JP2006094672A - モータのバスバー構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータであり、モータのステータに巻回され回転磁界を発生するコイルと、モータへの給電ケーブルとがあるモータのコイル冷却を効果的に行うことができるモータのバスバー構造を提供する。
【解決手段】車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータ２であり、モータ２のステータ１２に巻回され回転磁界を発生するコイル１１と、モータ２への給電ケーブル１６とがあるモータ２において、コイル１１とケーブル１６の間はモータハウジング１４の表面層に回転軸と平行に配置される（突起１７内に収納された）バスバー２１によって接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータであり、モータのステータに巻回され回転磁界を発生するコイルと、モータへの給電ケーブルとがあるモータのバスバー構造に関するものである。

従来、車両駆動用のモータが種々提案されている。車両を駆動する為には、高トルク且つ小型のモータが求められており、熱対策つまり冷却構造を必要としていた。冷却には水冷や空冷があるが、水冷ではモータに水を循環するための循環装置や配管部品が必要であり、コスト、大きさを鑑みると空冷が有利である。特にモータの冷却においてはコイルの冷却が重要である。

ところが、通常、モータのコイル周辺（コイルをコーティングするよう）に絶縁を確保する目的から樹脂材料が用いられている。これらの樹脂材料はコイル絶縁を達成するのにスペース面や生産性が高く有利であるが、樹脂材料である為、高温に弱い。したがってこのような樹脂材料に過大な熱ストレスがかからないようにするには、高温時にコイルへの通電を制限して発熱を抑えなければならない。この場合、結果としてトルクを上げられず、前述の高トルクという目的を達成できなかった。

そこで、従来の車両駆動用のモータでは、コイルの熱を効率よく捨てられるコイルの冷却構造を考案する必要があった。この観点から、インホイールモータの空冷方法の例として、ホイール外部に空冷ファンを設置したり、ホイールキャップにフィンを取り付け、ホイールの回転により気流を発生して強制的にモータを空冷する方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしこの方法では、ホイール内や近傍の構造物が増えて重くなったり、コスト高になるという問題があった。
特開平０５−１０４９６０号公報

また本発明とは目的が異なるが、モータの内部配線に特徴がある別の例として、モータとギヤを一体構造としてそのモータハウジング内部に駆動回路を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしこの方法では、コイルの熱がモータ外部に放熱されるためには電力制御用半導体を通らなければならず、直接的なコイルの放熱構造になっていないという問題があった。
特開平０８−１４９７５３号公報

本発明の目的は上述した課題を解消して、モータのコイル冷却を効果的に行うことができるモータのバスバー構造を提供しようとするものである。

本発明のモータのバスバー構造は、車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータであり、前記モータのステータに巻回され回転磁界を発生するコイルと、前記モータへの給電ケーブルとがあるモータにおいて、前記コイルと前記ケーブルの間は前記モータハウジングの表面層に回転軸と平行に配置されるバスバーによって接続されることを特徴とするものである。

本発明のモータのバスバー構造では、コイルとケーブルの間はモータハウジングの表面層に回転軸と平行に配置されるバスバーによって接続されるので、コイルの熱は、空気に対する熱抵抗が低いバスバーを介して空気に放熱される。この結果、コイルは大きな損失を許容できるようになり、さらに、多くの電流を注入して出力トルクを上げる事が可能になるという効果が得られる。また、コイルの熱が給電ケーブルに伝わりにくくなるという効果も得られる。

なお、本発明のモータのバスバー構造では、バスバーがモータハウジング表面の車両前方向に配置されるよう構成することができる。このように構成することで、この配置箇所では、車両の走行速度が遅く、走行風の風速が低い場合にモータハウジング上の他の箇所に比べて熱伝達率が高くなることから、他の箇所にバスバーを配置するよりもコイル放熱効率を向上することができる。なお、モータの特性として低速時にはモータの全損失の中でコイルで発生する銅損が占める割合が高いため、特に低速側でモータの温度上昇を抑制する事ができるという効果が得られる。

また、本発明のモータのバスバー構造では、バスバーがモータハウジング表面上に回転軸と平行に設けられた突起の内部に配置されるよう構成することができる。このように構成することで、バスバーの空気に対する放熱面積が増加しモータハウジングに当たる風とバスバーとの間の熱抵抗がさらに低くなる。したがって、モータハウジング表面に埋め込まれた構造に対してより多くの熱を放熱することができるようになる。これに加えて、突起形状により風に乱れを起し、突起部以外のモータハウジング表面の放熱効率も向上することができるという効果が得られる。

さらに、本発明のモータのバスバー構造では、バスバーがモータハウジング表面上に回転軸と平行に設けられた複数の突起の内部にそれぞれ分散して配置されるよう構成することができる。このように構成することで、モータハウジング上に風の乱れを発生させる点を分散させることができ、モータハウジング全面に渡って熱伝達率を向上することができる。また、各バスバーと各コイル間の距離が短くなり、両者間の熱抵抗が低くなるため、コイルの熱がバスバーに効率よく伝熱し、結果として空気への放熱効率をさらに向上することができるという効果が得られる。

［第１の実施例］
はじめに本発明の第１の実施例を説明する。図１は本発明のモータのバスバー構造の第１の実施例におけるインホイールモータの一例を示した図である。図１に示す例において、１はタイヤ、２はタイヤ１を駆動するモータ、３は操舵を行うためのリンク、４はサスペンションの一部を構成するストラットである。また、モータ２は、図１の拡大した円内に記載されているように、複数のコイル１１を備えるステータ１２と、その内部のロータ１３と、その外部のモータハウジング１４と、から構成されている。ロータ１３の中心が回転軸となる。なお、１５はモータ全体を保持するブラケット、１６は給電ケーブルである。

上述した構成のインホイールモータにおいて、本発明のロータのバスバー構造の特徴は、コイル１１と給電ケーブル１６との間を、モータハウジング１４の表面層に回転軸と平行に配置されるバスバー（本例では突起１７内に配置されている）によって接続した点である。以下、この特徴について説明する。

まず、本発明の対象となるインホイールモータについて説明する。電気自動車の駆動方式の一つとして、ホイールの中にモータを挿入するインホイールドライブ方式が提案されている。このインホイールドライブ方式は車室内の有効利用空間が拡大することや各輪独立駆動による従来の自動車と異なる運転感覚が得られるという特徴がある。このようなドライブシステム方式を実現するにはモータの小型化が必要であるが、小型化に伴って放熱面積は減少し、熱容量も小さくなるため温度が上がりやすくなる。

そのため、冷却が必要となる。冷却には水冷や空冷があるが、水冷ではバネ下に取り付けられたモータに水を循環するための循環装置や配管部品が必要であり、特に配管についてはサスペンションの振動にも耐えなければならないという問題があるため、特にインホイールモータには空冷が有利と考えられる。さらに、駆動用モータとしては磁石を備えない、スイッチト・リラクタンスモータを採用している。これは磁石を備えないため、磁石の温度を考慮する必要が無く、磁石モータに比して高温に耐えられるため、空冷方式に有利である。

なお、図１のホイールは、ダブルウィッシュボーン方式のサスペンションにより車体と接続されており、モータは出力側のモータハウジング面がアクスルに固定される形で取り付けられている。なおモータとホイールは共に同軸であるが、モータはホイールよりも外側に位置している。

次にモータのコイルの配置について説明する。図２は本発明のモータのバスバー構造においてモータの各コイルを車体側から見た形状を示す図である。モータ内部に設置されるステータのティースには、それぞれコイルが設置されている。図２に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図２に示す例において、２１はバスバー、２２はコイル１１とバスバー２１とを接続するコイル銅線、２３はバスバー２１間を絶縁する絶縁体である。

図２に示す例において、コイル１１は巻始めと巻終わりがモータ２の反出力側（車体側）に配置されるように巻回されている。モータハウジング１５の表面には、モータ２の回転軸と平行に延伸する６個の溝２４が設けられている。それぞれの溝２４は、モータ２の軸中心（図２のＯ点）と隣り合うティースの中間点（図２のＡ１点からＡ６点）を結ぶ直線上に配置されている。この溝２４に、それぞれ２本のバスバー２１が埋め込まれている。なお、これらのバスバー２１の表面は絶縁体２３でコーティングされており、バスバー同士やバスバー２１とモータハウジング１４の間では通電が起こらない構造となっている。以上に説明したバスバー構造によって、バスバー２１をモータハウジング１４に接した空気層に接近させることができるので、バスバー２１と空気（風）の間の熱抵抗が小さくなる。

次に、本例のモータのバスバー構造における電気的な接続について説明する。上述したコイル１１の巻始めと巻終わりには配線のためにコイル銅線２２が引き出されており、このコイル銅線２２とバスバー２１の一端をモータ２の反出力側（車体側）で半田や溶接などによって電気的に接続する。また、バスバー２１の別の端は図１の円内の図に示したように、モータ２の給電ケーブル１６と接続する。

次に、本例のモータのバスバー構造における配線構造の冷却効果について説明する。コイルに通電するとコイル自身の抵抗により発熱が生じる。この熱は、コイルに接した各部材に伝熱するが、コイルの材質である銅は熱伝達率が高いため、多くの熱がバスバーに伝わる。したがって、コイルの熱は、バスバーを介して空気に効率よく放熱される。

以上、本発明のモータのバスバー構造の第１実施例によれば、車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータ２であり、モータ２のステータ１２に巻回され回転磁界を発生するコイル１１と、モータ２への給電ケーブル１６とがあるモータ２において、コイル１１とケーブル１６の間はモータハウジング１４の表面層に回転軸と平行に配置されるバスバー２１によって接続されるので、コイル１１の熱は、空気に対する熱抵抗が低いバスバー２１を介して空気に放熱される。この結果、コイル１１は大きな損失を許容できるようになり、さらに多くの電流を注入して出力トルクを上げる事が可能になるという効果が得られる。

また、コイル１１の熱がバスバー２１から放熱されるので、コイル１１から見て、バスバー２１の先に接続される給電ケーブル１６には熱が伝わりにくくなり、ケーブル１６の加熱を防ぐ事ができるという効果も得られる。さらに、本構成によれば、バスバー２１の冷却が良好であるので、ステータ１２等の構造物から遠く冷却が困難であるコイルエンド(コイルの軸方向端部)の熱がバスバー２１に流れ込むので、熱的に厳しいコイルエンドの冷却効果が高い。よって、コイルエンド以外は主にステータ１２に放熱し、コイルエンドは直接接続されており伝熱性が高いバスバー２１に放熱するので、コイル全体の放熱バランスが良好となる（熱的に厳しい個所が無い）。

次に、第１の実施例の別の形態について説明する。図３は本発明のモータのバスバー構造の第１の実施例におけるインホイールモータの他の例を示した図である。図３に示す例において、図１及び図２に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図３に示す例において、モータハウジング１４の表面には、ｒ方向に突出しモータ２の回転軸と平行に延伸する６個の突起１７が設けられている。それぞれの突起１７は、図２のバスバーの溝２４と同様の位置に配置されている。この突起１７の内部には、モータ回転軸と平行な穴が開けられており、この穴にそれぞれ２本のバスバー２１が挿入されている。なお、これらの２本のバスバー同士あるいはモータハウジング１４とバスバー２１の隙間には絶縁体２３が充填されており、これらの部材間では通電が起こらない構造となっている。

上述した本例のバスバー構造によって、バスバー２１はモータハウジング１４の外にせり出し、間接的ではあるがバスバー２１の大半の表面積を空気層に接近させることができるので、バスバー２１と空気（風）の間の熱抵抗が小さくなる。

次に、本例のモータのバスバー構造における電気的な接続について説明する。コイル１１の巻始めと巻終わりには配線のためにコイル銅線２２が引き出されており、このコイル銅線２２とバスバー２１の一端をモータ２の反出力側（車体側）で電気的に接続する。また、バスバー２１の別の端は図１の円内の図に示したように、モータ２の給電ケーブル１６と接続する。

次に、本例のモータのバスバー構造における配線構造の冷却効果について説明する。コイル１１に通電するとコイル自身の抵抗による発熱が生じる。この熱は、コイル１１からバスバー２１に伝わるが、上述したとおり、バスバー２１と空気間の熱抵抗が小さいため、空気に効率よく放熱される。なお、図３の構造では、突起形状により風に乱れを起し、突起部以外のモータハウジング表面の放熱効率も向上することができるという効果も得られる。

［第２の実施例］
次に本発明の第２の実施例を説明する。図４は本発明のモータのバスバー構造の第２の実施例におけるインホイールモータの一例を示した図である。図４に示す例において、図１及び図２に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示す例において、モータのコイルの配置について説明する。モータ内部に設置されるステータ１２のティースには、それぞれコイル１１が設置されている。これらのコイル１１は巻始めと巻終わりがモータ２の反出力側（車体側）に配置されるように巻回されている。次に、バスバー２１の配置について説明する。図４では、３相モータの各相２本ずつ計６本のバスバー２１をモータハウジング１４の車両前方向の表面層に並べて配置しており、バスバー２１をモータハウジング１４の外の空気層に接近させることで、バスバー２１と空気（風）の間の熱抵抗を小さくしている。次に、本例のモータのバスバー構造の電気的な接続について説明する。各コイル１１から延伸したコイル銅線２２は、図４のように結線され、モータハウジング１４の車両前方向に配置されたバスバー２１に接続される。次に、本例のモータのバスバー構造における配線構造の冷却効果について説明する。コイル１１に通電するとコイル自身の抵抗による発熱が生じる。この熱は、コイル１１からバスバー２１に伝わるが、上述したとおりバスバー２１と空気間の熱抵抗が小さいため、空気に効率よく放熱される。

ところで、自動車用のモータ２は車体が停止した状態から高速運転にまで幅広い回転数に対応しなければならないが、モータ２に当たる風は各回転数で一様に得られるわけではなく、車速が低くなれば当然低くなる。このような車速が低い場合はモータの温度が上昇しやすいために特に放熱効率を高める必要がある。一般に、モータのような円柱形状物の伝熱現象として、円柱形状物の側面に風が当たる場合の円柱表面の熱伝達率は表面の場所によって大きく異なる。例えば、図５には、車速１０ｋｍ／ｈの時の風の分岐点からの角度に対する円柱表面の対空気の熱伝達率分布を示したが、熱伝達率は大きく変化しており、この車速よりも低くなると車両前方向の熱伝達率が他に比べて高くなる。したがって車速が低い場合の対空気の放熱を考えると車両前方向にバスバー２１を設置した方がより効果的である。

さらに、モータ２の損失を考慮すると、低速ではモータ２の全損失に対するコイル１１の銅損の割合が高くなるため、バスバー２１がモータ全体の冷却において重要な放熱経路となる。以上のことから、図４のように、バスバー２１を車体前方向に配置する事で、低速時のモータ２の放熱を効率的に行うことができる。なお、バスバー２１と風の間の熱抵抗をさらに小さくするために、図６のように突起３１を設けて、その中にバスバー２１を配置してもよい。

以上、本発明のモータのバスバー構造の第２実施例によれば、バスバー２１はモータハウジング１４の表面の車両前方向に配置される。この配置箇所では、車両の走行速度が遅く、走行風の風速が低い場合にはモータハウジング上の他の箇所に比べて熱伝達率が良いため、他の箇所にバスバー２１を配置するよりもコイル放熱効率を向上することができる。なおモータの特性として低速時にはモータの全損失の中で、コイル１１で発生する損失が占める割合が高いため、特に低速側でモータ２の温度上昇を抑制する事ができるという効果が得られる。

上述した各実施例で説明した図では、バスバー２１と給電ケーブル１６とはモータ２の出力側で接続し、バスバー２１とコイル１１とは反出力側で接続しているが、この接続位置に限定したものではなく、両接続位置が入れ替わってもバスバー２１の冷却機能は損なわれない。

本発明のモータのバスバー構造は、コイルとケーブルの間はモータハウジングの表面層に回転軸と平行に配置されるバスバーによって接続されるため、コイルの熱は、空気に対する熱抵抗が低いバスバーを介して空気に放熱され、モータのコイル冷却を効果的に行う用途に好適に使用することができる。

本発明のモータのバスバー構造の第１の実施例におけるインホイールモータの一例を示した図である。 本発明のモータのバスバー構造においてモータの各コイルを車体側から見た形状を示す図である。 本発明のモータのバスバー構造の第１の実施例におけるインホイールモータの他の例を示した図である。 本発明のモータのバスバー構造の第２の実施例におけるインホイールモータの一例を示した図である。 車速１０ｋｍ／ｈの時の風の分岐点からの角度に対する円柱表面の対空気の熱伝達率分布を示したグラフである。 本発明のモータのバスバー構造の第２の実施例におけるインホイールモータの他の例を示した図である。

符号の説明

１ タイヤ
２ モータ
３ リンク
４ ストラット
１１ コイル
１２ ステータ
１３ ロータ
１４ モータハウジング
１５ ブラケット
１６ 給電ケーブル
１７、３１ 突起
２１ バスバー
２２ コイル銅線
２３ 絶縁体
２４ 溝

Claims (4)

1. 車幅方向に回転軸を持ちホイールを回転駆動するためのモータであり、前記モータのステータに巻回され回転磁界を発生するコイルと、前記モータへの給電ケーブルとがあるモータにおいて、前記コイルと前記ケーブルの間は前記モータハウジングの表面層に回転軸と平行に配置されるバスバーによって接続されることを特徴とするモータのバスバー構造。
2. 前記バスバーは前記モータハウジング表面の車両前方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載のモータのバスバー構造。
3. 前記バスバーは前記モータハウジング表面上に回転軸と平行に設けられた突起の内部に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のモータのバスバー構造。
4. 前記バスバーは前記モータハウジング表面上に回転軸と平行に設けられた複数の突起の内部にそれぞれ分散して配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータのバスバー構造。

Images