JP2006246678A - アウターロータ型のホイールインモータおよび電気自動車およびハイブリット自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両走行時の外気を有効に利用してコイルの発熱を効果的に冷却するとともに、コイルの冷却に際して電力を消費することのないアウターロータ型のホイールインモータと、該アウターロータ型のホイールインモータを備えた電気自動車およびハイブリット自動車を提供する。
【解決手段】 中空車軸３のまわりにコイル４１が装着された突極コア４を有するステータコア２が取り付けられ、該ステータ２のまわりを回転するロータが、ホイール６とその内周面に装着された突極６１から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータ１である。流入通路７１と排気通路７２がステータコア２内に設けられており、中空車軸３から流入通路７１へ入った外気はコイル４１に提供され、コイル４１の熱を奪って温められた外気を排気通路７２を介して車外へ排気するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中空車軸のまわりにコイルが装着された突極を有するステータが取り付けられ、該ステータのまわりを回転するロータが、ホイールとその内周面に装着された突極から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータと、該アウターロータ型のホイールインモータを備えた電気自動車およびハイブリット自動車に係り、特に、例えば車両走行時の外気を有効に利用してコイルの発熱を効果的に冷却するとともに、コイルの冷却に際して電力を消費することのないアウターロータ型のホイールインモータと、該アウターロータ型のホイールインモータを備えた電気自動車およびハイブリット自動車に関するものである。

近時、排気ガスによる環境影響への問題やガソリン資源の将来的な限界への対策といった面から、電気自動車や、電気とガソリンとを適宜使い分けるハイブリット自動車が注目されている。かかる電気自動車やハイブリット自動車においては、車輪のホイール内にモータが組み込まれた、いわゆるホイールインモータが適用されている。

ところで、従来のホイールインモータは全閉構造となっており、モータ内部を積極的に冷却する構成ではなかったために、モータ内部の温度上昇の制限から必然的にモータ寸法が大きくならざるを得なかった。

かかる従来のホイールインモータの問題点を解決するために、特許文献１においては、電気自動車用電動機の冷却構造に関する考案が開示されている。かかる冷却構造は、フィルタを介して冷却ファンによって吸入された外気を、フレキシブルダクトに通し、その後に中空車軸に通し、中空車軸に設けられた通気路を介して該中空車軸まわりに設けられた固定子と、該固定子の外側に配設された回転子に外気を提供するものである。

また、特許文献２においてもコイルの冷却構造を備えたアウターロータ型磁石発電機に関する発明が開示されている。かかる冷却構造においても、中空車軸まわりに設けられた固定子と、該固定子の外側に配設された回転子に外気が提供される構成となっている。

実開平５−２２１３３号公報 特開２０００−２１７３２１号公報

特許文献１，２に開示の発明や考案によれば、車両走行時の外気を有効に利用してコイルの発熱を効果的に冷却することが可能となる。しかし、両者ともに固定子と回転子との間の微小な空間（磁束が鎖交する微小空間）に外気が通ることとなり、この外気には往々にして異物が混入している場合があることから、かかる異物が固定子と回転子との間の微小空間に入り込むことによって双方がロックされる可能性が極めて高くなる。固定子と回転子とがロックされることにより、モータの回転が阻害され、場合によっては回転不能に至ることとなる。

上記するような回転子と固定子との間に外気に混入された異物が入り込むことを防止するために、例えば特許文献１では吸気口に目の細かいフィルタを設けている。しかし、このフィルタによって通気抵抗が増大してしまい、車両走行時の外気の利用が阻害され、そのために電動の冷却ファンが必要となってくる。この冷却ファンも多分に電力を消費することとなるが、そもそも電力消費を可能な限り抑えたい電気自動車やハイブリット自動車にとっては、かかる冷却ファンによる消費電力は車両走行に利用される電力を低減させることに繋がってしまう。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ステータとロータとの間の微小空間に外気を通すことがなく、したがって、双方がロックされる問題も解消でき、さらには電動の冷却ファンを不要としてコイル冷却に電力が消費されることのないアウターロータ型のホイールインモータと、該アウターロータ型のホイールインモータを備えた電気自動車およびハイブリット自動車を提供することを目的とする。また、電源供給用のケーブル（パワーケーブル）をも効果的に冷却することのできるアウターロータ型のホイールインモータと、該アウターロータ型のホイールインモータを備えた電気自動車およびハイブリット自動車を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータは、中空車軸のまわりにコイルが装着された突極を有するステータが取り付けられ、該ステータのまわりを回転するロータが、ホイールとその内周面に装着された突極から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータであって、前記ステータには、コイルに空気を提供するための流入通路と、コイルと接した後の空気をステータ外へ排気するための排気通路とが設けられており、流入通路を通った空気がロータの突極側へ提供されることを防止する防止手段が講じられていることを特徴とする。

本発明のアウターロータ型のホイールインモータは、車両走行時の外気（走行風）をステータのコイルにのみ提供し、ステータとロータとの間の微小空間に外気を提供しないものであり、そのための適宜な防止手段がステータ側に講じられているものである。外気をステータに装着されたコイルにのみ直接提供する構成とすることにより、外気吸入口に目の細かいフィルタを設ける必要がなくなり、フィルタによる通気抵抗の増加がないことから、外気を吸入するための冷却ファンを装着する必要がなくなる。冷却ファンによる電力消費がなくなることによって、特に、電気自動車やハイブリット自動車においては、電力の節減に繋がることとなる。

ここで、上記する防止手段の実施形態は特に限定するものではないが、例えば、ステータ成形時にコイルを予め埋め込んでおくとともに、ステータ内部に該コイルに連通する外気の流入通路と排気通路を設けておくことにより、流入通路をロータの突極と完全に遮断することができ、ロータとステータとの間の微小空間に外気が侵入することを防止できる。

また、コイルの温度を外気にて効果的に下げることで、コイルを構成する銅線周りに塗布されているエナメル線の仕様を、従来のように耐熱性に優れた高価な仕様とする必要がなくなる。例えば、電気自動車やハイブリット自動車に適用されるアウターロータ型のホイールインモータで使用される導線には、銅からなる導体まわりにポリアミド・イミドが使用されていたが、これを比較的安価なポリエステル・イミドなどに変更することができる。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、前記ステータは非磁性材料からなり、該ステータに磁性材料からなる突極コアが取り付けられており、該突極コアにコイルが装着されており、前記防止手段は、突極コアおよびコイルを包囲するカバーからなることを特徴とする。

突極コアは、磁界を生じさせる磁性材料から製作される必要があるが、かかる突極コアを支持するステータ（のコア）は、非磁性材料からなるものであって比較的高剛性な材料から製作される必要がある。そこで、かかる非磁性材料としては、例えばアルミニウム等の金属や、硬化することによって高剛性を有する適宜の樹脂材料などが好適である。

突極コアの実施形態としては、例えば、プレート状の磁性材料（電磁鋼板など）を断面視が略矩形の筒体となるように巻き回してプレート間を固着させ、該筒体を縦断で２つに分割して断面視が略コの字状となるように成形し、それらの一側面同士を当接させた姿勢でステータに装着可能とした形態がある。相互に当接された分割体の一側まわりに、コイルが形成されたコイルボビンを嵌め込むことにより、コイルを備えた突極コアが形成できる。かかる実施形態によれば、ステータ成形時に予めコイルを埋め込む等の必要がなくなり、ホイールインモータの効率的な製造を実現することができる。

例えば、上記する実施形態などによれば、ステータの突極においてコイルが剥き出しの状態となるため、ステータ内に設けられた流入通路を通ってきた外気がコイルに提供される際には、さらにその外側のロータの突極へも外気が提供されてしまう。そこで、本発明においては、ステータの突極コアとコイルのまわりに、突極コアの形状に応じた内部空間を有するカバーを装着することにより、外気をロータの突極側へ提供しないようにするものである。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、中空車軸には、車外の空気が流入する流入口が設けられており、流入通路と排気通路はそれぞれ中空車軸に連通されており、流入口から中空車軸に入った空気が流入通路を通ってコイルに提供され、コイルと接した後の空気が排気通路を通って中空車軸に入り、中空車軸から車外へ排気されるように構成されていることを特徴とする。

中空車軸に設けられる外気の流入口は、外気を取り入れ易い適宜の場所に設ければよい。また、外気を直接流入させる外気流入ダクトを流入口に連通させた実施形態であってもよい。

本発明によれば、中空車軸の内部に取り入れられた外気を中空車軸を介して流入通路に送ることができるため、車軸の構成を有効に利用することができる。流入通路を通ってコイルに外気が提供され、コイルの熱を奪って温められた外気を排気通路へ送り、排気通路を介して暖められた外気を中空車軸に返すことで、スムーズな外気の流れを実現できる。中空車軸の端部には、例えば外部に臨む開口が設けられており、中空車軸に送られた温かい外気はこの開口を介して車外へ排気される。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、前記中空車軸内には隔壁が設けられており、流入通路が中空車軸の内壁面に臨む開口と、排気通路が中空車軸の内壁面に臨む開口とがそれぞれ隔壁の両側となるように構成されていることを特徴とする。

流入通路が中空車軸の内壁面に臨む開口と、排気通路が中空車軸の内壁面に臨む開口とを中空車軸内に設けられた隔壁にて隔てることにより、流入通路へ提供される冷たい外気と排気通路から中空車軸へ送られる温かい外気とが混ざり合うことがなくなり、より効率的なコイルの冷却と、外気の排気を実現することが可能となる。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態は、中空車軸のまわりにコイルが装着された突極を有するステータが取り付けられ、該ステータのまわりを回転するロータが、ホイールとその内周面に装着された突極から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータであって、前記ステータは非磁性材料からなり、該ステータに磁性材料からなる突極コアが取り付けられており、該突極コアにコイルが装着されており、ステータの内部であってコイルに近接する部分には、空気が流れる通路が設けられていることを特徴とする。

本発明は、ステータ内部であってステータに装着されるコイルの近傍に外気が流れる通路を設けておくものであり、コイルで生じた熱は突極コアに伝達され、この突極コアから生じる熱をステータを介して近傍に流れる冷たい外気にて吸収させるものである。

本発明によれば、予め突極コアが装着される箇所の近傍に空気の通路を備えた状態でステータコアを成形することができ、さらには、別途のカバーなどを成形する必要もなくなり、カバーを装着する手間も必要なくなる。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、中空車軸には、車外の空気が流入する流入口が設けられており、前記空気が流れる通路の端部はそれぞれ中空車軸に連通されており、流入口から中空車軸に入った空気は前記通路を通り、車外へ排気されるように構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、前記中空車軸内には隔壁が設けられており、中空車軸の内壁面に臨む前記通路の２つの開口がそれぞれ隔壁の両側となるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、電源供給用のケーブルの一部が前記流入通路内に配設されていることを特徴とする。

電源供給用のケーブルとは、例えば、ホイールインモータの駆動源となる電源を供給するためのパワーケーブルのことである。このパワーケーブルは、使用時に高温となるため、従来は別途の冷却装置によって冷却していたものである。本発明においては、コイル冷却用に設けられた流入通路内にケーブルの一部を配設することにより、別途の冷却装置を不要とでき、設備の簡素化と消費電力の節減を図ることができる。

さらに、本発明によるアウターロータ型のホイールインモータの他の実施形態において、電源供給用のケーブルの一部が前記通路内に配設されていることを特徴とする。

また、本発明による電気自動車およびハイブリット自動車は、前記アウターロータ型のホイールインモータを備えたことを特徴とする。

上記するアウターロータ型のホイールインモータを備えることによって消費電力を格段に節減できるため、電気自動車やハイブリット自動車の走行距離のさらなる延長を実現することができる。特に電気自動車においては、その走行距離が普及拡大の大きな障害となっていることから、その効果は絶大なものである。

以上の説明から理解できるように、本発明のアウターロータ型のホイールインモータによれば、外気を有効に利用してコイルを冷却することができ、さらにはロータとステータとの間に外気が侵入することがないためにモータがロックする等の危険性がなく、したがって、消費電力の大幅な節減とモータの信頼性の向上を同時に図ることができる。また、かかるアウターロータ型のホイールインモータを使用した本発明の電気自動車やハイブリット自動車によれば、消費電力の節減によってその走行距離のさらなる延長を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のホイールインモータの一実施形態の縦断図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。図３は、ステータの突極の分解斜視図であり、図４，５は、本発明のホイールインモータの他の実施形態の縦断図である。なお、ホイールインモータが装着された電気自動車やハイブリット自動車の図示は省略する。

図１にホイールインモータ１の縦断図を示している。アウターロータ型のホイールインモータとは、中空車軸３に固着されたステータコア２の外周を、ホイール６とその内周面に取り付けられた突極６１，６１，…、およびタイヤ６２が回転するものである。なお、中空車軸３はホイール６の中央開口を貫通しており、図示しないベアリング軸受によって中空車軸３まわりを回転することができる。中空車軸３の適宜箇所に穿設された流入孔３２に、外気を流入するための流入ダクト３３が連通している。ステータコア２は、アルミニウムや樹脂などの非磁性材料から成形されており、その頂部に設けられた凹部にはコイル４１が装着された突極コア４，４が落とし込まれた姿勢で設置されている。

ステータコア２内には、中空車軸３に連通する外気の流入通路７１および排気通路７２が設けられている。この流入通路７１と排気通路７２は１本の連続した通気孔であり、突極コア４，４に装着されたコイル４１に流入通路７１を通ってきた外気を提供し、コイル４１の熱を吸収して温められた外気を排気通路７２を介して中空車軸３へ排気するものである。図１を参照すれば、流入ダクト３３に矢印Ｘで入ってきた外気は中空車軸３内に入り（矢印Ｙ）、中空車軸３から流入通路７１を通ってコイル４１に提供され（矢印Ｚ）、コイルの熱によって温められた外気は排気通路７２を通って中空車軸３に排気され、中空車軸３から外部へ排気される（矢印Ｗ）。ここで、中空車軸３内には隔壁３１が取り付けられており、流入通路７１が中空車軸に臨む開口と排気通路７２が中空車軸に臨む開口が隔壁３１の両側となるように構成されている。この隔壁３１により、中空車軸３内に入ってきた冷たい外気と、排気通路７２を通って中空車軸３内に排気された温かい外気が混合されることがなく、効率的なコイル４１の冷却と外気の排気をおこなうことが可能となる。

ステータの突極においては、コイル４１に提供された外気がロータの突極６１，６１に提供されないように、ステータコア２の上部に突極コア４，４を収容するカバー５を設置している。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図であるが、ステータ側に６極、ロータ側に４極のスイッチドリラクタンスモータとなっている。各コイル４１，４１，…には、それぞれ流入通路７１（と図示しない排気通路）から外気が提供できるようになっている。図示する実施形態では、コイル４１に並行する流入通路７１のコイル側に図示しない複数の孔が設けられていて、この孔から外気が提供されるような形態であってもよい。なお、ステータおよびロータの極の組み合わせは図示する実施形態に限定されるものではない。

図３は、ステータの突極の分解斜視図を示したものである。電磁鋼板を巻きまわしてなる巻きコア４０をＸラインで２分割することによって２つの断面視が略コの字状の突極コア４，４を成形し、これらの一側面同士を当接させ、切断面をロータ側に向けた姿勢でステータコア２の頂部に設けられた凹部２１に落とし込んで設置する。

突極コア４，４の中央部分にコイル４１が装着されたコイルボビン８を嵌装し、ステータコア２の頂部とカバー５とをボルト５１，５１，…にて固定する。図１に示すように、ロータ側の突極コア６１，６１は、ステータ側の突極コア４，４と同様の方法によって作成された同一形状のコアを使用することができ、切断面をステータ側に向けた姿勢でホイール６の内周面に取り付けられている。

図４は、ホイールインモータの他の実施形態を示している。図１で示すホイールインモータ１では、流入通路７１と排気通路７２がコイル４１と直接連通していたが、図４に示すホイールインモータ１ａでは、ステータコア２の内部に設けられた通路７３がコイル４１と直接連通していない形態である。コイル４１で発生した熱は、突極コア４，４に伝熱され、突極コア４，４からステータコア２へ伝熱された熱を通路７３内を流れる外気が吸収するものである。外気の流れは、流入ダクト３３から中空車軸３を経て通路７３を通り、ステータコア２内を伝熱された熱を奪って温められた外気が中空車軸３へ排気されて外部へ放出される（矢印Ｘ〜Ｙ〜Ｚ〜Ｗの流れ）。

図５に示す実施形態は、図１に示すホイールインモータ１の中空車軸３および流入通路７１に、コイル４１に電流を提供するためのパワーケーブル９が挿入されてなるホイールインモータ１ｂである。中空車軸３や流入通路７１を通る外気で高温となったパワーケーブル９を冷却することができるため、別途の冷却装置や冷却に要するエネルギーが不要となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のホイールインモータの一実施形態の縦断図。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図。 ステータの突極の分解斜視図。 本発明のホイールインモータの他の実施形態の縦断図。 本発明のホイールインモータの他の実施形態の縦断図。

符号の説明

１…ホイールインモータ、２…ステータコア、３…中空車軸、３１…隔壁、３２…流入孔、３３…流入ダクト、４…突極コア、４１…コイル、５…カバー、６…ホイール、６１…突極、６２…タイヤ、７１…流入通路、７２…排気通路、７３…通路、８…コイルボビン、９…パワーケーブル

Claims (11)

1. 中空車軸のまわりにコイルが装着された突極を有するステータが取り付けられ、該ステータのまわりを回転するロータが、ホイールとその内周面に装着された突極から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータであって、
   前記ステータには、コイルに空気を提供するための流入通路と、コイルと接した後の空気をステータ外へ排気するための排気通路とが設けられており、流入通路を通った空気がロータの突極側へ提供されることを防止する防止手段が講じられていることを特徴とするアウターロータ型のホイールインモータ。
2. 前記ステータは非磁性材料からなり、該ステータに磁性材料からなる突極コアが取り付けられており、該突極コアにコイルが装着されており、前記防止手段は、突極コアおよびコイルを包囲するカバーからなることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
3. 中空車軸には、車外の空気が流入する流入口が設けられており、流入通路と排気通路はそれぞれ中空車軸に連通されており、流入口から中空車軸に入った空気が流入通路を通ってコイルに提供され、コイルと接した後の空気が排気通路を通って中空車軸に入り、中空車軸から車外へ排気されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
4. 前記中空車軸内には隔壁が設けられており、流入通路が中空車軸の内壁面に臨む開口と、排気通路が中空車軸の内壁面に臨む開口とがそれぞれ隔壁の両側となるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
5. 中空車軸のまわりにコイルが装着された突極を有するステータが取り付けられ、該ステータのまわりを回転するロータが、ホイールとその内周面に装着された突極から構成されてなるアウターロータ型のホイールインモータであって、
   前記ステータは非磁性材料からなり、該ステータに磁性材料からなる突極コアが取り付けられており、該突極コアにコイルが装着されており、ステータの内部であってコイルに近接する部分には、空気が流れる通路が設けられていることを特徴とするアウターロータ型のホイールインモータ。
6. 中空車軸には、車外の空気が流入する流入口が設けられており、前記空気が流れる通路の端部はそれぞれ中空車軸に連通されており、流入口から中空車軸に入った空気は前記通路を通り、車外へ排気されるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
7. 前記中空車軸内には隔壁が設けられており、中空車軸の内壁面に臨む前記通路の２つの開口がそれぞれ隔壁の両側となるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
8. 電源供給用のケーブルの一部が前記流入通路内に配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
9. 電源供給用のケーブルの一部が前記通路内に配設されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のアウターロータ型のホイールインモータ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のアウターロータ型のホイールインモータを備えたことを特徴とする電気自動車。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載のアウターロータ型のホイールインモータを備えたことを特徴とするハイブリット自動車。

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