JP3596230B2

JP3596230B2 - 車輪の支持構造

Info

Publication number: JP3596230B2
Application number: JP10346397A
Authority: JP
Inventors: 清伊賀; 良治水谷; 謙造奥田; 隆之勝田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: JPH10304645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インナーロータ型のホイールモータを搭載した車輪の支持構造に関する。
【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】
本発明のインナーロータ型のホイールモータを搭載した車輪の支持構造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。
【０００７】
すなわち本発明のホイールモータを搭載した車輪の支持構造は、インナーロータ型のホイールモータを搭載した車輪の支持構造であって、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、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ロータの外周に備え、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おり、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であって車輪のリム幅内に配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
この車輪の支持構造によれば、ホイールモータの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。
また、本発明の車輪の支持構造によれば、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であって車輪のリム幅内に配置されている。つまり、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。
【０００９】
本発明の車輪の支持構造における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。
【００１３】
本発明の車輪の支持構造に用いられる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】
本発明の車輪の支持構造に用いられる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３１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個のティース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２８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、本発明の車輪の支持構造によれば、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。特に、サスペンションアームと車輪支持体との接続点がディスクホイールのリム幅内に配置されているので、良好な操縦性や走行安定性が期待できる。
【００５０】
また、本発明によれば、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、２０、７０…ケース、２３、６０…ハブベアリング、２６、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。

Claims

インナーロータ型のホイールモータを搭載した車輪の支持構造であって、前記ホイールモータは、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、
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前記ロータの外周に備え、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おり、
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であって前記車輪のリム幅内に配置されていることを特徴とする車輪の支持構造。
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１に記載の車輪の支持構造。
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１に記載の車輪の支持構造。
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１に記載の車輪の支持構造。
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２に記載の車輪の支持構造。