JP7343693B2 - モータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、コントローラとインバータとを配置するモータ構造に関する。

特許文献１は、ロータの半径方向内側にＣＰＵ（中央演算装置）などのコントローラとインバータとからなるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を配置するアウタロータ式モータを開示している。

特開2004-88961号公報

上記の従来技術においては、コントローラとインバータとを単一の基板に配置しており、この単一の基板に大量に放熱するインバータが配置されることにより、放熱へ対処するためにＰＣＵのレイアウトに制限があるという課題があった。

上記従来技術の課題に鑑み、本発明は、コントローラとインバータとを配置するモータ構造においてレイアウトの自由度を高めることができるモータ構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
モータケース（３５）と、
前記モータケース（３５）に固定支持され巻線コイルとして構成されるステータ（５２）と、
前記モータケース（３５）に回転可能に支持され、前記ステータ（５２）に対向する磁石（５１）が配置されるロータ（５０）と、
前記モータケース（３５）内に配置される、前記ステータ（５２）及び前記ロータ（５０）で構成されるモータ部（２３）を駆動するインバータ（２２）並びに当該インバータ（２２）を制御するコントローラ（２１）と、を備えるモータ構造（Ｍ）において、
前記コントローラ（２１）はコントローラ基板（４２）に配置され、
前記インバータ（２２）はインバータ基板（４１）に配置され、
前記インバータ基板（４１）は、前記モータケース（３５）の内面である内部面に密着して取り付けられ、
前記コントローラ基板（４２）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置されること
を第１の特徴とする。

また、本発明は、
前記ロータ（５０）の角度を検知する角度センサ（４４）をさらに備え、
前記角度センサ（４４）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置されること
を第２の特徴とする。

また、本発明は、
前記角度センサ（４４）と前記インバータ基板（４１）とは、前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において重複しない位置に配置されること
を第３の特徴とする。

また、本発明は、
前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において、前記コントローラ基板（４２）は、前記モータ部（２３）の軸（６０）を中心とする略扇型の形状を有し、当該略扇型の形状の切欠き部に前記角度センサ（４４）が配置されること
を第４の特徴とする。

また、本発明は、
前記モータケース（３５）の内部面であって、前記インバータ基板（４１）が前記モータケース（３５）内に密着される内部面に対向する、前記モータケース（３５）の外部面には、放熱構造としての車両前後方向に沿った直線状のフィン（６５）が立設して形成されていること
を第５の特徴とする。

さらに、本発明は、
前記モータ部（２３）の軸（６０）は、前記モータケース（３５）の外部においては車輪（ＷＲ）に固定されることにより、モータ軸及び車軸を兼ねること
を第６の特徴とする。

本発明の
モータケース（３５）と、
前記モータケース（３５）に固定支持され巻線コイルとして構成されるステータ（５２）と、
前記モータケース（３５）に回転可能に支持され、前記ステータ（５２）に対向する磁石（５１）が配置されるロータ（５０）と、
前記モータケース（３５）内に配置される、前記ステータ（５２）及び前記ロータ（５０）で構成されるモータ部（２３）を駆動するインバータ（２２）並びに当該インバータ（２２）を制御するコントローラ（２１）と、を備えるモータ構造（Ｍ）において、
前記コントローラ（２１）はコントローラ基板（４２）に配置され、
前記インバータ（２２）はインバータ基板（４１）に配置され、
前記インバータ基板（４１）は、前記モータケース（３５）の内面である内部面に密着して取り付けられ、
前記コントローラ基板（４２）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置されること
という第１の特徴によれば、
インバータとコントローラを軸方向に離間して配置したため、大量の熱を発するインバータのモータケースへの配置の自由度を向上させることができる。

本発明の
前記ロータ（５０）の角度を検知する角度センサ（４４）をさらに備え、
前記角度センサ（４４）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置されること
という第２の特徴によれば、
角度センサも離間して配置することにより、さらにインバータの配置の自由度を向上させることができる。

本発明の
前記角度センサ（４４）と前記インバータ基板（４１）とは、前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において重複しない位置に配置されること
という第３の特徴によれば、
組付性やメンテナンス性を向上させることができる。

本発明の
前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において、前記コントローラ基板（４２）は、前記モータ部（２３）の軸（６０）を中心とする略扇型の形状を有し、当該略扇型の形状の切欠き部に前記角度センサ（４４）が配置されること
という第４の特徴によれば、
組付性やメンテナンス性を向上させることができる。

本発明の
前記モータケース（３５）の内部面であって、前記インバータ基板（４１）が前記モータケース（３５）内に密着される内部面に対向する、前記モータケース（３５）の外部面には、放熱構造としての車両前後方向に沿った直線状のフィン（６５）が立設して形成されていること
という第５の特徴によれば、
インバータによる大量の熱を効率的に冷却することができる。

本発明の
前記モータ部（２３）の軸（６０）は、前記モータケース（３５）の外部においては車輪（ＷＲ）に固定されることにより、モータ軸及び車軸を兼ねること
という第６の特徴によれば、
様々な車輪に適用できることから、機種を問わない汎用的なモータ構造として利用することができる。

本発明の一実施形態に係る電動二輪車の左側面図である。 一実施形態に係るモータ構造の回路構成及び基板配置構成を概略的に示す図である。 図１のモータ構造の付近の拡大図としての、モータ構造の左側面図である。 図３のＡ－Ａ断面図を後輪と共に示す図である。 図３のＡ－Ａ断面図の斜視図である。 モータ構造の右側面図である。 図６の状態のモータ構造からモータケースの有底円筒部を外した状態の右側面図である。 図７の斜視図である。 図７の状態のモータ構造からさらにアウタロータを外した状態の右側面図である。 図９の状態のモータ構造Ｍからさらにコントローラ基板４２を外した状態の右側面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動二輪車１の左側面図である。電動二輪車１は、操向ハンドル２とシート７との間に低床フロア６が設けられたスクータ型の鞍乗型電動車両である。電動二輪車１の車体フレームＦは、ステアリングステム３を回動自在に軸支するヘッドパイプＦ１と、該ヘッドパイプＦ１から後下方に伸びるメインフレームＦ２と、該メインフレームＦ２の下端部で湾曲して後方に延びるアンダフレームＦ３と、アンダフレームＦ３から後上方に延びるリヤフレームＦ４とを有する。ステアリングステム３の上部には操向ハンドル２が取り付けられており、ステアリングステム３の下部には、左右一対のフロントフォーク５を支持するボトムブリッジ４が固定されている。フロントフォーク５の下端部には、前輪ＷＦが回転自在に軸支されている。

アンダフレームＦ３の下部には、前後２つのバッテリＢが吊り下げられている。アンダフレームＦ３とリヤフレームＦ４との間の位置から下方に伸びるピボットフレーム９には、スイングアーム１０を揺動可能に軸支するピボット８が設けられる。スイングアーム１０の後端はリヤクッション１１によってリヤフレームＦ４に吊り下げられている。操向ハンドル２の車幅方向中央はハンドルカバー１４で覆われており、ヘッドパイプＦ１の前方はフロントカウル１３で覆われている。また、シート７の下方は、シート下カウル１５で支持されている。

本実施形態では、駆動輪としての後輪ＷＲにシャフトドライブ式のモータ構造Ｍを適用しており、バッテリＢの電力は、ハーネスを介して後輪ＷＲの回転軸としての車軸６０の近傍にある配線孔６４からモータ構造Ｍの内部に供給される。

図２は、一実施形態に係るモータ構造Ｍ構造の回路構成及び基板配置構成を概略的に示す図である。

モータ構造Ｍは、バッテリＢによって電力供給され駆動されるコントローラ２１、インバータ部２２及びモータ部２３を備える。コントローラ２１は、ＣＰＵ等のプロセッサ及びこのプロセッサが実行するプログラムを格納するメモリを備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）として構成され、モータ部２３の回転角度を検出する角度センサ４４の出力に従ってインバータ部２２のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の通電を切り換えることで、インバータ部２２がモータ部２３を駆動するように制御する。コントローラ２１はさらに、専用回路を備えることによりバッテリＢの電源回路の機能を有していてもよく、バッテリＢの電圧を安定化させたうえでコントローラ２１（ＥＣＵ）自身並びにインバータ部２２及びモータ部２３に電力供給するようにしてもよい。

インバータ部２２は、ＦＥＴと転流ダイオードの対をブリッジ接続することによって構成され、コントローラ２１によってオンオフ制御されることでモータ部２３を駆動する。モータ部２３は、後述するステータ５２及びロータ５０（磁石５１）を備える永久磁石式ブラシレスモータとして構成され、インバータ部２２によって駆動される。

電動車両としての電動二輪車１が惰性で走行する時や下り坂を走行する時などは、モータ部２３は発電機として動作し、いわゆる回生動作が行われるようにしてよい。この回生動作時、モータ部２３により発電された電力は、インバータ部２２の転流ダイオードを整流ダイオードとして整流されてバッテリＢに供給され、これを充電するようにしてよい。

図２ではモータ構造Ｍに関して回路構成と共に基板配置構成が示されている。本実施形態では、コントローラ２１が配置されるコントローラ基板４２とインバータ部２２が配置されるインバータ基板４１とが別の基板として構成されている。すなわち、発熱の多いインバータ部２２のインバータ基板４１がコントローラ基板４２とは別の基板として設けられ、且つ、詳細を後述するようにこれらの基板４２，４１は互いに離間して設けられることにより、本実施形態ではインバータ部２２やコントローラ２１のレイアウトの自由度を向上させることが可能となる。

モータ構造Ｍにおいてはさらに、角度センサ４４が配置されるセンサ基板４３も別の基板として構成され、後述するようにインバータ基板４１から離間して設けられることにより、レイアウトの自由度を向上できる。

図３は、図１のモータ構造Ｍの付近の拡大図としての、モータ構造Ｍの左側面図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面図を後輪ＷＲと共に示す図であり、図５は図３のＡ－Ａ断面図の斜視図である。これらの図３～５に示されるように、モータ構造Ｍの主要な構成は以下の通りである。

モータ構造Ｍは、モータケース３５、アウタロータ５０及び車軸６０を備える。車軸６０はモータ軸を兼ねるものであるが、以下では車軸６０と呼ぶ。モータケース３５は、有底円筒部３０と、この有底円筒部３０の円形の開口頂部を塞ぐ頂部４０と、を備える。有底円筒部３０と頂部４０とはボルト等による締結部６２によって締結される。有底円筒部３０はボルト等による締結部６３によってスイングアーム１０に対して固定されることにより、モータケース３５がスイングアーム１０に対して固定される。スイングアーム１０は直線部分及び半円部分（図３）で構成され、半円部分において締結部６３によってモータケース３５の頂部４０が固定され、半円部分の後端においてリヤクッション１１によってリヤフレームＦ４に吊り下げられている。

図４，５に示されるように、モータケース３５の内部には、有底円筒部３０の内面部に間隙を有して沿う有底円筒形状のアウタロータ５０が、車軸６０と共に回転可能に配置されている。アウタロータ５０の円筒部分の内周面の円周上には、モータ構造Ｍのロータ側磁極を構成するネオジウム磁石等の複数の磁石５１が配置されている。アウタロータ５０の中心には車軸６０が焼き嵌めによって固定されることにより、アウタロータ５０は車軸６０と共に回転可能に構成されている。車軸６０はまた、モータケース３５の外部において、タイヤ部及びホイール部を備える後輪ＷＲのホイール部に対して固定されることにより、後輪ＷＲ，車軸６０及びアウタロータ５０が一体で回転可能に構成されている。この構成により車軸６０はモータ軸を兼ねる。車軸６０はさらに、モータケース３５の有底円筒部３０及び頂部４０において、軸受６１によりモータケース３５に対して軸支されている。

頂部４０は有底円筒形状とされ、その底部のうちモータケース３５の内部側の面にはインバータ基板４１が接着等により密着されており、その底部のうちモータケースの外部に露出する面には、インバータ基板４１における放熱を外気により冷却するための複数のフィン６５が立設している。図３に示されるように、複数の直線状のフィン６５の頂部は、車両前後方向（水平方向）に沿って設けられることにより、外気による冷却作用が促進される。図３に示されるように、頂部４０にはバッテリＢからの配線をモータ構造Ｍ内に導くための配線孔６４が設けられている。

有底円筒形状とされる頂部４０のうち、底部の円にはフランジ状の縁部が形成されており、この縁部に締結部６２が形成されることにより、この縁部において頂部４０と有底円筒部３０とが係合する。（なお、後述する図７，８は、頂部４０におけるこのフランジ状の縁部が露出した状態の図である。）

図５や後述する図７に示されるように、インバータ基板４１上には、インバータ部２２を構成する種々の回路素子が配置される。図中では示していないが、インバータ基板４１上に配置した回路素子は樹脂封入することで保護するようにしてもよい。

図４，５に示されるように、有底円筒形状とされる頂部４０の円筒の外周面の円周上には、モータ構造Ｍのステータ側磁極を構成する複数のステータ５２が配置される。ステータ５２は、電磁石を構成する巻線コイルとして構成され、間隙を有してアウタロータ５０の磁石５１と対向している。

有底円筒形状とされる頂部４０の円筒の開口頂部には、コントローラ基板４２が配置される。図５や後述する図９に示されるように、コントローラ基板４２上には、コントローラ２１が配置される。

図４，５に示されるように、モータケース３５の内部において、有底円筒形状とされる頂部４０の底部にインバータ基板４１が配置され、この頂部４０の円筒の開口頂部の付近にコントローラ基板４２が配置されることにより、インバータ基板４１とコントローラ基板４２とは、車幅方向（車軸６０の方向）に互いに離間して平行に配置されている。このように、インバータ基板４１とコントローラ基板４２とを別の基板として設け、且つ、互いに離間して配置することにより、インバータ部２２の放熱に対処したうえで、インバータ部２２及びコントローラ２１をそれぞれの基板４１，４２に配置する際のレイアウトの自由度を高めることが可能となる。

有底円筒形状とされる頂部４０の円筒の内周から立設する棚部（不図示）において螺合することにより、コントローラ基板４２を頂部４０が形成する円筒の内部に固定して配置することができる。

図４，５に示されるように、モータケース３５の内部において、有底円筒形状とされる頂部４０の円筒の縁部に、センサ基板４３が固定され配置される。センサ基板４３上には、ホール素子等の磁気センサで構成される角度センサ４４が配置され、角度センサ４４はアウタロータ５０の磁石５１の磁気を検出することにより、モータ構造Ｍにおけるモータ部２３の回転角度を検出する。

センサ基板４３も、インバータ基板４１及びコントローラ基板４２とは別の基板として設けられ、且つ、インバータ基板４１に対して車幅方向（車軸６０の方向）に互いに離間して平行に配置されることにより、インバータ部２２の放熱に対処したうえでレイアウトの自由度を高めることに寄与している。

図６は、モータ構造Ｍの右側面図である。すなわち、図６は、車幅方向（車軸６０の方向）でモータ構造Ｍを図３とは反対側から見た状態に該当する。図６及び図５に示されるように、モータケース３５の有底円筒部３０において、モータケース３５の外部に露出する円状の面に車軸６０を中心とする複数の同心円状及び放射状の凸部を設けることにより、モータケース３５の強度を補強することが可能である。

図７は、図６の状態のモータ構造Ｍからモータケース３５の有底円筒部３０を外した状態の右側面図であり、図８は図７の斜視図である。図７，８や図４，５に示されるように、アウタロータ５０はその外面においてモータケース３５の有底円筒部３０の内面に沿うように、且つ、その内部にモータケース３５の頂部４０が配置されるように、車軸６０を中心軸とする有底円筒形状として形成することができる。

図９は、図７の状態のモータ構造Ｍからさらにアウタロータ５０を外した状態の右側面図である。図１０は、図９の状態のモータ構造Ｍからさらにコントローラ基板４２を外した状態の右側面図である。

図９，１０に示されるように、車幅方向（車軸６０の方向）視において、コントローラ基板４２は概ね、モータ構造Ｍの車軸６０を中心とした、中心角２７０°の扇型の形状として構成され、この扇型の切欠き部に相当する中心角９０°の扇型部分において、紙面奥側にインバータ基板４１がコントローラ基板４２によって遮蔽されることなく見える状態にある。一方、インバータ基板４１は概ね円形であり、コントローラ基板４２とは異なり切欠き部を有しない。

また、図９，１０に示されるように、車幅方向（車軸６０の方向）視において、角度センサ４４が配置されるセンサ基板４３は、コントローラ基板４２の扇型の切欠き部に配置されている。さらに、車幅方向視において、センサ基板４３がインバータ基板４１のなす円形の外部に位置することにより、センサ基板４３及びインバータ基板４１は重複しない、すなわち、紙面手前側に位置するセンサ基板４３が紙面奥側に位置するインバータ基板４１を遮蔽しないという位置関係がある。

以上のように、センサ基板４３は、車幅方向（車軸６０の方向）視においてコントローラ基板４２の扇型の切欠き部に配置され、且つ、インバータ基板４１と重複しない配置にあることにより、センサ基板４３の組付け性やメンテナンス性を向上することができる。

図９にて、コントローラ基板４２には、長円状の２つの配線孔６６が設けられている。コントローラ基板４２上のコントローラ２１とインバータ基板４１上のインバータ部２２との間の配線は、この２つの配線孔６６と、コントローラ基板４２の扇型の切欠き部と、に設けるようにしてよい。図９，１０にて、インバータ基板４１には、配線孔６７が設けられている。この配線孔６７は、モータケース３５の有底円筒部３０に設けられた配線孔６４（図１，３）からの配線を、モータケース３５内部にさらにガイドするのに利用することができる。

Ｍ…モータ構造、３５…モータケース、５２…ステータ、５１…磁石、５０…ロータ、２３…モータ部、２２…インバータ、２１…コントローラ、４２…コントローラ基板、４１…インバータ基板、６０…軸、４４…角度センサ、６５…フィン、ＷＲ…車輪

Claims (12)

1. （削除）
2. （削除）
3. （削除）
4. （削除）
5. （削除）
6. （削除）
7. モータケース（３５）と、
   前記モータケース（３５）に固定支持され巻線コイルとして構成されるステータ（５２）と、
   前記モータケース（３５）に回転可能に支持され、前記ステータ（５２）に対向する磁石（５１）が配置されるロータ（５０）と、
   前記モータケース（３５）内に配置される、前記ステータ（５２）及び前記ロータ（５０）で構成されるモータ部（２３）を駆動するインバータ（２２）並びに当該インバータ（２２）を制御するコントローラ（２１）と、を備えるモータ構造（Ｍ）において、
   前記コントローラ（２１）はコントローラ基板（４２）に配置され、
   前記インバータ（２２）はインバータ基板（４１）に配置され、
   前記インバータ基板（４１）は、前記モータケース（３５）の内面である内部面に密着して取り付けられ、
   前記コントローラ基板（４２）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置され、
   前記ロータ（５０）の角度を検知する角度センサ（４４）をさらに備え、
   前記角度センサ（４４）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置され、
   前記角度センサ（４４）と前記インバータ基板（４１）とは、前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において重複しない位置に配置されることを特徴とするモータ構造。
8. モータケース（３５）と、
   前記モータケース（３５）に固定支持され巻線コイルとして構成されるステータ（５２）と、
   前記モータケース（３５）に回転可能に支持され、前記ステータ（５２）に対向する磁石（５１）が配置されるロータ（５０）と、
   前記モータケース（３５）内に配置される、前記ステータ（５２）及び前記ロータ（５０）で構成されるモータ部（２３）を駆動するインバータ（２２）並びに当該インバータ（２２）を制御するコントローラ（２１）と、を備えるモータ構造（Ｍ）において、
   前記コントローラ（２１）はコントローラ基板（４２）に配置され、
   前記インバータ（２２）はインバータ基板（４１）に配置され、
   前記インバータ基板（４１）は、前記モータケース（３５）の内面である内部面に密着して取り付けられ、
   前記コントローラ基板（４２）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置され、
   前記ロータ（５０）の角度を検知する角度センサ（４４）をさらに備え、
   前記角度センサ（４４）は前記インバータ基板（４１）から前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向に離間して配置され、
   前記モータ部（２３）の軸（６０）の方向視において、前記コントローラ基板（４２）は、前記モータ部（２３）の軸（６０）を中心とする略扇型の形状を有し、当該略扇型の形状の切欠き部に前記角度センサ（４４）が配置されることを特徴とするモータ構造。
9. 前記角度センサ（４４）が配置される基板（４３）は、前記インバータ基板（４１）と平行であることを特徴とする請求項７または８に記載のモータ構造。
10. 前記角度センサ（４４）は、前記ロータ（５０）の最外周に、前記ロータ（５０）の内側から面して配置されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のモータ構造。
11. 前記モータケース（３５）の内部面であって、前記インバータ基板（４１）が前記モータケース（３５）内に密着される内部面に対向する、前記モータケース（３５）の外部面には、放熱構造としての車両前後方向に沿った直線状のフィン（６５）が立設して形成されていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載のモータ構造。
12. 前記モータ部（２３）の軸（６０）は、前記モータケース（３５）の外部においては車輪（ＷＲ）に固定されることにより、モータ軸及び車軸を兼ねることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載のモータ構造。

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