JP7110955B2

JP7110955B2 - インホイールモータ

Info

Publication number: JP7110955B2
Application number: JP2018227587A
Authority: JP
Inventors: 寛之柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: JP2020090979A

Description

本発明は、インホイールモータに関する。

特許文献１には、一つの車輪の内側に、車輪を駆動する駆動源として複数の電動機を設けたインホイールモータが開示されている。

国際公開第２０１２／１３１９５３号

インホイールモータでは、電動機から車輪の駆動軸までの間に、複数のギヤを配置することになる。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、車輪の内側に複数の電動機を有し、第２電動機の出力ギヤが、リングギヤの外周面に設けられた外歯と噛み合う構造であるため、径方向に体格が大型化する虞がある。さらに、車輪の内側には複数の電動機が配置されているため、ギヤ機構について車輪の内側で十分な設置スペースを確保できず、ギヤ機構の減速比を大きな値に設定することが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、複数の電動機を有する構成において、体格を小型化ができ、車輪の内側に設置されるギヤ機構の減速比を大きくすることができるインホイールモータを提供することを目的とする。

本発明は、車輪の内側に、前記車輪を駆動する複数の電動機と、前記複数の電動機が出力した動力を前記車輪の駆動軸に伝達するギヤ機構と、を備えるインホイールモータであって、前記ギヤ機構は、各電動機の出力軸に設けられた外歯車のドライブギヤと、各ドライブギヤと噛み合う内歯車により構成されたドリブンギヤと、を有し、各出力軸は、前記車輪の駆動軸とは異なる軸線上に配置され、前記複数の電動機は、互いに前記車輪の軸線方向に重なる位置で、前記ドリブンギヤの周方向に沿って配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ドリブンギヤが内歯車であるため、ドリブンギヤの歯数を多くすることが可能になり、ギヤ機構の減速比を大きな値に設定することができる。また、内歯車には、周方向で異なる位置に、複数のドライブギヤを噛み合わせることが可能になる。そのため、複数の電動機を互いに軸線方向に重なる位置でドリブンギヤの周方向に沿って配置でき、軸長を短くすることができる。

図１は、実施形態のインホイールモータを模式的に示す図である。図２は、インホイールモータの内部構造を説明するための図である。図３は、モータケースとギヤケースを模式的に示す図である。図４は、モータケースの振動相殺イメージを示す図である。図５は、内歯車を含む歯車対の減速比を説明するための図である。図６は、変形例のインホイールモータを模式的に示す図である。図７は、変形例のインホイールモータの内部構造を説明するための図である。図８は、モータ駆動システムの概略構成を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるインホイールモータについて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態のインホイールモータを模式的に示す図である。図２は、インホイールモータの内部構造を説明するための図である。なお、図２には、図１のＡ－Ａ線断面が模式的に示されている。

インホイールモータ１は、車輪２のホイール３の内側に、車輪２を駆動する動力源として機能する四つのモータ１０，２０，３０，４０と、各モータ１０，２０，３０，４０から出力された動力を車輪２の駆動軸５に伝達するギヤ機構５０と、を備えている。このインホイールモータ１は、一つに車輪２に対して複数のモータ１０，２０，３０，４０を備え、ギヤ機構５０と複数のモータ１０，２０，３０，４０とがユニット化された構造を有する。車輪２はホイール３とタイヤ４とを含んで構成されている。

図１に示すように、四つのモータ１０，２０，３０，４０は、車輪２の周方向に沿って配置されている。第１モータ１０、第２モータ２０、第３モータ３０、第４モータ４０は、いずれも小型のモータジェネレータにより構成されている。インホイールモータ１では複数の小型モータがタンデムに配置されている。図１に示す例では、車輪２の周方向で時計回りに、第１モータ１０、第２モータ２０、第３モータ３０、第４モータ４０の順に配置されている。車輪２の回転中心Ｏに対して対称となる位置に、第１モータ１０と第３モータ３０とが配置されている。同様に、第２モータ２０と第４モータ４０とが車輪２の回転中心に対して対称の位置に配置されている。そして、車輪２の周方向位置では、各モータ１０，２０，３０，４０の回転中心が等間隔となるように第１モータ１０、第２モータ２０、第３モータ３０、第４モータ４０が配置されている。車輪２の回転中心軸線とは異なる軸線上に各モータ１０，２０，３０，４０が配置されている。

第１モータ１０は、ロータ１１と、ステータ１２とを備える。ロータ１１とステータ１２とは、モータケース１３の内部に収容されている。図２に示すように、ステータ１２はモータケース１３に固定されている。第１モータ１０の出力軸１４は、ロータ１１と一体回転する回転軸であり、軸受を介してモータケース１３に対して回転可能に支持されている。この出力軸１４は車輪２の駆動軸５とは平行に配置され、駆動軸５とは異なる回転中心軸線上で回転する。この出力軸１４の一方端側に、第１ドライブギヤ５１が設けられている。第１ドライブギヤ５１は、第１モータ１０の出力ギヤとなる外歯車であり、ギヤケース５６の内部に配置された状態で出力軸１４と一体回転する。この第１ドライブギヤ５１は、内周部に歯が設けられた内歯車のドリブンギヤ５５と噛み合う。第１モータ１０から出力された動力は、第１ドライブギヤ５１とドリブンギヤ５５とが噛み合う歯車対を介して車輪２に伝達される。

第２モータ２０、第３モータ３０、第４モータ４０についても、第１モータ１０と同様に、ロータ２１，３１，４１と、ステータ２２，３２，４２とを備える。図１に示すように、第２モータ２０は、ロータ２１とステータ２２とがモータケース２３の内部に収容されており、ロータ２１と一体回転する出力軸に設けられた第２ドライブギヤ５２から車輪２に向けて動力を出力する。第２ドライブギヤ５２は、第２モータ２０の出力ギヤとなる外歯車であり、内歯車のドリブンギヤ５５と噛み合っている。第３モータ３０は、ロータ３１とステータ３２とがモータケース３３の内部に収容されており、ロータ３１と一体回転する出力軸３４に設けられた第３ドライブギヤ５３から車輪２に向けて動力を出力する。第３ドライブギヤ５３は、第３モータ３０の出力ギヤとなる外歯車であり、内歯車のドリブンギヤ５５と噛み合っている。また、図２に示すように、第３モータ３０は、第１モータ１０と軸線方向に重なる位置に配置されている。第４モータ４０は、ロータ４１とステータ４２とがモータケース４３の内部に収容されており、ロータ４１と一体回転する出力軸に設けられた第４ドライブギヤ５４から車輪２に向けて動力を出力する。第４ドライブギヤ５４は、第４モータ４０の出力ギヤとなる外歯車であり、内歯車のドリブンギヤ５５と噛み合っている。このインホイールモータ１には、駆動軸５と同一軸線上に配置されたモータが含まれず、各モータ１０，２０，３０，４０の出力軸はいずれも駆動軸５とは異なる軸線上に配置されている。

このように、各モータ１０，２０，３０，４０の出力軸に取り付けられたドライブギヤ５１，５２，５３，５４が、一つの内歯車であるドリブンギヤ５５に噛み合っている。そして、各モータ１０，２０，３０，４０から出力された動力はギヤ機構５０を介して車輪２の駆動軸５に伝達される。ギヤ機構５０は減速ギヤ機構であり、モータの回転数を減速して、モータの動力を車輪２に伝達する。

ギヤ機構５０は、四つのドライブギヤ５１，５２，５３，５４と、ドリブンギヤ５５とを有し、ギヤケース５６の内部に収容されている。図１に示すように、内歯車のドリブンギヤ５５には、四つのドライブギヤ５１，５２，５３，５４が周方向に等間隔の位置で噛み合っている。図２に示すように、ドリブンギヤ５５は、車輪２に連結された駆動軸５に設けられ、駆動軸５と一体回転する。駆動軸５はギヤ機構５０の出力軸として機能する回転軸であるとともに、ホイール３に連結されたホイール軸である。この駆動軸５は車輪２の回転中心軸線上に配置され、車輪２と一体回転する。

また、図３に示すように、各モータケース１３，２３，３３，４３は、周方向に沿って独立して配置され、互いに軸線方向で重なる位置に設けられている。モータケース１３の内部に第１モータ１０が収容されている。モータケース２３の内部に第２モータ２０が収容されている。モータケース３３の内部に第３モータ３０が収容されている。モータケース４３の内部に第４モータ４０が収容されている。すなわち、各モータ１０，２０，３０，４０は互いに軸線方向に重なる位置に配置されている。そして、各モータケース１３，２３，３３，４３はギヤケース５６に一体化されている。インホイールモータ１では各モータケース１３，２３，３３，４３の内部に収容された複数のモータ１０，２０，３０，４０とギヤ機構５０とがユニット化されている。

また、図３および図１に示すように、ギヤケース５６には、モータケース１３，２３，３３，４３が設けられている側の面にサスペンション接続面５６ａが設けられている。図示しないサスペンションアームは、サスペンション取付け部６０（図１に示す）で弾性体（マウント）を介してギヤケース５６に連結されている。

さらに、ギヤケース５６の内部には、ドリブンギヤ５５の外周に配置されたバンドブレーキ６１（図２に示す）が収容されている。また、ギヤケース５６とモータケース１３，２３，３３，４３とは隔壁で区切られている。ギヤケース５６の内部には、ブレーキ特性に優れたオイルが充填されている。各モータケース１３，２３，３３，４３の内部には、伝熱性と絶縁性に優れたオイルが充填されている。なお、オイルはケース内に貯留されていればよく、必ずしも充填されていなくてもよい。

ここで、図４を参照して、インホイールモータ１でのＮＶ低減効果について説明する。図４は、モータケースの振動相殺イメージを示す図である。

図４に示すように、回転磁界の発生に起因する各モータケース１３，２３，３３，４３の変形によって、モータケース毎に振動が生じる。インホイールモータ１では、このモータケース毎の振動が、対向もしくは隣接するモータケースで生じる振動によって相殺されるように、磁界回転周期を半位相ずらして配置されている。隣接モータの関係として、例えば第１モータ１０と第２モータ２０とは、磁界回転周期は逆位相の関係に配置されている。また、対向モータの関係として、例えば第１モータ１０と第３モータ３０とは、磁界回転周期が同位相の関係に配置されている。これにより、インホイールモータ１のユニットとしては、上下振動、左右振動、捩り振動を、ギヤケース５６のサスペンション接続面５６ａ上でキャンセル（相殺）することができる。

以上説明した通り、実施形態によれば、一つの車輪２の内側に複数の小型モータを配置することで、インホイールモータ１の高回転化と高出力化とを両立することができる。各モータ１０，２０，３０，４０から出力された動力を合成した力によって一つの車輪２を駆動することができる。そのため、インホイールモータ１の高出力化が図れる。また、必要な動力を複数のモータ１０，２０，３０，４０で分散できるので、モータ一つ当たりの径方向体格を小さくすることが可能になり、高回転時の遠心力に対する耐久性を向上させることができる。そのため、インホイールモータ１の高回転化を図れる。

また、各モータ１０，２０，３０，４０が互いに軸線方向で重なる位置で車輪２の周方向に沿って配置されているため、搭載性が向上する。これにより、インホイールモータ１は、必要な動力を出力できる構成で、軸方向体格を小型化できる。そのため、インホイールモータ１によれば、高回転化・高出力化と搭載性との両立を図ることができる。

また、内歯車を用いた歯車対では、噛み合い効率が向上して損失を低減できるため、トルク密度が向上する。そのため、ドリブンギヤ５５を内歯車とすることで、ギヤ機構５０の減速比を大きく設定できるとともに、噛み合い効率も向上する。例えば、図５に示すように、平行な二つの回転軸が、外歯車同士が噛み合う歯車対によって動力伝達可能に接続されている場合（図５左側の歯車対）と、外歯車と内歯車とが噛み合う歯車対によって動力伝達可能に接続されている場合（図５右側の歯車対）とについて、歯車対の減速比を比較する。入力側の回転軸（駆動軸）と出力側の回転軸（被駆動軸）との間の軸間距離Ｌが同じ場合に、駆動側の外歯車の歯数が同じであれば、駆動側の外歯車と被駆動側の内歯車とが噛み合う歯車対の減速比は、駆動側の外歯車と被駆動側の外歯車とが噛み合う歯車対の減速比に比べて大きくなる。これは、平行軸の軸間距離が同じという制約下であっても、内歯車であれば、内歯車の径を外歯車の場合よりも大きく設定することが可能になり、内歯車の歯数を多く設定することができるためである。このように、インホイールモータ１では、ホイール３の内側という限られた設置スペースのなかでギヤ機構５０の減速比を大きくすることが可能になるため、径方向に体格が大型化することを抑制できる。

さらに、複数の小型モータを車輪２の周方向に均等に配置することで、モータ起因のＮＶ（騒音、振動）を低減することができる。また、サスペンションアームが弾性体を介してギヤケース５６に連結された構造であるため、モータ起因の振動を減衰することができ、車両ボデーに振動を伝達しづらくすることができる。

また、各モータケース１３，２３，３３，４３の内部に、伝熱性に優れたオイルが収容されていることによって、モータで生じた熱がオイルを介してモータケースに放熱することができる。これにより、各モータ１０，２０，３０，４０の放熱性が向上する。

また、内歯車のドリブンギヤ５５の外周側にバンドブレーキ６１を配置した構造であるため、軸線方向の長さ（軸長）を短くすることができる。これより、インホイールモータ１では、軸線方向の寸法を小型化することができる。仮にブレーキディスクとキャリパーとを用いたブレーキ装置では、バンドブレーキ６１に比べてユニットの軸長が長くなってしまう。

ここで、図６～図８を参照して、上述した実施形態の変形例について説明する。図６は、変形例のインホイールモータ１を模式的に示す図である。図７は、変形例のインホイールモータ１の内部構造を説明するための図である。図８は、モータ駆動システムの概略構成を説明するための図である。

図６および図７に示すように、変形例のインホイールモータ１では、ギヤケース５６にインバータ７０が設けられた構造を有する。インバータ７０は、各モータケース１３，２３，３３，４３に囲まれた中央位置に配置され、ギヤケース５６のうち車両内側の面（サスペンション接続面５６ａ側）に固定されている。つまり、一つの車輪２のホイール３の内側に、複数のモータ１０，２０，３０，４０と電気的に接続されたインバータ７０が一つ配置されている。

図８に示すように、モータ駆動システム１００では、各モータ１０，２０，３０，４０が一つのインバータ７０を介して電池８０と電気的に接続されている。電池８０に蓄えられた電力によって各モータ１０，２０，３０，４０が駆動する。インバータ７０と電池８０との間は、二本の配線によって電気的に接続されている。また、インバータ７０と四つのモータ１０，２０，３０，４０との間は、三本の配線によって電気的に接続されている。この三本の配線は、各モータ１０，２０，３０，４０のＵ相のコイルに接続された配線と、各モータ１０，２０，３０，４０のＶ相のコイルに接続された配線と、各モータ１０，２０，３０，４０のＷ相のコイルに接続された配線とを含む。

この変形例によれば、一つのインバータ７０で複数のモータ１０，２０，３０，４０を同時に駆動することが可能になる。また、部品点数を削減できるとともに、モータ配線を削減することができる。さらに、各モータケース１３，２３，３３，４３の振動をインバータケースに伝達することを抑制できる。

１インホイールモータ
２車輪
３ホイール
４タイヤ
５駆動軸
１０第１モータ
１１ロータ
１２ステータ
１３モータケース
１４出力軸
２０第２モータ
２１ロータ
２２ステータ
２３モータケース
３０第３モータ
３１ロータ
３２ステータ
３３モータケース
４０第４モータ
４１ロータ
４２ステータ
４３モータケース
５０ギヤ機構
５１第１ドライブギヤ
５２第２ドライブギヤ
５３第３ドライブギヤ
５４第４ドライブギヤ
５５ドリブンギヤ
５６ギヤケース
６０サスペンション取付け部
６１バンドブレーキ
７０インバータ
８０電池
１００モータ駆動システム

Claims

車輪の内側に、前記車輪を駆動する複数の電動機と、前記複数の電動機が出力した動力を前記車輪の駆動軸に伝達するギヤ機構と、を備えるインホイールモータであって、
各電動機をそれぞれに収容する複数の電動機ケースと、
前記ギヤ機構を収容するギヤケースと、
備え、
前記ギヤ機構は、
各電動機の出力軸に設けられた外歯車のドライブギヤと、
各ドライブギヤと噛み合う内歯車により構成されたドリブンギヤと、を有し、
各出力軸は、前記車輪の駆動軸とは異なる軸線上に配置され、
前記複数の電動機は、互いに前記車輪の軸線方向に重なる位置で、前記ドリブンギヤの周方向に沿って配置され、
前記複数の電動機ケースは、前記周方向に沿って独立して配置され、互いに前記軸線方向で重なる位置に設けられているとともに、前記ギヤケースに一体化され、
前記ギヤケースと各電動機ケースとは隔壁で区画され、
各電動機ケースの内部には、絶縁性を有するオイルが収容されている
ことを特徴とするインホイールモータ。