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

Description

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の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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