JP2009284727A

JP2009284727A - 電動二輪車用モータ

Info

Publication number: JP2009284727A
Application number: JP2008136786A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Uchiyama; 英和内山
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】スクータ型の小型電動二輪車において取り回し性が良好でありかつコンパクト化し得る電動モータを実現する。
【解決手段】電動モータ３をアウタロータ型のブラシレスモータとして、コイルＬｕ（ｖ・ｗ）を集中巻きして巻線の無駄を無くし、２０極２４スロットとし、１００〜１５０ｍｍ径のロータ５にネオジマグネットからなるマグネット８を配設し、マグネット８の厚さに対してマグネットとティース９との間隔を０．５〜１．５倍にし、ティースのコイルが巻回された巻線部分の周方向幅がティースの先端部分の周方向幅に対して０．４〜０．６倍とし、減速機を介して駆動輪を駆動する。市販されているスクータ型の小型自動二輪車に駆動源以外の大きな設計変更をせずに適用でき、コギングトルクの影響を受けず、押し歩きなどの取り回し性が良い。
【選択図】図３

Description

本発明は、小型の電動二輪車に関するものである。

従来、小型自動二輪車として所謂スクータ型の駆動源に電動モータを設けた電動二輪車がある（例えば特許文献１参照）。そのような小型電動二輪車ではコンパクト性が求められて居る。また、押し歩きでの移動し易さが取り扱い性として重要視されている。
特開２００４−２１００７４公報

一方、駆動源としての電動モータについて適当なモータとしては、ブラシレスモータが考えられる。また、インナロータとアウタメータとの二通りの回転構造があるが、インナロータの場合にはロータを外囲するようにステータコアが設けられていることから外形が大型化し、ステータコアの内周面側に巻線することから巻線が容易でなくかつ占積率も低いという欠点がある。その対策として分割コア方式で巻線する構造があるが、この場合にはコアが分割されることで、磁気回路的に分断されて、モータ特性が悪化（効率低下）するという課題がある。また、インナロータの外周面にマグネットを配設することから、小型・高速回転型とする場合には遠心力対策のために部品点数が増えるという欠点がある。

また、スクータ型の小型電動二輪車の場合には取り回し性の容易さのためできるだけ軽量化することが望ましく、電動モータの場合にはロータを空転させることができることからクラッチを設けなくても良い。しかしながら、ブラシレスモータを設計する場合に適当な２極３スロット型（比）の場合には、コギングトルクが大きいという問題があり、クラッチを設けない電動二輪車を押して歩く場合に電動モータを車輪側から回転させることになり、コギングトルクの影響を受けてギクシャクとした動きとなり、またコギングトルクによる抵抗を受けるため押す場合に大きな力を必要として取り回し性が悪化するという問題が生じる。

このような課題を解決して、スクータ型の小型電動二輪車において取り回し性が良好でありかつコンパクト化し得る電動モータを実現するために本発明に於いては、電動二輪車の駆動輪を減速機を介して駆動する電動モータを有し、前記電動モータは、固定子を外囲する回転子が配設されたアウタロータ型ブラシレスモータであり、かつ前記固定子の外径が１００〜１５０ｍｍであり、前記固定子にコイルが集中巻きされ、前記回転子の極数が２０であり、かつ前記固定子のスロット数が２４であり、主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であるものとした。

このように本発明の請求項１によれば、モータをアウタロータ型とすることにより、インナロータ型に対して大径のロータにマグネットを配設することができるため、マグネット全体の量を大きくすることができ、全体として大きな磁力を発生させることができる。また、減速機を介した場合に駆動輪の必要な回転速度を得るためには減速比に応じて高速回転型のモータとなるため、インナロータ型の場合にはロータ外周面にマグネットが取り付けられることから遠心力対策が必要となるのに対して、アウタロータ型とすることにより、ロータ内周面にマグネットが取り付けられるため特別な遠心力対策を必要とせず、コスト高とならない。また、モータ取付スペースに制約がある場合にロータの外径を最大限まで大きくし得ることから、限られた大きさのモータで大きなトルクを発生させることができる。これにより、スクータ型小型電動二輪車のように高速走行性能を必要とせず、むしろ軽量化が要求されることに対して好適に応えることができる。

現在市販されているスクータ型の小型自動二輪車をベースとした場合に、搭載可能なモータの大きさとして、固定子の外径を１００〜１５０ｍｍに設定すると、駆動源以外の大きな設計変更をせずに電動モータを容易に適用できる。その場合にマグネットに磁力が強力なネオジマグネット（ネオジウム磁石）を用いることにより、固定子の外径が１００〜１５０ｍｍとしてもスクータ型の小型電動二輪車に必要な駆動トルクを得ることが可能となる。例えばフェライトマグネットの場合には大径化してしまう。さらに、そのような小径のモータの場合には巻線効率を上げるべく集中巻きとすると良い。分布巻のように離れたスロット間で巻線した場合には渡り線となる無駄な部分が生じてしまうのに対して、集中巻きとすることによりそのような無駄を省くことができる。

また、コギングトルクの影響が小さな極数とスロット数との組み合わせで１０（極）：１２（スロット）とすると良いが、その組み合わせにおいて、１００〜１５０ｍｍの外径の固定子とした場合にコイル占積率や出力特性の効率の観点から２０極２４スロットが最も適する。これにより、押し歩き時にコギングトルクによるギクシャク感や抵抗を感じることなく円滑に走行させることができ、押し歩き時などの良好な取り回し性の要求に好適に応えることができる。また、巻線スペースを十分に確保できるため、銅損を低減することができる。

さらに、ネオジマグネットの場合には、固定子と回転子とのエアギャップがマグネットの厚さの０．５〜１．５倍とすると共に、ティースの巻線部分の周方向幅がティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍とする場合に磁力を最も高効率に生かすことができる。また、そのような関係とすることにより、固定子（コア）中の磁束密度が１．６Ｔ以下になり、鉄損を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたスクータ型の小型電動二輪車を示す概略全体図である。図に示されるように、車体フレーム１の進行方向（図の矢印Ａ方向）前側に操舵輪となる前輪Ｗｆが配設され、進行方向後側に駆動輪となる後輪Ｗｒが配設されている。後輪Ｗｒは、車体フレーム１に枢支されたスイングアーム２の揺動端部に軸支されている。スイングアーム２には、駆動源としての本発明に基づく電動モータ３が取り付けられていると共に、電動モータ３と後輪Ｗｒとの間には大小径プーリＰｂ・Ｐｓと両プーリＰｂ・Ｐｓ間に架け渡されたベルトＢＬとにより構成された減速機４が設けられている。なお、減速機４としては、図示例のベルト式に限られるものではなく、ギア伝達機構など種々の減速伝達機構であって良い。また車体フレーム１の適所には、電源としてのバッテリＢＴと、電動モータ３の駆動制御を行う制御回路ＥＣＵを内蔵する制御ユニットとが配設されている。

次に、図２を参照して電動モータ３の駆動制御回路について説明する。なお、本発明に基づく電動モータ３は三相ブラシレスモータであり、公知の部分についてはその詳しい説明を省略する。図２の回路では、電源としての車載バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成されたインバータ２１を介してモータ３の各相コイルが接続されている。なお、バッテリＢＴとインバータ２１とを接続する電源線には電流検出手段としての電流検出センサ２２と電圧検出センサ２３とが設けられており、それぞれにより検出された電流検出信号と電圧検出信号とが、制御回路ＥＣＵの電流検出回路２５と電圧検出回路２６とに入力するようになっている。モータ３にはロータ５の回転角度を検出する回転センサ２４が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路２７と回転速度検出回路４１とに入力し、回転角度検出回路２７ではロータ５のステータ６に対する回転（角度）位置を算出し、回転速度検出回路４１ではロータ５のステータ６に対する回転速度を算出する。

また、制御回路ＥＣＵ内には、外部の例えばアクセル開度センサ（図示せず）からの信号であって良い運転操作信号が入力される運転操作入力回路２８と、運転操作入力回路２８からの出力信号がそれぞれ入力される出力指令信号発生手段としての出力電流指令回路２９および回生電流指令手段としての回生電流指令回路３０と、出力電流指令回路２９及び電流検出回路２５からの各出力信号が入力される出力電流比較回路３１と、回生電流指令回路３０及び電流検出回路２５からの各出力信号が入力される回生電流比較回路３２と、回生電流比較回路３２・電圧検出回路２６・回転速度検出回路４１・出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの各出力信号が入力されかつ回生デューティを決定する回生Ｄｕｔｙ決定回路３４と、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４によりアクセス可能なマップデータを記憶しているメモリからなるマップ３５と、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４からの回生デューティ決定信号が所定のデューティ比であるか否かを判定する回生デューティ判定回路４２と、出力電流比較回路３１・回生電流比較回路３２・回生Ｄｕｔｙ判定回路４２からの各出力信号が入力されかつ出力デューティを決定する出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号が所定値であるか否かを判定する出力Ｄｕｔｙ判定回路３６と、出力Ｄｕｔｙ判定回路３６・回生Ｄｕｔｙ判定回路４２・回生電流比較回路３２・出力電流比較回路３１からの各出力信号が入力されると共にそれら入力値に応じて進角信号を出力する進角制御手段としての進角制御回路３７と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３・回生Ｄｕｔｙ決定回路３４・回転角度検出回路２７・進角制御回路３７からの各出力信号が入力されると共にそれら入力値に応じて生成したＰＷＭ信号をインバータ２１に出力するパルス幅変調信号発生手段としてのＰＷＭ信号生成回路３８とが設けられている。なお、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

出力Ｄｕｔｙ決定回路３３にあっては、出力電流比較回路３１からの出力決定値に基づいて駆動（加減速）出力制御におけるデューティ比を決定し、そのデューティ比決定信号をＰＷＭ信号生成回路３８に出力し、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４にあっては、回生電流比較回路３２からの出力決定値に基づいて回生制御におけるデューティ比を決定し、そのデューティ比決定信号をＰＷＭ信号生成回路３８に出力する。また、進角制御回路３７にあっては、各入力値に基づいて進角制御における進角値を決定し、その進角決定信号をＰＷＭ信号生成回路３８に出力する。ＰＷＭ信号生成回路３８にあっては、ブラシレスモータに対する公知のＰＷＭ制御におけるパルス幅変調されかつデューティ比に応じた制御信号としてのＰＷＭ信号を決定する。なお、回生制御にあっては、図示例の３相ブラシレスモータであってインバータ２１がＦＥＴを用いた３相フルブリッジ回路で構成されている場合にはＦＥＴをチョッピング制御する。チョッピング・デューティ０では、全てのＦＥＴがオフし、ＦＥＴの寄生ダイオードを介して回生電流が全波整流される。

次に、図３を参照してモータ３の構造について説明する。上記したように、また図に示されるように、モータ３はアウタロータ型であり、その回転子であるロータ５の内周側に固定子であるステータ６が配設されている。ステータ６は、軸線方向に鋼板を積層された積層鋼板からなり、図示されないモータケースに突状に形成されたボス部に例えばボルト止めされる円環状のコア６ａと、コア６ａの外周面から半径方向外向きに突出しかつ周方向に等ピッチに配設された２４本のティース９とを有する。

スロット数と(固定子)外径の関係は占積率や巻線のし易さなどに影響するため、２４スロットとした場合に、固定子の外径として各ティース９の先端を結ぶ円の直径とすると、固定子の外径を１００〜１５０ｍｍとすると良い。なお、ティース９は、軸線方向から見てＴ字状の公知のティースと同様の形状であって良い。

各ティース９間により巻線用のスロット７が形成されており、本電動モータ３では２４スロットとなる。ロータ５の内周面であって各ティース９と対向する部分には、主磁気回路を構成するネオジマグネットからなる円弧状のマグネット８が周方向に２０極配設されている。このようにして、２０極２４スロットの電動モータ３が構成されている。個々で、主磁気回路とは磁気センサの磁気回路と区別されるものである。

図３および図４に示されるように、各ティース９のＴ字形状のポール部分９ａには三相の各コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが巻回されている。それらの巻線は図３に示されるようになっている。各ティース９の互いに隣り合う２つずつに同相のコイルがそれぞれに集中巻きにて巻回されている。なお、隣り合う２つのティース９には互いに相反する向きにコイルが巻回されおり、コイルの一端が各相の接続端子Ｕ・Ｖ・Ｗに接続され、他端がコモン端子Ｃに接続されている。

また、図４に示されるように、マグネット８におけるロータ３の半径方向に対する厚さｔに対して、回転子と固定子とのエアギャップｓとなるマグネット８の磁極面８ａとティース９の対向面との間隔（ｓ）が図示例では０．５倍に設定されている。なお、厚さｔに対してエアギャップｓは０．５〜１．５倍であって良い。

また、ティース９のコイルＬｕ（ｖ・ｗ）が巻回されたポール部分（巻線部分）９ａの周方向幅ｂ１がティース９の先端部分９ｂの周方向幅（ティース幅）ｂ２に対して図示例では０．５倍に設定されている。なお、巻線部分幅ｂ１に対してティース幅ｂ２は０．４〜０．６倍であって良い。

さらに、本発明が適用される駆動装置では、上記したように、電動モータ３と後輪（駆動輪）Ｗｒとを直結ではなく、減速機４を介して連結する。減速することにより駆動源としての電動モータ３の小型化が可能であり、本発明の適用対象となるスクータ型の小型電動二輪車への搭載に好適である。

しかしながら、減速する構造の場合には電動モータ３は高回転型となる。インナロータ型の場合にはロータの外周面にマグネットを配設することから、高速回転時に大きな遠心力が作用するため、マグネットの強固な飛散防止構造が要求され、部品点数の増大などにより製造コストが高騰化する。それに対して、本発明では上記したように、アウタロータ型であり、ロータ３の内周面にマグネット８が取り付けられるため、遠心力に対して特別な措置を取る必要がなく、特別なコストアップが生じない。また、インナロータ型に対して回転するロータ３の外径が大径化されるため、レイアウトの制約から取付スペースが規制された場合に、同一外形のモータであれば、アウタロータ型のモータとすることにより、より大きなトルクを発生させることができる。逆に定格トルクや最大トルクが設定された場合には、インナロータ型に対してアウタロータ型の方がよりコンパクト化できる。

また、駆動制御において矩形波１２０度通電で行うと良い。２０極２４スロットのブラシレスモータと組み合わせることにより、正弦波駆動としなくても、矩形波駆動でもトルクリップルが抑制されるため、特に本発明の対象となる小型電動二輪車用電動モータとして良好な特性を得ることができる。また、矩形波駆動とすることで、ベクトル制御などを行う場合に比較して、電流センサ２２や回転センサ２４などを簡略化することができ、上記回路に基づくコントローラを安価に構成することができる。

本発明が適用されたスクータ型の小型電動二輪車を示す概略全体図である。本発明が適用された駆動回路のブロック図である。本発明に基づくモータのステータおよびロータを示す正面図である。本発明に基づくティースおよびマグネットの形状を示す図である。

符号の説明

３電動モータ
４減速機
５ロータ
６ステータ
６ａコア
７スロット
８マグネット
９ティース
９ａポール部分
９ｂ先端部分
Ｌｕ・Ｌｖ・Ｌｗコイル
Ｗｒ後輪

Claims

電動二輪車の駆動輪を減速機を介して駆動する電動モータを有し、
前記電動モータは、固定子を外囲する回転子が配設されたアウタロータ型ブラシレスモータであり、かつ前記固定子の外径が１００〜１５０ｍｍであり、
前記固定子にコイルが集中巻きされ、
前記回転子の極数が２０であり、かつ前記固定子のスロット数が２４であり、
主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、
前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、
前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であることを特徴とする電動二輪車用モータ。