JP4434777B2 - インホイールモータの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両のホイール内に配置されて駆動輪を直接回転駆動するインホイールモータに係り、詳しくはその冷却装置に関するものである。

車両のホイール内に配置されて駆動輪を直接回転駆動するインホイールモータは、車体側の省スペース化、変速機や差動ギアの省略、更に独立懸架の場合はドライブシャフトの省略などの各種利点が得られることから、種々の車両に実用化されている。この種のインホイールモータでは、車両のばね下荷重の軽減やサスペンション機構への制限を抑制すべく小型軽量化が望まれているが、そのためにはステータコイルの通電電流を増大させて要求トルクを確保する必要があり、必然的にステータ周辺の発熱量が増大するという問題があった。

そこで、車両前部に設けられたラジエータとインホイールモータとの間で冷却水を循環させて、インホイールモータを冷却する対策が採られることがある。しかしながら、ばね下に配置されたインホイールモータに対して冷却水を循環させるには、車両側とモータ側とを冷却水ホース等を介して連結する必要があり、ホースの配置が困難な上に、サスペンションの上下動の度にホースが屈曲するため十分な信頼性が得られない。

このような問題点を鑑みて、ラジエータを一体化したインホイールモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示されたインホイールモータでは、ハウジング下部に設置したモータポンプによりオイルを汲み上げて、冷却フィンを備えた油路内を流通させてオイルを冷却した後にハウジング上部の吐出口からハウジング内に降り注いでステータ等を冷却している。
特許第３２１１３１５号明細書（図２）

ところで、インホイールモータの主要な発熱源はステータコイルであるが、ステータコイルはロータのように回転しないことから、上記特許文献１に開示されたインホイールモータの冷却装置のようにオイルを上方から降り注ぐだけでは、環状に列設されたステータコイルの一部がオイルとほとんど接触せず、冷却不足により過熱を発生して故障する虞があった。又、ハウジング内にオイルを降り注ぐことから、ハウジング内の全ての部品には耐油性が要求され、結果として製造コストを高騰させる要因になった。

一方、ハウジング下部からモータポンプが突出しているため、モータ周辺のスペース効率が低下してしまい、例えばモータポンプとの干渉を避けるためにサスペンション機構が制限される等の弊害を発生させるという問題もあった。
本発明の目的は、ステータコイル等を十分に冷却して過熱による故障を未然に防止できると共に、ハウジング内の部品の材質面での制限を緩和して製造コストを低減でき、且つ、モータ周辺のスペース効率を向上させることができるインホイールモータの冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、ハウジング内にロータ軸を中心としてロータを回転可能に支持し、ロータの外周側にコイルを巻回した環状のステータを配設してステータの外周面をハウジングの内周面に密着させ、ロータ軸の一端をハウジングから突出させて車両の駆動輪に連結可能としたインホイールモータにおいて、ハウジングの外周に形成されて内部に冷却媒体を流通させる冷却路と、ハウジングの車幅方向の内側面に形成された複数の冷却フィンと、ハウジングの車幅方向の内側面に形成された主水路、及び各冷却フィンの内部にそれぞれ形成されて主水路と連通する副水路から構成されたラジエータ水路と、ロータ軸の他端に連結されてロータ軸の回転に伴って作動し、冷却路とラジエータ水路との間で冷却媒体を循環させるポンプ手段とを備えたものである。

従って、ステータコイル等が発生する熱はステータコアからハウジング側に伝達されて冷却路内の冷却媒体に奪われ、ポンプ手段の作動に伴って冷却媒体はラジエータ水路を流通して冷却フィンを介して大気中に放熱する。そして、ステータの外周面がハウジングの内周面に密着し、且つ、冷却路がハウジングの外周に形成されているため、ステータ上の各ステータコイルの熱は略同一条件の下でハウジングを介して冷却路内の冷却媒体に伝達され、各ステータコイル等が均一に効率よく冷却されると共に、ハウジング内にオイルを流通させる必要がないため、耐油性等を考慮せずにハウジング内の部品の材質を設定可能となる。

又、ステータコイルを巻回したステータに比較してロータの車幅方向（ロータ軸の軸心方向）の所要スペースは小さいことから、ロータ軸の反駆動輪側の軸心付近にはデッドスペースが形成されており、ロータ軸の他端側に連結されたポンプ手段が当該デッドスペース内に位置するため、モータ周辺のスペース効率が向上する。
加えて、ラジエータ水路をハウジングに一体的に形成したため、部品コストが低減されると共に組付作業を簡略化可能となり、且つ、小型化が達成される。

以上説明したように請求項１の発明のインホイールモータの冷却装置によれば、ステータコイル等を十分に冷却して過熱による故障を未然に防止できると共に、ハウジング内の部品の材質面での制限を緩和して製造コストを低減でき、且つ、モータ周辺のスペース効率を向上でき、しかも、部品コストの低減及び組付作業の簡略化、装置の小型化を達成することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明を具体化したインホイールモータの冷却装置を示す第1実施形態を説明する。
図１は本実施形態のインホイールモータが搭載された車両を示す平面図であり、本実施形態のインホイールモータ１は車両の左右後輪２（駆動輪）にそれぞれ設けられ、各インホイールモータ１は車両の前部に設置されたモータ制御用のインバータ３と電気的に接続されている。インバータ３は水路４，５及びウォータポンプ６を介して車両前部に設置されたラジエータ７の入口側と接続される一方、水路８を介してラジエータ７の出口側と接続され、車両の走行中はウォータポンプ６の作動により水路４，５，８を経てラジエータ７とインバータ３との間で冷却水が循環してインバータ３が冷却される。

図２はインホイールモータ１の冷却装置の詳細を示す図1のII−II断面図、図３は同じくインホイールモータ１の冷却装置の詳細を示す図２のＡ矢視に相当する部分断面図であり、以下の説明では右側のインホイールモータ１の構成を述べるが、左側のインホイールモータ１も同一構成である。インホイールモータ１のハウジング１１は車両の図示しないサスペンション機構、例えばストラットの下端及びロアアームの外端により上下動可能に支持されている。ハウジング１１は全体として図２の左右方向（車幅方向）に延びる円筒状をなしてアルミニウム等の金属材料により製作され、図示はしないが本体と蓋体とに車幅方向に２分割されて、内部への部品の組付けやメンテナンスを可能としている。

ハウジング１１内には左右方向に延びるロータ軸１２ａが回転可能に支持され、ロータ軸１２ａにはロータハブ１２ｂを介して永久磁石からなる多数のロータコア１２ｃが固定されて、これらのロータ軸１２ａ、ロータハブ１２ｂ及びロータコア１２ｃによりロータ１２が構成されている。ロータ軸１２ａの右端（一端）はハウジング１１内から右方に突出してハブ１３が固定され、ハブ１３には車両の後輪２のホイール２ａが図示しないホイールボルトにより固定されている。ホイール２ａ内においてハブ１３にはディスクブレーキ１４が設けられ、運転者のブレーキ操作に伴って発生した油圧によりキャリパ１４ａが作動してブレーキロータ１４ｂに制動力を作用させる。

上記ハウジング１１内においてロータ１２の外周側には環状のステータコア１５ａが配設され、ステータコア１５ａはハウジング１１内に圧入・固定されることにより外周面を周方向全体に亘ってハウジング１１の内周面に密着させている。ステータコア１５ａ上にはステータコイル１５ｂを巻回した多数のボビン１５ｃが周方向に沿って列設され、これらのステータコア１５ａ、ステータコイル１５ｂ、ボビン１５ｃによりステータ１５が構成されている。各ボビン１５ｃのステータコイル１５ｂはＵ，Ｖ，Ｗの３相に分別されて交互に配列され、図示はしないが各ステータコイル１５ｂの端部は各相毎に結束された上でパワーケーブルに接続され、各相のパワーケーブルはハウジング１１外に引き出されて上記のようにインバータ３に接続されている。

インバータ３は図示しない回転角度検出センサにより検出されたロータ１２の回転角度に応じてステータコイル１５ｂを各相毎に順次通電させ、ステータコイル１５ｂの励磁に伴ってステータコア１５ａに発生した磁界によりロータ１２に回転力を付与して、ロータ軸１２ａと共に後輪２を回転駆動する。インバータ３は当該ステータコイル１５ｂへの通電を運転者のアクセル操作に基づいて調整し、これによりアクセル操作に応じた車両の走行を実現する一方、車両減速に伴って後輪２側からロータ１２が回転駆動されると、ステータコイル１５ｂに発生した回生電力を図示しないバッテリに充電する。

上記ハウジング１１の外周全体には隈なくウォータジャケット２１（冷却路）が形成されている。当該ウォータジャケット２１の形状を詳述すると、ハウジング１１外周には周方向に所定間隔をおいて車幅方向に延びる多数本の車幅方向水路２１ａが列設され、ハウジング１１の内端側及び外端側で各車幅方向水路２１ａの端部は周方向水路２１ｂにより互い違いに接続されている。結果として、これらの車幅方向水路２１ａ及び周方向水路２１ｂは、１本の水路としてハウジング１１の周方向に向けてジグザグ状に連続してウォータジャケット２１を形成し、当該ウォータジャケット２１の両端はハウジング１１の上部に隣接して位置している。

一方、ハウジング１１内には上記ロータ軸２１ａの左端（他端）に対応する位置にウォータポンプ２２（ポンプ手段）のポンプ室２２ａが形成され、ポンプ室２２ａ内に配設された羽根車２２ｂはロータ軸１２ａの左端に連結されている。ポンプ室２２ａの外周の一側はハウジング１１に形成された第１水路２３を介してウォータジャケット２１の一端と連通し、ポンプ室２２ａの中心は同じくハウジング１１に形成された第２水路２４を介してラジエータ２５の入口と連通している。又、ラジエータ２５の出口はハウジング１１に形成された第３水路２６を介してウォータジャケット２１の他端と連通している。

ここで、上記ウォータジャケット２１や第１〜第３の各水路２３，２４，２６は、例えばハウジング１１の鋳造時に中子により形成されたり、或いは鋳造時にパイプを鋳込んで形成されたものである。これらのウォータジャケット２１や各水路２３，２４，２６、及び上記ラジエータ２５の内部には予め冷却媒体として車両のエンジン冷却用に使用されるクーラントが充填されているが、クーラントに限ることはなく、例えば不凍液や通常の水等を充填してもよい。

図４はラジエータ２５の設置状態を示す図２のIV−IV線断面図であり、ラジエータ２５はハウジング１１の左側面に凹設されたラジエータ収容部２７内に配設されて、前側を右方（車幅方向の外端側）に位置させると共に後側を左方（車幅方向の内端側）に位置させて斜めに配置されている。ラジエータ収容部２７は排出路２８を介して後方に向けて開口し、車両の走行に伴ってハウジング１１の左側面に沿って流れる走行風は、図４中に矢印で示すようにラジエータ収容部２７内に取り込まれてラジエータ２５を通過した後に排出路２８を経て車両後方に排出される。

次に、このように構成されたインホイールモータ１の冷却装置の作用を説明する。
インホイールモータ１の駆動による車両の走行中において、インホイールモータ１の主要な発熱源はインバータ３からの電力供給により通電されるステータコイル１５ｂであり、当該ステータコイル１５ｂが発生した熱はステータコア１５ａからハウジング１１側に伝達される。一方、車両走行中においてインホイールモータ１のロータ軸１２ａと共にウォータポンプ２２の羽根車２２ｂがポンプ室２２ａ内で回転駆動されて、第１水路２３からのクーラントをポンプ室２２ａに吸込んで第２水路２４側に吐出している。これによりウォータジャケット２１から第１水路２３、ウォータポンプ２２、第２水路２４、ラジエータ２５、第３水路２６を経てウォータジャケット２１に戻るクーラントの循環路が形成され、ハウジング１１の熱はウォータジャケット２１内のクーラントに奪われ、クーラントはラジエータ２５内を通過する際に大気中に放熱され、以上のサイクルの繰り返しによりステータコイル１５ｂ等の冷却が行われる。

ここで、ステータコア１５ａの外周面が周方向全体に亘ってハウジング１１の内周面に密着し、且つ、ウォータジャケット２１がハウジング１１の外周全体に隈なく形成されているため、ステータコア１５ａ上の各ステータコイル１５ｂの熱は略同一条件の下でハウジング１１を介してウォータジャケット２１内のクーラントに伝達され、上記のようにクーラントを介して大気中に放熱される。よって、各ステータコイル１５ｂ等を均一に効率よく冷却してインホイールモータ１の過熱による故障を確実に防止することができる。

又、ハウジング１１のウォータジャケット２１内にクーラントを流通させるだけで、特許文献１に開示された冷却装置のようにハウジング内にオイルを流通させていないため、耐油性等を考慮することなくハウジング１１内の部品の材質を設定でき、その製造コストを低減することができる。
一方、本実施形態ではウォータポンプ２２の羽根車２２ｂをロータ軸１２ａに連結して回転駆動しているため、ウォータポンプ２２を駆動する専用のモータ等を必要としないばかりでなく、インホイールモータ１の周辺のスペース効率を向上できる。

即ち、図２に示す２点鎖線から明らかなようにロータ１２に比較してステータコイル１５ｂを巻回したステータ１５は車幅方向（左右方向）に大きなスペースを要し、当該ステータ１５がインホイールモータ１の車幅方向の寸法を決定する大きな要因となっている。このため、ロータ軸１２ａの反後輪側の軸心付近にはデッドスペースが形成されており、ロータ軸１２ａの左端に連結されたウォータポンプ２２は必然的にこのデッドスペース内に位置する。

よって、デッドスペースを有効に利用してウォータポンプ２２を設置してモータ周辺のスペース効率を向上させることができ、例えば特許文献１に開示された冷却装置のようにハウジングからモータポンプが突出してサスペンション機構等が制限される等の不具合を未然に防止することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明を具体化したインホイールモータ３１の冷却装置を示す第２実施形態を説明する。

図５は本実施形態のインホイールモータ３１の冷却装置の詳細を示す第１実施形態の図２に対応する断面図である。尚、本実施形態のインホイールモータ３１の車両の対する設置状態や基本的な内部構造等は上記第１実施形態のものと同様であり、相違点はラジエータ部分の構成にある。よって、同一構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。

インホイールモータ３１のハウジング３２内の左側には主水路３３ａが形成され、図５の左方より見て当該主水路３３ａはハウジング３２の左側面と対応する円形状をなしている。ハウジング３２の左側面には４条の冷却フィン３４が前後方向（紙面と直交する方向）に延びるように形成され、各冷却フィン３４内には同じく前後方向に延びる副水路３３ｂがそれぞれ形成されている。各副水路３３ｂの基部は上記主水路３３ａと連通し、これらの主水路３３ａ及び副水路３３ｂによりラジエータ水路３３が形成されている。そして、冷却フィン３４の形成によりラジエータ水路３３の表面積は大幅に増大して第１実施形態のラジエータ２５と同じく熱交換器として機能する。

主水路３３ａの上部はハウジング３２に形成された第４水路３５を介してポンプ室２２ａの中心と連通し、主水路３３ａの下部は同じくハウジング３２に形成された第５水路３６を介してウォータジャケット２１の一端と連通し、ウォータジャケット２１の他端は第６水路３７を介してポンプ室２２ａの外周の一側と連通している。
このように構成された本実施形態のインホイールモータ３１の冷却装置では、ウォータポンプ２２の作動に伴ってウォータジャケット２１から第６水路３７、ウォータポンプ２２、第４水路３５、ラジエータ水路３３、第５水路３６を経てウォータジャケット２１に戻るクーラントの循環路が形成される一方、車両の走行に伴ってハウジング３１の冷却フィン３４に沿って走行風が流れ、ラジエータ水路３３を流通する際にクーラントは大気中に放熱してステータコイル１５ｂ等の冷却が行われる。

重複する説明はしないが、本実施形態でも第１実施形態と同様の作用効果が得られ、ステータコイル１５ｂ等を均一に効率よく冷却して過熱による故障を未然に防止できると共に、耐油性等を考慮することなくハウジング３２内の部品の材質を設定して製造コストを低減でき、且つ、モータ周辺のスペース効率を向上させることができる。
加えて本実施形態では、ラジエータ水路３３をハウジング３２に一体的に形成したため、別体でラジエータ２５を設置する必要がある第１実施形態に比較して、部品コストを低減できると共に組付作業を簡略化でき、且つ、小型化を達成することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態ではインホイールモータ１，３１を車両の後輪２に設けたが、インホイールモータ１，３１の設置場所はこれに限らず、例えば前輪に設けたり前後輪共に設けたりしてもよい。
又、上記実施形態ではハウジング１１，３２の周方向にジグザグ状に連続する１本の水路としてウォータジャケット２１を形成したが、ウォータジャケット２１の形状は任意に変更可能であり、例えばハウジング１１，３２の車幅方向全体に及ぶ幅広の１本の水路としてウォータジャケット２１を形成してもよい。

実施形態のインホイールモータが搭載された車両を示す平面図である。 第１実施形態のインホイールモータの冷却装置の詳細を示す図１のII−II断面図である。 同じくインホイールモータの冷却装置の詳細を示す図２のＡ矢視に相当する部分断面図である。 ラジエータの設置状態を示す図２のIV−IV線断面図である。 第２実施形態のインホイールモータの冷却装置の詳細を示す断面図である。

符号の説明

２ 後輪（駆動輪）
１１，３２ ハウジング
１２ ロータ
１２ａ ロータ軸
１５ ステータ
１５ｂ ステータコイル
２１ ウォータジャケット（冷却路）
２２ ウォータポンプ（ポンプ手段）
２５ ラジエータ
３３ ラジエータ水路
３３ａ 主水路
３３ｂ 副水路
３４ 冷却フィン

Claims (1)

1. ハウジング内にロータ軸を中心としてロータを回転可能に支持し、該ロータの外周側にコイルを巻回した環状のステータを配設して該ステータの外周面を上記ハウジングの内周面に密着させ、上記ロータ軸の一端を上記ハウジングから突出させて車両の駆動輪に連結可能としたインホイールモータにおいて、
   上記ハウジングの外周に形成されて内部に冷却媒体を流通させる冷却路と、
   上記ハウジングの車幅方向の内側面に形成された複数の冷却フィンと、
   上記ハウジングの車幅方向の内側面に形成された主水路、及び上記各冷却フィンの内部にそれぞれ形成されて上記主水路と連通する副水路から構成されたラジエータ水路と、
   上記ロータ軸の他端に連結されて該ロータ軸の回転に伴って作動し、上記冷却路と上記ラジエータ水路との間で冷却媒体を循環させるポンプ手段と
   を備えたことを特徴とするインホイールモータの冷却装置。

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