JP2009161045A - インホイールモータ - Google Patents

Abstract

【課題】底面５２と底面周縁に立設したリング面５４からなる有底筒型を有し、底面５２の中心にホイールシャフト３０が貫通する中心穴５２ｂを形成し、リング面５４に複数個の永久磁石５６を周方向に沿って列設固定したロータと、２極ステータコイル６３，７２を備えたインホイールモータ１０の騒音低減を目的とする。
【解決手段】ロータ本体５１の底面に４個の貫通長穴５２ｄを等角度間隔で形成し、もしくは質量体５８を取り付けてロータ本体５１に有穴部位又は重量部位と、この有穴部位又は重量部位から４５度ずれた無穴部位又は非重量部位を形成する。有穴部位又は重量部位と無穴部位又は非重量部位では一次共振周波数が異なり、有穴部位又は重量部位と無穴部位又は非重量部位の一次共振周波数が分離するので、ロータ５０の二次共振振動エネルギーが減少し、ロータ５０の一次共振振動に起因する騒音を低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は車両のホイール内部に取り付けられて駆動輪を直接駆動するインホイールモータに関する。

インホイールモータの一形式として、モータハウジングと、モータハウジングに軸受部を介して回転可能に組み込まれたホイールシャフトと、ホイールシャフトに連結されたホイールと、モータハウジングに内蔵されホイールシャフトと一体回転するように連結されたロータと、ロータに対してその回転半径方向外側又は内側に位置するように前記ハウジング内部に固定したステータとを備えたインホイールモータが実用に供されている。

このインホイールモータにおけるロータ１００は図１４，１５に示すように、底面１０１と底面１０１の周縁に立設したリング面１０２からなる有底円筒型を有する。そして、底面１０１の中心にホイールシャフトが貫通する中心孔１０３が形成されている。また、ロータ１００のリング面１０２には複数個の永久磁石１０４が周方向に沿って列設固定されている。

一方、前記ステータはホイールシャフトを中心として放射状に配列された複数個の磁性体からなるティースと各ティースに巻回した２極ステータコイルを備えている。これら各ティースはロータの永久磁石に近接配置され、２極ステータコイルへの通電に伴い発生する強制力によりロータ及びこれと一体のホイールシャフトが回転する。
引用なし

本発明は上記したインホイールモータ、より詳しくは上記した有底筒型のロータと２極ステータコイルを備えたインホイールモータの騒音低減を目的として成されたものである。

本件発明の発明者は上記目的を達成するため、各種実験を行って以下の知見を得た。すなわち、ロータリング面１０２の共振モードの測定実験によって、図１３に示す一次共振モードと図１２に示す二次共振モードが得られた。この図１２，１３において、実線はリング面１０２の先端部外形を表し、点線はリング面１０２の先端部外形の共振振動時の変形を模式的に表す。ロータリング面先端部の一次共振振動は図１１に示すように約５５０Ｈｚで発生し、二次共振振動は約１．２Ｋｚで発生した。

図１２に示される二次共振モードは２極ステータコイルによって生じる強制力と相殺する方向でバランスしているため、一次共振モードに比較して振動が抑えられている。一方、一次共振モードは図１３に示されるように２極ステータコイルの強制力と一致しているため大きく増幅される。また、図１１に示されるように、ロータの一次共振モードの共振倍率Ｑは約１００倍となっているため、自励振動のようにわずかな強制力で大きな振幅となる。このことから２極ステータコイルを有するインホイールモータの騒音の主たる原因がロータの一次共振振動に起因することが判明した。

本発明はかかる知見に基づいて成されたものであって、請求項１に記載の発明は、モータハウジングと、モータハウジングに軸受部を介して回転可能に組み込まれたホイールシャフトと、ホイールシャフトに連結されたホイールと、モータハウジングに内蔵されホイールシャフトと一体回転するように連結されたロータと、ロータに対してその回転半径方向外側又は内側に位置するように前記ハウジング内部に固定したステータとを備え、
前記ロータは底面と底面周縁に立設したリング面からなる有底筒型を有し、底面中心に前記ホイールシャフトが貫通する中心孔を形成し、リング面に複数個の永久磁石を周方向に沿って列設固定し、
前記ステータは前記シャフトを中心として放射状に配列された複数個の磁性体からなるティースと各ティースに巻回した２極ステータコイルを備え、
ロータの永久磁石にステータの各ティースを近接配置したインホイールモータであって、
ロータ底面の前記中心孔の周囲に等角度間隔で４個の略同一形状を有する穴を形成したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、モータハウジングと、モータハウジングに軸受部を介して回転可能に組み込まれたホイールシャフトと、ホイールシャフトに連結されたホイールと、モータハウジングに内蔵されホイールシャフトと一体回転するように連結されたロータと、ロータに対してその回転半径方向外側又は内側に位置するように前記ハウジング内部に固定したステータとを備え、
前記ロータは底面と底面周縁に立設したリング面からなる有底筒型を有し、底面中心に前記ホイールシャフトが貫通する中心孔を形成し、リング面に複数個の永久磁石を周方向に沿って列設固定し、
前記ステータは前記シャフトを中心として放射状に配列された複数個の磁性体からなるティースと各ティースに巻回した２極ステータコイルを備え、
ロータの永久磁石にステータの各ティースを近接配置したインホイールモータであって、
前記リング面の先端部に前記中心孔を中心として等角度間隔で４個の略同一質量体を固設したことを特徴とする。

そして、請求項１に記載の発明において、前記穴の反中心孔側端部が前記リング面に近接もしくは達するように各穴を形成する。

請求項１に記載の発明によれば、ロータの底面に４個の穴を等角度間隔で形成したので、ロータ底面に穴を設けた有穴部位と、この有穴部位から４５度ずれた穴の存在しない無穴部位が形成される。有穴部位と無穴部位では剛性が異なり、有穴部位は無穴部位に比べて剛性が低下するので、一次共振周波数が異なる。その結果、有穴部位と無穴部位の一次共振周波数が分離するので、ロータの一次共振振動エネルギーが減少し、ロータの一次共振振動に起因する騒音を低減できる。

請求項２に記載の発明によれば、リング面の先端部に４個の同一質量体を等角度間隔で固設したので、リング面に質量体を設けた重量部位と、この重量部位から４５度ずれた質量体の設けられていない非重量部位が形成される。重量部位と非重量部位では一次共振周波数が異なり、重量部位と非重量部位の一次共振周波数が分離する。

とりわけ、有底筒型のロータにあってはリング面が振動し易く、そのリング面先端部に重量部位と非重量部位を形成したので、両部位の一次共振周波数の分離が顕著に現れる。その結果、ロータの一次共振振動エネルギーが大幅に減少するので、ロータの一次共振振動に起因する騒音を効果的に低減できる。

ちなみに、請求項１に記載の発明のようにロータ底面に穴を形成するに際し、形成する穴の数や配置の異なるロータ、例えば中心孔を中心にして２個の貫通穴を１８０度ずらして配置した２つ穴ロータ、４個の貫通穴を９０度ずらして配置した４つ穴ロータ、ロータ底面の左半分に３個の貫通穴、右半分に３個の貫通穴をロータの直径に関して線対象になるように形成した変形６つ穴ロータ、等角度間隔で８個の貫通穴を形成した８つ穴ロータ等を用意し、それぞれについて騒音低減効果を測定したところ４個の貫通穴を等角度間隔で形成したロータが最も騒音低減効果が高いという実験結果を得た。

ロータの底面に形成する穴はその面積が大きいほど、有穴部位と無穴部位間の一次共振周波数はより大きく分離し、騒音低減効果が増大する。また、ロータの軽量化にもなり、ロータイナーシャを低減するので、回転始動トルクが低下するためモータの効率が向上する。

請求項３に記載の発明のように、穴の反中心孔側端部をリング面に近接又は達するまで延長すれば、穴の面積が可及的に大きくなる。従って、より一層騒音低減効果を高めることができる。

以下に本発明を添付図面に基づき説明する。図１は本発明の第１実施例に係るダブルステータ型インホイールモータを示す断面図である。

このダブルステータ型モータ１０はモータハウジング２０とホイールシャフト３０を備えている。ホイールシャフト３０はモータハウジング２０を貫通し、ハウジング２０から突出する一端に一体成形されたハブ３１にホイール４０がハブスタッドボルト４１で連結されている。

モータハウジング２０は内端面を開口２１ａにしたアウターハウジング２１と、アウターハウジング２１の内端面開口２１ａを覆蓋するインナーハウジング２２から成り、アウターハウジング２１にインナーハウジング２２がボルト（図示略）で固着されている。そして、インナーハウジング２２が車両の懸架装置の一種であるダブルウィッシュボーン型サスペンションのアッパアームとロアアーム（図示略）に連結されている。

アウターハウジング２１にはその中央部に開口２１ｂが形成されている。また、インナーハウジング２２は中央部内側に筒部２２ａが突設されている。そして、ホイールシャフト３０がアウターハウジング２１の開口２１ｂからインナーハウジング２２の筒部２２ａ中に貫入している。

ハウジング２０の内部にはロータ５０、ロータ５０を回転可能に支持する一対のボールベアリング２３，２４、インナーステータ６０及びアウターステータ７０が内蔵されている。

ロータ５０は有底短尺円筒型のロータ本体５１と、ロータ本体５１の底面５２の中心部に一体に凸設した筒軸部５３から構成される。図２，３に示すように、ロータ本体５１は円形底面５２と底面５２の周縁に一体に立設したリング面５４を備え、底面５２の中心部にフランジ部５２ａとホイールシャフト３０が貫通する中心孔５２ｂが形成されている。フランジ部５２ａには６個のネジ穴５２ｃが等角度間隔で形成されている。また、フランジ部５２ａの外側に中心孔５２ｂを中心として４個の貫通長穴５２ｄが等角度間隔で形成されている。４個の貫通長穴５２ｄは同一形状を有し、各貫通長穴５２ｄの反中心孔側端部５２ｅはリング面５４に達している。各貫通長穴５２ｄはその中心が中心孔５２ｂを中心とする同一円周上に位置するように配置されている。ロータ底面５２に形成したこれら４個の貫通長穴５２ｄによってロータ５０の有穴部位が構成される。筒軸部５３は中心孔５２ｂに連通するようにネジ穴５２ｃに螺合するボルト５７（図１参照）でフランジ部５２ａに固着され、ロータ本体５１と一体に組み付けられている。

リング面５４にはリング面５４の内外を貫通する複数の矩形貫通穴５５が周方向に沿って等間隔で列設されている。そして、各矩形貫通穴５５に長方形の平板状永久磁石５６が嵌着されている。

両ボールベアリング２３，２４はインナーハウジング２２の筒部２２ａ内壁面に装着されている。そして、ロータ５０の筒軸部５３がボールベアリング２３，２４によってインナーハウジング２２に回転可能に支持されている。筒軸部５３にはファインナット２５が締め付けられ、ボールベアリング２３，２４が筒軸部５３から抜け止めされている。

両ボールベアリング２３，２４でハウジング２０内に回転可能に組み込まれたロータ５０の筒軸部５３にホイールシャフト３０が挿通され、筒軸部５３とホイールシャフト３０が一体回転するようにセレーション結合（図示略）されている。こうしてロータ５０とホイールシャフト３０が共通のボールベアリング２３，２４によってハウジング２０中に回転可能に組み込まれている。

図１，４に示すように、インナーステータ６０はロータ５０のリング面５４に対してその回転半径方向内側に配置され、アウターステータ７０は回転半径方向外側に配置されている。また、インナーステータ６０は略円板状の磁性体から成り、中心部に円形通孔６１が形成され、外周部に複数個のティース６２が通孔６１を中心として放射状に列設され、各ティース６２に２極ステータコイル６３（一部図示）が巻回されている。

インナーステータ６０は通孔６１をインナーハウジング２２の筒部２２ａの外周部に挿入して筒部２２ａに装着し、ボルト２６でインナーハウジング２２に固定されている。筒部２２ａに装着されたインナーステータ６０の各ティース６２はホイールシャフト３０を中心として放射状に延び、その先端面はロータ５０に固定されている永久磁石５６に近接して配置される。

アウターステータ７０はリング状の磁性体からなり、内周面にティース７１が等角度間隔で列設され、各ティース７１に２極ステータコイル７２（一部図示）が巻回されている。また、アウターステータ７０は外周部にティース７１と同じ等角度間隔で湾曲凸部７４が列設形成されている。一方、アウターハウジング２１の内壁面に各湾曲凸部７４が嵌合する湾曲凹部２１ｃが円形に列設形成されている。アウターステータ７０はその湾曲凸部７４をアウターハウジング２１の湾曲凹部２１ｃに嵌合せさ、接着剤で接着してアウターハウジング２１に固着されている。

アウターハウジング２１に固着したアウターステータ７０の各ティース７１はインナーステータ６０の各ティース６２に略整列し、ホイールシャフト３０を中心とする放射状に配列され、各ティース７１の先端面がロータ５０の永久磁石５６の列に近接配置されている。

図５にインナーステータ６０とアウターステータ７０の各ティース６２，７１に巻回される２極ステータコイル６３，７２の結線回路図を示す。結線の構成はＵ，Ｖ，Ｗの３相から成り、各相が第１と第２の２つのブロックから成り、第１と第２の各ブロックが並列に接続されている。各ブロックはアウターステータ７０のティース７１に巻回される第１コイル、第２コイル、第３コイルとインナーステータ６０のティース６２に巻回される第４コイル、第５コイル、第６コイルをそれぞれ直列に接続して構成される。

本実施例に係るダブルステータ型インホイールモータ１０の構造は以上の通りであって、２極ステータコイル６３，７２への通電により生じる強制力によってロータ５０及びこれと一体のホイールシャフト３０が回転駆動される。

このインホイールモータ１０を構成するロータ本体５１におけるＡ方向とＢ方向（図３参照）の共振モードの測定結果を図６に示す。二次共振モードの発生周波数はＡ方向とＢ方向でほとんど違いはない。一方、一次共振モードの発生周波数に関してはＡ方向とＢ方向の間に７Ｈｚの分離が生じている。このように本実施例ではロータ本体５１の底面に４個の貫通長穴５２ｄを等角度間隔で形成し、ロータ本体５１に穴を設けた有穴部位と、この有穴部位から４５度ずれた穴の存在しない無穴部位を形成したので、有穴部位（Ａ方向）と無穴部位（Ｂ方向）では剛性が異なるため一次共振周波数が異なり、有穴部位と無穴部位の一次共振周波数が分離する。その結果、ロータ５０の一次共振振動エネルギーが減少するので、ロータ５０の一次共振振動に起因する騒音を低減できる。

なお、本実施例では図３に示すようにロータ底面５２に４個の貫通長穴５２ｄを等角度間隔で形成したが、図７に示すように円形小貫通穴５２ｆを形成したロータ本体５１、図８に示す円形中貫通穴５２ｇを形成したロータ本体５１、図９に示す円形大貫通穴５２ｈでも騒音低減効果を得ることができる。これら貫通穴５２ｆ，５２ｇ，５２ｈの中心は中心孔５２ｂを中心とする同一円周上に位置するように配置されている。

ちなみに、ロータ本体の底面に貫通穴を形成しない従来のロータ本体に対し、底面に開口面積の異なる貫通穴５２ｄ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈを形成した場合の騒音低減効果の違いを図１０に示す。図１０の点ａは図１５に示すロータ本体の底面に貫通穴を形成しないロータ本体１００を示す。点ｂは図７に示す円形小貫通穴５２ｆを形成したロータ本体、点ｃは図８に示す円形中貫通穴５２ｇを形成したロータ本体、点ｄは図９に示す円形大貫通穴５２ｈを形成したロータ本体５１を示す。なお、点ｅは図２，３に示したロータ本体を示している

円形小貫通穴５２ｆはその総面積がロータ底面積の約４パーセント、円形中貫通穴５２ｇの総面積は約７パーセント、円形大貫通穴５２ｈの総面積は約２０パーセント、貫通長穴５２ｄの総面積は約２０パーセントとなるように寸法が定められている。

グラフに示されるように、穴５２ｄ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈの面積が大きくなるほど、一次共振周波数の分離が増大して騒音低減効果が増加する。

ちなみに、貫通穴５２ｄ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈの総面積とロータ底面積との割合は１５〜２５パーセントが好ましい。１５パーセント以下では騒音低減効果が低く、貫通穴を形成しない場合との差異が少ない。一方、２５パーセント以上になるとロータの強度が低下し、インホイールモータの耐久性が悪化する。

なお、本実施例では貫通穴の形状として円形、長穴を採用したが、他の形状、例えば矩形、三角形等を採用することも可能である。また、貫通穴に限定されるものではなく、有底穴を形成しても同様の効果を得ることは可能である。

次に本発明の第２実施例に係るダブルステータ型インホイールモータ１０Ａを図１６に示す。また、このインホイールモータ１０Ａのロータ本体５１を図１７，１８に示す。当該ロータ本体５１の底面５２には中心孔５２ｂを中心として４個の貫通穴５２ｉが等角度間隔で形成されている。各貫通穴５２ｉは略半円形を有し、貫通穴５２ｉの反中心孔側端部５２ｅはリング面５４に達している。これら４個の半円形貫通穴５２ｉによってロータ５０に低剛性の有穴部位が形成されている。

一方、ロータ本体５１のリング面５４の先端部には４個の質量体５８が固設されている。各質量体５８は略同一の直方体形状と同一質量を有し、リング面５４の先端部の４箇所にボルト５９（図１６参照）で固定されている。これら４個の質量体５８は中心孔５２ｂを中心として等角度間隔を成し、かつ貫通穴５２ｉと同じ配置となるようにリング面５４の先端部に取り付けられている。そして、リング面に固設した４個の質量体によってロータ５０の重量部位が形成されている。
なお、本実施例に係るインホイールモータ１０Ａはロータの構造に相違があるだけで、他の構成は第１実施例に係るインホイールモータ１０と同一であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施例に係るインホイールモータ１０Ａにおけるロータ５０の他の構成も第１実施例に係るインホイールモータ１０のロータ５０と同一であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例に係るダブルステータ型インホイールモータ１０Ａによれば、リング面５４の先端部に４個の同一質量体５８を等角度間隔で固設して重量部位を形成し、この重量部位と同じ配置となるように貫通穴５２ｉにより低剛性の有穴部位を形成したので、重量部位と非重量部位及び有穴部位と無穴部位で一次共振周波数が大きく異なり、重量部位と非重量部位及び有穴部位と無穴部位の一次共振周波数が分離する。とりわけ、有底筒型のロータ５０にあってはリング面５４が振動し易く、そのリング面５４に質量体５８を固設した重量部位と質量体の存在しない非重量部位を形成したので、軽量部位と重量部位の一次共振周波数の分離が顕著に現れる。その結果、ロータ５０の一次共振振動エネルギーが大幅に減少するので、ロータ５０の一次共振振動に起因する騒音を効果的に低減できる。

このインホイールモータ１０Ａを構成するロータ本体５１における重量部位（Ａ方向）の一次共振振動と軽量部位（Ｂ方向）の一次共振振動の間には約３０Ｈｚの分離が生じている。
なお、本実施例ではロータ５０に貫通穴５２ｉを形成するとともに質量体５８を固設したが、貫通穴５２ｉを省略して質量体５８で重量部位と非重量部位を形成しても一次共振周波数の分離を生じさせることは可能である。

本発明の実施例に係るインホイールモータを示す断面図である。 同インホイールモータのロータ本体を示す斜視図である。 同インホイールモータのロータ本体を示す平面図である。 同インホイールモータのロータ、インナーステータ及びアウターステータを示す平面図である。 同インホイールモータにおけるインナーステータとアウターステータのティースに巻回されるコイルの結線回路図である。 同インホイールモータのロータ本体のイナータンスと分析周波数の関係を示すグラフである。 同インホイールモータのロータ本体の第２実施例を示す平面図である。 同インホイールモータのロータ本体の第３実施例を示す平面図である。 同インホイールモータのロータ本体の第４実施例を示す平面図である。 同インホイールモータのロータ本体の共振周波数の差と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 従来のインホイールモータにおけるロータ本体の分析周波数ごとのイナータンスを示すグラフである。 従来のインホイールモータにおけるロータ本体の二次共振モードを模式的に示す説明図である。 従来のインホイールモータにおけるロータ本体の一次共振モードを模式的に示す説明図である。 従来のインホイールモータにおけるロータ本体を示す斜視図である。 従来のインホイールモータにおけるロータ本体を示す平面図である。 本発明の第２実施例に係るインホイールモータを示す断面図である。 同第２実施例に係るインホイールモータのロータ本体を示す斜視図である。 同第２実施例に係るインホイールモータのロータ本体を示す平面図である。

符号の説明

１０…ダブルステータ型モータ
２０…ハウジング
２１…アウターハウジング
２２…インナーハウジング
３０…ホイールシャフト
４０…ホイール
５０…ロータ
５１…ロータ本体
５２…ロータ本体の底面
５２ｂ…中心穴
５２ｄ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈ…貫通穴
５４…リング面
５６…永久磁石
５８…質量体
６０…インナーステータ
６０ａ，６０ｂ…欠相部
６２…ティース
６３…２極ステータコイル
７０…アウターステータ
７１…ティース
７２…２極ステータコイル

Claims (3)

1. モータハウジングと、モータハウジングに軸受部を介して回転可能に組み込まれたホイールシャフトと、ホイールシャフトに連結されたホイールと、モータハウジングに内蔵されホイールシャフトと一体回転するように連結されたロータと、ロータに対してその回転半径方向外側又は内側に位置するように前記ハウジング内部に固定したステータとを備え、
   前記ロータは底面と底面周縁に立設したリング面からなる有底筒型を有し、底面中心に前記ホイールシャフトが貫通する中心孔を形成し、リング面に複数個の永久磁石を周方向に沿って列設固定し、
   前記ステータは前記シャフトを中心として放射状に配列された複数個の磁性体からなるティースと各ティースに巻回した２極ステータコイルを備え、
   ロータの永久磁石にステータの各ティースを近接配置したインホイールモータであって、
   前記ロータ底面の前記中心孔の周囲に等角度間隔で４個の略同一形状を有する穴を形成したことを特徴とするインホイールモータ。
2. モータハウジングと、モータハウジングに軸受部を介して回転可能に組み込まれたホイールシャフトと、ホイールシャフトに連結されたホイールと、モータハウジングに内蔵されホイールシャフトと一体回転するように連結されたロータと、ロータに対してその回転半径方向外側又は内側に位置するように前記ハウジング内部に固定したステータとを備え、
   前記ロータは底面と底面周縁に立設したリング面からなる有底筒型を有し、底面中心に前記ホイールシャフトが貫通する中心孔を形成し、リング面に複数個の永久磁石を周方向に沿って列設固定し、
   前記ステータは前記シャフトを中心として放射状に配列された複数個の磁性体からなるティースと各ティースに巻回した２極ステータコイルを備え、
   ロータの永久磁石にステータの各ティースを近接配置したインホイールモータであって、
   前記リング面の先端部に前記中心孔を中心として等角度間隔で４個の略同一質量体を固設したことを特徴とするインホイールモータ。
3. 前記穴の反中心孔側端部が前記リング面に近接もしくは達するように各穴を形成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。

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