JPH11262101A - 永久磁石式ホイールインモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気自動車やハイブリッド自動車等のモータ
巻線やインバータに異常が発生した場合でも、走行不能
状態に至ることを防止して安全走行を保持し、また車両
電装品の故障を防ぐことができる。 【解決手段】 回転機軸５と、回転機軸上に浮動手段３
６を介して設けられる回転子６と、回転機軸上を摺動可
能に設けられ、かつ当該回転機軸と一体に回転するとと
もに、正常時には回転子と回転機軸とを固定する回転子
固定部７と、異常発生時には、回転子固定部を回転機軸
上で摺動させることにより、回転機軸と回転子との結合
を解除し両者の関係を浮動状態とする固定部操作手段８
とを備えた永久磁石式ホイールインモータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は永久磁石式ホイー
ルインモータ、特に電気自動車やハイブリット自動車等
に用いるのに適した永久磁石式ホイールインモータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の自動車は殆どガソリンエンジン、
ディーゼルエンジン等の内燃機関によって駆動される
が、内燃機関の排出ガスによる大気汚染が問題となって
いる。これら自動車による大気汚染の改善策として、内
燃機関の替わりに二次電池をエネルギ源として、電動機
により自動車を駆動するいわゆる電気自動車の普及が世
界的に呼びかけられている。また、電気自動車は従来の
内燃機関駆動の自動車と比べ１回の燃料充填での走行距
離が短く、また燃料供給設備の普及が必要等の問題を抱
えており、実用化への課題が大きい。そこで、内燃機関
駆動の自動車よりも排ガスが著しく改善し、走行性能も
損なわず、かつ現有の燃料供給設備で使用できる現実的
な低公害車として、内燃機関と電気駆動の双方を搭載し
たいわゆるハイブリッド自動車も最近注目されている。

【０００３】ここで、電気自動車には、一般に、車輪に
内蔵された永久磁石式同期機，いわゆる永久磁石式ホイ
ールインモータが設けられ、この永久磁石式ホイールイ
ンモータをインバータにより制御して力行とエネルギー
回生と電気制動が行われる。ホイールインモータは車輪
に内蔵されて車両側の動力用スペース（プロペラシャフ
ト等の動力スペース）をほとんど必要としないため、ス
ペースユーティリティに優れるものである。なお、電気
自動車ではエネルギー源として二次電池が設けられる。

【０００４】一方、ハイブリッド自動車は内燃機関と二
次電池をエネルギ源とする。しかし、車輪には永久磁石
式ホイールインモータが設けられ、電気自動車の場合と
同様に、永久磁石式ホイールインモータの制御による力
行とエネルギー回生が行われる。

【０００５】すなわちハイブリッド自動車は、内燃機関
と、内燃機関に直結した発電機と、永久磁石式ホイルイ
ンモータと、発電機を電源として永久磁石式ホイールイ
ンモータを制御してトルクアシスト、エネルギー回生、
電気制動機能を行なうインバータと、発電機からのエネ
ルギの負荷調整を行う二次電池とを備えて、発進加速時
は発電機と二次電池蓄電エネルギで車輪を駆動し、制動
時は永久磁石式ホイールインモータをインバータの制御
により回生運転させるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、自動車の駆
動軸に直結するモータに永久磁石を使用した場合、すな
わち永久磁石式ホイールインモータを駆動用モータとす
る場合には次のような問題が生じる。

【０００７】例えばロータ（回転子）側に永久磁石を使
用し、ステータ（固定子）側に界磁巻線を設けた場合、
界磁巻線やインバータに異常が生じたときでも、永久磁
石からは所定の磁界が発生され続け、また、自動車の駆
動軸は回転し続けることから問題が生じるものである。

【０００８】まず、界磁巻線に異常が発生した場合を考
える。永久磁石式ホイールインモータの巻線に異常が発
生した場合でも、自動車が即時に停止するわけではな
い。したがって、永久磁石が取り付けられているロータ
（駆動軸）が回転している限りは、永久磁石からの磁束
によって界磁巻線（モータ１次巻線）に電圧が発生す
る。

【０００９】巻線異常のままで界磁巻線に電圧を発生し
続けると、巻線の加熱によりモータ内部の拡大故障で軸
受の焼損等が発生してモータがスムーズに回転しなくな
る。これにより車両は走行不能となる可能性がある。

【００１０】また、界磁巻線側で短絡回路が形成される
ような故障モードでは、モータは発電機となるため、走
行時であればロータを止めようとする力が働くことにな
る。これは一種の発電ブレーキと同様な状態であり、運
転者の意図しないブレーキングが急に行われることであ
る。したがって、車両の操作上厳しい状況となる可能性
がある。

【００１１】次に、インバータに異常が発生した場合を
考える。永久磁石式ホイールインモータを駆動している
インバータが何らかの原因でトリップした場合でも、永
久磁石式同期機は永久磁石により磁束を得ている。した
がって、永久磁石が取り付けられているロータが回転し
ている限り、すなわち車両が動いている限りは界磁巻線
に電圧が発生する。

【００１２】一般に電気自動車あるいはハイブリッド自
動車用の永久磁石式ホイールインモータの場合、その自
動車特有の運転特性から高回転域においてインバータの
弱め界磁制御で永久磁石式ホイールインモータの誘起電
圧をある電圧以下に抑える制御方法をとる。したがっ
て、インバータがトリップしたままで永久磁石式ホイー
ルインモータを駆動、すなわち車両を運転すると永久磁
石式ホイールインモータは発電機となり高い電圧が発生
する。このときにはインバータによる電圧抑制が行われ
ないから、車両駆動回路に接続された車載電気品が予期
せぬ高電圧で破壊される恐れがある。

【００１３】上記のような界磁巻線異常やインバータ異
常が発生した場合でも、一般の産業用ドライブであれ
ば、直ちに回転を止める処置が取られる。ところが永久
磁石式ホイールモータは車輪に永久磁石式同期機が内蔵
された構造であるため、車両が走行している限り、また
は車両が完全に止まらない限りロータの回転は止まらず
に、回転機１次巻線に電圧を発生することとなる。車両
を安全に止めるにはある程度の時間が必要となるし、自
動車であるので停止後も車両を状況により安全な場所ま
で退避させる必要もある。従って、なんらかの方法で永
久磁石式ホイールインモータを安全に回転できるように
する方法が必要である。

【００１４】本発明は、このような実情を考慮してなさ
れたもので、電気自動車やハイブリッド自動車等のモー
タ巻線やインバータに異常が発生した場合でも、走行不
能状態に至ることを防止して安全走行を保持し、また車
両電装品の故障を防ぐことができる永久磁石式ホイール
インモータを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に対応する発明は、所定条件下で回転機軸
と回転子との結合を解除し、両者の関係を浮動状態とす
る永久磁石式ホイールインモータである。

【００１６】本発明はこのような手段を設けたので、電
気自動車やハイブリッド自動車等のモータ巻線やインバ
ータに異常が発生した場合でも、回転機軸と回転子との
関係を浮動状態にすることで、電圧発生による加熱やイ
ンバータの弱め界磁制御がなくなることによる高電圧発
生を防止することができる。これにより、走行不能状態
に至ることを防止して安全走行を保持し、また車両電装
品の故障を防ぐことができる。

【００１７】次に、請求項２に対応する発明は、回転機
軸上に浮動手段を介して回転子が設けられており、ま
た、正常時には回転子と回転機軸とを固定する回転子固
定部が設けられている。この回転子固定部は、回転機軸
上を摺動可能に構成され、かつ当該回転機軸と一体に回
転する。

【００１８】一方、回転子固定部を回転機軸上で摺動さ
せる固定部操作手段が設けられている。この固定部操作
手段は、異常発生時には、回転機軸と回転子との結合を
解除し両者の関係が浮動状態となるように、回転子固定
部を回転機軸上で摺動させる。

【００１９】本発明はこのような手段を設けたので、請
求項１に対応する発明と同様な効果を得ることができ
る。次に、請求項３に対応する発明は、請求項２に対応
する発明において、界磁巻線を測温する回転機温度セン
サが設けられている。

【００２０】この回転機温度センサで測定された温度が
所定値以上の場合には、判定手段により異常発生と判定
され、当該判定手段から固定部操作手段に対して回転機
軸と回転子との結合を解除するよう指令がなされる。

【００２１】本発明はこのような手段を設けたので、界
磁巻線に異常が発生した場合に、これを検出し請求項１
に対応する発明と同様な効果を得ることができる。次
に、請求項４に対応する発明は、請求項２に対応する発
明において、モータ制御用インバータから異常通知を受
けたときには、判定手段により異常発生と判定され、当
該判定手段から固定部操作手段に対して回転機軸と回転
子との結合を解除するよう指令がなされる。

【００２２】本発明はこのような手段を設けたので、当
該モータを制御するインバータに異常が発生した場合に
これを検出し、請求項１に対応する発明と同様な効果を
得ることができる。

【００２３】次に、請求項５に対応する発明は、請求項
２に対応する発明において、回転機軸の回転数を測定す
る回転速度測定手段が設けられている。この回転速度測
定手段で測定された回転数が所定値以上であり、かつモ
ータ制御用インバータから異常通知を受けたときには、
判定手段により異常発生と判定され、当該判定手段から
固定部操作手段に対して回転機軸と回転子との結合を解
除するよう指令がなされる。

【００２４】本発明はこのような手段を設けたので、当
該モータを制御するインバータに異常が発生し、かつ、
電装部品に異常が生じ得る程度の回転数である場合にこ
れを検出し、請求項１に対応する発明と同様な効果を得
ることができる。

【００２５】次に、請求項６に対応する発明は、請求項
１〜５に対応する発明を電気自動車又はハイブリッド自
動車に用いた永久磁石式ホイールインモータである。本
発明はこのような手段を設けたので、電気自動車又はハ
イブリッド自動車について、請求項１に対応する発明と
同様な効果を得ることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （発明の第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施
の形態に係る永久磁石式ホールインモータを内蔵した電
気自動車の一例を示す構成図である。

【００２７】この電気自動車１００の駆動部は、車輪１
と車輪１に内蔵された永久磁石式ホイールモータ２によ
り構成される。永久磁石式ホイールインモータ２はイン
バータ３により制御される。インバータ３の制御によ
り、車輪駆動、エネルギー回生、電気制動が行われ、こ
のインバータ３に接続される電源及びエネルギー源とし
て二次電池４が設けられている。なお、同図に示す構成
は電気自動車の一駆動方式を示すものである。

【００２８】この電気自動車１００においては、走行時
は二次電池４の蓄電エネルギを用いインバータ３で永久
磁石式ホイールインモータ２を制御して車輪１を駆動す
る。また、制動時は永久磁石式ホイールインモータ２を
インバータ３の制御により回生運転させ、車両の慣性エ
ネルギを二次電池４に蓄電することにより、省エネルギ
とともにエネルギ収支を保つようにしている。

【００２９】図２は本実施形態の永久磁石式ホールイン
モータの構成例を示す断面図である。本実施形態の永久
磁石式ホイールインモータ２は、タイヤ２１、ホイール
２２及びブレーキディスク２３等を主要構成とする車輪
１と、回転機軸５を介して直結している。この回転機軸
５は軸受け３１を介してモータ容器３２に支持され、さ
らにモータ容器３２はその固定用穴３３に固定具（図示
せず）が取り付けられて車体に固定されている。

【００３０】モータ容器３２にはステータ１２が設けら
れ、このステータ１２には界磁巻線３４が巻かれてい
る。また、界磁巻線３４には回転機温度センサ１１が設
けられる。なお、モータ容器３２には冷却水用の通路３
５が設けられている。

【００３１】次に、ロータ６は回転機軸５に直接固定さ
れているのではなく、回転機軸５に対する浮動手段とし
てのベアリング３６を介して回転機軸５に取り付けられ
ている。ロータ６には永久磁石３７が設けられている。
また、回転機軸上に固定リング７が設けられ、ロータ６
の回転機軸５への固定は固定リング７によりなされてい
る。

【００３２】図２（ｂ）に示すように、回転機軸５にお
ける固定リング７の取り付け部分はスプライン５ａとな
っている。したがって、固定リング７は回転機軸５と一
体に回転するとともに、回転機軸５上を摺動（水平移
動）可能に構成される。この水平移動手段として操作ロ
ッド８及び操作ロッド駆動回路９が設けられている。

【００３３】操作ロッド８は、固定リング７の操作窪み
７ａにその先端部８ａが挿入され、先端部８ａから垂直
に折れ曲がった操作部８ｂが回転機軸５と水平に伸びて
操作ロッド駆動回路９に至っている。操作ロッド駆動回
路９は、判別回路１０の指令に従い、操作ロッド８を駆
動する。すなわち操作ロッド８を回転機軸５と平行に車
体方向に引っ張ることで固定リング７をロータ６から取
り外すようになっている。固定リング７がロータ６から
取り外されると、ロータ６はベアリング３６によって回
転機軸５に対して浮動状態となる。

【００３４】判別回路１０は、回転機温度センサ１１か
ら測温情報を受信しており、界磁巻線３４が所定以上の
温度となった場合には異常発生と判断し、操作ロッド駆
動回路９に操作ロッド８を車体方向に引っ張るように結
合解除信号を出力する。

【００３５】次に、以上のように構成された本発明の実
施の形態に係る永久磁石式ホールインモータの動作につ
いて説明する。永久磁石式ホイールインモータ２は、図
２に示すように、通常時は回転機軸と同一回転で回転す
る固定リング７により回転機軸５とロータ６が結合され
た状態となっている。このため、車輪１とロータ６は同
一回転数で回転し、電気自動車として走行することがで
きる。

【００３６】モータ巻線に異常が発生した場合には、回
転機温度センサ１１により回転機温度の異常高温が検出
される。この検出された信号は判別回路１０に送られ
る。検出された信号が所定の基準値を越えており回転機
異常と判断された場合には、判別回路１０によって、操
作ロッド駆動回路９に結合解除信号が送出される。

【００３７】判別回路１０からの結合解除信号を受けた
操作ロッド駆動回路９によって、操作ロッド８が駆動さ
れ固定リング７が水平に車体方向に移動される。これに
より回転機軸５とロータ６の結合が解除される。

【００３８】図３は本実施形態の永久磁石式ホールイン
モータにおいてロータを回転軸から切り離した状態を示
す図である。同図に示すように、回転機軸５との結合を
解除されたロータ６はベアリング３６により回転機軸５
から浮動し、車輪１からの駆動力を直接受けなくなる。
このため、ロータの回転は自然に止まりモータ誘起電圧
が抑えられる。

【００３９】上述したように、本発明の実施の形態に係
る永久磁石式ホールインモータは、ロータ６をベアリン
グ３を介して固定リング７を介して回転機軸５に固定
し、界磁巻線３４に異常が生じたときには固定リング７
を回転機軸上で摺動させてロータ６〜回転機軸５の結合
を解除し、車輪１からの駆動力を受けなくなるようにし
たので、モータ巻線に異常を発生した場合に回転機ロー
タ６を回転機軸５より容易に切り離すことができる。

【００４０】したがって、ロータ６が回転し続けること
によるモータ誘起電圧を抑え、巻線加熱により軸受の焼
損等のモータ内部の拡大故障（回転機拡大故障）が生じ
るのを防止することができる。こうして運転操作に異常
が発生することを防止し、車両が走行不能になるのを防
ぐことができる。

【００４１】また、異常が生じてロータ６がフリーとな
った永久磁石式ホイールインモータにおいては、その回
転機軸５が回転し続けても問題が生じないため、他の車
輪１の永久磁石式ホイールインモータさえ正常であれ
ば、走行自体は継続することができる。したがって、た
とえ永久磁石式ホイールインモータ１台に異常があった
場合でも走行を継続することができる。 （発明の第２の実施の形態）図４は本発明の第２の実施
の形態に係る永久磁石式ホールインモータの構成例を示
す断面図である。図２と同一部分には同一符号を付して
説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べ
る。

【００４２】本実施形態の永久磁石式ホールインモータ
２は、第１の実施形態と同様な電気自動車１に適用され
るものであり、回転速度センサ１４が設けられ、判別回
路１０′に外部信号インターフェイス１３が設けられる
とともにその異常判定ロジックが修正される他、第１の
実施形態と同様に構成されている。

【００４３】回転速度センサ１４は、回転機軸５の回転
速度を測定し、その測定結果を判定回路１０′に送出す
るものである。外部信号インターフェース１３は、イン
バータ３の自己診断部４１が出力するインバータ異常通
知（インバータトリップ信号）を受信し、判定回路１
０′に入力する。

【００４４】判定回路１０′は、インバータ異常通知を
受けたときに、回転速度センサ１４から入力された回転
数が所定の基準値以上であれば、操作ロッド駆動回路９
に結合解除信号を送出する。

【００４５】次に、以上のように構成された本発明の実
施の形態に係る永久磁石式ホールインモータの動作につ
いて説明する。この永久磁石式ホールインモータは、ロ
ータ６を回転機軸５からフリーにする動作条件を除け
ば、第１の実施形態と同様に動作する。

【００４６】つまり、本実施形態では、回転速度センサ
１４で検出されるモータ回転数が車両電装品にダメージ
を与える可能性がある回転以上であるという条件と、イ
ンバータ３からインバータトリップ信号が出力されたと
いう条件とが成立したときに、判別回路１０′から操作
ロッド駆動回路９に結合解除信号が送出される。

【００４７】以下の結合解除動作は第１の実施形態と同
様である。上述したように、本発明の実施の形態に係る
永久磁石式ホールインモータは、第１の実施形態と同様
な構成を設けた他、回転速度センサ１４を設け、モータ
回転数が所定回転以上でかつインバータ異常通知があっ
たときに、操作ロッド８を駆動して回転機軸５からロー
タ６を切り離すようにしたので、回転機軸５との結合を
解除されたロータ６は車輪１からの駆動力を直接受けな
くなって回転は自然に止まり、モータ誘起電圧を抑える
ことができる。

【００４８】すなわち、何らかの原因でインバータ３が
トリップした場合、インバータ３の界磁弱め制御が停止
しても永久磁石式ホイールインモータ２の発電機作用で
高い誘起電圧を発生するのを防止することができる。ま
た、これにより過電圧発生による車両電装品へのダメー
ジや故障を防止することができる。

【００４９】なお、回転機軸５からロータ６をフリーに
することで、インバータ１台に異常があった場合でも電
気自動車の走行を継続できる点は第１の実施形態と同様
である。

【００５０】また、本発明は、上記各実施の形態に限定
されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に
変形することが可能である。例えば各実施形態は電気自
動車の場合で説明したが、本発明の適用は電気自動車に
限られるものでなく、ハイブリット自動車やその他，永
久磁石式ホイールインモータを用いる車両等の輸送装置
一般に適用できるものである。また、電気自動車の駆動
方式としても図１に示す場合に限られるものでなく、本
発明は他の駆動方式にも適用できる。

【００５１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、所
定条件下で回転機軸と回転子との結合を解除し、両者の
関係を浮動状態とするようにしたので、電気自動車やハ
イブリッド自動車等のモータ巻線やインバータに異常が
発生した場合でも、走行不能状態に至ることを防止して
安全走行を保持し、また車両電装品の故障を防ぐことが
できる永久磁石式ホイールインモータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石式ホ
ールインモータを内蔵した電気自動車の一例を示す構成
図。

【図２】同実施形態の永久磁石式ホールインモータの構
成例を示す断面図。

【図３】同実施形態の永久磁石式ホールインモータにお
いてロータを回転軸から切り離した状態を示す図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る永久磁石式ホ
ールインモータの構成例を示す断面図。

【符号の説明】

１…車輪 ２…永久磁石式ホイールモータ ３…インバータ ４…二次電池 ５…回転機軸 ５ａ…スプライン ６…ロータ ７…固定リング ８…操作ロッド ９…操作ロッド駆動回路 １０，１０′…判別回路 １１…回転機温度センサ １２…ステータ １３…外部信号インターフェイス １４…回転速度センサ ２１…タイヤ ２２…ホイール ２３…ブレーキディスク ３１…軸受け ３２…モータ容器 ３３…固定用穴 ３４…界磁巻線 ３５…冷却水用の通路 ３６…ベアリング ３７…永久磁石 １００…電気自動車

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定条件下で回転機軸と回転子との結合
   を解除し、両者の関係を浮動状態とすることを特徴とす
   る永久磁石式ホイールインモータ。
2. 【請求項２】 回転機軸と、 前記回転機軸上に浮動手段を介して設けられる回転子
   と、 前記回転機軸上を摺動可能に設けられ、かつ当該回転機
   軸と一体に回転するとともに、正常時には前記回転子と
   前記回転機軸とを固定する回転子固定部と、 異常発生時には、前記回転子固定部を回転機軸上で摺動
   させることにより、前記回転機軸と前記回転子との結合
   を解除し両者の関係を浮動状態とする固定部操作手段と
   を備えたことを特徴とする永久磁石式ホイールインモー
   タ。
3. 【請求項３】 界磁巻線を測温する回転機温度センサ
   と、 前記回転機温度センサで測定された温度が所定値以上の
   場合には異常発生と判定して、前記固定部操作手段に前
   記回転機軸と前記回転子との結合を解除するよう指令す
   る判定手段とを備えたことを特徴とする請求項２記載の
   永久磁石式ホイールインモータ。
4. 【請求項４】 モータ制御用インバータから異常通知を
   受けたときには、異常発生と判定して前記固定部操作手
   段に前記回転機軸と前記回転子との結合を解除するよう
   指令する判定手段を備えたことを特徴とする請求項２記
   載の永久磁石式ホイールインモータ。
5. 【請求項５】 前記回転機軸の回転数を測定する回転速
   度測定手段と、 前記回転速度測定手段で測定された回転数が所定値以上
   であり、かつモータ制御用インバータから異常通知を受
   けたときには、異常発生と判定して前記固定部操作手段
   に前記回転機軸と前記回転子との結合を解除するよう指
   令する判定手段とを備えたことを特徴とする請求項２記
   載の永久磁石式ホイールインモータ。
6. 【請求項６】 電気自動車又はハイブリッド自動車に用
   いることを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか１項
   記載の永久磁石式ホイールインモータ。