JP2020014303A - アウターロータ型モータ、および、電気自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑なヒートトシンクを用いることなく、インバータの配置を工夫することで、構造が簡単で、コンパクトかつ車両のホイール内に大部分が収納可能なアウターロータ型モータ、および、このアウターロータ型モータを備えた電気自動車を提供する。【解決手段】アウターロータ型モータは、ロータ軸であるハブシャフト11と、ハブシャフト11を軸支する軸受支持部材26と、ハブシャフト11と同軸に設けた環状のステータ21を有するステータと、ハブシャフト11に固着されステータの外周側でステータと間隙を介して対向するロータ磁石14を有するロータと、モータ駆動用のインバータを備えている。インバータは、軸受支持部材26の外周とステータの内周との間の空間に配設されている。【選択図】図1
Description
本発明は、アウターロータ型モータ、および、電気自動車に関する。
近年、地球温暖化、エネルギー枯渇、大気汚染などの問題に対応するために、電気自動車を普及させる動きが高まっている。これまでの電気自動車は、車体の上に駆動モータを搭載するオンボード型の装置が主流であったが、駆動モータをホイール内に取り付けるインホイールモータが提案されている。このインホイールモータは、従来のギアや駆動軸などによるエネルギー損失がないため、駆動効率の向上と航続距離の向上が期待できる。
例えば、特許文献1には、3相ブリッジインバータによって駆動されるインホイールモータが開示されており、リング状のステータヒートシンクを有し、このヒートシンクのステータ巻線側とは反対側の面に、インバータおよび制御論理装置を含む制御装置を設けたものが開示されている。
特許文献1に開示されたインホイールモータでは、ステータコアと巻線の軸方向端面に、ヒートシンクを介してモータ駆動用のインバータを実装しているため、複雑な構造のヒートシンクを必要とする。また、モータの軸方向長さが長くなるため、自動車に搭載した際に車体との干渉の影響がある。
本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、複雑なヒートシンクを用いることなく、インバータの配置を工夫することで、構造が簡単で、コンパクトかつ車両のホイール内に大部分が収納可能なアウターロータ型モータを提供すること、および、このアウターロータ型モータを備えた電気自動車を提供することをその目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、ロータ軸と、該ロータ軸を支持する軸受支持部材と、該ロータ軸と同軸に設けた環状のステータと、前記ロータ軸に固着され前記ステータの外周側で該ステータと間隙を介して対向するロータと、モータ駆動用のインバータを備えた、アウターロータ型モータであって、前記インバータが、前記軸受支持部材の外周と前記ステータの内周との間の空間に配設されていることを特徴とするものである。
第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記インバータが、前記空間に配設された中空円板状またはC字形状の基板に実装されていることを特徴とするものである。
第3の技術手段は、第2の技術手段において、前記ステータは前記軸受支持部材の外周側で環状のステータ支持部材を介して固定されており、少なくとも前記インバータのスイッチング素子を実装した前記基板が前記ステータ支持部材に固着されるとともに、前記スイッチング素子が前記ステータ支持部材に絶縁部材を介して接触していることを特徴とするものである。
第4の技術手段は、第2または第3の技術手段において、前記軸受支持部材の外周側に設けた環状の鍔状部材を有し、少なくとも前記インバータのスイッチング素子を実装した前記基板が前記鍔状部材に固着されるとともに、前記インバータのスイッチング素子が前記鍔状部材に絶縁部材を介して接触していることを特徴とするものである。
第5の技術手段は、第1から第4のいずれか1の技術手段において、前記軸受支持部材に、蓄熱部材が設けられていることを特徴とするものである。
第6の技術手段は、第1から第5のいずれか1の技術手段において、前記ロータに、前記ステータおよび前記空間を前記ロータ軸の軸方向両側から覆う導電材料からなるカバーが設けられていることを特徴とするものである。
第7の技術手段は、第1から第6のいずれか1の技術手段において、前記ロータ軸が電気自動車の車輪のホイールと同一軸上に配置され、前記車輪を直接駆動することを特徴とするものである。
第8の技術手段は、電気自動車であって、第7の技術手段のアウターロータ型モータを備えたことを特徴とするものである。
本発明によれば、複雑なシートシンクを用いることなく、冷却効果が高く、コンパクトかつ車両のホイール内に大部分が収納可能なアウターロータ型モータ、および、このアウターロータ型モータを備えた電気自動車を得ることが可能になる。
以下、図面を参照しながら、本発明のアウターロータ型モータおよびインホイールモータに係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。
(第1の実施形態)
以下の説明では、アウターロータ型モータとして、車両のホイール内に搭載するインホイールモータを例に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るアウターロータ型モータをインホイールモータとして構成した際の模式的な断面図であり、部分的に簡略化して図示している。車両のホイールやタイヤは図示していない。また、図2は、アウターロータ型モータに設けられるインバータが実装される基板を示す図である。
以下の説明では、アウターロータ型モータとして、車両のホイール内に搭載するインホイールモータを例に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るアウターロータ型モータをインホイールモータとして構成した際の模式的な断面図であり、部分的に簡略化して図示している。車両のホイールやタイヤは図示していない。また、図2は、アウターロータ型モータに設けられるインバータが実装される基板を示す図である。
インホイールモータ100は、電気自動車の車輪のホイールの内側に内蔵され、車輪の軸と同一軸上に配置される。図1に示すように、インホイールモータ100は、ハブシャフト11を有しており、図示しないホイールが、ホイール取付面から突出するホイール取付用ハブボルト16によって取り付けられる。このため、ハブシャフト11は、自動車の車輪取り付けの強度を確保する点からスチールが用いられる。また、ハブシャフト11には、ブレーキクランプ18も固定される。ハブシャフト11は、軸受17を介して軸受支持部材26に対して回転可能に軸支される。軸受17は、内輪17aと、外輪17bと、内輪17aおよび外輪17bとの間に設けられた複数の転動体17cとを有している。軸受支持部材26は、図示しない車体側の足回りフレーム部品であるナックルにボルト28によって固定される。軸受支持部材26は、インホイールモータ100を車体側に取り付けるための強度を確保する点から、ハブシャフト11と同様にスチールが用いられる。これによって、インホイールモータ100が図示しない車体側に取り付けられ、ハブシャフト11は、車体に対して回転可能となる。ハブシャフト11は、本発明のロータ軸に相当し、車輪の軸と同一軸上に配置される。
ハブシャフト11には、ロータケース12が固着されている。ロータケース12は、インホイールモータ100のホイール取付側の側面を覆う側面部12aと側面部12aから軸方向に延びる周縁部12bを有している。ロータケース12には、軽量化と熱伝導の点からアルミニウムを用いることが望ましい。ロータケース12の周縁部12bの内周面には溝が形成されており、溝の内部には円筒状のロータコア13が配置される。ロータコア13の内周面には、例えば複数の溝が形成されており、この溝にロータ磁石14が環状に固定される。ロータ磁石14としては、磁力の強いネオジム磁石を用いるのが望ましい。ロータケース12、ロータコア13、ロータ磁石14は、アウターロータ型モータのロータの構成部材である。
環状に配置されたロータ磁石14の内周面側には、所定の間隙を介してステータコア21が配置されている。ステータコア21は、環状の基部とこの基部から放射状に突出した複数の歯を有しており、電磁鋼板の積層体から構成される。ステータコア21の各歯には、ステータコイル23を卷回したボビン24が固定されている。ステータコア21の内周側には、ステータコア21を支持するステータ支持部材22が設けられている。ステータ支持部材22は、ステータコア21の内周面に嵌合する周縁部22aと、周縁部22aに繋がるフランジ部22bを一体に有している。ステータ支持部材22は、熱伝導率の高いアルミニウムから構成される。ステータコイル23の軸方向側面には、配線バス25が設けられており、ステータコイル23の図示しない銅線は配線バス25の外側で結線される。ステータコア21、ステータ支持部材22、ステータコイル23、および、ボビン24は、アウターロータ型モータのステータの構成部材である。
ステータ支持部材22のフランジ部22bの内周側には、蓄熱体51が設けられる。この蓄熱体51はアルミニウムから構成される。蓄熱体51は、軸受支持部材26の外周側に固着され、ステータ支持部材22を軸受支持部材26に対して支持している。本実施形態では、ステータ支持部材22と蓄熱体51とを別の部材として構成しているが、一体に構成してもよい。蓄熱体51はステータ支持部材22からの熱を一時的に蓄積することによって、インホイールモータ100の内部の温度上昇を均一化する機能を有しており、蓄熱体51からの熱は、軸受支持部材26、ボルト28等を介して、車体側に放熱される。なお、蓄熱体51を設けない場合は、ステータ支持部材22のフランジ部22bを直接軸受支持部材26に固定すればよい。蓄熱体51は、本発明の蓄熱部材に相当する。
軸受支持部材26には、ロータの回転位置を検出するための、例えば、レゾルバからなるロータ位置検出センサ61が設けられている。本実施形態では、ロータの位置を検出するために、ハブシャフト11の位置を検出しているが、ロータの位置検出箇所はハブシャフト11に限らず、他のロータの構成部材を対象にしてもよい。また、ロータ位置検出センサ61としては、レゾルバに限らず、他の磁気センサや光学センサを用いることもできる。
ロータケース12の周縁部12bには、ホイール取付面と反対側を覆うモータキャップ15が設けられている。モータキャップ15は、軸受支持部材26に設けられたシール板27とオイルシール19を介して対向している。モータキャップ15およびシール板27は軽量化のためにアルミニウムから形成される。本実施形態では、インホイールモータ100は、ハブシャフト11、ロータケース12、モータキャップ15、オイルシール19、シール板27、および、軸受支持部材26によって内部が覆われているため、インホイールモータ100内に水や塵が入り込むのを防ぐことができる。また、オイルシール19を除くこれらの構成部材は金属材料から構成されているため、インホイールモータ100に内蔵したインバータからの電磁ノイズ放射を小さくできる。ロータケース12およびモータキャップ15は、本発明のカバーに相当する。
本実施形態に係るインホイールモータ100は、軸受支持部材26、シール板27、ステータコア21、ステータ支持部材22、ステータコイル23、および、蓄熱体51は、回転しない固定部材であり、車体側に取り付けられる。また、ハブシャフト11、ロータケース12、ロータコア13、ロータ磁石14、および、モータキャップ15は、回転部材となる。ロータ磁石14がステータコア21の外側に位置しているため、本実施形態のインホイールモータ100は、アウターロータ型モータを構成する。車両のホイールは、インホイールモータ100のロータと同じ回転数で回転する。
インホイールモータ100には、インバータが内蔵される。図2は、インバータが実装される基板を示す図であり、図2(A)はスイッチング素子基板を、図2(B)は制御回路基板を、また、図2(C)はスイッチング素子基板と制御回路基板を積み重ねた状態を示している。図3は、3相ブリッジを有するインバータとステータコイルの基本的な関係を示す図である。また、図1には、インバータへ直流を供給するための配線部材である直流給電線71を記載している。
図3に示すステータコイル23は、空間的に120度の位相差を有し、Y結線またはΔ結線されたU、V、Wの3相のステータコイル23を有している。U、V、Wの各相のステータコイル23は、直流電源に接続されたトランジスタT1からT6からなる3相ブリッジ回路30に接続される。制御回路40は、ロータ位置検出センサ61からのロータの位置信号に基づいて、各トランジスタT1からT6へのゲート信号を順次切り替えて、3相のコイルU、V、Wに120度通電駆動あるいは180度通電駆動と呼ばれる通電角制御を行う。このように、制御回路40とトランジスタT1〜T6は、直流を3相交流に変換するインバータを構成している。
図2(A)に示すスイッチング素子基板31は、インバータのトランジスタT1〜T6を搭載する基板である。実際には、スイッチング素子基板31には、複数のインバータが搭載されており、スイッチング素子基板31に搭載されるトランジスタの数は、6個よりも多い。図2(A)に示すように、スイッチング素子基板31は、中空円板状またはドーナツ形状をしており、ガラスエポキシから形成され、搭載用のビス孔33が開けられている。スイッチング素子基板31には、複数のスイッチング素子として、GaN(窒化ガリウム)からなるトランジスタがフリップチップで実装されている。GaNトランジスタは、従来のシリコン型トランジスタに比べて損失が約1桁小さく、これをインバータとして用いると99%の効率が実現できる。また、損失が少ないために冷却器の大きさを桁違いに小さくすることができる。
図3に示す制御回路40は、トランジスタT1〜T6へのゲート信号を生成するためのゲート信号生成部と、例えば、正弦波に近い電流をステータコイル23に流す場合に、PWM(パルス幅変調)信号を生成するPWM信号生成部とから構成される。図2(B)に示す制御回路基板41は、制御回路40のゲート信号生成部やPWM信号生成部を構成する電子部品を搭載する基板である。制御回路基板41は、スイッチング素子基板31と同様に中空円板状またはドーナツ形状をしており、ガラスエポキシから形成され、搭載用のビス孔45が開けられている。制御回路基板41には、電子部品42が搭載されるとともに、直流電源入力端子43、ゲート信号出力端子44が設けられている。本実施形態では、制御回路基板41は、1枚の基板から構成しているが、ゲート信号生成部とPWM信号生成部とをそれぞれ異なる基板として2枚で構成してもよい。なお、本実施形態では、スイッチング素子基板31と制御回路基板41を中空円板状に形成しているが、中空円板状の一部が欠落したC字形状の基板であってもよい。
本実施形態では、図2(C)に示すように、スイッチング素子基板31と制御回路基板41とは、積み重ねた状態でインホイールモータ100内に配設される。その際、少なくとも、スイッチング素子基板31に実装したスイッチング素子32が、外側になるように積み重ねられる。そして、図1に示すように、スイッチング素子基板31のスイッチング素子32がステータ支持部材22のフランジ部22bに図示しない絶縁部材を介して接触するように固定される。固定に当たっては、スイッチング素子基板31のビス孔33と制御回路基板41のビス孔45に設けたビス34によってフランジ部22bに固定される。ビス34には必要に応じてスペーサが設けられる。
このように、インバータは、軸受支持部材26の外周とステータの内周との間の空間に配設される。なお、制御回路基板41のゲート信号出力端子44からは、図示しない配線を介してスイッチング素子基板31の各スイッチング素子32であるトランジスタのゲートにスイッチング信号が送信される。また、制御回路基板41の直流電源入力端子43へは、直流給電線71が接続される。なお、図1では、ロータ位置検出センサ61から制御回路基板41への信号配線、スイッチング素子基板31の各スイッチング素子32からステータコイル23への配線は、簡略化のために省略している。
インバータを、上記のようにインホイールモータ100内に配設することにより、インバータで最も発熱の大きなスイッチング素子32からの熱を、ステータ支持部材22を介して蓄熱体51へ導くことができる。このため、スイッチング素子32の温度上昇を抑えることができる。蓄熱体51からの熱は、先述したように、蓄熱体51からの熱は、軸受支持部材26、ボルト28等を介して、車体側に放熱される。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係るアウターロータ型モータをインホイールモータとして構成した際の模式的な断面図である。第1の実施形態では、それぞれ1枚のスイッチング素子基板31と制御回路基板41をインホイールモータ100内に配設した。第2の実施形態では、スイッチング素子32をスイッチング素子基板31へ搭載する際の実装密度の関係から、2枚のスイッチング素子基板31をインホイールモータ101内に配設している。そして、2枚のスイッチング素子基板31の各スイッチング素子を駆動するために、それぞれのスイッチング素子基板31に対して制御回路基板41を設けている。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るアウターロータ型モータをインホイールモータとして構成した際の模式的な断面図である。第1の実施形態では、それぞれ1枚のスイッチング素子基板31と制御回路基板41をインホイールモータ100内に配設した。第2の実施形態では、スイッチング素子32をスイッチング素子基板31へ搭載する際の実装密度の関係から、2枚のスイッチング素子基板31をインホイールモータ101内に配設している。そして、2枚のスイッチング素子基板31の各スイッチング素子を駆動するために、それぞれのスイッチング素子基板31に対して制御回路基板41を設けている。
具体的には、軸受支持部材26の外周側に蓄熱体51を介して環状の鍔状部材29を設け、この鍔状部材29の両面に、それぞれスイッチング素子基板31とこのスイッチング素子基板31に積み重ねた制御回路基板41を設けている。鍔状部材29は熱伝導率の良好なアルミニウムから形成している。図4では、鍔状部材29は、ステータ支持部材22と一体に形成したものを示しているが、個別に形成してもよい。また、蓄熱体51を設けない場合は、鍔状部材29は直接軸受支持部材26の外周部に固着される。
スイッチング素子基板31と制御回路基板41とを鍔状部材29に固定する方法については、第1の実施形態と同様であり、スイッチング素子基板31のスイッチング素子32が鍔状部材29に対して図示しない絶縁部材を介し接触するように取り付ければよい。これにより、スイッチング素子32からの熱を、鍔状部材29を介して蓄熱体51へ導くことができる。なお、ステータ支持部材22のフランジ部22bと鍔状部材29とに挟まれた箇所に、スイッチング素子基板31と制御回路基板41を実装する場合は、C字形状の基板を採用することで径方向からの実装が容易となる。また、中空円板状の基板とする場合は、スイッチング素子基板31と制御回路基板41をそれぞれ複数の基板に分割して取り付ければよい。インホイールモータ101の他の構成については、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、鍔状部材29の両面にそれぞれスイッチング素子基板31と制御回路基板41を配設する代わりに、ステータ支持部材22のフランジ部22bと鍔状部材29のそれぞれに配設してもよい。また、スイッチング素子基板31と制御回路基板41とは、積み重ねた状態で配設しなくてもよい。また、制御回路基板41として、ゲート信号生成部とPWM信号生成部とをそれぞれ異なる基板として2枚で構成した場合も、それぞれの基板を、ステータ支持部材22あるいは鍔状部材29に取り付けてもよい。また、スイッチング素子基板31と制御回路基板41の各構成部材を、基板の表裏にそれぞれ実装することによって、1枚の基板で構成し、トランジスタを実装した面をステータ支持部材22あるいは鍔状部材29に向けて取り付けてもよい。
インバータを実装した基板として、中空円板状またはC字形状の基板は一例であって、それ以外の形状であってもよく、本発明は、インバータが軸受支持部材の外周とステータの内周との間の空間に配設されておれば、種々の変更が含まれる。そして、本発明のアウターロータ型モータは、インホイールモータとして用いる場合は、コンパクトであるため電気自動車の車輪のホイール内にその全てあるいは大部分を収納することが可能であるが、ホイール外であっても、車輪と同一軸上に配置してギア等を介さずに電気自動車の車輪を直接駆動してもよい。さらに、本発明のアウターロータ型モータは、電気自動車以外の他の用途にも適用可能である。
11…ハブシャフト、12…ロータケース、12a…側面部、12b…周縁部、13…ロータコア、14…ロータ磁石、15…モータキャップ、16…ホイール取付用ハブボルト、17…軸受、17a…内輪、17b…外輪、17c…転動体、18…ブレーキクランプ、19…オイルシール、21…ステータコア、22…ステータ支持部材、22a…周縁部、22b…フランジ部、23…ステータコイル、24…ボビン、25…配線バス、26…軸受支持部材、27…シール板、28…ボルト、29…鍔状部材、30…3相ブリッジ回路、31…スイッチング素子基板、32…スイッチング素子、33…ビス孔、34…ビス、40…制御回路、41…制御回路基板、42…電子部品、43…直流電源入力端子、44…ゲート信号出力端子、45…ビス孔、51…蓄熱体、61…ロータ位置検出センサ、71…直流給電線、100、101…インホイールモータ。
Claims (8)
- ロータ軸と、
該ロータ軸を支持する軸受支持部材と、
該ロータ軸と同軸に設けた環状のステータと、
前記ロータ軸に固着され前記ステータの外周側で該ステータと間隙を介して対向するロータと、
モータ駆動用のインバータを備えた、アウターロータ型モータであって、
前記インバータが、前記軸受支持部材の外周と前記ステータの内周との間の空間に配設されていることを特徴とする、アウターロータ型モータ。 - 前記インバータが、前記空間に配設された中空円板状またはC字形状の基板に実装されてい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モータ。
- 前記ステータは前記軸受支持部材の外周側で環状のステータ支持部材を介して固定されており、
少なくとも前記インバータのスイッチング素子を実装した前記基板が前記ステータ支持部材に固着されるとともに、前記スイッチング素子が前記ステータ支持部材に絶縁部材を介して接触していることを特徴とする、請求項2に記載のアウターロータ型モータ。 - 前記軸受支持部材の外周側に設けた環状の鍔状部材を有し、
少なくとも前記インバータのスイッチング素子を実装した前記基板が前記鍔状部材に固着されるとともに、前記インバータのスイッチング素子が前記鍔状部材に絶縁部材を介して接触していることを特徴とする、請求項2または3に記載のアウターロータ型モータ。 - 前記軸受支持部材に、蓄熱部材が設けられていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1に記載のアウターロータ型モータ。
- 前記ロータに、前記ステータおよび前記空間を前記ロータ軸の軸方向両側から覆う導電材料からなるカバーが設けられていることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1に記載のアウターロータ型モータ。
- 前記ロータ軸が電気自動車の車輪のホイールと同一軸上に配置され、前記車輪を直接駆動することを特徴とする請求項1から6のいずれか1に記載のアウターロータ型モータ。
- 請求項7に記載のアウターロータ型モータを備えた、電気自動車。
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