JP7326416B2 - インホイールモーター - Google Patents

Description

本開示は、アウターローター型のインホイールモーターに関する。

従来、電気自動車の車輪の駆動源として、ホイールに内蔵されるインホイールモーターが知られている。インホイールモーターは、コイルを有するステーター（固定子）と、コイルに対向するようにマグネットが配置されているローター（回転子）と、を備え、コイルに電流が流れることで生じる磁界が、マグネットと吸引及び反発することで、ローターが回転し、この回転力がハブを介してホイールに伝達され、駆動車輪を回転させる。

例えば、特許文献１、２には、インホイールモーターの一例として、ステーターの径方向外側にローターが配置されているアウターローター型のインホイールモーターが開示されている。このようなアウターローター型のインホイールモーターにおいては、ローターケースの径方向内側にマグネットを配置することで、ローターの回転に伴う遠心力によりマグネットがバーストするのを防止することができる。

特開２０２０－１１４０５４号公報 特開２０１８－１６４３６６号公報

ところで、アウターローター型のインホイールモーターの場合、ローターの径方向内側にステーターが配置されるため、ローターケースのモーター軸方向における一端側は開放されている。そして、一般には、ローターケースのマグネットを保持する部分が片持ちで支持される構造となっている。そのため、インホイールモーターの駆動時に、ローターの開放端側に振れが生じる虞がある。この場合、ローターとステーターの衝突を回避するために離間距離を大きくする必要があり、加えて、ローターの振れに伴い、マグネットとコイルの離間距離が変動することとなり、期待する駆動性能が得られない虞がある。また、離間距離を大きくすると、モーターの小型化が阻害されてしまう。

本開示の目的は、モーターの小型化及び駆動性能の安定化を図ることができるインホイールモーターを提供することである。

本開示に係るインホイールモーターは、
コイルを有するステーターと、
前記コイルと対向するマグネットを有し、前記ステーターに対してモーター軸周りに回転するローターと、
を備えるアウターローター型のインホイールモーターであって、
前記ステーターは、前記モーター軸を形成するスピンドルシャフトと、前記コイルを保持するステーターボディと、を有し、
前記ステーターボディは、前記スピンドルシャフトの径方向外側に離間して配置される中空円柱形状のボディ本体を有し、
前記ローターは、前記マグネットを保持するローターケースと、駆動車輪のホイールと前記ローターケースとの間に介在するハブと、を有し、
前記ローターケースは、車輪幅方向における内側端部が開放され、前記ステーターボディの径方向外側に配置されており、
前記ハブは、前記スピンドルシャフトと前記ボディ本体との間に前記モーター軸に沿って配置される中空円柱形状のハブ本体と、前記ローターケースの前記車輪幅方向における外側端部に接続されるケース取付部と、を有し、
前記ローターは、前記車輪幅方向における両端部において、前記ステーターに軸支されており、前記車輪幅方向における外側端部では、前記ハブ本体が外側ベアリングを介して前記スピンドルシャフトに軸支されている。

本開示に係るインホイールモーターによれば、モーターの小型化及び駆動性能の安定化を図ることができる。

図１Ａ、図１Ｂは、実施の形態に係るインホイールモーターを内蔵した駆動車輪の斜視図である。 図２は、実施の形態に係る駆動車輪の断面を模式的に示す図である。 図３は、実施の形態に係るインホイールモーターの分解斜視図である。 図４は、実施の形態に係るインホイールモーターの分解斜視断面図である。

以下、本開示の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａ、１Ｂは、本開示の一実施の形態に係るインホイールモーターＩＷＭを内蔵した駆動車輪１を示す図である。図１Ａは、駆動車輪１を車輪幅方向外側から見た斜視図であり、図１Ｂは、駆動車輪１を車輪幅方向内側から見た斜視図である。なお、車輪幅方向は、インホイールモーターＩＷＭのモーター軸方向と同じである。また、モーター軸方向に直交する方向を「径方向」と称する。
図２は、駆動車輪１の断面を模式的に示す図である。図３は、インホイールモーターＩＷＭの分解斜視図である。図４は、インホイールモーターＩＷＭの分解斜視断面図である。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すように、駆動車輪１は、インホイールモーターＩＷＭ、ホイール５１及びタイヤ５２等を備える。駆動車輪１において、タイヤ５２の内側に金属製のホイール５１が装着され、ホイール５１にインホイールモーターＩＷＭが内蔵される。

図２～図４に示すように、インホイールモーターＩＷＭは、ステーター１０及びローター２０を有する。

ステーター１０は、ローター２０を回転させるための駆動力を発生させる固定体であり、ステーターボディ１１、コイル１２及びスピンドルシャフト１３等を有する。
ローター２０は、ステーター１０に対してモーター軸周りに回転する可動体であり、ローターケース２１、マグネット２２、ハブ２３、ブレーキディスク２４及びドライブプレート２５等を有する。

インホイールモーターＩＷＭは、ステーター１０の径方向外側にローター２０が配置されている、アウターローター型のモーターである。ステーター１０とローター２０の間には、第１～第３ベアリング３１～３３が介在しており、ステーター１０に対してローター２０が摩耗なく滑らかに回転可能となっている。

ステーターボディ１１は、ボディ本体１１１、フランジ部１１２及びシャフト取付部１１３を有する。
ボディ本体１１１は、中空の円柱形状を有する。フランジ部１１２は、ボディ本体１１１の外周面に、径方向外側に円環状に張り出すように形成されている。ボディ本体１１１は、車輪幅方向において、フランジ部１１２よりも外側のコイル配置部１１１ａと、フランジ部１１２よりも内側のローター支持部１１１ｂに区画される。シャフト取付部１１３は、ボディ本体１１１の内周面に、径方向内側に張り出すように形成されており、中心にシャフト挿通孔（符号略）を有している。

コイル１２は、例えば、ステーターボディ１１のコイル配置部１１１ａの外周面に巻線される。なお、図４、図５では、コイル１２は省略されている。コイル１２には、例えば、三相交流等の多相交流が通電される。コイル１２の通電電流は、インバーター（図示略）により制御される。

スピンドルシャフト１３は、車輪幅方向に沿ってインホイールモーターＩＷＭの中心に配置される軸部材であり、ローター２０を軸支する。本実施の形態では、スピンドルシャフト１３とともに、ステーターボディ１１もローター２０を軸支する軸部材として機能する。
スピンドルシャフト１３は、ステーターボディ１１のシャフト取付部１１３に挿通され、例えば、ボルト（図示略）により締結され固定される。スピンドルシャフト１３における車輪幅方向内側の第１シャフト端部１３１は、例えば、前輪のナックル又は後輪のサスアーム（いずれも図示略）に取り付けられる。スピンドルシャフト１３における車輪幅方向外側の第２シャフト端部１３２は、ローター２０を軸支する。

ローターケース２１は、ケース本体２１１、ハブ取付部２１２及びプレート取付部２１３を有する。ローターケース２１の内側に、ステーター１０が配置される。
ケース本体２１１は、中空の円柱形状を有し、内周面においてマグネット２２を保持する。ケース本体２１１の車輪幅方向外側に、ハブ取付部２１２が設けられる。一方、ケース本体２１１の車輪幅方向内側の端部は、ステーター１０を組み付けられるように、開放されている。
ハブ取付部２１２は、ケース本体２１１の車輪幅方向外側の端部を閉塞するように形成されており、中心にハブ挿通口（符号略）を有している。
プレート取付部２１３は、ケース本体２１１の開放端に、径方向外側に張り出すように形成されている。

マグネット２２は、ケース本体２１１の内周面に配置されている。マグネット２２は、インホイールモーターＩＷＭを組み立てたときに、コイル１２と離間した状態で対向する。

ハブ２３は、ハブ本体２３１及びケース取付部２３２を有し、ローター２０の一部としてローターケース２１等と一体的に回転する。ハブ本体２３１は、中空の円柱形状を有する。インホイールモーターＩＷＭを組み立てたとき、ハブ本体２３１の内側に、スピンドルシャフト１３の第２シャフト端部１３２が位置する。ハブ２３は、スピンドルシャフト１３の第２シャフト端部１３２に、第１ベアリング３１及び第２ベアリングを介して、回転可能に支持される。

ケース取付部２３２は、ハブ本体２３１の車輪幅方向外側の端部に、径方向外側に張り出すように形成されている。ローターケース２１のハブ取付部２１２にハブ本体２３１を嵌め込み、ケース取付部２３２とハブ取付部２１２を対向させた状態で、例えば、ボルト（図示略）により締結することで、ハブ２３は、ローターケース２１に固定される。図示を省略しているが、ハブ取付部２１２とケース取付部２３２との間には、シール部材が配置されており、ローターケース２１の内部の密閉性が確保されている。
また、ハブ２３のケース取付部２３２には、スタッドボルト５３によりホイール５１が締結され固定される。ケース取付部２３２の径方向中心には、ホイールキャップ５４が固定される。

すなわち、本実施の形態では、タイヤ５２からの荷重は、ホイール５１、ハブ２３、第１ベアリング３１及び第２ベアリング３２、並びにスピンドルシャフト１３によって支えられ、ステーターボディ１１及びローターケース２１には入力されない構造となっている。これにより、タイヤ５２からの荷重入力によるステーターボディ１１又はローターケース２１の変形が防止されるので、コイル１２とマグネット２２の離間距離を一定に保持することができ、インホイールモーターＩＷＭの駆動性能が安定する。

ブレーキディスク２４は、円環形状を有し、ローター２０の一部としてローターケース２１等と一体的に回転する。ブレーキディスク２４の外径は、ドライブプレート２５の外径よりも大きく、ドライブプレート２５の外周縁よりも径方向外側に突出している。この部分を挟み込むように、ブレーキキャリパー２６が配置される。

ドライブプレート２５は、円環形状を有し、ローター２０の一部としてローターケース２１等と一体的に回転する。ドライブプレート２４の車輪幅方向外側の面には、ローターケース２１のプレート取付部２１３が対向して配置され、例えば、ボルト（符号略）によって締結され、固定される。また、ドライブプレート２４の車輪幅方向内側の面には、ブレーキディスク２４が対向して配置され、例えば、ボルト（符号略）によって締結され、固定される。つまり、ドライブプレート２５は、ローターケース２１とブレーキディスク２４の間に介在している。

図２等では、ドライブプレート２５の両主面に係合凸部２５２、２５３が設けられており、係合凸部２５２、２５３が、それぞれローターケース２１及びブレーキディスク２４に嵌め込まれるようになっている。

インホイールモーターＩＷＭを組み立てたとき、ドライブプレート２５の内周面側に、ステーターボディ１１のローター支持部１１１ｂが位置する。ドライブプレート２５は、ローター支持部１１１ｂに、第３ベアリング３３を介して、回転可能に支持される。

インホイールモーターＩＷＭは、車輪幅方向外側において、ローター２０を構成するハブ２３が、第１ベアリング３１及び第２ベアリング３２を介して、ステーター１０を構成するスピンドルシャフト１３に軸支されている。また、車輪幅方向内側において、ローター２０を構成するドライブプレート２５が、第３ベアリング３３を介して、ステーター１０を構成するステーターボディ１１に軸支されている。つまり、ローター２０は、車輪幅方向における両端部において、ステーター１０に軸支されている。
これにより、インホイールモーターＩＷＭの駆動時に、ローター２０に振れは生じず、ローター２０は、モーター軸周りに安定した姿勢で回転する。したがって、ローター２０の振れによって生じうる衝突を回避するために、ローター２０とステーター１０の離間距離を大きくする必要はなく、マグネット２２とコイル１２の離間距離が変動しないため、期待する駆動性能を得ることができる。また、インホイールモーターＩＷＭの小型化を図ることができる。

また、ドライブプレート２５がステーター１０に軸支される構造であるので、ローターケース２１の開放端部側においても、ローター２０を容易に軸支することができる。

ドライブプレート２５とローター支持部１１１ｂの間には、第３ベアリング３３の車幅方向内側において、シール部材３４が配置される。シール部材３４は、密封機能を有する機械要素であり、外部からの塵埃及び水の侵入を防止する。シール部材３４は、例えば、オイルシールで構成され、シールリップ部が車輪幅方向内側を向くように配置される。

シール部材３４は、ドライブプレート２５と接触する外径部３４ａが固定部、ステーターボディ１と接触する内径部３４ｂが摺動部となるように配置されるのが好ましい。この場合、摺動径が小さくなるため、シール部材３４の摩耗及びロストルクを低減することができる。
また、ステーターボディ１１において、シール部材３４の内径部３４ｂと接触する摺動部位には、表面硬度を高めるために、アルマイトやＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等の表面処理や鉄リングの鋳込みが施されてもよい。さらに、ステーターボディ１１の摺動部位には、摺動性を高めるために、グリースなどの潤滑剤が塗布されてもよい。これにより、シール部材３４の内径部３４ｂの摩耗を低減することができる。
また、ドライブプレート２５にＣリングやカラー、カシメを設けて、シール部材３４の抜け止めを行ってもよい。

ドライブプレート２５は、ブレーキディスク２５からローターケース２１への熱伝達経路上に配置されており、熱容量部材として機能する。ブレーキディスク２５で生じた摩擦熱は、ローターケース２１に直接伝達されず、ドライブプレート２５に蓄熱されるので、ローターケース２１の温度上昇を抑制することができる。したがって、熱的影響によってローターケース２１に配置されたマグネット２２に減磁が発生するのを防止することができる。

ドライブプレート２５は、例えば、アルミニウム合金等の金属材料により形成される。これにより、熱容量部材として機能するとともに、ブレーキディスク２４からの制動力をローターケース２１へ伝達する動力伝達部材としての剛性も確保される。
なお、熱容量部材としての観点からは、ドライブプレート２５の体積は大きい方が好ましい。ただし、単に車輪幅方向における厚さを大きくすると、インホイールモーターＩＷＭが車輪幅方向に大きくなるため、この点を考慮してドライブプレート２５は設計される。

また、ドライブプレート２５の両主面には、放熱構造２５１が形成されている。放熱構造２５１は、ドライブプレート２５の表面積を増大させる構造であればよく、例えば、図２等に示すような凹部であってもよいし、フィン形状であってもよい。ドライブプレート２５に放熱構造２５１を設けることにより、ブレーキディスク２４からマグネット２２への熱の伝達を抑制する効果が高まる。

ステーター１０及びローター２０は、コイル１２とマグネット２２が所定距離を隔てて対向するように位置決めされ、固定される。コイル１２に電流が流れることで生じる磁界が、マグネット２２と吸引及び反発することで、ローター２０が回転する。この回転力がホイール５１に伝達され、駆動車輪１を回転させる。アウターローター型のインホイールモーターＩＷＭの場合、マグネット２２は、ローターケース２１の内周面に配置されているので、ローター２０の回転に伴い遠心力が生じても、バーストすることなく安定した姿勢で保持される。
また、ブレーキキャリパー２６のパッドがブレーキディスク２４に押し付けられることにより摩擦力が発生し、ブレーキディスク２４を有するローター２０の回転、ひいては駆動車輪１の回転が制動される。

なお、図示を省略するが、ステーター１０及びローター２０には、ローター２０の回転状態（例えば、回転角度及び回転方向）を検出するレゾルバ－が設けられる。また、ステーターボディ１１内には、インホイールモーターＩＷＭを冷却するための冷却水路、コイル１２及びレゾルバ－（図示略）への配線等が配置される。冷却水路及び配線は、ステーターボディ１１の車輪幅方向内側端部に設けられた給排水口及び配線コネクターを介して、外部に引き出される。

車輪幅方向内側において、ドライブプレート２５がスピンドルシャフト１３に軸支される構造の場合、冷却水路や配線をインホイールモーターＩＷＭの内部に引き込むための空間がドライブプレート２５によって著しく制限される。これに対して、本実施の形態では、ドライブプレート２５がステーターボディ１１に軸支される構造、すなわち、ドライブプレート２５の内側からステーター１０が外部に開放される構造となっている。これにより、ローター２０の回転を阻害することなく、冷却水路や配線をインホイールモーターＩＷＭの内部に容易に引き込むことができ、設計の自由度が向上する。

このように、本実施の形態に係るインホイールモーターＩＷＭは、コイル１２を有するステーター１０と、コイル１２と対向するマグネット２２を有し、ステーター１０に対してモーター軸周りに回転するローター２０と、を備えるアウターローター型のインホイールモーターであり、ローター２０は、車輪幅方向における両端部において、ステーター１０に軸支されている。
これにより、インホイールモーターＩＷＭの駆動時に、ローター２０に振れは生じず、ローター２０は、モーター軸周りに安定した姿勢で回転する。したがって、ローター２０の振れによって生じうる衝突を回避するために、ローター２０とステーター１０の離間距離を大きくする必要はなく、インホイールモーターＩＷＭの小型化を図ることができる。また、マグネット２２とコイル１２の離間距離が変動しないため、インホイールモーターＩＷＭの駆動性能の安定化を図ることができる。

具体的には、インホイールモーターＩＷＭにおいて、ローター２０は、車輪幅方向における内側端部が開放されているローターケース２１と、ローターケース２１の内側端部に接続され、ローターケース２１とともに回転するドライブプレート２５（回転体）と、をさらに有し、ドライブプレート２５が、ステーター１０に軸支されている。
これにより、ローターケース２１の開放端部側においても、ローター２０を容易に軸支することができる。

また、インホイールモーターＩＷＭにおいて、ステーター１０は、モーター軸を形成するスピンドルシャフト１３と、スピンドルシャフト１３の径方向外側に配置されるステーターボディ１１と、をさらに有し、ドライブプレート２５（回転体）は、ステーターボディ１１に軸支されている。
これにより、ドライブプレート２５の内側からステーター１０が外部に開放される構造となるので、ローター２０の回転を阻害することなく、冷却水路や配線をインホイールモーターＩＷＭの内部に容易に引き込むことができ、設計の自由度が向上する。

また、インホイールモーターＩＷＭにおいて、ローター２０は、ローターケース２１の車輪幅方向における外側端部に接続されるハブ２３をさらに有し、ハブ２３が、スピンドルシャフト１３に軸支されている。
これにより、タイヤ５２からの荷重は、ホイール５１、ハブ２３、及びスピンドルシャフト１３によって支えられ、ステーターボディ１１及びローターケース２１には入力されない。したがって、タイヤ５２からの荷重入力によるステーターボディ１１又はローターケース２１の変形が防止されるので、コイル１２とマグネット２２の離間距離を一定に保持することができ、インホイールモーターＩＷＭの駆動性能が安定する。

また、インホイールモーターＩＷＭにおいて、ローター２０は、ローターケース２１と一体的に回転するブレーキディスク２４をさらに有し、ローターケース２１の内側端部に接続される回転体は、ローターケース２１とブレーキディスク２４との間に介在するドライブプレート２５である。
ドライブプレート２５が熱容量部材として機能するので、ローター２０の振れ防止とともに、ブレーキディスク２４からマグネット２２への熱の伝達を抑制することができ、熱的影響によるマグネット２２の減磁を防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、各構成要素のサイズや形状は、図示した態様に限定されない。
また、インホイールモーターＩＷＭは、ローター２０が、車輪幅方向における両端部において、ステーター１０に軸支される構造であればよく、例えば、ローターケース２１の内側端部に直接ブレーキディスク２４が接続され、ブレーキディスク２４がステーター１０に軸支されてもよい。
また、インホイールモーターＩＷＭは、ローター２０がステーター１０に軸支される構造であればよく、例えば、ステーターボディ１１の代わりに、スピンドルシャフト１３に支持されてもよい。また、インホイールモーターＩＷＭは、ブレーキディスク２４の代わりにブレーキドラムを備えてもよい。

また、インホイールモーターＩＷＭにおいて、ローター２０の車輪幅方向内側の開口部に配置される第３ベアリング３３のサイズは、ハブ２３の軸受である第１ベアリング３１及び第２ベアリング３２のサイズよりも小さくてもよい。第１ベアリング３１及び第２ベアリング３２が車重を支えるのに対して、第３ベアリング３３は車重を支える必要がないため、第３ベアリング３３として耐荷重が小さいものを選定でき、コストを低減することができる。

加えて、シール部材３４の外径と第３ベアリング３３の外径は異なっていてもよい。シール部材３４の外径が第３ベアリング３３の外径よりも小さい場合、ばねワッシャ等による予圧構造により、第３ベアリング３４に安定した予圧を与えることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示は、車両の駆動車輪に搭載されるアウターローター型のインホイールモーターに有用である。

ＩＷＭ インホイールモーター
１ 駆動車輪
１０ ステーター
１１ ステーターボディ
１２ コイル
１３ スピンドルシャフト
２０ ローター
２１ ローターケース
２２ マグネット
２３ ハブ
２４ ブレーキディスク
２５ ドライブプレート
２６ ブレーキキャリパー
３１～３３ 第１～第３ベアリング
３４ シール部材
５１ ホイール
５２ タイヤ

Claims (5)

1. コイルを有するステーターと、
   前記コイルと対向するマグネットを有し、前記ステーターに対してモーター軸周りに回転するローターと、
   を備えるアウターローター型のインホイールモーターであって、
   前記ステーターは、前記モーター軸を形成するスピンドルシャフトと、前記コイルを保持するステーターボディと、を有し、
   前記ステーターボディは、前記スピンドルシャフトの径方向外側に離間して配置される中空円柱形状のボディ本体を有し、
   前記ローターは、前記マグネットを保持するローターケースと、駆動車輪のホイールと前記ローターケースとの間に介在するハブと、を有し、
   前記ローターケースは、車輪幅方向における内側端部が開放され、前記ステーターボディの径方向外側に配置されており、
   前記ハブは、前記スピンドルシャフトと前記ボディ本体との間に前記モーター軸に沿って配置される中空円柱形状のハブ本体と、前記ローターケースの前記車輪幅方向における外側端部に接続されるケース取付部と、を有し、
   前記ローターは、前記車輪幅方向における両端部において、前記ステーターに軸支されており、前記車輪幅方向における外側端部では、前記ハブ本体が外側ベアリングを介して前記スピンドルシャフトに軸支されている、
   インホイールモーター。
2. 前記ハブ本体は、前記車輪幅方向における複数箇所において、複数の前記外側ベアリングを介して前記スピンドルシャフトに軸支されている、
   請求項１に記載のインホイールモーター。
3. 前記ローターは、前記ローターケースの前記内側端部に接続され、前記ローターケースとともに回転する回転体をさらに有し、
   前記回転体は、内側ベアリングを介して前記ステーターボディに軸支されている、
   請求項１又は２に記載のインホイールモーター。
4. 前記内側ベアリングのサイズは、前記外側ベアリングのサイズよりも小さい、
   請求項３に記載のインホイールモーター。
5. 前記ローターは、前記ローターケースと一体的に回転するブレーキディスクをさらに有し、
   前記回転体は、円環形状を有し、前記ローターケースと前記ブレーキディスクとの間に介在するドライブプレートであり、前記車輪幅方向における内側の面が前記ブレーキディスクと接続され、前記車輪幅方向における外側の面が前記ローターケースと接続されている、
   請求項３又は４に記載のインホイールモーター。

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