JP7271281B2

JP7271281B2 - 回転電機及びこの回転電機を用いたインホイールモータ

Info

Publication number: JP7271281B2
Application number: JP2019076988A
Authority: JP
Inventors: 正浩角振; 宙兼重; 智士平田; 弘二石川; 効梶田; 茂樹伊藤
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP2020175681A

Description

本発明は、磁束可変機構を有する回転電機及び、この回転電機を用いたインホイールモータに関するものである。

従来、回転電機の低速及び高速での出力を調整することで、回転速度に応じた出力特性を得ることができる回転電機が知られている。このような回転電機は種々の構造が知られているが、例えば、固定子と、固定子に対して同軸をなして回転自在に設けられた回転子と、回転子に対する固定子の軸方向での相対位置を変化させる移動手段とを有し、固定子に電機子コイル及びコアが設けられ、コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機が知られている。

このような回転電機によれば、低速回転時には、固定子と回転子の対向面積が大きくなるように移動手段によって固定子を軸方向に移動させて固定子を通過する有効磁束が大きくなるようにして高トルク化を図り、高速回転時には、固定子と回転子との対向面積を少なくするように固定子を移動させて固定子を通過する有効磁束が小さくなるようにして高速回転を実現している。

特開２００８－１４８５１６号公報

しかし、従来の回転電機によれば、移動手段は、駆動モータなどのアクチュエータによって固定子を移動可能としているが、アクチュエータの駆動軸が回転電機の回転軸と同軸に配置されておらず、駆動軸と回転軸が互いに略平行に配置されているため、取付スペースが２軸分必要となることから、小型化を図ることが難しく、アクチュエータの駆動によって回転軸に曲げモーメントが作用し、当該曲げモーメントによって回転軸を回転支持する軸受等が早期に破損するという問題があった。

また、従来の固定子と回転子の対向面は回転軸と平行となっているため、移動手段によって固定子を移動させた場合に、対向面積は可変可能であるものの、対向間距離（ギャップ）は一定であるため、出力特性の調整幅が少ないといった問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、回転電機の小型化を図ると共に、応答性が良く、高エネルギー効率の固定子移動を可能とし、軸受などの構成部品の早期損傷を抑えることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、電機子コイルを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に前記固定子に対向する磁石を有する回転子とを備えた回転電機において、前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられ、前記移動機構は、前記固定子と同軸に組み付けられた軸部材と、前記軸部材の外周面に組み付けられたボールスプラインナット部材及びボールねじナット部材を備え、前記ボールねじナット部材に回転力を付与する駆動源を備え、前記軸部材の外表面には、前記ボールスプラインナット部材が軸方向に沿って移動可能に組み付けられるボールスプライン溝と、前記ボールねじナット部材が軸方向に沿って移動可能に組み付けられる螺旋状のボールねじ溝が形成されることを特徴とする。

本発明に係る回転電機及びこの回転電機を用いたインホイールモータによれば、移動機構は、固定子と同軸に組み付けられた軸部材と、軸部材の外周面に組み付けられたボールスプラインナット部材及びボールねじナット部材を備え、前記ボールねじナット部材に回転力を付与する駆動源を備えているので、回転電機及びこの回転電機を用いたインホイールモータの小型化を図ると共に、駆動源の駆動によって回転軸に曲げモーメントが作用することを防止して構成部品の早期破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の斜視図。本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図。本発明の実施形態に係る回転電機の移動機構の構成図。本発明の実施形態に係る回転電機の出力特性を説明するための図。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の斜視図であり、図２は、本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る回転電機の移動機構の構成図であり、図４は、本発明の実施形態に係る回転電機の出力特性を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、自動車等の車輪１に組み込まれる所謂インホイールモータとして用いられると好適である。車輪１は、自動車の車体に取り付けられると共に、車輪１を回転可能に支持する車軸４と、ホイール３とホイール３の外周面に取り付けられたゴムなどの弾性体からなるタイヤ２とを備えている。

本実施形態に係る回転電機１０は、ホイール３の内部に配置されており、回転電機１０の回転力をホイール３に伝達することで、当該回転電機１０が取り付けられる自動車の駆動力を発生させている。

図２に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、図示しないコアに線材が巻回された電機子コイル１１ａが周方向に沿って配置される固定子１１と、固定子１１に対して所定のギャップを介して回転自在に配置される回転子１２とを備えている。なお、電機子コイル１１ａの巻回方法は、従来周知の種々の巻き方を採用することが可能である。

回転子１２は、導電性のある金属などからなるバックヨーク１３と、固定子１１に対向するように配置された磁石を有しており、バックヨーク１３はホイール３に取り付けられており、ホイール３は、回転子１２の回転に伴って回転する。なお、固定子１１と回転子１２の対向面は、車軸４の回転軸方向に対して交差する方向に延びる斜面を有するようにそれぞれ傾斜して形成されている。

また、固定子１１は、車軸４の軸方向に移動可能な移動機構２０に取り付けられている。移動機構２０は、車軸４が挿通されて、該車軸４及び固定子１１の回転中心軸と同軸に配置された軸部材２１と、軸部材２１の外周面に回転不能に組み付けられたボールスプラインナット部材２４と、軸部材２１の外周面に回転可能に組み付けられたボールねじナット部材２５とを備えている。

また、ボールねじナット部材２５は、出力軸に歯車２８が取り付けられた駆動源としての駆動モータ２７によって回転力が付与されるように構成されている。このように構成されることで、駆動モータ２７が回転することにより歯車２８が回転し、歯車２８がボールねじナット部材２５の外周面と歯合することでボールねじナット部材２５へ駆動モータ２７の回転力を伝達している。

図３に示すように、軸部材２１は、車軸４が挿通可能となるように軸方向に貫通孔２１ａが形成された中空軸であり、外表面の軸方向一端側に軸方向に沿って形成されるボールスプライン溝２２が形成され、他端側に螺旋状のボールねじ溝２３が形成されている。ボールスプライン溝２２およびボールねじ溝２３は、互いに一端側及び他端側から中央に向かって形成されており、軸部材２１の中央近傍で互いに重複して形成されている。このようにボールスプライン溝２２とボールねじ溝２３を互いに重複させることで、軸部材２１の長さを短くすることができると共に、必要なストローク量の確保を図っている。

ボールスプラインナット部材２４は、円筒状の部材であって、内周に軸部材２１が挿通される。また、ボールスプラインナット部材２４の内周面には、軸部材２１のボールスプライン溝２２に対応する第２ボールスプライン溝２４ａが形成されており、ボールスプライン溝２２及び第２ボールスプライン溝２４ａの間には、図示しない転動体等を介在させることで、軸部材２１の軸方向にボールスプラインナット部材２４が移動可能に組み付けられている。また、ボールスプラインナット部材２４の一端には、径方向に延びる鍔部２４ｂが形成されており、該鍔部２４ｂにベアリング２６の外輪を組み付けて回転力を受けている。

ボールねじナット部材２５は、内周にボールねじ溝２３に対応する螺旋状の第２ボールねじ溝２５ａが形成された環状部材であり、外周面に歯車２８が歯合する第３ねじ溝２５ｂが形成されている。第２ボールねじ溝２５ａとボールねじ溝２３の間には図示しない転動体などを介在させることで、ボールねじナット部材２５は軸部材２１に対して回転可能に組み付けられている。

また、ボールねじナット部材２５の一端側には、ベアリング２６の内輪に挿入される縮径部２５ｃが形成されており、当該縮径部２５ｃをベアリング２６に挿入した状態で、ボールねじナット部材２５はベアリング２６の内輪に組み付けられている。

さらに、ボールねじナット部材２５の軸方向長さは、ボールスプラインナット部材２４より短く形成されている。ボールねじナット部材２５の軸方向長さを短くすることで、第２ボールねじ溝２５ａの全長も短くなるが、第２ボールねじ溝２５ａは、螺旋状に１巻き以上形成されればよい。このように構成することで移動機構２０の小型化を図ることが可能となる。

このように構成された本実施形態に係る回転電機１０は、図４に示すように、固定子１１を回転子１２に対して最も挿入した状態（ａ)においては、固定子１１と回転子１２の対向面積が最も大きく、固定子１１と回転子１２の間のギャップも最も小さい状態であることから、回転電機１０の出力特性は、高トルク・低回転となる。このような状態では、自動車の発進時など速度は遅いが高トルクが必要な場合に最も出力特性が適した状態となる。

また、この状態では、逆起電力が上昇することから電機子コイル１１ａへの給電を停止し、車輪１を制動させる減速時には、逆起電力が上昇することで、効率的に発電を行うことができ、高効率の回生ブレーキとして作用させることが可能となる。

これに対し、駆動モータ２７を回転させてボールねじナット部材２５に回転力を付与すると、（ｂ）の状態に示すように、ボールねじナット部材２５の回転に伴って、ボールねじナット部材２５が軸部材２１のボールねじ溝２３に沿って回転しながら軸方向へ移動する。

さらに移動機構２０を駆動させると、（ｃ）に示すように固定子１１が回転子１２から最も抜き出された状態となり、固定子１１と回転子１２の対向面積は最も小さく、固定子１１と回転子１２の間のギャップが最も大きな状態となる。この状態では、逆起電力が下降し、回転電機１０の出力特性は、低トルク・高回転となる。このように固定子１１を回転子１２から最も抜き出した状態では、トルクを必要としない高速走行時に最も出力特性が適した状態となる。

なお、固定子１１と回転子１２の対向面が共に斜面として構成されているため、固定子１１が軸方向に抜き出されることにより、斜面の傾斜に倣って固定子１１と回転子１２のギャップも大きくなるように構成されている。さらに、固定子１１の移動量は、駆動モータ２７によるボールねじナット部材２５の回転量によって無段階に調整することができるので、固定子１１と回転子１２の対向面積及びギャップも固定子１１の移動量に応じて無段階に調整することができる。

このように構成された本実施形態に係る回転電機１０は、固定子１１を駆動させる移動機構２０が、軸部材２１を挿通する車軸４の回転中心と、固定子１１を移動させる軸部材２１の軸方向とが一致しているため、軸部材２１などが曲げモーメントを受けることがなくなり、構成部品の早期破損を防止することができる。

また、回転軸と駆動軸とを同軸に配置しているので、回転電機１０の小型化を図ることが可能となる。さらに、本実施形態に係る回転電機１０は、ボールねじナット部材２５と軸部材２１の形成されたボールねじ溝２３による減速効果を有することから駆動モータ２７の出力を小さくすることが可能となり、当該駆動モータ２７を小型化することで、回転電機１０の更なる小型化を図ることが可能となる。

さらに、移動機構２０は、ボールねじナット部材２５及びボールスプラインナット部材２４によって固定子１１の移動を行っているため、応答性がよく高エネルギー効率の固定子１１の移動制御を行うことが可能となる。また、移動機構２０による移動量は、ボールねじナット部材２５の回転量によって制御しているので、求められる出力特性に応じて固定子１１の位置を任意に設定することで、最も適した出力特性で回転電機１０を駆動させることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、軸部材２１とボールスプラインナット部材２４並びにボールねじナット部材２５は、転動体を介して組み付けた場合について説明を行ったが、これらの部材は、転動体を介さずに互いに滑り合うように組み付けても構わない。また、上述した本実施形態に係る回転電機１０においては、本実施形態に係る回転電機１０を自動車の車輪１に適用した場合について説明を行ったが、その用途は自動車に限られず、例えば、風力発電機やプレス加工機などに適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０回転電機，１１固定子，１２回転子，２０移動機構，２１軸部材，２４ボールスプラインナット部材，２５ボールねじナット部材，２７駆動源。

Claims

電機子コイルを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に前記固定子に対向する磁石を有する回転子とを備えた回転電機において、
前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられ、
前記移動機構は、前記固定子と同軸に組み付けられた軸部材と、前記軸部材の外周面に組み付けられたボールスプラインナット部材及びボールねじナット部材を備え、
前記ボールねじナット部材に回転力を付与する駆動源を備え、
前記軸部材の外表面には、前記ボールスプラインナット部材が軸方向に沿って移動可能に組み付けられるボールスプライン溝と、前記ボールねじナット部材が軸方向に沿って移動可能に組み付けられる螺旋状のボールねじ溝が形成されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記ボールねじナット部材の軸方向長さは、前記ボールスプラインナット部材よりも短いことを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記固定子と前記回転子の対向面は、前記回転軸方向に対して交差する方向に延びる斜面を有することを特徴とする回転電機。
請求項１から３の何れか１項に記載の回転電機を用いたインホイールモータ。