JP2009516993A - マルチ入力、デュアル出力電気差動モータ伝動システム - Google Patents

マルチ入力、デュアル出力電気差動モータ伝動システム Download PDF

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Abstract

マルチ入力、デュアル出力電気差動モータ伝動システムに関する。マルチ入力、デュアル出力電気モータ伝動装置はリングギアと、リングギアを駆動するためのリングギアモータを含む。第１遊星ギアセットはリングギアに対する歯車回転のためのリングギアに係合され、第１太陽ギアは第１遊星ギアセットに対する歯車回転のための第１遊星ギアセットに係合されている。第１出力シャフトと第１電気モータが設けられ、第１出力シャフトが第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第１方のギアに結合され、第１電気モータの回転子は第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第２方のギアに結合されている。第１遊星ギアセットに類似した第２遊星ギアセットがリングギアに対する歯車回転のためのリングギアに係合されている。

Description

本発明は一般的にマルチ出力推進装置を内蔵する又は要求する種々の型の車両を推進するためのシステムに関する。特に、本発明は連続可変速度出力部及び装置を駆動するための蓄積エネルギー供給源を有する複数の複合電気モータ／伝動装置を使用した電気自動車用のモータ伝動（トランスミッション）システムに関する。
伝動装置の回転速度（ｒｐｍ）出力の広範囲で動力源の最大出力を伝達できる組合せ動力源(即ち、駆動)／伝動装置を発見することが長らく当業界での目標であった。更に、この最大動力が出力の回転速度の広範囲にわたって連続可変回転速度で伝動装置から又は伝動装置を組込んだ駆動装置から出力されることが望ましい。このような特性を可能にする伝動装置は無段速度伝動装置として当業界で知られている。本開示において用語“モータ／伝動装置”又は“組合せモータ／駆動装置”は伝動手段と同様に駆動手段(即ち、動力源)を含む装置の場合を説明するために使用されている。
既知の伝動装置は典型的には単一回転機械入力部及び単一回転機械出力部を含む。このような既知の伝動装置は、手動であれ自動であれ、典型的に一組のギアを採用できる。これらの伝動装置において、出力部の回転速度に対する入力部の回転速度の比率は一組のギアに依存する一組の固定値の一つである。これらの伝動装置は典型的には多数の部品、特に車両の推進力の多くの適用での望ましくない重量、及び伝動装置又は伝動装置を含む駆動装置内の多くの部品間の動力の複合的な伝達による高損失を伴っている。
差動装置及び遊星ギアユニットは伝動装置として当業界で知られている。伝動装置の既知の遊星ギアの型は内部太陽ギアと、外部リングギアと、太陽ギアとリングギア間で回転させるためハブにより保持された一組の遊星ギアを含んでいる。太陽ギアがリングギアに対して回転すると、遊星ギアはその間で回転し、ハブが太陽ギア及びリングギアと同軸的に回転する。遊星ギアユニットの代表的な従来技術の使用において、ハブは固定されており、太陽ギア又はリングギアは回転機械入力部として駆動され、他方は回転機械出力部として設けられている。代案として、太陽ギア又はリングギアは固定でき、他方は回転機械入力部又は出力部となり、ハブは回転機械入力部又は出力部の他方を提供している。
無段速度駆動伝動装置の１つの進歩はEdwardsに与えられた「デュアル入力無段速度インテグラルモータ伝動装置」と題する米国特許第５，０６７，９３２号に記載されている。（参照のためにそのまま本願に含まれる）この特許は２つの入力部を有し入力部の少なくとも１つが電気モータ素子と伝動ユニット素子の一体的に組合されている無段速度組合せモータ／伝動装置を提供している。一実施例において、２つのインテグラル電気モータが遊星ギアシステムでの３個のギアユニットの２つ（特に、リングギアと遊星ギアハブ）に入力部を提供し、第３ギアが無段可変機械出力部(この場合において太陽ギア)を提供している。
Edwards特許の重要な利点は発電機としての電気モータを使用して、即ち、再生ブレーキにより車両のブレーキ操作が可能なことである。電池駆動自動車の場合において、自動車の運動エネルギーは電池に逆充電される使用可能な電気に変換され、自動車の以後の推進のために得られる。例えば各車輪の小型軽量油圧ブレーキは車のためのバックアップ及び非常ブレーキとして充分である。組合せモータ／伝動装置の無段速度特性は特にこの目的のために有益であり、即ち、最大再生のために本装置を調整できる。総称用語において、これは機械的出力を入力に変換し、２つのモータ入力を２つの出力、即ち、１出力及び１入力に、変換することを含んでいる。
更なる進歩はTetherに与えられた米国特許第５，８５１，１６２号に記載されている。（参照することにより本願に含まれた）この特許は一般的に複数の出力推進装置を内蔵し又は要求する種々の型の車両を推進するためのシステムに関する。特に、Tether特許は連続可変速度出力部及び装置を駆動するための蓄積エネルギー供給源を有する複数の組合せ電気モータ／伝動装置を使用する電気自動車用のモータ伝動装置に関する。この装置は電気モータ伝動装置のコスト及び煩雑さを低減するために設計され、同時に制御の複雑さを低減している。
１つの具体例において、Tether特許は互いに固定的に接続された第１及び第２太陽ギアを有する太陽ギア装置を内蔵したマルチ入力、デュアル出力差動モータ伝動装置を提供し、第１及び第２太陽ギアは共通回転軸に沿って共に回転し、第１及び第２リングギア装置はそれぞれ第１及び第２ギア、及び第１及び第２組の遊星ギアを有する。第１組の遊星ギアは第１太陽ギアと第１リングギア間で内部で係合し、第２組の遊星ギアは第２太陽ギアと第２リングギア間で内部で係合している。第１太陽ギア及びリングギアはその間で内部係合された第１組の遊星ギアと同心円状に且つ独立して互いに相対的に回転可能である。第２太陽ギア及びリングギアはその間で内部係合された第２組の遊星ギアと同心円状に且つ独立して互いに相対的に回転可能である。第１及び第２太陽ギアの少なくとも１つ、第１リングギア、及び第２リングギアの回転は第１及び第２組の遊星ギアに相当するギアの少なくとも１つの自転公転運動が発生させる。
Tether特許は当技術界に有意に加わっているが、継続して、可動部品数を減少させ、より小さい空間での使用を可能にしているモータ伝動装置構成はこのような装置のますます多くの用途への採用を可能にするであろう。
本発明は第１及び第２遊星ギア駆動装置が単一のリングギアと共に設けられている電気モータ伝動装置及びシステムを提供する。本発明の利点は従来システムより高駆動入力及び出力を取扱うためより少ない可動部品及びより良好な特性を有する。本発明の装置及びシステムはモータ及び再生モードでそのような利点を提供できる。
第１の態様において、第１及び第２遊星ギア駆動装置を有するマルチ入力、デュアル出力、電気モータ伝動装置が提供される。本装置はリングギアと、リングギアを駆動するリングギアモータを有する。第１遊星ギアセットはリングギアに対して歯車回転のためのリングギアに係合され、第１太陽ギアは第１遊星ギアセットに対して歯車回転のための第１遊星ギアセットに係合されている。第１出力シャフトと第１電気モータが設けられ、第１出力シャフトが第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第１方のギアに結合され、第１電気モータのローターが第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第２方のギアに結合されている。第２遊星ギアセットもリングギアに対して歯車回転のためのリングギアに係合され、第２太陽ギアは第１遊星ギアセットに対して歯車回転のために第１遊星ギアセットに係合されている。第１出力シャフトと第２電気モータが設けられ、第２出力シャフトが第２遊星ギアセットと第２太陽ギアの第１方のギアに結合され、第２電気モータのローターは第２遊星ギアセットと第２太陽ギアの第２方のギアに結合されている。
更なる態様において、自動車の少なくとも２つの車輪を駆動するための差動モータ伝動システムが提供される。本システムはリングギアとリングギアを駆動するためのリングギアモータを有する。第１遊星ギアセットはリングギアに対して歯車回転のためのリングギアに係合され、第１太陽ギアは第１遊星ギアセットに対して歯車回転のための第１遊星ギアセットに係合されている。第１出力シャフトと第１電気モータは設けられ、第１出力シャフトは第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第１方のギアに結合され、第１電気モータのローターは第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第２方のギアに結合されている。第２遊星ギアセットはリングギアに対して歯車回転のためのリングギアに係合され、第２太陽ギアは第１遊星ギアセットに対して歯車回転のための第１遊星ギアセットに係合されている。第２出力シャフトと第２電気モータが設けられ、第２出力シャフトが第２遊星ギアセットと第２太陽ギアの第１方のギアに結合され、第２電気モータのローターは第２遊星ギアセットと第２太陽ギアの第２方のギアに結合されている。
図１に示されるように、本発明のシステム１０はマルチ入力、デュアル出力差動モータ伝動（トランスミッション）装置１２を有する。モータ伝動装置１２は第１出力シャフト１８と第２出力シャフト２０を有する統合モータ伝動ユニット１６を有する。統合モータ伝動ユニット１６は、更に後述されるように、リングギア装置、第１及び第２組の遊星ギア、及び第１及び第２太陽ギア装置を組み込んでいる。ここでは出力シャフトとして説明されているが、出力シャフト１６、１８はエネルギーを再生目的で統合モータ伝動ユニット１６に入力するため、又は、運動又は機械的エネルギーを、典型的には、電池を充電するために加えられる電気エネルギーに変換するために使用できる。
システム１０は３個の電気結線２２、２３、及び２４を介して例示の実施例において、統合モータ伝動ユニット１６内の少なくとも３個の電気モータジェネレータ（発電機）から動力を伝達する（再生モードで動力を受ける）制御ユニット１４を含むことができる。
マルチ入力、デュアル出力、差動モータ伝動装置１２の好ましい実施例が図２及び図３の分解図及び組立図にそれぞれに示されている。例示の実施例において、単一リングギア３０が内部歯車歯３６を有する統合モータ伝動ユニット１６に収容された２個の遊星ギアセットに設けられている。リングギア３０はリングギアに組込まれた統合リングギアモータ発電機ローター３２を有するリングギア電気モータ発電機により駆動できる。リングギアモータ発電機固定子３４はローター３２と協働するため統合モータ伝動ユニット１６の筐体に組込まれ、単一リングギアを駆動し、即ち、その運動から発電するリングギア電気モータ発電機を形成できる。電気モータ発電機とリングギアは（参照により本願に含まれる、Edwardsに与えられた）米国特許第５，０６７，９３２号の図４及び図５に関して記載された方法で一体化できる。
第１遊星ギアセット３８がモータ伝動装置１２の左側で、遊星歯車歯４０がリング歯車歯３６と噛合った状態で、リングギア３０と機械的に協働する状態で設けられている。リングギアと遊星ギアセット間のそのような協働状態の一例は参照により本願に含まれるTetherに与えられた米国特許第５，８５１，１６２号の図４に示される。このような遊星ギアセットは典型的には少なくとも１つの、典型的には、複数の遊星ギアが回転できる回転可能なハブを有する。同様に、第２遊星ギアセット４２は、モータ伝動装置１２の右側で、遊星ギアセット４２がリングギア歯３６と噛合った状態で、リングギア３０と機械的に協働して設けられている。
第１太陽ギア４６は、モータ伝動装置１２の左側で、太陽ギア歯４８が遊星ギア歯４０と噛合った状態で、第１遊星ギアセット３８と機械的に協働して設けられている。第１太陽ギア４６は強固に接続された第１太陽ギアローター５０と、第１太陽ギアローター５０と共に第１太陽モータ発電機を形成する第１太陽ギア固定子２５を有する。第２太陽ギア５４は、モータ伝動装置１２の右側で、太陽ギア歯５６が遊星ギア歯４４と噛合った状態で、第２遊星ギアセット４２と機械的に協働する状態で設けられている。第２太陽ギア５４は強固に接続された第２ギアローター５８と、第２太陽ギアローター５０と共に第２太陽ギアモータ発電機を形成する第２太陽ギア固定子６０を有する。
例示の実施例において、第１出力シャフト１８は第１遊星ギアセット３８に結合され、第２出力シャフト２０は第２遊星ギアセット４２に結合されている。この構成により、第１及び第２遊星ギア出力部が互いに独立して回転し、一般に差動軸として知られているものを提供する。
通常の技能者は、電気モータ伝動ユニット１２の片側で、太陽ギア及び遊星ギアの一方又は他方が電気モータ発電機を含み、他方のギアが出力シャフトに接続されることを認識するであろう。本発明のシステムは差動軸で２個の遊星ギア伝動駆動装置の単一リングギアを利用し、可動部品がより少なくなり、且つ従来可能であったよりより高い動力入力及び出力を取り扱う能力がより良くなる。
ステッピングモータ構成又はデジタル制御手段により容易に制御できる他の電気モータは時間の関数、従って、ギア速度の関数として駆動するギアの角度位置を制御するために特に有益である。当技術界で既知であるように、このようなモータのトルク出力は典型的にはゼロ又は低ｒｐｍで最大トルクから回転速度の増加と共に低下する。一方、典型的な出力はゼロから出力平坦値へｒｐｍの増加と共に急速に立ち上がる、即ち、出力は非常に広範囲のｒｐｍでこの平坦値に留まる。
このようなモータが本発明の伝動装置の入力部として採用されると、２つのモータ（第１シャフトを駆動するためのリング及び第１モータ、又は、第２シャフトを駆動するためのリング及び第２モータ）のピーク動力の和は、各モータがそのピーク出力で平坦値を提供するための最小速度以上の回転速度で駆動される場合に、出力部で効率的に得られる。
容易に理解されるように、本発明の伝動装置のこの総ピーク出力は任意の出力速度で得られる。従って、低出力速度で、出力トルクは非常に高い。
本発明の伝動装置は電池駆動車両で採用される駆動装置での使用に特に有利である。本装置は軽量で且つ効率的であり、所望の出力回転速度（ｒｐｍ）を与えるために容易に制御される。このような車両において、本発明の装置の２個の出力シャフトは車軸又は車輪に接続できるので、車両の２つの車輪は前輪又は後輪駆動自動車で一般的であるように駆動できる。
本発明の更なる有利な実施例において、１つ又は複数の電気モータは異なる動力装置構造に代替可能である。これによりハイブリッド差動モータ伝動システムを製造できる。例えば、リングギア電気モータは動力装置構造として自動車及びトラックに一般的に見られる内燃エンジンのような化石燃料モータと置換可能である。リングギア３０外面は動力装置の駆動シャフトに接続された駆動ギアと係合できる。
上述のハイブリッド差動モータ伝動装置の自動車への応用において、第１及び第２電気モータは短距離即ちシティ型ドライビング用にエネルギー供給できる。化石燃料モータ又は他の動力装置は長距離即ち幹線ドライビング又は本システムの電源を再充電するためにエネルギー供給できる。
本発明の駆動装置でのコンピュータ制御は、（参照によりそのままここに含まれる）２００６年３月１０日に出願公開された「動力発生、推進、及び使用制御を自動化するためのシステム及び方法」と題する（Christianらに与えられた）米国特許出願第２００６−０２０８５７０号に記載されたシステム及び方法を使用すると同様に、（参照によりすでに含まれた）米国特許第５，０６７，９３２号及び第５，８５１，１６１号に記載された原理に従って使用できる。（完全に電気又はハイブリッドであれ）本発明の差動モータ伝動装置の各出力の速度の個別制御は確実な加速のため、駆動車輪のけん引及び回転損失の回避、及び車両のブレーキ操作のために有効である。ハイブリッド型車両において、制御装置は第１及び第２電気モータを制御できるのみでなく、動力装置からリングギアへの機械的入力を監視し及び／又は制御できる。
特に、ブレーキ操作は発電機として使用される本発明の駆動装置により、即ち、再生ブレーキ操作により実行できる。電池駆動自動車の場合、車両の運動エネルギーは電池に逆充電され、即ち、以降の自動車推進のために得られる使用可能な電気に変換できる。本発明の組合せモータ／伝動装置の無段速度特性はこの目的に特に有益であり、即ち、装置を最大再生に調整できる。
上記の開示された発明及び例示の実施例において、本発明の更なる改造及び変形が当業者に想起されるであろう。このような改造及び変形の全ては、ここに添付された特許請求の範囲及びその均等物により規定されているように、本発明の範囲内にあると考慮される。
図１は本発明のマルチ入力、デュアル出力電気差動モータ伝動システムの図である。 図２は図１のシステムのマルチ入力、デュアル出力差動モータ伝動装置の分解図である。 図３は図１のシステムのマルチ入力、デュアル出力差動モータ伝動装置の組立図である。
符号の説明
１０ システム
１２ マルチ入力、デュアル出力差動モータ伝動装置
１４ 制御ユニット
１６ 統合モータ伝動ユニット
１８、２０ 出力シャフト
２２、２３、２４ 電気結線
３０ リングギア
３２ リングギア電動発電機回転子
３４ リングギア電動発電機固定子
３６ リングギア歯
３８、４２ 遊星ギアセット
４０、４４ 遊星ギア歯
４６、５４ 太陽ギア
４８ 太陽ギア歯
５０ 太陽ギア回転子
５２ 太陽ギア固定子
５６ 太陽ギア歯

Claims (16)

  1. リングギアと；
    前記リングギアを駆動するためのリングギアモータと；
    前記リングギアに対する歯車回転のため前記リングギアを係合させる第１遊星ギアセットと；
    前記第１遊星ギアセットに対する歯車回転のため前記第１遊星ギアセットを係合させる第１太陽ギアと；
    第１出力シャフトと；
    第１電気モータと；
    前記リングギアに対する歯車回転のための前記リングギアを係合させる第２遊星ギアセットと；
    前記第１遊星ギアセットに対する歯車回転のため前記第１遊星ギアセットを係合さる第２太陽ギアと；
    第２出力シャフトと；
    第２電気モータと；
    を具備し、
    前記第１出力シャフトが前記第１遊星ギアセットと前記第１太陽ギアの第１方の素子に結合され、前記第１電気モータの回転子が前記第１遊星ギアセットと第１太陽ギアの第２方の素子に結合され、前記第２出力シャフトが前記第２遊星ギアセットと前記第２太陽ギアの第１方の素子に接続され、前記第２電気モータの回転子が前記第２遊星ギアセットと前記第２太陽ギアの第２方の素子に結合されていることを特徴とするマルチ入力、デュアル出力電気モータ伝動装置。
  2. 前記リングギアモータが電気モータであり、前記リング電気モータの前記回転子が前記リングギアを具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 前記装置がハイブリッド装置であり、前記リングギアモータが電気モータ以外の動力装置であることを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 各電気モータが発電機として動作可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
  5. 各電気モータが発電機として動作可能であることを特徴とする請求項２記載の装置。
  6. 制御装置が前記装置の速度、トルク、及び再生特性を制御するために各電気モータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
  7. 制御装置が前記装置の速度、トルク、及び再生特性を制御するために各電気モータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
  8. 前記第１出力シャフトが前記第１遊星ギアセットに結合されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
  9. 前記第２出力シャフトが前記第２遊星ギアセットに結合されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
  10. 車両の少なくとも２つの車輪を駆動するための差動モータ伝動システムにおいて、
    リングギアと；
    前記リングギアを駆動するためのリングギアモータと；
    前記リングギアに対する歯車回転のため前記リングギアを係合させる第１遊星ギアセットと；
    前記第１遊星ギアセットに対する歯車回転のため前記第１遊星ギアセットを係合させる第１太陽ギアと；
    第１出力シャフトと；
    第１電気モータと；
    前記リングギアに対する歯車回転のため前記リングギアを係合させる第２遊星ギアセットと；
    前記第１遊星ギアセットに対する歯車回転のため前記第１遊星ギアセットを係合させる第２太陽ギアと；
    第２出力シャフトと；
    第２電気モータと；
    を具備し、前記第１出力シャフトが前記第１遊星ギアセットと前記第１太陽ギアの第１方の素子に結合され、前記第１電気モータのローターが前記第１遊星ギアセットと前記第１太陽ギアの第２方の素子に結合され、前記第２出力シャフトが前記第２遊星ギアセットと前記第２太陽ギアの第１方の素子に結合され、前記第２電気モータの回転子が前記第２遊星ギアセットと前記第２太陽ギアの第２方の素子に結合されていることを特徴とするシステム。
  11. 前記車両に所望の駆動及び再生特性を提供するために前記第１及び第２電気モータと前記リングギアモータの出力を制御するための制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１０記載のシステム。
  12. 前記リングギアモータが電気モータであり、前記リングギア電気モータの前記回転子が前記リングギアを具備することを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  13. 前記装置がハイブリッド装置であり、前記リングギアモータが電気モータ以外の動力装置であることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  14. 前記動力装置が内燃エンジンであることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
  15. 前記第１出力シャフトが前記第１遊星ギアセットに結合されていることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  16. 前記第２出力シャフトが前記第２遊星ギアセットに結合されていることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
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