメントの大きさを調節し、車両の姿勢を安定させる機能をもつ。図１～図３に示すように、駆動装置１０には、左モーター１，右モーター２，ギアボックス３，電力変換装置４（インバーター）が含まれる。なお、図中の前後左右上下は、駆動装置１０が搭載された車両の運転者を基準にして定められる方向を表す。

左モーター１及び右モーター２は車両の左右輪を駆動する電動機である。左モーター１は、少なくとも左輪軸２７に繋がる動力伝達経路に接続（または介装）される。同様に、右モーター２は、少なくとも右輪軸２８に繋がる動力伝達経路に接続（または介装）される。左モーター１及び右モーター２は、他の駆動用モーターやエンジンが搭載される電気自動車及びハイブリッド自動車においては、少なくとも左右輪の駆動／制動力を増減させることで旋回力を発生させるヨーモーメント生成源として機能する。他の駆動用モーターが搭載されない電気自動車においては、上記の機能に加えて、車両の駆動源としての機能を併せ持つ。

以下、左モーター１と右モーター２とを区別する必要がない場合には、単にモーター１，２とも表記する。本実施形態のモーター１，２はシンクロナスモーター（同期型交流電動機）であり、互いに独立して作動しうる。また、モーター１，２は、電動機だけでなく発電機としての機能を併せ持つ。モーター１，２を作動させるための電力は、車両に搭載される走行用バッテリーや車載発電システム（ジェネレーター，燃料電池，ディーゼル発電システムなど）から供給される。なお、同期モーターの代わりに、他の交流モーター（誘導モーター，整流子モーター）や直流モーターを使用してもよい。

図２，図３に示すように、左右のモーター１，２は車両の上面視及び正面視で左右対称な構造を持つ。右モーター２の内部構造は、左モーター１と左右対称であることを除いてほぼ同一である。左モーター１について内部構造を詳述すると、その外装はモーターハウジング１１とモーターカバー１２との二部材に分割されている。また、左モーター１の内部には、ステーター２３，ローター２４，モーター軸２５が内蔵される。

ステーター２３は、例えば絶縁鋼板を積層してなる積層鉄心にコイルを巻き付けた構造を持ち、モーターハウジング１１に固定される固定子である。ステーター２３は、円筒面をなすように、所定の軸を中心として複数箇所に分散して配置される。ローター２４は、例えば絶縁鋼板を積層してなる積層鉄心に永久磁石を内挿した円筒状の回転子である。ローター２４は、ステーター２３の中心軸と同心の状態でその内側に遊挿され、軸状のモーター軸２５に固定される。モーター軸２５は、モーターハウジング１１やモーターカバー１２に対してベアリング（不図示）を介して軸支される。ステーター２３に通電される交流電力の周波数を変更することで、ステーター２３の内側における磁界の回転速度が変化し、ローター２４及びモーター軸２５の角速度が変更される。モーター軸２５の一端は、ギアボックス３に内蔵された歯車機構２６に接続される。

モーターハウジング１１は、ステーター２３やローター２４など、左モーター１の主要部品を収容するものである。モーターハウジング１１の形状は、モーター１，２の主要部品が内装される筒状であって、二つの開口部を有する形状とされる。モーターハウジング１１は、二つの開口部が左右を向く姿勢でギアボックス３に取り付けられる。また、モーターハウジング１１は、ギアボックス３に取り付けられたときに、ギアボックス３の上端よりも上方に突出する形状とされる。つまり、モーターハウジング１１は、ギアボックス３の左右において、左モーター１及び右モーター２の径方向（モーター軸２５に直交する方向）にオフセットして配置される。これにより、ギアボックス３の上方には、左右のモーター１，２とギアボックス３とで囲まれた凹部８が形成される。二つの開口部のうち、駆動装置１０の左右両端側に位置する片方は、モーターカバー１２が取り付けられて閉塞される。もう片方の開口部は、ギアボックス３の内部と連通状態になるようにギアボックス３の側面に接合される。

モーターカバー１２は、モーターハウジング１１の開口部のうち、車幅方向外側の側面（左モーター１の左側面と右モーター２の右側面）を閉塞するものである。モーターカバー１２の取付構造には、公知の取付構造を採用することができる。例えば、図２，図３に示すようにフランジ１９，２０を形成し、これらを接合させて固定してもよい。フランジ１９，２０は、モーターハウジング１１及びモーターカバー１２の開口端から開口面に沿って外側に延設される。フランジ１９，２０を面接触させた状態で締結固定（または溶接固定）することで、モーターハウジング１１に対するモーターカバー１２の取付箇所における、モーター１，２の密封性が向上する。

ギアボックス３は、左モーター１と右モーター２との間に挟装される駆動力伝達装置である。ギアボックス３は、外装をなすギアボックスハウジング１３とこれに内蔵された歯車機構２６とを有する。歯車機構２６は、少なくとも左モーター１と右モーター２とのトルクを増幅して左右輪の各々に伝達する機構である。本実施形態の歯車機構２６には、左輪軸２７と右輪軸２８との間に駆動／制動差を生じさせるための機構（例えば差動歯車機構や遊星歯車機構など）が含まれる。また、歯車機構２６には、車両の左輪に繋がる左輪軸２７と、右輪に繋がる右輪軸２８とが接続される。

モーターハウジング１１及びギアボックスハウジング１３の取付構造は、モーターハウジング１１及びモーターカバー１２と同様の構造を採用することができる。例えば、図２，図３に示すようにフランジ２１，２２を形成し、これらを接合させて固定してもよい。フランジ２１，２２は、モーターハウジング１１及びギアボックスハウジング１３の開口端から開口面に沿って外側に延設される。フランジ２１，２２を面接触させた状態で締結固定（または溶接固定）することで、これらの接合面における密封性が向上する。

電力変換装置４（インバーター）は、直流回路の電力（直流電力）とモーター１，２が介装される交流回路の電力（交流電力）とを相互に変換する変換器（DC-ACインバーター）である。電力変換装置４は、直流電力を交流電力に変換して左モーター１及び右モーター２の双方に給電する機能を持つ。モーター１，２の力行時には、直流電力が電力変換装置４で交流電力に変換されて、モーター１，２に供給される。モーター１，２の発電時には、モーター１，２側で生成される交流電力が電力変換装置４で直流電力に変換される。本実施形態では、電力変換装置４とモーター１，２との間が三相交流の給電ライン（給電ケーブルやバスバーなど）で接続される。

電力変換装置４には、ベースプレート５，コンデンサー６，半導体モジュール７が含まれる。ベースプレート５は、左モーター１，右モーター２の各々に固定される矩形板状の部材（土台板，base plate）である。ベースプレート５は、熱抵抗の低い素材で形成される。コンデンサー６及び半導体モジュール７は、ベースプレート５に対して取り付けられる。図１に示す例では、コンデンサー６がベースプレート５の下面側に固定されるとともに、半導体モジュール７がベースプレート５の上面側に固定されている。

コンデンサー６は、モーター１，２に供給される電力を平滑化するための電子部品である。電力変換装置４が電流制御型のインバーターである場合、コンデンサー６は、例えば電力変換装置４で変換された交流電力の給電ラインに介装される。コンデンサー６が介装された回路で三相交流の給電ラインの各相を連結することで、それぞれのコンデンサー６が一種のフィルターとして機能し、電流が安定する。電力変換装置４が電圧制御型のインバーターである場合には、直流電力の入力側にコンデンサー６を並列に介装させることで、電圧が安定する。

半導体モジュール７は、基板（電子回路用基板，substrate）上に複数のスイッチング素子やダイオードなどを含む三相ブリッジ回路を形成してなるパワーモジュールである。各スイッチング素子の接続状態を断続的に切り替えることで、三相の交流電力が生成される。スイッチング素子には、サイリスタ，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），パワーMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体素子が用いられる。

ベースプレート５の上面には上面カバー１４が取り付けられ、下面には下面カバー１５が取り付けられる。半導体モジュール７は、ベースプレート５と上面カバー１４とで囲まれる空間内に配置される。また、コンデンサー６は、ベースプレート５と下面カバー１５とで囲まれる空間内に配置される。これらの上面カバー１４，下面カバー１５は、熱抵抗の低い素材で形成される。

図３に示すように、上面カバー１４は、内部に半導体モジュール７を収容しうる大きさの容器状に形成される。また、下面カバー１５は、内部にコンデンサー６を収容しうる大きさの容器状に形成される。下面カバー１５の壁体内部には、コンデンサー６を冷却するための冷媒が流通するカバー冷却通路１６が形成される。同様に、ベースプレート５の内部には、冷媒が流通するプレート冷却通路１７が形成される。これらの冷却通路１６，１７は連通状態とされる。カバー冷却通路１６は、コンデンサー６の左右側方において前後方向に延設されるとともに、プレート冷却通路１７に向かって上下方向に延設される。また、プレート冷却通路１７は、上面視で半導体モジュール７と重なる大きさの平面状に形成される。

電力変換装置４は、左モーター１及び右モーター２の各々が内装される左右のモーターハウジング１１の間に橋架された状態で固定される。例えば図２，図３に示すように、電力変換装置４は、車幅方向の左端部を左モーター１が内装される左側のモーターハウジング１１の上に載置し、かつ、右端部を右モーター２が内装される右側のモーターハウジング１１の上に載置した姿勢で取り付けられる。電力変換装置４は、左右のモーターハウジング１１間に橋渡しされた状態となる。車幅方向に延在するベースプレート５で左右のモーターハウジング１１を固定することで、モーター１，２の制振性や静粛性が向上する。

電力変換装置４の一部は、左右のモーターハウジング１１とギアボックス３とで囲まれた凹部８に配置される。また、電力変換装置４の一部が、凹部８の内側において、少なくともギアボックス３に対して所定の間隔をあけて配置される。好ましくは、モーターハウジング１１との固定箇所以外の部分に対しても間隔をあけて配置される。これにより、電力変換装置４は、ギアボックス３の上方に浮いた状態となる。ギアボックス３と電力変換装置４とに挟まれた空間には、車両の走行時に走行風が通過しうる。したがって、モーター１，２，ギアボックス３，電力変換装置４が空冷されやすくなり、駆動装置１０の冷却性能が向上する。

図２，図３に示す例では、凹部８の内側にコンデンサー６とカバー冷却通路１６とが配置される。これにより、コンデンサー６が効率よく冷却されることになり、モーター１，２に供給される交流電力の電流や電圧が安定しやすくなる。また、カバー冷却通路１６の内部を流れる冷媒が効率的に冷却されることから、ベースプレート５や半導体モジュール７についても効率よく冷却され、モーター１，２に供給される交流電力の電流や電圧が安定しやすくなる。

図２，図３に示すように、電力変換装置４は、正面視において左右のフランジ１９，２０の間に配置される。左モーター１のフランジ１９，２０は、左モーター１に内蔵されたステーター２３及びローター２４の車幅方向の中心位置よりも左側に配置される。同様に、右モーター２のフランジ１９，２０は、右モーター２に内蔵されたステーター２３及びローター２４の車幅方向の中心位置よりも右側に配置される。これにより、既存の駆動装置１０と比較して、フランジ１９，２０の位置が車幅方向の外側に移動し、電力変換装置４を取り付けるためのスペースが確保される。また、左右のフランジ１９，２０間に電力変換装置４を配置することで、駆動装置１０の高さ寸法がコンパクトになり、車両搭載性が改善される。

本実施形態の電力変換装置４は、モーター１，２の上面に対して複数のボス９を介して固定具（例えばボルト，圧入ピンなど）で締結固定される。ボス９は、モーター１，２の各々において、モーターハウジング１１の外表面から上方に向かって突設される。ボス９の概形は上下方向に延在する筒軸を有する円筒状とされ、その頂面には固定具と嵌合する軸穴が設けられる。複数のボス９を設けることで、モーターハウジング１１の外表面に載置される電力変換装置４の固定姿勢が安定する。なお、ボス９の数は少なくともモーター１，２の各々に一つ以上設ければよいが、安定性を考慮してモーター１，２の各々に二つ以上設けてもよい。

［２．作用・効果］
（１）上述の実施形態では、左右のモーターハウジング１１の間に電力変換装置４が橋架された状態で固定されるとともに、電力変換装置４の一部が左右のモーターハウジング１１とギアボックス３とで囲まれた凹部８に配置される。このような構造により、モーター１，２よりも上方の空きスペースに電力変換装置４を配置することができ、車両の空間利用効率を高めることができる。また、駆動装置１０のサイズをコンパクトにすることができ、駆動装置１０の車両搭載性を向上させることができる。加えて、モーター１，２と電力変換装置４とが別体に形成されることから、モーター１，２及び電力変換装置４の各々の放熱性を高めることができ、駆動装置１０の冷却効率を向上させることができる。また、電力変換装置４とモーター１，２との距離を短くすることができ、モーター１，２を駆動するための電力線を短縮することができる。さらに、左右のモーター１，２が車幅方向に延在するベースプレート５によって一体的に固定されることから、モーター１，２の制振性や静粛性を向上させることができる。このように、上述の実施形態によれば、コンパクトかつ簡素な構成で冷却効率を改善することができる。

（２）上述の実施形態では、電力変換装置４の一部が、凹部８の内側でギアボックス３に対して所定の間隔をあけて配置される。このような構造により、電力変換装置４をギアボックス３の上に浮かせて固定することができ、モーター１，２，ギアボックス３，電力変換装置４のそれぞれを効率よく空冷することができる。したがって、駆動装置１０の冷却性能を向上させることができる。

（３）図２，図３に示すように、上述の実施形態では、ベースプレート５の下面側にコンデンサー６が配置される。コンデンサー６は、凹部８の内部においてベースプレート５から吊り下げられた状態となっている。このように、コンデンサー６をギアボックス３に対して所定の間隔をあけて配置することで、コンデンサー６の冷却効率をさらに向上させることができ、モーター１，２に供給される交流電力の電流や電圧を安定させることができる。

（４）上述の実施形態では、カバー冷却通路１６が形成された下面カバー１５によってコンデンサー６の周囲が覆われている。このような構造により、カバー冷却通路１６の内部を流れる冷媒の冷却効率をさらに向上させることができ、駆動装置１０の冷却性能をさらに向上させることができる。また、カバー冷却通路１６を設けることで、プレート冷却通路１７の厚みを小さくすることができ、駆動装置１０の高さ寸法をコンパクトにすることができる。

（５）図２，図３に示すように、上述の実施形態では、左右のフランジ１９，２０の間に電力変換装置４が配置される。このような構造により、フランジ１９，２０の上に電力変換装置４を配置した場合と比較して、駆動装置１０の高さ寸法をコンパクトにすることができる。これにより、例えば車両のフロア下に駆動装置１０を配置する場合に、駆動装置１０から路面までの距離を大きくすることができ、路面からの飛び石や路面上の異物などによる駆動装置１０の破損，故障を発生しにくくすることができ、製品の信頼性を高めることができる。

（６）上述の実施形態では、ベースプレート５の上面側に半導体モジュール７が固定され、下面側にコンデンサー６が固定される。このように、半導体モジュール７とコンデンサー６とをベースプレート５の両面に分けて取り付けることで、ベースプレート５の板面の面積を半減させることができ、上面視における電力変換装置４のサイズを小さくすることができる。したがって、駆動装置１０のサイズをさらにコンパクトにすることができ、駆動装置１０の車両搭載性を向上させることができる。

（７）図１，図３に示すように、上述の実施形態では、電力変換装置４が複数のボス９を介してモーターハウジング１１に固定される。複数のボス９を設けることで、モーターハウジング１１の外表面に載置される電力変換装置４の固定姿勢を安定させることができる。また、例えば車両のフロア下に駆動装置１０を配置する場合に、電力変換装置４の上面をフロアパネルに対してほぼ平行にすることが容易となる。したがって、駆動装置１０の車両搭載性をさらに向上させることができる。

［３．変形例］
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

上述の実施形態では、左右のモーター軸２５が歯車機構２６に接続された駆動装置１０を例示したが、左輪の動力伝達経路と右輪の動力伝達経路とを分離してもよい。少なくとも、歯車機構２６を内蔵するギアボックス３が左右のモーター１，２の間に挟装された駆動装置１０において、左右のモーターハウジング１１の間に電力変換装置４を橋架させるとともに、電力変換装置４の一部が左右のモーターハウジング１１とギアボックス３とで囲まれた凹部８に配置されることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

上述の電力変換装置４では、ベースプレート５の下面側にコンデンサー６が配置されているが、コンデンサー６をベースプレート５の上面側に配置してもよいし、半導体モジュール７をベースプレート５の下面側に配置してもよい。半導体モジュール７をベースプレート５の下面側に配置することで、半導体モジュール７の冷却効率をさらに向上させることができ、モーター１，２に供給される交流電力の電流や電圧を安定させることができる。さらにこの場合、コンデンサー６をベースプレート５の上面側に配置すれば、上述の実施形態と同等のサイズで電力変換装置４を構成することも可能であり、駆動装置１０の車両搭載性を向上させることができる。

１ 左モーター
２ 右モーター
３ ギアボックス
４ 電力変換装置（インバーター）
５ ベースプレート
６ コンデンサー
７ 半導体モジュール
８ 凹部
９ ボス
１０ 駆動装置
１１ モーターハウジング
１２ モーターカバー
１３ ギアボックスハウジング
１４ 上面カバー
１５ 下面カバー
１６ カバー冷却通路
１７ プレート冷却通路

Claims (4)

1. 車両の左右輪を駆動する左モーター及び右モーターと、
   前記左モーター及び前記右モーターのトルクを増幅して前記左右輪の各々に伝達する歯車機構を内蔵し、前記左モーターと前記右モーターとの間に挟装されるギアボックスと、
   直流電力を交流電力に変換して前記左モーター及び前記右モーターの双方に給電する電力変換装置と、を備え、
   前記ギアボックスは、前記左モーター及び前記右モーターの各々が内装される左右のモーターハウジングに対して、前記ギアボックス内の左右輪軸が前記左モーター及び前記右モーターの軸の下方かつ前後方向にオフセットするように配置され、
   前記電力変換装置は、左右の前記モーターハウジングの間に橋架されて固定されるベースプレートと、前記ベースプレートの下面に取り付けられるコンデンサーと、前記ベースプレートの上面に取り付けられる半導体モジュールと、を有し、
   前記コンデンサーが、左右の前記モーターハウジングと前記ギアボックスとで囲まれた凹部に配置されるとともに、前記凹部の内側にて前記ギアボックスに対し所定の間隔をあけて配置され、
   前記所定の間隔は、前記車両の走行時に走行風が通過する空間である
   ことを特徴とする、車両の駆動装置。
2. 前記電力変換装置の一部が、冷却回路を含む
   ことを特徴とする、請求項１記載の車両の駆動装置。
3. 左右の前記モーターハウジングとその端面を閉塞するモーターカバーとを当接させてなるフランジを有し、
   前記電力変換装置が、左右の前記フランジの間にて左右の前記モーターハウジングに固定される
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の車両の駆動装置。
4. 左右の前記モーターハウジングにて外表面から上方に向かって突設されて、前記電力変換装置を固定するための固定具が締結される複数のボスを備える
   ことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の車両の駆動装置。

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