(57)【要約】【課題】  車輪用軸受、モータ、および減速機を含むインホイールモータユニットにおいて、モータ部の発熱を外部に放熱しやすいインホイールモータを提供する。【解決手段】  モータＢの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域Ｌで、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域ＬＨで、銅損と鉄損から構成される上記モータＢでの損失の内、上記ステータでの損失を５０％以上とする。上記モータＢは、上記ステータ２３のコイル部２８を冷却液によって冷却する冷却媒体流路４５を有し、上記モータＢの損失の内、銅損を２５％以上とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置において、
上記モータの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上であることを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、上記モータは、上記ステータのコイル部を冷却液によって冷却する冷却媒体流路を有し、上記モータの損失の内、銅損が２５％以上であるインホイールモータ駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記減速機がサイクロイド減速機であるインホイールモータ駆動装置。
【請求項４】
静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置を設計する方法であって、
上記モータは、低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上とすることを特徴とするインホイールモータ駆動装置の設計方法。
【請求項５】
請求項４において、上記モータは、上記ステータのコイル部を冷却液によって冷却する冷却媒体流路を有するものとし、上記モータの損失の内、銅損を２５％以上とするインホイールモータ駆動装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車に搭載されるモータ、減速機、および車輪用軸受が連結されたインホイールモータ駆動装置およびその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車で使用されるインホイールモータユニット形式のインホイールモータ駆動装置は、ハブベアリング等と呼ばれる車輪用軸受と、減速機と、モータとが連結され、モータの駆動トルクを、減速機で倍増（回転数では減速）し、車輪用軸受を介してタイヤに伝達する構成である。
この減速機には、遊星歯車を使用したものが用いられたりするが、乗り心地を確保するため、車体のばね下重量を極力軽くする構成が採られ、サイクロイド減速機が使用される（例えば、特許文献１）。またモータにおいても同様に、そのサイズは極力コンパクトに設計され、モータのパワー密度は大きくならざるを得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５８２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このようにコンパクト化を図る結果、減速機およびモータの信頼性確保が重要な課題となる。特にモータの冷却性能は課題のひとつであり、小さなサイズ内、すなわち小さな表面積での冷却が必要となる。付随する冷却ユニットのサイズが大きくなると同時に、この冷却のための消費エネルギは大きくなってしまう。
特に、電気自動車用モータでは、自動車の運転状況に応じてトルクと回転速度が変化する。定格出力は点ではなく、トルクと回転速度の面的な特性で表される。このモータに要求される特性は、(1) 低速域では短時間で最大トルクを発生させる必要がある、(2) 中速・高速域では最大出力で広範囲の可変速運転、等である。
特に、低速域で発生させる過大トルクは短時間であるが、その際のモータへのエネルギ投入量は大きい。いかに、モータ部での発熱を抑制、もしくは冷却することで、インホイールモータの信頼性を確保する必要がある。
【０００５】
上記インホイールモータ駆動装置は、モータや減速機が過負荷状態になると、温度が過度に上昇する。特に、サイクロイド方式とした高減速比を有する減速機を用いた場合、モータは高速回転までの回転数が必要となる反面、モータ自体のトルクは小さくできることが可能となり、モータの体格を小さくできることが特長となる。このようにモータを小型化できるが、モータ自体の出力は低減速比を有する減速機を用いた場合と変わらない。すなわち、モータからの発熱量は減速比を小さくとったものと同等となる。
よって、モータ自体の出力は低減速比を有する減速機を用いた場合と比較して、サイクロイド方式とした高減速比を有する減速機を用いた場合には、モータの体格が小さい中でモータの冷却を行わなければならないといった点が課題となる。
モータ部損失による熱量を極力抑えるか、もしくはモータ部の冷却方法についての提案はされてきているが、冷却しやすいモータ自体の構成については例がない。
【０００６】
この発明の目的は、車輪用軸受、モータ、および減速機を含むインホイールモータ駆動装置における、モータでの発熱を外部に放熱し易いようにしたモータの基本構成、およびその設計方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のインホイールモータ駆動装置は、静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域（Ｌｏ）で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置において、
上記モータの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域（Ｌ）で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域（ＬＨ）で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上であることを特徴とする。
なお、上記の「モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われる」とは、モータ全体の放熱量の少なくとも半分がステータからの放熱であることを言う。また、前記の
「低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域（Ｌ）」は、前記の「低速回転域（Ｌｏ）」である。
【０００８】
このようにモータの特性にかかる構造を設定し、冷却が比較的容易となるステータの発熱割合を配分することで、モータの冷却が困難なモータロータの発熱を抑制し、モータの全体の冷却を促進することができる。その結果、５以上の減速比を有する減速機と組み合わせて使用される高出力でありながら体格の小さい小型モータの冷却が可能となる。
【０００９】
この発明において、上記モータは、上記ステータのコイル部を冷却液によって冷却する冷却媒体流路を有し、上記モータの損失の内、銅損が２５％以上であることが好ましい。  モータは、ステータのコイル部からの放熱を促進するために、冷却液をコイルに直接もしくは間接的に流す構成にした上で、モータからの発熱をコイル部での損失とするようなモータ設計することで、モータからの発熱量を効率良く外部に放熱できて、小型モータの冷却が容易となる。特に、このコイル部での発熱量（損失量）、すなわち銅損をモータ部全体での損失における割合を２５％以上とすると、モータからの発熱量を効率良く外部に放熱できて、小型モータの冷却が容易となる。
【００１０】
この発明において、上記減速機がサイクロイド減速機であっても良い。サイクロイド減速機は高減速比を有するので、インホイールモータ駆動装置のコンパクト化が可能である。このような高い減速比の減速機を用いた場合に、この発明における、モータでの発熱を外部に放熱し易くした利点がより一層効果的に発揮される。
【００１１】
この発明のインホイールモータ駆動装置の設計方法は、静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置を設計する方法であって、
上記モータは、低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上とすることを特徴とする。
この設計方法によると、車輪用軸受、モータ、および減速機を含むインホイールモータ駆動装置につき、モータでの発熱を外部に放熱し易いものを製造することができる。
【００１２】
この発明の設計方法においても、上記モータは、上記ステータのコイル部を冷却液によって冷却する冷却媒体流路を有するものとし、上記モータの損失の内、銅損を２５％以上とすることが好ましい。これにより、モータからの発熱量をより効率良く外部に放熱できて、小型モータの冷却が容易となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のインホイールモータ駆動装置は、静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置において、上記モータの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上であるため、インホイールモータ駆動装置における、モータでの発熱を外部に放熱し易いという効果が得られる。
【００１４】
この発明のインホイールモータ駆動装置の設計方法は、静止側軌道輪および回転側軌道輪を有し前記回転側軌道輪に車輪が取付けられる車輪用軸受、この車輪用軸受の前記回転側軌道輪を回転駆動するモータ、並びにこのモータと上記車輪用軸受の回転側軌道輪との間に介在した５以上の減速比を有する減速機を有し、上記モータの性能は低速回転域で最大トルクを発生させるモータ特性を持ち、さらに上記モータの冷却は主にステータからの放熱によって行われるように構成されたインホイールモータ駆動装置を設計する方法であって、上記モータは、低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域で、かつ前記最大トルクの５０％以上の高出力領域で、銅損と鉄損から構成される上記モータでの損失の内、上記ステータでの損失が５０％以上としたため、車輪用軸受、モータ、および減速機を含むインホイールモータ駆動装置につき、モータでの発熱を外部に放熱し易いものを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施形態にかかるインホイールモータ駆動装置の断面図とそのモータのモータ特性線図とを示す図である。
【図２】図１のII-II 線に沿う断面図である。
【図３】同インホイールモータ駆動装置の減速機部の断面図である。
【図４】図３の部分拡大断面図である。
【図５】モータの特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１ないし図５に説明する。図１に、車両の車輪用軸受ＡとモータＢとの間に減速機Ｃを介在させ、車輪用軸受Ａで支持されるハブとモータＢの出力軸２４とを同軸心上で連結したインホイールモータ駆動装置を示す。これら車輪用軸受Ａ、モータＢ、および減速機Ｃは、互いに一つの組立部品としてユニット化されたインホイールモータユニットＵを構成する。減速機Ｃは、５倍以上の減速比を有するものとする。この例では、減速機Ｃは、サイクロイド減速機であって、モータＢの出力軸２４に同軸に連結される入力軸３２に偏心部３２ａ，３２ｂを形成し、偏心部３２ａ，３２ｂにそれぞれ軸受３５を介して曲線板３４ａ，３４ｂを装着し、曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動を車輪軸受Ａへ回転運動として伝達する構成である。
【００１７】
すなわち、減速機Ｃにつき、モータＢの回転を曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動とし、この偏心運動を回転運動としてハブに伝達するサイクロイド減速機とすることにより、コンパクトで大きな減速比が得られる減速機Ｃとこの減速機Ｃのコンパクトな配置構造を有するインホイールモータ駆動装置である。上記サイクロイド減速機Ｃは、部品点数が少なくコンパクトに設計でき、１段で１／１０以上の大きな減速比を得ることができる。
【００１８】
モータＢは、外部のコントローラ５１によって駆動され、その電流源はバッテリ（図示せず）によって供給される。コントローラ５１は、外部のアクセル（図示せず）から出力されるアクセル信号に従い、モータＢの駆動電流を制御するものである。また、コントローラ５１は、モータＢの回転数を回転センサ（図示せず）で検出し、モータＢの回転制御に利用する構成である。前記アクセルは、車両のアクセルペダル（図示せず）と、このアクセルペダルの踏み込み量を電気信号であるアクセル信号に変換するアクセル信号生成手段とで構成される。
【００１９】
このインホイールモータ駆動装置の機械部分の具体的構成例を説明する。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。車輪用軸受Ａは、軸受の転走面を形成した内方部材２がハブを構成する第３世代型の内輪回転タイプのハブベアリングとされている。
【００２０】
この車輪用軸受Ａは、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。内方部材２は、車両の車輪を取付けるハブを兼用する。この車輪用軸受Ａは、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転走面３，４は断面円弧状であり、各転走面３，４は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材１とハブ２との間の軸受空間のアウトボード側端は、シール部材７でシールされている。
【００２１】
外方部材１は静止側軌道輪となるものであって、減速機Ｃのハウジング３３のうちのアウトボード側のハウジング３３ｂに取付けるフランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ１ａには、周方向の複数箇所にボルト挿通孔１４が設けられている。また、ハウジング３３ｂには、ボルト挿通孔１４に対応する位置に、内周にねじが切られたボルト螺着孔４４が設けられている。ボルト挿通孔１４に挿通した取付ボルト１５をボルト螺着孔４４に螺着させることにより、外方部材１がハウジング３３ｂに取付けられる。
【００２２】
内方部材２は、車輪（図示せず）の取付用のハブフランジ９ａを有するアウトボード側材９と、このアウトボード側材９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材９に一体化されたインボード側材１０とでなる。これらアウトボード側材９およびインボード側材１０に、前記各列の転走面４が形成されている。インボード側材１０の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、周方向複数箇所にハブボルト１６の挿入孔１７が設けられている。アウトボード側材９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１３がアウトボード側に突出している。このパイロット部１３の内周には、前記貫通孔１１のアウトボード側端を塞ぐキャップ１８が取付けられている。
【００２３】
モータＢは、筒状のハウジング２２に固定したステータ２３と出力軸２４に取付けたロータ２５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型のものである。出力軸２４は、減速機Ｃのインボード側のハウジング３３ａの筒部に２つの軸受２６で片持ち支持されている。出力軸２４とハウジング３３ａ間の隙間のインボード側端は、シール部材でシールされている。ハウジング２２の周壁部には冷却媒体流路４５が全周に渡り設けられている。冷却媒体流路４５には、ポンプ等の供給駆動源（図示せず）により、油または水溶性の冷却剤等からなる冷却媒体が、循環させられる。
【００２４】
減速機Ｃは、上記のようにサイクロイド減速機であり、図３のように外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板３４ａ，３４ｂが、それぞれ軸受３５を介して入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着してある。これら各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン３６を、それぞれハウジング３３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材１０に取付けた複数の内ピン３８を、各曲線板３４ａ，３４ｂの内部に設けられた複数の円形の貫通孔３９に挿入状態に係合させてある。入力軸３２は、モータＢの出力軸２４とスプライン結合されて一体に回転する。なお、入力軸３２はインボード側のハウジング３３ａと内方部材２のインボード側材１０の内径面とに２つの軸受４０で両持ち支持されている。
【００２５】
モータＢの出力軸２４が回転すると、これと一体回転する入力軸３２に取付けられた各曲線板３４ａ，３４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動が、内ピン３８と貫通孔３９との係合によって、内方部材２に回転運動として伝達される。出力軸２４の回転に対して内方部材２の回転は減速されたものとなる。
【００２６】
前記２枚の曲線板３４ａ，３４ｂは、互いに偏心運動による振動が打ち消されるように１８０°位相をずらして入力軸３２の各偏心部３２ａ，３２ｂに装着され、各偏心部３２ａ，３２ｂの両側には、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動によって発生する回転軸に直交する軸回りの慣性偶力よる振動を打ち消すように、各偏心部３２ａ，３２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト４１が装着されている。
【００２７】
図４に拡大して示すように、前記各外ピン３６と内ピン３８には軸受４２，４３が装着され、これらの軸受４２，４３の外輪４２ａ，４３ａが、それぞれ各曲線板３４ａ，３４ｂの外周と各貫通孔３９の内周とに転接する。したがって、外ピン３６と各曲線板３４ａ，３４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン３８と各貫通孔３９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板３４ａ，３４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材２に回転運動として伝達することができる。
【００２８】
この車輪用軸受装置は、減速機Ｃのハウジング３３ｂまたはモータＢのハウジング２２の外周部で、ナックル等の懸架装置（図示せず）を介して車体に固定される。
【００２９】
図２は、モータの断面図（図１のII-II 断面）を示す。モータＢはロータ２５とステータ２３からなる。このモータＢは、ロータ２５とステータ２３との間にラジアルギャップを設けたラジルアギャップ型のＩＰＭモータ（すなわち埋込磁石型同期モータ）である。図示の例では、ロータ２５は軟質磁性材料からなるコア部２９と、このコア部２９に内蔵される永久磁石３０から構成される。永久磁石３０は、隣り合う２つの永久磁石がロータコア部２９内の同一円周上で断面ハ字状に向き合うように配列される。ステータ２３は軟質磁性材料からなるコア部２７とコイル２８で構成される。コア部２７は外周面が断面円形とされたリング状で、その内周面に内径側に突出する複数のティース２７ａが円周方向に並んで形成されている。コイル２８は、ステータコア部２７の前記各ティース２７ａに巻回されている。
【００３０】
モータＢは、電気自動車の走行性能から図５のような特性が求められるため、この実刑形態では次のように設計している。すなわち、図中Ｌｏ部で示される低速回転時の必要トルクは大きく、この運転状態でのモータからの発熱量は大きくなる。そこで、この実施形態では、モータＢの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域Ｌでは、モータＢの損失（発熱）を主にステータ２３で発生させ、さらにモータＢの冷却を主にステータ２３からの放熱によって行われるように構成する。なお、図５、図１ではＬｏ，Ｌを異ならせて図示しているが、例えば、「最大のトルクを発生させる回転数域（Ｌ）」は、前記「低速回転域（Ｌｏ）」である。
【００３１】
このようなモータＢの構成を採ることで、モータＢの発熱が抑制されモータＢの信頼性が向上する。特に、このモータＢの低速回転で最大のトルクを発生させる回転数域Ｌにおいて、モータ発熱が大きい。そのため、この実施形態では、この領域Ｌでの最大トルクでの５０％以上の高出力領域（図５中ＬＨＴ部）において、上述の構成を適用している。
また、この高出力領域ＬＨにおけるモータＢの損失（発熱）のうちステータ２３での損失を５０％以上となることが望ましく、この実施形態では、高出力領域ＬＨにおけるモータの損失（発熱）のうちステータ２３での損失を５０％以上としている。
さらに、モータＢはステータ２３のコイル２８を冷却液によって強制冷却させる構成とすることが望ましい。この場合、モータＢの損失の内、コイル２８での損失を全体の２５％以上であることが望ましい。そのため、この実施形態では、ステータ２３のコイル部２８を冷却液によって冷却する冷却媒体流路４５（図１）を有し、上記モータＢの損失の内、銅損を２５％以上としている。
【００３２】
なお、上記各実施形態は、一つの車輪におけるインホイールモータ駆動装置について説明したが、車両の各車輪を駆動するモータに対して、上記各実施形態で述べたインホイールモータ駆動装置が適用される。
また、上記各実施形態は、減速機Ｃがサイクロイド型である場合につき説明したが、この発明は、減速機Ｃを他の各種構成のものとした場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１…外方部材
２…内方部材（ハブ）
５…転動体
２３…ステータ
２４…出力軸
２５…ロータ
３２…入力軸
３２ａ，３２ｂ…偏心部
３４ａ，３４ｂ…曲線板
Ａ…車輪用軸受
Ｂ…モータ
Ｃ…減速機
【図１】
2011188539.tif 000003
【図２】
2011188539.tif 000004
【図３】
2011188539.tif 000005
【図４】
2011188539.tif 000006
【図５】
2011188539.tif 000007