JP5555837B2

JP5555837B2 - アキシャルギャップ型のモーターおよびインホイールモーター

Info

Publication number: JP5555837B2
Application number: JP2011120687A
Authority: JP
Inventors: 清之細田
Original assignee: ホソダクリエイティブ株式会社
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: JP2012249469A

Description

本発明は、アキシャルギャップ型のモーターおよびそれを備えたインホイールモーターに関するものである。

特許文献１には、寸法の大形化を最小限に抑えて回転検出機能を低コストで備えることができるアキシャルモータ及びインホイールモータを提供することが記載されている。そのため、特許文献１には、周方向に磁心が配された円環状の出力側ステータ、ロータ及び反出力側ステータをその回転軸方向に対向配置し、出力側ステータ、ロータ、及び反出力側ステータをモータハウジングに収容してなるアキシャルモータにおいて、ロータの外周面に溝部を一体形成し、溝部を検出する凹凸検出部を備え、ロータの外周面に対向するようにモータハウジングに検出器支持孔を設け、検出器支持孔に凹凸検出部を嵌挿することが記載されている。

特開２００８−２９５２１２号公報

近年、電動モーターにより駆動される電気自動車が実用化されており、自動車のホイール内に電動モーターを配置したインホイールモーターが提案されている。ステーターおよびローターが、ローターの回転軸方向に空隙を隔てて対向配置されたアキシャルギャップ型のモーターは、大口径のローターを採用しやすく全体を薄くできるので、インホイールモーターに適している。

特許文献１に開示された技術においては、ローターの外周面に溝部を形成している。このため、溝部を検出する凹凸検出部をローターの外周面に対向するようにローターの径方向の外側に設ける必要がある。したがって、全体を薄く構成できる反面、アキシャルモーターの径方向の寸法が大きくなりやすく、いっそうコンパクトな構成のアキシャルモーターを提供することが要望されている。

本発明の態様の１つは、軸の周りに回転する円盤状のローターと、ローターの軸方向の両側に配置される１組のステーターとを有するアキシャルギャップ型のモーターである。ローターは、軸方向の両側の端面に磁極が現れるように着磁された複数の着磁部が、両側の端面の周縁に沿って配置された着磁領域を含み、１組のステーターは、着磁領域に面するように配置された複数のステーターコイルを含む。ローターは、さらに、複数の着磁部の回転位置により複数のステーターコイルの通電状態を切り替えるタイミングをそれぞれ検出する複数のセンサーに回転位置をそれぞれ提供する複数の検出部が、少なくとも１方の端面の着磁領域よりも内側に配置された検出領域を含み、複数の検出部は、複数の同心円に沿って分散して配置されており、第１の同心円の検出部は、第１の同心円と径の異なる第２の同心円の周方向に隣接する第１の検出部および第２の検出部のそれぞれに対し径方向に重複するように配置され、周方向に隣接するステーターコイルの通電状態を切り替える第１のセンサーおよび第２のセンサーは、第１の同心円および第２の同心円にそれぞれ対面するように配置されており、第１のセンサーおよび第２のセンサーは、径方向に異なる検出部により独立して制御される。

このローターは、検出領域が着磁領域よりも内側に配置されている。このため、着磁領域の内側を検出領域の複数の検出部を配置するためのスペースとして有効利用できるので、ローターの径方向の寸法が大きくなる方向、特に着磁領域の外側に検出部を配置させる必要がない。したがって、着磁領域の内側に検出部を配置させたコンパクトな構成のモーターを提供できる。

複数の検出部は、複数の同心円に沿って分散して配置されていることが望ましい。検出部の個数を増やしても、着磁領域よりも内側のスペースに複数の同心円に沿って分散して配置できるので、複数の着磁部の回転位置をいっそう精度よく検出できるモーターを提供しやすい。

複数の検出部のそれぞれは、少なくとも１方の端面に対して窪んだ凹部または少なくとも１方の端面に対して突出した凸部を含むことが望ましい。複数のセンサーのそれぞれは、典型的には非接触型の近接センサーであり、ローターの端面に対して窪んだ複数の凹部または突出した凸部を検出しやすい。典型的には、着磁領域は、複数の着磁部を構成する複数の棒磁石を含むことが望ましい。

本発明の異なる態様の１つは、上記モーターと、モーターの回転力を伝達するハブとを有するインホイールモーターである。本発明のさらに異なる態様の１つは、上記インホイールモーターを有する車両である。

インホイールモーターを搭載した車両の概略構成を示した平面図。車輪をII−II方向から示した断面図（図１のII−II断面）。ローターの概略構成をIII−III方向から示した図。ローターおよびステーターの概略構成をIV−IV方向から示した図。

図１に、本発明に係るインホイールモーターを搭載した車両１００の概略構成を示している。車両１００は、車体１０５と、車体１０５にサスペンション機構（不図示）などを介して支持された右前輪（車輪）１０１、左前輪１０２、右後輪１０３および左後輪１０４とを備えている。車輪１０１〜１０４は、環状のホイール９０と、ホイール９０に装着されたタイヤ９１とを備えており、ホイール９０の内部にはインホイールモーター８０が搭載されている。車体１０５は、インホイールモーター８０に電力を供給するバッテリーなどの蓄電装置１０６と、蓄電装置１０６から供給される直流電力を交流電力に変換するインバーター１０７とを備えている。

図２に、右前輪（車輪）１０１を図１のII−II方向からみた断面図により示している。以下、右前輪１０１を対象として具体的な構成を説明するが、右後輪１０３は右前輪１０１の構成と同じであり、左前輪１０２および左後輪１０４は右前輪１０１と左右対称の構成である。車輪１０１のホイール９０には、インホイールモーター８０が収納されている。インホイールモーター８０は、アキシャルギャップ型のモーター（アキシャルモーター）本体１と、モーター本体１の回転を検出する近接センサー３０とを含む。ホイール９０には、モーター本体１および近接センサー３０を収容したハウジング７１と、ハウジング７１をサスペンション機構（不図示）などを介して車体１０５に取り付ける支持板７２と、ハウジング７１を貫通するシャフト７３と、インホイールモーター８０の回転力（駆動力、トルク）をホイール９０に伝達するハブ７４とが収納されている。ハブ７４は、ベアリング７５を介してシャフト７３に対し回転可能に接続されている。ホイール９０には、さらに、ハブ７４の回転を制動するブレーキディスク７６と、ブレーキディスク７６を締め付けてホイール９０に制動力を伝達するブレーキキャリパー７７とが収納されている。

モーター本体１は、軸（シャフト）７３の周りに回転する円盤状のローター１０と、ローター１０の軸方向７３ａの両側に配置される１組のステーター２０とを有する。１組のステーター２０に挟まれたローター１０は、ハブ７４およびベアリング７５を介してシャフト７３に対し回転可能に接続された円盤状のローターヨーク１１と、ローターヨーク１１の軸方向７３ａの両側の端面１１ａおよび１１ｂの周縁１９に沿って磁極が現れるように着磁された複数の着磁部１２と、ローターヨーク１１の端面１１ａの複数の着磁部１２のそれぞれよりもシャフト７３の側（内側）に設けられた複数の凹部１３とを備えている。

複数の着磁部１２は、ローターヨーク１１を軸方向７３ａに貫通するように埋設された複数の棒磁石５２により構成されている。複数の棒磁石５２のそれぞれは、Ｎ極（第１の極）に着磁された軸方向７３ａの一端（Ｎ極端、第１の着磁部）１２ｎと、Ｓ極（第２の極）に着磁された軸方向７３ａの他端（Ｓ極端、第２の着磁部）１２ｓとを備えている。Ｎ極端１２ｎおよびＳ極端１２ｓは、ローターヨーク１１の両側の端面１１ａおよび１１ｂに対してわずかに突き出るように埋設され、Ｎ極端１２ｎおよびＳ極端１２ｓがそれぞれ異なる着磁部１２を形成している。棒磁石５２の一例は、市販されている永久磁石の中で最も磁束密度の大きい棒状の希土類磁石である。

ローター１０の両側の端面１１ａおよび１１ｂを軸方向７３ａから挟むように配置された１組のステーター２０は、ローターヨーク１１を挟んで互いに対向して配置された複数の突極組２５と、複数の突極組２５のそれぞれに巻回された複数のステーターコイル２６とを備えている。複数の突極組２５のそれぞれは、ローター１０の端面１１ａに対峙した第１の突極部２１と、ローター１０の端面１１ｂに対峙した第２の突極部２２とを備えており、これら第１の突極部２１および第２の突極部２２はハウジング７１に固定されている。さらに、複数のステーターコイル２６のそれぞれは、１つの突極組２５を構成する第１の突極部２１および第２の突極部２２に対し磁束の方向が同じになるように巻回されている。すなわち、ペアを構成する第１の突極部２１に巻回されたコイルと、第２の突極部２２に巻回されたコイルとが１つのステーターコイル２６として電流の流れる方向が制御されるようになっている。

ローター１０は、軸方向７３ａの両側の端面１１ａおよび１１ｂに磁極が現れるように着磁された複数の着磁部１２が、両側の端面１１ａおよび１１ｂの周縁１９に沿って配置された着磁領域１０ａを含む。ローター１０は、さらに、複数の着磁部１２の回転位置により複数のステーターコイル２６の通電状態を切り替えるタイミングを検出する近接センサー３０に回転位置を提供する複数の凹部１３が、１方の端面１１ａの着磁領域１０ａよりも内側に配置された検出領域１０ｂを含む。すなわち、本例の複数の凹部１３は、近接センサー３０に複数の着磁部１２の回転位置を検出させる検出部（マーク、符号）１３として機能する。複数の凹部１３は、ローターヨーク１１のシャフト７３の周囲に配置されており、ローターヨーク１１の一方の端面１１ａが断続的に窪むようにして形成されている。

着磁領域１０ａに面するように配置されたステーターコイル２６に電流を流すと、１つの突極組２５を構成する第１の突極部２１および第２の突極部２２の磁束の方向が同じになるように、すなわち、第１の突極部２１の磁極および第２の突極部２２の磁極が互い違いになるように励磁される。たとえば、１つの突極組２５を構成する第１の突極部２１がＮ極に励磁されるときは、対向する第２の突極部２２はＳ極に励磁され、第１の突極部２１がＳ極に励磁されるときは、対向する第２の突極部２２はＮ極に励磁される。さらに、隣接する突極組２５が励磁される磁極の方向は、ローター１０の回転スピードに合わせて制御される。したがって、ローター１０の複数の着磁部１２が複数の突極組２５からの磁力を得てローター１０を回転させる。

ハウジング７１のローター１０の端面１１ａの検出領域１０ｂに面した部分に、近接センサー３０が配置されている。近接センサー３０は、車体１０５の側に配置された複数の第１の突極部２１と、シャフト７３との間に配置されている。近接センサー３０は、複数の突極組２５のそれぞれに１対１に対応するように設けられた非接触型のセンサー３０であり、近接センサー３０が凹部１３を検出することにより突極組２５に巻回されたステーターコイル２６の電流方向が制御され、突極組２５に励磁される磁極の方向が制御されるようになっている。近接センサー３０は、ローター１０の複数の凹部１３が配置された検出領域１０ｂに面するように配置され、ローター１０が回転すると複数の凹部１３のいずれかが近接センサー３０の前方を横切るようになっている。近接センサー３０の一例は、検出対象との距離を測定する電磁波方式、超音波方式、赤外線方式などである。

図３に、ローター１０の概略構成を図２のIII−III方向からみた図により示している。ローター１０は、着磁領域１０ａに配置された１８個の着磁部１２と、着磁領域１０ａよりも内側の検出領域１０ｂに配置された１８個の凹部１３とを備えている。１８個の棒磁石５２のそれぞれは、互いに等間隔（等角度間隔）に、約２０度ピッチで、軸７３を中心とする円周方向１１０に沿って配置されている。さらに、隣接する着磁部１２は、ローター１０の端面１１ａに現れる着磁部１２が隣接する磁極同士で互い違いになるようにローターヨーク１１に圧入（配置）されている。

１８個の凹部１３のそれぞれは、正面視扇形状であり、端面１１ａの軸７３を中心とする大小２つ（２列）の同心円状に９個ずつが互いに等間隔（等角度間隔）に、約４０度ピッチで配置され、さらに、大小２列の同心円状に配置されたそれぞれの凹部１３が半径方向１１２の位置をずらして配置されている。すなわち、１８個の凹部１３は、２つの同心円に沿って分散して配置されている。それぞれの凹部１３の円周方向１１０の幅（長さ、サイズ）ｗは、隣接する第１の着磁部（Ｎ極端）１２ｎおよび第２の着磁部（Ｓ極端）１２ｓの円周方向１１０の隣り合う角度θにほぼ等しくなるように規定されている。

このように、それぞれの凹部１３を２つ（複数）の同心円に沿って分散して配置させることにより、近接センサー３０により複数の着磁部１２の回転位置を安定して、精度よく検出することができる。したがって、着磁領域１０ａの内側を検出領域１０ｂの複数の検出部１３を配置するためのスペースとして有効利用したコンパクトな構成のモーター本体１を提供できる。複数の凹部１３は、３つ以上の同心円に沿って分散して配置させることができ、凹部１３の個数を増加させることにより、複数の着磁部１２の回転位置をいっそう精度よく検出することができる。

図４に、ローター１０の複数の着磁部１２と、ステーター２０の複数の第１の突極部２１との位置関係を図２のIV−IV方向からみた図により示している。また、併せて、複数の凹部１３と、近接センサー３０との位置関係も示している。ステーター２０の１４個の第１の突極部２１のそれぞれは、互いに等間隔（等角度間隔）に、約２６度ピッチで、軸７３を中心とする円周方向１１０に沿って配置されている。１４個の近接センサー３０のそれぞれは、１４個の第１の突極部２１のそれぞれに１対１に対応しており、本例では、端面１１ａの軸７３を中心とする大小２つ（２列）の同心円状に７個ずつが互いに等間隔（等角度間隔）に、約５１度ピッチで配置されている。このため、着磁領域１０ａの内側の検出領域１０ｂに対峙する位置に近接センサー３０を配置できる。したがって、軸方向７３ａにローター１０とステーター２０とが向き合うアキシャルギャップ型のモーター本体１において、ステーターコイル２６とシャフト７３との間の空間を近接センサー３０を配置するためのスペースとして有効利用できる。

本例のインホイールモーター８０では、ローター１０の回転に伴い凹部１３が近接センサー３０に接近し、近接センサー３０が凹部１３を検出すると、その近接センサー３０に対応する第１の突極部２１に巻回されたステーターコイル２６に電流が流れないように通電状態をオフに切り替えることができる。一方、ローター１０の回転に伴い凹部１３以外の端面１１ａが近接センサー３０に接近し、近接センサー３０が端面１１ａを検出すると、その近接センサー３０に対応する第１の突極部２１に巻回されたステーターコイル２６に電流が流れるように通電状態をオンに切り替えることができる。このため、それぞれのステーターコイル２６を近接センサー３０単位で検出して制御しているので、制御が冗長的であり信頼性が高い。

たとえば、端面１１ａを検出した近接センサー３０に対応する第１の突極部２１がＮ極部２１ｎの場合、端面１１ａに埋設された棒磁石５２のＳ極端１２ｓはＮ極部２１ｎに引き寄せられ、棒磁石５２のＮ極端１２ｎはＮ極部２１ｎから反発するので、ローター１０は円周方向１１０に回転する。同様に、端面１１ａを検出した近接センサー３０に対応する第１の突極部２１がＳ極部２１ｓの場合、端面１１ａに埋設された棒磁石５２のＮ極端１２ｎはＳ極部２１ｓに引き寄せられ、棒磁石５２のＳ極端１２ｓはＳ極部２１ｓから反発するので、ローター１０は円周方向１１０に回転する。このように、本例の１８個の凹部１３は、１８個の棒磁石５２のそれぞれの回転位置がステーターコイル２６への通電をオフにする位置であることを示す検出部（マーク、符号）１３として機能する。検出部１３の形状は、凹部に限らず、近接センサー３０により検出可能なものであれば凸部、孔部およびスリットなどであってもよい。さらに、検出対象との距離を測定する非接触型の近接センサー３０は、光や異物（ゴミ）の影響を受けにくいため、インホイールモーター８０における検出機構として適している。

図３および図４に示すように、このローター１０は、端面１１ａの周縁１９に沿って磁極が現れるように着磁された複数の着磁部１２を備えた着磁領域１０ａと、着磁部１２の回転位置に対応して突極組２５に巻回されたステーターコイル２６に対する通電状態を切り替えるために、その突極組２５に対応する近接センサー３０が着磁部１２の回転位置を検出するための複数の検出部（凹部）１３を備えた検出領域１０ｂとを備えている。

さらに、このローター１０は、検出領域１０ｂが着磁領域１０ａよりも内側に配置されている。このため、着磁領域１０ａの内側を検出領域１０ｂの複数の検出部１３を配置するためのスペースとして有効利用できるので、ローター１０の半径方向１１２が大きくなる方向に検出部１３を配置させる必要がない。したがって、着磁領域１０ａの内側に検出部１３を配置させたコンパクトな構成のモーター本体１を提供できる。さらに、着磁領域１０ａの内側に複数の凹部１３を配置できるので、ローター１０の半径を大きくして着磁領域１０ａの棒磁石５２の個数を増やすことにより、簡単に、高トルクのモーター本体１を提供できる。

本例のインホイールモーター８０では、第２の着磁部（Ｓ極端）１２ｓが、第１の突極部２１のＮ極部２１ｎと軸方向７３ａに重なる直前の位置、すなわちＳ極端１２ｓがＮ極部２１ｎの真下（真上）を通過する直前の位置から、Ｎ極部２１ｎに巻回されたステーターコイル２６に電流が流れないようにすることができる。したがって、Ｓ極端１２ｓがＮ極部２１ｎの真下（真上）を通過するまでの間にＮ極部２１ｎに引き寄せられ、ローター１０の回転力が弱まることを防止できる。

さらに、第２の着磁部（Ｓ極端）１２ｓが、通過したＮ極部２１ｎに隣接する次のＳ極部２１ｓと軸方向７３ａに重なった直後の位置、すなわちＳ極端１２ｓがＳ極部２１ｓの真下（真上）を通過した直後の位置まで、Ｓ極部２１ｓに巻回されたステーターコイル２６に電流が流れないようにすることができる。したがって、Ｓ極端１２ｓがＳ極部２１ｓの真下（真上）を通過するまでの間にＳ極部２１ｓから反発され、ローター１０の回転力が弱まることを防止できる。第１の着磁部（Ｎ極端）１２ｎが第１の突極部２１の真下（真上）を通過する場合も同様である。

このように、本例のローター１０は、凹部（検出部）１３が、隣接するＮ極端（第１の着磁部）１２ｎおよびＳ極端（第２の着磁部）１２ｓに対応するように、凹部１３と、Ｎ極端１２ｎおよびＳ極端１２ｓとの円周方向１１０の角度θがほぼ等しくなるように形成されている。このため、Ｎ極端１２ｎおよびＳ極端１２ｓが、Ｎ極部２１ｎおよびＳ極部２１ｓと軸方向７３ａに重なる位置において確実にステーターコイル２６への通電をオフに切り替えることができ、Ｎ極端１２ｎおよびＳ極端１２ｓが、Ｎ極部２１ｎおよびＳ極部２１ｓと軸方向７３ａに重ならない位置において確実にステーターコイル２６への通電をオンに切り替えることができる。したがって、検出部１３と、隣接する第１の着磁部１２ｎおよび第２の着磁部１２ｓとの円周方向１１０の角度θがほぼ等しくなるように、円周方向１１０のサイズｗを規定した凹部１３を配置する簡易な構成により、ステーターコイル２６への通電のオンオフ制御を確実に行うことができ、トルク向上を図りやすいモーター本体１を提供できる。

なお、本発明に係るモーター本体１を備えたインホイールモーター８０は、四輪駆動車だけでなく、ハイブリッド車、電動二輪車、電動車椅子など電動駆動の各種車両にも搭載可能である。

１モーター本体（アキシャルモーター）
１０ローター
２０ステーター
３０近接センサー
８０インホイールモーター

Claims

軸の周りに回転する円盤状のローターと、
前記ローターの軸方向の両側に配置される１組のステーターとを有するアキシャルギャップ型のモーターであって、
前記ローターは、前記軸方向の両側の端面に磁極が現れるように着磁された複数の着磁部が、前記両側の端面の周縁に沿って配置された着磁領域を含み、
前記１組のステーターは、前記着磁領域に面するように配置された複数のステーターコイルを含み、
前記ローターは、さらに、前記複数の着磁部の回転位置により前記複数のステーターコイルの通電状態を切り替えるタイミングをそれぞれ検出する複数のセンサーに前記回転位置をそれぞれ提供する複数の検出部が、少なくとも１方の前記端面の前記着磁領域よりも内側に配置された検出領域を含み、
前記複数の検出部は、複数の同心円に沿って分散して配置されており、第１の同心円の検出部は、前記第１の同心円と径の異なる第２の同心円の周方向に隣接する第１の検出部および第２の検出部のそれぞれに対し径方向に重複するように配置され、周方向に隣接するステーターコイルの通電状態を切り替える第１のセンサーおよび第２のセンサーは、前記第１の同心円および前記第２の同心円にそれぞれ対面するように配置されており、前記第１のセンサーおよび前記第２のセンサーは、径方向に異なる検出部により独立して制御される、モーター。
請求項１において、
前記複数の検出部のそれぞれは、前記少なくとも１方の端面に対して窪んだ凹部または前記少なくとも１方の端面に対して突出した凸部を含む、モーター。
請求項１または２において、
前記着磁領域は、前記複数の着磁部を構成する複数の棒磁石を含む、モーター。
請求項１ないし３のいずれかに記載のモーターと、
前記モーターの回転力を伝達するハブとを有する、インホイールモーター。
請求項４に記載のインホイールモーターを有する、車両。