JP6225174B2 - 電気モーター又は発電機システム - Google Patents

Description

本発明は、電気モーター又は発電機、特に車両に搭載する電気モーター又は発電機に関する。

環境に優しい車両に関する関心の高まりとともに、それに応じて電気自動車の利用に関する関心についても高まっている。

大部分の市販の電気自動車は、2又は複数の車輪を駆動するために用いられる中央電気モーターを利用するが、評判が上々の代替案は、個々の電気モーターがそれぞれの車輪を駆動するために用いられるインホイール電気モーターを利用するものである。

インホイール電気モーターは、一般的に、車両の本体に搭載されるステーターを備える一方で、インホイール電気のローターは、間接的或いは直接的に車輪に搭載される。

しかしながら、インホイール電気モーター駆動構成を備えた車両の操作中に、電気モーターのローターに接続したホイールに対する外力によって、ローターが、ローター又はホイールベアリングのズレによりステーターに対して偏位する可能性がある。

従って、種々の運転状況下において十分なトルク生成を維持するために、インホイール電気モーターの構成部品を十分に硬くして最適なステーター/ロータージオメトリーを維持している。しかしながら、これは、質量、スペース及びパッケージング要件を増やす結果になる可能性がある。

このような状況は、改善させることが望ましい。

本発明の態様によれば、添付の特許請求の範囲に基づく電気モーター又は発電機システムが提供される。

駆動輪に対して回転しない、車両の一部(例えば、車両サスペンションの部材(例：直立部材))と、電気モーターのステーターとの間の結合装置を用いることによって、車両とステーターとの間に自由度を制限するロードパス(load path)を形成することができる(その一方で、他のもの自由度は、実質的には制限しない)。

これには、電気モーターのステーターとローターとが密接に結合したシステムとして作動する長所がある。ローターに対するズレは、対応するステーターのズレとなる一方で、ローターは、ステーターに対して回転することができる。これによって、電気モーターを用いて車両を駆動させる場合、ステーター/ローターのエアーギャップ及びその結果として生じるトルクを維持することができる。

本発明は、添付の図面を参照しながら、一例として以下で説明する。

図1は、本発明の第一実施形態による、電気モーターアセンブリの等角図を示す。 図2は、本発明の一実施形態による、電気モーターアセンブリの軸方向断面を示す。 図3は、本発明の第二実施形態による、電気モーターアセンブリの等角図を示す。

記載している本発明の実施形態は、車両のホイールに使用する電気モーターに関する。上記モーターは、ホイールに着設される、一組の磁石を備えたローターによって放射状に囲まれる、車両へ着設されるステーターの一部として一組のコイルを備えるタイプである。誤解を避けるために述べると、本発明の様々な態様は、同じ配置の発電機に対して同様に応用することができる。加えて、本発明のある態様は、放射状に囲むコイルの中央に搭載されたローターを備える配置に応用することができる。

第一実施形態の物理的配置は、図1及び2にて最も理解される。上記アセンブリは、モーター及びベアリングと記述することができ、ホイールを収容するように構築されたハブモーター又はハブドライブと記述することもできる。

図1及び2は、本発明の第一実施形態による、電気モーターアセンブリを図示するものであり、図1は電気モーターの等角図を示し、図2は断面図を示す。

モーターアセンブリ40は、ステーター100と、ローター110と、ベアリングブロック120と、(例えば当業者にとって周知のサスペンションコントロールアーム及びスプリング減衰装置を介して)車両へ搭載するように配置される直立部材130と、ステーター100と直立部材130との間に搭載された結合装置140と、を備える。

図示してはいないが、ステーター100は、一般的に、ステーターの歯様の層板構造上に形成された複数のコイルと、コイルを通る電流を制御する電子回路と、を備える。

ローター100は、正面放射状壁及び円柱型部分221を備える。

ローターの正面放射壁状221の内表面からステーター100の方へ軸方向に延在する環状リング230が、ローターの正面放射状壁の内表面に形成されている。後述するように、ローター110の正面壁に形成された環状リング230は、ベアリング用のハウジングの一部を形成している。

ローター110は、円柱型部分221の内側周辺に配置された複数の磁石（不図示）を備える。複数の磁石は、ローター後部鉄(back iron)に好ましくは搭載される。磁石は、ステーターの歯様の層板構造に搭載されたコイル付近に存在する。その結果、ローターの円柱型部分221の内側周辺に配置された磁石に力が生じ、その結果、トルクがローター110に加えられる。

ローター110は、ベアリングブロック120を介して車両に着設されている。ベアリングブロック120は、モーターアセンブリ40を取り付ける車両において使用される標準的なベアリングブロックであってもよい。ベアリングブロック120は、直立部材130に結合するように構成された第一結合部材310と、ローター110に結合するように構成された第二結合部材300の2つの部品を備える。本実施形態は、直立部材130に結合しているベアリングブロック120を記載しているが、当業者が理解しているように、ベアリングブロック120は他の車両構成部品に搭載することができる。あるいは、他のベアリング構成を用いてもよい。

2つのベアリング320、330(例えばアンギュラボールベアリング)は、ベアリングブロックの第一結合部材310と第二結合部材300との間に搭載されている。好ましくは、2つのアンギュラボールベアリング320、330は、アンギュラボールベアリング同士が対向するように構成されている。

アンギュラボールベアリングは、ラジアル荷重と共に著しい一方向の軸方向荷重に耐えることができる。これらの設計の結果、ラジアル荷重が加わると、軸方向の力成分が生じる。従って、両方向の軸方向荷重及びラジアル荷重に耐えられる状況、例えば、ハブモーターとして車両で使用される状況において、2つのアンギュラボールベアリング(例えば、マッチアンギュラボールベアリング)を使用することが望ましい。

第一結合部材310及び第二結合部材300は、それぞれ、2つのアンギュラボールベアリング320、330の外側リング及び内側リングとして機能する。アンギュラボールベアリングのボール（不図示）は、ボールベアリングの内側と外側のリング間に位置したケージ中（不図示）に搭載される。しかしながら、第一結合部材310及び第二結合部材は、それぞれ、外側リング及び内側リングとして作用することができる。

ベアリングブロック120は、マッチアンギュラボールベアリングを使用すると記載されているが、他のタイプのボールベアリングを用いることもできる。

本実施形態は2セットのボールベアリングの使用を示しているが、単一又は複数セットのボールベアリングを用いることもできる。

従って、ローター110は、ローターの内側放射状壁の中央部分でベアリングブロック120を介して、使用する車両に固定され、ローターが車両に対して回転することができる。そして、これには、ホイールリム及びタイヤを通常のホイールボルトを使用してローターに中央部分で固定して、ホイールリムをローター110の中央部分に固定し、その結果、ベアリングブロック120の回動可能側に確実に固定することができるという利点がある。ホイールボルトは、ベアリングブロック120自体を通ってローター110の中央部分を通じて固定されてもよい。この配置の利点は、ホイール、ベアリングブロック120及び任意の他の構成部品(例えばブレーキ設備)を除去することによって既存車両にモーターアセンブリ40を組み込むことができるということである。そして、既存のベアリングブロック120は、アセンブリ内側に取り付けることができ、そして、全ての設備は、リム及びホイールが全モーターアセンブリを囲むようにローター110に取り付けられるホイール及び通常のリムと共に車両に取り付けられる。従って、既存の車両にインホイール電気モーターを組み込むことは、定型的な作業である。

更なる利点は、ローター110の外側、特に内側周辺上で磁石を搭載している環状壁221に、車両を支えるための力が加わらないことである。車両を運ぶための力が、ベアリングブロック120の一端に固定されたサスペンションから、ベアリングブロック120の他端に固定されたローター110を囲んでいるホイールの中央部分に(ローター壁の中央部分を経て)直接伝達するためである。

ステーターの放射状壁の内表面からローター110の正面放射状壁221の内表面に向かう軸方向に延在する環状リング240は、ステーターの放射状部分の内表面に形成されている。ステーターの環状リング240は、ローター110の正面放射状壁221に形成された環状リング230よりも半径が小さくなるように構成され、その軸方向長は、ローター110に形成された環状リング230の軸方向長と平行している。

ステーターの環状リング240の半径は、ローターの環状リングの内表面250とステーターの環状リング240の外表面260との間に放射状の隙間が存在するように選択され、それによって、ローター110とステーター100とを共に搭載した場合に、ステーターの環状リング240とローターの環状リング230との間にハウジングが形成される。

第三ベアリング270を、ローターの環状リング230の内表面250とステーターの環状リング240の外表面260との間に設置する。本実施形態のために、第三ベアリング270は、内側リングと外側リングを具備する2つのアンギュラベアリングを備える。好ましくは、電気モーターにゴミが入るのを最小限にするために、ボールベアリング270は、密封されたタイプのボールベアリングである。しかしながら、他のタイプのベアリング、例えば、後部分230から外側に向く、ベアリングの側面を更に密封した従来型のラジアルベアリングを用いることができる。

第三ベアリングの内側リングの内表面の直径は、一般的に、ステーターの環状リング240の外表面の直径よりもわずかに大きいため、第三ベアリング270はステーターの環状リング240に搭載することができる。

第三ベアリング270の内表面は、プレスフィットを利用してステーターの環状リング240に搭載される。

好ましくは、第三ボールベアリングの外側リングの外表面とローターの環状リング230の内表面250との間に形成される隙間にゴミが入るのを防ぐために、弾性要素（不図示）、例えば第三ベアリング270の外側リング内に埋め込む1又は複数のOリング及び/またはプラスチックリングをこの隙間に設置する。

第三ベアリング270上の摩耗を最小化するために、第三ベアリング270内、好ましくはローターの環状リングとステーターの環状リング240との半径領域内に組み込まれる任意の密封材を選択することによって、第三ベアリング270の半径が最小限に保たれる。

好ましくは、第三ボールベアリング270の外側リングの外表面の半径は、ローター110の半径の半分よりも小さい。

ステーターの環状リング240とローターの環状リング230との間の第三ベアリング270の搭載によって、ローター110は、車両に対してローターが回転するのと同じ軸周りでステーター100に対して回転することができる。

本実施形態は、ステーターの環状リング240とローターの環状リング230との間における第三ベアリング270の位置調節の用途を示すが、ステーター100及びローターと関係する他の表面を用いてもよい。例えば、第三ベアリングは、ステーターの環状リングと第二結合部材300の表面との間に設置することができる。

ステーター100と直立部材130との間で結合する結合装置140は、車両の直立部材130及び他の非回転部材に対する、ステーター100の実質的な任意の回転を防止しつつも、その他についてはステーター100が自由に動くことができるように構成されているため、ローター110の回転軸に対してローター110の垂直角がズレると、ステーター100はローター110の動作に追従することができる。これによって、ステーター100及びローター110は、回転軸以外に自由度がある密接に結合したシステムとして動作することができるため、ローター110が外部荷重によってズレても、ローター110に搭載された永久磁石とステーターコイル巻線との間のエアーギャップを維持することができる。このように、結合装置140は、車両に対するステーター100の回転を実質的に防止しつつも、その他については自由な動作を可能にする、ステーター100と車両との間のトルク反作用リンクとして作用する。

本実施形態に関して、結合装置140は、タイロッドであって、タイロッド140の一端は球面ベアリング280(例えば「ロッドエンド」ベアリング)を介してサスペンション直立部材130に結合している。これによって、直立部材130に対してタイロッド140を並進的に抑制しつつ、タイロッド140がこの位置周りにおいて3つ全ての回転自由度において回転することができる。タイロッド140は、同様に、ロッドエンドベアリング290を備えたステーター100に結合する。これによって、タイロッド140及び関連したロッドエンドベアリングは、モーターの回転軸周りでのステーター100の回転自由度が抑制される。従って、タイロッド140はステーター100が車両の本体へ戻るモータートルクに作用することができる一方で、ステーター100はモーター/ローター回転軸周りの回転自由度以外の自由度で動くことができるロードパスとしての役割を果す。

なお、ステーター100と直立部材130との間に効果的なロードパス(即ち、所定のトルクを作用させるのに必要な最も小さな力)をもたらすために、2つのロッドエンドベアリング280、290によって形成された軸は、ローターの軸に対して実質的に非平行でなければならなず、ローター110の回転軸に一致しないように設置されなければならない。タイロッド軸をモーター/車輪軸に対して垂直に設置することができればできるほど、タイロッド軸は、モーター/車輪軸からより離れて設置することができ、そして、タイロッド140に生じる力がより小さくなる。タイロッド140の使用は、モータートルクの作用機会を損なうことなく、非常に高い剛性でステーター100を直立部材130に結合させる方法をもたらす。

本実施形態は、ロッドエンドベアリング280、290を介してそれぞれ直立部材130及びステーター100に結合したタイロッドとしての結合装置140を示しているが、ローター110の回転軸周りで実質的にステーター100の回転を防止しつつも、その他についてはステーター100が自由に動くことができる任意の結合装置140を用いることができる。

実例として、図3は、結合装置の第二実施形態を示す。この実施形態に関して、結合装置は、対応する軸受筒400である。コンプライアンスブッシュ筒400の典型的な設計は、以下に記載する。

コンプライアンスブッシュ400の一体型中央セクションは、ステーター100に堅く着設され、直立部材130に堅く着設された外側セクションは、この中央セクションの周辺に配置されている。中央セクションと外側セクションとの間には、種々の方向に対して様々な剛性を有することができるエラストマー材料が存在する。コンプライアンスブッシュ400は、ステーター100と直立部材130との間にモータートルクを伝える効果的なロードパスを与えるが、直立部材130に対するステーター100の相対運動を可能にする他の方向に対しても非常に追従性のある特性も与えるように配置且つ形成されている。コンプライアンスブッシュ400は、タイロッド140よりも低コストで用いる又は高い信頼性があるとして代わりに用いることができる。モーターのトルク伝達が僅かに遅延するが、これによって、任意のモーター回転振動(例えばモータートルクリップル)が車両本体に伝わるのを遮断している状態が得られる。

Claims (11)

1. ステーターと、
   ローターと、
   第一ベアリングと、
   第一結合装置と、
   第二結合装置と、を備え、
   前記第二結合装置が、車両に結合するように構成された第一結合部材と、前記ローターに結合する第二結合部材と、前記第一結合部材と前記第二結合部材との間に搭載された第二ベアリングと、を備えることによって、前記ローターが前記車両に対して回転することができ、
   前記第一ベアリングが、前記ステーターの表面と前記ローターの表面又は前記第二結合部材との間に搭載されることによって、前記ローターが前記ステーターに対して回転することができ、
   前記第一結合装置は、第一自由度での前記第一結合部材に対する前記ステーターの動作を実質的に防止しつつ、少なくとも第二自由度での前記第一結合部材に対する前記ステーターの動作を可能にするように構成され、
   前記第一結合装置は、前記第一結合部材、又は前記車両上のサスペンション直立部材に、直接結合されたタイロッド又はコンプライアンスブッシュである、電気モーター又は発電機システム。
2. 前記第一結合装置は、前記車両に結合するように構成される、請求項1に記載の電気モーター又は発電機システム。
3. 前記第一結合装置は、前記第二結合装置に結合している、請求項1に記載の電気モーター又は発電機システム。
4. 前記ステーターの動作において実質的に防止されている第一自由度は、前記ローターが前記車両に対して回転することができる回転方向である、請求項1から3のいずれかに記載の電気モーター又は発電機システム。
5. 前記第一結合装置は、前記タイロッドである、請求項1から4のいずれかに記載の電気モーター又は発電機システム。
6. 前記タイロッドは、第一球面ベアリングを備えつつ前記ステーターに結合し、第二球面ベアリングを備えつつ前記車両に結合するように構成される、請求項5に記載の電気モーター又は発電機システム。
7. 前記第二球面ベアリングは、前記車両上の前記サスペンション直立部材に結合するように構成される、請求項6に記載の電気モーター又は発電機システム。
8. 前記第一球面ベアリング及び前記第二球面ベアリングを通じて形成される軸は、ローターの軸に対して実質的に非平行である、請求項6又は7に記載の電気モーター又は発電機システム。
9. 前記第一球面ベアリング及び前記第二球面ベアリングを通じて形成される軸は、前記ローターの回転軸と一致しないように設置される、請求項6又は7又は8に記載の電気モーター又は発電機システム。
10. 前記第一結合装置は、前記コンプライアンスブッシュである、請求項1〜5のいずれかに記載の電気モーター又は発電機システム。
11. 請求項1から10のいずれかに記載の電気モーター又は発電機システムを備えた車両。