JP6301125B2 - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、インホイールモータ駆動装置に関する。

従来のインホイールモータ駆動装置は、例えば、特開２０１２−１４８７２５号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されているインホイールモータ駆動装置は、駆動力を発生させるモータ部と、車輪に接続する車輪用軸受部と、モータ部と車輪用軸受部との間に配置され、モータ部の回転を減速して車輪用軸受部に伝達する減速部とを備えている。

上記のインホイールモータ駆動装置は、装置のコンパクト化の観点からモータ部には低トルクで高回転型のモータが採用されている。一方、車輪用軸受部には、車輪を駆動するために大きなトルクが必要となるため、コンパクトで高い減速比が得られるサイクロイド減速機が採用されている。

モータ部は、ケーシングに固定されたステータと、ステータの内側に径方向の隙間をもって対向する位置に配置されるロータと、ロータの内側に連結固定されてロータと一体回転するモータ回転軸とを備えるラジアルギャップモータである。中空構造のモータ回転軸は、軸方向両端部を一対の転がり軸受によって回転自在にケーシングに支持されている。

サイクロイド減速機を適用した減速部は、一対の偏心部を有する減速機入力軸と、偏心部に配置される一対の曲線板と、曲線板の外周面に係合して曲線板に自転運動を生じさせる複数の外周係合部材と、曲線板の自転運動を減速機出力軸に伝達する複数の内ピンを主な構成とする。前述したモータ回転軸は、減速機入力軸にスプラインで連結されている。

特開２０１２−１４８７２５号公報

ところで、インホイールモータ駆動装置は、ホイールハウジングの内部に収められ、ばね下荷重となるため、小型軽量化が必須である。ところが、モータの出力トルクは、モータの体格に比例するため、モータ単体で車両の駆動に必要なトルクを発生させようとすると、大型のモータが必要になり、重量増となる。そこで、減速機をモータと組み合わせることでモータの小型化を図ることができる。小型のモータとするために減速比を大きくしていくと、必然的に高回転が必要になり、例えば、減速比１１の減速機を用いた場合、１５０００ｍｉｎ^-1程度の高回転が要求される。

インホイールモータ駆動装置は、車両のばね下に搭載され、インホイールモータ駆動装置の振動は、車両の乗り心地に大きく影響する。また、０速から高速域まで変化するため、懸架装置周辺の共振と強制振動成分が交差するポイントでは、可聴域の振動および車内騒音を引き起こし、乗員に不快感を及ぼす可能性がある。したがって、すべての振動の由来となる回転１次強制振動成分を抑制することが、車両の静粛性に大きく貢献できる。

上記の問題について、特許文献１に記載されたインホイールモータ駆動装置は、改善の余地が残っている。

本発明は、上記の問題に鑑みて提案されたものであって、小型・軽量で、静粛性に優れ、耐久性を向上させたインホイールモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、インホイールモータ駆動装置のロータを装着したモータ回転軸を種々の観点から検討し、見出された以下の知見に基づいている。

（１）加工性
高速スピンドルであるロータを装着したモータ回転軸の不釣合い量の調整は、振動抑制対策として必須であり、自動車用量産装置として調整のし易さはコストに影響する。具体的には、不釣合い調整方法は、錘を追加して調整する方法と、スピンドルのある一部分を削って調整する方法がある。高速回転体への錘の追加は、回転時に錘が飛散する恐れがあるので、一般的には削って調整する方法が選択される。

不釣合いの調整は、ロータを装着したモータ回転軸として組立が完了した時点で行われるので、熱処理後に削る作業が行われる。不釣合いの調整を行う面の硬度が高い場合は、削りにくく難加工となる。難加工性は加工工程のサイクルタイムが長くなるので、コストアップとなる。これに対して、不釣合いの調整を行う面の硬度が低く、生材に近い硬度であれば削りやすく加工が良好である。良好な加工性は加工工程のサイクルタイムが低減され、低コスト化が可能となる。また、生材で良好な加工性を有する鋼種としては低炭素鋼が望ましい。

一方で、高速スピンドルには嵌合部の耐摩耗性を高めるため熱処理を行い、表面硬度を高くすることが行われる。したがって、加工性の良さと熱処理性の良さとの相反する要求を両立させることが望ましいことが判明した。

（２）耐摩耗性
ロータを装着したモータ回転軸は、転がり軸受で両端支持されるモータ回転軸と、磁石と珪素鋼板からなるロータとからなり、モータ回転軸とロータの嵌め合いは、遠心力による膨張および熱膨張が考慮された締め代が選定され、しまり嵌めや焼嵌めが好ましい。しまり嵌めの場合、組立時、モータ回転軸の外径部とロータの内径部が接触しながら圧入されるため、モータ回転軸の外径部には接触部分の耐摩耗性の向上を目的として高い表面硬度が必要となる。

また、モータ回転軸を支持する転がり軸受は、振動対策の観点から、軸受内輪とモータ回転軸との間は、しまり嵌めが望ましく、組立時に軸受がモータ回転軸との嵌め合い部分を傷つけないように、モータ回転軸の嵌め合い部分には高い表面硬度が必要となる。

さらに、インホイールモータ駆動装置は、モータ部と減速部が結合することによりコンパクト化を実現しており、そのトルク伝達部であるスプライン嵌合部は、耐摩耗性および強度が要求され、表面処理もしくは熱処理が必須である。したがって、熱処理しやすい方が好ましいことが分かった。

（３）強度
モータ回転軸には、高速回転時の変形にも耐えうる靱性も要求される。高い表面硬度と中心部の靱性が得られる材料としては、浸炭焼入れを行う肌焼き鋼および高周波焼入れを行う中炭素鋼が挙げられる。表面硬度の観点から、高炭素クロム軸受鋼の選定対象となるが、ずぶ焼入れの場合、モータ回転軸のような大径部を有する形状では焼入れ後の急冷工程において、中心部と表面部の温度勾配から焼き割れが生じる可能性があることが判明した。

（４）コスト
材料は入手性が良く、廉価であることが好ましい。高強度な材料として高炭素クロム軸受鋼が挙げられるが、コスト高である。その他、中炭素鋼の高周波焼入れがあるが、この場合、専用の加熱コイルを製作する必要があり形状の小変更への対応の柔軟性に欠ける。これに対して、肌焼き鋼の浸炭焼入れは、形状の小変更に対する柔軟性を有し、かつ、モータ回転軸の熱処理部位と熱処理をしない部位の区分が簡便であり、さらに、生材の加工性や熱処理のしやすさの点で、肌焼き鋼が望ましいことが判明した。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、モータ部と、減速部と、車輪用軸受部と、ケーシングとを備え、前記モータ部が、前記ケーシングに固定されたステータと、複数の転がり軸受を介して前記ケーシングに回転自在に支持されるモータ回転軸と、このモータ回転軸に装着されたロータとからなり、前記モータ部のモータ回転軸が前記減速部の減速機入力軸を回転駆動し、この減速機入力軸の回転を減速して減速機出力軸に伝達し、前記車輪用軸受部が前記減速機出力軸に連結されたインホイールモータ駆動装置において、前記モータ回転軸が肌焼き鋼で形成され、熱処理として浸炭焼入れ焼戻しが施されており、前記モータ回転軸に前記ロータの一端部を軸方向に拘束する鍔部を形成し、前記ロータの他端部に当接する挟持部材を設け、前記ロータを前記鍔部と前記挟持部材とにより挟持して前記モータ回転軸に装着し、前記鍔部に不釣合い調整用の低硬度部を形成したことを特徴とする。

上記の構成により、加工性や嵌め合い部の耐摩耗性に優れ、必要な表面硬度と靱性を有し、不釣合い調整が容易で、コスト面で有利なモータ回転軸を備え、小型・軽量で、静粛性に優れ、耐久性を向上させたインホイールモータ駆動装置を実現できる。特に、モータ回転軸にロータの一端部が当接する鍔部を形成し、ロータの他端部に当接する挟持部材を設け、ロータを鍔部と挟持部材とにより挟持してモータ回転軸に装着し、鍔部に不釣合い調整用の低硬度部を形成することにより、不釣合い修正用の面を外径側に形成できるので、不釣合い調整のための切削量を少なくでき、不釣合い調整が容易で、かつコスト低減を図ることができる。

上記の低硬度部を防炭処理により形成することができる。これにより、モータ回転軸の形状の小変更に柔軟に対応でき、かつ、熱処理部位と熱処理しない部位の区別が簡便であり、コスト面で有利となる。

上記のロータを装着したモータ回転軸の不釣合い調整後の許容残留比不釣合いを０．５〜５とすることが好ましい。これにより、車内の振動を抑制し、静粛性に優れ、乗員の不快感等の発生を防止することができる。

上記の挟持部材を回転部材と別の材料で形成することができる。これにより、不釣合い調整のための切削加工による切粉がロータに吸着しないように、非磁性材料で、かつ比重が高い材料を選定することができる。

上記の挟持部材をオーステナイト系ステンレスとすることが好ましい。これにより、非磁性材料で、かつ比重が高く、コスト面で有利となる。

本発明のインホイールモータ駆動装置によれば、小型・軽量で、静粛性に優れ、耐久性を向上させたインホイールモータ駆動装置を実現できる。

本発明の一実施形態に係るインホイールモータ駆動装置を示す図である。 図１のＯ−Ｏにおける横断面図である。 図１の曲線板に作用する荷重を示す説明図である。 図１の回転ポンプの横断面図である。 図１のロータを装着したモータ回転軸を拡大した縦断面図である。 図１のインホイールモータ駆動装置を搭載した電気自動車の平面図である。 図６の電気自動車の後方断面図である。

本発明の一実施形態に係るインホイールモータ駆動装置を図１〜図７に基づいて説明する。

図６は、本発明の実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１を搭載した電気自動車１１の概略平面図であって、図７は、電気自動車を後方から見た概略断面図である。図６に示すように、電気自動車１１は、シャーシ１２と、操舵輪としての前輪１３と、駆動輪としての後輪１４と、左右の後輪１４それぞれに駆動力を伝達するインホイールモータ駆動装置２１とを備える。図７に示すように、後輪１４は、シャーシ１２のホイールハウジング１２ａの内部に収容され、懸架装置（サスペンション）１２ｂを介してシャーシ１２の下部に固定されている。

懸架装置１２ｂは、左右に延びるサスペンションアームによって後輪１４を支持すると共に、コイルスプリングとショックアブソーバとを含むストラットによって、後輪１４が地面から受ける振動を吸収してシャーシ１２の振動を抑制する。さらに、左右のサスペンションアームの連結部分には、旋回時等の車体の傾きを抑制するスタビライザが設けられる。懸架装置１２ｂは、路面の凹凸に対する追従性を向上し、駆動輪の駆動力を効率よく路面に伝達するために、左右の車輪を独立して上下させることができる独立懸架式とするのが望ましい。

この電気自動車１１は、ホイールハウジング１２ａ内部に、左右の後輪１４それぞれを駆動するインホイールモータ駆動装置２１を設けることによって、シャーシ１２上にモータ、ドライブシャフトおよびデファレンシャルギヤ機構等を設ける必要がなくなるので、客室スペースを広く確保でき、かつ、左右の駆動輪の回転をそれぞれ制御することができるという利点を備えている。

電気自動車１１の走行安定性およびＮＶＨ特性を向上するために、ばね下重量を抑える必要がある。また、さらに広い客室スペースを確保するために、インホイールモータ駆動装置２１の小型化が求められる。そこで、図１に示すように、本実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１を採用する。

本発明の一実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１を図１〜図５に基づいて説明する。図１はインホイールモータ駆動装置２１の概略縦断面図、図２は図１のＯ−Ｏにおける横断面図、図３は曲線板に作用する荷重を示す説明図、図４は回転ポンプの横断面図、図５はロータを装着したモータ回転軸を拡大した縦断面図である。本実施形態に係るインホイールモータ駆動装置の特徴的な構成を説明する前に全体構成を説明する。

図１に示すように、インホイールモータ駆動装置２１は、駆動力を発生させるモータ部Ａと、モータ部Ａの回転を減速して出力する減速部Ｂと、減速部Ｂからの出力を駆動輪１４に伝達する車輪用軸受部Ｃとを備え、モータ部Ａと減速部Ｂはケーシング２２に収納されて、図７に示すように電気自動車１１のホイールハウジング１２ａ内に取り付けられる。本実施形態では、ケーシング２２は、モータ部Ａと減速部Ｂとで分割可能な構造とし、ボルトで締結されている。本明細書および特許請求の範囲において、ケーシング２２とは、モータ部Ａが収容されたケーシング部分と減速部Ｂが収容されたケーシング部分の両方を指すものとする。

モータ部Ａは、ケーシング２２に固定されているステータ２３ａと、ステータ２３ａの内側に径方向の隙間をもって対向する位置に配置されるロータ２３ｂと、ロータ２３ｂの内側に連結固定されてロータ２３ｂと一体回転するモータ回転軸２４とを備えるラジアルギャップモータである。

中空構造のモータ回転軸２４は、ロータ２３ｂの内径面に嵌合固定されて一体回転すると共に、モータ部Ａ内で軸方向一方側端部（図１の右側）を転がり軸受３６ａに、軸方向他方側端部（図１の左側）を転がり軸受３６ｂによって回転自在に支持されている。

減速機入力軸２５は、その軸方向一方側略中央部（図１の右側）が転がり軸受３７ａに、軸方向他方側端部（図１の左側）を転がり軸受３７ｂによって、減速機出力軸２８に対して回転自在に支持されている。減速機入力軸２５は、減速部Ｂ内に偏心部２５ａ、２５ｂを有する。２つの偏心部２５ａ、２５ｂは、偏心運動による遠心力を互いに打ち消し合うために、１８０°位相を変えて設けられている。

モータ回転軸２４と減速機入力軸２５とは、スプライン（セレーションを含む。以下同じ。）嵌合によって連結され、モータ部Ａの駆動力が減速部Ｂに伝達される。このスプライン嵌合部は、減速機入力軸２５がある程度傾いても、モータ回転軸２４への影響を抑制するように構成されている。

減速部Ｂは、偏心部２５ａ、２５ｂに回転自在に保持される公転部材としての曲線板２６ａ、２６ｂと、曲線板２６ａ、２６ｂの外周部に係合する外周係合部材としての複数の外ピン２７と、曲線板２６ａ、２６ｂの自転運動を減速機出力軸２８に伝達する運動変換機構と、偏心部２５ａ、２５ｂに隣接する位置にカウンタウェイト２９とを備える。

減速機出力軸２８は、フランジ部２８ａと軸部２８ｂとを有する。フランジ部２８ａの端面には、減速機出力軸２８の回転軸心を中心とする円周上に等間隔に内ピン３１を固定する孔が形成されている。また、軸部２８ｂは、車輪用軸受部Ｃの内方部材としてのハブ輪３２にスプライン嵌合によって連結され、減速部Ｂの出力を車輪１４に伝達する。

図２に示すように、曲線板２６ａは、外周部にエピトロコイド等のトロコイド系曲線で構成される複数の波形を有し、一方側端面から他方側端面に貫通する複数の貫通孔３０ａと、貫通孔３０ｂを有する。貫通孔３０ａは、曲線板２６ａの自転軸心を中心とする円周上に等間隔に複数個設けられており、後述する内ピン３１を受け入れる。また、貫通孔３０ｂは、曲線板２６ａの中心に設けられており、偏心部２５ａに嵌合する。

曲線板２６ａは、転がり軸受４１によって偏心部２５ａに対して回転自在に支持されている。図２に示すように、転がり軸受４１は、偏心部２５ａの外径面に嵌合し、その外径面に内側軌道面４２ａを有する内輪４２と、曲線板２６ａの貫通孔３０ｂの内径面に直接形成された外側軌道面４３と、内側軌道面４２ａと外側軌道面４３の間に配置される複数の円筒ころ４４と、円筒ころ４４を保持する保持器（図示省略）とを備える円筒ころ軸受である。また、内輪４２は、内側軌道面４２ａの軸方向両端部から径方向外側に突出する鍔部を有する。

図２に示すように、外ピン２７は、減速機入力軸２５の回転軸心を中心とする円周上に等間隔に設けられている。曲線板２６ａ、２６ｂが公転運動すると、曲線形状の波形と外ピン２７とが係合して、曲線板２６ａ、２６ｂに自転運動を生じさせる。外ピン２７は、針状ころ軸受２７ａ（図１参照）によって外ピンハウジング６０に回転自在に支持されている。これにより、曲線板２６ａ、２６ｂとの間の接触抵抗を低減することができる。

カウンタウェイト２９（図１参照）は、略扇形状で、減速機入力軸２５と嵌合する貫通孔を有し、曲線板２６ａ、２６ｂの回転によって生じる不釣合い慣性偶力を打ち消すために、各偏心部２５ａ、２５ｂに隣接する位置に偏心部２５ａ、２５ｂと１８０°位相を変えて配置される。

図１に示すように、運動変換機構は、減速機出力軸２８に保持された複数の内ピン３１と、曲線板２６ａ、２６ｂに設けられた貫通孔３０ａとで構成される。内ピン３１は、減速機出力軸２８の回転軸心を中心とする円周上に等間隔に設けられており（図２参照）、その軸方向一方側端部が減速機出力軸２８に固定されている。また、曲線板２６ａ、２６ｂとの摩擦抵抗を低減するために、曲線板２６ａ、２６ｂの貫通孔３０ａの内壁面に当接する位置に針状ころ軸受３１ａが設けられている。

内ピン３１の軸方向他方側端部には、スタビライザ３１ｂが設けられている。スタビライザ３１ｂは、円環形状の円環部３１ｃと、円環部３１ｃの内径面から軸方向に延びる円筒部３１ｄとを含む。複数の内ピン３１の軸方向他方側端部は、円環部３１ｃに固定されている。曲線板２６ａ、２６ｂから一部の内ピン３１に負荷される荷重はスタビライザ３１ｂを介して全ての内ピン３１によって支持されるため、内ピン３１に作用する応力を低減させ、耐久性を向上させることができる。

貫通孔３０ａは、複数の内ピン３１のそれぞれに対応する位置に設けられ、貫通孔３０ａの内径寸法は、内ピン３１の外径寸法（「針状ころ軸受３１ａを含む最大外径」を指す。以下同じ。）より所定寸法大きく設定されている。

曲線板２６ａ、２６ｂに作用する荷重の状態を図３に基づいて説明する。偏心部２５ａの軸心Ｏ₂は減速機入力軸２５の軸心Ｏから偏心量ｅだけ偏心している。偏心部２５ａの外周には、曲線板２６ａが取り付けられ、偏心部２５ａは曲線板２６ａを回転自在に支持するので、軸心Ｏ₂は曲線板２６ａの軸心でもある。曲線板２６ａの外周は波形曲線で形成され、径方向に窪んだ波形の凹部３４を周方向等間隔に有する。曲線板２６ａの周囲には、凹部３４と係合する外ピン２７が、軸心Ｏを中心として周方向に複数配設されている。

図３において、減速機入力軸２５と共に偏心部２５ａが紙面上で反時計周りに回転すると、偏心部２５ａは軸心Ｏを中心とする公転運動を行うので、曲線板２６ａの凹部３４が、外ピン２７と周方向に順次当接する。この結果、矢印で示すように、曲線板２６ａは、複数の外ピン２７から荷重Ｆｉを受けて、時計回りに自転する。

また、曲線板２６ａには貫通孔３０ａが軸心Ｏ₂を中心として周方向に複数配設されている。各貫通孔３０ａには、軸心Ｏと同軸に配置された減速機出力軸２８と結合する内ピン３１が挿通する。貫通孔３０ａの内径は、内ピン３１の外径よりも所定寸法大きいため、内ピン３１は曲線板２６ａの公転運動の障害とはならず、内ピン３１は曲線板２６ａの自転運動を取り出して減速機出力軸２８を回転させる。このとき、減速機出力軸２８は、減速機入力軸２５よりも高トルクかつ低回転数になり、図３に矢印で示すように、曲線板２６ａは、複数の内ピン３１から荷重Ｆｊを受ける。これらの複数の荷重Ｆｉ、Ｆｊの合力Ｆｓが減速機入力軸２５にかかる。

合力Ｆｓの方向は、曲線板２６ａの波形形状、凹部３４の数などの幾何学的条件や遠心力の影響により変化する。具体的には、自転軸心Ｏ₂と軸心Ｏとを結ぶ直線Ｙと直角であって軸心Ｏ₂を通過する基準線Ｘと、合力Ｆｓとの角度αは概ね３０°〜６０°で変動する。

上記の複数の荷重Ｆｉ、Ｆｊは、減速機入力軸２５が１回転（３６０°）する間に荷重の方向や大きさが変り、その結果、減速機入力軸２５に作用する合力Ｆｓも荷重の方向や大きさが変動する。そして、減速機入力軸２５が１回転すると、曲線板２６ａの波形の凹部３４が減速されて１ピッチ時計回りに回転し、図３の状態になり、これを繰り返す。

図１に示すように、車輪用軸受部Ｃの車輪用軸受３３は、ハブ輪３２の外径面に直接形成した内側軌道面３３ｆと外径面の小径段部に嵌合された内輪３３ａとで内方部材を形成し、ケーシング２２の内径面に嵌合固定された外輪３３ｂと、内側軌道面３３ｆ、内輪３３ａおよび外輪３３ｂの間に配置された転動体としての複数の玉３３ｃと、隣接する玉３３ｃの間隔を保持する保持器３３ｄと、車輪用軸受３３の軸方向両端部を密封するシール部材３３ｅとを備えた複列アンギュラ玉軸受である。

次に、潤滑機構を説明する。この潤滑機構は、モータ部Ａの冷却のために潤滑油を供給すると共に減速部Ｂに潤滑油を供給するものである。図１に示す潤滑油路２４ａ、２５ｃ、潤滑油供給口２４ｂ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、潤滑油排出口２２ｂ、潤滑油貯留部２２ｄ、潤滑油路２２ｅ、回転ポンプ５１および循環油路４５を主な構成とする。潤滑機構内に付した白抜き矢印は潤滑油の流れる方向を示す。

モータ回転軸２４の潤滑油路２４ａに接続された潤滑油路２５ｃは、減速機入力軸２５の内部を軸線方向に沿って延びている。潤滑油供給口２５ｄ、２５ｅは、潤滑油路２５ｃから減速機入力軸２５の外径面に向って延び、潤滑油供給口２５ｆは、減速機入力軸２５の軸端部から回転軸心方向に軸端面に向って延びている。

減速部Ｂの位置におけるケーシング２２の少なくとも１箇所には、減速部Ｂ内部の潤滑油を排出する潤滑油排出口２２ｂが設けられ、吐出された潤滑油を一時的に貯留する潤滑油貯留部２２ｄが設けられている。

図１に示すように、循環油路４５は、ケーシング２２の内部を軸方向に延びる軸方向油路４５ａと、軸方向油路４５ａの軸方向一端部（図１の右側）に接続されて径方向に延びる径方向油路４５ｃと、軸方向油路４５ａの軸方向他端部（図１の左側）に接続されて径方向に延びる径方向油路４５ｂとで構成される。

潤滑油を強制的に循環させるために、潤滑油貯留部２２ｄに接続する潤滑油路２２ｅと循環油路４５との間に回転ポンプ５１が設けられている。径方向油路４５ｂは回転ポンプ５１から圧送された潤滑油を軸方向油路４５ａに供給し、軸方向油路４５ａから径方向油路４５ｃを経て潤滑油を潤滑油路２４ａ、２５ｃに供給する。

図４に示すように、回転ポンプ５１は、減速機出力軸２８の回転を利用して回転するインナーロータ５２と、インナーロータ５２の回転に伴って従動回転するアウターロータ５３と、ポンプ室５４と、潤滑油路２２ｅに連通する吸入口５５と、循環油路４５の径方向油路４５ｂに連通する吐出口５６とを備えるサイクロイドポンプである。回転ポンプ５１をケーシング２２内に配置することによって、インホイールモータ駆動装置２１全体としての大型化を防止することができる。

インナーロータ５２は、回転中心ｃ₁を中心として回転し、一方、アウターロータ５３は、回転中心ｃ₂を中心として回転する。インナーロータ５２およびアウターロータ５３はそれぞれ異なる回転中心ｃ₁、ｃ₂を中心として回転するので、ポンプ室５４の容積は連続的に変化する。これにより、吸入口５５から流入した潤滑油が吐出口５６から径方向油路４５ｂに圧送される。

モータ部Ａの冷却として、図１に示すように、循環油路４５から潤滑油路２４ａに還流された潤滑油の一部が、遠心力によって潤滑油供給口２４ｂからロータ２３ｂを冷却し、その後、潤滑油が飛散してステータ２３ａを冷却する。

減速部Ｂの潤滑として、潤滑油路２５ｃの潤滑油は、減速機入力軸２５の回転に伴う遠心力および圧力によって潤滑油供給口２５ｄ、２５ｅから減速部Ｂに流出する。潤滑油供給口２５ｄから流出した潤滑油は、曲線板２６ａ、２６ｂを支持する円筒ころ軸受４１、さらに、遠心力により、曲線板２６ａ、２６ｂと内ピン３１との当接部分および曲線板２６ａ、２６ｂと外ピン２７との当接部分等を潤滑しながら径方向外側に移動する。潤滑油供給口２５ｅ、２５ｆから流出した潤滑油は、減速機入力軸２５を支持する深溝玉軸受３７ａ、３７ｂ、さらに、内部の軸受や当接部分に供給される。

ケーシング２２の内壁面に到達した潤滑油は、潤滑油排出口２２ｂから排出されて潤滑油貯留部２２ｄに貯留される。潤滑油吐出口２２ｂと回転ポンプ５１との間に潤滑油貯留部２２ｄが設けられているので、回転ポンプ５１によって排出しきれない潤滑油が一時的に発生しても、潤滑油貯留部２２ｄに貯留しておくことができる。その結果、減速部Ｂのトルク損失の増加を防止することができる。一方、潤滑油排出口２２ｂに到達する潤滑油量が少なくなっても、回転ポンプ５１は、潤滑油貯留部２２ｄに貯留されている潤滑油を潤滑油路２４ａ、２５ｃに還流することができる。潤滑油は、遠心力に加えて重力によって移動する。したがって、潤滑油貯留部２２ｄがインホイールモータ駆動装置２１の下部に位置するように、電気自動車１１に取り付けるのが望ましい。

本実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１の全体構成は、前述したとおりであるが、その特徴的な構成を以下に説明する。

図１に示すように、モータ部Ａは、ケーシング２２にステータ２３ａが固定され、ステータ２３ａの内側で径方向の隙間をもって対向する位置にロータ２３ｂが配置されている。ロータ２３ｂは、モータ回転軸２４の外側に嵌合固定され、モータ回転軸２４と一体に回転する。

モータ回転軸２４は、ケーシング２２内で軸方向一方側端部（図１の右側）を転がり軸受としての深溝玉軸受３６ａに、軸方向他方側端部（図１の左側）を転がり軸受としての深溝玉軸受３６ｂによって回転自在に支持されている。

モータ回転軸２４は、前述したように、１５０００ｍｉｎ^-1程度で高速回転する。振動対策の観点から、深溝玉軸受３６ａ、３６ｂの内輪３６ａ１、３６ｂ１とモータ回転軸２４との間の嵌め合いは、中間嵌めもしくはしまり嵌めとし、深溝玉軸受３６ａ、３６ｂの外輪３６ａ２、３６ｂ２とケーシング２２との間の嵌め合いは、すきま嵌めとしている。深溝玉軸受３６ａ、３６ｂには軸方向に予圧が付与されている。

図５にモータ回転軸およびロータを拡大した縦断面を示す。モータ回転軸２４は、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０等の肌焼き鋼からなり、浸炭焼入れ焼戻しが施されている。熱処理硬化層Ｈをクロスハッチングで示す。モータ回転軸２４の浸炭焼入れ焼戻しを施した表面はＨＲＣ６２〜６６．５の高硬度となっている。一方、中心部の硬度はＨＲＣ２９〜３８程度である。

モータ回転軸２４の大径外径部６１は、ロータ２３ｂが嵌合する部分で、一方の端部にロータ２３ｂを軸方向に拘束する鍔部６２が形成されている。鍔部６２の外側面６２ａは、防炭処理が施され、この部分の硬度はＨＲＣ２９〜３８程度である。モータ回転軸２４の大径外径部６１とロータ２３ｂの内径部との嵌め合いは、遠心力による膨張と熱膨張が考慮された締め代が選定され、しまり嵌めや焼嵌めとしている。しまり嵌めの場合、モータ回転軸２４の大径外径部６１とロータ２３ｂの内径部は接触しながら圧入されるが、大径外径部６１は、高い表面硬度で形成されているので、接触部分の摩耗を防止することができる。

ロータ２３ｂを大径外径部６１の鍔部６２に当接するまで圧入した後、ロータ２３ｂの他方の端部に別体の挟持部材６３を当てボルト６４で締め付け固定する。このようにして、ロータ２３ｂはモータ回転軸２４に装着される。挟持部材６３には、後述する不釣合い調整のための切削加工による切粉がロータ２３ｂに吸着しないように非磁性材料で、かつ比重が高い材料を選定する。挟持部材６３の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼が望ましい。挟持部材６３の材料として、アルミニウムは比重が低く好ましくない。また、比重が高く、かつ非磁性材料とタングステンや銅でもよいが、コスト高となる。

モータ回転軸２４の軸方向の両端部の軸受装着面６５、６６も熱処理硬化層が形成されている。深溝玉軸受３６ａ、３６ｂの内輪３６ａ１、３６ｂ１は、モータ回転軸２４の軸受装着面６５、６６との間の嵌め合いは、中間嵌めもしくはしまり嵌めであるが、軸受装着面６５、６６に熱処理硬化層が形成されているので、組立時、内輪３６ａ１、３６ｂ１が軸受装着面６５、６６を傷つけない。

また、モータ回転軸２４は、中心部が靱性を有するので、高速回転時の変形にも耐えることができる。このため、低トルクで高回転型のモータと高い減速比が得られるサイクロイド減速機を組合わせたインホイールモータ駆動装置として好適である。

モータ回転軸２４にロータ２３ｂの組立が完了した後、回転１次強制振動成分の抑制を目的として、不釣合い調整が行われる。大径外径部６１の鍔部６２の外側面６２ａおよび挟持部材６３の外側面がバランス修正用の面である。その理由は、不釣合い調整のための切削量を少なくするため、なるべく外径側に形成することが好ましく、鍔部６２の外側面６２ａおよび挟持部材６３の外側面をバランス修正用面とした。ただし、これに限られるものではなく、鍔部６２の外側面６２ａと挟持部材６３の外側面のいずれか一方をバランス修正用面としてもよい。鍔部６２の外側面６２ａは、防炭処理が施されて低硬度であるので、不釣合い調整のための切削加工が良好で、加工工程のサイクルタイムが低減され、不釣合い調整が容易で、かつコスト低減を図ることができる。挟持部材６３は、比重が大きいので加工量が少なくて済み、加工工程のサイクルタイムが低減され、不釣合い調整が容易で、かつコスト低減を図ることができる。

鍔部６２の防炭処理は、外側面６２ａに浸炭防止剤を塗布する方法や外側面６２ａに面接触する治具を当接させて浸炭処理を行う方法等、適宜の方法で実施することができる。浸炭焼入れは、形状の小変更に対する柔軟性を有し、かつ、モータ回転軸２４の熱処理部位と熱処理をしない部位の区分が簡便であり、コスト面で有利である。

ロータ２３ｂを装着したモータ回転軸２４の不釣り合い調整後の許容残留比不釣合いは０．５〜５の範囲にあることが好ましい。許容残留比不釣合いとは、ＪＩＳ Ｂ ０９０５に基づくもので、許容できる最大の残留不釣合いの大きさである許容残留不釣合いをロータの質量で割った量を意味する。

許容残留比不釣合いが０．５〜５の範囲は、上記ＪＩＳ規格にある釣合い良さの等級として、Ｇ１〜Ｇ６．３に相当し、Ｇ１クラスは研削砥石の主軸に要求される程度であり、Ｇ２．５は、工作機主軸やガスタービン、ジェットタービン駆動ポンプに要求されるクラスであり、Ｇ６．３は、一般産業機械のポンプやファン、風水力機械全般に要求されるクラスである。本実施形態では、許容残留比不釣合いを０．５〜５の範囲に設定したので、車内の振動を抑制し、静粛性に優れ、乗員の不快感等の発生を防止することができる。

モータ回転軸２４の軸方向他方側端部（図１の左側）は、減速機入力軸２５とスプライン嵌合で連結されているが、このスプライン嵌合部に減速部Ｂの作動が影響する。図１に示す減速部Ｂの外ピン２７を保持する外ピンハウジング６０は、ケーシング２２に弾性支持機能を有する回り止め手段（図示省略）によって、フローティング状態に支持されている。これは、車両の旋回や急加減速等によって生じる大きなラジアル荷重やモーメント荷重を吸収して、曲線板２６ａ、２６ｂ、外ピン２７および曲線板２６ａ、２６ｂの偏心揺動運動を減速機出力軸２８の回転運動に変換する運動変換機構等の各種の部品の破損を防止するようにしている。

上記のフローティング構造の状態で、前述したように、減速機入力軸２５は、曲線板２６ａ、２６ｂから荷重の方向や大きさが変動するラジアル荷重やモーメント荷重が作用している。このため、ある程度の傾きや芯ずれ状態の中で、モータ回転軸２４と減速機入力軸２５がスプライン嵌合部においてトルクが伝達される。モータ回転軸２４が、肌焼き鋼で形成され、熱処理として浸炭焼入れ焼戻しが施されているので、十分な耐摩耗性を有し、耐久性を向上することができる。

本実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１は、加工性や嵌め合い部の耐摩耗性に優れ、必要な表面硬度と靱性を有し、不釣合い調整が容易で、コスト面で有利なモータ回転軸２４を備え、小型・軽量で、静粛性に優れ、耐久性を向上させることができる。

上記構成のインホイールモータ駆動装置２１の全体的な作動原理を説明する。

図１および図２を参照して、モータ部Ａは、例えば、ステータ２３ａのコイルに交流電流を供給することによって生じる電磁力を受けて、永久磁石又は磁性体によって構成されるロータ２３ｂが回転する。これにより、モータ回転軸２４に連結された減速機入力軸２５が回転すると、曲線板２６ａ、２６ｂは減速機入力軸２５の回転軸心を中心として公転運動する。このとき、外ピン２７が、曲線板２６ａ、２６ｂの曲線形状の波形と係合して、曲線板２６ａ、２６ｂを減速機入力軸２５の回転とは逆向きに自転回転させる。

貫通孔３０ａに挿通する内ピン３１は、曲線板２６ａ、２６ｂの自転運動に伴って貫通孔３０ａの内壁面と当接する。これにより、曲線板２６ａ、２６ｂの公転運動が内ピン３１に伝わらず、曲線板２６ａ、２６ｂの自転運動のみが減速機出力軸２８を介して車輪用軸受部Ｃに伝達される。

このとき、減速機入力軸２５の回転が減速部Ｂによって減速されて減速機出力軸２８に伝達されるので、低トルク、高回転型のモータ部Ａを採用した場合でも、駆動輪１４に必要なトルクを伝達することが可能となる。

上記構成の減速部Ｂの減速比は、外ピン２７の数をＺ_A、曲線板２６ａ、２６ｂの波形の数をＺ_Bとすると、（Ｚ_A−Ｚ_B）／Ｚ_Bで算出される。図２に示す実施形態では、Ｚ_A＝１２、Ｚ_B＝１１であるので、減速比は１／１１と非常に大きな減速比を得ることができる。

このように、多段構成とすることなく大きな減速比を得ることができる減速部Ｂを採用することにより、コンパクトで高減速比のインホイールモータ駆動装置２１を得ることができる。また、外ピン２７および内ピン３１に針状ころ軸受２７ａ、３１ａを設けたことにより、曲線板２６ａ、２６ｂとの間の摩擦抵抗が低減されるので、減速部Ｂの伝達効率が向上する。

本実施形態に係るインホイールモータ駆動装置２１を電気自動車１１に搭載することにより、ばね下重量を抑えることができる。その結果、走行安定性およびＮＶＨ特性に優れた電気自動車１１を得ることができる。

本実施形態においては、潤滑油供給口２４ｂをモータ回転軸２４に設け、潤滑油供給口２５ｅを転がり軸受３７ａの近くに設け、潤滑油供給口２５ｄを偏心部２５ａ、２５ｂに設け、潤滑油供給口２５ｆを減速機入力軸２５の軸端に設けた例を示したが、これに限ることなく、モータ回転軸２４や減速機入力軸２５の任意の位置に設けることができる。

回転ポンプ５１としてサイクロイドポンプの例を示したが、これに限ることなく、減速機出力軸２８の回転を利用して駆動するあらゆる回転型ポンプを採用することができる。さらには、回転ポンプ５１を省略して、遠心力のみによって潤滑油を循環させるようにしてもよい。

減速部Ｂの曲線板２６ａ、２６ｂを１８０°位相を変えて２枚設けた例を示したが、この曲線板の枚数は任意に設定することができ、例えば、曲線板を３枚設ける場合は、１２０°位相を変えて設けるとよい。

運動変換機構は、減速機出力軸２８に固定された内ピン３１と、曲線板２６ａ、２６ｂに設けられた貫通孔３０ａとで構成された例を示したが、これに限ることなく、減速部Ｂの回転をハブ輪３２に伝達可能な任意の構成とすることができる。例えば、曲線板に固定された内ピンと減速機出力軸に形成された穴とで構成される運動変換機構であってもよい。

本実施形態における作動の説明は、各部材の回転に着目して行ったが、実際にはトルクを含む動力がモータ部Ａから駆動輪１４に伝達される。したがって、上述のように減速された動力は高トルクに変換されたものとなっている。

また、モータ部Ａに電力を供給してモータ部を駆動させ、モータ部Ａからの動力を駆動輪１４に伝達させる場合を示したが、これとは逆に、車両が減速したり坂を下ったりするようなときは、駆動輪１４側からの動力を減速部Ｂで高回転低トルクの回転に変換してモータ部Ａに伝達し、モータ部Ａで発電してもよい。さらに、ここで発電した電力は、バッテリーに蓄電しておき、後でモータ部Ａを駆動させたり、車両に備えられた他の電動機器等の作動に用いてもよい。

本実施形態の構成にブレーキを加えることもできる。例えば、図１の構成において、ケーシング２２を軸方向に延長してロータ２３ｂの図中右側に空間を形成し、ロータ２３ｂと一体的に回転する回転部材と、ケーシング２２に回転不能にかつ軸方向に移動可能なピストンとこのピストンを作動させるシリンダとを配置して、車両停止時にピストンと回転部材とによってロータ２３ｂをロックするパーキングブレーキとしてもよい。

また、ロータ２３ｂと一体的に回転する回転部材の一部に形成されたフランジおよびケーシング２２側に設置された摩擦板をケーシング２２側に設置されたシリンダで挟むディスクブレーキであってもよい。さらに、この回転部材の一部にドラムを形成すると共に、ケーシング２２側にブレーキシューを固定し、摩擦係合およびセルフエンゲージ作用で回転部材をロックするドラムブレーキを用いることができる。

本実施形態においては、モータ部Ａにラジアルギャップモータを採用した例を示したが、これに限ることなく、任意の構成のモータを適用可能である。例えば、ケーシングに固定されるステータと、ステータの内側の軸方向の隙間を開けて対向する位置に配置されるロータとを備えるアキシャルギャップモータであってもよい。

さらに、図６に示した電気自動車１１は、後輪１４を駆動輪とした例を示したが、これに限ることなく、前輪１３を駆動輪としてもよく、４輪駆動車であってもよい。なお、本明細書中で「電気自動車」とは、電力から駆動力を得る全ての自動車を含む概念であり、例えば、ハイブリッドカー等をも含むものとして理解すべきである。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々の形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１ 電気自動車、１２ シャーシ、１２ａ ホイールハウジング、１２ｂ 懸架装置、１３ 前輪、１４ 後輪、２１ インホイールモータ駆動装置、２２ ケーシング、２２ｂ 潤滑油排出口、２２ｄ 潤滑油貯留部、２２ｅ 潤滑油路、２３ａ ステータ、２３ｂ ロータ、２４ モータ回転軸、２５ 減速機入力軸、２５ａ 偏心部、２５ｂ 偏心部、２５ｃ 潤滑油路、２５ｄ 潤滑油供給口、２５ｅ 潤滑油供給口、２６ａ 曲線板、２６ｂ 曲線板、２７ 外ピン、２７ａ 針状ころ軸受、２８ 減速機出力軸、２９ カウンタウェイト、３０ｂ 貫通孔、３１ 内ピン、３１ａ 針状ころ軸受、３１ｂ スタビライザ、３１ｃ 円環部、３１ｄ 円筒部、３２ ハブ輪、３３ 車輪用軸受、３３ａ 内輪、３３ｂ 外輪、３３ｃ 玉、３３ｄ 保持器、３３ｅ シール部材、３３ｆ 内側軌道面、３６ａ 転がり軸受、３６ｂ 転がり軸受、３７ａ 転がり軸受、３７ｂ 転がり軸受、４１ 転がり軸受、４２ 内輪、４３ 外側軌道面、４４ 円筒ころ、４５ 循環油路、４５ａ 軸方向油路、４５ｂ 径方向油路、４５ｃ 径方向油路、５１ 回転ポンプ、５２ インナーロータ、５３ アウターロータ、５４ ポンプ室、５５ 吸入口、５６ 吐出口、６０ 外ピンハウジング、６１ 大径外径部、６２ 鍔部、６２ａ 外側面、６３ 挟持部材、６５ 軸受装着面、６６ 軸受装着面、Ｈ 熱処理硬化層

Claims (5)

1. モータ部と、減速部と、車輪用軸受部と、ケーシングとを備え、前記モータ部が、前記ケーシングに固定されたステータと、複数の転がり軸受を介して前記ケーシングに回転自在に支持されるモータ回転軸と、このモータ回転軸に装着されたロータとからなり、前記モータ部のモータ回転軸が前記減速部の減速機入力軸を回転駆動し、この減速機入力軸の回転を減速して減速機出力軸に伝達し、前記車輪用軸受部が前記減速機出力軸に連結されたインホイールモータ駆動装置において、
   前記モータ回転軸が肌焼き鋼で形成され、熱処理として浸炭焼入れ焼戻しが施されており、
   前記モータ回転軸に前記ロータの一端部を軸方向に拘束する鍔部を形成し、前記ロータの他端部に当接する挟持部材を設け、前記ロータを前記鍔部と前記挟持部材とにより挟持して前記モータ回転軸に装着し、前記鍔部に不釣合い調整用の低硬度部を形成したことを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
2. 前記低硬度部は防炭処理されていることを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
3. 前記ロータを装着したモータ回転軸の不釣合い調整後の許容残留比不釣合いを０．５〜５としたことを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
4. 前記挟持部材が回転部材と別の材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
5. 前記挟持部材がオーステナイト系ステンレスであることを特徴とする請求項４に記載のインホイールモータ駆動装置。

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