JPH10304645A - モータおよびホイールモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディスクブレーキのキャリパーやサスペンシ
ョンアームと車輪支持体との連結点の配置の自由度が高
いホイールモータを提供すること。 【解決手段】 回転軸を中心に回転可能に設けられたロ
ータと、このロータの外周側に設けられロータの外周に
沿って移動する磁界を作るステータとを備えたインナー
ロータ型のモータにおいて、ステータは磁界を作るため
のコイルが巻かれた磁性体からなる複数のティースを備
え、コイルが巻かれたティースは回転軸を中心とした所
定角度範囲内において、放射状に配列されていることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車輌の車輪とモー
タとが一体となったホイールモータに関するものであ
り、特に、インナーロータ型のホイールモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ホイールモータというのは、回転軸が車
輪の車軸と一体となっているモータのことであり、車輪
を電気モータで駆動する場合に可能な限り動力伝達のロ
スを少なくして駆動効率を上げるために提案されたもの
である。かかるホイールモータは、電気自動車の駆動輪
として用いたり、通常のエンジン駆動型車輌の姿勢制御
のために従動輪の代わりに用いたりすることが考えられ
ている。

【０００３】ホイールモータを構造上の観点から大別す
ると、インナーロータ型とアウターロータ型に分けるこ
とができ、インナーロータ型のホイールモータとして、
例えば、特開平５−１８４０１７号公報の「電気自動車
の駆動モータ制御装置」に記載されたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
に開示された電気自動車は、車輪を懸架するサスペンシ
ョンについてはほとんど考慮されていない。一般に、サ
スペンションアームと車輪支持体との連結点の位置は操
縦性や走行安定性等の観点から設計することになるが、
この従来技術の電気自動車では駆動モータ（ホイールモ
ータ）の存在がじゃまして所望の位置に前述した連結点
を持ってくることが困難であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のモータおよびホ
イールモータはこのような問題を解決するためになされ
たものである。

【０００６】すなわち本発明のモータは、回転軸を中心
に回転可能に設けられたロータと、このロータの外周側
に設けられロータの外周に沿って移動する磁界を作るス
テータとを備えたインナーロータ型のモータにおいて、
ステータは磁界を作るためのコイルが巻かれた磁性体か
らなる複数のティースを備え、コイルが巻かれたティー
スは回転軸を中心とした所定角度範囲内において、放射
状に配列されていることを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明のホイールモータは、車輪の
車軸を中心にして回転可能に設けられ車輪と一体となっ
て回転するロータと、車輪を回転可能に支持する車輪支
持体に固定されロータの外周に沿って移動する磁界を作
るステータとを備えたインナーロータ型のホイールモー
タにおいて、ステータは磁界を作るためのコイルが巻か
れた磁性体からなる複数のティースを備え、コイルが巻
かれたティースは車軸を中心とした所定角度範囲内にお
いて、放射状に配列されていることを特徴とするもので
ある。

【０００８】このモータまたはホイールモータによれ
ば、ステータのティースが回転軸または車軸を中心とし
た所定角度範囲内において放射状に配列されているの
で、逆に、その所定角度範囲外ではロータの外周近傍に
ステータのティースが存在しないことによる空間ができ
る。したがって、この空間に車輪周りの種々の機構を配
置することができる。

【０００９】本発明のホイールモータでは、車輪に固定
されたロータディスクと、車輪支持体に固定されロータ
ディスクの回転に制動を掛けるキャリパーとを有するデ
ィスクブレーキを備え、キャリパーはティースが配列さ
れている車軸を中心とした所定角度範囲以外の角度範囲
内に配置されていることが望ましい。

【００１０】車軸方向の位置に関して、キャリパーをホ
イールモータのステータとほぼ同じ位置に配置すること
ができるので、ホイールモータやブレーキ装置を含めた
車輪部全体の車軸方向の幅をホイールモータを有しない
通常の車輪と同程度に小さくすることができる。

【００１１】本発明のホイールモータでは、車輪支持体
とこの車輪支持体を支持するサスペンションアームとの
連結点がティースの配列されている車軸を中心とした所
定角度範囲以外の角度範囲内に配置されていることが望
ましい。

【００１２】車輪支持体とサスペンションアームとの連
結点が配置される位置は、ステータのティースが存在し
ないため空間となっている。したがって、その連結点を
操縦性や走行安定性の観点から所望の位置に配置するた
めの自由度が高い。

【００１３】本発明のホイールモータでは、ステータお
よびロータは液密なケーシング内に収容されていること
が望ましい。ステータおよびロータが、走行中に車輪が
跳ね上げた水や埃に晒されることがない。

【００１４】本発明のホイールモータでは、ロータ外周
面に設けられた永久磁石はロータの径方向の厚さがロー
タの周方向両端で肉薄になっていることが望ましい。永
久磁石をこのような形状にすると、中央部が厚いためそ
の部分の起磁力が両端部の起磁力に比べて大きく、且
つ、両端部が薄いためステータが作る回転磁界の磁束が
両端部で通りやすい。したがって、永久磁石の起磁力と
ステータで作られる移動磁界の磁束との積にほぼ比例す
る出力トルクが安定し、トルクリップルが抑制される。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
ホイールモータが搭載された車輪の内部構造を示す断面
図であり、図２はそのＩＩ−ＩＩ断面図である。この車
輪は後輪駆動車の前輪であり、従動輪であると共に操舵
輪である。本実施形態のホイールモータの駆動力は、車
輌の走行状況に応じて補助動力として適宜利用される。

【００１６】この車輪が取り付けられるサスペンション
はハイマウントのダブルウィッシュボーン型であり、ロ
アアーム１０とアッパーアーム１１との間に車輪支持体
１２がボールジョイント１３および１４を介して操舵可
能に取り付けられている。ロアアーム１０と図示省略し
た車体との間にはコイルスプリング１６を備えたショッ
クアブソーバ１５が設けられている。

【００１７】車輪支持体１２の車輌外側にはホイールモ
ータを収納するケース２０がボルト２１により固定され
ている。ケース２０は図２に示すように、扇形のかなめ
部分が円形に広がった形状の底面を有する上底が開放さ
れた箱体である。また、ケース２０は、その扇型かなめ
部の中心に車軸となる凸状体２２を有し、ハブベアリン
グ２３が嵌合されている。凸状体２２にハブベアリング
２３が嵌合された状態でスペーサを兼ねたレゾルバ支持
体２４を介してナット２５がこの凸状体２２に螺合して
おり、これによりハブベアリング２３のインナーレース
が凸状体２２に固定されている。

【００１８】ケース２０の扇形部にはそれぞれステータ
コイル３０が巻き付けられた９つのティース３１が車輌
外側から埋め込まれている。各ティース３１は、表面が
絶縁膜で覆われた珪素鋼板を多数枚積層し、レーザ溶接
等により極一部分を厚み方向に溶接接合して一体化した
珪素鋼板積層体で構成されている。このように構成され
た各ティース３１にはコイル３０が巻き付けられ、各テ
ィースの先端が車軸を向くように放射状にケース２０内
に配列され、ステータカバー３３と共にボルト３２でケ
ース２０に固定されている。

【００１９】ティース３１とステータカバー３３との間
には、配線基板３４および外部から引き込まれた給電線
３５が配置されている。

【００２０】配線基板３４には所定の配線が施されてお
り、各ステータコイル３０のそれぞれの端子とＵ相、Ｖ
相、Ｗ相の３本の給電線３５とがその配線により結線さ
れている。これにより、ロータを回転させるための移動
磁界をステータの内側すなわち車軸側に形成することが
可能となる。

【００２１】ティース３１同士の接触面は、ティース３
１が相互に係合する鍵状の切り欠き３６が設けられ形状
となっており、ティース３１相互の位置関係はこの鍵状
切り欠き３６で固定される。したがって、９個ティース
３１の中の両端の２つティース３１をボルト３２でケー
ス２０に固定すれば、９個のティース３１全体の車軸に
対する位置を固定できる。ただし、本実施形態では、テ
ィース３１のケース２０に対する固定を強固にするため
に、全ティース３１をそれぞれボルト３２で固定してい
る。

【００２２】ハブベアリング２３のアウターレースには
モータのロータ２６と共にアクスルハブ２７がボルト２
８により締結固定されている。すなわち、アクスルハブ
２７には車輌内側からスペーサ２９およびロータ２６が
はめ込まれ、そのアクスルハブ２７をさらに車輌外側か
らハブベアリング２３のアウターレースにはめ込み、ア
ウターレースと一体となった部材にボルト２８で固定し
ている。これにより、モータロータ２６とアクスルハブ
２７とが一体となって車軸周りに回転可能に取り付けら
れたことになる。

【００２３】ロータ２６は表面に絶縁膜が施された環状
の珪素鋼板を積層した珪素鋼板積層体で構成されてい
る。ロータ２６の外周面は周方向に凹凸となっており、
各凹部に１個ずつ合計１８個の永久磁石４０が全周に亘
って接着剤により固定されている。

【００２４】各永久磁石４０は、ロータ２６の径方向の
厚さが周方向両端で肉薄になっている。具体的には、永
久磁石４０は扁平した略ホームベース形の上下底面を有
する柱状体であり、その柱状体の高さ方向をモータの回
転軸方向に一致させ、凸側面をロータ２６に接着剤等で
固着してある。

【００２５】この永久磁石４０は、このような形状およ
び配置にすることにより、出力トルクの大幅な増大およ
びトルクリップルの低減を図ることができる。すなわ
ち、この実施形態の永久磁石４０は、上述したように回
転方向の中央部の厚みを大きくして起磁力を強くすると
共に、両端部の厚みを薄くして磁束を通しやすくしてあ
り、しかも、その厚みの変化がなめらかになっている。
一方、出力トルクは磁石の磁力とステータで発生する磁
束との積にほぼ比例する。したがって、トルクリップル
を抑制しつつ、大きな出力トルクを得ることができる。
換言すると、この実施形態のホイールモータは、ロータ
の角度位置に対して安定した高い回転出力トルクを得る
ことができる。

【００２６】また、永久磁石４０の回転方向中央部の厚
みを十分に厚くしてあるので減磁し難く、ステータの磁
束による極反転を防ぐことができる。

【００２７】さらに、永久磁石４０のロータ２６との固
着面は、ロータの周方向に凸となっており、且つ、ロー
タ２６の外周面は永久磁石４０の凸側面と同じ形状の凹
部となっているので、固着された永久磁石４０はロータ
２６の円周方向（回転方向）にずれにくい。そのため、
永久磁石４０に加わる回転方向の力は、永久磁石４０を
ロータ２６に固着している接着剤の接着力にあまり依存
することなくロータ２６によく伝達されるので、回転ト
ルクを出しやすい。

【００２８】互いに隣接する永久磁石４０の中心と車軸
すなわち凸状体２２の中心軸とを結ぶ線が作る開角すな
わち磁石開角と互いに隣接するティース３１の開角との
比が（Ａ／８）：（Ａ／９）＝９：８となっている。こ
こに、値Ａは９個のティース３１が配置されている車軸
を中心とした角度範囲の角度値である。つまり、９個の
ティース３１の先端部が作る円弧の範囲にロータ２６の
外周全体に配列された１８個の永久磁石４０のうちのち
ょうど８個の永久磁石が収まるようになっている。これ
により、扇形のステータを有する８極９コイルのインナ
ーロータ型のモータとなる。

【００２９】なお、この実施形態と同様に配置された９
個のティースに対して、１０個の永久磁石が対応するよ
うにロータ側の永久磁石を配列し、１０極９コイルのモ
ータとしてもよい。その場合の磁石開角とティース開角
の比は（Ａ／１０）：（Ａ／９）＝９：１０となる。そ
の他にも２極３コイルや４極３コイルのモータとするこ
とも可能であり、（ｎ±１）極ｎコイルのモータとする
ときには、磁石開角とティース開角の比をｎ：（ｎ±
１）にすればよい。

【００３０】ステータカバー３３にはアクスルハブ２７
と一体に固定されたスペーサ２９の外周面に摺動自在に
密着するシール部材４１が圧入されている。シール部材
４１は金属環の内周にゴム製のリップを設けたものであ
り、そのリップがスペーサ２９に摺動可能に接触する。
これにより、モータ内部は、ケース２０、ハブベアリン
グ２３、アクスルハブ２７、ステータカバー３３および
シール部材４１により密封され、外部からの塵埃や水が
侵入しない。

【００３１】アクスルハブ２７の車輌外側の開口には、
レゾルバ５０のインナーロータに固定される軸５１を備
えた蓋５２がボルトで固定されている。一方、レゾルバ
５０のステータはレゾルバ支持体２４に固定されてお
り、アクスルハブ２７の回転すなわちモータロータの回
転に伴ってレゾルバ５０のロータが回転すると、その回
転角に応じた角度信号が出力される。この角度信号は車
体に配備された電源のコントローラに送られ、コントロ
ーラではその角度に応じた駆動電力を給電線３５を介し
てステータコイル３０に供給する。

【００３２】アクスルハブ２７の車輌外側のつば部に
は、ディスクブレーキのロータディスク４２を挟むよう
にしてディスクホイール４３がハブボルト４４およびナ
ット４５で締結されている。ロータディスク４２と共に
ディスクブレーキを構成するキャリパー５１は車輪支持
体１２に固定され、その位置はティース３１が配列され
ている車軸を中心とした所定角度範囲以外の角度範囲内
にある。

【００３３】ロアアーム１０と車輪支持体１２との連結
点であるボールジョイント１４の位置もキャリパー５１
と同様に、ティース３１が配列されている車軸を中心と
した所定角度範囲以外の角度範囲内にある。このボール
ジョイント１４の位置は、走行性や操縦安定性の観点か
ら設計されるものであり、本実施形態のようにディスク
ホイール４３のリム幅の内側に置きたい場合が多々生じ
る。そのような場合でも、ステータが扇形であるため、
ホイールモータ全体をリム幅内に収容した上でさらに、
リム幅内にボールジョイントを配置することができる。

【００３４】図３は本発明の第２の実施形態あるホイー
ルモータが搭載された車輪の内部構造を示す断面図であ
り、図２はそのＩＶ−ＩＶ断面図である。この車輪は上
述した第１実施形態と同様に、後輪駆動車の前輪であ
り、従動輪であると共に操舵輪である。

【００３５】第１実施形態では、ホイールモータが車輪
支持体１２の車輌外側すなわち、車輪支持体１２とディ
スクブレーキのロータディスク４２との間に配置されて
いたが、この実施形態の車輪では、ホイールモータが車
輪支持体１７の車輌内側に配置されている。

【００３６】サスペンション構成は第１実施形態と同じ
であり、ロアアーム１０とアッパーアーム１１との間に
車輪支持体１７がボールジョイント１３および１４を介
して操舵可能に取り付けられている。そして、ロアアー
ム１０と図示省略した車体との間にはコイルスプリング
１６を備えたショックアブソーバ１５が設けられてい
る。

【００３７】車輪支持体１７の筒状の車軸受け部にはハ
ブベアリング６０が挿入され、そのアウターレースが固
定されている。ハブベアリング６０のインナーレースに
はアクスルハブ６１が車輌外側から挿入され、車輌内側
に突出した雄ねじ部をナット６２で締め付けることによ
りアクスルハブ６１がハブベアリング６０のインナーレ
ースに固定されている。アクスルハブ６１の雄ねじ部の
さらに先にはスプラインが形成された軸６３が設けられ
ており、ホイールモータのロータ支持体６４の回転中心
にスプライン嵌合している。

【００３８】ホイールモータのケース７０は図４に示す
ように、扇形のかなめ部分が円形に広がり、そのかなめ
部分の中心が開口した底面を有する上底が開放された箱
体である。

【００３９】ケース７０の扇形部にはそれぞれステータ
コイル７２が巻き付けられた９つのティース７１が車輌
外側から埋め込まれている。各ティース７１は表面が絶
縁膜で覆われた珪素鋼板を多数枚積層し、レーザ溶接等
により極一部分を厚み方向に溶接接合して一体化した珪
素鋼板積層体で構成されている。このように構成された
各ティース７１にはコイル７２が巻き付けられ、各ティ
ース７１の先端が車軸を向くように放射状にケース７０
内に配列され、ボルト７３でケース７０に固定されてい
る。そして、ティース７１が収納された扇形部はステー
タカバー７４で覆われる。

【００４０】ケース７０のかなめ部中央の開口は筒状と
なっており、その外周にボールベアリング７５のインナ
ーレースが固定されている。ボールベアリング７５のア
ウターレースにはこのホイールモータのロータ側の部材
に固定されている。

【００４１】ロータ支持体６４は中央部にスプライン軸
６３が嵌合する開口が形成された円盤であり、円筒状の
珪素鋼板積層体からなるロータ６５がロータ枠体６８と
共にボルト６６で固定されている。

【００４２】ロータ６５の外側周面は周方向に沿った一
定周期の凹凸面となっており、凹部に１８個の永久磁石
６７が接着剤で固定されている。

【００４３】永久磁石６７の個数とステータのティース
７１の本数との関係は第１実施形態と同じであり、永久
磁石６７の磁石開角とティース７１の開角との比が９：
８となっている。したがって、９個のティース７１の先
端部が作る円弧の範囲にロータ６５の外周全体に配列さ
れた１８個の永久磁石６７のうちのちょうど８個の永久
磁石が収まり、これにより、扇形のステータを有する８
極９コイルのインナーロータ型のモータとなる。

【００４４】各永久磁石６７は、第１実施形態と同様に
扁平した略ホームベース形の上下底面を有する柱状体で
あり、ロータ６５の径方向の厚さが周方向両端で肉薄に
なっており、第１実施形態と同様の理由により、出力ト
ルクの大幅な増大およびトルクリップルの低減を図るこ
とができる。また、永久磁石６７の回転方向中央部の厚
みを十分に厚くしてあるので減磁し難く、ステータの磁
束による極反転を防ぐことができる。さらに、永久磁石
６７はロータ６５の凹部に固着されているので、第１実
施形態と同様の理由により回転トルクを出しやすい。

【００４５】ケース７０の扇型のかなめに位置する筒状
部７７の内側にはレゾルバ７６が収納されており、レゾ
ルバ７６のアウターステータが固定されている。一方、
レゾルバ７６のロータは、ロータ支持体６４にねじで締
結されたレゾルバロータ軸７８が固定されている。

【００４６】このように構成されたホイールモータは、
アクスルハブ６１と一体になって回転する軸６３がロー
タ支持体６４の中央の開口にスプライン嵌合した状態で
車輪支持体１７に車輌内側から取付固定されている。し
たがって、ロータ６５の回転トルクはロータ支持体６４
からスプライン軸６３を介してアクスルハブ６１に伝達
される。

【００４７】アクスルハブ６１の車輌外側にはディスク
ブレーキのロータディスク８０と車輪のディスクホイー
ル８１がボルト８２およびナット８３により締結固定さ
れており、これにより、ホイールモータのロータ６５、
アクスルハブ６１、ロータディスク８０およびディスク
ホイール８１が同軸に一体となって回転する。

【００４８】この実施形態の場合も第１実施形態と同様
に、ステータがロータの外周全体を取り囲んでおらず、
ステータのティースが車軸を中心とした所定角度範囲内
において、放射状に配列されている。そのため、ロータ
近傍の残りの角度範囲に空間が生まれ、車輪支持体１７
とサスペンションロアアーム１４との連結点であるボー
ルジョイント１４とディスクブレーキのキャリパー８１
とをそこに配置することができる。換言すると、ボール
ジョイント１８およびキャリパー８１を配置する際に、
ホイールモータの存在が邪魔にならず、ホイールモータ
を有しない普通の車輪と同様に配置設計をすることがで
きる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のモータま
たはホイールモータによれば、ステータのティースが回
転軸または車軸を中心とした所定角度範囲内において放
射状に配列されているので、その所定角度範囲外ではロ
ータの外周近傍にステータのティースが存在しないこと
による空間ができ、この空間に車輪周りの種々の機構を
配置することができる。

【００５０】したがって、本発明のホイールモータによ
れば、ディスクブレーキのキャリパーのように車軸方向
に厚みのある部品でもディスクホイールのリム幅内に納
めることが可能となり、また、サスペンションアームと
車輪支持体との接続点をディスクホイールのリム幅内に
配置することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態であるホイールモータを
搭載した車輪を示す断面図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断したときの平面図。

【図３】本発明の第２実施形態であるホイールモータを
搭載した車輪を示す断面図。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線で切断したときの平面図。

【符号の説明】

１２、１７…車輪支持体、１４…ボールジョイント、２
０、７０…ケース、２３、６０…ハブベアリング、２
６、６５…ロータ、２７、６１…アクスルハブ、３０、
７２…コイル、３１、７１…ティース、４２、８０…ロ
ータディスク、４３、８１…ディスクホイール、５０、
７６…レゾルバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝田 隆之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を中心に回転可能に設けられたロ
   ータと、このロータの外周側に設けられ前記ロータの外
   周に沿って移動する磁界を作るステータとを備えたイン
   ナーロータ型のモータにおいて、 前記ステータは前記磁界を作るためのコイルが巻かれた
   磁性体からなる複数のティースを備え、 前記コイルが巻かれた前記ティースは前記回転軸を中心
   とした所定角度範囲内において、放射状に配列されてい
   ることを特徴とするモータ。
2. 【請求項２】 車輪の車軸を中心にして回転可能に設け
   られ前記車輪と一体となって回転するロータと、前記車
   輪を回転可能に支持する車輪支持体に固定され前記ロー
   タの外周に沿って移動する磁界を作るステータとを備え
   たインナーロータ型のホイールモータにおいて、 前記ステータは前記磁界を作るためのコイルが巻かれた
   磁性体からなる複数のティースを備え、前記コイルが巻
   かれた前記ティースは前記車軸を中心とした所定角度範
   囲内において、放射状に配列されていることを特徴とす
   るホイールモータ。
3. 【請求項３】 前記ロータの外周には複数の永久磁石が
   等間隔に設けられており、互いに隣接する前記永久磁石
   の中心と前記車軸とを結ぶ線が作る磁石開角と互いに隣
   接する前記ティースの開角との比がｎ：ｎ±１であるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のホイールモータ。
4. 【請求項４】 前記車輪に固定されたロータディスク
   と、前記車輪支持体に固定され前記ロータディスクの回
   転に制動を掛けるキャリパーとを有するディスクブレー
   キを備え、前記キャリパーは前記ティースが配列されて
   いる前記車軸を中心とした前記所定角度範囲以外の角度
   範囲内に配置されていることを特徴とする請求項２に記
   載のホイールモータ。
5. 【請求項５】 前記車輪支持体とこの車輪支持体を支持
   するサスペンションアームとの連結点が前記ティースが
   配列されている前記車軸を中心とした前記所定角度範囲
   以外の角度範囲内に配置されていることを特徴とする請
   求項２に記載のホイールモータ。
6. 【請求項６】 前記ステータおよび前記ロータは液密な
   ケーシング内に収容されていることを特徴とする請求項
   ２に記載のホイールモータ。
7. 【請求項７】 前記永久磁石は前記ロータの径方向の厚
   さが前記ロータの周方向両端で肉薄になっていることを
   特徴とする請求項３に記載のホイールモータ。