JP2000333407A

JP2000333407A - ホイールモーター

Info

Publication number: JP2000333407A
Application number: JP11137471A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Tada; 清一多田; Masami Akatani; 正巳赤谷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ホイールハウジング内の構造と制御システム
を極力簡素化し、かつ性能向上を図った、ホイール一体
化モーターを提供する。【解決手段】車輪リムに内接装着したリング状マグネ
ットをアウター型ローターにし、マグネットの磁極と相
対するように星形に配置した電機子電磁石をステーター
にするだけで、伝達機構も不要な簡素な構造にした。
各電磁石ヘッドをＴ型または逆Ｌ型にし、一部の電磁石
は正規群よりもマグネットに対する電気角で９０度ずら
せた位置に配置することで、始動を容易にした。ブラシ
レス用磁気センサーの位置を任意に変えて、あるいは、
電機子電磁石の励磁スイッチング位相を電気的または、
電子的に任意に変えて、ホイールの回転数を任意に制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気エネルギー
で駆動する、モーターをホイールと一体化した、自動車
や自転車用の駆動車輪の構造ならびに、始動・スピード
制御のシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近電動補助自転車や電気自動車用のホ
イールに、モーターを内蔵または一体化された技術が発
表されている。例えば特開H10-178761「モータ」あるい
は、特2711489号H09,10,31「電気駆動車輪」などがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術による発明
は、アウター型ローターブラシレスモータではあるが、
電機子を３相スイッチング電流で駆動したり、ホイール
ハウジング内に伝達機構を入れたり、また電子制御シス
テムにおいても複雑である。これらの構造や制御システ
ムを簡素化し、かつ性能を向上させたホイール一体化モ
ータの開発が望まれている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明では、アウター
型ローターブラシレスモーターによるホイールではある
が、従来の構造やシステムと異なり、ホイールハウジン
グ内の伝達機構を無くして構造を簡素化し、電機子電流
周波数を外部から拘束しないＤＣサーボ駆動にして、モ
ータの制御システムを極力単純化し、かつ性能を向上さ
せたものである。

【０００５】すなわち、ホイールモーターの構造面で
は、磁極をラジアル方向に、かつ円周上複数極着磁さ
れたリング状マグネットを、タイア付き車輪リムに内接
して装着し、リム支持ディスクの中央にブレーキドラム
を内装したホイールをローターとし、一方リング状マグ
ネットの内周に対極して磁気的に結合するよう、複数の
電磁石をヨークを介して、星形にディスク面に取付けた
電機子をステーターとして、電動機と車輪とを一体構造
にした。

【０００６】また、ステーター電機子において、リング
状マグネットに対極するステーター各電磁石鉄心の側面
ヘッド形状を、Ｔ型または逆Ｌ型にし、かつ、複数個の
電磁石のうちの一部個数を、リング状マグネットの対極
から電気角で９０度程度ずらせて取り付けた。

【０００７】速度制御機構としては、ローターマグネッ
トの磁界位置センサー（例えばホール素子）を摺動機構
にして、マグネット磁極との相対電気角を任意に設定す
ることにより、電機子電磁石のスイッチング励磁位相を
変え、モーターの回転数を任意に制御することにした。

【０００８】電子式速度制御用としては、図７のごと
く、磁気センサー信号増幅回路と、スイッチングディバ
イス回路の間に、可変位相シフト回路を設け、スイッチ
ング電流の位相を変え、モーターの回転数を任意に制御
することにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、実施例に
もとづき以下図面により説明する。図２は本ホイールモ
ーターを縦に分割した断面の概念図である。図２に
於いて、１はタイア、２はタイア取り付け用リム、３は
リング状マグネットで、５のホイールハウジングケース
の内周に密着して取り付けられている。このリング状マ
グネットは、磁極をラジアル方向に、かつ円周上複数極
着磁されたものである。また、ホイールハウジングケー
ス５は、図のように、リム支盤９を介してリムと一体に
なっている。４はブレーキドラムである。このホイール
ハウジングケースが、モーターのローターになってい
る。

【００１０】またホイールハウジングケースの反対面か
ら覆うディスク８には、リング状マグネット３の内周に
僅かな空隙をもって対極し、磁気的に結合するように、
複数の電機子電磁石６を、ヨーク７を介して、星形にデ
ィスク８面に取付けてある。これは、モーターの電機子
であり、ステーターである。１０はシャフトである。

【００１１】図１は本ホイールモーターの中をみた構造
の概念図である。図１における１はタイア、２はリム、
３はリング状マグネット、６は電機子電磁石、７はヨー
ク、４はブレーキドラム、１０はシャフトである。本図
において、リングマグネット３と電機子電磁石６のヘッ
ド１１の空隙は、実用機では１ミリ前後である。なお１
２は電磁石用コイルである。

【００１２】図３はリングマグネットと電磁石の配置関
係を示した展開図である。図３において、３はリング状
マグネット、６ａ、６ａ’・・・は電機子電磁石正規
群、６ｂ、６ｂ’・・・は電機子電磁石π／２群であ
る。１１は電磁石ヘッド、１２は電磁石のコイルであ
る。また７は電磁石のヨークである。

【００１３】図からもわかるとおり、電磁石正規群の磁
極と、電磁石π／２群の磁極は、リングマグネットの磁
極に対し、電気角で９０度ずらせた位置に配置してあ
る。また、電磁石のヘッド１１は、図２・図３のよう
に、Ｔ型または逆Ｌ型にしてある。

【００１４】図３において、１３は磁気センサー、例え
ばホール素子である。これは、摺動板１４に沿って、リ
ングマグネット３に対向して、電気角でほぼ１８０度の
範囲、任意角度位置にマニュアル操作でセットできるよ
うな機構にしてある。

【００１５】図４は磁気センサー用にホール素子を使用
した場合、同出力をうけて増幅整形し、スイッチング電
流に変換する電子回路のブロック図である。増幅整形用
には、例えば演算増幅器ＩＣ、スイッチング素子にはパ
ワートランジスタあるいはＧＴＯなどが適用できる。

【００１６】図７は図４の回路に、更に可変位相シフト
回路を追加したものである。可変位相シフト回路は、電
子的にはＯＰアンプによる加算回路や、また機械的には
レゾルバを使っても可能である。

【００１７】

【発明の効果】先づ初めに、本発明が構造の簡素化と、
効率の向上に効果があることを説明する。構造上本発明
によるホイールモーターは、前記実施の形態で説明した
とおり、ローターが直結されたタイア・リムを回転させ
るため、動力伝達機構が皆無になり、この部分のエネル
ギーロスがない分、総合効率が改善され、かつ構造も簡
素化される。

【００１８】次に、本発明の作用効果の一つとして、始
動の容易さを説明する。リングマグネットと電磁石の配
置関係を前記実施形態図３で説明したようにすること
で、始動が容易になる。その理由は、全電磁石用コイル
には同相のスイッチング電流を流すが、一部の電磁石
（９０度相）は、リングマグネットの磁極に対し、電気
角で９０度ずらせてある。そのためマグネットと電磁石
相互の電磁力の位相は、主部分の電磁石（０相）による
ものと、この一部の電磁石によるものとが、丁度９０度
差があるので、始動時、どちらかが駆動力の死点にあっ
ても、一方は最大駆動点にある。これにより、アウター
ローターのリングマグネットの始動は容易になる。

【００１９】また、電磁石のヘッド１１をＴ型または逆
Ｌ型にすることにより、電磁石の非通電時、またホイー
ルの自由回転時において始動を容易にする。これは、電
磁石鉄心−マグネット間の磁路リラクタンスが、空隙内
の磁界エネルギーを最小状態にしようとする作用効果に
より、ヘッドがマグネットの極間を橋絡するような位置
で停止する。このとき電磁石に電流を流すと、空隙磁界
エネルギー最小状態位置が変わり、エネルギ最小位置を
取ろうとして始動するわけである。

【００２０】次に、本発明の作用効果の一つとして、簡
単な機構で回転速度制御ができることについて説明す
る。図５は、図３のリングマグネット３のＮＳ一対と対
向する電磁石６一対分を、独立したアウターローター型
マグネットモータとして示した模式図である。

【００２１】同図５において、３はリングマグネットＮ
Ｓ一対分で、ローターである。１３は磁気センサー（例
ホール素子）である。６は電磁石であり、これはステー
ター電機子である。１２はコイルである。磁気センサー
は、図のように、リングマグネット３に沿って＃−１〜
＃０〜＃＋１へとスライドでき、任意位置に止められ
る。

【００２２】図６は、図５におけるリングマグネット３
（ローター）が矢印の方向に回っているとして、磁気セ
ンサー１３を＃−１，＃０，＃＋１の位置に置いたと
き、図４のスイッチング回路を通して図５の電磁石コイ
ル１２に流れるスイッチング電流波形を示したものであ
る。図５，図６を見て、センサー１３の位置を変えるこ
とにより、コイル１２に流れるスイッチング電流の位相
が、９０度ごと進みに変えられることがわかるであろ
う。

【００２３】図６において、＃−１、＃０、＃＋１各図
における横軸は時間の流れ、縦軸はスイッチング電流の
極性である。各々の上段は、電磁石に対するリングマグ
ネットの極性、下段は、電磁石コイルに流れる電流であ
るので、電磁石の極性と同じとみてよい。上段と下段の
間には、空隙間の界磁磁束があると考えられる。

【００２４】センサー位置＃−１の場合を時間の経過と
共に見てみると、空隙は常にＮ−Ｓであるから、界磁磁
束は増磁。＃＋１の場合は、空隙は同極で減磁されてい
る。＃０の場合は、平均的に増減はない。このセンサー
位置は、ローターに回転力を与えるもので、電機子反作
用を無視すれば、ほぼ正規の位置である。

【００２５】それでは任意の位置にセンサーが置かれた
場合についてはどうなるかを、図８により考察する。図
８はマグネットの磁極に対するスイッチング電流による
主磁束のベクトルを示したものである。

【００２６】いま主磁束がＡ（おくれ）であるとき、図
からわかるように、０相分は、Ａｃｏｓθ 、−９０度
分は、−Ａｓｉｎθ である。また主磁束がＢ（すす
み）であるときは、図に示したように各々は、Ｂｃｏｓ
φ 、＋Ｂｓｉｎφ である。このｃｏｓ分は回転力と
して働くが、ｓｉｎ分は、マグネット界磁磁束に増磁あ
るいは減磁として働く。

【００２７】マグネットモーターにおいて、マグネット
界磁磁束とモーター回転数の関係は、次式（１）で与え
られる。ここでｎ：回転数Ｖ：電機子印加電圧Ｉａ：電機子電流Ｒａ：電機子コイル抵抗Ｋ：電機子定数 ψ ：マグネット界磁磁束式（１）でわかるように、界磁磁束ψが大きいければ回
転数ｎは小さく、界磁磁束ψが小さければ回転数ｎが大
きくなる。従って、磁気センサーの位置が＃０か、これ
より遅れ（＃−１寄り）または、進み（＃＋１寄り）に
よって、正規回転数、回転数小、回転数大になる。

【００２８】電機子電磁石コイルに流すスイッチング電
流の位相は、磁界位置センサーとローターマグネットの
磁極電気角との関係において決まる。このスイッチング
電流による鉄心ヘッドからの主磁束のベクトルによっ
て、マグネットの磁束と干渉して、界磁磁束が変わり、
増磁、正規、減磁にさせる。結果的に、センサーの電気
角（位置）によって、モーターの回転数が制御できるこ
とが理解できたものと思う。

【００２９】この場合センサーの位置を固定に設定して
置いて、スイッチング電流の位相を変えても、電機子電
磁石の主磁束の位相が変わる。従って前記と同様にモー
ターの回転数が制御できる。つまりスイッチング電子回
路において、位相シフト回路を追加し、シフト量を加減
すれば、これによりモーターの回転数が可変できるわけ
である。

【００３０】図７は、位相シフトにレゾルバーを用いた
例を示したものである。レゾルバーの使い方はいろいろ
あるが、本レゾルバーは、Ｘ軸とＹ軸の固定子巻線に９
０度位相差のある信号電流を流し、Ｘ軸コイル電流とＹ
軸コイル電流による各磁界が、ローター巻線で磁気誘導
されて、ＸＹ分のベクトル合成が出力される。この場
合、ローターの角度によって、正確に合成ベクトルの位
相が変わる（Ｘ・Ｙ両入力が等しいときは振幅は不変）
ので、位相シフト用には最適である。

【００３１】なおこの場合、図７のようにＸ軸入力電流
は、ホール素子からの信号電圧を増幅整形したものであ
る。Ｙ軸入力は、図７のように増幅された出力を分岐取
出して、整形後積分回路で９０度位相を遅らせ、再度整
形した信号電流である。これにより、Ｘ・Ｙ両信号電流
の振幅は等しく、位相は正確に９０度差のあるものが作
られる。

【００３２】以上説明の如く、本発明の実施の形態によ
れば、上記の諸理由・原理により、所期の作用効果が発
揮される。これにより、本発明による技術は、従来の技
術によるものよりも、構造が簡素にして、始動、速度制
御、効率向上などの利点で優れていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ホイールモーターの中身構造図である。

【図２】ホイールモーターの縦分割断面図である。

【図３】リングマグネットローターと電機子ステーター
各電磁石の配置展開図である。

【図４】ブラシレス用電子回路ブロック図である。

【図５】アウターローター型マグネットモーターの模式
図である。

【図６】センサー位置によるスイッチング電流波形であ
る。

【図７】可変位相シフト回路付加ブラシレス電子回路の
ブロック図である。

【図８】電機子電磁石主磁束のベクトル図である。

【符号の説明】

１タイア２リム３リング状マグネット４ブレーキドラム５ホイールハウジングケース６電機子電磁石７ヨーク８ディスク９リム支盤１０シャフト１１ヘッド１２コイル１３磁気センサー１４摺動板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｐ 6/08 Ｈ０２Ｐ 6/02 ３７１ＦＦターム(参考） 5H019 AA01 AA04 AA10 BB01 BB05 BB20 BB24 CC04 CC07 CC09 EE01 5H115 PA11 PC06 PG04 PU11 QE01 QE09 TD17 UI22 5H560 AA08 BB01 BB12 DA02 RR07 RR10 UA10 5H607 AA00 BB09 BB14 BB17 CC01 CC03 CC05 CC07 DD01 DD02 DD03 DD17 EE06 EE11 FF01 HH01 HH09 5H621 GA04 GA14 HH01 JK14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁極をラジアル方向に、かつ円周上複数極
着磁されたリング状マグネットを、タイア付き車輪リム
に内接して装着し、リム支持ディスクの中央にブレーキ
ドラムを内装したホイールをローターとし、一方リング
状マグネットの内周に対極して磁気的に結合するよう、
複数の電磁石をヨークを介して星形に、ディスク面に取
付けた電機子をステーターとした、電動機と車輪が一体
構造になった特徴のホイールモーター。
【請求項２】請求項１におけるステーター電機子におい
て、リング状マグネットに対極するステーター各電磁石
鉄心の側面ヘッド形状を、Ｔ型または逆Ｌ型にし、か
つ、複数個の電磁石のうちの一部個数を、リング状マグ
ネットの対極から電気角で９０度程度ずらせて取り付け
ることを特徴としたホイールモーター。
【請求項３】ローターマグネットの磁界位置センサー
（例えばホール素子）の取り付けを摺動機構にして、マ
グネット磁極との相対電気角を任意に設定することによ
り、電機子電磁石のスイッチング励磁位相を変え、モー
ターの回転数を任意に制御することを特徴とした請求項
１または請求項２記載のホイールモーター。
【請求項４】図７のごとく、磁気センサー信号増幅回路
と、スイッチングディバイス回路の間に、可変位相シフ
ト回路を設け、スイッチング電流の位相を変え、モータ
ーの回転数を任意に制御することを特徴とした請求項１
または請求項２記載のホイールモーター。