JP2020014303A - アウターロータ型モータ、および、電気自動車 - Google Patents

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。

特表２０１６−５３０８７１号公報

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。

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る。 インバータが実装される基板を示す図である。 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。 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。

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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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