JP6144434B2 - 電気モータ又は発電機 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータ又は発電機、より詳しくは冷却チャネルを有する電気モータ又は発電機に関する。

環境にやさしい車両への関心の高まりにつれて、電気自動車のための駆動トルクを与えるために電気モータを利用することに関心が高まっている。

電気モータは電流搬送ワイヤが磁界の存在下にあるとき力を受けるという原理で動作する。電流搬送ワイヤが磁界と直角に置かれたとき電流搬送ワイヤに与えられる力は磁界の磁束密度に比例する。一般に、電気モータでは電流搬送ワイヤに与えられる力は回転トルクとして形成される。

電気モータの既知のタイプの例としては、誘導モータ、ブラシレス永久磁石モータ、スイッチドリラクタンスモータ及び同期スリップリングモータがあり、これらのモータは当業者に周知のようにロータとステータを有する。

商業的分野においては３相電気モータが利用可能な最も一般的な種類の電気モータである。

３相電気モータは、一般に３個のコイルセットを有し、各コイルセットは３相の交流電圧のうち１つと関連する磁界を発生させるよう配列される。

電気モータ内に形成される磁極の数を増加するため、各コイルセットは、一般に、電気モータの周囲に沿って分布され、回転磁界を生ずるよう駆動される多数のコイルサブセットを有する。

３相電気モータの３個のコイルセットは、一般にΔ形又はＹ形のどちらかに構成される。

ＤＣ電源を有する３相電気モータ用の制御ユニットは、一般に電気モータを駆動する３相電圧源を発生させる３相ブリッジインバータを含む。対応する電圧相は電気モータの対応するコイルセットにそれぞれ供給される。

一般に、３相ブリッジリッジインバータはパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧制御を用いて３相電圧源を発生する。ＰＷＭ制御は、モータインダクタンスを用いて印加パルス電圧を平均化し、モータコイルに所要電流を供給するように動作する。ＰＷＭ制御を用いて印加電圧をモータコイルの両端間でスイッチする。このオン期間の間、モータコイルの電流はそのインダクタンス及び印加電圧により決まる速度で増大する。ＰＷＭ制御は、電流の精密な制御が達成されるように電流が大きく変化しすぎる前にスイッチオフしなければならない。

３相ブリッジインバータは複数のスイッチング装置、例えば絶縁ゲートバイポーラトランシーバ（ＩＧＢＴ）のような電力電子スイッチ、を含む。

電気自動車モータとの関連において、益々人気が増してきているドライブ設計は電気モータとその関連制御システムを自動車の車輪に内蔵したインホイール電気モータである。

しかしながら、電気モータとその関連制御システムの自動車車輪内への内臓は、電気モータの効率及び電力発生能力の低下をもたらし得る温度上昇の管理に多大な配慮を課す。

本発明の一態様によれば、添付の請求の範囲に記載の電気モータ又は発電機が提供される。

請求の範囲に記載の発明は、電気モータ内の複数の構成要素を冷却するために単一の冷却チャネルを使用することができ、その単一チャネルは異なる構成要素の冷却要件に基づいて最適化された冷却を提供するように構成することができるという利点を提供する。

以下に、一例として、添付図面を参照して本発明を説明する。

本発明を具現するモータの分解図を示す。 別角度から見た図１のモータの分解図である。 本発明の一実施形態によるステータの断面図を示す。 本発明の一実施形態によるステータの断面図を示す。 本発明の第１の実施形態による冷却チャネルの鋳型を示す。 本発明の第２の実施形態による冷却チャネルの鋳型を示す。

図１及び図２は本発明による冷却機構を有する電気モータを内蔵する電気モータアセンブリを示し、この電気モータアセンブリは内臓電子機器を含み、車輪内に組み込むように構成されたハブモータ又はインホイールモータとして使用するように構成されている。しかしながら、本発明は任意の形態の電気モータに適用することができる。電気モータは発電機として構成することもできる。

本実施形態の目的のために、図１及び図２に示すように、インホイール電気モータはステータアセンブリ２５２とロータアセンブリ２４０を含む。ステータアセンブリ２５２は、冷却チャネルを有するヒートシンク２５３と、多数のコイル２５４と、ステータの後部に装着されるコイル駆動用の電子モジュール２５５と、ステータの後部に形成された凹部２５７でステータに装着されるキャパシタ（図示せず）を備える。好ましい実施形態において、キャパシタは環状キャパシタ要素である。

コイル２５４はステータの積層歯に形成され、コイル巻線を形成する。ステータカバー２５６がステータ２５２の後部に装着され、電子モジュール２５５を封鎖してステータ２５２が形成され、ステータ２５２はその後車両に固定され、使用中車両に対して回転しない。

電子モジュール２５５は２つの制御装置４００を含み、各制御装置４００はインバータ及び制御論理装置を含み、制御論理装置は本実施形態ではインバータの動作を制御するプロセッサを含む。

電子モジュール２５５内に収容されるインバータへのインダクタンスの影響を低減するために、電流のスイッチング時に、ステータに装着されたキャパシタが電気モータのインバータのための局部電圧源として使用される。キャパシタをインバータに近接して配置することによって、電圧源と関連するインダクタンスは最小になる。

ロータ２４０は、前部２２０と、ステータ２５２を実質的に取り囲むカバーを形成する円筒部２２１とを備える。ロータは円筒部２２１の内面の周囲に配置された複数の永久磁石２４２を含む。本実施形態において、３２対の磁石が円筒部２２１の内面に装着される。しかしながら、任意の数の磁石対を使用してよい。

磁石は、ステータ２５２上のコイル巻線に極めて接近して位置するため、コイルにより発生される磁界がロータアセンブリ２４０の円筒部２２１の内面の周囲に配置された磁石２４２と相互作用してロータアセンブリ２４０を回転させる。永久磁石２４２は電気モータを駆動する駆動トルクを発生させるために使用されるので、永久磁石は一般に駆動磁石と呼ばれている。

ロータ２４０は、軸受ブロック２２３によりステータ２５２に取り付けられる。軸受ブロック２２３は、このモータアセンブリが固定される車両で使用されるような標準的な軸受ブロックであってよい。軸受ブロックは二つの部品、すなわちステータに固定される第１部分と、ロータに固定される第２部分とからなる。軸受ブロックは、ステータ２５２の壁の中心部２５３と、ロータ２４０のハウジング壁２２０の中心部２２５とに固定される。このように、ロータ２４０は、ロータ２４０の中心部２２５で軸受ブロック２２３を介して車両に回転可能に固定される。これには、通常の車輪ボルトを用いてホイールリムとタイヤを中心部２２５でロータ２４０に固定して、ホイールリムをロータの中心部に固定することができ、その結果として軸受ブロック２２３の回転側にしっかりと固定することができるという利点がある。車輪ボルトは、ロータの中心部２２５を通して軸受ブロック自体に固定してもよい。ロータ２４０と車輪の両方が軸受ブロック２２３に取り付けられる場合、ロータと車輪の回転角度の対応は１対１になる。

図２は、図１と同じアセンブリを反対側から見た分解図であり、ステータアセンブリ２５２とロータアセンブリ２４０を示している。ロータアセンブリ２４０は、外部ロータ壁２２０と周壁２２１とを備え、その周壁内には磁石２４２が円周方向に配置されている。上述したように、ステータアセンブリ２５２はロータ及びステータ壁の中心部で軸受ブロックによってロータアセンブリ２４０に連結される

ロータの周壁２２１とステータの外縁との間にＶ字形シールが設けられる。

ロータは、別名整流磁石として知られている、位置検出用の一組の磁石２２７も含み、これらの磁石はステータに装着されたセンサと連携してロータ磁束の角度を推定することができる。ロータ磁束の角度はコイル巻線に対する駆動磁石の位置関係を決定する。代案として、一組の個別の磁石の代わりに、ロータは一組の個別の磁石として作用する複数の磁極を有する磁性材料のリングを含んでもよい。

整流磁石をロータ磁束角度の計算に使用可能にするためには、各駆動磁石は関連する整流磁石を有するものとし、測定された整流磁石磁束角度を較正することによって、一組の整流磁石と関連する磁束角度からロータ磁束角度を導出するのが好ましい。整流磁石磁束角度とロータ磁束角度との間の相関を簡単にするためには、一組の整流磁石は駆動磁石対の組と同数の磁石又は磁極を有するものとし、整流磁石と、関連する駆動磁石とが互いに半径方向に略整列するようにするのが好ましい。従って、本実施形態においては、一組の整流磁石は３２対の磁石を有し、その各磁石対はそれぞれの駆動磁石対と半径方向に略整列する。

センサ（本例ではホールセンサ）がステータに装着される。センサは、ロータが回転するにつれて、整流磁石リングをそれぞれ構成する整流磁石の各々がセンサを通過して回転するように配置される。

ロータがステータに対して回転すると、これに対応して整流磁石もセンサを通過して回転し、ホールセンサはＡＣ電圧信号を出力し、センサを通過する各磁石対に対して３６０電気角度の完全電圧サイクルを出力する。

位置検出を向上させるためには、センサは第１のセンサから９０電気角度ずらせて置いた関連する第２のセンサを含むのが好ましい。

本実施形態では、モータは２つのコイルセットを含み、各コイルセットが３相サブモータを形成するためにＹ構造に結合された３つのコイルサブセットを有し、２つの３相サブモータを有するモータをもたらす。しかしながら、本実施形態は２つのコイルセット（即ち２つのサブモータ）を有する電気モータを記載するが、このモータは３つ以上のコイルセット（即ち３つ以上のサブモータ）を関連する制御装置とともに含んでもよい。例えば、好ましい実施形態では、モータは８個のコイルセットを含み、各コイルセットが３相サブモータを形成するためにＹ構造に結合された３つのコイルサブセットを有し、８個の３相サブモータを有するモータをもたらす。

図３はステータヒートシンク２５３の断面図を示し、冷却チャネル３００がステータヒートシンク２５３の円周部に形成される。以下に記載するように、冷却剤が冷却チャネル３００を循環するように構成される。

冷却チャネル３００は第１の部分３１０と第２の部分３２０を有し、第１の部分３１０が第２の部分３２０と実質的に直交する向きになるように構成される。第１の部分３１０と第２の部分３２０は単一の冷却チャネル３００を形成し、冷却剤が第１の部分３１０及び第２の部分３２０を流れるように構成される。更に、第１の部分３１０と第２の部分３２０は、冷却剤が第１の部分３１０と第２の部分３２０との間を流れ得るように結合される。

図４に示すように、冷却チャネル３００の第１の部分３１０の一側面はステータヒートシンク２５３の第１の表面４１０に隣接して延在するように配置される。

冷却チャネル３００の第１の部分３１０の第２の側面はステータヒートシンク２５３の第２の表面４２０に隣接して延在するように配置され、図４に示すようにこの第２の表面４２０上に制御装置４００が装着される。

更に、冷却チャネル３００の第２の部分３２０の一側面はステータヒートシンク２５３の第３の表面４３０に隣接して延在するように配置される。図４に示すように、この第３の表面４３０上にステータ歯及びコイル巻線２５４が装着される。

冷却チャネル３００の第２の部分の第２の側面はステータヒートシンク２５３の第４の表面４４０に隣接して延在するように配置され、この第４の表面４４０は、図４に示すように、キャパシタ４５０を収容する凹部２５７の一側面を形成する。

従って、本発明は、電気コイル２５４、第１の電気装置（即ち制御装置４００）及び第２の電気装置（即ちキャパシタ４５０）を冷却するように構成された冷却チャネルを有する冷却機構を提供する。

冷却チャネル３００の好ましい構成を説明するために、図５はステータヒートシンク２５３内に冷却チャネル３００を形成するために使用する冷却チャネル鋳型５００の好ましい実施形態を示す。好ましくは、ステータヒートシンク２５３は砂型鋳造プロセスを用いて形成され、冷却チャネル鋳型５００は砂から成形される。しかし、任意の適切な成形プロセスを使用することができる。

当業者なら認識されるように、冷却チャネル鋳型５００の固体部分は冷却剤がステータヒートシンク２５３内で流れることができる冷却チャネルの部分に相当する。

これに対して、冷却チャネル鋳型５００に形成された空隙は冷却チャネル３００内の冷却剤が流れることができない部分に相当する。

冷却チャネル鋳型５００の機能部Ａは冷却チャネルの入口に相当し、ここで冷却流体が冷却チャネルに流入する。ステータヒートシンク２５３内において、冷却剤は冷却チャネル３００の直交する向きの部分（冷却チャネル３００の第１の部分３１０及び第２の部分３２０に相当する）を図５に示す冷却チャネル鋳型の向きに基づいて時計方向に周回する。

冷却チャネル鋳型５００の機能部Ｂは冷却チャネルの出口に相当し、ここで冷却流体が冷却チャネル３００から流出する。

冷却チャネル３００の入口部分の寸法は、冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０に向けられる冷却流体の量を決定するように構成するのが好ましい。例えば、冷却チャネルの入口内の突部を用いて冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０を循環する冷却流体の所要の割合を設定することができる。例として、冷却チャネルの第２の部分、即ちキャパシタ４５０とステータ歯の底面との間に挟まれた冷却チャネル部分に、より大きな量の冷却流体が要求される場合には、冷却チャネルの入口内の突部を用いて冷却剤の大部分を冷却チャネル３００のこの部分に沿って送ることができる。

冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０の間を流れる冷却剤の量は、図５に示すように、冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０との界面に複数の突部５１０を挿入することによって最小にすることができる。突部５１０は冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０の間の冷却剤の流れの障害物として作用し、従って２つの部分３１０、３２０間の冷却流体の移動を禁止し、よって単一の冷却チャネルの使用が可能になるが、別個の部分３１０，３２０の冷却剤の量を独立に制御することができる。

好ましくは、突部５１０の有効性は、図６に示すように、それらの突部を拡張してリブ５２０を形成し冷却チャネルの相当部分を覆うことによって高めてもよい。

冷却チャネル３００の第１の部分３１０及び第２の部分３２０内の冷却剤の流れは事実上独立であるため、冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０の断面積は異なる冷却チャネル部分と関連する冷却の必要性に応じて独立に選択することができる。例えば、増加した冷却を要求される場合には、断面積を減少させて流量を増加させることができる。しかし、本発明実施形態に対しては、ステータヒートシンク２５３の侵食リスクを最小にするために流量は５メートル／秒未満に維持するのが好ましい。

冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０の冷却特性を更に微調整するために、第１部分３１０及び／又は第２の部分３２０内の異なる部分の断面積を特定の冷却要求に応じて変化させることができる。例えば、ステータヒートシンク２５３に装着される２つの制御装置４００の各々はステータヒートシンクの外周の４分の１の周囲に延在するのみであるので、ステータヒートシンク２５３の制御装置４００が装着される部分での冷却を高めるために、これらの場所における冷却チャネル３００の第１の部分３１０の断面積を制御装置４００が装着されない第１の部分３１０の断面積に対して減少させることができ、それによって制御装置４００が装着される場所におけるステータヒートシンク２５３の冷却能力を高めることができる。

従って、冷却要求に基づいて、冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０との間で冷却量を変化させることができるのみならず、冷却チャネル３００の第１の部分３１０と第２の部分３２０の両部分の周りの冷却量を変化させることもできる。

ステータヒートシンク２５３により与えられる冷却量を高める他の方法には、冷却チャネルの第１及び第２の部分の表面積を増加させる方法がある。目標位置、例えば制御装置４００の下部に増加した表面積を与える一つの方法は、図６に示すような冷却リブ５３０を組み込む方法である。

本実施形態は、電気モータの別個の構成要素及び関連する制御システムに最適な冷却を与えるように構成された直交部分を有する単一の冷却チャネルについて記載したが、電気モータは他の構成要素を冷却する追加の冷却チャネルを含んでもよく、追加の冷却チャネルは従来設計のものでも、上述した設計のものでもよい。

Claims (10)

1. 電気コイル装着用のステータ歯を有するステータと、ロータと、前記ロータへの回転トルクを発生させるために前記電気コイルの電流を制御するように構成された第１の電気装置と、前記第１の電気装置に供給される電流を変更する第２の電気装置とを備え、前記ステータは前記電気コイルと前記第１の電気装置と前記第２の電気装置を冷却するように構成された冷却チャネルを有する冷却機構を含み、
   前記冷却チャネルは第１の部分と第２の部分を有し、前記第１の部分が前記第２の部分と実質的に直交する向きになるように構成されており、
   前記冷却チャネルの前記第１の部分の一側面は前記電気コイルの第１の側面と平行に延在するように配置され、前記第１の部分の第２の側面は前記第１の電気装置の少なくとも一部分と平行に延在するように配置され、前記冷却チャネルの前記第２の部分の一側面は前記前記ステータ歯の第１の側面と平行に延在するように配置され、且つ前記冷却チャネルの前記第２の部分の第２の側面は前記第２の電気装置の少なくとも一部分と平行に延在するように配置されている、電気モータ又は発電機。
2. 冷却流体が前記冷却チャネルの前記第１の部分と前記第２の部分を経て流れるように構成されている、請求項１記載の電気モータ又は発電機。
3. 前記冷却チャネルは冷却剤の流れを前記冷却チャネルの他の部分へ向ける少なくとも一つの機能部を有する、請求項２記載の電気モータ又は発電機。
4. 前記第１の部分及び前記第２の部分の断面積は、前記電気コイルと前記第１の電気装置と前記第２の電気装置の相対的な冷却要求に基づいて選択されている、請求項１〜３のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
5. 前記冷却チャネルは前記ステータの半径方向及び／又は円周方向に延在するように配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
6. 前記第１の電気装置はＩＧＢＴ又は他の電力制御装置である、請求項１〜５のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
7. 前記第２の電気装置は前記第１の電気装置へ流れる電流をフィルタリングするキャパシタである、請求項１〜６のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
8. 前記冷却チャネルの前記第１の部分及び／又は前記第２の部分の断面積は、前記ステータの周囲の異なる場所で前記冷却チャネルにより与えられる冷却量を変更するために前記ステータの周囲の前記異なる場所で変化している、請求項１〜７のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
9. 局所的領域に冷却部を与えるために前記冷却チャネル内に冷却リブが形成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
10. 流量の変化を与えて局所的な冷却を与えるために前記冷却チャネル内に冷却リブが形成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の電気モータ又は発電機。
    

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