JP2020058087A - モータの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電力制御部を内蔵したモータを効率よく冷却する。【解決手段】アウターロータ型のモータにおいて、その内部に、放熱板電力制御部（ＰＣＵ）２５を、回転しないステータに対して固定された放熱板２６に取り付ける。放熱板２６にはフィンが設けられ、対向するモータのケース２９の内面と側面にもフィンが設けられる。ケース２９はロータと共に回転し、モータ内に空気流を起こして放熱板の熱がケースに伝達され、外部へと放散される。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば電気モータを駆動源とする車両に関し、特にモータの構造に関する。

電動車両のコンパクト化のために、駆動源である電気モータをインホイールモータとする構成が有効である。インホイールモータの発熱を、ヒートパイプを介して外部に放熱する構成が提案されている（特許文献１等参照）。

特許第５１６９２８０号

インホイールモータの構成をよりコンパクトにするために、モータと電力制御部（ＰＣＵ）とを一体化する構成がある。ＰＣＵをモータと一体化する際には、インホイールモータは車輪内部に収められる構造となるため、回路保護の観点からモータの内部にＰＣＵを設けるのが望ましい。このような構成ではモータのみならずＰＣＵからの熱も放熱する必要があるため、上述した従来技術では、その分ヒートパイプを太くしなければならない。しかし従来技術では、ヒートパイプは車輪の軸を通して設けられており、太さにも限度がある。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、電力制御部を内蔵したモータを効率よく冷却できるモータの構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有する。すなわち、本発明の一側面によれば、モータ（１１）の構造であって、
ステータ（２４）と、
前記ステータ（２４）からの磁力によって回転するロータ（２３）と、
前記ロータ（２３）に連結された、前記モータのケース（２１，２９）と、
前記ケース（２１，２９）の内側に配置された、前記ステータ（２４）を駆動するための電力制御部（１０）と、を有し、
前記ケース（２１，２９）に冷却用のフィン（１１１）を設けたことを特徴とするモータの構造が提供される。

本発明によれば、電力制御部を内蔵したモータを効率よく冷却できる。

（ａ）実施形態の二輪車の外観およびを示す図である。（ｂ）モータの駆動制御回路のブロック図である。 （ａ）実施形態のインホイールモータの分解斜視図である。（ｂ）実施形態のインホイールモータの断面図である。 実施形態のインホイールモータにおける回路基板の配置を示した図である。 実施形態のインホイールモータの駆動時の冷却原理を示す図である。

［第一実施形態］
●鞍乗型車両の構成
図１（ａ）に、本実施形態に係る鞍乗型車両である動力付き二輪車１の外観の一例を示す。二輪車１は駆動源としてインホイールモータ（以下、単にモータと呼ぶこともある。）１１を有しており、インホイールモータ１１をハブとしてその周りにタイヤ１２が装着されている。インホイールモータ１１は、その回転軸１１２でスイングアーム１３に軸支され、減速機構や伝達機構を介することなく駆動輪を直に回転させることができる。インホイールモータ１１の両側の側面には冷却用のフィン１１１が設けられており、回転によりその表面に空気の流れを生じ、内部から伝播した熱を効率的に放熱する。インホイールモータ１１には、電力制御部（または電力制御回路、ＰＣＵ）１０（図１（ｂ）参照）から電源が供給され、その回転数は、ハンドルのグリップ部に設けたアクセルを運転者が操作することで制御される。

図１（ｂ）に、インホイールモータ１１の駆動制御のための制御回路のブロック図を示す。本実施形態のインホイールモータ１１は、構造的にはアウターロータ型の表面磁石同期モータ（ＳＰＭＳＭ）であり、ＰＣＵ１０を含めてブラシレス直流モータと呼ぶこともある。インホイールモータ１１は、ＰＣＵ１０から供給される三相の交流電源により駆動される。この交流電源の各相は正弦波であってもよいし矩形波であってもよい。ＰＣＵ１０は低圧電源（例えば１２Ｖ電源）１０４により駆動され、コントローラ１０１とインバータ１０２とを含む。コントローラ１０１には、モータ１０３からの、ロータの回転位置を検出するためのホールセンサの出力信号（ホールセンサ信号）が入力される。なおモータ１０３は、インホイールモータ１１からＰＣＵを除外した部分を指す。コントローラ１０１は、入力されたホールセンサ信号に基づいて、インバータ１０２に対して高圧電源（ＨＶバッテリ）１０５からの電流に対するスイッチング等の制御を行うための制御信号を入力する。コントローラ１０１はさらに、アクセル開度を示す信号に応じてインバータ１０２の出力周波数を制御するために、インバータ１０２への制御信号のタイミングを調整する。さらに、周波数のみならず電流を制御できるように構成してもよい。

インバータ１０２は、コントローラ１０１からの制御信号に応じて、高圧電源１０５を三相交流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換してモータ１０３へと入力する。モータ１０３は、入力された電源の周波数に同期して駆動される。またモータ１０３には温度センサとホールセンサとを備えており、温度センサで検知した温度を示す温度信号と、ホールセンサで検知した磁界を示すホールセンサ信号がコントローラ１０１へと入力される。ホールセンサ信号は、ロータ表面に、Ｓ極とＮ極とが交互になるよう張り付けられた永久磁石の磁界を検知することで、ロータの電気的な回転位置を検知する。

ここで、本実施形態においては、ＰＣＵ１０は、後述するようにインホイールモータ１１の内部に組み込まれている。このように構成されるインホイールモータ１１を用いて、二輪車１の駆動輪を回転させ、二輪車１を運転者の意図通りに走行させることができる。

●インホイールモータの構成
図２（ａ）はインホイールモータ１１の分解斜視図である。インホイールモータ１１の主要構成部品は、金属等で形成されたホイールケース２１とホイールケース２９とにより構成される筐体の内部に収められる。ホイールケース２１は、その回転軸部分にシャフト１１２を通す穴が設けられており、周縁部が張り出した円盤形状を持つ。またその外側および内側の表面には、放熱用のフィン１１１が設けられている。フィン１１１は、本例では、互いに並列な複数の細長い張り出しであり、ホイールケース２１と一体に成形されている。その高さや本数は、インホイールモータ１１の内部で生じる熱を放出するために、その発熱量に応じて決定してよい。ホイールケース２９は、ホイールケース２１と同様の構成であるが、本例では外周部に設けた周縁部の張り出しがない。しかしホイールケース２１と同様の構成としてもよい。ホイールケース２１とホイールケース２９とは、例えばボルトなどで互いに固定されてインホイールモータ１１のケースを構成し、ベアリング２２，２８を介してシャフト１１２に取り付けられる。このため、ホイールケース２１，２９は、スイングアーム１３に固定されて回転しないシャフト１１２に対して回転でき、その外周にタイヤ１２が取り付けられて、駆動輪のハブともなる。

ホイールケース２１の周縁部の張り出しの内側に沿って、ロータ２３が連結或いは固定される。ロータ２３は、例えば１６個あるいは３２個といった複数の永久磁石を、極性を交互に反転させつつ配置して構成されている。これは一般的なアウターロータ型のモータと同様である。一方シャフト１１２には、回路ケース２６が固定される。回路ケース２６は、シャフト１１２を中心とする、例えば金属製の円盤形状の部材である。回路ケース２６のホイールケース２９に対向する面の一部には、好ましくは回路ケース２６と一体的に形成された放熱用のフィンが設けられている。また同じ面の一部には、ホールセンサを設けたホール素子基板２７が取り付けられる。また回路ケース２６のホール素子基板２７と反対側の面には、ＰＣＵ１０を設けたＰＣＵ基板２５が取り付けられる。ＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７とは、回路ケース２６に穿った通し穴を通して必要な信号線及び電力線で繋げられている。回路ケース２６のＰＣＵ基板２５側の面には、本例ではフィンが設けられていないが、設けてもよい。

回路ケース２６には、その周囲を取り巻くようにステータ２４が取り付けられる。すなわち、ステータ２４は、回路ケース２６を介してシャフト１１２に対して固定されている。ステータ２４にはインバータ１０２からからの三相交流電源ＵＶＷにそれぞれ接続された巻き線が含まれる。ステータ２４はシャフト１１２に固定されており、その外側のロータ２３が回転する。

図２（ｂ）は、インホイールモータ１１の回転軸に平行な断面を示す断面図である。シャフト１１２を軸として、ホイールケース２１，２９により構成された筐体内に、ロータ２３、ステータ２４、基板ケース２６等が収容されている。ここで、基板ケース２６は金属等の熱伝導性の高い熱伝導部材であり、基板類を取り付ける部材であるとともに、放熱板としても機能する。そのためＰＣＵ基板２５は、そこに取り付けた発熱する部品が、直接、あるいは高い熱伝導率を持つ熱伝導素材を介して基板ケース２６に接するように、基板ケース２６に取り付けられてよい。さらにステータ２４も基板ケース２６に接触し、その熱が基板ケース２６に伝播する。このような構成の結果、ステータ２４やＰＣＵ基板２５の熱は基板ケース２６に伝達しやすい。また基板ケース２６のフィンが設けられた側の面がホイールケース２９に対向しており、ホイールケース２９の回転によって、基板ケース２６とホイールケース２９との間の空間内に空気の流れを生じる。この空気流が、基板ケース２６のフィンに接してそれを効果的に冷却する。逆にホール素子基板２７は、基板ケース２６に取り付けられるものの、基板ケース２６からの熱がホール素子に伝播しにくいように取り付けられることが望ましい。

図４にその様子を示す。図４は、図２（ｂ）の断面のうち、基板ケース２６とホイールケース２９とについて、シャフト１１２から上部を示す。ホイールケース２９が回転することで、ホイールケース２９に沿って外周側へと向かう空気流が生じ、その空気流はホイールケース２１の外縁に当たって基板ケース２６側の空間へと向かう。その空気流は基板ケース２６によりシャフト１１２側へと向けられ、シャフト１１２を挟んだ反対側でも生じている空気流と衝突して、図４に示す矢印のような渦上の対流を引き起こす。この空気の流れにより、ＰＣＵ基板２５やホール素子基板２７、ステータ２４等で生じて基板ケース２６に伝達された熱は、さらにホイールケース２９へと伝播される。そして、ホイールケース２９の外側表面に設けたフィンから効果的に放熱される。ホイールケース２１についても同様にこのような効果が生じ、内部で生じた熱をインホイールモータ１１の外部へと効果的に放散できる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に、基板ケース２６に対するＰＣＵ基板２５およびホール素子基板２７の取り付けの詳細を示す。図３（ａ）は基板ケース２６のＰＣＵ基板２５側を、図３（ｂ）はその反対のホール素子基板２７側を、図３（ｃ）は断面を示す。ＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７はそれぞれ、基板ケース２６の対向する面の、互いに重ならない位置に取り付けられる。ＰＣＵ基板２５は、その上に設けたインバータ１０２のＦＥＴ等のパワー素子２５１が、基板ケース２６に直に接するように取り付けられる。これにより、パワー素子２５１からの熱が効率的に基板ケース２６に伝播される。またホール素子基板２７上のホール素子２７１は、ロータ２３の回転位置を検知するために、ロータ側の端部に設けられている。基板ケース２６はその外周部をステータ２４３により囲まれるように構成され、その中心部でシャフト１１２と結合されている。シャフト１１２は両端が開いた中空に形成されており、ホイールケース内部の、ＰＣＵ基板２５が取り付けられた面の側に通じる穴４１，４２が設けられている。二輪車１の本体に搭載された電源から導かれてシャフト１１２の端部から中空のシャフト内へと挿通された電源ケーブルやその他の制御信号などのケーブル（あるいはハーネス）４０は、穴４１，４２を介してＰＣＵ基板２５へと導かれ、所定の端子に接続される。ＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７とを接続するケーブルは、基板ケース２６の開口４３を通して配線される。このように、ＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７は、基板ケース２６の互いに反対の面に取り付けられる。

このような構成によってＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７との間の配線を簡単化でき、インホイールモータ１１の構成をコンパクト化できる。さらに、インホイールモータ１１内部への配線を中空のシャフト１１２を通して実現したことも、インホイールモータ１１のコンパクト化に寄与する。またＰＣＵ基板２５とホール素子基板２７とは互いに重複しない位置に設けられているため、ＰＣＵ基板２５の、特にインバータ１０２により生じる熱によるホール素子回路２７への影響を低減できる。

なお本実施形態では、ケースに設けたフィンは一定の方向に並列に配置されているが、これに限らない。たとえば、シャフトを中心とした放射状等に配列されてもよい。また直線的な形状のみならず、曲線的な形状であってもよい。また放熱の効率のみならず、風切り音等を考慮して形状を決定してもよい。

なお本実施形態ではインホイールモータ１１を動力として用いる車両を二輪車としたが、三輪車や四輪車であってもよい。また駆動輪は後輪に限らず前輪としてもよいし、車両が備える全ての車輪としてもよい。また二輪車であっても前後に車輪を備えているものに限らず、車椅子など進行方向に対して左右に並列な車輪を備えた車両であってもよい。その場合には両輪が駆動輪となり、インホイールモータ１１により駆動される。またこのような二輪車や四輪車の場合には、インホイールモータ１１はコントローラ１０１による制御で逆回転（すなわち後退）できるよう構成されていてもよい。さらに車両の駆動輪に限らず、対象を回転させるための動力源として本実施形態に係るインホイールモータ１１を用いてもよい。さらに車両の駆動輪としてインホイールモータ１１を用いる場合には、走行風を効率的に駆動輪のハブ部分に導くような部材を車両に取り付けてもよい。

●実施形態のまとめ
以上説明した本実施形態をまとめると以下のとおりである。
（１）本実施形態に係る第一の発明によれば、モータ（１１）の構造であって、
ステータ（２４）と、
前記ステータ（２４）からの磁力によって回転するロータ（２３）と、
前記ロータ（２３）に連結された、前記モータのケース（２１，２９）と、
前記ケース（２１，２９）の内側に配置された、前記ステータ（２４）を駆動するための電力制御部（１０）と、を有し、
前記ケース（２１，２９）に冷却用のフィン（１１１）を設けたことを特徴とするモータの構造が提供される。

それにより、ケースはロータの回転とともに回転し、空気の流れを起こしやすくなるため、モータの冷却効率をより一層向上させることができる。
（２）本実施形態に係る第二の発明によれば、（１）のモータ（１１）の構造であって、
前記電力制御部（１０）は前記ステータ（２４）に対して固定された熱伝導部材（２６）に取り付けられ、
前記ケース（２１，２９）には、前記ロータ（２３）とともに回転する軸が通る側面と、前記熱伝導部材（２６）に対向する内側の面とに前記フィン（１１１）が設けられたことを特徴とするモータの構造が提供される。

それにより、ケースの内部にも冷却用のフィンを設け、さらに冷却効果を向上させることができる。
（３）本実施形態に係る第三の発明によれば、（２）のモータ（１１）の構造であって、
前記熱伝導部材（２６）には、前記ケース（２１，２９）の内側の面と対向する面に冷却用のフィン（１１１）を設けたこと特徴とするモータの構造が提供される。

それにより、熱伝導部材にも冷却用のフィンを設けることによって、さらに冷却効果を向上させることができる。
（４）本実施形態に係る第三の発明によれば、（１）乃至（３）のいずれかのモータ（１０）の構造であって、
前記ステータ（２４）に対して固定され、前記ロータ（２３）と共に回転する前記ケース（２１，２９）の軸となる、前記ケース（２１，２９）に対して回動可能な中空のシャフト（１１２）を更に有し、
前記電力制御部（１０）に接続されるハーネスが、前記シャフト（１１２）内を挿通して前記ケース（２１，２９）の内部へと配線されることを特徴とするモータの構造が提供される。

それにより、モータ内部における配線効率を向上させることができ、モータを小型化することが可能になる。
（５）本実施形態に係る第三の発明によれば、（１）乃至（４）のいずれかの構造を持つモータ（１１）の前記ケース（２１，２９）の外周にタイヤ（１２）を取り付けた駆動輪を有することを特徴とする車両が提供される。

それにより、ケースが車両の走行とともに回転し、空気の流れを起こしやすくなるため、冷却効率をより一層向上させることができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。

Claims (5)

1. モータ（１１）の構造であって、
   ステータ（２４）と、
   前記ステータ（２４）からの磁力によって回転するロータ（２３）と、
   前記ロータ（２３）に連結された、前記モータのケース（２１，２９）と、
   前記ケース（２１，２９）の内側に配置された、前記ステータ（２４）を駆動するための電力制御部（１０）と、を有し、
   前記ケース（２１，２９）に冷却用のフィン（１１１）を設けたことを特徴とするモータの構造。
2. 請求項１に記載のモータ（１１）の構造であって、
   前記電力制御部（１０）は前記ステータ（２４）に対して固定された熱伝導部材（２６）に取り付けられ、
   前記ケース（２１，２９）には、前記ロータ（２３）とともに回転する軸が通る側面と、前記熱伝導部材（２６）に対向する内側の面とに前記フィン（１１１）が設けられたことを特徴とするモータの構造。
3. 請求項２に記載のモータ（１１）の構造であって、
   前記熱伝導部材（２６）には、前記ケース（２１，２９）の内側の面と対向する面に冷却用のフィン（１１１）を設けたこと特徴とするモータの構造。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ（１１）の構造であって、
   前記ステータ（２４）に対して固定され、前記ロータ（２３）と共に回転する前記ケース（２１，２９）の軸となる、前記ケース（２１，２９）に対して回動可能な中空のシャフト（１１２）を更に有し、
   前記電力制御部（１０）に接続されるハーネスが、前記シャフト（１１２）内を挿通して前記ケース（２１，２９）の内部へと配線されることを特徴とするモータの構造。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の構造を持つモータ（１１）の前記ケース（２１，２９）の外周にタイヤ（１２）を取り付けた駆動輪を有することを特徴とする車両。

Images