日本精工（NSK）开发了一种电机，可以不使用操作机构实现两档变速。如果在轮毂电机领域应用这一电机，质量可以比常规产品减轻约30％（图1）。该设计将两个电机和一个使用行星齿轮机构的变速器组合，高速域段时两个电机转向相同，而低速域段时两个电机则切换成反向旋转。

图1 NSK试制的轮毂电机

（a）包括轮胎在内的整体情况。可收纳在16英寸的轮圈内。（b）电机的放大视图。

目前，在EV电动车辆的驱动电机中，尚还没有变速器，仅有减速器。从车辆速度和加速度之间的关系来看，这可能是因为汽车制造商的要求（用户曲线）和电机原本的电机曲线相似（图2）。两条曲线均是由左上水平线和右下的垂直线结合的反比例曲线。

图2：车速和加速度之间的关系：电机曲线高于用户曲线。

两段变速电机组合改善电机曲线

两条曲线确实相似，但存在不同之处。左上的水平线长度，右下的垂直线长度，电机曲线几乎都是用户曲线的两倍。只有两条曲线之间的部分，电机曲线更高。这意味着可以输出比用户要求更大的扭矩。其实这非常浪费，电机曲线中反比例的曲线左端，即大负荷的地方属于效率最高的部分。但是这一区域远离常用区域，没有太多的使用机会，这是一个问题。

为了消除这种浪费，电机实际上增加变速器更好。与发动机不同，并不需要8级或9级，例如具备2段变速，低速段的电机曲线与高速段的电机曲线连接起来的曲线，可以与用户曲线变得更接近（图3）。

图3：2段变速的电机曲线

可以降低到图2中用户曲线的高度。而且高效率区域和常用区域重叠。

由于将扭矩控制在刚好被要求的扭矩范围内，因此可以使2个电机的总扭矩小于没有变速器的单个电机扭矩。电机高效区域也从1处增加到2处，面积扩大。而且，更接近常用范围。使用高效速域的机会增加，电费消耗也更加经济。

充分利用电机内部空间

那么这具体是一个什么样的2段变速器呢？电机和变速器是同轴的，可用性很好，采取外部电机，内部变速器的构造[图4（a）]。

图4与传统产品的区别

（a）开发了双速换档。使用2个电机和1个变速器，1个减速器。（b）传统产品只有1个电机和1个减速器。

永磁电机转子的主要作用就是面向定子的永磁体，中心位置仅有中心轴[图4（b）]。中间的空隙是一种浪费。

利用这个空间，如果将变速器放在电机内部，很容易就实现调整。对于使用普通电机的用户来说“无需改变现有的整体设计，直接替换新的电机即可”。

为了满足上述目标，最好是圆柱形变速器，而且能使中心轴从中穿过。由此具有垂直长或横长的横截面形状的，例如双轴传动，或者轴偏离中心的，首先从候选类型中被排除。最后，使用行星齿轮机构的变速器成为最为有力的候选者。

普通AT（自动变速器）使用行星齿轮机构。通常，行星齿轮机构内的离合器和制动器由液压操作机构操作。需要液压泵和控制阀，结构变得复杂。因此，无法纳入电机内，需要没有操作机构的变速器。

为了满足这些要求，NSK设计了一种使用行星齿轮机构但没有控制机构的变速器。考虑用于汽车驱动电机，即使被用作普通电机放置在簧上，也足够有意义，但该公司认为轮毂电机中的应用更具前途。

轮毂电机具有各种优点。它不需要驱动轴，也不需要恒速接头，可以扩大车内空间。在像矢量扭矩这样的机敏控制场合，单纯的左右独立驱动控制无法实现比驱动轴的扭转共振频率控制得更快，但对轮毂电机来说则没有任何限制。

但另一方面，由于周围有车轮和制动器，空间狭窄。而且位于簧下，对于重量的要求非常严格。正是由于这一原因吧，虽然从很久以前这一方向就被看好，但真正的量产阶段始终还没开始。

通过5个要素实现

由NSK开发的带齿轮箱电机由2个电机，单个小齿轮，双小齿轮各1组的行星齿轮机构、以及单向离合器共计5个元件组合而成（图5）。将变速器与减速比约为1/4的最终减速器合并，并置于悬架的直立位置，使其成为轮内电机。图5左侧的最终减速器与变速器分开计算。单向离合器在一个方向上调节单小齿轮行星齿轮的齿轮架的旋转方向。虽然它是离合器，但是因为仅通过两侧的旋转差异来连接或是释放。所以不需要操作机构。

图5：所开发电机的骨架图

因为是轮毂电机，所以它与左侧的最终减速器集成在一起。

图5是横向剖视图，使得单向离合器出现在上下两个位置，但实际上是一个，与整体轴同轴的环形单向离合器。

电机A转动单个小齿轮行星齿轮机构的太阳齿轮。电机B转动双小齿轮行星齿轮机构的托架，从行星齿轮机构的环形齿轮出力。

上述构造中，当电机A和电机B在相同方向用相同转速旋转的话，整个行星齿轮机构不产生相对运动，因而不会减速，变成类似单杆旋转。这是高速阶段。

而与之相对，在低速领域每个齿轮则以相对复杂的方式运转。