JP6112525B1 - ボビン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】特別に構造が複雑になることもコストが増大することもなく、かつ磁界構造への影響を考慮することなくボビンのステータへの取付け構造を実現でき、あわせて、ボビンに熱伝導性の高い材料を採用した際に、コイルの温度上昇抑制に有利になるボビン構造を提供する。【解決手段】ステータ３８は回転軸方向において、ステータ３８の支持体３７であるモータベース３６及びモータサポート３５により両側から挟まれ、ボビン４５は、ステータ３８に装着した状態において、ステータ３８の内径側に係合部５０を設けており、ステータ３８がモータベース３６及びモータサポート３５により両側から挟まれた状態において、ボビン４５の係合部５０がモータベース３６及びモータサポート３５の係合部６０、７０と係合して、ボビン４５がステータ３８に固定される。【選択図】図７

Description

本発明は、電気自動車の車輪の駆動に用いられるアウタロータ型のインホイールモータのボビン構造に関する。

電気自動車のモータ駆動に用いられるモータとして、インホイールモータが知られている。インホイールモータは車輪の内側に内蔵して用いられ、その回転により車輪が回転しこれと一体に車輪に装着されたタイヤが回転する。アウタロータ型のインホイールモータにおいては、円周方向において放射状に突出したステータの歯に対して、コイルが巻き付けられる。コイルの巻き付けには、絶縁体であり、かつ巻線のガイドとなるボビンが用いられ、コイルはボビンに巻き付けられる。例えば、下記特許文献１には、インシュレータ（ボビン）のステータコアへの固定構造として、インシュレータと一体の鉤状爪部をステータコアの内周壁と係合させるボビンの固定構造が開示されている。

一方、アウターロータ型のインホイールモータにおいては、車輪の軸と同軸上にモータが配置され、車輪の速度と同一速度で回転子であるロータが回転する。ロータは磁石と一体になっており、コイルを備えた電機子の外側を囲むように配置されている。磁石は使用時の減磁を避けるために、高い耐熱性が求められる。レアアースであるディスプロシウム等を磁石に含有させることにより、耐熱性を高めることができるが、高価なディスプロシウム等は、含有量を少なくするか含有させないことが望ましい。アウターロータ型モータは、前記のとおり磁石は電機子の外側にあるので、磁石の放熱に有利な構成ではあるが、ディスプロシウム等の含有量を抑制するためは、より冷却効果を高めた構成の採用が望まれる。

特開２０１２―１０５３７２号公報

前記特許文献１のようにインシュレータ（ボビン）と一体の鉤状爪部をステータコアの内周壁と係合させるボビンの固定構造を採用する場合は、インシュレータの鉤状爪部がステータコアの内径側に延出するので、この鉤状爪部がステータコアの支持部材に干渉してしまう。鉤状爪部をステータコアに設けた穴に係合させる構造にすれば、この干渉は防止できるが、穴を設けたことにより、ステータコアの磁界構造に影響が生じる。

ステータコアの磁界構造の妨げにならないようにするには、ステータコアを内径方向に長くする必要があり、この構成では電磁鋼板の重量及びコストが増加してしまうという問題があった。

また、コイルの温度上昇の抑制効果が得られれば、コイルの近傍に配置された磁石の温度上昇も抑制されるが、前記特許文献１のインシュレータの固定構造は、コイルの温度上昇の抑制を図る構造ではなかった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、特別に構造が複雑になることもコストが増大することもなく、かつ磁界構造への影響を考慮することなくボビンのステータへの取付け構造を実現でき、あわせて、ボビンに熱伝導性の高い材料を採用した際に、コイルの温度上昇抑制に有利になるボビン構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のボビン構造は、電気自動車の車輪の駆動に用いられるアウタロータ型のインホイールモータのボビン構造であって、前記ボビン構造は、コイルを巻回させるためのボビンをステータの歯に挿入して固定するための構造であり、前記ステータは回転軸方向において、前記ステータの支持体であるモータベース及びモータサポートにより両側から挟まれ、前記ボビンは、前記ステータに装着した状態において、前記ステータの内径側に係合部を設けており、前記ステータが前記モータベース及び前記モータサポートにより両側から挟まれた状態において、前記ボビンの係合部が前記モータベース及びモータサポートの係合部と係合して、前記ボビンが前記ステータに固定されることを特徴とする。

この構成によれば、本来ステータの支持部材であるモータサポート及びモータベースをボビンの取り付け部材として共用化を図ることができるので、専用部品を追加する必要がなく、特別に構造が複雑になることもコストが増大することもなく、ボビンのステータへの取付け構造を実現できる。さらに、同構成では、ボビンの係合部がモータベース及びモータサポートの係合部と係合して、ボビンがステータに固定されるので、ステータは何ら加工する必要がなく、ステータの加工による磁界構造への影響を考慮することなく、ボビンのステータへの取付け構造を実現できる。あわせて、ボビンに熱伝導性の高い材料を採用した際に、コイルの熱はステータだけでなく、ステータの支持体であるモータサポート及びモータベースの両方に直接的に伝わるので、コイルの温度上昇の抑制に有利になる。

前記本発明のボビン構造においては、前記ボビンの材料は、高絶縁性と高熱伝導性とを両立させた材料であることが好ましい。この構成によれば、ボビンに本来求められる電気絶縁性を確保しつつ、ボビンの熱伝導性を高めることができ、ボビンの熱伝導性が高まることにより、前記のとおり、コイルの熱がステータだけでなく、ステータの支持体であるモータサポート及びモータベースの両方に直接的に伝わるので、コイルの温度上昇の抑制に有利になる。

また、前記ボビンの係合部と前記モータベース及びモータサポートの係合部との係合は少なくとも凸部同士の係合であることが好ましい。この構成によれば、簡単な構造で確実なボビンの固定が可能になる。

また、前記ボビンを前記ステータに装着した状態において、前記ボビンの係合部は、前記ステータの内周面よりも内側に延出していないことが好ましい。この構成によれば、モータサポート及びモータベースの装着の際に、これらの部品が係合部に干渉することがないので、モータサポート及びモータベースに干渉防止のための特別な加工を施す必要がない。

本発明の効果は前記のとおりであり、要約すれば、ステータの支持部材をボビンの取り付け部材として共用化を図ることができ特別に構造が複雑になることもコストが増大することもなくボビンのステータへの取付け構造を実現でき、ステータは何ら加工する必要がないので、ステータの加工による磁界構造への影響を考慮することなく、ボビンのステータへの取付け構造を実現でき、あわせて、ボビンに熱伝導性の高い材料を採用した際に、コイルの温度上昇の抑制に有利になる。

本発明の一実施形態に係るインホイールモータの内部構造を示す断面図。 図１に示したインホイールモータの分解斜視図。 本発明の一実施形態に係るボビンの斜視図。 図３に示したボビンにコイルを巻回した状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態において、モータサポート及びモータベースをステータに装着する前の状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態において、ステータにボビンを装着する様子を示す斜視図。 本発明の一実施形態において、ステータにモータサポート及びモータベースを装着した状態における縦断面図。 本発明の一実施形態において、ステータにモータベース及びモータサポートを装着した状態における別の実施形態に係る縦断面図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るボビン構造は、電気自動車の車輪の駆動に用いられるアウタロータ型のインホイールモータのボビン構造である。インホイールモータは、電気自動車のホイールの内側に内蔵して用いられる。最初に、図１及び図２を参照しながら、インホイールモータのモータ構造について説明する。

図１は、インホイールモータ１の内部構造を示す断面図である。図示の便宜のため、部分的に簡略化して図示しており、ホイール２に取り付けられるタイヤの図示は省略している。図２は、インホイールモータ１の分解斜視図である。図１は、インホイールモータ１にホイール２を装着した状態を図示しているが、インホイールモータ１にホイール２を装着する前に、ケース１０はハブユニット２１に固定されている。図１では、ボルト２０がハブユニット２１のフランジ部、ケース１０及びホイール２を挿通しており、ボルト２０はナット（図示せず）により締め付けられる。このことにより、インホイールモータ１にホイール２が一体に固定される。

図２おいて、ケース１０の内周面に溝２２が形成され、円環状のロータ２３に凸部２４が形成されている。磁石２５はロータ２３の溝２７に嵌めこまれて、ロータ２３の内周面側に固定される。ロータ２３は、凸部２４がケース１０の溝２２に嵌合した状態で、ケース１０に収納される。図１において、ロータクランプ３３及びダストシール４３がねじ４４によりケース１０に固定されており、ロータ２３はスペーサ３１及びスペーサ３２で挟まれた状態でケース１０の内周面側に固定される。

図２に示したハブユニット２１の貫通孔２６には、ブレーキシャフト１６が挿通する。図１の状態ではブレーキシャフト１６はハブユニット２１に固定されており、ブレーキシャフト１６には、ボルト１７及びナット（図示せず）により、ブレーキディスク１５が固定されている。以上の構成によれば、ハブユニット２１、ケース１０、ロータ２３、ブレーキシャフト１６及びブレーキディスク１５が一体構造になっており、この一体構造物にホイール２が固定される。

本実施形態のインホイールモータ１は、アウターロータ型であり、アウターロータであるロータ２３が回転する。前記の一体構造によれば、ロータ２３の回転と一体に同速度でケース１０、ハブユニット２１のうち軸受（図示せず）の内径側、ブレーキシャフト１６及びブレーキディスク１５が回転し、これらと一体のホイール２が回転する。

詳細は後に説明するが、図２において、円環状のステータ３８の歯３９にはボビン４５が装着されており、ボビン４５にコイル３４が巻回されている。コイル３４のコイル線はバスバーリング４１の外周部に結線される。図２に示したモータサポート３５とモータベース３６とでステータ３８を支持する支持体３７を構成する。支持体３７を構成するモータサポート３５とモータベース３６はボルトで固定され、支持体３７にステータ３８が固定される。支持体３７はシールプレート４２を介してボルト（図示せず）によりナックル５（図１参照）に固定される。この構成によれば、ステータ３８は支持体３７を介して車体に固定される。

以上のモータ構造によれば、ステータ３８及びこれと一体の支持体３７及びシールプレート４２は、回転しない固定部である。図２の状態では、支持体３７及びシールプレート４２はハブユニット２１に固定されている。前記のとおり、ハブユニット２１は、ホイール２の回転と一体に回転する。しかし、ハブユニット２１は軸受（図示せず）が内蔵されているので、ホイール２の取付け側が回転しても、支持体３７及びシールプレート４２の取付け側は固定状態となる。図１において、磁石２５が一体になったロータ２３とコイル３４が巻回された歯３９との間には隙間が形成されている。コイル３４に通電されると、磁石２５と一体のロータ２３が回転する。

以下、本実施形態に係るボビン構造について具体的に説明する。図３はボビン４５の斜視図を示している。ボビン４５はコイル３４（図４参照）による巻線のガイドとなるものである。図３は、ボビン４５にコイル３４が巻回されていない状態を示している。ボビン４５は樹脂成形品であり、図３の例では、成形を容易にするため、ボビン４５は２分割構造とし上下２つのボビン本体４６で１つのボビン４５を構成している。ボビン４５には中空部４７が形成されており、ボビン４５をステータ３８に装着する際には、中空部４７にステータ３８の歯３９が挿入される。

各ボビン本体４６には、ステータ３８の歯３９に挿入して装着した状態において、ステータ３８の内径側に係合部５０を設けている。係合部５０は、支持体３７と係合させるためのものであり、凸部５１と凹部５２とで溝を形成している。係合部５０は一対のボビン本体４６のそれぞれに設けており、ボビン４５の上端側及び下端側に配置されている。図４は、ボビン４５にコイル３４を巻回した状態を示す斜視図である。本図の状態で、中空部４７にステータ３８の歯３９を挿入して、ボビン４５をステータ３８に装着する。

図５は、ステータ３８に支持部材３７を構成するモータサポート３５及びモータベース３６を装着する前の状態を示す斜視図である。図６はステータ３８にボビン４５を装着する様子を示す斜視図である。図５と図６とでは、図示の角度が異なっており、図５ではモータサポート３５及びモータベース３６の下端側を図示し、図６では上端側を図示している。

図５の状態ではステータ３８にボビン４５は未装着である。ステータ３８の円周方向において、放射状に多数の歯３９が延出している。モータベース３６には係合部６０が設けられている。係合部６０は、ボビン４５の係合部５０と係合させるためのものであり、それぞれ円周方向に形成された凸部６１と凹部６２とで溝を形成している。同様にモータサポート３５にも係合部７０が形成されている。係合部７０は、ボビン４５の係合部５０と係合させるためのものであり、図６に示したように、それぞれ円周方向に形成された凸部７１と凹部７２とで溝を形成している。

図６には便宜のため、ステータ３８に装着する前のボビン４５も合わせて図示している。本図に示したように、ボビン４５の中空部４７にステータ３８の歯３９を挿入して、ボビン４５をステータ３８に装着する。図６では、ステータ３８の歯３９一つ分にボビン４５を装着し状態を示しているが、以後順次すべての歯にボビン４５を装着していく。

図６において、歯３９のすべてについてボビン４５の装着が完了すると、ステータ３８は回転軸方向において、ステータ３８の支持体であるモータベース３６及びモータサポート３５により両側から挟まれる。より具体的には、モータベース３６の外周面６３及びモータサポート３５の外周面７３をステータ３８の内周面４８内に嵌め込んで、モータベース３６及びモータサポート３５をステータ３８に装着する。

図７は、ステータ３８にモータベース３６及びモータサポート３５を装着した状態における縦断面図を示している。本図においては、ボビン４５に巻回されたコイル３４は簡略化して図示している。ボビン４５の上部においては、ボビン４５の係合部５０とモータベース３６の係合部６０とが係合している。より具体的には、ボビン４５の凹部５２にモータベース３６の凸部６１が係合し、モータベース３６の凹部６２にボビン４５の凸部５１が係合している。

ボビン４５の下部においては、ボビン４５の係合部５０とモータサポート３５の係合部７０とが係合している。より具体的には、ボビン４５の凹部５２にモータサポート３５の凸部７１が係合し、モータサポート３５の凹部７２にボビン４５の凸部５１が係合している。

図７において、モータベース３６とモータサポート３５とは互いに固定されるので、ボビン４５の上部におけるボビン４５の係合部５０とモータベース３６の係合部６０との係合状態及びボビン４５の下部におけるボビン４５の係合部５０とモータサポート３５の係合部７０との係合状態は維持される。このことにより、ボビン４５の位置移動は規制され、ボビン４５がステータ３８の歯３９に固定される。

図８は、ステータ３８にモータベース３６及びモータサポート３５を装着した状態における別の実施形態に係る縦断面図を示している。本図の構成は、ボビン４５の係合部５０を構成する凸部５１には傾斜面を形成し、凹部５２の肉厚を薄くしている点が、図７に示したボビン４５の係合部５０の形状と異なっている。

前記実施形態では、図６を用いて説明したように、ボビン４５を装着してから、モータベース３６及びモータサポート３５を装着する例を説明したが、図８に示した係合部５０の形状にすれば、モータベース３６及びモータサポート３５を装着した後に、ボビン４５を装着することが可能になる。すなわち、予めステータ３８にモータベース３６及びモータサポート３５を装着しておき、凸部６１とステータ３８との間の隙間に、ボビン４５の係合部５０の凸部５１を侵入させれば、係合部５０は弾性変形しながら前進した後、モータベース３６の係合部６０及びモータサポート３５の係合部７０に係合する。

以上、本実施形態に係るボビン構造について説明したが、前記のようなボビン構造によれば、本来ステータ３９の支持部材であるモータサポート３５及びモータベース３６をボビン４５の取り付け部材として共用化を図ることができるので、専用部品を追加する必要がなく、特別に構造が複雑になることもコストが増大することもない。特に、図７に示した構成のように、ボビン４５の係合部５０とモータベース３６の係合部６０及びモータサポート３５の係合部７０との係合を凸部と凹部とによる係合にすれば、簡単な構造で確実なボビン４５の固定が可能になる。

また、図７に示したように、ボビン４５をステータ３８に装着した状態において、ボビン４５の係合部５０がステータ３８の内周面４８よりも内側に延出していない構成にすれば、モータサポート３５及びモータベース３６の装着の際に、これらの部品が係合部５０に干渉することがないので、モータサポート３５及びモータベース３６に干渉防止のための特別な加工を施す必要がない。

さらに、本実施形態のボビン構造では、ステータ３９は何ら加工する必要がないので、ステータの磁界構造への影響を考慮する必要がない。例えば、ボビンに設けた係合爪をステータに設けた穴に係合させる構造にすれば、穴を設けたことにより、ステータの磁界構造に影響が生じる。ステータの磁界構造の妨げにならないようにするには、ステータを内径方向に長くする必要がある。この構成では電磁鋼板の使用量が増大するので、重量及びコストが増加してしまう。

ここで、ボビン４５に熱伝導性の高い材料を採用すれば、コイル３４の熱が速やかにステータ３９に伝わるので、コイル３４の温度上昇の抑制を図ることができる。後に説明するとおり、本実施形態に係るボビン構造は、ボビン４５に熱伝導性の高い材料を採用した際に、コイル３４の温度上昇抑制に一層有利になる構造を有している。コイル３４の温度上昇が抑制されると、コイル３４の近傍に配置された磁石２５の温度上昇も抑制され、磁石２５（図１、２参照）について高価なレアアースであるディスプロシウム等の含有量を削減させる効果が得られる。

具体的には、図７において、コイル３４に通電されると、発熱体であるコイル３４が温度上昇する。コイル３４はボビン４５に巻回され、ボビン４５はステータ３８の歯３９に装着されているので、コイル３４の熱はボビン４５を経てステータ３８に伝わる。図１に示したように、ステータ３８の歯３９は隙間を介して磁石２５と対向しているので、コイル３４が温度上昇すると、ステータ３８だけでなく、磁石２５も温度上昇する。

磁石２５は使用時の減磁を避けるために、高い耐熱性が求められる。磁石はレアアースであるディスプロシウム等を含有させることにより、耐熱性を高めることができる。例えば、磁石に逆磁場がかかるような状況下で温度が１００℃を超えるような高温になると、ディスプロシウム等を含有させていなければ、磁石の磁力が永久に失われる不可逆減磁が発生する。一方、高価なディスプロシウム等は、含有量を少なくするか含有させないことが望ましい。

本実施形態のボビン構造は、アウタロータ型のインホイールモータのボビン構造であり、アウターロータ型モータは、図１に示したとおり、磁石２５はコイル３４を備えた電機子の外側にあるので、磁石２５の放熱に有利になる。本実施形態では、放熱に有利なアウターロータ型を採用したことに加え、コイル３４の温度上昇抑制に有利なボビン構造を採用しているので、ボビン４５に熱伝導性の高い材料を採用することにより、磁石２５の温度上昇の抑制に有利になる。このことにより、レアアースであるディスプロシウム等の含有量の抑制を図ることができる。

以下、ボビン４５に熱伝導性の高い材料を採用していることを前提に説明する。図７に示したようにコイル３４はボビン４５に巻回され、ボビン４５はステータ３８の歯３９に装着されているので、コイル３４の熱はボビン４５を経てステータ３８に直接的に伝わる。さらに、本実施形態では、前記のとおり、ボビン４５はモータサポート３５及びモータベース３６の両方に係合しているので、、コイル３４の熱はボビン４５を経て、大型部品で熱容量が大きいモータサポート３５及びモータベース３６の両方に直接的に伝わる。すなわち、本実施形態に係るボビン構造によれば、ボビン４５に熱伝導性の高い材料を採用することにより、コイル３４の熱はステータ３８だけでなく、モータサポート３５及びモータベース３６の両方に直接的に伝わるので、コイル３４の温度上昇の抑制に有利になる。

次にボビン４５の材料について説明する。前記のとおりボビン４５の熱伝導性が高ければ、コイル３４の温度上昇抑制及びこれに伴う磁石２５の温度上昇抑制に有利になる。一方、ボビン４５の材料には、電気絶縁性が求められるので、前記のように磁石２５の温度上昇抑制を図るには、ボビン４５の材料は相反する特性である高電気絶縁性と高熱伝導性を同時に満足する必要がある。このような材料の具体例として、高熱伝導ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が挙げられる。高熱伝導ＰＰＳ樹脂は、熱伝導率（室温）が３（Ｗ／ｍ・Ｋ)以上で、体積抵抗率（電気絶縁性）が１０^１６（Ω・ｃｍ）以上のものがあり、ボビン４５に求められる高電気絶縁性と高熱伝導性とを両立させることができ、ボビン４５の材料として適している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではなく適宜変更した構成も含まれる。例えば図１及び図２に示したインホイールモータ１は一例であり、アウターロータ型の構造を変えない範囲で適宜変更してもよい。ボビン４５について、図３では２分割構造の例で説明したが、一体成形したものであってもよい。

また、ボビン４５とモータベース３６及びモータサポート３５の係合構造は、図７の構造に限るものではなく、適宜変更してもよい。例えば、図７では係合部５０、６０及び７０による係合は、凹部６２、５２で形成された溝部分に凸部５１、７１が嵌合する構成であるが、必ずしも溝形状が形成されている必要はなく、凸部同士が係合するだけの係合構造であってもよい。

１ インホイールモータ
２５ 磁石
３４ コイル
３５ モータサポート
３６ モータベース
３７ 支持体
３８ ステータ
３９ 歯
４５ ボビン
４７ 中空部
５０，６０，７０ 係合部
５１，６１，７１ 凸部
５２，６２，７２ 凹部

Claims (3)

1. 電気自動車の車輪の駆動に用いられるアウタロータ型のインホイールモータのボビン構造であって、
   前記ボビン構造は、コイルを巻回させるためのボビンをステータの歯に挿入して固定するための構造であり、
   前記ステータは回転軸方向において、前記ステータの支持体であるモータベース及びモータサポートにより両側から挟まれ、
   前記ボビンは、前記ステータに装着した状態において、前記ステータの内径側に係合部を設けており、
   前記ステータが前記モータベース及び前記モータサポートにより両側から挟まれた状態において、前記ボビンの係合部が前記モータベース及び前記モータサポートの円周方向に形成された凹部と係合して、前記ステータを加工することなく、前記ボビンが前記モータベース及び前記モータサポートにより両側から挟まれた状態で前記ステータに固定され、前記ステータの支持体である前記モータサポート及び前記モータベースを前記ボビンの取り付け部材として共用することを特徴とするボビン構造。
2. 前記ボビンの材料は、高絶縁性と高熱伝導性とを両立させた材料である請求項１に記載のボビン構造。
3. 前記ボビンを前記ステータに装着した状態において、前記ボビンの係合部は、前記ステータの内周面よりも内側に延出していない請求項１又は２に記載のボビン構造。

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