JP2020031524A - アウターロータ型モータ、および、電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ボビンのステータへの取り付けが簡単に行え、ステータの保持を強固に行っても、使用時にボビンの係合部が破損するおそれがないボビンの取り付け構造を有し、放熱効果に優れた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、環状基部の外径側に放射状に複数の歯２１ｂを有するステータコア２１と、ステータコア２１を軸方向の両側から挟んで位置決めするステータセンタ２２およびステータガイド２３と、コイル４０が卷回されステータコア２１の複数の歯２１ｂに装着されるボビン３０を有する。ボビン３０がステータコア２１に装着された状態で、ステータセンタおよびステータガイドに設けた係合片２２ｃ，２３ｃが、ボビン３０の係合孔３４ａ，３５ａに挿入されるとともに、係合片２２ｃ，２３ｃがステータコア２１を挟んで固定している。【選択図】図５

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。

電気自動車の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。インホイールモータとして、アウターロータ型（外転型)で永久磁石が回転するモータにおいて、ステータ（固定子）はリング状のヨーク部とその外径側に複数の歯を有する鉄心で構成される。この歯に捲回するステータコイルは、歯に直接捲回する場合と、一度ボビンに捲回しそのボビンを歯に挿入する場合がある。

ボビンを用いる場合、モータの使用中にボビンが径方向に移動すると、回転するアウターロータにボビンが接触し重大な障害を起こすことになるので、ボビンを強固に歯に固定する必要がある。例えば、特許文献１には、ステータを軸方向の両側から挟むことによって、ステータを支持するモータベースおよびモータサポートを有するモータにおいて、モータベースおよびモータサポートを利用して、ステータに装着したボビンを固定するボビン構造が開示されている。

特許第６１１２５２５号公報

特許文献１に開示されたボビン構造では、ボビンが、ステータの内径側に係合部を有しており、ステータがモータベースおよびモータサポートにより両側から挟まれた状態において、ボビンの係合部もモータベースおよびモータサポートの係合部により両側から挟まれた状態で、ボビンがステータに固定される。このため、モータベースおよびモータサポートを組み立てることによって、同時にボビンを固定でき、ボビンが径方向に移動することを阻止できる。

しかしながら、特許文献１に開示されたボビン構造では、ステータをモータベースおよびモータサポートにより両側から挟んで固定する際に、部材の寸法精度によっては、ボビンに設けた係合部もモータベースおよびモータサポートの係合部に挟まれるため、ボビンの係合部に押圧力が作用するおそれがあった。インホイールモータは自動車の車輪内に設けられるため、使用時には、車輪の振動が直接もモータの構成部材に伝わることになる。このため、インホイールモータのステータはモータベースおよびモータサポートに強固に取り付けられる必要があるが、ボビンの係合部に強い力が作用すると、使用時にボビンの係合部が破損するおそれがあった。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、ボビンのステータコアへの取り付けが簡単に行え、ステータコアの保持を強固に行っても、使用時にボビンの係合部が破損するおそれがないボビンの取り付け構造を有し、放熱効果に優れた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、環状基部の外径側に放射状に複数の歯を有するステータコアと、該ステータコアを軸方向の両側から位置決めするステータセンタおよびステータガイドと、コイルが卷回されて複数の前記ステータコアの前記歯に装着されるボビンを有する、アウターロータ型モータであって、前記ボビンの内径側の前記軸方向の両側に、前記軸方向に貫通する係合孔を有して突出する係合部が設けられ、前記ステータセンタおよびステータガイドのそれぞれ外周部に、前記軸方向に突出する複数の係合片が設けられ、前記ボビンが前記ステータコアに装着された状態で、前記ステータセンタおよびステータガイドの前記係合片の先端が前記ボビンの前記係合孔に挿入されるとともに、前記係合片が前記ステータコアの軸方向端面に当接して前記ステータコアを軸方向に位置決めし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、前記ボビンは、該ボビンが前記ステータコアに装着された状態で、径方向に離間する２つの鍔部を有し、内径側の鍔部の前記軸方向側の箇所に、前記コイルの巻き端が挿入される切欠きを有することを特徴とするものである。

第３の技術手段は、電気自動車であって、第１または第２の技術手段のアウターロータ型モータが、車輪のホイールに設けられ、前記車輪が前記アウターロータ型モータによって直接駆動されることを特徴とするものである。

本発明によれば、ボビンのステータへの取り付けが簡単に行え、ステータを挟持するステータセンタおよびステータガイドに設けた係合片が、ステータの軸方向端面に当接しているため、ボビンに設けた係合部に押圧力が作用することがなく、使用時にボビンの係合部が破損するおそれがない。また、ステータセンタおよびステータガイドに設けた係合片を介して、ステータからの熱をステータセンタおよびステータガイドに伝導しやすくなり、ステータの放熱効果が良好となる。

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。 本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータに用いるボビンの斜視図である。 図２に示すボビンを各方向から見た図および一断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータおいて、ステータにボビンを装着する様子を示す斜視図である。 本発明の一実施形態において、ステータコアにステータセンタおよびステータガイドを装着した状態での断面図である。

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電気自動車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。

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。

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、ホイール取り付け面から突出するホイール取り付け用ハブボルト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２７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、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のホイール取り付け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、溝の内部には磁性体からなる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ことが望ましい。

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、環状基部２１ａとこの環状基部２１ａから放射状に突出した複数の歯２１ｂを有しており、電磁鋼板の積層体から構成される。歯２１ｂは、略直方体の形状に形成される。ステータコア２１の各歯２１ｂには、ステータコイル４０を卷回したボビン３０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センタ２２とステータガイド２３が設けられており、ステータセンタ２２は、軸受支持部材２６に固定されている。ステータセンタ２２およびステータガイド２３は、ステータコア２１を支持するための部材であり、ステータコア２１を軸方向の両側から挟み込んで保持する保持片２２ａ、２３ａをそれぞれ有している。ステータセンタ２２およびステータガイド２３は、ステータコア２１の内周面と軸方向両端面を位置決めした状態で、ステータコア２１よりも内径側に設けられたボルト２４によって固定される。ステータコア２１の固定構造については後述する。ステータセンタ２２およびステータガイド２３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４０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４０の巻き端４１は配線バス２５の外側で結線される。

軸受支持部材２６あるいはステータセンタ２２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５０が設けられている。ロータ位置検出センサ５０からのロータ位置信号は、図示しないモータ駆動用のインバータの制御回路に送られる。インバータはロータの位置に応じてスイッチング素子によって直流電源をスイッチングして、例えば、三相交流に変換し、電流供給線６０、配線バス２５を通じて各ステータコイル４０に電流を供給する。

ロータケース１２の周縁部１２ｂには、ホイール取り付け面の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、本実施形態では、ステータセンタ２２とオイルシール１９を介して対向している。本実施形態では、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。

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、ステータコア２１、ボビン３０、ステータコイル４０、ステータセンタ２２、および、ステータガイド２３は、回転しない固定部材であり、電気自動車の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。電気自動車のホイールは、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。

次に、本実施形態におけるボビン３０の構造について説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータに用いるボビンの斜視図である。図３は、図２に示すボビンを各方向から見た図と断面図であり、図３において、図３（Ａ）はボビンの底面図、図３（Ｂ）はボビンの側面図、図１（Ｃ）はボビンの正面図、また、図３（Ｄ）は図３（Ａ）の矢視Ｄ−Ｄの断面図である。以下の説明において、ボビン３０の各部の位置関係は、ボビン３０がステータコア２１の歯２１ｂに装着されている状態を前提に説明する。図３に示すボビン３０については、Ｘ軸方向が径方向であり、正方向側が外径側、負方向側が内径側になる。また、Ｙ軸方向とＺ軸方向が、それぞれアウターロータ型モータの周方向と軸方向となる。

ボビン３０は、合成樹脂やガラス繊維強化樹脂等から成型されており、胴部３１と、この胴部３１の両端に外径側鍔部３２と内径側鍔部３３の２つの鍔部を有している。胴部３１の内側は中空状に形成された中空部３１ａとなっており、その断面形状はステータコア２１の歯２１ｂの断面形状とほぼ等しく形成されている。ボビン３０をステータコア２１の歯２１ｂに装着する際は、中空部３１ａに歯２１ｂを挿入する。胴部３１の周囲にはステータコイル４０が卷回される。内径側鍔部３３の配線バス２５側の軸方向側の箇所には、ステータコイル４０の巻き端４１が挿入される切欠き３３ａが設けられている。

内径側鍔部３３のさらに内径側の軸方向両側には、ボビン３０がステータコア２１から径方向に移動するのを防止するための第１の係合部３４と第２の係合部３５が設けられている。第１の係合部３４と第２の係合部３５との間隔は、ステータコア２１の軸方向厚さとほぼ等しく形成されている。また、第１の係合部３４と第２の係合部３５の周方向の幅は、図２、図３（Ａ）に示すように、内径側鍔部３３の周方向の幅とほぼ等しい幅を有している。

第１の係合部３４には、後述するステータセンタ２２に設けた係合片２２ｃが挿入される係合孔３４ａが設けられている。この係合孔３４ａは、軸方向に貫通しており、ボビン３０がステータコア２１の歯２１ｂに装着されている状態では、係合孔３４ａを通してステータコア２１が露出している。第１の係合部３４の係合孔３４ａの内径側には、軸方向外側に向けて突出する突起部３４ｂが設けられている。この突起部３４ｂは、その外径側の面にステータセンタ２２の係合片２２ｃの内径側の面が当接することによって、係合孔３４ａとともにボビン３０がステータコア２１から径方向に移動するのを防止する機能を有している。

第２の係合部３５には、後述するステータガイド２３に設けた係合片２３ｃが挿入される係合孔３５ａが設けられている。この係合孔３５ａは、軸方向に貫通しており、ボビン３０がステータコア２１の歯２１ｂに装着されている状態では、係合孔３５ａを通してステータコア２１が露出している。第２の係合部３５の係合孔３５ａの内径側には、軸方向外側に向けて突出する突起部３５ｂが設けられている。この突起部３５ｂは、その外径側の面にステータガイド２３の係合片２３ｃの内径側の面が当接することによって、係合孔３５ａとともにボビン３０がステータコア２１から径方向に移動するのを防止する機能を有している。

次に、本実施形態におけるボビン３０およびステータコア２１の固定構造について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータおいて、ステータコアにボビンを装着する様子を示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態において、ステータにステータセンタおよびステータガイドを装着した状態での断面図であり、図５（Ａ）はボビンを装着した歯の部分での断面を示し、図５（Ｂ）はボビンを装着していない箇所での断面を示している。ステータコア２１は、先述のとおり、環状基部２１ａとこの環状基部２１ａから放射状に突出する歯２１ｂを備えている。図４ではコイルを卷回したボビンを１つだけ示しているが、各歯２１ｂに、ステータコイル４０を卷回したボビン３０が装着される。ステータセンタ２２およびステータガイド２３には、ステータコア２１を軸方向の両側から保持する保持片２２ａ、２３ａがそれぞれ形成されている。

ステータセンタ２２の保持片２２ａは、ボビン３０の第１の係合部３４の突起部３４ｂの軸方向端面を覆いステータセンタ２２の外周部に位置する環状部２２ｂと、ボビン３０をステータコア２１に装着した際に、この環状部２２ｂの外径側からボビン３０の第１の係合部３４の係合孔３４ａに向けて軸方向に突出する複数の係合片２２ｃを一体に備えている。また、ステータガイド２３の保持片２３ａは、ボビン３０の第２の係合部３５の突起部３５ｂの軸方向端面を覆いステータガイド２３の外周部に位置する環状部２３ｂと、ボビン３０をステータコア２１に装着した際に、この環状部２３ｂの外径側からボビン３０の第２の係合部３５の係合孔３５ａに向けて軸方向に突出する複数の係合片２３ｃを一体に備えている。

ボビン３０およびステータコア２１の固定に当たっては、まず、ステータコア２１の全ての歯２１ｂにステータコイル４０を卷回したボビン３０を装着する。次に、このステータコア２１をステータセンタ２２の上に載置する、その際に、ステータセンタ２２の係合片２２ｃがボビン３０の第１の係合部３４の係合孔３４ａに挿入されるように、ステータコア２１を位置決めする。次に、ステータコア２１の上部にステータガイド２３を載置する。その際に、ステータガイド２３の係合片２３ｃがボビン３０の各係合孔３５ａに挿入されるようにステータガイド２３を位置決めする。

ステータコア２１、ステータセンタ２２、および、ステータガイド２３の位置決めが終了した後、ボルト２４によって、ステータセンタ２２とステータガイド２３とを固定する。この状態では、ステータセンタ２２の係合片２２ｃの先端とステータガイド２３の係合片２３ｃの先端は直接ステータコア２１に当接しステータコア２１を軸方向に位置決めしている。また、ステータセンタ２２の環状部２２ｂはボビン３０の第１の係合部３４の突起部３４ｂの軸方向先端面を押圧することがなく、かつ、ステータガイド２３の環状部２３ｂはボビン３０の第２の係合部３５の突起部３５ｂの軸方向先端面を押圧することがないように、各部材の寸法が決められている。

ステータコア２１は、ステータセンタ２２の係合片２２ｃとステータガイド２３の係合片２３ｃによって軸方向から位置決めされて保持される。また、ステータセンタ２２の係合片２２ｃの内径側の面がボビン３０の第１の係合部３４の係合孔３４ａの内径側の面に当接し、さらに、ステータガイド２３の係合片２３ｃの内径側の面がボビン３０の各係合孔３５ａの内径側の面に当接するため、ボビン３０がステータコア２１から径方向に移動することがない。

このように、本実施形態では、樹脂材料から構成されたボビン３０にステータセンタ２２やステータガイド２３から直接押圧力が加わることがない。また、アウターロータ型モータの運転停止によるステータコイル４０からの発熱に起因して、ボビン３０が膨張収縮を繰り返しても、ボビン３０にステータセンタ２２やステータガイド２３から力が加わることがない。そして、ステータコア２１からの熱は、ステータセンタ２２の係合片２２ｃおよびステータガイド２３の係合片を介してステータセンタ２２に伝導する。このため、ステータコア２１の放熱効果が良好となる。なお、ステータセンタ２２の係合片２２ｃとステータガイド２３の係合片２３ｃに加えて、ステータセンタ２２とステータガイドの他の部分でステータコア２１を位置決めするようにしてもよい。

また、本実施形態では、ボビン３０の配線バス２５側の第１の係合部３４の径方向の長さは、第２の係合部３５の長さよりも長く構成している。これにより、図１に示すように、配線バス２５の一部をステータセンタ２２の係合片２２ｃに当接させることができるため、配線バス２５の径方向の位置決めが可能になる。

さらに、第１の係合部３４の突起部３４ｂ、第２の係合部３５の突起部３５ｂはボビン３０がステータコア２１から抜け出すのを防止するために必要とされる強度に応じて設けるか否かを選択することができる。そして、ステータセンタ２２の保持片２２ａとステータガイド２３の保持片２３ａの形状も、第１の係合部３４の突起部３４ｂと第２の係合部３５の突起部３５ｂの有無に応じて、その形状を変更すればよい。例えば、第１の係合部３４の突起部３４ｂを設けない場合は、ステータセンタ２２の保持片２２ａの環状部２２ｂは、ボビン３０の第１の係合部３４の軸方向端面を覆う形状となり、ステータガイド２３の保持片２３ａの環状部２３ｂは、ボビン３０の第２の係合部３５の軸方向端面を覆う形状となる。

以上、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、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。また、ホイール外であっても、車輪と同一軸上にアウターロータ型モータを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することができる。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…ホイール取り付け用ハブボルト、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、２１ａ…環状基部、２１ｂ…歯、２２…ステータセンタ、２２ａ…保持片、２２ｂ…環状部、２２ｃ…係合片、２３…ステータガイド、２３ａ…保持片、２３ｂ…環状部、２３ｃ…係合片、２４…ボルト、２５…配線バス、２６…軸受支持部材、２７…ボルト、３０…ボビン、３１…胴部、３１ａ…中空部、３２…外径側鍔部、３３…内径側鍔部、３３ａ…切欠き、３４…第１の係合部、３４ａ…係合孔、３４ｂ…突起部、３５…第２の係合部、３５ａ…係合孔、３５ｂ…突起部、４０…ステータコイル、４１…巻き端、５０…ロータ位置検出センサ、６０…電流供給線、１００…インホイールモータ。

Claims (3)

1. 環状基部の外径側に放射状に複数の歯を有するステータコアと、
   該ステータコアを軸方向の両側から位置決めするステータセンタおよびステータガイドと、
   コイルが卷回されて複数の前記ステータコアの前記歯に装着されるボビンを有する、アウターロータ型モータであって、
   前記ボビンの内径側の前記軸方向の両側に、前記軸方向に貫通する係合孔を有して突出する係合部が設けられ、
   前記ステータセンタおよびステータガイドのそれぞれの外周部に、前記軸方向に突出する複数の係合片が設けられ、
   前記ボビンが前記ステータコアに装着された状態で、前記ステータセンタおよびステータガイドの前記係合片が前記ボビンの前記係合孔に挿入されるとともに、前記係合片の先端が前記ステータコアの軸方向端面に当接して前記ステータコアを前記軸方向に位置決めしていることを特徴とする、アウターロータ型モータ。
2. 前記ボビンは、該ボビンが前記ステータコアに装着された状態で、径方向に離間する２つの鍔部を有し、内径側の鍔部の前記軸方向側の箇所に、前記コイルの巻き端が挿入される切欠きを有す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. 請求項１または２に記載のアウターロータ型モータが、車輪のホイールに設けられ、前記車輪が前記アウターロータ型モータによって直接駆動されることを特徴とする電気自動車。

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